DE1256949B

DE1256949B - Light metal pistons for internal combustion engines

Info

Publication number: DE1256949B
Application number: DEM52533A
Authority: DE
Inventors: Rudolph Daub
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 1961-05-05
Filing date: 1962-04-17
Publication date: 1967-12-21

Description

Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit einer Bewehrung der beiden Flanken mindestens einer Kolbenringnut durch im Kolbenwerkstoff verankerte Einlagen aus einem warmfesteren Metall, welche aus einzelnen oder durch verbindende Bogenstücke zu elastisch verformbaren Ringen zusammengefaßten vollwandigen Ringsegmenten bestehen, die in Achsenrichtung sowohl über die obere als auch über die untere Flanke der durch sie bewehrten Kolbenringnut hinausragen.Light alloy pistons for internal combustion engines The invention relates to a light metal piston for internal combustion engines with reinforcement of the two Flanks of at least one piston ring groove through inserts anchored in the piston material Made of a more heat-resistant metal, which is made up of individual or connecting pieces of elbow consist of full-walled ring segments combined to form elastically deformable rings, in the axial direction over both the upper and the lower flank of the protrude through the reinforced piston ring groove.

Bei Kolben dieser Bauart wird eine sichere Verankerung der Bewehrungsteile im Kolbenkörper dadurch begünstigt, daß die getrennt voneinander angeordneten oder durch verbindende Bogenstücke zu elastisch verformbaren Ringen zusammengefaßten Ringsegmente der bei Temperaturänderungen auftretenden Ausdehnung des aus Leichtmetall bestehenden Kolbenkörpers folgen können, ohne daß dabei die an den Anlageflächen auftretenden Schubspannungen so groß werden, daß die Schubfestigkeit überschritten wird. Dabei liegen die Ringnutflanken teils im Kolbenkörper und teils in den Einlagesegmenten bzw. in den diese verbindenden Bogenstücken. Daraus ergibt sich einerseits der Vorteil, daß der Wärmefluß in den vom Kolbenwerkstoff gebildeten Ringnutteilen nicht behindert wird. Andererseits erfordert aber die Aufteilung der Ringnutbewehrungen in einzelne, wenn auch vorzugsweise untereinander verbundene Segmente besondere Verankerungsmaßnahmen. Es ist insbesondere notwendig, für eine in Achsenrichtung wirksame formschlüssige Verankerung der im Bereich der Ringnutflanken befindlichen Einlagenteile, z. B. durch schwalbenschwanzähnliche Gestaltung der Begrenzungsflächen dieser Teile, zu sorgen, um deren Lockerung durch axial wirkende Massenkräfte (Trägheitswiderstände) und durch das Hämmern der mit axialem Spiel eingesetzten Kolbenringe vorzubeugen.With pistons of this type, the reinforcement parts are securely anchored favored in the piston body in that the separately arranged or summarized by connecting bow pieces to form elastically deformable rings Ring segments of the expansion of the light metal that occurs when the temperature changes existing piston body can follow without affecting the contact surfaces occurring shear stresses are so great that the shear strength is exceeded will. The ring groove flanks lie partly in the piston body and partly in the insert segments or in the curved pieces connecting them. On the one hand, this has the advantage that the heat flow in the ring groove parts formed by the piston material is not hindered will. On the other hand, however, the division of the annular groove reinforcements into individual, even if segments that are connected to one another preferably have special anchoring measures. It is particularly necessary for a form-fitting to be effective in the axial direction Anchoring the insert parts located in the area of the annular groove flanks, e.g. B. due to the dovetail-like design of the boundary surfaces of these parts ensure that they are loosened by axially acting inertial forces (inertial resistances) and to prevent this by hammering the piston rings inserted with axial play.

Die bisher bekanntgewordenen Leichtmetallkolben mit vollwandigen Ringsegmenteinlagen lassen eine derartige Verankerung vermissen. Da es sich dabei stets um Kolben mit durch Gießen hergestellten Einlagen handelt, wäre sie auf wirtschaftlichere Weise auch nicht ohne weiteres zu erreichen gewesen, denn um schwalbenschwanzähnlich einspringende Begrenzungsflächen beim Gießen herzustellen, wären schwer herstellbare und verwickelte Gießformen erforderlich gewesen.The previously known light metal pistons with full-walled ring segment inserts lack such anchoring. Since it is always about pistons with cast insoles, it would be more economical also not to be reached easily, because around swallowtail-like jumpers Making boundary surfaces during casting would be difficult to make and intricate Molds have been required.

Andererseits sind Leichtmetallkolben mit nicht vollwandigen, durch Ausstanzen aus einem Blechstreifen gewonnenen Flankenbewehrungen für die Kolbenringnuten bekannt, bei denen eine einwandfreie Verankerung auf verhältnismäßig einfache Art durch beim Stanzen aufgebogene Teile erreicht ist. Diese bekannte Bauart befriedigt jedoch deshalb nicht, weil die aufgebogenen Teile die zwischen den einzelnen Kolbenringnuten befindlichen Ringstege nicht unerheblich schwächen.On the other hand, light alloy pistons with not full-walled, through Punching out flank reinforcements for the piston ring grooves obtained from a sheet metal strip known, in which a proper anchoring in a relatively simple way is achieved by parts bent open during punching. This known design is satisfactory however, not because the bent parts between the individual piston ring grooves not inconsiderably weaken the ring ridges.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Ringträgerkolben zu schaffen, der die Vorteile der beiden bekannten Bauarten, nämlich leichte Herstellbarkeit, niedriges Gewicht, Billigkeit, Fähigkeit des Ringträgers, sich dem Wärmeausdehnungsverhalten des aus Leichtmetall bestehenden Kolbenkörpers anzupassen, und einwandfreie Verankerung des Ringträgers im Leichtmetallkolbenkörper in sich vereinigt, ohne dabei auch deren Nachteile aufzuweisen.The invention is now based on the object of a ring carrier piston to create, which the advantages of the two known types, namely easy manufacturability, low weight, cheapness, ability of the ring carrier to adapt to the thermal expansion behavior of the piston body made of light metal, and perfect anchoring of the ring carrier combined in the light metal piston body without also their Have disadvantages.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Leichtmetallkolben der eingangs erwähnten Art mit dem Kolbenwerkstoff in Berührung stehende Stirnflächen der von der Kolbenringnut angeschnittenen Teile der Einlagen an ihren von den Ringnutflanken abgewandten Rändern seitlich (in radialer und/oder tangentialer Richtung) überstehende Wülste aufweisen, die durch Prägen der aus den zu den Ringnutflanken parallelen Teile der Einlagen verdrängten Werkstoff gebildet sind und gegen die Ringnutflanken schwalbenschwanzähnlich einspringende Begrenzungsflächen aufweisen.According to the invention, this object is achieved in that, in the case of a light metal piston of the type mentioned at the beginning, which are in contact with the piston material of the parts of the inserts cut by the piston ring groove on their flanks of the ring groove facing away edges laterally (in the radial and / or tangential direction) protruding Have beads that are formed by embossing from the parallel to the annular groove flanks Parts of the deposits are formed from displaced material and against the annular groove flanks Have dovetail-like re-entrant boundary surfaces.

Es werden also vollwandige, sich in Achsenrichtung über beide Nutflanken hinaus erstreckende Ringträger der zuerst besprochenen Bauart durch eine Gestaltung entsprechend der sodann genannten Bauart in tangentialer Richtung elastisch nachgiebig gemacht, so daß die Notwendigkeit entfällt, sie aus teuren Werkstoffen mit großer Wärmeausdehnung herzustellen oder sie metallisch mit dem Kolbenwerkstoff zu binden; und es werden die dann zur Verankerung erforderlichen Begrenzungsflächen, die bei einem derartigen Stück Hinterschneidungen bilden, in einfacher Weise durch Werkstoffverdrängung gebildet.So there are full walls, extending in the axial direction over both groove flanks extending beyond Ring carrier of the type discussed first a design corresponding to the type mentioned then in the tangential direction Made resiliently resilient, eliminating the need to make them out of expensive ones Manufacture materials with high thermal expansion or they are metallic with the To bind piston material; and it will then be necessary for anchoring Boundary surfaces that form undercuts in such a piece in easily formed by material displacement.

Wie man dabei vorgehen kann, wird an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt F i g. 1 einen Teil einer einen Ringträger bildenden Einlage in Draufsicht, F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der F i g. 1 in größerer Darstellung, F i g. 3 einen Schnitt aus einem Kolbenrohling mit eingegossener Einlage nach F i g. 1, F i g. 4 denselben Schnitt nach der Fertigbearbeitung des Kolbens, F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in F i g. 4 und F i g. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI der F i g. 5; F i g. 7 zeigt die abgewandelte Ausbildung einer einen Ringträger bildenden Einlage, die im übrigen der Ausführung nach F i g. 1 gleicht; F i g. 8 stellt einen Schnitt nach der Linie VIII-VIII der F i g. 7 dar, und F i g. 9 zeigt einen Schnitt durch einen Kolben ähnlich dem gemäß F i g. 4, wobei jedoch die Einlage nach F i g. 7 ausgebildet ist; F i g. 10 stellt einen Teil einer anderen Einlage dar; F i g. 11 ist ein Schnitt nach der Linie XI-XI der F i g. 10, und F i g. 12 zeigt einen Teil eines Kolbens mit einem Ringträger gemäß F i g. 10 in Ansicht; F i g. 13 zeigt einen Teil einer weiteren, einen Ringträger bildenden Einlage, dessen Querschnittsprofii im Schnitt nach der Linie XIV-XIV aus F i g. 14 ersichtlich ist; F i g. 15 zeigt einen Schnitt nach der Linie XV-XV in F i g. 16 aus einem Kolben mit einer Einlage gemäß F i g. 13; F i g. 16 ist ein Schnitt nach der Linie XVI-XVI der F i g. 15, und F i g. 17 stellt einen Schnitt nach der Linie XVII-XVII der F i g. 16 dar.How one can proceed here is based on exemplary embodiments explained, which are shown in the drawing. It shows F i g. 1 part of a an insert forming a ring carrier in plan view, FIG. 2 a section after Line II-II of FIG. 1 in a larger representation, FIG. 3 a section from a Piston blank with cast insert according to FIG. 1, Fig. 4 same cut after finishing the piston, FIG. 5 shows a section along the line V-V in Fig. 4 and FIG. 6 shows a section along the line VI-VI in FIG. 5; F i g. 7 shows the modified design of an insert forming a ring carrier, which otherwise the execution according to FIG. 1 equals; F i g. 8 reproduces a section the line VIII-VIII of FIG. 7, and FIG. 9 shows a section through a Piston similar to that according to FIG. 4, but the insert according to FIG. 7 trained is; F i g. Figure 10 illustrates part of another liner; F i g. 11 is a section according to the line XI-XI of FIG. 10, and FIG. 12 shows part of a piston with a ring carrier according to FIG. 10 in view; F i g. 13 shows part of a further insert forming a ring carrier, the cross-sectional profile of which in section according to the line XIV-XIV from FIG. 14 can be seen; F i g. 15 shows a section along the line XV-XV in FIG. 16 from a piston with an insert according to FIG. 13; F i g. 16 is a section along the line XVI-XVI of FIG. 15, and FIG. 17th represents a section along the line XVII-XVII of FIG. 16 fig.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 bis 6 findet als Einlage 10 ein Ringträger Verwendung, der radial gerichtete Segmentteile 11 aufweist, welche unter sich durch einen äußeren Ringteil 12 verbunden sind, dessen Außendurchmesser größer ist als derjenige des bearbeiteten Kolbens, so daß ein Teil des äußeren Ringteiles bei der späteren Bearbeitung wegfällt. Die Höhe des Ringträgers in Achsenrichtung ist größer als die Tiefe der einzustechenden Ringnut 15. Die obere und untere Fläche des Ringträgers ist zunächst eben, so daß der Querschnitt die in F i g. 2 in gestrichelten Linien angedeutete Form hat. In dieser Form kann er aus Blech ausgestanzt oder gegossen werden. Bei der Herstellung durch Gießen empfiehlt es sich, eine Büchse mit einem Querschnitt gemäß den Umrißlinien der F i g. 1 zu gießen und von dieser die einzelnen Ringträger abzustechen. Der Gußwerkstoff muß jedoch durch Prägen verformbar sein. Gut geeignet ist Kugelgraphitstahl. In das so erhaltene Rohstück werden mittels geeigneter Prägewerkzeuge Vertiefungen 13 in die obere und untere zu den Ringnutflanken parallele Fläche so eingedrückt, daß der Werkstoff nach der inneren Stirnseite hin ausweicht und dort überstehende Wülste mit gegen die Ringnutflanken schwalbenschwanzähnlich einspringenden Begrenzungsflächen 14 bildet.In the embodiment according to FIGS. 1 to 6, a ring carrier is used as insert 10 , which has radially directed segment parts 11 which are interconnected by an outer ring part 12, the outer diameter of which is greater than that of the machined piston, so that part of the outer ring part during later machining ceases to exist. The height of the ring carrier in the axial direction is greater than the depth of the ring groove 15 to be pierced. 2 has the shape indicated in dashed lines. In this form it can be punched out of sheet metal or cast. When manufacturing by casting, it is advisable to use a sleeve with a cross-section according to the outlines of FIGS. 1 and cut off the individual ring carriers from this. However, the cast material must be deformable by stamping. Nodular graphite steel is well suited. In the raw piece obtained in this way, indentations 13 are pressed into the upper and lower surfaces parallel to the ring groove flanks by means of suitable stamping tools so that the material gives way to the inner face and there forms protruding beads with dovetail-like recessed boundary surfaces 14 against the ring groove flanks.

Der dadurch fertiggestellte Ringträger wird in bekannter Weise in das zur Herstellung eines aus Leichtmetall bestehenden Kolbenkörpers 1 dienende Gießwerkzeug eingelegt und mit Leichtmetall umgossen, wobei eine gute Verankerung durch die Segmentteile 11, die Vertiefungen 13 und die schwalbenschwanzähnlichen Begrenzungsflächen 14 gewährleistet ist. Beim Abdrehen des Kolbens auf den gewünschten Durchmesser und beim Einstechen der Kolbennut 15 fällt von dem Ringteil 12 des Ringträgers der größte Teil weg (F i g. 4 und 6). Die verbleibenden schmalen Bänder sind elastisch genug, um dem Ausdehnungsbestreben des Kolbenkörpers 1 folgen zu können. Sie sind durch die Begrenzungsflächen 14 in Achsenrichtung einwandfrei verankert. Das in die Vertiefungen 13 beim Umgießen eingeflossene Leichtmetall wirkt verankernd in radialer Richtung und stützt außerdem gegen tangential gerichtete Kräfte ab, die beim Einstechen der Kolbenringnut 15 auftreten. Eine kräftige Verankerung in radialer Richtung ist außerdem durch die Segmentteile 11 gegeben.The ring carrier thus completed is inserted in a known manner into the casting tool used to produce a piston body 1 made of light metal and encapsulated with light metal, with good anchoring by the segment parts 11, the depressions 13 and the dovetail-like boundary surfaces 14 being ensured. When the piston is turned to the desired diameter and when the piston groove 15 is pierced, most of the ring part 12 of the ring carrier falls away (FIGS. 4 and 6). The remaining narrow bands are elastic enough to be able to follow the expansion efforts of the piston body 1. They are properly anchored in the axial direction by the boundary surfaces 14. The light metal that has flowed into the recesses 13 during casting has an anchoring effect in the radial direction and also supports against tangentially directed forces that occur when the piston ring groove 15 is pierced. Strong anchoring in the radial direction is also provided by the segment parts 11.

Das Ausführungsbeispiel nach den F i g. 7 bis 9 unterscheidet sich von dem vorher besprochenen nur dadurch, daß schrägflächige Einprägungen 13' vorgesehen sind.The embodiment according to FIGS. 7 to 9 differs from the previously discussed only in that inclined impressions 13 'are provided are.

Beim Beispiel nach den F i g. 10 bis 12 findet als Einlage 20 ein Ringträger Verwendung, dessen zur Nutflankenbewehrung dienende Segmentteile21 durch einen inneren Ringteil 26 verbunden sind. Zur Bildung schwalbenschwanzähnlicher Verankerungen dienen hier Begrenzungsflächen 24, welche durch Einprägen radial gerichteter Vertiefungen 23 erzeugt werden. Beim Beispiel nach den F i g. 13 bis 16 findet als Einlage 30 ein Ringträger Verwendung, dessen radial gerichtete Segmentteile 31 durch äußere und innere Bogenstücke 32 und 36 abwechselnd so verbunden sind, daß ein mäanderartiges Gebilde entsteht. Die schwalbenschwanzbildenden Begrenzungsflächen 34 sind durch tangential verlaufende Einprägungen 33 in den äußeren Bogenteilen 32 erzeugt.In the example according to FIGS. 10 to 12, a ring carrier is used as the insert 20 , the segment parts 21 of which are used for reinforcing the groove flanks and are connected by an inner ring part 26. Boundary surfaces 24, which are produced by embossing radially directed depressions 23, are used here to form dovetail-like anchorages. In the example according to FIGS. 13 to 16, a ring carrier is used as the insert 30 , the radially directed segment parts 31 of which are alternately connected by outer and inner curved pieces 32 and 36 in such a way that a meander-like structure is created. The dovetail-forming boundary surfaces 34 are produced by tangentially running impressions 33 in the outer arcuate parts 32 .

Claims

Claim: Light-emitting piston for internal combustion engines with a reinforcement of the two flanks of at least one piston ring groove by inlays anchored in the piston material made of a heat-resistant metal, which consist of individual or solid ring segments combined to form elastically deformable rings by connecting elbows, which in the axial direction over both the upper and the lower flank of the piston ring groove reinforced by it, characterized in that the end faces of the parts of the inserts (10, 20, 30) cut by the piston ring groove (15) in contact with the piston ring groove at their edges facing away from the ring groove flanks laterally (in radial and / or tangential direction) have protruding beads which are formed by embossing the material displaced from the parts of the inserts (10, 20, 30) that are parallel to the annular groove flanks and delimiting surfaces (14, 24, 24, 24, 34) . Considered publications: German patent application p 52005 XII / 47 f (published on 10 B. 1950); British Patent No. 885,795; U.S. Patent No. 2,689,773.