DE1103698B

DE1103698B - Pistons manufactured by forging or pressing, preferably made of an aluminum alloy for internal combustion engines and compressors

Info

Publication number: DE1103698B
Application number: DESCH26857A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Kraemer
Original assignee: Karl Schmidt GmbH
Current assignee: Karl Schmidt GmbH
Priority date: 1959-10-23
Filing date: 1959-10-23
Publication date: 1961-03-30

Description

Durch Schmieden oder Pressen hergestellter Kolben, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung für Brennkraftmaschinen und Kompressoren Gegenstand der Erfindung ist ein Kolben für Brennkraftmaschinen und Kompressoren, der vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist und der eine Kühlvorrichtung im Kopf oberhalb und hinter der Ringpartie besitzt.Pistons made by forging or pressing, preferably from an aluminum alloy for internal combustion engines and compressors is the subject of Invention is a piston for internal combustion engines and compressors, which is preferably is made of an aluminum alloy and has a cooling device in the head above and behind the ring belt.

Die Anordnung von Räumen zur Aufnahme .eines Kühlmittels oder als Wärmesperre zwecks Regelung des Wärmeflusses von denn thermisch hoch beaufschlagten Kolbenboden zu der Ringpartie bzw. den Kolbenbolzenaugen bei durch Gießen hergestellten Kolben gelingt ohne Überwindung wesentlicher Schwierigkeiten. Umderartige Hohlräume jedoch in Kolben vorzusehen, die durch Schmieden oder Pressei hergestellt werden, sind bereits mancherlei Vorschläge gemacht und erprobt worden, die in der Regel die Anbringung von Schweißnähten oder Schweißverbindungen bedingen. So ist es z. B. bekannt, in dem Kopf des Kolbenrohlings mittels spangebender Werkzeuge eine ringförmig verlaufende Ausnehmung in Form eines in sich geschlossenen Kanals vorzusehen, die an -der Oberfläche des Kopfes offen ist und daher nachträglich wieder verschlossen werden muß, wenn sie mit dem Kühlmittel gefüllt worden ist. In der Regel findet hiefür eine Abdeckung Anwendung. Der Verschlußring soll das Eindringen von Schweißmetall in den Ringkanal verhindern, wenn die Öffnung verschweißt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die verhältnismäßig große Schweißnaht infolge ,der während des Betriebes auftretenden Wärmespannungen nach verhältnismäßig kurzer Zeit aufreißt und damit der Kühlmittelraum undicht wird.The arrangement of spaces to accommodate .a coolant or as Thermal barrier for the purpose of regulating the flow of heat from the thermally highly exposed Piston crown to the ring belt or the piston pin bosses produced by casting Piston succeeds without overcoming significant difficulties. Such cavities but to be provided in pistons that are manufactured by forging or pressing, Many suggestions have already been made and tested, as a rule require the application of weld seams or welded joints. So it is z. B. known, in the head of the piston blank by means of cutting tools an annular to provide extending recess in the form of a self-contained channel that on the surface of the head is open and therefore subsequently closed again must be when it has been filled with the coolant. Usually takes place a cover application for this. The locking ring is designed to prevent the penetration of weld metal Prevent from entering the ring channel when the opening is welded. It has, however shown that the relatively large weld seam as a result of the operation occurring thermal stress ruptures after a relatively short time and thus the coolant compartment is leaking.

Es ist ferner nicht mehr neu, im Bereich der Kolbendichtungsringe am Kopf eines ,geschmiedeten Kalbenrohlings einen Ringraum nachträglich herauszuarbeiten, der den Wärmefluß nach den Kolbenvcrdichtungsringen hemmen soll, indem .eine Ringnut von einer den Kolbenboden überhöhenden Wandverstärkung aus eingestochen und der stehenbleibende kegelmantelförm:ige Bodenteil gegenüber dem stehenblenbenden ringförmigen Schaftteil eingebogen wird, bis die Öffnung zwischen den beiden Teilen verschlossen ist. Um hierbei eine ausreichende Abdichtung gegen d,as Eindringen heißer Feuergase durch den Berührungsspalt in den Ringraum herzustellen, wo selbst sie eine Überhitzung des Kolbenwerkstoffes andernfalls herleiten können, muß der Spalt verschweißt werden. Die Schweißnaht läuft aber auch hier Gefahr, während des Betri-abes undicht zu werden.It is also no longer new in the area of piston sealing rings subsequently carve out an annular space on the head of a forged calf blank, which is intended to inhibit the flow of heat to the piston sealing rings by creating an annular groove pierced from a wall reinforcement that rises above the piston crown and the Stationary conical shell shape: ige bottom part opposite the stationary ring-shaped Shank part is bent until the opening between the two parts is closed is. In order to achieve a sufficient seal against the penetration of hot fire gases through the contact gap into the annulus, where even they overheat the piston material can otherwise be derived, the gap must be welded. The weld seam runs the risk of leaking during operation.

Eine andere Ausführung bei einem geschmiedeten Kolben besteht darin, den Kühlmittelraum so vorzusehen, daß die Ringpartie gesondert auf den Tauchkolben aufgesetzt und der Feuersteg nachträglich zur Halterung der aufgeschrumpften Ringpartie aufgeschraubt wird. Hierdurch gelingt es zwar, den Kühlraum genau zu dimensionieren, doch zeigt sich der .Nachteil, daß die Verschraubung während des Betriebes keine ausreichende Abdichtung gewährleistet.Another design of a forged piston is to to provide the coolant space so that the ring belt separately on the plunger attached and the top land subsequently to hold the shrunk-on ring belt is unscrewed. This makes it possible to dimension the cooling space precisely, but there is the disadvantage that the screw connection does not occur during operation adequate sealing guaranteed.

Es ist weiterhin nicht mehr nervt, im Kolbenkopf hinter der Ringpartie zur Stauung des Wärmeflusses von dem ersteren nach der letzteren und auch zu den Kolbenbolzenau,gen zwischen einer konzentrisch zur K olbenmantelwand verlaufenden Innenwand, die den Kolbenboden rnit den Kolbenbolzenaugen verbindet, und der Ringpartie selbst einen Ringraum vorzusehen, Dabei ist die Ringpartie mit den Nuten zur Aufnahme der Verdlichtungsringe des Kolbens als selbständiger Teil mit Schraubengewinden versehen, so daß er am Kolbenboden und an den Kolbenbolzenaugen mit denen .des Kolbens verbunden werden kann. Selbst wenn diese Schraubenverbindung noch durch Verschweißungen abgedichtet wird, reicht auch dieser Verschluß nicht aus, well während des Betriebes infolge der auftretenden Wärmespannungen Risse in der oberen Schweißnaht .entstehen.It is still no longer annoying in the piston head behind the ring belt to stagnate the flow of heat from the former to the latter and also to the Piston pin bosses between one that runs concentrically to the piston skirt wall Inner wall, which connects the piston crown with the piston pin bosses, and the ring belt even provide an annular space, the ring belt with the grooves for receiving the compression rings of the piston as an independent part with screw threads provided so that it matches those of the piston on the piston crown and on the piston pin bosses can be connected. Even if this screw connection is still made by welding is sealed, this closure is also not sufficient, well during operation as a result of the thermal stresses that occur, cracks occur in the upper weld seam.

Um Kanäle, die sich .in radialer Richtung von der Oberfläche des Kolbenmantels aus im Bereich hinter der Ringpartie erstrecken, zu verschließen, sind auch schon Verschlußstücke als Teile des Kolbenwerkstoffes, die längs ihrer Ränder mit dem letzteren verschweißt werden, bekanntgeworden.Around channels that extend in a radial direction from the surface of the piston skirt from extending in the area behind the ring belt, to close, are also already Closing pieces as parts of the piston material, which along their edges with the the latter are welded, became known.

Alle derartigen Schweißnähte zum Verschließen bzw. Abdichten von Räumen über und hinter der Ringpartie zur Aufnahme des Kühlmittels oder zur Einstellung der Wärmedämmung liegen im Bereich höchster thermischer und mechanischer Beanspruchung des Kolbens und haben bisher den erwarteten Erfolg nicht gebracht. Es zeigten sich immer wieder während des Betriebes des Kolbens Undichtigkeiten Es wird außerdem der Wärmefluß vom Kolbenboden zur Ringpartie durch die Schweißstelle sehr stark behindert und damit die Festigkeit derselben ungünstig beeinflußt.All such weld seams for closing or sealing rooms above and behind the ring belt for taking up the coolant or for setting the thermal insulation are in the range of the highest thermal and mechanical stress of Kolbens and have so far not brought the expected success. It always showed again during the operation of the piston leaks there is also the heat flow from the piston crown to the ring belt through the weld is very much obstructed and thus adversely affecting the strength of the same.

Um diesen Mangel zu beheben, ohne auf die durch eine Schweißverbindung herzustellende Abdichtung bei einem durch Schmieden oder Pressen hergestellten Kolben verzichten zu müssen, ist die Verschluß-bzw. Abdichtungsstelle des Raumes zur Aufnahme des Kiihlmittels.bzw.zur Wärmedämmung erfinidungsgemäß in den Bereich des Kolbenmantels unterhalb der Ringpartie und den Kolbenschaft gelegt. Dabei '. kann die Größe des Kühlraumes verschieden bemessen werden, indem beispielsweise nur der Bereich des zweiten oder dritten oberen Verdichtungsringes gekühlt wird. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Kühlraum bis zur Unterkante der Nute für den Olabstreifring zu erstrecken, so daß die ganze Ringzone eine Kühlung erfährt.To remedy this deficiency without having to rely on a welded joint The seal to be produced in a piston produced by forging or pressing To have to do without is the closure or. Sealing point of the room for inclusion of the coolant or for thermal insulation in accordance with the invention in the area of the piston skirt placed below the ring belt and the piston skirt. Included '. can be the size of the Cooling space can be dimensioned differently by, for example, only the area of the second or third upper compression ring is cooled. But it also exists the possibility of the cooling chamber up to the lower edge of the groove for the oil scraper ring to extend so that the entire ring zone experiences a cooling.

Zur Abdichtung in dem vorerwähnten Bereich kann unbedenklich eine Schweißnaht gelegt werden. Der Abschluß kann aber auch mittels eines Ringes von schwalbenschwanzförmigem oder U-profilartigem nuerschnitt erfolgen.For sealing in the aforementioned area, a Weld seam are placed. The conclusion can also be made by means of a ring from dovetail-shaped or U-profile-like cross-section.

v Die Anwendung dieser Maßnahme setzt voraus, daß der V erschluß- bzw. Abdichtungsspalt sich nur am unteren Ende des in Frage kommenden Raumes befindet. Der Verschlußkörper selbst ist ein aus dem Kolbenrohling mittels spangebender Werkzeuge herausgearbeiteter und mit dem Kolbenwerkstoff an seinem nach dem Kolbenkopf hinweisenden Ende mit diesem noch zusammenhängender, die Nuten zur Unterbringung der Verdichtungsringe tragender ringförmiger Verschlußkörper. Der letztere kann durch Ziehen durch einen Ring als Gesenk oder Pressen bzw. Walzen bis zum Einrasten seiner unteren Stirnfläche auf eine entsprechend gestaltete Aufnahmefläche am oberen Schaftteil des Kolbens befestigt werden. Das Verfahren muß selbstverständlich in erwärmtem Zustand des Kolbenrohlings erfolgen.v The application of this measure presupposes that the closure or sealing gap is only at the lower end of the room in question. The closure body itself is made from the piston blank by means of cutting tools worked out and with the piston material on its pointing to the piston head End with this even more connected, the grooves for accommodating the compression rings supporting annular closure body. The latter can be done by pulling through one Ring as a die or pressing or rolling until its lower face clicks into place onto a correspondingly designed receiving surface on the upper shaft part of the piston be attached. The process must of course be in the heated state of the Piston blank take place.

Zur Erfindung gehört :die Ausrüstung des Ver-"chlußkörpers mit Rippen, die seine innere Oberfläche vergrößern und damit eine Erhöhung der Kühlwirkung herbeizuführen vermögen. Die Rippen können aber auch zur Bemessung des Ringraumes für die Aufnahme des Kühlmittels dienen. Die Zuführung des Kühlöles erfolgt .bei einem solchen Kolben in an sich bekannter Art entweder dadurch, daß das Kühlmittel durch die hohlgebohrte Pleuelstange, den hohlen Kolbenbolzen und anschließende Bohrungen im Kolbenkopf geführt wird oder auch durch ein Stahlrohr, das einen geschlossenen Olstrahl unter Druck in den Kühlraum spritzt. Eine von der Pleuelstange vollhommen unabhängige Ölzu- und Ölabführung über Gelenk- oder Posaunenrohre ist auch bei dieser Kolbengestaltung durchführbar.The invention includes: equipping the closure body with ribs, which enlarge its inner surface and thus bring about an increase in the cooling effect capital. The ribs can also be used to dimension the annular space for the recording serve the coolant. The cooling oil is supplied with such a piston in a manner known per se either in that the coolant is drilled through the hollow Connecting rod, the hollow piston pin and subsequent bores in the piston head is guided or through a steel pipe, which a closed oil jet under Pressure splashes into the refrigerator compartment. One completely independent of the connecting rod Oil supply and drainage via articulated or trombone pipes is also available in this piston design feasible.

Die Abbildungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele. Sie zeigen Axialschnitte und jeweils einen Ausschnitt aus der Ringpartie eines Kolbens.The figures illustrate exemplary embodiments. they show Axial sections and each a section from the ring belt of a piston.

Ein Isolbenrohling,wie ihn die Abb. 1 veranschaulicht, ist durch Schmieden oder Pressen hergestellt Aus dem Rohling wird unter Anwendung spangebenderWerkzeuge ein Ringraum b herausgearbeitet, der zur Aufnahme des Kühlmittels oder auch als Wärmetau zur Verteilung des Wärmeflusses vom Kolbenhoden teils zur Ringpartie teils zu den Kolbenbolzenaugen hin dient. Auf diese Weise entsteht ein ringförmniger Körper c, der als Verschlußring bezeichnet wird. Die in der Abb.2 gestrichelt eingezeichnete Kontur entspricht der des Rohlings nach Abb. 1. Die ausgezogene Kontur entsteht durch spangebende Bearbeitung und zeigt die Gestalt des auf diese Weise vorgearbeiteten Rohlings. Um den Raum b nach außen abzuschließen, wird der Verschlußkörper c entsprechend der Darstellung in den Abb. 3 bis 9 in Richtung zum Kolbenkörper 2 bewegt. Dies kann durch einen Zieh-, Preß- oder Walzvorgang geschehen. An seiner unteren Stirnfläche rastet der Verschlußkörper c in eine entsprechend gestaltete Fläche d ein. Dieser Vorgang erfolgt bei Schmiedetemperatur. Sie beträgt im Falle der Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung des Kolbens 480' C maximal.An insulating blank, as illustrated in Fig. 1, is forging or pressing. Machining tools are used to produce the blank an annular space b worked out, which is used to accommodate the coolant or as Heat accumulation to distribute the heat flow from the piston testicle partly to the ring belt partly serves towards the piston pin bosses. This creates a ring-shaped body c, which is called the locking ring. The one shown in dashed lines in Fig The contour corresponds to that of the blank according to Fig. 1. The drawn-out contour is created by machining and shows the shape of the pre-machined in this way Blank. To close off the space b to the outside, the closure body c is accordingly 3 to 9 in the direction of the piston body 2. this can be done by a drawing, pressing or rolling process. On its lower face the closure body c engages in a correspondingly shaped surface d. This The process takes place at forging temperature. In the case of using a Aluminum alloy used to make the piston 480'C maximum.

Auf der Fläche d ist der Verschlußkörper c somit abgestützt. Der gesamte Verbrennungsdruck, der auf dem oberen Umfang des Kolbenbodens und auf den Kolbenringen lastet, wird somit in Betrieb von der Fläche d kraftschlüssig aufgenommen.The closure body c is thus supported on the surface d. The whole Combustion pressure on the top circumference of the piston crown and on the piston rings loaded, is thus absorbed by the surface d in a force-locking manner in operation.

Die Fläche d kann verschiedenartig gestaltet sein-Entsprechend den Angaben in der Abb.3 ist sie schräg nach dem Inneren des Kolbens hin geneigt. während sie in der Abb. 4 eine Ringnut na aufweist. Beim Einpressen des Verschlußstückes c ist in diesem Fall eine feste Verankerung mit dem übrigen Teil des Kolbens herbeigeführt.The surface d can be designed in various ways - corresponding to the As indicated in Fig.3, it is inclined towards the inside of the piston. while it has an annular groove na in Fig. 4. When pressing in the locking piece c in this case a firm anchoring with the remaining part of the piston is brought about.

Wie die Abb. 5 erkennen läßt, erfolgt das Zupressen des Ringraumes b durch,das Verschlußstück c, indem ein Teil des Kolbenschaftes n durch einen besonderen Prägevorgang im Kolbenschaft nach außen gedrückt wird und durch die gleichzeitig- -einsetzende Deformation des Kolbenschaftes an der Trennstelle zwischen c und dem oberen Teil des letzteren bei o.As shown in Fig. 5, the annular space is pressed shut b by, the closure piece c, by a part of the piston skirt n by a special Stamping process in the piston skirt is pressed outwards and by the simultaneous- -starting deformation of the piston skirt at the point of separation between c and the upper part of the latter at o.

Um eine Preßschweißung an der Spaltstelle herbeizuführen, wird entsprechend der Darstellung in der Abb. 6 verfahren. Der Verschlußkörper p wird aus dem Rohling bei der spangebenden Bearbeitung sc herausgearbeitet, daß noch ein gegenüber seinen normalen Abmessungen zusätzlicher Materialaufwand p vorhanden ist, der nach oder während des Schließvorganges so verformt ist, @daß er einen unterhalb des Spaltes liegenden Bereich q im Kolbenschaft ausfüllt, der ebenfalls aus dem Rohling herausgearbeitet worden ist. Während des Schließvorganges durch Ziehen oder Pressen des vorgearbeiteten Kolbenrohlings wird die zusätzliche Materialmenge p unter der Einwirkung von axial und radial gerichteten Kraftkomponenten in Richtung der Resultierenden in den Raum q gebracht, wobei längs der Fläche r eine Verschweißung eintritt.In order to bring about a pressure weld at the gap, accordingly Proceed as shown in Fig. 6. The closure body p is made from the blank in the machining process sc worked out that another opposite his normal dimensions additional cost of material p is present, according to or is so deformed during the closing process that it has one below the gap lying area q in the piston skirt, which is also worked out of the blank has been. During the closing process by pulling or pressing the pre-machined Piston blank becomes the additional amount of material p under the action of axial and radially directed force components in the direction of the resultant in space q, with a weld occurring along the surface r.

In der Ausführung nach Abb. 7 sind die Nuten e für die Verdichtungsringe und die mit f bezeichnete Nut für den Olabstreifring -eingetragen. Um mit Sicherheit eine gute Abdichtung zu erreichen, ist der Steg oberhalb der letzteren mit einer ringsumlaufenden Schweiß- oder Lötstelle g verschlossen.In the version according to Fig. 7, the grooves e are for the compression rings and the groove marked f for the oil scraper ring - entered. To be sure To achieve a good seal, the ridge above the latter is with a all-round welding or soldering point g closed.

In der Abb. 8 ist an der Spaltstelle ein Ring i ein-,gewalzt. Diese Maßnahme ist der Anbringung einer Schweißnaht vorzuziehen, weil hierdurch die beim Schweißen oder durch das Löten auftretenden zusätzlichen Spannungen vermieden werden können. Der Verschluß des Spaltes zwischen dem Ringkörper c und der Sitzfläche d des Kolbenschaftes kann auch, wie die Abb. 9 erkennen läßt, mittels eines Ringes I, der einen U-förmigen Querschnitt aufweist, erfolgen Der Verschlußkörper c ist ferner in der Abb. 8 mit Rippen h versehen, die zur Vergrößerung seiner wärmeableitenden Oberfläche dienen. Sie können auch zur Abstützung und zur richtigen Bemessung des Ringraumes b benutzt werden. Statt der Rippen besteht auch die Möglichkeit, einen ein- oder mehrteiligen ringförmigen Abstandhalter k, wie ihn die Abb.9 zeigt, zu verwenden, der zweckdienlich aus Hartmetall oder Stahl auf der Rückseite des Verschlußkörpers c in dem Ringraum b eingelegt ist. Derartige Abstützungen erleichtern das Einbiegen des Verschlußkörpers c. Der Abstandhalter k kann zweckdienlich fest in den Kolbenkörper eingewalzt werden.In Fig. 8 a ring i is rolled in at the gap. These This measure is preferable to the application of a weld seam, because this results in the Welding or additional stresses caused by soldering can be avoided can. The closure of the gap between the ring body c and the seat surface d of the piston skirt can, as Fig. 9 shows, by means of a ring I, which has a U-shaped cross section, take place The closure body c is also provided in Fig. 8 with ribs h, which increase its heat-dissipating Serve surface. You can also use it to support and properly dimension the Annulus b can be used. Instead of the ribs, there is also the option of one or to use multi-part annular spacers k, as shown in Figure 9, which is expediently made of hard metal or steel on the back of the closure body c is inserted in the annular space b. Such supports make bending easier the closure body c. The spacer k can expediently firmly in the piston body be rolled in.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Pistons made by forging or pressing, preferably made of an aluminum alloy, for internal combustion engines and compressors, which have a space in the piston head in the area behind the ring belt for receiving a coolant or for thermal insulation of the heat flow from the piston crown, partly to the piston pin bosses, partly to the ring belt characterized in that the closure gap and the sealing point of the closure body (c) with the piston material of the aforementioned annular space (b) are placed below the ring belt and are closed there by welding, pressure welding or rolling rings (i, L).

2. Piston according to claim 1, characterized in that the for closing the Annular space (b) serving annular body (c) at its upper end with the material of the piston head and the locking position by pulling through a ring, by simultaneous pressing in the axial and radial direction or by rolling can be produced in the warm state.

3. Piston according to claim 1 and 2, characterized in that that the annular closure body (c) is equipped with ribs (h).

4th piston according to claim 1 and 2, characterized in that the closure body opens a one-part or multi-part rib body (k) is supported in the closed state.