PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005047908A1 12.04.2007
Titel Verfahren und Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor und Kolben mit faserverstärktem Bereich
Anmelder Federal-Mogul Nürnberg GmbH, 90441 Nürnberg, DE
Erfinder Reichstein, Simon, Dr., 90411 Nürnberg, DE;
Hofmann, Lothar, 92318 Neumarkt, DE
Vertreter HOFFMANN & EITLE, 81925 München
DE-Anmeldedatum 06.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005047908
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse F02F 3/04(2006.01)A, F, I, 20051006, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor sowie einem Kolben (1) mit einem faserverstärkten Bereich (2), wobei Fasern (22) innerhalb des Bereichs (2) eine Vorzugsrichtung aufweisen und die Vorzugsrichtung derart gewählt wird, dass sie im Wesentlichen der Richtung der höchsten Spannungen entspricht.

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit einem faserverstärkten Bereich, sowie einen Kolben mit einem faserverstärkten Bereich mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11.

Es ist bekannt, dass die Lebensdauer eines Kolbens durch Einbringen hochfester Fasern verlängert werden kann. So ist es beispielsweise aus der EP 1 132 490 bekannt, den Muldenrand eines Kolbens durch Fasern zu verstärken. Die Fasern werden dabei durch Schmelzextraktion aus einer Legierung geformt, die größtenteils aus Eisen (Fe) und Chrom (Cr) besteht und Aluminium (Al) und/oder Silizium (Si) enthält. Die durch Schmelzextraktion geformten Fasern weisen eine uneinheitliche Außenfläche auf. Schwankungen in der Größe der Verstärkungsfasern führen zu einer ungleichmäßigen Verteilung. Die Fasern werden beispielsweise durch Infiltration in den Muldenrand eingebracht. Die Fasern weisen im verstärkten Bereich eine zufällige, regellose Orientierung auf .

Es ist weiter beispielsweise aus DE 36 10 856 bekannt, verstärkte Bereiche mit anorganischen, keramischen Fasern vorzusehen. Der verstärkte Bereich kann dabei Teilbereiche aufweisen, die sich hinsichtlich der Faserorientierung unterscheidenden.

Es ist weiter aus der DE 32 41 141 A1 bekannt, faserbündelverstärkte Pleuelstangen herzustellen. Die Positionierung der Faserbündel erfolgt dabei derart, dass die Flächenträgheitsmomente in eine Querrichtung der Pleuelstange bestimmte Eigenschaften aufweisen.

Darstellung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens sowie einen Kolben zu schaffen, wobei der Kolben mindestens einen faserverstärkten Bereich mit einer verbesserten Festigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 11.

Zur Herstellung eines Kolbens mit einem faserverstärkten Bereich, der eine verbesserte Festigkeit aufweist, wird den Fasern innerhalb des Bereichs eine Vorzugsrichtung gegeben, wobei die Vorzugsrichtung derart gewählt wird, dass sie im Wesentlichen der Richtung der höchsten Spannungen entspricht. Dadurch tragen die Fasern bestmöglich zur Festigkeit des Kolbens bei.

In einer Ausführungsform umfasst der faserverstärkte Bereich mindestens den Muldenrand, wobei die Fasern tangential zum Muldenrand ausgerichtet werden. Die Hauptspannungsrichtung für eine Belastung des Kolbens am Kolbenboden liegt tangential zu dem Muldenrand. Als Muldenrand wird dabei der Übergang zwischen Kolbenboden und Brennraummulde bezeichnet. Die Fasern tragen somit bei einer Ausrichtung tangential zum Muldenrand zu einer verbesserten Festigkeit im Muldenrand des Kolbens bei.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Fasern durch mechanisches Umformen, insbesondere durch Ziehen geformt. Dadurch lassen sich besonders gleichmäßige Fasern herstellen.

Derartige Fasern sind für eine Ausrichtung besonders geeignet. Alternativ ist es jedoch auch möglich, Fasern durch Schmelzextraktion zu formen. Mehrere Fasern lassen sich beispielsweise durch Bündelziehen herstellen.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Fasern aus Stahl mit einer hohen Zunderbeständigkeit geformt. Derartige Stahlfasern weisen besonders geeignete Festigkeitsmerkmale auf. Daneben ist es jedoch auch denkbar, Fasern aus Keramik und/oder anderen anorganischen Materialien herzustellen.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Fasern als Langfasern geformt. Das Verhältnis von Länge zu Breite beträgt beispielsweise 80:1. Derartige Langfasern sind besonders geeignet, um den Fasern eine bestimmte Vorzugsrichtung zu geben. Die Länge der Fasern ist prozessabhängig. Kurze Fasern sind im Regelfall einfacher herzustellen. Es sind daher auch Ausbildungsformen mit kurzen Fasern denkbar.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Fasern zu Ringen gewickelt. Die Ringe dienen beispielsweise als Preform für eine anschließende Infiltration. Je nach der Lage des Bereichs für eine Faserverstärkung sind auch andere geometrische Formen denkbar.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Fasern nach einem Ausrichten und/oder einem Formen gesintert.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Kolben mindestens teilweise aus einer Leichtmetall-Legierung über einem Leichtmetall mit einem faserverstärkten Bereich geformt. Dabei lassen sich die günstigen Materialeigenschaften einer Leichtmetall-Legierung oder eines Leichtmetalls mit den Materialeigenschaften der Faserverstärkung verbinden.

In einer weiteren Ausführungsform wird der faserverstärkte Bereich des Kolbens durch Infiltration hergestellt. Die Fasern werden hierfür beispielsweise zu einer Preform geformt und durch eine Schmelze, insbesondere aus einer Leichtmetall-Legierung, umgossen. Durch Infiltration lassen sich beliebige Bereiche eines Kolbens während eines Gussvorgangs verstärken. Die Fasern werden gewissermaßen mit Schmelze infiltriert. Die Infiltration erfolgt beispielsweise unter Niederdruck.

In einer weiteren Ausführungsform wird eine Preform aus Fasern geformt und die Preform in einer Gießform für den Kolben im Bereich des Muldenrands positioniert. Dabei kann durch Infiltration der Preform gezielt eine Verstärkung des Muldenrands in einer Hauptspannungsrichtung erfolgen.

Die Erfindung betrifft weiter einen Kolben mit einem faserverstärkten Bereich, wobei die Fasern innerhalb des Bereichs eine Vorzugsrichtung aufweisen und die Vorzugsrichtung der Richtung der höchsten Spannungen entspricht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben. In den Figuren werden für gleiche Bauteile einheitliche Bezugszeichen verwendet. Die Figuren zeigen:

1: eine schematische Schnittdarstellung eines Kolbens mit verstärktem Kolbenrand bei einer Schnittrichtung senkrecht zum Kolbenboden;

2: eine schematische Schnittdarstellung eines Kolbens mit verstärktem Muldenrand bei einer Schnittrichtung parallel zum Kolbenboden;

3: eine vergrößerte Darstellung des faserverstärkten Bereichs bei einem Schnitt gemäß 1; und

4: eine vergrößerte Darstellung des verstärkten Bereichs bei einem Schnitt gemäß 2.

Wege zur Ausführung der Erfindung

1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Kolben 1 mit einer Schnittrichtung senkrecht zu einem Kolbenboden 12. Der Kolben 1 ist mit einer Brennraummulde 14 ausgebildet. Der Übergang zwischen Kolbenboden 12 und Brennraummulde 14 wird als Muldenrand 16 bezeichnet. Der Muldenrand 16 eines Kolbens, insbesondere eines Dieselkolbens, ist im Betrieb höchsten thermischen und mechanischen Beanspruchungen unterworfen. Vorzugsweise ist daher ein erfindungsgemäß verstärkter Bereich 2 am Muldenrand 16 vorgesehen.

2 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Kolben 1 gemäß 1 parallel zum Kolbenboden 12.

Der faserverstärkte Bereich 2 am Muldenrand 16 weist Fasern auf, die tangential zum dem in 1 und 2 dargestellten Muldenrand 16 verlaufen. Die Fasern sind weiter zueinander parallel ausgerichtet. Die einzelnen, tangential zum Muldenrand 16 verlaufenden Fasern bilden parallele Ringe um den Muldenrand. Diese Ringe sind in einer Hauptspannungsrichtung des Kolbens 1 ausgerichtet und erhöhen auf besonders günstige Weise die Festigkeit des Kolbens.

3 zeigt schematisch eine Vergrößerung des Teilbereichs A gemäß 1. Die tangential zum Muldenrand verlaufenden, parallelen Fasern 22 werden dabei senkrecht geschnitten.

4 zeigt schematisch eine Vergrößerung des Teilbereichs B gemäß 2. Wie in 4 ersichtlich, sind die Fasern 22 als Ringe parallel zu dem in 1 und 2 dargestellten Muldenrand 16 ausgerichtet.

Die Fasern 22 werden beispielsweise durch Bündelziehen als Langfasern hergestellt. Die Langfasern werden anschließend zu Ringen gewickelt und einer Sinterbehandlung unterzogen. Dadurch wird eine sogenannte Preform aus den Langfaser-Ringen erhalten. Diese Preform wird beispielsweise in ein Gießwerkzeug eingelegt und mit einer Schmelze, beispielsweise aus einer Leichtmetall-Legierung, infiltriert.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit einem faserverstärkten Bereich (2), wobei Fasern (22) innerhalb des Bereichs (2) eine Vorzugsrichtung gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzugsrichtung derart gewählt wird, dass sie im Wesentlichen der Richtung der höchsten Spannungen entspricht. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (2) mindestens teilweise einen Muldenrand (16) umfasst und die Fasern (22) im Wesentlichen tangential zum Muldenrand (16) ausrichtet werden. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (22) durch mechanisches Umformen, insbesondere durch Ziehen, geformt werden. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (22) aus Stahl mit einer hohen Zunderbeständigkeit geformt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (22) als Langfasern geformt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das die Fasern (22) zu Ringen gewickelt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das die Fasern (22) nach einem Ausrichten und/oder Formen gesintert werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) mindestens teilweise aus einer Leichtmetall-Legierung und/oder einem Leichtmetall geformt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Bereich (2) des Kolbens (1) durch Infiltration hergestellt wird. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Preform aus den Fasern (22) geformt wird und die Preform in einer Gießform für den Kolben (1) im Bereich des Muldenrands (16) positioniert wird. Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem faserverstärkten Bereich (2), wobei Fasern (22) innerhalb des Bereichs (2) eine Vorzugsrichtung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzugsrichtung der Richtung der höchsten Spannungen entspricht. Kolben nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (2) mindestens einen Muldenrand (16) des Kolbens (1) umfasst und die Fasern (22) tangential zum Muldenrand (16) ausrichtet sind. Kolben nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (22) geringe Schwankungen der Durchmesser aufweisen. Kolben nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (22) aus Stahl mit einer hohen Zunderbeständigkeit sind. Kolben nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (22) Langfasern sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (22) zu Ringen gewickelt sind. Kolben nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) mindestens teilweise aus einer Leichtmetall-Legierung und/oder einem Leichtmetall ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com