DE102008011922A1

DE102008011922A1 - Kolben für Brennkraftmaschinen, hergestellt mittels eines Multi-Orbitalen Reibschweißverfahrens

Info

Publication number: DE102008011922A1
Application number: DE102008011922A
Authority: DE
Inventors: Michael Albert Janssen; Gerhard Luz; Volker Gniesmer; Steffen Stork; Martin Weissert
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-03
Also published as: WO2009106200A1; JP2011514258A; US20110119914A1; US8789273B2; EP2254723A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) einer Brennkraftmaschine, der als ein einteiliger Kühlkanalkolben ausgeführt ist. Der Kolben (1) umfasst ein Oberteil (2) und ein Unterteil (3), die über korrespondierende, gemeinsam eine Fügezone (4) bildende umlaufende Fügestege (11, 12) abgestützt sind. Zur Schaffung einer stoffschlüssigen Fügeverbindung des Oberteils (2) und des Unterteils (3) werden die Fügestege (11, 12) im Bereich einer rotationssymmetrisch oder nicht rotationssymmetrisch verlaufenden Fügezone (4) mittels einer multi-orbitalen Reibschweißung verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolben einer Brennkraftmaschine, der als ein fertiger einteiliger Kühlkanalkolben ausgeführt ist und ein Unterteil und ein Oberteil umfasst, die über korrespondierende, gemeinsam eine Fügezone bildende Fügestege abgestützt und die mittels einer Reibschweißung stoffschlüssig verbunden sind, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes der unabhängigen Ansprüche 1 und 2.
Eine Reibschweißung beruht auf dem Prinzip, wonach durch relative Bewegung und gleichzeitigen Druck eine Gleitreibung zwischen zwei Bauteilen erzeugt wird, um die nötige Schweißenergie an den zu verschweißenden Flächen im Bereich einer Fügezone zu erzeugen. Bei bekannten Rotations-Reibschweißmaschinen wird ein motorisch angetriebenes Spannfutter sowie eine Stauchvorrichtung benutzt, um die kinetische Energie während des ganzen Schweißzyklusses zu liefern. Zum Reibschweißen werden zwei Werkstücke unter Druck mit einer Drehbewegung aneinander gerieben und durch die entstehende Reibwärme plastifiziert. Bevorzugt wird das im angetriebenen Spannfutter eingesetzte Werkstück gegenüber dem zweiten in der Stauchvorrichtung ortsfest gehaltenen Werkstück gedreht. Sobald die zur Schweißung erforderliche Temperatur erreicht ist, presst die Stauchvorrichtung die beiden Werkstücke zusammen. Nachteiligweise erfordert dieses Verfahren, dass eines der zwei Bauteile bei hoher Drehzahl rotiert, um die erforderliche Energie bereitzustellen.
Aus der DE 10 2004 061 778 A1 ist ein Kühlkanalkolben bekannt, bestehend aus einem Oberteil und einem Unterteil, die über korrespondierende, jeweils rotationsymmetrisch verlaufende und radial beabstandete Fügestege abgestützt sind. Mittels einer Reibschweißung im Bereich einer Fügezone erfolgt eine stoffschlüssige Verbindung der inneren Fügestege. Die radial äußeren Fügestege werden anschließend mittels einer separaten Schweißung zusammengefügt, wobei dazu keine Reibschweißung vorgesehen ist.
Die US 6,155,157 zeigt einen Kühlkanalkolben mit zwei separat voneinander herstellbaren Bauteilen, die anschließend über ein bekanntes Reibschweißverfahren stoffschlüssig zusammengefügt sind, zur Bildung eines einteiligen Kühlkanalkolbens. Dieser Aufbau ermöglicht eine relativ einfache Kolbenherstellung, wobei das bekannte Kolbenkonzept hinsichtlich geometrischer Freiheiten, insbesondere der Gestaltung von Fügestegen stark eingeschränkt ist.
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine geometrische Gestaltungsmöglichkeit von Kolben mittels einer optimierten Fügetechnik zu verbessern, zwecks Erzielung einer flexiblen Kolbenfertigung und einer Reduzierung des Gewichts.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 2 gelöst.
Die Erfindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 betrifft ein Herstellungsverfahren für einen Kolben mit rotationssymmetrisch oder vorzugsweise nicht rotationssymmetrisch verlaufenden Fügestegen des Unterteils und des Oberteils, die im Bereich einer Fügezone mittels eines Multi-Orbitalen Reibschweißverfahrens stoffschlüssig verbunden werden.
Das Multi-Orbitale Reibschweißen sieht vor, dass die einzelnen Kolbenbauteile beiderseits benachbart zu den Fügezonen in sogenannten Reibschweißköpfen fest verspannt und dabei gegeneinander gedrückt werden, bevor die Fügestege mit Hilfe der Reibschweißköpfe in Schwingung versetzt werden. Die Fügepartner werden vorteilhaft mit gleicher Drehrichtung bei einem bevorzugten Phasenversatz von 180° in kleinsten kreisförmigen Orbitalbewegungen, die einer Schwingschleiferbewegung ähnlich sind, zur Erzeugung der Reibungswärme bewegt und schwingen dabei insbesondere gegenphasig. Durch diese Bewegungsführung wird die Reibenergie im Bereich mehrerer Positionen zeitgleich eingebracht, wodurch die bisherigen Systemgrenzen des Reibschweißens aufgeweitet werden. Bei dem Multi-Orbitalen Reibschweißverfahren werden die zu verbindenden Bauteile auf der ganzen Fügezone aneinander gerieben, was zu einer gewünschten gleichmäßigen und schnellen Erwärmung der gesamten Schweißebene führt. Als Folge stellt sich ein optimaler, homogener Energieeintrag an jedem Punkt der von den Kolben-Fügestegen gebildeten Fügezone ein. Dieser Energieeintrag ist gegensätzlich zu einer ausschließlich rotierenden Bewegung eines Fügepartners bei bekannten Reibschweißverfahren, die auf die Fügezone betrachtet, einen inhomogenen Energieeintrag bewirkt, aufgrund einer fehlenden Innengeschwindigkeit. Mit dem erfindungsgemäß angewandten Reibschweißverfahren können weiterhin die Schweißzeiten vorteilhaft verkürzt sowie Folgeprozesse reduziert werden. Außerdem ist eine höchste Verbindungsqualität erzielbar, die erreichbaren Festigkeitswerte liegen nahe den Materialkennwerten der Fügepartner. Das Verfahren ist weiterhin unabhängig von der Werkstückform, der Werkstoffmasse und der Symmetrie der Schweißfläche bzw. der Fügezone, da der spezifische Schweißdruck bezogen auf die Fläche stets konstant ist. Da beim Multi-Orbitalen Reibschweißen die Materialien im plastischen Zustand verbunden werden, liegt das Temperaturniveau deutlich unter den Schmelztemperaturen herkömmlicher Reibschweißverfahren. Bei Erreichen der Fügetemperatur stoppt das Maschinensystem, um beide Werkstücke unter Druck mit präzisem Endmaß zu fügen.
Die erfindungsgemäße Anwendung des Multi-Orbitalen Reibschweißverfahrens vereinfacht die Herstellung des Kolbens aufgrund eines großen Gestaltungsfreiraums hinsichtlich der Lage, der Ausrichtung sowie der Wandstärke der Fügestege und der sich daraus ergebenden Fügezone. Da die Auslenkung der zu fügenden Kolbenbauteile beim Reiben mit ca. 0,3 bis 1,2 mm gering ist, können auch dünnwandige Fügestege verschweißt werden. Die Anwendung des Multi-Orbitalen Reibschweißverfahrens ermöglicht eine flexible, zeitoptimierte Fertigung und damit reduzierte Kosten bei der Herstellung des Kolbens. In vorteilhafter Weise kann durch die Erfindung die Wirtschaftlichkeit der Kolbenherstellung durch verkürzte Prozesszeiten wesentlich erhöht werden.
Vorteilhaft ermöglicht das neuartige Herstellverfahren eine verbesserte Auslegung der Kolbenbauteile, da jedes Bauteil für sich genommen hinsichtlich seiner Geometrie zur Erzielung einer optimalen Dauerfestigkeit konzipiert werden kann, ohne Berücksichtigung der stoffschlüssigen Fügetechnik. Vorteilhaft bietet es sich an, die Fügestege ausschließlich im Hinblick auf eine optimierte Steifigkeit bzw. Gestaltfestigkeit sowie einen gewichtsoptimierten Kolben auszulegen. Weiterhin können durch das Schweißverfahren Gestaltungsmerkmale realisiert werden, die bisher aufgrund der erforderlichen rotationssymmetrischen Geometrie der Fügezonen bei Reibschweißungen nicht umsetzbar waren. Gleichzeitig stellt die Erfindung eine Lösung vor, mit der die stets steigenden Anforderungen hinsichtlich der thermischen und mechanischen Belastung von Kolben sowie die Forderung nach Reduzierung der rotatorischen und oszillierenden Bauteile in Brennkraftmaschinen erfüllbar sind.
Die Erfindung nach Anspruch 2 betrifft ein Herstellverfahren für Kolben, die zumindest zwei zueinander radial beabstandete, mittels einer Multi-Orbitalen Reibschweißung verbundene Fügezonen aufweisen. Aufgrund kleinster kreisförmiger Bewegungen aller Fügepartner ist ein vorteilhaft synchrones zeitgleiches Verbinden mehrerer Fügestege möglich, auch wenn diese relativ nah zueinander beabstandet sind. Beispielsweise kann das Multi-Orbitale Reibschweißverfahren kostenoptimiert zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens eingesetzt werden, dessen beidseitig von Fügestegen begrenzter Kühlkanal sich zwischen dem Unterteil und dem Oberteil erstreckt.
Die erfindungsgemäße Anwendung des Multi-Orbitalen Reibschweißverfahrens auf die Kolbenherstellung ermöglicht eine den Festigkeitsvoraussetzungen einzelner Kolbenbereiche angepasste Dimensionierung der Fügestege. Da dieses Verfahren keinen rotationssymmetrischen Verlauf erfordert, weisen die Fügestege umfangsseitig zur Bildung variabler Querschnitte eine konstante oder schwankende Wandstärke auf. Die Dimensionierung der Fügestege kann damit vorteilhaft an die sich in den einzelnen Kolbenbereichen einstellenden, voneinander abweichenden thermischen und mechanischen Belastungen angepasst werden, wodurch außerdem ein Gewichtsvorteil realisierbar ist.
Das Multi-Orbitale Reibschweißverfahren erlaubt außerdem einen Höhenversatz der Fügezone, wodurch das Reibschweißverfahren beispielsweise an vorgegebene geometrische oder spezielle konstruktive Kolbenkonzepte adaptiert werden kann. Die Auslegungsvielfalt unterstreichend bietet es sich weiterhin an, bei Kolben mit zwei radial zueinander beabstandeten Fügezonen diese untereinander so anzuordnen, dass die einzelnen Fügezonen sowohl einen unterschiedlichen, nicht rotationssymmetrischen Verlauf als auch einen Höhenversatz aufweisen.
Das Reibschweißverfahren erfordert keine geschlossen gestaltete Fügezone, sondern ermöglicht eine lokale auch als Durchtritt zu bezeichnende Ausnehmung der Fügezone, die beispielsweise als ein Kühlmittelübertritt zwischen zwei Kühlkanälen nutzbar ist. Diese Ausnehmung kann eine Anpassung des Fügestegs an die sich im Betriebszustand einstellenden Belastungen darstellen, wodurch gleichzeitig ein reduziertes Kolbengewicht realisierbar ist. Um lokalen Festigkeitsanforderungen des Kolbens zu genügen erlaubt das Schweißverfahren andererseits, die Fügestege partiell mit radial nach innen und/oder radial nach außen gerichteten Versteifungsrippen zu versehen, die sich bis in den Bereich der Fügezonen erstrecken und stoffschlüssig verbunden werden.
Bevorzugt sind die rotationssymmetrisch, nicht rotationssymmetrisch oder partiell annähernd parallel zu einer Kolbenachse verlaufenden Fügezonen so angeordnet, dass diese senkrecht zu einer Kolbenlängsachse ausgerichtet sind. Alternativ dazu bietet sich gemäß der Erfindung eine Lage bzw. Anordnung der Fügezone oder der zueinander versetzten Fügezonen an, die von einer sich einstellenden senkrechten Druckrichtung der Multi-Orbitalen Reibschweißung abweicht. Die Auslegung ermöglicht weiterhin, dass die sich einstellenden Stauchachsen bei der Reibschweißung orthogonal oder nicht orthogonal zueinander ausgerichtet sind.
Das Multi-Orbitale Reibschweißverfahren verursacht vorteilhaft keine bzw. geringe Schweißwülste, die nach abgeschlossener Schweißung an der Fügezone verbleiben oder bei Bedarf mittels einer Nacharbeit entfernt werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass während des Reibschweißvorgangs der Kühlkanal verschlossen wird. Anschließend kann mittels einer mechanischen Bearbeitung bei Bedarf zumindest eine lokale Öffnung in den Fügesteg eingebracht werden, um beispielsweise einen Kühlmitteleintritt in den Kühlkanal zu ermöglichen. Bei Kolben, die eine Kombination von mehreren durch Fügestege getrennte Kühlkanäle einschließen, bietet es sich an, den Fügesteg mit zumindest einem auch als Übertrittsöffnung zu bezeichnenden Durchtritt zu versehen, der einen Kühlmittelaustausch zwischen den Kühlkanälen sicherstellt.
Eine weitere vorteilhafte erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, einen im Bereich der Kolbenaußenkontur vorgesehenen Ringspalt mittels eines Zusatz- bzw. Abdeckelementes zu verschließen. Das Abdeckelement, das beispielsweise einen Durchtritt oder Übertrittsöffnung einschließt, kann dabei form- und/oder kraftschlüssig an dem Unterteil oder dem Oberteil des Kolbens befestigt oder gleichzeitig mit der Multi-Orbitalen Reibschweißung stoffschlüssig fixiert werden.
In vorteilhafter Weise ermöglicht die Erfindung, Kolbenbauteile aus einem übereinstimmenden Werkstoff oder aus unterschiedlichen Materialen durch das Multi-Orbitale Reibschweißverfahren stoffschlüssig zu verbinden. So kann beispielsweise ein aus einem Leichtbau-Werkstoff mit dem Hauptlegierungselement Aluminium hergestelltes Kolbenbauteil mit einem weiteren Kolbenbauteil aus Stahl oder einem Eisenwerkstoff z. B. Grauguss verbunden werden. Außerdem kann in Betracht gezogen werden, das Oberteil und das Unterteil in gleichen oder verschiedenen Verfahren herzustellen, wie zum Beispiel Schmieden, Pressen, Gießen, Fließpressen und dergleichen.
Die nachfolgende Beschreibung erläutert verschiedene, in den 1 bis 7 dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
Es zeigen:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens in einem Längsschnitt,
2: eine Schnittansicht des Kolbens gemäß 1,
3: den Kolben gemäß 1 in einem um 90° gedrehten Längschnitt,
4: eine Schnittansicht des Kolbens gemäß 3,
5: den Kolben gemäß 1, dessen Fügezone einen Höhenversatz aufweist,
6: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens in einem Längsschnitt,
7: den Kolben gemäß 6 in einem um 90° gedrehten Längschnitt.
Die 1 zeigt in einem Längsschnitt einen einteiligen Kolben 1, bei dem ein Oberteil 2 sowie ein Unterteil 3 über eine Fügezone 4, die auch als Fügefläche zu bezeichnen ist, stoffschlüssig zur Bildung einer Baueinheit zusammengefügt sind. Ein Kolbenboden 5 des Oberteils 2 schließt eine Brennraummulde 6 ein, die umfangsseitig in einen Feuersteg 7 übergeht, an den sich ein zur Aufnahme von in 1 nicht abgebildeten Kolbenringen ein Ringfeld 8 anschließt. Das Unterteil 3 bildet einen Kolbenschaft, in dem zwei diametral gegenüber liegende Bolzenbohrungen 9 eingebracht sind. Im Bereich der Fügezone 4 stützen sich korrespondierend angeordnete Fügestege 11, 12 ab, die dem Oberteil 2 bzw. dem Unterteil 3 zugeordnet sind. Zur Schaffung einer stoffschlüssigen Verbindung ist eine Multi-Orbitale Reibschweißung vorgesehen, bei der sich die Fügestege 11, 12 und die damit verbundenen Bauteile, das Oberteil 2 und das Unterteil 3, mit gleicher Drehrichtung bei einem bevorzugten Phasenversatz von 180° in kleinsten kreisförmigen Orbitalbewegungen rotiert. Durch diese Bewegung wird eine Reibungswärme erzeugt, bei der sich ein homogener Energieeintrag an jedem Punkt der Fügezone 4 einstellt. Diese kleine Schweißwülste 13a, 13b bildende spezielle Reibschweißung erfordert keine rotationssymmetrische Anordnung bzw. Geometrie der Fügezone 4 zu einer Kolbenachse 10. Die Fügestege 11, 12 begrenzen innenseitig und das Ringfeld 8 außenseitig einen im Kolben 1 integrierten Kühlkanal 14. Ein sich einstellender Ringspalt 15 zwischen dem Ringfeld 8 und dem Unterteil 3 wird durch ein separates Zusatzelement 16 geschlossen, das mittels einer Schweißung oder alternativ durch eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung an dem Unterteil 3 lagefixiert ist.
Die 2, die den Kolben 1 in einer Schnittansicht gemäß dem Verlauf 2-2 von 1 zeigt, verdeutlicht insbesondere die Lage des Fügestegs 11, der gleichzeitig die Fläche bzw. den Querschnitt der Fügezone 4 definiert. Der Verlauf des Fügestegs 11 zeigt bereichsweise nahezu parallel zu der Achse „y” des Kolbens 1 verlaufende Abschnitte „a” und „b”, an die sich weitestgehend konzentrisch zu dem Kolbenmittelpunkt angeordnete Abschnitte „c” und „d” anschließen. Die Gestaltungsvielfalt unterstreichend, können dabei die Wandstärken des Fügestegs 11 in den einzelnen Abschnitten unterschiedlich dimensioniert werden, abgestimmt auf die sich jeweils einstellenden Kolbenbelastungen im Betriebszustand. Dabei bietet es sich an Wandstärken der Abschnitte „a” und „b” gleich oder unterschiedlich auszulegen und die weiteren Abschnitte „c” und „d” des Fügestegs 11 wiederum gleich oder abweichend zu dem Abschnitt „a” und/oder dem Abschnitt „b” auszuführen.
Die 3 zeigt den Kolben 1 in einem um 90° zur 1 versetzten Längsschnitt und verdeutlicht die Gestaltung und den Verlauf der Fügestege 11, 12 in den Abschnitten „c” und „d”, die gegenüber den in 1 abgebildeten Abschnitten „a” und „b” eine reduzierte Wandstärke aufweisen.
In der 4 ist der Kolben 1 in einer Schnittdarstellung gemäß dem Verlauf 4-4 aus 3 abgebildet und zeigt einen von 2 abweichenden Verlauf des Fügestegs 11. In einem annähernd parallel zu der Achse „x” des Kolbens 1 verlaufenden Abschnitt schließt der Fügesteg 11 radial nach innen gerichtete, zueinander versetzt angeordnete Versteifungsrippen 17a, 17b, 17c ein, denen teilweise weitere radial nach außen gerichtete Versteifungsrippen 18a, 18b zugeordnet sind. Auf der den Versteifungsrippen gegenüberliegenden Seite sind in dem Fügesteg 11 zueinander versetzte Durchbrüche 19a, 19b eingebracht, über die beispielsweise ein Kühlmittelaustausch von dem Kühlkanal 14 in den Innenbereich 20 erfolgen kann.
Der in 5 dargestellte Kolben 1 ist weitestgehend mit dem in 1 abgebildeten Kolben 1 vergleichbar. Folglich sind übereinstimmende Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen. Im Unterschied zu der 1 bildet die Fügezone 4 gemäß 5 einen Höhenversatz „v”, den das Multi-Orbitale Reibschweißverfahren ermöglicht. Zur Realisierung der orbitalen Schweißbewegung ist dazu ein Freiraum „s” erforderlich.
Der Kolben 21 gemäß 6 ist teilweise mit dem in 1 abgebildeten Kolben vergleichbar, daher weisen übereinstimmende Bauteile gleiche Bezugsziffern auf. Das einen Kolbenboden 25 mit integrierter Brennraummulde 26 aufweisende sowie außenseitig einen Feuersteg 27 und ein Ringfeld 28 bildende Oberteil 22 und das eine Bolzenbohrung 29 einschließende Unterteil 23 sind über zwei radial versetzte Fügestegpaare abgestützt. Dabei bilden die radial inneren Fügestege 31, 32 die Fügezone 24a und die radial äußeren Fügestege 33, 34 die Fügezone 24b. Mittels der Multi-Orbitalen Reibschweißung werden die Fügestege 31, 32; 33, 34 in den Fügezonen 24a, 24b stoffschlüssig verbunden, wobei sich jeweils außenseitig an den Fügezonen 24a, 24b kleine Schweißwülste 30a, 30b, 30c bilden. Die Auslegungsvielfalt unterstreichend schließt die Gestaltung der Fügestege 31, 32 bzw. 33, 34 in gegenüberliegenden Abschnitten „a, b” bzw. „e, f” voneinander abweichende oder gleiche Wandstärken ein. Weiterhin kann die Wandstärke auch zwischen den radial beabstandeten Fügestegpaaren unterschiedlich ausgelegt werden. Die Fügezonen 24a, 24b weisen zueinander einen Höhenversatz „h” auf, wobei die Fügezone 24b in einem größeren Abstand zum Kolbenboden 25 angeordnet ist als die Fügezone 24a. In dem Kolben 21 sind zwei Kühlkanäle 35, 36 integriert, die seitlich von Fügestegen begrenzt sind. Der äußere kreisringförmig ausgebildete Kühlkanal 35 wird außenseitig von dem Ringfeld 28 bzw. den Fügestegen 33, 34 und innenseitig von den Fügestegen 31, 32 begrenzt. Der zentrische Kühlkanal 36 erstreckt sich weitestgehend über den Bereich der Kolbenmulde 26 und ist durch Übertrittsöffnungen bildende Durchtritte 37 mit dem Kühlkanal 35 verbunden.
Die 7 zeigt den Kolben 21 in einem um 90° zu der 6 versetzten Längsschnitt und verdeutlicht die Gestaltung der Fügestege 31, 32; 33, 34, wobei sich die Wandstärken der Abschnitte „c, d” und „g” zumindest teilweise von den Wandstärken der Abschnitte „a, b, e, f” gemäß 6 unterscheiden.

1: Kolben
2: Oberteil
3: Unterteil
4: Fügezone
5: Kolbenboden
6: Brennraummulde
7: Feuersteg
8: Ringfeld
9: Bolzenbohrung
10: Kolbenachse
11: Fügesteg
12: Fügesteg
13a: Schweißwulst
13b: Schweißwulst
14: Kühlkanal
15: Ringspalt
16: Zusatzelement
17a: Versteifungsrippe
17b: Versteifungsrippe
17c: Versteifungsrippe
18a: Versteifungsrippe
18b: Versteifungsrippe
19a: Durchtritt
19b: Durchtritt
20: Innenbereich
21: Kolben
22: Oberteil
23: Unterteil
24a: Fügezone
24b: Fügezone
25: Kolbenboden
26: Brennraummulde
27: Feuersteg
28: Ringfeld
29: Bolzenbohrung
30a: Schweißwulst
30b: Schweißwulst
30c: Schweißwulst
31: Fügesteg
32: Fügesteg
33: Fügesteg
34: Fügesteg
35: Kühlkanal
36: Kühlkanal
37: Durchtritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004061778 A1 [0003]
- US 6155157 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolben (1) einer Brennkraftmaschine, ausgeführt als ein nach seiner Herstellung einteiliger Kühlkanalkolben, der ein Oberteil (2) und ein Unterteil (3) umfasst, die über korrespondierende, gemeinsam eine Fügezone (4) bildende Fügestege (11, 12) abgestützt und mittels einer Reibschweißung stoffschlüssig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Multi-Orbitales Reibschweißverfahren durchgeführt wird, um die rotationssymmetrisch oder nicht rotationssymmetrisch verlaufenden Fügestege (11, 12) des Kolbens (1) zu verbinden.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (21) einer Brennkraftmaschine, ausgeführt als ein nach seiner Herstellung einteiliger Kühlkanalkolben, der ein Oberteil (22) und ein Unterteil (23) umfasst, die über korrespondierende, gemeinsam eine Fügezone (24a, 24b) bildende Fügestege (31, 32, 33, 34) abgestützt sind und die mittels einer Reibschweißung stoffschlüssig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (21) eine oder mindestens zwei radial zueinander beabstandete, rotationssymmetrisch oder nicht rotationssymmetrisch verlaufende Fügezonen (24a, 24b) aufweist, deren Fügestege (31, 32, 33, 34) mittels eines Multi-Orbitalen Reibschweißverfahrens verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich einstellende Schweißwulst (13a, 13b; 30a, 30b, 30c) nach abgeschlossener Reibschweißung an den Fügezonen (4; 24a, 24b) verbleibt oder entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkanal (14) des Kolbens (1) während des Reibschweißvorgangs verschlossen wird.
Kolben hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestege (11, 12; 31, 32, 33, 34) umfangsseitig eine konstante oder unterschiedlich ausgelegte Wandstärke aufweisen.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die im Kolben (1) umlaufend angeordnete Fügezone (4) einen Höhenversatz „v” aufweist.
Kolben nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei radial zueinander versetzt angeordneten Fügezonen (24a, 24b) des Kolbens (21) ein Höhenversatz „h” vorgesehen ist.
Kolben nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestege (11, 12; 31, 32, 33, 34) umlaufend geschlossen ausgeführt sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Fügesteg (11, 31) einen Durchtritt (19a, 19b; 37) einschließt.
Kolben nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Fügesteg (11) eine radial nach innen und/oder radial nach außen gerichtete Versteifungsrippe (17a, 17b, 17c; 18a, 18b) aufweist.
Kolben nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine rotationssymmetrisch oder nicht rotationssymmetrisch verlaufende Fügezone (4, 24a, 24b) senkrecht zu einer Kolbenachse (10) verläuft.
Kolben nach einem der Ansprüche 5 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt des Fügestegs (11) bereichsweise annähernd parallel zu einer Achse „y” des Kolbens (1) ausgerichtet ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lage der Fügezone (4, 24a, 24b) von einer sich einstellenden senkrechten Druckrichtung der Multi-Orbitalen Reibschweißung abweicht.
Kolben nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Stauchachsen der Multi-Orbitalen Reibschweißung orthogonal oder in einer davon abweichenden Lage oder Richtung zueinander ausgerichtet sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (21) eine Kombination von einem äußeren Kühlkanal (14) und einem inneren Kühlkanal (20) einschließt, die durch Fügestege (31, 32) getrennt sind, wobei zumindest ein Fügesteg (31) einen eine Übertrittsöffnung bildenden Durchtritt (37) einschließt.
Kolben nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (14) des Kolbens (1) bereichsweise mit einem separaten Zusatzelement (16) oder Abdeckelement verschlossen ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das formschlüssig und/oder kraftschlüssig oder stoffschlüssig in dem Kolben (1) eingesetzte Zusatzelement (16) oder Abdeckelement zumindest einen Durchtritt aufweist.
Kolben einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenrohlinge, das Oberteil (2, 22) und das Unterteil (3, 23) aus einem übereinstimmenden Material oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, wobei als Hauptlegierungselement Aluminium oder Stahl vorgesehen ist.
Kolben einem der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Kolbenrohlinge des Kolbens (1, 21) ein geschmiedetes, gegossenes oder durch ein Gießpressverfahren hergestelltes Oberteil (2, 22) und Unterteil (3, 23) einsetzbar sind.