DE102009015820A1

DE102009015820A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102009015820A1
Application number: DE200910015820
Authority: DE
Inventors: Rainer Scharp; Reiner Müller
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2010-10-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenoberteil (11) und einem Kolbenunterteil (12), wobei das Kolbenoberteil (11) und das Kolbenunterteil (12) jeweils ein inneres (22, 26) und ein äußeres (23, 27) Stützelement aufweisen, die einen äußeren umlaufenden Kühlkanal (19) und einen inneren Kühlraum (21) begrenzen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das innere Stützelement (22) des Kolbenoberteils (11) und/oder das innere Stützelement (26) des Kolbenunterteils (12) an ihrer Oberfläche (24, 28) mindestens eine Aussparung (31) aufweisen und das Kolbenoberteil (11) und das Kolbenunterteil (12) durch multiorbitales Reibschweißen oder multilineares Reibschweißen miteinander verbunden sind. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil, wobei das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil jeweils ein inneres und ein äußeres Stützelement aufweisen, die einen äußeren umlaufenden Kühlkanal und einen inneren Kühlraum begrenzen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens.
Mehrteilige Kolben haben den großen Vorteil, dass das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil aus verschiedenen Materialien bestehen können. Das Kolbenoberteil ist in der Regel aus einem besonders verschleißfesten, insbesondere wärmebeständigen, aber relativ schweren Material hergestellt, während das Kolbenunterteil in der Regel zur Gewichtseinsparung aus einem weniger verschleißfesten Leichtmetallwerkstoff hergestellt ist. Ferner sind der äußere umlaufende Kühlkanal und der innere Kühlraum durch Bohrungen miteinander verbunden, die in die inneren Stützelemente eingebracht sind. Sie dienen als Überlaufkanäle für das Kühlöl, das auf diesem Weg vom äußeren Kühlkanal in den inneren Kühlraum und umgekehrt übertreten und in Richtung Kolbenbolzen abfließen kann.
Hierbei bereitet die Verbindung von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil Probleme, wie es in der EP 1 483 493 B1 ausführlich erläutert ist. Das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil können bspw. miteinander verschweißt oder miteinander verschraubt sein, wobei jede dieser Verbindungstechniken spezifische Vor- und Nachteile aufweist. Insbesondere dann, wenn das Kolbenoberteil und/oder das Kolbenunterteil aus einem Stahlwerkstoff hergestellt sind, ist das bevorzugte Fügeverfahren das Reibschweißen. Das Reibschweißen hat jedoch den Nachteil, dass verfahrensbedingt mit dem Fügen eine starke Gratbildung einhergeht. Das hat zur Folge, dass die Überlaufkanäle, die den äußeren umlaufenden Kühlkanal und den inneren Kühlraum miteinander verbinden, erst nach dem Fügen eingebracht werden können. Andernfalls besteht die Gefahr, dass vor dem Fügen eingebrachte Bohrungen während des Reibschweißens aufgrund der starken Gratbildung teilweise oder ganz verschlossen werden. Das nachträgliche Einbringen der Bohrungen ist jedoch sehr aufwändig.
Es ist auch bekannt, die Verbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil durch Pressschweißen herzustellen. Problematisch hierbei ist jedoch, dass die Fügeflächen zum Erwärmen beabstandet sein müssen, woraus die Gefahr der Zunderbildung auf den Fügeflächen resultiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kolben sowie ein vereinfachtes Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen, wobei der Kolben eine stabile Verbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil aufweisen soll.
Die Lösung besteht in einem Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das innere Stützelement des Kolbenoberteils und/oder das innere Stützelement des Kolbenunterteils an ihrer Oberfläche mindestens eine Aussparung aufweisen und das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil durch Kondensatorentladungsschweißen oder durch multilineares Reibschweißen oder durch multiorbitales Reibschweißen miteinander verbunden sind. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst ein Kolbenoberteil und ein Kolbenunterteil hergestellt werden, anschließend mindestens eine Aussparung in die Oberfläche des inneren Stützelements des Kolbenoberteils und/oder des Kolbenunterteils eingebracht wird und schließlich das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil durch Kondensatorentladungsschweißen oder durch multilineares Reibschweißen oder durch multiorbitales Reibschweißen miteinander verbunden werden.
Erfindungsgemäß werden also die Bohrungen, die als Überlaufkanäle für das Kühlöl dienen, vor dem Fügen der Bauteile in zumindest eines der Bauteile eingearbeitet. Dies erfolgt in Form von Aussparungen beliebiger Art, Form und Größe, die in die Oberfläche des inneren Stützelements entweder des Kolbenoberteils oder des Kolbenunterteils oder beider Bauteile. Beim anschließenden multilinearen oder multiorbitalen Reibschweißen werden die Bauteile in an sich bekannter Weise entlang der Fügeflächen durch gegenläufige lineare oder kreisende Bewegungen der Bauteile gegeneinander erwärmt und zusammengefügt. Beim Kondensatorentladungsschweißen werden die Bauteile in an sich bekannter Weise durch schnelle Entladung von in Kondensatoren gespeicherter Energie erwärmt und zusammengefügt. Dabei bleiben die Aussparungen als Bohrungen zwischen Kühlkanal und Kühlraum im Wesentlichen vollständig erhalten, so dass das Kühlöl zwischen dem äußeren umlaufenden Kühlkanal und dem inneren Kühlraum ungehindert fließen kann. Das aufwändige Einbringen der Bohrungen nach dem Fügen der Bauteile entfällt. Alle Schweißverfahren haben gemeinsam, dass die Fügeflächen während des Erwärmens nicht voneinander beabstandet sind, sondern miteinander in Kontakt stehen. Daher findet eine Zunderbildung nicht statt.
Der erfindungsgemäße Kolben bzw. das erfindungsgemäße Verfahren stellen somit eine erhebliche Vereinfachung gegenüber dem Stand der Technik dar. Damit geht eine erhöhte Wirtschaftliche bzw. eine deutliche Kostensenkung einher.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Es können selbstverständlich auch zwei oder mehrere Aussparungen vorgesehen sein, die wahlweise am Kolbenoberteil oder am Kolbenunterteil oder an beiden Bauteilen vorgesehen sein können.
Wenn sowohl das innere Stützelement des Kolbenoberteils als auch das innere Stützelement des Kolbenunterteils an ihrer Oberfläche mindestens eine Aussparung aufweisen, können diese vor dem Fügen wahlweise miteinander zur Deckung gebracht werden, so dass Bohrungen mit vergrößertem Durchmesser resultieren.
Die Aussparungen können zweckmäßigerweise durch Schmieden oder spanendes Bearbeiten, bspw. Fräsen, in die Bauteile eingebracht werden.
Das Kolbenoberteil und/oder das Kolbenunterteil können Gießteile oder Schmiedeteile sein, und bspw. aus einem Stahlwerkstoff hergestellt, insbesondere geschmiedet sein. In letzterem Fall bietet es sich an, die Aussparungen beim Schmieden der Bauteile mit einzubringen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 eine perspektivische geschnittene Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens;
2 einen Schnitt durch den Kolben gemäß 1 in der durch die Kolbenmittelachse und die Kolbenbolzenachse bestimmten Ebene vor dem Fügen;
3 einen Schnitt durch den Kolben gemäß 1 in der durch die Kolbenmittelachse und die Kolbenbolzenachse bestimmten Ebene nach dem Fügen.
Die 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10, der im Ausführungsbeispiel aus einem Stahlwerkstoff geschmiedet ist. Der erfindungsgemäße Kolben 10 setzt sich zusammen aus einem Kolbenoberteil 11 und einem Kolbenunterteil 12. Das Kolbenoberteil 11 weist eine Verbrennungsmulde 13, einen umlaufenden Feuersteg 14 und eine umlaufende Ringpartie 15 auf. Das Kolbenunterteil 12 weist einen Kolbenschaft 16, Nabenbohrungen 17 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens und Nabenabstützungen 18 auf, die mit dem Kolbenschaft 16 verbunden sind. Das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 bilden einen umlaufenden äußeren Kühlkanal 19 und einen zentrischen inneren Kühlraum 21.
Das Kolbenoberteil 11 weist ein inneres Stützelement 22 und ein äußeres Stützelement 23 auf. Das innere Stützelement 22 ist an der Unterseite des Kolbenoberteils 11 ringförmig umlaufend angeordnet und weist eine Fügefläche 24 auf. Das innere Stützelement 22 bildet ferner einen Teil der umlaufenden Wand des inneren Kühl raums 21. Das äußere Stützelement 23 des Kolbenoberteils 11 ist im Ausführungsbeispiel unterhalb der Ringpartie 15 ausgebildet und weist eine Fügefläche 25 auf.
Das Kolbenunterteil 12 weist ebenfalls ein inneres Stützelement 26 und ein äußeres Stützelement 27 auf. Das innere Stützelement 26 ist an der Oberseite des Kolbenunterteils 12 umlaufend angeordnet und weist eine Fügefläche 28 auf. Das innere Stützelement 26 bildet ferner einen Teil der umlaufenden Wand des inneren Kühlraums 21. Das äußere Stützelement 27 ist im Ausführungsbeispiel als Fortsetzung des Kolbenschafts 16 ausgebildet und weist eine Fügefläche 29 auf.
Im Ausführungsbeispiel sind die Fügefläche 24 des inneren Stützelements 22 des Kolbenoberteils 11 und die Fügefläche 28 des inneren Stützelements 26 des Kolbenunterteils 12 mit Aussparungen 31 bzw. 32 versehen. Die Aussparungen 31, 32 werden zweckmäßigerweise beim Schmieden des Kolbenoberteils 11 bzw. des Kolbenunterteils 12 in die Fügeflächen 24 bzw. 28 eingearbeitet. Die Aussparungen 31, 32 werden so angeordnet, dass sie beim späteren Fügen von Kolbenoberteil 11 und Kolbenunterteil 12 zur Deckung gebracht werden können. Selbstverständlich können Aussparungen auch in lediglich eine der Fügeflächen 24 bzw. 28 eingearbeitet werden.
Das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 wurden im Ausführungsbeispiel in an sich bekannter Weise mittels multiorbitalem Reibschweißen zusammengefügt, wobei die Aussparungen 31 bzw. 32 zur Deckung gebracht wurden, so dass Überlaufkanäle 33 gebildet wurden. Hierfür wurden das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 entlang ihrer Fügeflächen 24, 25 bzw. 28, 29 in Kontakt gebracht und in diesem Bereich durch kleinste kreisförmige Bewegungen erwärmt und zusammengefügt.
Im zusammengebauten Zustand dienen die Überlaufkanäle 33 für den Durchlass des im äußeren Kühlkanal 19 und im inneren Kühlraum 21 zirkulierenden Kühlöls.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1483493 B1 [0003]

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenoberteil (11) und einem Kolbenunterteil (12), wobei das Kolbenoberteil (11) und das Kolbenunterteil (12) jeweils ein inneres (22, 26) und ein äußeres (23, 27) Stützelement aufweisen, die einen äußeren umlaufenden Kühlkanal (19) und einen inneren Kühlraum (21) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Stützelement (22) des Kolbenoberteils (11) und/oder das innere Stützelement (26) des Kolbenunterteils (12) an ihrer Oberfläche (24, 28) mindestens eine Aussparung (31) aufweisen und das Kolbenoberteil (11) und das Kolbenunterteil (12) durch Kondensatorentladungsschweißen oder durch multiorbitales Reibschweißen oder durch multilineares Reibschweißen miteinander verbunden sind.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Aussparungen (31) vorgesehen sind.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das innere Stützelement (22) des Kolbenoberteils (11) als auch das innere Stützelement (26) des Kolbenunterteils (12) an ihrer Oberfläche (24, 28) mindestens eine Aussparung (31) aufweisen, die miteinander zur Deckung gebracht sind.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (11) und/oder das Kolbenunterteil (12) Schmiedeteile ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (11) und/oder das Kolbenunterteil (12) aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenoberteil (11) und einem Kolbenunterteil (12), wobei das Kolbenoberteil (11) und das Kolbenunterteil (12) jeweils ein inneres (22, 26) und ein äußeres (23, 27) Stützelement aufweisen, die einen äußeren umlaufenden Kühlkanal (19) und einen inneren Kühlraum (21) begrenzen, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: – Herstellen eines Kolbenoberteils (11) und eines Kolbenunterteils (12), – Einbringen mindestens einer Aussparung (31) in die Oberfläche (24, 28) des inneren Stützelements (22, 26) des Kolbenoberteils (11) und/oder des Kolbenunterteils (12), – Verbinden des Kolbenoberteils (11) und des Kolbenunterteils (12) durch Kondensatorentladungsschweißen oder durch multilineares Reibschweißen oder durch multiorbitales Reibschweißen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Aussparungen (31) in die Oberfläche (24, 28) des inneren Stützelements (22, 26) des Kolbenoberteils (11) und/oder des Kolbenunterteils (12) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl in die Oberfläche (24) des inneren Stützelements (22) des Kolbenoberteils (11) als auch in die Oberfläche (28) des inneren Stützelements (26) des Kolbenunterteils (12) mindestens eine Aussparung (31) eingebracht wird, die vor dem Schweißen miteinander zur Deckung gebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (31) durch Schmieden oder spanendes Bearbeiten eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (11) und/oder das Kolbenunterteil (12) durch Schmieden hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (11) und/oder das Kolbenunterteil (12) aus einem Stahlwerkstoff hergestellt wird.