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Die Erfindung betrifft einen Kühlkanalkolben mit einem Kühlkanal, der innerhalb eines sich radial umlaufenden und ringförmig um eine Achse des Kühlkanalkolbens erstreckenden Bereiches, angeordnet ist, wobei der Kühlkanal durch Umformung gebildet ist, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kühlkanalkolbens gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 8.
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Ein Kühlkanalkolben mit einem in seinem Kolbenboden ringförmig umlaufenden Kühlkanal, der hinter einem Ringfeld des Kühlkanalkolbens und, falls vorhanden, zwischen einer Brennraummulde und diesem Ringfeld, angeordnet ist, lässt sich aus einem Stahl- oder Leichtmetallwerkstoff, wie zum Beispiel Aluminium, durch Gießen herstellen. Dabei wird der Kühlkanal durch einen verlorenen Kern, insbesondere einen Sand- oder Salzkern, gestaltet. Hierbei ist jedoch der Aufwand recht groß, da zunächst der Kern hergestellt und danach in eine Gießform eingesetzt werden muss. Nach dem Gießen und dem Erstarren der Gießschmelze ist es erforderlich, von außen eine Verbindung durch den Kolbenrohling in Richtung des Kernes herzustellen, um diesen anschließend ausspülen zu können.
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Für den Fall, dass der Kolben, genauer der Kolbenrohling, durch ein Schmiedeverfahren erfolgt, kann der Kühlkanal durch ein warmes Drückwalzen geformt werden.
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Ein solches Verfahren ist aus der
DE 10 2007 027 337 A1 bekannt. In diesem Stand der Technik ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens einer Brennkraftmaschine sowie ein nach diesem Verfahren hergestellter Kühlkanalkolben offenbart, wobei zunächst in einem Schmiedeverfahren ein Kolbenrohling aus einem Stahlwerkstoff geformt wird, wobei dieser Kolbenrohling einen umlaufenden Kragen im Bereich eines Kolbenbodens und einen gegenüber dem Außendurchmesser des Kolbenrohlings zurückliegenden Freibereich unterhalb des Kragens sowie einen Anlagebereich oberhalb eines Kolbenschaftes für den Kragen aufweist, wobei weiterhin vorgesehen ist, dass der Kragen in einem ersten Schritt in Richtung des Anlagebereiches umgeformt wird, ohne dass er den Anlagebereich berührt, wobei nochmals weiterhin vorgesehen ist, dass in einem zweiten Schritt die Bereiche des Kolbenrohlings und des Kragens, die in dem Anlagebereich zur Anlage kommen sollen, erwärmt werden und in einem weiteren Schritt der Kragen derart weiter verformt wird, dass er den Anlagebereich berührt. Dieses vorstehend beschriebene warme Drückwalzen ist jedoch mit erheblichem Aufwand, insbesondere Kraftwand zur Umformung sowie einem für die Erwärmung erforderlichen erheblichen Energieeintrag verbunden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens sowie einen Kühlkanalkolben anzugeben, das sich gegenüber dem bekannten Stand der Technik einfach ausführen und der Kühlkanalkolben einfach herstellen lässt, so dass die im Stand der Technik offenbarten Nachteile vermieden werden.
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Diese Aufgabe ist durch die Merkmale der beiden unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Hinsichtlich des Kühlkanalkolbens ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kühlkanal durch eine Formschlussverbindung zwischen dem umlaufenden unteren Ende des Kragens nach seiner Herstellung und dem Anlagebereich geschlossen ist. Dadurch kann durch einen einzigen Umformvorgang der Kragen derart umgeformt werden, dass er derart zur Anlage an den Anlagebereich kommt, dass dadurch eine Formschlussverbindung hergestellt wird, durch die der Kühlkanal komplett verschlossen ist. Der Kühlkanal ist lediglich durch zumindest eine Zulauföffnung und durch zumindest eine Ablauföffnung für das Kühlmedium, das durch den Kühlkanal zirkulieren soll, erreichbar. Die Formschlussverbindung ermöglicht im Gegensatz zu den bisher bekannten Herstellungsverfahren eine besonders einfache Herstellung des Kühlkanalkolbens, insbesondere eine besonders einfache Realisierung und einen besonders einfachen Verschluss des Kühlkanales. Insbesondere ist von Vorteil, dass zum dichten Verschließen (mit Ausnahme der vorstehend genannten Öffnungen) kein Schweißvorgang, kein Lötvorgang, kein Schrauben oder dergleichen zum Schließen des Kühlkanales erforderlich ist.
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In Weiterbildung der Erfindung umfasst die Formschlussverbindung eine Nut und ein in die Nut eingreifendes Einrastelement. Da sich die entsprechenden Strukturen (Feder und Nut) auf vergleichsweise einfache Art ausbilden lassen, wird hierdurch eine weiterhin vereinfachte Herstellung des Kühlkanalkolbens ermöglicht.
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Vorzugsweise ist bzw. sind dabei die Nut und/oder das Einrastelement ringförmig, vorzugsweise geschlossen ringförmig um die Achse (insbesondere die Kolbenhubachse) verlaufend ausgebildet. Hierdurch lässt sich der Kühlkanal besonders sicher und dicht gestalten.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die Nut und/oder das Einrastelement vorgeformt. Das heißt, dass der im Schmiedeverfahren hergestellte Kolbenrohling mit seinem abstehenden Kragen in den entsprechenden Bereichen (Endbereich des Kragens sowie Anlagebereich) mit der Nut und/oder dem Einrastelement versehen werden. Dies kann insbesondere durch eine spanabhebende Bearbeitung erfolgen, wobei dies jedoch nicht die einzige Möglichkeit zur Herstellung dieser Formen ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Kühlkanal ringförmig, vorzugsweise geschlossen ringförmig um die Achse des Kühlkanalkolbens verlaufend ausgebildet. Das bedeutet, dass der Kühlkanal sich hinter einem Ringfeld des Kühlkanalkolbens befindet und, falls vorhanden, zwischen einer Brennraummulde und der nach innen in Richtung der Kolbenhubachse gewandten Seite des Ringfeldes angeordnet ist.
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In Weiterbildung der Erfindung wird der Kühlkanal durch kaltes Umformen, insbesondere durch Stauchen, gebildet. Dies hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Aufwärmvorgang erforderlich ist und damit der Energieeintrag zur Herstellung des Kühlkanalkolbens deutlich reduziert wird.
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In den unabhängigen Verfahrensansprüchen einschließlich der zugehörigen Unteransprüche ist das Verfahren zur Herstellung des Kühlkanalkolbens angegeben. Dabei basiert das Verfahren darauf, dass zunächst in einem Schmiedeverfahren ein Kolbenrohling aus einem Stahl- oder alternativ einem Leichtmetallwerkstoff geformt wird, wobei dieser Kolbenrohling einen umlaufenden Kragen im Bereich eines Kolbenbodens und einem gegenüber dem Außendurchmesser des Kolbenrohlings zurückliegenden Freibereich unterhalb des Kragens sowie einen Anlagebereich oberhalb eines Kolbenschaftes für den Kragen aufweist, wobei der Kragen einem Umformvorgang unterzogen wird, so dass der radial umlaufende Endbereich des Kragens an dem Anlagebereich zur Anlage kommt und dabei der Kühlkanal durch eine Formschlussverbindung geschlossen wird.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Kühlkanalkolbens, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, ist im Folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1: Eine Querschnittansicht eines Kühlkanalkolbens,
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2: einen vergrößerten Ausschnitt gemäß 1 im Bereich der Formschlussverbindung,
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3: einen vergrößerten Ausschnitt gemäß 2 im Bereich der Formschlussverbindung.
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1 zeigt einen Querschnitt eines Kühlkanalkolbens 2 für eine Brennkraftmaschine. Dabei sind in 1 die für die Erläuterung der Erfindung wesentlichen Teile des Kühlkanalkolbens 2 dargestellt, wobei weitere an sich bekannte Bestandteile des Kolbens wie zum Beispiel Kolbenschaft, Naben, Bolzenbohrung, Brennraummulde und dergleichen vorhanden, aber nicht dargestellt sind. Der Kühlkanalkolben 2 ist vorzugsweise einstückig ausgebildet, wobei es allerdings auch denkbar ist, dass ein Oberteil mit dem umlaufenden Kragen, das später den Kolbenboden bildet, und ein Unterteil, umfassend den Kolbenschaft, die Bolzenbohrungen und die Naben, hergestellt und gefügt werden. Der einstückige oder auch aus mehreren zusammengefügten Teilen bestehende Kühlkanalkolben wird vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff hergestellt, wobei es aber grundsätzlich denkbar ist, dass auch ein Leichtmetallwerkstoff, wie zum Beispiel Aluminium oder eine entsprechende geeignete Aluminiumlegierung, zum Einsatz kommt.
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Der Kühlkanalkolben 2 gemäß 1 weist einen Kühlkanal 4 auf, bei dem es sich um einen Kühlkanal für ein Kühlmedium, insbesondere Motoröl, handelt. Der Kühlkanal 4 ist innerhalb eines sich ringförmig um eine Achse A des Kühlkanalkolbens 2 erstreckenden Bereiches angeordnet. Der Kühlkanal 4 kann einteilig ausgestaltet sein oder beispielsweise zwei oder mehrere voneinander getrennte Abschnitte aufweisen, die kombiniert betrachtet eine Ringform festlegen. Vorzugsweise ist der Kühlkanal 4 jedoch geschlossen ringförmig ausgebildet, also ohne eine entsprechende Unterbrechung. Das bedeutet, dass der Kühlkanal 4 rotationssymmetrisch ringförmig um die Achse A (bzw. um eine Brennraummulde) herum verlaufend ausgebildet und angeordnet ist. Der Kühlkanal 4 ist dabei derart ausgebildet, dass er über seine gesamte Länge hinweg eine Ebene E durchsetzt, die vorzugsweise normal zu der Achse A orientiert ist. Abweichungen der Ebene E von der Achse A sind dabei nicht ausgeschlossen. Insbesondere komme eine Abweichung der Ebene E von der Orientierung zu der Achse A dann in Betracht, wenn die Brennraummulde nicht, wie in 1 dargestellt ist, ebenfalls gleichmäßig zu der Achse A und/oder der Ebene E ausgerichtet ist.
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Der Kühlkanal 4 ist durch ein Umformen bzw. Verformen gebildet, insbesondere durch ein plastisches Umformen bzw. Verformen. Weiterhin weist der Kühlkanal 4 eine Formschlussverbindung 6 auf, durch die, in einem durch die Achse A verlaufenden Querschnitt betrachtet, also beispielsweise entsprechend der Darstellung der 1, der Kühlkanal 4 geschlossen ist. Die Darstellung der 1 entspricht also der Beendigung der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, nachdem der radial umlaufende und zunächst abstehende Kragen umgeformt und an den Anlagebereich des Kolbenrohlings zur Anlage gekommen ist. Nach Beendigung dieses Verfahrens wird der Kühlkanal 4 durch die Formschlussverbindung 6 letztendlich gebildet und geschlossen. Die Formschlussverbindung 6 ermöglicht eine besonders einfache Herstellung des Kühlkanales 4 und somit auch des Kühlkanalkolbens 2. Zur Herstellung erfolgt also ein Verschließen des Kühlkanales 4 durch lokale plastische Verformung bzw. Umformung im Bereich der beteiligten Bereiche der Formschlussverbindung 6. In besonders vorteilhafter Weise ist das Verschließen, also die Herstellung der Formschlussverbindung 6, irreversibel.
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In den 2 und 3 ist deutlicher dargestellt, dass die Formschlussverbindung 6 vorzugsweise in Form einer Nut 8 und eines in die Nut 8 eingreifenden Einrastelementes 10 (Feder) ausgebildet sind. Der Kühlkanalkolben 2 kann also ein Einrastelement 10 aufweisen, das ein irreversibles Verschließen des Kühlkanales 4 durch lokale plastische Verformung gewährleistet.
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Vorzugsweise ist die Nut 8 ringförmig, insbesondere geschlossen ringförmig und um die Achse A verlaufend ausgebildet. Weiterhin vorzugsweise ist dabei das Einrastelement 10 ringförmig, insbesondere geschlossen ringförmig und um die Achse A verlaufend ausgebildet. Wenn die Elemente der Formschlussverbindung 6 bzw. vorzugsweise die Nut 8 und das Einrastelement 10 jeweils geschlossen ringförmig ausgebildet sind, lässt sich der Kühlkanal 4 besonders leicht dicht gestalten.
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Bezug nehmend auf die 1 kann der Kühlkanalkolben 2 beispielsweise – in dem genannten Querschnitt betrachtet – einen ersten Kanalwand-Bereich 20 und einen zweiten Kanalwand-Bereich 22 aufweisen, die jeweils von einem Rumpfbereich 24 des Kühlkanalkolbens 2 ausgehend geformt sind, so dass durch die beiden Kanalwand-Bereiche 20, 22 oder durch die beiden Kanalwand-Bereiche 20, 22 und den Rumpfbereich 24 eine ringförmige Struktur gebildet ist, die den Kühlkanal 4 begrenzt, wobei die Nut 8 in dem ersten Kanalwand-Bereich 20 (Anlagebereich) und das Einrastelement 10 in dem zweiten Kanalwand-Bereich 22 (unterer Endbereich des umlaufenden Kragens) angeordnet sind oder die Nut 8 in dem zweiten Kanalwand-Bereich 22 und das Einrastelement 10 in dem ersten Kanalwand-Bereich 20.
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Wie im gezeigten Ausführungsbeispiel der Fall, kann der erste Kanalwand-Bereich 20 mit Bezug auf die Achse A von dem Rumpfbereich 24 des Kühlkanalkolbens 2 ausgehend in radialer Richtung abstehend gebildet sein (kragenförmig), und zwar vorzugsweise radial symmetrisch mit Bezug auf die Achse A. Der zweite Kanalwand-Bereich 22 kann einen radialen Anteil 221 aufweisen sowie einen durch eine erste Biegung 31 daran anschließenden endseitigen Anteil 223 (ebenfalls umlaufender Kragen, der durch das Schmieden des Kolbenrohlings hergestellt wird). Zwischen dem radialen Anteil 221 und dem Rumpfbereich 24 kann ein weiterer Anteil 225 des zweiten Kanalwand-Bereiches 22 ausgebildet sein, wobei der radiale Anteil 221 und der weitere Anteil 225 über eine zweite Biegung 32 miteinander verbunden sind. Dabei kann die Nut 8 an dem ersten Kanalwand-Bereich 20 und das Einrastelement 6 an dem endseitigen Anteil 223 des zweiten Kanalwand-Bereiches 22 gebildet sein. Alternativ kann die Nut 8 an dem endseitigen Anteil 223 des zweiten Kanalwand-Bereiches 22 gebildet sein und das Einrastelement 6 an dem ersten Kanalwand-Bereich 20. Auch der zweite Kanalwand-Bereich 22 kann mit Bezug auf die Achse A radial symmetrisch ausgebildet sein. Auf diese Weise kann der Kühlkanal 4 insgesamt radial symmetrisch (radial umlaufend) um die Achse A umlaufend geformt sein.
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Wie aus 1 beispielhaft ersichtlich, kann der erste Kanalwand-Bereich einen Außenflächenbereich 40 des Kühlkanalkolbens 2 bilden. Der zweiten Kanalwand-Bereich 22 kann ebenfalls einen Außenflächenbereich bzw. einen weiteren Außenflächenbereich 42 des Kühlkanalkolbens bilden. In diesen Außenflächenbereich 42, ggf. auch in den Außenflächenbereich 40, wird in entsprechender Anzahl eine Ringnut oder mehrere Ringnuten, beispielsweise drei Ringnuten, durch spanabhebende Bearbeitung eingebracht.
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Zur Verdeutlichung der Erfindung ist in 1 auf der rechten Seite des gezeigten Querschnittes die Formschlussverbindung 6 bzw. die Nut 8 und das Einrastelement 10 so dargestellt, dass sie eine maximale Erstreckung EF aufweisen, die kleiner ist als der Durchmesser D des Kühlkanales 4. Dabei ist mit dem Begriff „Durchmesser” die maximale Erstreckung der Struktur bezeichnet. Beispielsweise kann die Erstreckung EF kleiner sein als ein Drittel, vorzugsweise kleiner als ein Fünftel des Durchmessers D.
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Der erste Kanalwand-Bereich 20 kann, in dem gesamten Querschnitt betrachtet, eine Stärke bzw. Quererstreckung S1 aufweisen, die etwa von derselben Größe und Ordnung ist, wie der Durchmesser D des Kühlkanales 4. Beispielsweise liegt diese Größenordnung zwischen einem Fünftel und dem Fünffachen des Durchmessers D des Kühlkanales 4. Dasselbe gilt für die Stärke bzw. Quererstreckung S2 des zweiten Kanalwand-Bereiches 22.
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Zur Herstellung des Kühlkanalkolbens 2 kann vorgesehen sein, dass bei dem Umformen, durch das der Kühlkanal 4 gebildet wird, die erste Biegung 31 und die zweite Biegung 32 erzeugt werden, so dass gleichsam ein „Umklappen” des zweiten Bereiches 22 erfolgt. Bei dem Umformen kann es sich um ein Kaltumformen handeln. Das Umformen kann ein Stauchen umfassen bzw. aus einem Stauchen bestehen.
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Eine besonders einfache Herstellung ist ermöglicht, wenn ineinandergreifende Elemente der Formschlussverbindung 6, also beispielsweise die Nut 8 und/oder das Einrastelement 10 vorgeformt sind. Insbesondere kann also vorgesehen sein, dass die Nut 8 und/oder das Einrastelement 10 in einem Verfahrensschritt gebildet werden, bevor der Kühlkanal 4 durch Umformen gebildet wird. Beispielsweise erfolgt dies, bevor das Umklappen des zweiten Bereiches 22 zum Bilden des Kühlkanales 4 erfolgt.
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Die Formschlussverbindung 6 ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass zum Schließen der Formschlussverbindung 6 bzw. des Kühlkanales 4 das Einrastelement 10 durch ein „Schnappen” bzw. „Einschnappen” bzw. „Einrasten” in die Nut 8 in Eingriff gebracht werden kann. Hierdurch lässt sich besonders einfach eine Dichtigkeit des Kühlkanales 4 erzielen.
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Nachdem der Kolbenrohling mit seinem umlaufenden Kragen (endseitiger Anteil 223 vor dem Umformen) hergestellt worden ist, erfolgt das Umformen des Kragens (endseitiger Anteil 223) bis in Richtung des Anlagebereiches (Kanalwand-Bereich 20) des Kolbenrohlings. Dabei wird der Kühlkanal 4 durch diesen Umformvorgang geschlossen und durch die Bildung der Formschlussverbindung 6 verschlossen. Anschließend erfolgt eine Bearbeitung des äußeren Bereiches des Kühlkanalkolbens 2, insbesondere seines Kolbenbodens, dadurch, dass in den Außenflächenbereich 42 die Ringnuten eingebracht und dieser Bereich auf Maß (endgültiger Außendurchmesser) gebracht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007027337 A1 [0005]