Verfahren zur Herstellung von flüssigkeitsgekühlten Kolben und nach dem Verfahren hergestellter Kolben Die immer höhere spezifische Leistung von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Dieselmoto ren für Nutzfahrzeuge, stellt unter anderem auch an die Kolben dieser Motoren immer grössere Anforde rungen bezüglich Festigkeit und thermischer Bela stungsfähigkeit. Man hat deshalb bereits Dieselmo- torkolb,en. mit einer Flüssigkeitskühlung ausgerüstet, wie sie bei stationären Grossmotoren seit langem üblich ist.
Die Anordnung von Hohlräumen für die Kühlflüssigkeit im Kolbenboden bedingt jedoch be sondere Herstellungsverfahren für die Kolben. Es ist bereits bekannt, die Kolben mehrteilig auszubilden, also z. B. im Bereiche des Kolbenbodens einen als Kolbenringträger dienenden Ring durch Auf schrumpfen, Verschrauben oder Schweissen zu befe stigen. In diesem Ring und/oder im Kolben kann dann ein ringförmiger Kühlkanal vorgesehen werden. Diese Lösungen haben jedoch nicht voll befriedigt. Bei der mechanischen Verbindung durch Schrauben und beim Aufschrumpfen besteht die Gefahr, dass sich im Betrieb die Teile wieder lösen.
Auch das Schweissen nach den verschiedenen bekannten Ver fahren, wie Stumpfschweissung, Autogenschweissung, Schutzgasschweissung oder elektrische Lichtbogen- schweissung, hat verschiedene Nachteile. Der Werk stoff wird an der Schweissstelle meist überhitzt, wodurch seine Eigenschaften je nach Legierung in unerwünschter Weise verändert werden. Zudem tre ten beim Schweissen oft Deformationen auf, die auch durch die anschliessende Nachbearbeitung nicht voll ausgeglichen werden können.
Die Erfindung bezweckt, die bei den bisher be kannten Herstellungsverfahren auftretenden Nach teile zu beheben. Sie betrifft ein Verfahren zur Her stellung von Kolben für Brennkraftmaschinen mit einem Hohlraum im Kolbenboden für Flüssigkeits- kühlung, insbesondere Ölkühlung und ist dadurch gekennzeichnet, dass man den Kolbenrohling durch Pressen oder Giessen herstellt, wobei am Kolben schaft in Abstand vom Kolbenboden zwei über den ganzen Umfang verlaufende Absätze vorgesehen werden, an denen sich der Innendurchmesser des Kolbens erweitert,
dass man hierauf auf den dem Kolbenboden näheren ersten Absatz eine abgepasste Zwischenwand auflegt und anschliessend mittels eines Hilfsmatrizenkerns das Material des zweiten Absatzes durch Nachpressen derart verformt, dass es sich als rundum verlaufender Wulst auf die Zwi schenwand legt und diese fixiert, worauf die Fertig bearbeitung des Kolbens durch Bohr- und Dreharbei ten erfolgt.
Die Erfindung betrifft ferner einen nach dem er findungsgemässen Verfahren hergestellten Kolben. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass er im Ab stand vom Kolbenboden eine einen Flüssigkeitskühl- raum begrenzende, eingepresste Zwischenwand auf weist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestell ten Kolben, sowie schematisch einige Verfahrens schritte dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Kolben, wobei in der rechten Hälfte die Schnittfläche durch das Kolbeiibelzenauge und, in der linken Hälfte senk- recht dazu verläuft,
Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 in schematischer Darstel lung Axialschnitte durch einen Kolbenrohling in ver schiedenen Phasen des Herstellungsverfahrens und Fig. 5 einen Axialschrnitt in zwei zueinander senk- rechten Ebenen einer zweiten Ausführungsform eines Kolbens.
Der in Fig. 1 dargestellte Kolben weist einen ge schlossenen Kühlraum 1 unterhalb des Kolbenbodens 2 auf. Der Raum 1 ist durch eine Zwischenwand 3 begrenzt, die durch vorspringende Wulste 4 befestigt ist. Zwei Bohrungen 6 verbinden den Kühlraum 1 mit den Bohrungen 5 der Kolbenbolzenaugen. Durch diese Bohrungen 5 wird das als Kühlflüssigkeit die nende Schmieröl z. B. über Nuten in den nicht darge stellten Kolbenbolzen zu- und abgeführt.
Die Herstellung eines solchen Kolbens erfolgt gemäss den in den Fig.2-4 dargestellten Verfah- rensschritten. Zuerst wird ein Kolbenrohling gemäss Fig. 2 gepresst oder gegossen. Die ebenfalls vorhan denen Vorsprünge für die Kolbenbolzenaugen sind in den Fig. 2-4 nicht gezeichnet. Am Kolbenschaft sind zwei über den ganzen Umfang verlaufende Absätze 7 und 8 vorgesehen.
Auf den Absatz 7 wird, wie in Fig.3 dargestellt, die Zwischenwand 3 aufgelegt, deren Umriss genau demjenigen des Kolbenschaftes in der Zone zwischen dem ersten und zweiten Absatz 7 bzw. 8 entspricht. Hierauf wird mittels eines Matri- zenkernes das Material des Absatzes 8 kalt oder warm gegen die Zwischenwand 3 gepresst.
Die Zwi schenwand 3 wird nun durch den Wulst 4 festge klemmt, wie dies auch in Fig. 1 dargestellt ist. An- schliessend wird der Kolbenrohling auf übliche Weise fertig bearbeitet, d. h. mit Ringnuten und Bohrungen für den Kolbenbolzen .und die KühlbLu- und abfuhr versehen und Überschliffen.
Die Zwischenwand 3 kann verhältnismässig dünn gehalten werden. Sie soll aus einem Werkstoff herge- stellt sein, der einen ähnlichen Wärmeausdehnungs- koeffizienten aufweist wie das Kolbenmaterial. Es kommt beispielsweise eine Leichtmetall-Legierung auf Aluminium- oder Magnesiumbasis oder auch ein austenitischer Stahl in Frage. Als Kolbenmaterial kommt eine der bekannten Leichtmetall-Legierungen in Frage, z.
B. eine siliciumhaltige Aluminiumlegie- rung oder auch gesintertes Aluminium. Die Haftung zwischen der eingepressten Zwischenwand 3 und dem Kolbenmaterial kann, ähnlich wie beim Al-Fin Ver- bundgussverfahren durch Aufbringen einer dünnen metallischen Zwischenschicht durch Diffusionshaf tung verbessert werden.
Zur Steigerung der Kühlwirkung können der Kol benboden auf der Innenseite und/oder die Zwischen wand mit oberflächenvergrössernden Kühlrippen oder ähnlichen Vorsprüngen versehen werden. Im Zwischenboden 3 kann ein kleines Loch vorgesehen sein, damit beim Einpressvorgang die eingeschlos sene Luft entweichen kann. Vor Fertigstellung des Kolbens muss dann dieses Loch z. B. durch Schweis- sen verschlossen werden.
In Fig.5 ist ein Dieselmotorkolben dargestellt, welcher im Kolbenboden eine herzartige Brennkam mer 9 aufweist. Die Zwischenwand 3, welche einen Kühlraum 1 abgrenzt, ist nach dem bereits beschrie benen Verfahren befestigt. Der Rohling für diesen Kolben wird vorzugsweise gegossen.
Dies ermöglicht die Anordnung von Aussparungen 10 zwischen Kol benboden und Bolzenaugen, sowie die gezeichnete Ausbildung des Brennraumes 10.
Gegebenenfalls könnte aber auch ein Rohling für einen Kolben nach Fig. 5 kalt- oder warmgepresst werden, wobei nachträglich die hinterschnittenen Aussparungen durch Fräsen erzeugt werden müssten. Die Befestigung der Zwischenwand 3 erfolgt jedoch in jedem Fall durch Einpressen mittels eines Matri- zenkerns.
Process for the production of liquid-cooled pistons and pistons produced by the process The ever increasing specific power of internal combustion engines, especially diesel engines for commercial vehicles, places increasing demands on the pistons of these engines in terms of strength and thermal loading capacity. Therefore, diesel engine pistons are already available. equipped with a liquid cooling system, as has long been the case with large stationary engines.
The arrangement of cavities for the cooling liquid in the piston crown, however, requires special manufacturing processes for the pistons. It is already known to form the piston in several parts, so z. B. in the areas of the piston head a ring serving as a piston ring carrier by shrinking, screwing or welding to BEFE term. An annular cooling channel can then be provided in this ring and / or in the piston. However, these solutions have not been fully satisfactory. With the mechanical connection using screws and shrinking, there is a risk that the parts will come loose again during operation.
Welding according to the various known methods, such as butt welding, oxy-fuel welding, inert gas welding or electric arc welding, has various disadvantages. The material is usually overheated at the welding point, which means that its properties are undesirably changed depending on the alloy. In addition, deformations often occur during welding that cannot be fully compensated for by subsequent post-processing.
The aim of the invention is to remedy the after parts occurring in the previously known manufacturing processes. It relates to a method for producing pistons for internal combustion engines with a cavity in the piston head for liquid cooling, in particular oil cooling, and is characterized in that the piston blank is produced by pressing or casting, with two over the whole of the piston shaft at a distance from the piston head Circumferential shoulders are provided at which the inner diameter of the piston expands,
that a custom-made partition wall is then placed on the first paragraph closer to the piston head and then the material of the second paragraph is deformed by repressing by means of an auxiliary die core in such a way that it lies on the partition wall as a bead running all around and fixes it, whereupon the finishing of the Piston is carried out th through drilling and turning.
The invention also relates to a piston produced by the method according to the invention. This is characterized in that, at a distance from the piston head, it has a pressed-in partition delimiting a liquid cooling space.
In the drawing, exemplary embodiments of pistons produced by the method according to the invention, as well as some method steps are shown schematically. They show: FIG. 1 an axial section through a piston, with the section surface running through the Kolbeiibelzenauge in the right half and perpendicular to it in the left half,
2, 3 and 4 are schematic representations of axial sections through a piston blank in different phases of the manufacturing process, and FIG. 5 shows an axial section in two mutually perpendicular planes of a second embodiment of a piston.
The piston shown in FIG. 1 has a closed cooling chamber 1 below the piston head 2. The space 1 is delimited by a partition 3 which is fixed by protruding beads 4. Two holes 6 connect the cooling chamber 1 with the holes 5 of the piston pin bosses. Through these holes 5, the nende lubricating oil z. B. via grooves in the piston pin not presented Darge and removed.
Such a piston is produced according to the process steps shown in FIGS. 2-4. First, a piston blank according to FIG. 2 is pressed or cast. The projections for the piston pin bosses that also exist are not shown in FIGS. 2-4. Two paragraphs 7 and 8 that run over the entire circumference are provided on the piston skirt.
On the shoulder 7, as shown in Figure 3, the partition 3 is placed, the outline of which corresponds exactly to that of the piston skirt in the zone between the first and second shoulder 7 and 8, respectively. The material of the shoulder 8 is then pressed cold or warm against the partition 3 by means of a die core.
The inter mediate wall 3 is now clamped Festge by the bead 4, as shown in FIG. The piston blank is then finished in the usual way, i. H. provided with ring grooves and bores for the piston pin. and the cooling air and drainage and ground.
The partition 3 can be kept relatively thin. It should be made of a material that has a coefficient of thermal expansion similar to that of the piston material. For example, a light metal alloy based on aluminum or magnesium or an austenitic steel can be used. One of the known light metal alloys can be used as the piston material, e.g.
B. a silicon-containing aluminum alloy or sintered aluminum. The adhesion between the pressed-in partition 3 and the piston material can be improved, similar to the Al-Fin composite casting process, by applying a thin metallic intermediate layer by diffusion adhesion.
To increase the cooling effect, the Kol benboden can be provided on the inside and / or the intermediate wall with surface-enlarging cooling ribs or similar projections. In the intermediate floor 3, a small hole can be provided so that the enclosed air can escape during the pressing process. Before completion of the piston then this hole must z. B. be closed by welding.
In Figure 5, a diesel engine piston is shown, which has a heart-like Brennkam mer 9 in the piston head. The partition 3, which delimits a cooling space 1, is attached according to the already described enclosed method. The blank for this piston is preferably cast.
This enables the arrangement of recesses 10 between the piston bottom and the bolt eyes, as well as the illustrated design of the combustion chamber 10.
If necessary, however, a blank for a piston according to FIG. 5 could also be cold-pressed or hot-pressed, with the undercut recesses having to be produced subsequently by milling. The intermediate wall 3 is, however, always fastened by pressing in by means of a die core.