DE10110889C1 - Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens, sowie ein nach dem Verfahren hergestellter Kühlkanalkolben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einteiligen Kühlkanalkolbens, wobei ein im Schmiedeverfahren hergestellter Kolbenrohling mit einer umlaufenden ringförmigen Ausnehmung zwischen den Kolbenschäften und dem Kolbenboden und im Bereich eines Kolbenringbandes mit einem nach unten offenen Kühlkanal versehen wird, wobei zur Erhöhung der Führungsfläche der Kolbenschäfte vorgesehen ist, daß unterhalb des Kolbenringbandes ein dieses Kolbenringband verlängerndes Bauteil angeschweißt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens und ei­ nen gemäß dem Verfahren hergestellten Kolben gemäß des Oberbegriffes der un­ abhängigen Patentansprüche.

Aus der DE 44 46 726 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines einteiligen Kühlka­ nalkolbens bekannt, bei dem ein Kolbenrohling im Schmiedeverfahren hergestellt und eine ringförmige Ausnehmung zwischen einem Kolbenkopf und den angehäng­ ten Kolbenschäften durch spanabhebende Bearbeitung angebracht wird. Anschlie­ ßend erfolgt die Einbringung eines nach unten offenen Kühlkanales im Kolbenkopf durch spanabhebende Bearbeitung. Danach werden die Nabenbohrungen ange­ bracht und die Außenkontur des Kolbens fertig bearbeitet. Nach diesen Schritten wird noch der nach unten offene Kühlkanal durch einen Abdeckring verschlossen, damit das in dem Kühlkanal zirkulierende Kühlmedium (insbesondere Motoröl) in diesem Kühlkanal verbleibt, um den Kolbenkopf zu kühlen.

Bei diesem Verfahren zur Herstellung des Kühlkanalkolbens ist es erforderlich, daß die axiale Höhe der ringförmigen Ausnehmung mindestens der axialen Höhe des Kühlkanals entspricht. Aufgrund dieses Freiraumes zwischen den Kolbenschäften und dem Kolbenkopf (auch Kolbenboden genannt) kommt es im Betrieb des Kühlka­ nalkolbens zu einer ungewünschten Instabilität, woraus resultiert, daß die Führung des Kühlkanalkolbens innerhalb des Zylinders nicht ausreichend ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens und einen gemäß dem Verfahren hergestellten Kolben anzugeben, wodurch die genannten Nachteile beseitigt werden.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß unterhalb des Kolbenringbandes ein dieses Kolbenringband verlängerndes Bauteil angeschweißt wird. Dieses Bauteil ergänzt die Führungsfläche, wobei die gesamte Führungsfläche nun aus den Oberflächen des Bauteiles sowie der Kolbenschäfte besteht. Insgesamt erhöht sich dadurch die Füh­ rungsfläche, so daß die Instabilitäten des Kühlkanalkolbens beseitigt sind, da das Bauteil zur Versteifung beiträgt und das Laufverhalten des Kühlkanalkolbens inner­ halb des Zylinders wesentlich verbessert wird. Die geometrischen Ausmaße des Bauteiles, insbesondere die axiale Erstreckung zwischen dem Kolbenkopf (Kolben­ boden, insbesondere der Unterkante des Kolbenringbandes) und der Oberkante des Kolbenschaftes richten sich nach den konstruktiven Gegebenheiten, wobei sich das Bauteil in einer beliebigen axialen Länge zwischen den beiden Kanten erstrecken kann und es auch denkbar ist, daß die Unterkante des Bauteiles bis an die Ober­ kante des Kolbenschaftes heranreicht oder sogar mit dieser zur Anlage kommt.

Zur weiteren Erhöhung der Stabilität kann sogar daran gedacht werden, daß die Un­ terkante des Bauteiles mit der Oberkante des Kolbenschaftes ebenfalls verschweißt wird.

In Weiterbildung der Erfindung weist das Bauteil einen nach innen gerichteten Schenkel auf, der sich zumindest über einen Teilbereich des nach unten offenen Kühlkanales erstreckt. Durch diesen nach innen gerichteten Schenkel werden die auf die Führungsfläche des Bauteiles wirkenden Kräfte aufgefangen, so daß die Stabili­ tät dadurch weiter verbessert wird. Eine Nebenwirkung dieses nach innen gerichte­ ten Schenkels ist darin zu sehen, daß der nach unten offene Kühlkanal zumindest teilweise verschlossen wird, so daß sich das darin befindende Kühlmedium in dem Kühlkanal sammelt und zur Kühlung des Kolbenbodens beiträgt. Dabei kann der nach innen gerichtete Schenkel den nach unten offenen Kühlkanal vollständig ab­ decken, so daß ein geschlossener Kühlkanal entsteht. Alternativ dazu kann der nach innen gerichtete Schenkel den nach unten offenen Kühlkanal nur teilweise abdec­ ken, so daß der Kühlkanal zumindest teilweise nach unten offen bleibt. Dies hat den Vorteil, daß über die offenen Bereiche weiterhin Kühlmedium in den und aus dem Kühlkanal gelangen kann.

In Weiterbildung der Erfindung sind der nach unten (in Richtung der Oberkante des Kolbenschaftes) gerichtete Schenkel des Bauteiles und der nach innen gerichtete Schenkel winklig, insbesondere etwa im rechten Winkel zueinander angeordnet. D. h., daß das Bauteil mit seinem Schenkel so hergestellt wird, daß diese etwa im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Dieses Bauteil kann beispielsweise im Gießverfahren hergestellt werden, wobei auch andere Herstellverfahren denkbar sind. So können z. B. beide Schenkel als Stanzteile bzw. Biegeteile hergestellt und anschließend miteinander verschweißt werden.

In Weiterbildung der Erfindung weisen die Schenkel entweder eine gleiche oder von einander unterschiedliche Dicke auf. Die einzusetzenden Dicken richten sich insbe­ sondere nach der Belastung des Bauteiles, d. h., die Schenkel müssen so dimensio­ niert werden, daß sie die auftretenden Kräfte aufnehmen und ableiten können, um die gewünschte Stabilität herstellen zu können.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Bauteil zumindest in dem Bereich oberhalb des Kolbenschaftes angeordnet. Da die Kolbenschäfte bisher die Führung des Kühlkanalkolbens übernommen haben und das Bauteil die Führungsfläche erhöhen soll, wird es in vorteilhafter Weise in Bewegungsrichtung des Kühlkanalkolbens ge­ sehen oberhalb des Kolbenschaftes angeordnet. D. h., daß sich das Bauteil in dem Bereich zwischen der Unterkante des Kolbenringbandes und der Oberkante des Kolbenschaftes sowie zumindest innerhalb des Bereiches zwischen den Längskan­ ten des Kolbenschaftes erstreckt (in Bewegungsrichtung des Kolbens betrachtet), wobei es auch denkbar ist, daß das Bauteil über die Längskanten des Kolbenschaf­ tes hinausragt.

In Weiterbildung der Erfindung besteht das Bauteil aus zumindest zwei Hälften, die im Bereich der ringförmigen Ausnehmung fixiert und unterhalb des Kolbenringban­ des angeschweißt werden, wobei insbesondere auch die Stoßstellen untereinander verschweißt werden. Dadurch entsteht ein mit dem Kühlkanalkolben verbundenes starres Bauteil, welches die Führungsfläche erhöht und die dort eingeleiteten Kräfte aufnehmen kann. Die nach innen gerichteten Schenkel können, wie ebenso bei den vorher beschriebenen Ausgestaltungen, an dem Grundkörper des Kühlkanalkolbens zur Anlage kommen, wobei dies nicht unbedingt erforderlich ist, so daß zwischen der umlaufenden Kante des nach innen gerichteten Schenkels und dem Grundkörper des Kühlkanalkolbens eine Öffnung verbleiben kann. Die Herstellung des Bauteiles aus zumindest zwei Hälften hat den Vorteil, daß, nach dem die umlaufende ringför­ mige Ausnehmung und der Kühlkanal eingebracht worden sind, um den Kühlkanal­ kolben im Bereich der Ausnehmung angelegt werden können, so daß anschließend der Schweißvorgang zur Verbindung des Bauteiles mit dem Kolbenringband erfolgen kann.

Verschiedene Ausgestaltungen von Kühlkanalkolben, die nach dem beanspruchten Verfahren oder einem anderen Verfahren hergestellt sind, sind im folgenden be­ schrieben und anhand der Figuren erläutert.

In den Fig. 1 bis 4 sind, teilweise in der Schnittansicht, teilweise in einer dreidi­ mensionalen Darstellung verschiedene Ausgestaltungen des Bauteiles, welches die Führungsfläche erhöht, gezeigt.

In Fig. 1 ist ein Kühlkanalkolben 1 gezeigt, wobei zunächst (nicht gezeigt) ein Kol­ benrohling im Schmiedeverfahren hergestellt wird. Nachdem dieser Kolbenrohling hergestellt worden ist, kann ein Kolbenboden 2 (auch Kolbenkopf genannt) mit einer Brennraummulde 3 versehen werden oder sein. Weiterhin werden in einem Kolben­ ringband 4 umlaufende Nuten eingebracht, die die Kolbenringe aufnehmen. Ebenso folgt eine Bearbeitung des Kolbenrohlings dahingehend, daß eine ringförmig umlau­ fende Ausnehmung 5 sowie ein nach unten offener Kühlkanal 6 in den Kolbenrohling eingebracht werden. Dies kann z. B. mittels spanabhebender Bearbeitung erfolgen. Ebenso weist der Kolbenrohling Kolbenschäfte 7 auf, wobei nach Herstellung des Kolbenrohlings dieser mit Nabenöffnungen 8 versehen wird.

Zur Erhöhung der Führungsfläche, die zunächst durch die Oberfläche der Kolben­ schäfte 7 gegeben ist, wird ein Bauteil 9 an die Unterkante des Kolbenringbandes 4 angeschweißt, wobei sich das Bauteil 9 in Richtung der Kolbenschäfte 7 erstreckt. Dabei hat das Bauteil 9 in etwa die gleiche radiale Erstreckung wie auch der Kolben­ schaft 7, wobei diese radiale Erstreckung kleiner, gleich oder größer sein kann als die radiale Erstreckung des Kolbenschaftes 7. Auch die axiale Erstreckung des Bauteiles 9 kann variieren von knapp unterhalb der Unterkante des Kolbenringban­ des 4 bis hin zur Oberkante des Kolbenschaftes 7.

In Fig. 2 ist gezeigt, daß das Bauteil 9 neben einem nach unten gerichteten Schen­ kel 10 einen nach innen (in Richtung des Grundkörpers des Kühlkanalkolbens 1) ge­ richteten Schenkel 11 aufweist, wobei die beiden Schenkel 10 und 11 gleiche oder von einander verschiedene Dicke haben können. In bevorzugter Weise ist die Dicke des nach unten gerichteten Schenkels 10 größer als die Dicke des nach innen ge­ richteten Schenkels 11, da aufgrund dieser geometrischen Verhältnisse optimal ge­ währleistet ist, daß die auf die Oberfläche des nach unten gerichteten Schenkels 10 einwirkenden Kräfte über den nach innen gerichteten Schenkel 11 bei möglichst klei­ nem Gewicht des Bauteiles 9 aufgenommen werden können. Der nach innen ge­ richtete Schenkel 11 kann (insbesondere zur Abdichtung des Kühlkanales 6) bis an den Grundkörper des Kühlkanalkolbens 1 stoßen. Dies wird in bevorzugter Ausfüh­ rungsform aber nicht notwendig sein, da die auf den Schenkel 10 einwirkenden Kräfte durch einen "freischwebenden" (also nicht an den Grundkörper des Kühlka­ nalkolbens 1 stoßenden) Schenkel 11 aufgefangen werden können. Außerdem hat ein Spalt zwischen dem Grundkörper des Kühlkanalkolbens 1 und dem nach innen gerichteten Schenkel 11 den Vorteil, daß Kühlmedium in den und aus dem Kühlkanal 6 gelangen kann.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des Bauteiles 9, bei dem die beiden Schenkel in etwa gleiche Dicke aufweisen, wobei der Stoßbereich der beiden etwa im rechten Winkel angeordneten Schenkel 10 und 11 durch eine Rundung verstärkt ist. Außer­ dem ist deutlich zu erkennen, daß der nach innen gerichtete Schenkel 11 nicht bis an den Grundkörper des Kühlkanalkolbens heranreicht und andererseits der nach unten gerichtete Schenkel 10 bis in etwa an die Oberkante des Kolbenschaftes 7 heran­ reicht.

In Fig. 4 ist schließlich gezeigt, daß das Bauteil 9 aus zumindest zwei Hälften 12 und 13 besteht, so daß diese beiden Hälften in dem Bereich der ringförmigen Aus­ nehmung 5 (s. Fig. 1) um den Grundkörper des Kühlkanalkolbens 1 herumgelegt und fixiert werden können, so daß anschließend die Oberkante des Schenkels 10 mit der Unterkante des Kolbenringbandes 4 verschweißt werden kann. Anschließend erfolgt zur Erhöhung der Stabilität eine Verschweißung der beiden Hälften 12 und 13 an ihren Stoßstellen. Nach dem Anschweißen des Bauteiles 9 an den Kühlkanalkol­ ben 1 erfolgt noch eine Überarbeitung der Schweißstellen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens (1), wobei ein Kolbenrohling im Schmiedeverfahren hergestellt wird, bei dem zwischen dem Kolbenboden (2) und den am Kolbenboden (2) angehängten Kolbenschäften (7) eine umlaufende ringförmige Ausnehmung (5) und oberhalb der Ausnehmung (5) etwa auf Höhe eines Kolbenringbandes (4) ein nach unten offener Kühlkanal (6) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Kolbenringbandes (4) ein dieses Kolbenringband (4) verlängerndes Bauteil (9) angeschweißt wird.

2. Kühlkanalkolben (1), hergestellt gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwischen dem Kolbenboden (2) und den am Kolbenboden (2) angehängten Kol­ benschäften (7) eine umlaufende ringförmige Ausnehmung (5) und oberhalb der Ausnehmung (5) etwa auf der Höhe eines Kolbenringbandes (4) ein nach unten offener Kühlkanal (6) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Kolbenringbandes (4) ein dieses Kolbenringband (4) verlängerndes Bauteil (9) angeordnet ist.

3. Kühlkanalkolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (9) einen nach unten in Richtung Kolbenschäfte (7) gerichteten Schenkel (10) und einen nach innen in Richtung Kühlkanal gerichteten Schenkel (11) aufweist, wobei die Schenkel (10) und (11) winklig, insbesondere im rechten Winkel zuein­ ander angeordnet sind.

4. Kühlkanalkolben (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nach innen gerichtete Schenkel (11) sich über einen Teilbereich des nach unten offe­ nen Kühlkanals (6) erstreckt.

5. Kühlkanalkolben (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (10, 11) eine gleiche oder von einander unterschiedliche Dicke aufwei­ sen.

6. Kühlkanalkolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Bauteil (9) umindest in dem Bereich oberhalb des Kolbenschaftes (7) angeordnet ist.

7. Kühlkanalkolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Bauteil (9) aus zumindest zwei Teilen (12, 13) besteht, die im Bereich der ringförmigen Ausnehmung fixiert und unterhalb des Kolbenringsbandes (4) angeschweißt sind, wobei insbesondere auch die Stoß­ stellen miteinander verschweißt sind.