DE10152316A1

DE10152316A1 - Kolben mit an den Kolbennaben angeschweißtem Kolbenschaft

Info

Publication number: DE10152316A1
Application number: DE10152316A
Authority: DE
Inventors: Volker Gniesmer; Hartmut Kamp
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2021-10-27
Also published as: DE10152316B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, bei dem ein Kolbenschaft an den Kolbennaben angeschweißt ist und sich die Oberkante des Kolbenschaftes bis nahe an die Unterkante des Kolbenbodens erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, der einen Kolbenboden und damit verbundene Kolbennaben mit Nabenbohrungen sowie einen Kolbenschaft gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 aufweist.

Aus der DE 44 46 726 A 1 ist ein Kolben bekannt, bei dem ein einteiliger Kolbenrohling nach einem bekannten Gesenkschmiedeverfahren hergestellt ist. Der Kolbenrohling umfaßt einen Kolbenkopf (auch Kolbenboden genannt) mit dem späteren Kolbenringband, einen Kolben schaft und an den Kolbenkopf angehängte Kolbennaben.

Die Bearbeitung des Kolbenrohlings, der aus einem schmiedbaren Stahl oder aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sein kann, ist zeitaufwendig und benötigt mehrere Arbeits schritte, da das daraus erstellte Fertigteil eine komplizierte Fertigteilgeometrie einschließlich der Kolbenschäfte aufweist. Insbesondere die spanabhebende Kühlkanalfertigung, die eine ringförmige Ausnehmung benötigt, deren axiale Höhe mindestens der axialen Höhe des Kühlkanals entspricht, beeinträchtigt die Gestaltungsmöglichkeiten der Geometrieverhältnis se erheblich. Zur Einbringung eines Kühlkanales muß bei diesem Kolbenrohling ein umlau fender Freiraum zwischen der Unterkante des Kolbenbodens und der Oberkante der Kol benschäfte vorhanden sein. Je höher der Kühlkanal sein soll, desto höher muß auch dieser umlaufende Freiraum sein, um den Kolbenboden von unten mit einem Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung erreichen zu können. Werden geringe Bauhöhen gewünscht, ist dieser Freiraum entsprechend klein zu wählen, so daß aber die Höhe des Kühlkanales nicht ausreichend und damit das Kühlvolumen zu klein ist. Wird der Freiraum vergrößert, um einen ausreichend hohen Kühlkanal zu realisieren, geht dies zu Lasten der Festigkeit. So sind kleine Kompressionshöhen bei ausreichend großem Kühlkanal nur sehr schwer reali sierbar. Desweiteren ist durch die ringförmige Ausnehmung der Schaftbereich in der Höhe begrenzt, was zu einer erschwerten Abstimmung des Kolbens im Schaftbereich bezüglich der Schafttragfähigkeit führen kann.

Aus der DD 74 992 ist ein Kolben bekannt, bei dem ein Kolbenboden über Stützen mit einer Bolzenlagerung verbunden ist. An dieser Bolzenlagerung sind Gleitwangen angeordnet. Zur Aufnahme der Kräfte ist dieser Kolbenboden versteift, so daß hinsichtlich der geometrischen Gestaltung, insbesondere bei Vorhandensein einer Brennraummulde, Einschränkungen be stehen. Außerdem sind die den Kolbenboden und die Bolzenlagerung verbindenden Stützen nicht geeignet, die auf Kolben in heutigen Brennkraftmaschinen wirkenden Kräfte aufzu nehmen. Desweiteren sind die beschriebenen Stützen und Versteifungen nicht im Schmie deverfahren herstellbar (Hinterschneidungen. Die Gleitwangen weisen, wie auch bei der DE 44 46 726 A1, einen sehr großen Abstand zu dem Kolbenboden auf, so daß sich eine große Bauhöhe des Kolbens ergibt. Durch den großen radial umlaufenden Freiraum zwischen der Unterkante des Kolbenbodens und der Oberkante der Gleitwangen wird nur eine schlechte Führung des Kolbens bei heutigen Beanspruchungen erreicht. Über die Art der Herstellung des beschriebenen Kolbens, die Einbringung eines Kühlkanals und die Art und Lage der Befestigung der Gleitwangen an der Bolzenlagerung wird in der DD 74 992 nichts erwähnt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kol bens bereitzustellen, mit dem ein Kolben gegenüber den bekannten Kolben schneller, einfa cher und kostengünstiger herstellbar ist und die geschilderten Nachteile beseitigt sind. Ins besondere soll bei Kühlkanalkolben bei ausreichend großem Kühlkanalvolumen die Bauhöhe des Kolbens gering sein und trotzdem die Möglichkeit einer optimalen Führung im Schaft bestehen.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß ein Kolbenrohling, der aus Kolbenboden und anhän genden Kolbennaben und Kastenwandabschnitten besteht, in einem Schmiedeverfahren, insbesondere im Gesenkschmiedeverfahren, hergestellt wird. Unabhängig davon werden in einem Schmiede- oder Gießverfahren Kolbenschäfte hergestellt, die aus dem gleichen oder einem anderen Material, das mittels Schweißverfahren fügbar ist, bestehen können. An schließend wird der Kolbenrohling und die Kolbenschäfte vorbearbeitet, wobei insbesondere die Kühlkanalausnehmung durch mechanische Bearbeitung eingebracht wird. Danach erfolgt das Anschweißen der Kolbenschäfte, wobei sich deren Oberkante bis nahe an die Unter kante des vorbearbeiteten Kolbenrohlings erstrecken kann. Zuletzt wird der zusammenge schweißte Kolben fertigbearbeitet.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß bei der Herstellung des Kolbens vor Anbringung der Schaftabschnitte ein hinter dem Ringfeld (hinter den Rindnuten) radial um laufender Kühlkanal eingebracht werden kann, dessen Herstellung von den zu diesem Zeit punkt noch nicht vorhandenen Kolbenschäften nicht behindert wird. Damit hat man Gestal tungsfreiheit hinsichtlich Form und Höhe des Kühlkanales.

In den weiteren Unteransprüchen sind weitere Alternativen angegeben, aus denen sich die entsprechenden Vorteile ergeben. Diese konstruktiven Alternativen, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, sind im folgenden weiter ausgeführt und anhand der Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Kolben mit an den Kolbennaben angeschweißtem Kolbenschaft,

Fig. 3 Kolben mit angeschweißtem Kolbenschaft, der eine Nabenbohrung bildet und

Fig. 4 Kolben mit einem einteiligen Kolbenschaft.

Fig. 1 zeigt einen Kolben 1, der aus einem Kolbenboden 2 besteht, der dem jeweiligen Ein satzzweck angepaßt ist. Mit dem Kolbenboden 2 verbunden sind Kolbennaben 3, wobei der Kolbenboden 2 und die Kolbennaben 3 ein einstückiges Bauteil (Kolbenrohling) bilden und dieser Kolbenrohling durch ein Schmiedeverfahren hergestellt wird. Alternativ dazu können auch die Kolbennaben 3 (beispielsweise ebenfalls durch Schweißen) ganz oder teilweise nachträglich an dem Kolbenboden 2 befestigt werden. Die Kolbennaben 3 bilden in an sich bekannter Weise Nabenbohrungen 4, die einen Bolzen aufnehmen. Der Kolbenboden 2 weist weiterhin eine oder mehrere Ringnuten 5 (Ringfeld) sowie einen hinter den Ringnuten 5 radial umlaufenden Kühlkanal 6 auf. Dieser Kühlkanal 6 wird schon bei der Herstellung des Kolbenbodens 2 mit den anhängenden Kolbennaben 3 eingebracht. Gerade bei der Her stellung des Kolbenrohlings (Kolbenboden 2 mit anhängenden Kolbennaben 3) im Schmie deverfahren ist der zu bearbeitende Bereich für die Einbringung des Kühlkanals 6 in der ge wünschten Größe frei zugänglich, da die Kolbenschäfte noch nicht vorhanden sind.

In Fig. 1 ist gezeigt, daß Kolbenschäfte 7, die als Halbschalen ausgebildet sind, an den Kolbennaben 3 angeschweißt sind. Zu diesem Zweck weisen die Kolbennaben 3 Stege 8 auf, an welchen die Kolbenschäfte 7 angeschweißt werden. Die als Halbschalen ausgebil deten Kolbenschäfte 7 können über die Längserstreckung der Kolbennaben 3 hinausgehen oder mit diesen abschließen.

Durch die nachträgliche Anbringung der Kolbenschäfte 7 ist gewährleistet, daß sich diese bis nahe an die Unterkante des Kolbenbodens 2 erstrecken können. Dadurch ergibt sich wegen des geringen Abstandes H zwischen der Oberkante der Kolbenschäfte 7 und der Unterkante des Kolbenbodens 2 eine geringe Bauhöhe des Kolbens 1 bei hoher Festigkeit und guter Schaftführung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß in den Kolbenrohling schon der Kühl kanal 6 eingebracht werden kann, ohne daß die Kolbenschäfte 7 stören. Erst wenn der Kühlkanal 6 in der gewünschten Form und Höhe beim Schmieden des Kolbenrohlings ein gebracht wurde, werden die Kolbenschäfte 7 an die Kolbennaben 3 angeschweißt. Ein um laufender Bereich zwischen der Oberkante der Kolbenschäfte 7 und der Unterkante des Kolbenbodens 2 ist zur Bearbeitung des Kühlkanales 6 nicht mehr erforderlich, so daß diese Höhe H sehr klein gehalten werden kann. Auf jeden Fall ist die Höhe H des umlaufenden Freiraums kleiner als die Höhe des Kühlkanales 6.

In Umfangsrichtung können die Halbschalen über die Ausdehnung der Stege 8 in Bolzen richtung hinausstehen. Damit ist ein variabler Schaftumfangswinkel je nach Ausgestaltung möglich. In besonders vorteilhafter Weise werden die Stege 8 (bzw. allgemein die Kol bennaben 3) in dem Bereich, in dem geschweißt werden soll, den Innenkonturen der Kol benschäfte 7 angepaßt, so daß die Kolbenschäfte 7 planflächig auf den Stirnseiten der Ste ge 8 (bzw. allgemein der Kolbennaben 3) aufliegen.

In Fig. 2 ist gezeigt, daß die ebenfalls halbschalenförmig ausgebildeten Kolbenschäfte 7 ihrerseits Stege 9 aufweisen, über die die Kolbenschäfte 7 an den Kolbennaben 3 ange schweißt werden. Auch hier sind die Auflagebereiche der Stege 9, mit denen sie an den Kol bennaben 3 aufliegen, in vorteilhafter Weise den Konturen der Kolbennaben 3 angepaßt, so daß eine großflächige Auflagefläche gegeben ist, die zur Stabilitätserhöhung beiträgt. Für die Geometrieabmessungen gelten die gleichen Freiheitsgrade wie für Fig. 1.

In Fig. 3 ist gezeigt, daß der Kolbenschaft 7 derart ausgebildet ist, daß er nach dem An schweißen zusammen mit den Kolbennaben 3 die Nabenbohrungen 4 bildet. Auch hier gilt wieder, daß die Flächen im Stoßbereich einander angepaßt sein können. Ebenso können die halbschalenförmigen Kolbenschäfte 7 wieder über die Längserstreckung der Kol bennaben 3 hinausragen oder - wie in Fig. 3 gezeigt - mit diesen abschließen. In Fig. 3 ist weiterhin gezeigt, daß die beiden Kolbenschäfte 7 über Zwischenstege, die die Naben bohrung 4 bilden, miteinander verbunden sind. Alternativ dazu ist es denkbar, daß zwei Kol benschäfte 7 vorhanden sind, die mit ihren Zwischenstegen, die im Stoßbereich ebenfalls miteinander verschweißt werden, die Nabenbohrung 4 bilden. Diese alternative Ausgestal tung ist durch die gestrichelte Linie mit der Bezugsziffer 10 angedeutet.

In Fig. 4 ist gezeigt, daß der Kolbenschaft 7 als ein in seinem Inneren die Kolbennaben 3 aufnehmendes zylindrisches Bauteil ausgebildet ist. Hierbei wird also der zylindrisch ge formte, einteilige Kolbenschaft 7 über die Kolbennaben 3 gestülpt und mit diesen ver schweißt. Dabei kann der zylindrische Kolbenschaft 7 nach innen, d. h. in Richtung der Kol bennaben 3 gerichtete Stege oder dergleichen aufweisen, mit denen der Kolbenschaft 7 mit den Kolbennaben 3 verschweißt wird. Alternativ dazu ist es denkbar, daß die Kolbennaben 3 in Richtung des zylindrischen Kolbenschaftes 7 gerichtete Stege aufweisen, über die die Schweißverbindung hergestellt wird. Der in Fig. 4 gezeigte Kolbenschaft 7 kann auch mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgebildet sein, wobei mehrere Teile ebenfalls mitein ander verschweißt werden.

Abschließend sei noch erwähnt, daß die halbschalenförmigen Kolbenschäfte 7 oder der zy lindrische Kolbenschaft 7 in seinem Inneren Versteifungen (Stege oder dergleichen) aufwei sen kann, wobei diese Versteifungen auch zur Schweißverbindung mit den Kolbennaben 3 herangezogen werden können. Ebenso ist es denkbar, daß sowohl die Kolbennaben 3 Ste ge 8 als auch die Kolbenschäfte 7 Stege 9 aufweisen, wobei die Stege 8 und 9 im Stoßbe reich miteinander verschweißt werden.

Bezugszeichenliste

1

Kolben

2

Kolbenboden

3

Kolbennaben

4

Nabenbohrung

5

Ringnuten

6

Kühlkanal

7

Kolbenschäfte

8

Stege

9

Stege

10

Trennlinie

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für Brennkraftmaschinen, wobei der Kolben (1) einen Kolbenboden (2), der ein Kolbenringband und einen Kühlkanal (6) aufweist, mit an hängenden Kolbennaben (3), die Nabenbohrungen (4) aufnehmen, und zumindest einen Kolbenschaft (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kolbenrohling im Schmiede verfahren und der zumindest eine Kolbenschaft (7) in einem Gieß- oder Schmiedeverfahren hergestellt wird, daß der Kühlkanal (6) durch mechanische Bearbeitung eingebracht wird, daß der zumindest eine Kolbenschaft (7), dessen Oberkante sich bis nahe an die Unterkante des Kolbenbodens (2) erstreckt, an den Kolbennaben (3) angeschweißt wird, und daß an schließend der Kolben (1) fertigbearbeitet wird.

2. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbennaben (3) Stege (8) aufweisen, an denen der Kolbenschaft (7) angeschweißt ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kolbenschaft (7) Stege (9) aufweist, mit denen er an den Kolbennaben (3) angeschweißt ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschaft (7) derart ausgebildet ist, daß er nach dem Anschweißen zusammen mit den Kolbennaben (3) die Nabenbohrungen (4) bildet.

5. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschaft (7) als ein in seinem Inneren die Kol bennaben (3) aufnehmendes zylindrisches Bauteil ausgebildet ist.