DE10230745B4

DE10230745B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens mit kurzer Kompressionshöhe

Info

Publication number: DE10230745B4
Application number: DE2002130745
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr. Mielke
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: DE10230745A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) mit kurzer Kompressionshöhe, mit in einem in einem Kolbenboden (2) angeordneten Ringfeld (3) und einem dahinter angeordneten Kühlkanal (4), wobei zunächst ein Kolbenrohling hergestellt wird, wobei vom Außenumfang des Kolbenrohlings in den Kolbenboden (2) eine radial umlaufende Ausnehmung (5) eingebracht wird, die teilweise den Kühlkanal (4) bildet, wobei anschließend die Ausnehmung (5) von einem Einsatz (6) radial umlaufend verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (6) als ein einteiliger Ring ausgebildet ist, der über den Kolbenring geschoben und im Bereich der Ausnehmung (5) gestaucht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens mit kurzer Kompressionshöhe gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des unabhängigen Patentanspruches 1.

Aus der DE 44 46 726 A1 ist ein Kolben und ein Verfahren zur Herstellung dieses Kolbens bekannt, bei dem bei einem Kolbenrohling eine ringförmige Ausnehmung durch spanabhebende Bearbeitung angebracht wird. Diese ringförmige Ausnehmung ist erforderlich, um einen nach unten offenen Kanal ebenfalls mittels spanabhebender Bearbeitung einzubringen. Nachdem der Kühlkanal eingebracht worden ist, wird er von einem Abdeckring verschlossen. Ein derart hergestellter und konstruierter Kolben weist zwar in seinem Kolbenboden einen Kühlkanal auf, mit dem dieser Bereich, insbesondere der Bereich des Ringfeldes und dessen erster Ringnut, gekühlt werden kann. Allerdings ist es erforderlich, zur Realisierung einer entsprechenden Höhe und damit eines entsprechenden Volumens des Kühlkanales eine entsprechend hohe ringförmige Ausnehmung in den Kolbenrohling einzubringen, um den Kühlkanal mit einem spanabhebenden Werkzeug in entsprechender Höhe realisieren zu können. Das heißt, daß die ringförmige Ausnehmung mindestens die gleiche Höhe haben muß wie der anschließend eingebrachte Kühlkanal. Dies hat zur Folge, daß diese ringförmige Ausnehmung einerseits die Bauhöhe (Kompressionshöhe) des Kolbens erhöht und gleichzeitig die Festigkeit des Kolbens schwächt.

Aus der DE 13 01 629 C ist ein Verfahren zur Herstellung eines Ringkanales im Bereich hinter den Kolbenringnuten für den Umlauf einer Kühlflüssigkeit bei geschmiedeten Kolben für Brennkraftmaschinen durch Herausarbeiten von Ausnehmungen im Kolben bekannt in der Weise, dass zwischen benachbarten Ausnehmungen eine unterbrechungsfreie Kolbenoberfläche verbleibt, wobei die Ausnehmungen schlitzförmige Teile eines zur Kolbenachse koaxialen Kreisringes bilden, durch die Bearbeitungsmittel eingeführt werden, mit denen unterhalb der Kolbenoberfläche den Kreisring ergänzende Aushöhlungen erzeugt werden und wobei abschließend die Ausnehmungen in bekannter Weise verschlossen werden.

Aus der DD 279 203 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Kolben für Brennkraftmaschinen mit einem im Bereich des Ringfeldes liegenden, durch Anwendung eines Elektronenstrahlschweißverfahrens mit einem ringförmigen Element gleichen oder ähnlichen Materials wie der Kolbengrundkörper verschlossenen Kühlkanal bekannt, wobei das ringförmige Element aus mindestens zwei Segmenten besteht, die von außen in die den Kühlkanal umgebende Nut eingesetzt werden und diesen verschließen, wobei die parallelen Nähte in radialer Richtung durch den Schweißvorgang mit dem Kolbengrundkörper verschweißt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens anzugeben, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 3.

Erfindungsgemäß vorgesehen ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, bei dem nach Herstellung eines Kolbenrohlings vom Außenumfang des Kolbenrohlings in den Kolbenboden eine radial umlaufende Ausnehmung eingebracht, insbesondere durch Einstechen, wird, die teilweise den Kühlkanal bildet, wobei anschließend die Ausnehmung von einem Einsatz radial umlaufend verschlossen wird und der Einsatz als ein einteiliger Ring ausgebildet ist, der über den Kolbenrohling geschoben und im Bereich der Ausnehmung ge staucht wird. Damit ist keine ringförmige Ausnehmung erforderlich, um den Kühlkanal einzubringen, die Auswirkung auf die Bauhöhe (Kompressionshöhe) des Kolbens hätte. Damit kann die Kompressionshöhe des Kolbens wesentlich kleiner ausfallen als bisher. Gleichzeitig entfällt eine Schwächung des Kolbens, da die Ausnehmung, insbesondere eine als Nut ausgeführte Ausnehmung, etwa im Bereich des Ringfeldes eingebracht wird. Außerdem spielt die Baugröße des Werkzeuges, mit dem die Ausnehmung spanabhebend in den Kolbenboden eingebracht wird, keine Rolle, so dass Freiheiten bei der Wahl der Form und der Größe des Werkzeuges bestehen. Insbesondere kann zur Herstellung eines ausreichenden Volumens des Kühlkanales die Ausnehmung mit einer Hinterschneidung versehen sein. Nachdem die radial umlaufende Ausnehmung aus Richtung des Außenumfanges des Kolbenrohlings, insbesondere im Bereich des Ringfeldes, eingebracht worden ist, wird sie anschließend von einem Einsatz ebenfalls radial umlaufend verschlossen, wobei der Einsatz so gestaltet ist, daß er mehr oder weniger bündig mit der Oberfläche des Kolbenrohlings abschließt und damit die Ausnehmung nach außen hin verschließt. Der Innendurchmesser des Einsatzes ist dabei so gewählt, daß ein hinreichend großer Kühlkanal (Ringkanal) zur Aufnahme des Kühlmediums verbleibt. Nachdem der Einsatz die Ausnehmung verschlossen hat, erfolgt eine Fertigbearbeitung des Kolbenrohlings, wobei vorher noch der Einsatz unlösbar mit dem Kolbenrohling, insbesondere durch Verschweißen oder Verlöten, verbunden wird. Durch diese unlösbare Verbindung entsteht in vorteilhafter Weise eine zusätzliche Versteifung des Kolbenbodens im Bereich des Ringfeldes. Ist der Einsatz im Bereich einer Ringnut vorgesehen, kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach dem Verschließen der Ausnehmung mit dem Einsatz in diesen zumindest eine Ringnut eingebracht werden. Darüber hinaus ist es denkbar, je nach Erstreckung des Einsatzes in der Höhe auch mehrere Ringnuten nebst zugehörigen Ringstegen einzubringen

Unter dem Begriff "Kolben" sind nur solche Kolben zu verstehen, die aus einem Werkstoff mit einem spezifischen Gewicht 3 ≥ gr/cm³ (wie Stahl/Grauguß) bestehen. Von der Erfindung sind nicht Leichtmetall-Werkstoffe wie Aluminium umfaßt.

Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Einsatz als ein Ring ausgebildet, der über den Kolbenrohling geschoben und im Bereich der Ausnehmung gestaucht wird. Durch das Stauchen schließt der Ring in etwa bündig mit dem Außenumfang des Kolbenrohlings ab und verschließt die Ausnehmung nach außen. Durch den Stauchvorgang ist der Einsatz in der Ausnehmung festgesetzt, wobei zusätzlich die Stoßkanten zwischen dem Kolbenrohling und dem Ring beispielsweise durch Laser- oder Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden werden können. Die Stauchung hat darüber hinaus den Vorteil, daß die Schweißung bei höheren Festigkeitsanforderungen derart erfolgen kann, daß der Schweißstrahl nicht in Richtung des Kühlkanales austreten kann. Alternativ zum Schweißvorgang ist auch ein Lötvorgangdenkbar.

Alternativ hierzu kann für den Fall, daß der Einsatz im Bereich einer Ringnut zumindest teilweise vorhanden ist, die Ringnut beispielsweise durch Einstechen in den Einsatz hergestellt werden. Dabei kann der Einsatz die Ringnut vollständig aufnehmen oder aber auch teilweise oder vollständig die Ringnut bilden sowie auch Bestandteil eines Ringsteges sein.

Ein erfindungsgemäßer Kolben, auf den die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist im folgenden beschrieben und anhand der Figur erläutert.
Die Figur zeigt ausschnittweise einen Kolben 1 (Stahlkolben), bei dem Kolbenboden (auch Kolbenkopf genannt) mit der Bezugsziffer 2 versehen ist. Im Bereich des Kolbenbodens 2 ist ein Ringfeld 3 vorhanden, welches in an sich bekannter Weise Ringnuten und Ringstege aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist im Bereich des Ringfeldes 3 hinter diesem Ringfeld 3 ein radial umlaufender Kühlkanal 4 vorhanden, der den Kolbenboden 2 und auch den Bereich des Ringfeldes 3 kühlen soll. Zur Herstellung des Kühlkanales 4 ist nun vorgesehen, daß vom Außenumfang des Kolbens 1, der zunächst als Kolbenrohling hergestellt wird, eine radial umlaufende Ausnehmung in den Kolbenboden 2 eingebracht wird. Dies erfolgt beispielsweise durch einen Einstechvorgang mittels spanabhebender Bearbeitung. Diese Ausnehmung 5 reicht bis in Richtung des Kühlkanales 4, wobei die Ausnehmung 5 zunächst in etwa rechteckige Querschnittsform aufweisen kann, wobei zur Erzielung einer ab gerundeten Querschnittsform des Kühlkanales 4 und somit zur Vergrößerung des Volumens des Kühlkanales 4 eine Hinterschneidung vorgesehen werden kann.
Nachdem die Ausnehmung 5, gegebenenfalls mit Hinterschneidungen, in den Kolbenboden 2 eingebracht worden ist, wird diese Ausnehmung 5 von einem Einsatz 6 radial umlaufend verschlossen. Dabei ist die geometrische Form des Einsatzes 6 so gewählt, daß sie nach außen hin in etwa bündig mit dem Außenumfang des Kolbenrohlings abschließt, gleichzeitig aber auch den Bereich des späteren Kühlkanales 4 freiläßt. Nachdem der Einsatz 6 der Ausnehmung 5 festgesetzt, insbesondere mit dem Kolben 1 bzw. dessen Kolbenrohling unlösbar verbunden wurde, wird für den Fall, daß der Einsatz 6 sich im Bereich einer Ringnut befindet, diese Ringnut zumindest teilweise oder vollständig in den Einsatz 6 mittels spanabhebender Bearbeitung eingebracht.
Die Einbringung der Ausnehmung erfolgt in besonders vorteilhafter Weise vom Außenumfang des Kolbenrohlings aus im Bereich des Ringfeldes 3, da dann die Ausnehmung und gegebenenfalls die Schweißnähte, mit denen der Einsatz mit dem Kolbenrohling unlösbar verbunden wird, außerhalb der kritischen Lastpfade im Kolbenboden 2 liegen. Denkbar ist aber auch, daß die Ausnehmung 5 außerhalb des Ringfeldes 3, gegebenenfalls auch von der Oberseite des Kolbenbodens 2, eingebracht wird. Außerdem ist eine im Gegensatz zur senkrechten Einbringung der Ausnehmung 5, wie sie in der Figur gezeigt ist, schräge Einbringung der Ausnehmung 5 vom Außenumfang des Kolbenrohlings her denkbar.
Weitere Bestandteile des Kolbens 1 sind in an sich bekannter Weise die Kolbenschäfte 7, die Kolbennabe 8, die Bolzenbohrung 9 sowie eine Brennraummulde 10.

1: Kolben
2: Kolbenboden
3: Ringfeld
4: Kühlkanal
5: Ausnehmung
6: Einsatz
7: Kolbenschaft
8: Kolbennabe
9: Bolzenbohrung
10: Brennraummulde

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) mit kurzer Kompressionshöhe, mit in einem in einem Kolbenboden (2) angeordneten Ringfeld (3) und einem dahinter angeordneten Kühlkanal (4), wobei zunächst ein Kolbenrohling hergestellt wird, wobei vom Außenumfang des Kolbenrohlings in den Kolbenboden (2) eine radial umlaufende Ausnehmung (5) eingebracht wird, die teilweise den Kühlkanal (4) bildet, wobei anschließend die Ausnehmung (5) von einem Einsatz (6) radial umlaufend verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (6) als ein einteiliger Ring ausgebildet ist, der über den Kolbenring geschoben und im Bereich der Ausnehmung (5) gestaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (6) unlösbar mit dem Kolbenrohling verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Einsatz (6) nach dem Verschließen der Ausnehmung (5) eine Ringnut eingebracht wird.