DE10244513A1

DE10244513A1 - Mehrteiliger gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10244513A1
Application number: DE10244513A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Berr; Henk Ravenshorst; Armin Ihle; Magnus Horn; Lars Lundin
Original assignee: Mahle GmbH; Hirschvogel Umformtechnik GmbH; Volvo Powertrain AB
Current assignee: Mahle GmbH; Hirschvogel Umformtechnik GmbH; Volvo Powertrain AB
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-08
Also published as: JP4411212B2; AU2003277806A8; EP1561023B1; WO2004029441A1; CN1685140A; CN100347432C; JP2006500507A; HK1078918A1; US6691666B1; DE10393902D2; EP1561023A1; AU2003277806A1; KR20050065560A

Abstract

Bei einem mehrteiligen gekühlten Kolben (20) für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl bestehenden Kolbenoberteil (1), das eine Verbrennungsmulde (3) und eine Ringwand (4) mit Ringpartie (11) umfasst, und einem Kolbenunterteil (2), das einen Kolbenschaft (9), Naben (12) zur Aufnahme des den Kolben (20) mit dem Pleuel verbindenden Kolbenbolzens sowie mit dem Kolbenschaft (9) verbundene Nabenabstützungen (6) umfasst, und einem Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens (20) soll eine kostengünstige Herstellung und gute Formstabilität dadurch erreicht werden, dass ein im Kolbenoberteil (1) eingeformter Kühlkanal (7) in seinem zur Verbrennungsmulde (3) hinreichenden Bereich geschmiedete Stützrippen (8) aufweist, die radial zur Kolbenlängsachse (K) hin jeweils Abschnitte einer umlaufenden Ringrippe (5) mit einer Fügfläche bilden, dass das Kolbenunterteil (2) eine ringförmig umlaufende, mit den Nabenabstützungen (6) verbundene Tragrippe (10) mit einer Fügfläche aufweist, und dass das Kolbenoberteil (1) und das Kolbenunterteil (2) mittels der Fügflächen von Ring- und Tragrippe (5, 10) unlösbar verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen gekühlten Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenoberteil, das eine Verbrennungsmulde und eine Ringwand mit Ringpartie umfasst, und einem Kolbenunterteil, das einen Kolbenschaft, Naben zur Aufnahme des den Kolben mit dem Pleuel verbindenden Kolbenbolzen sowie mit den Kolbenschaft verbundene Nabenabstützungen umfasst, sowie einem Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens.

Ein mehrteilig gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor ist aus der JP 61175255 A bekannt. Dieser Kolben zeigt in Höhe der Ringpartie des Kolbens eine Anzahl von Rippen, zwischen denen eine wärmedämmende Platte zur Minimierung des Wärmetransports von der Brennraummulde zur Ringpartie angeordnet ist.

Aus der WO 00/7379 A1 ist ein weiterer Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der zur Verbesserung der Wärmeabfuhr im Kühlkanal ein Wandteil mit mehreren radial angeordneten aus dünnem Blech bestehende Querwände aufweist.

Diese vorgenannten Konstruktionen sind nicht geeignet, den Kolben hinsichtlich seiner Stabilität für hohe Zünddrücke und Temperaturen, wie sie bei modernen Dieselmotoren auftreten, zu verbessern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kolbenkonzept für einen mehrteiligen gekühlten Kolben anzugeben, mit dem eine kostengünstige Herstellung gewährleistet ist und mit dem wirksam einer Kolbendeformation infolge Einwirkung hoher Gasdrücke und Temperaturen entgegengewirkt werden kann.

Die Lösung der Aufgabe ist in den unabhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen gekühlten Kolbens angegeben, bei dem durch Schmieden eines Rohlings das Kolbenoberteil mit Stützrippen im Kühlkanal versehen wird, die radial zur Kolbenlängsachse hin jeweils Abschnitte einer umlaufenden Ringrippe bilden. Das Kolbenoberteil umfasst des Weiteren eine Verbrennungsmulde und eine Ringwand mit Ringpartie. Anschließend wird der derart geschmiedete Rohling durch Bearbeitung der Verbindungsfläche zum Fügen vorbearbeitet.

Ein mit Naben, Nabenabstützung und Kolbenschaft umfassendes geschmiedetes Kolbenunterteil ist mit einer ringförmig umlaufenden, die Nabenabstützungen verbindenden Tragrippe versehen und wird nach dem Schmieden ebenfalls zum Fügen vorbearbeitet. Das nachfolgende Fügen bzw. Verbinden der Ringrippe des Kolbenoberteils mit der Tragrippe des Kolbenunterteils erfolgt mittels eines Schweiß- oder Lötverfahrens. Anschließend wird der so gefügte Kolbenrohling zu einem in einem Motor verwendbaren Kolben endbearbeitet.

Vorteilhaft können die Stützrippen radial symmetrisch und/oder unsymmetrisch, beispielsweise durch eine größere Anzahl in Druck-Gegendruckrichtung des Kolbens, über den Umfang des Kühlkanals verteilt hergestellt bzw. angeordnet sein. Bei einem derart hergestellten Kolben kann der Kühlkanal näher in Richtung Kolbenboden bzw. Verbrennungsmulde ausgeformt werden und weist trotzdem eine ausgezeichnete Formstabilität auf. Außerdem erfolgt durch die Anordnung der Stützrippen eine Art Kammerbildung im Kühlkanal, d. h. Erzeugung von Shaker-Räumen, wodurch eine Verlängerung der Verweildauer des Kühlöls und damit verbesserte Wärmeableitung der zu kühlenden Kolbenbereiche erreicht wird.

Durch die erfindungsgemäße Lösung sind Kolbenoberteile aus warmfestem Stahl und Kolbenunterteile, bestehend aus geschmiedetem AFP-Stahl, besonders einfach und kostengünstig herstell- und verbindbar.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt:
1 einen erfindungsgemäßen Kolben im Querschnitt, geschnitten in Bolzenrichtung;
2 einen erfindungsgemäßen Kolben in Unteransicht, geschnitten entlang der Linie I-I aus 1;
3 einen erfindungsgemäßen Kolben im Querschnitt, geschnitten quer zur Kolbenbolzenrichtung;
4 einen erfindungsgemäßen Kolben, geschnitten entlang der Linie II-II aus 3;
5 einen erfindungsgemäßen Kolben in perspektivischer Ansicht.
Der erfindungsgemäße mehrteilig gekühlte Kolben 20 besteht aus einem geschmiedeten Kolbenoberteil 1 mit einer Verbrennungsmulde 3, Ringwand 4 mit Ringpartie 11 und einem Kühlkanal 7 sowie aus einem Kolbenunterteil 2, das einen Kolbenschaft 9 sowie Nabenabstützungen 6, wie aus 5 ersichtlich, umfasst. Im Kühlkanal 7 sind Stützrippen 8 vorgesehen, die im Bereich zum Kolbenboden hin angeordnet sind und sich in Richtung des Kühlkanals 7 hinein erstrecken. Die Höhe h der Stützrippen 8 beträgt dabei maximal die Hälfte der Gesamthöhe N des Kühlkanals 7, sodass ein ungehinderter Kühlölkreislauf gewährleistet bleibt. Durch diese Konstruktion werden Shaker-Räume für das Kühlöl geschaffen, welche die Kühlwirkung erhöhen.
Wie die 3 und 4 zeigen, gehen die Stützrippen 8 radial zur Kolbenlängsachse K in Abschnitte einer Ringrippe 5 über, die in ihrer Gesamtheit die Ringrippe 5 bildet. Die Stützrippen 8 sind, wie in 4 dargestellt, radial symmetrisch mit einem Winkel β, bezogen auf die Kolbenhauptachsen K_H, von 45 Winkelgrad über den Umfang des Kühlkanals 7 verteilt angeordnet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) kann die Verteilung der Stützrippen 8 derart gestaltet sein, dass in Druck-Gegendruckrichtung des Kolbens D bzw. GD eine größere Anzahl von Stützrippen 8 angeordnet ist, als quer dazu, d. h., eine unsymmetrische umfangsseitige Verteilung im Kühlkanal 7, erfolgt. So kann die Verteilung der Stützrippen 8 im Kühl kanal 7, wenn dieser nach den durch die Kolbenhauptachsen K_H gebildeten Quadranten 1 – IV charakterisiert wird (4), derart sein, dass innerhalb eines Quadranten eine symmetrische oder unsymmetrische Verteilung vorgesehen ist, die sich in den gegenüberliegenden Quadranten, also I1. und III. oder II. und IV., wiederfindet, um den entsprechenden Temperatur- und Spannungsanforderungen im Kolben 20 im Lastfall gerecht zu werden.
Aus den Nabenabstützungen 6 heraus ist eine ringförmig umlaufende Tragrippe 10 ausgebildet, wie aus 3 ersichtlich, die in ihren geometrischen Abmessungen mit der Ringrippe 5 korrespondiert. Das Kolbenoberteil 1 und Kolbenunterteil 2 ist über die Trag- und Ringrippe 10 und 5 mittels eines Schweiß- oder Lötverfahrens unlösbar miteinander verbunden. Das Kolbenoberteil 1 ist vorteilhaft aus einem oxidationsbeständigen und/oder warmfesten Werkstoff und das Kolbenunterteil 2 aus einem ausscheidungs-härtenden ferritisch-perlitischen Stahl oder Vergütungsstahl gebildet.
Verfahrenstechnisch ist die Herstellung des Kolbens gekennzeichnet durch die Schritte

– Schmieden eines Rohlings zur Herstellung eines Kolbenoberteils 1 mit Stützrippen 8 im Kühlkanal 7, die radial zur Kolbenlängsachse K hin jeweils Abschnitte einer umlaufenden Ringrippe 5 bilden;
– Bearbeiten der Fügfläche der Ringrippe 5 durch spanabhebende Bearbeitung;
– Schmieden eines Rohlings zur Herstellung des Kolbenunterteils 2 mit einer ringförmig umlaufenden, mit den Nabenabstützungen 6 verbundenen Fügfläche der Tragrippe 10;
– Bearbeiten der Fügfläche der Tragrippe 10 durch spanabhebende Bearbeitung;
– Fügen der Ringrippe 5 des Kolbenoberteils 1 mit der Tragrippe 10 des Kolbenunterteils 2;
– Endbearbeitung des gefügten Kolbens 20.

Einem auf dem Fachgebiet tätigen Fachmann ist klar, dass das Verfahren zur Herstellung der Kolbenober- und Kolbenunterteile 1 und 2 üblicherweise beginnt mit der Stauchung eines Stahl-Stangenabschnittes, eines sogenannten Knüppels, einer anschließenden Umformung, der Vorgravur, zur Herstellung der einzelnen Elemente des jeweiligen Kolbenteils, wie Kühlkanal 7, der Stützrippen 8, Verbrennungsmulde 3 usw. bzw. Nabenabstützung 6 usw., einer Fertiggravur, bei dem Materialüberhänge entfernt werden, einem anschließenden Abgraten, einer folgenden Wärmebehandlung zum Spannungsabbau im Material, einer Reinigung der geschmiedeten Kolbenteile durch beispielsweise Sandstrahlen und der anschließenden Bearbeitung der Fügflächen durch spanabhebende Bearbeitung.
Das derart hergestellte Kolbenoberteil 1 und Kolbenunterteil 2 wird mittels eines Schweiß- oder Lötverfahrens über die Fügflächen der Ring- und Tragrippe 5 und 10 unlösbar verbunden, wobei nachfolgend eine Endbearbeitung des Kolbens 20 zu einem im einem Motor einsetzbaren Kolben mittels spanabhebender Bearbeitung durchgeführt wird.

20: Mehrteilig gekühlter Kolben
1: Kolbenoberteil
2: Kolbenunterteil
3: Verbrennungsmulde
4: Ringwand
5: Ringrippe
6: Nabenabstützung
7: Kühlkanal
8: Stützrippe
9: Kolbenschaft
10: Tragrippe
11: Ringpartie
12: Naben
K: Kolbenlängsachse
K_H: Kolbenhauptachsen
N: Kühlkanalhöhe
h: Höhe der Stützrippen
D, GD: Druck-Gegendruckrichtung des Kolbens

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen gekühlten Kolbens (20) für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl bestehenden Kolbenoberteil (1), das eine Verbrennungsmulde (3) und eine Ringwand (4) mit Ringpartie (11) umfasst, und einem Kolbenunterteil (2), das einen Kolbenschaft (9), Naben (12) zur Aufnahme des den Kolben (20) mit dem Pleuel verbindenden Kolbenbolzen sowie mit den Kolbenschaft (9) verbundene Nabenabstützungen (6) umfasst, gekennzeichnet durch die Merkmale, – Schmieden eines Rohlings zur Herstellung eines Kolbenoberteils (1) mit im Kühlkanal (7) versehener Stützrippen (8), die radial zur Kolbenlängsachse (K) hin jeweils Abschnitte einer umlaufenden Ringrippe (5) mit einer Fügfläche bilden; – Bearbeiten der Fügfläche der Ringrippe (5) durch spanabhebende Bearbeitung; – Schmieden eines Rohlings zur Herstellung des Kolbenunterteils (2) mit einer ringförmig umlaufenden, mit den Nabenabstützungen (6) verbundenen Fügfläche der Tragrippe (10); – Bearbeiten der Fügfläche der Tragrippe (10) durch spanabhebende Bearbeitung; – Fügen der Ringrippe (5) des Kolbenoberteils (1) mit der Tragrippe (10) des Kolbenunterteils (2); – Endbearbeiten des gefügten Kolbens (20).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrippen (8) radial symmetrisch und/oder unsymmetrisch über den Umfang des Kühlkanals (7) verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrippen (8) eine Höhe (h) aufweisen, die maximal die Hälfte der Gesamthöhe (N) des Kühlkanals (7) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen mittels eines Schweiß- oder Lötverfahrens erfolgt.
Mehrteiliger gekühlter Kolben (20) für einen Verbrennungsmotor, mit einem aus Stahl geschmiedeten Kolbenoberteil (1), das eine Verbrennungsmulde (3) und eine Ringwand (4) mit Ringpartie (11) umfasst, und einem Kolbenunterteil (2), das einen Kolbenschaft (9), Naben (12) zur Aufnahme des den Kolben (20) mit dem Pleuel verbindenden Kolbenbolzen sowie mit den Kolbenschaft 9 verbundene Nabenabstützungen (6) umfasst, dadurch gekennzeichnet, – dass ein im Kolbenoberteil (1) eingeformter Kühlkanal (7) in seinem zur Verbrennungsmulde (3) hinreichenden Bereich geschmiedete Stützrippen (8) aufweist, die radial zur Kolbenlängsachse (K) hin jeweils Abschnitte einer umlaufenden Ringrippe (5) mit einer Fügfläche bilden, – dass das Kolbenunterteil (2) eine ringförmig umlaufende, mit den Nabenabstützungen (6) verbundene Tragrippe (10) mit einer Fügfläche aufweist, und – dass das Kolbenoberteil (1) und das Kolbenunterteil (2) mittels der Fügflächen von Ring- und Tragrippe (5, 10) unlösbar verbunden ist.
Kolben (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrippen (8) symmetrisch und/oder unsymmetrisch über den Umfang des Kühlkanals (7) verteilt angeordnet sind.
Kolben (20) nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrippen (8) eine Höhe (h) aufweisen, die maximal die Hälfte der Gesamthöhe (H) des Kühlkanals (7) beträgt.
Kolben (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die unlösbare Verbindung des Kolbenober- und Kolbenunterteils (1, 2) eine Schweiß- oder Lötverbindung ist.
Kolben (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (1) aus einem oxidationsbeständigen und/oder warmfesten Werkstoff und das Kolbenunterteil (2) aus einem ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stahl oder Vergütungsstahl besteht.