DE60204296T2

DE60204296T2 - Verfahren zur herstellung von einstückigen kolben

Info

Publication number: DE60204296T2
Application number: DE60204296T
Authority: DE
Inventors: Rainer Scharp; Jochen Danner
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2022-03-06
Also published as: US20020133946A1; WO2002076672A1; DE60204296D1; EP1372904A1; JP4447838B2; JP2005503268A; CN1610601A; EP1372904B1; BR0208185B1; BR0208185A; US6487773B2; KR100851682B1; KR20040052493A; HK1074812A1; CN100453253C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Kolbens für einen Verbrennungsmotor aus einem Kolbenrohling gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein derartiger Kolben, der im Gießverfahren aus Stahl hergestellt wird, ist aus dem praktischen Einsatz bekannt. Um einen geschlossenen Kühlkanal zu erhalten, müssen entfernbare Gusskerne verwendet werden, wodurch der Fertigungsprozess verkompliziert und verteuert wird.
Ein einstückiger Kolben mit Kühlkanal ist aus der US-Patentschrift Nr. 4,608,947 bekannt. Dieses Referenzdokument enthält jedoch keinerlei Hinweise bezüglich des Herstellungsverfahrens eines solchen Kolbens.
Die vorliegende Erfindung beschreibt einen konstruktiv einfachen Weg, mit dem das Problem der Herstellung eines einstückigen Kolbens mit einem geschlossenen Kühlkanal gelöst werden kann.
Hinsichtlich des Standes der Technik ist auch das Konzept eines zusammengesetzten Kolbens (mehrteilig ausgeführter Kolben) zu erwähnen, bei dem die Verbindung vom Kolbenboden zum Kolbenbolzen getrennt vom Kolbenmantel nur zum Kolbenbolzen erfolgt (siehe beispielsweise die DE-OS 36 43 0391 . Bei einem solchen zusammengesetzten Kolben enthält der Kolbenboden einen an der Unterseite offenen Kühlkanal, wobei dieser Kanal mittels eines geteilten Blechrings verschlossen wird. Die Herstellung eines solchen Kühlkanals ist nur möglich, indem der Kolben zweiteilig ausgeführt wird, was jedoch erhöhte Kosten für die Fertigung des zusammengesetzten Kolbens zur Folge hat, da der Kolbenmantel zusätzlich in getrennter Aufspannung bearbeitet werden muss. Ein solcher zusammengesetzter Kolben erfordert einen längeren Kolbenbolzen, wodurch sich das Gewicht erhöht.
Ein Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Kolbens für einen Verbrennungsmotor aus einem Kolbenrohling gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in der US-Patentschrift Nr. 5,778,533 offenbart. Die vorliegende Erfindung verbessert die Lehre dieser Patentschrift durch Einarbeiten der umlaufenden Aussparung derart, dass das obere Ende des Kolbenmantels mit dem radialen inneren Bereich unterhalb des Kolbenbodens verbunden bleibt. Die Verbindung kann um den gesamten Umfang erstreckt sein oder in strebenartiger Form nur an bestimmten Punkten ansetzen.
Der gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte Kolben stellt eine Verbesserung gegenüber früheren einstückigen Kolben dar, da es sich um eine widerstandsfähigere Konstruktion mit entsprechend höheren Sicherheitsfaktoren in den hochbelasteten Bereichen handelt. Außerdem werden durch die steifere Konstruktion die sekundären Kolbenbewegungen reduziert, wodurch in der Folge die Versatzreaktionen der Kolbenringe gemindert werden, was zu geringerem Verschleiß und niedrigerem Ölverbrauch bei gleichzeitiger Verringerung der Gefahr von Auswaschungen führt. Außerdem bringt das verbesserte Konzept eine gleichförmigere Verteilung der Seitenkräfte mit sich und trägt dadurch zu geringerem Verschleiß der Zylinderlaufbüchsen bei. Letztlich ist der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kolben in einfacherer Weise zu bearbeiten. Die Bearbeitung auf der Drehmaschine erfolgt im glatten Schnitt, so dass das anschließende Entgraten entfällt. In manchen Fällen ist die Steifigkeit des Kolbenmantels so hoch, dass der Kolben ausschließlich im Bereich des Kolbenmantels geführt werden kann. Wenn dies gewünscht ist, kann die Führung im Bereich der Kolbenringpartie vollständig eliminiert werden.
Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es versteht sich von selbst, dass die Zeichnungen nur der Darstellung dienen und nicht den Geltungsbereich der Erfindung bestimmen sollen.
In den Figuren bezeichnen in allen Ansichten gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente; es zeigen:
1 einen seitlichen Teilschnitt eines Kolbenrohlings für die Herstellung des Kolbens nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
2 eine Unteransicht des Kolbenrohlings;
3 einen seitlichen Teilschnitt des fertig bearbeiteten Kolbens; und
4 eine teilweise geschnittene Unteransicht des fertig bearbeiteten Kolbens.
1 und 2 zeigen einen einstückigen Kolbenrohling 1, der nach einem bekannten Gesenkschmiedeverfahren hergestellt ist. Die Außenkontur des fertig bearbeiteten Kolbens ist durch strichpunktierte Linien angedeutet. Der Kolbenrohling 1 umfasst einen Kolbenboden 2 mit der später bearbeiteten Kolbenringpartie 3, einen Kolbenmantel 4 und Kolbenaugen 5, die am Kolbenboden 2 angesetzt sind. Der Kolbenrohling kann aus Schmiedestahl oder Aluminiumlegierung gefertigt werden.
3 und 4 zeigen den fertig bearbeiteten Kolben 6, der entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. In einem ersten Bearbeitungsschritt wird der Kolbenrohling 1 durch mechanische Bearbeitung (Drehen) mit einer umlaufenden Aussparung 7 versehen, deren Höhe in axialer Richtung etwas größer ist als die Höhe des späteren Kühlkanals 8. Der Kolbenboden 2 wird jedoch nicht vollständig vom Kolbenmantel 4 getrennt und bleibt am Umfang mit diesem verbunden. Diese Verbindung 13 kann entweder um den gesamten Umfang bestehen bleiben oder strebenartig mit Unterbrechungen der Verbindung an bestimmten Punkten ausgeführt werden, wobei eine um den gesamten Umfang verlaufende Verbindung bevorzugt wird.
Für die Herstellung des nach unten offenen Kühlkanals 8 wird ein hakenförmiger Drehmeißel 15 in die Aussparung 7 eingeführt, und der Kühlkanal 8 wird durch axiales bzw. radiales Zustellen des Drehmeißels 15 in die gewünschte Form gedreht. Anschließend werden die Kolbenaugen 9 in bekannter Weise hergestellt und die Außenkontur des Kolbens 6 fertig bearbeitet.
Zum Verschließen des nach unten offenen Kühlkanals 8 wird ein zweiteiliger Deckring 10 (z.B. eine geteilte Federscheibe) unter Vorspannung in passende Aufnahmen im Kolbenboden 2 eingesetzt. Der Deckring 10 ist mit einer Zuströmöffnung 11 und einer Abströmöffnung 12 für das Kühlöl versehen.
Auf diese Weise kann ein einstückiger Kolben mit einem geschlossenen Kühlkanal zu günstigen Kosten hergestellt werden, wobei dieser im Vergleich zu im Gießverfahren hergestellten Kolben beispielsweise eine höhere Festigkeit aufweist, da der Kolbenwerkstoff beliebig gewählt werden kann, d.h. als Stahlschmiedestück oder schmiedbare Aluminiumlegierung, wodurch der Kolben besser für den Einsatz in hochbelasteten Dieselmotoren geeignet ist.
Des Weiteren führt eine Bearbeitung der Aussparung in der Weise, dass das obere Ende des Kolbenmantels mit dem radial innen liegenden Bereich unter dem Kolbenboden verbunden bleibt, zu einer steiferen Gesamtausbildung mit entsprechend höheren Sicherheitsfaktoren in den hoch belasteten Bereichen. Durch die steifere Ausführung wird die Sekundärbewegung des Kolbens reduziert, woraus sich eine geringere Versatzreaktion der Kolbenringe mit entsprechend geringerem Verschleiß und niedrigerem Ölbedarf ergibt, außerdem wird die Gefahr von Auswaschungen herabgesetzt. In manchen Fällen ist die Steifigkeit des Kolbenmantels so hoch, dass der Kolben ausschließlich im Bereich des Kolbenmantels geführt werden kann. Wenn gewünscht, könnte damit jede Führung im Bereich der Kolbenringpartie eliminiert werden.
Die verbesserte Konstruktion bewirkt eine gleichmäßigere Verteilung der Seitenkräfte und trägt damit zu verringertem Verschleiß der Zylinderlaufbüchsen bei. Insgesamt ist ein entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Kolben in einfacherer Weise zu bearbeiten. Die Bearbeitung auf der Drehmaschine erfolgt mit glatterem Schnitt und erfordert kein nachfolgendes Entgraten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines einstückigen Kolbens für einen Verbrennungsmotor aus einem Kolbenrohling durch Schmieden des Kolbenrohlings (11 und anschließendes Einarbeiten einer ringförmigen Aussparung (7) zwischen einer Kolbenringpartie und einem zylinderförmig erstreckten Kolbenmantel, wobei der Kolbenmantel mit Kolbenaugen verbunden ist, die am Kolbenboden angesetzt sind; Einarbeiten eines nach unten offenen Kühlkanals (81, der auf Höhe der Kolbenringpartie ringförmig in einen Kolbenboden erstreckt ist; Herstellen der Kolbenaugen (9) und Fertigbearbeiten der Außenkontur des Kolbens (6); und Verschließen des nach unten offenen Kühlkanals mit einem Deckring; gekennzeichnet durch den folgenden Schritt: Einarbeiten der ringförmigen Aussparung (7) dergestalt, dass ein oberes Ende des Kolbenmantels mit einem radialen inneren Bereich unterhalb des Kolbenbodens verbunden bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die axiale Höhe der ringförmigen Aussparung (7) mindestens der axialen Höhe des Kühlkanals entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Deckring (10) in zwei Teile geteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Einarbeitens des Kühlkanals das Einführen eines hakenförmigen Drehmeißels in eine Aussparung im Kühlkanal (8) und das Zustellen des Drehmeißels in axialer und radialer Richtung umfasst, um den Kühlkanal entsprechend einer gewünschten Form auszudrehen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein schmiedbarer, warmfester Stahl als Werkstoff für den Kolben zum Einsatz kommt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine schmiedbare Aluminiumlegierung als Werkstoff für den Kolben zum Einsatz kommt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verbindung zwischen dem oberen Ende des Kolbenmantels und dem radialen inneren Bereich unterhalb des Kolbenbodens um den Umfang verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verbindung zwischen dem oberen Ende des Kolbenmantels und dem radialen inneren Bereich unterhalb des Kolbenbodens strebenartig ausgebildet ist.