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Die
Erfindung betrifft einen aus Stahl hergestellten Kolben mit kleiner
Kompressionshöhe
für eine
Brennkraftmaschine. Der Kolben umfasst ein Unterteil und ein Oberteil,
die jeweils über
Fügestege im
Bereich einer Kontaktgeometrie mittels einer Reibschweißung stoffschlüssig zu
einer Baueinheit verbunden werden. In dem Kolben sind ein innerer und
ein äußerer Kühlkanal
integriert, die über
zumindest einen Kühlmediumübertritt
verbunden sind. Zur Beaufschlagung der Kühlkanäle mit einem Kühlmedium
sind zwei Öffnungen,
eine Zuströmöffnung sowie eine
Abströmöffnung vorgesehen.
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Stand der Technik
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Um
thermisch stark belastete Zonen des Kolbens wie die Mulde im Kolbenboden
und den Ringträger
im Bereich des Ringfeldes wirksam zu kühlen, werden Kolben mit in
dem Kolbenkopf integrierten Kühlkanälen eingesetzt.
Durch die bevorzugt als Hohlräume
gestalteten Kühlkanäle zirkuliert
ein Kühlmedium,
vorzugsweise das Schmieröl
der Brennkraftmaschine. Die Wirksamkeit der Kolbenkühlung wird
insbesondere von dem ausgetauschten Volumen des Kühlmediums
in den Kühlkanälen bestimmt.
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Gemäß dem bekannten
Stand der Technik, beispielsweise der
EP 019 323 A1 , werden zum Kühlmediumaustausch übliche Bohrungen
in einen auch als Rippe zu bezeichnenden Fügesteg des Oberteils oder des
Unterteils eingebracht. Bei Kolben mit einer kleinen Kompressionshöhe stellen
sich relativ kurze Fügestege
des Oberteils und des Unterteils ein. Aufgrund des damit verbundenen
beengten Bauraums im Bereich der Kontaktgeometrie besteht die Gefahr, dass
sich der Strömungsquerschnitt
des als Bohrung gestalteten Kühlmediumübertritts
bei einem Fügeprozess,
dem Reibschweißverfahren,
zwischen dem Oberteil und dem Unterteil durch eine Schweißwulst verengt.
Dadurch reduziert sich der Kühlmediumaustausch
zwischen den Kühlkanälen, verbunden
mit einem unmittelbaren nachteiligen Einfluss auf die Kühlung des
Kolbens.
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Aufgabenstellung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen wirksamen
Kühlmediumaustausch zwischen
den Kühlkanälen für Kolben
mit einer kleinen Kompressionshöhe,
trotz beengter Bauraumverhältnisse
zu realisieren.
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Diese
Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist danach
vorgesehen, dass der Kühlmediumübertritt
in dem kreisringförmig
gestalteten, auch als Rippe oder als Ringsteg zu bezeichnenden Fügesteg des
Oberteils eingebracht ist. Dazu schließt der Kühlmediumübertritt mittelbar oder unmittelbar
zumindest einseitig Maßnahmen
ein, die einen Eintritt einer Schweißwulst der Reibschweißung in
den Kühlmediumübertritt
wirksam unterbinden. Durch gezielte Maßnahmen wird gemäß der Erfindung
die Schweißwustausbildung
unterdrückt
oder umgelenkt, um einen Eintritt in den Kühlmediumübertritt zu verhindern, wodurch der
Durchströmquerschnitt
weder verdeckt noch beeinflusst wird. Der für die Wirksamkeit der Kolbenkühlung entscheidende
Kühlmediumaustausch
zwischen den Kühlkanälen, insbesondere
die Wirksamkeit des Innenkühlkanals
bleibt damit uneingeschränkt
erhalten, da sich keine auf die Kühlwirkung des Kolbens negativ
auswirkende Querschnittsverengung durch die Schweißwulst des
Kühlmediumübertritts
einstellt. Die erfindungsgemäße Maßnahme ist
wirkungsvoll in Kolben mit einer kleinen Kompressionshöhe sowie
mit einer tief ausgebildeten Brennraummulde im Kolbenboden einsetzbar.
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Eine
Reibschweißung
zur Erzielung einer stoffschlüssigen
Verbindung von Kolbenbauteilen ist in der
DE 39 06 582 C1 beschrieben.
Bei diesem Verfahren wird ein Bauteil unter Druckbelastung vorzugsweise
durch eine drehende Bewegung solange auf einem anderen gerieben,
bis die Kontaktzone bzw. die Auflagefläche die für eine Schweißung geeignete
Temperatur erreicht hat. An das Aufheizen durch Reiben schließt sich
ein Stauchvorgang an, bei dem die weichen oder aufgeschmolzenen
Bereiche der Bauteile aufgerissen, plastisch deformiert und aufeinander
gedrückt
werden. Dabei bildet sich auf beiden Seiten des Fügestegs
eine aus der Kontaktzone herausgedrückte Schweißwulst. Nach dem Abkühlen der
verbundenen Bauteile ist der Schweißvorgang beendet.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis
14.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist als Kühlmediumübertritt
eine zur Aufnahme eines Rohres bestimmte Bohrung vorgesehen. Vorteilhaft
bildet das Rohr zumindest auf einer Seite des Fügestegs einen eine Breite „s" oder den Durchmesser
der Schweißwulst übertreffenden Überstand.
Das formstabile Rohr wird vor dem Reibschweißen so in der Bohrung lagefixiert,
dass sich zumindest auf der dem Innenkühlkanal zugewandten Seite ein Überstand
einstellt. Die Rohrlänge
ist so dimensioniert, dass deren Durchströmquerschnitt auch von der umgelegten
Schweißwulst
während
der Reibschweißung
nicht beeinflusst bzw. verdeckt wird.
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Alternativ
zu einer zylindrischen Bohrung bietet es sich an, eine ovale Öffnung in
den Fügesteg einzubringen,
die zur Bildung des Kühlmediumübertritts
ein entsprechend oval gestaltetes Rohr aufnimmt. Eine ovale oder
elliptische Öffnung,
deren kurze Querschnittsachse vertikal ausgerichtet ist, verringert
vorteilhaft den erforderlichen Bauraum in Richtung der Kolbenlängserstreckung,
ohne dabei den Querschnitt des Kühlmediumübertritts
zu verkleinern.
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Die
Anwendung eines separaten Rohres in einem Kolben ist aus der
DE 699 17 904 T2 bekannt. Zur
Beaufschlagung des Kühlkanals
mit Kühlmedium ist
im Bereich des Kolbenbolzenauges eine vertikale Kühlungsbohrung
eingebracht. Zur Darstellung eines durchgängigen Einlasskanals ist in
die Kühlungsbohrung
ein separates Rohr eingesetzt, das in den Kühlkanal mündet und somit einen Hinterschnitt
zwischen dem Kolbenbolzenauge und dem Kolbenoberteil überbrückt. Dieses
bekannte, den Kolben nur in partiellen Bereichen kühlende Konzept
erfüllt
nicht die an heutige thermisch hochbelasteten Kolben gestellten
Kühlungsanforderungen.
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Das
erfindungsgemäß verwendete
Rohr zur Bildung des Kühlmediumübertritts,
eingesetzt in eine Bohrung des Oberteils, kann bedarfsabhängig unterschiedlich
lang ausgeführt
werden. Vorteilhaft übertrifft
das Rohr beidseitig des Fügestegs
die Breite oder den Durchmesser der jeweiligen Schweißwulst.
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Ein
bevorzugtes Auslegungsmerkmal der Erfindung sieht vor, den Kühlmediumübertritt,
insbesondere die Bohrung zur Aufnahme des Rohres unter einem Winkel „α" ≥ 60 ° zu der Kolben-Symmetrieachse
anzuordnen. Diese Einbaulage des Kühlmediumübertritts berücksichtigt
die Formgebung der Kolbenmulde und ermöglicht außerdem einen intensiven Kühlmediumaustausch
zwischen dem äußeren und dem
inneren Kühlkanal.
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Zur
Erzielung einer optimalen Anpassung und Lagefixierung des separaten
Rohres in dem Kolben schließt
der Kühlmediumübertritt
bevorzugt ein aus Stahl hergestelltes Rohr ein. Bevorzugt wird ein Material,
das dem Werkstoff des Kolbens insbesondere hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten
zumindest ähnlich
ist, so dass mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere
Schweißung, eine
zuverlässige
Befestigung möglich
ist. Alternativ kann ein Rohr aus einem beliebigen, geeigneten,
hitzebeständigen
Material eingesetzt werden, das mit dem Werkstoff des Kolbens dauerfest
zu verbinden ist.
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Alternativ
zu einer stoffschlüssigen
Verbindung eignet sich ein Pressverband zwischen dem Rohr und der
Bohrung in dem Fügesteg.
Zum einfachen Einfügen
des Rohres in die Bohrung bietet es sich vorteilhaft an, das Rohr
zumindest an einem Ende außenseitig
mit einer Phase zu versehen. Weiterhin kann erfindungsgemäß das Rohr
mittels einer Klebung fixiert werden.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung
sieht als Kühlmediumübertritt
alternativ zu einem geschlossenen Rohr eine geschlitzte Spannhülse vor.
Die radial vorgespannte Spannhülse
gewährleistet
ohne zusätzliche
Maßnahmen
eine dauerhaft fixierte Lage in der Bohrung.
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Der
Eintritt der Schweißwulst
in den Kühlmediumübertritt
kann gemäß der Erfindung
außerdem durch
eine einstückig
mit dem Fügesteg
verbundene, vorstehende Lippe wirksam unterbunden werden. Dazu besitzt
die Lippe, die gemeinsam mit der Bohrung den Kühlmediumübertritt bildet, eine den Durchmesser
der Schweißwulst übertreffende
Breite. Die partiell oder rotationssymmetrisch umlaufend angeordnete,
in den inneren Kühlkanal
ragende Lippe, beeinflusst während
der Reibschweißung
ohne ein zusätzliches
Bauteil unmittelbar die Gestaltung der Schweißwulst. Die Lippe ist an dem
Fügesteg
an der unteren, zur Auflagefläche
von Unterteil und Oberteil ausgerichteten Kontur der Bohrung angeordnet
und bildet damit gegenüber
der Schweißwulst
bereichsweise eine verlängerte
Bohrung.
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Eine
weitere erfinderische Maßnahme
bezieht sich auf die Gestaltung des Kolbenunterteils. Um eine nachteilige,
den Durchströmquerschnitt
der Bohrung beeinflussende Schweißwulstbildung zu verhindern,
bildet das Unterteil im Bereich der Kontaktgeometrie, der inneren
Auflagefläche
auf der dem inneren Kühlkanal
zugeordneten Seite eine Umlaufnut zur Aufnahme der Schweißwulst.
Das Profil der Umlaufnut ist so gewählt, dass dieses die Schweißwulst vollständig aufnimmt.
Diese Anordnung erfordert kein weiteres Bauteil, um eine nachteilige Schweißwulstbildung
auf den Kühlmediumübertritt
zu unterbinden.
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Vorzugsweise
bietet es sich an, in das Unterteil im Bereich der inneren Auflagefläche zwei
radial beabstandete Umlaufnuten anzuordnen, die beidseitig des Fügestegs
jeweils zur Aufnahme einer Schweißwulst bestimmt sind. Die Anordnung
der jeweils eine Hinterschneidung darstellenden Umlaufnuten bildet
eine kreisringförmige,
zur Aufnahme des Fügestegs
von dem Oberteil bestimmte Öffnung
in dem Unterteil. Gleichzeitig definieren die Umlaufnuten die Gestaltung
der Schweißwülste beidseitig
des Fügestegs.
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Ausführungsbeispiele
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1:
Einen bekannten Stand der Technik, einen Kolben im Halbschnitt,
der als Kühlmediumübertritt
eine Bohrung einschließt;
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2:
Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
eines im Halbschnitt abgebildeten Kolbens, bei dem ein Rohr den
Kühlmediumübertritt
bildet;
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3:
Ein Detail der Kontaktgeometrie zwischen dem Oberteil und dem Unterteil,
wobei das Oberteil einstückig
mit einer unterhalb der Bohrung angeordneten Lippe verbundenen ist;
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4:
Einen Kolben im Halbschnitt, bei dem im Bereich der Kontaktgeometrie
das Unterteil zur Aufnahme der Schweißwulst eine Ringnut aufweist;
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5:
Eine der 4 vergleichbare Darstellung,
bei der das Unterteil zwei radial beabstandete Ringnuten einschließt, die
jeweils zur Aufnahme einer Schweißwulst bestimmt sind.
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Die 1 zeigt
in einer hälftigen
Schnittansicht einen Kolben 1 bekannter Bauart, bestehend aus
einem Unterteil 2 und einem Oberteil 3, die im Bereich
einer Kontaktgeometrie 4 mittels einer Reibschweißung stoffschlüssig, zur
Bildung einer Baueinheit verbunden sind. Das Oberteil 3 des
Kolbens 1 bildet im Bereich des Kolbenbodens 5 eine
Mulde 6. In dem Oberteil 3 ist zentrisch ein innerer
Kühlkanal 7 integriert,
der in Richtung des Kolbenbodens 5 der Kontur der Kolbenmulde 6 angepasst ist.
Ein weiterer äußerer, ringförmig gestalteter
Kühlkanal 8 verläuft außenseitig
radial beabstandet über
die gesamte Länge
eines Ringfeldes 9 und erstreckt sich bis in das Unterteil 2.
Das Oberteil 3 bildet einen äußeren Fügesteg 10a, der über eine
Auflagefläche 11 mit dem
Fügesteg 10b des
Unterteils 2 korrespondiert. Die Kontaktgeometrie 4 schließt weiterhin
eine innere Auflagefläche 12 ein,
gebildet durch den Fügesteg 13a des
Oberteils 3 und dem Fügesteg 13b des
Unterteils 2. Im Bereich der Auflagefläche 11 sind die Fügestege 10a, 10b labyrinthartig
formschlüssig
ineinander gefügt.
Abweichend werden die Fügestege 13a, 13b im
Bereich der Auflagefläche 12 über eine Reibschweißung stoffschlüssig verbunden,
die beidseitig der Fügestege 13a, 13b eine
Schweißwulst 14a, 14b bildet.
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Zur
Beaufschlagung der Kühlkanäle 7, 8 mit einem
Kühlmedium,
insbesondere dem Schmieröl der
Brennkraftmaschine, wird über
eine in 1 nicht dargestellte Zuströmöffnung das
Kühlmedium
in den äußeren Kühlkanal 8 eingeleitet
und über
eine ebenfalls nicht abgebildete Abströmöffnung abgeleitet. Zumindest
ein als Bohrung gestalteter Kühlmediumübertritt 15 verbindet
den äußeren Kühlkanal 8 mit dem
inneren Kühlkanal 7.
Wie aus der 1 ersichtlich, wird durch die
Gestaltung der Schweißwulst 14b der
Bohrungsquerschnitt und folglich der Kühlmediumübertritt 15 weitestgehend
verdeckt, verbunden mit einem negativen Einfluss auf den Kühlmediumaustausch
zwischen den Kühlkanälen 7, 8.
Das Maß „s" verdeutlicht die
Breite bzw. den Durchmesser der Schweißwulst 14b, die sichtbar
einen Großteil
des Kühlmediumübertritts 15 verdeckt.
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Die
weiteren Ausführungsbeispiele,
die 2 bis 5 zeigen, ausgehend von dem
zuvor beschriebenen Kolben erfindungsgemäße Lösungen, die einen ungehinderten
Austausch des Kühlmediums
zwischen den Kühlkanälen 7, 8 gewährleisten.
Nachfolgend werden die gegenüber
dem bekannten Kolben gemäß 1 erfindungsgemäßen, unterschiedlichen
Maßnahmen
beschrieben.
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Die 2 zeigt
den Kühlmediumübertritt 16. Dazu
ist ein Rohr 18 in eine Bohrung 19 des Fügestegs 13a eingesetzt.
In Richtung des inneren Kühlkanals 7 zeigend
ist das Rohr 18 soweit verlängert, dass dieses sich bis
an die Kontur des Unterteils 2 erstreckt und gleichzeitig
ein nahezu dreieckförmiges Querschnittsprofil
begrenzt, zur Aufnahme der Schweißwulst 14b. Der Überstand
des Rohres 18 gegenüber
dem Fügesteg 13a übertrifft
dabei das Maß „s" der Schweißwulst 14b,
gemäß 1.
Das Rohr 18 ist unter einem Winkel „α" ≥ 60 ° zu einer
Symmetrieachse 20 des Kolbens 1 eingesetzt. Alternativ
zu einem zylindrisch geformten Rohr 18 bietet es sich an,
ein ovales Rohr zu verwenden, wodurch insbesondere für den Kolben 1 mit
einer kleinen Kompressionshöhe
ein vergrößerter Durchströmquerschnitt realisierbar
ist. Außerdem
verbessert ein ovales Rohr den Raum zur Aufnahme der Schweißwulst 14b.
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In
der 3 ist der Kolben 1 in Verbindung mit
dem Kühlmediumübertritt 17 abgebildet,
der eine Bohrung sowie eine einstückig mit dem Fügesteg 13a verbundene
Lippe 21 umfasst. Die rotationssymmetrisch verlaufende
oder partiell im Bereich der Bohrung 19 angeordnete Lippe 21 bildet
gemeinsam mit der Auflagefläche 12 eine
Nut, die zur Aufnahme der Schweißwulst 14b bestimmt
ist. Die Lippe 21 verhindert wirksam, dass die Schweißwulst 14b den
Durchströmquerschnitt
der Bohrung 19 beeinflusst.
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Die 4 zeigt
ein Unterteil 2, das zur Aufnahme der Schweißwulst 14b im
Bereich der Kontaktgeometrie 4 auf der zu dem inneren Kühlkanal 7 gerichteten
Seite eine Umlaufnut 22 einschließt. Ohne eine weitere Maßnahme wird
damit eine nachteilige Beeinflussung des Durchströmquerschnitts der
Bohrung 19 durch die Schweißwulst 14b verhindert.
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Alternativ
zu 4 zeigt die 5 ein Unterteil 2 mit
zwei radial beabstandeten Umlaufnuten 22, 23.
Diese jeweils als Hinterschnitt ausgebildeten Umlaufnuten 22, 23 sind
ausschließlich
zur Aufnahme der Schweißwulst 14a bzw. 14b bestimmt.
Das Unterteil 2 bildet zur Aufnahme des mit dem Oberteil 3 verbundenen
Fügestegs 13a eine
kreisringförmig verlaufende,
weitestgehend an die Breite des Fügestegs 13a angepasste Öffnung 24.
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- 1
- Kolben
- 2
- Unterteil
- 3
- Oberteil
- 4
- Kontaktgeometrie
- 5
- Kolbenboden
- 6
- Mulde
- 7
- Kühlkanal
- 8
- Kühlkanal
- 9
- Ringfeld
- 10a
- Fügesteg
- 10b
- Fügesteg
- 11
- Auflagefläche
- 12
- Auflagefläche
- 13a
- Fügesteg
- 13b
- Fügesteg
- 14a
- Schweißwulst
- 14b
- Schweißwulst
- 15
- Kühlmediumübertritt
- 16
- Kühlmediumübertritt
- 17
- Kühlmediumübertritt
- 18
- Rohr
- 19
- Bohrung
- 20
- Symmetrieachse
- 21
- Lippe
- 22
- Umlaufnut
- 23
- Umlaufnut
- 24
- Öffnung