DE102006055251A1

DE102006055251A1 - Zweiteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102006055251A1
Application number: DE102006055251A
Authority: DE
Inventors: Jochen Kortas; Christof Geissler
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2006-11-23
Filing date: 2006-11-23
Publication date: 2008-05-29
Also published as: US8631736B2; WO2008061486A2; EP2094961A2; KR20090089331A; US20110041684A1; WO2008061486A3; KR101394777B1; CN202039963U

Abstract

Vorgeschlagen wird ein zweiteiliger Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor bestehend aus einem Oberteil (2) und einem damit verschraubten Unterteil (3), wobei das Oberteil (2) und das Unterteil (3) teils über die Unterseite einer oberen Ringrippe (10) und die Oberseite einer unteren Ringrippe (11) begrenzende, innere Auflageflächen (25, 26) und teils über die Unterseite der Ringwand (9) und die Oberseite eines am Unterteil (29) angebrachten Kragens (27) begrenzende, äußere Auflageflächen (28, 29) in Kontakt miteinander stehen. Zur Vermeidung von Schwingungsreibverschleiß, von Reibverschweißungen und von druckbedingten Materialverschweißungen wird mindestens eine der Auflageflächen (25, 26, 28, 29) auf einfache und preisgünstige Weise mit einer Chromschicht (30) belegt, die eine strukturierte und eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen aufweisende Oberfläche hat.

Description

Die Erfindung betrifft einen zweiteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der Deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2006 015 587.4 ist ein Oberteil eines gebauten Kolbens bekannt, das auf seiner kolbenbodenabgewandten Unterseite eine Ringrippe mit einer inneren Kontaktfläche und eine Ringwand mit einer äußeren Kontaktfläche aufweist. Um nach dem Zusammenbau des Kolbenoberteils mit einem Kolbenunterteil im Motorbetrieb, bei dem sich Relativbewegungen des Kolbenoberteils und des Kolbenunterteils ergeben, Schwingungsreibverschleiß und Verschweißungen der Kontaktflächen der beiden Kolbenteile und damit einen Verschleiß der Kontaktflächen zu vermeiden, sind in die Kontaktflächen des Oberteils rillenförmige Vertiefungen eingearbeitet. Hergestellt werden die Vertiefungen durch Drehen oder mittels eines Lasers, was den Nachteil mit sich bringt, dass die Herstellung der Vertiefungen relativ aufwendig und teuer ist.
Diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird die Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
1 ein Schnittbild eines aus einem Oberteil und einem Unterteil bestehenden Kolbens, welche beiden Kolbenteile mittels Dehnschrauben miteinander verschraubt sind,
2 eine perspektivische Darstellung des Unterteils des Kolbens und der Auflageflächen, über die das Oberteil des Kolbens auf dessen Unterteil aufliegt,
3 eine perspektivische Darstellung des Oberteils des Kolbens und der Auflageflächen und
4 einen Querschnitt der Auflagefläche mit einer Chromschicht.
1 zeigt einen Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor, der aus einem Oberteil 2 und einem Unterteil 3 besteht. Hierbei können das Oberteil 2 aus Stahl und das Unterteil 3 aus Kugelgraphitguss oder aus Aluminium, beziehungsweise das Oberteil 2 und das Unterteil 3 des Kolbens 1 aus Stahl bestehen.
Das Oberteil 2 und das Unterteil 3 sind mittels zweier Dehnschrauben 4 und 5 miteinander verschraubt. Das Oberteil 2 bildet den Kolbenboden 6, in dem eine Verbrennungsmulde 7 angeordnet ist. Nahe dem Kolbenboden 6 weist der Kolben 1 radial außen einen umlaufenden Kühlkanal 8 auf, der teils in das Oberteil 2 und teils in das Unterteil 3 des Kolbens 1 eingeformt ist. Begrenzt wird der Kühlkanal 8 radial außen von einer mit dem Kolbenboden 6 verbundenen Ringwand 9 und radial innen teils vom Kolbenboden 6, teils von einer an die kolbenbodenabgewandte Unterseite des Oberteils 2 angeformten, umlaufenden oberen Ringrippe 10 und teils von einer auf der kolbenbodenzugewandten Seite des Unterteils 3 angebrachten unteren Ringrippe 11. Für die beiden Dehnschrauben 4 und 5 sind in die untere Ringrippe 11 zwei Bohrungen 12 und 13 und in die obere Ringgrippe 10 zwei Sacklochbohrungen 14 und 15 mit Innengewinde eingebracht.
Vom Kolbenboden 6, von der oberen und der unteren Ringrippe 10 und 11 und vom oberen Deckenbereich 16 des Unterteils 3 wird ein innerer Kühlraum 17 begrenzt, der eine untere Öffnung 18 aufweist, über die Kühlöl in den inneren Kühlraum 17 gespritzt wird. Über radial angeordnete und in 2 gut erkennbare Kanäle 19 gelangt das Kühlöl vom Kühlraum 17 in den Kühlkanal 8, der eine in 2 dargestellte Ölabflussöffnung 20 aufweist, über die das Kühlöl in den Kolbeninnenraum 21 geleitet wird. Das Unterteil 3 des Kolbens 1 weist weiterhin einen Kolbenschaft 22 und zwei Bolzenbohrungen 23 und 24 auf, die in den 1 und 2 dargestellt sind.
Wie in den 1 bis 3 gezeigt ist, weisen die obere Ringrippe 10 auf ihrer Unterseite und die untere Ringrippe 11 auf ihrer Oberseite jeweils eine innere, ringförmige Auf lagefläche 25, 26 auf, über die die radial inneren Bereiche des Oberteils 2 und des Unterteils 3 des Kolbens 1 aufeinanderliegen. Radial außen weisen die kolbenbodenabgewandte Stirnseite der Ringwand 9 und ein auf der Oberseite des Unterteils 3 angebrachter Kragen 27 jeweils eine äußere, ringförmige Auflagefläche 28 und 29 auf, über die die radial äußeren Bereiche des Oberteils 2 und des Unterteils 3 aufeinanderliegen. Hierbei ist der Abstand der inneren Auflageflächen 25, 26 vom Kolbenboden 6 geringer als der Abstand der äußeren Auflageflächen 28, 29 vom Kolbenboden 6.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, entweder die innere und äußere Auflagefläche 25 und 28 des Oberteils 2, oder die innere und äußere Auflagefläche 26 und 29 des Unterteils 3 oder alle Auflageflächen 25, 26, 28 und 29 des Oberteils 2 und des Unterteils 3 des Kolbens 1 mit einer Chromschicht 30 zu belegen, die, wie es in 4, einem Schnitt durch die Auflageflächen mit der Chromschicht 30, dargestellt ist, eine strukturierte Oberfläche und eine Dicke zwischen 15 μm und 40 μm aufweist. Möglich ist hierbei auch, nur die innere Auflagefläche 25 des Oberteils 2 und/oder die innere Auflagefläche 26 des Unterteils 3 zu beschichten.
Die Oberfläche der Chromschicht 30 hat hierbei die Form von Knospen oder Noppen. Die Rauheit Rz der Chromschicht 30 beträgt zwischen 10 μm und 25 μm. Aufgebracht werden kann die oberflächenstrukturierte Chromschicht 30 auf elektrochemischem (galvanischem) Weg, wobei mittels elektrischer Spannungsimpulse auf den Auflageflächen Keimbildungsprozesse des Chroms ausgelöst werden und anschließend mittels weiterer Folgeimpulse das Wachstum der Chromkeime durch Anlagerung weiteren Chroms bewirkt wird.
Die Auflageflächen 25, 26, 28, 29 des aus dem Oberteil 2 und dem Unterteil 3 bestehenden, geschraubten Kolbens 1 bewegen sich im Motorbetrieb relativ zueinander, sodass sich hierdurch ein Schwingungsreibverschleiß an den Auflageflächen und ein Reibverschweißen der Auflageflächen ergibt. Zudem können sich wegen des hohen Druckes, den das Oberteil 2 während des Verbrennungsvorganges auf das Unterteil 3 des Kolbens 1 ausübt, Materialverschweißungen von Teilen des Auflageflächen mit darauf zurückzuführenden, partiellen Materialauslösungen ergeben. Die oberflä chenstrukturierte Chromschicht 30 gemäß der Erfindung hat den Vorteil, dass das Ölhaltevolumen der strukturierten Oberfläche der Chromschicht 30 verbessert wird, wodurch der Schwingungsreibverschleiß und das Reibverschweißen der sich relativ zueinander bewegenden Auflageflächen vermieden wird. Zudem reduziert die Strukturierung der Oberfläche der Chromschicht 30 die druckbedingten, partiellen Materialverschweißungen und Beschädigungen der Auflageflächen.
Darüber hinaus ist die Chromschicht 30 härter und damit verschleißfester als das Kolbengrundmaterial, sodass die Chromschicht im Motorbetrieb einen geringeren Reibverschleiß als das Kolbengrundmaterial ohne Chromschicht gemäß Stand der Technik aufweist.

1: Kolben
2: Oberteil des Kolbens 1
3: Unterteil des Kolbens 1
4, 5: Dehnschraube
6: Kolbenboden
7: Verbrennungsmulde
8: Kühlkanal
9: Ringwand
10: obere Ringrippe
11: untere Ringrippe
12, 13: Bohrung
14, 15: Sacklochbohrung
16: Deckenbereich des Unterteils des Kolbens 1
17: innerer Kühlraum
18: untere Öffnung des inneren Kühlraumes
19: Kanal
20: Ölabflussöffnung
21: Kolbeninnenraum
22: Kolbenschaft
23, 24: Bolzenbohrung
25: innere Auflagefläche des Oberteils
26: innere Auflagefläche des Unterteils
27: Kragen
28: äußere Auflagefläche des Oberteils
29: äußere Auflagefläche des Unterteils
30: Chromschicht

Claims

Zweiteiliger Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor – bestehend aus einem Oberteil (2) und einem damit verschraubten Unterteil (3), – mit einem vom Oberteil (2) gebildeten Kolbenboden (6) und einem vom Unterteil (3) gebildeten Kolbenschaft (22), der zwei einander gegenüberliegende Bolzenbohrungen (23, 24) aufweist. – mit einem nahe dem Kolbenboden (6) und radial außen angeordneten, umlaufenden Kühlkanal (8), – der zum Teil in das Oberteil (2) und zum Teil in das Unterteil (3) eingeformt ist, – der radial außen von einer mit dem Kolbenboden (6) verbundenen Ringwand (9) und einem radial außen und auf der Oberseite des Unterteils (3) angebrachten, umlaufenden Kragen (27) begrenzt wird, – und der radial innen teils von einer an die kolbenbodenabgewandte Unterseite des Oberteils (2) angeformten, umlaufenden oberen Ringrippe (10) und teils von einer auf der kolbenbodenzugewandten Oberseite des Unterteils (3) angebrachten, umlaufenden unteren Ringrippe (11) begrenzt wird, – wobei das Oberteil (2) und das Unterteil (3) teils über die Unterseite der oberen Ringrippe (10) und die Oberseite der unteren Ringrippe (11) begrenzende, innere Auflageflächen (25, 26) und teils über die Unterseite der Ringwand (9) und die Oberseite des Kragens (27) begrenzende, äußere Auflageflächen (28, 29) in Kontakt miteinander stehen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Auflageflächen (25, 26, 28, 29) mit einer Chromschicht (30) belegt ist, die eine strukturierte und eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen aufweisende Oberfläche aufweist.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der inneren Auflageflächen (25, 26) mit der Chromschicht (30) belegt ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und die äußere Auflagefläche (25, 28) des Oberteils (2) des Kolbens (1) mit der Chromschicht (30) belegt sind.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und die äußere Auflagefläche (26, 29) des Unterteils (3) des Kolbens (1) mit der Chromschicht (30) belegt sind.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren und äußeren Auflageflächen (25, 26, 28, 29) des Oberteils (2) und des Unterteils (3) des Kolbens (1) mit der Chromschicht (30) belegt sind.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromschicht (30) eine Dicke zwischen 15 μm und 40 μm aufweist.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromschicht (30) eine Rauheit R_z zwischen 10 μm und 25 μm aufweist.