DE102008063947B4

DE102008063947B4 - Kolben mit standardisiertem Kolbenboden bei variabler Kompressionshöhe

Info

Publication number: DE102008063947B4
Application number: DE200810063947
Authority: DE
Inventors: Henrik Beddies; Reiner Friede; Viktor Gaspar; Hartmut Dr. Kamp
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2028-12-20
Also published as: DE102008063947A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für eine Brennkraftmaschine mittels eines Gießwerkzeugs, wobei in einem ersten Verfahrensschritt mittels eines Gießverfahrens ein Kolbenrohling hergestellt wird, der einen mittels Gießkern hergestellten Kühlkanal (4) und Hohlraum (10) einschließt, und in einem zweiten Verfahrensschritt ein Kolbenboden (3), ein Feuersteg (5), ein Ringträger (6), ein Kolbenschaft (8) des Kolbens (1) mechanisch bearbeitet werden und dabei eine Brennraummulde (12) in den Kolbenboden (3) sowie eine Nabenbohrung (9) in den Kolbenschaft (8) eingebracht werden dadurch gekennzeichnet, dass in dem Giesswerkzeug ein die Nabenbohrung (9) definierender Kern variabel positioniert werden kann, um Kolben (1) mit unterschiedlicher Kompressionshöhe (KH) realisieren zu können, wobei die Nabenbohrung (9) zur Beeinflussung einer Kompressionshöhe (KH) variabel im Kolbenschaft (8) eingebracht werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine mittels eines Gießverfahrens sowie einen Kolben mit einem im Kolbenboden integrierten Kühlkanal und außenseitigem Feuersteg und Ringträger, bei dem einem Kolbenschaft eine Nabenbohrung zugeordnet ist, gemäß den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche.
Bei den Kolbenhauptabmessungen kommt der Kompressionshöhe, die ein Abstandsmaß zwischen einer Längsachse der Nabenbohrung und dem Kolbenboden definiert, eine besondere Bedeutung zu, weil sie das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine und direkt deren Motorbauhöhe beeinflusst. Im Bereich der Kompressionshöhe konzentriert sich der größte Teil der Kolbenmasse, bei heutigen KFZ-Kolben erreicht dieser Wert bis zu 80%.
Der Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine wird stark von dem Maß der Kompressionshöhe bzw. des Verdichtungsverhältnisses beeinflusst. Es ist bekannt, das Verdichtungsverhältnis dem Betriebszustand des Motors anzupassen bzw. während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses vorzunehmen. Aus dem Stand der Technik sind unterschiedlichste Lösungen bekannt, mit denen das Verdichtungsverhältnis während des Betriebs der Brennkraftmaschine angepasst werden kann. Grundsätzlich wird hierzu die relative Lage der Kolben zu den Zylindern der Brennkraftmaschine verändert.
Im Zusammenhang mit verbrauchsoptimierten Brennkraftmaschinen geht die Entwicklung in Richtung kurzer und leichter Kolben, wodurch sich gleichfalls eine niedrige Kompressionshöhe einstellt. Dazu ist aus der US 4 727 795 A ein Kolben mit verringerter Masse bekannt, bei dem zur Reduzierung der Kolbenhöhe der Kolben im Bereich des Kolbenringbandes bzw. Kolbenringfeldes geschnitten ist und beide Kolbenbauteile durch Verschraubungen gesichert sind. Das verbleibende Kolbenringfeld ist bei einem Motor mit hoher Kolbengeschwindigkeit jedoch inakzeptabel, aufgrund von auftretenden Leckagen und Verschleiß im Bereich des reduzierten Ringfeldes.
In der DE 102 47 728 A1 wird ein Kolben beschrieben, der aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil mit Kolbenschäften besteht. Des Weiteren weisen die Kolbennaben des Kolbens eine Bolzenbohrung auf. Das Kolbenoberteil weist ein Ringfeld, einen Hohlraum sowie eine Brennraummulde auf. Dabei ist der Hohlraum mittels eines löslichen Kerns herstellbar.
Aus der DE 100 08 559 A1 ist bekannt, dass bei der Herstellung von in einem Gießprozess hergestellten Kolben das von der brennraumseitigen Oberfläche gebildete Volumen V_Ist mit dem gewünschten Volumen V_Soll verglichen wird und in Abhängigkeit von diesem Vergleich die Kompressionshöhe derart abweichend von einem Sollwert festgelegt wird, dass danach bis auf Toleranzabweichungen gilt V_Ist = V_Soll.
In der DE 10 2004 061 778 A1 wird ein Kühlkanalkolben einer Brennkraftmaschine beschrieben, der einen Kolbenboden und einen daran mittels eines Reibschweißverfahrens oder Widerstandspreß-Schweißverfahrens gefügten Kolbenschaft aufweist. Eine den Kühlkanal radial nach außen begrenzende Ringwand ist von dem Kolbenboden und/oder dem Kolbenschaft gebildet und die Ringwand ist dichtend kraft- und/oder formschlüssig verschließbar, nachdem Kolbenboden und Kolbenschaft zusammengefügt wurden.
Aus der DE 35 30 805 A1 ist bekannt, dass auf den Kolbenboden eine verformbare und hochporöse Sintermetallschicht aufgebracht wird, was zur Minimierung des Schadraums im Brennraum führt.
In der DD 91 944 B sind Kolben bekannt, die aus einem Unterteil und einem Kolbenboden bestehen, die beide aneinander angeflanscht sind. Die Kompressionshöhe kann durch die Form des Unterteils verändert werden.
In der EP 0 025 831 B1 ist ein Kolbenboden offenbart, der eine Erhebung in der Form einer nicht angeschnittenen Kugelkalotte aufweist und der im Übrigen eben ist. Der Mittelpunkt des Radius der Kugelkalotte liegt dabei außerhalb der Kolbenachse.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Konzept zu schaffen, mit dem bei der Herstellung des Kolbens unterschiedliche Kompressionshöhen realisierbar sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die Erfindung gemäß Anspruch 1 sieht zur Herstellung eines aus einem Rohteil hergestellten Kolbens mit kurzer Kompressionshöhe zwei Verfahrensschritte vor. In dem ersten Verfahrensschritt wird mittels eines Gießwerkzeugs in einem Gießverfahren ein Kolbenrohling hergestellt, der einen mittels Gießkern geschaffenen Kühlkanal sowie einen für das Kolbenpleuel bestimmten Hohlraum einschließt. In einem zweiten Verfahrensschritt werden ein Kolbenboden, ein Feuersteg, ein Ringträger sowie außenseitig ein Kolbenschaft des Kolbens, insbesondere mittels einer Dreh- oder Fräsmaschine mechanisch bearbeitet, wobei außerdem eine Brennraummulde in den Kolbenboden sowie eine Nabenbohrung in den Kolbenschaft eingebracht werden. Gemäß der Erfindung wird die Kompressionshöhe in Verbindung mit dem Gießprozess festgelegt bzw. beeinflusst, indem ein die Nabenbohrung definierender Kern, bevorzugt ein Salzkern, vor dem Abguss in unterschiedlichen Positionen in dem Gießwerkzeug fixierbar ist. Damit kann die mechanische Bearbeitung auf eine Nachbearbeitung der im Gussrohling enthaltenen Nabenbohrung beschränkt werden. Zur Beeinflussung einer Kompressionshöhe kann die Nabenbohrung in Grenzen vorteilhaft variabel in dem Kolbenschaft angeordnet werden.
Die Erfindung gemäß Anspruch 2 betrifft eine drei Schritte umfassende Verfahrenskombination zur Herstellung eines Kolbens. In dem ersten Verfahrensschritt werden mittels eines Gießwerkzeugs in einem gemeinsamen oder in getrennten Gießverfahren zwei Kolben-Rohteile hergestellt. In dem anschließenden zweiten Verfahrensschritt erfolgt ein stoffschlüssiges Zusammenfügen des Oberteils mit dem Unterteil. Der dritte Verfahrensschritt betrifft eine mechanische Bearbeitung, mit der ein Kolbenboden, der Feuersteg, der Ringträger und der Kolbenschaft des Kolbens, insbesondere mittels einer Dreh- oder Fräsmaschine bearbeitet werden. Weiterhin wird eine Brennraummulde in den Kolbenboden sowie eine Nabenbohrung in den Kolbenschaft eingebracht. Für einen zwei Kolben-Rohteile umfassenden Kolben bietet es sich für eine durch Bohren eingebrachte Nabenbohrung an, zumindest einen Fügesteg im Bereich einer Fügezone mechanisch ganzflächig zu bearbeiten, um ein Längenmaß zwischen der Bolzennabe und dem Kolbenboden zu verkürzen, zur Erreichung einer reduzierten Kompressionshöhe. Bei Bedarf können beide Fügestege gezielt bearbeitet werden, um ein verkürztes Längenmaß zu realisieren. Zur Beeinflussung bzw. Bestimmung einer Kompressionshöhe kann die Nabenbohrung vorteilhaft variabel, d. h. in unterschiedlichen Abständen zum Kolbenboden in dem Kolbenschaft eingebracht werden.
Übereinstimmend ermöglichen diese Erfindungen die Herstellung von Kolben aus maximal zwei Gussteilen mit einem standardisierten Kolbenboden mit integrierter Brennraummulde, aber voneinander abweichenden Kompressionshöhen. Vorteilhaft bietet die Erfindung damit die Möglichkeit, kostengünstig eine Vielzahl von Kolbenvarianten zu realisieren, wobei das stets gleich gestaltete und gleich dimensionierte Kolbenoberteil mit Kolbenunterteilen kombiniert werden kann, deren Nabenbohrungslage voneinander abweicht. Die Erfindung ermöglicht es hochbelastbare Kolben für Brennkraftmaschinen zu schaffen, bei denen die jeweils optimale Kompressionshöhe durch eine gezielte mechanische Bearbeitung realisiert Werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 3 kann die Kompressionshöhe in Verbindung mit dem Gießprozess festgelegt bzw. beeinflusst werden, indem ein die Nabenbohrung definierender Kern, bevorzugt ein Salzkern, vor dem Abguss in unterschiedlichen Positionen in dem Gießwerkzeug fixierbar ist. Damit kann die mechanische Bearbeitung auf eine Nachbearbeitung der im Gussrohling enthaltenen Nabenbohrung beschränkt werden.
Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme für einen zwei Rohlinge umfassenden Kolben, die ein Oberteil und ein Unterteil bilden, sieht vor, dass diese Bauteile über korrespondierende, gemeinsam die Fügezone oder Kontaktfläche bildende Fügestege abgestützt und mittels einer Reibschweißung stoffschlüssig verbunden sind. Bevorzugt eignet sich dazu ein Multi-Orbitales Reibschweißverfahren, über das die rotationssymmetrisch oder nichtrotationssymmetrisch verlaufende Fügezone des Oberteils und des Unterteil stoffschlüssig zusammengefügt werden.
Unabhängig von dem Kolbenaufbau mit einem oder zwei Kolbenrohlingen schließt die Erfindung außerdem eine mechanische Bearbeitung des Kolbenbodens ein, um die Kompressionshöhe des Kolbens zu beeinflussen. Mit einer gezielten Nachbearbeitung der umlaufenden Randzone des Kolbenbodens ist ein verkleinertes Verdichtungsverhältnis und folglich eine reduzierte Kompressionshöhe erzielbar.
Die Lösung der Problemstellung gemäß Anspruch 7 umfasst einen Kolben bzw. eine entsprechende Herstellungsweise (Herstellungsverfahren) mit einem im Kolbenboden integrierten Kühlkanal, außenseitigen Feuersteg und Ringträger sowie einer dem Kolbenschaft zugeordneten Nabenbohrung und integriertem Hohlraum. Eine Beeinflussung der Kompressionshöhe bei der Herstellung des Kolbens erfolgt dadurch, dass in Verbindung mit dem Gießverfahren ein die Nabenbohrung definierender Kern variabel in einem Gießwerkzeug positioniert ist.
Als bevorzugter Werkstoff für den Kolben ist ein Eisenmetall, Stahl oder eine Stahllegierung vorgesehen. Alternativ kann Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als Werkstoff zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Kolbens benutzt werden.
Weiterhin bietet die Erfindung die Möglichkeit, ein nach einem Baukastenprinzip aufgebautes Kolbenkonzept darzustellen, wobei ein übereinstimmendes Oberteil insbesondere mit einem standardisierten Kolbenboden und/oder einer Brennraummulde mit einem speziell gestalteten, unterschiedlich positionierte Nabenbohrungen aufweisenden Unterteil kombiniert werden kann. Diese modulartige Kolbenbauweise ermöglicht eine kostenoptimierte Herstellung von Kolben mit zueinander abweichenden Kompressionshöhen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf sechs Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1: einen einteiligen Kolbenrohling,
2: den Kolbenrohling gemäß 1 nach abgeschlossener mechanischer Bearbeitung als Fertigteil,
3: ein Kolbenoberteil als Rohling,
4: ein Kolbenunterteil als Rohling,
5: die stoffschlüssig zusammengefügten Rohlinge gemäß den 3 und 4,
6: den Kolben gemäß 5 als Fertigteil.
Die 1 zeigt einen als Gussrohling beziehungsweise als ein Rohteil ausgebildeten einteiligen Kolben 1. Ein Oberteil 2 des Kolbens 1 bildet einen Kolbenboden 3 und schließt einen integrierten, umlaufend angeordneten Kühlkanal 4 ein. Außenseitig schließt sich an den Kolbenboden 3 ein Feuersteg 5 an sowie ein Ringträger 6 beziehungsweise eine für ein Kolbenringfeld bestimmte Zone. In einem Unterteil 7 des Kolbens 1, einem Kolbenschaft 8 ist eine Nabenbohrung 9 eingebracht, bestehend aus zwei zueinander beabstandeten, diametral gegenüberliegenden Bohrungsabschnitten. Die Nabenbohrung 9 ist zur Aufnahme eines in 1 nicht abgebildeten Kolbenbolzens bestimmt, an dem im Einbauzustand des Kolbens 1 ein Pleuel angelenkt ist, dessen oberes Pleuelauge in einem Hohlraum 10 eingesetzt ist. Eine Kompressionshöhe „KH” des Kolbens 1 wird durch ein Längenmaß definiert, das sich zwischen einer Längsachse 11 der Nabenbohrung 9 und dem Kolbenboden 3 einstellt. Zur Darstellung unterschiedlicher Kompressionshöhen KH des Kolbens 1 kann beispielsweise im Zusammenhang mit dem Gießprozess in dem Gießwerkzeug ein die Nabenbohrung 9 definierender Kern variabel positioniert werden.
In der 2 ist der Kolben 1 als Fertigteil dargestellt. Mittels einer mechanischen Bearbeitung wird eine zentrale Brennraummulde 12 in den Kolbenboden 3 eingebracht, die außen von einer Randzone 13 umschlossen ist. Weiterhin erfolgt eine mechanische Bearbeitung der Außenkontur des Kolbens 1, die den Feuersteg 5, Ringträger 6, Kolbenringfeld und den Kolbenschaft 8 umfasst sowie eine Endbearbeitung der Nabenbohrung 9, in der eine Lagerbuchse 14 eingesetzt ist. Eine Beeinflussung der Kompressionshöhe KH kann bei der Kolbenherstellung mittels einer mechanischen Bearbeitung die Randzone 13 des Kolbenbodens 3 erfolgen, wobei eine Reduzierung der Randzone 13 gleichzeitig die Kompressionshöhe KH verringert.
Die 3 bis 6 zeigen den aus zwei Rohteilen, einem Oberteil 22 und einem Unterteil 27 gebildeten Kolben 21 in einzelnen Fertigungsstadien.
In den 3 und 4 ist das Oberteil 22 und das Unterteil 27 jeweils als Einzelteil in einer Perspektive abgebildet. Das weitestgehend dem Kolben 1 vergleichbare Oberteil 22 bildet den Kolbenboden 23 mit integriertem Kühlkanal 24 sowie außenseitig einen Feuersteg 25, an den sich ein Ringträger 26 anschließt. Das Unterteil 27 gemäß 4 umfasst einen Kolbenschaft 28 mit einer Nabenbohrung 29 sowie einen zentrisch integrierten Hohlraum 30. Mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere einer Reibschweißung, werden die Bauteile, das Oberteil 22 und das Unterteil 27 verbunden. Beide Bauteile sind dabei über Kontaktflächen bildende Fügestege 32, 33 abgestützt und bilden gemeinsam eine in 5 abgebildete Fügezone 31.
Die 5 zeigt den Kolben 21, bestehend aus den zu einer Baueinheit einstückig zusammengefügten Rohteilen, dem Oberteil 22 und dem Unterteil 27. Weiterhin ist die Kompressionshöhe KH des Kolbens 21 gekennzeichnet, die sich zwischen einer Längsachse 34 der Nabenbohrung 29 und dem Kolbenboden 23 einstellt.
In der 6 ist der Kolben 21 nach einer abgeschlossenen mechanischen Bearbeitung dargestellt. Der übereinstimmend mit der 2 gestaltete Kolbenboden 23 umfasst die Brennraummulde 35, die von einer Randzone 36 umschlossen ist. Eine Nacharbeit der Randzone 36 ändert das Längenmaß zwischen der Längsachse 34 der Nabenbohrung 29 und der Randzone 36 des Kolbenbodens 23 und verkürzt damit die Kompressionshöhe KH. Alternativ oder ergänzend dazu bietet es sich an, zur Einflussnahme der Kompressionshöhe KH die Fügestege 32 und/oder 33 zu bearbeiten, um eine verkürzte Kompressionshöhe KH und damit ein verändertes Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine zu erzielen.
Bezugszeichenliste

1: Kolben
2: Oberteil
3: Kolbenboden
4: Kühlkanal
5: Feuersteg
6: Ringträger
7: Unterteil
8: Kolbenschaft
9: Nabenbohrung
10: Hohlraum
11: Längsachse
12: Brennraummulde
13: Randzone
14: Lagerbuchse
21: Kolben
22: Oberteil
23: Kolbenboden
24: Kühlkanal
25: Feuersteg
26: Ringträger
27: Unterteil
28: Kolbenschaft
29: Nabenbohrung
30: Hohlraum
31: Fügezone
32: Fügesteg
33: Fügesteg
34: Längsachse
35: Brennraummulde
36: Randzone

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für eine Brennkraftmaschine mittels eines Gießwerkzeugs, wobei in einem ersten Verfahrensschritt mittels eines Gießverfahrens ein Kolbenrohling hergestellt wird, der einen mittels Gießkern hergestellten Kühlkanal (4) und Hohlraum (10) einschließt, und in einem zweiten Verfahrensschritt ein Kolbenboden (3), ein Feuersteg (5), ein Ringträger (6), ein Kolbenschaft (8) des Kolbens (1) mechanisch bearbeitet werden und dabei eine Brennraummulde (12) in den Kolbenboden (3) sowie eine Nabenbohrung (9) in den Kolbenschaft (8) eingebracht werden dadurch gekennzeichnet, dass in dem Giesswerkzeug ein die Nabenbohrung (9) definierender Kern variabel positioniert werden kann, um Kolben (1) mit unterschiedlicher Kompressionshöhe (KH) realisieren zu können, wobei die Nabenbohrung (9) zur Beeinflussung einer Kompressionshöhe (KH) variabel im Kolbenschaft (8) eingebracht werden kann.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (21) für eine Brennkraftmaschine mittels eines Gießwerkzeugs, wobei in einem ersten Verfahrensschritt mittels eines Gießverfahrens zwei ein Oberteil (22) und ein Unterteil (27) bildende Kolbenrohlinge hergestellt werden, die einen mittels Gießkern hergestellten Kühlkanal (24) einschließen, und in einem zweiten Verfahrensschritt das Oberteil (22) und das Unterteil (27) stoffschlüssig verbunden werden und in einem dritten Verfahrensschritt ein Kolbenboden (23), ein Feuersteg (25), ein Ringträger (26), ein Kolbenschaft (28) des Oberteils (22) sowie ein Kolbenschaft (28) des Unterteils (27) mechanisch bearbeitet werden und dabei eine Brennraummulde (35) in den Kolbenboden (23) sowie eine Nabenbohrung (29) in den Kolbenschaft (28) eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer mechanischen Bearbeitung zumindest eines Fügestegs (32, 33) im Bereich einer Fügezone (31) des Oberteils (22) und des Unterteils (27) die Kompressionshöhe (KH) beeinflusst wird, wobei die Nabenbohrung (29) zur Beeinflussung einer Kompressionshöhe (KH) variabel im Kolbenschaft (28) eingebracht werden kann.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Giesswerkzeug ein die Nabenbohrung (29) definierender Kern variabel positioniert werden kann, um Kolben (21) mit unterschiedlicher Kompressionshöhe (KH) realisieren zu können.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Rohlinge, das Oberteil (27) und das Unterteil (22) über korrespondierende, gemeinsam die Fügezone (31) bildende Fügestege (32, 33) abgestützt und mittels einer Reibschweißung stoffschlüssig verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Multi-Orbitales Reibschweißverfahren vorgesehen ist zur stoffschlüssigen Befestigung des Oberteils (22) mit dem Unterteil (27) im Bereich der Fügezone (31).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionshöhe KH mittels einer mechanischen Bearbeitung des Kolbenbodens (3, 23) des Kolbens (1, 21) beeinflusst wird.
Kolben (1, 21), ausgebildet als ein Gußkolben für eine Brennkraftmaschine mit einem im Kolbenboden (3, 23) integrierten Kühlkanal (4, 24) und außenseitigen Feuersteg (5, 25) und Ringträger (6, 26) sowie einem Kolbenschaft (8, 28) zugeordneten Nabenbohrung (9, 29) und inneren Hohlraum (10, 30), dadurch gekennzeichnet, dass eine Beeinflussung der Kompressionshöhe (KH) bei der Herstellung des Kolbens (1, 21) dadurch erfolgt, dass in Verbindung mit dem Gießverfahren ein die Nabenbohrung (9, 29) definierender Kern variabel in einem Gießwerkzeug positioniert ist.
Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für den Kolben (1, 21) Eisenmetall, Stahl oder eine Stahllegierung vorgesehen ist.
Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer modulartigen Kolbenbauweise ein standardisiertes Oberteil (22) mit einem speziell gestalteten Unterteil (27) kombiniert werden kann, zur Realisierung unterschiedlicher Kompressionshöhen KH.