DE102009040084A1

DE102009040084A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102009040084A1
Application number: DE102009040084A
Authority: DE
Inventors: Philipp Rall; Joachim Zander; Rainer Ottmüller; Stefan Scheday
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-03-10
Also published as: KR20120072369A; WO2011026481A1; US20130031782A1; CN102574209A

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenboden (2), mit einer Ringpartie (4) und mit einem Kolbenschaft (5), der zwei einander gegenüberliegende Bolzennaben (6, 6') aufweist, wobei im Rahmen der Endbearbeitung der Außenfläche des Kolbenrohlings in die Bereiche der radial äußeren Stirnflächen (8, 8') der Bolzennaben (6, 6') in radiale Richtung sich erstreckende Schaftrücknahmen eingeformt werden. Einfach und preisgünstig ist es, wenn hierbei die Endbearbeitung der Außenfläche des Kolbenrohlings einschließlich dem Einformen der Nuten in die Ringpartie (4) und dem Einformen der Schaftrücknahmen (9, 9') in den Kolbenschaft (5) mit Hilfe einer Drehbank (26) vorgenommen wird, deren Drehmeißel in Abhängigkeit der Drehposition des Kolbens (1) freiprogrammierbar positioniert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenboden, mit einer Ringpartie und mit einem Kolbenschaft, der zwei einander gegenüberliegende Bolzennaben aufweist, mit den Verfahrensschritten:

– Herstellung eines einteiliger Kolbenrohling mit Bereichen für den Kolbenschaft und die Bolzennaben oder eines aus zwei Teilen bestehender Kolbenrohling, wobei das eine Teil für den Kolbenboden und das andere Teil für den Kolbenschaft mit den Bolzennaben vorgesehen sind,
– Einbringung von Bolzenbohrungen in die Bereiche der Bolzennaben, und
– Fertigstellung des Kolbens, wobei im Rahmen der Endbearbeitung der Außenfläche des Kolbenrohlings in die Bereiche der radial äußeren Stirnflächen der Bolzennaben in radiale Richtung sich erstreckende Schaftrücknahmen eingeformt werden.

Aus der Europäischen Patentanmeldung EP 0 167 791 A2 ist ein Rundschaftkolben der eingangs genannten Art mit im Bereich der Bolzennaben über die gesamte axiale Länge des Kolbenschaftes sich erstreckenden Schaftrücknahmen bekannt. Diese werden mittels einer Drehbank in den Kolbenschaft eingeformt, wobei der Kolben in seiner Längsrichtung exzentrisch auf der Drehbank eingespannt wird. Nachteilig ist hierbei, dass mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Drehverfahren nur Schaftrücknahmen herstellbar sind, deren Tiefe zum Rand der Schaftrücknahmen hin kontinuierlich abnimmt, sodass sie im Querschnitt eine ovale Form aufweisen. Eine im Querschnitt nichtovale Schaftrücknahme in den Kolbenschaft einzuformen, ist nur mit Hilf einer Fräsmaschine beispielsweise mit Hilfe einer Zirkularfräsmaschine möglich, sodass zur Endbearbeitung des Kolbens neben einer herkömmlichen Drehbank zusätzlich eine Fräsmaschine erforderlich ist, was die Herstellung des Kolbens nicht unerheblich verteuert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein einfaches und preisgünstiges Verfahren zur Herstellung eines Kolbens mit Schaftrücknahmen zu schaffen, die beliebig geformt sein können.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass die Endbearbeitung der Außenfläche des Kolbenrohlings einschließlich dem Einformen der Nuten in die Ringpartie und dem Einformen der Schaftrücknahmen in den Kolbenschaft mit Hilfe einer Drehbank vorgenommen wird, deren Drehmeißel in Abhängigkeit der Drehposition des Kolben freiprogrammierbar positioniert werden kann.
Die Verwendung einer Drehbank, dessen Drehmeißel in Abhängigkeit der Drehposition des Kolbens freiprogrammierbar positioniert werden kann, ermöglicht es, sich nach der Herstellung des Kolbenrohlings und dem Einbringen der Bolzenbohrung auf einen einzigen, weiteren Arbeitsgang zu beschränken, denn mit obiger Drehbank können sowohl die Nuten der Ringpartie und beliebig geformte Schaftrücknahmen hergestellt als auch der Rest der Kolbenaußenfläche fertig bearbeitet werden.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen
1 einen Kolben in Seitenansicht, wobei im Bereich der Stirnflächen der Bolzennaben der Kolbenschaft zurückgenommen ist,
2 einen Schnitt durch den Kolben entlang der Linie AA in 1,
3A, Reinige Ausführungen der Übergänge zwischen den zurückgenommenen und den nicht zurückgenommenen Schaftbereichen, und
4 eine schematische Darstellung einer Drehbank mit frei programmierbarer Positionierung des Drehmeißels.
1 zeigt einen Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor, der als Rundschaftkolben ausgebildet ist, aus Aluminium besteht und im Schmiedeverfahren hergestellt ist. Der Kolben 1 weist einen Kolbenboden 2, einen Feuersteg 3, eine Ringpartie 4 und einen Kolbenschaft 5 mit Bolzennaben 6, 6' und Bolzenbohrungen 7, 7' auf.
Im Bereich der Stirnflächen 8, 8' der Bolzennaben 6, 6' weist der Kolbenschaft 5 Schaftrücknahmen 9, 9' auf, das heißt, dass der Kolbenschaft 5 in diesen Bereichen in radialer Richtung um 0,5 mm bis 2 mm zurückgenommen ist, und diese Bereiche 9, 9' von der Kolbenachse 10 somit einen um 0,5 mm bis 2 mm geringeren Abstand haben als die nicht zurückgenommenen Bereiche 11, 11' des Kolbenschafts 5.
Hierbei können die Übergangsbereiche 12, 12' zwischen den Schaftrücknahmen 9, 9' und den nicht zurückgenommenen Bereichen 11, 11' des Kolbenschafts 5 wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 parallel zueinander liegen oder (in 1 nicht dargestellt) in Richtung Kolbenboden 2 konisch aufeinander zulaufen. Weiterhin können die Schaftrücknahmen 9, 9' wie die Mantelflächen eines Kreiszylinders geformt sein. Sie können aber auch im Querschnitt senkrecht zur Kolbenachse 10 betrachtet eine ovale Form haben, wobei die Achse 13 der Bolzenbohrung 7 (2) die kleine Achse der Ovalität ist.
Die Höhe 14 der Schaftrücknahme 9, 9' reicht im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die gesamte axiale Länge des Kolbenschaftes 5, das heißt, von der Ringpartie 4 bis zum kolbenbodenabgewandten, unteren Ende 15 des Kolbenschaftes 5. Die Höhe 14 ist abhängig vom Herstellungsverfahren des Kolbens 1 frei wählbar.
In 2, einem Schnitt durch den Kolben 1 entlang der Linie AA in 1, ist dargestellt, dass die umfangsmäßige Ausdehnung der Schaftrücknahmen 9, 9' und der nicht zurückgenommenen Bereiche 11, 11' des Kolbenschaftes 5 anhand des Winkels α zwischen einer senkrecht auf der Achse 13 der Bolzenbohrung 7 und zudem senkrecht auf der Kolbenachse 10 stehenden Geraden 16 und einer die Kolbenachse 10 mit dem Übergangsbereich 12' verbindenden Geraden 17 definierbar ist. Der Winkel α hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Wert von 32°. Er kann aber zwischen 5° und 85° betragen.
Die 3A, B zeigen zwei Ausführungsformen der Übergangsbereiche 12a und 12b zwischen den Schaftrücknahmen 9 und den nicht zurückgenommenen Bereichen 11 des Kolbenschafts 5. Der Übergangsbereich 12a gemäß 3A weist gegenüber den Bereichen 9 und 11 je eine über die gesamte Höhe 14 der Schaftrücknahme 9 reichende Kante 18 und 19 auf. Der Übergangsbereich 12b gemäß 3B verbindet stetig und kantenfrei die beiden Bereiche 9 und 11.
Über den Winkel β, β' zwischen Geraden 27, 28, die die Ränder der Bereiche 11 und 9 mit der (in 3 nicht dargestellten) Kolbenachse 10 verbinden und senkrecht auf der Kolbenachse 10 stehen, ist die umfangsmäßige Ausdehnung der Übergangsbereiche 12a und 12b definierbar. Dieser Winkel β, β' kann zwischen 5° und 20° betragen.
Die Herstellung eines Schmiederohlings ist aus dem Stand der Technik (bspw. aus der DE 10 2005 041 000 A1 ) bekannt und wird hier nicht näher erläutert. Angemerkt sie hier nur, dass der Rohling unter Verwendung eines Dorns zur Ausformung des Kolbeninnenraumes und eines Schmiedegesenks zur Ausformung der Kolbenaußen form geschmiedet wird. Anschließend werden mittels einer Bohrmaschine die Bolzenbohrungen eingebracht.
Die restliche Bearbeitung der Kolbenaußenfläche, wie das Einformen der Nuten der Ringpartie 4 und der Schaftrücknahmen 9, 9' und die Endbearbeitung der Kolbenaußenfläche, erfolgt mittels einer in 4 schematisch dargestellten Drehbank 26, dessen Drehmeißel 24 in Abhängigkeit der Drehposition des Kolbens 1 freiprogrammierbar positioniert werden kann.
Dargestellt ist ein auf einem Drehantrieb 20 drehbar befestigter Kolbenrohling 1. Mittels eines an einem Vorschubschlitten 21 befestigten und sowohl in Richtung des Pfeiles 22 parallel zur Kolbenachse 10 als auch in Richtung des Pfeiles 23 senkrecht zur Kolbenachse 10 verschiebbar gelagerten Drehmeißels 24 kann die Außenfläche des Kolbens 1, wie beispielsweise der Kolbenschaft 5, bearbeitet werden.
Hierbei wird der Kolbenrohling 1 vom Drehantrieb 20 in Richtung des Drehpfeiles 25 in Drehung versetzt. Über einen im Drehantrieb 20 angeordneten Drehstellungsgeber wird die Drehposition des Kolbenrohlings 1 erfasst und an eine in der Figur nicht dargestellte Steuereinheit gemeldet. In Abhängigkeit von der Drehposition des Kolbenrohlings 1 und von der Position des Drehmeißels 24 in Richtung der Kolbenachse 10 wird von der Steuereinheit der Drehmeißel 24 in Richtung des Pfeiles 23 auf den Kolben 1 zubewegt, um den spanenden Materialabtrag zu starten, wodurch die Schaftrücknahmen und die Nuten in die Außenfläche des Kolbenrohlings 1 eingedreht werden.
Die Verringerung der mit der Zylinderinnenfläche in Kontakt stehenden Flächen 11, 11' des Kolbenschaftes 5 mittels der Schaftrücknahmen 9, 9' hat den Vorteil, die Gleiteigenschaften des Kolbens zu verbessern. Zudem bietet ein Rundschaftkolben mit Schaftrücknahmen gegenüber einem Kastenkolben mit gegenüber der Ringpartie zurückgesetzten Stirnflächen der Bolzennaben in radialer Richtung längere Bolzenbohrungen und damit eine größere Auflagefläche für den Kolbenbolzen.
Neben der Herstellung von einteiligen und aus Aluminium geschmiedeten Kolben kann das erfindungsgemäße Verfahren auch dazu verwendet werden, aus zwei Teilen bestehende Kolben herzustellen, wobei diese beiden Teile entweder miteinander verschweißt, verlötet oder verschraubt werden. Die Teile können hierbei aus Stahl geschmiedet oder aus Aluminium oder aus Gusseisen gegossen werden, wobei jedes Teil für sich mit Hilfe der Drehbank 26 fertig gedreht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zudem dazu, den Schaftteil von Pendelschaftkolben herzustellen. In jedem Fall ist das erfindungsgemäße Verfahren gut dazu geeignet, in die Kolbenteile, die für die Bolzennaben vorgesehen sind, Schaftrücknahmen einzuformen.
Weiterhin hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die Schaftrücknahmen beliebig geformt werden können. In Richtung der Kolbenachse 10 gesehen können die Übergangsbereiche 12 zwischen den Schaftrücknahmen 9 und den nicht zurückgenommenen Bereiche 11 des Kolbenschaftes 5 jede beliebige Form haben und beispielsweise wellenförmig ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

α, β, β': Winkel
1: Kolben, Kolbenrohling
2: Kolbenboden
3: Feuersteg
4: Ringpartie
5: Kolbenschaft
6, 6': Bolzennabe
7, 7': Bolzenbohrung
8, 8': Stirnfläche der Bolzennabe 6, 6'
9, 9': Schaftrücknahme
10: Kolbenachse
11, 11': nicht rückgenommener Bereich des Kolbenschaftes 5
12, 12': Übergangsbereich zwischen der Schaftrücknahme 9 und dem Bereich 11
12a, 12b: Übergangsbereich zwischen der Schaftrücknahme 9 und dem Bereich 11
13: Achse der Bolzenbohrung 7
14: Höhe der Schaftrücknahme 9
15: unteres Ende des Kolbenschaftes 5
16: Verbindungsgerade
17: Verbindungsgerade
18, 19: Kante zwischen dem Übergangsbereich 12a und der Schaftrücknahme 9 bzw. dem nicht zurückgenommenen Bereich 11 des Kolbenschaftes 5
20: Drehantrieb
21: Vorschubschlitten
22, 23: Pfeil
24: Drehmeißel
25: Drehpfeil
26: Drehbank
27, 28: Gerade

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0167791 A2 [0002]
DE 102005041000 A1 [0018]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenboden (2), mit einer Ringpartie (4) und mit einem Kolbenschaft (5), der zwei einander gegenüberliegende Bolzennaben (6, 6') aufweist, mit den Verfahrensschritten: – Herstellung eines einteiliger Kolbenrohling mit Bereichen für den Kolbenschaft (5) und die Bolzennaben (6, 6') oder eines aus zwei Teilen bestehender Kolbenrohling, wobei das eine Teil für den Kolbenboden (2) und das andere Teil für den Kolbenschaft (5) mit den Bolzennaben (6, 6') vorgesehen sind, – Einbringung von Bolzenbohrungen (7, 7') in die Bereiche der Bolzennaben (6, 6'), und – Fertigstellung des Kolbens (1), wobei im Rahmen der Endbearbeitung der Außenfläche des Kolbenrohlings in die Bereiche der radial äußeren Stirnflächen (8, 8') der Bolzennaben (6, 6') in radiale Richtung sich erstreckende Schaftrücknahmen eingeformt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Endbearbeitung der Außenfläche des Kolbenrohlings einschließlich dem Einformen der Nuten in die Ringpartie (4) und dem Einformen der Schaftrücknahmen (9, 9') in den Kolbenschaft (5) mit Hilfe einer Drehbank (26) vorgenommen wird, deren Drehmeißel in Abhängigkeit der Drehposition des Kolben (1) freiprogrammierbar positioniert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftrücknahmen (9, 9') mit einer Tiefe zwischen 0,5 mm und 2 mm hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schaftrücknahmen (9, 9') und den nicht zurückgenommenen Bereichen (11, 11') des Kolbenschafts (5) Übergangsbereiche (12a) geformt werden, die gegenüber den Schaftrücknahmen (9, 9') und gegenüber den nicht zurückgenommenen Bereichen (11, 11') jeweils eine über die gesamte Höhe (14) der Schaftrücknahme (9, 9') reichende Kante (18, 19) und zwischen den Kanten (18, 19) eine eben Fläche aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schaftrücknahmen (9, 9') und den nicht zurückgenommenen Bereichen (11, 11') des Kolbenschafts (5) Übergangsbereiche (12b) geformt werden, die die Schaftrücknahmen (9, 9') stetig und kantenfrei mit den nicht zurückgenommenen Bereichen (11, 11') des Kolbenschaftes (5) verbinden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsbereiche (12a, 12b) so gestaltet werden, dass sie parallel zur Kolbenachse (10) zu liegen kommen.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsbereiche (12a, 12b) so gestaltet werden, dass sie in Richtung Kolbenboden (2) konisch aufeinander zulaufen.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsbereiche (12a, 12b) so gestaltet werden, dass sie in Richtung des kolbenbodenabgewandten Endes (15) des Kolbenschaftes (5) konisch aufeinander zulaufen.