DE102011115847A1

DE102011115847A1 - Kühlkanalkolben und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102011115847A1
Application number: DE201110115847
Authority: DE
Inventors: Tobias Schädel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2013-04-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Kühlkanalkolben (1) für Brennkraftmaschinen mit einem Kolbenoberteil (3) und einem Kolbenunterteil (2) bereit. Das Kolbenunterteil (2), weist ein Kolbenhemd (7) auf und hat an seiner einem Brennraum zugewandten Oberfläche (4) einen umfänglichen Ringsteg (6). Das Kolbenunterteil (2) hat ferner an der Oberfläche (4) zwei umlaufende Fügeflächen (8a, 9a) wobei eine erste Fügefläche (8a) an einem freien Ende des Ringstegs (6) und eine zweite Fügefläche (9a) radial nach innen versetzt vorliegt und das Kolbenoberteil (3) ist als Ringelement (3) ausgebildet; es weist zwei umlaufende Fügeflächen (8b, 9b) auf, die mit den Fügeflächen (8a, 9a) des Kolbenunterteils (2) korrespondieren. Das Kolbenunterteil (2) ist mit dem Kolbenoberteil (3) an den Fügeflächen (8a, 9a, 8b, 9b) fest verbunden und überbrückt das Kolbenoberteil (3) so, dass ein Kühlkanal (10) gebildet wird. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkanalkolben und ein Verfahren zu dessen Herstellung aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil.
DE 10 2009 015 820 A1 beschreibt einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil und ein Herstellungsverfahren dafür. Dabei weisen das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil jeweils ein inneres und ein äußeres Stützelement auf, die einen äußeren umlaufenden Kühlkanal und einen inneren Kühlraum begrenzen. Das innere Stützelement des Kolbenoberteils und/oder das innere Stützelement des Kolbenunterteils weisen/weist an ihrer Oberfläche mindestens eine Aussparung auf und das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil sind durch multiorbitales Reibschweißen oder multilineares Reibschweißen miteinander verbunden.
In der DE 10 2005 021 428 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten Kolbens vorgeschlagen, bei dem zunächst ein Rohling eines einteiligen Kolbens mit einer Anformung geschmiedet wird, die die Form eines nach oben offenen Kragens hat, an den sich radial nach außen ein nach oben offener Kühlkanal anschließt. Anschließend wird der Kühlkanal durch Umwalzen der Anformung radial nach außen verschlossen, wobei die Anformung auf dem Kolbenboden zu liegen kommt. Dem folgt ein Verschweißen der Anformung mit dem Kolbenboden durch Ausüben eines in Richtung der Bolzennaben weisenden Druckes auf die Anformung, wonach der Kolben durch Anwendung spanabhebender Fertigungsverfahren fertig gestellt wird.
Aus dem Stand der Technik sind einteilig geschmiedete Kolben bekannt, beispielsweise aus DE 10 2004 019 011 A1 und DE 10 2006 045 728 A1 (vgl. 1), die nachfolgend mechanisch bearbeitet werden müssen. Bei diesem Kolben ist die Geometrie des Kühlkanals limitiert, da für das Werkzeug zum Einbringen der Kühlkanalvertiefung (z. B. ein Drehwerkzeug) ein gewisser Freigang zwischen dem Ringsteg und dem Kolbenhemd vorgesehen werden muss. Der hierdurch bedingte große Abstand zwischen dem Kühlkanal und dem Rand der Brennraummulde des Kolbens wirkt sich negativ auf die Kühlwirkung aus. Zudem muss die Kühlkanalvertiefung mit Federblechen verschlossen werden, um den Kühlkanal auszubilden, was einerseits mit zusätzlichen Kosten verbunden ist und andererseits die Gefahr birgt, dass sich die Federbleche lösen und verloren gehen oder den Motor beschädigen. Durch den fertigungsbedingten Freigang wird das Kolbenhemd sehr kurz, so dass für den sicheren Betrieb des Kolbens eine zusätzliche Führung am Ringsteg erforderlich wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es erforderlich, einen hinsichtlich Funktionssicherheit und Kühlwirkung optimierten Kolben zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Kühlkanalkolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen des Kühlkanalkolbens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 löst die Aufgabe, ein verbessertes Herstellungsverfahren für einen Kühlkanalkolben bereitzustellen. Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Ein erfindungsgemäßer Kühlkanalkolben für Brennkraftmaschinen mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil, das ein Kolbenhemd aufweist und an seiner einem Brennraum zugewandten Oberfläche einen umfänglichen Ringsteg aufweist, verfügt vorteilhaft an der Oberfläche des Kolbenunterteils über zwei umlaufende Fügeflächen. Die eine Fügefläche liegt dabei an einem freien Ende des Ringstegs, und die andere radial nach innen versetzt vor. Das Kolbenoberteil, das als Ringelement ausgebildet ist, hat ebenfalls vorteilhaft zwei umlaufende Fügeflächen, die mit den Fügeflächen des Kolbenunterteils korrespondieren, also hinsichtlich Anordnung, Form, Oberflächenbeschaffenheit auf diese abgestimmt sind. Das Kolbenunterteil ist mit dem Kolbenoberteil an den Fügeflächen gefügt und dabei bildet das als Ringelement gestaltete Kolbenoberteil eine Überbrückung des Oberflächenabschnitts der Oberfläche zwischen den zwei umlaufenden Fügeflächen, so dass vorteilhaft auf einfache Weise ein Kühlkanal gebildet wird.
Dessen Ausprägung und Geometrie kann günstig weitergebildet werden, wenn in einer weiteren Ausführungsform des Kühlkanalkolbens an der Oberfläche randständig eine umlaufende Vertiefung vorgesehen ist, an die der umfängliche Ringsteg außen angrenzt. Die zweite, radial nach innen versetzte Fügefläche ist dann geeigneter Weise an dem inneren Rand der Vertiefung angeordnet, so dass das Kolbenoberteil die umlaufende Vertiefung überbrückt, um den Kühlkanal zu bilden.
Mit dem erfindungsgemäßen Kühlkanalkolben kann einerseits die Funktionssicherheit des Motors verbessert werden, da die Federbleche entfallen, verloren gehen oder beim Lösen den Motor beschädigen können. Andererseits werden die Herstellungskosten durch das Entfallen der Federbleche verringert. Zudem kann in diesem Kühlkanalkolben das Kolbenhemd länger ausgeführt werden und dadurch näher an das Ringfeld heranrücken, was zu einer besseren Führung des Kolbens beiträgt. Hierdurch kann eine zusätzliche Führung am Ringsteg entfallen, was eine Verringerung der Reibung bedeutet.
Um die thermische Belastung des Kolbens günstiger zu verteilen, ist in einer Weiterbildung das Kolbenhemd von dem Ringsteg durch eine radiale Einbuchtung in der Umfangsfläche des Kühlkanalkolbens entkoppelt.
Das Kolbenunterteil kann mit dem Kolbenoberteil vorteilhaft stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden sein, weil hiermit eine zuverlässige und dauerhafte und einfach zu erzeugende Verbindung erreicht wird.
Das Kolbenoberteil kann einen im wesentlichen L-förmigen Querschnitt aufweisen, wobei ein Querschnittsschenkel einen radial ausgerichteten Anteil und der andere Querschnittsschenkel einen axial ausgerichteten Anteil des Kolbenoberteils ausbildet. Dabei hat der Querschnittsschenkel mit dem radial ausgerichteten Abschnitt die Fügefläche, die mit der ersten Fügefläche des Ringstegs verbunden ist, und der andere Querschnittsschenkel mit dem axial ausgerichteten Abschnitt des Kolbenoberteils ist mit der zweiten Fügefläche verbunden, so dass das Kolbenoberteil eine Deckenwandung und zumindest einen Abschnitt einer Seitenwandung des Kühlkanals bildet. Alternativ kann das Kolbenoberteil auch einen sichelförmigen Querschnitt haben, es ist dann völlig analog anzuordnen, wie im Falle des L-förmigen Querschnitts, ist aber noch einfacher fertigbar.
Durch diese Ausführungen wird insbesondere der Rand der Brennraummulde, der ein thermisch hoch belasteter Abschnitt ist, von dem Kolbenoberteil gebildet.
Ferner können das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, die zumindest teilweise aus Metall sind. Geeignet ist insbesondere ein austenitischer Stahl für das Kolbenunterteil und ein ferritischer Stahl für das Kolbenoberteil. Da ferritischer Stahl eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann dieser die brennraumseitig auftretenden Temperaturen von dem austenitischen Stahl des Kolbenunterteils gut ableiten. Dabei ist das Kolbenunterteil insbesondere ein geschmiedetes Teil.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines vorstehend beschriebenen Kühlkanalkolbens, das die Schritte umfasst:

– Bereitstellen eines Kolbenunterteils, das ein Kolbenhemd aufweist und an seiner einem Brennraum zugewandten Oberfläche einen umfänglichen Ringsteg aufweist,
– Vorsehen der zwei umlaufenden Fügeflächen an dem freien Ende des Ringstegs und radial nach innen versetzt,
– Bereitstellen des Kolbenoberteils, das als Ringelement ausgebildet ist, und Vorsehen der zwei umlaufenden Fügeflächen derart, dass diese mit den Fügeflächen des Kolbenunterteils korrespondieren, dann
– Fügen des Kolbenunterteils mit dem Kolbenoberteil an den Fügeflächen, dabei Ausbilden des Kühlkanals durch das Ringelement.

Im Falle der Ausgestaltung des Kolbens mit der umlaufenden Vertiefung als Teil des Kühlkanals in der Oberfläche muss diese entsprechend vorgesehen werden.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass im Gegensatz zum Stand der Technik der Kühlkanal nicht mit einem Werkzeug, beispielsweise einem Drehwerkzeug bearbeitet werden muss. Er kann vielmehr am einzelnen Kolbenunterteil vor dem Fügen bearbeitet werden. Einerseits macht dies das Herstellungsverfahren einfacher und damit kostengünstiger. Da die Bearbeitung an der freiliegenden und damit gut zugänglichen Oberfläche des Kolbenunterteils vorgenommen werden kann, ergeben sich andererseits bei der Gestaltung des Kühlkanals mehr Freiheiten. Die Geometrie des Kühlkanals und seine Anordnung in Bezug auf die Brennraummulde kann so auf eine optimale Kühlwirkung abgestimmt werden.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Kolbenunterteil mit dem Kolbenoberteil formschlüssig und/oder stoffschlüssig gefügt, etwa durch Reibschweißen, Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen. Hierdurch wird eine zuverlässige und dauerhafte und einfach zu erzeugende Verbindung erreicht.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines Kühlkanalkolbens nach dem Stand der Technik und
2 eine schematische Schnittansicht eines Kühlkanalkolbens gemäß der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist ein Kühlkanalkolben 21 nach dem Stand der Technik dargestellt, der einteilig aus einem Kolbenkörper 22 ausgeführt ist. Brennraumseitig weist der Kolben 21 eine Oberfläche 24 der Brennraummulde auf, die an ihrem Umfang durch einen Rand begrenzt ist. In den Rand und brennraumseitig umlaufend ist eine Vertiefung 25 vorgesehen, aus der durch Verschließen mit einem Federblech 23 der Kühlkanal 30 gebildet wird.
Zum Brennraum hin wird der Kolbenkörper 22 von einem Ringsteg 26 umgeben, der durch eine Einbuchtung 31 von dem Kolbenhemd 27 entkoppelt ist. Da bei der Herstellung des Kolbens 21 der Kühlkanal 26 mit einem Drehwerkzeug eingebracht wird, muss die Einbuchtung 31 ausreichend dimensioniert sein, um dem Werkzeug genügend Freigang zu ermöglichen. Hierdurch ist die Freiheit zu Gestaltung und Anordnung des Kühlkanals jedoch begrenzt.
Demgegenüber stellt 2 einen erfindungsgemäßen Kühlkanalkolben 1 dar. Er ist aus einem Kolbenunterteil 2 und einem Kolbenoberteil 3 aufgebaut. Das Kolbenunterteil 2 umfasst eine Oberfläche 4, eine in der Oberfläche vorgesehene Vertiefung 5, einen Ringsteg 6 und ein Kolbenhemd 7. In der Oberfläche 4, welche im Wesentlichen den Kolbenboden bildet, sind zwei umlaufende Fügeflächen 8a, 9a vorgesehen, die gleichzeitig die Vertiefung 5 begrenzen.
Das Kolbenoberteil 3 ist als Ringelement ausgeführt, das einen L-förmigen Querschnitt aufweist. Die umlaufenden Enden des Ringelements sind als Fügeflächen 8b, 9b ausgestaltet und korrespondieren in ihrer Größe und Ausrichtung mit den Fügeflächen 8a, 9a des Kolbenunterteils 2. Die beiden Schenkel des L-förmigen Ringelements sind so ausgebildet, dass sie eine Deckenwandung 12 und eine Seitenwandung 13 für den Kühlkanal 10 bilden können. Die gebildete Seitenwandung 13 ist radial nach innen ausgerichtet.
Zum Herstellen des erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens 1 wird zunächst das Kolbenunterteil 2 bereitgestellt. Die Vertiefung 5 kann bereits bei der Herstellung des Kolbenunterteils 2 vorgesehen oder nachfolgend durch Bearbeiten eingebracht werden. Das gleiche gilt für das Vorsehen der Fügeflächen 8a, 9a. Anschließend wird das Kolbenoberteil 3 auf das Kolbenunterteil 2 so aufgesetzt, dass das Kolbenoberteil 3 die Vertiefung 5 überbrückt, mit den Fügeflächen 8b, 9b auf den korrespondierenden Fügeflächen 8a, 9a ruht und so den Kühlkanal 10 bildet. Das feste Verbinden von Kolbenunterteil 2 und Kolbenoberteil 3 erfolgt beispielsweise durch Reibschweißen oder Laserschweißen.
Wie aus 2 zu ersehen ist, sind der Ringsteg 6 und das Kolbenhemd 7 wie beim Kolben 21 nach dem Stand der Technik durch eine Einbuchtung 11 voneinander entkoppelt. Allerdings ist die Einbuchtung 11 nicht so groß wie die Einbuchtung 31 im Stand der Technik, da kein Freigang für ein Werkzeug benötigt wird. Dies ermöglicht vorteilhaft, das Kolbenhemd 7 länger auszugestalten, so dass es den Kolben besser führen kann, und dass eine zusätzliche Führung über den ersten Ringsteg entfallen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009015820 A1 [0002]
DE 102005021428 A1 [0003]
DE 102004019011 A1 [0004]
DE 102006045728 A1 [0004]

Claims

Kühlkanalkolben (1) für Brennkraftmaschinen mit einem Kolbenoberteil (3) und einem Kolbenunterteil (2), das ein Kolbenhemd (7) aufweist und an seiner einem Brennraum zugewandten Oberfläche (4) einen umfänglichen Ringsteg (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Kolbenunterteil (2) an der Oberfläche (4) zwei umlaufende Fügeflächen (8a, 9a) aufweist, wobei eine erste Fügefläche (8a) an einem freien Ende des Ringstegs (6) und eine zweite Fügefläche (9a) radial nach innen versetzt vorliegt, – das Kolbenoberteil (3) als Ringelement (3) ausgebildet ist und zwei umlaufende Fügeflächen (8b, 9b) aufweist, die mit den Fügeflächen (8a, 9a) des Kolbenunterteils (2) korrespondieren, und – das Kolbenunterteil (2) mit dem Kolbenoberteil (3) an den Fügeflächen (8a, 9a, 8b, 9b) fest verbunden ist, wobei das Ringelement (3) einen Oberflächenabschnitt der Oberfläche (4) zwischen den zwei umlaufenden Fügeflächen (8a, 9a) so überbrückt, dass ein Kühlkanal (10) gebildet wird.
Kühlkanalkolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (4), die den umfänglichen Ringsteg (6) aufweist, randständig eine umlaufende Vertiefung (5) vorgesehen ist, an die der umfängliche Ringsteg (6) außen angrenzt, und die zweite, radial nach innen versetzte Fügefläche (9a) an einem inneren Rand der Vertiefung (5) angeordnet ist, so dass das Kolbenoberteil (3) die umlaufende Vertiefung (5) überbrückt, um den Kühlkanal (10) zu bilden.
Kühlkanalkolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenhemd (7) von dem Ringsteg (6) durch eine radiale Einbuchtung (11) in der Umfangsfläche des Kühlkanalkolbens (1) entkoppelt ist.
Kühlkanalkolben (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (2) mit dem Kolbenoberteil (3) an den Fügeflächen (8a, 9a, 8b, 9b) stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden ist.
Kühlkanalkolben (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (3) einen im wesentlichen L-förmigen Querschnitt aufweist, wobei ein Querschnittsschenkel einen radial ausgerichteten Abschnitt mit der einen Fügefläche (8a), die mit der ersten Fügefläche (8a) des Ringstegs verbunden ist, aufweist, und der andere Querschnittsschenkel einen axial ausgerichteten Abschnitt des Kolbenoberteils (3) ausbildet, der mit der zweiten Fügefläche (9a) verbunden ist, so dass das Kolbenoberteil (3) eine Deckenwandung (12) und zumindest einen Abschnitt einer Seitenwandung (13) des Kühlkanals (10) bildet, oder einen sichelförmigen Querschnitt aufweist.
Kühlkanalkolben (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (2) und das Kolbenoberteil (3) aus unterschiedlichen, metallischen Werkstoffen bestehen, insbesondere aus einem austenitischen Stahl für das Kolbenunterteil (2) und einem ferritischem Stahl für das Kolbenoberteil (3), wobei bevorzugt das Kolbenunterteil (2) geschmiedet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte – Bereitstellen eines Kolbenunterteils (2), das eine einem Brennraum zugewandte, kreisförmige Oberfläche (4), einen randständigen Ringsteg (6) und ein Kolbenhemd (7) aufweist, – Vorsehen einer umlaufenden Vertiefung (5) in der Oberfläche (4), – Vorsehen von zwei umlaufenden Fügeflächen (8a, 9a), wobei eine Fügefläche (8a) an dem Ringsteg (6) und eine Fügefläche (9a) radial nach innen vorgesehen wird, – Bereitstellen eines Kolbenoberteils (3), das als Ringelement ausgebildet ist und Vorsehen von zwei umlaufenden Fügeflächen (8b, 9b), die mit den Fügeflächen (8a, 9a) des Kolbenunterteils (2) korrespondieren, und – fest Verbinden des Kolbenunterteils (2) mit dem Kolbenoberteil (3) an den Fügeflächen (8a, 9a, 8b, 9b) und – dabei Überbrücken der umlaufenden Vertiefung (5) und Ausbilden eines Kühlkanals (10) durch die umlaufende Vertiefung (5) und das diese überbrückende Kolbenoberteil (3).
Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die Schritte – Bereitstellen eines Kolbenunterteils (2), das ein Kolbenhemd (7) aufweist und an seiner einem Brennraum zugewandten Oberfläche (4) einen umfänglichen Ringsteg (6) aufweist, – Vorsehen der zwei umlaufenden Fügeflächen (8a, 9a) an dem freien Ende des Ringstegs (6) und radial nach innen versetzt, – Bereitstellen des Kolbenoberteils (3), das als Ringelement (3) ausgebildet ist, und Vorsehen der zwei umlaufenden Fügeflächen (8b, 9b) derart, dass diese mit den Fügeflächen (8a, 9a) des Kolbenunterteils (2) korrespondieren, dann – Fügen des Kolbenunterteils (2) mit dem Kolbenoberteil (3) an den Fügeflächen (8a, 9a, 8b, 9b) dabei Ausbilden des Kühlkanals (10) durch das Ringelement (3).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Kolbenunterteil (2) mit dem Kolbenoberteil (3) stoffschlüssig, insbesondere durch Reibschweißen, Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen, und/oder formschlüssig gefügt wird.