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EP2681435B1 - Kolben für einen verbrennungsmotor sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor sowie verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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Publication number
EP2681435B1
EP2681435B1 EP12727232.6A EP12727232A EP2681435B1 EP 2681435 B1 EP2681435 B1 EP 2681435B1 EP 12727232 A EP12727232 A EP 12727232A EP 2681435 B1 EP2681435 B1 EP 2681435B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
ring element
joining surfaces
base body
joining
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP12727232.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2681435A2 (de
Inventor
Helmut Edel
Andreas Seeger-Van Nie
Volker Weisse
Achim Fedyna
Christian Peschke
Rainer Scharp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle International GmbH filed Critical Mahle International GmbH
Publication of EP2681435A2 publication Critical patent/EP2681435A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2681435B1 publication Critical patent/EP2681435B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • F02F2003/0061—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping by welding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/02—Light metals
    • F05C2201/021—Aluminium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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    • F05C2201/0448—Steel
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49249—Piston making
    • Y10T29/49252—Multi-element piston making

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine, comprising a piston main body and a piston ring member, the piston main body has at least an inner region of a piston head, which forms the bottom of a combustion bowl, and a piston shaft which is provided with hub bores having pin bosses, wherein the piston ring member at least one of the trough edge of the combustion bowl enclosing the outer region of a piston crown having a circumferential land and a ring groove provided with annular recesses, the piston body and the piston ring element form a circumferential closed cooling channel and are joined together via corresponding inner and outer conical joining surfaces, wherein the inner joining surfaces form an acute angle ⁇ with a piston center axis.
  • a generic piston is off EP1061249 known.
  • a generic piston and a generic method are known from US 4,651,631 known.
  • a piston is disclosed, the outer and inner corresponding joining surfaces are cone-shaped and lie on a plane. In this way, the required tolerances for the joining process are set and tilting of the two components avoided and achieved a self-centering of the components.
  • the object of the present invention is thus to develop a generic piston so that a reliable self-centering of the components before joining is possible.
  • the corresponding joining surfaces are accordingly formed on the piston base body and on the piston ring element in such a way that they form conically arranged surfaces.
  • the outer corresponding joining surfaces form a larger angle ⁇ with the central axis of the piston than the inner corresponding joining surfaces.
  • the joining surfaces can be decomposed into an axial area vector and a radial area vector.
  • the radial surface portions cause shrinkage stresses, which can occur in thermal joining processes, are easily degraded by free shrinkage of the components in the axial direction.
  • the piston base body and / or the piston ring element may have a local thickening in the region of the cooling channel-side ends of the joining surfaces. As a result, a possible notch effect of the joint connection is at least significantly reduced.
  • the trough edge of the combustion chamber trough is formed from a wear-resistant and / or temperature-resistant material.
  • the piston base body made of a metallic material or the piston ring element made of a wear and / or temperature-resistant steel material.
  • Suitable joining methods are, for example, gluing, welding or soldering. It is expedient to act on the piston ring element and / or the piston main body during the joining process with an axial clamping force in order to support the centering of the components to be joined.
  • FIG. 1 shows an example of a piston 10.
  • the piston 10 has a piston body 11 and a piston ring member 12.
  • the piston main body 11 forms the inner region 14 of a piston head 13; This inner region 14 at the same time represents the bottom of a combustion bowl 15.
  • a piston shaft 16 is connected in a manner known per se, which has pin bosses 18 provided with hub bores 17.
  • the piston main body 11 can be made, for example, from a ferrous material or a light metal material. Both cast and forged materials can be used. Typical cast materials are, for example, cast iron with nodular graphite according to DIN EN 1563, such as, for example, EN-GJS-700-2, cast steel according to DIN EN 10293, or special aluminum-silicon piston alloys.
  • AFP steels according to DIN EN 10267 for example AFP steels according to DIN EN 10267, tempered steels according to DIN EN 10083 or malleable aluminum-silicon alloys can be used.
  • the piston ring member 12 forms the outer portion 21 of the piston crown 13 with a peripheral land 22 and a circumferential ring portion 23 with annular grooves 24 for piston rings (not shown).
  • the outer region 21 of the piston crown 13 includes the trough edge 25 of the combustion bowl 15.
  • the piston ring element may consist of a cast or forged material, or alternatively of a powder metallurgically produced material, preferably of a wear and / or temperature-resistant material.
  • tempered steels according to DIN EN 10083 hot and high-temperature steels, such as.
  • hot and high-temperature steels such as.
  • heat-resistant steels and nickel alloys such as., To DIN EN 10095, are used.
  • cast iron materials eg cast iron with nodular graphite according to DIN EN 1563, cast steel according to DIN EN 10293 or heat-resistant cast steel according to DIN EN 10295 can be used.
  • high-temperature aluminum piston alloys can also be used.
  • the piston ring element 12 also has a peripheral recess 26, which extends in the direction of the piston head 13 substantially parallel to the ring portion 23.
  • a peripheral recess 26 which extends in the direction of the piston head 13 substantially parallel to the ring portion 23.
  • an outer circumferential joining surface 27 and below the trough edge 25 an inner circumferential joining surface 28 is provided below the ring portion 23, and below the trough edge 25, an inner circumferential joining surface 28 is provided below the ring portion 23, an outer circumferential joining surface 27 and below the trough edge 25, an inner circumferential joining surface 28 is provided.
  • the joining surfaces 27 and 28 lie on a common conical surface and close with the piston center axis 100 at an acute angle ⁇ .
  • the piston main body 11 has an outer circumferential recess 31, which is bounded by an outer circumferential joining surface 32 and an inner circumferential joining surface 33.
  • the inner circumferential joining surface 33 encloses at the same time the inner region 14 or the bottom of the combustion chamber trough 15.
  • the outer joining surface 32 and the inner joining surface 33 likewise lie on a common conical surface.
  • the piston main body 11 and the piston ring element 12 are joined together by the corresponding joining surfaces 27 and 32 or 28 and 33 to each other come to lie, so that gap-free or very narrow toleranced joints result.
  • the piston base body 11 and the piston ring element 12 are firmly joined together by means of suitable joining methods, in particular gluing, soldering or welding, along the joining surfaces 27, 32 and 28, 33.
  • suitable joining methods in particular gluing, soldering or welding
  • the joining surfaces 27, 32 and 28, 33 are connected to each other in a single operation, for example.
  • the recess 26 of the piston ring member 12 and the recess of the piston main body 11 thereby form a circumferential closed cooling channel 34.
  • the centering of piston body 11 and piston ring member 12 results automatically due to the fact that the corresponding joining surfaces 27, 32 and 28, 33 on corresponding conical surfaces lie.
  • the centering can be supported by the piston body 11 and the piston ring member 12 are braced axially before joining.
  • a piston body 11 forged from 38MnVS6 is adjusted to the required strength by controlled cooling. Subsequently, the joining surfaces 32, 33 produced in one step, as well as the circumferential recess 31 finished.
  • the piston ring element 12 is forged from the material 42CrMo4 and adjusted to the desired strength by a tempering process. In the same way as in the piston body, the joining surfaces 27, 28 using the same cone angle in this case, as well as the circumferential recess 26 are made.
  • Both parts are preheated and clamped together by an axial force, so that the joining surfaces 27,32 and 28,33 come centered on each other to lie.
  • the two joints thus fixed to one another are then welded together starting from the outside diameter in one working step without the use of additional material.
  • the two joints may be separated, starting from the outer diameter and from the combustion chamber 15, successively or simultaneously by a jet welding process be firmly connected with each other.
  • the two seam roots thus come to rest in the cooling channel.
  • FIG. 2 shows an example of a piston 110 of a piston body 111 and a piston ring member 112, wherein like components are provided with the same reference numerals.
  • the piston ring element 111 has a single conical joining surface 135 and the piston ring element 112 has a single corresponding conical joining surface 136.
  • the piston main body 111 and the piston ring element 112 are firmly joined together by means of suitable joining methods, in particular gluing, soldering or welding, along the joining surfaces 135, 136.
  • the joining surfaces 135, 136 can be connected to one another in a single operation, for example by welding.
  • the centering of the piston main body 111 and the piston ring element 112 also results automatically in this embodiment due to the fact that the corresponding joining surfaces 135, 136 lie on corresponding conical surfaces.
  • the centering can be assisted by axially bracing piston base 111 and piston ring element 112 before joining. Possibly. can be introduced in the piston ring member 112 in a conventional manner, a circumferential cooling channel, as in FIG. 2 indicated by dash-dotted lines.
  • the selection of a suitable joining method depends on the materials of the piston main body 11, 111 and the piston ring element 12, 112 in a manner known to the person skilled in the art: When using soldering results in the selection of a suitable solder from the working temperature of the chosen method.
  • a welding process offer beam-based methods, such as laser beam welding or electron beam welding.
  • other welding methods such as arc-based methods, for example TIG or MAG / MIG methods, can also be used.
  • the use of a joining material may be desirable or even necessary.
  • welding filler If the use of welding filler is required when using a welding process, it makes sense to use the corresponding joining surfaces 27, 28; 136 of the piston ring member 12; 112 and / or 32, 33; 135 of the piston main body 11; 111 on conical surfaces with whole or regionally different angle or to arrange a surface in an arc shape, such that a substantially wedge-shaped parting line is formed (not shown). In a dividing joint formed in this way, the joining material can be taken in particularly easily and effectively. In particular, in a piston 10 with a cooling channel 34 according to FIG.
  • FIG. 3 shows another example of a piston 210 with a piston body 211 and a piston ring member 212.
  • the piston 210 corresponds to the piston 10 according to FIG. 1 because it also has a circumferential cooling channel 234.
  • the piston 210 is characterized in that the piston main body 211 and the piston ring element 212 in the region of the joining surfaces 227, 232 and 228, 233 are provided on the cooling channel side local thickening (237, 238).
  • this piston is characterized in that the joining surfaces 227 and 227 'lie on a common plane, which is designed inclined at an acute angle ⁇ to the piston axis.
  • Fig. 4 shows a further embodiment of the piston according to the invention, in which the joining surface 227 forms an acute angle ⁇ to the piston axis 300, while the inner corresponding joining surface 233 form an acute angle ⁇ with the piston central axis 300.
  • the joining surface 227 ' forms an obtuse angle ⁇ to the piston axis 300 and the corresponding joining surface 227'b forms an acute angle ⁇ with the piston center axis 300, wherein this embodiment of the piston is not a solution according to the invention.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbengrundkörper und einem Kolbenringelement, wobei der Kolbengrundkörper zumindest einen inneren Bereich eines Kolbenbodens aufweist, welcher den Boden einer Brennraummulde bildet, sowie einen Kolbenschaft, welcher mit Nabenbohrungen aufweisenden Bolzennaben versehen ist, wobei das Kolbenringelement zumindest einen den Muldenrand der Brennraummulde einschließenden äußeren Bereich eines Kolbenbodens mit einem umlaufenden Feuersteg und einer mit Ringnuten versehenen umlaufenden Ringpartie aufweist, wobei der Kolbengrundkörper und das Kolbenringelement einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal bilden sowie über korrespondierende innere und äußere kegelförmige Fügeflächen zusammengefügt sind, wobei die inneren Fügeflächen mit einer Kolbenmittelachse einen spitzen Winkel α bilden.
  • Ein gattungsgemäßer Kolben ist aus EP1061249 bekannt.
  • Ein gattungsgemäßer Kolben sowie ein gattungsgemäßes Verfahren sind aus der US 4,651,631 bekannt. In dieser Druckschrift ist ein Kolben offenbart, dessen äußere und innere korrespondierende Fügeflächen kegelförmige ausgebildet sind und auf einer Ebene liegen. Auf diese Weise werden die erforderlichen Toleranzen für das Fügeverfahren eingestellt und Verkantungen der beiden Bauteile vermieden sowie eine Selbstzentrierung der Bauteile erreicht.
  • In der Praxis hat sich gezeigt, dass die selbstzentrierende Wirkung der in der US 4,651,631 offenbarten Bauteile schwierig zu erzielen ist, da die Bauteile gegeneinander beweglich sind.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass eine zuverlässige Selbstzentrierung der Bauteile vor dem Fügen möglich ist.
  • Die Lösung besteht darin, dass die äußeren Fügeflächen mit der Kolbenmittelachse einen spitzen Winkel β bilden, der größer ist als der Winkel α.
  • Die korrespondierenden Fügeflächen werden demnach so am Kolbengrundkörper und am Kolbenringelement ausgebildet, dass sie kegelförmig angeordnete Flächen bilden. Hierbei bilden die äußeren korrespondierenden Fügeflächen einen größeren Winkel β mit der Mittelachse des Kolbens als die inneren korrespondierenden Fügeflächen. Hierdurch wird eine besonders zuverlässige Selbstzentrierung von Kolbengrundkörper und Kolbenringelement erzielt, da beide Bauteile vor dem Zusammenfügen nicht mehr gegeneinander verschiebbar sind. Das Zusammenfügen der Bauteile ist somit wesentlich vereinfacht.
  • Die Fügeflächen können in einen axialen Flächenvektor und einen radialen Flächenvektor zerlegt werden. Die radialen Flächenanteile bewirken, dass Schrumpfspannungen, die bei thermischen Fügeverfahren auftreten können, durch freie Schrumpfung der Bauteile in axialer Richtung problemlos abgebaut werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Der Kolbengrundkörper und/oder das Kolbenringelement können im Bereich der kühlkanalseitigen Enden der Fügeflächen eine lokale Aufdickung aufweisen. Dadurch wird eine mögliche Kerbwirkung der Fügeverbindung zumindest deutlich reduziert.
  • Es ist von Vorteil, wenn der Muldenrand der Brennraummulde aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Werkstoff gebildet ist.
  • Generell ist es vorteilhaft, wenn der Kolbengrundkörper aus einem metallischen Werkstoff bzw. das Kolbenringelement aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Stahlwerkstoff hergestellt sind.
  • Geeignete Fügeverfahren sind bspw. Kleben, Schweißen oder Löten. Es ist zweckmäßig, das Kolbenringelement und/oder den Kolbengrundkörper während des Fügevorgangs mit einer axialen Spannkraft zu beaufschlagen, um die Zentrierung der zu fügenden Bauteile zu unterstützen.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
    • Fig. 1
    ein Beispiel eines Kolbens im Schnitt;
    Fig. 2
    ein Beispiel eines Kolbens im Schnitt;
    Fig. 3
    eine Teildarstellung eines Kolbens im Schnitt;
    Fig. 4
    eine Teildarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt.
  • Figur 1 zeigt ein Beispiel eines Kolbens 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbengrundkörper 11 und ein Kolbenringelement 12 auf. Der Kolbengrundkörper 11 bildet den inneren Bereich 14 eines Kolbenbodens 13; dieser innere Bereich 14 stellt zugleich den Boden einer Brennraummulde 15 dar. An der Unterseite des Kolbenbodens 13 ist in an sich bekannter Weise ein Kolbenschaft 16 angebunden, der mit Nabenbohrungen 17 versehene Bolzennaben 18 aufweist. Der Kolbengrundkörper 11 kann bspw. aus einem Eisenwerkstoff oder einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sein. Dabei können Guss- wie auch Schmiedewerkstoffe zum Einsatz kommen. Typische Gusswerkstoffe sind bspw. Gusseisen mit Kugelgrafit nach DIN EN 1563, wie bspw. EN-GJS-700-2, Stahlguss nach DIN EN 10293, oder spezielle Aluminium-Silizium-Kolbenlegierungen.
  • Als Schmiedewerkstoffe können bspw. AFP-Stähle nach DIN EN 10267, Vergütungsstähle nach DIN EN 10083 oder schmiedbare Aluminium-Silizium-Legierungen verwendet werden.
  • Das Kolbenringelement 12 bildet den äußeren Bereich 21 des Kolbenbodens 13 mit einem umlaufenden Feuersteg 22 und einer umlaufenden Ringpartie 23 mit Ringnuten 24 für Kolbenringe (nicht dargestellt). Der äußere Bereich 21 des Kolbenbodens 13 schließt den Muldenrand 25 der Brennraummulde 15 ein. Das Kolbenringelement kann aus einem Guss- oder Schmiedewerkstoff, oder alternativ aus einem pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoff bestehen, vorzugsweise aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Werkstoff.
  • Hierfür können je nach Anforderungsprofil bspw. Vergütungsstähle nach DIN EN 10083, warm- und hochwarmfeste Stähle, wie bspw. nach DIN 17240 oder DIN EN 10269, hitzebeständige Stähle und Nickellegierungen wie bspw. nach DIN EN 10095, eingesetzt werden.
  • Als Eisengusswerkstoffe können bspw. Gusseisen mit Kugelgrafit nach DIN EN 1563, Stahlguss nach DIN EN 10293 oder hitzebeständiger Stahlguss nach DIN EN 10295 eingesetzt werden.
  • In Verbindung mit Aluminiumunterteilen sind auch hochwarmfeste Aluminiumkolbenlegierungen verwendbar.
  • Das Kolbenringelement 12 weist ferner eine umlaufende Ausnehmung 26 auf, die sich in Richtung zum Kolbenboden 13 im Wesentlichen parallel zur Ringpartie 23 erstreckt. Unterhalb der Ringpartie 23 ist eine äußere umlaufende Fügefläche 27 und unterhalb des Muldenrandes 25 eine innere umlaufende Fügefläche 28 vorgesehen. Die Fügeflächen 27 und 28 liegen auf einer gemeinsamen Kegelfläche und schließen mit der Kolbenmittelachse 100 einen spitzen Winkel α ein.
  • Der Kolbengrundkörper 11 weist eine äußere umlaufende Vertiefung 31 auf, die von einer äußeren umlaufenden Fügefläche 32 und einer inneren umlaufenden Fügefläche 33 begrenzt wird. Die innere umlaufende Fügefläche 33 umschließt zugleich den inneren Bereich 14 bzw. Boden der Brennraummulde 15. Die äußere Fügefläche 32 und die innere Fügefläche 33 liegen ebenfalls auf einer gemeinsamen Kegelfläche.
  • Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenringelement 12 werden zusammengefügt, indem die korrespondierenden Fügeflächen 27 und 32 bzw. 28 und 33 aufeinander zu liegen kommen, so dass spaltfreie bzw. sehr eng tolerierte Trennfugen resultieren. Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenringelement 12 werden mittels geeigneter Fügeverfahren, insbesondere Kleben, Löten oder Schweißen, entlang der Fügeflächen 27, 32 bzw. 28, 33 fest miteinander verbunden. Dabei können die Fügeflächen 27, 32 bzw. 28, 33 in einem einzigen Arbeitsgang miteinander verbunden werden, bspw. durch Schweißen. Die Ausnehmung 26 des Kolbenringelements 12 und die Vertiefung des Kolbengrundkörpers 11 bilden dabei einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal 34. Die Zentrierung von Kolbengrundkörper 11 und Kolbenringelement 12 ergibt sich selbsttätig aufgrund der Tatsache, dass die korrespondierenden Fügeflächen 27, 32 bzw. 28, 33 auf korrespondierenden Kegelflächen liegen. Die Zentrierung kann unterstützt werden, indem Kolbengrundkörper 11 und Kolbenringelement 12 vor dem Fügen axial verspannt werden.
    • Ausführungsbeispiel:
  • Ein Kolbengrundkörper 11, geschmiedet aus 38MnVS6, wird durch gesteuerte Abkühlung auf die erforderliche Festigkeit eingestellt. Anschließend werden die Fügeflächen 32, 33 in einem Arbeitsschritt hergestellt, sowie die umlaufende Vertiefung 31 fertig bearbeitet.
  • Das Kolbenringelement 12 wird aus dem Werkstoff 42CrMo4 geschmiedet und durch einen Vergütungsprozess auf die gewünschte Festigkeit eingestellt. In gleicher Weise wie beim Kolbengrundkörper werden die Fügeflächen 27, 28 unter Anwendung des in diesem Fall gleichen Kegelwinkels, wie auch die umlaufende Ausnehmung 26 hergestellt.
  • Beide Teile werden vorgewärmt und durch eine axiale Kraft miteinander verspannt, so dass die Fügeflächen 27,32 und 28,33 zentriert aufeinander zum Liegen kommen. Mittels Elektronenstrahlschweißverfahren werden nun die so zueinander fixierten zwei Trennfugen ohne Verwendung von Zusatzwerkstoff vom Außendurchmesser ausgehend in einem Arbeitsschritt miteinander verschweißt.
  • Alternativ können die zwei Trennfugen getrennt, vom Außendurchmesser und von der Brennraumulde 15 ausgehend, nacheinander oder gleichzeitig durch ein Strahlschweißverfahren miteinander fest verbunden werden. Die beiden Nahtwurzeln kommen somit im Kühlkanal zum Liegen.
  • Figur 2 zeigt ein Beispiel eines Kolbens 110 aus einem Kolbengrundkörper 111 und einem Kolbenringelement 112, wobei gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der einzige Unterschied zu dem in Figur 1 gezeigten Kolben 10 besteht darin, dass kein Kühlkanal vorgesehen ist. Daher weist das Kolbenringelement 111 eine einzige kegelförmige Fügefläche 135 und das Kolbenringelement 112 eine einzige korrespondierende kegelförmige Fügefläche 136 auf. Der Kolbengrundkörper 111 und das Kolbenringelement 112 werden mittels geeigneter Fügeverfahren, insbesondere Kleben, Löten oder Schweißen, entlang der Fügeflächen 135, 136 fest miteinander verbunden. Dabei können die Fügeflächen 135, 136 in einem einzigen Arbeitsgang miteinander verbunden werden, bspw. durch Schweißen. Die Zentrierung von Kolbengrundkörper 111 und Kolbenringelement 112 ergibt sich auch bei diesem Ausführungsbeispiel selbsttätig aufgrund der Tatsache, dass die korrespondierenden Fügeflächen 135, 136 auf korrespondierenden Kegelflächen liegen. Die Zentrierung kann unterstützt werden, indem Kolbengrundkörper 111 und Kolbenringelement 112 vor dem Fügen axial verspannt werden. Ggf. kann im Kolbenringelement 112 in an sich bekannter Weise ein umlaufender Kühlkanal eingebracht sein, wie es in Figur 2 strichpunktiert angedeutet ist.
  • Die Auswahl eines geeigneten Fügeverfahrens hängt in dem Fachmann bekannter Weise von den Werkstoffen des Kolbengrundkörpers 11, 111 und des Kolbenringelements 12, 112 ab:
    Bei Anwendung von Lötverfahren ergibt sich die Auswahl eines geeigneten Lotes aus der Arbeitstemperatur des gewählten Verfahrens.
  • Als Schweißverfahren bieten sich strahlgestützte Verfahren, wie Laserstrahlschweißen oder Elektronenstrahlschweißen, an. Es können aber auch andere Schweißverfahren wie lichtbogengestützte Verfahren, bspw. WIG oder MAG/ MIG-Verfahren, angewendet werden. In diesem Zusammenhang kann der Einsatz eines Fügewerkstoffs wünschenswert oder auch notwendig sein.
  • Ist bei Anwendung eines Schweißverfahren der Einsatz von Schweißzusatz erforderlich, bietet es sich an, die korrespondierenden Fügeflächen 27, 28; 136 des Kolbenringelements 12; 112 und/oder 32, 33; 135 des Kolbengrundkörpers 11; 111 auf Kegelflächen mit ganz oder bereichsweise unterschiedlichem Winkel oder eine Fläche in Bogenform anzuordnen, derart, dass eine im wesentlichen keilförmige Trennfuge gebildet wird (nicht dargestellt). In einer derart ausgebildeten Trennfuge kann der Fügewerkstoff besonders einfach und wirkungsvoll aufgenommen werden. Insbesondere bei einem Kolben 10 mit einem Kühlkanal 34 gemäß Figur 1 empfiehlt es sich, die Fügeverbindung ausgehend vom Kühlkanal 34 in Richtung der Ringpartie 23 (über die Fügeflächen 27, 32) bzw. in Richtung der Brennraummulde 15 (über die Fügeflächen 28, 33) herzustellen. Wenn ein Schweißverfahren gewählt wird, können die Nahtwurzeln dementsprechend kühlkanalseitig gelegt werden.
  • Figur 3 zeigt ein weiteres Beispiel eines Kolbens 210 mit einem Kolbengrundkörper 211 und einem Kolbenringelement 212. Der Kolben 210 entspricht dem Kolben 10 gemäß Figur 1, da er ebenfalls einen umlaufenden Kühlkanal 234 aufweist. Der Kolben 210 zeichnet sich dadurch aus, dass der Kolbengrundkörper 211 und das Kolbenringelement 212 im Bereich der Fügeflächen 227, 232 bzw. 228, 233 kühlkanalseitig lokale Aufdickungen (237, 238) vorgesehen sind. Dadurch wird eine im Bereich der Fügeverbindung möglicherweise auftretende Kerbwirkung zumindest deutlich reduziert. Des Weiteren zeichnet sich dieser Kolben dadurch aus, dass die Fügeflächen 227 und 227' auf einer gemeinsamen Ebene liegen, die in einem spitzen Winkel α zur Kolbenachse geneigt ausgeführt ist.
  • Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolbens, bei dem die Fügefläche 227 einen spitzen Winkel β zur Kolbenachse 300 bildet, während die innere korrespondierende Fügefläche 233 einen spitzen Winkel α mit der Kolbenmittelachse 300 bilden. Damit ist ein leichter selbstzentrierender Effekt beider zu verbindender Teile erreichbar. Die Fügefläche 227' bildet einen stumpfen Winkel β zur Kolbenachse 300 und die korrespondierende Fügefläche 227'b bildet einen spitzen Winkel α mit der Kolbenmittelachse 300, wobei diese Ausführung des Kolbens keine erfindungsgemäße Lösung darstellt.

Claims (4)

  1. Kolben (10, 110, 210) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbengrundkörper (11, 111, 211) und einem Kolbenringelement (12, 112, 212), wobei der Kolbengrundkörper (11, 111, 211) zumindest einen inneren Bereich (14) eines Kolbenbodens (13) aufweist, welcher den Boden einer Brennraummulde (15) bildet, sowie einen Kolbenschaft (16), welcher mit Nabenbohrungen (17) aufweisenden Bolzennaben (18) versehen ist, wobei das Kolbenringelement (12, 112, 212) zumindest einen den Muldenrand (25) der Brennraummulde (15) einschließenden äußeren Bereich (21) eines Kolbenbodens (13) mit einem umlaufenden Feuersteg (22) und einer mit Ringnuten (24) versehenen umlaufenden Ringpartie (23) aufweist, wobei der Kolbengrundkörper (11, 111, 211) und das Kolbenringelement (12, 112, 212) einen umlaufenden geschlossenen Kühlkanal (34) bilden sowie über korrespondierende innere und äußere kegelförmige Fügeflächen (28, 33; 128, 133, 228, 233; 27, 32, 127, 132, 227, 232) zusammengefügt sind, wobei die inneren Fügeflächen (28, 33; 128, 133, 228, 233) mit einer Kolbenmittelachse (100) einen spitzen Winkel (α) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Fügeflächen (27, 32; 127, 132; 227, 232) mit der Kolbenmittelachse (100) einen spitzen Winkel (β) bilden, der größer ist als der Winkel (α).
  2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbengrundkörper (111, 211) und/oder das Kolbenringelement (112, 212) im Bereich der kühlkanalseitigen Enden der Fügeflächen (127, 132; 128, 133; 228, 233) eine lokale Aufdickung (137, 138; 238) aufweisen.
  3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Muldenrand (25) aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Werkstoff besteht.
  4. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbengrundkörper (11, 111, 211) aus einem metallischen Werkstoff und das Kolbenringelement (12, 112, 212) aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Werkstoff hergestellt ist.
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