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Die
Erfindung betrifft einen Ringträger
mit Kühlkanal
für Kolben
von Verbrennungsmotoren, bestehend aus zwei ringförmigen Bauteilen,
die umlaufend miteinander verschweißt sind, sowie auch ein Verfahren
zur Herstellung derartiger Ringträger.
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Kolben
für Verbrennungsmotoren
werden heute überwiegend
gießtechnisch
aus Leichtmetallwerkstoffen hergestellt, die trotz legierungstechnischer
Fortschritte den bei Hochleistungsmotoren auftretenden lokalen Spitzenbelastungen
hinsichtlich mechanischer und thermischer Beanspruchung nicht immer
gewachsen sind. Für
die dem Kolbenboden nächstliegende
Kolbenringnut werden daher vielfach schon Ringträger aus mechanisch höher beanspruchbaren
Werkstoffen eingegossen, um die Widerstandsfestigkeit gegen hohe
mechanische Wechselbelastungen zu verbessern. Da dieser Kolbenbereich
außerdem
thermisch hoch belastet ist, hat man als weitere Verbesserung vorgesehen,
derartige Ringträger
mit einem Kühlkanal
auszustatten, der mit dem System für die Kolbenkühlung in
Verbindung steht und zusammen mit dem Ringträger bei der Kolbenherstellung
eingegossen wird. Inzwischen sind verschiedene Vorschläge für die Gestaltung
eines Ringträgers
mit Kühlkanal
bekannt geworden.
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Aus
dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 72 12 560 U ist beispielsweise ein Ringträger bekannt
geworden, der aus einem einstückigen,
vorzugsweise gegossenen Ring und einem mit der Innenseite oder Unterseite
dieses Ringes starr verbundenen ringrohrförmigen Kühlkanal bestehen soll. Der Kühlkanal
ist aus Blech gefertigt und weist einen ringsum laufenden Schlitz
auf, dessen Ränder
mit dem Ring verschweißt
sind. Dieser bekannte Ringträger
ist hinsichtlich seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften
nicht zu beanstanden, erfordert aber eine verhältnismäßig aufwendige Herstellung,
weil der aus dünnem
Blech bestehende Kühlkanal
längs zweier
umlaufender Kanten mit dem Ring so fest verbunden werden muß, daß bei der
weiteren Handhabung und insbesondere beim Umgießen keine Relativverschiebung
zwischen diesen beiden Bauteilen eintreten kann.
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Die
vorgenannten Nachteile bestehen auch bei dem aus der
US 49 07 545 A bekannt gewordenen
Ringträger,
bei dem ein Teil der Kühlkanalwandung
ebenfalls von einem Blechstreifen gebildet wird, dessen Ränder mit
dem Ring verschweißt
sind.
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Aus
der
DE 197 22 053
A1 ist ein Kolben für einen
Verbrennungsmotor bekannt geworden, bei dem ein Ringträgerbauteil
und ein an das Ringträgerbauteil
angrenzender Kühlkanal
in Form eines torusförmigen
Bauteils vorgesehen ist, das im Querschnitt gesehen zwei in Richtung
auf das Ringträgerbauteil erstreckte
Schenkel besitzt, die an dem Ringträgerbauteil durch Walzen oder
Schweißen
angefügt
sind. In dieser Druckschrift wird darauf hingewiesen, daß es nicht
genügt,
das Kühlkanalbauteil
während
des Gießens
des Kolbens innerhalb der Gießform
sicher zu positionieren, sondern daß auch für eine ausreichende thermische
Ankopplung des Ringträgerbauteils
an das Kühlkanalbauteil
gesorgt werden muß. Dies
wird – wie
schon bei den älteren
Vorschlägen – dadurch
erreicht, daß das
Kühlkanalbauteil
nicht aus einem in sich geschlossenen Ringrohr besteht, sondern
zum Ringträgerbauteil
hin offen ist, so daß das Ringträgerbauteil
selbst einen Teil des Kühlkanalumfangs
bildet. Hier, wie auch bei dem ähnlichen
Vorschlag gemäß
DE 197 50 021 A1 ,
müssen
jedoch wiederum aufwendig die im Querschnitt gesehenen freien Schenkelenden
des Kühlkanalbauteils
mit dem Ringträgerbauteil
verbunden werden.
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Aus
der
EP 0 957 256 A2 ist
ein ähnlicher Ringträger bekannt,
der aus einer massiven, kreisrunden Nutbewehrung und einem mit der
Nutbewehrung verschweißten
Blechkühlkanal
besteht, der wiederum aus zwei miteinander verschweißten Kanalhälften besteht.
Die radial äußere Begrenzung
des Kühlkanals
wird durch die radial innere Wand der Nutbewehrung gebildet. Zur
Herstellung sind mehrere Schweißnähte erforderlich,
die einen erhöhten Aufwand
darstellen.
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Aus
der
DE 41 34 528 C2 ist
ein Kolben bekannt, der aus einem Oberteil, einem Zwischenteil und
einem Nabenteil besteht, wobei das Oberteil und das Zwischenteil
umlaufende Nuten aufweist, die, nachdem die Teile durch Reibschweißen zusammengefügt sind,
den Kühlkanal
bilden.
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Die
DE 17 25 117 U zeigt
einen mehrteiligen Ringträger
bestehend aus einem Innenteil und einem Außenteil, bei welchem durch
das Fügen
der Teile der Kühlkanal
gebildet wird. Hinweise, mit welchem Fügeverfahren die Teile miteinander
verbunden sind, können
der
DE 17 25 117 U nicht
entnommen werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ringträger mit
Kühlkanal
der eingangs genannten Art vorzuschlagen, der kostengünstig hergestellt werden
kann, ohne daß hinsichtlich
Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit
und relativem thermischem Ausdehnungsverhalten gegenüber dem
Kolbenmaterial irgendwelche Nachteile in Kauf genommen werden müssen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Ringträger mit
Kühlkanal
aus zwei übereinander
angeordneten Rohrabschnitten besteht, die unter Ausbildung eines
integrierten Kühlkanals längs zweier
koaxialer, radial zueinander beabstandeter, stirnseitiger Ringflächen durch
Reibschweißen
miteinander verbunden sind.
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Der
Erfindung liegt die Erwägung
zugrunde, daß man
das für
die Verbindung von Rohrenden oder anderen kreiszylindrischen Bauteilen
bekannte Reibschweißverfahren
vorteilhafterweise auch für
die Herstellung von Ringträgern
mit Kühlkanälen anwenden
kann, wenn man die Reibschweißfläche bei
der Verbindung von zwei Rohrenden in zwei koaxiale, radial zueinander
beabstandete, stirnseitige Ringflächen aufteilt und die verbleibenden
Bereiche der Stirnflächen
der Rohrenden für
die konstruktiven Erfordernisse eines Ringträgers mit Kühlkanal nutzt. Besonders vorteilhaft
ist es, wenn die gemäß den Anforderungen
an einen Ringträger
mit Kühlkanal
ausgebildeten Endabschnitte der Rohre bis nach dem Reibschweißen mit
den Rohren verbunden bleiben, weil sich so eine besondere Einspannung
der Rohrabschnitte zum Reibschweißen erübrigt und die gesamte Querschnittsfläche zwischen
Rohrabschnitt und Rohr zur Übertragung
der für
das Reibschweißen
erforderlichen Kräfte
genutzt werden kann. Es werden also die beiden übereinander angeordneten Rohrabschnitte,
aus denen der Ringträger
mit Kühlkanal
schließlich
besteht, erst dann von den beiden Rohren abgetrennt, wenn sie durch
Reibschweißen miteinander
verbunden sind. Die Rohrenden, von denen später die Rohrabschnitte abgetrennt
werden, können
stirnseitig vor dem Reibschweißen
in vielfältiger
Weise spangebend bearbeitet und an die konstruktiven Erfordernisse
eines Ringträgers
mit Kühlkanal
angepaßt
werden. Außerdem
kann die äußere Umfangsfläche der
Rohrenden vor und nach dem Reibschweißen zur Ausbildung einer Kolbenringnut oder
eines flanschartigen Kolbenringträgers spangebend bearbeitet
werden.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
ist vorgesehen, daß die
stirnseitigen Ringflächen,
die zum Verbinden der Rohrabschnitte durch Reibschweißen dienen,
durch eine dem Querschnitt des Kühlkanals
entsprechende, umlaufende Ausnehmung voneinander getrennt sind,
die in die Stirnfläche
von einem der beiden Rohrabschnitte eingearbeitet ist. Dies hat
den Vorteil, daß nur
ein Rohrende zur Ausbildung eines Kühlkanals bearbeitet werden muß und daß das andere
Rohrende nur plan zu überdrehen
ist. Eventuelle Fluchtungsfehler zwischen den Rohrabschnitten können durch
die spätere
Bearbeitung korrigiert werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, daß die
Stirnflächen
beider Rohrabschnitte je eine Ausnehmung aufweisen, die je einen
Teilquerschnitt, vorzugsweise einer Querschnittshälfte des Kühlkanals
entsprechen. Bei dieser Ausführungsform
müssen
zwar beide Rohrenden bearbeitet werden, sie ist jedoch vorteilhaft
im Hinblick auf die Beherrschung von Restspannungen, die infolge
des Reibschweißens
nach dem Abtrennen der Rohrabschnitte in diesen auftreten können, weil
die Reibschweißnaht
zwischen den beiden Rohrabschnitten so angeordnet werden kann, daß sich eventuell
vorhandene Restspannungen nicht schädlich auswirken können. Dies
gilt insbesondere für
die bevorzugte Ausführungsform,
bei der die Ausnehmungen in den Rohrabschnitt je einer Querschnittshälfte des
Kühlkanals
entsprechen und bei der die Querschnitte der Rohrabschnitte spiegelbildlich
identisch ausgeführt werden
können.
Die Reibschweißnaht
liegt dann in einer quasi neutralen Mittelebene zwischen den beiden
Rohrabschnitten, die zur Kompensation von Restspannung am besten
geeignet ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausbildungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß in einen
der Rohrabschnitte eine weitere umlaufende Ausnehmung eingearbeitet
ist, die zusammen mit der Stirnfläche des anderen Rohrabschnittes
eine radial offene Nut für die
Aufnahme eines Kolbenrings bildet. Diese Ausnehmung kann, wie die
Ausnehmung für
den Kühlkanal,
vor dem Reibschweißen
stirnseitig in das Rohrende eingearbeitet werden, sie kann aber
auch wahlweise vor oder nach dem Reibschweißen von außen radial in die Umfangsfläche des
Rohrendes eingearbeitet werden, wobei man ferner die Wahl hat, die
Breite der radial außenliegenden
Ringfläche
für das
Reibschweißen
unangetastet zu lassen oder aber mit der spangebenden Bearbeitung
für die
weitere umlaufende Ausnehmung zu verringern.
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Auch
bei der weiteren umlaufenden Ausnehmung hat man die Möglichkeit,
sie teilweise in beide Rohrabschnitte zu legen, so daß sie je
einen Teilquerschnitt der Kolbenringnut, vorzugsweise einer Querschnittshälfte entsprechen.
Man kann also je nach Bedarf eine symmetrische oder mehr oder weniger
unsymmetrische Lage der die beiden Rohrabschnitte verbindenden Reibschweißnaht vorsehen.
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Bei
allen bisher genannten Ausführungsformen
liegen die Ringflächen
zum Reibschweißen zweckmäßigerweise
in ein- und derselben zur Hauptachse der Rohrabschnitte senkrechten
Ebene.
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Bei
einer weiteren asymmetrischen Ausführungsform ist vorgesehen,
daß einer
der Rohrabschnitte einen L-förmigen
Querschnitt und der andere einen T-förmigen
Querschnitt aufweist, wobei der kurze Schenkel des L-förmigen Querschnitts
und der Mittelsteg des T-förmigen
Querschnitts parallel zur Hauptachse der Rohrabschnitte ausgerichtet
sind und wobei die Querschnitte der miteinander verbundenen Rohrabschnitte
sowohl einen geschlossenen Kühlkanal
wie auch eine radial offene Kolbenringnut bilden. Bei dieser Ausführungsform
liegen die Ringflächen
zum Reibschweißen
in zwei verschiedenen zur Hauptachse der Rohrabschnitte senkrechten Ebenen,
was für
die thermische Beanspruchung beim Reibschweißen vorteilhaft sein kann,
weil die Reibschweißflächen weiter
voneinander entfernt sind.
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Der
Erfindungsgedanke ist anwendbar auch für Ringträger mit Kühlkanal, bei denen der Kolbenring
nicht in einer Nut, sondern mittels eines radial nach außen gerichteten
Trägerflansches
gehalten werden soll. Bei einer Ausführungsform für diesen Zweck
ist vorgesehen, daß in
die Strinfläche
eines ersten Rohrabschnitts eine Ausnehmung zur Ausbildung eines
Kühlkanals
eingearbeitet ist und daß ein zweiter
Rohrabschnitt aus einer einfachen Ringscheibe besteht, die einen
gegenüber
dem ersten Rohrabschnitt radial vorstehenden Rand zur Ausbildung
eines Trägerflansches
aufweist. Der erste Rohrabschnitt kann dabei aus einem durchmesserkleineren
Rohr gefertigt werden und einen U-förmigen Querschnitt aufweisen,
dessen freie Schenkel mit einer einfachen Ringscheibe aus einem
durchmessergrößeren Rohr
durch Reibschweißen
verbunden ist. Diese asymmetrische Form ist herstellungstechnisch
besonders einfach.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
mit Trägerflansch
ist vorgesehen, daß die
Rohrabschnitte je eine stirnseitige Ausnehmung aufweisen, die in
verbundenem Zustand gemeinsam einen Kühlkanal bilden und daß durch
weitere Ausnehmungen radial nach außen weisende Teilflächen gebildet
sind, die in verbundendem Zustand gemeinsam einen Trägerflansch
für einen
Kolbenring bilden. Bei dieser herstellungstechnisch etwas aufwendigeren
Ausführungsform
besteht wiederum die Möglichkeit,
Rohrabschnitte mit spiegelbildlich identischen Querschnitten zu
verwenden und die Reibschweißnähte in die Symmetrieebene
zu legen.
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Wie
bereits kurz erwähnt,
geht man bei der Herstellung der Ringträger mit Kühlkanal erfindungsgemäß so vor,
daß zumindest
in die Stirnfläche
eines von zwei maßlich
aufeinander abgestimmten Rohren eine umlaufende Ausnehmung eingearbeitet
wird, daß dann
die Enden der Rohre längs
zweier koaxialer, radial zueinander beabstandeter, stirnseitiger Ringflächen durch
Reibschweißen
miteinander verbunden werden und daß schließlich durch Trennschnitte an
beiden Rohren der aus den durch Reibschweißen miteinander verbundenen
Rohrabschnitten bestehende Ringträger gewonnen wird. Dabei werden
die Rohre wie beim Reibschweißen üblich in zwei
voneinander unabhängige
Spannvorrichtungen eingespannt, von denen zumindest eine drehantreibbar
ist, um die spangebende Bearbeitung eines Rohrendes und das Reibschweißen mittels
Drehung um die Rohrachse zu ermöglichen.
Für die
Ausführungsformen,
bei denen beide Rohrenden bearbeitet werden müssen, sind zwei drehantreibbare
Spannvorrichtungen erforderlich, wobei das Reibschweißen durchgeführt werden
kann, indem beide Spanneinrichtungen in gegenläufiger Drehrichtung angetrieben
werden oder indem eine der beiden Spannvorrichtungen drehend gegen
die andere, stillstehende Spannvorrichtung vorgeschoben wird. Eine
weitergehende Erläuterung
des dem Fachmann bekannten Reibschweißverfahrens ist hier nicht
erforderlich.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann entweder so durchgeführt
werden, daß alle
erforderlichen Ausnehmungen in die Enden der Rohre eingearbeitet
werden, bevor diese durch Reibschweißen miteinander verbunden werden.
Man kann jedoch auch so vorgehen, daß die Ausnehmungen, die radial von
außen
in die Umfangsfläche
des bzw. der Rohrenden eingearbeitet werden können, erst nach dem Reibschweißen ausgeführt werden.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Abfolge von Arbeitsschritten bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Ringträger,
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2 sechs
verschiedene Querschnittsformen der erfindungsgemäßen Ringträger.
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Vorab
sei erwähnt,
daß alle
Darstellungen in den 1 und 2 schematisch
vereinfacht sind und insbesondere keine maßstabsgerechten Ringträger wiedergeben.
In allen Darstellungen ist jeweils die Hälfte eines Rohrendes oder eines
Ringträgers
in einem zur Hauptachse parallelen Schnitt dargestellt.
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Die
in 1 mit a bis d bezeichneten Darstellungen zeigen
aufeinanderfolgende Fertigungsschritte bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Ringträger. In
der Stufe a sind zwei koaxial gegenüberliegend angeordnete Enden
von Rohren 17 und 18 mit einer äußeren Mantelfläche 19 zu
sehen, deren Stirnflächen 6 und 7 nach
einer spangebenden Bearbeitung die Querschnittsformen gemäß Stufe
b zeigen. In beide Stirnflächen 6, 7 ist
eine erste Ausnehmung 5 entsprechend der halben Querschnittsfläche eines
Kühlkanals
sowie je eine weitere Ausnehmung 9 zur Ausbildung einer
Nut für
die Aufnahme eines Kolbenringes eingearbeitet. Dabei sind radial
zueinander beabstandete Ringflächen 3 und 4 entstanden,
die mittels Reibschweißen
gemäß Stufe c
miteinander verbunden werden. In dieser Stufe entstehen der geschlossene
Kühlkanal 8 und
die nach außen
radial offene Ringnut 10. Nach dem Reibschweißen werden
gemäß Stufe
d durch Trennschnitte von den Rohren 17 und 18 Rohrabschnitte 1 und 2 abgetrennt,
die zusammen den erfindungsgemäßen Ringträger 20 ergeben.
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Die
in 2 dargestellten Ausführungsformen sind im wesentlichen
aus sich heraus verständlich
und bedürfen
keinen ausführlichen
Erläuterungen.
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Bei
der Ausführungsform
a besteht der obere Rohrabschnitt 1 aus einer einfachen
glatten Ringscheibe, während
der untere Rohrabschnitt 2 im Querschnitt F-förmig ausgebildet
ist. Beide Rohrabschnitte sind längs
der umlaufenden Ringflächen 3 und 4 durch
Reibschweißen
miteinander verbunden, wobei der geschlossene Kühlkanal 8 und die
Ringnut 10 gebildet werden. Bei der Ausführungsform
b weisen beide Rohrabschnitte 1 und 2 einen F-förmigen Querschnitt
auf und sind wiederum über
die Ringfläche 3 und 4 durch
Reibschweißen
miteinander verbunden, wobei der Kühlkanal 8 und die
Ringnut 10 entstehen. Die Schweißnaht liegt in der Symmetrieebene
des Ringträgers.
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Bei
der Ausführungsform
c hat der untere Rohrabschnitt 2 einen L-förmigen Querschnitt 11 und der
obere Rohrabschnitt 1 einen T-förmigen Querschnitt 12.
Die Ringflächen 3 und 4 zum
Reibschweißen
sind axial versetzt. Der kurze Schenkel 13 und der Mittelsteg 14 sind
parallel zur Hauptachse der Rohrabschnitte 1, 2 ausgerichtet.
Durch die T- und L-förmigen
Querschnitte werden sowohl ein Kühlkanal 8 als
auch eine radial offene Kolbenringnut 10 gebildet.
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Bei
der Ausführungsform
d ist der Kühlkanal 8 in
die Stirnfläche
des Rohrendes eingearbeitet, während
die Ringnut radial von außen
in die Umfangs- oder Mantelfläche
des Rohrendes eingearbeitet ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Breite der Ringfläche 3 wesentlich
größer als
die Breite der Ringfläche 4.
Sie empfiehlt sich, wenn insgesamt mehr Verbindungsfläche zum
Reibschweißen
benötigt
wird.
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Die
Ausführungsform
e umfaßt
einen unteren Rohrabschnitt 2 mit U-förmigem Querschnitt und einem
oberen Rohrabschnitt 1 in Form einer glatten Ringscheibe 15.
Der untere Rohrabschnitt 2 ist aus einem Rohr mit etwas
geringerem Durchmesser gefertigt als der obere Rohrabschnitt 1.
Nach dem Zusammenfügen
und Reibschweißen
längs der
Ringflächen 3 und 4 und
nach Abtrennen der Rohrabschnitte 1 und 2 von
den Rohren erhält
man einen Ringträger mit
einem radial nach außen
vorstehenden Trägerflansch 16 für die Halterung
eines Kolbenringes.
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Bei
der Ausführungsform
f weisen obere und untere Rohrabschnitte 1 und 2 spiegelsymmetrisch identische
Querschnitte auf, die nach dem Zusammenfügen einen geschlossenen Kühlkanal 8 sowie einen
aus den Teilflanschen 16a, 16b gebildeten Trägerflansch
ergeben.
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Die
Erfindung ist nicht auf die in 2 dargestellten
Querschnittsformen für
die Rohrabschnitte beschränkt,
sie erlaubt vielmehr eine Vielzahl weiterer an die jeweiligen Bedürfnisse
angepaßter
Querschnitte. Wichtig ist nur, daß zwei Rohrabschnitte längs zweier
koaxialer, radial zueinander beabstandeter, stirnseitiger Ringflächen durch
Reibschweißen miteinander
verbunden sind, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn die Rohrabschnitte
erst dann von den Rohrenden abgetrennt werden, nachdem sie durch
Reibschweißen
miteinander verbunden worden sind. Auf diese Weise dienen die als
Ausgangsmaterial benutzten Rohre selbst zur Halterung der abzutrennenden
Rohrabschnitte, so daß die
den Kühlkanal
umgebenden Wandungsteile wesentlich dünner ausgeführt werden können als
für den
Fall, daß die
Rohrabschnitte zum Reibschweißen
in eine gesonderte Haltevorrichtung eingespannt werden müßten.
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- 1
- Rohrabschnitt
- 2
- Rohrabschnitt
- 3
- Ringfläche
- 4
- Ringfläche
- 5
- Ausnehmung
- 6
- Stirnfläche
- 7
- Stirnfläche
- 8
- Kühlkanal
- 9
- Ausnehmung
- 10
- radial
offene Ringnut
- 11
- L-förmiger Querschnitt
- 12
- T-förmiger Querschnitt
- 13
- kurzer
Schenkel
- 14
- Mittelsteg
- 15
- Ringscheibe
- 16
- Trägerflansch
- 16a,b
- Teilflansch
- 17
- Rohrende
- 18
- Rohrende
- 19
- äußere Mantelfläche
- 20
- Ringträger