DE10152316A1

DE10152316A1 - Piston and shaft production welds forged or cast shaft to forged piston crown via crown bosses to give ready bored product.

Info

Publication number: DE10152316A1
Application number: DE10152316A
Authority: DE
Inventors: Volker Gniesmer; Hartmut Kamp
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2021-10-27
Also published as: DE10152316B4

Abstract

The piston blank is forged and its shaft (7) forged or cast as against the cooling channel (6) which is machined. The top edge of the shaft reaches almost to the bottom edge of the piston crown (2) and one shaft at least (7) should be welded to the piston bosses, specifically to the boss webs (8). It is possible for the shaft to have webs to be welded to the piston bosses and the completed weld necessarily includes the piston bore (4). With the piston as a cylindrical component, this takes the piston bosses inside.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, der einen Kolbenboden und damit verbundene Kolbennaben mit Nabenbohrungen sowie einen Kolbenschaft gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 aufweist.The invention relates to a method for producing a piston, the piston head and associated piston hubs with hub bores and a piston shaft according to has the features of the preamble of claim 1.

Aus der DE 44 46 726 A 1 ist ein Kolben bekannt, bei dem ein einteiliger Kolbenrohling nach einem bekannten Gesenkschmiedeverfahren hergestellt ist. Der Kolbenrohling umfaßt einen Kolbenkopf (auch Kolbenboden genannt) mit dem späteren Kolbenringband, einen Kolben schaft und an den Kolbenkopf angehängte Kolbennaben.From DE 44 46 726 A 1 a piston is known in which a one-piece piston blank according to a known drop forging process is manufactured. The piston blank includes one Piston head (also called piston crown) with the later piston ring band, a piston shaft and piston hubs attached to the piston head.

Die Bearbeitung des Kolbenrohlings, der aus einem schmiedbaren Stahl oder aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sein kann, ist zeitaufwendig und benötigt mehrere Arbeits schritte, da das daraus erstellte Fertigteil eine komplizierte Fertigteilgeometrie einschließlich der Kolbenschäfte aufweist. Insbesondere die spanabhebende Kühlkanalfertigung, die eine ringförmige Ausnehmung benötigt, deren axiale Höhe mindestens der axialen Höhe des Kühlkanals entspricht, beeinträchtigt die Gestaltungsmöglichkeiten der Geometrieverhältnis se erheblich. Zur Einbringung eines Kühlkanales muß bei diesem Kolbenrohling ein umlau fender Freiraum zwischen der Unterkante des Kolbenbodens und der Oberkante der Kol benschäfte vorhanden sein. Je höher der Kühlkanal sein soll, desto höher muß auch dieser umlaufende Freiraum sein, um den Kolbenboden von unten mit einem Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung erreichen zu können. Werden geringe Bauhöhen gewünscht, ist dieser Freiraum entsprechend klein zu wählen, so daß aber die Höhe des Kühlkanales nicht ausreichend und damit das Kühlvolumen zu klein ist. Wird der Freiraum vergrößert, um einen ausreichend hohen Kühlkanal zu realisieren, geht dies zu Lasten der Festigkeit. So sind kleine Kompressionshöhen bei ausreichend großem Kühlkanal nur sehr schwer reali sierbar. Desweiteren ist durch die ringförmige Ausnehmung der Schaftbereich in der Höhe begrenzt, was zu einer erschwerten Abstimmung des Kolbens im Schaftbereich bezüglich der Schafttragfähigkeit führen kann. Machining the piston blank, which is made of a forgeable steel or from a Aluminum alloy can be made is time consuming and requires several labor steps, since the finished part created from it includes a complicated finished part geometry which has piston shafts. In particular, the machining of cooling channel production, the one annular recess is required, the axial height of which is at least the axial height of the Cooling channel corresponds, affects the design options of the geometry ratio se significant. To insert a cooling channel, a umlau must be used with this piston blank fender free space between the lower edge of the piston crown and the upper edge of the piston be available. The higher the cooling channel is supposed to be, the higher it has to be all around free space to the piston crown from below with a tool to be able to achieve machining. If low heights are required, this free space is to be chosen accordingly small, but so that the height of the cooling channel not sufficient and the cooling volume is too small. The free space is increased to Realizing a sufficiently high cooling duct is at the expense of strength. So small compression heights with a sufficiently large cooling channel are very difficult to achieve sierbar. Furthermore, the shaft area is in height due to the annular recess limited, which leads to a difficult adjustment of the piston in the shaft area which can lead to shaft load-bearing capacity.

Aus der DD 74 992 ist ein Kolben bekannt, bei dem ein Kolbenboden über Stützen mit einer Bolzenlagerung verbunden ist. An dieser Bolzenlagerung sind Gleitwangen angeordnet. Zur Aufnahme der Kräfte ist dieser Kolbenboden versteift, so daß hinsichtlich der geometrischen Gestaltung, insbesondere bei Vorhandensein einer Brennraummulde, Einschränkungen be stehen. Außerdem sind die den Kolbenboden und die Bolzenlagerung verbindenden Stützen nicht geeignet, die auf Kolben in heutigen Brennkraftmaschinen wirkenden Kräfte aufzu nehmen. Desweiteren sind die beschriebenen Stützen und Versteifungen nicht im Schmie deverfahren herstellbar (Hinterschneidungen. Die Gleitwangen weisen, wie auch bei der DE 44 46 726 A1, einen sehr großen Abstand zu dem Kolbenboden auf, so daß sich eine große Bauhöhe des Kolbens ergibt. Durch den großen radial umlaufenden Freiraum zwischen der Unterkante des Kolbenbodens und der Oberkante der Gleitwangen wird nur eine schlechte Führung des Kolbens bei heutigen Beanspruchungen erreicht. Über die Art der Herstellung des beschriebenen Kolbens, die Einbringung eines Kühlkanals und die Art und Lage der Befestigung der Gleitwangen an der Bolzenlagerung wird in der DD 74 992 nichts erwähnt.From DD 74 992 a piston is known in which a piston head is supported by means of a Bolt bearing is connected. Slide cheeks are arranged on this pin bearing. to Absorption of the forces this piston head is stiffened, so that with regard to the geometric Design, especially when there is a combustion chamber trough, restrictions stand. In addition, the supports connecting the piston crown and the pin bearing are not suitable to apply the forces acting on pistons in today's internal combustion engines to take. Furthermore, the supports and stiffeners described are not in Schmie de process can be produced (undercuts. As with the DE 44 46 726 A1, a very large distance from the piston crown, so that there is a large Height of the piston results. Due to the large radial clearance between the The lower edge of the piston crown and the upper edge of the sliding cheeks will only be a bad one Guidance of the piston achieved with today's loads. About the way of manufacturing of the piston described, the introduction of a cooling channel and the type and location of the Fastening the slide cheeks to the pin bearing is not mentioned in DD 74 992.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kol bens bereitzustellen, mit dem ein Kolben gegenüber den bekannten Kolben schneller, einfa cher und kostengünstiger herstellbar ist und die geschilderten Nachteile beseitigt sind. Ins besondere soll bei Kühlkanalkolben bei ausreichend großem Kühlkanalvolumen die Bauhöhe des Kolbens gering sein und trotzdem die Möglichkeit einer optimalen Führung im Schaft bestehen.The invention is therefore based on the object of a method for producing a Kol bens provide with which a piston compared to the known piston faster, simp cher and less expensive to manufacture and the disadvantages described are eliminated. in the In the case of cooling channel pistons with a sufficiently large cooling channel volume, the overall height should be special of the piston be small and still the possibility of optimal guidance in the shaft consist.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.This object is solved by the features of claim 1.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß ein Kolbenrohling, der aus Kolbenboden und anhän genden Kolbennaben und Kastenwandabschnitten besteht, in einem Schmiedeverfahren, insbesondere im Gesenkschmiedeverfahren, hergestellt wird. Unabhängig davon werden in einem Schmiede- oder Gießverfahren Kolbenschäfte hergestellt, die aus dem gleichen oder einem anderen Material, das mittels Schweißverfahren fügbar ist, bestehen können. An schließend wird der Kolbenrohling und die Kolbenschäfte vorbearbeitet, wobei insbesondere die Kühlkanalausnehmung durch mechanische Bearbeitung eingebracht wird. Danach erfolgt das Anschweißen der Kolbenschäfte, wobei sich deren Oberkante bis nahe an die Unter kante des vorbearbeiteten Kolbenrohlings erstrecken kann. Zuletzt wird der zusammenge schweißte Kolben fertigbearbeitet.According to the invention it is provided that a piston blank, which is attached to the piston crown and piston hubs and box wall sections, in a forging process, especially in the drop forging process. Regardless of that in a forging or casting process made piston shafts made from the same or another material that can be added by welding. to finally the piston blank and the piston shafts are pre-machined, in particular the cooling channel recess is made by mechanical processing. After that is done the welding of the piston shafts, the upper edge of which is close to the lower edge of the pre-machined piston blank can extend. Finally, the merged welded pistons finished.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß bei der Herstellung des Kolbens vor Anbringung der Schaftabschnitte ein hinter dem Ringfeld (hinter den Rindnuten) radial um laufender Kühlkanal eingebracht werden kann, dessen Herstellung von den zu diesem Zeit punkt noch nicht vorhandenen Kolbenschäften nicht behindert wird. Damit hat man Gestal tungsfreiheit hinsichtlich Form und Höhe des Kühlkanales.A particular advantage of the invention is that in the manufacture of the piston Attachment of the shaft sections radially around behind the ring field (behind the cow grooves) running cooling channel can be introduced, the production of which at that time not yet obstructed piston shafts. So you have shape freedom in terms of shape and height of the cooling channel.

In den weiteren Unteransprüchen sind weitere Alternativen angegeben, aus denen sich die entsprechenden Vorteile ergeben. Diese konstruktiven Alternativen, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, sind im folgenden weiter ausgeführt und anhand der Figuren erläutert.In the further subclaims, further alternatives are specified from which the corresponding advantages result. These constructive alternatives to which the invention However, it is not limited, are explained in more detail below and using the figures explained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 und 2 Kolben mit an den Kolbennaben angeschweißtem Kolbenschaft, Fig. 1 and 2 with welded to the piston pin bosses piston shaft,

Fig. 3 Kolben mit angeschweißtem Kolbenschaft, der eine Nabenbohrung bildet und Fig. 3 piston with welded piston shaft, which forms a hub bore and

Fig. 4 Kolben mit einem einteiligen Kolbenschaft. Fig. 4 pistons with a one-piece piston skirt.

Fig. 1 zeigt einen Kolben 1, der aus einem Kolbenboden 2 besteht, der dem jeweiligen Ein satzzweck angepaßt ist. Mit dem Kolbenboden 2 verbunden sind Kolbennaben 3, wobei der Kolbenboden 2 und die Kolbennaben 3 ein einstückiges Bauteil (Kolbenrohling) bilden und dieser Kolbenrohling durch ein Schmiedeverfahren hergestellt wird. Alternativ dazu können auch die Kolbennaben 3 (beispielsweise ebenfalls durch Schweißen) ganz oder teilweise nachträglich an dem Kolbenboden 2 befestigt werden. Die Kolbennaben 3 bilden in an sich bekannter Weise Nabenbohrungen 4, die einen Bolzen aufnehmen. Der Kolbenboden 2 weist weiterhin eine oder mehrere Ringnuten 5 (Ringfeld) sowie einen hinter den Ringnuten 5 radial umlaufenden Kühlkanal 6 auf. Dieser Kühlkanal 6 wird schon bei der Herstellung des Kolbenbodens 2 mit den anhängenden Kolbennaben 3 eingebracht. Gerade bei der Her stellung des Kolbenrohlings (Kolbenboden 2 mit anhängenden Kolbennaben 3) im Schmie deverfahren ist der zu bearbeitende Bereich für die Einbringung des Kühlkanals 6 in der ge wünschten Größe frei zugänglich, da die Kolbenschäfte noch nicht vorhanden sind. Fig. 1 shows a piston 1 , which consists of a piston crown 2 , which is adapted to the respective purpose. Are connected to the piston head 2 piston hubs 3, wherein the piston head 2 and the piston hubs 3 form an integral component (piston blank) and that the piston blank is produced by a forging process. Alternatively, the piston hubs 3 can be subsequently attached (for example, also by welding) completely or partially on the piston head. 2 The piston hubs 3 form, in a manner known per se, hub bores 4 which receive a bolt. The piston crown 2 also has one or more ring grooves 5 (ring field) and a cooling channel 6 which runs radially behind the ring grooves 5 . This cooling channel 6 is already introduced during the manufacture of the piston crown 2 with the attached piston hubs 3 . Especially in the manufacture of the piston blank (piston crown 2 with attached piston hubs 3 ) in the forging process, the area to be machined for the introduction of the cooling channel 6 in the desired size is freely accessible since the piston shafts are not yet present.

In Fig. 1 ist gezeigt, daß Kolbenschäfte 7, die als Halbschalen ausgebildet sind, an den Kolbennaben 3 angeschweißt sind. Zu diesem Zweck weisen die Kolbennaben 3 Stege 8 auf, an welchen die Kolbenschäfte 7 angeschweißt werden. Die als Halbschalen ausgebil deten Kolbenschäfte 7 können über die Längserstreckung der Kolbennaben 3 hinausgehen oder mit diesen abschließen.In Fig. 1 it is shown that piston shafts 7 , which are designed as half shells, are welded to the piston hubs 3 . For this purpose, the piston hubs 3 have webs 8 to which the piston shafts 7 are welded. The piston shafts 7 , which are designed as half shells, can extend beyond the longitudinal extent of the piston hubs 3 or conclude with these.

Durch die nachträgliche Anbringung der Kolbenschäfte 7 ist gewährleistet, daß sich diese bis nahe an die Unterkante des Kolbenbodens 2 erstrecken können. Dadurch ergibt sich wegen des geringen Abstandes H zwischen der Oberkante der Kolbenschäfte 7 und der Unterkante des Kolbenbodens 2 eine geringe Bauhöhe des Kolbens 1 bei hoher Festigkeit und guter Schaftführung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß in den Kolbenrohling schon der Kühl kanal 6 eingebracht werden kann, ohne daß die Kolbenschäfte 7 stören. Erst wenn der Kühlkanal 6 in der gewünschten Form und Höhe beim Schmieden des Kolbenrohlings ein gebracht wurde, werden die Kolbenschäfte 7 an die Kolbennaben 3 angeschweißt. Ein um laufender Bereich zwischen der Oberkante der Kolbenschäfte 7 und der Unterkante des Kolbenbodens 2 ist zur Bearbeitung des Kühlkanales 6 nicht mehr erforderlich, so daß diese Höhe H sehr klein gehalten werden kann. Auf jeden Fall ist die Höhe H des umlaufenden Freiraums kleiner als die Höhe des Kühlkanales 6.The subsequent attachment of the piston shafts 7 ensures that they can extend to close to the lower edge of the piston head 2 . Because of the small distance H between the upper edge of the piston shafts 7 and the lower edge of the piston crown 2, this results in a low overall height of the piston 1 with high strength and good shaft guidance. Another advantage is that the cooling channel 6 can be introduced into the piston blank without the piston shafts 7 interfering. Only when the cooling channel 6 was brought into the desired shape and height when forging the piston blank, the piston shafts 7 are welded to the piston hubs 3 . A running area between the upper edge of the piston shafts 7 and the lower edge of the piston head 2 is no longer required for machining the cooling channel 6 , so that this height H can be kept very small. In any case, the height H of the surrounding free space is smaller than the height of the cooling channel 6 .

In Umfangsrichtung können die Halbschalen über die Ausdehnung der Stege 8 in Bolzen richtung hinausstehen. Damit ist ein variabler Schaftumfangswinkel je nach Ausgestaltung möglich. In besonders vorteilhafter Weise werden die Stege 8 (bzw. allgemein die Kol bennaben 3) in dem Bereich, in dem geschweißt werden soll, den Innenkonturen der Kol benschäfte 7 angepaßt, so daß die Kolbenschäfte 7 planflächig auf den Stirnseiten der Ste ge 8 (bzw. allgemein der Kolbennaben 3) aufliegen.In the circumferential direction, the half-shells can protrude beyond the extension of the webs 8 in the bolt direction. This allows a variable shaft circumference angle depending on the design. In a particularly advantageous manner, the webs 8 (or generally the Kol bennaben 3 ) in the area in which welding is to be carried out, the inner contours of the Kol benschafts 7 adapted, so that the piston shafts 7 flat on the end faces of the Ste ge 8 (or generally rest on the piston hubs 3 ).

In Fig. 2 ist gezeigt, daß die ebenfalls halbschalenförmig ausgebildeten Kolbenschäfte 7 ihrerseits Stege 9 aufweisen, über die die Kolbenschäfte 7 an den Kolbennaben 3 ange schweißt werden. Auch hier sind die Auflagebereiche der Stege 9, mit denen sie an den Kol bennaben 3 aufliegen, in vorteilhafter Weise den Konturen der Kolbennaben 3 angepaßt, so daß eine großflächige Auflagefläche gegeben ist, die zur Stabilitätserhöhung beiträgt. Für die Geometrieabmessungen gelten die gleichen Freiheitsgrade wie für Fig. 1.In Fig. 2 it is shown that the likewise half-shell-shaped piston shafts 7 in turn have webs 9 , via which the piston shafts 7 are welded to the piston hubs 3 . Here, too, the contact areas of the webs 9 , with which they rest on the piston bosses 3 , are advantageously adapted to the contours of the piston bosses 3 , so that there is a large contact surface which contributes to an increase in stability. The same degrees of freedom apply to the geometry dimensions as for FIG. 1.

In Fig. 3 ist gezeigt, daß der Kolbenschaft 7 derart ausgebildet ist, daß er nach dem An schweißen zusammen mit den Kolbennaben 3 die Nabenbohrungen 4 bildet. Auch hier gilt wieder, daß die Flächen im Stoßbereich einander angepaßt sein können. Ebenso können die halbschalenförmigen Kolbenschäfte 7 wieder über die Längserstreckung der Kol bennaben 3 hinausragen oder - wie in Fig. 3 gezeigt - mit diesen abschließen. In Fig. 3 ist weiterhin gezeigt, daß die beiden Kolbenschäfte 7 über Zwischenstege, die die Naben bohrung 4 bilden, miteinander verbunden sind. Alternativ dazu ist es denkbar, daß zwei Kol benschäfte 7 vorhanden sind, die mit ihren Zwischenstegen, die im Stoßbereich ebenfalls miteinander verschweißt werden, die Nabenbohrung 4 bilden. Diese alternative Ausgestal tung ist durch die gestrichelte Linie mit der Bezugsziffer 10 angedeutet. In Fig. 3 it is shown that the piston shaft 7 is designed such that it welds together with the piston hubs 3 to the hub bores 4 after welding. Here again, the areas in the joint area can be adapted to one another. Likewise, the half-shell-shaped piston shafts 7 again protrude beyond the longitudinal extent of the piston bosses 3 or - as shown in FIG. 3 - complete with these. In Fig. 3 it is also shown that the two piston shafts 7 are connected to one another via intermediate webs which form the hub bore 4 . Alternatively, it is conceivable that two Kol benschafts 7 are present, which form the hub bore 4 with their intermediate webs, which are also welded together in the joint area. This alternative embodiment is indicated by the dashed line with the reference number 10 .

In Fig. 4 ist gezeigt, daß der Kolbenschaft 7 als ein in seinem Inneren die Kolbennaben 3 aufnehmendes zylindrisches Bauteil ausgebildet ist. Hierbei wird also der zylindrisch ge formte, einteilige Kolbenschaft 7 über die Kolbennaben 3 gestülpt und mit diesen ver schweißt. Dabei kann der zylindrische Kolbenschaft 7 nach innen, d. h. in Richtung der Kol bennaben 3 gerichtete Stege oder dergleichen aufweisen, mit denen der Kolbenschaft 7 mit den Kolbennaben 3 verschweißt wird. Alternativ dazu ist es denkbar, daß die Kolbennaben 3 in Richtung des zylindrischen Kolbenschaftes 7 gerichtete Stege aufweisen, über die die Schweißverbindung hergestellt wird. Der in Fig. 4 gezeigte Kolbenschaft 7 kann auch mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgebildet sein, wobei mehrere Teile ebenfalls mitein ander verschweißt werden.In Fig. 4 it is shown that the piston shaft 7 is designed as a cylindrical component receiving the piston hubs 3 in its interior. Here, therefore, the cylindrically shaped, one-piece piston shaft 7 is slipped over the piston hubs 3 and welded to them ver. The cylindrical piston shaft 7 may have inward, ie in the direction of the Kol bennaben 3 webs or the like, with which the piston shaft 7 is welded to the piston hub 3 . Alternatively, it is conceivable that the piston hubs 3 have webs directed in the direction of the cylindrical piston shaft 7 , via which the welded connection is made. The piston skirt 7 shown in Fig. 4 can also be formed in several parts, in particular in two parts, wherein several parts are also welded to each other.

Abschließend sei noch erwähnt, daß die halbschalenförmigen Kolbenschäfte 7 oder der zy lindrische Kolbenschaft 7 in seinem Inneren Versteifungen (Stege oder dergleichen) aufwei sen kann, wobei diese Versteifungen auch zur Schweißverbindung mit den Kolbennaben 3 herangezogen werden können. Ebenso ist es denkbar, daß sowohl die Kolbennaben 3 Ste ge 8 als auch die Kolbenschäfte 7 Stege 9 aufweisen, wobei die Stege 8 und 9 im Stoßbe reich miteinander verschweißt werden. Finally, it should also be mentioned that the half-shell-shaped piston shafts 7 or the cylindrical piston shaft 7 can have stiffeners (webs or the like) in their interior, these stiffeners also being able to be used for the welded connection with the piston hubs 3 . It is also conceivable that both the piston hubs 3 Ste ge 8 and the piston shafts 7 have webs 9 , the webs 8 and 9 are richly welded to each other in Stoßbe.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Kolben
piston

22

Kolbenboden
piston crown

33

Kolbennaben
pin bosses

44

Nabenbohrung
hub bore

55

Ringnuten
ring grooves

66

Kühlkanal
cooling channel

77

Kolbenschäfte
piston skirts

88th

Stege
Stege

99

Stege
Stege

1010

Trennlinie
parting line

Claims

1. A method for producing a piston ( 1 ) for internal combustion engines, the piston ( 1 ) having a piston crown ( 2 ), which has a piston ring band and a cooling channel ( 6 ), with hanging piston hubs ( 3 ) which accommodate the hub bores ( 4 ) , and has at least one piston skirt ( 7 ), characterized in that a piston blank moves in the forge and the at least one piston skirt ( 7 ) is produced in a casting or forging process, that the cooling channel ( 6 ) is introduced by mechanical processing so that the at least one piston rod (7), the upper edge extending to near the lower edge of the piston crown (2) is welded to the piston hubs (3), and that is finished at closing of the piston (1).

2. A method for producing a piston according to claim 1, characterized in that the piston hubs ( 3 ) have webs ( 8 ) to which the piston shaft ( 7 ) is welded.

3. A method for producing a piston ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the piston shaft ( 7 ) has webs ( 9 ) with which it is welded to the piston hub ( 3 ).

4. A method for producing a piston ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the piston shaft ( 7 ) is designed such that it forms the hub bores ( 4 ) together with the piston hubs ( 3 ) after welding.

5. A method for producing a piston ( 1 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that the piston shaft ( 7 ) is designed as a in its interior the Kol hub ( 3 ) receiving cylindrical component.