DE102004019012A1

DE102004019012A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102004019012A1
Application number: DE200410019012
Authority: DE
Inventors: Franz Dr. Puckert
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2005-11-17

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Kolben (3) für einen Verbrennungsmotor, bestehend aus einem Oberteil (1) und einem Unterteil (2), die auf einander gegenüberliegenden Seiten Reibschweißflächen (16, 17) aufweisen, um das Oberteil (1) mit dem Unterteil (2) mittels des Reibschweißverfahrens zu verbinden. Um zu vermeiden, dass sich hierbei auf der radialen Außenseite des Kolbens (3) ein Schweißgrat bildet, der nach der Fertigstellung des Kolbens entfernt werden müsste, schließt sich an die Reibschweißflächen (16, 17) nach radial außen ein Hohlraum zur Aufnahme des beim Reibschweißen plastifizierenden und auf der Seite des Hohlraumes aus dem Kontaktbereich der Reibschweißflächen austretenden Materials an.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Einen Kolben für einen Verbrennungsmotor aus einem Oberteil und einem Unterteil herzustellen und die beiden Teile mittels des Reibschweißverfahren miteinander zu verbinden, ist allgemein bekannt und bspw. in der US-PS 6 260 472 beschrieben. Beidseitig der Schweißnaht ergeben sich hierbei Schweißgrate, wobei meist nur die auf der radial äußeren Seite der Schweißnaht liegenden Schweißgrate stören und nach dem Schweißen entfernt werden müssen.

Um diesem Nachteil zumindest teilweise zu vermeiden, wird in der Offenlegungsschrift DE 19 33 520 vorgeschlagen, zwischen den beiden Teilen eines Kolbens, die unter Anwendung des Reibschweißverfahrens miteinander verschweißt werden, einen zentral angeordneten, geschlossenen Hohlraum vorzusehen, der einen Teil des beim Reibschweißen aus der Schweißnaht ausfließenden, plastifizierten Metalles aufnimmt. Die dem Hohlraum abgewandten Enden der Schweißnaht befinden sich aber auch hierbei auf der Außenseite des Kolbens, sodass sich hier Schweißgrate bilden, die nach dem Verschweißen der Kolbenteile eine Nachbearbeitung der Kolbenoberfläche erfordern.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, diesen aus dem Stand der Technik bekannten Nachteil zu vermeiden.

Gelöst wird das Problem mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
1 Ober- und Unterteil eines Kolbens, die jeweils von einer Spannzange einer Reibschweißvorrichtung gehalten werden,
2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnittes A aus 1, der diejenigen Flächen des Ober- und des Unterteiles des Kolbens zeigt, die miteinander verschweißt werden sollen und zu diesem Zweck zusammengefahren werden,
3 die Flächen gemäß 2 während der Reibschweißvorganges nach dem Zusammmenfahren der Kolbenteile,
4 eine vergrößerte Darstellung der miteinander verschweißten Kolbenteile,
5 eine weitere Ausgestaltung der Kolbenteile, die miteinander verschweißt werden, wobei sich Überschussmaterial, das beim Reibschweißen abgetragen wird, auf beiden Schweißflächen befindet,
6 die Flächen gemäß 5 während des Reibschweißvorganges,
7 eine vergrößerte Darstellung der miteinander verschweißten Kolbenteile gemäß 5,
8 Ober- und Unterteil eines Kolbens gehalten von den Spannzangen der Reibschweißvorrichtung mit einer weiteren Ausgestaltung der Flächen, die miteinander reibverschweißt werden,
9 ein Ausschnitt B aus 8 in vergrößerter Darstellung, der die Teile des Kolbenober- und -unterteiles zeigt, die miteinander verschweißt werden, und die zu diesem Zweck zusammengefahren werden und
10 die Kolbenteile gemäß 9 während des Schweißvorganges.
1 zeigt das Oberteil 1 und das Unterteil 2 eines Kolbens 3, die über ihre radialen Außenseiten von jeweils einer Spannzange 4 und 5 einer in der Figur nicht dargestellten Reibschweißvorrichtung gehalten werden. Das Ober- und das Unterteil 1, 2 können hierbei aus Stahl bestehen. Möglich ist auch, das Oberteil 1 aus Stahl und das Unterteil 2 aus Aluminium oder beide Teile 1 und 2 aus Aluminium herzustellen. Letztlich ist zur Herstellung des Oberteiles 1 und des Unterteiles 2 des Kolbens 3 jede für die Herstellung eines Kolbens geeignete Werkstoff- bzw. Legierungskombination gemäß DIN EN ISO 15620 verwendbar.
Das Oberteil 1 des Kolbens 3 weist eine Brennkammer 6 im Kolbenboden 7 auf und ist mit einem Kühlkanal 8 versehen, der im Bereich des Kolbenbodens 7 radial außen angeordnet und auf der kolbenbodenabgewandten Seite offen ist. Das Unterteil 2 des Kolbens 3 besteht im Wesentlichen aus zwei einander gegenüberliegenden Schaftelementen 9 und 10, die über je zwei Rippen, von denen bei der in 1 gewählten Schnittdarstellung die Rippen 11 und 12 in Draufsicht dargestellt sind, mit zwei Bolzennaben verbunden sind, von denen in 1 wegen der gewählten Schnittdarstellung die rückseitige Bolzennabe 13 sichtbar ist.
Kolbenbodenseitig ist an den Rippen 11 und 12 des Unterteiles 2 ein Ringelement 14 angeformt, das kolbenbodenseitig eine erste Fläche 15 in Form eines zum Kolbenboden 7 hin offenen Trichters aufweist, dessen radial innerer Bereich im Schnitt stufenförmig ausgebildetes Überschussmaterial 16 trägt, das beim nachfolgend näher erläuterten Reibschweißen zum Verbinden des Ober- und der Unterteiles 1 und 2 des Kolbens 3 abgetragen wird. Schaftseitig weist das Oberteil 1 des Kolbens 3 eine zur trichterförmigen ersten Fläche 15 des Kolbenunterteils 2 zumindest näherungsweise komplementär geformte, konische zweite Fläche 17 auf. Hierbei bilden das Überschussmaterial 16 und die zweite Fläche 17 die beim Reibschweißverfahren in Anspruch genommenen Reibschweißflächen 16' und 17.
Um das Oberteil 1 und das Unterteil 2 des Kolbens 3 im Reibschweißverfahren miteinander zu verbinden, wird zunächst die Spannzange 4 und damit das Oberteil 1 in Drehung versetzt. Gleichzeitig wird die Spannzange 4 in Richtung des Pfeiles 18 so weit auf die Spannzange 5 zubewegt, bis sich das Überschussmaterial 16 und die 2. Fläche 17, d.h., die beiden Reibschweißflächen 16' und 17 berühren, wobei eine ausreichend große, relative Drehgeschwindigkeit der beiden Spannzangen 4 und 5, ein ausreichend großer Druck, mit dem die Reibschweißflächen 16' und 17 aufeinandergepresst werden, und eine ausreichend lange Zeit, in der die Reibschweißflächen 16' und 17 unter Druck aufeinander reiben, dafür sorgen, dass das Überschussmaterial 16 wegen der hierbei sich ergebenden Reibungswärme schmilzt und nach Abkühlung zu einer dauerhaften Verbindung des Oberteiles 1 mit dem Unterteil 1 des Kolbens 3 führt. Der Erfolg des Reibschweißprozesses kann zudem durch ein Vorwär men der beiden Kolbenteile 1 und 2 vor dem eigentlichen Schweißvorgang und durch eine Schutzgasatmosphäre, in der das Schweißen stattfindet, verbessert werden.
Die in 2 dargestellte Vergrößerung des Bildausschnittes A aus 1 zeigt das Oberteil 1 und das Unterteil 2 des Kolbens 3, die im Reibschweißverfahren miteinander verschweißt werden. Wird hierbei das in Rotation versetzte Oberteil 1 in Richtung des Pfleiles 18 auf das Unterteil 2 zubewegt, findet zunächst ein in 3 dargestellter erster Kontakt zwischen dem Überschussmaterial 16 und der 2. Fläche 17 des Kolbenoberteiles 1 statt, was zur Folge hat, dass das Überschussmaterial 16 zu schmelzen beginnt, wobei das auf der radialen Innenseite des Kolbens 3 austretende, plastifizierte Metall einen ersten Schweißwulst 19 bildet. Da hierdurch keine Funktionen des Kolbens 3 beeinträchtigt werden, wird der erste Schweißwulst 19 unbearbeitet belassen.
Störend würde sich hierbei nur ein auf der radialen Außenseite des Kolbens 3 gebildeter 2. Schweißwulst 20 auswirken. Dadurch, dass beim Reibschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nun nicht die beiden Flächen 15 und 17 sondern nur das im radial inneren Bereich der ersten Fläche 15 angeordnete Überschussmaterial 16 mit der 2. Fläche 17 in Reibkontakt kommt, ergibt sich ein nach radial außen offener Hohlraum 21, der dazu dient, das den 2. Schweißwulst 20 bildende plastifizierte Metall aufzunehmen und daran zu hindern, auf der radialen Außenseite des Kolbens 3 auszutreten.
4 zeigt die Schweißnaht 22 nach Abschluss des Reibschweißvorganges, bei dem das Überschussmaterial 16 zu einem Großteil abgetragen ist, und bei dem der 2. Schweißwulst 20 den Hohlraum 21 ausfüllt, ohne auf der Kolbenaußenseite auszutreten und eine Auflage 23 zu bedecken, die der Halterung eines in der Figur nicht dargestellten Kühlkanalabdeckbleches dient. Ein Schweißwulst würde die Auflage 23 als Halterung für ein Kühlkanalabdeckblech unbrauchbar machen. Hierbei dienen sowohl die Kontaktfläche zwischen dem ausgehärteten Überschussmaterial 16 und der 2. Fläche 17 als auch der mit der ausgehärteten 2. Schweißwulst 20 gefüllte Hohlraum 21 dem Zusammenhalt der beiden Kolbenteile 1 und 2.
Bei den in den 5 bis 7 dargestellten Ausgestaltungen des Reibschweißverfahrens und der Flächen 15 und 17' ist nicht nur der schaftseitige Bereich der 1. Fläche 15 mit Überschussmaterial 16 sondern auch der schaftseitige Bereich der Fläche 17' mit weiterem Überschussmaterial 24 versehen. Dies hat den Vorteil, dass sich nach einer Kontaktierung der beiden Überschussmaterialien 16 und 24 gemäß 6, die hierbei die Reibschweißflächen 16' und 24' bilden, ein gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel vergrößerter, nach radial außen offener Hohlraum 25 ergibt, der eine größere Menge des beim Reibschweißen plastifizierenden Metalls aufnehmen kann und damit eine größere Gewähr dafür bietet, dass nach Abschluss des Schweißvorganges gemäß 7 die Auflage 23 frei von einer Schweißwulst bleibt.
Die 8 bis 10 zeigen weitere Ausgestaltungen des Reibschweißverfahrens und der zum Verschweißen vorgesehenen Flächen 15' und 17'' des Oberteiles 1' und des Unterteiles 2' des Kolbens 3'. Gemäß 9, einer vergrößerten Darstellung des Bildausschnittes B aus 8, ist die der Schaftseite zugewandte und zum Schweißen vorgesehen Fläche 17'' des Kolbenoberteiles 1' im Schnitt stufenförmig ausgebildet, wobei die Ringstufe 26 im radial äußeren Bereich der Fläche 17'' liegt. Die kolbenbodenseitig liegende und zum Verschweißen vorgesehen Fläche 15' des an das Kolbenunterteil 2' angeformten Ringelementes 14' ist im Schnitt als eine nach radial innen gerichtet Doppelstufe ausgebildet, wobei der Abstand der radial außen liegenden Stirnseite 27 der ersten Stufe der Doppelstufe von der Längsachse 29 des Kolbens 3' (8) um einen geringen Toleranzbetrag kleiner ist als der Abstand der radial innen liegende Stirnseite 28 der Ringstufe 26 von der Längsachse 29. Die umlaufende Stirnseite 27 dient somit als Führung für die umlaufende Ringstufe 26 des Kolbenoberteiles 1', was eine exakte Positionierung der Kolbenteile 1' und 2' während des Reibschweißens erlaubt.
Radial innen weist die Doppelstufe der Fläche 15' eine zweite Stufe 30 auf, deren radial außen liegende Stirnseite 31 von der radial innen liegenden Stirnseite 28 der Ringstufe 26 einen solchen Abstand hat, dass sich sowohl ein umlaufender Hohlraum 33, der während des Reibschweißprozesses geschlossen ist, als auch ein für eine Reibschweißverbindung ausreichender Kontaktbereich 32 mit der Reibschweiß fäche 32' auf Seiten der Fläche 15' und der Reibschweißfläche 32'' auf Seiten der Fläche 17'' ergibt.
10 zeigt die Flächen 15' und 17'' der Kolbenteile 1' und 2' während des Schweißvorganges. Auf der radial innen liegenden Seite des Kolbens 3' bildet sich hierbei der Schweißwulst 34, der keinerlei Beeinträchtigungen der Funktionen des Kolbens 3' mit sich bringt und somit unbearbeitet verbleibt. Demgegenüber könnte sich der auf der radial äußeren Seite des Kontaktbereiches 32 bildende Schweißwulst 35 störend auf die Funktionen des Kolbens 3' auswirken. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch verhindert, dass sich das den Schweißwulst 35 bildende, plastifizierte Metall in dem geschlossenen Hohlraum 33 sammelt und dadurch daran gehindert wird, auf der radial äußeren Seite 36 des Kolbens 3' auszutreten und die Funktionen des Kolbens 3' zu beeinträchtigen.
Insbesondere ist die Fläche 15' nach radial außen so weit vergrößert, dass sich hierbei eine Auflagefläche 37 für ein entsprechend geformtes und in den Figuren nicht dargestelltes Abdeckblech für den kolbenbodenseitig im radial äußeren Randbereich des Kolbens 3' angeordneten und schaftseitig offenen Kühlkanal 8' ergibt. Der Vorteil auch der letztgenannten Ausführungsform der Erfindung besteht darin zu verhindern, dass der Schweißwulst 35 die Auflagefläche 37 bedeckt, was diese Fläche 37 als Halterung für das Abdeckblech unbrauchbar machen würde.

A, B: Bildausschnitt
1, 1': Oberteil des Kolbens 3, 3'
2, 2': Unterteil des Kolbens 3, 3'
3, 3': Kolben
4, 5: Spannzange
6: Brennkammer
7: Kolbenboden
8, 8': Kühlkanal
9, 10: Schaftelement
11,12: Rippe
13: Bolzennabe
14,14': Ringelement
15,15': 1. Fläche
16: Überschussmaterial
16': Reinschweißfläche
17: 2. Fläche, Reibschweißfläche
17',17'': Fläche
18: Pfeil
19: 1. Schweißwulst
20: 2. Schweißwulst
21: Hohlraum
22: Schweißnaht
23: Auflage
24: Überschussmaterial
24': Reibschweißfläche
25: Hohlraum
26: Ringstufe
27,28: Stirnseite
29: Längsachse
30: 2. Stufe
31: Stirnseite
32: Kontaktbereich
32',32'': Reibschweißfläche
33: Hohlraum
34,35: Schweißwulst
36: Außenseite des Kolbens 3'
37: Auflagefläche

Claims

Kolben (3, 3') für einen Verbrennungsmotor – mit einem zylinderförmigen Oberteil (1, 1'), dessen eine Stirnseite den Kolbenboden (7) bildet, und dessen dem Kolbenboden (7) abgewandte Seite in ihrem radial äußeren Bereich eine Reibschweißfläche (17, 24', 32'') aufweist, – mit einem Unterteil (2, 2'), das zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente (9, 10) aufweist, die über Rippen (11, 12) miteinander und mit Bolzennaben (13) verbunden sind, und das ein an den Rippen (11, 12) angeformtes und zu dem Schaftelementen koaxial angeordnetes Ringelement (14, 14') aufweist, auf dessen schaftabgewandter Seite sich eine Reibschweißfläche (16', 32') befindet, – wobei die Reibschweißfläche (17, 24', 32'') des Oberteiles (1, 1') eine zur Reibschweißfläche (16', 32') des Ringelementes (14, 14') komplementäre Form aufweist, sodass das Oberteil (1, 1') mit dem Unterteil (2, 2') über die Reibschweißflächen (16', 17, 24', 32', 32'') mittels des Reibschweißverfahrens miteinander verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Reibschweißflächen (16', 17, 24', 32', 32'') nach radial außen ein Hohlraum (21, 25, 33) zur Aufnahme des beim Reibschweißen plastifizierenden und auf der Seite des Hohlraumes (21, 25, 33) aus dem Kontaktbereich der Reibschweißflächen austretenden Materials anschließt.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement (14) eine erste Fläche (15) in Form eines zur schaftabgewandten Seite hin offenen Trichters aufweist, dessen radial innerer Bereich Überschussmaterial (16) trägt, dessen schaftabgewandte Seite die Reibschweißfläche (16') bildet, und dass nach einem Zusammenfahren des Ober- und des Unterteiles (1, 2) und nach einer Kontaktierung der Reibschweißflächen (16', 17) der Hohlraum (21) schaftseitig von der ersten Fläche (15), zur radialen Innenseite hin von dem Überschussmaterial (16) und kolbenbodenseitig von der Reibschweißfläche (17) des Oberteiles begrenzt wird.
Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (1) auf seiner dem Kolbenboden (7) abgewandten Seite eine in kolbenbodenabgewandter Richtung konisch zulaufende Fläche (17') aufweist, die radial innen Überschussmaterial (24) trägt, dessen kolbenbodenabgewandte Seite die Reibschweißfläche (24') bildet, und dass nach einem Zusammenfahren des Ober- und des Unterteiles (1, 2) und nach einer Kontaktierung der Reibschweißflächen (24', 16') der Hohlraum (25) schaftseitig von der ersten Fläche (15), zur radialen Innenseite hin von den Überschussmaterialien (16, 24) und kolbenbodenseitig von der konisch zulaufenden Fläche (17') begrenzt wird.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (1') auf seiner kolbenbodenabgewandten Seite eine Fläche (17'') mit einer umlaufenden, radial außen angeordnete und in kolbenbodenabgewandte Richtung vorspringende Ringstufe (26) aufweist, dass das Ringelement (14') auf der schaftabgewandten Seite eine Fläche (15') mit einer umlaufenden, nach radial innen gerichteten und in schaftabgewandte Richtung vorspringende Doppelstufe aufweist, dass der Abstand der radial außen liegenden Stirnseite (27) der ersten Stufe der Doppelstufe von der Längsachse (29) des Kolbens (3') um einen geringen Toleranzbetrag kleiner ist als der Abstand der radial innen liegenden Stirnseite (28) der Ringstufe (26), sodass beim Zusammenfahren des Oberteiles (1') und des Unterteiles (2') die Stirnseite (27) eine Führung für die Ringstufe (26) ist, und dass die radial außen liegende Stirnseite (31) der 2. Stufe (30) der Doppelstufe um einen solchen Betrag von der radial innen liegenden Stirnseite (28) der Ringstufe (26) beabstandet ist, dass sich nach dem Zusammenfahren des Oberteiles (1') und des Unterteiles (2') zum einen zwischen den Stirnseiten (28, 31) der Ringstufe (26) und der 2. Stufe der Doppelstufe ein geschlossener Hohlraum (33) bildet, und dass sich zum anderen ein Kontaktbereich (32) der Reibschweißflächen (32', 32'') ergibt, die teils von der axialen Stirnseite der zweiten Stufe der Doppenstufe und teils von der Fläche (17'') des Oberteils (1') gebildet werden.