DE102004019012A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor - Google Patents
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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 aus1 , 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 gemäß2 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 gemäß5 während des Reibschweißvorganges, -
7 eine vergrößerte Darstellung der miteinander verschweißten Kolbenteile gemäß5 , -
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 aus8 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 gemäß9 während des Schweißvorganges. -
1 zeigt das Oberteil1 und das Unterteil2 eines Kolbens3 , die über ihre radialen Außenseiten von jeweils einer Spannzange4 und5 einer in der Figur nicht dargestellten Reibschweißvorrichtung gehalten werden. Das Ober- und das Unterteil1 ,2 können hierbei aus Stahl bestehen. Möglich ist auch, das Oberteil1 aus Stahl und das Unterteil2 aus Aluminium oder beide Teile1 und2 aus Aluminium herzustellen. Letztlich ist zur Herstellung des Oberteiles1 und des Unterteiles2 des Kolbens3 jede für die Herstellung eines Kolbens geeignete Werkstoff- bzw. Legierungskombination gemäß DIN EN ISO 15620 verwendbar. - Das Oberteil
1 des Kolbens3 weist eine Brennkammer6 im Kolbenboden7 auf und ist mit einem Kühlkanal8 versehen, der im Bereich des Kolbenbodens7 radial außen angeordnet und auf der kolbenbodenabgewandten Seite offen ist. Das Unterteil2 des Kolbens3 besteht im Wesentlichen aus zwei einander gegenüberliegenden Schaftelementen9 und10 , die über je zwei Rippen, von denen bei der in1 gewählten Schnittdarstellung die Rippen11 und12 in Draufsicht dargestellt sind, mit zwei Bolzennaben verbunden sind, von denen in1 wegen der gewählten Schnittdarstellung die rückseitige Bolzennabe13 sichtbar ist. - Kolbenbodenseitig ist an den Rippen
11 und12 des Unterteiles2 ein Ringelement14 angeformt, das kolbenbodenseitig eine erste Fläche15 in Form eines zum Kolbenboden7 hin offenen Trichters aufweist, dessen radial innerer Bereich im Schnitt stufenförmig ausgebildetes Überschussmaterial16 trägt, das beim nachfolgend näher erläuterten Reibschweißen zum Verbinden des Ober- und der Unterteiles1 und2 des Kolbens3 abgetragen wird. Schaftseitig weist das Oberteil1 des Kolbens3 eine zur trichterförmigen ersten Fläche15 des Kolbenunterteils2 zumindest näherungsweise komplementär geformte, konische zweite Fläche17 auf. Hierbei bilden das Überschussmaterial16 und die zweite Fläche17 die beim Reibschweißverfahren in Anspruch genommenen Reibschweißflächen16' und17 . - Um das Oberteil
1 und das Unterteil2 des Kolbens3 im Reibschweißverfahren miteinander zu verbinden, wird zunächst die Spannzange4 und damit das Oberteil1 in Drehung versetzt. Gleichzeitig wird die Spannzange4 in Richtung des Pfeiles18 so weit auf die Spannzange5 zubewegt, bis sich das Überschussmaterial16 und die 2. Fläche17 , d.h., die beiden Reibschweißflächen16' und17 berühren, wobei eine ausreichend große, relative Drehgeschwindigkeit der beiden Spannzangen4 und5 , ein ausreichend großer Druck, mit dem die Reibschweißflächen16' und17 aufeinandergepresst werden, und eine ausreichend lange Zeit, in der die Reibschweißflächen16' und17 unter Druck aufeinander reiben, dafür sorgen, dass das Überschussmaterial16 wegen der hierbei sich ergebenden Reibungswärme schmilzt und nach Abkühlung zu einer dauerhaften Verbindung des Oberteiles1 mit dem Unterteil1 des Kolbens3 führt. Der Erfolg des Reibschweißprozesses kann zudem durch ein Vorwär men der beiden Kolbenteile1 und2 vor dem eigentlichen Schweißvorgang und durch eine Schutzgasatmosphäre, in der das Schweißen stattfindet, verbessert werden. - Die in
2 dargestellte Vergrößerung des Bildausschnittes A aus1 zeigt das Oberteil1 und das Unterteil2 des Kolbens3 , die im Reibschweißverfahren miteinander verschweißt werden. Wird hierbei das in Rotation versetzte Oberteil1 in Richtung des Pfleiles18 auf das Unterteil2 zubewegt, findet zunächst ein in3 dargestellter erster Kontakt zwischen dem Überschussmaterial16 und der 2. Fläche17 des Kolbenoberteiles1 statt, was zur Folge hat, dass das Überschussmaterial16 zu schmelzen beginnt, wobei das auf der radialen Innenseite des Kolbens3 austretende, plastifizierte Metall einen ersten Schweißwulst19 bildet. Da hierdurch keine Funktionen des Kolbens3 beeinträchtigt werden, wird der erste Schweißwulst19 unbearbeitet belassen. - Störend würde sich hierbei nur ein auf der radialen Außenseite des Kolbens
3 gebildeter 2. Schweißwulst20 auswirken. Dadurch, dass beim Reibschweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nun nicht die beiden Flächen15 und17 sondern nur das im radial inneren Bereich der ersten Fläche15 angeordnete Überschussmaterial16 mit der 2. Fläche17 in Reibkontakt kommt, ergibt sich ein nach radial außen offener Hohlraum21 , der dazu dient, das den 2. Schweißwulst20 bildende plastifizierte Metall aufzunehmen und daran zu hindern, auf der radialen Außenseite des Kolbens3 auszutreten. -
4 zeigt die Schweißnaht22 nach Abschluss des Reibschweißvorganges, bei dem das Überschussmaterial16 zu einem Großteil abgetragen ist, und bei dem der 2. Schweißwulst20 den Hohlraum21 ausfüllt, ohne auf der Kolbenaußenseite auszutreten und eine Auflage23 zu bedecken, die der Halterung eines in der Figur nicht dargestellten Kühlkanalabdeckbleches dient. Ein Schweißwulst würde die Auflage23 als Halterung für ein Kühlkanalabdeckblech unbrauchbar machen. Hierbei dienen sowohl die Kontaktfläche zwischen dem ausgehärteten Überschussmaterial16 und der 2. Fläche17 als auch der mit der ausgehärteten 2. Schweißwulst20 gefüllte Hohlraum21 dem Zusammenhalt der beiden Kolbenteile1 und2 . - Bei den in den
5 bis7 dargestellten Ausgestaltungen des Reibschweißverfahrens und der Flächen15 und17' ist nicht nur der schaftseitige Bereich der 1. Fläche15 mit Überschussmaterial16 sondern auch der schaftseitige Bereich der Fläche17' mit weiterem Überschussmaterial24 versehen. Dies hat den Vorteil, dass sich nach einer Kontaktierung der beiden Überschussmaterialien16 und24 gemäß6 , die hierbei die Reibschweißflächen16' und24' bilden, ein gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel vergrößerter, nach radial außen offener Hohlraum25 ergibt, der eine größere Menge des beim Reibschweißen plastifizierenden Metalls aufnehmen kann und damit eine größere Gewähr dafür bietet, dass nach Abschluss des Schweißvorganges gemäß7 die Auflage23 frei von einer Schweißwulst bleibt. - Die
8 bis10 zeigen weitere Ausgestaltungen des Reibschweißverfahrens und der zum Verschweißen vorgesehenen Flächen15' und17'' des Oberteiles1' und des Unterteiles2' des Kolbens3' . Gemäß9 , einer vergrößerten Darstellung des Bildausschnittes B aus8 , ist die der Schaftseite zugewandte und zum Schweißen vorgesehen Fläche17'' des Kolbenoberteiles1' im Schnitt stufenförmig ausgebildet, wobei die Ringstufe26 im radial äußeren Bereich der Fläche17'' liegt. Die kolbenbodenseitig liegende und zum Verschweißen vorgesehen Fläche15' des an das Kolbenunterteil2' angeformten Ringelementes14' ist im Schnitt als eine nach radial innen gerichtet Doppelstufe ausgebildet, wobei der Abstand der radial außen liegenden Stirnseite27 der ersten Stufe der Doppelstufe von der Längsachse29 des Kolbens3' (8 ) um einen geringen Toleranzbetrag kleiner ist als der Abstand der radial innen liegende Stirnseite28 der Ringstufe26 von der Längsachse29 . Die umlaufende Stirnseite27 dient somit als Führung für die umlaufende Ringstufe26 des Kolbenoberteiles1' , was eine exakte Positionierung der Kolbenteile1' und2' während des Reibschweißens erlaubt. - Radial innen weist die Doppelstufe der Fläche
15' eine zweite Stufe30 auf, deren radial außen liegende Stirnseite31 von der radial innen liegenden Stirnseite28 der Ringstufe26 einen solchen Abstand hat, dass sich sowohl ein umlaufender Hohlraum33 , der während des Reibschweißprozesses geschlossen ist, als auch ein für eine Reibschweißverbindung ausreichender Kontaktbereich32 mit der Reibschweiß fäche32' auf Seiten der Fläche15' und der Reibschweißfläche32'' auf Seiten der Fläche17'' ergibt. -
10 zeigt die Flächen15' und17'' der Kolbenteile1' und2' während des Schweißvorganges. Auf der radial innen liegenden Seite des Kolbens3' bildet sich hierbei der Schweißwulst34 , der keinerlei Beeinträchtigungen der Funktionen des Kolbens3' mit sich bringt und somit unbearbeitet verbleibt. Demgegenüber könnte sich der auf der radial äußeren Seite des Kontaktbereiches32 bildende Schweißwulst35 störend auf die Funktionen des Kolbens3' auswirken. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch verhindert, dass sich das den Schweißwulst35 bildende, plastifizierte Metall in dem geschlossenen Hohlraum33 sammelt und dadurch daran gehindert wird, auf der radial äußeren Seite36 des Kolbens3' auszutreten und die Funktionen des Kolbens3' zu beeinträchtigen. - Insbesondere ist die Fläche
15' nach radial außen so weit vergrößert, dass sich hierbei eine Auflagefläche37 für ein entsprechend geformtes und in den Figuren nicht dargestelltes Abdeckblech für den kolbenbodenseitig im radial äußeren Randbereich des Kolbens3' angeordneten und schaftseitig offenen Kühlkanal8' ergibt. Der Vorteil auch der letztgenannten Ausführungsform der Erfindung besteht darin zu verhindern, dass der Schweißwulst35 die Auflagefläche37 bedeckt, was diese Fläche37 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 (4)
- 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.
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