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Die
Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere einen Kühlkanalkolben,
einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1.
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Ein
Kühlkanalkolben
ist aus der
US 6,155,157 bekannt.
Bei diesem Kühlkanalkolben werden
ein erstes und ein zweites Teil separat voneinander hergestellt
und anschließend
mittels eines Fügeverfahrens
(hier Reibschweißverfahren)
zusammengefügt,
um einen einteiligen Kühlkanalkolben
zu bilden, der in etwa hinter seinem Ringfeld einen Kühlkanal
für die
Zirkulation von einem Kühlmedium
bildet. Der Aufbau und die Herstellung eines solchen Kühlkanalkolbens
ist zwar relativ einfach, allerdings ist man hinsichtlich der geometrischen
Freiheiten äußerst eingeschränkt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten Kühlkanalkolben
derart weiter zu bilden, dass bei der Gestaltung des Kolbens mit
seinen an sich bekannten und schon aufgeführten Elementen eine größere konstruktive
Freiheit gegeben ist.
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Diese
Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass der Kühlkanalkolben
zumindest ein drittes Teil aufweist, wobei das dritte Teil einerseits
in Richtung des ersten Teiles zumindest einen rotationssymmetrischen
Fügebereich
und andererseits in Richtung des zweiten Teiles ebenfalls zumindest
einen rotationssymmetrischen Fügebereich
aufweist und diese Fügebereiche des
dritten Teiles mit Fügebereichen
des ersten und zweiten Teiles korrespondieren. Dadurch kann jedes Teil,
aus dem später
der Kühlkanalkol ben
zusammengefügt
wird, hinsichtlich der Materialwahl und hinsichtlich der konstruktiven
Gegebenheiten auf den Einbauort innerhalb des Kühlkanalkolbens abgestimmt werden.
Damit wird es möglich,
die drei Teile (oder gegebenenfalls auch mehrere Teile) aus ein und
demselben Material oder auch aus verschiedenen Materialien (zumindest
zwei verschiedene Materialien) herzustellen. So kann beispielsweise
an einem thermisch belasteten Teil des Kühlkanalkolbens ein Teil aus
einem Material verwendet werden, welches wärmebeständiger ist als das Material,
aus dem die übrigen
Teile bestehen. Ergänzend
oder alternativ dazu ist es möglich,
die zumindest drei Teile im gleichen Verfahren oder in unterschiedlichen
Verfahren herzustellen.
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Bei
dem Fügevorgang
handelt es sich in besonders vorteilhafter Weise um ein Reibschweißverfahren,
da dieses es gestattet, alle drei Fügebereiche gleichzeitig zu
bearbeiten und damit die zumindest drei Teile unlösbar miteinander
zu verbinden. Außerdem
kommt in Betracht, dass die Teile in gleichen oder verschiedenen
Verfahren (wie zum Beispiel Schmieden, Gießen, Pressen, Fließpressen,
Stanzen und dergleichen) herzugestellen, die dann aus gleichen oder
verschiedenen Materialien bestehen können. So kann beispielsweise
das eine Teil aus einem hitzebeständigeren Material bestehen
wie das andere Teil (zwecks Bewehrung, insbesondere des Muldenrandes
und/oder der Oberfläche
des Kolbenbodens). Auch Gewichtsaspekte spielen hier eine Rolle.
So kann beispielsweise das zumindest eine Teil aus einem Leichtbauwerkstoff
(wie Aluminium) bestehen, während
das zumindest weitere Teil aus einem Eisenwerkstoff (zum Beispiel
Grauguß)
besteht.
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Nachdem
die zumindest drei Teile unabhängig
voneinander hergestellt worden sind, werden sie mittels eines Fügeverfahrens,
insbesondere mittels eines Reibschweißverfahrens, zusammengefügt. Dabei
ist daran zu denken, dass zunächst
zwei Teile zusammengefügt
und anschließend
das dritte Teil angefügt
wird. Denkbar ist auch die gleichzeitige Zusammenfügung aller
drei Teile, wobei dies gegenüber
dem nacheinander durchgeführten
Zusammenfügen
aufwändiger
ist. Das Zusammenfügen
von zunächst
zwei Teilen hat auch den Vorteil, dass zumindest ein Teil oder auch
alle Stellen des Fügebereiches
frei zugänglich
sind, um bearbeitet und weiterbehandelt zu werden. Bei der Bearbeitung
des Fügebereiches
ist dabei insbesondere an die Entfernung eines Fügegrates gedacht, während bei
der Weiterbehandlung zum Bei spiel der Auftrag einer Schutzschicht
oder dergleichen zu nennen ist. Handelt es sich bei dem zu bearbeitenden
Bereich um einen späteren
Kühlkanal
oder einen für
die Gewichtsersparnis gedachten Hohlraum, bestehen gerade bei dem
ein- oder zweistufigen Fügeverfahren
hohe Freiheitsgrade bei der Bearbeitung der Räume, die den Kühlkanal
oder den Hohlraum bilden, da sie noch optimal zugänglich und
damit frei bearbeitbar sind. So sind auch beispielsweise Hinterschnitte
realisierbar, die bei einem gegossenen Kolben nur mit aufwändigen Kernen
und bei sonstigen Kolben überhaupt nicht
erzielt werden können.
Nachdem diese Bearbeitung (und gegebenenfalls Weiterbehandlung) durchgeführt worden
ist, werden die beiden dann schon zusammengefügten Teile mit dem dritten
Teil versehen. Auch hier kann wieder an eine anschließende Bearbeitung
(und gegebenenfalls Weiterbehandlung) gedacht werden. Nachdem alle
drei Teile zusammengefügt
worden sind, wird in der Regel noch eine Bearbeitung der äußeren Oberfläche des dann
schon fast fertigen Kühlkanalkolbens
vorgenommen, insbesondere um ihn auf Maß zu bringen. Diese Bearbeitung
gilt für
die äußeren Oberflächen des
Kühlkanalkolbens,
während
in der Regel die Innenbereiche des Kühlkanalkolbens, die in seinem Betrieb
nicht mit den Laufflächen
der Zylinder der Brennkraftmaschine in Berührung kommen, unbearbeitet
bleiben.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zueinander
gerichteten Fügebereiche zwischen
dem dritten und dem ersten Teil in zumindest einer Fügeebene
und die zueinander gerichteten Fügebereiche
zwischen dem dritten und dem ersten Teil in zumindest einer davon
abweichenden Ebene angeordnet sind. Auch hierdurch ergeben sich größere Freiheiten
bei der Konstruktion der einzelnen Teile und ihrer Funktionen des
Kühlkanalkolbens,
wobei in besonders vorteilhafter Weise auch die fertigungstechnischen
Aspekte berücksichtigt werden.
So können
die einander zugewandten Fügebereiche
der jeweils beiden Teile, die in besonders vorteilhafter Weise als
rotationssymmetrische Fügestege
ausgebildet sind, so gestaltet werden, dass in einem ersten Verfahrensschritt
zwei Teile optimal zusammengefügt
und anschließend
in einem nächsten Verfahrensschritt
das weitere Teil an diese Teilkombination angefügt werden kann.
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In
Weiterbildung der Erfindung sind die drei Teile des Kühlkanalkolbens
derart gestaltet, dass sie nach ihrer Zusammenfügung zumindest einen hinter einem
Ringfeld des Kühlkanalkolbens
liegenden Kühlkanal
bilden. Auch hierdurch kommt zum Ausdruck, dass die zumindest drei
Teile so gestaltet sind und so zusammengefügt werden, dass sie gemeinsam
den hinter dem Ringfeld des Kühlkanalkolbens liegenden
Kühlkanal
bilden. Damit tragen alle drei Teile des Kühlkanalkolbens zur Bildung
des Kühlkanales
bei. An dieser Stelle sei erwähnt,
dass ein Teil, welches einen nach seiner Herstellung offenen Kühlkanales
diesen Kühlkanal
verschließt,
hier nicht unter den Begriff des ersten, zweiten oder dritten Teiles fällt. Denn
bei den hier beanspruchten zumindest drei Teilen handelt es sich
um wesentliche Bestandteile des Kühlkanalkolbens.
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Verschiedene
Ausführungsbeispiele
von erfindungsgemäß ausgestalteten
Kühlkanalkolben
sind im folgenden beschrieben und anhand der 1 bis 7 erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens,
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens,
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens,
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5 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens,
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6 ein
sechstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens,
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7 ein
siebtes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kühlkanalkolbens.
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1 zeigt
in hälftiger
Schnittansicht einen Kolben, hier einen Kühlkanalkolben 1 einer
Brennkraftmaschine, der ein erstes Teil 2 (Kolbenboden) und
ein zweites Teil 3 (Kolbenunterteil) aufweist. Weiterhin
sind in an sich bekannter Weise eine Brennraummulde 4,
ein radial umlaufendes Ringfeld 5 (hier mit drei Ringnuten),
eine Bolzenbohrung 6 sowie ein Kolbenschaft 7 vorhanden.
Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ist
ein drittes Teil 8 vorhanden, das als Zwischenteil zwischen
dem ersten Teil 2 und dem zweiten Teil 3 ausgebildet
ist. Hier ist sehr gut zu erkennen, dass die drei Teile 2, 3 und 8 derart
gestaltet sind, dass sie nach ihrer Zusammenfügung zumindest einen in etwa
hinter dem Ringfeld 5 des Kühlkanalkolbens 1 liegenden
Hohlraum oder Kühlkanal
bilden, auf den noch einzugehen sein wird. Weiterhin ist dargestellt,
dass das erste Teil 2 Fügebereiche 9, 10 aufweist,
die in Richtung von Fügebereichen 12, 13 des
dritten Teiles 8 weisen und somit mit diesen korrespondieren.
Ebenso weist das zweite Teil 3 Fügebereiche 14, 15 auf,
die in Richtung von Fügebereichen 16, 17 des
dritten Teiles 8 weisen. Allen Fügebereichen 10 bis 17,
die hier als radial umlaufende Fügestege
ausgebildet sind, ist gemeinsam, dass sie hinsichtlich ihrer Anordnung
zueinander aufeinander abgestimmt sind, insbesondere was die Lage
in der jeweiligen Ebene und ihre Breite angeht. So liegen die Fügebereiche 9, 12 in
einer ersten Fügeebene 18,
die Fügebereiche 10, 13 in
einer zweiten Fügeebene 19 sowie
die Fügebereiche 14, 16 und 15, 17 in
einer gemeinsamen dritten Fügeebene 20,
wobei es denkbar ist, dass auch die Fügebereiche 14, 16 sowie 15, 17 in
unterschiedlichen Fügeebenen
liegen, genauso wie die erste Fügeebene 18 und
die zweite Fügeebene 19 in
ein und derselben Fügeebene
angeordnet sein können.
Aufgrund der Gestaltung der genannten Fügebereiche 10 bis 17 der
drei Teile 2, 3 und 8 ist nicht nur ein
hinter dem Ringfeld 5 des Kühlkanalkolbens 1 liegender
Kühlkanal 21 realisiert,
sondern noch ein zweiter Kühlkanal 22 vorhanden.
Mit der Bezugsziffer 23 ist noch ein unterhalb der Brennraummulde 4 vorhandener
Innenbereich 23 des Kühlkanalkolbens 1 bezeichnet, wobei
diejenigen konstruktiven Maßnahmen
zeichnerisch nicht dargestellt worden sind, die die Zufuhr und den
Ablauf von Kühlmedium
zu dem zumindest einen Kühlkanal 21, 22 und
den Ablauf darstellen. Solche Maßnahmen (wie beispielsweise Öffnungen, Bohrungen
und dergleichen) sind an sich bekannt und können nach dem Zusammenfügen der
drei Teile 2, 3, 8 eingebracht werden.
Bezüglich
des Zusammenfügens
der drei Teile 2, 3, 8 ist noch auszuführen, dass
diese Teile separat voneinander aus dem gleichen Material oder aus
verschiedenen Materialien in ein und demselben Herstellverfahren
oder in voneinander abweichenden Verfahren gefertigt und anschließend zusammengefügt werden.
So wird beispielsweise zunächst
das dritte Teil 8 mit dem zweiten Teil 3 in einem
Reibschweißverfahren
zusammengefügt,
so dass die Fügestellen
innerhalb des zu dem Zeitpunkt noch nach oben offenen Kühlkanales 21 bearbeitet
werden können
(aber nicht müssen). Anschließend erfolgt
in vorteilhafter Weise ebenfalls in einem Reibschweißverfahren
das Zusammenfügen
der dann schon zusammengefügten
Teile 3, 8 mit dem ersten Teil 2, wobei
auch hier die Fügestellen bearbeitet
werden können
(aber ebenfalls nicht müssen).
Die Bearbeitung der Fügestellen
kommt dann in Betracht, wenn sie sich an Stellen befinden, die für den späteren Betrieb
des Kühlkanalkolbens 1 störend sind.
So werden gerade die Fügestellen
an der äußeren Oberfläche (Lauffläche) des
Kühlkanalkolbens 1 beseitigt.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
Kühlkanalkolbens
mit den drei Teilen 2, 3, 8, wobei hier
die beiden Fügebereiche 10, 13 in
der ersten Fügeebene 18 und
die weiteren Fügebereiche 9, 14 sowie 15, 17 in
der zweiten Fügeebene 19 miteinander
korrespondieren. Hinsichtlich Herstellung und Zusammenfügung der
genannten Teile gelten die genannten Ausführungen wie schon zu 1.
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3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel des
Kühlkanalkolbens 1,
wobei hier das erste Teil 2 derart gestaltet ist, dass
es nur einen Teil der Brennraummulde 4 bildet (im Gegensatz
zu 2, wo das erste Teil 2 die Brennraummulde 4 vollständig umfaßte). Die
in 3 gezeigte Gestaltungsform des ersten Teiles 2 hat
den Vorteil, dass es insbesondere aus einem wärmebeständigeren Material als das Teil 8 hergestellt
werden kann, um somit den Kolbenboden und vor allen Dingen auch
den Muldenrand der Brennraummulde 4 hitzebeständiger zu
gestalten, da in diesen Bereichen eine besondere Belastung des Kühlkanalkolbens 1 gegeben
ist. Aufgrund dieser Gestaltung der Teile 2, 3 und 8 korrespondieren
die Fügebereiche 9, 14 sowie 10, 13 in
der ersten Fügeebene 18 und
die Fügebereiche 15, 17 in
der zweiten Fügeebene
miteinander und sind so gestaltet, dass sich nur ein Kühlkanal 21 nach
dem Zusammenfügen ergibt.
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4 zeigt
ein viertes Ausführungsbeispiel des
Kühlkanalkolbens 1,
wobei wiederum die Teile 2, 3, 8 zusammen
den Kühlkanal 21 bilden,
wobei hier das dritte Teil 8 als Verbindungsteil zwischen
dem ersten Teil 2 und dem zweiten Teil 3 im Bereich
des Ringfeldes 5 ausgebildet ist. So korrespondieren die Fügebereiche 9, 12 in
der ersten Fügeebene 18,
die Fügebereiche 10, 15 in
der zweiten Fügeebene 19 sowie
die Fügebereiche 14, 16 in
der dritten Fügeebene 20 miteinander.
Auch hier ist wieder deutlich erkennbar, dass die einander zugewandten
Fügebereiche
der jeweiligen Teile in Lage und Form zueinander übereinstimmen.
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5 zeigt
eine Abwandlung von 4, wobei hier das erste Teil 2 und
das zweite Teil 3 so gestaltet sind, dass die Fügebereiche 14, 16 sowie 15, 19 gemeinsam
in der zweiten Fügeebene 19 liegen und
eine dritte Fügeebene
nicht vorhanden ist.
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Die 6 und 7 zeigen
den Kolben bzw. Kühlkanalkolben 1,
bei dem zumindest eines der Teile 2, 3, 8 als
Bewehrung für
eine Teiloberfläche
des Kolbens oder des Kühlkanalkolbens 1 ausgebildet ist.
In 6 ist dabei das Teil 8 als Bewehrung
für einen
Boden und in 7 als Bewehrung für den Muldenrand
der Brennraummulde 4 des Kolbens oder des Kühlkanalkolbens
(1) ausgebildet ist. Auch dieses Teil 8 wird insbesondere
im Reibschweissverfahren unlösbar
befestigt.
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- 1
- Kühlkanalkolben
- 2
- Erstes
Teil
- 3
- Zweites
Teil
- 4
- Brennraummulde
- 5
- Ringfeld
- 6
- Bolzenbohrung
- 7
- Kolbenschraft
- 8
- Drittes
Teil
- 9
- Fügebereich
- 10
- Fügebereich
- 11
- Fügebereich
- 12
- Fügebereich
- 13
- Fügebereich
- 14
- Fügebereich
- 15
- Fügebereich
- 16
- Fügebereich
- 17
- Erste
Fügeebene
- 18
- Zweite
Fügeebene
- 19
- Dritte
Fügeebene
- 20
- Kühlkanal
- 21
- Kühlkanal
- 22
- Innenbereich