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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Kolbenherstellungstechnologie
und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Verbrennungsmotorenkolbens,
der im Kolbenboden, der hohen Temperaturen ausgesetzt ist, einen
ringförmigen
Hohlraum zum Zirkulieren von Kühlfluid
aufweist.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Im
Allgemeinen bestehen Kolben, die in Verbrennungsmotoren wie beispielsweise
Dieselmotoren und Benzinmotoren verwendet werden, aus Aluminiumlegierungen
oder Gusseisen, und wenn der Motor läuft, so erreichen die Temperaturen
an der Oberseite des Kolbenbodens etwa 300°C bei Aluminiumkolben und etwa
500°C bei
Gusseisenkolben.
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Des
Weiteren erreichen die Ringnuten zur Montage der Kolbenringe ebenfalls
hohe Temperaturen, wenn der Motor läuft, und um negative Auswirkungen
auf die Funktion der Kolbenringe zu vermeiden, ist es notwendig,
diesen Temperaturanstieg zu verhindern. Aus diesem Grund wird üblicherweise
in diesem Bereich ein ringförmiger
Hohlraum zum Zirkulieren eines Kühlfluids
wie beispielsweise Öl
angeordnet.
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Solche
ringförmigen
Hohlräume
können
unter Verwendung eines leicht zerstörbaren Kerns gegossen werden,
der aus Sand oder dergleichen hergestellt ist, um den ringförmigen Hohlraum
zu bilden; aber die Arbeit des Formens des Kerns sowie des Zerstörens des
Kerns und seines Herausnehmens aus dem Gusskörper nach dem Gießen ist
schwierig, zeitaufwändig
und teuer.
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Des
Weiteren ist es beispielsweise aus der japanischen ungeprüften Patentanmeldung JP-2001-107803-A
bekannt, einen ringförmigen Hohlraum
zu bilden, indem der Bodensteg und das Hemd des Kolbenhauptkörpers in
separater Form individuell gegossen werden und der Bodensteg und das
Hemd an ihren Trennungsflächen
durch Druckschweißung
oder dergleichen miteinander verbunden werden.
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Dieses
Verfahren hat den Vorteil, dass der Kolbenhauptkörper – im Vergleich zu Einzelformprodukten – effizienter
hergestellt werden kann.
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Jedoch
besteht bei Verfahren wie beispielsweise dem, das in JP-2001-107803-A
beschrieben ist, das Problem, dass, wenn der Bodensteg und das Hemd
als zwei separate Teile miteinander druckverschweißt werden,
ein welliger Zunder am Rand der Druckschweißflächen entsteht. Die Größe dieses Zunders
ist proportional zum Betrag des angelegten Drucks, und wenn dieser
sehr groß wird,
so wird das Volumen des ringförmigen
Hohlraums, der im Inneren der Kontaktflächen gebildet wird, verkleinert,
was die Strömungseigenschaften
des Kühlfluids
verschlechtert, was zum Verbrennen des Kolbenbodens oder zum Klopfen
infolge der Überhitzung
des Kolbenbodens führen
kann.
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Der
erfindungsgemäße Gedanke
stützt
sich auf das oben angesprochene Szenario, und eine Aufgabe der Erfindung
ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur effizienten Herstellung
eines hochwertigen Verbrennungsmotorenkolbens mit einem ringförmigen Hohlraum,
der eine gute Zirkulation von Kühlfluid
gestattet.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Um
die oben dargelegte Aufgabe zu erreichen, stellt die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verbrennungsmotorenkolbens bereit,
wobei der Kolben eine Konstruktion aufweist, umfassend einen Kolbenhauptkörper, in
dem ein Kolbenboden mit einer Außenumfangsfläche, in
der mindestens eine Nut zur Aufnahme eines Kolbenrings ausgebildet
ist, und ein Kolbenhemd, das eine Fortsetzung des unteren Abschnitts
des Kolbenbodens ist, integral vereint sind, wobei der Kolbenboden
eine Oberseite aufweist, in der eine druckaufnehmende Ausnehmung
zur Ausbildung eines Brennraums angeordnet ist, und wobei ein ringförmiger Hohlraum zum
Zirkulieren von Kühlfluid
so angeordnet ist, dass er die druckaufnehmende Ausnehmung umgibt;
gekennzeichnet durch: Ausbilden einer Ringnut – zum Zweck der Herstellung
des ringförmigen
Hohlraums – am
Umfangsrand der Oberseite des Kolbenbodens oder im oberen Abschnitt
der Außenumfangsfläche des
Kolbenbodens; Ausbilden eines ringförmigen hervorspringenden Streifens
als eine Fortsetzung mindestens eines Randes der Öffnung der
Ringnut; und Ausbilden des ringförmigen
Hohlraums zum Zirkulieren von Kühlfluid,
dergestalt, dass er die druckaufnehmende Ausnehmung umgibt, durch
Anlegen von Druck an den hervorspringenden Streifen, dergestalt,
dass der hervorspringende Streifen in Richtung der Öffnung der
Ringnut gebogen wird und dadurch die Öffnung der Ringnut verschlossen
wird.
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Der
hervorspringende Streifen wird vorzugsweise in Richtung der Öffnung der
Ringnut gebogen, indem eine Druckwalze zum Anlegen einer Biegelast an
den hervorspringenden Streifen gedrückt wird, während der Kolbenhauptkörper gedreht
wird.
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Durch
Ausbilden einer Ringnut – zum
Zweck der Herstellung des ringförmigen
Hohlraums – am Umfangsrand
der Oberseite des Kolbenbodens oder im oberen Abschnitt der Außenumfangsfläche des Kolbenbodens;
Ausbilden eines ringförmigen
hervorspringenden Streifens als eine Fortsetzung mindestens eines
Randes der Öffnung
der Ringnut; und Ausbilden des ringförmigen Hohlraums zum Zirkulieren
von Kühlfluid,
dergestalt, dass er die druckaufnehmende Ausneh mung umgibt, durch
Anlegen von Druck an den hervorspringenden Streifen, dergestalt, dass
der hervorspringende Streifen in Richtung der Öffnung der Ringnut gebogen
wird und dadurch die Öffnung
der Ringnut verschlossen wird, gemäß der vorliegenden Erfindung
kann ein hochwertiger Verbrennungsmotorenkolben mit einem im Wesentlichen
abgedichteten ringförmigen
Hohlraum im Kolbenboden auf einfache Weise mit höherer Effizienz hergestellt
werden als durch ein komplexes Gießen des ringförmigen Hohlraums
unter Verwendung eines Kerns oder durch Reibschweißung zweiter
Teile. Dabei können
sich die hervorspringenden Streifen an nur einem Rand der Öffnung oder
an beiden Rändern der Öffnung befinden.
Im zuletzt genannten Fall werden sie aufeinander zu verbogen, um
die Ringnut zu verschließen.
Dabei können
sie aufeinander zu liegen kommen oder mit ihren freien Kanten gegeneinander
stoßen.
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Insbesondere
entsteht beim Ausbilden des ringförmigen Hohlraums durch Biegen
des hervorspringenden Streifens, der eine Fortsetzung eines Randes
der Öffnung
der Ringnut ist, kein welliger Zunder in dem ringförmigen Hohlraum,
so dass Kühlfluid
folglich verwirbelungsfrei darin strömt, wodurch ein Verbrennen
des Kolbenbodens und ein Klopfen vorbeugend verhindert werden können.
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Durch
Biegen des hervorspringenden Streifens in Richtung der Öffnung der
Ringnut, indem eine Druckwalze zum Anlegen einer Biegelast an den
hervorspringenden Streifen gedrückt
wird, während
der Kolbenhauptkörper
gedreht wird, gemäß Anspruch
2 ist es des Weiteren möglich,
den ringförmigen
Hohlraum effizient mit einer gleichmäßigen Querschnittsform entlang
seiner gesamten Länge
auszubilden.
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Für den Fall,
dass sich ein hervorspringender Streifen nur an einem Rand der Öffnung der
Ringnut befindet, kann der freie Rand des ringförmigen hervorspringenden Streifens
nach dem Umbiegen auf einem Absatz in einer dem Streifen gegenüberliegenden
Seitenwand der Ringnut zu liegen kommen, was zu einem noch besseren
Verschluss der Ringnut führt.
Vorteilhaft ist es auch nach einer noch anderen Ausgestaltung der
Erfindung, dass mindestens die zur Ringnut nächstliegende Nut, die zur Aufnahme
eines Kolbens dient, nach dem Umbiegen des hervorspringenden Streifens
ausgebildet wird, so dass die Gefahr beseitigt ist, dass sich diese
Nut durch Verbiegen des hervorspringenden Streifen wieder verzieht.
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Ein
weiteres Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 ist gekennzeichnet durch: Ausbilden einer
Ringnut – zum
Zweck der Herstellung des ringförmigen
Hohlraums – am
Umfangsrand der Oberseite des Kolbenbodens oder im oberen Abschnitt
der Außenumfangsfläche des
Kolbenbodens, derart, dass eine außen liegende Seitenwand der
Ringnut nach außen
geneigt ist und an ihrem freien Ende einen in Richtung der gegenüberliegenden
Seitenwand der Ringnut weisenden Ansatz besitzt; und Ausbilden des
ringförmigen
Hohlraums durch Anlegen von Druck an die außen liegende Seitenwand, derart,
dass diese so lange in Richtung der gegenüberliegenden Seitenwand verbogen
wird, bis der Ansatz an dieser zu liegen kommt und damit die Öffnung der
Ringnut verschließt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden anhand der folgenden Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen
besser verstanden.
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1 ist
ein Längsschnitt
durch einen Verbrennungsmotorenkolben gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein Längsschnitt
durch den Kolbenhauptkörper
vor dem Ausbilden des ringförmigen Hohlraums.
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3 ist
ein Längsschnitt,
der den Kolbenhauptkörper
nach dem Ausbilden des ringförmigen Hohlraums
zeigt.
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4 ist
eine vergrößerte teilweise
Schnittansicht, welche den Bereich zeigt, in dem der ringförmige Hohlraum
ausgebildet wird.
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5(A) ist eine vergrößerte teilweise Schnittansicht,
welche eine andere Ringnut zeigt; und 5(B) ist
eine vergrößerte teilweise
Schnittansicht, welche die Situation zeigt, wo die Öffnung eben
dieser Ringnut verschlossen ist.
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6 ist
ein erklärendes
Schaubild, das ein weiteres Beispiel der Ausbildung des ringförmigen Hohlraums
veranschaulicht.
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7 ist
ein erklärendes
Schaubild, das ein weiteres Beispiel der Ausbildung des ringförmigen Hohlraums
veranschaulicht.
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8 ist
ein erklärendes
Schaubild, das ein weiteres Beispiel der Ausbildung des ringförmigen Hohlraums
veranschaulicht.
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9 ist
ein erklärendes
Schaubild, das ein weiteres Beispiel der Ausbildung des ringförmigen Hohlraums
veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 ist
ein Längsschnitt,
der einen Verbrennungsmotorenkolben gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt. In 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 einen
zylindrischen Kolbenhauptkörper.
Dieser Kolbenhauptkörper 1 umfasst
einen Kolbenboden 2 und ein Hemd 3 als eine Fortsetzung
seines unteren Abschnitts und wird als ein einzelner integrierter Körper durch
Verfahren wie beispielsweise Schmieden, Gießen und Zerspanen hergestellt.
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Drei
durchgängige
Nuten 4A, 4B und 4C (Ringnuten) sind
in Umfangsrichtung in der Außenumfangsfläche des
Kolbenbodens 2 mit einem zuvor festgelegten Abstand voneinander
in axialer Richtung ausgebildet, wobei jede der Nuten 4A bis 4C so konfiguriert
ist, dass sie einen in der Zeichnung nicht gezeigten Kolbenring
aufnimmt.
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Des
Weiteren ist in der mittigen Region der Oberseite 2A (Kolbenkopf)
des Kolbenbodens 2 eine druckaufnehmende Ausnehmung 5 ausgebildet,
die zusammen mit einem in der Zeichnung nicht gezeigten Zylinderkopf
einen Brennraum bildet, wobei diese druckaufnehmende Ausnehmung 5 so
konfiguriert ist, dass Kraftstoff in sie eingespritzt werden kann.
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Insbesondere
ist ein ringförmiger
Hohlraum 6 so ausgebildet, dass er die druckaufnehmende Ausnehmung 5 in
dem Kolbenboden 2 umgibt. Dieser ringförmige Hohlraum 6 ist
mit Kühlfluid
(in dieser Ausführungsform Öl) gefüllt, und
dieses Kühlfluid strömt so in
dem ringförmigen
Hohlraums 6, dass es zwischen dem ringförmigen Hohlraum und einem (nicht
gezeigten) Ölkühler zirkuliert.
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Das
Hemd ist der Bereich unterhalb der untersten Nut 4C. Wie
der Name vermuten lässt,
ist dieser Abschnitt hohl, und in seiner Umfangswand ist ein Bolzenauge 7 ausgebildet,
durch das ein in der Zeichnung nicht gezeigter Kolbenbolzen geschoben wird.
Der dort hindurchgeschobene Kolbenbolzen ist mit einem Ende eines
in der Zeichnung nicht gezeigten Pleuels verbunden.
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Es
ist zu beachten, dass eine Ausnehmung 8, die das Entlangführen eines
in der Zeichnung nicht gezeigten Kanals ermöglicht, am Rand der unteren Öffnung des
Hemdes 3 ausge bildet ist. Der dort hindurch verlaufende
Kanal dient der Zuführung
von Kühlfluid
zum Inneren des ringförmigen
Hohlraums 6 und dem Abführen
von Kühlfluid
aus dem ringförmigen
Hohlraum 6. Es ist zu beachten, dass mit Ausnahme des Teils,
der an diesen Kanal angeschlossen ist, der in 1 gezeigte
ringförmige
Hohlraums 6 ein abgeschlossener Hohlraum ist.
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Im
Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kolben, wie er
beispielsweise oben beschrieben ist, dargelegt. Zuerst wird ein
Kolbenhauptkörper 1 in
der in 2 gezeigten Form hergestellt. Das heißt, mittels
Verfahren wie beispielsweise Schmieden, Gießen und Zerspanen wird ein
Kolbenhauptkörper 1 als
eine integrierte Konstruktion hergestellt, die einen Kolbenboden 2 und
ein Hemd 3 umfasst. Insbesondere wird eine Ringnut 9 ausgebildet, welche
die druckaufnehmende Ausnehmung 5 dergestalt umgibt, dass
sie letztendlich den ringförmigen Hohlraum 6 bildet,
wie es beispielsweise oben beschrieben wurde. Des Weiteren wird
ein ringförmiger hervorspringender
Streifen 10 als eine Fortsetzung eines Randes der Öffnung dieser
Ringnut 9 ausgebildet.
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Im
Fall eines solchen unfertigen Kolbenhauptkörpers 1 kann ein derartiger
ringförmiger
Hohlraum 6 auf einfache Weise durch Gießen ohne komplexe Kerne hergestellt
werden, oder er kann ohne Weiteres durch Verfahren wie beispielsweise Schmieden
oder Zerspanen hergestellt werden.
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Es
ist zu beachten, dass in 2 die Ringnut 9 am
Umfangsrand der Oberseite 2A des Kolbenbodens 2 dergestalt
ausgebildet ist, dass sie nach oben hin öffnet, während der hervorspringende
Streifen 10 entlang des außenseitigen Randes der Öffnung der Ringnut 9 ausgebildet
ist. Die vorliegende Erfindung ist allerdings nicht auf eine solche
Konfiguration beschränkt.
Wie weiter unten beschrieben wird, kann die Ringnut 9 auch
im oberen Abschnitt der Außenum fangsfläche des
Kolbenbodens 2 dergestalt ausgebildet werden, dass sie
nach der Seite hin öffnet.
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3 zeigt
die Situation, in der die Öffnung 9A der
Ringnut 9 geschlossen wurde, wodurch der ringförmige Hohlraum 6 fertiggestellt
ist. Wie aus 3 zu erkennen ist, wird, um
die Öffnung 9A der Ringnut
zu verschließen,
eine drehend angetriebene Druckwalze 11 gegen den hervorspringenden
Streifen 10 gedrückt,
während
sich der Kolbenhauptkörper 1 um
seine eigene Achse dreht, dergestalt, dass auf den Vorsprung Druck
aus einer Richtung, die senkrecht zu seiner Seitenfläche verläuft, in
Richtung der Öffnung 9A der
Ringnut ausgeübt
wird.
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Folglich
wird durch die Druckwalze 11 eine Biegelast auf den hervorspringenden
Streifen 10 ausgeübt,
und der hervorspringende Streifen 10 wird in Richtung der Öffnung 9A der
Ringnut gebogen. Somit wird die Öffnung 9A der
Ringnut durch den gebogenen hervorspringenden Streifen 10 dergestalt verschlossen,
dass der oben beschriebene ringförmige
Hohlraum 6 gebildet wird, der die druckaufnehmende Ausnehmung 5 umgibt.
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Somit
kann dank der vorliegenden Erfindung problemlos ein ringförmiger Hohlraum 6 gebildet
werden, ohne den Kolbenhauptkörper
in zwei Teile zu teilen oder komplizierte Kerne zu verwenden, wie
es herkömmlicherweise üblich war.
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Es
ist zu beachten, dass nach dem Biegen des hervorspringenden Streifens 10 die
Fuge 12 zwischen der Endfläche des hervorspringenden Streifens 10 und
der Innenwand der Ringnut 9 vorzugsweise verschweißt wird,
wie in 4 gezeigt. Auf diese Weise kann jedes Risiko vermieden
werden, dass Kühlfluid
(Öl) aus
der Fuge 12 austritt. Des Weiteren kann zum Schweißen der
Fuge 12 eine Schräge 10A, wie
beispielsweise in 4 gezeigt, am Ende des hervorspringenden
Streifens 10 zuvor dergestalt ausgebildet werden, dass an
der Fuge 12 eine Schrägflanke
zum Verschweißen
entsteht. Das Ausbilden der Schrägflanke
kann im Fall des Elektronenstrahlschweißens oder dergleichen weggelassen
werden.
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Des
Weiteren wird vorzugsweise, wie in 5(A) gezeigt,
in der Seitenwand der Ringnut 9, die dem hervorspringenden
Streifen gegenüber
liegt, an der Öffnung 9A der
Ringnut 9 (der Innenwand) in dem Kolbenhauptkörper 1 zuvor
ein Absatz 9B ausgebildet. Auf diese Weise sitzt, wie in 5(B) gezeigt, das Ende des hervorspringenden
Streifens 10 fest an dem Absatz 9B, wenn der hervorspringende Streifen 10 gebogen
wurde, was eine bessere Abdichtung des resultierenden ringförmigen Hohlraums 6 ermöglicht.
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Es
wurden oben geeignete Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben, aber die vorliegende Erfindung
ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Der hervorspringende
Streifen 10 kann auch mittels einer Presse oder eines Hammers
ohne Rotation des Kolbenhauptkörpers 1 gebogen
werden. Des Weiteren ist in den oben beschriebenen Ausführungsformen die
Ringnut 9 am Umfangsrand der Oberseite 2A (Kolbenkopf)
des Kolbenbodens 2 ausgebildet, und der hervorspringende
Streifen 10 stellt eine Fortsetzung des außenseitigen
Randes der Öffnung
dar, aber diese können
auch gemäß den folgenden
Ausführungsformen
angeordnet werden.
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6 zeigt
eine Variante der Erfindung. Hier ist als Beispiel die Ringnut 9 am
Umfangsrand der Oberseite 2a des Kolbenbodens 2 vorhanden.
Die Ringnut 9 liegt koaxial zur Kolbenlängsachse und weist eine außen liegende
Seitenwand 10 auf, die ein wenig nach außen geneigt
ist. An ihrem freien Ende besitzt die nach außen geneigte Seitenwand 10 einen
Ansatz 10a, der sich in Richtung der gegenüberliegenden
Seitenwand der Ringnut 9 erstreckt, ohne diese jedoch zunächst zu
erreichen. In diesem Zustand ist die Ringnut 9 noch offen.
Wird jetzt von außen
in radialer Kolbenrichtung Druck auf die nach außen geneigte Seitenwand 10 ausgeübt, so wird
sie nach innen in Richtung Kolbenzentrum verbogen und nimmt dabei
den Ansatz 10a mit, und zwar so lange, bis der Ansatz 10a an
der der Seitenwand 10 gegenüberliegenden Seitenwand der
Ringnut 9 zu liegen kommt. Jetzt ist die Öffnung 9A der
Ringnut 9 zur Bildung des ringförmigen Hohlraums 6 verschlossen. Alternativ
kann sich die Ringnut 9 auch im oberen Abschnitt der Außenumfangsfläche des
Kolbenbodens 2 befinden, so dass sie dann in 6 in
horizontaler Richtung zu liegen käme, so dass sich dann die Öffnung 9A in
der Umfangswand des Kolbenbodens befinden würde. Die nach außen geneigte
Seitenwand läge
dann oberhalb der Ringnut 9 in 6, und der Ansatz 10a würde sich
nach unten ertrecken.
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7 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der die Ringnut 9 in dem Kolbenkopf 2A ausgebildet
ist und der hervorspringende Streifen 10 als eine Fortsetzung
des innenseitigen Randes ihrer Öffnung
ausgebildet ist. 8 und 9 zeigen
Ausführungsformen,
bei denen die Ringnut 9 als eine seitliche Öffnung im
oberen Abschnitt der Außenumfangsfläche des
Kolbenbodens 2 ausgebildet ist. Wie bei den oben beschriebenen
Ausführungsformen
kann der hervorspringende Streifen 10 mittels einer Druckwalze 11 oder
dergleichen gebogen werden, und die Öffnung 9A der Ringnut 9 kann
gleichermaßen
dergestalt verschlossen werden, dass ein ringförmiger Hohlraum 6 entsteht,
wie in 1 gezeigt.
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Es
ist zu beachten, dass bei den in 6, 8 und 9 gezeigten
Ausführungsformen
die oberste Nut 4A zuvor in der Außenumfangsfläche des
hervorspringenden Streifens 10 ausgebildet werden kann.
Um aber Defekte in der Gestalt der Nuten 4A bis 4C durch
eine plastische Verformung infolge des an den hervorspringenden
Streifen 10 angelegten Drucks zu vermeiden, ist es bevorzugt,
dass nach dem Ausbilden des ringförmigen Hohlraums 6 durch Biegen
des hervorspringenden Streifens 10 die Nut 4A in
der Außenum fangsseite
des gebogenen hervorspringenden Streifens 10 und die darunter
befindlichen Nuten 4B und 4C nacheinander durch
Spanen ausgebildet werden, wodurch die Nuten 4A bis 4C maschinell
in eine geeignete Form gebracht werden können, während der Bodensteg neben dem
ringförmigen
Hohlraum 6 vorteilhaft gekühlt wird.
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Des
Weiteren ist es bei den in den 6 bis 9 gezeigten
Varianten gleichermaßen
bevorzugt, dass an der Seitenwand der Ringnut 9, die dem hervorspringenden
Streifen 10 gegenüberliegt,
an der Öffnung 9A der
Ringnut 9 zuvor ein Absatz ausgebildet wird (in den 6 bis 9 ist
dieser Absatz nicht veranschaulicht), dergestalt, dass das Ende
des gebogenen hervorspringenden Streifens 10 fest an diesem
Absatz anliegt.