DE102005030556A1

DE102005030556A1 - Mehrteiliger Kolben und Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Kolbens

Info

Publication number: DE102005030556A1
Application number: DE200510030556
Authority: DE
Inventors: Andreas Mozzi
Original assignee: Mozzi Andreas Dipl-Ing
Current assignee: Mozzi Andreas Dipl-Ing
Priority date: 2005-06-22
Filing date: 2005-06-22
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2025-06-23
Also published as: DE102005030556B8; WO2007025581A1; DE102005030556B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen Kolben mit wenigstens einem Oberteil und einem Unterteil mit einem Kolbenhemd, das eine Umfangslauffläche bildet, wobei das Oberteil zumindest einen Teil eines Kolbenbodens des Kolbens bildet und wobei das Unterteil aus einem ersten Material und das Oberteil aus einem zweiten Material besteht. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Oberteil 42 mittels wenigstens eines Hinterschnitts am Unterteil und/oder Oberteil formschlüssig mit dem Unterteil 58 verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen Kolben mit wenigstens einem Oberteil und einem Unterteil mit einem Kolbenhemd, das eine Umfangslauffläche bildet, wobei das Oberteil zumindest einen Teil eines Kolbenbodens des Kolbens bildet und wobei das Unterteil aus einem ersten Material und das Oberteil aus einem zweiten Material besteht.

Derartige mehrteilige Kolben sind beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 32 48 925 C2 bekannt. Darin ist ein Kolben mit einem Einsatz beschrieben, wobei ein Kolbenmantel des Kolbens eine Umfangslauffläche bildet und als Aufnahme für den Einsatz herangezogen wird. Der Kolbenmantel ist aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt, wohingegen der Einsatz aus austenitischem Gusseisen, Stahl oder einem anderen Werkstoff mit im Wesentlichen gleichen thermischen Werkstoffeigenschaften wie der Werkstoff des Kolbenmantels besteht. Der Einsatz ist mittels eines Presssitzes in seiner Position im Kolbenmantel gehalten. Er erstreckt sich so weit in das Innere des Kolbenmantels, dass eine am Einsatz vorgesehene Bohrung deckungsgleich mit Kolbenbolzenaugen des Kolbenmantels ausgerichtet werden kann. In die Kolbenbolzenaugen und die Bohrungen kann dann ein Bolzen zur Befestigung des Kolbens an einer Pleuelstange eingebracht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen mehrteiligen Kolben der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Herstellung vereinfacht ist. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit zu schaffen, einen mehrteiligen Kolben der eingangs genannten Art als Nachrüstlösung zu schaffen, die auf konventionellen einteiligen Kolben aufbaut.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen mehrteiligen Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 beziehungsweise einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im folgenden näher erläutert. Manche der nachfolgend aufgezählten Merkmale und Eigenschaften treffen sowohl auf den mehrteiligen Kolben als auch auf das Verfahren zur Herstellung des mehrteiligen Kolbens zu. Sie werden teilweise nur einmal beschrieben, gelten jedoch unabhängig voneinander sowohl für den mehrteiligen Kolben als auch das Herstellungsverfahren.

Erfindungsgemäß ist hierzu ein mehrteiliger Kolben mit wenigstens einem Oberteil und einem Unterteil mit einem Kolbenhemd vorgesehen, das eine Umfangslauffläche bildet, wobei das Oberteil zumindest einen Teil eines Kolbenbodens des Kolbens bildet und wobei das Unterteil aus einem ersten Material und das Oberteil aus einem zweiten Material besteht, und wobei das Oberteil mittels wenigstens eines Hinterschnitts am Unterteil und/oder Oberteil formschlüssig mit dem Unterteil verbunden ist.

Als Formschluss wird hier eine Verbindung verstanden, bei der wenigstens zwei zu verbindende Bauteile mechanisch ineinander greifen und aufgrund ihrer geometrischen Form der zu verbindenden Bauteile im Verbindungsbereich die Verbindung bestehen bleibt. Die Verbindung wird auch dann aufrechet erhalten, wenn keine Kraftübertragung zwischen den zu verbindenden Bauteilen besteht beziehungsweise die Kraftübertragung zwischen den zu verbindenden Bauteilen unterbrochen ist. Formschlüssige Verbindungen sind beispielsweise Nietverbindungen, Schwalbenschwanzverbindungen oder die genannte Verbindung mittels Hinterschnitt.

Der erfindungsgemäße Formschluss zwischen Oberteil und Unterteil ist so ausgebildet, dass der Formschluss den Kräften entgegenwirkt, denen die Kolben bei den Arbeitstakten eines Motors unterworfen sind. Dies sind hauptsächlich Kräfte, deren Vektor weitestgehend parallel zu einer Mittellängsachse des Kolbens verläuft.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Formschlusses kann dabei auf verschiedenen Arten erfolgen. Zum Einen kann ein bestehendes, bereits gefertigtes Oberteil bei der Herstellung des Unterteils in das Unterteil eingegossen oder während eines Sintervorgangs eingepresst werden.

Ein erfindungsgemäßer mehrteiliger Kolben kann auch derart hergestellt werden, dass ein bestehendes und bereits gefertigtes Oberteil in einer Ausnehmung an einem bestehenden Unterteil befestigt werden, beispielsweise mittels Umgießen des Oberteils in seiner Position in der Ausnehmung im Unterteil oder mittels Auftragsschweißen.

Eine weitere Möglichkeit der Herstellung eines erfindungsgemäßen mehrteiligen Kolbens besteht darin, ein bestehendes Unterteil mit einer Ausnehmung zu versehen, beispielsweise mittels Ausdrehen oder Ausbohren. In die entstandene Ausnehmung wird dann ein fließfähiger Werkstoff gefüllt, der im erstarrten Zustand das Oberteil bildet. Die Ausnehmung im Unterteil dient dabei als Gussform mit der negativen Ausgestaltung des Oberteils. Um einen Formschluss mittels eines Hinterschnitts zu erzeugen, können die Flanken der Ausnehmung beispielsweise noch mit Ausnehmungen versehen werden, beispielsweise Nuten oder quer zur Kolbenhochachse verlaufenden Bohrungen versehen werden.

Die beiden letztgenannten Möglichkeiten sind besonders für eine Umrüstung eines bestehenden einteiligen Kolbens zu einem mehrteiligen Kolben vorteilhaft, da der bestehende Kolben lediglich mit einer Ausnehmung, beispielsweise durch Ausdrehen oder Ausbohren, versehen werden muss.

Für die Nachrüstung eines konventionellen einteiligen Kolbens kann der Formschluss zwischen dem Oberteil und dem Unterteil weiterhin dadurch hergestellt werden, dass ein Oberteilrohling in ein vorbereitetes Unterteil eingesetzt wird. Zur Vorbereitung ist dazu das Einbringen einer Ausnehmung in das Unterteil vorzunehmen, in die der Oberteilrohling dann eingelegt wird. Um das Oberteil in seiner Position mittels Formschluss zu fixieren, kann dann beispielsweise ein Bereich des Oberteils kaltverformt werden, damit das Oberteil das Unterteil zumindest abschnittsweise umschließt. Die Kaltverformung kann mittels eines Press- oder Prägevorgangs erzeugt werden, wodurch ein Abschnitt des Oberteils oder Unterteils so verformt wird, dass ein Formschluss zwischen Oberteil und Unterteil entsteht.

Der erfindungsgemäße mehrteilige Kolben findet vorzugsweise in einem Zwei-Takt-Motor Verwendung. Er kann jedoch ebenfalls in jedem anderen Verbrennungsmotor verwendet werden, in dem Kolben in einem Zylinder bewegt werden, beispielsweise Dieselmotoren oder Vier-Takt-Motoren.

In einer Weiterbildung der Erfindung bestehen das Oberteil und das Unterteil aus nicht lötbaren oder schweißbaren Materialien, insbesondere aus Titan und Aluminium oder Legierungen beziehungsweise Verbindungen mit Titan und mit Aluminium.

Dadurch, dass das Oberteil nicht mit dem Unterteil verlötet oder verschweißt werden kann, und mit Ausnahme einer Klebverbindung somit nicht stoffschlüssig mit dem Unterteil verbindbar ist, sind das Oberteil und das Unterteil immer derart getrennt, dass keine Wärmebrücke oder zumindest gegenüber Vollmaterial sehr schlechter Wärmeübergang besteht. Dadurch kann im Betrieb des Kolbens das Unterteil gegenüber dem Oberteil vergleichsweise kühl gehalten werden.

In Weiterbildung der Erfindung weist ein zwischen dem Oberteil und dem Unterteil bestehender Übergang eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit auf, als das Material des Unterteils, insbesondere zwischen 5% und 60% geringer.

Die geringe Wärmeleitfähigkeit des Übergangs zwischen Oberteil und Unterteil verringert vorteilhaft die Erwärmung des Unterteils während des Betriebs. Dadurch kann beispielsweise das Kraftstoff-Öl-Gemisch für einen Zwei-Takt-Motor deutlich weniger Öl aufweisen als bei der Verwendung konventioneller einteiliger Kolben.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Hinterschnitt an einem Fixierabschnitt des Unterteils ausgebildet.

Durch die Ausbildung des Hinterschnitts an einem Fixierabschnitt entsteht eine sichere und stabile Verbindung zwischen Oberteil und Unterteil. Der Fixierabschnitt kann mittels der bereits genannten Prägung und der damit verbundenen Materialverdrängung am Oberteil ausgebildet sein. Weiterhin kann der Fixierabschnitt durch Aufbringen eines fließfähigen Materials erfolgen, das sich mit dem Unterteil stoffschlüssig verbindet, jedoch nicht mit dem Oberteil. Diese Möglichkeiten eignen sich besonders für die Nachrüstung eines bestehenden Kolbens zu einem erfindungsgemäßen mehrteiligen Kolben und kann beispielsweise durch Auftragsschweißen am Unterteil oder Oberteil realisiert werden.

Schließlich kann der Fixierabschnitt auch mittels eines Gieß- oder Sinterverfahrens zur Herstellung des Unterteils erzeugt werden, wobei während des Gieß- oder Sinterverfahrens das Oberteil vom Material des Unterteils umschlossen wird.

Der Hinterschnitt kann am Oberteil und/oder Unterteil beispielsweise mittels vollständig oder teilweise umlaufenden Vorsprüngen, mittels zapfenartiger Vorsprünge und/oder mittels Zacken und Einkerbungen realisiert sein.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Fixierabschnitt als umlaufender Vorsprung des Unterteils ausgebildet.

Dadurch erhält man eine allseitige und gleichmäßige Kraftübertragung zwischen Oberteil und Unterteil und eine stabile Verbindung.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind das Unterteil und der Fixierabschnitt stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere mittels Schweißen.

Die Verbindung zwischen dem Oberteil und dem Fixierabschnitt wird durch das stoffschlüssige Verbinden gesichert, wenn beispielsweise der Fixierabschnitt mittels Einschrauben oder Einpressen im Oberteil befestigt wird. Dadurch werden vorteilhaft die Kräfte, die durch die Trägheit der Masse des Fixierabschnitts beispielsweise an den Umkehrpunkten des Kolbens bei seinen Arbeitsschritten entstehen, besser und sicherer in das Unterteil abgeleitet. Das Unterteil und der Fixierabschnitt werden dadurch einstückig beziehungsweise einteilig.

In Weiterbildung der Erfindung wird der Fixierabschnitt des Unterteils wenigstens abschnittsweise mittels Auftragsschweißen gebildet.

Das Auftragsschweißen stellt sich besonders vorteilhaft bei der Nachrüstung eines konventionellen Kolbens dar. Dazu wird die Ausnehmung am Oberteil beispielsweise so ausgebildet, dass das Oberteil problemlos eingesetzt werden kann. Nach Einsetzen des Oberteils wird mittels Auftragsschweißen ein Hinterschnitt, beispielsweise an einem umlaufenden, in Richtung auf das Oberteil vorragenden Vorsprung am Unterteil ausgebildet. Um die Oberflächengeometrie des mehrteiligen Kolbens der Oberflächengeometrie des ursprünglich einteiligen Kolbens wieder anzugleichen, kann der mehrteilige Kolben dann beispielsweise abgedreht oder abgeschliffen werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Oberteil kraftschlüssig und formschlüssig mit dem Unterteil verbunden.

Als Kraftschluss wird hier eine Verbindung zwischen wenigstens zwei zu verbindenden Bauteilen verstanden, bei der die Verbindung zwischen den verbundenen Bauteilen ausschließlich durch wirkende Kräfte aufrechterhalten wird. So sind beispielsweise eine angezogene Schraube, ein eingeschlagener Nagel, ein Keilriemen sowie eine Presspassung kraftschlüssige Verbindungen.

Der Kraftschluss zwischen Oberteil und Unterteil kann beispielsweise und vorteilhaft mittels Verschrauben des Oberteils mit dem Unterteil erzeugt werden. Dies ist deswegen vorteilhaft, da bei der Nachrüstung eines einteiligen Kolbens mit einem erfindungsgemäßen Oberteil am Un terteil lediglich ein Gewinde vorgesehen werden muss. Das Unterteil muss dann im eingeschraubten Zustand bei der Erzeugung des Formschlusses nicht zusätzlich in seiner Position fixiert werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Oberteil mit einem Außengewinde und/oder einem Innengewinde versehen. Das Innengewinde und/oder Außengewinde ist am Unterteil in einem Bereich vorgesehen, der dem Oberteil zugewandt ist, und ist für den Eingriff mit dem Außengewinde beziehungsweise Innengewinde des Oberteils vorgesehen.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Oberteil eine zumindest teilweise umlaufende Schulter zur Auflage auf dem Unterteil auf.

Die Schulter ermöglich das Verspannen des Oberteils mit dem Unterteil mittels des Gewindes, um den Kraftschluss zu erzeugen. Weiterhin ermöglicht die Schulter am Oberteil eine definierbare Einschraubtiefe, so dass die Eindringtiefe des Oberteils am Unterteil, und somit auch die Auskraglänge des Oberteils vom Unterteil, nicht mittels eines Messvorgangs bestimmt oder eingestellt werden muss.

In Weiterbildung der Erfindung ragt ein mit einem Gewinde versehener Abschnitt des Oberteils zumindest teilweise in einen Innenraum des Unterteils. Im Innenraum des Unterteils ist ein Konterstück mit einem Gewinde vorgesehen, das in das Gewinde des Oberteils eingreift. Das Konterstück ist stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und zumindest abschnittsweise mit dem Unterteil verbunden.

Diese Weiterbildung ist besonders vorteilhaft für die Nachrüstung von Kolben mit großen Massen für Zylinder mit großen Hubräumen. Dazu werden in die Kolben Ausnehmungen eingebracht, beispielsweise mittels Bohren und/oder Fräsen, die sich bis in den Innenraum des Kolbens erstrecken. Als Innenraum des Kolbens wird das vom Kolben umschlos sene Volumen bezeichnet, in dem jedoch kein Kolbenmaterial vorhanden ist. Die Ausnehmung wird anschließend mit einem Innengewinde versehen, das mit einem Außengewinde an einem Oberteil in Eingriff gebracht wird. Das Oberteil wird so weit in das Unterteil eingeschraubt, bis einerseits eine am Oberteil vorgesehene Schulter am Oberteil aufliegt und andererseits ein Abschnitt des Unterteils in den Innenraum des Oberteils ragt. Dadurch ist das Oberteil von der Unterseite des Unterteils her zugänglich. Das Oberteil wird in dieser Position mit dem Konterstück in Eingriff gebracht, vorzugsweise verschraubt, wobei das Konterstück aus einem Material gefertigt ist, das ähnliche oder zumindest weitestgehend gleiche Eigenschaften aufweist wie das Material des Unterteils, so dass Konterstück und Unterteil verschweißt werden können. Konterstück und Oberteil können beispielsweise mittels Gewinde miteinander verbunden werden, wobei am Oberteil dazu entweder ein weiteres Gewinde vorzusehen ist oder ein aus der Ausnehmung des Oberteils herausragenden Teil des bereits erwähnten Außengewindes herangezogen wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem mit einem Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Kolbens mit einem Unterteil mit einem Kolbenhemd, das eine Umfangslauffläche bildet, und einem Oberteil gelöst, das zumindest einen Teil eines Kolbenbodens des Kolbens bildet, wobei das Oberteil mit dem Unterteil formschlüssig verbunden wird, mittels wenigstens eines Hinterschnitts am Oberteil und/oder Unterteil.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum formschlüssigen Verbinden des Oberteils mit dem Unterteil ein Fixierabschnitt mit einem Hinterschnitt am Unterteil ausgebildet, wobei das Oberteil im mit dem Unterteil verbundenen Zustand in den Hinterschnitt eingreift. In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Hinterschnitt vorteilhafterweise wenigstens abschnittsweise mittels Auftragsschweißen ausgebildet.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Kolbens mit einem Unterteil mit einem Kolbenhemd, das eine Umfangslauffläche bildet, und einem Oberteil, das zumindest einen Teil eines Kolbenbodens des Kolbens bildet, gelöst, bei dem das Oberteil in einer Kolbennegativform im Bereich eines zu bildenden Kolbenbodens positioniert wird und die Kolbennegativform mit fließfähigem Material, insbesondere einer Metallschmelze, zum Herstellen eines Formschlusses zwischen Oberteil und Unterteil ausgefüllt wird.

Anstatt der Metallschmelze kann auch eine Keramik, ein Verbundstoff oder beispielsweise ein sinterbarer Rohstoff verwendet werden. Als Fließen wird hier ein eigenständiges Ausbreiten eines frei auf einer Unterlage aufgebrachten Werkstoffes bis zu einem Zustand des Werkstoffes bezeichnet, in dem Kräfte, die innerhalb des Werkstoffes wirken, ein weiteres Ausbreiten verhindern.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Ausfüllen der Kolbennegativform wenigstens ein Hinterschnitt am Unterteil ausgebildet, in den das Oberteil eingreift.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, die anhand der Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Oberteil für einen erfindungsgemäßen Kolben gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 einen fertig montierten mehrteiligen Kolben entsprechend einer ersten Ausführungsform mit dem Oberteil gemäß 1,
3 ein Oberteil für einen erfindungsgemäßen Kolben gemäß einer zweiten Ausführungsform,
4 einen fertig montierten mehrteiligen Kolben entsprechend einer zweiten Ausführungsform mit dem Oberteil gemäß 3,
5 ein Oberteil für einen erfindungsgemäßen Kolben gemäß einer dritten Ausführungsform,
6 einen fertig montierten mehrteiligen Kolben entsprechend einer dritten Ausführungsform mit dem Oberteil gemäß 5,
7 ein Oberteil für einen erfindungsgemäßen Kolben gemäß einer vierten Ausführungsform,
8 einen fertig montierten mehrteiligen Kolben entsprechend einer vierten Ausführungsform mit dem Oberteil gemäß 7,
9 ein Oberteil für einen erfindungsgemäßen Kolben gemäß einer fünften Ausführungsform,
10 einen fertig montierten mehrteiligen Kolben entsprechend einer fünften Ausführungsform mit dem Oberteil gemäß 7,
11 ein Oberteil gemäß 1,
12 einen mehrteiligen Kolben gemäß einer sechsten Ausführungsform mit einem Unterteil, in das das Oberteil gemäß 1 eingesetzt ist,
13 ein Oberteil für einen erfindungsgemäßen Kolben gemäß einer siebten Ausführungsform,
14 einen mehrteiligen Kolben gemäß einer siebten Ausführungsform mit einem Unterteil, in das das Oberteil gemäß 13 eingesetzt ist,
15 einen mehrteiligen Kolben einer achten Ausführungsform entsprechend, und
16 einen mehrteiligen Kolben einer neunten Ausführungsform entsprechend.
Das in 1 dargestellte Oberteil 10 weist eine scheibenförmige Grundgestalt auf, deren äußere Form zumindest annähernd und vorzugsweise der äußeren Form eines Unterteils entspricht, in das das Oberteil eingesetzt werden soll. Das Oberteil 10 weist eine Unterseite 11 auf, ist rotationssymmetrisch um eine Mittelachse 12 ausgebildet und weist weiter eine Oberseite 13 auf. Das Oberteil 10 kann jedoch ebenfalls beispielsweise ein mehrseitiges Prisma sein.
Ein Randbereich 14 des Unterteils 10 weist eine Flanke 16 auf, die zumindest annähernd senkrecht zur Oberseite 13 des Oberteils 10 ausgerichtet ist, wobei die Oberseite 13 des Oberteils 10 parallel zur Unterseite 11 des Oberteils 10 ausgerichtet ist. Die Flanke 16 geht in einen schräg auslaufenden Abschnitt 20 über, wobei die Flanke 16 und der Abschnitt 20 einen Winkel α zwischen 90° und 180° einschließen, vorzugsweise einen Winkel α = 135°.
Ein mehrteiliger Kolben 22, wie er in 2 dargestellt ist, weist das Oberteil 10 gemäß 1 sowie ein Unterteil 24 auf. Das Unterteil 24 weist ein Kolbenhemd 26 auf, wobei das Kolbenhemd 26 eine um die Mit telachse 12 rotationssymmetrische Umfangslauffläche 28 bildet. Wie bei konventionellen Kolben üblich, kann die Umfangslauffläche auch einer Ellipsenform folgen. Der erfindungsgemäße Kolben erwärmt sich aber im Bereich des Kolbenhemdes 26 wesentlich weniger stark als ein konventioneller Kolben, so dass im Betrieb auch die Abweichungen von der kalten Ausgangsform deutlich geringer ausfallen und daher rotationssymmetrische Umfangslaufflächen verwendet werden können. Das Oberteil 10 ist derart in das Unterteil 24 eingesetzt, dass das Oberteil 10 zumindest einen Teil eines Kolbenbodens 30 bildet.
Das Unterteil 24 weist im Bereich des Kolbenbodens 30 einen Fixierabschnitt 34 auf, der mit den schrägen Abschnitt 20 des Oberteils 10 in Eingriff steht, wobei der Fixierabschnitt 34 dazu einen Hinterschnitt 36 bildet, mittels dem das Oberteil 10 formschlüssig in seiner Position gehalten wird. Oberteil 10 und Unterteil 22 sind jedoch nicht stoffschlüssig verbunden und auch nicht durch Löten oder Schweißen verbindbar. So besteht das Oberteil 10 beispielsweise aus Titan oder einer Titanlegierung oder Titanverbindung, das Unterteil 24 dahingegen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder Aluminiumverbindung. Dadurch wird ein schlechter Wärmeübergang zwischen Oberteil 10 und Unterteil 24 realisiert, obwohl das Oberteil 10 formschlüssig und unverrückbar am Unterteil 24 gehalten ist.
Das Unterteil 24 ist in dem Bereich, in dem die Oberseite 13 des Oberteils 10 in eine Außenfläche 38 des Unterteils 24 übergeht, mit einer vom Unterteil 24 wegweisenden Fase versehen. Die Fase kann bis direkt an das Oberteil 10 heranreichen. Es kann jedoch ebenfalls vorgesehen sein, dass der ebene Verlauf des Oberteils 10 vor der Fase noch vom Unterteil 24 fortgeführt wird.
Ein in 3 gezeigtes Oberteil 42 weist eine Oberseite 44 und eine Unterseite 46 auf, wobei die Oberseite 44 von der Unterseite 46 ausgehend nach außen gewölbt ist. Die Unterseite 46 verläuft parallel zur Oberseite 44, geht jedoch im Randbereich des Oberteils 42 in eine ringartige Standfläche 48 über.
Im Unterschied zum Oberteil gemäß 1 zeigt sich beim Oberteil 42 ist die Flanke 54 treppenartig ausgebildet. So kann ein Fixierabschnitt 56 eines Unterteils 58 gemäß 4 mit den Stufen der Flanke 54 einen Hinterschnitt bilden. Der Fixierabschnitt 56 ist vorzugsweise als umlaufender Vorsprung 60 am Unterteil 58 ausgebildet. Durch den Eingriff der umlaufenden Flanke 54 in den vom Fixierabschnitt 56 ausgebildeten Hinterschnitt wird das Oberteil 42 formschlüssig am Unterteil 58 gehalten.
Weiterhin weist das Unterteil 58 gemäß 4 an seinem einen Abschnitt des Kolbenbodens bildenden Rand 62 eine Oberflächengeometrie auf, die die Wölbung der Oberseite 44 des Oberteils 42 fortführt.
In 5 ist ein Oberteil 64 abgebildet, das ähnlich zu den Oberteilen gemäß 1 und 3 ausgebildet ist. Die Flanken 66 des Oberteils 64 sind jedoch von der Oberseite 68 des Oberteils 64, die einen Abschnitt des Kolbenbodens bildet, steil abfallend ausgebildet. Dabei schließen die Oberseite 68 und die Flanken 66 einen Winkel β ein, der zwischen 0° und 90° liegt, vorzugsweise etwa 45°.
Ein mehrteiliger Kolben 70 gemäß 6 weist einen weitestgehend gleichen Aufbau auf wie die Kolben gemäß 2 und 4. Im Unterschied zu den vorherig beschriebenen Kolben wird beim Kolben 70 jedoch die ebene Oberseite 68 des Oberteils 64 fluchtend vom oberen Rand des Unterteils fortgesetzt.
Ein Oberteil 72 gemäß 7 ist ähnlich aufgebaut wie das Oberteil gemäß 3, zusätzlich ist am Oberteil 72 aber noch ein Ankerring 74 oder Ankerringabschnitte vorgesehen, der von einer Unterseite 76 des Oberteils 72 ausgeht. Der Ankerring 74 weist im Querschnitt der 7 gesehen einen Steg 78 auf, der etwa parallel zu einer Mittelachse 73 des Oberteils 72 angeordnet ist und weitestgehend parallel zueinander orientierte Flanken 80 aufweist. An die Flanken 80 schließt sich ein Ring 82 oder Ringabschnitt mit etwa dreiecksförmigem Querschnitt an, wobei das Dreieck etwa gleichseitig ausgebildet und mittig am freien Ende des Stegs 78 angeordnet ist.
Die 8 zeigt das Oberteil 72 verbunden mit einem Unterteil 84. Der Ankerring 74 ist dabei vollständig vom Material des Unterteils 84 eingeschlossen, so dass mehrere Bereiche 86 entstehen, in denen Hinterschnitte 88 zur Fixierung des Oberteils 72 am Unterteil 84 entstehen, speziell wird das Oberteil 72 zusätzlich zum Formschluss im Bereich des Kolbenbodens durch den weiteren Formschluss zwischen Unterteil 84 und Oberteil 72 im Bereich des Ankerrings 74 auch bei höchsten Kolbenbeschleunigungen sicher am Unterteil 84 gehalten.
Ein Oberteil 90 gemäß 9 ist ähnlich aufgebaut wie das Oberteil gemäß 5. Zusätzlich ist am Oberteil 90 ein Ankerring 92 oder Ankerringabschnitt vorgesehen, der in der Querschnittsfläche einen Steg 94 und einen Vorsprung 96 aufweist, wobei der Vorsprung 96 eine dreieckförmige Querschnittsfläche aufweist und an der Außenseite 98 des Stegs 94 angeordnet ist.
Das Oberteil 90 wird, wie in 10 dargestellt, mit einem Unterteil 100 in Eingriff gebracht. Dabei werden der Ankerring 92 und die Flanken 102 des Oberteils 90 vom Unterteil 100 umschlossen, wodurch in den Bereichen 104 Hinterschnitte gebildet werden und das Oberteil 90 formschlüssig am Unterteil 100 gehalten wird.
Die mehrteiligen Kolben gemäß 2, 4, 6, 8 und 10 werden vorzugsweise mittels eines Gießvorgangs hergestellt. Dabei werden die Oberteile 10, 42, 64, 72, 90 so in einer Kolbennegativform positioniert, dass die Position derjenigen entspricht, die die Oberteile 10, 42, 64, 72, 90 im montierten Zustand innehaben. Anschließend wird die Kolbenegativform mit einem fließfähigen Material, wie beispielsweise einer Metallschmelze, einer Keramik oder einem Verbundwerkstoff, ausgefüllt und die Oberteile 10, 42, 64, 72, 90 werden teilweise vom fließfähigen Material umschlossen. Dieses Verfahren eignet sich beispielsweise zur Produktion von neuen mehrteiligen Kolben.
Eine weitere Möglichkeit der Herstellung eines erfindungsgemäßen mehrteiligen Kolbens ist in den 12, 14 und 16 dargestellt und kann aber auch auf mehrteilige Kolben angewandt werden, wie sie in 2, 4 und 6 dargestellt sind.
Ein Oberteil 106 gemäß 11, das ähnlich aufgebaut ist wie das Oberteil gemäß 1, wird dabei an einem bestehenden Kolben formschlüssig befestigt. Dazu wird in einen Kolben 108, wie er in 12 dargestellt ist, eine Ausnehmung 110 eingebracht, beispielsweise durch Ausbohren und/oder Ausdrehen. Diese Ausnehmung weist eine Tiefe T auf, die annähernd gleich, vorzugsweise jedoch etwas kleiner ist als eine Höhe H des Oberteils 106. Außerdem weist die Ausnehmung 110 einen Durchmesser auf, der annähernd gleich, vorzugsweise jedoch etwas größer ist als der Durchmesser des Oberteils 106.
In die Ausnehmung 110 wird das Oberteil 106 dann eingelegt. Eine Unterseite 112 des Oberteils 106 liegt dann an einer Oberseite 114 des Unterteils 108 an. In einen Bereich 116 des Oberteils 108, der nicht vom Oberteil 106 ausgefüllt ist, wird mittels Auftragsschweißen Material eingebracht. Dieses Material kann erfindungsgemäß mit dem Material des Oberteils 106 nicht verschweißt oder verlötet werden, wohingegen sich das aufgetragene Material mit dem Material des Unterteils 108 stoffschlüssig verbindet. Durch das Auftragsschweißen wird der Randbereich des Oberteils 106 somit umschlossen, so dass ein Formschluss zwischen Oberteil 108 und Unterteil 106 entsteht.
Das Material, das während des Auftragsschweißen zu viel aufgetragen wurde, sowie ein Opfervolumen des Oberteils 106, das über die Oberflächengeometrie des ursprünglichen Kolbens hinaussteht, wird in wenigstens einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt abgetragen. Dies kann beispielsweise ein Dreh-, Fräs- oder Schleifvorgang sein.
Ein Oberteil 118 gemäß 13 weist weitestgehend die selben Merkmale auf wie das Oberteil gemäß 11. Im Unterschied zum Oberteil gemäß 11 sind jedoch die Flanken 120 des Oberteils 118 treppenartig ausgebildet, wie sie bereits in Bezug auf das Oberteil gemäß 3 beschrieben wurden. Die Flanken können jedoch auch jede weitere Form aufweisen, die sich in Richtung des Unterteils aufweitet oder eine Ausnehmung aufweist.
Das Oberteil 118 wird wie bereits vorstehend beschrieben in ein Unterteil 122 eingesetzt und mit diesem verbunden. Das Unterteil 122 weist im Unterschied zum Unterteil gemäß 12 eine Ausnehmung 124 auf, die in einem Bereich 126 bis in einen Innenraum 128 des Unterteils 122 reicht. Der Bereich 126 kann auch im Endzustand offen bleiben, wodurch ein Ausgleich zur größeren Masse des Oberteils 118 gegenüber dem aus dem Unterteil 122 entfernten Material erreicht wird, das beispielsweise aus Titan hergestellt sein kann, wohingegen das Unterteil 122 beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist.
Die 15 zeigt eine Ausgestaltung eines mehrteiligen Kolbens 130, wie er beispielsweise in großvolumigen Motoren zum Einsatz kommen kann, da er eine besonders große Stabilität der Verbindungen aufweist. Ein Oberteil 132 ist in eine Ausnehmung 134 in einem Unterteil 136 eingebracht und mit einem Konterteil 138 verbunden.
Das Oberteil 132 ist mit einem ringartigen Fortsatz 140 versehen, an dessen Flanken ein Innengewinde 142 beziehungsweise ein Außengewinde 144 vorgesehen ist. Die Ausnehmung 134 im Unterteil 136 ist mit einem Innengewinde 140 versehen, in das das Außengewinde 144 eingreift. Das Oberteil 132 wird so weit in das Unterteil 136 eingeschraubt, bis eine Schulter 146 auf einem Absatz des Unterteils 136 aufliegt und der Fortsatz 140 bis in das Innere 148 des Unterteils 136 ragt.
Das Konterteil 138 ist mit einem Außengewinde versehen, das mit dem Innengewinde 142 des Oberteils 132 in Eingriff gebracht wird. Vorzugsweise bestehen das Konterteil 138 und das Unterteil 136 aus dem selben Material, wenigstens jedoch aus Materialien, die stoffschlüssig miteinander verbindbar sind, so dass das Konterteil 138 mit dem Unterteil 136 in einem Bereich 150 verschweißt werden kann. Zusätzlich wird in einen Bereich 152 der Ausnehmung 134, wie bereits vorstehend beschrieben, mittels Auftragsschweißen Material eingebracht. Überstehendes Material sowie ein Opfervolumen 154 des Oberteils 132 werden in wenigstens einem folgenden Arbeitsschritt entfernt, so dass eine gewünschte Oberflächengeometrie entsteht. Das Oberteil 132 ist dadurch sowohl formschlüssig, nämlich im Bereich 152, als auch kraftschlüssig mit dem Unterteil 136 verbunden, nämlich mittels des Konterteils 138. Wie in 15 zu erkennen ist, ist zwischen Oberteil 132 und dem Konterteil 138 ein Hohlraum gebildet, der zu einer guten Isolation des Oberteils 132 und speziell des Kolbenbodens vom Unterteil 136 beiträgt. Der Kolben 130 ist besonders für Dieselmotoren geeignet und das Oberteil 132 kann eine muldenartige Vertiefung aufweisen, die einem Brennraum zugewandt ist.
Eine derartige muldenartige Vertiefung 156 weist ein Oberteil 158 eines Kolbens 160 gemäß 16 auf, dessen sonstiger Aufbau dem Kolben gemäß 15 ähnelt. In 16 sind jedoch die Bereiche 162, 164, die für zur Bildung des Hinterschnitts zwischen dem Oberteil 158 und dem Unterteil 168 beziehungsweise zur Fixierung des Konterstücks 166 zwischen dem Konterstück 166 und dem Unterteil 168 beispielsweise mittels Auftragsschweißen vorgesehen sind, bereits verfüllt und nachbearbeitet.

Claims

Mehrteiliger Kolben mit wenigstens einem Oberteil und einem Unterteil mit einem Kolbenhemd, das eine Umfangslauffläche bildet, wobei das Oberteil zumindest einen Teil eines Kolbenbodens des Kolbens bildet und wobei das Unterteil aus einem ersten Material und das Oberteil aus einem zweiten Material besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (10, 42, 64, 72, 90, 106, 118, 132) mittels wenigstens eines Hinterschnitts am Unterteil und/oder Oberteil formschlüssig mit dem Unterteil (24, 58, 84, 100, 108, 122, 136) verbunden ist.
Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (10, 42, 64, 72, 90, 106, 118, 132) und das Unterteil (24, 58, 84, 100, 108, 122, 136) aus nicht lötbaren oder schweißbaren Materialien bestehen, insbesondere aus Titan und Aluminium oder Legierungen beziehungsweise Verbindungen mit Titan und mit Aluminium.
Mehrteiliger Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen dem Oberteil (10, 42, 64, 72, 90, 106, 118, 132) und dem Unterteil (24, 58, 84, 100, 108, 122, 136) bestehender Übergang eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als das Material des Unterteils (24, 58, 84, 100, 108, 122, 136), insbesondere zwischen 5% und 60% geringer.
Mehrteiliger Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterschnitt (36, 88) an einem Fixierabschnitt (34, 56) des Unterteils (24, 58, 84, 100, 108, 122, 136) ausgebildet ist.
Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fixierabschnitt (34, 56) als umlaufender Vorsprung (60) des Unterteils (24, 58, 84, 100, 108, 122, 136) ausgebildet ist.
Mehrteiliger Kolben nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteil (24, 58, 84, 100, 108, 122, 136) und der Fixierabschnitt (34, 56) stoffschlüssig miteinander verbunden sind, insbesondere mittels Schweißen.
Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 4 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fixierabschnitt (34, 56) des Unterteils (24, 58, 84, 100, 108, 122, 136) wenigstens abschnittsweise mittels Auftragschweißen gebildet ist.
Mehrteiliger Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (10, 42, 64, 72, 90, 106, 118, 132) kraftschlüssig und formschlüssig mit dem Unterteil (24, 58, 84, 100, 108, 122, 136) verbunden ist.
Mehrteiliger Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (132) mit einem Außengewinde (144) und/oder einem Innengewinde (142) versehen ist.
Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Unterteil (136) in einem Bereich, der dem Oberteil (132) zugewandt ist, ein Innengewinde und/oder ein Außengewinde für den Eingriff mit dem Außengewinde (144) beziehungsweise Innengewinde (142) des Oberteils (132) vorgesehen ist.
Mehrteiliger Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (42, 132) eine zumindest teilweise umlaufende Schulter (52, 146) zur Auflage auf dem Unterteil (58, 136) aufweist.
Mehrteiliger Kolben nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einem Gewinde versehener Abschnitt (140) des Oberteils (132) zumindest teilweise in einen Innenraum (148) des Unterteils (136) ragt.
Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum (148) des Unterteils (136) ein Konterstück (138) mit einem Gewinde vorgesehen ist, das in das Gewinde (142) des Oberteils (132) eingreift.
Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Konterstück (138) stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig zumindest abschnittsweise mit dem Unterteil (136) verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Kolbens mit einem Unterteil mit einem Kolbenhemd, das eine Umfangslauffläche bildet, und einem Oberteil, das zumindest einen Teil eines Kolbenbodens des Kolbens bildet, gekennzeichnet durch formschlüssiges Verbinden des Oberteils mit dem Unterteil.
Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Kolbens nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum formschlüssigen Verbinden des Oberteils mit dem Unterteil ein Fixierabschnitt mit einem Hinterschnitt am Unterteil ausgebildet wird, wobei das Oberteil im mit dem Unterteil verbundenen Zustand in den Hinterschnitt eingreift.
Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Kolbens nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinterschnitt wenigstens abschnittsweise mittels Auftragsschweißen ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Kolbens mit einem Unterteil mit einem Kolbenhemd, das eine Umfangslauffläche bildet, und einem Oberteil, das zumindest einen Teil eines Kolbenbodens des Kolbens bildet, gekennzeichnet durch die Schritte – Positionieren des Oberteils in einer Kolbennegativform im Bereich eines zu bildenden Kolbenbodens, – Ausfüllen der Kolbennegativform mit fließfähigem Material, insbesondere einer Metallschmelze, zum Herstellen eines Formschlusses zwischen Oberteil und Unterteil.
Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Kolbens nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausfüllen der Kolbennegativform wenigstens ein Hinterschnitt am Unterteil ausgebildet wird, in den das Oberteil eingreift.