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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenbolzens
zur Verbindung eines Kolbens einer Hubkolbenmaschine mit einem Pleuel sowie
einen danach hergestellten Kolbenbolzen.
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Am
Kolben eines Verbrennungsmotors auftretende Kräfte werden mittels des Pleuels
auf die Kurbelwelle übertragen.
Der Kolben und das Pleuel sind mittels des Kolbenbolzens verbunden.
Die am Kolben wirkenden Gas- und Massenkräfte werden über Bolzenaugen (oder andere
Verbindungen zwischen Kolben und Kolbenbolzen) auf den Kolbenbolzen übertragen.
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Da
der Kolben und damit auch der Kolbenbolzen zu den bewegten Teilen
eines Motors gehören,
ist es vorteilhaft, das Gewicht des Kolbenbolzens zu verringern.
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Hierfür ist es
beispielsweise aus der JP 02-129466 bekannt, den Kolbenbolzen aus
einem keramischen Material zu fertigen. Derartige Kolbenbolzen sind
jedoch relativ teuer.
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Weiter
ist es beispielsweise aus der
DE 36 10 133 C1 bekannt, den Kolbenbolzen
als Verbundkörper
mit einer metallischen Außenhülse und
einem Kern aus einem faserverstärkten
Verbundwerkstoff auszubilden. Zur festen Verbindung der metallischen Außenhülse und
des Kerns wird dabei der Kern in die erwärmte Außenhülse geschoben, so dass diese dann
auf dem Kern festschrumpft. Dadurch ist es möglich, das Gewicht des Kolbenbolzens
durch eine leichten Kern zu reduzieren, ohne dabei die Belastbarkeit
des Kolbenbolzens zu verringern. Um die Verbindung zwischen Außenhülse und
Kern zu verbessern sowie um eine Delamination des Kerns zu verhindern,
sind an den Enden der Außenhülse Schraubdeckel
vorgesehen.
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Aus
der
EP 0 040 174 B1 geht
ein Bolzen für die
Verbindung von Maschinenelementen hervor, der einen Kunststoffkern
und eine metallische Umhüllung aufweist.
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Die
DE 30 23 204 C2 betrifft
einen Bolzen mit einem Kern aus einem faserverstärkten Epoxyharz.
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Darstellung
der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
eines Kolbenbolzens mit einer Außenhülse und einem Kern sowie einen danach
hergestellten Kolbenbolzen zu schaffen, wobei die Verbindung zwischen
Außenhülse und
Kern eine hohe Festigkeit aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der
Ansprüche
1 und 6 gelöst.
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Hierfür wird der
Kolbenbolzen mit einer Außenhülse und
einem Kern ausgebildet, wobei die Außenhülse und/oder der Kern in eine
Rotation um eine Achse versetzt werden, so dass sie eine Relativbewegung
zueinander ausführen,
und die Außenhülse und
der Kern entlang der axialen Achse unter Druck verbunden werden.
Durch die Kombination aus Druck und Relativrotation lässt sich
eine Verbindung zwischen der Außenhülse und
dem Kern herstellen, welche den Festigkeitsanforderungen genügt. Das Verfahren
zur Herstellung des Kolbenbolzens ist besonders einfach und damit
kostengünstig.
Für die Herstellung
der Verbindung ist weder eine Schutzatmosphäre notwendig, noch entstehen
gesundheitsschädliche
Dämpfe.
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Das
Material des Kerns ist derart gewählt, dass der Kern bei der
Verbindung mit der Außenhülse unter
Druck und Rotation plastifiziert und/oder aufgeschmolzen wird. Der
Plastifizierungsprozess setzt sich durch die Kombination aus Druck
und Rotation entlang des Kerns fort, bis schließlich die Außenhülse komplett
mit dem Werkstoff des Kerns gefüllt
ist. Die entstehende Verbindung zeichnet sich durch ein feines Mikrogefüge, geringen
Verzug sowie gute mechanische Eigenschaften aus. Diese Eigenschaften resultieren
aus der geringen notwendigen Wärmeeinbringung
sowie der Verformung des Kerns an dem Außendurchmesser.
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Besonders
bevorzugt wird der Kern in eine Rotationsbewegung versetzt und entlang
der axialen Achse in die Außenhülse gedrückt. Ein
derartiges Verfahren ist besonders kostengünstig durchführbar.
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Vorzugsweise
wird der Kern in eine Rotationsbewegung mit einer festlegbaren Nenndrehzahl versetzt,
bevor der Kern in die Außenhülse gedrückt wird.
Die Nenndrehzahl ist dabei geeignet festzulegen, so dass ein Plastifizierungsprozess
optimiert wird.
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Vorzugsweise
ist die Außenhülse mit
einem Boden ausgebildet. Durch den axialen Druck und die daraus
resultierende Reibungswärme
am Boden der Außenhülse wird
der Kern zunehmend plastifiziert, wobei sich der Plastifizierungsprozess
vom Boden nach oben fortsetzt, bis schließlich die Außenhülse komplett
mit dem Material des Kerns gefüllt
ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird der Kern mit einem Außendurchmesser ausgebildet,
welcher zumindest vor dem Verbinden mit der Außenhülse geringer ist als der Innendurchmesser
der Außenhülse. Dadurch
lassen sich der Kern und die Außenhülse ohne
zusätzliche
Erwärmung
miteinander verbinden. Durch den Plastifizierungsprozess des Kerns
und/oder des zusätzlich
eingebrachten Materials wird der aus der Differenz der Durchmesser
resultierende Spalt geschlossen.
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Die
Lösung
der oben genannten Aufgabe erfolgt weiter durch einen Kolbenbolzen
zur Verbindung eines Kolbens einer Hubkolbenmaschine mit einem Pleuel,
wobei der Kolbenbolzen mit einer metallischen Außenhülse und einem Kern ausgebildet
ist und die Außenhülse und
der Kern mittels eines der beschriebenen Verfahren verbunden sind.
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Vorzugsweise
sind die Außenhülse und/oder der
Kern mindestens teilweise metallisch. Metallische Werkstoffe habe
gute Festigkeitseigenschaften und sind vergleichsweise kostengünstig. Dabei
sind verschiedene Legierungen oder Verbundwerkstoffe sowohl für die Außenhülse als
auch für
den Kern denkbar. Die Werkstoffe der Außenhülse und des Kerns sind unabhängig voneinander
an bestimmte Anforderungen anpassbar.
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Bevorzugt
ist der Kern aus einem Material ausgebildet, das leichter ist als
das Material der Außenhülse. Durch
die Ausbildung des Kerns aus einem Material mit einem geringeren
Gewicht als das Material der Außenhülse, ist
das Gewicht des Kolbenbolzens reduzierbar. Daneben ist es auch denkbar,
Kolbenbolzen herzustellen, welche eine Außenhülse aus einem Werkstoff oder
einer Werkstoffkombination aufweisen, das einer Beanspruchung der Außenhülse im Kontakt
mit dem Pleuel besonders gut standhält. Für die Außenhülse sind beispielsweise die
Verwendung legierter Stähle,
Einsatz- oder Vergütungsstähle, wie
17Cr3 oder 16MnCr5, denkbar.
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Besonders
bevorzugt wird der Kern aus einem Leichtmetall-Verbundwerkstoff ausgebildet. Bei einem
derartigen Verbundwerkstoff handelt es sich beispielsweise um ein
Metal Matrix Composite (MMC), wobei Verstärkungselemente als Partikel, Kurz-
oder Langfasern in ein Leichtmetall eingebracht sind. Das MMC ist
beispielsweise auf Basis von Aluminium oder Magnesium aufgebaut.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist Außenhülse und/oder
der Kern im Wesentlichen rotationssymmetrisch. Es versteht sich,
dass dabei vorzugsweise nur der Innendurchmesser der Außenhülse im Wesentlichen
rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Der Außenrand der Außenhülse kann
dabei beliebig gestaltet werden.
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Besonders
bevorzugt ist die Außenhülse mit einem
Boden ausgebildet ist. Dadurch sind der Kern und die Außenhülse besonders
stabil miteinander verbindbar. Der Boden kann jedoch, aus Gründen der Gewichtseinsparung,
in einem nachfolgenden Bearbeitungsprozess wieder entfernt werden.
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Es
ist ebenfalls denkbar, dass die Außenhülse rohrförmig, ohne Boden, aufgebaut
ist und auf einer Bodenplatte aufsteht. Der Werkstoff und/oder eine
Beschichtung der Bodenplatte wird dabei so gewählt, dass beim Verfahren zum
Verbinden des Kerns mit der Außenhülse keine
stoffschlüssige
Verbindung des Kerns und/oder der Außenhülse zur Bodenplatte entsteht.
Denkbar ist beispielsweise eine Verwendung von Keramik und/oder
Graphit.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform
beispielhaft beschrieben. Die Figuren zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines Kolbens mit einem Bolzenauge
zur Aufnahme eines Kolbenbolzens;
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2 eine
schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kolbenbolzens;
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3a–3c verschiedene
Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines Kolbenbolzens gemäß 2;
und
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4a–4c verschiedene
Schritte eines weitern Verfahrens zur Herstellung eines zweiten Kolbenbolzens.
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Ausführliche
Beschreibung einer Ausführungsform der
Erfindung
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1 zeigt
schematisch einen Kolben 1 einer Hubkolbenmaschine. Der
Kolben 1 ist mit einem Kolbenboden 10 ausgebildet.
Der Kolben 1 ist weiter mit einem Bolzenauge 12 und
einer Ausnehmung 14 zur Aufnahme eines nicht dargestellten
Pleuels ausgebildet. Das Pleuel wird in die Ausnehmung 14 eingesetzt
und mittels eines in 2 dargestellten Kolbenbolzens
mit dem Kolben 1 verbunden. Der Kolbenbolzen wird hierfür in das
Bolzenauge 12 eingesetzt.
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Die
am Kolbenboden 10 auftretenden Verbrennungskräfte werden über den
Kolbenbolzen auf das Pleuel übertragen.
Der Kolbenbolzen ist daher einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt. Der
Kolbenbolzen ist mit dem Kolben 1 fest verbunden. Der Kolbenbolzen
gehört
damit auch zu den bewegten Teilen des Motors.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenbolzen 2 mit
einer Außenhülse 20 und
einem Kern 22. Der Kern ist aus einem Leichtmetallverbundwerkstoff
hergestellt. Dadurch ist das Gewicht des Kolbenbolzens verringerbar.
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Die
Außenhülse 20 und
der Kern 22 sind durch eine Kombination aus Druck und einer
Relativrotation derart fest verbunden, dass die Verbindung die hohen
Festigkeitsanforderungen erfüllt,
die aufgrund der mechanischen Beanspruchung des Kolbenbolzens 2 im
Betrieb zu stellen sind.
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Die 3a bis 3c zeigen
ein erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung des Kolbenbolzens gemäß 2. Das Verfahren
zur Verbindung des Kerns mit einer Außenhülse wird auch als Friction
Hydro Pillar Verfahren bezeichnet.
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Wie
in 3a dargestellt, ist die Außenhülse 20 mit einem Boden 24 ausgebildet.
Die Außenhülse 20 und
der Kern 22 sind im Wesentlichen rotationssymmetrisch.
Es ist jedoch durchaus denkbar, den Kern mit Vorsprüngen und/oder
die Außenhülse 20 mit
Rücksprüngen auszubilden.
Durch diese Vor- und/oder Rücksprünge ist
eine Verbindung weiter verbesserbar.
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Der
Außendurchmesser
Da des Kerns 22 ist geringer als der Innendurchmesser Di
der Außenhülse 20.
Die Differenz der Durchmesser ist in den Figuren übertrieben
dargestellt.
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Die
Außenhülse 20 und
der Kern 22 werden entlang einer Achse 3 ausgerichtet.
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Der
Kern 22 wird zur Herstellung der Verbindung zwischen dem
Kern 22 und der Außenhülle 20 in
Rotation versetzt. Nach Erreichen einer Nenndrehzahl wird der Kern 22 in
die Außenhülle 20 gedrückt.
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Durch
den axialen Druck und die daraus resultierende Reibungswärme am Baden
der Außenhülse wird
der Kern 22 zunehmend plastifiziert.
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Durch
die Kombination aus Druck und Rotation setzt sich der Plastifizierungsprozess
immer weiter nach oben fort, wie in den 3b und 3c dargestellt.
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Die
so entstehende Verbindung zwischen der Außenhülle 20 und dem Kern 22 weist
ein feines Mikrogefüge,
einen geringen Verzug und gute mechanische Eigenschaften auf. Diese
Eigenarten sind auf die geringe notwendige Wärmeeinbringung und die Verformung
zur Herstellung der Verbindung zurückzuführen.
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Die
Materialien der Außenhülse 20 und
des Kerns 22 sind entsprechend des Einsatzes des Kolbenbolzens
geeignet zu wählen.
Ist der Kern 22 aus einem Material, das selbst nicht plastifizierbar
ist, so sind zwischen den Kern 22 und die Außenhülle 20 zusätzliche
plastifizierbare Werkstoffe zur Herstellung einer festen Schweißverbindung
zwischen Außenhülse 20 und
Kern 22 einzubringen.
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Für die Herstellung
der Verbindung ist weder eine Schutzatmosphäre notwendig, noch entstehenden
gesundheitsschädliche
Dämpfe.
Die Verbindung ist daher nicht nur kostengünstig, sondern auch besonders
umweltfreundlich herstellbar.
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Die 4a bis 4c zeigen
ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung eines weiteren Kolbenbolzens 2.
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Wie
in 4a dargestellt, ist die Außenhülse 20' dabei nicht mit einem Boden ausgebildet.
Die rohrförmige
Außenhülse 20' steht auf einer
Bodenplatte 4 auf.
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Der
Werkstoff und/oder eine Beschichtung der Bodenplatte 4 wird
so gewählt,
dass beim anschließenden
Verbinden der Außenhülse 20' mit dem Kern 22 keine
stoffschlüssige
Verbindung des Kerns und/oder der Außenhülse 20' zur Bodenplatte 4 entsteht.
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Der
Kern 22 entspricht dabei dem in den 3a bis 3c dargestellten
Kern mit einem geringeren Außendurchmesser
Da als der Innendurchmesser Di der Außenhülse 20'.
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Die
Außenhülse 20' und der Kern 22 werden ebenfalls
entlang einer Achse 3 ausgerichtet.
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Der
Kern 22 wird zur Herstellung der Verbindung zwischen dem
Kern 22 und der Außenhülle 20' in Rotation
versetzt. Nach Erreichen einer Nenndrehzahl wird der Kern 22 in
die rohrförmige
Außenhülle 20' gedrückt.
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Durch
den axialen Druck und die daraus resultierende Reibungswärme wird
der Kern 22 zunehmend plastifiziert.
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Durch
die Kombination aus Druck und Rotation setzt sich der Plastifizierungsprozess
ausgehend von der Bodenplatte 4 immer weiter nach oben
fort, wie in den 4b und 4c dargestellt.