DE102005061060A1

DE102005061060A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102005061060A1
Application number: DE102005061060A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Wieland
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2007-06-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbengrundkörper (11) und einem um den Kolbengrundkörper (11) umlaufenden und mit ihm verbundenen Kolbenringelement (12), wobei der Kolbengrundkörper (11) stirnseitig eine Verbrennungsmulde (18) mit einer die Verbrennungsmulde (18) begrenzenden umlaufenden Muldenwand (19) aufweist, die über einen Muldenrandbereich (27) in einen Kolbenboden (26) übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass die Muldenwand (19) zumindest im Muldenrandbereich (27) aus einem Bewehrungsring (20) aus einem oxidationsbeständigen und schlecht wärmeleitenden Werkstoff gebildet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens, bei dem zunächst ein eine untere ringförmige Kontaktfläche (21) aufweisender Bewehrungsring (20) aus einem metallischen, oxidationsbeständigen und schlecht wärmeleitenden Werkstoff mit seiner Kontaktfläche (21) auf eine die Verbrennungsmulde (18) begrenzende äußere ringförmige Begrenzungsfläche (22) des Kolbengrundkörpers (11) aufgesetzt und durch Reibschweißen mit dem Kolbengrundkörper (11) verbunden wird und vor dem Weiterverarbeiten des Kolbengrundkörpers (11) die Reibschweißgrate (23, 24) entfernt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbengrundkörper und einem um den Kolbengrundkörper umlaufenden und mit ihm verbundenen Kolbenringelement, wobei der Kolbengrundkörper stirnseitig eine Verbrennungsmulde mit einer die Verbrennungsmulde begrenzenden umlaufenden Muldenwand aufweist, die über einen Muldenrandbereich in einen Kolbenboden übergeht,. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens.

Ein gattungsgemäßer Kolben ist in der DE 103 40 291 A1 beschrieben. Er weist einen Kolbengrundkörper aus einem Vergütungsstahl und ein mit dem Kolbengrundkörper verschraubtes Kolbenringelement aus NiResist auf. Der Kolbengrundkörper ist mit einer stirnseitigen Verbrennungsmulde versehen, die von einer umlaufenden Muldenwand begrenzt ist, die über einen Muldenrandbereich in den Kolbenboden übergeht.

Der Muldenrandbereich unterliegt während des Betriebs besonders hohen mechanischen und thermischen Belastungen, die im Laufe der Zeit zu Werkstoffermüdungen führen, wodurch wiederum Risse im Muldenrandbereich entstehen. Daher wurden zahlreiche Gestaltungen des Muldenrandes vorgeschlagen, um die auf den Muldenrand wirkenden Belastungen zu vermindern oder zu neutralisieren. Diese konstruktiven Gestaltungen sind jedoch sehr aufwändig.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben derart weiterzubilden, dass der Muldenrandbereich eine möglichst einfache Gestaltung aufweist, die geeignet ist, den mechanischen und thermischen Belastungen standzuhalten.

Die Lösung besteht in einem Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Muldenwand zumindest im Muldenrandbereich eine Bewehrung in Form eines Bewehrungsrings aus einem oxidationsbeständigen und schlecht wärmeleitenden Werkstoff aufweist.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung zeichnet sich durch einen geringen konstruktiven Aufwand aus. Lediglich das Material des Muldenrandbereichs muss geeignet sein, den Belastungen standzuhalten, denen der Muldenrand während des Betriebs des Kolbens ausgesetzt ist. Die im Stand der Technik vorgeschlagene sehr aufwändige konstruktive Gestaltung des Muldenrands selbst entfällt. Der erfindungsgemäße Kolben kann daher lediglich durch die Auswahl des geeigneten Werkstoffs an alle Anforderungen angepasst werden, die sich aus Typ und Bauweise der einzelnen Verbrennungsmotoren ergeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei einem Kolbengrundkörper aus einem metallischen Werkstoff zunächst ein eine untere ringförmige Kontaktfläche aufweisender Bewehrungsring aus einem metallischen, oxidationsbeständigen und schlecht wärmeleitenden Werkstoff mit seiner Kontaktfläche auf eine die Verbrennungsmulde begrenzende äußere ringförmige Begrenzungsfläche des Kolbengrundkörpers aufgesetzt und durch Reibschweißen mit dem Kolbengrundkörper verbunden wird. Damit wird der die spätere Muldenrandbewehrung bildende Bewehrungsring auf einfache Weise zuverlässig mit dem Kolbengrundkörper verbunden. Bedingt durch den Aufbau des Kolbengrundkörpers können die beim Reibschweißen entstehenden Schweißgrate mühelos entfernt werden, weil sie ohne weiteres von außen zugänglich sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine konstruktiv besonders einfache und wirksame Ausgestaltung besteht darin, dass die gesamte Muldenwand die Bewehrung bildet.

Der Kolbengrundkörper und die Bewehrung bestehen vorzugsweise aus unterschiedlichen Werkstoffen. Dann können identische Kolbengrundkörper allein durch die Auswahl des geeigneten Werkstoffs für die Bewehrung zu unterschiedlichen Kolbentypen für eine Vielzahl verschiedener Verbrennungsmotoren verarbeitet werden. Zur Zeit stehen sowohl für den Kolbengrundkörper als auch für die Bewehrung ausschließlich metallische Werkstoffe zur Verfügung, so dass sich insbesondere Reibschweißverfahren zu ihrer Verbindung anbieten. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass für die Bewehrung in Zukunft auch geeignete keramische Werkstoffe oder Kunststoffe zum Einsatz gelangen können.

Die Bewehrung besteht zweckmäßigerweise aus einem hochwarmfesten, korrosions- und hitzebeständigen Stahl, insbesondere aus einem Ventilstahl. Im Unterschied hierzu kann der Kolbengrundkörper bspw. aus einem Vergütungsstahl bestehen. Als Werkstoff für das Kolbenringelement bietet sich insbesondere ein Chrom-Nickel-Stahl an.

Der Kolbengrundkörper und das Kolbenringelement können in an sich bekannter Weise durch eine Schraubverbindung miteinander verbunden sein. Es ist aber besonders zweckmäßig, das Kolbenringelement über eine Schraubverbindung mit der Bewehrung zu verbinden, da diese aus einem besonders beständigen Werkstoff besteht, so dass eine besonders stabile Schraubverbindung gegeben ist. Die Schraubverbindung ist grundsätzlich aus einem auf der dem Kolbenringelement zugewandten Mantelfläche der Bewehrung oder des Kolbengrundkörpers vorgesehenen Außengewinde und einem auf der der Bewehrung zugewandten Innenfläche des Kolbenringelements vorgesehenen Innengewinde zusammengesetzt.

Vorzugsweise weist die Bewehrung und/oder der Kolbengrundkörper eine umlaufende Auskehlung auf, die mit der dem Kolbengrundkörper zugewandten Innenfläche des Kolbenringelements einen umlaufenden Kühlkanal begrenzt. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, dass der Kolbengrundkörper ein die Unterseite des Kühlkanals begrenzendes Stützelement aufweist, auf dem sich das untere freie Ende des Kolbenringelements abstützt. Da die beim Reibschweißen entstehenden Schweißgrate entfernt werden, bevor der Kolbengrundkörper und das Kolbenring element zum erfindungsgemäßen Kolben zusammengesetzt werden, ist sichergestellt, dass das Kühlmittel im Kühlkanal ungehindert fließen und die erforderliche Kühlwirkung erbringen kann.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es sinnvoll, die Begrenzungsfläche des Kolbengrundkörpers vor dem Reibschweißen vorzubearbeiten, um eine besonders stabile Reibschweißverbindung zwischen dem Kolbengrundkörper und dem Bewehrungsring zu erhalten. Wenn ein Bewehrungsring mit einer oberen ringförmigen Stirnfläche verwendet wird, welche vor dem Reibschweißen fertig bearbeitet wird, so dass sie nach der Fertigstellung des Kolbens zumindest teilweise den Kolbenboden bildet, ist nach dem Reibschweißen des Kolbenringelements auf die Bewehrung oder den Kolbengrundkörper ein Aufschrauben und Bearbeiten des Kolbenringelements am Kolbenboden problemlos ermöglicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens in einem aus zwei Hälften bestehenden Schnittbild, das zwei um 90° versetzte Längsschnitte des Kolbens zeigt;
2 eine Detailansicht der auf den Kolbengrundkörper aufgeschweißten Bewehrung.
Der erfindungsgemäße Kolben 10 weist einen Kolbengrundkörper 11 auf, der bspw. aus einem Vergütungsstahl wie bspw. 42CrMo4 oder einem AFP-Stahl oder einem mit 0,4 Gew.-% Molybdän dotieren bainitschen AFP-Stahl hergestellt ist. Der Kolbengrundkörper 11 ist mit einem Kolbenschaft 15 und Naben 16 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) versehen. Der erfindungsgemäße Kolben 10 weist ferner ein Kolbenringelement 12 auf, das bspw. aus einem Chrom-Nickel-Stahl hergestellt sein kann. Das Kolbenringelement 12 ist an seiner äußeren Mantelfläche mit einem umlaufenden Feuersteg 13 und einer umlaufenden Ringpartie 14 versehen.
Das Kolbenringelement 12 ist ferner mit einer Stirnfläche 28 versehen. Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenringelement 12 bilden einen umlaufenden äußeren Kühlkanal 17.
Der Kolbenboden 26 des Kolbengrundkörpers 11 ist stirnseitig mit einer Verbrennungsmulde 18 versehen, die von einer umlaufenden Muldenwand 19 begrenzt ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die gesamte Muldenwand 19 aus einem Bewehrungsring 20 gebildet. Der Bewehrungsring 20 besteht aus einem besonders oxidationsbeständigen und schlecht wärmeleitenden Werkstoff. Hierfür bietet sich insbesondere ein hochwarmfester, korrosions- und hitzebeständiger Stahl an. Ventilstähle wie bspw. CrSi-Stahl (X45CrSi93), Chromo193-Stahl (X85CrMoV182), 21-4 N-Stahl (X53CrMnNiN219), 21-2-Stahl (X55CrMnNiN208), Nimonic80A-Stahl (NiCr20TiAl), ResisTEL-Stahl oder VMS-513-Stahl sind besonders geeignet.
Der Bewehrungsring 20 weist eine untere ringförmige Kontaktfläche 21 auf, die mit einer äußeren ringförmigen, die Verbrennungsmulde 18 des Kolbengrundkörpers 11 umschließende Begrenzungsfläche 22 korrespondiert. Der Bewehrungsring 20 und der Kolbengrundkörper 11 sind entlang dieser Flächen 21, 22 durch Reibschweißen miteinander verbunden. Es empfiehlt sich hierbei, zumindest die Begrenzungsfläche 22 und ggf. auch die Kontaktfläche 21 in an sich bekannter Weise vorzubearbeiten, um eine optimale Reibschweißverbindung zu erzielen. Aus 2 ist ersichtlich, dass beim Reibschweißen Reibschweißgrate 23, 24 entstehen. Die Reibschweißgrate 23, 24 können ohne weiteres entfernt werden, da sie von außen leicht zugänglich ist. Der Reibschweißgrat 23 ist von der Verbrennungsmulde 18 aus leicht zugänglich und kann entfernt werden, ohne die vorgegebene Flächenkontur der Verbrennungsmulde 18 zu beeinträchtigen. Der Reibschweißgrat 24 ist von der Außenseite des Kolbengrundkörpers 11 aus zugänglich und kann mühelos entfernt werden, so dass weder das Volumen noch die Innenkontur des später in diesem Bereich entstehenden Kühlkanals 17 beeinträchtigt werden. Das heißt, dass im fertig montierten Kolben 10 das Kühlmittel ungehindert und in ausreichender Menge durch den Kühlkanal strömen und die notwendige Kühlwirkung erzielen kann.
Der Bewehrungsring 20 weist im Ausführungsbeispiel eine obere ringförmige Stirnfläche 25 auf, die im fertig montierten Kolben 10 einen Teil des Kolbenbodens 26 bildet und über einen Muldenrandbereich 27 in die Muldenwand 19 übergeht. Da die Muldenwand 19 und damit auch der Muldenrandbereich 27 aus dem Bewehrungsring 20 gebildet sind, erübrigt sich die im Stand der Technik bisher notwendige und sehr aufwändige konstruktive Gestaltung der Kontur des Muldenrandbereichs 27.
Zweckmäßigerweise ist die Stirnfläche 25 des Bewehrungsrings 20 so vorbearbeitet, dass sie nach der Montage des Kolbenringelements 12 zusammen mit dessen Stirnfläche 28 den Kolbenboden 26 bildet.
Das Kolbenringelement 12 und der Kolbengrundkörper 11 können grundsätzlich mittels einer Schraubverbindung miteinander verbunden werden, wie sie in der DE 103 15 415 A1 bereits beschrieben ist. Bevorzugt wird das Kolbenringelement 12 jedoch so montiert, wie es aus 1 ersichtlich ist. Zu diesem Zweck weist die Mantelfläche des Bewehrungsrings 20 ein Außengewinde 29 auf, das mit einem auf der Innenfläche des Kolbenringelements 12 vorgesehenen Innengewinde 31 korrespondiert.
Der Kolbengrundkörper 11 weist unterhalb des Bewehrungsrings 20 eine Auskehlung 32 auf, welche mit der Innenfläche des Kolbenringelements 12 den Kühlkanal 17 bildet. Die Unterseite des Kühlkanals ist durch ein umlaufendes Stützelement 33 begrenzt, welches eine horizontale Auflagefläche 34 aufweist. Das Kolbenringelement 12 weist an seinem freien Ende unterhalb der Ringpartie 14 eine Schulter 35 auf, die sich auf der horizontalen Auflagefläche 34 des Stützelements 33 abstützt. Das Kolbenringelement 12 weist ferner einen umlaufenden äußeren Bund 36 auf, der abdichtend am Stützelement 33 anliegt. Damit ist der Kühlkanal 17 nach außen abgedichtet.

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbengrundkörper (11) und einem um den Kolbengrundkörper (11) umlaufenden und mit ihm verbundenen Kolbenringelement (12), wobei der Kolbengrundkörper (11) stirnseitig eine Verbrennungsmulde (18) mit einer die Verbrennungsmulde (18) begrenzenden umlaufenden Muldenwand (19) aufweist, die über einen Muldenrandbereich (27) in einen Kolbenboden (26) übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass die Muldenwand (19) zumindest im Muldenrandbereich (27) aus einem Bewehrungsring (20) aus einem oxidationsbeständigen und schlecht wärmeleitenden Werkstoff gebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Muldenwand (19) aus dem Bewehrungsring (20) gebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbengrundkörper (11) und der Bewehrungsring (20) aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbengrundkörper (11) und der Bewehrungsring (20) aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen bestehen und der Bewehrungsring (20) durch Reibschweißverfahren mit dem Kolbengrundkörper (11) verbunden ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewehrungsring (20) aus einem hochwarmfesten, korrosions- und hitzebeständigen Stahl, insbesondere aus einem Ventilstahl, besteht.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenringelement (12) aus einem Chrom-Nickel-Stahl besteht.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenringelement (12) über eine Schraubverbindung mit dem Bewehrungsring (20) verbunden ist.
Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubverbindung aus einem auf der dem Kolbenringelement (12) zugewandten Mantelfläche des Bewehrungsrings (20) vorgesehenen Außengewinde (29) und einem auf der dem Bewehrungsring (20) zugewandten Innenfläche des Kolbenringelements (12) vorgesehenen Innengewinde (31) zusammengesetzt ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbengrundkörper (11) und das Kolbenringelement (12) durch eine Schraubverbindung miteinander verbunden sind.
Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubverbindung aus einem auf der dem Kolbenringelement (12) zugewandten Mantelfläche des Kolbengrundkörpers (11) vorgesehenen Außengewinde und einem auf der dem Kolbengrundkörper (11) zugewandten Innenfläche des Kolbenringelements (12) vorgesehenen Innengewinde zusammengesetzt ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der der Kolbengrundkörper (11) eine umlaufende Auskehlung (32) aufweist, die mit der dem Kolbengrundkörper (11) zugewandten Innenfläche des Kolbenringelements (12) einen umlaufenden Kühlkanal (17) begrenzt.
Kolben nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbengrundkörper (11) ein die Unterseite des Kühlkanals (17) begrenzendes Stützelement (33) aufweist, auf dem sich das untere freie Ende des Kolbenringelements (12) abstützt.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, wobei ein eine stirnseitige Verbrennungsmulde (18) aufweisender Kolbengrundkörper (11) aus einem metallischen Werkstoff mit einem Kolbenringele ment (12) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein eine untere ringförmige Kontaktfläche (21) aufweisender Bewehrungsring (20) aus einem metallischen, oxidationsbeständigen und schlecht wärmeleitenden Werkstoff mit seiner Kontaktfläche (21) auf eine die Verbrennungsmulde (18) begrenzende äußere ringförmige Begrenzungsfläche (22) des Kolbengrundkörpers (11) aufgesetzt und durch Reibschweißen mit dem Kolbengrundkörper (11) verbunden wird und vor dem Weiterverarbeiten des Kolbengrundkörpers (11) die Reibschweißgrate (23, 24) entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bewehrungsring (20) aus einem hochwarmfesten, korrosions- und hitzebeständigen Stahl, insbesondere aus einem Ventilstahl, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsfläche (22) des Kolbengrundkörpers vor dem Reibschweißen vorbearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bewehrungsring (20) mit einer oberen ringförmigen Stirnfläche (25) verwendet wird, welche vor dem Reibschweißen fertig bearbeitet wird, so dass sie nach der Fertigstellung des Kolbens (10) zumindest teilweise den Kolbenboden (26) bildet.