DE102006022413A1

DE102006022413A1 - Ringträgerkühlkanal

Info

Publication number: DE102006022413A1
Application number: DE200610022413
Authority: DE
Inventors: Volker Gniesmer
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2006-05-13
Filing date: 2006-05-13
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2026-05-14
Also published as: DE102006022413B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Kolben (1) mit einem radial umlaufenden, zu einem Kolbenboden (2) beabstandeten Ringträgerkühlkanal (4), der einen Kühlkanal (6a) sowie einen Ringträger (5) umfasst. Der Kühlkanal (6a) schließt eine Zuströmöffnung (8) sowie eine Abströmöffnung (9) ein, über die ein Kühlmedium einströmt bzw. abströmt. Weiterhin umfasst der Kühlkanal (6a) geometrisch gleich geformte, der Innenwandung (10) zugeordnete Rippen (11), die lokale Materialanhäufungen bilden und damit die Bauteilsteifigkeit des Ringträgerkühlkanals (4) verbessern.

Description

Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Kolben einer Brennkraftmaschine, mit einem radial umlaufenden, zu einem Kolbenboden beabstandeten Ringträgerkühlkanal, der einen Kühlkanal sowie einen zur Aufnahme eines Kolbenrings bestimmten Ringträger umfasst. Für die Beaufschlagung mit einem Kühlmedium schließt der Kühlkanal zumindest eine Zuströmöffnung und zumindest eine Abströmöffnung ein, über die das Kühlmedium in den Kühlkanal einströmen bzw. abströmen kann.
Stand der Technik
Bei bekannten Kolben mit integriertem ringförmigen Kühlkanal wird beispielsweise von einer in dem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine angebrachten Düse eine Teilmenge von dem Schmieröl der Brennkraftmaschine in die Zuströmöffnung des Kühlkanals gespritzt. Das durch den Kühlkanal zirkulierende, auch als Kühlmedium zu bezeichnende Schmieröl, kühlt den Kolben und verbessert damit die Lebensdauer des Kolbens.
Zur Herstellung des Kolbens sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Für Gusskolben aus Leichtmetall wird bevorzugt ein Kern, insbesondere ein Salzkern in Verbindung mit einem Haltemittel, die übereinstimmend aus einem lösbaren Material hergestellt sind, an der Gießform, insbesondere an einem Gießkern fixiert. Nach dem Gießen des Kolbens werden die Haltemittel und der Kern ausgespült, so daß eine Zulauf- und eine Abströmöffnung zu dem Kühlkanal zur Verfügung stehen. Gemäß der DE 197 01 085 A1 schließt der in einer Gießform fixierte Salzkern gleichzeitig Haltemittel zur Aufnahme des Ringträgers ein. Bevorzugt sind dazu als Haltemittel in den Kern eingebettete metallische Stifte vorgesehen.
Aus der DE 100 36 481 A1 ist ein Gieß-Pressverfahren zur Herstellung eines gekühlten Kolbens bekannt. Bei dem Pressverfahren wird bei einer Temperatur von ca. 800 ° C, bevorzugt eine Al-Si-Legierung in eine Form eingefüllt und mittels eines Presstempels kraftbeaufschlagt. Bedingt durch den hohen Druck während des Pressverfahrens ist der in der Form eingesetzte Kühlkanal des Kolbens einer hohen Belastung ausgesetzt. Dabei besteht für den mechanisch stark beanspruchten Kühlkanal die Gefahr einer Verformung und Beschädigung, bei der Gießschmelze in den Kühlkanal eintreten kann.
Aufgabenstellung
Die Nachteile bekannter Lösungen berücksichtigend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ringträgerkühlkanal mit einer verbesserten Bauteilsteifigkeit zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Problemstellung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist vorgesehen, den rotationssymmetrisch gestalteten Ringträgerkühlkanal, der gemeinsam mit dem Kühlkanal und dem Ringträger ein Bauteil bildet, spanlos herzustellen. Zur Erzielung einer verbesserten Bauteilsteifigkeit umfasst die Erfindung Zusatzversteifungen, insbesondere strukturierte Wandungen, die durch eine Erweiterung des Hauptumformvorgangs realisierbar sind. Bevorzugt umfasst der Ringträgerkühlkanal oder Bereiche davon geometrisch gleiche, d.h. wiederkehrende geometrische Strukturen oder Formgebungen. Alternativ dazu bietet es sich an, beispielsweise den Kühlkanal mit wechselnden Strukturen zu versehen. Die einmalig oder auch mehrmalig angebrachten geometrischen Strukturen, die durch optimierte Umformprozesse realisierbar sind, bilden bevorzugt Materialanhäufungen, wodurch die Bauteilsteifigkeit des Ringträgerkühlkanals entscheidend verbessert werden kann. Der durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen versteifte Ringträgerkühlkanal kann gefahrlos auch für Kolben angewendet werden, zu deren Herstellung ein Gieß-Pressverfahrens vorgesehen ist. Weder verformt der sich bei diesem Verfahren einstellende hohe Druck den Ringträgerkühlkanal noch besteht die Gefahr, dass die Gießschmelze in den Kühlkanal eintritt. Damit bleibt der für die Kühlung des Kolbens erforderliche Durchströmquerschnitt des Kühlkanals uneingeschränkt erhalten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 11. Zur Herstellung des Ringträgerkühlkanals wird in einem ersten Umformprozess der Ringträgerrücken geformt, an den sich ein Prägeprozess anschließt, mit dem die Wandungsstruktur des Kühlkanals gestaltet wird.
Eine bevorzugte Struktur des Kühlkanals schließt unregelmäßig ausgebildete und angeordnete Sicken, Rippen, Durchstellungen, Wülste oder Dellen ein. Diese beabstandet an dem Ringträgerkühlkanal oder deren Kühlkanal angeordneten Maßnahmen verbessern entscheidend die Bauteilsteifigkeit.
Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme sieht vor, den Kühlkanal mit zumindest einer Verengung oder einer Einschnürung zu versehen. Die beispielsweise durch eine in die Wandung eingeprägte Durchstellung oder Delle erzeugte Einschnürung bildet einen Strahl- oder Strömungsteiler, der den Fluß des Kühlmediums durch den Kühlkanal im Betriebszustand beeinflusst. Bevorzugt ist der Strömungsteiler im Bereich der Zuströmöffnung angeordnet, wodurch sich das in den Kühlkanal einströmende Kühlmedium aufteilt.
Die Erfindung schließt vorteilhaft außerdem einen aufgeweiteten, einen Strömungssammler bildenden Abschnitt des Kühlkanals ein. Dieser bevorzugt im Bereich der Abströmöffnung vorgesehene aufgeweitete Abschnitt verringert die Strömungsgeschwindigkeit und verbessert damit den Austritt des erwärmten Kühlmediums aus dem Kühlkanal.
Eine vorteilhafte weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ringträgerkühlkanals schließt eine treppenartige Topologie des Kühlkanals ein. Diese treppenartige, den Kühlmittelfluß beeinflussende Topologie besitzt eine Pumpwirkung analog einem Pumpkühlkanal, wodurch die Strömung des Kühlmediums innerhalb des Kühlkanals zur Erzielung einer verbesserten Kühlwirkung beschleunigt werden kann.
Zur Darstellung des Ringträgerkühlkanals, ist außerdem vorgesehen, ein Ausgangsmaterial, insbesondere ein ringförmiges Platinenmaterial aus Blech zu verwenden, das vor dem Hauptumformprozess bereits die zur Versteifung erforderliche topologische Geometrie aufweist. Nach dem abgeschlossenen Umformen ist dann der Kühlkanal bzw. der Ringträgerkühlkanal mit der versteifenden Innenkontur bzw. Innenflächenkontur versehen. Vorteilhaft entfällt bei der Verwendung dieses Ausgangsmaterials die Nacharbeit zur Realisierung der erfindungsgemäßen Innenstruktur bzw. Flächenstruktur.
Außerdem schließt die Erfindung als versteifende Maßnahme in allen Wandungsabschnitten strukturierten Mantelflächen und/oder strukturierte Innenkonturen des Ringträgerkühlkanals oder des Kühlkanals ein. Bevorzugt ist dazu die Innenwandung und die Mantelfläche des Kühlkanals wechselweise mit einer geometrischen Struktur versehen, die gemeinsam die Bauteilsteifigkeit des Kühlkanals verbessern.
Ausführungsbeispiele
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
1: Einen Kolben im Teilschnitt mit integriertem Ringträgerkühlkanal,
2: Ein Ausgangsmaterial zur Herstellung des Ringträgerkühlkanals, in abgewickelter Darstellung,
3: Den Kühlkanal eines erfindungsgemäßen Ringträgerkühlkanals in einer Draufsicht, vor dem Umformvorgang,
3a Eine Schnittansicht gemäß dem Verlauf 3a-3a in 3,
4: Schematisch dargestellt einen Ringträgerkühlkanal mit integriertem Strömungsteiler,
5: Schematisch dargestellt einen Ringträgerkühlkanal mit integriertem Strömungssammler.
Die 1 zeigt in einem Teilschnitt einen Kolben 1, dem ein umlaufender Ringträgerkühlkanal 4 zugeordnet ist. Der Ringträgerkühlkanal 4 umfaßt außenseitig einen Ringträger 5, an den sich innenseitig unmittelbar ein Kühlkanal 6a anschließt. Der Kühlkanal 6a ist im Kolben 2 beabstandet zu einem Kolbenboden 2 und einer Kolbenmulde 3 positioniert. Der Ringträger 5 ist zur Aufnahme eines in 1 nicht abgebildeten oberen Kolbenrings bestimmt und begrenzt damit ein Ringfeld 7 zum Kolbenboden 2. Im Betriebszustand wird der Kühlkanal 6a von einem Kühlmedium, insbesondere dem Schmierstoff der Brennkraftmaschine beaufschlagt, das über zumindest eine Zuströmöffnung 8 in den Kühlkanal 6a eingeleitet wird und über zumindest eine Abströmöffnung 9 austritt. Zur Erzielung einer verbesserten Steifigkeit des Ringträgerkühlkanals 4, die insbesondere für Kolben 1 erforderlich ist, die mittels eines Gieß-Pressverfahrens hergestellt werden, schließt der Ringträgerkühlkanal 4 versteifende Maßnahmen ein. Dazu ist eine Innenwandung 10 des Kühlkanals 6a mit partiell angeformten, eine Materialanhäufung bildenden Rippen 11 oder Wülsten versehen. Die Rippen 11 können in gleichen Abständen innerhalb des Ringkanals 6a angeordnet sein und sich erstrecken in einer Querschnittsebene über die gesamte Innenwandung des Ringkanals 6a. Sie können jedoch auch belastungsabhängig mit unterschiedlichen Abständen bzw. unregelmäßig positioniert sein.
In der 2 ist in einem abgerollten Zustand das Ausgangsmaterial dargestellt, aus dem mittels eines Hauptumformprozesses der Ringträgerkühlkanal 4 bzw. der Ringträger 5 herstellbar ist. Das Platinenmaterial 12 aus Blech ist versehen mit Rippen 11, die in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen gewollte Materialanhäufungen bilden. Das Ausgangsmaterial, das Platinenmaterial 12 weist damit bereits vor dem Umformen eine topologische Geometrie auf, wodurch ein nachfolgender Prozess zur Ausbildung versteifender Strukturen entfallen kann.
Die 3 zeigt schematisch den Kühlkanal 6a in einer Draufsicht vor dem Umformprozess. Radiale Linien verdeutlichen die Anordnung und die Lage der Rippen 11, die in gleichen oder ungleichen Winkelabständen umfangsverteilt in dem Kühlkanal 6a eingebracht sind. Zwischen den Rippen 11, die einen Höhenzug innerhalb des Kühlkanals 6a bilden, stellt sich ein vertiefter, auch als Tal zu bezeichnender Abschnitt ein. Eine geometrische Formgebung bzw. Gestaltung der Rippen 11 verdeutlicht die in 3a dargestellte Schnittansicht gemäß dem Verlauf 3a-3a gemäß der 3.
Der in 4 schematisch in einem vergrößerten Maßstab abgebildete Kühlkanal 6b oszilliert gemeinsam mit dem Kolben 1 im Betriebszustand nach oben und unten. Die Bezugsziffer 13 bezeichnet dabei eine Unterseite und die Bezugsziffer 14 eine Oberseite des Kühlkanals 6b. Zur Versteifung des Kühlkanals 6b ist die Mantelfläche 18 mit spanlos eingeformten, zueinander beabstandeten Durchstellungen 15 bzw. Dellen versehen, die an der Innenwandung 10 eine gerundete Wulst 19 bilden. Weiterhin zeigt der Kühlkanal 6b einen Strömungsteiler 16, der eine lokale Verengung bzw. Einschnürung bewirkt. Durch die gegenüberliegende Lage des Stömungsteilers 16 zu dem Eintritt der Zuströmöffnung 8 in den Kühlkanal 6b, wird das Kühlmedium und damit die Strömung nach Eintritt in den Kühlkanal 6b gewollt aufgeteilt, verdeutlicht durch die entgegengesetzt ausgerichteten Pfeile. Der Strömungsteiler 16 ermöglicht eine optimale Beaufschlagung des Kühlkanals 6b mit dem Kühlmedium, die eine effiziente Kolbenkühlung sicherstellt.
Die 5 zeigt den Kühlkanal 6c, der an der Innenwandung 10 angeprägte Rippen 11 einschließt, die an der Innenwandung 10 weitestgehend umlaufend positioniert sind und die eine gewollte Materialanhäufung bilden. Die Rippen 11 des Kühlkanals 6a können eine treppenartig gestaltete Topologie aufweisen, wodurch die Strömung des Kühlmediums innerhalb des Kühlkanals (6a) beschleunigt wird. Weiterhin schließt der Kühlkanal 6c im Bereich der Abströmöffnung 9 eine lokale Aufweitung in Form eines Stömungssammlers 17 ein. Diese Aufweitung bewirkt eine reduzierte Strömungsgeschwindigkeit, die einen gewollten schnellen Austritt des aufgeheizten Kühlmediums aus dem Kühlkanal 6c über die Abströmöffnung 9 bewirkt.

1: Kolben
2: Kolbenboden
3: Kolbenmulde
4: Ringträgerkühlkanal
5: Ringträger
6a: Kühlkanal
6b: Kühlkanal
6c: Kühlkanal
7: Ringfeld
8: Zuströmöffnung
9: Abströmöffnung
10: Innenwandung
11: Rippe
12: Bandmaterial
13: Unterseite
14: Oberseite
15: Durchstellung
16: Strömungsteiler
17: Strömungssammler
18: Mantelfläche
19: Wulst

Claims

Flüssigkeitsgekühlter Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine, der einen radial umlaufenden Ringträgerkühlkanal (4) umfasst, bestehend aus einem zu einem Kolbenboden (2) beabstandeten Kühlkanal (6a-6c), sowie einem zur Aufnahme eines Kolbenrings bestimmten Ringträger (5), wobei der Kühlkanal (6a-6c) zumindest eine Zuströmöffnung (8) und zumindest eine Abströmöffnung (9) einschließt, über die ein Kühlmedium einströmen bzw. abströmen kann, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere der Kühlkanal (6a-6c) des spanlos hergestellten Ringträgerkühlkanals (4) zur Versteifung eine geometrisch strukturierte Wandung aufweist, die geometrisch gleiche und wiederkehrende oder wechselnde Strukturen einschließt.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Umformprozess zur Herstellung des Ringträgerkühlkanals (4) bzw. eines Ringträgerrückens vorgesehen ist, dem ein Prägeprozess folgt, zur Darstellung der Struktur des Kühlkanals (6a-6c).
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (6a-6c) unregelmäßig angeordnete und/oder abweichend zueinander gestaltete Strukturen einschließt.
Kolben nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (6b) Durchstellungen (15) einschließt, die auf einer Mantelfläche (18) jeweils eine Ringnut und innerhalb des Kühlkanals (6b) eine gerundete Wulst (19) bilden.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (6a, 6c) an der Innenwand (10) versetzt zueinander angeformte Rippen (11) aufweist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines Strömungsteilers (16) der Kühlkanal (6b) im Bereich der Zuströmöffnung (8) eine Einschnürung bildet.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (6c) zur Bildung eines Strömungssammlers (17) im Bereich der Abströmöffnung (9) lokal aufgeweitet ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine treppenartige gestaltete Topologie des Kühlkanals (6a) eine Strömung des Kühlmediums innerhalb des Kühlkanals (6c) beschleunigt.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangsmaterial, ein Bandmaterial (12) zur Herstellung des Ringträgerkühlkanals (4) oder einzelner Komponenten, eine topologische Geometrie aufweist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal umfangsverteilt in allen Wandungsabschnitten eine strukturierte Mantelfläche (18) und/oder eine strukturierte Innenwandung (10) einschließt.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Mantelfläche (18) des Kühlkanals zugeordnete Struktur versetzt zu der Struktur einer Innnenwandung (10) angeordnet ist.