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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Formkern für die Herstellung eines in
einer Gießform gegossenen
Kolbens für
einen Verbrennungsmotor.
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Im
Stand der Technik ist es bekannt, zur Herstellung gegossener Kolben
Gießkerne
zu verwenden, die in die Gießform
für den
Kolben eingelegt werden und Hohlräume definieren, wie es bspw.
in der
DE 42 38 851
A1 und in der
EP
1 147 303 B1 beschrieben ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Formkern
derart weiterzubilden, dass ein gegossener Kolben mit reduziertem
Ge- wicht und verbesserter Kühlung
auf möglichst
einfache Weise herstellbar ist.
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Die
Lösung
besteht in einem Formkern mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass der in die Gießform
eingesetzte Formkern mindestens einen zwischen einer Nabenbohrung
für einen
Kolbenbolzen und dem Kolbenboden angeordneten Hohlraum und zugleich mindestens
teilweise die Innenform des Kolbens bestimmt und dass der Formkern
nach dem Gießvorgang
aus dem Kolben entfernbar ist.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ferner ein gegossener Kolben für einen
Verbrennungsmotor, der mittels eines erfindungsgemäßen Formkerns
herstellbar ist.
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Der
erfindungsgemäße Formkern
ermöglicht erstmals
eine im Wesentlichen unbeschränkte
Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Formgebung des herzustellenden
Kolbens, insbesondere von dessen Innenform. Dabei wird im Zusammenhang
mit der vorliegenden Erfindung unter der Innenform des Kolbens die
Ausgestaltung jenes Bereichs verstanden, der von den Naben bzw.
Nabenanbindungen, den Laufflächen, der
Ringpartie und der Unterseite des Kolbenbodens begrenzt wird. Im
Einzelfall können sowohl
die Kühlung
des Kolbens durch geeignete Positionierung und Abmessung der Kühlkanäle optimiert
als auch das Gewicht des Kolbens durch die Einsparung von Werkstoff,
bspw. in Form von Hinterschneidungen oder Ausnehmungen, reduziert
werden. Der erfindungsgemäße Formkern,
der nach dem Gießvorgang
aus dem fertigen Kolben wieder entfernbar ist, kann selbst in beliebiger
Weise geformt sein und erlaubt somit eine optimale Abmessung und
Positionierung der einzelnen Konstruktionselemente des herzustellenden
Kolbens, wie bspw. der Kühlkanäle und/oder
der Materialaussparungen.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der
Formkern kann nach dem Gießvorgang bspw.
durch einen Ausspül-
oder Zerkleinerungsvorgang aus dem Kolben entfernt werden. Geeignet
sind bspw. Formkerne, die als Sandkern oder Salzkern ausgebildet
sind. Um das Entfernen des erfindungsgemäßen Formkerns weiter zu vereinfachen,
kann dessen Oberfläche
beschichtet sein. Zusätzlich
wird die Oberfläche
der Innenform des fertigen Kolbens verfeinert und geglättet.
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Der
erfindungsgemäße Formkern
kann in einer bevorzugten Ausführungsform
mindestens einen Hohlraum bestimmen oder definieren, der über der Nabenbohrung
bogenförmig
ausgebildet ist, um die Kühlung
des fertigen Kolbens zu optimieren. Der mindestens eine Hohlraum
kann je nach den Anforderungen an die Kühlleistung einseitig geschlossen
oder beidseitig offen ausgebildet sein.
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Der
erfindungsgemäße Formkern
kann bspw. einen Abstand des mindestens einen Hohlraums von der
Nabenbohrung bestimmen oder definieren, der mindestens 15% des Durchmessers
der Nabenbohrung beträgt.
Der erfindungsgemäße Formkern
kann ferner eine axiale Höhe
des mindestens einen Hohlraums bestimmen oder definieren, die 15%
bis 50% des Durchmessers der Nabenbohrung beträgt. Diese Maßnahmen
dienen dazu, die Kühlung
des fertigen Kolbens weiter zu optimieren.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung kann der erfindungsgemäße Formkern
eine derart geformte Außenkontur
aufweisen, dass die Innenform des gegossenen Kolbens ein oder mehrere
Hinterschnitte und/oder Öffnungen
und/oder Ausnehmungen aufweist. Damit wird Werkstoff eingespart
und das Gewicht des fertigen Kolbens reduziert. Insbesondere kann
der erfindungsgemäße Formkern
mindestens einen Fortsatz aufweisen, der eine Verbindungsöffnung zwischen
einer Nabenbohrung und dem mindestens einen Hohlraum bestimmt.
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Der
mindestens eine Hohlraum ist vorzugsweise als Kühlkanal ausgebildet, wobei
der erfindungsgemäße Formkern
mindestens einen Fortsatz aufweisen kann, der mindestens eine Zulauföffnung für Kühlöl bestimmt,
die dem mindestens einen Kühlkanal
zugeordnet ist.
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Der
erfindungsgemäße Formkern
kann zur weiteren Verbesserung der Kühlung eine derart geformte
Außenkontur
aufweisen, dass die Innenform des gegossenen Kolbens mindestens
eine Versteifungsrippe aufweist, welche insbesondere als Shakerrinne
dient.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
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1a ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Formkern
in einer perspektivischen Darstellung;
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1b einen
Schnitt entlang der Linie Ib-Ib in 1a;
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1c einen
Schnitt entlang der Linie Ic-Ic in 1a;
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2a ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Formkern
in einer perspektivischen Darstellung;
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2b einen
Schnitt entlang der Linie IIb-IIb in 2a;
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2c einen
Schnitt entlang der Linie IIc-IIc in 2a;
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Formkern
in einem Längsschnitt;
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4 einen
mit dem Formkern aus 1a hergestellten Kolben in einem
Längsschnitt;
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5 einen
mit dem Formkern aus 3 hergestellten Kolben in einem
Längsschnitt;
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6 einen
fertigen Kolben mit dem noch eingelegten erfindungsgemäßen Formkern
aus 1a.
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Die 1a bis 1c zeigen
ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Formkerns 10,
der in diesem Fall als Salzkern ausgebildet ist. Der Formkern 10 weist
einen Grundkörper 11 und zwei
bogenförmige
Fortsätze 12, 13 mit
freien Enden 12', 13' auf. Der Grundkörper 11 ist
mit einem Wulst 14 versehen. Die Herstellung des Formkerns 10 als Salzkern
ist dem Fachmann bekannt.
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Ein
unter Verwendung des Formkerns 10 hergestellter gegossener
Kolben 20 ist in 4 dargestellt.
Der Kolben 20 weist in an sich bekannter Weise einen Kolbenkopf 21 mit
einem einen Brennraum begrenzenden Kolbenboden 22 auf,
an den sich eine radial umlaufende Ringpartie 23 mit Ringnuten 24 für nicht
dargestellte Kolbenringe anschließt. An den Kolbenkopf 21 schließt sich
ein Kolbenschaft 25 an. Am Kolbenkopf 21 sind
ferner über Nabenanbindungen 26 Kolbennaben 27 mit
Nabenbohrungen 28 für
einen nicht dargestellten Kolbenbolzen vorgesehen.
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Im
Kolben 20 ist im Bereich jeder Nabenanbindung 26 oberhalb
der Nabenbohrung 28 jeweils ein – bedingt durch die freien
Enden 12', 13' des Formkerns 10 – einseitig
geschlossener bogenförmiger
Hohlraum 31 ausgebildet, der im Ausführungsbeispiel als einseitig
geschlossener Kühlkanal
dient. Die Hohlräume 31 werden
bestimmt und definiert durch die bogenförmigen Fortsätze 12, 13 des
in die Gießform
für den
gegossenen Kolben 20 eingesetzten Formkerns 10.
Der Grundkörper 11 des
Formkerns 10 bestimmt und definiert die Kontur der Unterseite 29 des
Kolbenbodens 22 und damit eines Teils der Innenform des
Kolbens 20, wobei der Wulst 14 des Formkerns 10 eine
material- und gewichtssparende Ausnehmung (nicht dargestellt) bestimmt
und definiert. Unter der Innenform des Kolbens 20 wird
im Rahmen der vorliegenden Erfindung derjenige Bereich verstanden,
der von den Kolbennaben 27, den Nabenanbindungen 26,
dem Kolbenschaft 25, der Ringpartie 24 und der
Unterseite 29 des Kolbenbodens 22 begrenzt ist.
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Die 2a bis 2c zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Formkerns 110,
der auch in diesem Fall als Salzkern ausgebildet ist. Der Formkern 110 weist
einen Grundkörper 111 und
zwei bogenförmige
Fortsätze 112, 113 auf,
die an ihren beiden Enden mit dem Grundkörper 111 verbunden
sind. Ferner weisen die Fortsätze 112, 113 an
ihrer Unterseite je einen vertikal ausgerichteten Zapfen 115, 116 auf.
Der Grundkörper 111 ist
mit einem Wulst 114 versehen. Die Herstellung des Formkerns 110 als
Salzkern ist dem Fachmann bekannt.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Formkerns 210,
der im Wesentlichen dem Formkern 110 aus den 2a bis 2c entspricht.
Der Formkern 210 weist einen Grundkörper 211 und zwei
bogenförmige
Fortsätze 212, 213 auf,
die an ihren beiden Enden mit dem Grundkörper 211 verbunden
sind. Ferner weisen die Fortsätze 212, 213 an
ihrer Unterseite je einen vertikal ausgerichteten Zapfen 215, 216 auf.
Im Unterschied zum Formkern 110 gemäß der 2a bis 2c ist
der Formkern 210 ferner an der Oberseite seines Grundkörpers 211 mit
zwei Stegen 217, 218 versehen, die mit den Fortsätzen 212, 213 verbunden sind.
An der Unterseite des Grundkörpers 211 ist
ein Vorsprung 219 ausgebildet. Der Grundkörper 211 ist mit
einem Wulst 214 versehen. Die Herstellung des Formkerns 10 als
Salzkern ist dem Fachmann bekannt.
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Ein
unter Verwendung des Formkerns 210 gemäß 3 hergestellter
gegossener Kolben 220 ist in 5 dargestellt.
Der Kolben 220 weist in an sich bekannter Weise einen Kolbenkopf 221 mit
einem einen Brennraum begrenzenden Kolbenboden 222 auf,
an den sich eine radial umlaufende Ringpartie 223 mit Ringnuten 224 für nicht
dargestellte Kolbenringe anschließt. An den Kolbenkopf 221 schließt sich
ein Kolbenschaft 225 an. Am Kolbenkopf 221 sind
ferner über
Nabenanbindungen 226 Kolbennaben 227 mit Nabenbohrungen 228 für einen
nicht dargestellten Kolbenbolzen vorgesehen.
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Im
Kolben 220 ist im Bereich jeder Nabenanbindung 226 oberhalb
der Nabenbohrung 228 jeweils ein bogenförmiger Hohlraum 231 ausgebildet,
der im Ausführungsbeispiel
als beidseitig offener Kühlkanal dient.
Die Hohlräume 231 werden
bestimmt und definiert durch die bogenförmigen Fortsätze 212, 213 des
in die Gießform
für den
gegossenen Kolben 220 eingesetzten Formkerns 210.
Der Grundkörper 211 des
Formkerns 210 bestimmt und definiert die Kontur der Unterseite 229 des
Kolbenbodens 222 und damit eines Teils der Innenform des
Kolbens 220. Unter der Innenform des Kolbens 220 wird
im Rahmen der vorliegenden Erfindung derjenige Bereich verstanden, der
von den Kolbennaben 227, den Nabenanbindungen 226,
dem Kolbenschaft 225, der Ringpartie 224 und der
Unterseite 229 des Kolbenbodens 222 begrenzt ist.
Im Einzelnen bestimmt und definiert der Wulst 214 des Formkerns 210 eine
material- und gewichtssparende Ausnehmung (nicht dargestellt). Die Zapfen 215, 216 bestimmen
und definieren jeweils eine Zuführöffnung 232 für Kühlöl, die jeweils
eine Nabenbohrung 228 mit dem darüber liegenden Hohlraum 231 verbindet.
Die Stege 217, 218 bestimmen und definieren jeweils
eine Zulauföffnung 233 für Kühlöl, die den
Innenraum 234 des Kolbens 220 mit jeweils einem
Hohlraum 231 verbindet. Der Vorsprung 219 bestimmt
und definiert in Bezug auf die Innenform des Kolbens 220 einen
Hinterschnitt 235 im Bereich zwischen Ringpartie 223 und
Kolbenschaft 225, wodurch eine als Shakerrinne wirkende Versteifungsrippe 236 gebildet
wird.
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6 zeigt
den Kolben 20 aus 4 mit dem
nach dem Gießvorgang
noch eingelegten Formkern 10 gemäß den 1a bis 1c.
Aus 6 ist ersichtlich, wie der Formkern 10 nach
dem Gießvorgang
im Kolben 20 positioniert ist und die unterschiedlichen
oben beschriebenen Gestaltungsmerkmale der Innenform des Kolbens 20 bestimmt
und definiert.