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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer
Brennkraftmaschine, aufweisend ein Oberteil mit wenigstens einer
hinter einem Ringfeld angeordneten Ausnehmung, wobei das Oberteil
mit einem zumindest einem Kolbenschaft und Bolzenbohrungen aufweisenden
Unterteil verbindbar ist, gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
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Es
ist grundsätzlich
bekannt, dass Kolben dadurch hergestellt werden, dass ein Oberteil
und ein Unterteil separat voneinander hergestellt und anschließend zusammengefügt werden.
Bisher wurden solche Fügeverbindungen
mit einem Stoff- oder Kraftschluss,
z. B. durch Schweißen
oder Schrauben zur Verbindung des Oberteiles mit dem Unterteil eingesetzt.
Diese Fügeverbindungen,
wie z. B. Schweißen
oder Schrauben, haben sich in der Praxis zwar bewährt, jedoch
ist immer darauf zu achten, dass die Fügebereiche für das Schweißen oder
Schrauben zugänglich
bleiben. Das bedeutet gerade bei einem Schweißvorgang, dass Bereiche des
Kolbens, wie z. B. umlaufende und von außen zugängliche Ausnehmungen, immer
offen bleiben müssen,
damit überhaupt
geschweißt
werden kann. Kommt für
ein Schweißverfahren
beispielsweise ein Reibschweißverfahren
in Betracht, ist es von Nachteil, dass bei diesem Reibschweißvorgang
Wülste
entstehen, die überarbeitet
und entfernt werden müssen.
Bei einem Schraubvorgang, mit dem das Unterteil und das Oberteil
miteinander verbunden wird, sind aufwändige Vorbereitungsmaßnahmen
(z. B. Gewindeschneiden) erforderlich. Außerdem ist die Teilezahl höher und
der Montagevorgang aufwändiger.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung
eines Kolbens, insbesondere eines Kühlkanalkolbens, einer Brennkraftmaschine
bereit zu stellen, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile
vermieden werden.
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Insbesondere
soll mit dem Verfahren nicht nur die Teilezahl verringert werden,
sondern auch eine anschließende
Bearbeitung nach dem Verbinden des Oberteiles mit dem Unterteil
weitestgehend vermieden werden.
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Diese
Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass das Oberteil einen Aufnahmebereich und das Unterteil einen
Verformungsbereich aufweist (oder umgekehrt), wobei der Verformungsbereich
unter Krafteinwirkung in den Aufnahmebereich eingeführt und
derart verformt wird, dass das Unterteil an dem Oberteil unverrückbar befestigt
wird. Das bedeutet, dass das Oberteil beispielsweise mit Hilfe einer
Schmiede-Stauchverbindung
mit dem Unterteil verbunden wird. Durch die zueinander angepasste
Formgebung des Oberteiles mit seinem Aufnahmebereich (oder seinem Verformungsbereich)
und dem Unterteil mit seinem Verformungsbereich (oder Aufnahmebereich),
werden diese beiden Teile unter Krafteinwirkung miteinander verbunden,
ohne dass es weiterer Teile bedarf oder einer wesentlichen Nachbearbeitung
bedarf. Das heißt,
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden
Schweiß-
oder Schraubvorgänge
vermieden. Nach dem Zusammenbringen der beiden Teile des Kolbens
und der Durchführung
und Beendigung des Verformungsvorganges sind die beiden Teile unverrückbar miteinander
verbunden und der dadurch entstandene Kolben muss lediglich nur
noch einer an sich bekannten Feinbearbeitung unterzogen werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung weist der Aufnahmebereich einen Hinterschnitt
auf, wobei sich der Verformungsbereich unter Krafteinwirkung verformt und
durch seine Verformung dem Hinterschnitt anpasst. Alternativ oder
ergänzend
dazu ist vorgesehen, dass auch der Verformungsbereich einen Hinterschnitt
aufweist, wobei sich der Aufnahmebereich unter Krafteinwirkung verformt
und durch seine Verformung dem Hinterschnitt anpasst. Das bedeutet, dass
das Verbinden (Fügen)
der beiden Kolbenteile (Oberteil und Unterteil) durch einen Formschluss
mit Hilfe von Krafteinwirkung erfolgt. Diese Krafteinwirkung ist
ein massiver Umformvorgang, der kalt oder warm erfolgen kann. Das
bedeutet, dass für
den Verformungsvorgang das Oberteil und/oder das Unterteil des Kolbens
erwärmt
wird. Dies hat neben der leichteren Verformbarkeit und damit einer
geringeren Krafteinwirkung auch den Vorteil, dass ein Oberteil und/oder
ein Unterteil aus einem Werkstoff verformt werden können, die
unterschiedlich sind. So kann beispielsweise bei einer Kaltumformung
das Oberteil aus einem hochbelastbaren Stahl bestehen (da es den
Verbrennungsdrücken
und Verbrennungstemperaturen im Zylinder der Brennkraftmaschine
zugewandt ist), während
das Unterteil aus einem niedrig legierten Stahl besteht, der sehr
gute Eigenschaften bei der Kaltumformung aufweist. In ebenso bevorzugter
Weise werden das Oberteil und das Unterteil in einem Schmiedevorgang
hergestellt, wohingegen auch andere Herstellungsverfahren (wie z.
B. Gießen)
und beliebige Kombinationen denkbar sind.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
bietet also einerseits die Möglichkeit,
dass auf Grund der freien Werkstoffauswahl (alle umformbaren Werkstoffe) verschiedene
gleiche oder unterschiedliche Werkstoffe miteinander kombiniert
werden können.
Beispielsweise sind also mikrolegierte Stähle mit vergüteten Stählen oder
auch mit niedrig legierten Stählen kombinierbar.
Dabei können
auch Werkstoffkombinationen für
das Oberteil und das Unterteil gewählt werden, die nicht schweißbar sind
(wie z. B. Stahl-Oberteil und Aluminium-Unterteil).
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Besonders
bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens
anwendbar, da durch das Zusammenbringen von Oberteil und Unterteil
und dem dabei ausgeführten
Verformungsvorgang bei entsprechendem Design von Oberteil und Unterteil
die radial umlaufende und hinter dem Ringfeld angeordnete Ausnehmung automatisch
verschlossen wird, ohne dass weitere Maßnahmen (wie z. B. Abdecken
der Ausnehmung mit einem Ring) erforderlich sind.
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Denn
bis heute sind die bekannten einteilig geschmiedeten Stahlkolben
mit einem Blechverschluss zur Abdichtung des Kühlkanals verschlossen. Diese
Vorgehensweise ist nur bei offenen und gut zugänglichen Kühlkanälen möglich. Es erfordert ein komplexes
Werkzeug und einen erhöhten
Aufwand bei der zerspanenden Bearbeitung. Außerdem schränkt das Ausdrehend des Kühlkanals
am fertigen Bauteil die konstruktiven Freiheiten so stark ein, dass
z. B. eine Reduzierung der Kompressionshöhe und damit die Senkung der
Kolbenmasse entweder gar nicht oder nur in engen, aber nicht zufrieden
stellenden Grenzen möglich
ist. Versuche, diese kostenintensive Zerspanungsarbeit zu reduzieren,
führten zu
geschweißten
Kolben, die beispielsweise entweder durch Reibschweißen oder
Laserschweißen
aus mehreren Teilen gefügt
werden. Auch bei diesen Ausführungen
entstehen zusätzlich
erhöhte
Kosten durch den Schweißprozess
und die trotzdem erforderliche Nachbearbeitung des Schweißbereiches.
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Kolben,
insbesondere Kühlkanalkolben,
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt worden sind, sind in den Figuren in verschiedenen Varianten
dargestellt, wobei die verschiedenen Varianten bzw. deren Herstellung
im Folgenden erläutert werden,
ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt ist.
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Es
zeigen:
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1 bis 4:
Eine erste Variante eines Kühlkanalkolbens,
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4 bis 6:
Eine zweite Variante eines Kühlkanalkolbens,
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7 bis 9:
Eine dritte Variante eines Kühlkanalkolbens.
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In
den 1 bis 3 ist eine erste Variante eines
Kühlkanalkolbens
und seiner Herstellung gezeigt.
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1 zeigt
die Bestandteile eines Kolbens, nachdem ein Oberteil 10,
das ein Ringfeld 11 sowie eine dahinter angeordnete Ausnehmung 12 sowie eine
Brennraummulde 13 aufweist, und ein Unterteil 20 separat
voneinander hergestellt worden sind. Das Unterteil 20 weist
in an sich bekannter Weise einen Kolbenschaft 21 sowie
Bolzenbohrungen 22 zur Aufnahme eines Bolzens auf. Das
Oberteil 10 weist eine nach unten weisenden Stirnfläche 14 auf,
wobei mit 15 eine Unterkante des Ringfeldes 11 bezeichnet
ist. Im Innenbereich, in Bezug auf die Kolbenhubachse nach unten
weisend ist als Verformungsbereich ein Zapfen 16 vorhanden,
der mittig unterhalb der Brennraummulde 13 in Richtung
des später
anzufügenden Unterteiles 20 vorsteht.
Dieser Zapfen 16 ist damit der Verformungsbereich V des
Oberteiles, wohingegen das Unterteil 20 einen Anlagebereich 23 (für die Stirnfläche 14)
mit einer seinerseitigen Stirnfläche 24 aufweist.
Der Anlagebereich 23 weist eine nicht näher bezeichnete Öffnung zur
Aufnahme des Zapfens 16 auf, wobei diese Öffnung der
Aufnahmebereich A des Unterteiles 20 ist. Mit 25 ist
ein Vorsprung bezeichnet, der so angeordnet und gestaltet ist, dass
er geringfügig
nach dem Zusammenbringen des Oberteiles 10 und des Unterteiles 20 in
die Ausnehmung 12 hineinragt. 26 bezeichnet einen
Absatz des Unterteiles 20, der mit der Unterkante 15 des
Ringfeldes korrespondiert. 2 zeigt,
dass mit Hilfe eines bewegbaren Werkzeuges W von unten auf den Zapfen 16 eine
Verformungskraft in Richtung der Kolbenhubachse aufgebracht wird,
so dass zunächst
die Stirnflächen 14, 24 zur
Anlage kommen. Dadurch wird einerseits durch den Vorsprung 25 die
Ausnehmung 12 wirksam verschlossen und es kann, muss aber
nicht, ein Spalt S zwischen der Unterkante 15 und dem Absatz 26 verbleiben.
Ein Werkzeug zum Gegenhalten, d. h. zur Lagerfixierung des Oberteiles 10 beim
Verformungsvorgang, ist selbstverständlich vorhanden, hier jedoch
nicht dargestellt. Aufgrund der Anlage von Oberteil 10 und
Unterteil 20 im Bereich der Stirnflächen 14, 24 können sich
diese beiden Teile relativ zueinander nicht mehr bewegen, so dass
die weitere Aufbringung der Kraftkomponente F durch das Werkzeug
W bewirkt, dass der Zapfen 16, also der Verformungsbereich
V des Oberteiles 10, verformt wird. Zur Erzielung einer
gewünschten
Verformung weist das Werkzeug W eine entsprechende Formgebung, z.
B. eine abgerundete Form, auf. Nach Durchführung und Beendigung des Verformungsvorganges
ist der bisher in etwas zylinderförmige Zapfen 16 derart
in einen verformten Zapfen 16' verformt worden, dass dieser verformte
Zapfen 16' den
Anlagebereich 23 des Unterteiles 20 hintergreift
und somit durch den verformten Zapfen 16' Oberteil 10 und Unterteil 20 miteinander
verkrallt sind. Durch die Verformung des ursprünglichen Zapfens 16 entsteht
also in dem Bereich unterhalb der Brennraummulde 13 und
hinter der Ausnehmung 12 in Richtung Kolbenhubachse ein massiver
Bereich, in dem das Oberteil 10 mit dem Unterteil 20 durch
den Massivumformvorgang miteinander unverrückbar verbunden ist. Eine anschließende Bearbeitung
dieses Bereiches ist entbehrlich. Es ist ggf. lediglich erforderlich,
die Außenkonturen
des jetzt fertigen Kolbens in an sich bekannter Weise fertig zu
bearbeiten. Außerdem
kann es für
den Fall, das die Ausnehmung 12 als Kühlkanal eingesetzt werden soll,
noch erforderlich sein, zumindest eine Ablauföffnung sowie zumindest eine
Zulauföffnung
für das
in der Ausnehmung 12 einzuspritzende und zu zirkulierende
Kühlöl einzubringen.
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Die 4 bis 7 zeigen
eine weitere konstruktive Ausgestaltung eines Kühlkanalkolbens und seiner Herstellung.
Nachdem ein Oberteil 30 und ein Unterteil 40 separat
voneinander hergestellt worden sind, werden diese in der folgenden
zu beschreibenden Art und Weise zusammengebracht. Das Oberteil 30 weist
die übliche
Konstruktion auf, insbesondere eine radial umlaufende Ausnehmung 31,
die z. B. durch einen Drehvorgang hergestellt werden kann. Bei diesem
Oberteil 30 ist der Aufnahmebereich A gebildet durch einen
Hinterschnitt, der durch eine erste untere Stirnfläche 32,
einen nach innen gerichteten Steg (umlaufend) 33, eine
umlaufende Ausnehmung 34 sowie eine zweite nach unten berichtete Stirnfläche 35 realisiert
ist. Das Unterteil 40 weist wieder einen nach oben gerichteten
Vorsprung (radial umlaufend) 41 für den Verschluss der Ausnehmung 31 auf.
Der Verformungsbereich V dieses Unterteiles 40 ist realisiert
durch eine erste nach oben gerichtete Stirnfläche 42, eine zweite
nach oben gerichtete Stirnfläche 43 sowie
einen Zapfen 44, der ebenfalls nach oben gerichtet ist
und zylinderförmig gestaltet
ist. Die nach oben gerichtete Stirnfläche dieses Zapfens 44 weist
zwecks besserer Verformbarkeit eine nach innen, in Richtung der
Kolbenhubachse (strichpunktiert) weisende Vertiefung auf. Je nach Gestaltung
der ersten nach unten gerichteten Stirnfläche 32 des Oberteiles 30 kann
diese Geometrie der Stirnfläche
des Zapfens 44 auch andersartig gestaltet sein.
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5 zeigt,
dass der Zapfen 44 in den Aufnahmebereich A des Oberteiles 30 so
weit eingeführt worden
ist, dass die obere umlaufende Kante der ersten oberen Stirnfläche 42 des
Zapfens 44 an der nach unten gerichteten Stirnfläche 32 des
Oberteiles 30 zur Anlage kommt. Dabei verbleibt zunächst ein Spalt
zwischen den Stirnflächen 35, 43,
die aber nach Durchführung
und Beendigung der Verformung des Zapfens 44 derart verschwinden,
dass diese beiden Stirnflächen 35, 43 zur
Anlage kommen. Dies ist in 6 gezeigt,
wobei erkennbar ist, dass der ursprünglich zylinderförmige Zapfen 44 in
einen verformten Zapfen 44' aufgrund
der Massivumformung übergegangen
ist und sich der Formgebung der umlaufenden Ausnehmung 34 angepasst
hat und diese vollständig
ausfüllt.
Das bedeutet, dass das Unterteil 40 mit seinem Zapfen 44 (Bolzen)
in die vorgedrehte hinterschnittene Aufnahmeöffnung in dem Oberteil 30 unterhalb
der Brennraummulde 13 axial eingeführt wurde uns sich so stark
verformt hat, dass der Zapfen 44 gestaucht wird und das
Zapfenmaterial radial in die umlaufende Ausnehmung 34 (Muldenhinterschnitt)
wandert. Auf diese Weise ist die formschlüssige Verbindung zwischen dem
Oberteil 30 und dem Unterteil 40 hergestellt worden.
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Eine
dritte, aber nicht abschließende
Variante ist in den 7 bis 9 dargestellt,
in denen wieder das Design und das Herstellverfahren eines Kühlkanalkolbens
gezeigt sind. Ein Oberteil 50 weist wieder eine Ausnehmung 51 auf,
wobei der Aufnahmebereich A des Oberteiles 50 gebildet
ist durch eine erste nach unten gerichtete Stirnfläche 52,
einen Vorsprung 53 (radial umlaufend), eine zweite nach
unten gerichtete Stirnfläche 54,
wobei der Vorsprung 53 an seinem nach unten weisenden Ende
eine Schräge 55 aufweist.
Ein korrespondierendes Unterteil 60 weist wieder einen
Vorsprung 61 zum Verschluss der Ausnehmung 51 auf.
Im Übrigen
ist der Verformungsbereich dieses Unterteiles 60 gebildet
durch eine erste nach oben gerichtete Stirnfläche 62, eine zweite
nach oben gerichtete Stirnfläche 63,
sowie einen Zapfen 64, wobei der Zapfen 64 einen
umlaufenden Vorsprung 65 sowie eine darunter angeordnete
und zurückgesetzte
umlaufende Ausnehmung 66 aufweist. Im Übergangsbereich von dem Vorsprung 61 in
Richtung des Zapfens 64 ist ebenfalls eine Schräge 67 eingebracht,
wobei die beiden Schrägen 55, 67 miteinander
korrespondieren und den anschließenden Umformvorgang erleichtern.
Denn in 8 ist erkennbar, dass wieder
eine Kraft F auf das Unterteil 60 bei festgelegtem Oberteil 50 (oder
umgekehrt) aufgebracht wird, so dass zunächst die zweite nach unten gerichtete
Stirnfläche 54 des
Oberteiles 50 zur Anlage kommt an die erste nach oben gerichtete
Stirnfläche 62 des
Unterteiles 60. Bis zu diesem Zeitpunkt ist noch ein Spalt
zwischen der ersten nach unten gerichteten Stirnfläche 52 des
Oberteiles 50 und der zweiten nach oben gerichteten Stirnfläche 63 des Zapfens 64 vorhanden.
Außerdem
ist bis hierhin die Ausnehmung 51 noch nicht verschlossen.
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Unter
weiterer Kraftaufbringung (siehe 9) wird
der Zapfen 64 derart verformt, dass er mit seiner zweiten
nach oben gerichteten Stirnfläche 63 zur
Anlage kommt an die erste nach unten gerichtete Stirnfläche 52 und
der bis dahin vorhandene Spalt verschwindet. Durch die einander
korrespondierenden Schrägen 55, 67 wird
es ermöglicht,
dass sich der Vorsprung 53 in Richtung der umlaufenden
Ausnehmung 66 bewegt und nach Abschluss der Massivumformung
diese Ausnehmung vollständig
ausfüllt. Damit
ist der Zapfen 64 derart verformt worden, dass er sich
nicht nur mit dem Vorsprung 53 verkrallt, sondern der Vorsprung 53 seinerseits
so umgeformt wurde, dass er sich mit dem umlaufenden Vorsprung 65 des
Unterteiles 60 verkrallt.
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Damit
bietet die Erfindung also ein Herstellverfahren für einen
Kolben sowie einen danach hergestellten Kolben an, bei dem das Oberteil
und das Unterteil des Kolbens durch eine Umformung, insbesondere
eine Kalt- oder Warm-Massivumformung, miteinander verbunden werden,
ohne dass ein Schweißvorgang
oder eine Verschraubung der beiden Teile durchgeführt werden
muss. Dabei ist in besonders vorteilhafter Weise die in Richtung
des Unterteiles weisende Geometrie des Oberteiles und genauso die
in Richtung des Oberteiles weisende Geometrie des Unterteiles so
gestaltet, dass bei vorhandener radial umlaufender Ausnehmung im
Oberteil ein Kühlkanal
realisiert wird. Damit wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
in besonders vorteilhafter Weise ein Kühlkanalkolben mit den vorstehend beschriebenen
Vorteilen hergestellt. Dabei ist es aber nicht zwangsweise erforderlich,
dass das Oberteil eine Ausnehmung aufweist. Diese kann ggf. dann entfallen,
wenn ein Kolben ohne Kühlkanal
hergestellt werden soll. Außerdem
ist es denkbar, dass die jeweiligen Vorsprünge 25, 41, 61 der
jeweiligen Unterteile keine Vorsprünge sind, sondern die jeweilige Ausnehmung 12, 31, 51 flach
abdecken oder dass das jeweilige Unterteil 20, 40, 60 seinerseits
eine Ausnehmung aufweist, die zusammen mit der zugehörigen Ausnehmung
im Oberteil einen Kühlkanal
bildet.
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Außerdem sind
die in den Figuren gezeigten und beschriebenen Geometrien der Aufnahmebereiche
bzw. Verformungsbereiche und der jeweiligen Hinterschnitte nur beispielhaft
und können
ohne weiteres abgewandelt werden, ohne den Erfindungsgedanken, nämlich die
Verbindung zwischen Oberteil und Unterteil des Kolbens durch Massivumformung, zu
verlassen.
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- 10
- Oberteil
- 11
- Ringfeld
- 12
- Ausnehmung
- 13
- Brennraummulde
- 14
- untere
Stirnfläche
- 15
- Unterkante
- 16
- Zapfen
- 16'
- verformter
Zapfen
- 20
- Unterteil
- 21
- Kolbenschaft
- 22
- Bolzenbohrung
- 23
- Anlagebereich
- 24
- Obere
Stirnfläche
- 25
- Vorsprung
- 26
- Absatz
- 30
- Oberteil
- 31
- Ausnehmung
- 32
- Erste
untere Stirnfläche
- 33
- Nach
innen gerichteter Steg
- 34
- Umlaufende
Ausnehmung
- 35
- Zweite
untere Stirnfläche
- 40
- Unterteil
- 41
- Vorsprung
- 42
- Erste
obere Stirnfläche
- 43
- Zweite
obere Stirnfläche
- 44
- Zapfen
- 44'
- verformter
Zapfen
- 50
- Oberteil
- 51
- Ausnehmung
- 52
- Erste
untere Stirnfläche
- 53
- Vorsprung
- 54
- Zweite
untere Stirnfläche
- 55
- Schräge
- 60
- Unterteil
- 61
- Vorsprung
- 62
- Erste
obere Stirnfläche
- 63
- Zweite
obere Stirnfläche
- 64
- Zapfen
- 65
- umlaufender
Vorsprung
- 66
- umlaufende
Ausnehmung
- 67
- Schräge
- A
- Aufnahmebereich
- V
- Verformungsbereich
- F
- Kraftkomponente
- S
- Spalt
- W
- Werkzeug