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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines in Brennkraftmaschinen
eingesetzten Kolbens. Der als ein einteiliger Gusskolben ausgeführte Kolben
umfasst im Wesentlichen einen Kolbenboden, ein Ringfeld sowie einen
den Kolbeninnenraum außenseitig
begrenzenden Kolbenschaft, der zwei sich diametral gegenüberliegende,
zur Aufnahme eines Kolbenbolzens bestimmte Bolzennaben einschließt. Zur
Ausformung des Kolbeninnenraums wird während des Gießprozesses
ein als Dauerkern ausgebildeter Gießkern eingesetzt.
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Zur
Herstellung von Kolben ist eine auch als Pressgießen bezeichnete
Druckgießtechnik
bekannt. Dabei wird eine abgemessene Menge an Metallschmelze in
eine Dauerform geleitet, bevor diese von einem bewegbaren Stempel
geschlossen wird, vor einem Druckaufbau von p ≥ 150 MPa, der während der
Verfestigung des Metalls in der Form gehalten wird.
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Die
DE 40 05 312 A1 bezieht
sich auf einen Gusskolben, zu dessen Herstellung ein mehrteiliger, in
eine Gießform
eingesetzter Gießkern
benutzt wird, der sich aus einem Dauerkern und einem ausschmelzbaren
Kern zusammensetzt. Dabei sind zwei erste Kernteile zur Ausformung
der Kolbenbolzennaben vorgesehen, denen zwei weitere, zur Ausbildung einer
Kolbeninnenwand bestimmte Kernteile zugeordnet sind. Ein weiteres
Kernteil ist in einem von den ersten und den zweiten Kernteilen
begrenzten Innenraum einschiebbar. Zur Darstellung einer Hinterschnitte
aufweisenden Kolbenkontur schließt der Gießkern weiterhin einen ausschmelzbaren
Kern ein, der mittels eines Stützgliedes
mit den übrigen
Kernteilen verbunden ist. Dieser bekannte Gießkern zeigt einen komplexen
Aufbau und erfordert eine aufwendige Montage in der Gussform.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gießkern für einen
Kolben zu realisieren, mit dem eine verbesserte, erhöhte Festigkeit
des Kolbens, insbesondere im Bereich der Bolzennaben erreichbar
ist.
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Diese
Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
einen mehrteilig aufgebauten Gießkern in die Gussform einzusetzen,
der einen fluidgekühlten
Zentralkern einschließt,
der von zugehörigen
Gießkernelementen vollständig umschlossen
ist. Vorteilhaft ist der auch als Mittelstück zu bezeichnende Zentralkern
so vergrößert, dass
dieser mit einer gekühlten
Endzone eine unmittelbare, die Festigkeit des Gussgefüges verbessernde
Abformung von den Innenseiten der Bolzennaben sicherstellt. Dieses
eine Starkkühlung ausübende Auslegungskonzept
des Gießkerns nimmt
einen vorteilhaften Einfluss auf die Kristallisationsvorgänge des
Gussgefüges,
insbesondere im Bereich der Bolzennaben. Damit stellt sich eine
verbesserte Gestaltfestigkeit der mechanisch hochbelasteten Kolbenbereiche
ein, die dazu bestimmt sind, die von Zünddrücken ausgelöste Belastung des Kolbenbodens
auf den Kolbenbolzen zu übertragen.
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Durch
die Erfindung wird aufgrund der bis in die Endzone des Zentralkerns
reichenden Kühlung während bzw.
nach dem Gießprozess
eine gewünschte
schnelle und effiziente Abkühlung
erzielt, wodurch sich vorteilhaft die Materialeigenschaften verbessern,
insbesondere die Gefügefestigkeit
und damit die Steifigkeit der Bolzennaben. Dieser Effekt stellt
sich kostenneutral, d. h. ohne Mehrkosten des Gießprozesses
ein. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Gießkerns erübrigt weitere gesonderte Maßnahmen
zur Erzielung einer verbesserten Festigkeit sowie eine damit verbundene
Tragfähigkeit
der Bolzennaben, wie beispielsweise das Einbringen separater Einlagen
oder zusätzlicher
segmentartiger Lagerschalen in die Bolzenbohrung, um den Verschleiß zu reduzieren
und die Kolbenlebensdauer zu optimieren. Vorteilhaft nehmen die
erfindungsgemäßen Maßnahmen
keinen nachteiligen Einfluss auf die Herstellkosten, den Gießprozess
des Kolbens, wodurch sich aufgrund der gesteigerten Lebensdauer die
Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Kolbens verbessert.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis
11.
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Eine
bevorzugte Gießkernkonstruktion
bezieht sich auf einen fünfteilig
aufgebauten Gießkern. Neben
dem Zentralkern mit einem oder mehreren integrierten Kühlkanälen umfasst
der Gießkern
weiterhin zwei baugleich gestaltete, gegenüberliegend positionierte Außenschalen
sowie zwei streifenartig konzipierte Kernteile. Das erfindungsgemäße Konzept
sieht vor, dass der Zentralkern von den Außenschalen sowie den streifenartigen
Kernteilen vollständig
umschlossen ist. Die äußeren Bauteile
des Gießkerns
sind so passgenau aneinander gefügt, dass
diese ein Eindringen der Metallschmelze wirksam verhindern.
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Endseitig
kann der Zentralkern zur Ausformung der Bolzennaben beidseitig eine
U-förmige Ausnehmung
aufweisen. Durch diese generelle Gestaltung des Innenkerns stellt
sich ein unmittelbarer, die Innenseiten der Bolzennaben beaufschlagender, effizienter
Kühlbereich
des Zentralkerns ein. Damit ist sichergestellt, dass die hochbelasteten
Zonen der Bolzennaben eine verbesserte Gestaltfestigkeit erlangen,
wodurch eine verbesserte Abstützung
an dem Kolbenbolzen erreicht werden kann.
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Der
weitestgehend als ein quaderförmiges Bauteil
gestaltete Zentralkern weist einen oder mehrere als Sacklochbohrung
ausgestaltete Kühlkanäle auf.
Dieser Kühlkanäle erstrecken
sich nahezu über die
Gesamtlänge
des Innenkerns, wodurch eine effektive Kühlung insbesondere beider Innenseiten
der Bolzennaben erreicht werden kann. Zur Kühlfluid-Beaufschlagung schließt der Kühlkanal
einen Fluideintritt sowie einen Fluidaustritt ein.
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Radial
beabstandet zu einer Innenwandung ist in dem Kühlkanal ein Rohr eingebracht,
das an beiden Rohrenden zumindest eine Öffnung aufweist. Durch eine
entsprechende Zuordnung der Öffnungen innerhalb
des Kühlkanals
sowie die Verbindung mit dem Fluideintritt oder dem Fluidaustritt
kann die Strömungsrichtung innerhalb
des Zentralkerns bestimmt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Strömungsrichtung
strömt
das Kühlfluid über einen
sich zwischen dem Rohr und einer Innenwandung des Kühlkanals einstellenden
kreisringartigen Strömungsquerschnitt in
den Kühlkanal
ein und durch das Rohr aus dem Kühlkanal
aus. Diese Zwangsströmung
bewirkt, dass das abgekühlte
einströmende
Kühlfluid
die Innenwandung und damit den Zentralkern optimal kühlt, bevor
das erwärmte
Kühlfluid über das
Rohr austreten kann. Selbstverständlich
schließt
die Erfindung eine entgegengesetzte Strömungsrichtung ein, bei der
das durchs Rohr einströmende
Kühlfluid
zunächst
gezielt die Endzone des Zentralkerns beaufschlagt, bevor es über den
kreisringartigen Strömungsquerschnitt
austritt.
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Zur
Schaffung einer Baueinheit sind alle den Zentralkern umschließenden Einzelteile
des Gießkerns
vorteilhaft formschlüssig
zusammengefügt.
Als eine geeignete formschlüssige
Verbindung kann eine schwalbenschwanzähnliche Führung vorgesehen werden. Dazu
schließen
sowohl der Zentralkern im Bereich von Außenkonturen als auch beide
Außenschalen
im Bereich der Nut Wandungen auf, die schräg oder geneigt verlaufende,
als Hinterschnitte gestaltete Kontaktflächen bilden.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Maßnahme, die
nach der erkalteten Metallschmelze das Entfernen des Gießkerns erleichtert,
sieht vor, dass die Außenkonturen
des Gießkerns
bzw. aller zugehörigen Einzelteile
Auszugsschrägen
aufweisen. Alternativ oder ergänzend
dazu bietet es sich an, alle Einzelteile einschließlich des
Zentralkerns mittels einer Sicherung, beispielsweise einer Schnappverbindung
unverlierbar zu sichern.
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Der
Gießkern
ist bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Stahl
hergestellt, der einerseits einen bruchfesten Aufbau des Gießkerns gewährleistet
und andererseits einen geringen Wärmeverzug aufweist. Außerdem ermöglicht ein
Gießkern
aus Stahl die Bildung eines Dauerkerns sowie die Fertigung einzelner
Kernelemente mit hoher Genauigkeit, d. h. geringen Fertigungstoleranzen,
wodurch die Fügebereiche
ein Eindringen der Metallschmelze wirksam verhindern.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, auf die die
Erfindung jedoch nicht beschränkt
ist, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
einen erfindungsgemäßen Gießkern im
Längsschnitt,
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2:
in einer Teilansicht einen erfindungsgemäßen Gießkern,
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3:
den Zentralkern des Gießkerns
als Einzelteil in einer Perspektive,
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4:
eine Außenschale
des erfindungsgemäßen Gießkerns in
einer Perspektive,
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5:
den Aufbau eines bekannten Kolbens im Längsschnitt.
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Zur
Verdeutlichung der Erfindung wird zunächst auf die 5 Bezug
genommen, die einen Kolben 1 bekannter Bauart in zwei unterschiedlichen Teilschnittebenen
zeigt. Der Kolben 1 umfasst einen Kolbenboden 2,
an den sich außenseitig
am Kolbenumfang ein Ringfeld 3 sowie ein Kolbenschaft 4 anschließt. Der
außenseitig
einen Kolbeninnenraum 5 begrenzende Kolbenschaft 4 schließt zwei
sich diametral gegenüberliegende
Bolzenbohrungen 6 ein, die in Bolzennaben 7 eingebracht
sind. Die Kolbengestaltung sieht vor, dass die Bolzennaben 7 kraftflussgerecht
und ohne Hinterschneidungen in dem Kolben 1 abgestützt sind.
Die Bolzenbohrungen 6 sind zur Aufnahme von in 5 nicht
abgebildeten Kolbenbolzen bestimmt, über die der Kolben 1 mit
einem Pleuel verbunden ist, welcher an Innenseiten 8 der
Bolzennaben 7 geführt
ist. Zur Gestaltung des Kolbeninnenraums 5 einschließlich der
Ausformung beider Bolzennaben 7 sowie Zonen von Schaftfensterbereichen,
die sich zwischen den Bolzennaben 7 einstellen, wird zum
Abguss des Kolbens 1, beispielsweise bei einem Pressgießen, ein
Gießkern 9 gemäß 1 verwendet.
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Der
Aufbau des in 1 abgebildeten Gießkerns 9 umfasst
einen Zentralkern 10, der zwischen Außenschalen 11a, 11b eingesetzt
ist. Als Zentralkern 10 dient ein weitestgehend zylindrisches, rohrähnlich gestaltetes
Element, in das zur Bildung eines Kühlkanals 12 eine Sacklochbohrung
eingebracht ist, die sich nahezu über die gesamte Länge des
Zentralkerns 10 erstreckt. Im Bereich des Kühlkanaleintritts
weist der Zentralkern 10 einen Fluideintritt 13 sowie
einen Fluidaustritt 14 auf. In den Kühlkanal 12 ist ein
sich nahezu über
die gesamte Länge des
Kühlkanals 12 erstreckendes
Rohr 15 eingesetzt, das radial beabstandet zu einer Innenwandung 16 des
Zentralkerns 10 angeordnet ist. Das Rohr 15 ist
mittels einer Verschraubung 17 in Verbindung mit einer
Abdichtung lagepositioniert in dem Zentralkern 10 angeordnet.
Das Rohr 15 steht über
eine Öffnung 18 mit
dem Fluidaustritt 14 in Verbindung. Weiterhin weist das
Rohr 15 im Bereich einer Endzone 21 des Zentralkerns 10,
nahe dem Kühlkanalende
eine Öffnung 19 auf.
Aufgrund der Einbaulage des Rohres 15 stellt sich ein kreisringförmiger Strömungsquerschnitt 20 zwischen
einer Mantelfläche
des Rohrs 15 und der Innenwandung 16 ein, der
mit dem Fluideintritt 13 verbunden ist. Dadurch strömt das über den
Fluideintritt 13 eintretende Kühlfluid zunächst in den Strömungsquerschnitt 20,
bevor es über
die Öffnung 19 in
das Rohr 15 und anschließend über die Öffnung 18 in Verbindung
mit dem Fluidaustritt 14 aus dem Zentralkern 10 ausströmt. Zur
optimalen Abformung von Innenseiten 8 der Bolzennaben 7 gemäß 5 bildet der
Zentralkern 10 in der Endzone 21 Ausnehmungen 22a, 22b.
Korrespondierend dazu weisen beide Außenschalen 11a, 11b Aussparungen 23a, 23b auf. Diese
Gestaltung, in Verbindung mit der gezielten Kühlung der Endzone 21,
bewirkt während
bzw. nach dem Gießprozess
eine gewünschte
effiziente Kühlung,
die sich vorteilhaft auf die Gefügefestigkeit
der Bolzennaben 7, insbesondere deren Innenseiten 8 auswirkt.
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Die 2 zeigt
in einer Perspektive einen Endabschnitt des Gießkerns 9, wodurch
insbesondere die Zuordnung aller den Gießkern 9 bildenden Bauteile
verdeutlicht wird. Danach wird der Zentralkern 10 von zwei
jeweils gegenüberliegenden
Außenschalen 11a, 11b und
Kernteilen 24a, 24b vollständig umschlossen. Die Gestaltung
der Ausnehmungen 22a, 22b in Verbindung mit den
korrespondierenden Aussparungen 23a, 23b der Außenschalen 11a, 11b gehen
dabei nahtlos ineinander über, wodurch
keine Gießschmelze
in den Gießkern 9 eintreten
kann. In gleicher Weise ist eine hohe Passgenauigkeit zwischen den
Außenschalen 11a, 11b und
den dazwischen eingefügten
Kernteilen 24a, 24b sichergestellt.
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In
den 3 und 4 ist einerseits der Zentralkern 10 in
Verbindung mit zugehörigen
Kernteilen 24a, 24b und andererseits die Außenschale 11a in
der Perspektive abgebildet. Zur Erzielung einer sicheren Befestigung
sind die Kernteile 24a, 24b vorzugsweise über eine
formschlüssige
Verbindung an dem Zentralkern 10 angefügt. Die dem Zentralkern 10 weiterhin
zugehörigen
Außenschalen 11a, 11b sind
bevorzugt ebenfalls lagefixiert an dem Zentralkern 10 befestigt.
Dazu bildet die Außenschale 11a gemäß 4 eine
der Breite des Zentralkerns 10 entsprechende Nut 25.
Eine wirksame und sichere Befestigung der Außenschale 11a an dem
Zentralkern 10 kann dabei beispielsweise mittels einer Schwalbenschwanzführung erfolgen.
Dazu bildet der Zentralkerns 10 einen Hinterschnitt, vorzugsweise
in Form von schräg
verlaufenden Außenkonturen 26, die
mit seitlichen, als Hinterschnitt ausgebildeten Wandungen 27 der
Nut 25 beider Außenschalen (11a, 11b)
zusammenwirken.
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- 1
- Kolben
- 2
- Kolbenboden
- 3
- Ringfeld
- 4
- Kolbenschaft
- 5
- Kolbeninnenraum
- 6
- Bolzenbohrung
- 7
- Bolzennabe
- 8
- Innenseite
- 9
- Gießkern
- 10
- Zentralkern
- 11a
- Außenschale
- 11b
- Außenschale
- 12
- Kühlkanal
- 13
- Fluideintritt
- 14
- Fluidaustritt
- 15
- Rohr
- 16
- Innenwandung
- 17
- Verschraubung
- 18
- Öffnung
- 19
- Öffnung
- 20
- Strömungsquerschnitt
- 21
- Endzone
- 22a
- Ausnehmung
- 22b
- Ausnehmung
- 23a
- Aussparung
- 23b
- Aussparung
- 24a
- Kernteil
- 24b
- Kernteil
- 25
- Nut
- 26
- Außenkontur
- 27
- Wandung