DE102007020384A1

DE102007020384A1 - Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, Verfahren zu seiner Herstellung sowie Ringträger hierfür

Info

Publication number: DE102007020384A1
Application number: DE102007020384A
Authority: DE
Inventors: Sven Schilling; Helmut Kollotzek; Josip Zvonkovic
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2007-04-30
Publication date: 2008-11-06
Also published as: WO2008131738A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10) für eine Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem im Kolbenkopf eingegossenen Ringträger (20, 120) und einem im Bereich des Ringträgers (20, 120) im Kolbenkopf (11) vorgesehenen Kühlkanal (16), der mittels eines in eine Gießform eingelegten Salzkerns (22) herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringträger (20) auf seiner dem Kühlkanal (16) zugekehrten inneren Mantelfläche (23, 123) mit mindestens drei sich radial erstreckenden Abstandshaltern (24, 124) versehen ist, die zur Lagesicherung des Salzkerns (22, 122) in einer Gießform dienen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Kolbens für eine Verbrennungskraftmaschine in einer Gießform, wobei vor dem Gießen ein Ringträger und ferner im Bereich des Ringträgers ein Salzkern in die Gießform eingelegt werden. Die Erfindung betrifft ferner einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem im Kolbenkopf eingegossenen Ringträger und einem im Bereich des Ringträgers im Kolbenkopf vorgesehen Kühlkanal. Die Erfindung betrifft schließlich einen derartigen Ringträger.
Beim Gießen von Kolben mit einem eingegossenen Ringträger und einem Kühlkanal, wobei der Kühlkanal durch Einlegen eines Salzkerns in die Gießform hergestellt wird, muss aus gießtechnischen Gründen ein Mindestabstand zwischen dem Ringträger und dem Salzkern eingehalten werden. Allerdings gibt es Toleranzen bei beiden Bauteilen. Um dennoch den geforderten Mindestabstand einhalten zu können, wird bei der Lagezuordnung des Ringträgers zum Salzkern der Abstand zwischen dem Ringträger und dem Salzkern aus Sicherheitsgründen größer gewählt als gießtechnisch unbedingt nötig. Dies führt zu einer kühlungstechnisch nicht optimalen Lage des Kühlraumes.
Aus dem Stand der Technik wurden bereits Maßnahmen bekannt, um diesem Problem zu begegnen. So ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 197 01 085 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines einen eingegossenen Ringträger aufweisenden Kolbens für Brennkraftmaschinen mit einem hinter dem Ringträger verlaufenden Kühlkanal bekannt. Dabei wird der Ringträger von einem in die Gießform eingesetzten Kern zur Bildung des Kühlkanals gehalten, indem am Kern Haltemittel vorgesehen sind, die den Ringträger am Kern festlegen. Aufgrund der geringen Festigkeit des Salzkerns ist jedoch die Halterung des Ringträgers nicht zuverlässig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Gießen eines Kolbens bereitzustellen, bei dem ein geringer Abstand zwischen dem in der Gießform liegenden Ringträger und dem Salzkern möglichst genau verwirklicht werden kann. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen hierfür geeigneten Ringträger sowie einen mit einem Ringträger und einem Kühlkanal versehenen Kolben mit einem geringen Abstand zwischen Kühlkanal und Ringträger bereitzustellen.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, in einem Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sowie in einem Ringträger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Ringträger verwendet wird, der auf seiner dem Salzkern zugekehrten inneren Mantelfläche mit mindestens drei sich radial erstreckenden Abstandshaltern versehen ist, die den Salzkern in radialer und axialer Richtung in der Gießform führen. Der erfindungsgemäße Ringträger zeichnet sich dadurch aus, dass er auf seiner inneren Mantelfläche mit mindestens drei sich radial erstreckenden Abstandshaltern versehen ist. Der erfindungsgemäße Kolben ist mit einem derartigen Ringträger versehen.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Ringträgers und seiner erfindungsgemäßen Zuordnung zum Salzkern innerhalb der Gießform ist eine optimale axiale und radiale Führung und Ausrichtung des Salzkerns gegeben. Dadurch wird die Lagetoleranz zwischen Ringträger und Salzkern, die bisher eine genauere Ausrichtung verhindert, deutlich eingeschränkt. Aufgrund dieser deutlich geringeren Lagetoleranz zwischen Salzkern und Ringträger kann nun beim fertig gegossenen erfindungsgemäßen Kolben der gießtechnisch erforderliche Mindestabstand optimal realisiert werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht demnach einen möglichst geringen und genau bemessenen Abstand zwischen Ringträger und Salzkern innerhalb der Gießform. Eine derartige Ausbildung erlaubt eine kühlungs- und festigkeitstechnisch optimierte Lage des Kühlraumes.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Salzkern kann in an sich bekannter Weise von mindestens zwei Pinolen in der Gießform gehalten sein. Diese Pinolen werden im Stand der Technik dazu verwendet, beim Gießen des Kolbens Zufluss- und Abflusskanäle für das im Kühlkanal zirkulierende Kühlöl zu bilden. Es ist aber auch möglich, dass der Salzkern von den Abstandhaltern des erfindungsgemäßen Ringträgers nicht nur geführt und ausgerichtet, sondern auch gehalten wird. Diese Halterung des Salzkerns durch den erfindungsgemäßen Ringträger kann entweder zusätzlich zu der Halterung durch die Pinolen vorgesehen sein oder die Halterung durch die Pinolen ganz oder teilweise ersetzen.
Es ist zweckmäßig, die Abstandshalter gleichmäßig verteilt auf der inneren Mantelfläche des erfindungsgemäßen Ringträgers anzuordnen. Von besonderem Vorteil ist es, die Abstandshalter mittig zwischen einer oberen Stirnfläche und einer unteren Stirnfläche des Ringträgers auf der inneren Mantelfläche anzuordnen. Dies gewährleistet eine besonders genaue Zuordnung des Ringträgers zum Salzkern.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erfindungsgemäße Ringträger und die Abstandshalter einstückig ausgebildet. In diesem Fall können die Abstandshalter am Ringträger herausgeprägt, aufgestanzt, aufgestaucht, gepresst oder auf ähnliche Weise unmittelbar aus dem Werkstoff des Ringträgers herausgebildet sein.
In einer weiteren Variante kann jeder Abstandshalter ein gesondertes Bauteil bilden, das mit dem erfindungsgemäßen Ringträger verbunden ist. Bspw. können die Abstandshalter als Noppen, Stift, Gewindestift oder dergleichen ausgebildet und mit dem Ringträger verklebt, verlötet, verschweißt, verpresst, verschraubt oder in vergleichbarer Weise verbunden sein. Eine derartige Ausbildung des Ringträgers erlaubt in vielfältiger Weise eine wirtschaftliche Herstellung desselben und gewährleistet eine besonders hohe Maßgenauigkeit bei der Lagezuordnung des Ringträgers zum Salzkern.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen in schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellung:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens mit eingegossenem erfindungsgemäßem Ringträger und Kühlkanal in einer Teildarstellung im Schnitt;
2 den Ringträger aus 1 in einer Zuordnung zu einem Salzkern in einer Gießform in einer Teildarstellung im Schnitt;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens mit eingegossenem erfindungsgemäßem Ringträger und Kühlkanal in einer Teildarstellung im Schnitt;
4 den Ringträger aus 3 in einer Zuordnung zu einem Salzkern in einer Gießform in einer Teildarstellung im Schnitt.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines gegossenen Kolbens 10. Der Kolben 10 kann von beliebiger Bauart sein, sowohl einteilig als auch zweiteilig, bspw. als gebauter Kolben oder Pendelschaftkolben. Der Kolben 10 weist in an sich bekannter Weise einen Kolbenkopf 11 mit einem mit einer Verbrennungsmulde 12 versehenen Kolbenboden 13 sowie einem umlaufenden Feuersteg 14 und einer umlaufenden Ringpartie 15 mit Ringnuten 15a, 15b auf. Der Kolbenkopf 11 ist ferner in an sich bekannter Weise über Nabenanbindungen mit Naben verbunden, welche Nabenbohrungen zur Aufnahme eines nicht dargestellten Kolbenbolzens aufweisen (nicht dargestellt). Der Kolben 10 weist ferner in an sich bekannter Weise einen Kolbenschaft mit Laufflächen auf (nicht dargestellt). Zumindest der Kolbenkopf 11 ist im Ausführungsbeispiel aus einer üblichen Aluminiumlegierung, bspw. einer Aluminium-Silizium-Legierung vom Typ MAHLE M124, M142, M174 oder MAHLE M174+ durch Gießen hergestellt.
Im Ausführungsbeispiel ist unmittelbar unterhalb des Feuerstegs 14 ein Ringträger 20 vorgesehen, in welchen die dem Feuersteg 14 direkt benachbarte Ringnut 15a eingearbeitet ist. Der Ringträger 20 besteht in der Regel aus einem an sich bekannten NiResist-Werkstoff, das heißt, aus einem austenitischen Gusseisenwerkstoff mit Lamellengraphit. Der Ringträger 20 ist in an sich bekannter Weise alfiniert, also ent lang seiner dem Kolbenkopf 11 zugewandten Oberfläche, die im Wesentlichen aus einer oberen und unteren Stirnfläche 21 bzw. 22 sowie einer inneren Mantelfläche 23 besteht, mit einer aus Eisenaluminiden bestehenden sogenannten Alfinschicht versehen. Die Alfinschicht dient als Bindungsschicht zwischen dem Ringträger 20 und dem Kolbenkopf 11.
In Richtung des Kolbeninneren ist hinter dem Ringträger 20 ein Kühlkanal 16 ausgebildet. Der Kühlkanal 16 wird beim Ausführungsbeispiel durch Einsetzen eines Salzkerns 30 in eine Gießform (siehe 2) und durch Ausschwemmen des Salzkerns aus dem fertig gegossenen Kolben 10 gebildet. Dieses Herstellungsverfahren ist dem Fachmann an sich bekannt.
Zum Zwecke einer axialen und radialen Lagezuordnung des Salzkerns 30 zum Ringträger 20 ist der Ringträger 20 auf seiner inneren Mantelfläche 23 mit mindestens drei radial ins Kolbeninnere ragenden Abstandshaltern 24 versehen, die sich vorteilhafterweise mit gleichen Abständen um die innere Mantelfläche 23 verteilen. Die Höhe der Abstandshalter 24 ist so bemessen, dass sie an einer äußeren Mantelfläche 31 des Salzkerns 30 anliegen und diesen radial und axial in der Gießform ausrichten. Im Ausführungsbeispiel wird der Salzkern von den Abstandshaltern 24 des Ringträgers 20 zusätzlich gehalten. Diese letztere Funktion kann auch von in der Gießform vorgesehenen Pinolen (nicht dargestellt) unterstützt oder ganz übernommen werden. Eine besonders gute Wirkung ergibt sich, wenn die Abstandshalter 24 in der Mitte der Mantelfläche 23, also mittig zwischen der oberen Stirnfläche 21 und unteren Stirnfläche 22 des Ringträgers 20 angeordnet sind. Im Ausführungsbeispiel liegen die Abstandshalter 24 derart an der äußeren Mantelfläche 31 des Salzkerns 30 an, dass nach dem Gießen und dem Ausschwemmen des Salzkerns 30 die Abstandshalter 24 bündig mit den inneren Oberfläche des nun freigelegten Kühlkanals 16 liegen.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Ringträgers 20 bzw. die beschriebene Anordnung von Ringträger 20 und Salzkern 30 in der Gießform bewirkt, dass die Lagetoleranzen von Ringträger 20 und Salzkern 30 eingeschränkt werden, so dass zwischen dem Ringträger 20 und dem Salzkern 30 rundum ein gleichmäßig bemessener möglichst geringer Abstand eingehalten werden kann. Dieser geringe und gleichmäßige Abstand führt zu einer festigkeitsseitig und kühlungstechnisch optimierten Lage des Kühlraumes.
Im Einzelnen kann die Erfindung so getroffen sein, dass die Abstandshalter 24 unmittelbar aus dem Werkstoff des Ringträgers 20 herausgebildet sind, bspw. durch Herausprägen, Aufstanzen, Aufstauchen, Pressen oder einem ähnlich geeigneten Verfahren. Der Ringträger 20 und die Abstandshalter 24 bilden dann also ein einstückiges Bauteil.
Eine weitere zweckmäßige Variante ist in den 3 und 4 dargestellt, wobei gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und der Aufbau des in 3 dargestellten Kolbens 10 dem Aufbau des in 1 dargestellten Kolbens entspricht. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der im Kolbenkopf 11 eingegossene Ringträger 120 mit Abstandshaltern 124 versehen ist, die als gesonderte Einzelteile ausgebildet und mit dem Ringträger 120 in geeigneter Weise verbunden sind. Bei einer derartigen Ausführungsform können die Abstandshalter 124 mit dem Ringträger 120 verklebt, verschweißt, verlötet, verschraubt, verpresst oder dergleichen sein. Zu diesem Zweck können die Abstandshalter 124 bspw. einen Zapfen oder einen Gewindezapfen aufweisen, mittels dessen sie dann mit dem Ringträger 120 verbunden sind. Auch bei dieser Variante sind die Abstandshalter 124 im Ausführungsbeispiel gleichmäßig über den Umfang der inneren Mantelfläche 123 des Ringträgers 120 verteilt angeordnet und sitzen vorteilhafterweise mittig zwischen der oberen und unteren Stirnfläche 121 bzw. 122 auf der inneren Mantelfläche 123 des Ringträgers 120. Wie in der 4 zu erkennen ist, liegen die Abstandshalter 124 an der äußeren Mantelfläche 31 des Salzkerns 30 an und richten diesen in seiner Lage in der Gießform aus. Auch in diesem Ausführungsbeispiel liegen die Abstandshalter 124 derart an der äußeren Mantelfläche 31 des Salzkerns 30 an, dass nach dem Gießen und dem Ausschwemmen des Salzkerns 30 die Abstandshalter 124 bündig mit den inneren Oberfläche des nun freigelegten Kühlkanals 16 liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19701085 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Gießen eines Kolbens (10) für eine Verbrennungskraftmaschine in einer Gießform, wobei vor dem Gießen ein Ringträger (20, 120) und ferner im Bereich des Ringträgers (20, 120) ein Salzkern (30) in die Gießform eingelegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringträger (20, 120) verwendet wird, der auf seiner dem Salzkern (30) zugekehrten inneren Mantelfläche (23, 123) mit mindestens drei sich radial erstreckenden Abstandshaltern (24, 124) versehen ist, die den Salzkern (30) in radialer und axialer Richtung in der Gießform führen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Salzkern (30) von mindestens zwei Pinolen gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Salzkern (30) von den Abstandshaltern (24, 124) des Ringträgers (20, 120) gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringträger (20, 120) verwendet wird, dessen Abstandshalter (24, 124) in gleichmäßigen Abständen auf der inneren Mantelfläche (23, 123) verteilt angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringträger (20, 120) verwendet wird, dessen Abstandshalter (24, 124) mittig zwischen einer oberen Stirnfläche (21, 121) und einer unteren Stirnfläche (22, 122) des Ringträgers (20, 210) auf der inneren Mantelfläche (23, 123) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringträger (20) verwendet wird, dessen mindestens drei Abstandshalter (24) mit dem Ringträger (20) einstückig ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringträger (120) verwendet wird, dessen mindestens drei Abstandshalter (124) als gesonderte Bauteile ausgebildet und mit dem Ringträger (120) verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringträger (120) verwendet wird, dessen als gesonderte Bauteile ausgebildete Abstandshalter (124) mittels Kleben, Schweißen, Löten, Schrauben, Pressen oder dergleichen mit dem Ringträger (120) verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringträger (120) verwendet wird, dessen mindestens drei Abstandshalter (124) jeweils mit einem Zapfen bzw. einem Gewindezapfen versehen sind.
Kolben (10) für eine Verbrennungskraftmaschine, herstellbar mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Kolben (10) für eine Verbrennungskraftmaschine mit mindestens einem im Kolbenkopf eingegossenen Ringträger (20, 120) und einem im Bereich des Ringträgers (20, 120) im Kolbenkopf (11) vorgesehen Kühlkanal (16), dadurch gekennzeichnet, dass der Ringträger (20, 120) auf seiner dem Kühlkanal (16) zugekehrten inneren Mantelfläche (23, 123) mit mindestens drei sich radial erstreckenden Abstandshaltern (24, 124) versehen ist, die zur Positionierung des Kühlkanals (16) relativ zum Ringträger (20, 120) dienen.
Kolben nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (24, 124) in gleichmäßigen Abständen auf der inneren Mantelfläche (23, 123) des Ringträgers (20, 120) verteilt angeordnet sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (24, 124) mittig zwischen einer oberen Stirnfläche (21, 121) und einer unteren Stirnfläche (22, 122) des Ringträgers (20, 120) auf der inneren Mantelfläche (23, 123) angeordnet sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Abstandshalter (24) mit dem Ringträger (20) einstückig ausgebildet sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Abstandshalter (124) als gesonderte Bauteile ausgebildet und mit dem Ringträger (120) verbunden sind.
Kolben nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die als gesonderte Bauteile ausgebildeten Abstandshalter (124) mittels Kleben, Schweißen, Löten, Schrauben, Pressen oder dergleichen mit dem Ringträger (120) verbunden sind.
Kolben nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Abstandshalter (124) jeweils mit einem Zapfen bzw. einem Gewindezapfen versehen sind.
Ringträger (20, 120) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder für einen Kolben nach einem der Ansprüche 10 bis 17, mit einer oberen Stirnfläche (21, 121), einer unteren Stirnfläche (22, 122) und einer inneren Mantelfläche (23, 123), dadurch gekennzeichnet, dass der Ringträger (20, 120) auf seiner inneren Mantelfläche (23, 123) mit mindestens drei sich radial erstreckenden Abstandshaltern (24, 124) versehen ist.
Ringträger nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (24, 124) in gleichmäßigen Abständen auf der inneren Mantelfläche (23, 123) des Ringträgers (20, 120) verteilt angeordnet sind.
Ringträger nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (24, 124) mittig zwischen der oberen Stirnfläche (21, 121) und der unteren Stirnfläche (22, 122) des Ringträgers (20, 120) auf der inneren Mantelfläche (23, 123) angeordnet sind.
Ringträger nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Abstandshalter (24) mit dem Ringträger (20) einstückig ausgebildet sind.
Ringträger nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Abstandshalter (124) als gesonderte Bauteile ausgebildet und mit dem Ringträger (120) verbunden sind.
Ringträger nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die als gesonderte Bauteile ausgebildeten Abstandshalter (124) mittels Kleben, Schweißen, Löten, Schrauben, Pressen oder dergleichen mit dem Ringträger (120) verbunden sind.
Ringträger nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Abstandshalter (124) jeweils mit einem Zapfen bzw. einem Gewindezapfen versehen sind.