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Die
Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine, aufweisend
ein erstes einen Kolbenboden bildendes und ein zweites einen Kolbenschaft
bildendes Kolbenbauteil, wobei das erste Kolbenbauteil einen hinter
einem Ringfeld liegenden nach unten offenen Freibereich aufweist
und die beiden zusammengebrachten Kolbenbauteile den einteiligen
Kolben bilden, gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
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Solche
Kolben sind im Stand der Technik bekannt. Grundsätzlich hat die Herstellung
eines Kühlkanalkolbens
aus zwei Teilen, die unlösbar
miteinander zusammengefügt
werden, den Vorteil, dass der hinter dem Ringfeld liegende Freibereich
von dem Zusammenfügen
gut zugänglich
ist und der Freibereich, der später
den Kühlkanal
des Kühlkanalkolbens
bildet, hinsichtlich seiner Geometrie wie Höhe und Breite durch spanabhebende
Bearbeitung in der gewünschten
Geometrie eingebracht werden kann. Anschließend erfolgt das Zusammenfügen der
beiden Kolbenbauteile, beispielsweise mittels eines Schweißverfahrens,
wie es das Reibschweißverfahren
darstellt. Vor oder nach dem Zusammenfügen der beider Kolbenbauteile
wird der nach unten offene Freibereich noch verschlossen und zumindest
eine Zulauf- und zumindest eine Ablauföffnung eingebracht, um den
Kühlkanal
zu realisieren.
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Ein
solcher Kühlkanalkolben
weist zwar schon verbesserte Festigkeitswerte auf, sodass er zur
Realisierung der erforderlichen Verbrennungsdrücke und Verbrennungstemperaturen
geeignet ist. Allerdings sind die Abstützungen der beiden Kolbenbauteile
gegeneinander noch nicht optimal, sodass es nach wie vor zu Verformungen
des Kolbens während
des Betriebes in der Brennkraftmaschine kommt, die die zulässigen Verbrennungsdrücke und Temperaturen
begrenzen, sodass die gewünschten Schadstoffemissionen
und Verbrauchswerte für
den Betrieb der Brennkraftmaschine nicht realisiert werden können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen fertigen einteiligen
Kühlkanalkolben
einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, der gegenüber bekannten
Kühlkanalkolben
erhöhte
Festigkeitswerte aufweist und der ohne großen Aufwand hergestellt und
aus zumindest zwei Teilen montiert werden kann.
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Diese
Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass
- – das
erste Kolbenbauteil als Kolbenhauptteil mit einem Ringfeld und dem
hinter dem Ringfeld angeordneten Freibereich sowie einem darunter
angeordneten Innenschaftteil, dessen Durchmesser gegenüber dem
Außendurchmesser
im Bereich des Ringfeldes zurückgesetzt
ist, dass eine Bolzenbohrung in einer Kolbennabe aufweist, ausgebildet
ist,
- – das
zweite Kolbenbauteil als ein zylindrisches Kolbenschaftteil, dessen
Außendurchmesser dem
Außendurchmesser
im Bereich des Ringfeldes entspricht, ausgebildet ist,
- – das
Kolbenschaftteil koaxial über
dem Innenschaftteil angeordnet ist, das Innenschaftteil ein Außengewinde
und das Kolbenschaftteil im zugehörigen Bereich ein Innengewinde
aufweist, wobei die Gewinde eine Verschraubung bilden, wenn das
Kolbenschaftteil auf das Innenschaftteil aufgeschraubt wurde,
- – zumindest
ein Verschlusselement vorgesehen ist, mit dem der Freibereich verschlossen
ist, bevor oder nachdem das Kolbenschaftteil auf das Innenschaftteil
aufgeschraubt wurde, insbesondere wobei das Kolbenschaftteil das
Verschlusselement an dem Kolbenhauptteil festlegt.
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Die
Kombination der vorstehend genannten Merkmale hat dabei folgende
Vorteile. Das Kolbenhauptteil, das in seinem oberen Bereich (immer
bezogen auf die Kolbenhubachse) den Kolbenboden aufweist, kann aus
Stahl in einem Schmiedeverfahren in der gewünschten Geometrie gefertigt
werden. Dabei ist Stahl oder eine entsprechende Legierung ein kostengünstiger
Werkstoff mit den erforderlichen Werkstoffeigenschaften, wobei durch
das Schmiedeverfahren ein Werkstoffgefüge erzielt wird, das gegenüber einem
Gießverfahren
deutlich höhere
Festigkeitswerte aufweist. Da das unterhalb des Kolbenbodens angeordnete
Innenschaftteil einen gegenüber dem
Außendurchmesser
im Bereich des Ringfeldes zurückgesetzten
Durchmesser aufweist, ist von unterhalb des Kolbenbodens derjenige
Bereich, in den der Freibereich durch spanabhebende Bearbeitung eingebracht
werden soll, sehr gut zugänglich,
sodass der Freibereich, der später
den Kühlkanal
bildet, in der gewünschten
Geometrie, insbesondere Breite und Tiefe, eingebracht werden kann,
da er sehr gut zugänglich
ist.
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Unabhängig von
dem Kolbenhauptteil wird das zylindrische Kolbenschaftteil gefertigt,
dessen Außendurchmesser
in etwa dem Außendurchmesser im
Bereich des Rindfeldes des Kolbenhauptteiles entspricht. Mit diesem
zylindrischen Kolbenschaftteil stützt sich der fertige Kolben
vollständig
oder zumindest teilweise während
des Betriebes im Zylinder der Brennkraftmaschine an den Zylinderlaufflächen ab. Damit
das Kolbenschaftteil an dem Kolbenhauptteil angeordnet werden kann,
wird dieses koaxial über dem
Innenschaftteil des Kolbenhauptteiles angeordnet.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass das Innenschaftteil mit einem Außengewinde
und das Kolbenschaftteil im nach der Montage zugehörigen Bereich angeordneten
Innengewinde versehen wird, wobei die Gewinde eine Verschraubung
von Kolbenhauptteil und Kolbenschaftteil bilden, wenn das Kolbenschaftteil
auf das Innenschaftteil aufgeschraubt wurde. Die Gewinde können in
Umfangsrichtung gesehen durchgehend oder voneinander unterbrochen vorgesehen
sein. So können
beispielsweise das Außengewinde
des Innenschaftteiles neben den Bolzenbohrungen vorhanden sein (und
somit abschnittsweise), während
das Innengewinde des Kolbenschaftteiles im radialen Umfang gesehen
vollständig durchgehend
ist.
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Schließlich ist
noch erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der Freibereich mit einem Verschlusselement abgedeckt wird,
wobei das Kolbenschaftteil das Verschlusselement an dem Kolbenhauptteil
festlegt, nachdem das Kolbenschaftteil auf das Innenschaftteil aufgeschraubt
wurde. Dadurch können, müssen aber
nicht zusätzliche
Fügemaßnahmen,
mit denen das Verschlusselement an dem Kolbenhauptteil oder dem
Kolbenschaftteil festgelegt wird, vorhanden sein.
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Aufgrund
der vorstehend genannten Geometrien des Kolbens lässt sich
dieser aus zwei Kolbenbauteilen herstellen, die separat voneinander
hinsichtlich ihrer erforderlichen Geometrien optimal gefertigt werden
können.
Das Zusammenfügen
der beiden separat voneinander gefertigten Kolbenbauteile kann durch
einen Schraubvorgang schnell und unkompliziert erfolgen, sodass
aufwendige Schweißverfahren
entfallen können.
Dadurch ist bei der Serienproduktion solcher Kolben auch eine hohe
Energieeinsparung gegeben.
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Um
einen betriebsfertigen Kühlkanalkolben zu
realisieren ist es noch erforderlich, dass die beiden Bauteile so
miteinander verbunden werden, dass eine Relativbewegung zwischen
ihnen während
des Betriebes in der Brennkraftmaschine nicht mehr gegeben ist.
Das bedeutet, dass die beiden miteinander verschraubten Kolbenbauteile
gegen nachträgliches Lösen mittels
einer entsprechenden Verdrehsicherung zu sichern sind, was beispielsweise
durch gegenseitiges Anschweißen,
durch Passstifte, durch Verkleben oder über eine Bolzensicherung erfolgen kann,
wobei diese Aufzählung
nicht abschließend
ist.
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Verschiedene
Ausführungsbeispiele
von erfindungsgemäßen Kolben
für Brennkraftmaschinen, auf
die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, sind im Folgenden
beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
ein erstes und ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2:
ein drittes und ein viertes Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3 und 4:
Querschnitte durch zwei der Ausführungsbeispiele.
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In
den 1 und 2 sind insgesamt vier verschiedene
Ausführungsbeispiele
eines Kühlkanalkolbens
einer Brennkraftmaschine gezeigt, die zunächst den im Folgenden beschriebenen
Grundaufbau aufweisen.
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Ein
Kolbenhauptteil 1 aus geschmiedeten Stahl mit einem ein-
oder mehrteiligen Verschlusselement 2 schließt sich
ein Kolbenschaftteil 3 an, wobei in den 1 und 2 jeweils
rechts und links von einer Kolbenhubachse 4 die Schnitte
durch die verschiedenen Ausführungsbeispiele
des Kühlkanalkolbens
dargestellt sind, die im Folgenden beschrieben werden. Dabei ist
noch darauf hinzuweisen, dass, obwohl in den Figuren nur jeweils
links oder rechts von der Kolbenhubachse 4 ein Schnitt
teilweise dargestellt ist, der gesamte Kühlkanalkolben weitestgehend
dem Schnitt entsprechend symmetrisch ausgebildet ist.
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1,
links von der Kolbenhubachse 4, zeigt den nahezu fertigen
Kühlkanalkolben
mit Kolbenhauptteil 1, Verschlusselement 2 sowie
Kolbenschaftteil 3.
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Das
Kolbenhauptteil 1 weist ein Ringfeld 11 mit nicht
näher bezeichneten
Ringnuten auf, wobei dieser Bereich 11 auch als Kolbenboden
bezeichnet wird. Weiterhin kann, muss aber nicht, eine Brennraummulde 12 vorhanden
sein, wobei radial umlaufend hinter dem Ringfeld 11 ein
Freibereich 13 mit der Herstellung des Kolbenhauptteiles 1 eingebracht worden
ist. Wenn dieser Freibereich 13 von dem Verschlusselement 2 verschlossen
wurde und zumindest eine Zulauf- und zumindest eine Ablauföffnung in
das Verschlusselement 2 und/oder in das Kolbenhauptteil 1 eingebracht
worden sind, bildet dieser Freibereich 13 einen Kühlkanal.
Bei Betrachtung der 1 nach unten weisend ist ein
Innenschaftteil 14 vorhanden, dessen Außendurchmesser gegenüber dem
Außendurchmesser
im Bereich des Ringfeldes 11 zurückgesetzt ist. Dieses nach
unten an den Kolbenboden angehangene Innenschaftteil 14 weist eine
Bolzenbohrung 15 in einer Kolbennabe 16 auf.
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Der
Herstellungs- und Montageprozess des in 1, linke
Darstellung, gezeigten Kühlkanalkolbens,
ist dabei der Folgende:
Nachdem das Kolbenhauptteil 1 mit
seinen entsprechenden Geometrien, insbesondere dem Innenschaftteil 14 und
separat davon das Kolbenschaftteil 3 hergestellt worden
sind, wird das einteilige, in diesem Fall zumindest das zweiteilige
Verschlusselement 2 (zwei gleiche oder voneinander verschiedene Teile)
an dem Kolbenhauptteil 1 an einer Anlagestelle A1 angefügt. Dies
kann beispielsweise durch Punkt- oder umlaufendes Schweißen erfolgen.
Zur Erzielung des größtmöglichen
Kühlkanalvolumens
wird dazu das Verschlusselement an der tiefsten Stelle eines Brennraummuldenbodens 5 (bzw.
Brennraumboden, falls keine Brennraummulde vorhanden ist) angefügt. Dabei
kommt das Verschlusselement 2 mit seiner radial nach außen weisenden
umlaufenden Kante an der Innenseite des Freibereiches 13 auf
der Seite des Ringfeldes 11 zur Anlage, sodass dort eine weitere
Anlagestelle A2 gebildet ist. Für
eine bessere Anlage ist in diesem Bereich der Anlagestelle A2 etwa
unterhalb der dritten Ringnut ein Absatz vorhanden, der mit Einbringung
des Freibereiches 13 ebenfalls durch spanabhebende Bearbeitung
hergestellt werden kann. Somit kann das Verschlusselement 2 nur
an der Anlagestelle A1 oder nur an der Anlagestelle A2 oder an beiden
Anlagestellen A1, A2 angefügt
sein, mit gleichen oder unterschiedlichen Fügeverfahren.
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Etwa
auf Höhe
der Bolzenbohrung 15 weist das Innenschaftteil 14 ein
Außengewinde
auf, wobei auch das Kolbenschaftteil 3 ein zugehöriges Innengewinde
aufweist. Diese Gewinde, die im montierten Zustand eine Verschraubung
V1 bilden, sind gestrichelt dargestellt. Dabei wird das separate
Kolbenschaftteil 3 von (bei Betrachtung der 1)
unten über
die Verschraubung V1 auf das Innenschaftteil 14 aufgeschraubt
und der Schraubvorgang so lange durchgeführt, bis die Oberkante des
Kolbenschaftteiles 3 an der zugehörigen Unterkante des Ringfeldes 11 zur
Anlage kommt. Diese vorstehend genannte Anlage ist als Anlagestelle
A3 gekennzeichnet. Hier kann es nach dem Schraubvorgang zu einer
Presspassung zwischen der Oberkante des Kolbenschaftteiles 3 und
der Unterkante des Ringfeldes 11 im Bereich der Anlagestelle
A3 kommen. Ergänzend
oder alternativ dazu kann in diesem Bereich auch eine Verschraubung
V2 vorgesehen sein, wobei der nach unten stehende Fortsatz an der
Unterkante des Ringfeldes 11 ein Außengewinde und der obere nach
innen weisende Bereich des Kolbenschaftteiles 3 ein Innengewinde
aufweist, sodass mit Aufschrauben des Kolbenschaftteiles 3 auch
das Innenschaftteil 14 die beiden Bereiche der Verschraubung
V1 und V2 miteinander verschraubt werden. Dadurch ist eine sehr
steife Abstützung
des Ringfeldes 11 an dem Kolbenschaftteil 3 bzw.
umgekehrt gegeben. Für
den Fall zweier Verschraubungen V1 und V2 müssen beide Gewinde (jedes für sich)
vorzugsweise im gleichen Bearbeitungsschritt eingebracht werden,
da die beiden Bereiche V1, V2 ansonsten möglicherweise nicht zusammenpassen.
Die von aussen zugängliche Anlagestelle
A3 kann ergänzend
oder alternativ auch gefügt
(insbesondere verlötet
oder verschweisst) werden.
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Das
zweite, in 1, rechts, dargestellte Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass
das Kolbenschaftteil 3, genauer gesagt dessen Oberkante,
das Verschlusselement im Bereich der Anlagestelle A2 an dem Kolbenhauptteil 1,
genauer an der Unterkante des Ringfeldes 11, festlegt,
nachdem das Kolbenschaftteil 3 auf das Innenschaftteil 14 aufgeschraubt wurde.
Weiterhin hat bei diesem Ausführungsbeispiel das
Innenschaftteil 14 ebenfalls einen Schaftwandabschnitt
(mit vorzugsweise durchgängigem Gewinde).
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Das
weitere in 2, links von der Kolbenhubachse 4 dargestellte
Ausführungsbeispiel
ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement 2 im
Bereich der ersten Anlagestelle A1 an dem Kolbenhauptteil 1 in
der schon beschriebenen Art und Weise angefügt ist (alternativ oder ergänzend auch an
der Anlagestelle A2), während
die nach außen weisende äußere umlaufende
Kante des Verschlusselementes 2 an einem L-förmigen Absatz
an dem Ringfeld 11, der nach unten weist, zur Anlage kommt und
dort durch Pressung einer ebenfalls mit einem Absatz versehenen
Oberkante des Kolbenschaftteiles 3 festgelegt wird. Durch
den nach oben weisenden Fortsatz des Kolbenschaftteiles 3 wird
das Verschlusselement 2 an die Unterkante des Ringfeldes 11 gepresst
und dadurch eine sehr gute Versteifung bei gleichzeitiger Dichtheit
des Freibereiches 13 erzielt.
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Bei
dem vierten Ausführungsbeispiel,
dass in 2, rechts, dargestellt ist,
wird das Verschlusselement 2 von einem Fortsatz 17 an
dem Kolbenhauptteil 1 gebildet. Das bedeutet in diesem
Fall, dass das Kolbenhauptteil 1 (einschließlich des
Teiles, das das Ringfeld 11 bildet) und das Verschlusselement 2 einstückig ausgebildet
sind. Alternativ oder ergänzend dazu
ist es denkbar, dass auch an der Oberkante des Kolbenschaftteiles 3 ein
entsprechender Fortsatz ausgebildet ist, der das Verschlusselement
bildet. In diesem Fall sind das Kolbenhauptteil 1 und das
Kolbenschaftteil 3 im Bereich einer Verbindungsstelle 6 (alternative
Stelle ist 6' gekennzeichnet)
vor der Montage voneinander getrennt, wobei nach dem Aufschrauben
des Kolbenschaftteiles 3 an dem Innenschaftteil 14 des
Kolbenhauptteiles 1 die beiden beteiligten Kolbenbauteile
im Bereich der Verbindungsstelle 6 (bzw. 6') unter Presspassung
zur Anlage kommen. Ergänzend
dazu kann im Bereich dieser Verbindungsstelle 6 bzw. 6' auch gelötet, geschweißt oder
geklebt werden. Es ist auch denkbar, dass das Teil des Kolbenhauptteiles 1,
das das Ringfeld 11 bildet, ein separates Teil ist und
die Verbindungsstelle 6' gefügt (vorzugsweise
geschweisst) wird.
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In
den 1 und 2 ist als Mittel zur Verdrehsicherheit
noch schematisch ein Passstift 18 angedeutet. Nachdem das
Kolbenschaftteil 3 auf das Innenschaftteil 14 aufgeschraubt
wurde, wird an geeigneter Stelle zumindest eine Bohrung eingebracht, die
sich über
das Kolbenschaftteil 3 und das Innenschaftteil 14 erstreckt.
Anschließend
wird der Passstift 18 in diese Bohrung unverlierbar (z.
B. aufgrund einer Federwirkung, einer Verschweissung, einer Verklebung,
einer Presspassung oder dergleichen) eingesetzt.
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In
den 3 und 4 ist ein Querschnitt durch
die gemeinsamen Teile des Kühlkanalkolbens gemäß den Ausführungsbeispielen,
wie sie in den 1 und 2 gezeigt
sind, gezeigt. Erkennbar ist das Kolbenschaftteil 3, durch
welches eine Bolzenachse 7 läuft. Ebenfalls gezeigt sind
die Verschraubungen V1, mit denen das Kolbenschaftteil 3 auf
das Kolbenhauptteil 1, genauer auf das Innenschaftteil 14,
aufgeschraubt wird.
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In 4 ist
schließlich
gezeigt, dass das aufgeschraubte Kolbenschaftteil 3 noch
mit einer Bolzenöffnung 8 versehen
worden ist, damit die Bolzenbohrung 15 den Kolbenbolzen
aufnehmen kann. Neben den auf jeden Fall vorhandenen Verschraubungen
V1 sind hier noch die optional möglichen
Verschraubungen V2 (siehe 1, linke
Darstellung) gezeigt.
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Das
Verschlusselement 2 ist vorzugsweise zweiteilig und besteht
aus zwei voneinander verschiedenen Teilen oder zwei gleichen Hälften. Mehr als
zwei Teile können
aber auch in Betracht kommen, jedoch ist eine einfachere Montage
und Stabilität
bei einem zweiteiligen Verschlusselement 2 gegeben. Dies
hat den Vorteil, dass es unabhängig
von dem Durchmesser des Kolbenhauptteiles 1 bzw. des Kolbenschaftteiles 3 oder
dem Außendurchmesser
des Innenschaftteiles 14 montiert werden kann. Sind jedoch
die Durchmesserverhältnisse
derart, dass es beispielsweise möglich
ist, ein einteiliges Verschlusselement 2 über das
Innenschaftteil 14 zu bewegen, um den Freibereich 13 zu
schließen,
kann auch ein einteiliges Verschlusselement 2 zur Anwendung kommen.
Außerdem
kann an ein einteiliges Verschlusselement 2 in einer derartigen
Ausführung
gedacht werden, dass es in seinem radialen Verlauf eine Trennstelle
aufweist, sodass es aufgeweitet werden kann, um einen Durchmesser
zu erzielen, mit dem es beispielsweise über das Innenschaftteil 14 oder
auch das Kolbenhauptteil 1 bewegt und anschließend wieder
auf seinen ursprünglichen
Durchmesser zurückverformt
werden kann, um den Freibereich 13 zu schließen.
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- 1
- Kolbenhauptteil
- 2
- Verschlusselement
- 3
- Kolbenschaftteil
- 4
- Kolbenhubachse
- 5
- Brennraummuldenboden
- 6
- Verbindungsstelle
- 7
- Bolzenachse
- 8
- Bolzenöffnung
- 11
- Ringfeld
- 12
- Brennraummulde
- 13
- Freibereich
- 14
- Innenschaftteil
- 15
- Bolzenbohrung
- 16
- Kolbennabe
- 17
- Fortsatz
- 18
- Passstift
- A1,
A2, A3, A4, A5
- Anlagestelle
- V1,
V2
- Verschraubung
(Gewinde)