DE102008045456A1

DE102008045456A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102008045456A1
Application number: DE102008045456A
Authority: DE
Inventors: Peter Kemnitz; Carmen Klusch; Rainer Scharp
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2010-03-04
Also published as: JP2012501408A; BRPI0918059A2; EP2321513B1; US8434400B2; US20100050862A1; WO2010025703A1; EP2321513B2; EP2321513A1; CN202165174U; ATE543996T1; JP5631314B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenunterteil (15) und einem Kolbenoberteil (12), die durch Reibschweißen miteinander verbunden sind und einen äußeren umlaufenden Kühlkanal (19) bilden, wobei das Kolbenoberteil (12) eine mit Ringnuten (21, 22, 23) versehene umlaufende Ringpartie (20) aufweist, deren Innenwand (20') den umlaufenden äußeren Kühlkanal (19) begrenzt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass unterhalb der Ringpartie (20) eine äußere umlaufende Reibschweißnaht (29) vorgesehen ist, deren Breite (b1) höchstens genauso groß ist wie die Wanddicke (d) zwischen dem jeweiligen Nutgrund (21', 22', 23') der Ringnuten (21, 22, 23) und der Innenwand (20') der Ringpartie (20).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenunterteil und einem Kolbenoberteil, die durch Reibschweißen miteinander verbunden sind und einen äußeren umlaufenden Kühlkanal bilden, wobei das Kolbenoberteil eine mit Ringnuten versehene umlaufende Ringpartie aufweist, deren Innenwand den umlaufenden äußeren Kühlkanal begrenzt.
Ein gattungsgemäßer Kolben ist in der US 6,557,514 B1 offenbart. Die äußere umlaufende Reibschweißnaht zwischen dem Kolbenunterteil und dem Kolbenoberteil ist im Bereich der Ringpartie zwischen zwei Ringnuten angeordnet. Hierbei besteht jedoch die Gefahr, dass beim Reibschweißen Spannungen aufgebaut werden, welche die Stabilität des Kolbens beeinträchtigen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass die Gefahr von Spannungen verringert und die Stabilität des Kolbens verbessert wird.
Die Lösung besteht in einem Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass unterhalb der Ringpartie eine äußere umlaufende Reibschweißnaht vorgesehen ist, deren Breite höchstens genauso groß ist wie die Wanddicke zwischen dem jeweiligen Nutgrund der Ringnuten und der Innenwand der Ringpartie.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ist der Ausdruck „höchstens genauso groß” so zu verstehen, dass übliche Fertigungstoleranzen mit umfasst sind. Die Breite der äußeren umlaufenden Reibschweißnaht und die Wanddicke liegen also im Rahmen der üblichen Fertigungstoleranzen.
Der erfindungsgemäße Kolben ist trotz der gegenüber dem Stand der Technik deutlich verringerten Breite der Reibschweißnaht (und, damit einhergehend, der deutlich verringerten Wanddicke der Ringpartie im Bereich der Reibschweißnaht) sehr stabil. Zugleich weist der erfindungsgemäße Kolben eine verbesserte Flexibilität auf. Somit kann der erfindungsgemäße Kolben die beim Verbrennungsvorgang auf den Kolbenboden einwirkende Kräfte besser aufnehmen und gleichmäßiger über seine Struktur ableiten. Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Kolbens besteht darin, dass durch die Verringerung der Wanddicke im Bereich der äußeren umlaufenden Reibschweißnaht eine Material- und Gewichtsersparnis erzielt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Breite der äußeren umlaufenden Reibschweißnaht ist vorzugsweise genauso groß ist wie die Wanddicke zwischen dem jeweiligen Nutgrund der Ringnuten und der Innenwand der Ringpartie, wodurch ein optimaler Kraftfluss bei optimaler Materialausnutzung erzielt werden.
Der erfindungsgemäße Kolben weist zwischen einem Innenbereich und dem äußeren umlaufenden Kühlkanal Stützelemente auf, die über eine innere umlaufende Reibschweißnaht miteinander verbunden sind.
Die Breite der inneren umlaufenden Reibschweißnaht kann größer/gleich oder kleiner als die Breite der äußeren umlaufenden Reibschweißnaht sein. Beide Reibschweißverbindungen werden in einem Arbeitsgang ausgebildet.
Auch bei dieser bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Breite der inneren Reibschweißnaht geringer als bisher im Stand der Technik bekannt. Dennoch ist der erfindungsgemäße Kolben aus den oben beschriebenen Gründen sehr stabil.
Es ist zweckmäßig, dass das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil entlang mindestens einer Reibschweißnaht eine Mulde bilden, in die ein eventuell ausgebildeter Schweißwulst aufgenommen ist, um entlang der Reibschweißnaht eine möglichst gleichmäßige Oberfläche zu erhalten und insbesondere die Größe des Kühlkanals nicht zu reduzieren sowie den Kühlölfluss nicht durch Verwirbelungen u. dgl. zu beeinträchtigen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt, wobei die linke Hälfte der Darstellung gegenüber der rechten Hälfte um 90° gedreht ist;
2A eine vergrößerte Teildarstellung des Kolbens gemäß 1;
2B eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens.
Die 1 und 2A zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 weist ein Kolbenunterteil 15 und ein Kolbenoberteil 12 auf, die durch Reibschweißen miteinander verbunden sind. Das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil 12 können aus jedem metallischen Werkstoff bestehen, der einer Bearbeitung durch Reibschweißen zugänglich ist.
Das Kolbenunterteil 15 weist einen Kolbenschaft 14 sowie mit Nabenbohrungen 17 versehene Bolzennaben 16 auf. Das Kolbenoberteil 12 weist einen Kolbenboden 13 auf, der im Ausführungsbeispiel mit einer Brennraummulde 11 versehen ist. An den Kolbenboden 13 schließt sich ein äußerer umlaufender Feuersteg 18 an. Unterhalb des Feuerstegs 18 ist eine umlaufende Ringpartie 20 vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel mit drei umlaufenden Ringnuten 21, 22, 23 für Kolbenringe (nicht dargestellt) versehen ist. Das Kolbenunterteil 15 und das Kolbenoberteil 12 bilden ferner gemeinsam einen äußeren umlaufenden Kühlkanal 19.
Zur Bildung der Reibschweißverbindungen ist das Kolbenoberteil 12 mit einem umlaufenden äußeren Stützelement 25 und einem umlaufenden inneren Stützelement 27 versehen. In korrespondierender Weise ist das Kolbenunterteil 15 ebenfalls mit einem umlaufenden äußeren Stützelement 26 und einem umlaufenden inneren Stützelement 28 versehen. Die äußeren Stützelemente 25, 26 bilden unterhalb der Ringpartie 20 eine äußere umlaufende Reibschweißnaht 29, während die inneren Stützelemente 27, 28 unterhalb des Kolbenbodens 13 eine innere umlaufende Reibschweißnaht 30 bilden. Die inneren Stützelemente 27, 28 trennen den äußeren umlaufenden Kühlkanal 19 von einem Innenbereich 24 des Kolbens 10. Die Innenwand 20' der Ringpartie 20 bildet die äußere Wand des äußeren umlaufenden Kühlkanals 19.
Die äußere Reibschweißnaht 29 weist eine Breite b1 auf, die im Ausführungsbeispiel im Rahmen der üblichen Fertigungstoleranzen gleich groß ist wie die Wanddicke d der Ringpartie 20 zwischen dem jeweiligen Nutgrund 21', 22', 23' der Ringnuten 21, 22, 23 und der Innenwand 20' der Ringpartie 20.
Die innere Reibschweißnaht 30 weist eine Breite b2 auf, die im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2A im Rahmen der üblichen Fertigungstoleranzen geringer ist als die Breite b1 der äußeren Reibschweißnaht 29. Die Breite b2 kann aber auch genau so groß sein wie die Breite b1.
Die äußeren und inneren Stützelemente 26, 28 bzw. 25, 27 des Kolbenunterteils 15 und des Kolbenoberteils 12 sind im Ausführungsbeispiel im Bereich der Reibschweißnähte 30, 29 derart ausgestaltet, dass zum äußeren umlaufenden Kühlkanal 19 bzw. zum Innenbereich 24 hin ausgerichtete, im Ausführungsbeispiel umlaufende, Mulden 31 gebildet sind. In den Mulden 31 sind die Schweißwulste 32 aufgenommen, die ggf. während des Reibschweißvorgangs entstehen. Auf diese Weise sind im Ausführungsbeispiel die Oberflächen der Wände des Kühlkanals 19 vergleichsweise glatt. Dadurch bleibt das Volumen des Kühlkanals 19 zur Aufnahme von Kühlöl unbeeinträchtigt. Ferner kann das Kühlöl im Kühlkanal 19 im Wesentlichen störungsfrei strömen. Die Kühlwirkung des Kühlöls bleibt somit bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens im Wesentlichen erhalten.
2B zeigt in einer mit der 2A vergleichbaren Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbens 110. Der Kolben 110 unterscheidet sich vom Kolben 10 nur dadurch, dass die innere Reibschweißnaht 130 eine Breite b3 aufweist, die im Rahmen der üblichen Fertigungstoleranzen größer ist als die Breite b1 der äußeren Reibschweißnaht 29.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6557514 B1 [0002]

Claims

Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenunterteil (15) und einem Kolbenoberteil (12), die durch Reibschweißen miteinander verbunden sind und einen äußeren umlaufenden Kühlkanal (19) bilden, wobei das Kolbenoberteil (12) eine mit Ringnuten (21, 22, 23) versehene umlaufende Ringpartie (20) aufweist, deren Innenwand (20') den umlaufenden äußeren Kühlkanal (19) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Ringpartie (20) eine äußere umlaufende Reibschweißnaht (29) vorgesehen ist, deren Breite (b1) höchstens genauso groß ist wie die Wanddicke (d) zwischen dem jeweiligen Nutgrund (21', 22', 23') der Ringnuten (21, 22, 23) und der Innenwand (20') der Ringpartie (20).
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b1) der äußeren umlaufenden Reibschweißnaht (29) genauso groß ist wie die Wanddicke (d) zwischen dem jeweiligen Nutgrund (21', 22', 23') der Ringnuten (21, 22, 23) und der Innenwand (20') der Ringpartie (20).
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Innenbereich (24) des Kolbens (10, 110) und dem äußeren umlaufenden Kühlkanal (19) eine innere umlaufende Reibschweißnaht (30, 130) vorgesehen ist.
Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b3) der inneren umlaufenden Reibschweißnaht (130) mindestens genauso groß ist wie die Breite (b1) der äußeren umlaufenden Reibschweißnaht (29).
Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b2) der inneren umlaufenden Reibschweißnaht (30) kleiner ist als die Breite (b1) der äußeren umlaufenden Reibschweißnaht (29).
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (15) und das Kolbenoberteil (12) entlang mindestens einer Reibschweißnaht (29; 30, 130) eine Mulde bilden (31), in die ein eventuell ausgebildeter Schweißwulst (32) aufgenommen ist.