DE102009040120A1

DE102009040120A1 - Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkolbens für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102009040120A1
Application number: DE102009040120A
Authority: DE
Inventors: Philipp Rall; Joachim Zander; Rainer Ottmüller
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-03-10
Also published as: US20130000120A1; CN102575613A; KR20120068891A; WO2011026480A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkolbens 1 für einen Verbrennungsmotor, der als Rundschaftkolben ausgebildet ist, und dessen Kolbenschaft 5 im Bereich der radial äußeren Stirnflächen 8, 8' der Bolzennaben 6, 6' in Richtung der Kolbenachse 10 sich erstreckende Schaftrücknahmen 9, 9' aufweist. Um hierbei der Verwendung des Kolbens 1 entsprechend beliebig geformte Schaftrücknahmen 9, 9' herstellen zu können, wird zunächst im Schmiedeverfahren unter Verwendung eines Schmiedegesenks ein Kolbenrohling hergestellt, dessen Innenfläche komplementär zur Außenform des Kolbens mit den Schaftrücknahmen 9, 9' und mit den nicht zurückgenommenen Bereichen 11, 11' des Kolbenschafts 5 gestaltet ist, wonach der Kolbenrohling zur Herstellung des Aluminiumkolbens 1 fertig bearbeitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkolbens für einen Verbrennungsmotor, der als Rundschaftkolben ausgebildet ist, mit einem Kolbenboden, mit einer Ringpartie und mit einem in kolbenbodenabgewandte Richtung sich an die Ringpartie anschließenden Kolbenschaft, der zwei einander gegenüberliegende Bolzennaben aufweist, wobei der Kolbenschaft im Bereich der radial äußeren Stirnflächen der Bolzennaben in Richtung der Kolbenachse sich erstreckende Schaftrücknahmen aufweist.
Aus der Europäischen Patentanmeldung EP 0 167 791 A2 ist ein Rundschaftkolben der eingangs genannten Art mit im Bereich der Bolzennaben über die gesamte axiale Länge des Kolbenschaftes sich erstreckenden Schaftrücknahmen bekannt, sodass diese Bereiche nach dem Einbau des Kolbens im Motor keinen Kontakt zur Zylinderinnenwand haben. Diese werden mittels einer Drehbank in den Kolbenschaft eingeformt, wobei der Kolben in seiner Längsrichtung exzentrisch auf der Drehbank eingespannt wird, um die Schaftrücknahmen in den Kolbenschaft eindrehen zu können. Nachteilig ist hierbei, dass mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Drehverfahren nur Schaftrücknahmen herstellbar sind, deren Tiefe zum Rand der Schaftrücknahmen hin kontinuierlich abnimmt, sodass sie im Querschnitt eine ovale Form aufweisen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens mit Schaftrücknahmen vorzuschlagen, die beliebig geformt werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass der Kolben im Schmiedeverfahren unter Verwendung eines Schmiedegesenks hergestellt wird, dessen Innenfläche komplementär zur Außenform des Kolbens insbesondere zur Form des Kolbenschafts, der Schaftrücknahmen und der nicht rückgenommenen Bereichen des Kolbenschaftes gestaltet ist. Der Innenfläche des Schmiedegesenks kann hierbei jede beliebige Form gegeben werden, sodass damit auch jede beliebige Außenform des Kolbens herstellbar ist.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen
1 einen Kolben in Seitenansicht, wobei im Bereich der Stirnflächen der Bolzennaben der Kolbenschaft zurückgenommen ist,
2 einen Schnitt durch den Kolben entlang der Linie AA in 1 und
3A, B zwei Ausführungen der Übergänge zwischen den zurückgenommenen und den nicht zurückgenommenen Schaftbereichen.
1 zeigt einen Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor, der als Rundschaftkolben ausgebildet ist, aus Aluminium besteht und im Schmiedeverfahren hergestellt wird. Der Kolben 1 weist einen Kolbenboden 2, einen Feuersteg 3, eine Ringpartie 4 und einen Kolbenschaft 5 mit Bolzennaben 6, 6' und Bolzenbohrungen 7, 7' auf.
Im Bereich der Stirnflächen 8, 8' der Bolzennaben 6, 6' weist der Kolbenschaft 5 Schaftrücknahmen 9, 9' auf, das heißt, dass der Kolbenschaft 5 in diesen Bereichen in radialer Richtung um 0,5 mm bis 2 mm zurückgenommen ist, und dass diese Bereiche 9, 9' von der Kolbenachse 10 somit einen um 0,5 mm bis 2 mm geringeren Abstand haben als die nicht zurückgenommenen Bereiche 11, 11' des Kolbenschafts 5.
Hierbei können die Übergangsbereiche 12, 12' zwischen den Schaftrücknahmen 9, 9' und den nicht zurückgenommenen Bereichen 11, 11' des Kolbenschafts 5 wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 parallel zueinander liegen oder (in 1 nicht dargestellt) in Richtung Kolbenboden 2 beziehungsweise in Richtung des unteren, kolbenbodenabgewandten Endes 15 des Kolbenschaftes 5 konisch aufeinander zulaufen. Weiterhin können die Schaftrücknahmen 9, 9' wie die Mantelflächen eines Kreiszylinders geformt sein. Sie können aber auch im Querschnitt senkrecht zur Kolbenachse 10 betrachtet eine ovale Form haben, wobei die Achse 13 der Bolzenbohrung 7 (2) die kleine Achse der Ovalität ist.
Die axiale Höhe 14 der Schaftrücknahme 9, 9' reicht im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die gesamte axiale Länge des Kolbenschaftes 5, das heißt, von der Ringpartie 4 bis zum kolbenbodenabgewandten, unteren Ende 15 des Kolbenschaftes 5. Die Höhe 14 der Schaftrücknahme 9, 9' ist hierbei aber frei wählbar.
In 2, einem Schnitt durch den Kolben 1 entlang der Linie AA in 1, ist dargestellt, dass die umfangsmäßige Ausdehnung der Schaftrücknahmen 9, 9' und der nicht zurückgenommenen Bereiche 11, 11' des Kolbenschaftes 5 anhand des Winkels α zwischen einer senkrecht auf der Achse 13 der Bolzenbohrung 7 und zudem senkrecht auf der Kolbenachse 10 stehenden Geraden 16 und einer die Kolbenachse 10 mit dem Übergangsbereich 12' verbindenden Geraden 17 definierbar ist. Der Winkel α hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Wert von 32°. Er kann aber zwischen 5° und 85° betragen.
3 zeigt zwei Ausführungsformen A und B der Übergangsbereiche 12a und 12b zwischen den Schaftrücknahmen 9 und den nicht zurückgenommenen Bereichen 11 des Kolbenschafts 5. Der Übergangsbereich 12a gemäß 3A weist gegenüber den Bereichen 9 und 11 je eine über die gesamte Höhe 14 der Schaftrücknahme 9 reichende Kante 18 und 19 auf. Der Übergangsbereich 12b gemäß 3B verbindet stetig und kantenfrei die beiden Bereiche 9 und 11.
Über den Winkel β, β' zwischen Geraden 20, 21, die die Ränder der Bereiche 11 und 9 mit der (in 3 nicht dargestellten) Kolbenachse 10 verbinden und senkrecht auf der Kolbenachse 10 stehen, ist die umfangsmäßige Ausdehnung der Übergangsbereiche 12a und 12b definierbar. Dieser Winkel β, β' kann zwischen 5° und 20° betragen.
Die Ausformung der Schaftrücknahmen 9, 9' erfolgt im Rahmen der schmiedetechnischen Herstellung des Kolben 1 unter Verwendung eines komplementär zum Kolbenschaft 5 gestalteten Schmiedegesenks. Hiermit wird zunächst ein Kolbenrohling 1 mit den Schaftrücknahmen 9 und 9' und den nicht zurückgenommenen Bereichen 11, 11' des Kolbenschaftes 5 hergestellt.
Die Herstellung eines Kolbenrohlings im Schmiedeverfahren ist aus dem Stand der Technik (beispielsweise aus der DE 10 2005 041 000 ) bekannt und wird nicht näher erläutert. Hier sei nur angemerkt, dass bei einer aus einem Dorn und einem Schmiedegesenk bestehenden Schmiedevorrichtung der Dorn der Ausformung des Kolbeninnenraumes und das Schmiedegesenk der Formung der Kolbenaußenfläche dienen. Hierbei weist das Schmiedegesenk eine zur Form der Kolbenaußenfläche gemäß 2 komplementäre Form auf, wobei das Schmiedegesenk aber keine den Nuten der Ringpartie 4 und den Bolzenbohrungen 7, 7' entsprechenden Anformungen aufweist.
Beim Schmieden des Kolbenrohlings werden somit die nicht zurückgenommenen Bereiche 11, 11' des Kolbenschafts 5 und die Schaftrücknahmen 9, 9' ausgebildet. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Schmiedeverfahrens zur Herstellung eines Kolbenrohlings besteht darin, dass hiermit beliebige Formen des Schaftrücknahmen 9, 9' und der Übergangsbereiche 12, 12' auf einfache Weise herstellbar sind. So können hierdurch Schaftrücknahmen mit im Querschnitt kreisrunder Form aber auch mit im Querschnitt ovaler Form hergestellt werden. Weiterhin können die Übergangsbereiche 12a, beziehungsweise 12b zwischen den Schaftrücknahmen 9, 9' und den nicht rückgenommenen Bereichen 11, 11' des Kolbenschaftes 5 so gestaltet werden, dass sie parallel zur Kolbenachse 10 liegen oder entweder in Richtung Kolbenboden 2 oder in Richtung des unteren Endes 15 des Kolbenschaftes 5 konisch aufeinander zulaufen.
Im Anschluss an den Schmiedevorgang werden mittels einer Bohrmaschine die Bolzenbohrungen 7, 7' und mit Hilfe einer Drehmaschine die Nuten der Ringpartie 4 hergestellt.
Hierbei hat die Verringerung der mit der Zylinderinnenfläche in Kontakt stehenden Flächen 11, 11' des Kolbenschaftes 5 mittels der Schaftrücknahmen 9, 9' den Vorteil, die Gleiteigenschaften des Kolbens zu verbessern. Zudem bietet ein Rundschaftkolben mit Schaftrücknahmen gegenüber einem Kastenkolben mit gegenüber der Ringpartie zurückgesetzten Stirnflächen der Bolzennaben in Richtung der Bolzenachse 13 längere Bolzenbohrungen 7, 7' und damit eine größere Auflagefläche für den Kolbenbolzen, sodass Rundschaftkolben mit größeren Verbrennungsdrücken belastbar sind.
Weiterhin hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die Schaftrücknahmen beliebig geformt werden können. In Richtung der Kolbenachse gesehen können die Übergangsbereiche zwischen den Schaftrücknahmen und den nicht zurückgenommenen Bereiche des Kolbenschaftes jede beliebige Form haben und beispielsweise wellenförmig ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

α, β, β': Winkel
1: Kolben
2: Kolbenboden
3: Feuersteg
4: Ringpartie
5: Kolbenschaft
6, 6': Bolzennabe
7, 7': Bolzenbohrung
8, 8': Stirnfläche der Bolzennabe 6, 6'
9, 9': Schaftrücknahme
10: Kolbenachse
11, 11': nicht rückgenommener Bereich des Kolbenschaftes 5
12, 12': Übergangsbereich zwischen der Schaftrücknahme 9 und dem Bereich 11
12a, 12b: Übergangsbereich zwischen der Schaftrücknahme 9 und dem Bereich 11
13: Achse der Bolzenbohrung 7
14: Höhe der Schaftrücknahme 9
15: unteres Ende des Kolbenschaftes 5
16: Verbindungsgerade
17: Verbindungsgerade
18, 19: Kante zwischen dem Übergangsbereich 12a und der Schaftrücknahme 9 beziehungsweise dem nicht zurückgenommenen Bereich 11 des Kolbenschaftes 5
20, 21: Gerade

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0167791 A2 [0002]
DE 102005041000 [0018]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkolben (1) für einen Verbrennungsmotor, der als Rundschaftkolben ausgebildet ist, mit einem Kolbenboden (2), mit einer Ringpartie (4), und mit einem in kolbenbodenabgewandte Richtung sich an die Ringpartie (4) anschließenden Kolbenschaft (5), der zwei einander gegenüberliegende Bolzennaben (6, 6') aufweist, wobei der Kolbenschaft (5) im Bereich der radial äußeren Stirnflächen (8, 8') der Bolzennaben (6, 6') in Richtung der Kolbenachse (10) sich erstreckende Schaftrücknahmen (9, 9') aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Herstellen eines Kolbenrohlings im Schmiedeverfahren unter Verwendung eines Dorns zur Ausformung des Kolbeninnenraumes und eines Schmiedegesenks zur Ausformung der Außenform des Kolbens (1), wobei in die Innenfläche des Schmiedegesenks die komplementäre Außenform des Kolbenschafts (5) mit den Schaftrücknahmen (9, 9') und mit den nicht zurückgenommenen Bereichen (11, 11') des Kolbenschafts (5) eingeformt ist, – Endbearbeitung des Kolbenrohlings zur Herstellung des Kolbens (1) mit Hilfe einer Bohrmaschine zur Herstellung der Bolzenbohrungen (7, 7') und mit Hilfe einer Drehmaschine zur Herstellung der Nuten der Ringpartie (4).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftrücknahmen (9, 9') mit einer Tiefe zwischen 0,5 mm und 2 mm hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schaftrücknahmen (9, 9') und den nicht zurückgenommenen Bereichen (11, 11') des Kolbenschafts (5) Übergangsbereiche (12a) geformt werden, die gegenüber den Schaftrücknahmen (9, 9') und gegenüber den nicht zurückgenommenen Bereichen (11, 11') jeweils eine über die gesamte Höhe (14) der Schaftrücknahme (9, 9') reichende Kante (18, 19) und zwischen den Kanten (18, 19) eine eben Fläche aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schaftrücknahmen (9, 9') und den nicht zurückgenommenen Bereichen (11, 11') des Kolbenschafts (5) Übergangsbereiche (12b) geformt werden, die die Schaftrücknahmen (9, 9') stetig und kantenfrei mit den nicht zurückgenommenen Bereichen (11, 11') des Kolbenschaftes (5) verbinden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schmieden des Kolbenrohlings die Übergangsbereiche (12a, 12b) so gestaltet werden, dass sie parallel zur Kolbenachse (10) zu liegen kommen.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schmieden des Kolbenrohlings die Übergangsbereiche (12a, 12b) so gestaltet werden, dass sie in Richtung Kolbenboden (2) konisch aufeinander zulaufen.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schmieden des Kolbenrohlings die Übergangsbereiche (12a, 12b) so gestaltet werden, dass sie in Richtung des kolbenbodenabgewandten Endes (15) des Kolbenschaftes (5) konisch aufeinander zulaufen.