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Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Im Zuge der Effizienzsteigerung moderner Brennkraftmaschinen wird versucht, aus möglichst kleinen Brennraumvolumina möglichst viel Leistung zu generieren. Durch Erhöhung der Verdichtungsverhältnisse, Vorverlegung des Zündzeitpunktes und Ausnutzung der Direkteinspritzung kann dabei eine besonders effiziente Verbrennung und damit eine besonders effiziente Ausnutzung der im Kraftstoff gespeicherten chemischen Energie erreicht werden. Hieraus resultieren jedoch höhere Brennraumtemperaturen. Bei Motoren, die überwiegend aus Leichtmetallkomponenten, beispielsweise aus Aluminium, gefertigt sind, stößt man daher heutzutage an die thermische Belastungsgrenze des Materials. Dies gilt insbesondere für den thermisch besonders hoch beanspruchten Kolben der Brennkraftmaschine.
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Eine höhere Temperaturbeständigkeit kann durch die Verwendung von Kolben aus Stahl erzielt werden. Ein solcher, einstückig gegossener Stahlkolben ist beispielsweise aus der
DE 10 2006 030 699 A1 bekannt. Derartige Kolben sind mit zwei Problemen behaftet. Zum einen bestehen sie auch in thermisch wenig beanspruchten Bereichen aus dem relativ schweren Werkstoff Stahl, so dass die bewegte Masse im Motor größer ist als notwendig. Zum anderen muss aufgrund der thermischen Belastung üblicherweise ein die Kolbenwand ringförmig durchlaufender Kühlkanal vorgesehen sein. Beim einstückigen Guss sind hierfür komplexe Kerne notwendig, die die Herstellungskosten eines solchen Kolbens beträchtlich erhöhen. Die Notwendigkeit des Kerngusses limitiert zudem den Gestaltungsspielraum bei der Auslegung des Kolbens.
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Aus der
DE 10 2008 011 922 A1 ist ein weiterer Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, der zweistückig ausgeführt ist. Der Kolben ist hierbei in ein Oberteil und ein Unterteil unterteilt, die im Bereich eines umlaufenden Fügesteges durch mittelorbitales Reibschweißen verbunden sind. Dies ermöglicht es, den Kolben bereichsweise aus unterschiedlichen Materialien auszuführen, um so einen Kompromiss zwischen thermischer Belastbarkeit und Gewicht zu finden. Der Kolben gemäß der DE 10 2008 011 922 A1 benötigt jedoch weitere Teile, um den gewünschten ringförmigen Kühlkanal darzustellen. Insbesondere ist hierfür ein Zusatzelement vorgesehen, welches mit den beiden Kolbenteilen verbunden werden muss, um so den Kühlkanal zu bilden. Die daraus resultierende Notwendigkeit weiterer Fügeoperationen erhöht auch hier die Herstellungskosten des Kolbens.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der eingangs genannten Art bereitzustellen, der sowohl thermisch beständig und gewichtsoptimiert als auch kostengünstig herzustellen ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Ein solcher Kolben für eine Brennkraftmaschine weist ein Kolbenoberteil und ein Kolbenunterteil auf, welcher durch Schweißen stoffschlüssig entlang wenigstens einer Fügefläche verbunden sind. Ferner ist ein ringförmig in einem Kolbenmantel verlaufender Kühlkanal vorgesehen. Erfindungsgemäß wird der Kühlkanal gemeinsam von dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil gebildet. Hierunter soll insbesondere verstanden werden, dass keine weiteren Bauteile an der Ausbildung des Kühlkanals teil haben. Der Kühlkanal wird somit lediglich durch das Fügen von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil ausgebildet, da keine Zusatzelemente vorgesehen sind, sind auch weitere Fügeoperationen nicht notwendig. Ein solcher Kolben ist daher in seiner Herstellung besonders kostengünstig. Durch die Trennung in Kolbenoberteil und Kolbenunterteil können zudem die gewünschten Gewichts- und Temperaturbeständigkeitsvorteile erzielt werden. Hierzu ist es beispielsweise zweckmäßig, das Kolbenoberteil aus Stahl und das Kolbenunterteil aus einer Leichtmetalllegierung darzustellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die wenigstens eine Fügefläche durch den Kühlkanal. Dies ermöglicht das Ausbilden des Kühlkanals durch die Schweißoperation. Ein zusätzlicher Vorteil liegt darin begründet, dass die Fügefläche nicht im Bereich der maximalen mechanischen Belastungen des Kolbens liegt, so dass besonders haltbare Kolben erhalten werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die wenigstens eine Fügefläche ein Kegelmantel um eine Rotationssymmetrieachse des Kolbens. Die Fügefläche verläuft somit schräg durch den Kolbenmantel. Dies hat den Vorteil, dass Kolbenoberteil und Kolbenunterteil vor dem stoffschlüssigen Fügen nicht radial gegeneinander verschiebbar sind. Mit anderen Worten ist die rein mechanische Verbindung der beiden Teile selbstzentrierend. Auf aufwändige Maßnahmen zur Sicherung der Zentrierung, wie beispielsweise komplex geformte Halterungen, kann daher verzichtet werden.
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Die wenigstens eine Fügefläche kann alternativ auch als Zylindermantel um die Rotationssymmetrieachse des Kolbens ausgebildet sein. Auch eine Kombination von mehreren, unterschiedlich angeordneten Fügeflächen ist möglich.
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Als Schweißverfahren zum Verbinden des Kolbenoberteils und des Kolbenunterteils bietet sich insbesondere das Reibschweißen und das Laserschweißen an. Gerade beim Reibschweißen von Oberteilen und Unterteilen mit chronischen Fügeflächen treten die Vorteile der Selbstzentrierung der beiden Teile gegeneinander besonders hervor. Durch Reib- oder Laserschweißen können zudem im Wesentlichen wulstfreie Schweißverbindungen geschaffen werden. Hierdurch wird eine Verkleinerung der Kühlkanäle durch die Aufwölbung der Schweißnahtoberfläche vermieden. Beim Laserschweißen ergeben sich besonders feste Schweißnähte und eine besonders hohe Flexibilität in der Anordnung der Fügeflächen, die nicht auf einer gemeinsamen Ebene liegen müssen. Durch den definierten, geringen Wärmeeintrag ergibt sich ein sehr geringer Verzug der verschweißten Bauteile. Beim Laserschweißen können zudem nichtrotationssymmetrische Schweißflächen gewählt werden, so dass eine besonders hohe Gestaltungsfreiheit besteht.
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Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung durch den Verbindungsbereich eines Kolbenoberteils und Kolbenunterteils für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens;
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2 eine schematische Schnittdarstellung durch den Verbindungsbereich zwischen einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil für ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens;
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3 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Kolbenoberteil und ein Kolbenunterteil für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens während des Verbindens durch Laserschweißen; und
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4 eine schematische Schnittdarstellung des Kühlkanalbereichs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens mit mehreren möglichen Fügeebenen.
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Ein im Ganzen mit 10 bezeichneter Kolben für eine Brennkraftmaschine eines Kraftwagens ist aus einem Kolbenoberteil 12 und einem Kolbenunterteil 14 gebildet. Das Kolbenoberteil 12 umfasst einen Kolbenboden 16 sowie die Brennraummulde 18 des Kolbens 10, während das Kolbenunterteil 14 im Wesentlichen den Kolbenmantel 20 ausbildet. Durch die zweiteilige Ausführung als Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 ist es möglich, für thermisch unterschiedlich belastete Bereiche des Kolbens 10 verschiedene Materialien zu verwenden. So kann beispielsweise das Kolbenoberteil 12 aus Stahl gefertigt werden, um den hohen Brennraumtemperaturen in der Brennkraftmaschine eines Kraftwagens zu widerstehen, während das Kolbenunterteil 14 zur Gewichtseinsparung aus Aluminium bzw. einer Aluminiumbasislegierung gefertigt werden kann. Zwischen Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 ist ein Kühlkanal 22 ausgebildet, der in den Figuren schematisch in derjenigen Größe eingezeichnet ist, die er im gefügten Zustand von Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 aufweist.
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Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 sind über jeweilige Schweißflächen 24, 26 miteinander verbunden. Hierzu kann das Reibschweißen sowie ein Strahlschweißverfahren wie beispielsweise das Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen Verwendung finden. Beide Verfahren eignen sich, um unterschiedliche Werkstoffpaarungen zu verbinden. Der Kühlkanal 22 wird somit erst durch das Fügen von Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 in seiner endgültigen Form ausgebildet.
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In der Ausführungsform gemäß 1 liegen die Fügeflächen 24, 26 in einer Ebene, die zu der Rotationssymmetrieachse 28 des Kolbens 10 flächennormal steht. Eine solche Geometrie kann sowohl durch Reibschweißen als auch durch Strahlschweißen gefügt werden.
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2 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Kolbens 10, bei der eine Fügefläche 30 auf einem Zylindermantel um die Rotationssymmetrieachse 28 liegt. Auch hier wird der Kühlkanal 22 erst durch das Fügen von Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 ausgebildet. Durch die Kegelmantelform der Fügefläche 30 können Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 zusammengesetzt werden, ohne dass sie radial gegeneinander verschiebbar sind. Mit anderen Worten ist die Anordnung von Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 selbstzentrierend. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 durch Reibschweißen verbunden werden soll, da hier keine zusätzliche Zentrierungstechnik notwendig ist.
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Auch in der Ausführungsform gemäß 3 verläuft die Fügefläche 30 auf einem Kegelmantel um die Rotationssymmetrieachse 28. Die Verbindung zwischen Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 wird hier durch einen Laser 32 erzeugt, der mittels eines Laserstrahls 34 das Material von Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14 im Bereich der Fügefläche 30 aufschmilzt und so eine stoffschlüssige Verbindung erzeugt. Solche Schweißverbindungen sind von besonders hoher Qualität, da keine aufgewölbten Schweißwülste entstehen, die das Volumen des Kühlkanals 22 reduzieren könnten.
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Wie 4 zeigt, können beim Laserschweißen die Fügeflächen 30, 32, 34, 36 nahezu beliebig angeordnet werden. Die Fügeflächen 30, 32 liegen hier wieder auf Kegelmantelflächen um die Rotationssymmetrieachse des Kolbens, die Fügefläche 34 verläuft zylindrisch um die Rotationssymmetrieachse, und die Fügefläche 36 ist derart angeordnet, dass die Rotationssymmetrieachse eine Flächennormale auf der Fügefläche 36 bildet. Die Lage der Fügeflächen 30, 32, 34, 36 kann somit wesentlich freier gewählt werden, als beim Reibschweißen. Auch vollständig nicht symmetrische Fügeflächen sind möglich, so dass auf sonstige Gestaltungsmerkmale des Kolbens 10 Rücksicht genommen werden kann. Durch den geringen Wärmeeintrag beim Laserschweißen kommt es zudem zu äußerst geringen Verzügen im Schweißbereich zwischen Kolbenoberteil 12 und Kolbenunterteil 14.
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Insgesamt ergeben sich so besonders leichte und gleichzeitig temperaturbeständige Kolben 10, die als mehrteilige Gussbauteile dargestellt und durch Schweißen gefügt werden können, so dass beim Guss keine Kerne notwendig sind. Die Kolben 10 sind daher sowohl besonders haltbar als auch besonders kostengünstig in ihrer Herstellung.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kolben
- 12
- Kolbenoberteil
- 14
- Kolbenunterteil
- 16
- Kolbenboden
- 18
- Brennraummulde
- 20
- Kolbenmantel
- 22
- Kühlkanal
- 24
- Fügefläche
- 26
- Fügefläche
- 28
- Rotationssymmetrieachse
- 30
- Fügefläche
- 32
- Laser
- 34
- Laserstrahl
- 36
- Fügefläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006030699 A1 [0003]
- DE 102008011922 A1 [0004]
