DE102011002652B4

DE102011002652B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor und Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102011002652B4
Application number: DE102011002652A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Cromme
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: DE102011002652A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem Kühlkanal (14) wird eine an der Mantelfläche eines Kolbenrohlings offene Nut für den Kühlkanal (14) ausgebildet, mit einem einstückigen, durchgehenden Ring zumindest teilweise abgedeckt und mit Verstärkungsmaterial (16) gefüllt. Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor weist zumindest einen Kühlkanal (14) auf, der radial außen durch zumindest einen einstückigen und durchgehenden Ring begrenzt ist, auf den Verstärkungsmaterial (16) aufgebracht ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.
Bei Motorkolben ist der Bereich des Feuerstegs und der obersten Ringnut besonderen Belastungen ausgesetzt. Dem wird durch eine Ringnutarmierung Rechnung getragen. Gleichzeitig ist hierbei häufig ein ringförmiger Kühlkanal zu berücksichtigen, der sich in diesem Bereich befindet.
Stand der Technik
Aus der DE 198 07 176 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem beim Gießen des Kolbens eine radial offene Nut ausgebildet wird, die nachfolgend teilweise durch einen innenspannenden Abdeckring abgedeckt wird und mit Verstärkungsmaterial gefüllt wird. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass insbesondere der Stoß des zunächst ”offen” ausgebildeten Ringes eine Schwachstelle ist, und es deshalb und infolge von Verformungen des Ringes zum Eindringen von Material in den Kühlkanal kommt.
US 2716581 A betrifft einen Kolben mit einem formschlüssig in einer Nut aufgenommenen Ring zur Verstärkung der Nut für den obersten Kolbenring.
Aus der JP 2000-213413 A geht die Abdeckung eines Kühlkanals mit einem einstückigen Ring, der einen überlappenden Stoß aufweist, vor dem Aufspritzen von Verstärkungsmaterial hervor.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit einem Kühlkanal, einer Abdeckung und einer Armierung zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren.
Demzufolge wird zunächst eine radiale, d. h. an der Mantelfläche offene Nut ausgebildet, die zum einen den Kühlkanal bildet. Zum anderen wird sie nachfolgend mit einer neuartigen Abdeckung versehen und mit Verstärkungsmaterial gefüllt. Erfindungsgemäß erfolgt die Abdeckung vollumfänglich, an einer geeigneten Stelle entlang der Tiefe der Nut und durch einen einstückigen und durchgehenden Ring. Mit anderen Worten weist der Ring keine Öffnung auf, die nachfolgend, gegebenenfalls durch Überlappung, eine Stoßstelle bildet. Für den Ring kann beispielsweise ein Stück dünnes Rohr verwendet werden. Mit Hilfe der nachfolgend im Detail beschriebenen Maßnahmen ist die Anbringung des Ringes an der zutreffenden Stelle auch bei der durchgehenden Gestalt des Ringes möglich. Gleichzeitig kann durch die Vermeidung der genannten Schwachstelle das Eindringen von Verstärkungsmaterial, das bevorzugt durch thermisches Spritzen aufgebracht wird, und/oder von Zerstäubergas verhindert werden. Der Ring wird bevorzugt nach dem Anbringen beispielsweise mechanisch, durch eine elektromagnetische Pulstechnologie oder in sonstiger geeigneter Weise derart radial nach innen verformt, dass er eine V- oder U-förmige Gestalt annimmt und mit seinen Schenkeln weitgehend flächig an der entsprechend ausgebildeten Nut anliegt. Auch hierdurch kann eine besonders gute Abdeckung und Abdichtung des späteren Kühlkanals erreicht werden.
Sowohl die Anbringung des Ringes als auch die Funktion der zuverlässigen Abdeckung des radial innen dahinterliegenden Kühlkanals wird in vorteilhafter Weise dadurch gewährleistet, dass der Ring im Rahmen des Herstellungsverfahrens des Kolbens zumindest bereichsweise radial nach innen verformt wird.
Hierfür wird ein EMP-Verfahren verwendet. Bei diesem Verfahren sind für den zu verformenden Ring sämtliche elektrisch leitfähigen Metalle verwendbar. Bei einem EMP-Verfahren wird im Wesentlichen ein elektromagnetischer Puls, mit anderen Worten ein einmaliger, kurzzeitiger, hochenergetischer, breitbandiger, elektromagnetischer Ausgleichsvorgang erzeugt. Wie sich beispielsweise auf www.pstproducts.com nachlesen lässt, können hierdurch verschiedenste Materialien verformt werden. Dies ergibt sich beispielsweise auch aus dem am 10. Januar 2011 auf der genannten Website erhältlichen Artikel ”Die Elektromagnetische Puls Technologie im industriellen Einsatz” von Dr. Ralph Schäfer und Dr. Pablo Pasquale, dessen Inhalt ebenso wie die genannte Website im Hinblick auf das genannte Verfahren zum Gegenstand der Anmeldung gemacht wird. Im Rahmen der Erfindung wird ein derartiges EMP-Verfahren verwendet.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Für die zuverlässige Abdeckung und Abdichtung des Kühlkanals hat sich eine formschlüssige Anbringung des Ringes in der Nut als vorteilhaft herausgestellt.
Für die Anbringung des Ringes an den Kolbenrohling wird derzeit bevorzugt, dass die Nut an der zu dem Kolbenboden gerichteten Seite eine geringere Tiefe aufweist als an der von dem Kolbenboden abgewandten Seite. Mit anderen Worten ist der Durchmesser des Kolbens im Bereich des Kolbenbodens etwas geringer als unterhalb der Nut. Hierdurch lässt sich der beschriebene Ring von der Seite des Kolbenbodens her an der Nut anordnen und kann nachfolgend zumindest bereichsweise derart radial nach innen verformt werden, dass er den Kühlkanal vollumfänglich abdeckt und an den Flanken einer sich beispielsweise radial nach innen verjüngenden Nut formschlüssig und damit zuverlässig anliegt.
Für das Verstärkungsmaterial wird bevorzugt, dieses durch thermisches Spritzen aufzubringen. Während bislang die Gefahr bestand, dass hierdurch ein Eindringen von Material und/oder Zerstäubergas in den Kühlkanal nicht ausgeschlossen werden konnte, bietet der erfindungsgemäß vorgesehene Ring diesbezüglich erhebliche Vorteile.
Ein erfindungsgemäß hergestellter Kolben weist einen Kühlkanal auf, der radial außen durch einen einstückigen, durchgehenden Ring begrenzt ist, auf den Verstärkungsmaterial aufgebracht ist.
Für den Ring lässt sich an dem fertigen Kolben in vorteilhafter Weise feststellen, dass er infolge der oben genannten Verfahrensschritte einen U- oder V-förmigen Querschnitt aufweist und zur (radialen) Außenseite des Kolbens geöffnet ist. Im Übrigen sind auf den erfindungsgemäßen Kolben sämtliche der oben genannten bevorzugten Verfahrensmerkmale anwendbar und umgekehrt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer beispielhaft in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Abschnitt eines Kolbenrohlings mit einem daran angebrachten Ring in einem ersten Stadium;
2 einen Abschnitt eines Kolbenrohlings mit einem daran angebrachten Ring in einem zweiten Stadium; und
3 einen Abschnitt eines Kolbenrohlings mit einem daran angebrachten Ring in einem dritten Stadium.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist ein oberer und radial äußerer Bereich eines Kolbenrohlings 10 zu erkennen, in den bereits eine Nut 12 zur Ausbildung eines Kühlkanals 14 (vgl. 2) und einer Ringnutarmierung 16 (vgl. 3) eingearbeitet ist. Bei dem gezeigten Beispiel weist die Nut 12 ausgehend vom Nutboden 18 zunächst eine im Wesentlichen gleichbleibende Breite auf und erweitert sich dann radial nach außenhin im Wesentlichen V-förmig. Die Nut weist in einem von dem Kolbenboden (in 1 oben) abgewandten Bereich eine größere Tiefe auf als zu dem Kolbenboden hin. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise das Anordnen eines einstückigen und durchgehenden Ringes 20 von der Seite des Kolbenbodens her. Der Ring 20 ist somit zunächst wie in 1 angeordnet.
In 2 ist ein nächstes Stadium im Rahmen der Herstellung gezeigt, in dem der Ring 20 zumindest bereichsweise, insbesondere in seinem axial mittleren Bereich, radial nach innen, d. h. in Richtung des späteren Kühlkanals 14 verformt wurde, um den Kühlkanal 14 abzudecken. Die Verformung kann beispielsweise durch ein EMP-Verfahren erfolgen. In den axial äußeren Bereichen des Ringes liegt dieser nachfolgend formschlüssig an den sich V-förmig erweiternden Nutflanken an.
Wie in 3 gezeigt ist, kann hierdurch beim nachfolgenden Aufbringen, beispielsweise durch thermisches Spritzen von Verstärkungsmaterial 16, eine zuverlässige Abdeckung des Kühlkanals 14 gewährleistet werden. Nachdem das Verstärkungsmaterial 16 aufgebracht ist, das die Ringnutarmierung bildet, können weitere Verfahrensschritte, wie z. B. die Ausbildung einer oder mehrerer Ringnuten, und das Abdrehen der Verbreiterung des Kolbenrohlings unterhalb des Verstärkungsmaterials 16 erfolgen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem Kühlkanal (14), bei dem eine an der Mantelfläche eines Kolbenrohlings (10) offene Nut (12) für den Kühlkanal (14) ausgebildet wird, mit einem einstückigen, durchgehenden Ring (20), der durch ein EMP-Verfahren zumindest bereichsweise radial nach innen verformt wird, abgedeckt wird und mit Verstärkungsmaterial (16) gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (20) formschlüssig in der Nut (12) angebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (12) an einer zu dem Kolbenboden gerichteten Seite eine geringere Tiefe aufweist als auf einer von dem Kolbenboden abgewandten Seite.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial durch thermisches Spritzen eingebracht wird.