DE102011078194B4

DE102011078194B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie Verwendung eines Ringes, dessen Durchmesser in begrenztem Umfang vergrößerbar ist

Info

Publication number: DE102011078194B4
Application number: DE201110078194
Authority: DE
Inventors: Klaus Lades
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2031-06-29
Also published as: DE102011078194A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem ein Bereich, der bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal und eine Kolbenringnut aufweist, zunächst ausgespart wird, der spätere Kühlkanal nachfolgend abgedeckt wird, und schließlich Material zur Aufnahme des Kolbenringes aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der spätere Kühlkanal durch einen Ring (10) abgedeckt wird, dessen Durchmesser in begrenztem Umfang vergrößerbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie die Verwendung eines Ringes, dessen Durchmesser in begrenztem Umfang vergrößerbar ist.
Kolben für Otto- und Dieselmotoren sind größtenteils aus Alu-Schwerkraftguss hergestellt. Im Rahmen der Entwicklung zu immer kleineren, aber gleichzeitig leistungsfähigeren Motoren treten immer höhere Druckbelastungen auf. Dies bedeutet höhere Belastungen an dem ersten Kolbenring und der ersten Ringnut des Kolbens, in dem dieser aufgenommen ist. Insbesondere hoch belastete Kolben für Ottomotoren werden in Zukunft mit Verschleißschutzbewehrungen versehen werden müssen, um die Lebensdauer und das Betriebsverhalten der Kolben und Kolbenringe zu verbessern.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet der Ottomotorkolben sind Vorbenutzungsgegenstände bekannt, bei denen die hoch belastete erste Ringnut lokal mit einer elektrisch aufgebrachten Aluminiumoxidschicht armiert ist, um den hohen Flächenpressungen und Verschleißbeanspruchungen in der ersten Ringnut standzuhalten.
Bei Dieselmotorkolben ist es bereits Standard, und es könnte für Ottomotorkolben zusehends erforderlich werden, Ringträger einzugießen, was jedoch in technischer Hinsicht sehr aufwändig ist. Auf dem betreffenden Gebiet ist es insbesondere für Dieselmotorkolben, die üblicherweise einen Kühlkanal aufweisen, ferner bekannt, einen Ringträger, der mit einem Kühlkanal kombiniert ist, manuell in die Kokille einzulegen. Dieser kann nach dem sogenannten Alfin-Verfahren vor dem Einlegen in die Kokille in flüssiges Aluminium getaucht werden und ist somit beim Umgießen vollständig mit teilerstarrtem Aluminium benetzt. Dies bedeutet eine besonders gute metallische Bindung zwischen dem Ringträger und dem umgebenden Kolbenmaterial. Der Kühlkanal kann einen Formkern, beispielsweise aus Salz aufweisen, der nach der Erstarrung des Kolbenrohlings ausgewaschen werden kann.
Aus der DE 198 07 176 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem der Bereich der obersten Ringnut und des Kühlkanals zunächst ausgespart wird, dann durch einen radial innen spannenden Abdeckring abgedeckt wird, so dass nachfolgend die verbleibende Nut, aus der später die Ringnut herausgearbeitet wird, beispielsweise durch thermisches Spritzen aufgefüllt werden kann.
Gemäß der DE 196 49 363 A1 wird der betroffene Bereich durch einen Schmelzkern gebildet, dessen äußerer Ring später entfernt wird, um diesen Bereich mit Verstärkungsmaterial zu füllen. Nachfolgend wird auch der innere Bereich des Schmelzkerns entfernt, um den Kühlkanal auszubilden.
Aus der DE 10 2009 002 653 B3 geht eine Abdeckung des späteren Kühlkanals hervor, die durch ein Drahtmaterial erfolgt.
Die JP 2000 213 413 A betrifft einen Kolben und ein Verfahren zu dessen Herstellung, bei dem der spätere Kühlkanal durch eine aus Flachdraht gebildete Ringfeder abgedeckt wird.
Schließlich beschreibt die DE 10 2005 047 035 B3 ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem lediglich der Kühlkanal mit einer entfernbaren Masse gefüllt wird, und die äußere Radialnut, aus der später die erste Ringnut herausgearbeitet wird, mit Verstärkungsmaterial gefüllt wird. Nachfolgend wird die entfernbare Masse entfernt, so dass ein ringförmiger Kühlkanal verbleibt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, mit dem ein derartiger Kolben besonders zuverlässig herstellbar ist, und darüber hinaus die an ihn gestellten Anforderungen erfüllt. Ferner soll ein entsprechender Kolben geschaffen werden, und eine neuartige Verwendung eines Ringes, dessen Durchmesser in begrenztem Umfang vergrößerbar ist, vorgeschlagen werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
Demzufolge wird bei der Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor ein Bereich, der bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal und einen Kolbenring aufweist, zunächst ausgespart, und der spätere Kühlkanal nachfolgend abgedeckt oder verschlossen. Auf den ”Verschluss” wird Material zur Aufnahme des Kolbenrings aufgetragen. Das erfindungsgemäße Verfahren erhält seine Besonderheit dadurch, dass zur Abdeckung des Kühlkanals ein Ring verwendet wird, dessen Durchmesser in begrenztem Umfang vergrößerbar ist. Ein derartiger Ring kann auch als Ring mit verhaktem Stoß bezeichnet werden und ist als Kolben- oder Dichtungsring beispielsweise aus der US 4,206,930 A oder US 3,784,215 A bekannt. Im Rahmen der Erfindung wird jedoch erstmalig vorgeschlagen, einen derartigen Ring zur Abdeckung eines Kühlkanals und zum nachfolgenden Auftragen von Verstärkungsmaterial zu verwenden. Der erfindungsgemäß eingesetzte Ring kann die Details der Ringe gemäß den oben genannten Dokumenten sowie gemäß der US 4,109,924 A , der DE 23 56 349 A , der DE 1 976 416 U , der DE 1 243 478 B , der DE 1 930 632 U , der GB 484 621 A , der FR 576 074 A oder der US 1,485,128 A aufweisen.
Durch die Möglichkeit, dass sich der Durchmesser des Ringes in begrenztem Umfang vergrößert, kann der Tatsache in vorteilhafter Weise Rechnung getragen werden, dass bei dem Aufbringen von Verstärkungsmaterial, beispielsweise durch thermisches Aufspritzen, eine Ausdehnung des Ringes erfolgt. Dies führt beim nachfolgenden Abkühlen durch das Zusammenziehen zu lokalen Zugspannungen, die Risse bis in das aufgespritzte Material erzeugen können. Erfindungsgemäß wird somit die Ausdehnung des Ringes bei der Erwärmung infolge des Auftrags von heißem Material begrenzt, so dass die oben beschriebenen nachteiligen Wirkungen nicht oder auf ein akzeptables Maß begrenzt auftreten.
Der Bereich, der bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal und einen Kolbenring aufweist, kann bereits beim Gießen ausgespart werden oder in geeigneter Weise vorbearbeitet werden. Ferner sind für die Geometrie sowohl des Kühlkanals als auch der für das Verstärkungsmaterial und als Ringträger dienende Material vorgesehenen Nut wenig Anforderungen zu beachten. Der Kühlkanal kann bezüglich einer Ebene senkrecht zur Kolbenachse und durch die Mitte des Abdeckmaterials symmetrisch sein, er kann sich jedoch auch überwiegend unterhalb der genannten Ebene befinden, und seine Oberkante kann sich auf einer Höhe mit der Oberkante des Abdeckmaterials befinden. Ferner ist es für den Kühlkanal in seinem zur Kolbenachse hin, und damit zu einer möglichen Brennraummulde hin gelegenen Bereich denkbar, dass seine Geometrie an die Form der Brennraummulde angepasst ist. Beispielsweise kann zwischen der Brennraummulde und dem Kühlkanal Material mit einer entlang der Kolbenachse konstanten Dicke verbleiben.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Für die Maßnahmen, die für eine Ausdehnung in begrenztem Umfang sorgen, wird derzeit eine Überlappung an dem Ring bevorzugt, an der zumindest ein Vorsprung in zumindest eine Ausnehmung eingreift. Hierdurch kann der ”verhakte Stoß” besonders vorteilhaft realisiert werden. Zugleich kann die Federkraft des Ringes für die Fixierung und den Verschluss des späteren Kühlkanals genutzt werden.
Je nach Anwendungsfall kann der zumindest eine Vorsprung weitgehend axial oder radial angeordnet sein. Bei einer radialen Erstreckung des Vorsprungs ergibt sich der besondere Vorteil, dass der Ring den Kühlkanal vollständig abdichtet und in vorteilhafter Weise kein Spalt vorliegt, an dem das auf die Abdeckung aufgebrachte Material in den Kühlkanal eindringen könnte.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt schließlich durch den im Anspruch 4 beschriebenen Kolben, der sich dadurch auszeichnet, dass er als Abdeckung zwischen dem Kühlkanal und dem Verstärkungsmaterial zur Aufnahme des Kolbenrings einen Ring aufweist, dessen Durchmesser in begrenztem Umfang vergrößerbar ist. Für bevorzugte Ausführungsformen des Kolbens gelten die vorangehend im Hinblick auf das Herstellungsverfahren als vorteilhaft dargestellten Maßnahmen.
Entsprechend dem vorangehend beschriebenen Grundgedanken der Erfindung schlägt diese ferner eine neuartige Verwendung eines Ringes, dessen Durchmesser in begrenztem Umfang vergrößerbar ist, nämlich als Abdeckung des späteren Kühlkanals im Rahmen der Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, insbesondere vor dem Aufbringen von Material zur Aufnahme eines Kolbenringes, vor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer beispielhaft in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform näher erläutert.
Die 1 zeigt eine Schnittansicht eines oberen, seitlichen Bereichs eines Kolbenrohlings.
Die 2 zeigt den Stoß eines im Rahmen der Erfindung verwendeten Ringes.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist im Schnitt ein Bereich eines Kolbenrohlings gezeigt, der nahe zu dem Kolbenboden (in 1 oben) und einer Außenseite des Kolbens liegt. Die gezeigte, zur Außenseite (in 1 links) offene, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel trapezförmige Nut 20 wird, wie nachfolgend noch genauer erläutert, mit Verstärkungsmaterial gefüllt, und anschließend mit einer Nut zur Aufnahme eines obersten Kolbenringes versehen. Die genannte Nut 20 erstreckt sich zu einer Engstelle 22, von der ausgehend eine weitere, sich zur Kolbenachse (in 1 rechts) erweiternde Nut 24 vorgesehen ist, die in dem gezeigten Beispiel im Querschnitt rechteckig ist. Diese Nut 24 wird, wie nachfolgend genauer erläutert, im Laufe des erfindungsgemäßen Verfahrens verschlossen und bildet bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal. Bei dem gezeigten Beispiel sind beide Nuten 20, 24 zu einer Ebene senkrecht zur Kolbenachse und etwa durch die Mitte der Engstelle 22 im Wesentlichen symmetrisch.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist oberhalb und unterhalb der Nut 24 und insoweit zwischen den Nutflanken der Nut 24 und denjenigen der Nut 20 jeweils ein Absatz 26 vorgesehen, an dem sich ein Ring 10 abstützen kann, der zur Abdeckung des späteren Kühlkanals, der durch die Nut 24 gebildet wird, dient. Einer oder beide Absätze können sich weitgehend senkrecht zu den Flanken der Nut 24, d. h. im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse erstrecken. Die ”Tiefe” der Absätze in radialer Richtung (gemäß den Figuren die Richtung von links nach rechts) kann an die Dicke (gemessen in der gleichen Richtung) des Ringes 10 angepasst sein.
Nachfolgend kann beispielsweise durch thermisches Spritzen Verstärkungsmaterial auf den Ring 10 aufgebracht werden, um in diesem Bereich die Voraussetzungen dafür zu schaffen, dass ein oberster Kolbenring dauerhaft und zuverlässig aufgenommen werden kann. Hierzu wird die äußere Nut vorzugsweise vollständig mit Verstärkungsmaterial gefüllt und anschließend an der zylindrischen Außenfläche des Kolbens derart fertigbearbeitet, dass es mit dieser weitgehend bündig ist. Ferner wird eine Kolbenringnut eingearbeitet.
Die 2 zeigt den Stoß eines erfindungsgemäß verwendeten Ringes 10, der im Bereich einer Überlappung 12 Vorsprünge 14 und Ausnehmungen 16 aufweist, in welche die jeweiligen Vorsprünge 14 hineinragen. Hierzu ist die (axiale) Dicke (in der Figur von oben nach unten gemessen) im Bereich der Überlappung auf etwa ein Drittel reduziert, und am freien Ende des jeweiligen überlappenden Bereichs ist der Vorsprung, sich axial erstreckend, ausgebildet. Die Gestaltung an den überlappenden Enden ist insoweit komplementär und begrenzt eine Vergrößerung des Ringes auf den mit Pfeilen angedeuteten Wert X. Mit anderen Worten, wenn sich der Ring infolge einer Temperaturerhöhung ausdehnt, kann sich der jeweilige Vorsprung 14 in der Aussparung 16, in die er hineinragt, bewegen, stößt jedoch dann an den anderen Vorsprung an, so dass die Ausdehnung begrenzt ist.
Es sei erwähnt, dass die Orientierung der Vorsprünge auch unter einem 90°-Winkel der in der Figur gezeigten Orientierung vorgesehen sein könnte. Somit kann die ”radiale” Dicke des Ringes 10 im Bereich der Überlappung verringert sein, und der jeweilige Vorsprung 14 kann sich in radialer Richtung erstrecken. Dies bietet gegenüber der in der Figur gezeigten Ausführungsform, bei der in der gezeigten Stellung im Bereich der Aussparung 16 zwischen den beiden Vorsprüngen und auf der jeweils ”anderen” Seite der Vorsprünge 14 ein Spalt oder ”Fenster” verbleiben könnte, den Vorteil, dass der durch den Ring abgedeckte Kühlkanal vollständig verschlossen werden kann. Auch im Bereich der Überlappung ist nämlich stets Ringmaterial, wenn auch mit einer verringerten Dicke, vorhanden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem ein Bereich, der bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal und eine Kolbenringnut aufweist, zunächst ausgespart wird, der spätere Kühlkanal nachfolgend abgedeckt wird, und schließlich Material zur Aufnahme des Kolbenringes aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der spätere Kühlkanal durch einen Ring (10) abgedeckt wird, dessen Durchmesser in begrenztem Umfang vergrößerbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (10) zumindest eine Überlappung (12) aufweist, an der zumindest ein Vorsprung (14) in zumindest eine Ausnehmung (16) eingreift.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Vorsprung (14) weitgehend axial oder weitgehend radial vorsteht.
Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kühlkanal und einem Verstärkungsmaterial zur Aufnahme des Kolbenrings sowie mit einer Abdeckung zwischen dem Kühlkanal und dem Verstärkungsmaterial, wobei die Abdeckung durch einen Ring (10) gebildet wird, dessen Durchmesser in begrenztem Umfang vergrößerbar ist.
Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (10) zumindest eine Überlappung (12) aufweist, an der zumindest ein Vorsprung (14) in zumindest eine Ausnehmung (16) eingreift.
Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Vorsprung (14) weitgehend axial oder weitgehend radial vorsteht.
Verwendung eines Ringes (10), dessen Durchmesser in begrenztem Umfang vergrößerbar ist, zur Abdeckung eines Kühlkanals eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor im Rahmen von dessen Herstellung vor dem Auftragen von Material zur Aufnahme des Kolbenringes auf die Abdeckung.
Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (10) zumindest eine Überlappung (12) aufweist, an der zumindest ein Vorsprung (14) in zumindest eine Ausnehmung (16) eingreift.
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Vorsprung (14) weitgehend axial oder weitgehend radial vorsteht.