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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie die Verwendung eines plastisch verformbaren Schlauchs.
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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.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus der
DE 10 2009 002 653 B3 geht eine Abdeckung des späteren Kühlkanals hervor, die durch ein Drahtmaterial erfolgt.
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Die
DE 10 2005 047 035 B3 beschreibt 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.
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Aus der
CH 424 370 A geht ein Kolben hervor, bei dem nach dem Gießen in eine Ausnehmung ein Hohlkörper zur Bildung eines Kühlkanals einpressbar ist.
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Schließlich betreffen die
DE 44 38 703 A1 und die
DE 197 22 053 A1 Kolben, bei denen schlauchförmige Kühlkanalbauteile in einer Gießform angebracht werden und somit in das Kolbenmaterial eingegossen werden.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, mit dem ein derartiger Kolben besonders effizient herstellbar ist, und darüber hinaus die an ihn gestellten Anforderungen erfüllt. Ferner soll ein entsprechender Kolben geschaffen werden, und eine neuartige Verwendung eines plastisch verformbaren Schlauchs vorgeschlagen werden.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
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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. Der spätere Kühlkanal wird durch die nachfolgend genauer beschriebenen Maßnahmen verschlossen. Auf den ”Verschluss” wird Material zur Aufnahme des Kolbenrings aufgetragen. Das erfindungsgemäße Verfahren erhält seine Besonderheit dadurch, dass der Kühlkanal durch einen plastisch verformten Schlauch gebildet wird. Im Rahmen der Herstellung des Kolbens wird in die oben genannte Aussparung ein Schlauch eingedrückt und plastisch verformt.
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Die plastische Verformung erfolgt beispielsweise zum einen dahingehend, dass der Schlauch durch eine in der Aussparung vorhandene Engstelle gedrückt wird, die zwischen dem Bereich, in dem nachfolgend Material zur Ausbildung der Kolbenringnut aufgetragen wird, und dem Kühlkanal vorhanden ist. Ferner kann der Schlauch beim Eindrücken in die für den Kühlkanal vorgesehene Aussparung an deren Innenkontur angepasst werden. Schließlich kann beim Eindrücken des Schlauchs die Außenseite, auf die nachfolgend Material zur Ausbildung der Kolbenringnut aufgetragen wird, profiliert und dadurch mit einer für das nachfolgende Auftragen des Materials besonders geeigneten Kontur versehen werden. Der Schlauch wird um den Kolben umlaufend in geeigneter Weise angebracht und verformt und abschließend zu einem Torus geschlossen. Bei einem Torus handelt es sich im Wesentlichen um einen Körper, der durch Rotation einer geeigneten Querschnittsform um eine außerhalb des gewählten Querschnitts, jedoch in einer Ebene damit liegende Achse erhalten wird. Im Wesentlichen kann ein derartiger Torus beispielsweise durch einen Ring mit geeignetem, beispielsweise weitgehend kreisförmigem Querschnitt gebildet werden.
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Der beschriebene Schlauch kann im Wesentlichen als Endlosmaterial bereitgestellt werden, mit anderen Worten von einer Spule abgelängt werden, so dass sich die Herstellung umfangreich automatisieren und effizienter gestalten lässt. Der verwendete Schlauch, der wegen seiner Verformbarkeit auch als Flexschlauch bezeichnet werden kann, hält den Belastungen im Rahmen des nachfolgenden Auftrags von Verstärkungsmaterial zur Ausbildung der Kolbenringnut besonders gut stand. Ferner kann, wie erwähnt, seine Außenkontur in einfacher Weise so gestaltet werden, dass das aufgetragene Verstärkungsmaterial besonders zuverlässig daran hält. Der verwendete Schlauch kann in einer beispielhaften Ausführungsform einen weitgehend kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von etwa 8 mm aufweisen, während die oben erwähnte Engstelle, durch die er beim Anbringen in den Kühlkanal gedrückt wird, beispielsweise eine Weite von 7 mm aufweisen kann.
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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.
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Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Bevorzugt wird der Schlauch mit einer Länge bereitgestellt, die größer ist als die für einen einzigen Kolben notwendige Länge. Mit anderen Worten werden nicht, im Hinblick auf ihre Abmessung individuell angepasste Ringe oder dergleichen bereitgestellt, sondern Schlauchmaterial kann beispielsweise von einer Rolle fortlaufend abgewickelt werden, in den späteren Kühlkanal eingedrückt werden, und bei Erreichen der erforderlichen Länge kann der Schlauch abgetrennt werden. Die vorangehend genannten und zahlreiche der nachfolgend erwähnten, bevorzugten Verfahrensschritte können automatisiert werden, so dass die Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens besonders einfach wird. In jedem Fall kann durch die Bereitstellung des den Kühlkanal bildenden Schlauchs mit einer großen Länge, somit bevorzugt die fortlaufende, bezogen auf die für einen einzelnen Kolben benötigte Länge ”endlose” Bereitstellung ein hoher Automatisierungsgrad erreicht werden, und insbesondere können bislang erforderliche, manuelle Arbeitsschritte wie das Vorbehandeln und Alfinieren von Ringträgern sowie das Einlegen derselben sowie von Formkernen in die Kokille und das Auswaschen oder Entformen der Formkerne entfallen.
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Für das Material des Schlauchs wird je nach Anwendungsfall Aluminium und/oder Eisenwerkstoff bevorzugt.
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Bevorzugt wird der Schlauch derart in die für den Kühlkanal vorgesehene Aussparung eingedrückt, dass er weitgehend vollflächig an der Innenfläche dieser Aussparung anliegt. Mit anderen Worten ist er im Endzustand im Hinblick auf seine Form an diese Aussparung oder den für den Kühlkanal vorgesehenen Formhohlraum angepasst.
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Um den im Endzustand vorliegenden Torus besonders geeignet für das nachfolgende Auftragen von Verstärkungsmaterial, das bevorzugt durch thermisches Spritzen erfolgt, anzupassen, wird derzeit bevorzugt, den Torus an der Außenseite mit einer verrundeten Ausnehmung zu versehen. Mit anderen Worten ist die Gestaltung des Torus an der Außenseite konkav und mit einer Rundung versehen.
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Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt schließlich durch den im Anspruch 6 beschriebenen Kolben, der sich dadurch auszeichnet, dass der Kühlkanal durch einen plastisch verformten Torus gebildet ist. Für bevorzugte Ausführungsformen des Kolbens gelten die vorangehend und nachfolgend im Hinblick auf das Herstellungsverfahren als vorteilhaft dargestellten Maßnahmen und umgekehrt. Jegliche Zu- und/oder Abflüsse des Kühlkanals können in einfacher Weise durch die in dem Kolbenmaterial vorgesehenen Zu- und/oder Abläufe, beispielsweise durch lokales Aufbohren oder Fräsen des Torusmaterials ausgebildet werden.
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Entsprechend dem vorangehend beschriebenen Grundgedanken der Erfindung schlägt diese ferner eine neuartige Verwendung eines Schlauchs, zur Ausbildung des späteren Kühlkanals im Rahmen der Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, insbesondere vor dem Aufbringen von Material zur Aufnahme eines Kolbenringes, vor.
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Auch für diese neuartige Verwendung gelten sämtliche hierin im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Kolben erwähnten bevorzugten Merkmale und umgekehrt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von beispielhaft in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 bis 6 Schnittansichten eines oberen, seitlichen Bereichs eines Kolbenrohlings für verschiedene Ausführungsformen und in verschiedenen Stadien im Rahmen der Anbringung des Schlauchmaterials.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
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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 10 wird, wie nachfolgend noch genauer erläutert, mit Verstärkungsmaterial gefüllt, und anschließend mit einer Nut zur Aufnahme eines obersten Kolbenringes versehen. Die genannte Nut 10 erstreckt sich zu einer Engstelle 12, von der ausgehend eine weitere, sich zur Kolbenachse (in 1 rechts) erweiternde Nut 14 vorgesehen ist, die in dem gezeigten Beispiel im Querschnitt die Form eines zur Seite gekippten U aufweist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die vom Kolbenboden entfernte Hälfte des U mit einer Ausbauchung mit einem Radius von beispielsweise etwa 2,5 mm versehen. Die genannte Nut 14 wird, wie nachfolgend genauer erläutert, im Laufe des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem plastisch verformten Schlauch gefüllt und dadurch verschlossen, so dass bei dem fertigen Kolben der umlaufende Schlauch einen Kühlkanal bildet.
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Im Rahmen der Herstellung wird der Schlauch durch ein geeignetes Werkzeug 16 durch die Engstelle 12 und in die Nut 14 gedrückt, wie in 2 dargestellt ist. Bei den in den 2 bis 4 gezeigten Ausführungsformen weist das Werkzeug eine vergleichsweise ”spitze” Kontur, d. h. im Wesentlichen die Form eines V auf, so dass im in 4 gezeigten Endzustand die entsprechend komplementäre Form an der Außenseite des Schlauchs 18 ausgebildet ist. Es sei erwähnt, dass das Eindrücken des Schlauchs 16 durch die Engstelle und in die Nut 14 durch ein erstes, nicht gezeigtes Werkzeug erfolgen kann, und die plastische Verformung oder Profilierung des Schlauchs in dem in der Nut 14 befindlichen Zustand durch ein zweites, beispielsweise das gezeigte Werkzeug 16 erfolgen kann.
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Wie in den 3 und 4 gezeigt ist, verbleibt bei dieser Ausführungsform unterhalb des Schlauchs die Ausbauchung der Nut 14 derart, dass der Schlauch hier nicht an der Innenkontur anliegt.
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Dies ist bei der in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsform anders. Wie in 6 erkennbar ist, liegt der eingedrückte und verformte Schlauch weitgehend vollständig an der Innenkontur der Nut 14 an. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorangehend beschriebenen Ausführungsform ferner durch die an der Außenseite vorgesehene Aussparung. Infolge eines größeren Radius an dem für diese Ausführungsform gewählten Werkzeug 26 weist die Aussparung an der Außenseite des Schlauchs eine rundere und weniger spitze Kontur auf. Dies kann für das nachfolgende Aufbringen von Verstärkungsmaterial in bestimmten Anwendungsfällen günstig sein.
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Nachfolgend kann beispielsweise durch thermisches Spritzen Verstärkungsmaterial auf den Schlauch 18 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.
