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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 Fasergewebes.
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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 A1 geht eine Abdeckung des späteren Kühlkanals hervor, die durch ein Drahtmaterial erfolgt.
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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.
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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 Fasergewebes 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, 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 Fasergewebe verwendet wird. Das Fasergewebe hat im Wesentlichen die Form eines Streifens und kann auch als gewebte Fasermatte bezeichnet werden. Angesichts des nachfolgenden Materialauftrags, bevorzugt durch einen thermischen Spritzprozess, kann in günstiger Weise die Maschenweite und/oder Dicke des Fasergewebes und/oder der einzelnen Fasern in vorteilhafter Weise so gewählt werden, dass das aufgetragene Material das Fasergewebe nicht beschädigt und nicht in den späteren Kühlkanal eindringt. In unerwarteter Weise wurde festgestellt, dass das aufgetragene Material, das an dem fertigen Kolben als Armierungsmaterial dient, sich mit dem Fasergewebe mechanisch ”verklammert”.
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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 das Fasergewebe 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 Fasergewebe kann beispielsweise als Streifen von einer Rolle fortlaufend abgewickelt werden, in die Aussparung derart eingebracht werden, dass der Kühlkanal abgedeckt wird, und bei Erreichen der erforderlichen Länge kann das Fasergewebe 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 abdeckenden Fasergewebes 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. Für das Material des Fasergewebes wird je nach Anwendungsfall aufgrund seiner besonderen Eigenschaften Kohlenstoff und/oder ein Metall bevorzugt. Es werden deshalb insbesondere Gewebe aus Kohlenstofffasern und/oder Gewebe aus metallischen Fasern eingesetzt.
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In bestimmten Anwendungsfällen kann es vorteilhaft sein, wenn das Fasergewebe derart bemessen wird, dass es neben dem späteren Kühlkanal zumindest eine Nutflanke zumindest teilweise abdeckt. Im Bereich der abgedeckten Nutflanken kann durch das nachfolgend aufgetragene, bevorzugt thermisch gespritzte Material eine stoffschlüssige Verbindung zu dem Kolbenbasiswerkstoff hergestellt werden. Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt schließlich durch den im Anspruch 5 beschriebenen Kolben, der sich dadurch auszeichnet, dass er als Abdeckmaterial zwischen dem Kühlkanal und dem Verstärkungsmaterial zur Aufnahme des Kolbenrings ein Fasergewebe aufweist. Für bevorzugte Ausführungsformen des Kolbens gelten die vorangehend im Hinblick auf das Herstellungsverfahren als vorteilhaft dargestellten Maßnahmen.
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Ferner kann die Aussparung, die bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal und eine Kolbenringnut aufweist und in der das Fasergewebe zur Abdeckung des späteren Kühlkanals angebracht wird, zumindest einen Absatz aufweisen, an dem sich das Fasergewebe oder -geflecht in vorteilhafter Weise abstützen kann.
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Entsprechend dem vorangehend beschriebenen Grundgedanken der Erfindung schlägt diese ferner eine neuartige Verwendung eines Fasergewebes, nämlich zum Abdecken 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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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 eine Schnittansicht eines oberen, seitlichen Bereichs eines Kolbenrohlings; und
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2 eine Schnittansicht eines oberen, seitlichen Bereichs eines Kolbenrohlings in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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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 rechteckig ist. Diese Nut 14 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 10, 14 zu einer Ebene senkrecht zur Kolbenachse und etwa durch die Mitte der Engstelle 12 im Wesentlichen symmetrisch.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist oberhalb und unterhalb der Nut 14 und insoweit zwischen den Nutflanken der Nut 14 und denjenigen der Nut 10 jeweils ein Absatz 16 vorgesehen, an dem sich ein Fasergewebe 18 abstützen kann, das zur Abdeckung des späteren Kühlkanals, der durch die Nut 14 gebildet wird, dient. Einer oder beide Absätze können sich weitgehend senkrecht zu den Flanken der Nut 14, 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 Fasergewebes angepasst sein. Das Fasergeflecht 18 ist in 1 übertrieben dick dargestellt und weist im Wesentlichen eine Streifenform auf, die in Umfangsrichtung um die ringförmige Nut 14 gewickelt wurde.
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Nachfolgend kann beispielsweise durch thermisches Spritzen Verstärkungsmaterial auf das Fasergewebe 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.
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Aus 2 geht eine Ausführungsform hervor, bei der das Fasergewebe 18 eine Breite (gemäß den Figuren die Abmessung in vertikaler Richtung) aufweist, die größer ist als der maximale (äußere) Abstand zwischen den beiden Absätzen 16.
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Dementsprechend deckt das Fasergewebe 18 in dieser Ausführungsform beide Flanken der Nut 10 zumindest teilweise ab, so dass sich hier die oben genannten Vorteile erreichen lassen. Der Bereich der Abdeckung der beiden Nutflanken ist in 2 übertrieben dargestellt und kann dementsprechend kleiner sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19807176 C2 [0005]
- DE 19649363 A1 [0006]
- DE 102009002653 A1 [0007]
- DE 102005047035 B3 [0008]
