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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil, wobei das Kolbenoberteil an seiner dem Kolbenunterteil zugewandten Seite einen mit mindestens einem Halteelement versehenen axial angeordneten Bolzen aufweist und wobei das Kolbenunterteil an seiner dem Kolbenoberteil zugewandten Seite mindestens ein Sperrelement aufweist, an welchem sich das mindestens eine Halteelement abstützt. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens.
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Ein gattungsgemäßer Kolben ist in der
WO 2006/060987 A1 offenbart. Dieser Kolben setzt sich zusammen aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil. Das Kolbenoberteil ist mittels eines Bajonettverschlusses mit dem Kolbenunterteil verbunden. Mit Hilfe einer am Kolbenunterteil angebrachten Auflage wird in montiertem Zustand eine dauerhafte Vorspannung auf das Kolbenoberteil ausgeübt.
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Problematisch hierbei ist es, dass das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil lediglich über eine Verrastung miteinander verbunden sind. Es besteht die Gefahr, dass diese Verrastung sich aufgrund der hohen mechanischen Anforderungen im Motorbetrieb lösen kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben und ein Verfahren zu seiner Herstellung so weiterzuentwickeln, dass eine zuverlässig feste Verbindung von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil gewährleistet ist.
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Die Lösung besteht darin, dass das mindestens eine Halteelement und/oder das mindestens eine Sperrelement elastisch ausgebildet sind, dass das mindestens eine Halteelement in Richtung des Kolbenunterteils verjüngt ausgebildet ist und mindestens eine Halteschulter aufweist, und dass das mindestens eine Sperrelement sich auf der mindestens einen Halteschulter abstützt, derart, dass Kolbenoberteil und Kolbenunterteil unter Vorspannung miteinander verriegelt sind.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben mit ein Kolbenoberteil und ein Kolbenunterteil aufweist, wobei das Kolbenoberteil an seiner dem Kolbenunterteil zugewandten Seite einen mit mindestens einem Halteelement versehenen axial angeordneten Bolzen aufweist und wobei das Kolbenunterteil an seiner dem Kolbenoberteil zugewandten Seite mindestens ein Sperrelement aufweist, an welchem sich das mindestens eine Halteelement abstützt, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Kolbenoberteils oder eines Rohlings hiervon, wobei das mindestens eine Halteelement vom Kolbenoberteil abgekehrt verjüngt ausgebildet sowie mit mindestens einer Halteschulter versehen wird, b) Bereitstellen eines Kolbenunterteils oder eines Rohlings hiervon, wobei das mindestens eine Sperrelement ausgebildet wird, welches eine zentrale Öffnung begrenzt, c) Erwärmen des Kolbenunterteils, d) Verbinden von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil bzw. Verbinden ihrer Rohlinge, indem das mindestens eine Halteelement durch die zentrale Öffnung getrieben wird, derart dass die mindestens eine Halteschulter des mindestens einen Halteelements das mindestens eine Sperrelement hintergreift, e) Abkühlen des Kolbenunterteils, derart, dass das mindestens eine Sperrelement sich unter Vorspannung auf der mindestens einen Halteschulter des mindestens einen Halteelements abstützt, so dass eine Verriegelung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil gebildet wird, f) ggf. Fertigbearbeiten zum erfindungsgemäßen Kolben.
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Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass auch unter den hohen mechanischen Anforderungen im Motorbetrieb eine ausreichende Vorspannung und damit eine ausreichende Flächenpressung zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil gewährleistet sind. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass bei der formschlüssigen Verbindung zwischen dem mindestens einen Halteelement des Kolbenoberteils und dem mindestens einen Sperrelement des Kolbenunterteils das mindestens eine Sperrelement keine wesentliche Auslenkung in Richtung des Kolbenoberteils erfährt. Das bedeutet, dass die Vorspannung und damit die Flächenpressung im Bereich der Auflageflächen von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil maßgenau und zuverlässig eingestellt werden können und auch im Motorbetrieb im Wesentlichen konstant bleiben. Insbesondere über die Auslegung der Stichmaße der Auflageflächen von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil kann die Vorspannung gezielt bemessen werden. Die Konstruktion des erfindungsgemäßen Kolbens gewährt ferner eine Wahlfreiheit dahingehend, dass entweder das mindestens eine Halteelement oder das mindestens eine Sperrelement oder beide elastisch ausgebildet sein können. Somit kann der erfindungsgemäße Kolben an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist schließlich sehr einfach und kostengünstig zu realisieren.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorzugsweise sind mindestens zwei in radialer Richtung elastisch ausgebildete Sperrelemente vorgesehen, die sich auf der mindestens einen Halteschulter abstützen. In diesem Fall kann das Halteelement starr, auch massiv, ausgebildet sein. Zur Gewichtsersparnis kann eine Sackbohrung im Halteelement vorgesehen sein.
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Wenn mindestens zwei Sperrelemente vorgesehen sind, weisen vorzugsweise jeweils einen elastisch ausgebildeten Wandteil auf, an dessen freiem Ende eine Sperrnase vorgesehen ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders feste Verbindung zwischen dem mindestens einen Halteelement und den Sperrelementen, wobei eine Auslenkung der Sperrelemente in Richtung des Kolbenoberteils besonders zuverlässig vermieden wird.
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Als zusätzliche formschlüssige Verbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil kann das mindestens einen Halteelement gegenüber den mindestens zwei Sperrelementen plastisch verformt, bspw. verstemmt sein.
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Eine weitere bevorzugte Ausbildung des erfindungsgemäßen Kolbens besteht darin, dass genau ein Sperrelement vorgesehen ist und dass mindestens zwei elastisch ausgebildete Halteelemente vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungsform ist dass Sperrelement starr ausgebildet.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Kolbenunterteil einen äußeren umlaufenden Falz auf, der in eine im Kolbenoberteil ausgebildete äußere umlaufende Ausnehmung eingreift. Diese Ausgestaltung stellt eine zusätzliche Zentrierung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil dar.
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Besonders bevorzugt ist das Kolbenunterteil auf das Kolbenoberteil aufgeschrumpft, so dass eine zusätzliche kraftschlüssige Verbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil hergestellt ist.
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Das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil bilden vorzugsweise einen äußeren umlaufenden Kühlkanal. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das mindestens eine Sperrelement an einem inneren Bodenelement angeordnet, derart dass das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil einen inneren Kühlraum bilden. Somit kann eine zusätzliche Kühlung des erfindungsgemäßen Kolbens erreicht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es insbesondere, das Kolbenoberteil und/oder das Kolbenunterteil als Fertigteile herzustellen, vorzugsweise zu schmieden, so dass eine spanabhebende Fertigbearbeitung nach dem Verbinden von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil vermieden wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
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3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in 1 und 2,
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Sperrelemente für einen Kolben gemäß 1;
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
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6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in 5;
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7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
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8 einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in 7.
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Die 1 und 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der erfindungsgemäße Kolben 10 setzt sich zusammen aus einem Kolbenoberteil 11 und einem Kolbenunterteil 12, die im Ausführungsbeispiel aus einem Stahlwerkstoff geschmiedet sind. Das Kolbenoberteil 11 weist eine Verbrennungsmulde 13 und eine Seitenwand mit einem umlaufenden Feuersteg 14 und einer umlaufenden Ringpartie 15 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Das Kolbenunterteil 12 weist einen Kolbenschaft 16 mit Naben 17 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) in Nabenbohrungen 18 auf. Das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 bilden einen umlaufenden äußeren Kühlkanal 19.
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Das Kolbenoberteil 11 weist ein umlaufendes inneres Auflageelement 21 mit einer Auflagefläche 21a auf, während das Kolbenunterteil 12 ein hierzu korrespondierendes inneres Auflageelement 22 mit einer Auflagefläche 22a aufweist. Im zusammengebauten Zustand sind das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 so zueinander ausgerichtet, dass die umlaufenden inneren Auflageelemente 21, 22 von Kolbenoberteil 11 und Kolbenunterteil 12 mit ihren Auflageflächen 21a, 22a aufeinander liegen.
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Das Kolbenoberteil 11 weist ferner in der Seitenwand unterhalb der Ringpartie 15 eine äußere umlaufende Ausnehmung 23 auf, während das Kolbenunterteil 12 einen hierzu korrespondierenden äußeren umlaufenden Falz 24 aufweist. Im zusammengebauten Zustand greifen die Ausnehmung 23 und der Falz 24 ineinander ein.
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Die Ringpartie 15 sowie das innere Auflageelement 21 des Kolbenoberteils 11 einerseits und das innere Auflageelement 22 des Kolbenunterteils 12 andererseits bilden und begrenzen den umlaufenden äußeren Kühlkanal 19 des Kolbens 10, wobei im Ausführungsbeispiel das Kolbenunterteil 12 im Wesentlichen den Boden 19a des Kühlkanals 19 bildet.
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An der dem Kolbenunterteil 12 zugewandten Unterseite des Kolbenoberteils 11 ist im Ausführungsbeispiel mittig in der Kolbenlängsachse M ein Bolzen 25 angeformt, der an seinem freien Ende mit einem Halteelement 26 versehen ist. Das Halteelement 26 ist im Ausführungsbeispiel ein massives Bauteil, welches zum Kolbenunterteil 12 gerichtet verjüngt, im Ausführungsbeispiel kegelstumpfartig verjüngt ausgebildet ist. Eine umlaufende Halteschulter 26a ist in dem Bereich ausgebildet, in dem der Bolzen 25 in das Halteelement 26 übergeht.
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Das Kolbenunterteil 12 ist im Ausführungsbeispiel an seiner dem Kolbenoberteil 11 zugewandten Oberseite mit einem umlaufenden Bodenelement 27 versehen. Wie insbesondere 3 zu entnehmen ist, sind am Bodenelement 27 im Ausführungsbeispiel zwei Sperrelemente 28 angeformt. Jedes Sperrelement 28 weist einen im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen axial verlaufenden, in radialer Richtung (vgl. Pfeile R) elastisch ausgebildeten Wandteil 29 auf, an den eine im Wesentlichen radial nach innen verlaufende starre Sperrnase 31 angeformt ist. Die Sperrnasen 31 begrenzen eine zentrale Öffnung 32 (vgl. 3).
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Im zusammengebauten Zustand ragt der Bolzen 25 durch die zentrale Öffnung 32, so dass das Halteelement 26 unterhalb der Sperrnasen 31 zu liegen kommt. Die Sperrnasen 31 stützen sich auf der umlaufenden Halteschulter 26a des Halteelements 26 ab, derart, dass das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 durch die resultierende Verriegelung fest miteinander verbunden sind, wobei sie sich auf ihren korrespondierenden Auflageflächen 21a, 22a gegeneinander abstützen.
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Die inneren umlaufenden Auflageelemente 21, 22 von Kolbenoberteil 11 und Kolbenunterteil 12, die Unterseite des Kolbenoberteils 11, der Bolzen 25 sowie das Bodenelement 27 und die Sperrelemente 28 bilden und begrenzen einen inneren Kühlraum 33. Die inneren umlaufenden Auflageelemente 21, 22 können in an sich bekannter Weise mit Überlaufkanälen für ein Kühlmittel versehen sein, welche den umlaufenden äußeren Kühlkanal 19 mit dem inneren Kühlraum 33 verbinden (nicht dargestellt). Die gegebenenfalls gebildeten Zwischenräume zwischen den Sperrelementen 28 können als Ablauföffnungen für das Kühlmittel dienen. Das Kühlmittel wird, wie es üblich und dem Fachmann bekannt ist, von außen dem umlaufenden äußeren Kühlkanal 19 zugeführt. Über die Überlaufkanäle wird das Kühlmittel vom umlaufenden äußeren Kühlkanal 19 in den inneren Kühlraum 33 transportiert und von dort in Richtung auf das Kurbelgehäuse abgeführt.
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Das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 sind erfindungsgemäß unter Vorspannung miteinander verbunden. Diese Vorspannung wird durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erzeugt. Hierfür können ein Kolbenoberteil 11 und ein Kolbenunterteil 12 vorzugsweise als geschmiedete Fertigteile verwendet werden, so dass auf eine spanabhebende Fertigbearbeitung nach dem Verbinden von Kolbenoberteil 11 und Kolbenunterteil 12 verzichtet werden kann. Selbstverständlich können aber auch Rohlinge verwendet werden. Zunächst wird das Kolbenunterteil 12 erwärmt, so dass der Werkstoff sich ausdehnt, die Elastizität der Wandteile 29 vergrößert und die von den Sperrelementen 28 begrenzte zentrale Öffnung 32 aufgeweitet wird. Dann werden das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 miteinander verbunden, indem das Halteelement 26, gegebenenfalls unter Krafteinwirkung durch die zentrale Öffnung 32 getrieben wird, bis die umlaufende Halteschulter 26a des Halteelements 26 die Sperrnasen 31 hintergreift. Anschließend wird das Kolbenunterteil 12 abgekühlt, so dass im Ergebnis das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 fest miteinander verbunden sind und eine Vorspannung entsteht. Die Sperrnasen 31 stützen sich unter dieser Vorspannung auf der umlaufenden Halteschulter 26a des Halteelements 26 ab. Das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 werden fest gegeneinander gezogen, so dass die Auflageflächen 21a, 22a einerseits sowie die Ausnehmung 23 und der Falz 24 andererseits fest gegeneinander gepresst werden. Im Ergebnis wird eine unter Vorspannung stehende Verriegelung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil erhalten.
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Im Ausführungsbeispiel sind die äußere umlaufende Ausnehmung 23 und der äußere umlaufende Falz 24 einerseits sowie der Bolzen 25 und die Sperrelemente 28 andererseits derart bemessen, dass das Kolbenunterteil 12 nach dem Abkühlen auf das Kolbenoberteil 11 aufgeschrumpft ist. Damit wird zwischen dem Kolbenoberteil 11 und dem Kolbenunterteil 12 eine zusätzliche kraftschlüssige Verbindung erhalten.
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Die 2 und 3 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110, der im Wesentlichen dem Kolben 10 gemäß den 1 und 3 entspricht. Daher sind übereinstimmende Strukturen mit denselben Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung verwiesen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass das Kolbenoberteil 111 eine Halteelement 126 aufweist, welches nach dem Verbinden von Kolbenoberteil 111 und Kolbenunterteil 12 gegen die Sperrelemente 28 in an sich bekannter Weise plastisch verformt, im Ausführungsbeispiel verstemmt wird. Zu diesem Zweck weist das Halteelement 126 vor der Montage einen Spalt oder eine Ausnehmung (nicht dargestellt) auf, wo in an sich bekannter Weise ein Stemmwerkzeug eingreifen kann. Im Ergebnis wird das Halteelement 126 in Form zweier Backen 134 gegenüber den Sperrelementen verformt, so dass man eine zusätzliche formschlüssige Verbindung zwischen Kolbenoberteil 111 und Kolbenunterteil 12 erhält.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel von Sperrelementen 128, die insbesondere für die Kolben 10, 110 gemäß den 1 und 2 verwendet werden können. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind am Bodenelement 27 vier Sperrelemente 128 angeformt. Jedes Sperrelement 128 weist einen im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen axial verlaufenden, in radialer Richtung (vgl. Pfeile R) elastisch ausgebildeten Wandteil 129 auf, an den eine im Wesentlichen radial nach innen verlaufende starre Sperrnase 131 angeformt ist. Die Sperrnasen 131 begrenzen eine zentrale Öffnung 132. Selbstverständlich kann auch eine andere Zahl von Sperrelementen gewählt werden.
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Die 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 210, der im Wesentlichen dem Kolben 10 gemäß 1 entspricht. Daher sind übereinstimmende Strukturen mit denselben Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung verwiesen. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass zwei elastisch ausgebildete Haltelemente 226 vorgesehen sind und das Sperrelement 228 starr ausgebildet ist.
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Im Einzelnen sind die Halteelemente 226 durch einen Schlitz 235 beabstandet, so dass der Bolzen 225 gegenüber dem Bolzen 25 gemäß 1 in axialer Richtung verkürzt ist. Daher sind die Halteelemente 226 in diesem Ausführungsbeispiel als federnde Zungen ausgebildet, deren Enden zum Kolbenunterteil 12 gerichtet verjüngt, im Ausführungsbeispiel kegelstumpfartig verjüngt ausgebildet sind. Jedes Haltelement 226 weist eine Halteschulter 226a auf, die so angeordnet ist, dass sie im zusammengebauten Zustand des erfindungsgemäßen Kolbens 210 das Sperrelement 228 hintergreift.
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Das Sperrelement 228 selbst ist im Ausführungsbeispiel am Bodenelement 27 angeformt. Das Sperrelement 228 weist im Ausführungsbeispiel einen im Wesentlichen axial verlaufenden umlaufenden Wandteil 229 auf, an den ein im Wesentlichen radial nach innen verlaufender, starrer Sperrring 231 angeformt ist. Der Sperrring 231 begrenzt die zentrale Öffnung 32.
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Der Zusammenbau von Kolbenoberteil 211 und Kolbenunterteil 212 erfolgt wie für den Kolben 10 gemäß 1 beschrieben, mit dem einzigen Unterschied, dass die Halteelemente 226 beim Durchdringen der zentralen Öffnung radial nach innen (vgl. Pfeile R) federn.
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Die 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 310, der im Wesentlichen dem Kolben 10 gemäß 1 entspricht. Daher sind übereinstimmende Strukturen mit denselben Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung verwiesen. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass sechs elastisch ausgebildete Haltelemente 326 vorgesehen sind und das Sperrelement 328 starr ausgebildet ist.
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Im Einzelnen ist eine mittig angeordnete Sackbohrung 336 vorgesehen, so dass der Bolzen 325 gegenüber dem Bolzen 25 gemäß 1 in axialer Richtung verkürzt ist.
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Die Halteelemente 326 sind durch Schlitze 335 beabstandet. Daher sind die Halteelemente 326 in diesem Ausführungsbeispiel als federnde Zungen ausgebildet, deren Enden zum Kolbenunterteil 12 gerichtet verjüngt, im Ausführungsbeispiel kegelstumpfartig verjüngt ausgebildet sind. Jedes Haltelement 326 weist eine Halteschulter 326a auf, die so angeordnet ist, dass sie im zusammengebauten Zustand des erfindungsgemäßen Kolbens 310 das Sperrelement 328 hintergreift.
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Das Sperrelement 328 selbst ist im Ausführungsbeispiel am Bodenelement 27 angeformt. Das Sperrelement 328 weist im Ausführungsbeispiel einen im Wesentlichen axial verlaufenden umlaufenden Wandteil 329 auf, an den ein im Wesentlichen radial nach innen verlaufender, starrer Sperrring 331 angeformt ist. Der Sperrring 331 begrenzt die zentrale Öffnung 32.
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Der Zusammenbau von Kolbenoberteil 311 und Kolbenunterteil 312 erfolgt wie für den Kolben 10 gemäß 1 beschrieben, mit dem einzigen Unterschied, dass die Halteelemente 326 beim Durchdringen der zentralen Öffnung radial nach innen (vgl. Pfeile R) federn.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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