DE102012008682A1

DE102012008682A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102012008682A1
Application number: DE102012008682A
Authority: DE
Inventors: Rainer Scharp; Peter Kemnitz; Michael Ullrich
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2012-04-28
Publication date: 2013-01-17
Also published as: CN103732352B; US20130014722A1; US8671905B2; CN103732352A; US9242317B2; US20140137405A1; JP2014521001A; WO2013007237A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110, 210) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (16), der einen umlaufenden Kühlkanal (19, 119) sowie eine Verbrennungsmulde (15) mit einer umlaufenden Muldenwand (15b) aufweist, die über einen Muldenrandbereich (15c) in einen Kolbenboden (12, 112) übergeht, wobei die Verbrennungsmulde (15) zumindest teilweise aus einem Kolbengrundkörper (11) und die Muldenwand (15b) zumindest teilweise aus einem Einsatz (18) gebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Einsatz (18) mittels Strahlschweißen mit dem Kolbengrundkörper (11) verbunden ist, dass eine untere Schweißnaht (21) in der Muldenwand (15b) ausgebildet ist, die mit der Kolbenmittelachse (M) einen spitzen Winkel (α) einschließt und in die untere Hälfte des Kühlkanals (19) mündet, und dass eine obere Schweißnaht (22, 222) von der Kühlkanaldecke (19b, 119b) zum Kolbenboden (12, 112) verläuft und in Bezug auf die lichte Weite (W) des Kühlkanals (19) mittig oder radial nach außen versetzt angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens (10, 110, 210).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf, der einen umlaufenden Kühlkanal sowie eine Verbrennungsmulde mit einem umlaufenden Muldenwand aufweist, die über einen Muldenrandbereich in einen Kolbenboden übergeht, wobei die Verbrennungsmulde zumindest teilweise aus einem Kolbengrundkörper und die Muldenwand zumindest teilweise aus einem Einsatz gebildet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens.
Ein gattungsgemäßer Kolben ist in der DE 30 32 671 A1 beschrieben. Er weist einen Kolbengrundkörper aus einem fließgepressten Stahl und einen mit dem Kolbengrundkörper verschweißten oder verlöteten Einsatz aus einem hoch hitzebeständigen Werkstoff auf. Der Kolbengrundkörper ist im Bereich des Kolbenkopfes mit einer Verbrennungsmulde versehen, die von einer umlaufenden Muldenwand begrenzt ist, die über einen Muldenrandbereich in den Kolbenboden übergeht. Der Kolbengrundkörper und der Einsatz bilden einen umlaufenden Kühlkanal.
Die Muldenwand und insbesondere der Muldenrandbereich unterliegen während des Betriebs besonders hohen mechanischen und thermischen Belastungen, die im Laufe der Zeit zu Werkstoffermüdungen führen, wodurch wiederum Risse entstehen können. Daher wurden zahlreich gestaltete Einsätze vorgeschlagen, um die auf den Muldenrandbereich wirkenden Belastungen zu vermindern oder zu neutralisieren. Durch die Weiterentwicklung der Motortechnik können diese Vorschläge mit den steigenden mechanischen und thermischen Belastungen der Kolben im Motorbetrieb nicht mehr Schritt halten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben und ein Verfahren zu seiner Herstellung derart weiterzubilden, dass er den erhöhten mechanischen und thermischen Belastungen standhält.
Die Lösung besteht darin, dass der Einsatz mittels Strahlschweißen mit dem Kolbengrundkörper verbunden ist, dass eine untere Schweißnaht in der Muldenwand ausgebildet ist, die mit der Kolbenmittelachse einen spitzen Winkel einschließt und in die untere Hälfte des Kühlkanals mündet, und dass eine obere Schweißnaht von der Kühlkanaldecke zum Kolbenboden verläuft und in Bezug auf die lichte Weite des Kühlkanals mittig oder radial nach außen versetzt angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus: a) Vorbearbeiten des Kolbengrundkörpers (11) und des Einsatzes (18) zumindest im Bereich der Fügeflächen; b) Zusammensetzen von Kolbengrundkörper (11) und Einsatz (18); c) Verbinden von Kolbengrundkörper (11) und Einsatz (18) entlang ihrer korrespondierenden Fügeflächen mittels Strahlschweißen; d) Fertigbearbeiten des Kolbens.
Der erfindungsgemäße Kolben hält hohen thermischen und mechanischen Belastungen sehr gut stand, da die Verbindung von Kolbengrundkörper und Einsatz mittels Strahlschweißen besonders fest und widerstandsfähig ist. Ferner sind die Schweißnähte in denjenigen Bereichen des Kolbenkopfes angeordnet, in denen aufgrund der thermischen und mechanischen Belastung im Motorbetrieb nur geringe Spannungen im Werkstoff auftreten, so dass die Gefahr der Rissbildung im Bereich der Schweißnähte minimiert ist. Die Lage der Fügeflächen von Kolbengrundkörper und Einsatz ist ferner so gewählt, dass sie für das Strahlschweißen leicht zugänglich sind, so dass die Lage der resultierenden Schweißnähte optimiert ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Besonders bevorzugt sind der Kolbengrundkörper und der Einsatz durch Laserschweißen miteinander verbunden, um eine besonders feste und zuverlässige Verbindung zwischen diesen Bauteilen zu erhalten.
Die untere Schweißnaht und die obere Schweißnaht schließen vorzugsweise einen spitzen Winkel ein, so dass vor dem Verbinden von Kolbengrundkörper und Einsatz die korrespondierenden Fügeflächen besonders leicht zugänglich sind.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung mündet die untere Schweißnaht im Bereich des Kühlkanalbodens in den Kühlkanal. In diesem Bereich treten im Motorbetrieb die geringsten Spannungen im Werkstoff auf, so dass die Gefahr von Rissbildungen im Bereich der unteren Schweißnaht minimiert ist.
Die untere Schweißnaht weist vorzugsweise eine Länge von 3,5% bis 5,5% des Kolbendurchmessers auf. Die obere Schweißnaht verläuft bevorzugt parallel zur Kolbenmittelachse und weist vorzugsweise eine Länge von 4,5% bis 6,0% des Kolbendurchmessers auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung nimmt die Dicke des Kolbenbodens oberhalb des Kühlkanals radial nach außen zu. Dadurch wird die Wärmeabfuhr über den ersten Kolbenring gefördert.
Eine konstruktiv besonders einfache und wirksame Ausgestaltung besteht darin, dass der Einsatz die gesamte Muldenwand bildet. Der Kolbengrundkörper und der Einsatz bestehen vorzugsweise aus unterschiedlichen Werkstoffen. Dann können identische Kolbengrundkörper allein durch die Auswahl des geeigneten Werkstoffs für den Einsatz zu unterschiedlichen Kolbentypen für eine Vielzahl verschiedener Verbrennungsmotoren verarbeitet werden.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Kolbenbolzens und dem Durchmesser des Kolbens 0,33 bis 0,38 beträgt. Dieses Verhältnis ist besonders vorteilhaft für PKW-Kolben, die insbesondere aus Stahl gefertigt sind, weil daraus eine besonders günstige Kompressionshöhe resultiert.
Eine zusätzliche vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Verhältnis zwischen der Länge des Kolbenbolzens und dem Durchmesser des Kolbens 0,57 bis 0,63 beträgt. Auch dieses Verhältnis ist besonders vorteilhaft für PKW-Kolben, die insbesondere aus Stahl gefertigt sind, da Kastenkolben mit diesen Abmessungen besonders leicht und dennoch stabil sind.
Der Einsatz besteht zweckmäßigerweise aus einem hochwarmfesten, korrosions- und hitzebeständigen Stahl, insbesondere aus einem Ventilstahl. Im Unterschied hierzu kann der Kolbengrundkörper bspw. aus einem Vergütungsstahl bestehen.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, in Schritt a) die Fügeflächen von Kolbengrundkörper und Einsatz zu reinigen und zu glätten, um besonders feste und zuverlässige Schweißnähte zu erhalten. Im Anschluss daran können in Schritt b) der Kolbengrundkörper und der Einsatz bspw. mittels Presssitz und/oder mittels Heften zusammengesetzt werden, um die Bauteile während des eigentlichen Schweißvorgangs besonders zuverlässig gegeneinander zu fixieren.
Der Kolbengrundkörper und der Einsatz werden bevorzugt mittels Elektronenstrahlschweißen, besonders bevorzugt mittels Laserschweißen miteinander verbunden. Vor dem Schweißvorgang können der Kolbengrundkörper und/oder der Einsatz auf 400°C bis 550°C vorgewärmt werden, um die Gefahr von Spannungen im Werkstoff durch die thermische Belastung während des Schweißvorgangs zu reduzieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
2 der Kolben gemäß 1 in einer um 90° gedrehten Darstellung;
3 eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
4 eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer der 3 entsprechenden Darstellung.
Die 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbengrundkörper 11 auf, der bspw. aus einem Vergütungsstahl wie bspw. 42CrMo4 oder einem AFP-Stahl oder einem mit 0,4 Gew.-% Molybdän dotieren bainitschen AFP-Stahl hergestellt ist. Der Kolbengrundkörper 11 weist einen Teil eines Kolbenbodens 12, einen umlaufenden Feuersteg 13 sowie eine umlaufende Ringpartie 14 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Der Kolbengrundkörper 11 weist ferner den Boden 15a einer Verbrennungsmulde 15 auf.
Der Kolbengrundkörper 11 bildet somit einen wesentlichen Teil des Kolbenkopfes 16 des Kolbens 10. Der Kolbengrundkörper 11 bildet ferner in an sich bekannter Weise den Kolbenschaft 17 des erfindungsgemäßen Kolbens 10.
Die Kompressionshöhe KH des Kolbens 10 ist definiert als Höhe des Kolbens 10, die von der Mitte der Nabenbohrung bis zum Kolbenboden gemessen wird (vgl. 2). Das Verhältnis der Kompressionshöhe KH zum Durchmesser D des Kolbens 10 beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 0,38 bis 0,45 (38% bis 45%).
Der erfindungsgemäße Kolben weist ferner einen Einsatz 18 auf, der bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die gesamte Muldenwand 15b sowie den Muldenrandbereich 15c der Verbrennungsmulde 15 und ferner einen Teil des Kolbenbodens 12 bildet. Der Einsatz 18 besteht vorzugsweise aus einem besonders widerstandsfähigen Werkstoff. Hierfür bietet sich insbesondere ein hochwarmfester, korrosions- und hitzebeständiger Stahl an. Ventilstähle wie bspw. CrSi-Stahl (X45CrSi93), Chromo193-Stahl (X85CTMoV182), 21-4 N-Stahl (X53CrMnNiN219), 21-2-Stahl (X55CrMnNiN208), Nimonic80A-Stahl (NiCr20TiAl), ResisTEL-Stahl oder VMS-513-Stahl sind besonders geeignet.
Der Kolbengrundkörper 11 und der Einsatz 18 bilden einen umlaufenden äußeren Kühlkanal 19. Der Kühlkanal 19 verläuft einerseits in Höhe der Ringpartie 14 und andererseits in Höhe der Muldenwand 15b der Verbrennungsmulde 15. Der Kühlkanal 19 weist einen Kühlkanalboden 19a, eine Kühlkanaldecke 19b, eine äußere Seitenwand 19c und eine innere Seitenwand 19d auf. Der Kühlkanalboden 19a und die äußere Seitenwand 19c werden bei diesem Ausführungsbeispiel vom Kolbengrundkörper 11 gebildet. Die innere Seitenwand 19d wird vom Einsatz 18 gebildet, während die Kühlkanaldecke 19b gemeinsam vom Kolbengrundkörper 11 und vom Einsatz 18 gebildet wird.
Der Einsatz 18 weist eine untere umlaufende Fügefläche auf, die mit einer umlaufenden, den Boden 15a der Verbrennungsmulde 15 umschließenden Fügefläche am Kolbengrundkörper 11 eine untere Schweißnaht 21 bildet. Die untere Schweißnaht 21 weist eine Länge von 3,5% bis 5,5% des Kolbendurchmessers D auf und schließt mit der Kolbenmittelachse M einen spitzen Winkel α ein. Die untere Schweißnaht 21 verläuft also ausgehend von der Muldenwand 15b radial nach außen und unten (in Richtung des Kolbenschafts 17) und mündet im Bereich des Kühlkanalbodens 19a in den Kühlkanal 19. In diesem Bereich des Kolbens 10 treten im Motorbetrieb die geringsten Spannungen im Werkstoff auf, so dass die Gefahr von Rissbildungen im Bereich der Schweißnaht 21 minimiert ist.
Der Einsatz 18 weist ferner eine obere umlaufende Fügefläche auf, die mit einer im Bereich des Feuerstegs 13 umlaufenden Fügefläche am Kolbengrundkörper 11 eine obere Schweißnaht 22 bildet. Die obere Schweißnaht 22 weist eine Länge von 4,5% bis 6,0% des Kolbendurchmessers D auf. Die obere Schweißnaht 22 verläuft im Ausführungsbeispiel von der Kühlkanaldecke (19b) zum Kolbenboden 12 sowie parallel zur Kolbenmittelachse M und schließt mit der unteren Schweißnaht 21 einen spitzen Winkel β ein. Die obere Schweißnaht 22 ist in Bezug auf die lichte Weite W des Kühlkanals 19 im Ausführungsbeispiel mittig angeordnet (vgl. 3). Erfindungsgemäß ist die obere Schweißnaht 22 also weit genug vom Muldenrandbereich 15c entfernt angeordnet, so dass die Gefahr von Rissbildungen aufgrund thermischer und mechanischer Belastungen im Bereich der Schweißnaht 22 reduziert ist. In diesem Bereich des Kolbenbodens 12, in dem die obere Schweißnaht 22 angeordnet ist, treten im Motorbetrieb vergleichsweise geringe Spannungen im Werkstoff auf.
Im montierten Zustand ist ein Kolbenbolzen 24 in an sich bekannter Weise einer Bolzenbohrung 23 im Kolbenschaft 17 aufgenommen, wie es in den 1 und 2 strichpunktiert angedeutet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis zwischen dem Durchmesser BD des Kolbenbolzens und dem Durchmesser D des Kolbens 0,33 bis 0,38 (33% bis 38%), d. h. BD/D = 0,33 – 0,38. Ferner beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel das Verhältnis zwischen der Länge BL des Kolbenbolzens und dem Durchmesser D des Kolbens 0,57 bis 0,63 (57% bis 63%), d. h. BL/D = 0,57 bis 0,63. Die jeweiligen Abmessungen müssen selbstverständlich nicht zwingend zugleich erfüllt sein.
3 zeigt in einer Detailansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110. Der Kolben 110 unterscheidet sich vom Kolben 10 gemäß den 1 und 2 lediglich dadurch, dass die Dicke des Kolbenbodens 112 im Bereich des Kühlkanals 119 radial nach außen zunimmt. Die Kühlkanaldecke 119b des Kühlkanals 119 erstreckt sich also radial nach außen und unten (in Richtung des Kolbenschafts 17).
4 zeigt in einer der 3 vergleichbaren Detailansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 210. Der Kolben 210 unterscheidet sich vom Kolben 10 gemäß den 1 und 2 lediglich dadurch, dass die obere Schweißnaht 222 im Bereich des Feuerstegs 13 angeordnet ist und schräg verläuft, nämlich ausgehend vom äußeren Rand des Kolbenboden 12 radial nach innen und unten (in Richtung des Kolbenschafts 17). Die obere Schweißnaht 222 mündet zwischen der Kühlkanaldecke 19b und der äußeren Seitenwand 19c in den Kühlkanal 19. Die obere Schweißnaht 222 und die untere Schweißnaht 21 schließen einen spitzen Winkel γ ein.
Der Kolbengrundkörper 11 und der Einsatz 18 werden in an sich bekannter Weise mittels Strahlschweißen, besonders bevorzugt mittels Laserschweißen, miteinander verbunden. Typischerweise werden der Kolbengrundkörper 11 und der Einsatz 18 in an sich bekannter Weise vorbearbeitet. Insbesondere werden die Fügeflächen gereinigt und geglättet. Dann werden der Kolbengrundkörper 11 und der Einsatz 18 zusammengefügt, bspw. mittels Presssitz. In einem nächsten Schritt können die Schweißnähte 21, 22, 222 punktuell oder umlaufend mit wenig Einschweißtiefe geheftet werden. Dann wird der Kolben 10, 110, 210 auf eine Temperatur von 400°C bis 550°C erwärmt. Daraufhin werden die Schweißnähte 21, 22, 222 durchgeschweißt. Schließlich wird der Kolben 10, 110, 210 nach dem Abkühlen in an sich bekannter Weise fertig bearbeitet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3032671 A1 [0002]

Claims

Kolben (10, 110, 210) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf (16), der einen umlaufenden Kühlkanal (19, 119) sowie eine Verbrennungsmulde (15) mit einer umlaufenden Muldenwand (15b) aufweist, die über einen Muldenrandbereich (15c) in einen Kolbenboden (12, 112) übergeht, wobei die Verbrennungsmulde (15) zumindest teilweise aus einem Kolbengrundkörper (11) und die Muldenwand (15b) zumindest teilweise aus einem Einsatz (18) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (18) mittels Strahlschweißen mit dem Kolbengrundkörper (11) verbunden ist, dass eine untere Schweißnaht (21) in der Muldenwand (15b) ausgebildet ist, die mit der Kolbenmittelachse (M) einen spitzen Winkel (α) einschließt und in die untere Hälfte des Kühlkanals (19) mündet, und dass eine obere Schweißnaht (22, 222) von der Kühlkanaldecke (19b, 119b) zum Kolbenboden (12, 112) verläuft und in Bezug auf die lichte Weite (W) des Kühlkanals (19) mittig oder radial nach außen versetzt angeordnet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbengrundkörper (11) und der Einsatz (18) durch Laserschweißen miteinander verbunden sind.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Schweißnaht (21) und die obere Schweißnaht (22, 222) einen spitzen Winkel (β, γ) einschließen.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Schweißnaht (21) im Bereich des Kühlkanalbodens (19a) in den Kühlkanal (19, 119) mündet.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Schweißnaht (21) eine Länge von 3,5% bis 5,5% des Kolbendurchmessers (D) aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schweißnaht (22, 222) parallel zur Kolbenmittelachse (M) verläuft.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Schweißnaht (22, 222) eine Länge von 4,5% bis 6,0% des Kolbendurchmessers (D) aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Kolbenbodens (112) oberhalb des Kühlkanals (119) radial nach außen zunimmt.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Muldenwand (15b) aus dem Einsatz (18) gebildet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Durchmesser (BD) des Kolbenbolzens (24) und dem Durchmesser (D) des Kolbens (10, 110, 210) 0,33 bis 0,38 beträgt.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Länge (BL) des Kolbenbolzens (24) und dem Durchmesser (D) des Kolbens (10, 110, 210) 0,57 bis 0,63 beträgt.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbengrundkörper (11) und der Einsatz (18) aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (18) aus einem hochwarmfesten, korrosions- und hitzebeständigen Stahl, insbesondere aus einem Ventilstahl, besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10, 110, 210) mit einem Kolbenkopf (16), der einen umlaufenden Kühlkanal (19, 119) sowie eine Verbrennungsmulde (15) mit einer umlaufenden Muldenwand (15b) aufweist, die über einen Muldenrandbereich (15c) in einen Kolbenboden (12, 112) übergeht, wobei die Verbrennungsmulde (15) zumindest teilweise aus einem Kolbengrundkörper (11) und die Muldenwand (15b) zumindest teilweise aus einem Einsatz (18) gebildet ist, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Vorbearbeiten des Kolbengrundkörpers (11) und des Einsatzes (18) zumindest im Bereich der Fügeflächen; b) Zusammensetzen von Kolbengrundkörper (11) und Einsatz (18); c) Verbinden von Kolbengrundkörper (11) und Einsatz (18) entlang ihrer korrespondierenden Fügeflächen mittels Strahlschweißen; d) Fertigbearbeiten des Kolbens.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die Fügeflächen von Kolbengrundkörper (11) und Einsatz (18) gereinigt und geglättet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) der Kolbengrundkörper (11) und der Einsatz (18) mittels Presssitz und/oder mittels Heften zusammengesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) der Kolbengrundkörper (11) und der Einsatz (18) mittels Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt c) der Kolbengrundkörper (11) und/oder der Einsatz (18) auf 400°C bis 550°C vorgewärmt werden.