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Die Erfindung betrifft einen mehrteilig aufgebauten Kolben einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Kolbens einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 10.
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Aus der
DE 10 2004 061 778 A1 sowie der
US 6,155,157 ist jeweils ein mehrteilig aufgebauter Kolben bekannt, bei dem ein Oberteil und ein Unterteil über korrespondierende, jeweils rotationssymmetrisch verlaufende Fügezonen abgestützt und mittels einer Reibschweißung stoffschlüssig verbunden sind.
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Weiterhin sind Kolben aus Aluminium für Dieselbrennkraftmaschinen bekannt, die zur Armierung der ersten Ringnut mit Ringträgern bestückt sind, um ein Ausschlagen bzw. einen Kolbennutflankenverschleiß (Microwelding) zu verhindern. Bei PKW-Kolben für Ottomotoren ist im allgemeinen im Bereich der ersten Ringnut eine Eloxalschicht vorgesehen.
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Die zur Herstellung von Kolben bekannte Reibschweißung beruht auf dem Prinzip, dass durch eine relative Drehbewegung zwischen zwei rotationssymmetrischen Bauteilen und gleichzeitigen Druck in axialer Richtung durch die Gleitreibung zwischen zwei Bauteilen eine hohe Reibwärme entsteht. Sobald die zur Schweißung erforderliche Temperatur erreicht ist, werden die Bauteile mit einem gesteigerten Druck zusammenverpresst. Nachteilig erfordert das bekannte Verfahren zur Erzeugung der Schweißenergie, dass eines der zu verschweißenden Bauteile mit hoher Drehzahl rotiert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die einzelnen Bauteile des Kolbens mittels einer positions- und winkellagenfixierten Fügetechnik zu verbinden, mit der sich insbesondere im Bereich des Ringfeldes eine lokale Verstärkung einstellt.
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Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen, in einem mehrteiligen Kolben zwischen dem Oberteil und dem Unterteil im Bereich eines Ringfeldes einen zumindest für einen Kolbenring bestimmten, ein Führungselement bildenden Ringträgerersatz zu positionieren. Der erfindungsgemäß das Ringfeld in Richtung des Kolbenbodens abschließende Ringträgerersatz bildet gemeinsam mit unmittelbar benachbarten Bauteilen als Fügezonen bezeichnete Trennebenen, über die der Ringträgerersatz mit dem Oberteil und dem Unterteil des Kolbens abgestützt bzw. verbunden ist. Mittels eines Multi-Orbital-Reibschweißverfahrens werden diese Bauteile im Bereich der Fügezone stoffschlüssig verbunden. Die angewandte Multi-Orbital-Reibschweißung zur Befestigung des erfindungsgemäßen Ringträgerersatzes bewirkt vorteilhaft ohne eine Beeinflussung des Kolbengewichtes eine Versteifung des Kolbenringfeldes, wobei sich insbesondere im Bereich des oberen als Verdichtungsring bezeichneten Kolbenrings eine lokale Ringnutverstärkung einstellt.
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Die Multi-Orbital-Reibschweißung unterscheidet sich von einer klassischen Reibschweißung durch eine Bewegung beider Bauteile sowie durch einen homogenen Wärmeeintrag mit extrem kurzen Schweißzeiten, wodurch sich vorteilhaft nur kleine Wärmeeinflusszonen einstellen. Weiterhin kann mit diesem Schweißverfahren eine hohe Präzision bezüglich der positions- und winkellagenfixierten Positionierung der zu verschweißenden Bauteile erzielt werden. Die Multi-Orbital-Reibschweißung erhöht außerdem die thermische und mechanische Bauteilfestigkeit im Bereich einer oder mehrerer Ringnuten mit einem positiven Einfluss auf das gesamte Ringfeld. Das Multi-Orbital-Reibschweißen sieht vor, dass die einzelnen zu verschweißenden Kolbenbauteile bevorzugt in sogenannten Reibschweißköpfen fest verspannt aufgenommen, in Schwingung versetzt und dabei gegeneinander gedrückt werden. Die Fügepartner werden vorteilhaft mit gleicher Drehrichtung bei einem bevorzugten Phasenversatz von 180° in kleinsten kreisförmigen Orbitalbewegungen zur Erzeugung der Reibungswärme bewegt und schwingen dabei insbesondere gegenphasig, was zu einer gewünschten gleichmäßigen und schnellen Erwärmung der gesamten Schweißebene bzw. Fügezone führt. Als Folge stellt sich ein optimaler, homogener Energieeintrag an jedem Punkt der Fügezone ein.
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Mit diesem erfindungsgemäß angewandten Reibschweißverfahren zur Kolbenherstellung können weiterhin die Schweißzeiten vorteilhaft verkürzt sowie Folgeprozesse reduziert werden. Außerdem ist eine hohe Verbindungsqualität erzielbar, wobei die erreichbaren Festigkeitswerte nahe den Materialkennwerten der Fügepartner liegen. Das Verfahren ist weiterhin unabhängig von der Werkstückform, der Werkstoffmasse und der Symmetrie der Schweißfläche bzw. der Fügezone, da der spezifische Schweißdruck bezogen auf die Fläche stets konstant ist. Da bei der Multi-Orbital-Reibschweißung die Materialien im plastischen Zustand verbunden werden, stellt sich vorteilhaft ein Temperaturniveau ein, das deutlich unter den Schmelztemperaturen herkömmlicher Reibschweißverfahren liegt. Die Anwendung der Multi-Orbital-Reibschweißung ermöglicht somit eine flexible, zeitoptimierte Fertigung und damit reduzierte Kosten bei der Herstellung des Kolbens, wodurch sich die Wirtschaftlichkeit der Kolbenherstellung aufgrund verkürzter Prozesszeiten erhöht. Außerdem stellt sich für das erfindungsgemäße Konzept neben einer verbesserten Festigkeit weiterhin ein vorteilhaft geringeres Kolbengewicht ein. Vorteilhaft bietet es sich an, die Fügezone ausschließlich im Hinblick auf eine optimierte Steifigkeit bzw. Gestaltfestigkeit sowie einen gewichtsoptimierten Kolben auszulegen. Gleichzeitig stellt die Erfindung eine Lösung vor, mit der die stets steigenden Anforderungen hinsichtlich der thermischen und mechanischen Belastung von Kolben erfüllt werden. Mit der Anwendung der Multi-Orbital-Reibschweißung können bisher bekannte und angewandte Maßnahmen beziehungsweise Verfahren im Zusammenhang mit der Ringträgertechnologie ersetzt werden. Bekannte Ringträger bestehen vorzugsweise aus Nieresist und werden nach dem Alfinier-Verbundgussverfahren eingegossen. Aufgrund einer relativ aufwendigen Fertigung und hoher Ausschußquoten des Verbundverfahrens durch Bindungsprobleme sind derartige Ringträger sehr kostenintensiv.
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In vorteilhafter Weise ermöglicht die Erfindung, Kolbenbauteile aus einem übereinstimmenden Werkstoff oder aus unterschiedlichen Materialen durch die Multi-Orbital-Reibschweißung stoffschlüssig zu verbinden. So kann beispielsweise ein aus einem Leichtbau-Werkstoff mit dem Hauptlegierungselement Aluminium hergestelltes Kolbenbauteil mit einem weiteren Kolbenbauteil aus Stahl oder einem Eisenwerkstoff, z. B. Grauguss verbunden werden. Außerdem kann in Betracht gezogen werden, das Oberteil, das Unterteil sowie den Ringträgerersatz mit gleichen oder verschiedenen Verfahren herzustellen, wie zum Beispiel Schmieden, Gießen oder mittels eines Fließpress- oder Gießpressverfahrens.
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Ein bevorzugter Aufbau eines erfindungsgemäßen Kolbens sieht vor, den Ringträgerersatz als ein Kreisringelement auszubilden, welches das Ringfeld in Richtung des Kolbenbodens abschließt. Für einen Kolben ohne Kühlkanal umschließt der Ringträgerersatz im Einbauzustand ein scheibenartiges Mittelteil, wobei die Wandstärke bzw. Bauteilhöhe dieser Bauteile aufeinander abgestimmt sind, vorzugsweise übereinstimmen. Der Ringträgerersatz und das Mittelteil werden bevorzugt in einem ersten Fertigungsschritt stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig miteinander zu einer Scheibe gefügt und durch beidseitiges Abplanen, vorzugsweise Plandrehen für eine nachfolgende Multi-Orbital-Reibschweißung vorbereitet. In weiteren Schritten kann dann diese Scheibe mit dem Oberteil und anschließend mit dem Unterteil oder in einer umgekehrten Reihenfolge durch eine weitere Multi-Orbital-Reibschweißung stoffschlüssig verbunden werden.
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Das erfindungsgemäße Konzept beziehungsweise das angewandte Füge- und Fertigungsverfahren ermöglicht weiterhin die Darstellung eines Kolbens mit integriertem Kühlkanal. Zur Bildung eines derartigen Kolbens ist der Ringträgerersatz einem radial gestuften Abschnitt des Unterteils zugeordnet. Ein sich dabei einstellender radialer Versatz zwischen einer Wandung des Unterteils und dem kreisringförmig gestalteten Ringträgerersatz bildet den Kühlkanal. Aufgrund der Nähe des Kühlkanals zum Kolbenboden und der direkten Anbindung an den Ringträgerersatz wird eine deutliche Absenkung der Temperaturen im Bereich der Brennraummulde, des Ringfeldes sowie insbesondere im Bereich der oberen Kolbenringnut erreicht, wodurch sich die thermische Belastung des Kolbens deutlich reduziert.
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Eine alternative Maßnahme zur Darstellung des Kühlkanals sieht vor, den Ringträgerersatz einem gestuften Abschnitt des Kolbenoberteils zuzuordnen. Dazu bildet das Oberteil radial versetzt zur Innenkontur des Ringträgerersatzes eine Wandung, die sich bis über die Bauhöhe des Ringträgerersatzes erstreckt. Durch dieses Konzept ist der Kühlkanal ausschließlich dem Kolbenoberteil zugeordnet. Damit verbunden bildet sich eine geschlossen kreisförmige Fügezone zwischen dem Unterteil einerseits und dem Ringträgerersatz in Verbindung mit dem Oberteil andererseits.
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Unabhängig von der Kühlkanalzuordnung an dem Unterteil oder dem Oberteil kann der Kühlkanal in seiner geometrischen Form zur Steigerung des Öldurchflusses weitestgehend frei (beispielsweise asymmetrisch, als Pumpkühlkanal oder Freiform) gestaltet werden. Durch die Lage des Kühlkanals unmittelbar an dem Ringträgerersatz oder in einem geringen Abstand zu dem Muldenrand der Brennraummulde stellt sich eine effektive Kühlung der thermisch hoch belasteten Bereiche des Kolbens ein, wobei die direkte Kühlmittelbeaufschlagung des Ringträgerersatzes zu einer deutlichen Absenkung der Nuttemperaturen führt. Die Gestaltung sowie die Lage des Kühlkanals ermöglicht weiterhin zumindest lokal einen übereinstimmenden Abstand zum Muldenrand und zu dem Kolbenboden. Durch die Erfindung entfällt der bisher übliche Faserkern oder Salzkern zum Erzeugen eines Kühlkanals und damit gleichzeitig ein späteres Ausspülen des verwendeten Kerns nach erfolgtem Abguss des Kolbens.
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Zur Realisierung eines Kühlkanals ist aus der
DE 197 01 085 A1 ein Herstellverfahren bekannt, bei dem der in der Gießform fixierte Salzkern gleichzeitig metallische stiftförmige Haltemittel zur Aufnahme des Ringträgers einschließt. Dabei sind die Kühlkanäle abhängig von dem zur Verfügung stehenden Bauraum und der Gießbarkeit üblicherweise zwischen der Brennraummulde und dem Ringfeld unterhalb des Ringträgers positioniert. Die erfindungsgemäße Kühlkanalgestaltung ersetzt das Einlegen eines Faser- oder Salzkernes vor oder während des Gießprozesses und ein anschließendes Anbohren des Kolbens sowie Ausspülen des Kerns, zur Schaffung von Kühlkanälen herkömmlicher Kolben. Die gemäß der Erfindung vorteilhaft frei gestaltbare Form des Kühlkanals in dem Oberteil und dem Unterteil des Kolbens erlaubt in Verbindung mit der positioniergenauen Multi-Orbital-Reibschweißung einen jeweils auf den entsprechenden Kolben hinsichtlich der Kühlung und der Festigkeit optimierten Kühlkanal.
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Zur gezielten Kühlmittelbeaufschlagung des Kühlkanals, insbesondere mit dem Schmieröl der Brennkraftmaschine ist gemäß der Erfindung in dem Unterteil zumindest eine Einlass- oder Zuströmbohrung sowie zumindest eine Auslass- oder Abströmbohrung vorgesehen, die vorzugsweise diametral gegenüberliegend eingebracht sind. Diese Bohrungen münden übereinstimmend in den Kühlkanal und überbrücken dabei eine Fügezone. Das Kühlmittel gelangt bevorzugt von einer ortsfest im Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine positionierte Spritzdüse ausgehend, über einen freien Strahl in die Einlassbohrung, tritt in den Kühlkanal ein, durchströmt diesen und tritt über die Auslassbohrung aus dem Kühlkanal. Vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße Konzept, die Einlassbohrung sowie die Auslassbohrung direkt zu gießen, so dass eine zusätzliche mechanische Bearbeitung, beispielsweise ein Bohr- oder Stanzprozess, oder auch ein elektrisches oder elektrochemisches Verfahren entfallen kann. Gleichzeitig wird eine bei einem Anbohren des Kühlkanals entstehende Gratbildung vermieden.
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Vorteilhaft schließt sich im Mündungsbereich der Einlassbohrung innerhalb des Kühlkanals ein Strömungsteiler beziehungsweise ein Strahlteiler an. Diese Maßnahme bewirkt eine gezielte Umlenkung des Kühlmittels beziehungsweise eine Aufteilung des Kühlmittelstroms innerhalb des Kühlkanals, wodurch zur Optimierung der Kühlwirkung das Kühlmittel beschleunigt durch den Kühlkanal strömt. Außerdem vermeidet der Strömungsteiler eine nachteilige Beeinflussung des in den Ringkanal einströmenden Kühlmittels aufgrund der oszillierenden Kolbenbewegung.
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Die erfindungsgemäße Anwendung des Multi-Orbital-Reibschweißverfahrens auf die Kolbenherstellung ermöglicht eine den Festigkeitsvoraussetzungen einzelner Kolbenbereiche angepasste Dimensionierung der Fügezone. Da dieses Verfahren keinen rotationssymmetrischen Verlauf erfordert, weisen die Fügezonen umfangsseitig zur Bildung variabler Querschnitte eine konstante oder schwankende Wandstärke auf. Die Dimensionierung der Fügezone kann damit vorteilhaft an die sich in den einzelnen Kolbenbereichen einstellenden, voneinander abweichenden thermischen und mechanischen Belastungen angepasst werden, wodurch außerdem ein Gewichtsvorteil realisierbar ist. Das Multi-Orbital-Reibschweißverfahren erlaubt außerdem einen Hohenversatz der Fügezone, wodurch das Reibschweißverfahren beispielsweise an vorgegebene geometrische oder spezielle konstruktive Kolbenkonzepte adaptiert werden kann.
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Das Reibschweißverfahren erfordert keine geschlossen gestaltete Fügezone, sondern ermöglicht eine lokale, auch als Durchtritt zu bezeichnende Ausnehmung der Fügezone, die beispielsweise als Zuströmbohrung oder Abströmbohrung für das Kühlmittel in den Kühlkanal nutzbar ist. Die Multi-Orbital-Reibschweißung verursacht vorteilhaft keine bzw. geringe Schweißwülste oder Schweißnähte, die nach abgeschlossener Schweißung an der Fügezone verbleiben oder bei Bedarf mittels einer mechanischen Nacharbeit entfernt werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß Anspruch 10 ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens vorgeschlagen, bei dem zwischen dem Oberteil und dem Unterteil im Bereich eines Ringfeldes ein zumindest für einen Kolbenring bestimmter Ringträgerersatz positioniert ist. Die Bauteile, das Oberteil, das Unterteil sowie der Ringträgerersatz sind bevorzugt gegossen oder geschmiedet ausgeführt und aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien hergestellt. In zumindest zwei Fertigungsschritten werden die über Fügezonen abgestützten Bauteile mittels getrennter oder synchroner Multi-Orbital-Reibschweißungen stoffschlüssig zusammengefügt. Diese Reibschweißung ermöglicht vorteilhaft die Realisierung eines Kolbens, der lokal verstärkt ist und gleichzeitig eine optimierte Kühlung kritischer Kolbenbereiche gewährleistet. Neben einer lokalen Armierung der Ringnut kann mit Hilfe des beschriebenen Prozesses auch ein funktional abgestimmter Verbundkolben aus unterschiedlichen Materialien (tailored design) hergestellt werden.
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Das Verfahren zur Herstellung eines Kolbens ohne Kühlkanal sieht als ersten Schritt vor, den als ein Kreisringelement ausgebildeten Ringträgerersatz und das scheibenartige Mittelteil, deren Wandstärken bzw. Bauteilhöhen übereinstimmen, insbesondere stoffschlüssig oder alternativ formschlüssig und/oder kraftschlüssig zu verbinden. Anschließend folgt ein beidseitiges Abplanen, insbesondere Plandrehen, dieser Baueinheit bzw. dieses Verbundes, bei dem gleichzeitig durch die Reibschweißung gebildete Schweißwülste oder Schweißnähte entfernt werden. Anschließend wird dieser Verbund gleichzeitig oder in getrennten Folgeschritten mit dem Oberteil und dem Unterteil des Kolbens durch Multi-Orbital-Reibschweißungen stoffschlüssig verbunden, wodurch sich eine lokale Ringnutverstärkung für den Bereich des Ringträgerersatzes einstellt.
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Zur Herstellung eines Kolbens mit integriertem Kühlkanal kann das einen radial gestuften Abschnitt aufweisende Unterteil dem Ringträgerersatz zugeordnet werden. Ein sich dabei einstellender radialer Versatz zwischen einer Wandung des Unterteils und dem kreisringförmig gestalteten Ringträgerersatz bildet den Kühlkanal. In einem ersten Verfahrensschritt wird mittels einer Multi-Orbital-Reibschweißung das Unterteil mit dem Ringträgerersatz im Bereich der ersten Fügezone stoffschlüssig verbunden. Dieser Verbund kann anschließend mittels einer zweiten Multi-Orbital-Reibschweißung im Bereich der zweiten Fügezone mit dem Oberteil zusammengefügt werden. Alternativ kann der Ringträgerersatz zuerst mit dem Oberteil und anschließend mit dem Unterteil stoffschlüssig verbunden werden.
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Zur Bildung des Kühlkanals kann gemäß der Erfindung weiterhin das Oberteil einen radial gestuften, von einer Wandung begrenzten Abschnitt aufweisen, der den Kühlkanal gemeinsam mit dem Ringträgerersatz radial eingrenzt. Zur stoffschlüssigen Verbindung werden anschließend in zwei Schritten zunächst der Ringträgerersatz mit dem Oberteil und anschließend der Ringträgerersatz mit dem Unterteil mittels Multi-Orbital-Reibschweißungen der getrennten Fügezonen verbunden. Alternativ kann der Ringträgerersatz in einer umgekehrten Reihenfolge mit den zugehörigen Bauteilen stoffschlüssig verbunden werden. Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße Anwendung der erfindungsgemäßen Multi-Orbital-Reibschweißung ein synchrones Verschweißen beider Fügezonen.
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Nach erfolgter erster Multi-Orbital-Reibschweißung bietet sich ein Entfernen einer sich bei der Schweißung eventuell einstellenden Schweißwulst oder Schweißnaht im Bereich der Fügezone an. Insbesondere für einen Kolben mit integriertem Kühlkanal bietet es sich an, nach erfolgter Verschweißung des Ringträgerersatzes mit dem Unterteil oder dem Oberteil eine Schweißnaht oder Schweißwulst innerhalb des Kühlkanals durch eine mechanische Bearbeitung, insbesondere durch ein Ausdrehen zu entfernen. Falls sich durch die Schweißwulst keine funktionellen Nachteile einstellen, kann diese an dem Kolben verbleiben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
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Es zeigen:
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1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß gestalteten Kolbens, bestehend aus einem Oberteil, Mittelteil, Unterteil sowie einem Ringträgerersatz,
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2: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens, der ein Oberteil, ein Unterteil und einen Ringträgerersatz umfasst,
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3: ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens, der ein Oberteil, Unterteil und einen Ringträgerersatz einschließt.
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In 1 ist ein Kolben 1a einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine gezeigt, der ein Oberteil 2a, ein Unterteil 3a, ein Mittelteil 4 sowie einen Ringträgerersatz 5 einschließt. Die einzelnen rotationssymmetrischen Bauteile des Kolbens 1a sind im Bereich von Fügezonen 6a, 6b stoffschlüssig miteinander verbunden. An das Oberteil 2a schließt sich ein vorzugsweise konzentrisch ausgerichtetes Mittelteil 4 ein, welches außenseitig von dem als Kreisringsegment gestalteten Ringträgerersatz 5 umschlossen ist. Eine Bauhöhe (h) des Ringträgerersatzes 5 stimmt dabei (zumindest im fertigen Bauteil) mit der des Mittelteils 4 überein. Die gemeinsam einen scheibenartigen Verbund bildenden Bauteile, das Mittelteil 4 und der Ringträgerersatz 5 sind über zwei Trennebenen, eine erste Fügezone 6a mit dem Oberteil 2a und eine zweiten Fügezone 6b mit dem Unterteil 3a verbunden. In einem Kolbenboden 7 des Oberteils 2a ist aussermittig oder zentrisch eine Brennraummulde 8 eingebracht, die sich bis in das Mittelteil 4 erstreckt. Im Einbauzustand ist der Kolben 1a über umfangsseitige, in versetzt angeordneten Ringnuten 9 eines Ringfeldes 10 eingesetzte, in 1 nicht dargestellte Kolbenringe gegenüber einer Zylinderwand abgedichtet. Der zur Aufnahme eines Kolbenrings bestimmte Ringträgerersatz 5 bildet einen Abschluss des Ringfeldes 10 in Richtung eines Kolbenbodens 7. In das Unterteil 3a sind im Bereich eines Kolbenschafts zwei diametral gegenüberliegende Bohrungen 11 eingebracht, die zur Aufnahme eines nicht dargestellten Kolbenbolzens bestimmt sind, über den der Kolben 1a in Verbindung mit einem Pleuel mit der Kurbelwelle in einer Wirkverbindung steht. Zur Herstellung des Kolbens 1a können verschiedene Fertigungs- bzw. Verfahrensschritte vorgesehen werden. Bevorzugt wird zunächst der Ringträgerersatz 5 mit dem Mittelteil 4, beispielsweise mittels einer Übergangspassung oder Presspassung kraftschlüssig zusammengeführt. Diese gemeinsam eine Scheibe bildenden Bauteile werden anschließend durch eine Multi-Orbital-Reibschweißung im Bereich der Fügezone 6a mit dem Oberteil 2a zu einem Verbund stoffschlüssig zusammengefügt. Mit einer weiteren Multi-Orbital-Reibschweißung der Fügezone 6b erfolgt eine weitere stoffschlüssige Verbindung mit dem Unterteil 3a.
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Die Kolben 1b und 1c gemäß den 2 und 3 sind weitestgehend mit dem in 1 abgebildeten Kolben 1a vergleichbar. Daher weisen übereinstimmende Bauteile gleiche Bezugsziffern auf. Die nachfolgenden Beschreibungen der 2 und 3 beschränken sich daher auf die unterschiedlichen Gestaltungen.
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In 2 ist der Kolben 1b gezeigt, der beabstandet zu der Brennraummulde 8 einen ringförmig gestalteten Kühlkanal 12 einschließt. Dazu erstreckt sich das Unterteil 3b abweichend zu dem Unterteil 3a gemäß 1 bis zu einer oberhalb des Ringträgerersatzes 5 verlaufenden Fügezone 13a. Das Unterteil 3b bildet dabei eine zur Außenwandung des Kolbens 1b radial nach innen versetzte Wandung 14, wobei der radiale Abstand zwischen einer Innenkontur des Ringträgerersatzes 5 und der Wandung 14 den umlaufenden Kühlkanal 12 radial begrenzt, der sich kolbenbodenseitig bis in das Oberteil 2b erstreckt. Durch diese Lage des Kühlkanals 12 stellt sich ein relativ geringer Abstand zu dem Kolbenboden 7 sowie zu einem Muldenrand 15 der Brennraummulde 8 ein, deren gerundeter Boden in dem Unterteil 3b verläuft. Damit kann eine wirksame Kühlwirkung der thermisch hochbelasteten Bereiche des Kolbens 1b erreicht werden. Zur Fertigstellung des Kolbens 1b bietet es sich an, in einem ersten Schritt den Ringträgerersatz 5 mit dem Unterteil 3b zu einem Verbund mittels einer Multi-Orbital-Reibschweißung der Fügezone 13b zu verbinden. In einem Folgeschritt wird durch eine Multi-Orbital-Reibschweißung der Fügezone 13a das Oberteil 2b mit dem Verbund stoffschlüssig verbunden.
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Die 3 zeigt den Kolben 1c, bei dem die Brennraummulde 8 vollständig in dem Oberteil 2c integriert ist, das gleichzeitig die Aufnahme des Kühlkanals 12 ermöglicht. Das Oberteil 2c bildet von der Außenkontur ausgehend eine radial nach innen versetzte, eine Wandung 14 einschließende Stufe, die vergleichbar dem Kolben 1b gemäß 2 den Kühlkanal 12 radial innenseitig begrenzt. Außenseitig erfolgt eine Begrenzung des Kühlkanals 12 durch den Ringträgerersatz 5, welcher über eine Fügezone 16a mittels einer Reibschweißung mit dem Oberteil 2c verbunden wird.
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Die weitere, eine ebene Kreisfläche bildende Fügezone 16b stellt sich ein zwischen dem Unterteil 3c und dem Oberteil 2c in Verbindung mit dem Ringträgerersatz 5. Zur stoffschlüssigen Verbindung der einzelnen Kolbenbauteile im Bereich der Fügezonen 16a, 16b wird eine Multi-Orbital-Reibschweißung eingesetzt, wodurch sich eine gezielte lokale Ringnutverstärkung einstellt. Eine Kühlmittelzuführung in den Kühlkanal 12 erfolgt über eine in das Unterteil 3c eingebrachte, bis in den Kühlkanal 12 führende Einlassbohrung 17. Nach einer Durchströmung tritt das Kühlmittel über eine Auslassbohrung 18 des Unterteils 3c aus dem Kolben 1c. Als Maßnahme zur Optimierung der Kühlmittelbeaufschlagung des Kühlkanals 12 und zur Vermeidung einer Strömungsbeeinflussung aufgrund des oszillierenden Kolbens 1c ist im Austrittsbereich der Einlassöffnung 17 innerhalb des Kühlkanals 12 ein Strahl- oder Strömungsteiler 19 eingebracht, über den eine gezielte Umlenkung des Kühlmittels erfolgt.
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In den 1 und 2 können die Bereiche (das Material) der Oberteile 2a und 2b ebenso zur Verstärkung des Muldenrandes 15 herangezogen werden bzw. dazu ausgebildet sein, das heisst, dass die nach innen weisenden Bereiche der Oberteile 2a und 2b die Verstärkung des Muldenrandes 15 bilden. Analog dazu kann in 3 das Material des Oberteiles 2c die Verstärkung des Muldenrandes übernehmen, das heisst, dass der nach innen weisende Bereich des Oberteiles 2c die Verstärkung des Muldenrandes 15 bildet. Diese Integration ist von besonderem Vorteil hinsichtlich Steifheit, Dauerhaltbarkeit und vereinfachter Herstellung.
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Bezugszeichenliste
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- 1a
- Kolben
- 1b
- Kolben
- 1c
- Kolben
- 2a
- Oberteil
- 2b
- Oberteil
- 2c
- Oberteil
- 3a
- Unterteil
- 3b
- Unterteil
- 3c
- Unterteil
- 4
- Mittelteil
- 5
- Ringträgerersatz
- 6a
- Fügezone
- 6b
- Fügezone
- 7
- Kolbenboden
- 8
- Brennraummulde
- 9
- Ringnut
- 10
- Ringfeld
- 11
- Bohrung
- 12
- Kühlkanal
- 13a
- Fügezone
- 13b
- Fügezone
- 14
- Wandung
- 15
- Muldenrand
- 16a
- Fügezone
- 16b
- Fügezone
- 17
- Einlassbohrung
- 18
- Auslassbohrung
- 19
- Strömungsteiler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004061778 A1 [0002]
- US 6155157 [0002]
- DE 19701085 A1 [0014]
