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Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine, gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus der
DD 123 962 ist es bekannt, dass Kolben für Brennkraftmaschinen aus mindestens zwei Teilen bestehen. Diese beiden Teile sind zum Einen ein Ringteil, das u. a. den Feuersteg bildet und zumindest eine, vorzugweise zwei oder mehrere Ringnuten umfasst, und ein Basisteil, welches in an sich bekannter Weise die Kolbenbolzenbohrung, die Kolbennaben, den Kolbenschaft und dergleichen bildet. Diese beiden Teile sind in geeigneter Form zusammengefügt. Dabei sind das Ringelement und das Basisteil so gestaltet, dass nach ihrem Zusammenfügen ein Kühlkanal entsteht. Außerdem kann, muss aber nicht, der Kolben eine Brennraummulde umfasst.
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Die
DE 10 2010 056 220 A1 offenbart eine Schweißverbindung für die Herstellung eines Kolbens aus mindestens zwei Einzelteilen. Das lagegerechte Montieren der Kolbenteile ist hier jedoch sehr aufwendig, da eine Positioniereinrichtung fehlt.
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In der
DE 10 2007 036 236 A1 wird ein gebauter, insbesondere zweiteiliger Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil, die über ein Gewinde verbunden werden, offenbart. Die Verbindung der Kolbenteile durch eine Schraubverbindung ist jedoch sehr arbeitsintensiv und daher auch kostenintensiv.
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Als Fügeverfahren sind z. B. Verstemmen, Verlöten, Verschweißen, Verschrauben, Verstiften oder dergleichen bekannt. Wesentlich ist, dass aus den beiden genannten zwei Einzelteilen (Ringelement und Basisteil) nach ihrem Zusammenfügen ein einstückiger Kolben entsteht, wobei dieser einstückige Kolben nach Komplettierung in üblicher Form mit Ringen, Bolzen, Bolzensicherung und dergleichen ein betriebsfertiger Kolben entsteht.
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Bei den bisher bekannten Fügeverfahren ist immer der Nachteil gegeben, dass die beiden zusammenzufügenden Bauteile genauestens aufeinander abgestimmt sein müssen, um das Fügeverfahren durchführen zu können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Kolben einer Brennkraftmaschine, insbesondere einen Kühlkanalkolben, zu schaffen, der einfach, gleichzeitig aber mit hoher Präzision gefertigt werden kann, ohne dass nach dem Zusammenfügen der beiden Bauteile aufwändige Nachbearbeitungen erforderlich sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die beiden Bauteile (Ringelement und Basisteil, auch Unterteil genannt)) sich dann selbst zentrieren, wenn sie zusammengebracht werden, und einen erforderlichen Spalt für eine Fügeverbindung (insbesondere eine stoffschlüssige Fügeverbindung, beispielsweise Löten oder Schweißen) durch ihre Bearbeitung bilden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere Kühlkanalkolben für eine Brennkraftmaschine, aufweisend ein Kolbenunterteil und ein Kolbenoberteil, die in einem Fügeprozess zu einem Kolben verbunden werden, wobei das Kolbenoberteil zumindest ein Ringfeld sowie eine Innenwand aufweist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass das Kolbenunterteil eine radial umlaufende Schrägfläche an dem dem Kolbenoberteil zugewandten Ende aufweist, die zusammenwirkend mit der Innenwand des Kolbenoberteiles bei dem Fügeprozess der Kolbenteile eine Zentrierung bewirkt.
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In einer Ausgestaltung kann das Kolbenoberteil so ausgeführt sein, dass es das spätere Ringfeld und den späteren Muldenrandbereich umfasst. Dieses Kolbenoberteil ist ringförmig mit einem auf dem Kopf stehenden U-förmigen Profil mit unterschiedlichen Schenkelllängen ausgeführt. Der außenliegende längere Schenkel bildet später das Ringfeld. Der spätere Muldenrandbereich wird vom kürzeren innenliegenden Schenkel gebildet. Der Vorteil ist hierbei, dass in hoch beanspruchten Zonen ein geeignetes, vom Kolbenunterteil abweichendes Material verwendet werden kann.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kolbenunterteil mindestens eine Gleitfläche aufweist, die im Fügeprozess mit der Innenwand des Kolbenoberteiles zusammenwirkt. Diese mindestens eine Gleitfläche bietet den Vorteil, dass beim Fügen von Kolbenunterteil und Kolbenoberteil geringe Kräfte aufzuwenden sind.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Bereich mindestens einer Fügenaht mindestens eine Auflage zur Ausbildung eines Spaltes vorgesehen ist. Durch die mindestens eine Auflage entsteht ein Spalt mit definierten Abmessungen.
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Vorgesehen ist weiterhin dass der Spalt benachbart zur Auflage zur Aufnahme von Lötmaterial dient.
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Außerdem ist vorgesehen, dass ein Depot, insbesondere zur Aufnahme von Lötmaterial vorgesehen ist. Der Spalt bildet in Zusammenspiel mit der Auflage ein Reservoir für Prozessmedien aus. Vorteilhaft ist, dass dieses Reservoir gezielt, beispielsweise vor dem Fügeprozess gefüllt werden kann. Nach dem Fügen ist das Prozessmedium beispielsweise Lötmaterial in der richtigen Dosierung am Wirkort vorhanden. Nach der Durchführung beispielsweise eines Lötprozesses zum Verbinden der Kolbenteile kann das überschüssige Lötmaterial samt Teilbereiche des Reservoirs entfernt werden.
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Kennzeichnend für den Kolben ist, dass am Kolbenoberteil ein umlaufender Kragen als Begrenzung beim Fügeverfahren im Zusammenwirken mit einer Auflage vorgesehen ist. Vorteilhaft wird über den Kragen das genaue spätere (Höhen)-Maß des Kolbens definiert. Ein „Zusammenfahren” der Kolbenteile über die Begrenzung, gebildet durch den Kragen und die Auflage, ist nur beim Überschreiten einer definierbaren Grenzkraft hinaus möglich. Im erfindungsgemäßen Fügungsprozess kann die vorgesehene Begrenzung nicht überschritten werden.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Kragen nach Abschluss des Fügevorganges entfernt wird. Eventuelle Handlingspuren am Kragen vom Fügeprozess werden durch Abtragen des Kragens entfernt. Auch kann das genaue Abmaß des Kolbens durch Entfernen des Kragens eingestellt werden. Der Kragen dient als Hilfsmittel zur Findung der genauen Position von Kolbenunterteil und Kolbenoberteil im Fügeprozess zueinander und kann daher nach dem Fügen abgetragen werden.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kolbenoberteil zumindest ein Ringfeld nach dem Fügevorgang ausbildet. Das Ringfeld dient in bekannter Weise zur Aufnahme von Kolbenringen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, insbesondere Kühlkanalkolben für eine Brennkraftmaschine, umfasst die folgenden Schritte:
- – Bereitstellung des Kolbenoberteiles und des Kolbenunterteiles,
- – Fügen der Kolbenteile, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass während des Fügeprozesses eine Zentrierung von Kolbenoberteil zu Kolbenunterteil erfolgt.
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Eine Zentrierung erhöht die Prozesssicherheit beim Fügen von Kolbenunterteil und Kolbenoberteil zu einem Kolben. Durch die Zentrierung „finden” sich die Kolbenbauteile in der richtigen Lage zueinander, während sie aufeinander zubewegt werden. Kolbenunterteil und Kolbenoberteil gleiten aneinander in die richtige Endlage zum Abschluss des Fügeprozesses. Durch die Zentrierung ist gewährleistet, dass der Mittelpunkt in Richtung der Kolbenhubachse des Kolbenoberteiles über dem Mittelpunkt in Richtung der Kolbenhubachse des Kolbenunterteiles liegt.
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In einer Ausgestaltung des Herstellverfahrens ist vorgesehen, dass mindestens eine Auflage für den Fügevorgang in mindestens einem weiteren Verfahrensschritt entfernt wird. Die Auflage dient zur Findung einer definierten Position von Kolbenunterteil zu Kolbenoberteil und kann daher nach erfolgtem Fügeprozess entfernt werden.
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Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die beiden zusammenzufügenden Bauteile aus gleichem oder unterschiedlichem Material bestehen können. Außerdem können sie auf gleiche oder von einander unterschiedliche Art und Weise (z. B. schmieden, gießen oder dergleichen) hergestellt werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1: eine Schnittansicht des Kolbens eines ersten Ausführungsbeispiels vor dem Fügen,
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2: eine Schnittansicht des Kolbens nach dem Fügen,
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3: eine Schnittansicht eines fertiggestellten Kolbens,
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4: eine Schnittansicht des Kolbens eines zweiten Ausführungsbeispiels,
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5 eine Schnittansicht eines Kolbens nach dem Fügen,
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6: eine Schnittansicht eines Kolbens vor dem Verschluss der Nut und
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7: eine Schnittansicht des fertig gestellten Kolbens.
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Die 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 1 und die 4 bis 7 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 31. Für gleiche Elemente werden für beide Ausführungsbeispiele gleiche Bezugszeichen verwendet.
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In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position der Einrichtung und anderer Elemente. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, das heißt durch verschiedene Positionen und/oder spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern.
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Die 1 zeigt einen Kolben 1, bestehend aus einem Kolbenunterteil 2 sowie einem Kolbenoberteil 3, ausgeführt als Ring, vor dem Zusammenfügen. Das Kolbenoberteil 3 weist eine Auflage 4 auf. Ergänzend kann es ein Depot 5 aufweisen, das beispielsweise zur Aufnahme von Lötpaste dienen kann. Zusätzlich weist das Kolbenunterteil 2 eine am äußeren Umfang radial umlaufende Schrägfläche 6 auf. Mit F ist die Fügerichtung zum Fügen von Kolbenunterteil 2 und Kolbenoberteil 3 gekennzeichnet. Beim Fügen von Kolbenunterteil 2 und Kolbenoberteil 3 gleitet eine radial umlaufende Innenwand 7 des Kolbenoberteils 3 an radial umlaufenden Gleitflächen 8 des Kolbenunterteils 2 vorbei. Weiterhin weist das ringförmige Kolbenoberteil 3 einen radialumlaufenden zur Kolbenmitte orientierten Kragen 14 auf. Im oberen Endbereich des Kolbenunterteils 2 befindet sich eine radialumlaufende Auflage 15. Der Fügevorgang ist abgeschlossen, wenn der untere Bereich der Innenwand 7 an der Schrägfläche 6 zur Anlage kommt und der Kragen 14 an der Auflage 15 zur Anlage kommt. Die Schrägfläche 6 übernimmt beim Fügevorgang die Funktion einer Zentriereinrichtung. Vor dem Fügevorgang können, müssen aber nicht, in das Depot 5 Hilfsstoffe wie beispielsweise Lötpaste eingebracht werden. Auch die Aufnahme von Materialien oder Stoffen, die zur späteren stoffschlüssigen Verbindung zwischen Kolbenunterteil 2 und Kolbenoberteil 3 dienen, in das Depot 5 ist denkbar.
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2 zeigt den späteren Kolben 1 nach dem Fügevorgang von Kolbenunterteil 2 und Kolbenoberteil 3. Deutlich zu sehen ist, dass die Innenwand 7 des ringförmigen Kolbenoberteils 3 an der radial umlaufenden Schrägfläche 6 des Kolbenunterteils 2 zur Anlage gelangt ist. Weiterhin ist der radial umlaufende Kragen 14 des Kolbenoberteils 3 an der ebenfalls radial umlaufenden Auflage 15 des Kolbenunterteils 2 zur Anlage gekommen. Durch das Fügen von Kolbenunterteil 2 mit dem Kolbenoberteil 3 hat sich ein radial umlaufender Hohlraum gebildet, der als Kühlkanal 13 dienen kann. Weiterhin weist das Kolbenunterteil 2 eine Mulde 11 auf, in der der Verbrennungsprozess beim Betrieb der Brennkraftmaschine abläuft.
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In der 3 ist der nun einteilige fertiggestellte Kolben 1 dargestellt. Deutlich zu erkennen sind Fügenähte 17, die den Übergangsbereich zwischen vormals Kolbenunterteil 2 und Kolbenoberteil 3 markieren. In einem Bereich 18 wurde der Kolben derart bearbeitet, dass eine weitestgehend plane radial umlaufende Fläche entstanden ist. Hierzu wurde der Kragen 14 und Teile der Auflage 15 abgetragen. Weiterhin wurde im oberen Bereich des Kolben 1 ein radial umlaufendes Ringfeld 16 eingebracht. In dem Bereich zwischen der Schrägfläche 6 des Kolbenunterteils 2 und dem Kolbenoberteil 3 kann eine stoffschlüssige Verbindung erfolgen, beispielsweise durch Schweißen oder Löten. Eine dichte Verbindung zwischen Kolbenoberteil 3 und Kolbenunterteil 2 ist von Vorteil, um einen Austritt von Kühlmedium aus dem Kühlkanal 13 zu verhindern.
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Das zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß hergestellten Kolbens 31 wird ab der 4 beschrieben. Ein Kolbenunterteil 32 weist wiederum eine radial umlaufende Schrägfläche 6 auf. Das ringförmige Kolbenoberteil 33 weist im Profil die Form eines auf dem Kopf stehenden „U” mit ungleichen Schenkeln 19, 20 auf. Der längere, außenliegende Schenkel 19 dient nach dem Fügevorgang zur Ausbildung des Ringfeldes 16. Der kürzere Schenkel 20 dient nach dem Fügevorgang zur Ausbildung eines Muldenrandrings 12. Das Kolbenunterteil 32 weist im Bereich einer nach dem Fügeprozess gebildeten Mulde 11 einen radial umlaufenden Steg 21 auf. Weiterhin sind am oberen äußeren Umfang des Kolbenunterteils 32 eine Gleitfläche 8 sowie eine Schrägfläche 6 ausgebildet. Beim Fügen von Kolbenoberteil 33 und Kolbenunterteil 32 in Fügerichtung F gleitet eine Innenwand 7 des Kolbenoberteils 33 an der Gleitfläche 8 des Kolbenunterteiles 32 entlang. Der Fügeprozess endet, wenn das untere Ende der Innenwand 7 des Kolbenoberteiles 33 an der Schrägfläche 6 des Kolbenunterteiles 32 zur Anlage kommt. Weiterhin kommt der Fügeprozess zum Stillstand, wenn das untere Ende des kurzen Schenkels 20 des Kolbenoberteils 33 an dem Steg 21 des Kolbenunterteiles zur Anlage gelangt.
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5 zeigt den Kolben 31 nach dem Fügeprozess. Zwischen dem Steg 21 und dem unteren Endes des Schenkels 20 kann eine optionale Auflage 9 zur Bildung eines Lötspaltes vorgesehen sein. Eine Zentrierung 10 des Kolbenoberteiles 33 auf dem Kolbenunterteil 32 erfolgt wie bereits beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, durch das Zusammenwirken der Schrägfläche 6 mit dem unteren Ende der Innenwand 7. Im Bereich des Lötspaltes, gebildet durch die Auflage 9 und im Bereich der Zentrierung 10 kann eine kraft-, form- oder stoffschlüssige Verbindung zwischen Kolbenunterteil 32 und Kolbenoberteil 33 erfolgen, beispielsweise kann hier eine Löt- oder Schweißverbindung vorgesehen werden.
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Nach weiteren Bearbeitungsschritten ist der fertiggestellte Kolben 31 in den 6 und 7 dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Zentrierung 10 nach der Bearbeitung erhalten geblieben ist. Bei der Bearbeitung des Randbereiches der Mulde 11, wird die Auflage 9 für den Lötspalt, sofern sie vorhanden war, entfernt. Die Fügenähte 17 zwischen Kolbenunterteil 32 und Kolbenoberteil 33 sind ersichtlich. Ein Ringfeld 6 wurde ebenfalls herausgearbeitet. Die Mulde 11 hat ihr funktionales Profil erhalten.
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Das erfindungsgemäße Fügungsverfahren für ein Kolbenunterteil und ein Kolbenoberteil ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 2
- Kolbenunterteil
- 3
- Kolbenoberteil/Ring
- 4
- Auflage
- 5
- Depot (z. B. für Lötpaste)
- 6
- Schrägfläche/Zentrierung
- 7
- Innenwand
- 8
- Gleitfläche
- 9
- Auflage (für Lötspalt)
- 10
- Zentrierung
- 11
- Mulde
- 12
- Muldenrandring
- 13
- Kühlkanal
- 14
- Kragen
- 15
- Auflage
- 16
- Ringfeld
- 17
- Fügenaht
- 18
- Bereich
- 19
- Schenkel
- 20
- Schenkel
- 21
- Steg
- 31
- Kolben
- 32
- Kolbenunterteil
- 33
- Kolbenoberteil/Ring
- F
- Fügerichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 123962 [0002]
- DE 102010056220 A1 [0003]
- DE 102007036236 A1 [0004]
