DE102013221395A1

DE102013221395A1 - Bearbeitungsprozess für axial niedrige Trapezringe für Kolben von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102013221395A1
Application number: DE102013221395.6A
Authority: DE
Inventors: Denis Beller; Reiner Friede
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2014-10-09
Also published as: CN105377482B; MX2015013680A; WO2014161696A1; CN105377482A; BR112015024586A2; EP2981383A1; US20160025219A1; MX366438B; US10197161B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für Brennkraftmaschinen mit einer umlaufenden trapezförmigen Ringnut (2) zur Aufnahme von axial niedrigen Trapezringen, aufweisend einen Nutgrund (5) mit daran anschließenden Flächen (6, 7) und Nutflanken (3, 4), erfindungsgemäß wird in einem ersten Verfahrensschritt der Nutgrund (5) mit den daran anschließenden Flächen (6, 7) durch Bearbeitung mit einem Werkzeugstahl (15, 15') erstellt und in einem weiteren Verfahrensschritt werden die Nutflanken (3, 4) erstellt. Weiterhin wird ein nach dem beanspruchten Verfahren hergestellter Kolben (1) sowie ein Werkzeugstahl (15, 15') beansprucht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Trapezring, die Herstellung einer Nut für diesen Trapezring im Kolben und einem Verbund aus einem Kolben mit einem solchen Trapezring.
Trapezringe für Kolben, die in entsprechende Nuten im Ringfeld des Kolbens eingesetzt werden, sind bekannt, beispielsweise aus der EP 0 398 993 B1 ( DE 689 19 074 T2 ), der DE 41 19 908 A1 , der DE 11 2011 100 377 T5 , der DE 10 2007 057 840 A1 , der DE 196 16 474 A1 , der DE 30 345 19 C2 oder der DE 944 761 . Jedoch sind die in den zuvor genannten Schriften offenbarten trapezförmigen Ringnuten nicht zur Aufnahme von Trapezringen mit axial geringer Bauhöhe geeignet, was zu einer größeren Bauhöhe des Kolbens in Richtung parallel zur Kolbenhubhachse führt.
Die DE 43 41 386 C2 offenbart eine Dichtungseinheit für Kolben von Brennkraftmaschinen mit einer im Feuersteg des Kolbens angeordneten Ringnut mit konisch ausgebildeter oberer Nutflanke zur Aufnahme eines mit korrespondierender Flanke ausgebildeten Kolbenringes. Hierbei liegt der Kolbenring am oberen dem Brennraum zugewandten Bereich des Kolbens, was zu einem erhöhten Verschleiß des Kolbenringes führt.
Aufgrund der bisher eingesetzten Bauhöhe von Trapezringen ist es vor allen Dingen unter Serienbedingungen problematisch, eine trapezförmige Nut, die von außen in Richtung der Kolbenhubachse in ihrer axialen Höhe abnimmt, herzustellen. Andererseits besteht aber das Erfordernis nach einer geringen Höhe von Trapezringen, um so die Kolbenhöhe zu verringern. Durch den Einsatz von Trapezringen mit geringer Bauhöhe verringert sich auch die Reibung.
Erfindungsgemäß ist daher ein Trapezring vorgesehen, der einen trapezförmigen Querschnitt aufweist und gleichzeitig gegenüber bekannten Trapezringen eine verringerte Bauhöhe aufweist. Vorzugsweise ist die in Richtung der Kolbenhubachse nach innen weisende maximale Höhe des Trapezringes kleiner gleich 1 mm. Solche Dimensionen lassen sich bei Serienherstellungen von trapezförmigen Ringnuten bisher nicht realisieren, da die hierfür erforderlichen Werkzeugstähle zur spanabhebenden Bearbeitung zur Realisierung der Ringnut in einem Schritt ein inneres Maß von einer maximalen Höhe von 1 mm nicht zu lassen. Daher ist weiterhin vorgesehen, dass die trapezförmige Ringnut in zwei Schritten hergestellt wird. Zunächst wird ein Werkzeugstahl verwendet, der von außen nach innen in Richtung der Kolbenhubachse betrachtet einen trapezförmigen Verlauf aufweist und der an dem nach innenweisenden Ende zwei parallel zueinander ausgerichtete Flanken bzw. Flächen aufweist. Alternativ kann der Vorstechstahl auch rechteckig oder trapezförmig ausgestaltet sein. Mit einem solchen Werkzeugstahl wird die Nut vorgestochen und in einem zweiten Schritt werden dann die Nutflanken fertig bearbeitet, so dass der entsprechend gestaltete trapezförmige und eine geringe Bauhöhe aufweisender Ring in diese Nut eingesetzt werden kann. Schließlich steht nach dieser Durchführung der fertige Kolben mit einer trapezförmigen Ringnut geringer Höhe zur Verfügung, in die ein Trapezring mit entsprechend geringer Bauhöhe eingesetzt ist und ein solcher Kolben in den Zylinder einer Brennkraftmaschine eingebaut werden kann.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen mit einer umlaufenden trapezförmigen Ringnut zur Aufnahme von axial niedrigen Trapezringen, aufweisend einen Nutgrund mit daran anschließenden Flächen und Nutflanken erfindungsgemäß wird in einem ersten Verfahrensschritt der Nutgrund mit den daran anschließenden Flächen durch Bearbeitung mit einem Werkzeugstahl erstellt und in einem weiteren Verfahrensschritt werden die Nutflanken erstellt. Durch die Aufteilung der Herstellung einer trapezförmigen Nut in zwei Verfahrensschritte ist es möglich, einen Nutgrund mit geringer Bauhöhe zu erschaffen.
Vorgesehen ist weiterhin, dass die Bearbeitung der Ringnut, derart erfolgt, dass die sich an den Nutgrund anschließenden Flächen parallel oder nahezu parallel zueinander verlaufen. Hierdurch kann die Werkzeugstandzeit deutlich erhöht werden und die Aufnahme des Trapezringes bis in den Nutgrund wird somit gewährleistet.
Auch ist angestrebt, dass die Bearbeitung der Ringnut derart erfolgt, dass die Nutflanken trapezförmig zueinander orientiert sind. Durch die trichterförmige bzw. trapezförmige Anordnung der Nutflanken ist die Aufnahme des Trapezringes bis in den Nutgrund erleichtert.
Weiterhin ist vorgesehen, dass sich durch die Bearbeitung der Ringnut ein Übergangsbereich zwischen den Flächen und den Nutflanken ausbildet. Der Nutgrund ermöglicht die Aufnahme und Fixierung des Trapezringes an seiner der Kolbenhubachse zugewandten Seite.
Das Verfahren wird derart durchgeführt, dass der Nutgrund nach der Bearbeitung eine Bauhöhe von weniger als 2 mm bevorzugt weniger als 1,5 mm insbesondere weniger als 1 mm aufweist. Somit kann die trapezförmige Ringnut Trapezringe mit geringer axialer Ausdehnung aufnehmen. Dadurch wird die Reibung des Trapezringes an der Zylinderwandung verringert und eine geringe Kolbenbauhöhe ist realisierbar.
Der Werkzeugstahl zur Durchführung eines Verfahrens ist derart ausgebildet, dass der Werkzeugstahl an seinem den späteren Nutgrund ausbildenden Ende parallele oder nahezu parallele Flächen aufweist. Hierdurch kann eine geringe Bauhöhe des Trapezringes im Bereich des Nutgrundes erzielt werden bei hohen Werkzeugstandzeiten und daraus resultierenden geringem Verschleiß.
Werkzeugstahl ist derart gestaltet, dass sich an die nahezu parallelen Flächen von der Kolbenhubachse nach außen orientierte trapezförmige Flächen anschließen. Vorteil ist, dass im ersten Verfahrensschritt schon die zukünftige Lage der Nutflanken zueinander ausgebildet wird. In einem weiteren Verfahrensschritt muss nur noch das genaue Maß der trapezförmigen Nutflächen zueinander herausgearbeitet werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgend beschriebenen Figuren weiter verdeutlicht.
1 zeigt die schematische Darstellung eines Kolbens,
2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Ringfeld mit einer trapezförmigen Nut entsprechend dem Ist-Zustand,
3A u. 3B zeigen schematische Schnittansichten von Werkzeugstählen entsprechend dem Ist-Zustand,
4 zeigt eine Schnittansicht einer trapezförmigen Nut nach dem ersten erfindungsgemäßen Bearbeitungsschritt,
5A u. 5B zeigen schematische Schnittansichten von Werkzeugstählen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Bearbeitungsprozesses und
6 zeigt eine schematische Schnittansicht einer trapezförmigen Nut nach der Durchführung des zweiten erfindungsgemäßen Bearbeitungsschrittes.
Die 2, 3A und 3B zeigen den Ist-Zustand und die 1, 4, 5A, 5B und 6 zeigen die erfindungsgemäße Lösung. Für gleiche Elemente werden für beide Ausführungsbeispiele gleiche Bezugszeichen vergeben.
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.
Die 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Kolbens 1 mit einer trapezförmigen radial umlaufenden Ringnut 2 die Nutflanken 3, 4 sowie einen Nutgrund 5 aufweist. Benachbart zum Nutgrund 5 sind Flanken 6, 7 angeordnet die nahezu parallel zueinander orientiert sind. Die Ringnut 2 ist Teil eines Ringfeldes 8, welches ein Zusatzvolumen 9 sowie weitere verschieden ausgestaltete Ringnuten 10 und 11 aufweist. Das Zusatzvolumen 9 wird auch als Ausgleichsvolumen bezeichnet.
In der 2 ist erkennbar, dass die minimale Bauhöhe h₁ der Ringnut 2 in diesem Beispielfall 1,96 mm beträgt. Der dort dargestellte Idealfall, dass die Trapeznut nach innen weisend noch weiter zusammenläuft, beispielsweise auf eine Bauhöhe h₂ von 0,17 mm, lässt sich in der Praxis nicht darstellen, da mit Werkzeugstählen 12, 12' mit einer Bauhöhe h₃ kleiner gleich 1 mm ein erhöhter Verschleiß stattfindet. Dieser Verschleiß ist bedingt durch den vollständigen trapezförmigen Verlauf der Flächen 13, 14 und 13', 14' von außen nach innen in Richtung der Kolbenhubachse (bei Betrachtung der 3A und 3B der dort dargestellten Werkzeugstähle 12, 12' von links nach rechts). An dem Werkzeugstahl 12 gemäß 3A ist ein Radius R₃ vorgesehen, hingegen stellt der Werkzeugstahl 12' einen Werkzeugstahl ohne sichtbare Radien dar. Das bedeutet, dass mit dieser Konstruktion, dem dort gezeigten Werkzeugstählen 12, 12' und dem Herstellungsverfahren Trapezringe geringer Höhe und Ringnuten 2, die trapezförmig ausgebildet sind, nicht mit der gewünschten geringen Bauhöhe eingesetzt werden können. Für den Übergang vom Nutgrund 5 zu den Flanken 6, 7 ist beispielsweise gemäß 2 ein Radius R₁ von 0,1 bis 0,5, bevorzugt von 0,2 bis 0,3 vorgesehen. Der Öffnungswinkel α ist beispielsweise mit 15 Grad und 12 Minuten vorgesehen.
Im Gegensatz dazu ist gemäß der erfindungsgemäßen Lösung (in der 4 dargestellt) vorgesehen, dass zunächst eine Nut 2 vorgestochen wird. Hierzu werden besondere Werkzeugstähle 15, 15' (gezeigt in den 5A und 5B) hinsichtlich ihres Querschnittes verwendet. Das Ausführungsbeispiel gemäß 5A zeigt einen Werkzeugstahl 15 welcher über parallel verlaufende Flächen 18 und 19 verfügt. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 5B welches einen Werkzeugstahl 15' darstellt, läuft der Querschnitt zunächst von außen in die Richtung nach innen mit trapezförmigen Flächen 16, 17 zu und läuft dann in zwei parallel Flächen 18', 19' aus. Mit diesem Querschnitt der dargestellten Werkzeugstähle wird die Nut 2 vorgestochen, so dass sich ein Nutgrund 5 in der Bauhöhe h₄ von mindestens einem Millimeter oder auch kleiner realisieren lässt. Für den Übergang vom Nutgrund 5 zu den Flanken 6, 7 ist beispielsweise ein Radius R₂ von 0,2 vorgesehen. Der Öffnungswinkel α ist beispielsweise mit 15 Grad und 12 Minuten vorgesehen.
In einem zweiten, in der 6 dargestellten Schritt werden die Nutflanken 3, 4 fertig bearbeitet, so dass mit einem zweiten, entsprechend im Querschnitt geformten Werkzeugstahl (nicht dargestellt) nicht mehr das gesamte Material aus dem Kolbenrohling herausgearbeitet werden muss, sondern dass nur noch oberflächlich eine Bearbeitung der Nutflanken 3, 4 erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Kolben
2: trapezförmige Ringnut
3: Nutflanke
4: Nutflanke
5: Nutgrund
6: Flanke
7: Flanke
8: Ringfeld
9: Zusatzvolumen/Ausgleichsvolumen
10: Ringnut
11: Ringnut
12: Werkzeugstahl
12': Werkzeugstahl
13: Fläche
13': Fläche
14: Fläche
14': Fläche
15: Werkzeugstahl
15': Werkzeugstahl
16: Fläche
17: Fläche
18: Fläche
18': Fläche
19: Fläche
19': Fläche
h₁: Bauhöhe
h₂: Bauhöhe
h₃: Bauhöhe
h₄: Bauhöhe
α: Winkel
R₁: Radius
R₂: Radius
R₃: Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0398993 B1 [0002]
DE 68919074 T2 [0002]
DE 4119908 A1 [0002]
DE 112011100377 T5 [0002]
DE 102007057840 A1 [0002]
DE 19616474 A1 [0002]
DE 3034519 C2 [0002]
DE 944761 [0002]
DE 4341386 C2 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für Brennkraftmaschinen mit einer umlaufenden trapezförmigen Ringnut (2) zur Aufnahme von axial niedrigen Trapezringen, aufweisend einen Nutgrund (5) mit daran anschließenden Flächen (6, 7) und Nutflanken (3, 4) dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt der Nutgrund (5) mit den daran anschließenden Flächen (6, 7) durch Bearbeitung mit einem Werkzeugstahl (15, 15') erstellt wird und in einem weiteren Verfahrensschritt die Nutflanken (3, 4) erstellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung der Ringnut (2), derart erfolgt, dass die sich an den Nutgrund (5) anschließenden Flächen (6, 7) parallel oder nahezu parallel zueinander verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung der Ringnut (2) derart erfolgt, dass die Nutflanken (3, 4) trapezförmig zueinander orientiert sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch die Bearbeitung der Ringnut (2) ein Übergangsbereich zwischen den Flächen (6, 7) und den Nutflanken (3, 4) ausbildet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutgrund (5) nach der Bearbeitung eine Bauhöhe h₄ von weniger als 2 mm bevorzugt weniger als 1,5 mm insbesondere weniger als 1 mm aufweist.
Werkzeugstahl (15, 15') zur Durchführung eines Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugstahl (15, 15') an seinem den späteren Nutgrund (5) ausbildenden Ende parallele oder nahezu parallele Flächen (18, 19; 18', 19') aufweist.
Werkzeugstahl (15') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die nahezu parallelen Flächen (18', 19') von der Kolbenhubachse nach außen orientierte trapezförmige Flächen (16, 17) anschließen.
Trapezring, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Aufnahme in eine trapezförmige Ringnut (2) hergestellt nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 5 geeignet ist.
Kolben (1) dadurch gekennzeichnet, dass er nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt ist.
Kolben (1) dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens einen Trapezring gemäß Anspruch 8 aufweist.