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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbengrundkörper und einem Kolbenmuldenelement, wobei der Kolbengrundkörper einen Bodenbereich und einen Teil der Muldenwand einer einen Dom aufweisenden Verbrennungsmulde sowie einen Kolbenschaft aufweist, wobei das Kolbenmuldenelement zumindest einen Teil eines Kolbenbodens und einen Teil der Muldenwand der Verbrennungsmulde aufweist, wobei der Kolbengrundkörper und das Kolbenmuldenelement einen umlaufenden Kühlkanal bilden, und wobei der Kolbengrundkörper und das Kolbenmuldenelement im Bereich der Muldenwand der Verbrennungsmulde über eine Laserschweißnaht unlösbar miteinander verbunden sind.
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Ein gattungsgemäßer Kolben ist bspw. aus der
DE 10 2011 013 113 A1 bekannt und wird auch als „Kolben mit thermisch entkoppeltem Kolbenschaft” bezeichnet. Derartige Kolben zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit und aufgrund der thermischen Entkopplung von Kolbenkopf und Kolbenschaft durch eine hohe Wärmebeständigkeit aus.
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Der gattungsgemäße Kolben weist eine vergleichsweise niedrige Kompressionshöhe auf. Dies hat beim Laserschweißen den Nachteil, dass der Laserstrahl so gesteuert werden muss, dass er den Dom der Verbrennungsmulde nicht berührt. Im gattungsgemäßen Kolben ist die Schweißnaht daher sehr steil und in der Nähe des Bodens der Verbrennungsmulde angeordnet, wo der Kolbengrundkörper und das Kolbenmuldenelement im Bereich ihrer Fügeflächen unterschiedliche Werkstoffvolumina aufweisen. Insbesondere beim Kolbengrundkörper sind die Werkstoffvolumina in diesem Bereich sehr unterschiedlich. Daher besteht die Gefahr, dass der Werkstoff von Kolbengrundkörper und Kolbenmuldenelement im Bereich der Laserschweißnaht ungleichmäßig aufschmilzt. Dies führt zu Spannungen im Werkstoffgefüge, welche Rissbildungen im Kolben verursachen können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass das Auftreten von Spannungen im Werkstoffgefüge nach dem Laserschweißen zumindest reduziert wird.
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Die Lösung besteht darin, dass am Kolbengrundkörper die mittlere Höhe H des Teils der Muldenwand 4% bis 12% des größten Durchmessers der Verbrennungsmulde beträgt und dass die Laserschweißnaht mit einer ausgehend von der Laserschweißnaht am Dom angelegten Tangente einen Winkel α von mindestens 5° einschließt.
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Die erfindungsgemäße Idee besteht somit darin, die erfindungsgemäßen Parameter mittlere Höhe H und Winkel α so festzusetzen, dass unabhängig von den individuellen Abmessungen des einzelnen Kolbens die Laserschweißnaht möglichst nahe an einem Bereich der Muldenwand anzuordnen, in dem ihre Dicke konstant ist. Damit ist die wesentliche Voraussetzung dafür erfüllt, dass während des Laserschweißens die Werkstoffe des Kolbengrundkörpers und des Kolbenmuldenelements zu beiden Seiten der Laserschweißnaht, insbesondere über den Umfang der Fügeflächen möglichst gleichmäßig aufschmelzen und abzukühlen, so dass das Auftreten von Spannungen im Bereich der Laserschweißnaht reduziert oder sogar vermieden wird. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Idee besteht darin, dass die Laserschweißnaht möglichst flach verläuft, um die Schweißlänge und die notwendige Schweißenergie zu reduzieren. Zugleich ist es von Vorteil, die Laserschweißnaht in einem möglichst großen Abstand vom hoch belasteten Muldenrandbereich anzuordnen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Winkel α kann bis zu 20° betragen, um einen ausreichenden Abstand des Laserstrahls vom Dom der Verbrennungsmulde zu bewirken.
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Der größte Durchmesser D der Verbrennungsmulde kann bspw. 100 mm betragen. In diesem Fall beträgt die Höhe H des Teils der Muldenwand am Kolbengrundkörper 4 mm bis 12 mm.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Laserschweißnaht genau in dem Bereich der Muldenwand angeordnet, in dem ihre Dicke konstant ist. In diesem Fall wird der Werkstoff sowohl des Kolbengrundkörpers als auch des Kolbenmuldenelements beim Laserschweißen zu beiden Seiten der Laserschweißnaht immer gleichmäßig aufgeschmolzen.
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Der erfindungsgemäße Kolben kann einen nach unten offen ausgebildeten und mit einem Verschlusselement verschlossenen Kühlkanal aufweisen. In diesem Fall umfasst das Kolbenmuldenelement neben dem Teil der Muldenwand den ganzen Kolbenboden, den umlaufenden Feuersteg und die umlaufende Ringpartie.
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Eine bevorzugte Weiterbildung dieses Kolbens besteht darin, dass das Verschlusselement einstückig am Kolbengrundkörper angeformt ist. Damit muss kein separates Verschlusselement hergestellt und am Kolben montiert werden.
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Das mit dem Kolbengrundkörper einstückig ausgebildete Verschlusselement ist vorzugsweise als umlaufender, sich zum Kolbenmuldenelement erstreckender Flansch ausgebildet, der in besonders zweckmäßigerweise in einer am Kolbenmuldenelement ausgebildeten Hinterschneidung spannungsfrei anliegt.
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Der erfindungsgemäße Kolben kann aber auch einen verschlossen ausgebildeten Kühlkanal aufweisen. In diesem Fall genügt ein Kolbenmuldenelement, das neben dem Teil der Muldenwand lediglich noch einen Teil des Kolbenbodens umfasst.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Kolben geeignet, deren Kompressionshöhe maximal 55% des Kolbendurchmessers beträgt.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird 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, wobei die rechte Hälfte gegenüber der linken Hälfte um 90° gedreht dargestellt ist;
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt, wobei die rechte Hälfte gegenüber der linken Hälfte um 90° gedreht dargestellt ist;
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3 eine vergrößerte Darstellung des Kolbenmuldenelements und der Laserschweißnaht des Kolbens gemäß 2;
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4 eine Schnittdarstellung des Kolbens entlang der Linie IV-IV gemäß 3.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbengrundkörper 11 und ein Kolbenmuldenelement 12 auf. Beide Bauteile können aus jedem beliebigen metallischen Werkstoff bestehen, der zum Fügen der Bauteile durch Laserschweißen geeignet ist. Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenmuldenelement 12 bilden zusammen den Kolbenkopf 13 des Kolbens 10.
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Der Kolbengrundkörper 11 bildet ferner den Kolbenschaft 14 des Kolbens 10, der in an sich bekannter Weise mit Kolbennaben 15 und Nabenbohrungen 16 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) sowie mit Laufflächen 17 versehen ist.
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Der Kolbenkopf 13 ist ferner mit einer Verbrennungsmulde 18 versehen. Hierbei bildet der Kolbengrundkörper 11 den einen Dom 21 aufweisenden Boden 19 der Verbrennungsmulde 18. Der Kolbengrundkörper 11 bildet ferner einen Teil 23 der Muldenwand 22 der Verbrennungsmulde 18. Das Kolbenmuldenelement 12 bildet den verbleibenden Teil 24 der Muldenwand 22 sowie einen Teil des Kolbenbodens 25. Der verbleibende Teil des Kolbenbodens 25, der umlaufende Feuersteg 26 sowie die mit Ringnuten versehene umlaufende Ringpartie 27 des Kolbens 10 werden ebenfalls vom Kolbengrundkörper 11 gebildet.
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Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenmuldenelement 12 bilden einen auf der Höhe der Ringpartie 27 umlaufenden Kühlkanal 28.
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Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenmuldenelement 12 sind durch Laserschweißen miteinander verbunden. Dadurch sind in der Muldenwand 22 sowie im Kolbenboden 25 Laserschweißnähte 31, 32 ausgebildet.
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Erfindungsgemäß beträgt die Höhe H des vom Kolbengrundkörper 11 gebildeten Teils 23 der Muldenwand 224% bis 12% des größten Durchmessers D der Verbrennungsmulde 18. Die Höhe H ist definiert als der Abstand zwischen einer sich vom tiefsten Punkt der Verbrennungsmulde 18 zum tiefsten Punkt des Kühlkanals 28 erstreckenden Grundlinie und einem Punkt, der mittig auf der Laserschweißnaht 31 angeordnet ist (siehe hierzu auch 3).
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Erfindungsgemäß schließt die Laserschweißnaht 31 mit einer ausgehend von der Laserschweißnaht 31 am Dom 21 angelegten Tangente T einen Winkel α von mindestens 5° ein.
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Die 2 und 3 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110. Der Kolben 110 weist einen Kolbengrundkörper 111 und ein Kolbenmuldenelement 112 auf. Beide Bauteile können aus jedem beliebigen metallischen Werkstoff bestehen, der zum Laserschweißen der Bauteile geeignet ist. Der Kolbengrundkörper 111 und das Kolbenringelement 112 bilden zusammen den Kolbenkopf 113 des Kolbens 110.
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Der Kolbengrundkörper 111 bildet ferner den Kolbenschaft 114 des Kolbens 110, der in an sich bekannter Weise mit Kolbennaben 115 und Nabenbohrungen 116 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) sowie mit Laufflächen 117 versehen ist.
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Der Kolbenkopf 113 ist ferner mit einer Verbrennungsmulde 118 versehen. Hierbei bildet der Kolbengrundkörper 111 den einen Dom 121 aufweisenden Boden 119 der Verbrennungsmulde 118. Der Kolbengrundkörper 111 bildet ferner einen Teil 123 der Muldenwand 122 der Verbrennungsmulde 118. Das Kolbenmuldenelement 112 bildet den verbleibenden Teil 124 der Muldenwand 122 sowie den Kolbenboden 125, den umlaufenden Feuersteg 126 sowie die mit Ringnuten versehene umlaufende Ringpartie 127 des Kolbens 110.
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Der Kolbengrundkörper 111 und das Kolbenmuldenelement 112 bilden einen nach unten offen ausgebildeten Kühlkanal 128, der mit einem Verschlusselement 133 verschlossen ist. Das Verschlusselement 133 ist als einstückig am Kolbengrundkörper 111 angeformter umlaufender, sich zum Kolbenmuldenelement 112 erstreckender Flansch ausgebildet. Das Verschlusselement 133 liegt in einer am Kolbenmuldenelement 112 ausgebildeten Hinterschneidung 134 spannungsfrei an (siehe insbesondere 3).
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Der Kolbenschaft 114 ist durch eine umlaufende ringförmige Ausnehmung 135 von der Ringpartie 127 getrennt. Somit ist der Kolbenschaft 114 vom Kolbenkopf 113 thermisch entkoppelt.
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Der Kolbengrundkörper 111 und das Kolbenmuldenelement 112 sind durch Laserschweißen miteinander verbunden. Dadurch ist in der Muldenwand 122 eine Laserschweißnaht 131 ausgebildet.
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Erfindungsgemäß beträgt die Höhe H des vom Kolbengrundkörper 111 gebildeten Teils 123 der Muldenwand 122 4% bis 12% des größten Durchmessers D der Verbrennungsmulde 118. Die Höhe H ist definiert als der Abstand zwischen einer sich vom tiefsten Punkt der Verbrennungsmulde 118 zum tiefsten Punkt des Kühlkanals 128 erstreckenden Grundlinie und einem Punkt, der mittig auf der Laserschweißnaht 131 angeordnet ist (siehe 3).
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Erfindungsgemäß schließt die Laserschweißnaht 131 mit einer ausgehend von der Laserschweißnaht 131 am Dom 121 angelegten Tangente T einen Winkel α von mindestens 5° ein.
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Zu beiden Seiten der Laserschweißnaht 131 sind so genannte Wärmeeinflusszonen 136, 137 gestrichelt angedeutet, in denen beim Laserschweißen der Werkstoff der Kolbengrundkörpers 11, 111 und des Kolbenmuldenelements 12, 112 ganz oder teilweise mit aufschmilzt. Wie es insbesondere aus 3 hervorgeht, ist die Laserschweißnaht 31, 131 in einem Bereich der Muldenwand 22, 122 angeordnet, in dem ihre Dicke, insbesondere auch über den Umfang der Fügeflächen des Kolbengrundkörpers und des Kolbenmuldenelements, im Wesentlichen konstant ist. Dies bedeutet, dass die Volumina der Werkstoffe von Kolbengrundkörper 11, 111 und Kolbenmuldenelement 12, 112 in den Wärmeeinflusszonen 136, 137 im optimalen Fall konstant sind. Damit schmelzen diese Wärmeeinflusszonen 136, 137 beim Laserschweißen gleichmäßig auf bzw. kühlen gleichmäßig ab.
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Damit ist die wesentliche Voraussetzung dafür erfüllt, dass während des Laserschweißens die Werkstoffe des Kolbengrundkörpers 11, 111 und des Kolbenmuldenelements 12, 112 zu beiden Seiten der Laserschweißnaht 31, 131 möglichst gleichmäßig aufschmelzen und abkühlen, so dass das Auftreten von Spannungen im Bereich der Laserschweißnaht 31, 131 reduziert oder sogar vermieden wird.
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Bei unterschiedlichen Volumina im Bereich der Wärmeeinflusszonen 136, 137, insbesondere über den Umfang der Fügeflächen von Kolbengrundkörper und Kolbenmuldenelement, würde in Bereichen kleinerer Volumina die Wärmeeinflusszone stärker aufschmelzen, als die in Bereichen größere Volumina. Zugleich würde in Bereichen größerer Volumina die Wärmeeinflusszone schneller abkühlen, als in Bereichen kleinerer Volumina. Diese Ungleichmäßigkeit verursacht das Auftreten von Spannungen an der Laserschweißnaht und in den Wärmeeinflusszonen 136, 137, die zur Rissbildung in der Muldenwand führen. Dieses Risiko wird beim erfindungsgemäßen Kolben 10, 110 zumindest stark reduziert und im günstigsten Fall ganz vermieden.
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Aus den 3 und 4 ist ferner zu entnehmen, dass der Kolben 110 zur Erhöhung seiner Stabilität im Kühlkanal 128 Stützrippen 138 aufweist. Die Stützrippen 138 sind in Richtung des Kolbenbodens 125 angeordnet und erstrecken sich in den Kühlkanal 128 hinein. Die Höhe h der Stützrippen 138 beträgt maximal die Hälfte der Gesamthöhe des Kühlkanals 128, so dass ein ungehinderter Kühlölstrom gewährleistet bleibt. Durch diese Konstruktion werden Shaker-Räume für das Kühlöl gebildet, welche die Kühlwirkung erhöhen. Die Stützrippen 138 sind, wie in 4 dargestellt, radial symmetrisch mit einem Winkel β, bezogen auf die Kolbenhauptachsen KH, von 45° über den Umfang des Kühlkanals 128 verteilt angeordnet und können durch mechanische Bearbeitung, wie spanabhebende Bearbeitung, oder durch Schmieden hergestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011013113 A1 [0002]
