DE102014226601A1

DE102014226601A1 - Verfahren zur Herstellung eines Stahlkolbens für einen Verbrennungsmotor und Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102014226601A1
Application number: DE102014226601.7A
Authority: DE
Inventors: Harald Mergler; Kay Fröde; Sven Ungermann
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor aus Stahl mit zumindest einem Kühlkanal (14) wird ein Stahlrohling gegossen oder geschmiedet, und eine an der Mantelfläche des Kolbenrohlings offene Nut (12) gegebenenfalls in dem Stahlrohling ausgebildet, und entlang ihrer Tiefe mit einem Ring (20) abgedeckt und mit Verstärkungs- und/oder Verschlussmaterial (16) gefüllt. Ein Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor weist zumindest einen Kühlkanal (14) auf, der radial außen durch zumindest einen Ring (20) begrenzt ist, auf den Verstärkungs- und/oder Verschlussmaterial (16) aufgebracht ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlkolbens für einen Verbrennungsmotor und einen Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor.
Bei Motorkolben ist der Bereich des Feuerstegs und der obersten Ringnut besonderen Belastungen ausgesetzt. Dem wird durch eine Ringnutarmierung Rechnung getragen. Gleichzeitig ist hierbei häufig ein ringförmiger Kühlkanal zu berücksichtigen, der sich in diesem Bereich befindet.
Stand der Technik
Aus der DE 198 07 176 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem beim Gießen des Aluminiumkolbens eine radial offene Nut ausgebildet wird, die nachfolgend teilweise durch einen innenspannenden Abdeckring abgedeckt wird und mit Verstärkungs- und/oder Verschlussmaterial gefüllt wird. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass insbesondere der Stoß des zunächst "offen" ausgebildeten Ringes eine Schwachstelle ist, und es deshalb und infolge von Verformungen des Ringes zum Eindringen von Material in den Kühlkanal kommt.
Bei Stahlkolben gestaltet sich die Ausbildung von Kühlkanälen wesentlich komplizierter. Üblicherweise werden zwei vorbearbeitete Stahlteile mittels eines Schweißverfahrens, wie z.B. Reibschweißen, Laserschweißen oder Induktionsschweißen gefügt. In die beiden Stahlteile werden vorab, zumeist durch spanende Bearbeitung, Kühlkanäle oder Abschnitte davon eingearbeitet. Nach dem Fügen bilden die beiden Stahlteile gemeinsam den Kühlkanal aus. Diese Vorgehensweise ist jedoch äußerst aufwendig und kostenintensiv.
Ferner betrifft die DE 102 30 745 B4 einen Stahlkolben, bei dem ein Bewehrungseinsatz in eine Nut eingesetzt wird. Ein ähnliches Verfahren ist aus der DE 10 2004 003 980 A1 bekannt. Hier werden zwei Hälften eines Einsatzes angebracht. Schließlich betrifft die DE 10 2005 041 000 B4 einen Schmiedekolben aus Stahl mit einer Hohlkehle an der Mantelfläche.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Stahlkolbens für einen Verbrennungsmotor mit einem Kühlkanal zu schaffen. Ferner soll ein entsprechender Kolben vorgeschlagen werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren.
Demzufolge wird zunächst ein Rohling aus Stahl gegossen oder geschmiedet, der bereits eine radiale, d.h. an der Mantelfläche offene Nut aufweisen kann. Gegebenenfalls wird eine solche Nut, beispielsweise durch spanende, insbesondere Dreh-Bearbeitung ausgebildet, die zum einen den Kühlkanal bildet. Zum anderen wird sie entlang ihrer Tiefe durch einen Ring abgedeckt und mit Verstärkungs- und/oder Verschlussmaterial gefüllt. Mit anderen Worten bildet derjenige Teil der Nut, der sich radial innerhalb der Abdeckung befindet, später den Kühlkanal, und der radial außerhalb der Nut liegende Bereich wird mit Verstärkungs- und/oder Verschlussmaterial gefüllt. Dies kann beispielsweise durch Auftragsschweißen erfolgen. Der Kühlkanal ist damit verschlossen, und an dem so weiterbearbeiteten Kolbenrohling können jegliche Wärmebehandlungsverfahren und Fertigbearbeitungen, wie z.B. das Ausbilden von Kolbenringnuten und/oder einer Brennraummulde vorgenommen werden.
Gegenüber den bislang bekannten Herstellungsverfahren für Stahlkolben bietet die erfindungsgemäße Vorgehensweise den wesentlichen Vorteil, dass nur noch ein einziger Rohling erforderlich ist, so dass die aufwendigen Schweißverfahren zum Fügen der bislang verwendeten zwei Teile eines Rohlings vermieden werden können. Darüber hinaus ist es in vorteilhafter Weise möglich, in dem Kolben flexible Kühlkanalgeometrien zu realisieren, indem der Rohling bereits mit einer passenden Geometrie hergestellt wird und/oder dieser durch geeignete Bearbeitung, wie oben angegeben, mit der gewünschten Geometrie versehen wird. Sofern die Abdeckung des späteren Kühlkanals durch ein separates Bauteil erfolgt, kann hierfür in vorteilhafter Weise ein, verglichen mit dem Kolbenwerkstoff, anderer Werkstoff verwendet werden, so dass die Wärmeleitung und -verteilung in dem Kolben verbessert werden kann.
Es sei erwähnt, dass weitere Verfahren zur Ausbildung eines Kühlkanals und einer Armierung an Aluminiumkolben neben der oben erwähnten DE 198 07 176 A1 auch aus der DE 199 40 438 A1 , DE 10 2009 002 653 B3 , DE 10 2011 002 652 B4 , DE 10 2011 078 202 B4 , DE 10 2011 078 209 B4 und DE 10 2011 078 194 B4 bekannt sind. Die Offenbarung sämtlicher genannter Dokumente im Hinblick auf die Ausbildung, Abdeckung und Füllung der in dem Stahlrohling ausgebildeten Nut wird zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Für die Positionierung des den radial tieferen Bereich der Nut abdeckenden Ringes wird derzeit ein Absatz bevorzugt, der in der Nut in vorteilhafter Weise sowohl an dessen Ober- als auch Unterflanke ausgebildet wird. Mit anderen Worten verringert sich hier die (parallel zur Kolbenachse gemessene) Breite der Nut, so dass ein von radial außen eingeführter Ring zuverlässig positioniert werden kann.
Für die zuverlässige Abdeckung und Abdichtung des Kühlkanals hat sich eine kraftschlüssige Anbringung des Ringes in der Nut als vorteilhaft herausgestellt. Dies kann beispielsweise durch ein nach innen spannendes, ringförmiges Blech realisiert werden.
Sowohl die Anbringung des Ringes als auch die Funktion der zuverlässigen Abdeckung des radial innen dahinterliegenden Kühlkanals kann in vorteilhafter Weise gewährleistet werden, wenn der Ring im Rahmen des Herstellungsverfahrens des Kolbens zumindest bereichsweise radial nach innen verformt wird.
Für den Ring wird derzeit als Material Stahl oder Kupfer oder ein im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit vergleichbarer Werkstoff bevorzugt. Insbesondere wird bevorzugt ein Werkstoff gewählt, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Stahl aufweist. Durch Verwendung von Stahl werden die Materialeigenschaften des Kolbens insgesamt nur geringfügig beeinflusst. Durch Verwendung von Kupfer kann in vorteilhafter Weise die Wärmeleitung und -verteilung innerhalb des Kolbens verbessert werden.
Für das Verstärkungs- und/oder Verschlussmaterial wird bevorzugt, dieses durch Auftragsschweißen aufzubringen. Hierdurch wurden bei ersten Versuchen besonders gute Erfahrungen gemacht.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch den im Anspruch 7 beschriebenen Stahlkolben, der einen Kühlkanal aufweist, der radial außen durch einen Ring begrenzt ist, auf den Verstärkungs- und/oder Verschlussmaterial aufgebracht ist. Ein derartiger Kolben lässt sich, wie vorangehend für das Verfahren beschrieben, besonders kostengünstig herstellen. Im Übrigen sind auf den erfindungsgemäßen Kolben sämtliche der oben und nachfolgend genannten bevorzugten Verfahrensmerkmale anwendbar und umgekehrt.
Für den Ring wird derzeit bevorzugt, dass er einen U- oder V-förmigen Querschnitt aufweist und zur (radialen) Außenseite des Kolbens geöffnet ist. Hierdurch lässt sich eine besonders sichere Verankerung des Rings zur Abdeckung des Kühlkanals und zur Aufnahme des Verstärkungs- und/oder Verschlussmaterials erreichen.
Entsprechend der oben beschriebenen verfahrensmäßigen Vorgehensweise wird für den erfindungsgemäßen Kolben bevorzugt, dass er entlang der Tiefe der Nut zumindest einen Absatz zur Positionierung des Ringes aufweist. Ebenso entsprechend der verfahrensmäßigen Vorgehensweise wird als Material für den Ring derzeit Stahl oder Kupfer oder ein im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit vergleichbarer Werkstoff bevorzugt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer beispielhaft in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Kolbenrohling im Querschnitt mit einem vergrößerten Abschnitt; und
2 einen vergrößerten Abschnitt eines Kolbenrohlings mit der Kontur des fertig bearbeiteten Kolbens.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist in der Vergrößerung ein oberer und radial äußerer Bereich eines Kolbenrohlings 10 zu erkennen, in den bereits eine Nut 12 zur Ausbildung eines Kühlkanals 14 (vgl. 2) und zur Aufnahme von Verstärkungs- und/oder Verschlussmaterial 16 (vgl. 2) eingearbeitet ist. Bei dem gezeigten Beispiel weist die Nut 12 ausgehend vom Nutboden 18 zunächst eine im Wesentlichen gleichbleibende Breite auf und erweitert sich dann radial nach außenhin im Wesentlichen V-förmig. Die Nut weist in dem gezeigten Fall einen bezüglich der Kolbenachse nach außen geneigten Nutboden 18 auf. Die obere Nutflanke ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen senkrecht zur Kolbenachse, und die untere Nutflanke ist mit gerundeter Form ein wenig vertieft ausgebildet. Zu Beginn des nach außen hin V-förmigen Bereichs ist sowohl in der oberen als auch der unteren Nutflanke ein Absatz 22 ausgebildet, bei dem sich die (parallel zur Kolbenachse gemessene) Breite der Nut stufenförmig verringert. Bei dem gezeigten Beispiel ist die obere und untere Nutflanke über einen kurzen Abschnitt im Wesentlichen senkrecht zur Kolbenachse (im Fall der unteren Nutflanke steigt dieser Abschnitt nach außen hin ein wenig an), und die jeweilige Nutflanke springt bei dem gezeigten Beispiel dann etwas schräg nach innen, so dass der beschriebene Absatz 22 entsteht. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise das Anordnen eines Ringes 20 (vgl. 2).
In 2 ist zu erkennen, dass der Ring bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Richtung der Kolbenachse im Wesentlichen konvex oder flach U-förmig verläuft. Er stützt sich damit in vorteilhafter Weise an den vorangehend beschriebenen, schräg zur Innenseite der Nut, d.h. zueinander verlaufenden Abschnitten der beiden Nutflanken ab. In dem durch den Ring 20 abgedeckten Zustand des Kühlkanals 14 wird die verbleibende, nach außen hin im Wesentlichen V-förmige Nut mit Verstärkungs- und/oder Verschlussmaterial 16 gefüllt. Nachdem das Verstärkungs- und/oder Verschlussmaterial 16 aufgebracht ist, das die Ringnutarmierung bildet, können weitere Verfahrensschritte, wie z.B. die Ausbildung einer oder mehrerer Ringnuten, und das Abdrehen der Verbreiterung des Kolbenrohlings unterhalb des Verstärkungs- und/oder Verschlussmaterials 16 erfolgen. Ferner kann der Kolbenrohling 10 insbesondere im Bereich des Kolbenbodens in geeigneter Weise fertig bearbeitet werden, um eine Brennraummulde 24 auszubilden. Insgesamt entsteht hierdurch die mit "26" bezeichnete Kontur des fertigen Kolbens.
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

DE 19807176 A1 [0003, 0010]
DE 10230745 B4 [0005]
DE 102004003980 A1 [0005]
DE 102005041000 B4 [0005]
DE 19940438 A1 [0010]
DE 102009002653 B3 [0010]
DE 102011002652 B4 [0010]
DE 102011078202 B4 [0010]
DE 102011078209 B4 [0010]
DE 102011078194 B4 [0010]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor aus Stahl mit zumindest einem Kühlkanal (14), bei dem ein Stahlrohling gegossen oder geschmiedet wird, und eine an der Mantelfläche des Kolbenrohlings (10) offene Nut (12), die gegebenenfalls in dem Stahlrohling ausgebildet wird, entlang ihrer Tiefe mit einem Ring (20) abgedeckt wird und mit Verstärkungs- und/oder Verschlussmaterial (16) gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nut (12) zumindest ein Absatz (22) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (20) kraftschlüssig in der Nut (12) angebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (20) zumindest bereichsweise radial nach innen verformt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (20) aus Kupfer oder einem Werkstoff, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Stahl aufweist, oder Stahl ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungs- und/oder Verschlussmaterial (16) durch Auftragsschweißen eingebracht wird.
Kolben aus Stahl für einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem Kühlkanal (14), der radial außen durch zumindest einen Ring (20) begrenzt ist, auf den Verstärkungs- und/oder Verschlussmaterial (16) aufgebracht ist.
Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (20) im Querschnitt U- oder V-förmig und radial nach außen geöffnet ist.
Kolben nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (12) zumindest einen Absatz (22) aufweist.
Kolben nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (20) aus Kupfer oder einem Werkstoff, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Stahl aufweist, oder Stahl ausgeführt ist.