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Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs.
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Bisher erfolgt die Gewichtsoptimierung bei zweiteiligen Kolben mit offenem Kühlkanal durch örtliche Materialeinsparungen mit zunehmendem Kostennachteil.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben mit optimierter Masse anzugeben, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden.
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Die Aufgabe ist dadurch gelöst, dass das Unterteil einen flächigen Fügebereich mit zumindest einer Ausnehmung aufweist und das Oberteil einen flächigen Fügebereich sowie eine ausgehend von dem Fügebereich sich in das Unterteil erstreckende ringförmige Ausnehmung aufweist, wobei die zumindest eine Ausnehmung des Unterteiles nach der stoffschlüssigen Verbindung in Überdeckung ist mit einem Teilbereich der ringförmigen Ausnehmung. Durch die ringförmige Ausnehmung in dem Oberteil wird ein Raum geschaffen, der im Betrieb des Kolbens einen Kühlkanal bildet, der bei Betrachtung der Kolbenhubachse nach unten offen ist oder von einem Verschlusselement verschlossen werden kann. Durch die separate Herstellung des Oberteiles auf geeignete Art und Weise (wie z. B. Gießen, Schmieden oder dergleichen) kann die gewünschte Formgebung des späteren Kühlkanales erzielt werden. Das Einbringen der ringförmigen Ausnehmung erfolgt ebenfalls beim Schmieden, wenn das Oberteil durch schmieden hergestellt wird, kann aber auch durch anderweitige Bearbeitung, wie z. B. durch eine spanabhebende Bearbeitung, eingebracht werden. Sowohl beim Schmieden als auch beim Gießen des Oberteiles sind somit beliebige Formgebung, wie z. B. im ringförmigen Verlauf gleiche oder voneinander abweichende Querschnitte, mit oder ohne Hinterschnitten, möglich. Gleichzeitig werden mit Herstellung oder Einbringen der ringförmigen Ausnehmung in dem Unterteil danebenliegende Fügebereiche (solche, die später in Richtung des Ringfeldes des Kolbens und solche, die später in Richtung der Kolbenhubachse bei sind) realisiert. Über diese Fügeflächen (Fügebereiche) kann das Oberteil auf geeignete Art und Weise mit dem Unterteil verbunden werden.
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Separat von dem Oberteil wird ein Unterteil hergestellt, ebenfalls auf geeignete Art und Weise, wie z. B. durch Schmieden, Gießen, einer Kombination solcher Verfahren einschließlich der späteren Anbringung von Kolbenelementen an einem Kolbenbasisteil, wie z. B. Anschweißen von Kolbenschäften an ein Kolbenbasisteil. Bei der Herstellung oder danach wird das Unterteil mit der zumindest eine Ausnehmung versehen, wobei um die zumindest eine Ausnehmung herum ebenfalls ein Fügebereich gebildet wird. Dadurch können sowohl bei dem Oberteil als auch bei dem Unterteil besondere Formgebungen für die stoffschlüssige Verbindung entfallen. Vor allen Dingen entfallen umlaufende Stege mit Fügeflächen an dem Unterteil und an dem Oberteil, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Mit anderen Worten wird sowohl das Unterteil als auch das Oberteil hergestellt, die zum Stoffschlüssigen Verbinden einen großflächigen Fügebereich aufweisen, von dem lediglich die ringförmige Ausnehmung in dem Oberteil und die zumindest eine Ausnehmung in dem Unterteil ausgenommen ist. Durch diesen großflächigen Fügebereich erhöht sich die gesamte Stabilität des fertigen Kolbens nach der stoffschlüssigen Verbindung von Oberteil mit Unterteil. Außerdem besteht eine sehr hohe Flexibilität bei der Formgebung nicht nur der ringförmigen Ausnehmung des Oberteiles (wie schon beschrieben), sondern auch bei der Einbringung der zumindest einen Ausnehmung in dem Unterteil, die ebenfalls durch spanabhebende Bearbeitung (wie beispielsweise Fräsen oder dergleichen) oder Schmieden erfolgen kann. Insbesondere dann, wenn die ringförmige Ausnehmung in dem Oberteil als Kühlkanal (offen oder verschlossen) genutzt wird, bietet die zumindest eine Ausnehmung in dem Unterteil eine deutliche Materialeinsparung.
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In Weiterbildung der Erfindung sind in dem Unterteil mehr als zwei Ausnehmungen, vorzugsweise vier Ausnehmungen, vorgesehen. Diese zumindest zwei Ausnehmungen überdecken sich ebenfalls mit der ringförmigen Ausnehmung des Oberteiles, sodass durch mehrere Ausnehmungen in dem Unterteil weiter Material eingespart und das Gewicht des fertigen Kolbens reduziert werden kann. Außerdem ist es durch die zumindest zwei oder mehr als zwei Ausnehmungen möglich, Kühlmedium in den Kühlkanal der ringförmigen Ausnehmung in dem Oberteil einzuspritzen. Insbesondere dann, wenn sich die zumindest zwei Ausnehmungen in dem Unterteil über einen größeren Kreisbogenabschnitt des ringförmigen Kühlkanales erstrecken (und somit nicht als runde Ausnehmung ausgebildet sind) kann ein hohes Volumen an Kühlmedium eingespritzt werden, wobei gleichzeitig Toleranzen bei dem Einbau der Einspritzdüse für das Kühlmedium ausgeglichen werden, da für den von der Einspritzdüse abgegebenen Kühlölstrahl eine größere Auftrefffläche zur Verfügung steht.
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In Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Unterteil und dem Oberteil ein Verschlusselement eingesetzt. Ein solches ein- oder mehrteiliges Verschlusselement kann separat von dem Unterteil und dem Oberteil hergestellt werden und dann eingesetzt werden, wenn das Oberteil mit dem Unterteil stoffschlüssig verbunden wird. Bei dieser stoffschlüssigen Verbindung erfolgt gleichzeitig die Festlegung des Verschlusselementes an dem Unterteil und/oder dem Oberteil. Das ein- oder mehrteilige Verschlusselement schafft einen an sich abgeschlossenen Raum in dem Oberteil durch Abdeckung der ringförmigen Ausnehmung, sodass im späteren Betrieb des fertigen Kolbens dieser Raum als ringförmiger Kühlkanal dient. Damit ein Kühlmedium in diesem Raum eingeführt und auch wieder abgeführt bzw. zirkulieren kann, ist es noch erforderlich, zumindest eine Zulauf- und eine Ablauföffnung einzubringen. Diese können an geeigneter Stelle je nach Geometrie des fertigen Kolbens in das Unterteil und/oder das Oberteil und/oder das Verschlusselement eingebracht werden. Wichtig ist es, dass ein Kühlölstrahl einer Einspritzdüse über die zumindest eine Zulauföffnung in den ringförmigen Kühlkanal in dem Oberteil eingespritzt werden kann, danach in dem ringförmigen Kühlkanal zirkulieren kann und danach über die zumindest eine Ablauföffnung wieder abgeführt werden kann.
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In Weiterbildung der Erfindung weist das Verschlusselement zumindest eine Öffnung auf, vorzugsweise zwei Öffnungen. Die zumindest eine Öffnung dient als Zulauf- und Ablauföffnung, sodass der Kühlölstrahl über die zumindest eine Ausnehmung in dem Unterteil über die zumindest eine Öffnung in dem Verschlusselement in die ringförmige Ausnehmung des Oberteiles eingespritzt werden kann. Damit das Kühlmedium in dem Kühlkanal in dem Oberteil zirkulieren kann, ist es von Vorteil, wenn das Verschlusselement zwei Öffnungen aufweist, wobei die eine Öffnung (z. B. Bohrung) als Zulauf- und die andere Öffnung (z. B. ebenfalls eine Bohrung) als Ablauföffnung dient. Dabei versteht es sich von selbst, dass diese beiden Öffnungen des Verschlusselementes in denjenigen Bereichen der zumindest einen Ausnehmung in dem Unterteil oder in voneinander verschiedenen Ausnehmungen des Unterteiles angeordnet sind.
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Für die stoffschlüssige Verbindung kommt in besonders vorteilhafter Weise eine Reibschweißverbindung in Betracht, da die einander zugewandten flächigen Fügebereiche an dem Unterteil bzw. dem Oberteil hierfür besonders gut geeignet sind. Die bei dem Reibschweißvorgang entstehenden Reibschweißwülste können allesamt oder teilweise oder gar nicht entfernt werden. Werden sie gar nicht entfernt, hängt dies davon ab, ob sie überhaupt zugänglich sind (wenn sie nicht zugänglich sind, ist keine Entfernung möglich) oder ob sie den Betrieb des Kolbens oder auch z. B. die Strömung des Kühlmediums behindern.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Kolbens ohne ein Verschlusselement und ein Ausführungsbeispiel eines Kolbens mit einem Verschlusselement werden im Folgenden beschrieben und sind anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt ein Unterteil 1 eines Kolbens, das an seiner Oberseite einen großflächigen Fügebereich 2 aufweist. Der Fügebereich 2 ist lediglich von zumindest einer Ausnehmung 3, hier insgesamt vier sich auf einer Kreisbahn befindenden Ausnehmungen 3, angeordnet ist/sind. Der Fügebereich 2 erstreckt sich von dem Außendurchmesser des Unterteiles 1 bis in Richtung des Mittenbereiches und kann flächig bis in Richtung der Mittenachse (Kolbenhubachse) des Unterteiles 1 ausgebildet sein. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist konzentrisch um die Mittenachse des Unterteiles 1 herum eine Erhebung ausgebildet, die schon mit Herstellung des Unterteiles 1 realisiert werden kann und später einen Teil, insbesondere eine domförmige Erhebung, einer Brennraummulde des fertigen Kolbens bilden kann. Außerdem weist das Unterteil an sich bekannte Elemente eines Kolbens auf, wie z. B. Bolzenbohrungen, Bolzennaben, tragende Schaftwandabschnitte und dergleichen. Es ist darauf hinzuweisen, dass das Design des Unterteiles 1, insbesondere bei Betrachtung der linken Darstellung der 1, nur beispielhaft ist und auch andere Designs (wie z. B. durchgehende zylinderförmige tragende Schaftwand) aufweisen kann.
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2 zeigt ein mit dem Unterteil 1 gemäß 1 korrespondierendes Oberteil 4 in verschiedenen Ansichten. Dieses Oberteil 4 weist bei Betrachtung der linken oberen Darstellung um die Mittenachse (auch hier wieder die Kolbenhubachse) eine Ausnehmung auf, die der Erhebung des Oberteiles 1 gemäß 1 entspricht, sodass durch diese Ausnehmung später durch weitere Bearbeitung eine Brennraummulde des Kolbens gebildet werden kann. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist diese Ausnehmung vorhanden, muss es aber nicht sein. Weiterhin weist das Oberteil 4 auf seiner Unterseite (rechte obere und untere Darstellung der 2) eine ringförmige Ausnehmung 5 auf. Diese ringförmige Ausnehmung 5 wird entweder mit Herstellung des Oberteiles 4 schon eingebracht (z. B. im Gieß- oder Schmiedeverfahren oder vergleichbare Verfahren), kann aber auch nach der eigentlichen Herstellung des Oberteiles 4 nachträglich eingebracht werden (z. B. durch einen Fräsvorgang oder ähnlich Vorgänge).
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Sowohl die Einbringung der zumindest einen Ausnehmung 3 des Unterteiles 1 als auch der ringförmigen Ausnehmung 5 des Oberteiles 4 kommen geeignete Verfahren wie z. B. Schmieden, spanabhebende Verfahren, Erodieren, und dergleichen in Betracht. Dabei ist es wichtig, dass beim Einbringen der ringförmigen Ausnehmung 5 eine große Freiheit besteht, sodass dadurch die gewünschte Innenkontur eines späteren Kühlkanales des fertigen Kolbens eingestellt und optimal gestaltet werden kann. Bei der Einbringung der zumindest einen Ausnehmung 3 in dem Unterteil 1 besteht ebenfalls eine große Freiheit sowohl bei der Einbringung dieser Ausnehmungen als auch deren Formgebung, sodass dadurch Funktion (Durchtritt des Kühlölstrahles in Richtung der Ausnehmung 5) als auch hinsichtlich der Materialeinsparungen bei gleichzeitiger Beibehaltung der Festigkeit, erzielt werden können.
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3 zeigt einen fertigen Kolben 6, bei dem das Oberteil 4 mit dem Unterteil 1 stoffschlüssig, vorzugsweise durch eine Reibschweißverbindung, unlösbar verbunden ist. Dabei ist erkennbar, dass die zumindest eine Ausnehmung 3 des Unterteiles 1 in Überdeckung ist mit der ringförmigen Ausnehmung 5 des Oberteiles 4.
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4 zeigt den gleichen Kolben 6 in verschiedenen Ansichten, bei denen Unterteil 1 und Oberteil 4 stoffschlüssig unlösbar miteinander verbunden sind. Hier ist erkennbar, dass der Stoffschluss durch eine Reibschweißverbindung erfolgt und Reibschweißwülste im Bereich des Überganges der Ausnehmung 5 des Oberteiles 4 in Richtung der Ausnehmung 3 des Unterteiles 1 beibehalten, d. h., nicht entfernt worden sind. Die Reibschweißwülste, die in Richtung des Innenbereiches, d. h. n Richtung der Brennraummulde, und in Richtung der Außenseite des Kolbens 6, d. h. in Richtung des schon eingebrachten Ringfeldes, entstanden sind, sind entfernt worden.
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In den 5 und 6 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Kolbens 7 gezeigt, bei dem die schon in den vorangegangenen Figuren gezeigten und näher beschriebenen Teile 1, 4 zur Anwendung kommen. Der einzige Unterschied ist darin zu sehen, dass ein Verschlusselement 8 separat von diesen Teilen 1, 4 hergestellt wird. Das Verschlusselement 8, hier vorzugsweise dargestellt als einteiliges Element (wobei mehrteilige Ausführungen auch denkbar sind) wird vor der stoffschlüssigen Verbindung zwischen die beiden Teile 1, 4 eingesetzt (siehe 5, rechte untere Darstellung). Danach werden die beiden Teile 1, 4 stoffschlüssig, wiederum vorzugsweise durch eine Reibschweißerbindung, unlösbar miteinander verbunden. Die Anlagegeometrien des ein- oder mehrteiligen Verschlusselementes 8 sind an die Anlagegeometrien des Unterteiles 1 und/oder des Oberteiles 4 so angepasst, dass eine stoffschlüssige Verbindung des Verschlusselementes 8 bei der stoffschlüssigen Verbindung von Unterteil 1 mit dem Oberteil 4 überhaupt nicht, nur an einem Teil 1 oder 4 oder an beiden Teilen 1, 4 erfolgt. In vorteilhafter Weise sind die Anlagegeometrien (wie z. B. Absätze im Randbereich der Ausnehmungen 3 und/oder der ringförmigen Ausnehmung 5) so ausgeführt, dass bei der Reibschweißverbindung des Unterteiles 1 mit dem Oberteil 4 das Verschlusselement 8 zumindest eingeklemmt, in vorteilhafter Weise aber mitreibgeschweißt wird.
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Während in 5 (insbesondere linke Darstellung) dargestellt ist, dass die ringförmige Ausnehmung 5 in dem Oberteil 4 vollständig durch das Verschlusselement 8 verschlossen ist, kann das Verschlusselement 8 mit seiner Herstellung oder danach mit zumindest einer Öffnung 9, vorzugsweise zwei Öffnungen 9, vorzugsweise durch Bohrungen hergestellt, versehen werden, wie dies in 6, linke Darstellung, erkennbar ist. Dadurch werden zumindest eine Zulauf- und zumindest eine Ablauföffnung 10 (rechte Darstellung der 6) realisiert, sodass über die zumindest eine Zulauföffnung ein Kühlölstrahl in den dann weitestgehend verschlossenen Kühlkanal (Verschluss der ringförmigen Ausnehmung 5 durch das Verschlusselement 8) eingespritzt werden kann. Über die andere Öffnung 10, kann das in dem Kühlkanal zirkulierende Medium dann abgeführt werden. Diese Variante ist von besonderem Vorteil, da die Öffnungen 9 in dem Verschlusselement 8 separat von der Herstellung des eigentlichen Kolbens erfolgen kann, sodass nach dem Einsetzen des Verschlusselementes 8 zwischen die beiden Teile 1, 4 keine weiteren spanabhebenden Bearbeitungen zur Herstellung der Zulauf- und Ablauföffnung 10 muss. Damit wird wirksam vermieden, dass in den Kühlmediumkreislauf Teilchen, die bei der spanabhebenden Bearbeitung entstehen, enthalten sind. Trotzdem ist es als Alternative denkbar, ein vollständig durchgehendes Verschlusselement, wie es in 5 rechts oben dargestellt ist, zwischen die beiden Teile 1, 4 einzusetzen und diese stoffschlüssig miteinander zu verbinden und erst danach die zumindest eine Öffnung 9 zur Realisierung der zumindest einen Zulauf- bzw. der zumindest einen Ablauföffnung 10 einzubringen.
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Auch für das Design des Kolbens 7 gemäß der 5 und 6 gilt das gleiche wie für das Design des Kolbens 6 gemäß der 1 bis 4.
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Erfindungsgemäß ist ein Kolben einer Brennkraftmaschine vorgesehen, gebildet aus einem Unterteil und einem Oberteil, der einen Kolbenboden und einen Kühlkanal aufweist, wobei der Kolben durch angepasste Schmiedekonturen und Fügeebenen erzeugte Materialausnehmungen aufweist.
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Die Positionierung von Materialausnehmungen erfolgt durch angepasste Schmiedekonturen und Fügeebenen. Hierdurch werden lokale Materialeinsparungen erzielt. Durch die Berücksichtigung der Fügeebenen beim Kolbendesign werden deutliche Materialeinsparungen und dadurch eine Reduzierung der Kolbenmasse erzielt. Auch die Optimierung der Schmiedekonturen hinsichtlich Materialeinsparung führt zu einer deutlichen Massenreduktion des Kolbens.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kühlkanal ein Verschlusselement aufweist.
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Der erfindungsgemäße Kolben kann beispielsweise als Stahlkolben ausgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben
- 2
- Unterteil
- 3
- Oberteil
- 4
- Verschlusselement
- 5
- ringförmige Ausnehmung
- 6
- Kolben
- 7
- Kolben
- 8
- Verschlusselement
- 9
- Öffnung
- 10
- Ablauföffnung
