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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines einteiligen Kolbens für einen Verbrennungsmotor durch Schmieden. Die Erfindung betrifft außerdem einen nach diesem Verfahren hergestellten Kolben.
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Einteilige Stahlkolben bzw. Kolben generell, sind hinlänglich bekannt, insbesondere aus der
DE 10 2006 045 728 A1 .
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Stahlkolben können bspw. durch Schmieden hergestellt werden, wobei nach Abschluss des Schmiedeverfahrens ein umlaufender Kühlkanal durch eine spanabhebende Bearbeitung von unten eingebracht wird. Diese spanabhebende Bearbeitung erhöht jedoch nicht nur die Taktzeit, sondern auch die Herstellungskosten für einen derartig hergestellten Kolben. Besonders das Drehen der Kühlkanalgeometrie in den geschmiedeten Kolben stellt dabei zudem eine technisch aufwendige Lösung dar.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, ein Verfahren zur Herstellung eines einteiligen Kolbens für einen Verbrennungsmotor mittels Schmieden anzugeben, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile nicht mehr aufweist.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, erstmals bei einem durch Schmieden hergestellten, einteiligen Kolben einen Kühlkanal zumindest bereichsweise gleich mit einzuschmieden, wodurch der bislang zur Herstellung bei einem solchen Kolben erforderliche Drehprozess zum Einbringen des Kühlkanals entfallen, zumindest aber stark reduziert werden kann. Der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Kolben weist dabei einen Kolbenkopf mit einer Ringpartie sowie einen einstückig mit dem Kolbenkopf ausgebildeten Kolbenschaft auf. Im Kolbenkopf ist dabei ein zum Kolbenschaft hin, das heißt üblicherweise nach unten hin offener und zumindest teilweise umlaufender Kühlkanal vorgesehen. Erfindungsgemäß werden nun zumindest zwei in Umfangsrichtung durch eine zumindest gleiche Anzahl an Stegen unterbrochene und zum Kolbenschaft hin offene Taschen mitgeschmiedet, die den späteren Kühlkanal bilden. Die einzelnen Taschen sind dabei in Umfangsrichtung somit durch die Stege voneinander getrennt, bilden jedoch im Bereich der Taschen bereits die endgültige Kontur des späteren Kühlkanals. Nach dem Schmieden wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere mittels eines schräg zur Kolbenachse geführten Stechmeißels, eine zumindest teilweise umlaufende Auflagefläche für eine Kühlkanalabdeckung eingestochen, wobei mit dem Stechmeißel ein Durchbruch in zumindest einem Steg eingebracht und so eine fluidische Verbindung zwischen zumindest zwei in Umfangsrichtung benachbarten Taschen geschaffen wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit ein Großteil des Kühlkanals bereits beim Schmieden durch die Taschen hergestellt, wodurch die bislang hierfür erforderliche spanabhebende Bearbeitung entfallen und das gesamte Herstellungsverfahren deutlich gestrafft und hinsichtlich seiner Kosten reduziert werden kann. Üblicherweise werden dabei zumindest zwei Taschen beim Schmieden eingeformt, woraus sich zwei die jeweiligen Taschen in Umfangsrichtung unterbrechende Stege ergeben. Eine den späteren Kühlkanal ausformende bzw. bildende Tasche entsteht dabei durch einen beim Schmieden von unten eingedrückten Stempel. Da dies im Bereich der Kastenwände bspw. nicht möglich ist, sind dort üblicherweise Stege angeordnet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit erstmals möglich, geschmiedete Kolben deutlich kostengünstiger anzubieten als bisher.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zumindest vier in Umfangsrichtung durch eine zumindest gleiche Anzahl an Stegen unterbrochene und zum Kolbenschaft hin offene Taschen mitgeschmiedet, die den späteren Kühlkanal bilden. Bei vier in Umfangsrichtung durch ebenfalls vier dazwischen angeordnete Stege unterbrochene Taschen werden die Stege im Bereich der Kastenwände angeordnet, so dass der Kolben in diesem Bereich keinen oder lediglich einen marginalen Steifigkeitsverlust erfährt.
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Zweckmäßig wird der Kühlkanal ausschließlich im Bereich der Auflagefläche nachbearbeitet, bleibt ansonsten jedoch unbearbeitet. Der zu einer Brennraummulde bzw. zum Kolbenkopf hin zeigende Bereich des Kühlkanals bleibt somit komplett unbearbeitet und weist dadurch im Vergleich zu einer spanabhebenden Herstellung des Kühlkanals eine dem Schmiedeverfahren eigene und größere Oberflächenrauigkeit im Bereich des Kühlkanals auf, wodurch eine größere Oberfläche zum Wärmetausch zur Verfügung steht und dadurch ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Kolben zusätzlich eine bessere Kühlung der hoch belasteten Bereiche, wie bspw. einer Brennraummulde und einem Feuersteg, bewirken kann. Durch den Wegfall der Nachbearbeitung im oberen Bereich lassen sich ebenfalls Herstellungskosten reduzieren.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest eine Kühlkanalabdeckung angebracht, wobei der Durchbruch in zumindest einem Steg derart hergestellt wird, dass ein dort zwischen dem Kolben und der Kühlkanalabdeckung verbleibender Querschnitt zumindest halb so groß ist wie ein Querschnitt einer Zulauföffnung in den Kühlkanal. Hierdurch soll eine ausreichende Strömung des Kühlmediums, bspw. Öl, zwischen zwei benachbarten Taschen und damit eine Gewährleistung einer Kühlleistung gewährleistet werden können.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen einteiligen Schmiedekolben nach dem zuvor beschriebenen Verfahren herzustellen, bei welchem eine axiale Höhe zumindest eines Durchbruchs zumindest 10% einer axialen Höhe des Kühlkanals an seiner höchsten Stelle beträgt. Auch dieser Grenzwert soll wiederum einen Minimalquerschnitt des Durchbruchs im Vergleich zu einem Querschnitt des Kühlkanals und damit ein ausreichendes und zuverlässiges Umlaufen des Kühlmediums gewährleisten, was letztlich für eine zuverlässige Kühlung des Kolbens erforderlich ist.
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Zweckmäßig reicht bei dem erfindungsgemäßen Kolben der Kühlkanal zumindest bereichsweise bis zu einer zweiten Ringnut. Der Kühlkanal ist somit hinsichtlich seiner axialen Höhe soweit nach oben gezogen, dass die temperaturkritischen Bereiche des Kolbens, wie bspw. Feuersteg, Ringpartie und/oder Brennraummulde, zuverlässig gekühlt werden können. Eine ausreichende Kühlung der zuvor erwähnten, temperaturkritischen Bereiche des Kolbens ist dabei essentiell für eine hohe Funktionszuverlässigkeit des Kolbens und eine lange Lebensdauer desselben.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch einen mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Kolben,
- 2 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene B-B durch den Kolben aus 1,
- 3 eine Schnittdarstellung durch den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kolben entsprechend der 1, jedoch bei einer um 90° verdrehten Schnittebene.
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Entsprechend den 1 und 3, weist ein nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter einteiliger Kolben 1 für einen nicht gezeigten Verbrennungsmotor einen Kolbenkopf 2 mit einer Ringpartie 3 sowie einen einstückig mit dem Kolbenkopf 2 ausgebildeten Kolbenschaft 4 auf. Im Bereich seines Kolbenkopfes 2 besitzt der hier dargestellte Kolben 1 eine Brennraummulde 5. Zudem ist im Kolbenkopf 2 ein zum Kolbenschaft 4 hin offener und zumindest teilweise umlaufender Kühlkanal 8 vorgesehen.
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Erfindungsgemäß wird nun der gemäß den 1 bis 3 dargestellte Kolben 1 wie folgt hergestellt: Zunächst wird ein Kolbenrohling in ein entsprechendes Schmiedewerkzeug (nicht dargestellt) eingelegt und anschließend der Kolben 1 durch Schmieden hergestellt. Hierbei werden zugleich zumindest zwei in Umfangsrichtung 6 (vgl. 2) durch eine zumindest gleiche Anzahl an Stegen 7 unterbrochene und zum Kolbenschaft 4 hin, das heißt im vorliegenden Fall gemäß den 1 und 3 nach unten hin offene Taschen 9 mitgeschmiedet, die den späteren Kühlkanal 8 bilden. Nach dem Schmieden wird mittels eines schräg zur Kolbenachse 10 geführten und nicht gezeigten Stechmeißels eine zumindest teilweise umlaufende Auflagefläche 11 für eine Kühlkanalabdeckung 12 eingestochen, wobei mit dem Stechmeißel zugleich ein Durchbruch 13 (vgl. 1) in zumindest einem Steg 7 eingebracht und so eine fluidische Verbindung zwischen zumindest zwei benachbarten Taschen 9 geschaffen wird. Ein derartiger Durchbruch 13 ist dabei in den Darstellungen ausschließlich in 1 zu sehen.
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Erfindungsgemäß werden dabei zumindest zwei Taschen 9 durch Schmieden eingebracht, wobei jedoch auch denkbar ist, dass bei einer erhöhten geforderten Steifigkeit des Kolbens 1 ein Steg 7, z. Bsp. hinter also radial innen gelegen, zu einer Lauffläche 14 stehen bleiben kann (vgl. linke Taschen 9 und Steg 7 in 2). Dadurch wird die Steifigkeit des Schafts auf Druckseite im Vergleich zum Kolbenschaft 4 auf Gegendruckseite gesteigert. Somit kann die Sekundärbewegung beeinflusst werden.
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Werden dabei zwei Taschen 9 beim Schmieden eingeformt, ergeben sich mindestens zwei Stege 7. Bei vier Taschen 9 ergeben sich mindestens vier Stege 7. Je nachdem ob ein oder beide Schäfte des Kolbenschaftes 4 angebunden werden sollen, können selbstverständlich auch mehr Stege 7 entstehen. Üblicherweise ergeben sich jedoch mindestens vier Stege 7 durch die Kastenwände 15 (vgl. 2).
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Von besonderem Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist, dass der Kühlkanal 8 nicht nachträglich durch eine spanabhebende Bearbeitung eingebracht werden muss, was nicht nur eine Taktzeit verlängert, sondern zudem auch die Herstellungskosten deutlich erhöht. Durch den im oberen Teil unbearbeiteten Kühlkanal 8, weist dieser dort aufgrund des Schmiedeprozesses auch eine zumindest geringfügig höhere Oberflächenrauigkeit auf, als dies mit einer spanabhebenden Bearbeitung der Fall wäre, wodurch sich eine vergrößerte Oberfläche zum Wärmetausch ergibt, so dass mit dem erfindungsgemäßen Kolben 1 auch eine Kühlung desselben im Bereich des Kolbenkopfs 2, das heißt insbesondere im Bereich der Ringpartie 3 bzw. der Brennraummulde 5 verbessert werden kann. Der mittels des Stechmeißels einzubringende Einstich zum Herstellen der Auflageflächen 11 und der Durchbrüche 13 kann dabei vergleichsweise einfach und kostengünstig realisiert werden.
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Um ein Umlaufen des durch eine Zulauföffnung eingeführten Kühlmediums, bspw. Öl, im Kühlkanal 8 gewährleisten zu können, ist ein Querschnitt des Durchbruchs 13 zumindest halb so groß, wie ein Querschnitt einer Zulauföffnung. Der Querschnitt des Durchbruchs 13 ist dabei einerseits durch die Kühlkanalabdeckung 12 und andererseits durch den Kolben 1 begrenzt.
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Nach dem Einbringen des Einstichs wird der Kolben 1 selbstverständlich noch gedreht, wobei in diesem Prozessschritt auch einzelne Ringnuten 16 im Bereich der Ringpartie 3 eingebracht, insbesondere eingedreht oder eingeschliffen, werden.
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Eine axiale Höhe h zumindest eines Durchbruchs 13 beträgt dabei zumindest 10% einer axialen Höhe H des Kühlkanals 8 an seiner höchsten Stelle, wie dies bspw. gemäß der 1 dargestellt ist. Auch hierdurch soll gewährleistet werden, dass der Querschnitt des Durchbruchs 13 so groß ist, dass ein zuverlässiges Umlaufen von Kühlmedium, bspw. Öl, im Kühlkanal 8 zwischen zwei benachbarten Taschen 9 und damit eine zuverlässige Kühlung des Kolbens 1 erreicht werden kann. Die axiale Höhe H des Kühlkanals 8 verläuft dabei zumindest bereichsweise bis zu einer zweiten Ringnut 16a, um sowohl die Ringpartie 3 als auch die Brennraummulde 5 des Kolbens 1, das heißt die temperaturkritischen Bereiche des Kolbens 1, zuverlässig kühlen zu können.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit erstmals ein geschmiedeter Kolben 1 kostengünstig und mit vergleichsweise geringer Taktzeit hergestellt werden, da der Kühlkanal 8 in Form von zumindest zwei in Umfangsrichtung durch Stege 7 unterbrochene Taschen 9 bereits mit eingeschmiedet und deshalb nicht nachträglich durch eine spanabhebende Bearbeitung eingebracht werden muss. Der erfindungsgemäße Kolben 1 lässt sich somit als geschmiedeter Kolben 1 kostengünstiger anbieten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006045728 A1 [0002]
