DE102017202462A1 - Method for producing a piston - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens (1) für eine Brennkraftmaschine, wobei der Kolben (1) einen Kolbenkopf (2) und ein Kolbenhemd (18) aufweist, in dem eine Verbindungsleitung (8) vorgesehen ist, welche über eine Öffnung (9) mit der Umgebung fluidisch verbunden ist, wobei die Öffnung (9) durch ein Verschlusselement (11) verschlossen wird. Erfindungswesentlich ist hierbei, dass das Verschlusselement (11) durch Kondensatorentladungsschweißen mit dem Kolben (1) verschweißt wird. Hierdurch wird eine stabile Verbindung zwischen dem Verschlusselement (11) und dem Kolben (1) sowie ein fluiddichtes Verschließen der Öffnung (9) unter möglichst geringer Beschädigung des Kolbens (1) bzw. des Verschlusselements (11) erreicht.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen solchen Kolben (1).
The present invention relates to a method for producing a piston (1) for an internal combustion engine, wherein the piston (1) comprises a piston head (2) and a piston skirt (18), in which a connecting line (8) is provided, which via an opening (9) is fluidically connected to the environment, wherein the opening (9) is closed by a closure element (11). Essential to the invention here is that the closure element (11) by capacitor discharge welding to the piston (1) is welded. In this way, a stable connection between the closure element (11) and the piston (1) and a fluid-tight closure of the opening (9) with minimal damage to the piston (1) and the closure element (11) is achieved.
The invention further relates to such a piston (1).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft desweiteren einen solchen Kolben.The present invention relates to a method of manufacturing a piston for an internal combustion engine. The invention further relates to such a piston.
Kolben kommen in Brennkraftmaschinen zum Einsatz, wo sie hubverstellbar in Zylindern angeordnet sind und jeweils einen Brennraum begrenzen. Im Betrieb der Brennkraftmaschine übertragen die Kolben die frei werdende Energie an eine Abgriffseinheit, insbesondere eine Kurbelwelle, an der ein entsprechendes Moment abgegriffen werden kann. Erwünschte Leistungs- sowie Effizienzsteigerungen derartiger Brennkraftmaschinen führen dazu, dass ein solcher Kolben immer extremeren thermodynamischen Bedingungen, insbesondere erhöhten Temperaturen, ausgesetzt ist.Pistons are used in internal combustion engines, where they are arranged adjustable in cylinders and each defining a combustion chamber. During operation of the internal combustion engine, the pistons transmit the energy released to a tapping unit, in particular a crankshaft, at which a corresponding torque can be tapped. Desirable increases in performance and efficiency of such internal combustion engines cause such a piston is always exposed to more extreme thermodynamic conditions, especially elevated temperatures.
Aus der
Das Einpressen des Verschlusselements in die Öffnung kann im Betrieb des Kolbens dazu führen, dass im Bereich der Öffnung Leckagen entstehen, welche zu einem unerwünschten Ausströmen von Kühlmittel aus dem Kolben führen können. Sofern sich dieses mit dem Öl im Kurbelgehäuse mischt, können solche Leckagen zu einer Beschädigung des Kolbens und/oder der zugehörigen Brennkraftmaschine führen.The pressing of the closure element in the opening can cause during operation of the piston to cause leakage in the region of the opening, which can lead to an undesirable leakage of coolant from the piston. If this mixes with the oil in the crankcase, such leaks can lead to damage to the piston and / or the associated internal combustion engine.
Das gängige Verschweißen des Verschlusselements mit dem Kolben führt durch den hierfür notwendigen Wärmeeintrag zu einer Strukturänderung des Verschlusselements und/oder des Kolbens, die insbesondere durch die hohe Last und/oder hohen Temperaturen im Betrieb der Brennkraftmaschine zu Beschädigungen des Kolbens und/oder zur Entstehung von Leckagen im Bereich der Öffnung führen können, welche wiederum ein Ausströmen von Kühlmittel durch die Leckagen zur Folge haben können.The usual welding of the closure element with the piston leads through the necessary heat input to a structural change of the closure element and / or the piston, in particular by the high load and / or high temperatures during operation of the internal combustion engine to damage the piston and / or the formation of Leaks can lead in the region of the opening, which in turn can cause a leakage of coolant through the leaks.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens der eingangs genannten Art sowie für einen solchen Kolben verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsformen anzugeben, die sich insbesondere durch eine einfache Herstellung und/oder erhöhte Stabilität des Kolbens auszeichnen.The present invention is therefore concerned with the task of providing a method for producing a piston of the aforementioned type and for such a piston improved or at least alternative embodiments, which are characterized in particular by a simple production and / or increased stability of the piston.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verschlusselement mit einem Kolben durch ein Widerstandsschweißverfahren zu verschweißen, wobei das Verschlusselement zum Verschließen einer eine Verbindungsleitung des Kolbens mit der Umgebung verbindenden Öffnung dient. Erfindungsgemäß kommt dabei das bisher im Bereich der Herstellung von Kolben fachfremde Kondensatorentladungsschweißen zum Verbinden des Verschlusselements mit dem Kolben und somit zum Verschließen der Öffnung zum Einsatz. Hierbei wird zumindest ein aus wenigstens einem Kondensator stammender elektrischer Stromimpuls durch einen Verbindungsbereich zwischen dem Kolben und dem Verschlusselement geschickt, der einen im Wesentlichen auf den Verbindungsbereich beschränkten Wärmeeintrag zur Folge hat, so dass einerseits eine stabile und fluiddichte Verbindung zwischen dem Verschlusselement und dem Kolben zustande kommt und andererseits durch das Schweißen bedingte strukturelle Änderungen des Kolbens und/oder des Verschlusselements reduziert und/oder im Wesentlichen auf den Verbindungsbereich beschränkt sind. Somit werden/wird ein fluiddichtes Verschließen der Öffnung mit einer verlängerten Lebensdauer und/oder eine erhöhte Stabilität, insbesondere mechanische und/oder thermische Stabilität, des Kolbens und/oder des Verschlusselements erreicht. Dem Erfindungsgedanken entsprechend wird dabei zunächst ein Kolben bereitgestellt, der einen Kolbenkopf und ein Kolbenhemd aufweist. Ferner weist der Kolben zumindest eine solche Verbindungsleitung auf, welche sich durch den Kolben erstreckt und über die Öffnung mit der Umgebung verbunden ist. Anschließend wird die Öffnung mit einem solchen Verschlusselement verschlossen, indem das Verschlusselement mit dem Kolben durch Kondensatorentladungsschweißen verschweißt wird.The present invention is based on the general idea of welding a closure element to a piston by a resistance welding process, the closure element serving to close an opening connecting a connecting line of the piston with the environment. In accordance with the invention, capacitor discharge welding, which was previously specialized in the production of pistons, is used to connect the closure element to the piston and thus to close the opening. In this case, at least one electrical current pulse originating from at least one capacitor is sent through a connection region between the piston and the closure element, which results in a heat input which is essentially limited to the connection region, so that on the one hand a stable and fluid-tight connection between the closure element and the piston is achieved and on the other hand reduced by the welding structural changes of the piston and / or the closure element and / or are substantially limited to the connection area. Thus, a fluid-tight closing of the opening with a prolonged service life and / or increased stability, in particular mechanical and / or thermal stability, of the piston and / or the closure element is achieved. In accordance with the concept of the invention, a piston is initially provided which has a piston head and a piston skirt. Furthermore, the piston has at least one such connecting line, which extends through the piston and is connected via the opening with the environment. Subsequently, the opening is closed with such a closure element by the closure element is welded to the piston by capacitor discharge welding.
Die Verbindungsleitung kann eine in den Kolben, insbesondere in das Kolbenhemd, eingebrachte Bohrung sein.The connecting line can be a bore introduced into the piston, in particular into the piston skirt.
Die Verbindungsleitung kann im Kolben einem beliebigen Zweck dienen. Die Verbindungsleitung kann insbesondere dem Kühlen des Kolbens dienen. Vorstellbar ist es, die Verbindungsleitung über die Öffnung mit einem Kühlmittel zu befüllen. Vorstellbar ist es zudem, auch andere Räume innerhalb des Kolbens, beispielsweise einen im Kolbenkopf umlaufenden Kühlkanal, über die Öffnung und die Verbindungsleitung mit einem Kühlmittel zu befüllen. Dementsprechend kann zumindest eine solche Verbindungsleitung fluidisch mit dem Kühlkanal verbunden sein, insbesondere in den Kühlkanal münden. Das Verschließen der Öffnung erfolgt hierbei nach dem Befüllen mit dem jeweiligen Kühlmittel.The connecting line can serve in the piston for any purpose. The connecting line can in particular serve the cooling of the piston. It is conceivable, the connecting line via the opening with a coolant to fill. It is also conceivable, other rooms within the piston, for example, a circulating in the piston head cooling channel to fill via the opening and the connecting line with a coolant. Accordingly, at least one such connecting line can be fluidically connected to the cooling channel, in particular open into the cooling channel. The closing of the opening takes place here after filling with the respective coolant.
Im Kolbenhemd ist vorzugsweise eine Nabe vorgesehen, die dem Verbinden des Kolbens mit einer Kurbelwelle, beispielsweise über einen Pleuel, dient. Vorstellbar ist es, das Kolbenhemd derart herzustellen bzw. auszubilden, dass es im Betrieb außerhalb der Naben an einem zugehörigen Zylinder anliegt.In the piston skirt a hub is preferably provided, which serves to connect the piston to a crankshaft, for example via a connecting rod. It is conceivable to manufacture or form the piston skirt in such a way that, during operation, it bears against an associated cylinder outside the hubs.
Zu denken ist an Varianten, bei denen das Kolbenhemd wenigstens einen im Betrieb bzw. in montiertem Zustand am Zylinder anliegenden Kolbenschaft und zumindest einen Kolbenkasten aufweist, der nach innen versetzt angeordnet ist und die Nabe bzw. die Nabe ausbildende Durchbrüche aufweist. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Öffnung in einem solchen Kolbenkasten angeordnet ist.It is to be contemplated variants in which the piston skirt has at least one in operation or in the assembled state on the cylinder piston skirt and at least one piston box, which is arranged offset inwardly and has the hub or the hub forming apertures. It is preferred if the opening is arranged in such a piston box.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Verschlusselement zum Kondensatorentladungsschweißen mit einer vorgegebenen Kraft gegen den Kolben gedrückt und zumindest ein elektrischer Stromimpuls durch den Verbindungsbereich zwischen dem Kolben und dem Verschlusselement geschickt. Hierdurch kann die Verbindung, insbesondere hinsichtlich der Stabilität, verbessert werden.In preferred embodiments, the closure element for capacitor discharge welding is pressed against the piston with a predetermined force and at least one electrical current pulse is sent through the connection region between the piston and the closure element. As a result, the compound, in particular in terms of stability, can be improved.
Prinzipiell können zum Verbinden des Verschlusselements mit dem Kolben beliebig viele Stromimpulse, welche jeweils eine beliebige Dauer aufweisen und zeitlich voneinander beliebig beabstandet sind, zum Einsatz kommen. In principle, any number of current pulses which each have an arbitrary duration and are temporally spaced from one another as desired can be used for connecting the closure element to the piston.
Bevorzugt ist es, wenn zumindest ein solcher Stromimpuls mit einer Dauer von weniger als 20 ms verwendet wird. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn wenigstens ein solcher Stromimpuls mit einer Dauer von 10 ms verwendet wird. Hierdurch wird der Bereich des Wärmeeintrags und somit der Bereich, in dem strukturelle Änderungen des Kolbens und/oder des Verschlusselements erfolgen, zumindest reduziert.It is preferred if at least one such current pulse with a duration of less than 20 ms is used. It is particularly preferred if at least one such current pulse is used with a duration of 10 ms. As a result, the region of the heat input and thus the region in which structural changes take place in the piston and / or the closure element are at least reduced.
Gemäß vorteilhafter Varianten kommen zumindest zwei Stromimpulse zum Einsatz. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn genau zwei Stromimpulse zum Einsatz kommen. Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Stromimpulse in einem Abstand von jeweils zwischen 0,1 s und 1 s verwendet werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die nacheinander folgenden Stromimpulse 0,5 s voneinander beabstandet sind. Diese Maßnahmen führen jeweils zu einer Optimierung hinsichtlich einer möglichst effizienten Wärmeeintragung und einem möglichst geringen Bereich der Wärmeeintragung im Kolben und/oder im Verschlusselement.According to advantageous variants, at least two current pulses are used. It is particularly advantageous if exactly two current pulses are used. It is also advantageous if the current pulses are used at a distance of between 0.1 s and 1 s in each case. It is particularly preferred if the successive current pulses are spaced apart for 0.5 s. These measures each lead to an optimization with regard to the most efficient possible heat input and the smallest possible range of heat input in the piston and / or in the closure element.
Als vorteilhaft erweisen sich Ausführungsformen, bei denen zumindest ein solcher Stromimpuls, vorzugsweise alle Stromimpulse, mit einer Stromstärke zwischen 8 kA und 12 kA verwendet werden. Als besonders vorteilhaft erweisen sich Varianten, bei denen eine Stromstärke von 10 kA verwendet wird. Hierdurch kann der Wärmeeintrag in optimaler Weise zum Verschweißen des Verschlusselements mit dem Kolben führen.Embodiments in which at least one such current pulse, preferably all current pulses, having an amperage between 8 kA and 12 kA prove to be advantageous. Variants in which a current of 10 kA is used prove to be particularly advantageous. As a result, the heat input can optimally lead to the welding of the closure element to the piston.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Verschlusselement mit einer Kraft zwischen 1,5 kN und 3,5 kN gegen den Kolben gedrückt. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Verschlusselement mit einer Kraft von 2,5 kN gegen den Kolben gedrückt wird. Dies führt insbesondere zu einer stabileren Verbindung des Verschlusselements mit dem Kolben.In preferred embodiments, the closure element is pressed against the piston with a force between 1.5 kN and 3.5 kN. It is particularly preferred if the closure element is pressed against the piston with a force of 2.5 kN. This leads in particular to a more stable connection of the closure element to the piston.
Vorteilhaft wird der Kühlkanal vor dem Verschließen der Öffnung mit dem Verschlusselement mit einem Kühlmittel befüllt. Hierbei kann ein beliebiges Kühlmittel, bspw. eine wasserhaltige Mischung und dgl. zum Einsatz kommen. Vorstellbar ist es auch, als Kühlmittel Natrium oder Kalium oder eine Mischung aus Natrium und Kalium zu verwenden.Advantageously, the cooling channel is filled before closing the opening with the closure element with a coolant. Here, any coolant, for example. A water-containing mixture and the like. Be used. It is also conceivable to use as coolant sodium or potassium or a mixture of sodium and potassium.
Das Verfahren wird bevorzugt derart durchgeführt, dass ein Wärmeeinflussbereich bzw. eine Wärmeeinflusszone, in der durch das Kondensatorentladungsschweißen bedingte Strukturänderungen des Kolbens und des Verschlusselements stattfinden, kleiner als 400 µm, insbesondere kleiner als 200 µm, ist. Diese Erstreckung bezieht sich vorzugsweise auf eine quer zum Kontaktbereich zwischen dem Kolben und dem Verschlusselement verlaufende Tiefe der Wärmeeinflusszone. Eine solche Verbindung besitzt durch den geringen Wärmeeinflussbereich eine ausreichende mechanische Festigkeit. Durch die Wahl dieses Schweißverfahrens wird zudem die für die Realisierung der Verbindung benötigte Energie optimiert, insbesondere reduziert, was sich ebenfalls durch den geringen Wärmeeinflussbereich zeigt.The method is preferably carried out in such a way that a heat-influencing region or a heat-affected zone in which structural changes of the piston and the closure element are caused by the capacitor discharge welding is less than 400 μm, in particular less than 200 μm. This extension preferably relates to a depth of the heat-affected zone running transversely to the contact region between the piston and the closure element. Such a compound has sufficient mechanical strength due to the low heat-affected area. By choosing this welding method, the energy required for the realization of the connection is also optimized, in particular reduced, which is also reflected by the low heat-affected area.
Es versteht sich, dass neben dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein derartig hergestellter Kolben zum Umfang dieser Erfindung gehört.It goes without saying that in addition to the method according to the invention, a piston produced in this way also belongs to the scope of this invention.
Der Kolbenkopf des Kolbens kann eine Brennraummulde aufweisen, die beim in einer zugehörigen Brennkraftmaschine montierten Zustand einen Brennraum der Brennkraftmaschine begrenzt. Bevorzugt ist es dabei, wenn die Öffnung auf der von der Brennraummulde abgewandten Seite des Kolbens angeordnet ist. The piston head of the piston may have a combustion bowl, which limits a combustion chamber of the internal combustion engine when mounted in an associated internal combustion engine. It is preferred if the opening on the of the combustion chamber trough facing away from the piston is arranged.
Vorstellbar ist es, dass der Kolbenkopf eine außenseitig umlaufende Ringpartie zum Aufnehmen wenigstens eines Kolbenrings aufweist. Bevorzugt ist es dabei, wenn der Kühlkanal im Bereich der Ringpartie im Kolbenkopf angeordnet ist.It is conceivable that the piston head has an outer peripheral ring portion for receiving at least one piston ring. It is preferred if the cooling channel is arranged in the region of the ring part in the piston head.
Der Kolben und das Verschlusselement können prinzipiell aus beliebigen Materialien hergestellt sein, sofern sie sich mit dem Kondensatorentladungsschweißen verschweißen lassen. Sie sind jeweils insbesondere aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt.The piston and the closure element can in principle be made of any materials, provided that they can be welded to the capacitor discharge welding. They are each made in particular of a metal or a metal alloy.
Das Verschlusselement kann prinzipiell eine beliebige Form aufweisen, sofern sich die Öffnung mit dem Verschlusselement fluiddicht verschließen lässt. Vorstellbar ist es, dass das Verschlusselement einen Schaft und einen Kopf aufweist, wobei der Schaft innerhalb der Öffnung angeordnet ist und der Kopf außenseitig am Kolben anliegt.The closure element can in principle have any desired shape, provided that the opening can be sealed fluid-tight with the closure element. It is conceivable that the closure element has a shaft and a head, wherein the shaft is disposed within the opening and the head rests on the outside of the piston.
Vorstellbar ist es auch, dass das Verschlusselement in die Öffnung bzw. der Verbindungsleitung derart angeordnet, insbesondere versenkt, ist, dass das Verschlusselement außenseitig bündig mit dem Kolben abschließt.It is also conceivable that the closure element is arranged in the opening or the connecting line in such a way, in particular recessed, that the closure element is flush with the outside of the piston.
Es versteht sich, dass auch eine Verwendung von Kondensatorentladungsschweißen zum Verschweißen eines solchen Verschlusselements mit einem solchen Kolben zum Umfang dieser Erfindung gehört.It should be understood that use of capacitor discharge welding to weld such a closure member to such a piston is also within the scope of this invention.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.
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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
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 Bauteile beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.
Es zeigen, jeweils schematisch,
-
1 einen Schnitt durch einen Kolben mit einem Verschlusselement, -
2 den Schnitt aus1 im Bereich des Verschlusselements und bei einem anderen Ausführungsbeispiel, -
3 eine vergrößerte Darstellung des in2 mit III bezeichneten Bereichs, -
4 eine Darstellung des Kolbens bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, -
5 einen Schnitt desKolbens aus 4 im Bereich des Verschlusselements.
-
1 a section through a piston with a closure element, -
2 the cut out1 in the region of the closure element and in another embodiment, -
3 an enlarged view of the in2 area designated III, -
4 a representation of the piston in a further embodiment, -
5 a section of thepiston 4 in the region of the closure element.
Ein Kolben
Die Öffnung
Beim in
Die
Eine solche Wärmeeinflusszone
In den
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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