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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil mit jeweils einem inneren Stützelement und einem äußeren Stützelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen diesem Verfahren hergestellten Kolben sowie eine Brennkraftmaschine mit einem derartigen Kolben.
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Aus der
DE 10 2009 032 941 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit den folgenden Verfahrensschritten bekannt: Herstellen eines Kolbenoberteils und eines Kolbenunterteils mit jeweils einem inneren Stützelement mit Fügeflächen und einem äußeren Stützelement mit Fügeflächen, Aufbringen eines Hochtemperatur-Lotwerkstoffs im Bereich mindestens einer Fügefläche, Zusammensetzen des Kolbenoberteils und des Kolbenunterteils zu einem Kolbenkörper durch Herstellen eines Kontakts zwischen den Fügeflächen, Verbringen des Kolbenkörpers in einen Vakuumofen und Evakuieren des Vakuumofens, Erwärmen des Kolbenkörpers bei einem Druck von höchstens 10
-2 mbar auf eine Löttemperatur von höchstens 1300°C, Abkühlen des gelöteten Kolbens bis zur vollständigen Erstarrung des Hochtemperatur-Lotwerkstoffs. Mit dem bekannten Lötverfahren soll bei möglichst geringem Aufwand eine zuverlässige Lötverbindung zwischen einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil gewährleistet werden können.
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Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Lötverfahren wird ein Lotwerkstoff auf Fügeflächen aufgebracht, wobei diese Fügeflächen parallel zueinander ausgerichtet sind und damit in gefügtem Zustand flächig aufeinander aufliegen. Hierbei ergibt sich jedoch das Problem des so genannten „Nullspalts“, der entsteht, sofern zwei vorbearbeitete Fügeflächen exakt parallel und damit flächig aufeinander aufliegen und sich dadurch das Lot nicht gleichmäßig oder im schlimmsten Fall gar nicht ausbreiten kann, wodurch es zu Fehlstellen und auch zu einer mangelhaften oder gar keiner stoffschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Teilen kommt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile, insbesondere die Nachteile in Bezug auf den so genannten „Nullspalt“, überwindet.
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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, einen definierten Lotspalt zwischen zwei miteinander zu verbindenden Bauteile vorzusehen, der eine zuverlässige und prozesssichere Verlötung gewährleistet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Kolbenoberteil mit einem inneren Stützelement mit einer inneren Fügefläche und einem äußeren Stützelement mit einer äußeren Fügefläche hergestellt bzw. bereitgestellt. In gleicher Weise wird auch ein Kolbenunterteil einem inneren Stützelement mit einer inneren Fügefläche und mit einem äußeren Stützelement mit einer äußeren Fügefläche bereitgestellt, wobei in zumindest einer inneren Fügefläche und/oder in zumindest einer äußeren Fügefläche zumindest ein Lotdepot eingebracht wird. In dieses zumindest eine Lotdepot wird anschließend ein Hochtemperatur-Lotwerkstoff eingebracht. Danach erfolgt ein Zusammensetzen des Kolbenoberteils und des Kolbenunterteils zu einem Kolbenkörper, wobei zwischen den jeweiligen inneren Fügeflächen und den jeweiligen äußeren Fügeflächen jeweils ein kreisringförmiger Kontakt entsteht. Die beiden Kolbenteile berühren sich somit über Kreisringlinien. Eine Spaltweite zwischen zwei gegenüberliegenden Fügeflächen beträgt dabei minimal 20 µm und maximal 150 µm, wodurch die Gefahr des bislang auftretenden Nullspalts und der damit einhergehenden unter Umständen schlechten Verlötung vermieden werden kann. Zu diesem Zweck werden die jeweiligen Fügeflächen des Kolbenoberteils und/oder des Kolbenunterteils derart vorbearbeitet, dass diese in miteinander gefügtem Zustand nicht flächig unter Bildung eines Nullspalts aufeinander aufliegen. Nun wird der Kolbenkörper in einen Lötofen verbracht und dort bei einer Temperatur von maximal 1.300°C verlötet, wodurch der Hochtemperatur-Lotwerkstoff schmilzt und eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Fügeflächen des Kolbenoberteils und des Kolbenunterteils herstellt. Anschließend wird der gelötete Kolbenkörper bzw. Kolben bis zur vollständigen Erstarrung des Hochtemperatur-Lotwerkstoffs abgekühlt. Nachträglich kann dieser Kolbenkörper bzw. Kolben noch einer Nachbearbeitung, bspw. einem spanenden oder schleifenden Verfahren zugeführt werden. Durch das Vorsehen des definierten Lotspalts durch die Ausbildung der vordefinierten Fügeflächen können eine kontrollierte Ausnutzung des Kapillareffekts sowie eine Sicherstellung einer kompletten Benetzung der gesamten Fügeflächen erreicht werden, wodurch Fehlstellen, wie sie bei „Nullspalt”-Fügeflächen immer wieder vorkommen können, zuverlässig vermieden werden können. Je nach Lotspaltgeometrie kann dabei auch eine gewünschte bzw. vordefinierte Lotnahtgeometrie erzeugt werden, wodurch bspw. eine breitere Seite des Lotspalts dorthin gelegt werden kann, wo eine geringere Belastung auf den Kolben aufgebracht wird. Außerdem kann je nach Anordnung des Lotdepots die Fließrichtung bzw. die Ausnutzung des Kapillareffekts in eine bestimmte Richtung gesteuert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit erstmals möglich, einen mehrteiligen Kolben, das heißt einen aus zumindest einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil durch Löten gefügten Kolben prozesssicher und qualitativ hochwertig herzustellen. Durch die gewählte Spaltweite w zwischen 20 µm < w< 150 µm kann darüber hinaus eine besonders gute und einheitliche Benetzung der gesamten Fügeflächen erreicht werden, was ebenfalls zu einer optimalen Verlötung und damit zu einer hohen Qualität des hergestellten Kolbens beiträgt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt ein Zusammensetzen von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil zu dem zuvor beschriebenen Kolbenkörper bzw. Kolben durch Herstellen eines linienförmigen und insbesondere auch kreisförmigen Kontakts zwischen den jeweiligen inneren Fügeflächen und den jeweiligen äußeren Fügeflächen, wobei eine Spaltweite w zwischen 20 µm < w< 80 µm beträgt. Dies stellt nochmals eine geringfügige Einschränkung der im vorherigen Absatz beschriebenen Spaltweite dar, wobei sich in Versuchen gezeigt hat, dass eine auf eine Spaltweite w von maximal 80 µm begrenzte Spaltweite eine besonders belastbare Verlötung ermöglicht.
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Zweckmäßig wird während des Lötprozesses in dem Lötofen ein Druck von höchstens 10-2 mbar erzeugt. Dies bietet den großen Vorteil, dass durch Herstellen des Unterdrucks den Lötprozess hindernde Stoffe, wie bspw. Gasbestandteile, entfernt und dadurch eine negative Beeinträchtigung der Lötverbindung ausgeschlossen werden kann.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen nach diesem Verfahren hergestellten Kolben einzusetzen, wobei dieser Kolben aufgrund des erfindungsgemäß ausgebildeten Lotspalts eine besonders zuverlässige, belastbare und prozesssichere Verlötung ermöglicht.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kolbens sind in einer Fügefläche zwei Lotdepots angeordnet. Selbstverständlich können dabei je nach gewünschter Lotmenge ein oder mehrere Lotdepots in einer oder mehreren Fügeflächen angeordnet sein, insbesondere auch um einen Fluss des Lotwerkstoffs besser steuern zu können. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch denkbar, dass das Lotdepot nicht innerhalb einer Fügefläche eingebracht ist, sondern z. Bsp. auf einer verbreiterten unteren Fügefläche, deren Überstand anschließend spanend entfernt wird.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung verläuft eine Fügefläche senkrecht zu einer Kolbenachse bzw. radial umlaufend senkrecht zu einer Kolbenachse, während die andere, gegenüberliegende Fügefläche schräg zur Kolbenachse verläuft. Hierdurch kann eine Keilform der herzustellenden Lötnaht erreicht werden, wobei selbstverständlich auch andere Formen der Lötnaht denkbar sind. Beispielsweise kann auch eine Fügefläche radial zu einer Kolbenachse verlaufen, während die andere Fügefläche geknickt ausgebildet ist, das heißt bspw. in der Art einer Rinne. In dem Knick ist dabei vorzugsweise das Lotdepot vorgesehen, wobei selbstverständlich auf einer derartigen Fügefläche auch mehrere radial unterschiedlich große und radial zueinander beabstandete Rinnen mit jeweils einem Lotdepot angeordnet sein können. Dies bietet den besonderen Vorteil, dass mehrere ring- bzw. kreisartige Lötnähte zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil geschaffen und damit eine besonders belastbare Lötverbindung zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil erzeugt werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung verläuft eine Fügefläche senkrecht zu einer Kolbenachse, während die andere Fügefläche konkav oder konvex ausgebildet ist. Auch hierdurch lässt sich ein zunächst lediglich kreislinienförmiger Kontakt zwischen den beiden Kolbenteilen herstellen, wobei bei einer konkaven Ausbildung einer Fügefläche zwei linienförmige Kontaktringe vorgesehen sind, ebenso wie bei einer konvex ausgebildeten Fügefläche, sofern bei dieser in der Kontaktzone zugleich ein Lotdepot angeordnet ist. Die konvexe Form bietet den Vorteil eines besonders sanften Übergangs zwischen den Fügeflächen und bildet innen vorteilhafte Lötmenisken im Bereich des Kontaktes der beiden Fügeflächen aus. Die konkave Form führt zu schmalen vorteilhaften Lötnähten im hoch belasteten Randbereich der Stützelemente.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem nach dem vorherigen Verfahren hergestellten Kolben auszustatten, wodurch eine gewichtsoptimierte und hoch belastbare Brennkraftmaschine ermöglicht wird.
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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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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kolben,
- 2 eine Detaildarstellung aus 1 im Bereich zweier gegenüberliegenden Fügeflächen mit einer senkrecht und einer schräg zu einer Kolbenachse verlaufenden Fügefläche,
- 3 eine Darstellung wie in 2, jedoch mit zwei Lotdepots in der schrägen Fügefläche,
- 4 eine senkrecht zur Kolbenachse verlaufende Fügefläche sowie eine konkave gegenüberliegende Fügefläche,
- 5 eine Darstellung wie in 4, jedoch mit einer konvexen Fügefläche,
- 6 eine Detaildarstellung aus 1 mit einer senkrecht zur Kolbenachse verlaufenden Fügefläche und einer gegenüberliegenden rinnenförmigen Fügefläche mit einem Lotdepot,
- 7 eine Darstellung wie in 6, jedoch mit zwei rinnenförmigen Fügeflächen,
- 8 eine Abwandlung aus 6,
- 9 parallel zu einer Kolbenachse verlaufende Fügeflächen, mit definiertem lokalem Überstand.
- 10 eine um 90° zur 9 gedrehte Darstellung mit radial verlaufenden Fügeflächen mit definiertem lokalem Überstand.
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Entsprechend der 1 ist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 dargestellt, der ein Kolbenoberteil 2 und ein Kolbenunterteil 3 aufweist. Das Kolbenoberteil 2 weist dabei ein inneres Stützelement 4 sowie ein äußeres Stützelement 5 auf, ebenso wie das untere Kolbenteil 3. Das Kolbenoberteil 2 ist dabei über sein inneres Stützelement 4 gegenüber dem inneren Stützelement 4 des Kolbenunterteils 3 abgestützt und mit seinem äußeren Stützelement 5 gegenüber dem äußeren Stützelement 5 des Kolbenunterteils 3. Zwischen den inneren Stützelementen 4 und den äußeren Stützelementen 5 ist dabei ein Kühlkanal 6 eingeschlossen. Erfindungsgemäß stützt sich nun das obere Kolbenteil 2 mit seinem inneren Stützelement 4 über eine innere Fügefläche 7 an einer zugehörigen inneren Fügefläche 7' des inneren Stützelements 4 des Kolbenunterteils 3 ab. In gleicher Weise stützt sich das Kolbenoberteil 2 an seinem äußeren Stützelement 5 über eine äußere Stützfläche 8 gegenüber einer äußeren Stützfläche 8' des äußeren Stützelements 5 des Kolbenunterteils 3 ab. Zwischen den jeweils gegenüberliegenden Fügeflächen 7, 7' bzw. 8, 8' ist dabei ein Lotspalt 9 (vgl. 2 bis 10) ausgebildet.
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Das beschriebene Kolbenoberteil 2 und Kolbenunterteil 3 kann selbstverständlich auch als erstes und zweites Kolbenteil bezeichnet werden, so dass das erste Kolbenteil bspw. einen Kolbengrundkörper und das zweite Kolbenteil bspw. eine Ringpartie darstellt.
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Hergestellt wird nun der erfindungsgemäße Kolben 1 mittels eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, welches sich in folgende Verfahrensschritte gliedert, hergestellt: Zunächst wird das Kolbenoberteil 2 und das Kolbenunterteil 3 mit jeweils einem inneren Stützelement 4 mit inneren Fügeflächen 7, 7' und einem äußerem Stützelement 5 mit äußeren Fügeflächen 8, 8' hergestellt, wobei in zumindest einer inneren Fügefläche 7, 7' und/oder in zumindest einer äußeren Fügefläche 8, 8' zumindest ein Lotdepot 10 (vgl. die 2 bis 10) eingebracht wird. Rein theoretisch ist dabei das Lotdepot 10 gemäß den 2 bis 10 immer im Bereich der jeweiligen Fügefläche 7, 7', 8, 8' angeordnet, wobei selbstverständlich auch denkbar ist, dass eine der Fügeflächen 7, 7', 8, 8' in Radialrichtung, das heißt orthogonal zu einer Kolbenachse 11 verlängert und dort das Lotdepot 10 angeordnet ist. In diesem Fall würde dann die radial verlängerte Fügefläche 7, 7', 8, 8' nach dem Verlöten mittels bspw. spanabhebenden Verfahren entfernt.
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In zumindest einem Lotdepot 10 wird nun ein Hochtemperatur-Lotwerkstoff 12 eingebracht. Nun wird das Kolbenoberteil 2 mit dem Kolbenunterteil 3 zu einem Kolbenkörper bzw. zu dem Kolben 1 zusammengesetzt und dabei zumindest ein kreis- und linienförmiger Kontakt zwischen den jeweiligen inneren Fügeflächen 7, 7' und den jeweiligen äußeren Fügeflächen 8, 8' hergestellt, wobei eine Spaltweite w zwischen 20 µm < w< 150 µm, vorzugsweise zwischen 20 µm < w< 80 µm liegt. Nun wird der Kolben 1 in einen Lötofen verbracht und dort auf eine Löttemperatur von maximal 1300°C, üblicherweise auf eine Löttemperatur zwischen 1010°C und 1180°C erwärmt und dadurch der Hochtemperatur-Lotwerkstoff 12 geschmolzen. Durch das Schmelzen des Lotwerkstoffs 12 verteilt sich dieser innerhalb des Lotspalts 9 und dringt aufgrund von Kapillareffekten auch in geringste Spalte. Mit dem lediglich linienförmigen bzw. kreisförmigen Kontakt zwischen zwei gegenüberliegenden Fügeflächen 7, 7' bzw. 8, 8' werden bislang oftmals auftretende Nullspalte vermieden und dadurch die Verbindungsqualität deutlich gesteigert.
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Während des Lötprozesses in dem Lötofen wird darüber hinaus beispielsweise ein Druck von maximal 10-2 mbar erzeugt werden, wobei durch das Evakuieren des Lötofens insbesondere auch den Lötprozess negativ beeinflussende Gase entfernt werden können und dadurch die Qualität der Lötverbindung gesteigert werden kann.
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In den 2 bis 10, sind die Fügeflächen jeweils mit 7,7' bzw. 8,8' bezeichnet, wobei es selbstverständlich klar ist, dass diese immer nur im Zusammenhang mit dem jeweils zugehörigen inneren bzw. äußeren Stützelement 4, 5 alternativ auftreten.
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Betrachtet man nun die einzelnen Lotspalte 9, so kann man gemäß der 2 einen Lotspalt 9 erkennen, der durch zwei gegenüberliegende Fügeflächen 7, 7' bzw. 8, 8' gebildet ist und wobei eine Fügefläche 7', 8'senkrecht zu einer Kolbenachse 11 bzw. radial umlaufend senkrecht zu einer Kolbenachse 11 verläuft, während die andere Fügefläche 7, 8 schräg zur Kolbenachse 11 verläuft. In der schräg zur Kolbenachse 11 verlaufenden Fügefläche 7, 8 ist dabei ein Lotdepot 10 angeordnet. Bei dem Lotspalt 9 kann es sich dabei um einen Lotspalt zwischen den inneren Stützelementen 4 oder den äußeren Stützelementen 5 handeln. Betrachtet man den Lotspalt 9 gemäß der 3, so ist dieser im Wesentlichen gleich ausgebildet mit dem Lotspalt 9 gemäß der 2, wobei jedoch auf der Fügefläche 7, 8 zwei Lotdepots 10 angeordnet sind.
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Betrachtet man die Lotspalte 9 gemäß den 4 und 5, so kann man erkennen, dass dort die Fügefläche 7', 8'senkrecht zur Kolbenachse 11 verläuft, während die gegenüberliegende Fügefläche 7, 8 im Falle der 4 konkav und im Falle der 5 konvex ausgebildet ist. In beiden Fällen entsteht jedoch ein linienförmiger Kontakt 13 zwischen den beiden Fügeflächen 7, 7' oder 8, 8'.
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Gemäß der 6 ist ein Lotspalt 9 dargestellt, dessen Fügefläche 7', 8' wiederum senkrecht zur Kolbenachse 11 verläuft, ähnlich wie in 7, während die andere Fügefläche 7, 8 geknickt ausgebildet ist und im Bereich eines Knicks 14, der gemäß der 6 lediglich noch mit unterbrochen gezeichneter Linie dargestellt ist, ein Lotdepot 10 aufweist. In gleicher Weise ist auch der Lotspalt 9 gemäß der 7 ausgeführt, wobei hier zwei geknickte Fügeflächen 7, 8 vorgesehen sind.
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Betrachtet man die 8, so ist bei dem dort gezeigten Lotspalt 9 die Fügefläche 7, 8 senkrecht zur Kolbenachse 11 ausgerichtet, während die gegenüberliegende Fügefläche 7', 8' geknickt ausgebildet ist. Das Lotdepot 10 ist hierbei jedoch im Bereich der radial ausgerichteten Fügefläche 7, 8 gegenüberliegend des Knicks 14 angeordnet.
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Betrachtet man schließlich noch die 9, so kann man dort einen parallel zur Kolbenachse 11 verlaufenden Lotspalt 9 erkennen, mit wiederum einer kreisförmigen Kontaktstelle, ebenso wie in 10, wobei jedoch der Lotspalt 9 gemäß der 10 wiederum senkrecht zur Kolbenachse 11 ausgerichtet ist.
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Als Grundwerkstoff für die Kolbenteile 2, 3 kann bspw. ein AFP-Stahl 38MNVS6 gemäß DIN EN10267 mit Werkstoff Nr. 1.1303 gewählt werden, während für den Hochtemperatur-Lotwerkstoff 12 bspw. ein Nickelbasislot L-BNI2 gemäß EN 1044 bzw. DIN 8513 gewählt werden kann.
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Sämtlichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens 1 und des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist dabei gemein, dass die bislang aus dem Stand der Technik bekannten durch parallele und flächig aufeinander aufliegende Fügeflächen entstehende Nullspalte gänzlich vermieden und dadurch die Verbindungsqualität deutlich gesteigert werden kann.
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Eingesetzt wird der erfindungsgemäße Kolben 1 bspw. in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine 15.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009032941 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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