DE102018113944B4

DE102018113944B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102018113944B4
Application number: DE102018113944.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Walther Martin; Klaus Herrmann
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2038-06-13
Also published as: DE102018113944A1

Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Hubkolbenmaschine bereitzustellen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Kolben einen Kolbenring umfasst, der in eine Nut des Kolbens eingelegt ist, wobei die Nut wellenförmig entlang der Außenfläche des Kolbens verläuft und der Kolbenring ebenfalls wellenförmig ausgeführt ist. D. h. es wird vorgeschlagen, einen Kolben mit zumindest einer wellenförmigen Ringnut zur Aufnahme eines entsprechend wellenförmigen Kolbenringes zu versehen bzw. herzustellen. Ein solcher entsprechend wellenförmig gestalteter, bevorzugt schlitzloser bzw. ungeteilter Kolbenring, der vorzugsweise aus Werkstoffen mit anderen Eigenschaften als der Kolben ausgeführt ist, wird erfindungsgemäß während der Fertigung des Kolbens mittels eines generativen Fertigungsverfahrens insofern in die wellenförmige Ringnut integriert, als dass während der generativen Fertigung des Kolbens bzw. der generativen Fertigung der wellenförmigen Ringnut der schon vorhandene bzw. vorgefertigte Kolbenring schrittweise von der entstehenden bzw. sich ausbildenden Ringnut umschlossen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen.
Hubkolbenmaschinen finden bekanntermaßen vielfältig Anwendung. Vor allem Brennkraftmaschinen sind als Hubkolbenmaschinen ausgeführt. Auch Arbeitsmaschinen sind häufig Hubkolbenmaschinen. Zum Beispiel ein Verdichter kann eine Hubkolbenmaschine sein.
Wie bekannt, umfasst eine Hubkolbenmaschine einen Arbeitsraum. Das Volumen des Arbeitsraums wird beim Betrieb der Hubkolbenmaschine durch einen periodisch bewegten Kolben verändert. Insbesondere wird ein Kolben in einem Zylinder hin und her bewegt.
Zur Abdichtung des Arbeitsraums ist zumindest ein Kolbenring an dem Kolben angeordnet. Insbesondere ist der Kolbenring in eine an der Umfangsfläche des Kolbens eingearbeitete Nut eingesetzt. Kolbenringe sind in den meisten Fällen Ringe, die in sich nicht geschlossen, d. h. geteilt sind. Durch diese Teilung ergibt sich zwangsläufig ein Schlitz bzw. Stoß in dem geteilten Kolbenring, der zu unerwünschten Gasflüssen, Druckverlusten und Geräuschen führt. Weiterhin kann sich der Kolbenring beim Betrieb der Kolbenmaschine in der Nut drehen. Das ist vor allem bei Hubkolbenmaschinen problematisch, die Durchbrüche an den Zylinderflächen aufweisen, so wie beispielsweise Hubkolbenbrennkraftmaschinen, die gemäß dem Zweitaktprinzip arbeiten. Zur Verhinderung einer solchen Drehung sind fertigungstechnisch aufwendige Lösungen erforderlich, wie eingebrachte Stifte oder Angüsse.
Bekannt sind allerdings auch Kolbenringe, die in sich geschlossen, d. h. ungeteilt sind, zum Beispiel aus dem Dokument DE 967 125 B Ein Verdrehen eines Kolbenringes in der Nut kann so allerdings nicht verhindert werden. Problematisch ist zudem die Montage eines ungeteilten Kolbenringes auf einen Kolben.
Nachteilig bei solchen geteilten oder ungeteilten Kolbenringen ist es weiterhin, dass diese meistens flach ausgeführt sind und durch die beim Betrieb der Hubkolbenmaschine auftretende einseitige Druckbeaufschlagung dazu neigen, nachzugeben und sich in sich zu verdrehen bzw. zu kippen (Vertwistung), so dass die Abdichtung des Arbeitsraums verschlechtert wird, wobei sich zudem der Wärmetransport über den Kolbenring verringert.
Kolben, die einen Kolbenring umfassen, der in eine Nut des Kolbens eingelegt ist, wobei die Nut wellenförmig entlang der Außenfläche des Kolbens verläuft und der Kolbenring ebenfalls wellenförmig ausgeführt ist, sind aus den Dokumenten WO 88/07621 A1 , DE 10 2009 032 940 A1 oder DE 597 156 A bekannt.
Verfahren zur Herstellung von Kolben mittels generativer Fertigungsverfahren sind aus den Dokumenten DE 10 2012 000 694 A1 , WO 2016/126455 A1 oder US 2014/0299091 A1 bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Hubkolbenmaschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Kolben einen Kolbenring umfasst, der in eine Nut des Kolbens eingelegt ist, wobei die Nut wellenförmig entlang der Außenfläche des Kolbens verläuft und der Kolbenring ebenfalls wellenförmig ausgeführt ist. D. h. es wird vorgeschlagen, einen Kolben mit zumindest einer wellenförmigen Ringnut zur Aufnahme eines entsprechend wellenförmigen Kolbenringes zu versehen bzw. herzustellen. Ein solcher entsprechend wellenförmig gestalteter, bevorzugt schlitzloser bzw. ungeteilter Kolbenring, der vorzugsweise aus Werkstoffen mit anderen Eigenschaften als der Kolben ausgeführt ist, wird erfindungsgemäß während der Fertigung des Kolbens mittels eines generativen Fertigungsverfahrens insofern in die wellenförmige Ringnut integriert, als dass während der generativen Fertigung des Kolbens bzw. der generativen Fertigung der wellenförmigen Ringnut der schon vorhandene bzw. vorgefertigte Kolbenring schrittweise von der entstehenden bzw. sich ausbildenden Ringnut umschlossen wird. Der wellenförmig gestaltete Kolbenring muss daher nicht mehr geschlitzt sein, da die thermische Ausdehnung im Betrieb und die nötige Vorspannung zum Abdichten durch die wellenförmige Gestalt erreicht werden kann. Durch unterschiedliche Geometrie, Dicke und Materialauswahl können die Ringe auch mit entsprechend angepassten Vorspannungen und Reibeigenschaften hergestellt werden. Die Wellenform des Kolbenringes jedenfalls verhindert wirksam ein Verdrehen in der ebenfalls wellenförmigen Ringnut über den Umfang des Kolbens und mindert die Vertwistungsneigung des Kolbenringes. Durch den Entfall des Ringstoßes sind die unerwünschten Gasflüsse in die falsche Richtung bzw. Druckverluste und die Geräuschentwicklung deutlich verringert. Die wellenformbedingte Reduzierung der Vertwistung der Ringe verbessert die Stabilität der Führung des Kolbens im Zylinder und durch die längere Berührungslinie bzw. größere Berührungsfläche zwischen Ringen und Zylinder ist eine bessere Wärmeableitung möglich. Die Montage vereinfacht sich und formbedingt sind derartige Kolbenringe auch für den Einsatz in Motoren nach dem Zweitaktprinzip geeignet, da Ringdrehen und Feststecken in Zylinderöffnungen bedeutungslos sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
Eine Hubkolbenmaschine 1 umfasst wie in 1 gezeigt einen Arbeitsraum 2. Das Volumen des Arbeitsraums 2 wird beim Betrieb der Hubkolbenmaschine 1 durch einen bewegten Kolben 3 verändert. D. h. der Kolben 3 bewegt sich hin- und her bzw. vollführt eine Translationsbewegung. Wie bekannt ist dazu der Kolben 3 in einem Zylinder 3a geführt und mit einem Kurbeltrieb 3b verbunden. Natürlich kann es sich auch um eine Frei- bzw. Flugkolbenmaschine handeln, die keinen solchen Kurbeltrieb 3b aufweist.
Der Kolben 3 umfasst zur Abdichtung des Arbeitsraums 2 einen Kolbenring 4, siehe 2. Der Kolbenring 4 ist in eine Nut 5 eingelegt/eingesetzt/integriert, die an/in/auf der Außen- bzw. Umfangs- bzw. Mantelfläche des Kolbens 3, auch Kolbenschaft oder Kolbenhemd genannt, eingearbeitet bzw. eingebracht ist, siehe 3.
Der Kolbenring 4 wird somit an drei Seiten vom Kolben 3 umgriffen, nämlich durch die obere Nutflanke, die untere Nutflanke und den Nutgrund. Die dem Kolben 3 abgewandte Seite des Kolbenringes 3 ist dem Zylinder 3a zugewandt. Gemäß dem Stand der Technik verläuft die Nut 5 in einer Ebene E an der Mantelfläche des Kolbens 3, wobei diese Ebene E gegenüber der Achse A des Kolbens 3 senkrecht ist. Mit anderen Worten ist diese Ebene E parallel zum Kolbenboden 3c. Jedenfalls ist die in dieser Ebene E verlaufende Nut 5 gemäß dem Stand der Technik gerade ausgeführt, d. h. diese Nut 5 verläuft parallel zum Kolbenboden 3c.
An/in/auf der Außen- bzw. Mantelfläche des Kolbens 3 ist eine Nut 5 vorgesehen bzw. eingearbeitet, welche wellenförmig entlang der Außenfläche, d. h. entlang des Umfang des Kolbens 3 verläuft, siehe 4. D. h. die Nut 5 ist nicht gerade ausgeführt und verläuft nicht in einer Ebene E bzw. nicht parallel zum Kolbenboden 3c. Anders gesagt verläuft die Nut 5 wellenförmig, also mit wechselnden Abständen um eine Ebene E, die parallel zum Kolbenboden 3c bzw. gegenüber der Achse A des Kolbens 3 senkrecht ist. Somit verläuft die ausgeführte Nut 5 mit wechselnden Abständen gegenüber dem Kolbenboden 3c am Umfang des Kolbens 3. Die Formulierung „wellenförmig“ ist gemäß der vorliegenden Erfindung so auszulegen, dass die Nut 5 derart am Umfang/an der Mantelfläche/an der Außenfläche des Kolbens 3 entlang verläuft, dass der Abstand gegenüber dem Kolbenboden 3c bei einem Umlauf der Nut 5 zumindest einmal ein Minimum und einmal ein Maximum aufweist. D. h. die Nut 5 verläuft beispielsweise entsprechend einer Sinusfunktion derart am Umfang/an der Mantelfläche/an der Außenfläche des Kolbens 3 entlang, dass sich zumindest eine Periode dieser Sinusfunktion über die Länge der Nut 5, d. h. des Umfangs erstreckt. Die Anzahl der Minima/Maxima des Abstandes der Nut 5 gegenüber dem Kolbenboden 3c bei einem Umlauf der Nut 5 kann natürlich auch größer eins sein. Die Nut 5 ist insbesondere in sich geschlossen, also ohne eine Unterbrechung ausgeführt.
In die wellenförmige Nut 5 ist ein ebenfalls wellenförmig gestalteter/geformter, d. h. komplementärer Kolbenring 4 eingelegt/eingesetzt/integriert, was in 4 jedoch nicht gezeigt ist. Dieser Kolbenring 4 ist insbesondere ungeteilt, d. h. in sich geschlossen ausgeführt, also weist keinen Stoß auf.
Dadurch, dass der Kolbenring 4 wellenförmig gestaltet ist, kann insbesondere die nötige Vorspannung zum Abdichten des Arbeitsraumes 2 auch dann erreicht werden, wenn der Kolbenring 4 ungeteilt ist. Die während des Betriebs der Hubkolbenmaschine 1 auftretende thermische Ausdehnung des geteilten oder ungeteilten Kolbenringes 4 erfolgt bedingt durch die Wellenform des Kolbenringes 4 auch in axialer Richtung, so dass ein geeigneter Abstand des Kolbenringes 4 zur oberen und unteren Nutflanke vorgesehen ist. Durch die Wellenform des Kolbenringes 4 und der Nut 5 wird wirksam ein Verdrehen des Kolbenringes 4 sowie ein Verdrehen/Kippen des Kolbenringes 4 in sich während des Betriebs der Hubkolbenmaschine 1 verhindert. Die Kombination einer wellenförmigen Nut 5 und einem dazu passenden wellenförmigen Kolbenring 4 ist hinsichtlich der Geometrie, Dicke und Materialauswahl beliebig anpassbar. So können insbesondere Kolbenringe 4 mit entsprechenden Vorspannungen und Reibeigenschaften hergestellt werden für den gewünschten Einsatzzweck. Der wellenförmig gestaltete Kolbenring 4 wird beispielsweise durch Schmieden, Gießen oder mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt.
Über die Anzahl der über den Verlauf der Nut 5 verteilten Wellen (Anzahl der Minima/Maxima des Abstandes der Nut 5 gegenüber dem Kolbenboden 3c) kann Einfluss auf die Dichtigkeit, Vertwistung und den Wärmeübergang genommen werden.
Erfindungsgemäß wird der Kolben 3 mit der erfindungsgemäß wellenförmig entlang der Außenfläche des Kolbens 3 verlaufenden Nut 5 mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt, insbesondere erfolgt dabei eine Fertigung aus einem körnigen und/oder pulverförmigen Zustand eines Materials, wie einem Metall, Kunststoff und/oder Keramik. Zumindest wird der Teil bzw. Bereich des Kolbens 3 mittels eines generativen Fertigungsverfahrens herstellt, in dem die erfindungsgemäß geformte Nut 5 enthalten ist, so dass für einen Zusammenbau eines Kolbens 3 aus mehreren Teilen eben auch dieser Teil/Bereich des Kolbens 3 bereitsteht.
Erfindungsgemäß ist es insbesondere vorgesehen, während der Herstellung des Kolbens 3 mittels eines generativen Fertigungsverfahrens (u. a. mittels eines Pulverbett- oder Flüssigmaterialverfahrens) einen (schon vorhandenen) wellenförmig gestalteten Kolbenring 4 (geteilt oder ungeteilt) in die wellenförmig (entlang der Außenfläche des Kolbens 3) verlaufenden Nut 5 einzulegen. D. h. es erfolgt eine generative Fertigung der wellenförmig entlang der Außenfläche des Kolbens 3 verlaufenden Nut 5 um einen (schon vorhandenen bzw. gefertigten und für eine weitere Verarbeitung bzw. die Herstellung eines Kolbens 3 bereitstehenden) wellenförmig gestalteten Kolbenring 4 herum.
Angenommen es erfolgt eine generative Fertigung der wellenförmig entlang der Außenfläche des Kolbens 3 verlaufenden Nut 5 aus einem körnigen und/oder pulverförmigen Zustand eines (Ausgangs-)Materials bzw. Werkstoffs mittels eines Pulverbettverfahrens, wie zum Beispiel SLM (selektives Laserschmelzen), SLS (selektives Lasersintern) oder EBM (Elektronenstrahlschmelzen), dann erfolgt ein Einbetten des schon vorhandenen wellenförmig gestalteten Kolbenrings 4 in das pulverförmige (Ausgangs-)Material bzw. ein Positionieren des schon vorhandenen wellenförmig gestalteten Kolbenrings 4 gegenüber einem pulverförmigen (Ausgangs-)Material und es erfolgt schrittweise im weiteren Verlauf ein schichtweises Umschmelzen/Aufschmelzen (SLM, EBM) bzw. Sintern (SLS) des pulverförmigen Ausgangsmaterials/Werkstoffs und im Ergebnis eine generative Fertigung der wellenförmig entlang der Außenfläche des Kolbens 3 verlaufenden Nut 5 um den (schon vorhandenen) wellenförmig gestalteten Kolbenring 4 herum.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (3) einer Hubkolbenmaschine (1) mit einem Arbeitsraum (2), wobei das Volumen des Arbeitsraums (2) beim Betrieb der Hubkolbenmaschine (1) durch den bewegten Kolben (3) verändert wird und der Kolben (3) einen Kolbenring (4) umfasst, der in eine Nut (5) des Kolbens (3) eingelegt ist, wobei die Nut (5) wellenförmig entlang der Außenfläche des Kolbens (3) verläuft und der Kolbenring (4) ebenfalls wellenförmig ausgeführt ist, wobei eine generative Fertigung der wellenförmig entlang der Außenfläche des Kolbens (3) verlaufenden Nut (5) um einen schon vorhandenen wellenförmig gestalteten Kolbenring (4) herum erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die generative Fertigung der wellenförmig entlang der Außenfläche des Kolbens (3) verlaufenden Nut (5) ausgehend von einem körnigen und/oder pulverförmigen Zustand eines Ausgangsmaterials mittels eines Pulverbettverfahrens erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei der wellenförmig gestaltete Kolbenring (4) durch Schmieden, Gießen oder mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 3, wobei zumindest der Bereich des Kolbens (3) mittels eines generativen Fertigungsverfahrens herstellt wird, in dem die wellenförmig entlang der Außenfläche des Kolbens (3) verlaufende Nut (5) enthalten ist, so dass dieser Bereich des Kolbens (3) für einen Zusammenbau eines Kolbens (3) aus mehreren Teilen bereitsteht.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 4, wobei der Kolbenring (4) ungeteilt ausgeführt ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 5, wobei die Hubkolbenmaschine (1) eine Brennkraftmaschine ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 5, wobei die Hubkolbenmaschine (1) eine Arbeitsmaschine ist.
Verfahren nach Patentanspruch 7, wobei die Arbeitsmaschine ein Verdichter ist.