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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer in Umfangsrichtung umlaufenden Ringnut an einer zylindrischen Außenumfangsfläche eines Bauteils, insbesondere einer Ringnut eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Kolben mit einer nach dem Verfahren hergestellten Ringnut sowie ein Rollierwerkzeug oder ein Gleitreibwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens.
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Üblicherweise weist eine solche in bekannter Weise, zumeist spanabhebend, z.B. durch Drehen vorgestochene Ringnut einen Nutgrund auf, der in einem jeweiligen Übergangsbereich in seitliche Nutwände übergeht.
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Aus der
DE 2 007 647 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Ringnuten an einem Dichtmantel eines Stahlkolbenkopfes bekannt, bei welchem die Ringnut durch Einwalzen in das Material des Dichtmaterials hergestellt wird. Durch das Einwalzen der Ringnut in den Dichtmantel soll das Material verfestigt und dadurch die Standzeit der Ringnut verlängert werden können.
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Aus der
DE 198 15 485 C2 ist ein Kolben für hochbelastete Brennkraftmaschinen aus einem duktilen, plastisch verformbaren Werkstoff bekannt, mit einem Kolbenboden mit Brennraummulde und mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen, wobei die Brennraummulde durch mechanisches Verdichten bewehrt ist und die Ringnuten unbewehrt ausgebildet sind. Eine Oberfläche der dem Kolbenboden zugewandten obersten Ringnut ist dabei durch ein Rollierverfahren geglättet, wodurch eine Oberflächenrauigkeit mit einer Rautiefe R
z ≤ 2 µm und eine Randschichtverfestigung erzeugt werden können. Hierdurch soll insbesondere die Gefahr einer Rissbildung im Kolbenkopf reduziert werden können.
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Generell sind Kolbenringe aufnehmende Ringnuten eines Kolbens einer Brennkraftmaschine durch einen Gasdruck auf die Kolbenringe belastet, außerdem durch sogenannte LSPI-Ereignisse (Low Speed Pre-Ignition), die zu Schäden, insbesondere zu Rissen, im Nutgrund führen können. Durch ein Rollieren mit einem Rollierwerkzeug kann der Nutgrund geglättet und verfestigt werden, wodurch der Bildung von Rissen entgegengewirkt werden kann. Dies ist sowohl an einer zumeist höchstbelasteten ersten Ringnut in einem Ringträger (üblicherweise aus einem Eisenwerkstoff) als auch in einem Grundmaterial (üblicherweise Aluminium) möglich, wodurch unter Umständen sogar der Ringträger eingespart werden kann.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kolben und Herstellungsverfahren für die Ringnuten ist jedoch, dass bei einem Rollieren der Ringnuten oftmals die falschen Bereiche geglättet und verfestigt werden, wodurch sich insbesondere eine die Standzeit negativ beeinflussende Kerbwirkung nicht beeinflussen lässt.
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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 insbesondere eine Steigerung der Belastbarkeit eines Kolbens ermöglicht.
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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, ein speziell ausgebildetes Werkzeug zum Bearbeiten einer Ringnut an einem Bauteil, insbesondere eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, zu verwenden, welches derart ausgebildet ist, dass insbesondere für eine Kerbwirkung anfällige Bereiche der Ringnut, nämlich die Übergangsbereiche zwischen seitlichen Nutwänden und einem Nutgrund, insbesondere die Mitten oder die am stärksten gekrümmten Bereiche von Übergangsradien verfestigt werden, ein während des Betriebs jedoch eher weniger belasteter Bereich, nämlich ein Mittelbereich des Nutgrunds weniger oder gar nicht geglättet bzw. verfestigt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Ringnut eines Kolbens einer Brennkraftmaschine wird die zumindest eine Ringnut mit dem Werkzeug bearbeitet, das an einem beim Bearbeiten mit dem Nutgrund und den Nutwänden in Kontakt stehenden freien Ende zwei seitliche konvexe Bereiche sowie einen dazwischen liegenden zurückgenommenen Bereich aufweist, so dass bei einem Bearbeiten der Ringnut die beiden Übergangsbereiche zwischen dem Nutgrund und den seitlichen Nutwänden stärker verfestigt bzw. geglättet werden, als ein dazwischen angeordneter Mittelbereich des Nutgrunds. Durch die konvexen Bereiche mit vergleichsweise großen Radien kann neben einer Materialglättung auch eine Materialverfestigung erreicht werden, wobei zusätzlich durch die vergleichsweise großen Radien im Bereich der konvexen Bereiche des Werkzeugs, welches als Rollier- oder Gleitreibwerkzeug ausgebildet sein kann, die Kerbwirkung in den bearbeiteten konkaven Bereiche im Werkstück zwischen den Nutwänden und dem Nutgrund deutlich reduziert werden kann, insbesondere an einem unteren Übergangsbereich aufgrund des von oben auf einen Kolbenring einwirkenden Gasdrucks, sofern die Ringnut in einem Kolben angeordnet ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich somit die Festigkeit und Glättung steigern und zugleich die Kerbwirkung reduzieren, wodurch die Belastbarkeit des Bauteils erhöht werden kann, ebenso wie dessen Lebensdauer.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Werkzeug ein Rollierwerkzeug oder ein Gleitreibwerkzeug verwendet, das an seinem beim Rollieren oder Gleiten mit dem Nutgrund in Kontakt tretenden freie Ende zwei seitliche konvexe Bereiche und einen dazwischen liegenden zurückgenommenen Bereich aufweist, sodass bei einem Rollieren oder Gleitreiben der Ringnut die beiden Übergangsbereiche stärker verfestigt werden als ein Mittelbereich des Nutgrunds. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bearbeitung einer Ringnut wird die zumindest eine Ringnut mit einem Rollierwerkzeug oder Gleitreibwerkzeug bearbeitet, das an seinem beim Rollieren oder Gleitreiben mit dem Nutgrund und den Nutwänden in Kontakt stehenden freien Ende zwei seitliche konvexe Bereiche sowie einen dazwischen liegenden zurückgenommenen Bereich aufweist, so dass bei einem Rollieren oder Gleitreiben der Ringnut die beiden Übergangsbereiche zwischen dem Nutgrund und den seitlichen Nutwänden stärker verfestigt bzw. geglättet werden, als ein dazwischen angeordneter Mittelbereich des Nutgrunds. Durch die konvexen Bereiche mit vergleichsweise großen Radien kann neben einer Materialglättung auch eine Materialverfestigung erreicht werden, wobei zusätzlich durch die vergleichsweise großen Radien im Bereich der konvexen Bereiche des Rollierwerkzeugs oder des Gleitreibwerkzeugs die Kerbwirkung in den bearbeiteten konkaven Bereiche im Werkstück zwischen den Nutwänden und dem Nutgrund deutlich reduziert werden kann
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Obwohl sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf die zur Aufnahme von Kolbenringen vorgesehenen Nuten an Kolben von Brennkraftmaschinen richtet, ist sie nicht auf diese Anwendung beschränkt. Das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren lässt sich auch auf Ringnuten anderer Kolben, wie etwa von Kompressoren anwenden. Darüber hinaus ist es allgemein zur Bearbeitung von in Umfangsrichtung umlaufenden Nuten an zylindrischen Umfangsflächen, vorzugsweise Außenumfangsflächen von Bauteilen, wie etwa von Sicherungsringnuten, z.B. an Ventilschäften, Kolbenbolzennaben oder Nockenwellen geeignet.
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Zweckmäßig wird ein Rollierwerkzeug oder ein Gleitreibwerkzeug verwendet, dessen konvexe Bereiche einen Radius R von R = B/2 aufweisen, wobei B die Breite des Rollierwerkzeugs oder des Gleitreibwerkzeugs bzw. die Dicke ist. Über derartig große Radien wird die Kerbwirkung deutlich reduziert und damit die Belastbarkeit des Kolbens deutlich gesteigert. Bei einer derartigen Ausführungsform würden die beiden Radien der konvexen Bereiche am freien Ende des Rollierwerkzeugs oder des Gleitreibwerkzeugs fluchtend ineinander übergehen, so dass in diesem Fall in diesem Bereich, der den zurückgenommenen Bereich des Rollierwerkzeugs oder des Gleitreibwerkzeugs darstellt, Material von diesem Rollierwerkzeug oder Gleitreibwerkzeug entfernt werden muss. Durch den zurückgenommenen Bereich, der beispielsweise eine konkave Form oder einen Knick aufweisen kann, tritt beim Rollieren oder Gleitreiben der Ringnut in dem Mittelbereich des Nutgrundes keine oder höchstens eine geringere Verfestigung bzw. Glättung auf, was positiv ist, da sich herausgestellt hat, dass insbesondere im Betrieb eines Kolbens bzw. einer Brennkraftmaschine eine maximale Krafteinwirkung und Verfestigung gerade nicht in diesem Mittelbereich des Nutgrunds auftritt. Durch die Form des Rollierwerkzeugs oder des Gleitreibwerkzeugs mit zwei äußeren konvexen Bereichen und einem zurückgenommenen Bereich dazwischen, wird die Kraft nicht nur gezielt in den besonders rissgefährdeten oberen und unteren Übergangsbereich vom Nutgrund in die Nutflanke geleitet. Außerdem führt die „zweibeinige“ Krafteinleitung ins Werkstück über die Drehmomentbilanz zu einer genauer bestimmten Kraftverteilung zwischen oberem und unterem Übergangsbereich als dies bei einem einzigen konvexen Werkzeug der Fall wäre. So kann z.B. durch zentrale radiale Krafteinleitung etwa die gleiche Verfestigung des oberen und unteren Übergangsbereichs erreicht werden, während eine außermittige oder schräge Krafteinleitung in die Nut zu ungleichen Anpresskräften führt. Dies kann erwünscht sein, um z.B. den vom Gasdruck belasteten unteren Übergangsbereich am Nutgrund stärker zu härten als den oberen. Eine asymmetrische Verfestigung der beiden Übergangsbereich (z.B. unten stärker verfestigt als oben) kann außer durch eine entsprechend geneigte oder außermittig versetzte Wirkungslinie der eingeleiteten Kraft auch durch eine asymmetrische Form des Rollierwerkzeugs oder des Gleitreibwerkzeugs oder des Querschnitts der vorgestochenen Nut erreicht werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Rollierwerkzeug oder ein Gleitreibwerkzeug mit einem knochenförmigen oder einem kamelhöckerförmigen freien Ende verwendet. Beide dieser genannten Ausführungsformen ermöglichen die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem die jeweiligen Übergangsbereiche zwischen dem Nutgrund und den seitlichen Nutwänden stärker verfestigt bzw. geglättet werden, als ein Mittelbereich des Nutgrunds. Die beiden Höcker des kamelhöckerförmigen freien Endes stellen dabei die beiden seitlichen konvexen Bereiche dar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird beim Rollieren oder Gleitreiben der Ringnut Material von den Übergangsbereichen in den Mittelbereich verdrängt, so dass der Nutgrund im Mittelbereich nach dem Rollieren oder nach dem Gleitreiben weiter in die Ringnut ragt, als vor dem Rollieren oder dem Gleitreiben. Dies stellt eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, bei welchem die Verfestigung bzw. Glättung der beiden seitlichen Übergangsbereiche dazu führt, dass der Mittelbereich nicht verfestigt bzw. viel geringer verfestigt oder sogar entgegengerichtet durch seitlich verdrängtes Material aus den Übergangsbereichen herausgedrückt wird.
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Zweckmäßig wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Rollierwerkzeug oder ein Gleitreibwerkzeug verwendet, dessen Querschnitt sich zum freien Ende hin vergrößert. In diesem Fall verjüngt sich somit der Querschnitt ausgehend vom freien Ende nach außen, wodurch insbesondere rechteckige Ringnuten einfacher bearbeitet werden können.
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Zum Einsetzen des Werkzeugs in eine Rechtecknut ist es besonders vorteilhaft, wenn das freie Ende von einem nicht rotierenden Werkzeug gebildet wird, das den Nutgrund unter dem Anpressdruck nicht walzend, sondern unter Gleitreibung glättet. Diese Bearbeitung ähnelt dem Schaben, wird aber durch einen stark negativen Spanwinkel an einem stumpfen freien Ende ausgeführt, dass es kaum oder gar nicht zur Spanabhebung, sondern zu ähnlicher plastischer Verformung des Nutgrundbereichs wie beim Rollieren kommt.
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Bei trapezförmigen Ringnuten, deren Breite sich mit zunehmender Tiefe verringert, ist dies nicht erforderlich, da auch ein rotationsymmetrisches Werkzeug einfach bis zum Nutgrund eingesetzt werden kann. Rechteckige Ringnuten, aber auch andere Ringnuten, können beispielsweise vor dem Rollieren mittels eines spanabhebenden Verfahrens, beispielsweise mittels Drehen, oder mittels Schleifen in den Kolben eingebracht werden. Durch den sich nach außen verjüngenden Querschnitt des Rollierwerkzeugs ist ein Neigen desselben beim Rollieren bezüglich einer Radialachse des Kolbens möglich, wodurch eine deutlich verbesserte Bearbeitung der Übergangsbereiche zwischen den seitlichen Nutwänden und dem Nutgrund ermöglicht wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Rollierwerkzeug oder ein Gleitreibwerkzeug verwendet, dessen zurückgenommener Bereich einen Knick aufweist oder konkav ausgebildet ist. Besonders eine konkave Ausbildung ermöglicht dabei einen knickfreien Mittelbereich des Nutgrunds nach dem Rollieren oder dem Gleitreiben, wodurch eine Kerbwirkung reduziert werden kann. Ein derartiger konkav ausgebildeter zurückgenommener Bereich kann beispielsweise durch ein spanabhebendes oder schleifendes Verfahren an dem Rollierwerkzeug oder dem Gleitreibwerkzeug hergestellt werden. Besitzt das Rollierwerkzeug oder das Gleitreibwerkzeug beispielsweise in dem zurückgenommenen Bereich einen Knick, so kann dieser zurückgenommene Bereich einfach durch ein entsprechendes und gegensätzlich geformtes zweites Rollierwerkzeug oder Gleitreibwerkzeug in das Rollierwerkzeug oder Gleitreibwerkzeug eingedrückt werden.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Kolben mit zumindest einer Ringnut zur Aufnahme eines Kolbenrings anzugeben, wobei die zumindest eine Ringnut mit dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Ein derartiger Kolben hat aufgrund der verfestigten und geglätteten Übergangsbereiche und der zugleich reduzierten Kerbwirkung eine höhere Belastungsfähigkeit, was sich positiv auf die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Kolbens auswirkt. Die Ringnut selbst kann dabei im Kolben selbst liegen, beispielsweise in einem Aluminium- oder Stahlkolben, oder in einem hierfür vorgesehenen Ringträger, der in den Kolben eingebettet ist.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Rollierwerkzeug oder Gleitreibwerkzeug zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens anzugeben, welches an seinem freien Ende zwei seitliche, konvexe Bereiche sowie einen dazwischen liegenden, zurückgenommenen Bereich aufweist. Mittels eines derartigen erfindungsgemäßen Rollierwerkzeugs oder Gleitreibwerkzeugs lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren qualitativ hochwertig und zugleich kostgünstig durchführen. Der zurückgenommene Bereich kann dabei beispielsweise mittels spanabhebenden Verfahren oder mittels Schleifen in das freie Ende des Rollierwerkzeugs oder des Gleitreibwerkzeugs eingebracht werden.
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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 Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kolben beim Bearbeiten einer Ringnut mittels eines erfindungsgemäßen Werkzeugs während eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch nach dem Rollierprozess bzw. nach dem Gleitreibprozess,
- 3 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer trapezförmigen Ringnut,
- 4 eine Darstellung wie in 2, jedoch mit entnommenem Werkzeug,
- 5 eine Detaildarstellung aus 2,
- 6 eine Detaildarstellung aus 4.
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Entsprechend den 1 bis 6 wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bearbeitung/Herstellung einer Ringnut 1 in einem Kolben 2 einer nicht näher bezeichneten Brennkraftmaschine ein Werkzeug 12, insbesondere ein Rollierwerkzeug 3 oder ein Gleitreibwerkzeug 13, in die Ringnut 1 eingeführt und mit diesem Rollierwerkzeug 3 oder dem Gleitreibwerkzeug 13 bearbeitet. In der Ringnut 1 wird im späteren Betrieb des Kolbens 2 in der Brennkraftmaschine ein Kolbenring angeordnet, über welchen eine Abdichtung gegenüber einer nicht gezeigten Zylinderwandung erfolgt. Die jeweilige Ringnut 1 (vergleiche insbesondere die 4 und 6), besitzt einen Nutgrund 4, der in einem jeweiligen Übergangsbereich 5, 5' in seitliche Nutwände 6, 6' übergeht. Erfindungsgemäß wird nun die zumindest eine Ringnut 1, selbstverständlich können auch sämtliche weitere Ringnuten des Kolbens 2 entsprechend bearbeitet werden, mit dem Rollierwerkzeug 3 rolliert oder mit dem Gleitreibwerkzeug 13 gleitgerieben, wobei das Rollierwerkzeug 3 an seinem beim Rollieren oder das Gleitreibwerkzeug 13 beim Gleitreiben mit dem Nutgrund 4 in Kontakt stehenden freien Ende 7 zwei seitliche, konvexe Bereiche 8, 8' sowie einen dazwischen liegenden, zurückgenommenen Bereich 9 aufweist, so dass bei einem Rollieren oder Gleiten bzw. generell bei einem Bearbeiten mit dem Werkzeug 12 der Ringnut 1 die beiden Übergangsbereiche 5, 5' stärker verfestigt werden als ein Mittelbereich 10 des Nutgrunds 4 (vergleiche insbesondere die 5 und 6).
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Das Rollierwerkzeug 3 oder das Gleitreibwerkzeug 13 besitzt an seinem freien Ende 7 einen knochenförmigen oder kamelhöckerförmigen Querschnitt, wodurch das stärkere Verdichten bzw. Glätten der beiden Übergangsbereiche 5, 5' bewirkt werden kann. Durch das Rollieren oder Gleitreiben kommt beispielsweise der zurückgenommene Bereich 9 des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeugs 13 nicht oder nur mit geringem Druck mit dem Nutgrund 4 in Kontakt, wodurch der dem zurückgenommenen Bereich 9 gegenüberliegende Mittelbereich 10 des Nutgrunds 4 nicht oder nur in deutlich geringerem Maße verfestigt, verdichtet bzw. geglättet wird. Durch die beiden konvexen Bereiche 8, 8' des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeugs 13 kann zudem ein Übergangsbereich 5, 5' mit vergleichsweise großem Radius vom Nutgrund 4 zu den jeweiligen Nutenseitenwänden 6, 6' geschaffen werden, wodurch sich die Kerbwirkung deutlich reduzieren und damit die Belastbarkeit des Kolbens 2 deutlich steigern lässt.
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Betrachtet die Querschnittsform des Werkzeugs 12, insbesondere des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeug 13, gemäß der 2, so kann man erkennen, dass sich dessen Querschnitt zum freien Ende 7 hin vergrößert und in die andere Richtung, das heißt hier radial nach außen, verjüngt. Hierdurch ist es insbesondere bei rechteckförmigen Ringnuten 1 möglich, das Rollierwerkzeug 3 oder das Gleitreibwerkzeug 13 relativ zur Radialrichtung des Kolbens 2 zu neigen bzw. zu kippen und dadurch eine verbesserte Verdichtung, Verfestigung bzw. Glättung der Übergangsbereiche 5, 5' zu bewirken. Weist die Ringnut 1 einen trapezförmigen Querschnitt auf, wie dies gemäß der 3 dargestellt ist, so ist eine derartige sich hinsichtlich des Querschnitts nach außen verjüngende Form des Werkzeugs 12, insbesondere des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeug 13, nicht unbedingt erforderlich.
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Die Ringnut 1 kann generell im Kolben 2 selbst oder entsprechend den Darstellungen gemäß den 1 bis 6 in einem Ringträger 11 angeordnet sein. Ein derartiger Ringträger 11 ist üblicherweise aus einem Eisenwerkstoff, beispielsweise aus Stahl, ausgebildet und wird insbesondere in Leichtmetallkolben, beispielsweise Aluminiumkolben, eingesetzt. Eine Vorfertigung der Ringnut 1 kann beispielsweise durch ein spanabhebendes Verfahren, beispielsweise durch Drehen, erfolgen.
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Die konvexen Bereiche 8, 8' des Werkzeugs 12, insbesondere des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeug 13, können einen Radius R von R = B/2 aufweisen, wobei B für die Breite bzw. Dicke des Werkzeugs 12, insbesondere des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeug 13, steht. Der zurückgenommene Bereich 9 kann beispielsweise einen Knick aufweisen oder aber konkav ausgebildet sein, wie dies gemäß der 5 dargestellt ist. Durch die vergleichsweise großen Radien R und den zurückgenommenen Bereich 9 kann ein verstärktes oder sogar ausschließliches Verdichten der Übergangsbereiche 5, 5' im Vergleich zum Mittelbereich 10 erfolgen, wobei der Mittelbereich 10 des Nutgrunds 4 der Ringnut 1 nicht oder deutlich weniger verdichtet wird.
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Darüber hinaus ist es denkbar, dass beim Rollieren/Gleitreiben der Ringnut 1 Material von den Übergangsbereichen 5, 5' in den Mittelbereich 10 verdrängt wird, so dass der Nutgrund 4 im Mittelbereich 10 nach dem Rollieren/Gleitreiben weiter in die Ringnut 1 ragt, als vor dem Rollieren/Gleitreiben. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäß hergestellten Ringnut 1 ist, dass aufgrund der Materialglättung und der Materialverfestigung insbesondere im unteren Übergangsbereich 5 bei einem in diesem Fall oben liegenden Brennraum und der vergleichsweise großen Radien R eine Kerbwirkung reduziert oder sogar vermieden wird, insbesondere an dem unteren Übergangsbereich 5 zwischen dem Nutgrund 4 und der unteren Nutwand 6. In Versuchen bzw. Berechnungen hat sich dabei herausgestellt, dass die Gefahr der Rissbildung durch die auf einen Kolbenring wirkenden Kräfte in den Übergangsbereichen 5, vor allem dem vom Verbrennungsgasdruck belasteten unteren Übergangsbereich 5 zwischen der Nutflanke 6 und dem Nutgrund 4 größer ist als in der Mitte 7 des Nutgrunds 4 und deshalb die maximale Krafteinwirkung und Verfestigung gerade nicht im mittleren Bereich 10 des Nutgrundes 4 stattfinden soll, wie es bei einem Werkzeug 12, insbesondere einem Rollierwerkzeug 3 oder einem Gleitreibwerkzeug 13, mit einem runden freien Ende und einer rechteckigen Nut passiert.
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Ebenfalls von der Erfindung mit umfasst sein soll der erfindungsgemäße Kolben 2, bei welchem die Ringnut 1 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet, insbesondere rolliert oder gleitgerieben, wurde.
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Obwohl sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf die zur Aufnahme von Kolbenringen vorgesehenen Ringnuten 1 an Kolben 2 von Brennkraftmaschinen richtet, ist sie nicht auf diese Anwendung beschränkt. Das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren lässt sich auch auf Ringnuten 1 anderer Kolben 2, wie etwa von Kompressoren anwenden. Darüber hinaus ist es allgemein zur Bearbeitung von in Umfangsrichtung umlaufenden Nuten an zylindrischen Umfangsflächen, vorzugsweise Außenumfangsflächen von Bauteilen, wie etwa von Sicherungsringnuten, z.B. an Ventilschäften, Kolbenbolzennaben oder Nockenwellen geeignet.
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Des Weiteren ist das erfindungsgemäße Werkzeug 12, insbesondere das Rollierwerkzeug 3 oder das Gleitreibwerkzeug 13, Bestandteil der vorliegenden Erfindung, das an seinem freien Ende 7 zwei seitliche konvexe Bereiche 8, 8' sowie einen dazwischen liegenden zurückgenommenen Bereich 9 aufweist. Hierdurch lässt sich eine Ringnut 1 in entsprechender Weise verfestigen bzw. glätten und damit hinsichtlich einer Belastungsfähigkeit steigern. Das Werkzeug 12, insbesondere das Rollierwerkzeug 3 oder das Gleitreibwerkzeug 13, kann ein knochenförmiges oder im Querschnitt kamelhöckerförmiges freies Ende 7 aufweisen und zudem kann sich ein Querschnitt zum freien Ende 7 hin vergrößern, wodurch ein Kippen des Werkzeugs 12, insbesondere des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeug 13, relativ zu einer Radialen 14 des Kolbens 2 beim Bearbeiten der Ringnut 1 möglich ist.
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Die konvexen Bereiche 8, 8' des Werkzeugs 12, insbesondere des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeug 13, können dabei einen Radius R von R = B/2 aufweisen, wobei zusätzlich oder alternativ der zurückgenommene Bereich 9 des Werkzeugs 12, insbesondere des Rollierwerkzeugs 3 oder des Gleitreibwerkzeug 13, einen Knick aufweisen oder konkave ausgebildet sein kann.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die besonders belasteten Bereiche, hier die Übergangsbereiche 5, 5' glätten und verfestigen und zudem eine Kerbwirkung in diesen Übergangsbereichen 5, 5' reduzieren, wodurch sich die Belastungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens 2 deutlich steigern lässt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2007647 A1 [0003]
- DE 19815485 C2 [0004]
