DE102021203241A1

DE102021203241A1 - Kolben für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zur Herstellung des Kolbens

Info

Publication number: DE102021203241A1
Application number: DE102021203241.9A
Authority: DE
Inventors: Hakan Kahraman; Peter Winkler
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2022-10-06
Also published as: CN115142978A; US20220316422A1; US11976608B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine, der ein oberes Kolbenteil (2a) und mit unteres Kolbenteil (2b) aufweist, die zusammen einen umlaufenden Kühlkanal (4) zum Aufnehmen eines Kühlmediums sowohl radial innen als auch radial außen begrenzen und mittels einer radial äußeren Schweißverbindung (5a) und mittels einer radial inneren Schweißverbindung (5b) miteinander verbunden sind. Dabei umfasst die radial äußere Schweißverbindung (5a) eine radial äußere Schweißwulst (6a), die zur Ausbildung eines (ersten) Ablenkelements (6a) für das im Kühlkanal (4) vorhandene Kühlmedium radial nach innen in den Kühlkanal (4) hineinragt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Kolben. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Kolbens.
Kolben sind in modernen Brennkraftmaschinen hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Daher ist es bekannt, in herkömmlichen Kolben einen Kühlkanal vorzusehen, der von einem Kühlmedium, insbesondere Öl, durchströmt werden kann. Ein solcher Kühlkanal wird typischerweise nahe am Kolbenboden, insbesondere an einer Verbrennungsmulde, des Kolbens angeordnet, da dort die höchsten thermischen Belastungen auftreten. Im Betrieb des Kolbens kann das im Kühlkanal aufgenommene Kühlmedium Wärme aus dem Kolbenmaterial im Bereich der Verbrennungsmulde, aber auch des Kolbenbodens, aufnehmen und zu einem von der Verbrennungsmulde bzw. dem Kolbenboden entfernten Bereich des Kolbens transportiert. Auf diese Weise werden die Verbrennungsmulde und auch der Kolbenboden gekühlt und folglich thermisch entlastet.
Ein derart ausgebildeter Kolben mit Kühlkanal ist aus der DE 10 2011 116 332 A1 bekannt.
Zur Herstellung eines Kolbens mit Kühlkanal werden typischerweise zwei Rohlinge verwendet, die im Zuge der Herstellung des Kolbens mittels Reibschweißens miteinander verschweißt werden und nach dem Verschweißen ein oberes und ein unteres Kolbenteil des Kolbens ausbilden, die stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Beim Schweißvorgang können im Bereich der Schweißverbindungen zwischen den beiden Rohlingen Schweißwülste entstehen und auf unerwünschte Weise in den Kühlkanal hineinragen.
Zur Vermeidung solcher in den Kühlkanal hineinragender Schweißwülste schlägt die DE 10 2008 012 049 A1 vor, die Fügeflächen zwischen den Rohlingen so auszubilden, dass eine beim Schweißen etwaig entstehende Schweißwulst möglichst aus dem Kühlkanal herausgehalten wird.
Die DE 10 2012 0089 47 A1 verfolgt hingegen den Ansatz, primär nicht den Kühlkanal, sondern die Verbrennungsmulde möglichst frei von störenden Schweißwülsten zu halten und schlägt hierzu vor, die Fügeflächen zwischen den Rohlingen entsprechend so auszugestalten, dass gegebenenfalls auftretende Schweißwülste von der Verbrennungsmulde weggelenkt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Kolben mit Kühlkanal und mit zwei miteinander verschweißten Kolbenteilen neue Wege aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundidee der Erfindung ist dabei, die beim Verschweißen zweier Rohlinge zu einem Kolben entstehenden Schweißwülste gezielt so auszubilden, dass sie innerhalb des Kühlkanals als Ablenkelemente für das im Kühlkanal vorhandene und beschleunigte Kühlmedium wirken können. Eine solche Ablenkelement fungierende Schweißwulst ist so ausgebildet, dass sie das im Kühlkanal vorhandene Kühlmittel - insbesondere während der aufeinander folgenden Hubbewegungen des Kolbens - zumindest einen Teil des Kühlmediums in Richtung zum Kolbenboden, insbesondere zur Verbrennungsmulde des Kolbens hin ablenkt. Auf diese Weise kann vermehrt Wärme aus diesen Bereichen abgeführt werden.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, bei einen aus zumindest zwei Rohlingen gefertigten Kolben, der im zusammengebauten Zustand ein ein oberes Kolbenteil und ein unteres Kolbenteil umfasst, welche mittels einer radial inneren und einer radial äußeren Schweißverbindung miteinander verbunden sind, zumindest im Bereich der radial äußeren Schweißverbindung mit einer Schweißwulst zu versehen, die radial nach innen, also typischerweise zur Mittellängsachse des Kolbens hin, in den Kühlkanal hineinragt. Es hat sich gezeigt, dass eine an dieser Stelle angeordnete Schweißwulst die voranstehend beschriebene, vorteilhafte Ablenkung des Kühlmediums zum Kolbenboden oder/und zur Verbrennungsmulde hin in besonders effizienter Weise bewirkt.
Darüber hinaus bewirkt eine an dieser Position im Kühlkanal angeordnete Schweißwulst außerdem, dass das Kühlmedium im Zuge der Hubbewegung des Kolbens in dem Kühlmedium turbulente Strömungen erzeugt, wodurch der Wärmeaustausch mit dem Kolbenmaterial auf vorteilhafte Weise verstärkt wird. Dadurch werden Verbrennungsmulde und Kolbenboden thermisch weiter entlastet.
Ein erfindungsgemäßer Kolben für eine Brennkraftmaschine umfasst ein oberes Kolbenteil und ein stoffschlüssig mit dem oberen Kolbenteil verbundenes unteres Kolbenteil. Die Bezeichnungen „oben“ und „unten“ beziehen sich dabei auf eine axiale Richtung, die insbesondere entlang einer Mittellängsachse des Kolbens verlaufen kann. Wird der Kolben im Brennraum einer Brennkraftmaschine verbaut, so ist beim erfindungsgemäßen Kolben das obere Kolbenteil dem Brennraum zugewandt und das untere Kolbenteil vom Brennraum abgewandt. Das obere Kolbenteil kann einen Kolbenboden und eine Verbrennungsmulde aufweisen, wobei ein im Kolbenboden ausgebildeter Muldenrand die Verbrennungsmulde teilweise oder vollständig umfassen kann. Die beiden Kolbenteile begrenzen zusammen einen Kühlkanal, der sich bevorzugt entlang einer um eine Mittellängsachse des Kolbens umlaufenden Umfangsrichtung erstreckt. Der Kühlkanal dient zum Aufnehmen eines Kühlmediums, insbesondere Öl, welches Wärme von den im Betrieb des Kolbens thermisch besonders belasteten Bereichen des Kolbens - insbesondere dem Kolbenboden sowie der Verbrennungsmulde - aufnehmen kann und die Wärme an das thermisch weniger belastete Kolbenmaterial weiter entfernt von Kolbenboden und Verbrennungsmulde abgeben kann. Hierzu wird das Kühlmedium im Betrieb des Kolbens, also während eines Kolbenhubs, axial und entlang der Umfangsrichtung beschleunigt, sodass es während eines Kolbenhubs zumindest einmal, typischerweise mehrmals, thermisch sowohl mit den thermisch belasteten Bereichen des Kolbens als auch mit den thermisch weniger belasteten Bereichen des Kolbens in Kontakt kommen kann. Besagter Kühlkanal, der typischerweise eine ringförmige geometrische Formgebung aufweisen kann, kann sowohl radial innen als auch radial außen vom Kolbenmaterial des Kolbens bzw. der beiden Kolbenteile begrenzt sein. Erfindungsgemäß sind das obere Kolbenteil und das untere Kolbenteil stoffschlüssig mittels einer radial äußeren Schweißverbindung und mittels einer radial inneren Schweißverbindung miteinander verbunden. Die Schweißverbindungen können Reibschweißverbindungen sein. Die Begriffe „radial außen“ und „radial innen“ beziehen sich dabei bevorzugt auf eine radiale Richtung, die sich senkrecht von der Mittellängsachse des Kolbens weg erstreckt und orthogonal sowohl zur axialen Richtung als auch zur Umfangsrichtung verläuft. Erfindungsgemäß umfasst zumindest die radial äußere Schweißverbindung eine radial äußere Schweißwulst, die zur Ausbildung eines (ersten) Ablenkelements für das im Kühlkanal vorhandene Kühlmedium radial nach innen zumindest teilweise in den Kühlkanal hineinragt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst auch die radial innere Schweißverbindung eine sich radial nach innen vom Kühlkanal weg erstreckende, radial innere Schweißwulst. Mittels einer solchen zusätzlichen radial inneren Schweißwulst an der radial inneren Schweißverbindung lassen sich im Kühlmedium bei der Bewegung des Kolbens zusätzliche turbulente Strömungen erzeugen, die den Wärmeaustausch des Kühlmediums mit dem Material des Kolbens verbessern. Außerdem kann mittels einer an der radial inneren Schweißverbindung vorgesehenen Schweißwulst das Kühlmedium in ähnlicher Weise zur radial äußeren Schweißwulst zum Kolbenboden sowie zur Verbrennungsmulde hin abgelenkt werden. Auch die radial innere Schweißwulst folgt also dem Wirkprinzip eines Ablenkelements für das im Kühlkanal vorhandene Kühlmedium.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die radial innere und die radial äußere Schweißverbindung und somit auch die radial innere und die radial äußere Schweißwulst auf derselben axialen Höhe des Kolbens angeordnet. Auf diese Weise können beide Schweißwülste dazu verwendet werden, in dem Kühlkanal eine radiale Verengung auszubilden. In Zusammenhang mit dem sogenannten Shaker-Effekt wird auf diese Weise das im Kühlkanal beschleunigte Kühlmedium besonders wirksam durchmischt und mittels besagter Verengung auch gezielt und zum Kolbenboden sowie zur Verbrennungsmulde hin beschleunigt. Dies hat zur Folge, dass das Kühlmediumd pro Kolbenhub besonders oft an die besonders stark thermisch belasteten Wandabschnitte des Kühlkanals geführt wird, die insbesondere im Bereich des Kolbenbodens bzw. der Verbrennungsmulde angeordnet sind. Auf diese Weise wird besonders viel Wärme vom Kolbenboden bzw. von der Verbrennungsmulde abgeführt.
Bei einer dazu alternativen bevorzugten Ausführungsform kann die radial innere Schweißverbindung - und somit, falls vorhanden, auch die die radial innere Schweißwulst - axial versetzt zur radial äußeren Schweißverbindung und bzw. zur radial äußeren Schweißwulst angeordnet sein. Dies erlaubt es, die radial innere Schweißwulst axial näher an der thermisch besonders stark belasteten Kolbenmulde zu platzieren. Dadurch kann die in den Kühlkanal hinein ragende radial innere Schweißwulst die Funktion einer Kühlrippe für das Kolbenmaterial des Kolbens übernehmen. Auch bewirkt diese Maßnahme eine verbesserte Wärmeabführung von der Kolbenmulde mittels des Kühlmittels.
Aus voranstehend Gesagtem folgt, dass es sich als besonders vorteilhaft erweist, wenn die radial innere Schweißverbindung, insbesondere die radial innere Schweißwulst, im Bereich des Kolbenbodens des Kolbens angeordnet ist; denn in diesem Fall kann Wärme besonders wirksam vom Kolbenboden abgeführt werden. Alternativ dazu kann die radial innere Schweißwulst unmittelbar im Bereich der Verbrennungsmulde des Kolbens angeordnet sein. In diesem Fall wird Wärme besonders wirksam von der thermisch ebenfalls stark belasteten Verbrennungsmulde abgeführt. Besonders bevorzugt ist ein erstes Schweißwulstvolumen der radial äußeren Schweißwulst größer als ein zweites Schweißwulstvolumen der radial inneren Schweißwulst. Auf diese Weise kann eine besonders große Menge an Kühlmediumd zur Verbrennungsmulde hin abgelenkt werden.
Wie bereits voranstehend erläutert, erweist es sich als strömungstechnisch besonders vorteilhaft, wenn zumindest die radial äußere Schweißwulst, bevorzugt sowohl die radial äußere als auch die radial innere Schweißwulst, eine radiale Verengung des Kühlkanals ausbilden, welche den Kühlkanal in eine Verengungszone und in axial obere und eine axial untere Kanalzone unterteilt. Dabei ist die Verengungszone zwischen der axial oberen und der axial unteren Kanalzone angeordnet. Mittels dieser Variante wird eine besonders wirksame Beschränkung des Kühlmediums zum Kolbenboden bzw. zur Verbrennungsmulde hin erzielt.
Als besonders vorteilhaft erweist sich eine weitere Ausführungsform, bei welcher ein Volumen der oberen Kanalzone wenigstens 40% eines Volumens des gesamten Kühlkanals beträgt. Mittels einer solchen geometrischen Ausgestaltung des Kühlkanals kann ein besonders großer Anteil des im Kühlkanal vorhandenen Kühlmediums zum Kolbenboden und zur Verbrennungsmulde hin gelenkt werden.
Es hat sich gezeigt, dass eine Durchmischung des im Kühlkanal in Umfangsrichtung umlaufenden Kühlmediums besonders wirksam erfolgt, wenn - bei Vorhandensein der radial äußeren Schweißwulst, nicht aber einer radial inneren Schweißwulst - die radiale Breite des Kühlkanals im Bereich der Verengung bis zu der Hälfte, bevorzugt höchstens 1/3, einer maximalen radialen Breite des Kühlkanals beträgt.
Besonders zweckmäßig ist wenigstens eine der genannten Schweißwülste als Ablenkelement für das im Kühlkanal vorhandene Kühlmedium ausgebildet. Besonders bevorzugt gilt dies für beide Schweißwülste, also sowohl für die die radial äußere Schweißwulst als auch für die radial innere Schweißwulst. Hierzu kann die jeweilige Schweißwulst insbesondere als ein von der Schweißverbindung in den Kühlkanal hineinragender Fortsatz mit geeigneter geometrischer Formgebung ausgebildet sein. Unter der Bezeichnung „Ablenkelement“ ist vorliegend zu verstehen, dass die Schweißwulst die Eigenschaft besitzt, das Kühlmittel beim Durchströmen des Kühlkanals abzulenken, und zwar vorzugsweise so, dass es bevorzugt zum Kolbenboden sowie - alternativ oder zusätzlich - zur Verbrennungsmulde hin abgelenkt wird. Zusätzlich kann ein solches Ablenkelement dazu ausgebildet sein, in der Kühlmedium-Strömung Turbulenzen, also eine turbulente Strömung zu erzeugen, welche den Wärmeaustausch fördert.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Brennraum, in welchem ein voranstehend vorgestellter, erfindungsgemäßer Kolben entlang einer axialen Richtungs verstellbar angeordnet ist. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Kolbens übertragen sich daher auch auf die fünfgemäße Brennkraftmaschine.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens, insbesondere des voranstehend erläuterten erfindungsgemäßen Kolbens.
Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, die Fügeflächen zweier Rohlinge, die zur Ausbildung eines Kolbens mit einem oberen und einen unteren Kolbenteil miteinander verschweißt werden, aus den vorangehend erläuterten Gründen so zu gestalten, dass die im Zuge des Verschweißens der beiden Rohlinge zumindest an der radial äußeren Schweißverbindung eine in den Kühlkanal hineinragende (radial äußere) Schweißwulst entsteht.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest eine erste Maßnahme a) und eine zweite Maßnahme b). Gemäß der ersten Maßnahme a) werden ein erster und ein zweiter Rohlings bereitgestellt, die nach Abschluss des Herstellungsverfahrens zusammen einen Kolben mit einem oberen und mit einem unteren Kolbenteil ausbilden können. Beide Rohlinge weisen jeweils eine radial äußere Fügefläche und eine radial innere Fügefläche auf. An den beiden Fügepartnern sind also insgesamt vier Fügeflächen vorgesehen, sodass aus jeweils zwei einander zugeordneten Fügeflächen der beiden Fügepartner eine jeweilige Schweißverbindung ausgebildet werden kann. Es ist also vorgesehen, zwei Schweißverbindungen zu erzeugen.
An zumindest einer der beiden radial äußeren Fügeflächen, vorzugsweise an beiden radial äußeren Fügeflächen, ist oder wird beim erfindungsgemäßen Verfahren ein (erstes) Schweißwulst-Lenkelement vorgesehen. Ein solches (erstes) Schweißwulst-Lenkelement dient dazu, eine Schweißwulst, die im Zuge des Verschweißens der Fügeflächen entsteht, in gezielter Weise in den Kühlkanal hinein abzulenken zu können. Ein solches Verschweißen der Fügeflächen der Rohlinge miteinander erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren in der zweiten Maßnahme b). Gemäß Maßnahme b) werden die beiden Rohlinge an den Fügeflächen, vorzugsweise mittels Reibschweißens, verschweißt. Nach erfolgtem Verschweißen bildet der erste Rohling ein oberes Kolbenteil und der zweite Rohling ein unteres Kolbenteil des Kolbens aus. Das Verschweißen erfolgt erfindungsgemäß derart, dass sich im Zuge des Schweißvorgangs zumindest an den beiden radial äußeren Fügeflächen eine radial äußere Schweißwulst bildet, die vom (ersten) Schweißwulst-Lenkelement so abgelenkt wurde, dass sie nach dem Verschweißen in einen Kühlkanal hineinragt, welcher von den beiden Rohlingen bzw. den aus den Rohlingen durch den Schweißvorgang gebildeten Kolbenteilen begrenzt wird. Nach dem Verschweißen ist der Kolben, insbesondere der vorangehend erläuterte erfindungsgemäße Kolben, fertiggestellt.
Bevorzugt begrenzen die beiden radial äußeren Fügeflächen vor dem Verschweißen gemäß Maßnahme b) einen sich radial nach außen oder radial nachinnen verjüngenden, radial äußeren Spalt, der das (erste) Schweißwulst-Lenkelement bildet. Besagter radial äußerer Spalt, der sich radial nach innen verjüngt, bewirkt, dass beim Schweißvorgang die beim Schweißvorgang entstehende Schweißwulst zumindest primär, im Extremfall sogar vollständig, in den Kühlkanal hineingelenkt wird, sodass sie nach Abschluss des Schweißvorgangs in den Kühlkanal hineinragt.
Alternativ dazu ist es denkbar, dass das (erste) Schweißwulst-Lenkelement durch eine im Bereich der beiden Fügeflächen vorgesehene Ausnehmung oder durch einen im Bereich der beiden Fügeflächen vorgesehenen Vorsprung gebildet ist. Bei geeigneter der Anordnung der Ausnehmung bzw. des Vorsprungs bewirkt auch ein derart ausgebildetes Schweißwulst-Lenkelement die gewünschte Ablenkung der beim Verschweißen entstehende Schweißwulst in den Kühlkanal hinein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann im Zuge des Verschweißens der beiden Rohlinge Schweißvorgang auch an den beiden radial inneren Fügeflächen eine - radial innere - Schweißwulst gebildet werden, wenn auch an wenigstens einer der beiden inneren Fügeflächen, vorzugsweise an beiden inneren Fügeflächen das voranstehend vorgeschlagene Schweißwulst-Lenkelement vorgesehen wird. Hierzu können die beiden radial inneren Fügeflächen vor dem Verschweißen gemäß Maßnahme b) einen sich radial nach innen verjüngenden, radial inneren Spalt begrenzen, der das zweite Schweißwulst-Lenkelement bilden. In diesem Fall wird die an den beiden inneren Fügeflächen im Zuge des Schweißvorgangs entstehende Schweißwulst von einem zweiten Schweißwulst-Lenkelement so abgelenkt, dass sie nach dem Verschweißen radial nach innen aus dem von den beiden Kolbenteilen begrenzten Kühlkanal heraus und in die Brennraummulde hineinragt. Dort ist die Schweißwulst zugänglich und kann im Zuge einer Nachbearbeitung des Kolbens spanabhebend, bevorzugt mittels Drehens, entfernt werden.
Alternativ dazu können die beiden radial inneren Fügeflächen vor dem Verschweißen gemäß Maßnahme b) einen sich radial nach außen verjüngenden Spalt begrenzen, der das zweite Schweißwulst-Lenkelement bildet. Bei dieser Variante kann die beim Schweißvorgang an den beiden radial inneren Fügeflächen entstehende radial innere Schweißwulst vom zweiten Schweißwulst-Lenkelement so abgelenkt werden, dass sie nach dem Verschweißen radial nach außen, also in den Kühlkanal hineinragt.
Als besonders bevorzugt erweisen sich Ausführungsformen, bei denen die beiden radial inneren Fügeflächen und die beiden radial äußeren Fügeflächen gleichgerichtete Schweißwulst-Lenkelemente bilden, d.h. dass diese bewirken, dass beim Verschweißen die radial innere Schweißwulst und die radial äußere Schweißwulst vollständig oder überwiegend in dieselbe Richtung, also beide nach radial innen oder beide nach radial außen gelenkt werden. Dadurch wird auf einer Seite - also radial innen oder radial außen - die Schweißwulst in den Kühlkanal hinein gelenkt, wohingegen sie auf der anderen Seite aus dem Kühlkanal hinausgelenkt wird. Der verbleibende Kühlkanalquerschnitt kann dadurch nierenförmig ausgebildet werden und mit einer zentralen einseitigen Verengung versehen sein, die durch eine Schweißwulst mit einer bestimmten Größe auf der einen Seite und durch eine Schweißwulst auf der radial gegenüberliegenden Seite mit demgegenüber reduzierter Größe begrenzt ist, wobei letztere Schweißwulst auch gänzlich fehlen kann. Diese Ausgestaltungsform begünstigt die Ausbildung einer Drall- bzw. Walzenströmung in dem Kühlmittes im oberen oder unteren Teil des Kühlkanals nach dem Durchtritt durch die Verengung, ermöglicht ferner eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels entlang der Kanaloberfläche und bewirkt dadurch einen verstärkten Wärmeübergang. Besonders vorteilhaft ist dabei ein kuppelförmiger Querschnitt insbesondere im kolbenbodenseitigen Teil des Kühlkanal und ein tangentialer Eintritt der Strömung in die Kuppelform, wodurch Strömungswiderstand vermieden wird.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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.
Es zeigen, jeweils schematisch:

1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens mit einer nur radial außen vorgesehenen Schweißwulst,
2 eine Weiterbildung des Beispiels der 1, bei welchem zusätzlich zur radial äußeren Schweißwulst auch eine radial innere Schweißwulst vorgesehen ist, die axial auf derselben Höhe wie die radial äu-ßere Schweißwulst angeordnet ist,
3 eine Variante des Beispiels der 2, bei welcher die beiden Schweißwülste axial versetzt zueinander, also auf unterschiedliche axialer Höhe angeordnet sind,
4 eine den Zusammenbau des erfindungsgemäßen Kolbens illustrierende Darstellung, bei welcher zwei Rohlinge vor dem Miteinander Verschweißen zu einem Kolben, wie er in den 1 und 2 gezeigt ist, dargestellt sind,
5 eine Variante der Anordnung gemäß 4, welche zwei Rohlinge vor dem Verschweißen zu einem Kolben zeigt und mittels welcher in dessen Kühlkanal die einzige oder größte Schweißwulst von der radial inneren Fügefläche in den Kühlkanal hinein gelenkt werden kann.

Die 1 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 1 in einem Ausschnitt und in einer Schnittdarstellung entlang einer axialen Richtung A des Kolbens 1. Die axiale Richtung A erstreckt sich eintlang einer Mittellängsachse M des Kolbens 1. Eine radiale Richtung R erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung A von der Mittellängsachse M weg. Eine Umfangsrichtung U erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung A und auch senkrecht zur radialen Richtung R und läuft um die Mittellängsachse M um. Der Kolben 1 kann in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine (in den Figuren nicht gezeigt) entlang der axialen Richtung A verstellbar angeordnet sein. Der Kolben 1 umfasst ein oberes Kolbenteil 2a und ein unteres Kolbenteil 2b, die stoffschlüssig miteinanden verbunden sind. Als Kolbenmaterial für den Kolbens 1 kann ein Stahlwerkstoff sowie, alternativ oder zusätzlich, ein Leichtmetallwerkstoff verwendet werden. Eine vom zweiten Kolbenteil 2b abgewandte axiale Stirnseite 7 des ersten Kolbenteils 2a bildet einen Kolbenboden 3 aus, der radial nach innen in eine Verbrennungsmulde 21 übergeht, die im Beispiel der 1 teilweise vom oberen Kolbenteil 2a und teilweise vom unteren Kolbenteil 2b gebildet ist. Im Einbauzustand in dem Brennraum der Brennkraftmaschine begrenzen der Kolbenboden 3 und die Verbrennungsmulde 21 des Kolbens 1 den Brennraum der Brennkraftmaschine in axialer Richtung A.
1 zeigt den Kolben 1 in einem zusammengebauten Zustand. In diesem Zustand ist der Kolben 1 einstückig ausgebildet. Hierbei begrenzen die beiden Kolbenteile 2a, 2b einen geschlossen ringförmigen Kühlkanal 4, der sich entlang der Umfangsrichtung U erstreckt und von den beiden Kolbenteilen 2a, 2b vollständig umgeben ist. Der Kühlkanal 4 ist also insbesondere sowohl radial außen als auch radial innen von beiden Kolbenteilen 2a, 2b gemeinsam begrenzt. Der Kühlkanal 4 dient zur Aufnahme eines Kühlmediums, im Beispielszenario in Form von Öl.
Die beiden Kolbenteile 2a, 2b sind im Beispiel der 1 mittels einer radial äußeren Schweißverbindung 5a und mittels einer einer radial inneren Schweißverbindung 5b stoffschlüssig miteinander verbunden. Die radial äußere Schweißverbindung 5a ist in einer radial äußeren Begrenzung 19a des Kühlkanals 4, die sowohl vom oberen als auch vom unteren Kolbenteil 2a, 2b gebildet ist, angeordnet. Die radial innere Schweißverbindung 5b ist entsprechend in einer radial inneren Begrenzung 19b des Kühlkanals 4, die sowohl vom oberen als auch vom unteren Kolbenteil 2a, 2b gebildet ist, angeordnet. Die radial innere Begrenzung 19b und somit auch die radial innere Schweißverbindung 5b sind im Bereich der Verbrennungsmulde 21 des Kolbens 1 angeordnet. Die radial äußere Begrenzung 19a ist im Bereich einer Ringpartie 23 des Kolbens angeordnet, in welcher auf einem Außenumfang 20 des Kolbens 1 axial im Abstand zueinander Aufnahmenuten 22 zur Aufnahme eines jeweiligen Kolbenrings (nicht gezeigt) angeordnet sein können. Bzgl. der radialen Richtung R ist die radial äußere Begrenzung 19a mit der radial äußeren Schweißverbindung 5a weiter von der Mittellängsachse M entfernt als die radial innere Begrenzung 19b mit der radial inneren Schweißverbindung 5b. Auch die beiden Schweißverbindungen 5a, 5b besitzen jeweils eine geschlossen ringförmige Geometrie und erstrecken sich jeweils entlang der Umfangsrichtung U. Beide Schweißverbindungen 5a, 5b können mittels Reibschweißens erzeugt sein, d.h. es handelt sich um sogenannte Reibschweißverbindungen.
Im Beispiel der 1 umfasst die radial äußere Schweißverbindung 5a eine radial äußere Schweißwulst 6a. Die radial äußere Schweißwulst 6a ragt wie in der 1 angedeutet zur Ausbildung eines ersten Ablenkelements 11a für das im Kühlkanal 4 vorhandene und im Betrieb des Kolbens - also bei Ausführung von Kolbenhüben - im Kühlkanal 4 beschleunigte Öl radial nach innen, also entgegen der radialen Richtung R, in den Kühlkanal 4 hinein. Demgegenüber fehlt im Beispiel der 1 fehlt bei der radial inneren Schweißverbindung 5b eine in den Kühlkanal 4 hineinragende Schweißwulst.
Wie der Längsschnitt der 1 veranschaulicht, bildet die radial äußere Schweißwulst 6a eine radiale Verengung 8 des Kühlkanals 4 aus. Diese Verengung 8 unterteilt den Kühlkanal 4 entlang der axialen Richtung A in drei Zonen, und zwar in eine Verengungszone 9 sowie in eine axial obere und in eine axial untere Kanalzone 10a, 10b. Die Verengungszone 9 entlang der axialen Richtung A zwischen der axial oberen und der axial unteren Kanalzone 10a, 10b angeordnet. Die axial obere Kanalzone 10a ist axial dem Kolbenboden 3 zugewandt und wird vom oberen Kolbenteil 2a begrenzt. Die axial untere Kanalzone 10b ist axial vom Kolbenboden 3 abgewandt und wird vom unteren Kolbenteil 2b begrenzt. In dem gezeigten Längsschnitt entlang der axialen Richtung A beträgt eine radiale Breite b des Kühlkanals 4 im Bereich der Verengung 8 höchstens 50% einer maximalen-Breite B des Kühlkanals 4 im Bereich der axial oberen Kanalzone 10a. Ein Volumen V_O der oberen Kanalzone 10a kann zweckmäßig wenigstens 40% eines Volumens V_G des gesamten Kühlkanals 4 betragen.
Die 2 zeigt eine Variante des Beispiels der 1. Diese Variante unterscheidet sich vom Beispiel der 1 darin, dass auch die radial innere Schweißverbindung 5b, die als Reibschweißverbindung realisiert sein kann, eine radial innere Schweißwulst 6b umfasst, welche entlang der radialen Richtung R nach außen in den Kühlkanal 4 hineinragt. Die radial innere Schweißwulst 6b ist als Teil der radial inneren Schweißverbindung 5b im Bereich der Verbrennungsmulde 21 angeordnet. Die radial innere Schweißwulst 6b bildet in analoger Weise zum ersten Ablenkelement 11a ein zweites Ablenkelement 11b für das im Kühlkanal 4 vorhandene Öl. Die in den Kühlkanal 4 hineinragende radial äußere Schweißwulst 6a weist ein erstes Schweißwulstvolumen V1 auf. Die in den Kühlkanal 4 hineinragende radial innere Schweißwulst 6b besitzt entsprechend ein zweites Schweißwulstvolumen V2.
Wie 2 veranschaulicht, ist das erste Schweißwulstvolumen V1 zweckmäßig größer als das zweite Schweißwulstvolumen V2. Bevorzugt können die radial innere und die radial äußere Schweißverbindung 5a, 5b und somit auch die radial innere und die radial äußere Schweißwulst 6a, 6b entlang der axialen Richtung A auf derselben axialen Höhe H des Kolbens 1 angeordnet sein.
Im Beispiel der 2 bilden - in analoger Weise z.B. der 1 - sowohl die radial äußere Schweißwulst 6a als auch die radial innere Schweißwulst 6b eine radiale Verengung 8 des Kühlkanals 4 aus, welche den Kühlkanal 4 in die bereits anhand der 1 erläuterte Verengungszone 9 und in axial obere und eine axial untere Kanalzone 10a, 10b unterteilt. In analoger Weise zum Beispiel der 1 ist auch hier ist die Verengungszone 9 entlang der axialen Richtung A zwischen der axial oberen und der axial unteren Kanalzone 10a, 10b angeordnet. Die axial obere Kanalzone 10a ist axial dem Kolbenboden 3 zugewandt und wird vom oberen Kolbenteil 2a begrenzt. Die axial untere Kanalzone 10b ist axial vom Kolbenboden 3 abgewandt und wird vom unteren Kolbenteil 2b begrenzt.
Im Beispiel der 2, bei welchem gegensätzlich zum Beispiel der 2 beide Schweißwülste 6a, 6b gemeinsam die Verengung 8 bilden, beträgt die radiale Breite b des Kühlkanals 4 im Bereich der Verengung 8 höchstens 1/3 der maximalen radialen Breite B des gesamten Kühlkanals 4. Auch im Beispiel der 2 kann das Volumen V_O der oberen Kanalzone 10a wenigstens 40% des gesamten Volumens des gesamten Kühlkanals 4 betragen.
Die 3 illustriert eine Alternativ-Variante zum Beispiel der 2. Das Beispiel der 3 unterscheidet sich von jenem der 2 darin, dass die radial innere Schweißverbindung 5b mit der radial inneren Schweißwulst 6b - gegensätzlich zum Beispiel der 2 - entlang der axialen Richtung A versetzt nach oben versetzt zur radial äußeren Schweißverbindung 5a bzw. zur radial äußeren Schweißwulst 6a angeordnet ist.
Die radial innere Schweißverbindung 5b bzw. die radial innere Schweißwulst 6b ist nicht wie beim Beispiel der 2 im Bereich der radial inneren Begrenzung 19b des Kühlkanals 4 und somit im Bereich der Verbrennungsmulde 21, angeordnet, sondern im Bereich einer axial oberen Begrenzung 19c des Kühlkanals 4. Diese axial obere Begrenzung 19c begrenzt den Kolben 1 im Bereich des Kolbenbodens 3 axial und ist zwischen der radial äußeren Begrenzung 19a und der radial inneren Begrenzung 19b angeordnet. Eine axial obere Schweißverbindung 5c ist außerdem im Bereich des Kolbenboden 3 angeordnet. Somit ist die Verbrennungsmulde 21 gegensätzlich zum Beispiel der 1 und 2 vollständig vom unteren Kolbenteil 2b gebildet.
Im Folgenden wird anhand der 4 das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen bzw. Zusammenbauen des voranstehend erläuterten Kolbens 1 erläutert. Der Kolben 1 wird aus einem ersten und zweiten Rohling 12a, 12b hergestellt, die zur Ausbildung des Kolbens 1 mit Kühlkanal 4 miteinander verschweißt werden und nach dem Verschweißen ein oberes und ein unteres Kolbenteil 2a, 2b des nunmehr einstückigen bzw. einteilgen Kolbens bilden.
Die 4 zeigt die beiden Rohlinge 12a, 12b vor dem Verschweißen. Gemäß einer ersten Maßnahme a) des Verfahrens werden der erste und der zweite Rohling 12a, 12b wie in 4 gezeigt bereitgestellt. Beide Rohlinge 12a, 12b weisen jeweils eine radial äußere 13a, 13b und eine radial innere Fügefläche 14a, 14b auf. Durch einen im ersten und zweiten Rohling 12a, 12b radial zwischen den Fügeflächen 13a, 13b, 14a, 14b ausgebildeten ersten bzw. zweiten Zwischenraum 24a, 24b kann im miteinander verschweißten Zustand der beiden Rohlinge 12a, 12b der Kühlkanal 4 zur Aufnahme von Öl ausgebildet werden.
Gemäß einer zweiten Maßnahme b) werden beide beiden Rohlinge 12a, 12b an den Fügeflächen 13a, 13b, 14a, 14b mittels Reibschweißens zum Kolben 1 aneinander gefügt. Es entsteht der in 2 gezeigte Kolben 1 mit dem vom ersten Rohling 12a gebildeten oberen Kolbenteil 2a und mit dem vom zweiten Rohling 12a gebildeten unteren Kolbenteil 2b. Dabei kann an den radial äußeren Fügeflächen 13a, 13b wie in 4 angedeutete ein erstes Schweißwulst-Lenkelement 16a ausgebildet sein. Ebenso kann kann an den radial inneren Fügeflächen 14a, 14b ein zweites Schweißwulst-Lenkelement 16b ausgebildet sein.
Wie die 4 veranschaulicht, begrenzen die beiden radial äußeren Fügeflächen 13a, 13b vor dem Verschweißen gemäß Maßnahme b) einen sich entlang der radialen Richtung R nach innen verjüngenden radial äußeren Spalt 15a, der besagtes erstes Schweißwulst-Lenkelement 16a bildet. Entsprechend begrenzen die beiden radial inneren Fügeflächen 14a, 14b vor dem Verschweißen gemäß Maßnahme b) einen sich entlang der radialen Richtung R nach innen verjüngenden radial inneren Spalt 15b, der das zweite Schweißwulst-Lenkelement 16b bildet.
Das Reibschweißen erfolgt mithilfe der beiden Schweißwulst-Lenkelemente 16a, 16b derart, dass sich beim Schweißvorgang an den beiden radial äußeren Fügeflächen 13a, 13b eine radial äußere Schweißwulst 6a ausbildet, die vom ersten Schweißwulst-Lenkelement 16a so abgelenkt wird, dass sie nach dem Verschweißen in den von den der beiden Kolbenteilen 2a, 2b begrenzten Kühlkanal 4 hineinragt.
In Varianten des Beispiels, die in den Figuren nicht näher dargestellt sind, können die Fügeflächen, die zwischen sich den radialen Spalt bilden, auch anders als konisch oder radial eben ausgebildet sein. So kann zumindest eine oder auch beide Fügeflächen z.B. radial innen oder radial außen eine Fase aufweisen, die den zur Wulstaufnahme vorgesehen Raum bietet. Ferner ist es denkbar, dass das erste Schweißwulst-Lenkelement 16a sowie - alternativ oder zusätzlich - das zweite Schweißwulst-Lenkelement 16b nicht durch einen radialen Spalt, sondern durch eine beliebig gestaltete Ausnehmung (nicht gezeigt) oder durch einen im Bereich der beiden Fügeflächen 13a, 13b, 14a, 14b ausgebildeten Vorsprung (nicht gezeigt) gebildet wird.
Nach Abschluss des Schweißvorgang gemäß Maßnahme b) ist der erfindungsgemäße Kolben 1 hergestellt, der insbesondere wie im Beispiel der 2 oder 3 gezeigt ausgebildet sein kann. In beiden Fällen bildet der erste Rohling 12a das obere Kolbenteil 2a und der zweite Rohling 12b das untere Kolbenteil 2b des Kolbens 1. Selbstredend ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, einen Kolben 1 herzustellen, bei welchem die Positionen der beiden Schweißverbindungen von den beiden Beispielen gemäß den 1 und 2 abweichen.
Soll der Kühlkanal 4 an der radial äußeren Schweißverbindung 5a von einer Schweißwulst freigehalten werden, so ist auch dies mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Hierzu können die in Maßnahme a) bereitgestellten beiden radial inneren und äußeren Fügeflächen 13a, 13b, 14a, 14b so ausgebildet und zueinander ausgerichtet sein, dass sie vor dem Verschweißen gemäß Maßnahme b) jeweils einen sich radial nach außen, also von der Mittellängsachse M weg verjüngenden Spalt begrenzen, wie dies in 5 gezeigt ist. Ein derart ausgebildeter Spalt bildet ein Schweißwulst-Lenkelement, welches die beim Schweißen entstehende radial äußere Schweißwulst so ablenkt, dass sie nach dem Verschweißen radial nach außen, also aus dem Kühlkanal 4 herausragt und somit im Zuge einer Nachbearbeitung des Kolbens 1 auf einfache Weise entfernt werden kann, wohingegen eine an den radial inneren Fügeflächen 14a, 14b gebildete, radial innere Schweißwulst 6b in den Kühlkanal hineinragt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011116332 A1 [0003]
DE 102008012049 A1 [0006]
DE 102012008947 A1 [0007]

Claims

Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einem oberen Kolbenteil (2a) und mit einem unteren Kolbenteil (2b), die zusammen einen umlaufenden Kühlkanal (4) zum Aufnehmen eines Kühlmediums sowohl radial innen als auch radial außen begrenzen und mittels einer radial äußeren Schweißverbindung (5a) und einer radial inneren Schweißverbindung (5b) miteinander verbunden sind, wobei die radial äußere Schweißverbindung (5a) eine radial äußere Schweißwulst (6a) umfasst, die zur Ausbildung eines (ersten) Ablenkelements (7a) für das im Kühlkanal (4) aufgenommene Kühlmedium radial nach innen in den Kühlkanal (4) hineinragt.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere Schweißverbindung (5b) eine sich radial nach innen vom Kühlkanal (4) weg erstreckende radial innere Schweißwulst (6b) umfasst.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere und die radial äußere Schweißverbindung (5a, 5b) und somit auch die radial innere und die radial äußere Schweißwulst (6a, 6b) auf derselben axialen Höhe (H) des Kolbens (1) angeordnet sind.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere Schweißverbindung (5b), insbesondere die radial innere Schweißwulst (6b), axial versetzt zur radial äußeren Schweißverbindung (5a) bzw. zur radial äußeren Schweißwulst (6a) angeordnet ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die radial innere Schweißverbindung (5b), insbesondere die radial innere Schweißwulst (6b), im Bereich eines Kolbenboden (3) des Kolbens (1) angeordnet ist; oder dass - die radial innere Schweißverbindung (5b), insbesondere die radial innere Schweißwulst (6b), im Bereich einer Verbrennungsmulde (21) des Kolbens (1) angeordnet ist;
Kolben nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Schweißwulstvolumen (V1) der radial äußeren Schweißwulst (6a) größer ist als ein zweites Schweißwulstvolumen (V2) der radial inneren Schweißwulst (6b);
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die radial äußere Schweißwulst (6a), bevorzugt die radial äußere und die radial innere Schweißwulst (6a, 6b), eine radiale Verengung (8) des Kühlkanals (4) ausbildet/ausbilden, welche den Kühlkanal (4) in eine Verengungszone (8) und in eine axial obere und eine axial untere Kanalzone (10a 10b) unterteilt, wobei die Verengungszone (9) zwischen der axial oberen und der axial unteren Kanalzone (10a, 10b) angeordnet ist.
Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen (V_O) der oberen Kanalzone (10a) wenigstens 40% eines Volumens (V_G) des gesamten Kühlkanals (4) beträgt.
Kolben nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Breite (b) des Kühlkanals (4) im Bereich der Verengung (8) höchstens 50%, vorzugsweise höchstens 1/3, einer maximalen radialen Breite (B) des Kühlkanals (4) beträgt.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine, vorzugsweise alle, der Schweißwülste (6a, 6b, 6c) als Ablenkelement (11a, 11b, 11c) für das im Kühlkanal (4) vorhandene Kühlmedium ein ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Brennraum, in welchem ein Kolben nach einem der verhergehenden Ansprüche verstellbar angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Kolbens, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die folgenden Maßnahmen: a) Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Rohlings (12a, 12b), wobei beide Rohlinge (12a, 12b) jeweils eine radial äußere (13a, 13b) und eine radial innere Fügefläche (14a, 14b) aufweisen und wobei an zumindest einer der beiden radial äußeren Fügeflächen (13a, 13b), vorzugsweise an beiden radial äußeren Fügeflächen (13a, 13b) der beiden Rohlinge (12a, 12b), ein Schweißwulst-Lenkelement (16a, 16b)) ausgebildet wird oder ist, b) Miteinander Verschweißen der beiden Rohlinge (12a, 12b) an den Fügeflächen (13a, 13b, 14a, 14b) zum Kolben (1), vorzugsweise mittels Reibschweißens, derart, dass sich beim Schweißvorgang zumindest an den beiden radial äußeren Fügeflächen (13a, 13b) eine radial äußere Schweißwulst (6a) bildet, die vom wenigstens einen Schweißwulst-Lenkelement (16a) so abgelenkt wird, dass sie nach dem Verschweißen radial nach innen in einen von den der beiden Kolbenteilen (2a, 2b) begrenzten Kühlkanal (4) hineinragt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden radial äußeren Fügeflächen (13a, 13b) vor dem Verschweißen gemäß Maßnahme b) einen sich radial nach außen - von der Mittellängsachse (M) des Kolbens (1) weg - oder radial nach innen - zur Mittellängsachse (M) des Kolbens (1) hin - verjüngenden radial äußeren Spalt (15a) begrenzen, der ein (erstes) Schweißwulst-Lenkelement (16a) bildet.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das (erste) Schweißwulst-Lenkelement (16a) durch eine im Bereich der beiden Fügeflächen (13a, 13b) vorgesehene Ausnehmung oder durch einen im Bereich der beiden Fügeflächen vorgesehenen Vorsprung gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden radial inneren Fügeflächen (14a, 14b) vor dem Verschweißen gemäß Maßnahme b) einen sich radial nach außen - von der Mittellängsachse (M) des Kolbens (1) weg - oder radial nach innen - zur Mittellängsachse (M) des Kolbens (1) hin - verjüngenden Spalt (15b) begrenzen, der ein zweites Schweißwulst-Lenkelement (16b) bildet.
Verfahren Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich beim Schweißvorgang an den beiden radial inneren Fügeflächen (14a, 14b) eine radial innere Schweißwulst (6b) bildet, die vom zweiten Schweißwulst-Lenkelement (16b) so abgelenkt wird, dass sie nach dem Verschweißen radial nach innen in eine Kolbenmulde (3) des Kolbens (1) hineinragt oder radial nach außen in den Kühlkanal (4) hineinragt.