DE10209331A1

DE10209331A1 - Production of a piston comprises piston base with attached piston hubs, sliding a separate component forming piston shaft over the piston hubs and peripherally joining the separate component to an annular field

Info

Publication number: DE10209331A1
Application number: DE2002109331
Authority: DE
Inventors: Michael Janssen; Gerhard Luz
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2002-03-02
Filing date: 2002-03-02
Publication date: 2003-09-18

Abstract

Production of a piston (1) comprises producing a piston base (2) with attached piston hubs (7). A separate component (9) forming a piston shaft (6) is slid over the piston hubs and peripherally joined to an annular field (3) of the piston base below the annular field. An Independent claim is also included for a piston produced by the above method. Preferred Features: The separate component is joined to the annular field by welding or soldering. At least the piston base is made of a high-strength material, e.g. steel, and the piston shaft, especially its separate component, is made of a light metal, e.g. aluminum.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, insbesondere eines Kühlkanalkolbens, sowie einen Kolben insbesondere einen Kühlkanalkolben, gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche. The invention relates to a method for producing a piston, in particular a cooling channel piston, and a piston, in particular a cooling channel piston, according to the characteristics of the respective generic term of the independent Claims.

Aus der DD 243 530 A1 ist es bekannt, einen Kolben, insbesondere einen Kühlkanalkolben, aus einem Oberteil und einem Unterteil zu fertigen, wobei diese beiden Teile durch eine Reib-Schweißverbindung miteinander verbunden werden. Bei diesem Kolben weist das Unterteil Kolbennaben auf, die mit Kolbenschäften versehen sind. Aufgrund dieser Bauart werden alle auftretenden Kräfte über die Kolbenschäfte in den Kolben eingeführt. Weiterhin weist dieses Unterteil in seinen Kolbennaben Bolzenbohrungen auf, wobei diese Bolzenbohrungen wiederum einen Bolzen über die gesamte Erstreckung der Bolzenbohrungen einen Bolzen zur Verbindung mit einem Pleuel aufnehmen. From DD 243 530 A1 it is known to have a piston, in particular one Cooling channel piston, to manufacture from an upper part and a lower part, these two Parts are connected by a friction-welded connection. at the lower part of this piston has piston hubs which are provided with piston shafts are. Due to this design, all forces that occur are via the piston shafts inserted into the piston. Furthermore, this lower part has in its piston hubs Bolt holes on, these bolt holes in turn a bolt the entire extension of the bolt holes a bolt for connection with a connecting rod.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, insbesondere eines Kühlkanalkolbens, sowie einen Kolben, insbesondere einen Kühlkanalkolben, bereitzustellen, der hinsichtlich des Gewichtes verbessert ist. The invention has for its object a method for producing a Piston, in particular a cooling channel piston, and a piston, in particular to provide a cooling channel piston, which is improved in weight.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche gelöst. This task is characterized by the characteristics of each independent Claims resolved.

Erfindungsgemäß wird ein Kolben, insbesondere ein Kühlkanalkolben, dadurch hergestellt, daß zunächst ein Kolbenboden des Kolbens mit anhängenden Kolbennaben hergestellt wird. Diese Baueinheit, die auch als Kolbenrohling bezeichnet werden kann, wird im Gieß- oder Schmiedeverfahren hergestellt. Bei den Gießverfahren kommt Druckguß, Niederdruckguß oder ein Schwerkraftgießverfahren mit oder ohne Faserverstärkung in Betracht. Denkbar ist auch, daß die an dem Kolbenboden anhängenden Kolbennaben unabhängig von dem Kolbenboden hergestellt und anschließend an diesen angefügt werden, so daß dadurch der Kolbenrohling erzeugt wird. Je nach Herstellverfahren ist der Kolbenrohling dann für die weitere Bearbeitung schon fertig oder kann weiteren Bearbeitungsschritten, insbesondere zerspanende oder spanabhebende Bearbeitungsschritte, unterzogen werden. Nach fertiger Bearbeitung des Kolbenrohlings oder direkt nach der Herstellung des Kolbenrohlings wird ein separat hergestellter Kolbenschaft über die Kolbennaben geschoben und unterhalb eines Ringfeldes des Kolbenbodens an dem Ringfeld radial umlaufend angefügt. Anschließend erfolgt eine Bearbeitung der Fügestelle, so daß abschließend ein fertiger, einteiliger Kolben zur Verfügung steht. Handelt es sich bei dem Kolben um einen Kühlkanalkolben, so wird mit oder nach Herstellung des Kolbenbodens zumindest eine Ausnehmung in den Kolbenboden eingebracht, wobei diese Ausnehmung entweder nach einer Abdeckung mit einem separatem Bauteil den geschlossenen Kühlkanal bildet oder der Verschluß der offenen Ausnehmung in dem Kolbenboden durch die Anfügung des Kolbenschaftes erfolgt. Darüber hinaus sind noch Öffnungen von dem Kolbeninneren zu dem Kühlkanal einzubringen, um ein Kühlmedium, insbesondere Motoröl, in dem Kühlkanal während des Betriebes des Kolbens zirkulieren zu lassen. According to the invention, a piston, in particular a cooling channel piston, is thereby manufactured that first a piston crown of the piston with attached piston hubs will be produced. This unit, which is also known as a piston blank can be produced in a casting or forging process. In the casting process comes die casting, low pressure casting or a gravity casting process with or without Consider fiber reinforcement. It is also conceivable that on the piston crown attached piston hubs independently of the piston crown and then be attached to it so that the piston blank is thereby produced becomes. Depending on the manufacturing process, the piston blank is then for the other Processing already finished or can further processing steps, in particular machining or cutting processing steps. After finished Machining of the piston blank or directly after the production of the piston blank a separately manufactured piston shaft is pushed over the piston hubs and radially encircling the ring field below an annular field of the piston crown added. Subsequently, the joint is machined, so that finally a finished, one-piece piston is available. Is it the piston around a cooling channel piston, so with or after manufacture of the piston crown introduced at least one recess in the piston crown, this Recess either after a cover with a separate component forms closed cooling duct or the closure of the open recess in the The piston crown is made by adding the piston skirt. Beyond that still have openings from the inside of the piston to the cooling duct in order to Cooling medium, especially engine oil, in the cooling channel during the operation of the To let pistons circulate.

Der Kolbenschaft weist im Bereich der Nabenbohrungen ebenfalls Öffnungen auf, wobei diese mindestens den gleichen oder einen größeren Durchmesser aufweisen als der Durchmesser der Bolzenbohrung. Durch diese Öffnungen in dem Kolbenschaft kann der Bolzen in die Bolzenbohrung geschoben und fixiert werden, um den Kolben mit einem Pleuel zu verbinden. Dabei ist es aufgrund der Konstruktion des Kolbens wesentlich, daß der Bolzen lediglich eine Länge aufweist, die sich zwischen den beiden Bolzennaben erstreckt und nicht bis in den Bereich des Kolbenschaftes hineinreicht. Aufgrund dieser Verkürzung des Bolzens ist eine Gewichtsersparnis der bewegten Massen gegeben. Aufgrund der Anfügung des Kolbenschaftes an das Ringfeld werden die auf den Kolben wirkenden Hauptkräfte über die an dem Kolbenboden anhängenden Kolbennaben (auch Nabenstuhl genannt) aufgenommen, während die auf den Kolben wirkenden Seitenkräfte über den Kolbenschaft (auch Hemd genannt) aufgenommen werden. Aufgrund der Konstruktion des Kolbens und der daraus resultierenden Kräfteverteilung können für den Nabenstuhl und das Hemd auch dem Einsatzzweck angepaßte Materialien verwendet werden. So wird beispielsweise der Kolbenboden mit den anhängenden Naben zwecks Erzielung einer hohen Festigkeit aus Stahl hergestellt, während der Kolbenschaft aus Aluminium oder einer entsprechenden Legierung bestehen kann. Kommt als Materialpaarung für den Nabenstuhl und das Hemd Stahl-Stahl oder Stahl-Aluminium (wobei es sich auch um Legierungen der genannten Materialien handeln kann) zur Anwendung, werden vorzugsweise die beteiligten Bauteile durch ein Schweißverfahren (wie z. B. Elektronenstrahl-, Schutzgas-, Laser- oder Reibschweißen) aneinander gefügt. Kommt als Materialpaarung Aluminium-Aluminium zur Anwendung, werden die beteiligten Bauteile ein Schweißverfahren (wie z. B. Schutzgas- oder Reibschweißen) oder durch Hartlöten aneinander gefügt. Die genannten Materialien und Fügeverfahren sind beispielhaft, so daß auch weitere Materialien (wie z. B. Magnesium oder Titan oder deren Legierung) beziehungsweise Materialkombinationen und Fügeverfahren zur Anwendung kommen können. The piston skirt also has openings in the area of the hub bores, these having at least the same or a larger diameter than the diameter of the bolt hole. Through these openings in the The piston shaft can be pushed into the pin bore and fixed around the Connect the piston to a connecting rod. It is due to the construction of the Piston essential that the bolt has only a length that between extends the two pin bosses and not into the area of the piston skirt extends. Due to this shortening of the bolt, a weight saving is the given moving masses. Due to the addition of the piston skirt to the Ring field, the main forces acting on the piston over the on the Piston bosses attached to the piston crown (also called hub hub), while the side forces acting on the piston over the piston skirt (also shirt called) are included. Due to the design of the piston and the resulting distribution of forces can be used for the hub chair and the shirt materials adapted to the application are also used. So will for example the piston crown with the attached hubs in order to achieve one high strength made of steel, while the piston skirt made of aluminum or an appropriate alloy. Comes as a material pairing for the hub chair and the shirt steel-steel or steel-aluminum (where it is can also be alloys of the materials mentioned) for use, the components involved are preferably replaced by a welding process (such as Electron beam, shielding gas, laser or friction welding) joined together. If aluminum-aluminum is used as a material combination, the involved components a welding process (such as inert gas or friction welding) or joined together by brazing. The materials and Joining processes are exemplary, so that other materials (such as magnesium or Titanium or its alloy) or material combinations and Joining processes can be used.

Ein erfindungsgemäßer Kolben, auf den die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist im folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert. A piston according to the invention, to which the invention is, however, not restricted, is described below and explained with reference to the figures.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Kolben 1 nach seiner Herstellung, wobei die einzelnen Herstellungsschritte anhand der Fig. 1 ebenfalls erläutert werden. Figs. 1 and 2 show a piston 1 after its manufacture, where the individual manufacturing steps can be also explained with reference to FIG. 1.

Der Kolben 1 weist einen Kolbenboden 2 auf, wobei der Kolbenboden 2 mit einem Ringfeld 3 versehen ist und mit einer Brennraummulde 4 versehen sein kann. Innerhalb des Ringfeldes 3 verläuft, zumindest, in Teilbereichen der Brennraummulde 4, radial umlaufend ein Kühlkanal 5, durch welchen ein Kühlmedium zirkuliert, um den Kolbenboden 2 zu kühlen. Unterhalb des Kolbenbodens 2 ist bei dem fertigen Kolben 1 ein Kolbenschaft 6 vorhanden. In diesem Bereich des Kolbenschaftes 6 sind Kolbennaben 7 mit Bolzenbohrungen 8 vorhanden, wobei bei der Herstellung die Besonderheit darin liegt, daß der Kolbenboden 2 und die anhängenden Kolbennaben 7 als Kolbenrohling vorgefertigt und gegebenenfalls fertig bearbeitet werden. Nach dieser Vorbereitung des Kolbenrohlings wird ein separat hergestelltes Bauteil 9 über die anhängenden Kolbennaben 7 geschoben, bis das separate Bauteil 9 mit seinem oberen Rand an dem unteren Rand des Ringfeldes 3 radial umlaufend zur Anlage kommt. In dem Stoßbereich 11 des unteren Randes des Ringfeldes 3 und des oberen Bereiches 10 des separaten Bauteiles 9 werden diese beiden Teile aneinander gefügt, insbesondere miteinander verschweißt. Nach dem Anfügen wird dieser Stoßbereich 11 bearbeitet, insbesondere überdreht, so daß der Kolben 1 danach einsatzbereit ist. Um den Bolzen, der die Verbindung zu dem Pleuel bildet, in die Bolzenbohrung 8 der Kolbennaben 7 schieben zu können, weist das separate Bauteil 9 an den entsprechenden Stellen Öffnungen auf, die mindestens den gleichen oder einen größeren Durchmesser aufweisen als den Durchmesser der Bolzenbohrung 8. Aufgrund dieser Konstruktion kann ein kurzer Bolzen verwendet werden, dessen Länge sich lediglich zwischen den beiden Kolbennaben 7, nicht jedoch bis in den Bereich des separaten Bauteiles 9 erstreckt. Durch diese Maßnahme und durch die Herstellung des separaten Bauteiles 9 aus einem leichten Material wie zum Beispiel Aluminium wird wirksam Gewicht eingespart. Weiterhin ist in der Figur zu erkennen, daß das separate Bauteil 9 derart einen oberen Bereich 10 aufweist, daß dieser obere Bereich 10 zusammen mit einer radial umlaufenden Ausnehmung im Kolbenboden 2 den Kühlkanal 5 bildet. Damit kann bei der Herstellung des Kolbenbodens 2 zunächst eine radial umlaufende, nach unten offene Ausnehmung in geeigneter Weise eingebracht werden, die teilweise den späteren Kühlkanal 5 bildet. Um den späteren Kühlkanal 5 nach unten abzuschließen, ist der obere Bereich 10 des separaten Bauteiles 9 entsprechend ausgebildet. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, daß der obere Bereich 10 in etwa L-Form aufweist, wobei der eine Schenkel eine Verlängerung des Ringfeldes 3 nach unten bildet und der nach innen gerichtete Schenkel radial umlaufend an der Außenkontur des Nabenstuhles zur Anlage kommt. Eine weitere Möglichkeit der Gestaltung des oberen Bereiches 10 besteht darin, daß dieser als nach oben offene radial umlaufende Rinne ausgebildet ist, wie dies in der Figur gezeigt ist. Damit weist das separate Bauteil 9 in seinem oberen Bereich 10 im Querschnitt in etwa U-Form auf, wobei auch Abweichungen davon möglich sind. Dabei ist es auch denkbar, den Anlagebereich des oberen Bereiches 10 an die Außenkontur des Nabenstuhles anzupassen. The piston 1 has a piston crown 2 , wherein the piston crown 2 is provided with an annular field 3 and can be provided with a combustion chamber trough 4 . Extends within the annular area 3, at least, radially encircling a cooling duct 5, through which circulates a cooling medium to cool in partial regions of the combustion bowl 4 around the piston head. 2 Below the piston head 2 , a piston shaft 6 is present in the finished piston 1 . In this area of the piston skirt 6 there are piston hubs 7 with bolt bores 8 , the special feature of the manufacture being that the piston crown 2 and the attached piston hubs 7 are prefabricated as a piston blank and are optionally finished. After this preparation of the piston blank, a separately manufactured component 9 is pushed over the attached piston hubs 7 until the separate component 9 comes to rest radially all around with its upper edge on the lower edge of the ring field 3 . In the joint region 11 of the lower edge of the ring field 3 and the upper region 10 of the separate component 9 , these two parts are joined together, in particular welded together. After the attachment, this joint area 11 is processed, in particular overturned, so that the piston 1 is then ready for use. In order to be able to push the bolt, which forms the connection to the connecting rod, into the bolt bore 8 of the piston hubs 7 , the separate component 9 has openings at the corresponding locations which have at least the same or a larger diameter than the diameter of the bolt bore 8 , Because of this construction, a short bolt can be used, the length of which only extends between the two piston hubs 7 , but not into the area of the separate component 9 . This measure and the production of the separate component 9 from a light material such as aluminum effectively save weight. Furthermore, it can be seen in the figure that the separate component 9 has an upper region 10 such that this upper region 10 forms the cooling channel 5 together with a radially circumferential recess in the piston crown 2 . Thus, in the manufacture of the piston crown 2 , a radially circumferential, downwardly open recess can first be introduced in a suitable manner, which partially forms the later cooling channel 5 . In order to close the later cooling channel 5 downwards, the upper region 10 of the separate component 9 is designed accordingly. This can be achieved, for example, in that the upper region 10 has an approximately L-shape, one leg forming an extension of the ring field 3 downward and the inwardly directed leg coming radially circumferentially against the outer contour of the hub chair. A further possibility of designing the upper region 10 is that it is designed as a radially circumferential channel which is open at the top, as shown in the figure. The separate component 9 thus has an approximately U-shape in cross section in its upper region 10 , deviations from which are also possible. It is also conceivable to adapt the contact area of the upper area 10 to the outer contour of the hub chair.

Weiterhin kann noch daran gedacht werden, daß das separate Bauteil 9 am unteren Ende der Kolbennaben 7 zur Anlage kommt sich in diesem Anlagebereich am Kolbennaben 7 abstützt. Auch zu diesem Zweck können die Anlagebereiche einander angepaßt sein. So zeigt Fig. 2 beispielsweise links eine Abstützung im Anlagebereich, während rechts keine Abstützung dargestellt ist. Hier kommen beispielsweise Form-, Press- oder Übergangspassungen in Betracht. Ebenso erfolgt noch ein Bearbeitungsschritt in der Weise, daß beim Verbinden entstehende Stauchwülste, Schweißwurzeln oder dergleichen zumindest teilweise, insbesondere aber vollständig entfernt werden. Bezugszeichenliste 1 Kolben
2 Kolbenboden
3 Ringfeld
4 Brennraummulde
5 Kühlkanal
6 Kolbenschaft
7 Kolbennaben
8 Bolzenbohrung
9 Separates Bauteil
10 Oberer Bereich des sep. Bauteiles
11 Stoßbereich
12 Sicherungsnuten .
Furthermore, it can also be considered that the separate component 9 comes to rest on the lower end of the piston hubs 7 in this bearing region on the piston hubs 7 . The plant areas can also be adapted to one another for this purpose. For example, FIG. 2 shows a support in the plant area on the left, while no support is shown on the right. Here, for example, form, press or transition fits can be considered. Likewise, there is another processing step in such a way that upsetting beads, welding roots or the like which arise during the connection are at least partially but in particular completely removed. Reference Signs List 1 Piston
2 piston crowns
3 ring field
4 combustion chamber trough
5 cooling channel
6 piston skirt
7 piston hubs
8 bolt hole
9 Separate component
10 Upper area of the separate component
11 joint area
12 locking grooves.

Claims

1. A method for producing a piston ( 1 ), in particular a cooling channel piston, characterized in that a piston crown ( 2 ) with attached piston hubs ( 7 ) is produced and a separate component ( 9 ) forming a piston skirt ( 6 ) via the piston hubs ( 7 ) pushed and below an annular field (3) of the piston head (2) is radially circumferentially attached to the ring zone (3).

2. The method according to claim 1, characterized in that the separate component ( 9 ) is added by welding or soldering to the ring field ( 3 ).

3. Piston ( 1 ) in particular a cooling channel piston, with a piston crown ( 2 ) and a piston skirt ( 6 ), characterized in that the piston crown ( 2 ) has attached piston hubs ( 7 ) and a piston hub ( 7 ) surrounding the piston skirt ( 6 ) forming separate component ( 9 ) is attached to the piston crown ( 2 ) in a radially circumferential manner.

4. Piston ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the separate component ( 9 ) has such an upper, in the direction of the ring field ( 3 ) directed region ( 10 ) that this upper region ( 10 ) at least with a radially rotating Recess in the piston crown ( 2 ) forms a cooling channel ( 5 ).

5. Piston ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the upper region ( 10 ) of the separate component ( 9 ) is designed as an upwardly open, radially circumferential groove.

6. Piston ( 1 ) according to one of claims 3 to 5, characterized in that the piston crown ( 2 ) with attached hubs ( 7 ) consists of a different material from the separate component ( 9 ).

7. Piston ( 1 ) according to one of claims 3 to 5, characterized in that the piston crown ( 2 ) with attached hubs ( 7 ) consists of the same material as the separate component ( 9 ).

8. Piston ( 1 ) according to one of claims 3 to 7, characterized in that at least the piston crown ( 2 ) made of a high-strength material, such as. B. steel, and the piston skirt ( 6 ), in particular its separate component ( 9 ), made of a light material, such as. B. aluminum.