DE19815485C2

DE19815485C2 - Kolben für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19815485C2
Application number: DE1998115485
Authority: DE
Inventors: Ralf Loeschner
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 1998-04-07
Filing date: 1998-04-07
Publication date: 2000-01-05
Anticipated expiration: 2018-04-08
Also published as: DE19815485A1

Description

Die Erfindung betrifft Kolben für hochbelastete Brennkraftmaschinen, aus duktilem, plastisch verformbarem Werkstoff, insbesondere Eisen- oder Aluminiumlegierungen, 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.

Kolben von Brennkraftmaschinen unterliegen enormen Belastungen, hervorgerufen durch Zünddruck, bzw. Gas- und Massenkräfte. Der Kolben wird durch in den Kolbenbolzen eingeleitete Kräfte elastisch verformt. Es treten sowohl in der Bolzennabe, als auch im Kolbenboden mehrachsige Spannungszustände mit hohen Spannungsgradienten auf. Insbesondere am Kolbenboden treten hohe Zug- und Druckspannungen auf, die bei Überschreitung der Dauerfestigkeit zu Ermüdungsrissen führen, die bei weiterer Rißfortschreitung den Kolben spalten. Um die Brennraummulde vor Ansrissen zu schützen, ist es bekannt, zum Beispiel gemäß US 5 660 156 A, die Brennraummulde mit einer zusätzlichen Bewehrung zu versehen. Diese zusätzlichen Bauteile müssen zum einen, separat hergestellt werden und zum anderen, kostenträchtig mit dem Kolben verbunden werden. Um dieses Problem zu beseitigen, ist man auch schon dazu übergegangen, die Brennraummulde unbewehrt zu gestalten und hat zur Verhinderung von Rissen sich auf den Bereich der Bolzennabe konzentriert. Aus der DE 44 31 990 A1 ist ein solcher Kolben zu entnehmen. Maßnahmen, die auf die Brennraummulde oder die Ringnuten abzielen, sind dieser Schrift nicht zu entnehmen.

Aus der DE 31 39 059 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Druckeigenspannungen in Teilabschnitten der Brennraummulde eines Kolbens zu entnehmen. Die betreffenden Teilabschnitte werden mechanisch verdichtet, um so die im Motorbetrieb durch Zugspannungen gefährdeten Teilbereiche des Brennraummuldenrandes zu schützen.

Aus der DE 39 03 722 C2 ist ein Kolben zu entnehmen, der im Bereich der Kolbenringnuten gehärtet ist. Die Härtung der Nut erfolgt durch eine Anodisierungsbehandlung. Anschließend wird die so behandelte Oberfläche mit einem Harz überzogen. Durch diese Maßnahmen soll das Ankleben des Aluminiums vom Kolben an den Kolbenring verhindert werden. Maßnahmen, die darauf abzielen, den Kolben zu verfestigen, um gleichzeitig auf eine Ringbewehrung verzichten zu können, werden nicht offenbart.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu grunde, einen gattungsgemäßen Kolben dahingehend zu verbessern, daß die Gefahr von Rißbildung im Kolbenkopf reduziert wird und gleichzeitg die Herstellungskosten gesenkt werden, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 2 gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen zur Herstellung des Kolbens sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Bei dem erfindungsgemäßen Kolben wird durch das Rollierverfahren eine erhebliche Materialverdichtung erzielt. Die aus der Vorbearbeitung des Kolbens, Gießen oder spanenden Bearbeitung, erzeugten Profilspitzen der Oberflächen werden kalt verformt und in die Bearbeitungsriefen eingewalzt.

Daraus resultiert eine wesentliche Oberflächenverfestigung. Dieser Umformungsprozeß erfolgt im µm-Bereich, so daß der Prozeß geeignet ist, als letzter Bearbeitungsschritt in der Herstellungskette eingesetzt werden zu können. Auf diese Weise ist eine gleichbleibende Qualität am Prozeßende auch bei der Bearbeitung in der Massenherstellung gewährleistet. In nur einem Arbeitsgang wird eine glatte Oberfläche und eine Härtung erzeugt. Der, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildete Kolben, zeichnet sich nicht nur durch ein verbessertes Betriebsverhalten aus, sondern reduziert auch die Fertigungskosten. Obwohl die Rolle des Rollierwerkzeuges beim Abrollen verschleißt, erzeugt sie trotzdem nach längerer Betriebszeit eine gleichbleibende Oberflächenqualität, so daß lange Werkzeugstandzeiten gegeben sind. Dadurch, daß kein Materialabtrag am Kolben entsteht, fällt auch kein Abfall an, der teuer entsorgt werden müßte.

Der erfindungsgemäße Kolben sowie das Herstellungsverfahren sind anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens während der Bearbeitung

Fig. 2 Ausschnittsvergrößerung gemäß Ansicht II der Fig. 1

Fig. 3 Ausschnittsvergrößerung gemäß Ansicht III der Fig. 1

Fig. 4 Ausschnittsvergrößerung des Wälzvorganges

In der Fig. 1 ist ein auf übliche Art und Weise hergestellter Kolben 1 für Brennkraftmaschinen dargestellt. In der Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung der auf der Oberfläche 2 vorhandenen Oberflächenrauhigkeit vor, und in Fig. 3 nach dem Rolliervorgang dargestellt. Durch eine Vorbearbeitung entstehen Riefen 3 mit Profilspitzen 4 (Fig. 4).

Die Profilspitzen werden mittels einer Rolle 5 eines Rollierwerkzeugs kalt verformt. Es können gleichzeitig mehrere Rollen verwendet werden. Nachfolgend wird nur das Prinzip des Verfahrens anhand einer einzigen Rolle 5 beschrieben.

Die Rolle 5 wird mit einem, an den Werkstoff des Kolbens angepaßten definierten Druck, auf die Oberfläche 2, 2' gepreßt. Mit definierter Geschwindigkeit wird die Rolle 5 über die Oberfläche 2 des Kolbens 1 gewälzt, dabei ist es unerheblich, ob die Rolle oder der Kolben in Rotation versetzt werden. Beim Abrollen werden die Profilspitzen 4 in die Riefen 3 eingewalzt. Dieser Vorgang wird nur wenige Sekunden lang durchgeführt und erzeugt eine Härtesteigerung auf der Oberfläche 2, 2' bei gleichzeitig verringerter Rauhigkeit. Auf diese Weise kann auf eine Bewehrung des Kolbens 1 im Bereich der Brennraummulde 6 verzichtet werden. Das für die Brennraummulde 6 beschriebene Rollierverfahren gilt im gleichen Maße auch für die Ringnuten 7, 8 des Kolbenrings. Die durch eine spanende Bearbeitung erzeugten Ringnuten 7, 8 weisen üblicherweise eine Rauhigkeit im Bereich R_Z < 2 µm auf. Die bei der Herstellung der Nuten erzeugten Bearbeitungsriefen weisen ebenfalls aus der Oberfläche heraustretende Profilspitzen auf. Durch den erfindungsgemäßen Rolliervorgang werden die Nuten gehärtet und insgesamt wird so die Festigkeit des Kolbens erhöht. Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil, daß auf den bisher in der obersten Nut 7 notwendigen Ringträger verzichtet werden kann.

Claims

1. Kolben für hochbelastete Brennkraftmaschinen, aus duktilem, plastisch verformbarem Werkstoff, insbesondere Eisen- oder Aluminiumlegierungen, 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (2') der dem Kolbenboden zugekehrten obersten Ringnut (7)durch ein Rollierverfahren geglättet ist, so daß eine Oberflächenrauhigkeit mit einer Rauhtiefe R_Z ≦ 2 µm und eine Randschichtverfestigung erzeugt ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für hochbelastete Brennkraftmaschinen, aus duktilem, plastisch verformbarem Werkstoff, insbesondere Eisen- oder Aluminiumlegierungen, 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 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen (2') der dem Kolbenboden zugekehrten obersten Ringnut zunächst mit einer Oberflächenrauhigkeit mit einer Rautiefe R_Z < 2 µm vorbearbeitet werden, und anschließend ein Rollierwerkzeug mit definiertem Druck relativ auf die Oberfläche (2') gepreßt und mit definierter Geschwindigkeit über die Oberfläche (2') gewälzt wird.

3. Verfahren nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzvorgang in nur einer Umfangsrichtung ausgeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß Druck und Geschwindigkeit des Wälzvorgangs so ausgelegt sind, daß die Fertigbearbeitung in etwa 2 bis 8 Sekunden erfolgt.