DE2549244C3

DE2549244C3 - Verfahren zum konischen Aufweiten der Endbereiche von Bolzennabenbohrungen an Kolben für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2549244C3
Application number: DE2549244A
Authority: DE
Inventors: Roland 7141 Schwieberdingen Goetz; Siegfried 7000 Stuttgart Stauss
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 1974-07-24
Filing date: 1975-11-04
Publication date: 1978-04-27
Also published as: FR2279989A1; FR2279989B1; DE2549244A1; DE2549244B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum konischen Aufweiten der dem Kolbenzentrum zugewandten Endbereiche von zylindrischen Bolzennabenbohrungen an Kolben für Verbrennungsmotoren, insbesondere an Leichtmetallkolben, durch Rollieren mittels zylindrischer Druckwalzen, die in im wesentlichen paralleler Lage zur Achse der Bolzennabenbohrung in diese eingeführt werden.

Das Aufweiten der genannten Bereiche von Kolbenbolzen-Nabenbohrungen erfolgt zu dem Zweck, Nabenanrisse in diesen Bereichen zu verhindern. Denn durch die auf den Kolbenbolzen einwirkenden Kräfte erfahren die Kolbenbolzen zum Teil eine geringe Durchbiegung und Ovalverformung, die dann zu Beschädigungen der Bolzennaben führen könne; Bolzenncbenbohrungen, die

s an ihren der Kolbenachse zugewandten Enden aufgeweitet sind, sind gegen eine Beschädigung auf Grund der zuvor genannten Kolbenbolzen verformung weniger anfällig. Hierauf wird bereits in der DE-OS 21 52 462 hingewiesen. Dort wird nämlich vorgeschlagen, zum

ίο Abbau von Spannungsspitzen am InnenrtJid der Bolzennabenbohrung deren Kante mit einem Radius zu verrunden oder den Bolzennaben in diesem Bereich eine solche Elastizität zu geben, daß die Bolzennaben etwa der Durchbiegung des Kolbenbolzens folgen, ohne

dabei eine Oberbeanspruchung des Kolben werkstoff es hervorzurufen. Als ebenfalls bekannt wird dort angeführt, den Innenrand der Nabenbohrung mit einer Steigung von 1:100 mm konisch auszubilden. Für Bolzen, die sich unter den auf sie einwirkenden Kräften auch noch in ihrem Querschnitt oval verformen, ist in dieser Offenlegungsschrift auch noch worgeschlagen, die Nabenbohrungen querschnittsmäßig an derartige Ovalverformungen durch eine entsprechende Formgebung anzupassen.

Besondere Spannungsspitzen, die dann häufig zu Nabenrissen führen, entstehen im Bereich der Innenseiten der Naben jeweils an den Übergangsstellen von dem zylindrischen Teil -i'<er Nabenbohrung /11 den daran angrenzenden Randbereichen. Im günstigsten Fall

;io weisen diese, wie oben beschrieben, eine abgerundete oder sich zur Kolbenachse hin konisch erweiternde Form auf. Die Formgebung dieser Randzonen erfolgt dabei meist durch zerspanende Bearbeitung der Bohrungsöffnung (US-PS Re. 26 764). Dadurch bilden sich zwischen dem zylindrischen Bereich und der Randfläche der Nabenbohrung mehr oder weniger scharfkantige

Übergänge aus, mit der Folge, daß Nabenrisse

bevorzugt an diesen Stellen auftreten.

Man hat zwar auch schon versucht, die gefährdeten

Φ Enden der Nabenbohrungen spanlos aufzuweiten (US-PS 23 88 363), und zwar mitteis eines eingesetzten Kolbenbolzens, der bei eingespanntem Kolben durch eine in seinem Mittelbereich quer zu seiner Achse aufgebrachte Kraft etwa der Betriebsbelastung entsprechend durchgebogen wurde. Damit können jedoch nur eng begrenzte Umfangsbereiche der Nabenbohrungsenden verformt werden, und es besteilt die Gefahr, daß der Kolbenbolzen und der Kolben selbst dabei beschädigt werden.

:;o Mit den bekannten Rollierverfahren (»Metalworking Production«, 3. Juni 1964, Seiten 49 bi;s 54) dagegen läßt sich lediglich die Oberflächenbeschaffenheit der zylindrischen Bohrungswände der Bolzennabenbohrungen üDer deren gesamte Länge gleichmäßig verbessern. Das

:i5 Aufweiten einzelner Bereiche mit knickfreiem Übergang vom zylindrischen zum aufgeweiteten Teil ist mit den hierbei üblichen Maßnahmen nicht möglich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, diese Nachteile zu vermeiden und zu diesem Zweck ein Bearbeitungsverfahren vorzuschlagen, mit dem auf einfache und sichere Weise ein einwandfreier Übergang zwischen dem zylindrischen und dem konisch aufgeweiteten Teil der Nabenbohrung erzielt werden kann.

^ Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die eingangs erwähnten Druckwalzen während des. Abrollens an der aufzuweitenden Umfangsfläche der Bolzennabenbohrung unter Walzdruck kontinuierlich bis auf das dem

gewünschten Konuswinkel der Aufweitung entsprechende MaB geneigt und dabei vom Neigungsverlauf abhängig gleichzeitig gegenüber der Bolzennabenbohrung so verschoben werden, daß eine praktisch stufenlose Obergangshüllfläche zwischen dem zylindrtsehen und dem konisch aufgeweiteten Bereich der Bolzennabenbohrung entsteht

Auf diese Weise wird der Grenzbereich zwischen zylindrischem und konkchem Teil der Bohrung praktisch übergangslos verformt, und zwar mit einer ι ο sehr geringen, von Null ausgehenden Neigung zu Beginn der Aufweitung am Ende des zylindrischen Bohrungsbereiches.

Bei dem erfindungsgemäßen Rollieren zum Aufweiten des dem Kolbenzeiitrum zugewandten Endes der Nabenbohrungen wird eine sich auf die Festigkeit des Bohrungsrandes günstig auswirkende Materialverdichtung in diesem Bereich erzielt Das erfindungsgemäße Rollieren erfolgt gewöhnlich an dem bereits fertig bearbeiteten Nabenmaterial, wobei die Nabenbohrung selbst auch mit einer Gleitschicht überzogen sein kann.

Ausgehend von einem Stand der Technik, wie er z. B. aus »Maschinenmarkt-Industriejournal« 7g, (1972) 73, Seite 1673, mittlere Spalte bekannt ist, verwendet man zur Durchführung des angegebenen Rollierverfahrens eine Vorrichtung, die im wesentlichen aus einem demgegenüber etwas abgeänderten Dorn und einem in bestimmter Weise darauf verschiebbaren Rollenkäfig besteht Einzelheiten dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in Anspruch 2 wiedergegeben.

In dem erwähnten Rollenkäfig sind die Druckwalzen vorzugsweise derart gelagert daß ihre Achsen innerhalb der Mantelfläche des Käfigs gegenüber der Längsachse des Rolldornes geneigt sind, und zwar um beispielsweise 2°.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lehre besteht in erster Linie darin, daß sich an der Grenze zwischen zylindrischem und konischem Bereich der Nabenbohning keine kantigen Übergänge ausbilden. Darüber hinaus trägt das Zusammenpressen des Randmate ^;als an den Nabenbohrungen auch noch zu einer an sich recht wünschenswerten Verdichtung des Materials in diesem Bereich bei. Das Aufweiten nach der Erfindung kann außerdem sowohl an Nabenbohrungen erfolgen, deren fertig bearbeitete Zylinderbohrungsflächen an der Nabeninnenseite jeweils direkt in den Bereich des unbearbeiteten Gußri.aterials der Naben übergehen, wobei dem angrenzenden Gußmaterial eine solche Form gegeben sein kann, daß es sich zur Nabenbohrung hin konisch verjüngt, als auch an Nabenbohrungen, dere.i Innenränder spanabhebend abgerundet worden sind.

Ein Aujführungsbeispiel der Erfindung sowie eine Darstellung des erfindungsgemäßen Rolliervorganges sind in der Zeichnung jeweils schematisch dargestellt Es zeigt

F i g. I eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Rollierverfahrens mit einem auf dieser angeordneten Kolben im Schnitt,

F i g. 2 eine Teilabwicklung des Rollenkäfigs mit darin schräg angeordneten Druckwalzen,

F i g. 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Rollierens.

In die zylindrischen Bolzennabenbohrungen 1 eines aus Aluminium bestehenden Kolbens 2 ist ein Dorn 3 eingeführt. Längi dieses Domes ist ein Käfig 4 mit Druckwalzen 5 verschiebbar. Das Verschieben des Käfigs 4 erfolgt mit Kufe des Kolbens 2 über den Anschlag 4' an dem Käfig 4. Der Dorn 3 weist einen Arbeitsbereich A auf, in dem er von rechts nach links (Fig. 1) unter dem Winkel « konisch erweitert ist Obwohl die Aufweitung bei einem Schnitt durch die Nabe kurvenförmig verläuft, setzt sie sich aus einzelnen unendlich eng aneinanderliegenden Sehnen zusammen. Die Konizität des Arbeitsbereiches A muß daher also mindestens so groß sein wie die Steigung der letzten zum Kolbenzentrum gelegenen Sehne der Nabenbohrungserweiterung. Die Druckwalzen 5 sind in dem Käfig

4 so gelagert daß sie sich der Konizität des Domes 3 in dem Arbeitsbereich A anpassen können. Der Dorn 3 ist drehbar gelagert und in Längsrichtung nicht verschiebbar.

Das erfindungsgemäße Rollieren der zur Kolbenachse hin gelegenen Enden der Bolzennabenbohrungen 1 wird nun in folgender Weise durchgeführt:

In der Ausgangsstellung befindet sich der Käfig 4 mit den Druckwalzen 5 derart auf dem in der Zeichnung rechts von dem konischen Arbeitsbereich A gelegenen zylindrischen Teil 6 des Domes 3, r"'-:3 die Druckwalzen

5 noch nicht auf dem konischen Arbeitsbereich A des Domes 3 zu liegen kommen. Bei dieser Lage des Käfigs 4 wird der Kolben 2 mit den Bolzennabenbohrungen 1 so weit darüber geschoben, bis er an dem Anschlag 4' des Käfigs 4 zu liegen kommt. Der Dom 3 wird bereits durch einen nicht dargestellten Motor in Rotation gehalten. Zum Aufweiten der Nabenbohrungsenden wird jetzt der Käfig 4 mit den Druckwalzen 5 durch Verschieben des Kolbens 2 in der Zeichnung nach links über den Anschlag 4' auf den konischen Arbeitsbereich A des Domes 3 geschoben. Dabei neigen sich die Druckwalzen 5 beim Übergang auf den konischen Arbeitsbereich A allmählich aus der Horizontalen heraus. Gleichzeitig erfolgt eine Verschiebung der Druckwalzen 5 in Richtung des Kolbenzentrums hin, und zwar trotz unverändert bleibender Lage des Käfigs 4 gegenüber dem Kolben 2. Denn die schiebende Wand der Käfigtasche greift jeweils an der pußerrn, vom Kolbenzentrum abgewandt liegenden Stirnkante der jeweiligen Druckwalze 5 nur in dem der Umfangsfläche der Bolzennabenbohrung 1 nächstgelegenen Bereich an, wodurch eine mit der Neigung der Druckwalzen 5 zunehmende Relativverschiebung zwischen Druckwalzen 5 und Käfig 4 in dessen Axialrichtung eintritt. Bei den erfindungsgemäß in Frage kommenden, relativ kleinen Aufweitwinkeln reicht eine solche Verschiebung der Druckwalzen 5 bereits zur Erzeugung der gewünschten stufenlosen Übergangskrümmung aus. Einzelne Zwischenlagen der Druckwalzen 5 und ihre Einwirkung auf den aufzuweitenden Nabenbereich sind in der schematischen Darstellung der F i g. 3 wiedergegeben. Teil a zeigt die Ausgangs-, Teil b eine Zwischen- und Teil c entweder eine weitere Zwischen- oder auch bereits die Endlage der Druckwalzen 5.

Wie man aus dieser Darstellung erkennen kann, reihen sich die in den Endbereich der Bolzennabenbob rung 1 eingeformten Schrägen derart aneinander, daß sich eine stufenlose Aufweitung einstellt. Die Aufweitung der zweiten Nabe des Kolbens 2 erfolgt dann in analoger Weise, nachdem man den Kolben 2 um 180° verdreht und erneut auf die Aufweitvorrichtung aufgebracht hat

Bei einem Leichtmetallkolben mit einem Nabenbohrungsdurchmesser von 26 mm und einer mit einem Radiusstahl abgedrehten Abrundung mit einem Radius von 2 mm am inneren Auslauf des zylindrischen Teils der Bolzennabenbohrung 1 betrug die maximale,

konische Aufweitung auf den Durchmesser bezogen etwa 20 [im. Die Breite des aufgeweiteten Bereiches maß etwa 2,5 bis 3 mm. Der zylindrische Teil der Bolzennabenbohrung 1 betrug 14 mm. Die Konizität des Domes 3 in dem Arbeitsbereich A betrug 30 min. Die Druckwalzen 5 in dem Käfig 4 waren 16 mm lang und hatten einen Durchmesser von 6 mm. In dem Mantel des Käfigs 4 waren die Druckwalzen 5 in einer Schräge von 2" gegenüber der Käfigachse angeordnet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

t. Verfahren zum konischen Aufweiten der dem Kolbenzentrum zugewandten Endbereiche von zylindrischen Bolzennabenbohrungen an Kolben für Verbrennungsmotoren, insbesondere an Leichtmetallkolben, durch Rollieren mittels zylindrischer Druckwalzen, die in im wesentlichen paralleler Lage zur Achse der Bolzennabenbohrung in diese eingeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwalzen (5) während des Abrollens an der aufzuweitenden Umfangsfläche der Bolzennabenbohrung (1) unter Walzdruck kontinuierlich bis auf das dem gewünschten Konuswinkel der Aufweitung entsprechende MaQ geneigt und dabei vom Neigungsverlauf abhängig gleichzeitig gegenüber der Bolzennabenbohrung (1) so verschoben werden, daß eine praktisch stufenlose Übergangshüllfläche zwischen dem zylindrischen und dem konisch aufgeweiteten Bereich der BolzennabenbohrunsJl) entsteht
2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem achsparallel in die Bolzennabenbohrung einführbaren, einen konischen Arbeitsbereich aufweisenden, drehantreibbaren Dorn, auf dem die zylindrischen Druckwalzen abrollen, die gleichmäßig über den Umfang des Domes verteilt in einem auf dem Dorn axial verschiebbaren Käfig gelagert sind, der mit einem Anschlag für den Kolben versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (3) auf der Seite des kleineren Duichmessersdes konischen Arbeitsbereiches (A) einen zylindrischen Teil (6) des gleichen kleinen Durchmessers aufweist und daß dii: Axialverschiebung des Käfigs (4) mit ■ :n Druckwalzen (5) über den Anschlag (4'), der die axiale Arbeitstage der Druckwalzen (S) im aufzuweitenden Bereich der Bolzennabenbohrung (1) des Kolbens (2) bestimmt, mittels des Kolbens (2) ohne Relativbewegung zwischen Käfig (4) und Kolben (2) in der Weise erfolgt, daß die beim Einführen des Domes (3) in die Bolzennabenbohrung (1) sich zunächst vollständig auf dem zylindrischen Teil (6) des Domes (J/ befindenden Druckwalzen (5) während des Abrollens vom Käfig (4) zunehmend auf den konischen Arbeitsbereich (A) des Domes (3) geschoben werden, dessen Konuswinkel mindestens dem der gewünschten Aufweitung entspricht, wobei der Angriffspunkt der Schiebekraft des Käfigs (4) an den Druckwalzen (5) immer jeweils in dem der Umfangsfläche der Bolzennabenbohrung (1) nächstgelegenen Stirnkantenbereich der dem Kolbenzentrum abgewandten Druckwalzenstirnfläche liegt.