DE4112576A1 - Verfahren zur herstellung eines kolbens und nach diesem verfahren hergestellter kolben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines zweiteiligen Kolbens der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art sowie auf einen nach diesem Verfahren hergestellten Kolben gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 5.

Solche zweiteilige oder gegliederte Kolben sind für Verbrennungsmotoren bestimmt. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung des Kolbenkopfes eines solchen Kolbens.

Der zweiteilige oder gegliederte Kolben besteht aus zwei Teilen, nämlich einem oberen Teil oder Kolbenkopf, dessen Aufgabe es ist, den Druck aus dem Verbrennungsvorgang weiterzuleiten, und aus einem unteren Teil oder Kolbenschaft, der die Führung des Kolbenkopfes in dem Zylinder übernimmt. Der Kolbenschaft ist auf einem Paar von Nabenwülsten, die sich ausgehend von dem oberen Teil erstrecken, mittels eines Kolbenbolzens befestigt, der in Nabenlöchern gelagert ist, die sich an den unteren Enden der Nabenwülste befinden.

Bei Hochleistungsdieselmotoren, bei denen die Drücke und Temperaturen sehr hoch liegen und bis zu 17,24 MPa (2500 PSI) und 1000°C erreichen, wird der obere Teil des gegliederten Kolbens im allgemeinen dadurch hergestellt, daß ein Chromstahlblock oder ein Block aus niedriglegiertem Stahl bearbeitet wird. In den meisten Fällen wird von einem geschmiedeten Block ausgegangen, der zuvor in eine Form geschmiedet worden ist, die sehr wenig Bearbeitung bis zur Herstellung der Endform erfordert. Nach den herkömmlichen Verfahren wird der Block aus dem ausgewählten Material in die Form eines zylindrischen Werkstücks geschmiedet, das zwei einstückig angeformte Beine aufweist, die sich von diesem abwärts erstrecken. Die Beine werden auch als Nabenwülste bezeichnet. An dem von dem zylindrischen Teil entfernt liegenden Ende der beiden Beine weisen diese fluchtende Löcher auf.

Wegen der genannten thermo-mechanischen Belastungen wird üblicherweise an der Unterseite des Kopfes eines solchen Kolbens eine Umfangsnut vorgesehen, die zusammen mit einem Umfangstrog oder Kanal am oberen Teil des Schaftes eine Kühlölkammer bildet, die einen Teil der Hitze von dem Kolbenkopf während des Motorenbetriebs abführt.

Es ist jedoch eine schwierige und umfangreiche Arbeit, den Kolbenkopf fertigzustellen, denn zusätzlich zur Anfertigung einer Verbrennungskammer am oberen Teil zur Verbesserung der Verbrennung und zusätzlich zur Anfertigung einer Vielzahl von umlaufenden Nuten für die Kolbenringe besteht auch die Notwendigkeit, die Unterseite des oberen Teils zu bearbeiten, um eine umlaufende Nut für die Kühlkammer herzustellen. Dies ist ein kostenaufwendiges Verfahren und seine Anwendung ist auf axial-symmetrische Kammern beschränkt, d. h. auf Kammern, bei denen die umlaufende Nut konzentrisch mit der Längsachse des Kolbenkopfes ist. Die Versuche, die umlaufende Nut während des Schmiedens herzustellen, führten zu Bauteilen, die eine nicht ausreichende Formstabilität in demjenigen Bereich des Kopfes aufwiesen, der die Nuten für die Kolbenringe trägt. Darüber hinaus sind Beschädigungen während des Bearbeitens beobachtet worden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, nach dem ein zweiteiliger Kolben hoher Formstabilität unter möglichst geringen Produktionskosten herstellbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den kennzeichnenden Teilen der unabhängigen Ansprüche angegeben.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines gegliederten Gelenkkolbens angegeben, bei dem die beiden, den Kolbenkopf bildenden Teile, d. h. das Oberteil und die Nabenwülste, aus getrennten Werkstücken hergestellt und danach miteinander durch Schweißen verbunden werden, nachdem eine umlaufende Nut an der Unterseite des oberen Teils angefertigt worden ist.

Ein nach dem Verfahren hergestellten Kolben weist einen Kolbenkopf, bestehend aus einem Oberteil und aus einem Nabenteil auf, sowie einen von dem Kolbenkopf unabhängigen Kolbenschaft, der auf dem Nabenteil mittels eines in den Nabenlöchern des Nabenteils ruhenden Kolbenbolzens getragen wird, wobei das obere Teil mit dem Nabenteil durch Verschweißung verbunden ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Werkstück im Querschnitt, aus dem das Oberteil des Kolbenkopfes hergestellt wird;

Fig. 2 ein Werkstück im Querschnitt, von dem das Nabenteil des Kolbenkopfes hergestellt wird;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch das Oberteil des Kolbenkopfes, das bereits einer ersten Reihe von Bearbeitungsschnitten zur Herstellung einer Verbrennungsmulde und einer peripheren Umfangsnut unterzogen worden ist;

Fig. 4 einen Längsschnitt eines Nabenteils, das einer ersten Bearbeitung unterzogen worden ist;

Fig. 5 einen Längsschnitt eines Kolbenkopfes gemäß der Erfindung, der aus den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Teilen besteht und

Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen Kolbenkopf gemäß der Erfindung, der bis zu seiner Endform bearbeitet worden ist.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein erstes Metallwerkstück 10, das im wesentlichen zylindrische Form (Fig. 1) aufweist, in einer ersten Bearbeitungsphase mit einer Verbrennungsmulde 11, einer Ausnehmung 12 an der Unterseite der Verbrennungsmulde 11 und mit einer umlaufenden Nut 13 zwischen der Verbrennungsmulde 11 und der Außenwand des Werkstückes, wie in Fig. 3 gezeigt, versehen. Die Verbrennungsmulde befindet sich an der oberen Stirnseite des Werkstücks während die Ausnehmung 12 ihr gegenüber an der unteren Stirnseite des Werkstücks liegt. Die umlaufende Nut 13 öffnet sich ebenfalls zur unteren Stirnseite des zylinderförmigen Werkstücks und umgibt die Ausnehmung 12.

Das Metallwerkstück 10 ist vorzugsweise ein Schmiedestück oder ein Gußstück aus einer Chrom-Molybdän-Stahllegierung, aus einem niedriglegierten Stahl oder einem anderen geeigneten Material. Die Verwendung eines Werkstücks mit einem zylindrischen Querschnitt derart, daß die Abmessungen möglichst nahe bei den Endabmessungen des Kopfteiles liegen, hat den Vorteil, daß Bearbeitungsschritte vermieden werden können.

Danach wird ein zweites Metallwerkstück 20 einer ersten Bearbeitungsphase unterzogen, die eine Querschnittsverengung und die Bildung einer zentralen kreisförmigen Ausnehmung 21 an einer der Stirnseiten des Werkstückes umfaßt, wodurch ein umlaufender Kragen 22 gebildet wird. Das Material des Werkstückes 20 ist vorzugsweise eines der obengenannten Materialien, die für die Herstellung des Metallwerkstücks 10 ausgewählt wurden. Andere geeignete Materialien können jedoch ebenso verwendet werden.

Danach werden die in den Fig. 3 und 4 gezeigten Werkstücke 10 und 20 zusammengefügt, wie das in Fig. 5 dargestellt ist. Die Oberkante des Kragens 22 wird dabei auf das untere Ende der Innenwand der Nut 13 ausgerichtet. Die beiden Werkstücke 10 und 20 werden danach durch Schweißen, vorzugsweise Reibungsschweißen, miteinander verbunden, wobei das Schweißen ohne Schmelzen der zu verbindenden Materialien erfolgt und somit die Struktureigenschaften der Materialien beibehalten werden. Schließlich wird nach dem erfolgten Zusammenschweißen der Kolbenkopf der Endbearbeitung unterzogen, wobei Ringnuten 15, Lagerteile 23 und Lagerlöcher 24 vorgesehen werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines zweiteiligen Kolbens mit einem Kolbenkopf, der ein Oberteil (10) und ein Nabenteil (20) aufweist, und mit einem von dem Kolbenkopf unabhängigen Kolbenschaft, der auf Nabenwülsten (23) mittels eines in Nabenlöchern (24) gelagerten Kolbenbolzens befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenkopf nach folgenden Verfahrensschritten hergestellt wird:

• a) ein erstes zylindrisches Metallwerkstück (10) wird bearbeitet, wobei eine obere Verbrennungsmulde (11), eine untere umlaufende Nut (13) und eine untere zentrale Ausnehmung (12) gebildet werden;
• b) ein zweites Metallwerkstück (20) wird bearbeitet, wobei eine kreisförmige zentrale Ausnehmung (21) an einem Ende des zweiten Werkstücks (20) gebildet wird, welche Ausnehmung sich bis in die Nähe der Außenkontur des zweiten Werkstücks (20) erstreckt und die zentrale Ausnehmung (21) umgibt, so daß ein Kragen (22) gebildet wird;
• c) die Oberkante des Kragens (22) wird auf das untere Ende der Innenwand der umlaufenden Null (13) gerichtet und die Werkstücke (10, 20) werden durch Schweißen verbunden;
• d) der aus den Werkstücken (10, 20) bestehende Kolbenkopf wird bearbeitet, um Ringnuten (15), Nabenwülste (23) und Nabenlöcher (24) zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden der beiden Werkstücke (10, 20) durch Reibverschweißung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstücke (10, 20) Schmiede- oder Gußstücke verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (10, 20) aus einem Chrom-Molybdän-Stahl oder einem niedriglegierten Stahl bestehen.

5. Zweiteiliger Kolben mit zwei gelenkig gelagerten Gliedern, der einen Kolbenkopf mit einem Oberteil (10) und ein Nabenteil (20) sowie einen von dem Kolbenkopf unabhängigen Kolbenschaft aufweist, der auf dem Nabenteil mittels eines in Nabenlöchern ruhenden Kolbenbolzens getragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberteil (10) mit dem Nabenteil (20) durch Reibverschweißung verbunden ist.