DE4112889C2 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbenkopfes mit Kühlung für einen mehrteiligen, gegliederten Kolben für Verbrennungsmotore, sowie danach hergestellter Kolbenkopf - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Kolbenkopfes mit Kühlung für einen mehrteiligen, gegliederten Kolben für Verbrennungsmotore, sowie danach hergestellter Kolbenkopf

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenkopfes der im Patentanspruch 1 genannten Art, sowie auf einen Kolbenkopf gemäß Patentanspruch 5.
Solche gekühlten Kolben sind für Verbrennungsmotoren bestimmt. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung des Kolbenkopfes eines zweiteiligen oder gegliederten Kolbens, der mit einer verbesserten Kühleinrichtung versehen ist.
Die Hauptbauteile eines aus zwei gelenkig verbundenen Gliedern bestehenden Kolbens, nämlich der Kolbenkopf und der Kolbenschaft, sind unabhängige Bauteile. Der Kopf, der aus einem Oberteil und einem Nabenteil besteht, ist in der Regel aus geschmiedetem oder gegossenem Stahl gefertigt, während der Kolbenschaft aus einem leichteren Material, im allgemeinen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, besteht. Diese Art von Kolben wird für Dieselmotoren, insbesondere für Dieselmotoren der letzten Generation eingesetzt, bei denen die Verbrennungsdrücke und Temperaturen im Motor sehr hoch liegen. Diese Bedingungen, die den Kolbenkopf sehr belasten, haben dazu geführt, daß üblicherweise die Kolbenkrone mit einer Kühlkammer für die Zirkulation von Öl versehen wird, um einen Teil der Wärme von mindestens zwei Bereichen abzuführen, die sehr empfindlich für den Einfluß erhöhter Temperaturen sind, nämlich von dem Kolbenringbandbereich und dem Rand der Verbrennungsmulde.
Eine verbreitete Kühlkammerkonstruktion besteht darin, daß eine Umfangsnut an der Kolbenkrone zwischen der Verbrennungsmulde und dem Kolbenringband und ein umlaufender Trog oder eine umlaufende Rinne am oberen Abschnitt des Kolbenschaftes angebracht werden, so daß bei zusammengesetztem Kolben die Nut und der Trog eine halboffene Kühlkammer für die Zirkulation des Kühlöls bilden.
Wenngleich eine solche Kammer für die meisten Anwendungsfälle geeignet ist, ist sie nicht vollständig zufriedenstellend für die Fälle, in denen eine höhere Kühlwirkung verlangt ist. Ein Nachteil besteht darin, daß der untere Bereich der Kolbenkrone, d. h. der Bereich unterhalb der Verbrennungsmulde, der nicht von der Wirkung der Kühlkammer erreicht wird, schlecht gekühlt ist. Ein anderer Nachteil folgt aus der Bauweise der halboffenen Kammer und besteht darin, daß ein Teil des Kühlöls von dem Trog am oberen Teil des Kolbenschaftes abfließt und dadurch die Menge des in der Kammer vorhandenen Kühlöls reduziert und folglich die Kühlwirkung auf das Kolbenringband und den Bereich der Verbrennungsmuldenwand verringert ist.
Aus DE 36 43 039 A1 ist ein zweiteiliger Kolben für Verbrennungsmotoren bekannt, dessen Kopfteil einen radial innerhalb der Kolbenringnuten liegenden Ringraum auf­ weist, dessen Öffnung in Richtung des Kolbenschafts durch ein angebördeltes Blechteil abgedeckt ist, so daß sich ein geschlossener Kühlkanal ergibt.
Aus DE 29 19 638 A1 ist ein zweiteiliger Kolben bekannt, bei welchem sich geschlos­ sene Kühlkanäle dadurch ergeben, daß ein aus geschmiedetem Stahl bestehendes Ober­ teil sich mit an seiner Unterseite verlaufenden Rippen auf entsprechenden gegenüber­ liegenden Teilen eines gußeiserenen Unterteils abstützt. Das Ober- und das Unterteil sind miteinander verschweißt. Aufgrund der Paarung zweier unterschiedlicher Werk­ stoffe ist die Schweißverbindung jedoch problematisch, so daß diese üblicherweise über eine Zwischenschicht aus Nickel realisiert wird, was den Fertigungsaufwand er­ höht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenkopfes zu schaffen, bei dem eine wirksame Kühleinrichtung für alle diejenigen Kolbenkopfteile vorgesehen ist, die besonders hohen Temperaturen ausgesetzt sind, nämlich das Kolbenringband, die Wände der Verbrennungsmulde und der Unterbereich der Kolbenkrone. Das Verfahren soll sich durch möglichst geringe Produktionskosten und der nach dem Verfahren hergestellte Kolben durch hohe Formstabilität des weiteren auszeichnen. Weiterhin soll ein nach diesem Verfahren hergestellter Kolbenkopf zur Verfügung gestellt werden.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 5 angegeben.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung des Kolbenkopfes eines gegliederten Kolbens nach der Erfindung werden die beiden Teile, die den Kolbenkopf darstellen, nämlich das Oberteil und das Nabenteil, getrennt hergestellt, wobei ein Kühlöltrog am Oberteil installiert wird, und danach wird das Oberteil, das den Kühlöltrog enthält, mit dem Nabenteil verbunden.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenkopfes geschaffen, bei dem der Kolbenkopf mit einer geschlossenen Kühlkammer versehen ist, die in den Kolbenkopf integriert ist.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: Einen Längsschnitt eines Werkstückes, aus dem der obere Teil des Kolbenkopfes gemäß der Erfindung hergestellt wird;
Fig. 2: Einen Längsschnitt eines Werkstückes, aus dem der untere Teil des Kolbenkopfes gemäß der Erfindung hergestellt wird;
Fig. 3: Einen Längsschnitt des oberen Teils des Kolbenkopfes gemäß der Erfindung, hergestellt aus dem Werkstück nach Fig. 1;
Fig. 4: Eine Draufsicht des Teiles des Kühltroges, der den Boden der Kühlkammer des erfindungsgemäßen Kolbens bildet;
Fig. 4a: Einen Schnitt des in Fig. 4 gezeigten Troges;
Fig. 5: Einen Längsschnitt des oberen Teils des Kolbenkopfes wobei der Trog gemäß Fig. 4 am Boden des oberen Teils angeordnet ist;
Fig. 6: Einen Längsschnitt des unteren Teils oder Nabenteils des Kolbenkopfes gemäß der Erfindung, der aus dem in Fig. 2 gezeigten Werkstück hergestellt ist;
Fig. 7: Einen Längsschnitt des Kolbenkopfes gemäß der Erfindung bei dem der obere Teil (Kolbenkopf) und der untere Teil (Nabenteil) miteinander verbunden sind;
Fig. 8: Einen Längsschnitt des Kolbenkopfes gemäß der Erfindung, wobei der obere Teil und der untere Teil zu ihrer endgültigen Form verarbeitet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Werkstück 1, vorzugsweise aus Stahl vorgesehen, das durch Schmieden, Stranggießen oder Sintern hergestellt worden ist. Bei dem Werkstück handelt es sich vorzugsweise um einen zylinderischen Körper, dessen Durchmesser möglichst nahe beim Durchmesser des fertigen Teiles liegt, wodurch Bearbeitungsschritte reduziert werden können, was sich günstig auf die Herstellungskosten auswirkt. Das Werkstück wird einer ersten Reihe von Bearbeitungsschritten unterzogen, wobei eine obere Verbrennungsmulde 3 eine untere Umfangsnut 4 und eine Ausnehmung unterhalb der Verbrennungsmulde 3, hergestellt werden, derart, daß eine Vielzahl von kreisabschnittförmigen länglichen Stegen 5 entstehen, die winkelmäßig voneinander beabstandet sind (Fig. 3). Danach wird eine im wesentlichen kreisförmige Platte, vorzugsweise aus Stahl, mit einem zentralen Loch 6e und einer Vielzahl von Schlitzen 6c versehen, die voneinander durch Bereiche 6d beabstandet sind. Auf diese Weise wird eine äußere Ringfläche 6a und eine innere Ringfläche 6b gebildet, wie dies in den Fig. 4 und 4a gezeigt ist. Bei der nachfolgenden Bearbeitung wird die Platte 6 auf den unteren Bereich des Teils 1 gesetzt, wobei die länglichen Stege 5 des oberen Teils 1 in die Schlitze 6c der Platte 6 eingefügt werden. Dabei wird die äußere Umfangsfläche 6a so positioniert, daß sie die Umfangsnut 4 verschließt und auf diese Weise mit der Nut 4 eine geschlossene Kammer 10 (Fig. 5) bildet.
Danach wird ein Werkstück 2 bereit gestellt, das aus dem gleichen Material wie das Werkstück 1 bestehen kann und nach den gleichen Verfahren gewonnen wird. Dieses weist vorzugsweise einen Querschnitt auf, der im wesentlichen gleich der Form der Nabenwülste in ihrer Endform ist. Das Werkstück 2 wird bearbeitet, um eine kreisrunde Ausnehmung an einer seiner Stirnseiten und eine Durchmesserverringerung rings um diese Ausnehmung zu schaffen, wodurch ein kreisförmiger umlaufender Steg 2a gebildet wird. Das Werkstück 2 wird dann mit dem Werkstück 1 verbunden. Hierzu wird die Oberkante des umlaufenden Steges 2a des Werkstückes 2 auf das untere Ende des Steges 5 ausgerichtet und die beiden Teile durch Verschweißen, vorzugsweise Reibverschweißung, verbunden. Das Verfahren der Reibverschweißung wird vorgezogen, da die Verbindung ohne Schmelzen der zu verschweißenden Materalien erfolgt und somit das Auftreten von Poren, die die Qualität der Verbindung beeinträchtigen könnten, vermieden ist. Nach Vollendung der Verschweißung, wird die Platte 6 fest in dem Kolbenkopf gehalten und die äußere Ringfläche 6a verschließt die Nut 4 und bildet eine geschlossene Kammer 10 für Kühlöl (Fig. 7). Schließlich wird der aus dem Oberteil 1 und dem Nabenteil 2 bestehende Kopf, der die Platte 6 enthält, der Schlußbearbeitung unterzogen, wobei die Nabenwülste 9, die Löcher 8 für den Kolbenbolzen und die Ringnuten 7 gefertigt werden.
Die Kühlölzufuhr in die Kammer erfolgt mittels einer Düse (nicht dargestellt). Das Öl wird durch das zentrale Loch 6e der Platte 6 eingespritzt und prallt auf den unteren Bereich der Kolbenkrone, wobei ein Teil der in diesem Bereich vorhandenen Wärme abgeführt wird. Ein Teil des auf diese Weise zuge­ führten Öls läuft in das Kurbelwellengehäuse durch das gleiche zentrale Loch 6e zurück, während das restliche Öl in Richtung auf die Kammer 10 durch die Bereiche 6d der Platte 6 fließt. Infolge der Hin- und Herbewegung des Kolbens wird das in der Kammer 10 eingeschlossene Öl ähnlich wie in einem Cocktailbecher geschüttelt, wodurch ein Teil der Wärme von den Wänden der Verbrennungsmulde und dem Kolbenringbereich abgeführt wird. Die Ölzufuhr erfolgt in einem kontinuierlichen Kreislauf, so daß mindestens ein Teil des Öls in der Kammer immer frisch ist, wodurch eine wirksame Kühlung und die Aufrechterhaltung von optimalen Temperaturbedingungen an den verschiedenen Teilen des Kolbenkopfes gewährleistet ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenkopfes mit Kühlung für einen mehrteiligen, gegliederten Kolben für Verbrennungsmotoren, mit folgenden Verfahrensschritten:
  • a) es wird von einem ersten Werkstück (1) von im wesentlichen zylinderischer Form ausgegangen;
  • b) das erste Werkstück (1) wird mit einer oberen Verbrennungsmulde (3), einer unteren Umfangsnut (4) und einer Ausnehmung unterhalb der Verbrennungsmulde (3) versehen, derart daß die Ausnehmung von einer Vielzahl von länglichen Umfangsstegen (5) umgeben ist, die winkelmäßig voneinander beabstandet sind;
  • c) es wird eine im wesentlichen kreisrunde Metallplatte (6) bereitgestellt;
  • d) die Metallplatte (6) wird mit einem zentralen Loch (6a), einer Vielzahl von Schlitzen (6c), die umfanglich verlaufen und winkelmäßig voneinanderdurch Bereiche (6d) beabstandet sind, versehen, wobei eine äußere Ringfläche (6a) und eine innere Ringfläche (6b) gebildet werden;
  • e) die Metallplatte wird auf den unteren Teil des Werkstückes (1) gesetzt, wobei die länglichen Stege (5) in die Schlitze (6c) eingefügt werden, um die Umfangsnut (4) zu schließen;
  • f) es wird ein zweites Werkstück (2) von im wesentlichen zylinderischer Form bereitgestellt;
  • g) an einem Ende des zweiten Werkstückes (2) wird eine kreisrunde Ausnehmung hergestellt und das zweite Werkstück (2) wird rings um diese Ausnehmung in seinem Durchmesser verringert, um einen umlaufenden Steg (2a) zu bilden;
  • h) das erste Werkstück (1), das die Metallplatte (6) enthält, wird mit dem zweiten Werkstück (2) verbunden, wobei die Oberkante des umlaufenden Stegs (2a) auf das untere Ende des Stegs (5) des oberen Teils gerichtet wird;
  • i) der Kolbenkopf, der aus den ersten und zweiten Werkstückteilen (1 und 2) besteht, wird bearbeitet, um Nabenwülste (9), Löcher (8) für den Kolbenbolzen und Ringnuten (7) zu fertigen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Werkstück (1, 2) aus Stahl bestehen und durch Schmieden, Stranggießen oder Sinterung hergestellt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des ersten Werkstückes (1) mit dem zweiten Werkstück (2) durch Schweißen erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden des ersten Werkstückes (1) mit dem zweiten Werkstück (2) durch Reibverschweißung erfolgt.
5. Kolbenkopf mit Kühlung für einen mehrteiligen, gegliederten Kolben für Verbrennungsmotoren, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, der folgendes aufweist:
  • - ein Oberteil (1), mit einer oberen Verbrennungsmulde (3) dessen Unterseite eine Umfangsnut (4), eine zentrale Ausnehmung und Abschnitte eines ringförmigen Steges (S) aufweist, der zwischen der Umfangsnut (4), und der zentralen Ausnehmung liegt, welches Oberteil (1) an seiner Mantelfläche Ringnuten (7) aufweist;
  • - eine kreisförmige Metallplatte (6), die eine Vielzahl von umfänglich angeordneten Schlitzen (6c) aufweist, die gleich den Abschnitten des ringförmigen Steges (5) sind, welche Metallplatte (6) gegen die Unterseite des Oberteils (1) anliegt, wobei die Abschnitte des ringförmigen Steges (5) in die Schlitze (6c) der kreisförmigen Metallplatte (6) eingepaßt sind, welche Metallplatte (6) des weiteren eine äußere Ringfläche (6a) aufweist, die zusammen mit der Umfangsnut (4) des Oberteils (1) eine geschlossene Kühlkammer (10) bildet;
  • - ein Unterteil (2) das einen umlaufenden Steg (2a) aufweist, der gegen die Abschnitte des ringförmigen Steges (5) des Oberteils (1) geschweißt ist, welches Unterteil (2), Nabenwülste (9) und Löcher für den Kolbenbolzen (8) aufweist.
6. Kolbenkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Metallplatte (6) mit einem zentralen Loch (6e) versehen ist.
7. Kolbenkopf nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Metallplatte (6) eine Vielzahl von Bereichen (6d) aufweist, die die innere Ringfläche (6b) mit der äußeren Ringfläche (6a) verbinden.
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