DE4124811C1

DE4124811C1 -

Info

Publication number: DE4124811C1
Application number: DE4124811A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr.-Ing. 7302 Ostfildern De Rueckert; Jiri 7321 Duernau De Vlach; Rudolf 7300 Esslingen De Reinhardt; Dieter 7067 Pluederhausen De Hahn
Original assignee: Mercedes Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1991-07-26
Filing date: 1991-07-26
Publication date: 1992-08-06
Anticipated expiration: 2011-07-27
Also published as: EP0525330B1; EP0525330A1; US5215050A; ES2077922T3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zy linderkopfes einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf gehäuse aus einem Aluminium-Werkstoff mit einer in die brenn raumseitigen Bodenwand eingefügten Brennraumplatte aus einem hochwarmfesten Werkstoff.

Aus der DE-OS 31 00 755 ist ein Zylinderkopf der gattungsge mäßen Art bekannt, in dem ein Brennraumboden aus dispersionsge härteten Aluminium eingesetzt ist. Für die Befestigung des Brennraumbodens im Zylinderkopfgehäuse ist nur prinzipiell die Möglichkeit der Anwendung eines schweißtechnischen Verfahrens angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Zylin derkopf aus einem Aluminium-Werkstoff mit in der Bodenwand ein gefügter Brennraumplatte aus einem hochwarmfesten Werkstoff ein einfaches und kostengünstiges Verfahren für eine flächen schlüssige und dauerhafte Verbindung von Brennraumplatte und Zylinderkopfgehäuse aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 4 gelöst.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind Gegen stand der Unteransprüche.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auf einfache Weise eine direkte Verbindung zwischen den Werkstoffen von Brennraum platte und Zylinderkopfgehäuse erzielt. Durch die Anwendung des Reibschweißverfahrens wird in dem von der Brennraumplatte er faßten Bereich des Zylinderkopfes die Grenzschicht zwischen der Bodenwand und der Brennraumplatte aufgeschmolzen, wodurch in der Folge des gleichzeitig aufgebrachten Druckes die Brennraum platte unter teilweiser Verdrängung des verflüssigten Materials in den Zylinderkopfboden eindringt. Die hierdurch entstehende unlösbare Schweißverbindung erstreckt sich weitestgehend poren frei über die gesamte Kontaktfläche zwischen der Brennraumplat te und der Bodenwand des Zylinderkopfes.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Es zeigt

Fig. 1 im Querschnitt eine Brennraumplatte als zylinderkopf seitige Begrenzung eines nicht weiter dargestellten Brennraumes,

Fig. 2 im Querschnitt einen brennraumseitigen Ausschnitt eines Zylinderkopfgehäuses,

Fig. 3 im Querschnitt die Reibschweißverbindung zwischen Zylinderkopfgehäuse und Brennraumplatte,

Fig. 4 im Querschnitt den Zylinderkopf aus Fig. 3 im fertigbe arbeiteten Zustand und

Fig. 5 im Querschnitt eine aus zwei Werkstoffschichten aufge baute Brennraumplatte.

In den Fig. 1 und 2 sind als Einzelteile eines Zylinderkopfes 1 die Rohlinge einer Brennraumplatte 2 und eines Zylinderkopfge häuses 3 vor ihrer Zusammenfügung dargestellt.

Die in Fig. 1 dargestellte Brennraumplatte 2 weist eine kreis runde, scheibenförmige Form auf, in der eine mittige, axial verlaufende Durchführung 4 und brennraumseitig radial verlau fende Nuten 5 für den Eingriff der Werkstückaufnahme einer Reibschweißmaschine angeordnet sind. Diese spezielle Aufnahme gewährleistet die Übertragung des während der Reibschweißung erforderlichen Drehmomentes, sowie die Möglichkeit Brennräume mit einem geringen Zylinderabstand nebeneinander zu schweißen. Die Dicke der Brennraumplatte 2 ist so gewählt, daß bei der Fertigbearbeitung des Zylinderkopfes 1 die Nuten 5 vollständig beseitigt werden. Die Brennraumplatte 2 besteht vorzugsweise aus einem hochwarmfesten Werkstoff, z. B. einem geeigneten Alu minium-Werkstoff. Dieser Werkstoff kann entweder durchgehend oder wie in Fig. 5 in einer brennraumseitigen Schicht 6 durch eingelagerte Fasern, vorzugsweise Al₂O₃-Fasern verstärkt sein. Die zusammenhängende zylinderkopfseitige Fügefläche 7 der Brennraumplatte 2 besteht aus einer kleinen, zentralen, kreis ringförmigen Fläche 8, die von einer Fläche 9 mit leicht kege liger oder balliger Gestalt umschlossen ist, durch die sich die Dicke der Brennraumplatte 2 zum Rand verjüngt, wobei der äußere Abschluß dieser Fläche als Übergangsradius 10 ausgebildet sein kann.

In Fig. 2 ist der Rohling des in bekannter Weise aus einem Aluminium-Werkstoff durch Gießen hergestellten Zylinderkopfge häuses 3 dargestellt, von dem die ebene brennraumseitige Bo denwand 11, eine zentrale Öffnung 12 sowie die am Übergang in die Bodenwand 11 blind endenden Gaswechselkanäle 13 sichtbar sind. Durch diese blind endenden Gaswechselkanäle 13 ergibt sich eine zusammenhängende Fügefläche 14 der Bodenwand 11.

Statt der Fügefläche 7 der Brennraumplatte 2 kann gleicher maßen die Fügefläche 14 der Bodenwand 11 oder beide Fügeflächen 7, 14 eine leicht keglige oder ballige Gestalt aufweisen. Mit diesem für den nachfolgenden Vorgang des Zusammenfügens wesentlichen Gestaltungsmerkmal wird sichergestellt, daß bei lagerichtiger Positionierung der Brennraumplatte 2 am Zylinder kopfgehäuse 3 vor Beginn des Fügevorganges nur die kleine, zentrale Fläche 8 direkt an der brennraumseitigen Fügefläche 14 der Bodenwand 11 anliegt und darüber hinaus mit zunehmendem radialen Abstand von der zentralen Durchführung 4 bzw. Öffnung 12 ein breiter werdender Spalt zwischen den zu verschweißenden Fügeflächen 7, 14 vorhanden ist.

Die beispielhaft dargestellte Ausbildung der Brennraumplatte 2 ist nur für eine im wesentlichen flache oder leicht ausgewölbte Form des Brennraumes 15 geeignet. Weitere Ausbildungen einer Brennraumplatte für tiefer ausgewölbte Brennräume sind möglich, indem in das Zylinderkopfgehäuse eine konische, kegelige oder ähnliche Aussparung eingearbeitet wird und die zylinderkopf seitige Fügefläche der Brennraumplatte entsprechend der Aus sparung im Zylinderkopfgehäuse ausgebildet ist.

Unabhängig von der speziellen Brennraumform muß jedoch die für den Ablauf des Reibschweißvorganges wesentliche Gestaltung mit einer kleinen, zentralen Kontaktfläche und über diese hinaus mit einem bei zunehmenden radialen Abstand von der Mitte brei ter werdenden Spalt zwischen den Fügeflächen gewährleistet sein.

Das vorgefertigte Zylinderkopfgehäuse 3 und die Brennraumplatte 2 werden in erfindungsgemäßer Weise durch Reibschweißen zusam mengefügt, indem mittels einer Reibschweißvorrichtung die um laufende Brennraumplatte 2 gegen das feststehende Zylinderkopf gehäuse 3 angestellt wird. Durch die Gestaltung der Fügeflächen 7, 14 beginnt der Aufheiz- bzw. Aufschmelzvorgang zunächst an der kleinen, zentralen Fläche 8 im Bereich der direkten Be rührung der Fügeflächen 7, 14 unmittelbar um die zentrale Öffnung 12 bzw. Durchführung 4, der sich mit zunehmender Reib zeit nach außen fortsetzt. Ein Teil des beim Schweißvorgang an der Grenzschicht zwischen den zu verschweißenden Teilen aufge schmolzenen Werkstoffes fließt im Verlauf des Schweißvorganges, infolge des Anpreßdruckes und durch die verdrängende Wirkung der leicht kegeligen oder balligen Fügefläche 7 der Brennraum platte 2 von innen nach außen ab und bildet dabei die Schweiß wulst 16. Ein weiterer Teil des aufgeschmolzenen Materials kann auch durch bzw. in die zentrale Öffnung 12 bzw. Durchführung 4 abfließen. Dieser Aufschmelz- und Abfließvorgang des Materials wird solange fortgesetzt, bis die Fügeflächen 7,14 bis zu den Randzonen der zu verschweißenden Teile aufgeschmolzen sind. Durch die Aufheizung und Aufschmelzung von innen nach außen wird eine porenfreie Schweißverbindung 17 über die gesamte Fügefläche 7, 14 erreicht, wobei das für den Schweißvorgang er forderliche Drehmoment im Verhältnis zur Größe der Fügeflächen 7, 14 relativ gering ist. Der Schweißvorgang wird durch Beendi gung der Drehbewegung und Zusammenpressen der zu verschweißen den Teile in bekannter Weise abgeschlossen.

Der entsprechend Fig. 3 dargestellte Zylinderkopf 1 mit der fer tiggestellten Schweißverbindung 17 kann nun mittels geeigneter Bearbeitungsverfahren weiterbearbeitet werden. Dazu wird aus gehend vom Brennraum 15 die Verbindung zu den blind endenden Gaswechselkanälen 13 entsprechend Fig. 4 hergestellt und fer tigbearbeitet, sowie die Ventilsitze bzw. die Aufnahme 18 für die Ventilsitzringe angearbeitet. Im weiteren werden der Über stand 19 der Brennraumplatte 2 mit den Nuten 5 und die Schweiß wulst 16 abgearbeitet, der Brennraum 15 ausgeformt sowie die zentrale Öffnung 12 bzw. Durchführung 4 zur Aufnahme einer Zündkerze oder einer Einspritzdüse aufgebohrt und fertigbear beitet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes einer Brenn kraftmaschine mit einem aus einem Aluminium-Werkstoff gegos senen Zylinderkopfgehäuse mit Gaswechselkanälen und mit einer in eine brennraumseitige Bodenwand des Zylinderkopfgehäuses eingefügten Brennraumplatte aus einem hochwarmfesten Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumplatte (2) durch Reibschweißen mit der Boden wand (11) des Zylinderkopfgehäuses (3) verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zylinderkopfgehäuse (3) zunächst als Zylinderkopfroh ling mit brennraumseitig an der Bodenwand (11) blind endenden Gaswechselkanälen (13) und die Brennraumplatte (2) mit einer geschlossenen Fügefläche (7) hergestellt werden und daß nach der Reibschweißverbindung von Brennraumplatte (2) und Bodenwand (11) die Verbindung vom Brennraum (15) zu den Gaswechselkanälen (13) hergestellt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibschweißvorgang mit seiner Aufheiz- und Aufschmelz phase an einem relativ kleinen, zentralen Flächenabschnitt der Brennraumplatte (2) und einem entsprechend kleinen Flächenab schnitt der Bodenwand (11) des Zylinderkopfgehäuses (3) ein setzt und sich mit fortschreitender Aufschmelzung der Werk stoffe von Brennraumplatte (2) und Bodenwand (11) in Rich tung des Umfanges der Brennraumplatte (2) fortsetzt.

4. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem Zylin derkopfgehäuse aus einem Aluminium-Werkstoff und mit einer in die brennraumseitige Bodenwand des Zylinderkopfgehäuses einge fügten Brennraumplatte aus einem hochwarmfesten Werkstoff, der gemäß Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumplatte (2) aus einem hochwarmfesten Aluminium-Werkstoff besteht.

5. Zylinderkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumplatte (2) durch Al₂O₃-Fasern verstärkt ist.

6. Zylinderkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumplatte (2) brennraumseitig eine durch Al₂O₃-Fasern verstärkte Schicht (6) aufweist.

7. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumplatte (2) brennraumseitig Ausnehmungen, vor zugsweise Nuten (5) für den Eingriff der Werkstückaufnahme ei ner Reibschweißmaschine aufweist.

8. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgefertigten Konturen der Fügeflächen (7, 14) an Brennraumplatte (2) und Bodenwand (11) derart ausgebildet sind, daß ausgehend von einem relativ kleinen, zentralen Flächenbe reich als anfängliche Kontaktflächen von Brennraumplatte (2) und Bodenwand (11) ein sich in Richtung zum äußeren Umfang der Brennraumplatte (2) verbreiternder Spalt zwischen den Füge flächen (7, 14) gebildet ist.

9. Zylinderkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügefläche (7) der Brennraumplatte (2) aus einer zen tralen Planfläche (8) besteht, die von einer Fläche (9) mit kegeliger oder balliger Gestalt umschlossen ist.