DE4132295A1 - Verfahren zur herstellung eines zweiteiligen kolbens und nach diesem verfahren hergestellter kolben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art sowie auf einen Kolben nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 3. Derartige zweiteilige Kolben, die auch als gegliederte Kolben bezeichnet werden, sind für den Gebrauch in Verbrennungsmotoren bestimmt. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren für die Herstellung des oberen Teiles oder Kolbenkopfes eines aus zwei gelenkig verbundenen Gliedern bestehenden Kolbens sowie auf den auf diese Weise erhaltenen Kolben.

Die gegenwärtige Tendenz weist in Richtung auf einen verstärkten Gebrauch von gegliederten Kolben in Verbrennungsmotoren, insbesondere in modernen Dieselmotoren, die hochtourig arbeiten und eine hohe spezifische Leistung erbringen, während gleichzeitig ihre Konstruktion Erfordernisse, wie beispielsweise geringes Gewicht, geringer Kraftstoff- und Schmierölverbrauch, geringes Motorgeräusch und niedrige Emissionswerte, erfüllen muß, wobei die letzteren Gegenstand von immer strengeren gesetzlichen Bestimmungen in vielen Ländern sind. Bei einem gegliederten Kolben erfüllen der obere Teil oder Kolbenkopf und der untere Teil oder Kolbenschaft unabhängige Funktionen. Der Kolbenschaft ist mit Hilfe eines Kolbenbolzens auf einem Paar von Nabenwülsten angeordnet. Diese Nabenwülste befinden sich an dem unteren Ende von Stützen, die sich von dem Kolbenkopf nach unten erstrecken und einstückig mit diesem ausgebildet sind. Ein Spalt oder Freiraum besteht zwischen der Unterkante des Kolbenkopfes und der Oberkante des Kolbenschaftes, sodaß kein Kontakt zwischen dem Kolbenkopf und dem Kolbenschaft besteht, wenn der Kolben in den Motor eingebaut ist. Auf diese Weise wird die Strömung von Wärme von dem Kolbenkopf auf den Kolbenschaft verhindert, sodaß es möglich ist, den Kolbenschaft mit einem sehr geringen Spiel zwischen Schaft und Zylinder herzustellen. Dies führt zu einer Motorlärmreduzierung. Darüber hinaus wird die seitliche Bewegung oder Schaukelbewegung des gegliederten Kolbens, die durch die Pleuelstange verursacht wird, reduziert. Folglich kann der Teil des Kopfes, der mit den Ringnuten versehen ist, mit geringem Spiel eingepaßt werden, wodurch sich die Kolbenringstabilität erhöht. Hierdurch wird wiederum der Schmierölverbrauch und der Durchtritt von Verbrennungsgasen in das Kurbelgehäuse (blowby) verringert.

Infolge der hohen Temperaturen, die an dem Kolbenkopf während des Verbrennungsvorganges in Dieselmotoren erzeugt werden, ist es erforderlich, einen Teil dieser Wärme von diesem Teil des Kolbens, insbesondere von der Verbrennungsmulde, abzuführen, um die Entstehung von thermischen Rissen zu vermeiden, die ein Zerbrechen des Kolbenkopfes herbeiführen könnten.

Eine bekannte Lösung für dieses Problem besteht darin, den Kolben mit einer Kammer zu versehen, in der Kühlöl umläuft. Bei den gegliederten Kolben besteht diese Kammer aus einer umlaufenden Ausnehmung oder Nut im Kolbenkopf und aus einem Trog im oberen Teil des Kolbenschaftes. Das Kühlöl wird in die Kammer mittels einer Düse gefördert, die im Kurbelwellengehäuse des Motors angeordnet ist. Die Hin- und Herbewegung des Kolbens bewirkt, daß das Kühlöl gegen die Kammerwand spritzt und dabei einen Teil der Wärme von dem oberen Teil, insbesondere von dem Bereich rings um die Verbrennungskammer, abführt.

Nach einem technischen Grundprinzip bei Dieselmotoren muß die Mitte der Verbrennungsmulde am Kolbenkopf auf die Brennstoffeinspritzdüse ausgerichtet sein, um eine hohe Verbrennungseffektivität zu erreichen. Der Sitz der Einspritzdüse bei gewissen Motorbauformen erfordert somit, daß die Verbrennungsmulde von der Mittenlinie des Kolbenkopfes abgesetzt ist. In solchen Fällen ist es notwendig, die Kühlkammer so zu konstruieren, daß eine wirksame Kühlung gewährleistet ist, d. h. die Dicke der Kammerinnenwand, die die Kammer von der Verbrennungsmulde trennt, muß so dünn und gleichmäßig wie möglich sein. Dies erfordert, daß die Verbrennungskammer asymmetrisch in Bezug auf die Längsachse des Kolbens ist. Bei konventionellen Kolbenköpfen von gegliederten Kolben, bei denen der obere Teil des Kopfes und die Nabenwulstteile ein integrales Teil sind, ist das Vorsehen einer asymmetrischen Nut an der unteren Seite des oberen Teiles des Kopfes nur möglich, wenn dieses Teil durch Gießen hergestellt ist. Das Gießverfahren hat sich jedoch als ungeeignet zur Herstellung von Kolbenköpfen erwiesen, deren Struktureigenschaften konsistent mit hohen Belastungen sind. Aus diesem Grund wird derzeit das Schmiedeverfahren vorgezogen. Jedoch auch dieses Verfahren ist mit einem Nachteil behaftet: Es ist nicht möglich, den unteren Teil des Kopfes mit einer Nut während des Schmiedevorganges zu versehen, weswegen die Nut durch spanabhebende Verformung hergestellt wird. Dies ist jedoch auch nur dann möglich, wenn es sich um eine axialsymmetrische Kammer handelt. Infolge der Grenzen des Herstellungsverfahrens ist die Herstellung einer asymmetrischen Kammer nicht möglich, da das Bearbeitungswerkzeug nicht in den zu bearbeitenden Bereich gelangen kann.

Aus der DE 39 35 078 A1 der Anmelderin ist ein zweiteiliger Kolben bekannt, bei dem die beiden Teile des Kolbenkopfes eines gegliederten Kolbens, nämlich der obere Teil und die Nabenwulstteile, getrennt hergestellt und dann durch Schweißen verbunden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenkopfes eines gegliederten Kolbens zu schaffen, bei dem der obere Teil des Kolbenkopfes an seiner Unterseite mit einer Nut versehen ist, die asymmetrisch in Bezug auf die Längsachse des Kolbenkopfes ist. Der Erfindung liegt des weiteren die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenkopf eines gegliederten Kolbens zu schaffen, der mit einer Verbrennungskammer versehen ist, die asymmetrisch in Bezug auf die Längsachse des Kolbens liegt, und bei dem das obere Teil des Kolbenkopfes an seiner Unterseite mit einer asymmetrisch zur Längsachse des Kopfes liegenden Umfangsnut versehen ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 beziehungsweise im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 3 angegeben. Erfindungsgemäß wurden die den Kolbenkopf bildenden Teile, d. h., das obere Teil und die Nabenwulstteile, getrennt hergestellt. Eine asymmetrische Nut wird an der Unterseite des oberen Teils gefertigt. Danach wird das obere Teil mit den Nabenwulstteilen durch Schweißen verbunden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungsgemäße Kolben sind schematisch in der Zeichnung erläutert, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

Gemäß der Erfindung wird ein erstes, im wesentlichen zylinderförmiges Werkstück 1 in eine Bearbeitungsmaschine (nicht dargestellt) eingespannt und einer ersten Bearbeitung unterzogen, bei der eine axialsymmetrische randseitig gelegene Umfangsnut 5 an der Unterseite des ersten Werkstückes 1 gefertigt wird (Schritt "a"). Danach wird das in die Werkzeugmaschine eingespannte Werkstück 1 von der Drehachse verschoben und einem zweiten Bearbeitungsverfahren unterzogen, währenddessen in Folge der exzentrischen Positionierung des Werkstückes 1 in Bezug auf das Bearbeitungswerkzeug zusätzliches Material von nur einer Seite der Nut 5 in Richtung der Achse des Werkstückes 1 (Schritt "b") entfernt wird. Notwendigenfalls können weitere Bearbeitungsschritte durchgeführt werden (entsprechend den Schritten "c" und "d"), jeweils mit einer zusätzlichen Verschiebung des Zentrums des Werkstückes 1, solange bis die gewünschte Konfiguration der Nut 5 erreicht ist.

Getrennt hiervon wird ein zweites Werkstück 2 bearbeitet. Eines seiner Enden wird mit einer Ausnehmung versehen, und in der Nähe der Ausnehmung wird eine Verjüngung dieses Endes bewirkt, sodaß sich ein Steg 6 ergibt.

Danach werden die Werkstücke 1 und 2 durch Schweißen verbunden, wozu der Steg 6 zu der unteren Zentralfläche des ersten Werkstückes 1 gebracht wird, wodurch ein Kolbenkopfrohling 3 eines zweiteiligen Kolbens gebildet wird. Der Kolbenkopfrohling 3 wird dann zur Herstellung der Verbrennungsmulde 7, der Ringnuten 8, der Nabenwülste 9 für den Kolbenbolzen und der Kolbenbolzenlöcher 10 einer weiteren Bearbeitung unterzogen, sodaß der fertige Kolbenkopf 4 entsteht.

Es ist zu bemerken, daß in dieser Fertigform die Verbrennungsmulde 7 von der Längsachse des Kopfes 4 abgesetzt ist, ebenso wie der Ringsteg 11 zwischen der Verbrennungsmulde 7 und der Ausnehmung 5, welcher Steg eine im wesentlichen gleichförmige Dicke aufweist, wodurch eine Optimierung der Wärmeabfuhr aus diesem Bereich gewährleistet ist.

Ferner ist zu berücksichtigen, daß die kleinere lichte Weite der asymmetrischen Nut eine Breitenbegrenzung für das Maschinenwerkzeug darstellt. Je größer folglich der Grad der gewünschten Asymmetrie ist, um so größer ist die Zahl der Maschinenbearbeitungsschritte, die erforderlich sind, um die asymmetrische Nut zu erhalten.

Nach dem Herausarbeiten der Verbrennungsmulde am oberen Teil des Kolbenkopfes ist die Innenwand der Nut konzentrisch zu der Verbrennungsmulde und stellt mit der Verbrennungsmulde einen ringförmigen Steg dar, der eine geringe und gleichmäßige Dicke aufweist, ein Merkmal, das vorteilhaft für eine effektive und gleichförmige Kühlung dieses Teiles des Kolbenkopfes ist.

Das bevorzugte Verfahren für das Verbinden der beiden, den Kolbenkopf darstellenden Werkstücke ist das Reibverschweißungsverfahren, bei dem die Verbindung ohne Anschmelzen des Materials der beiden zu verschweißenden Teile stattfindet. Der Vorteil der Reibverschweißung besteht darin, daß keine Schrumpfhohlräume auftreten, da sich keine Flüssigphase während des Schweißvorganges bildet, wodurch wiederum Strukturänderungen des Materiales der beiden zu verbindenden Teile vermieden werden. Es können jedoch auch andere Verfahren zur Verschweißung der beiden Teile eingesetzt werden, wie beispielsweise Inertgasverschweißung (MIG), Wolfram-Inertgasschweißung (TIG), Fusionsschweißung, Elektrodenschweißung, Elektronenstrahlschweißung oder Laserschweißung.

Das beschriebene und gezeichnete Ausführungsbeispiel ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, jedoch ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Im Rahmen der Erfindung sind auch andere Ausführungsformen möglich. Beispielsweise kann das zweite Werkstück 2 ein gegossenes, geschmiedetes oder auch gesintertes Teil sein, das bereits seine Endform für die Verbindung mit dem Werkstück 1 aufweist, wobei die Bearbeitungsschritte für das Vorsehen der Ausnehmung und des Steges auf dem Werkstück 2 weggelassen werden können.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung des Kolbenkopfes eines zweiteiligen Kolbens, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte aufweist:
Bereitstellung eines ersten Werkstückes (1) von im wesentlichen zylindrischer Form;
Anordnen und Befestigen des ersten Werkstückes (1) auf einer Halteeinrichtung;
Herstellen einer axialsymmetrischen Umfangsnut (5) an der Unterseite des ersten Werkstückes (1) in der Nähe des Randes durch Bearbeitung (a);
Verschieben des Werkstückes (1) auf der Halteeinrichtung von der Längsachse weg;
Durchführung mindestens eines weiteren Bearbeitungsschrittes an der Umfangsnut des ersten Werkstückes (1), wobei zusätzliches Material nur von einem Teil der Innenwand der Umfangsnut (5) entfernt wird (b, c, d);
Bereitstellung eines zweiten Werkstückes (2);
Bearbeitung des zweiten Werkstückes (2), um eines seiner Enden mit einer Ausnehmung und einer Verjüngung des Außendurchmessers des Werkstückes (2) zu versehen, an demjenigen Teil, der in der Nähe der Ausnehmung liegt, sodaß an diesem Ende ein Steg (6) gebildet wird;
Anschweißen des ersten Werkstückes (1) an dem zweiten, dadurch, daß der Steg (6) des zweiten Werkstückes (2) zur Anlage an die zentrale untere Fläche des ersten Werkstückes gebracht wird, wobei das mit dem ersten Werkstück (1) verbundene zweite Werkstück (2) den Kolbenkopfrohling (3) des Kolbens darstellt;
Bearbeitung des Kolbenkopfrohlings (3) zur Herstellung einer Verbrennungsmulde (7), die konzentrisch mit der Innenwand der Umfangsnut (5) ist und;
Endbearbeitung des Kolbenkopfrohlings (3) zur Herstellung der Ringnuten (8), der Nabenwülste (9) und der Kolbenbolzenlöcher (10).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des ersten Werkstückes (1) mit dem zweiten Werkstück (2) durch das Reibverschweißungsverfahren erfolgt.

3. Zweiteiliger Kolben für Verbrennungsmotoren mit einem Kolbenkopf, der aus einem oberen Teil besteht, das einstückig mit Nabenwülsten (9) zur Lagerung eines Kolbenbolzens ist, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Teil und die Nabenwülste (9) zusammengeschweißt sind, und daß die Nabenwülste (9) mit Löchern (10) für den Kolbenbolzen versehen sind.

4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Teil des Kolbenkopfes eine Verbrennungsmulde (7) aufweist, die abgesetzt von der Längsachse des oberen Teiles ist.

5. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite des Oberteiles mit einer peripheren Nut (5) versehen ist, deren Wand exzentrisch in Bezug auf die Längsachse des oberen Teils und konzentrisch zu der Verbrennungsmulde (7) ist.

6. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand der peripheren Nut (5) und die Wand der Verbrennungsmulde (7) einen ringförmigen Steg (11) darstellen, der im wesentlichen eine gleichförmige Dicke aufweist.