EP0525330B1 - Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine und Zylinderkopf - Google Patents

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EP0525330B1
EP0525330B1 EP92109251A EP92109251A EP0525330B1 EP 0525330 B1 EP0525330 B1 EP 0525330B1 EP 92109251 A EP92109251 A EP 92109251A EP 92109251 A EP92109251 A EP 92109251A EP 0525330 B1 EP0525330 B1 EP 0525330B1
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cylinder head
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combustion
base wall
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Rudolf Reinhardt
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Daimler Benz AG
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Daimler Benz AG
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    • F05C2201/02—Light metals
    • F05C2201/021—Aluminium

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a cylinder head of an internal combustion engine with a cylinder head housing made of an aluminum material with a combustion chamber plate made of a heat-resistant material inserted into the bottom wall of the combustion chamber.
  • a cylinder head of the generic type in which a combustion chamber floor made of dispersion-hardened aluminum is used.
  • a welding technique for the fastening of the combustion chamber floor in the cylinder head housing, the possibility of using a welding technique is only given in principle.
  • the invention is therefore based on the object for a cylinder head made of an aluminum material with inserted in the bottom wall of the combustion chamber plate made of a high-temperature resistant material, a simple and inexpensive method for a flush and permanent connection of the combustion chamber plate and cylinder head housing.
  • the method according to the invention provides a simple connection between the materials of the combustion chamber plate and cylinder head housing achieved.
  • the boundary layer between the bottom wall and the combustion chamber plate is melted in the area of the cylinder head covered by the combustion chamber plate, as a result of which, as a result of the pressure applied at the same time, the combustion chamber plate penetrates into the cylinder head floor with partial displacement of the liquefied material.
  • the resulting inseparable welded connection extends largely pore-free over the entire contact area between the combustion chamber plate and the bottom wall of the cylinder head.
  • the combustion chamber plate 2 shown in FIG. 1 has a circular, disc-shaped shape, in which a central, axially running passage 4 and grooves 5 on the combustion chamber side are arranged for the engagement of the workpiece holder of a friction welding machine.
  • This special holder ensures the transmission of the torque required during friction welding, as well as the possibility of welding combustion chambers with a small cylinder spacing side by side.
  • the thickness of the combustion chamber plate 2 is selected so that the grooves 5 are completely eliminated during the finishing of the cylinder head 1.
  • the combustion chamber plate 2 is preferably made of a highly heat-resistant material, e.g. a suitable aluminum material. This material can be reinforced either continuously or as in Fig. 5 in a combustion chamber layer 6 by embedded fibers, preferably Al2O3 fibers.
  • the coherent joining surface 7 of the combustion chamber plate 2 on the cylinder head side consists of a small, central, annular surface 8, which is enclosed by a surface 9 with a slightly conical or spherical shape, through which the thickness of the combustion chamber plate 2 tapers towards the edge, the outer end of which Surface can be formed as a transition radius 10.
  • FIG. 2 shows the blank of the cylinder head housing 3, which is produced in a known manner from an aluminum material by casting, from which the flat bottom wall 11 on the combustion chamber side, a central opening 12 and the gas exchange channels 13 which end blindly at the transition into the bottom wall 11 are visible. These blind-ended gas exchange channels 13 result in a coherent joining surface 14 of the bottom wall 11.
  • the joining surface 14 of the bottom wall 11 or both joining surfaces 7, 14 can likewise have a slightly conical or spherical shape.
  • This design feature which is essential for the subsequent process of assembling, ensures that when the combustion chamber plate 2 is positioned in the correct position on the cylinder head housing 3 before the beginning of the joining process, only the small, central surface 8 rests directly against the combustion chamber-side joining surface 14 of the bottom wall 11 and, moreover, with increasing radial Distance from the central passage 4 or opening 12 there is a widening gap between the joining surfaces 7, 14 to be welded.
  • the exemplary embodiment of the combustion chamber plate 2 is only suitable for an essentially flat or slightly curved shape of the combustion chamber 15. Further designs of a combustion chamber plate for deeper-curved combustion chambers are possible by incorporating a conical, conical or similar recess into the cylinder head housing and the joint surface on the cylinder head side of the combustion chamber plate being designed in accordance with the recess in the cylinder head housing. Regardless of the special shape of the combustion chamber, however, the design that is essential for the course of the friction welding process must be ensured with a small, central contact surface and, in addition, with a gap between the joining surfaces that becomes wider as the radial distance from the center increases.
  • the prefabricated cylinder head housing 3 and the combustion chamber plate 2 are joined together in the manner according to the invention by friction welding, by means of a friction welding device, the circumferential combustion chamber plate 2 against the stationary cylinder head housing 3 is employed. Due to the design of the joining surfaces 7, 14, the heating or melting process begins first on the small, central surface 8 in the area of direct contact with the joining surfaces 7, 14 directly around the central opening 12 or bushing 4, which follows with increasing friction time continues outside.
  • Part of the material melted during the welding process at the boundary layer between the parts to be welded flows in the course of the welding process, due to the contact pressure and the displacing effect of the slightly tapered or spherical joining surface 7 of the combustion chamber plate 2, from the inside to the outside, thereby forming the weld bead 16
  • Another part of the melted material can also flow through or into the central opening 12 or passage 4.
  • This melting and draining process of the material is continued until the joining surfaces 7, 14 are melted up to the edge zones of the parts to be welded. Due to the heating and melting from the inside out, a pore-free weld connection 17 is achieved over the entire joining surface 7.14, the torque required for the welding process being relatively small in relation to the size of the joining surfaces 7.14.
  • the welding process is completed in a known manner by ending the rotary movement and pressing the parts to be welded together.
  • the cylinder head 1 shown in FIG. 3 with the completed welded joint 17 can now be further processed using suitable processing methods.
  • suitable processing methods for this purpose, starting from the combustion chamber 15, the connection to the blindly changing gas exchange channels 13 is produced and finished in accordance with FIG. 4, and the valve seats or the receptacle 18 for the valve seat rings are machined.
  • the projection 19 of the combustion chamber plate 2 with the grooves 5 and the welding bead 16 processed, the combustion chamber 15 formed and the central opening 12 or bushing 4 drilled to receive a spark plug or an injection nozzle and finished.

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  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopfgehäuse aus einem Aluminium-Werkstoff mit einer in die brennraumseitigen Bodenwand eingefügten Brennraumplatte aus einem hochwarmfesten Werkstoff.
  • Aus der DE-OS 31 00 755 ist ein Zylinderkopf der gattungsgemäßen Art bekannt, in dem ein Brennraumboden aus dispersionsgehärteten Aluminium eingesetzt ist. Für die Befestigung des Brennraumbodens im Zylinderkopfgehäuse ist nur prinzipiell die Möglichkeit der Anwendung eines schweißtechnischen Verfahrens angegeben.
  • Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, für einen Zylinderkopf aus einem Aluminium-Werkstoff mit in der Bodenwand eingefügter Brennraumplatte aus einem hochwarmfesten Werkstoff ein einfaches und kostengünstiges Verfahren für eine flächenschlüssige und dauerhafte Verbindung von Brennraumplatte und Zylinderkopfgehäuse aufzuzeigen.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auf einfache Weise eine direkte Verbindung zwischen den Werkstoffen von Brennraumplatte und Zylinderkopfgehäuse erzielt. Durch die Anwendung des Reibschweißverfahrens wird in dem von der Brennraumplatte erfaßten Bereich des Zylinderkopfes die Grenzschicht zwischen der Bodenwand und der Brennraumplatte aufgeschmolzen, wodurch in der Folge des gleichzeitig aufgebrachten Druckes die Brennraumplatte unter teilweiser Verdrängung des verflüssigten Materials in den Zylinderkopfboden eindringt. Die hierdurch entstehende unlösbare Schweißverbindung erstreckt sich weitestgehend porenfrei über die gesamte Kontaktfläche zwischen der Brennraumplatte und der Bodenwand des Zylinderkopfes.
  • In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    im Querschnitt eine Brennraumplatte als zylinderkopfseitige 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 fertigbearbeiteten Zustand,
    Fig. 5
    im Querschnitt eine aus zwei Werkstoffschichten aufgebaute Brennraumplatte.
  • In den Fig 1 und 2 sind als Einzelteile eines Zylinderkopfes 1 die Rohlinge einer Brennraumplatte 2 und eines Zylinderkopfgehäuses 3 vor ihrer Zusammenfügung dargestellt.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Brennraumplatte 2 weist eine kreisrunde, scheibenförmige Form auf, in der eine mittige, axial verlaufende Durchführung 4 und brennraumseitig radial verlaufende 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 Aluminium-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, kreisringförmigen Fläche 8, die von einer Fläche 9 mit leicht kegeliger 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 Zylinderkopfgehäuses 3 dargestellt, von dem die ebene brennraumseitige Bodenwand 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 gleichermaßen 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 Zylinderkopfgehäuse 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 zylinderkopfseitige Fügefläche der Brennraumplatte entsprechend der Aussparung 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 breiter werdenden Spalt zwischen den Fügeflächen gewährleistet sein.
  • Das vorgefertigte Zylinderkopfgehäuse 3 und die Brennraumplatte 2 werden in erfindungsgemäßer Weise durch Reibschweißen zusammengefügt, indem mittels einer Reibschweißvorrichtung die umlaufende Brennraumplatte 2 gegen das feststehende Zylinderkopfgehäuse 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 Berührung der Fügeflächen 7,14 unmittelbar um die zentrale Öffnung 12 bzw. Durchführung 4, der sich mit zunehmender Reibzeit nach außen fortsetzt. Ein Teil des beim Schweißvorgang an der Grenzschicht zwischen den zu verschweißenden Teilen aufgeschmolzenen Werkstoffes fließt im Verlauf des Schweißvorganges, infolge des Anpreßdruckes und durch die verdrängende Wirkung der leicht kegeligen oder balligen Fügefläche 7 der Brennraumplatte 2 von innen nach außen ab und bildet dabei die Schweißwulst 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 erforderliche Drehmoment im Verhältnis zur Größe der Fügeflächen 7,14 relativ gering ist. Der Schweißvorgang wird durch Beendigung der Drehbewegung und Zusammenpressen der zu verschweißenden Teile in bekannter Weise abgeschlossen.
  • Der entsprechend Fig.3 dargestellte Zylinderkopf 1 mit der fertiggestellten Schweißverbindung 17 kann nun mittels geeigneter Bearbeitungsverfahren weiterbearbeitet werden. Dazu wird ausgehend vom Brennraum 15 die Verbindung zu den blind endenden Gaswechselkanälen 13 entsprechend Fig. 4 hergestellt und fertigbearbeitet, sowie die Ventilsitze bzw. die Aufnahme 18 für die Ventilsitzringe angearbeitet. Im weiteren werden der Überstand 19 der Brennraumplatte 2 mit den Nuten 5 und die Schweißwulst 16 abgearbeitet, der Brennraum 15 ausgeformt sowie die zentrale Öffnung 12 bzw. Durchführung 4 zur Aufnahme einer Zündkerze oder einer Einspritzdüse aufgebohrt und fertigbearbeitet.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine mit einem aus einem Aluminium-Werkstoff gegossenen Zylinderkopfgehäuse (3) mit Gaswechselkanälen (13) und mit einer Bodenwand (11) aus einem hochwarmfesten Werkstoff als brennraumseitige Begrenzung, in die eine Brennraumplatte (2) mittels eines Schweißverfahrens (2) eingeschweißt ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zunächst das Zylinderkopfgehäuse (3) als Zylinderkopfrohling mit brennraumseitig an der Bodenwand (11) blind endenden Gaswechselkanälen (13) und die Brennraumplatte (2) mit einer geschlossenen Fügefläche (7) hergestellt werden,
    daß anschließend die Brennraumplatte (2) mit dem
    Zylinderkopfgehäuse (3) mittels Reibschweißen zusammengefügt wird, in dem die in einer Reibschweißvorrichtung gehaltene und umlaufende Brennraumplatte (2) gegen die Bodenwand (11) des Zylinderkopfgehäuses (3) gedrückt wird,
    und daß nach der Reibschweißverbindung von Brennraumplatte (2) und Bodenwand (11) die Verbindung vom Brennraum (15) zu den Gaswechselkanälen (13), die Brennraumplatte (2) zur Bildung eines Brennraumes (15) und eine Öffnung (12) zur Aufnahme einer Zündkerze oder Einspritzdüse durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Reibschweißvorgang mit seiner Aufheiz- und Aufschmelzphase an einem relativ kleinen, zentralen Flächenabschnitt der Brennraumplatte (2) und einem entsprechend kleinen Flächenabschnitt der Bodenwand (11) des Zylinderkopfgehäuses (3) einsetzt und sich mit fortschreitender Aufschmelzung der Werkstoffe von Brennraumplatte (2) und Bodenwand (11) in Richtung des Umfanges der Brennraumplatte (2) fortsetzt.
  3. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit einem aus einem Aluminium-Werkstoff gegossenen Zylinderkopfgehäuse (3) mit Gaswechselkanälen (13) und mit einer in eine brennraumseitige Bodenwand (11) des Zylinderkopfgehäuses (3) eingefügten Brennraumplatte (2) aus einem hochwarmfesten Werkstoff, der gemäß Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 hergestellt ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Brennraumplatte (2) durch Al₂O₃-Fasern verstärkt ist.
  4. Zylinderkopf nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Brennraumplatte (2) brennraumseitig eine durch Al₂O₃-Fasern verstärkte Schicht (6) aufweist.
  5. Zylinderkopf nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Brennraumplatte (2) brennraumseitig Ausnehmungen, vorzugsweise Nuten (5) für den Eingriff der Werkstückaufnahme einer Reibschweißmaschine aufweist.
  6. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die vorgefertigten Konturen der Fügeflächen (7, 14) an Brennraumplatte (2) und Bodenwand (11) derart ausgebildet sind, daß ausgehend von einem relativ klein, zentralen Flächenbereich als anfängliche Kontaktflächen von Brennraumplatte (2) und Bodenwand (11) ein sich in Richtung zum äußeren Umfang der Brennraumplatte (2) verbreiternder Spalt zwischen den Fügeflächen (7, 14) gebildet ist.
  7. Zylinderkopf nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Fügefläche (7) der Brennraumplatte (2) aus einer zentralen Planfläche (8) besteht, die von einer Fläche (9) mit kegeliger oder balliger Gestalt umschlossen ist.
EP92109251A 1991-07-26 1992-06-02 Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine und Zylinderkopf Expired - Lifetime EP0525330B1 (de)

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