EP1973691A1 - Kühlkanalkolben für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Kühlkanalkolben für eine brennkraftmaschine

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Publication number
EP1973691A1
EP1973691A1 EP06792433A EP06792433A EP1973691A1 EP 1973691 A1 EP1973691 A1 EP 1973691A1 EP 06792433 A EP06792433 A EP 06792433A EP 06792433 A EP06792433 A EP 06792433A EP 1973691 A1 EP1973691 A1 EP 1973691A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
cooling
cooling channel
channel
joining
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06792433A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Gniesmer
Norbert Ries
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KS Kolbenschmidt GmbH
Original Assignee
KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KS Kolbenschmidt GmbH filed Critical KS Kolbenschmidt GmbH
Publication of EP1973691A1 publication Critical patent/EP1973691A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/18—Making machine elements pistons or plungers
    • B21K1/185—Making machine elements pistons or plungers with cooling channels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/10—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/003—Pistons
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49249—Piston making
    • Y10T29/49256—Piston making with assembly or composite article making

Definitions

  • the invention relates to a cooling channel piston made of steel and its manufacturing method, according to the features of the respective preamble of the independent claims.
  • US Pat. No. 6,155,157 discloses a cooling channel piston which comprises two components which can be produced separately from one another and which are joined together in a material-locking manner by means of a friction welding method, to form a one-part cooling channel piston.
  • a cooling channel is a spaced apart from the annular field of the piston and circumferential, in the direction of the piston inner mold via inlet and outlet holes open, narrow-dimensioned annular channel is provided.
  • a cooling medium in particular oil. This relatively easy to realize cooling channel due to the local location does not allow sufficient cooling effect of the piston.
  • the invention is therefore an object of the invention to realize an optimal cooling effect for heavy-duty cooling channel piston made of steel.
  • a first invention relates to a method for producing a cast steel or forged from at least two parts at least one joint by friction welding cooling channel piston, which includes at least one further inner cooling channel with at least one trough-shaped depression in addition to an outer cooling channel.
  • This trough-shaped partial region of the cooling channel which is produced by means of a mechanical processing, a forging or by a casting method, is connected to an outer cooling channel which is arranged axially spaced from the annular field of the piston via at least one transfer opening.
  • the partially trough-shaped design of the inner cooling channel advantageously increases the cooling oil cavity and consequently the cooling oil intake, which improves the shaker effect of the piston and thus overall the cooling effect of the piston can be significantly increased.
  • the shaping of the sectionally trough-shaped inner cooling channel also simplifies the introduction of transfer openings between the cooling channels, which are preferably designed as bores.
  • the transfer openings between the cooling channels are introduced before the friction welding of the at least one (shown are three) joining plane in the lower part, via which the upper part and the lower part are supported.
  • the transfer openings can advantageously open in the trough-shaped depression.
  • the self-adjusting degree of freedom for the placement of the transfer openings makes it possible to determine the position of the transfer openings, which can take place exclusively from the point of view of optimal admission and sufficient volume of the coolant.
  • a sufficient distance to the joint planes between the upper part and the lower part can be maintained.
  • the inventively integrated in a piston short compression height cooling channels cause an optimal cooling effect over the entire surface of the combustion bowl of the piston.
  • the large-volume design reduces Cooling channels advantageous the piston weight. Due to coordinated wall thicknesses of the outer and inner cooling channels, which are extended by the trough-shaped extension above the pin bore, a structurally solid piston is realized, which withstands the highest requirements and can be produced inexpensively.
  • a preferred embodiment of the cooling channels according to the invention provides that they also extend into the areas of greatest thermal stress of the piston.
  • the sectionally trough-shaped inner cooling channel in the region of the pin bore has a vertically aligned section, to which an angled, rotationally symmetrical section aligned obliquely to an axis of symmetry of the piston adjoins.
  • This inclined portion of the inner cooling channel is spaced from a contour of the combustion bowl of the piston.
  • Radially on the outside the outer cooling channel adjoins the inner cooling channel.
  • a longitudinal extent of the outer cooling channel arranged at a parallel distance from the piston ring field exceeds a length dimension of the ring field.
  • the cooling channels are placed in the piston so that they are enclosed by walls of almost equal wall thicknesses.
  • all the transfer ports associated with the cooling channels are preferably introduced in the piston lower part.
  • a method of manufacturing a steel cooling channel piston having a central internal cooling space that includes a rolling pressure method.
  • the manufacturing process of the piston provides that cooling oil transfer openings, also referred to as supply bores, are introduced between the cooling channels prior to the final tumbling process.
  • the Wälzdrück compiler is used to bring the piston ring field by bending in the final position.
  • the invention includes for providing an internal cooling space a cover or molding which closes the interior down.
  • a disk-like or cup-shaped cover is preferably used.
  • a positive and / or non-positive attachment such as a press connection.
  • a welding or soldering connection is provided for fastening the cover element, which encloses at least one outlet opening for the coolant.
  • a method for producing a forged head of a two-part piston in which a method step includes the bending of the ring portion in a final position.
  • This piston comprises only an externally arranged, tightly designed cooling channel, which ensures only locally and therefore no sufficient large-scale cooling effect of the piston. For example, in the known piston no targeted coolant is applied in the region of the inner combustion bowl.
  • Deviating to the structure of the piston according to the invention allows an optimal cooling effect.
  • the inner cooling channel or cooling space following a central depression shape in connection with the radially arranged outer cooling passage, all zones of the piston that are subjected to high thermal stress are detected by the cooling passages.
  • Wälzdschreibvon connected to the targeted arrangement of the cooling channels a structurally solid steel piston can be realized with an optimized, in particular the entire piston crown detecting cooling effect.
  • the piston according to the invention thus withstands the highest loads and can be used in internal combustion engines with high power density.
  • the concept according to the invention simplifies or optimizes the production of the piston, in particular the introduction of the transfer openings, which are preferably designed as bores.
  • the preparation of the holes in existing steel pistons required increased production costs. Due to the difficult accessibility within the piston, the always oblique bores could only be produced with long drills.
  • the inventive method provides a large freedom of design for the arrangement of the emanating from the inner cooling channel or the inner cooling chamber, opening into the outer cooling passage transfer openings.
  • the location, orientation and number of the transfer openings can be advantageous only with regard to an improved coolant loading of the cooling channels, in order to achieve an optimum cooling effect of the piston.
  • a further preferred embodiment of the piston according to the invention provides that for the representation of the inner cooling space of the central, the trough mold tracked inner region in the direction of the pin bore has a circumferential annular groove, which serves as a holding volume for coolant.
  • the annular groove is preferably produced by means of a mechanical processing.
  • a rolling pressure method combined with at least one main weld joint.
  • This procedure comprises the following steps. After introducing an inner cooling channel or an inner cooling chamber into the piston, the corresponding joining regions, by means of which the lower part and the upper part are supported, are welded. Preferably, a friction welding is provided for this purpose. Subsequently, transfer openings are introduced, which connect the inner cooling channel with the outer cooling channel. Optionally, also transfer openings can be introduced before the welding. With a forming process, a Wälzdrückmaschinevon is finally brought the piston ring field by bending in its final position.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a cooling channel piston
  • FIG. 2 shows the cooling channel piston rotated by 90 ° according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a cooling channel piston
  • FIG. 4 shows a third exemplary embodiment of a cooling channel piston
  • FIG. 5 shows a fourth exemplary embodiment of a cooling channel piston
  • FIG. 6 shows a fifth embodiment of a cooling channel piston
  • FIG. 7 shows the cooling channel piston rotated according to FIG. 6 through 90 °.
  • Figures 1 and 2 each show in a half-sectional view a designed as a cooling channel piston, intended for an internal combustion engine piston 1, which is formed by a lower part 2 and an upper part 3. Furthermore, the piston 1 comprises a ring field 4 intended for three piston rings, a combustion bowl 5, a piston shaft 6 and a pin bore 7. After joining the lower part 2 and the upper part 3, the piston 1 forms an inner cooling channel 8 and an outer cooling channel 9. In this case, the lower part 2 and the upper part 3 via three axially and radially offset from each other joining planes 10,11, 12 are supported, which are connected to create a structural unit by means of a friction welding, but also conceivable a different number of joint planes.
  • each joining plane 10, 11, 12, in the direction of the cooling channels 8, 9, shows welding beads 13, 14, 15, 16.
  • the outer bottle-like shaped cooling channel 9 has a ring field 4 surmounting the longitudinal extent.
  • the trough-shaped structure of the inner cooling channel 8 forms a vertical section 19 in the region of the pin bore 7, against which an angled, obliquely extending axis of symmetry 20 of the piston 1 extends Section 21 connects.
  • the cooling channel 8 has near the axis of symmetry 20 a transfer opening 22, which can also be referred to as an outlet opening.
  • the cooling channel 8 with the cooling channel 9 connecting the transfer opening 23 is introduced.
  • the construction and the manufacturing method of the piston 1 enables the transfer openings 22, 23 to be produced before the friction welding of the lower part 2 and upper part 3, whereby the introduction of the transfer openings 22, 23 is simplified.
  • the location and number of the transfer openings 22 is not limited and can be made almost arbitrary requirements for the coolant.
  • the position and the number of the transfer openings 23 is limited to the trough-shaped recess 19.
  • FIGs 3 to 7 show the piston 31, which is designed to the piston 1 according to Figures 1 and 2 alternatively.
  • an inner cooling space 38a is first introduced in a central inner area 53 of the upper part 33.
  • An inner wall of the cooling chamber 38a extends at a distance from the contour of the combustion bowl 35.
  • the cooling chamber 38a connected to the cooling channel 39 crossing opening 45 is introduced into a wall defining the inner cooling chamber 38a.
  • this can be made in any shape or position.
  • the lower part 32 and the upper part 33 each have a joining region 41a, 41b, which together form a Form joining plane 40, via which both components are connected by means of a friction welding.
  • the transfer opening 45 is not influenced by the self-adjusting welding beads 42, 43 of the friction welding.
  • the ring field 34 is bent from a not shown in Figure 3 swung-out position into the end position in which a Mantelfambae the ring field 34 concentric with the axis of symmetry 52 of the piston 31, which coincides with the outer contour of the piston skirt 36 simultaneously.
  • the ring field 34 bounded on the outside of the outer cooling channel 39.
  • the Wälzdrück compiler ensures a seal of an arc-shaped joint 46, which adjusts between the ring field 34 and the piston skirt 36.
  • the inner cooling space 38a is bounded downward, pointing in the direction of the pin bore 37, by a base 47 integrally connected to the base 32.
  • the floor 47 is provided with at least one central transfer opening 44.
  • the piston 31 has no joining plane.
  • the ring field 34 is pivoted, so that the transfer opening 45 can be introduced without special tools, before the bending of the ring field 34 takes place.
  • a disc-like, preferably made of sheet metal cover member 48 is provided, which is permanently attached by means of a weld or a clamp on the piston wall.
  • at least one transfer opening 44 is introduced into the cover element 48.
  • FIG. 5 shows the piston 31, which, in contrast to FIG. 4, encloses a cup-shaped cover element 49 and closes the inner cooling space 38b.
  • the covering element 49 which can advantageously be produced without cutting by a deep drawing process, is assigned to the upper hub region 50 of the piston 31.
  • For attachment is a weld or braze or alternatively a Clamping connection with which the cover 49 can be fixed non-positively to the hub 50.
  • the piston 31 comprises an inner cooling channel 38c, which is preferably made mechanically.
  • an annular channel is introduced into the upper hub region and in the perpendicular region 51, which is open in the direction of the combustion bowl 35.
  • FIG. 7 shows the piston 31 according to FIG. 6 in a half-sectional view offset by 90 °, which illustrates that the region 51 and, consequently, the cooling channel 38c are arranged circumferentially.
  • FIGS. 6 and 7 show the piston 31 with differently oriented transfer openings 45.
  • Burner trough 35 Burner trough

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1), für eine Brennkraftmaschine, ausgeführt als ein Kühlkanalkolben für kleine Kompressionshöhen. Der Kolben (1 ) umfasst ein Unterteil (2) und ein Oberteil (3), die über eine oder mehrere korrespondierende Fügeebenen (10, 11 , 12) abgestützt und mittels einer Reibschweißung verbunden sind. Der Kolben (1) schließt einen inneren, wannenförmig gestalteten Kühlkanal (8) ein, sowie einen äußeren, zu einem Ringfeld (4) axial beabstandeten Kühlkanal (9). Der innere Kühlkanal (8) wird durch eine mechanische Bearbeitung, insbesondere eine Einschmiedung in das Unterteil (2) des Kolbens (1 ) eingebracht. Den Kühlkanälen (8,9) zugeordnete Übertrittsöffnungen (22, 23) werden vor dem Reibschweißen der Fügeebenen (10, 11 , 12) eingebracht.

Description

Kühlkanalkolben für eine Brennkraftmaschine
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkanalkolben aus Stahl und dessen Herstellverfahren, gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Die US 6,155,157 offenbart einen Kühlkanalkolben, der zwei separat voneinander herstellbare Bauteile umfasst, die über ein Reibschweißverfahren stoffschlüssig zusammengefügt sind, zur Bildung eines einteiligen Kühlkanalkolbens. Als Kühlkanal ist ein zu dem Ringfeld des Kolbens beabstandeter und umlaufender, in Richtung Kolbeninnenform über Zu- und Ablaufbohrungen offener, schmal dimensionierter Ringkanal vorgesehen. Über eine ortsfest positionierte Spritzdüse wird der Kühlkanal von einem Kühlmedium, insbesondere Öl beaufschlagt. Dieser relativ einfach realisierbare Kühlkanal ermöglicht aufgrund der lokalen Lage keine ausreichende Kühlwirkung des Kolbens. Frage:
Aufgabenstellung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine optimale Kühlwirkung für hochbelastbare Kühlkanalkolben aus Stahl zu realisieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst. Eine erste Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus Stahl gegossenen oder geschmiedeten, aus zumindest zwei Teilen an zumindest einer Fügestelle durch Reibschweißen verbundenen Kühlkanalkolbens, der neben einem äußeren Kühlkanal zumindest einen weiteren inneren Kühlkanal mit zumindest einer wannenförmigen Vertiefung einschließt. Dieser mittels einer mechanischen Bearbeitung, einer Einschmiedung oder durch ein Giessenverfahren hergestellte wannenförmige Teilbereich des Kühlkanals, ist mit einem äußeren, zu dem Ringfeld des Kolbens axial beabstandet angeordneten Kühlkanal über zumindest eine Übertrittsöffnung verbunden. Die abschnittsweise wannenförmige Gestaltung des inneren Kühlkanals vergrößert vorteilhaft den Kühlölhohlraum und folglich die Kühlölaufnahme, wodurch sich die Shakerwirkung des Kolbens verbessert und damit insgesamt die Kühlwirkung des Kolbens deutlich gesteigert werden kann.
Die Formgebung des abschnittsweise wannenförmigen inneren Kühlkanals vereinfacht außerdem das Einbringen von Übertrittsöffnungen zwischen den Kühlkanälen, die bevorzugt als Bohrungen ausgeführt werden. Erfindungsgemäß werden die Übertrittsöffnungen zwischen den Kühlkanälen vor dem Reibschweißen der zumindest einen (dargestellt sind drei) Fügeebene im Unterteil eingebracht, über die das Oberteil und das Unterteil abgestützt ist. Die Übertrittsöffnungen können dabei vorteilhaft im Bereich der wannenförmigen Vertiefung münden. Der sich einstellende Freiheitsgrad zur Platzierung der Übertrittsöffnungen ermöglicht eine Lagefestlegung der Übertrittsöffnungen, die ausschließlich unter dem Gesichtspunkt einer optimalen Beaufschlagung und ausreichendem Volumen des Kühlmittels erfolgen kann. Vorteilhaft kann dabei ein ausreichender Abstand zu den Fügeebenen zwischen dem Oberteil und dem Unterteil eingehalten werden.
Aufgrund des räumlichen Abstandes werden die bereits eingebrachten Übertrittsöffnungen von der anschließenden Reibschweißung der zumindest einen Fügeebene und den sich dabei einstellenden Schweißwülsten nicht behindert. Die erfindungsgemäß in einem Kolben kurzer Kompressionshöhe integrierten Kühlkanäle bewirken eine optimale Kühlwirkung über die gesamte Fläche der Brennraummulde des Kolbens. Dabei verringern die großvolumig gestalteten Kühlkanäle vorteilhaft das Kolbengewicht. Bedingt durch abgestimmte Wandstärken der äußeren und inneren Kühlkanäle, die um die wannenförmige Erweiterung oberhalb der Bolzenbohrung erweitert sind, wird ein strukturfester Kolben realisiert, der höchsten Anforderungen standhält und der kostengünstig hergestellt werden kann.
Eine bevorzugte Gestaltung der erfindungsgemäßen Kühlkanäle sieht vor, dass diese sich auch in die Bereiche größter thermischer Belastung des Kolbens erstrecken. Dazu weist der abschnittsweise wannenförmige innere Kühlkanal im Bereich der Bolzenbohrung einen vertikal ausgerichteten Abschnitt auf, an den sich endseitig ein abgewinkelter, schräg zu einer Symmetrieachse des Kolbens ausgerichteter rotationssymmetrischer Abschnitt anschließt. Dieser schräg verlaufende Abschnitt des inneren Kühlkanals folgt beabstandet einer Kontur der Brennraummulde des Kolbens. Radial außenseitig schließt sich an den inneren Kühlkanal der äußere Kühlkanal an. Eine Längserstreckung des im parallelen Abstand zum Kolben-Ringfeld angeordneten äußeren Kühlkanals übertrifft ein Längenmaß des Ringfeldes. Die Kühlkanäle sind in dem Kolben so platziert, dass diese von Wandungen nahezu gleicher Wandstärken umschlossen sind. Zwecks vereinfachter Bearbeitung und Herstellung sind bevorzugt insbesondere im Falle kurzer Kompressionshöhen alle den Kühlkanälen zugeordneten Übertrittsöffnungen im Kolbenunterteil eingebracht.
Gemäß einer zweiten Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens aus Stahl mit einem zentralen Innenkühlraum vorgesehen, das ein Wälzdrückverfahren einschließt. In einem kuppelartig gestalteten, einer Muldenform nachgeführten zentralen Innenbereich des Kolbens ist mittels einer mechanischen Bearbeitung in Verbindung mit einem Abdeckelement ein innerer Kühlraum oder ein innerer Kühlkanal eingebracht, dem radial versetzt dazu ein äußerer Kühlkanal zugeordnet ist. Der Herstellprozess des Kolbens sieht vor, dass Übertrittsöffnungen für das Kühlöl, die auch als Versorgungsbohrungen zu bezeichnen sind, zwischen den Kühlkanälen vor dem abschließenden Wälzdrückverfahren eingebracht werden. Das Wälzdrückverfahren wird genutzt um das Kolben-Ringfeld durch Einbiegen in die endgültige Lage zu bringen. Die Erfindung beinhaltet zur Schaffung eines inneren Kühlraums ein Abdeckelement oder Formteil, das den Innenbereich nach unten verschließt. Dazu wird bevorzugt ein scheibenartig oder topfartig gestaltetes Abdeckelement eingesetzt. Zur Befestigung des Abdeckelements eignet sich vorzugsweise eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Befestigung, beispielsweise eine Pressverbindung. Alternativ ist eine Schweiß- oder Lötverbindung zur Befestigung des Abdeckelementes vorgesehen, das zumindest eine Austrittsöffnung für das Kühlmittel einschließt.
Aus der DE 37 13 191 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten Kopfes eines zweiteiligen Kolbens bekannt, bei dem ein Verfahrensschritt das Umbiegen des Ringabschnitts in eine endgültige Lage einschließt. Dieser Kolben umfasst lediglich einen außenseitig angeordneten, eng ausgelegten Kühlkanal, der nur lokal und folglich keine ausreichende großflächige Kühlwirkung des Kolbens sicherstellt. Beispielsweise erfolgt bei dem bekannten Kolben keine gezielte Kühlmittelbeaufschlagung im Bereich der inneren Brennraummulde.
Abweichend dazu ermöglicht der erfindungsgemäße Aufbau des Kolbens eine optimale Kühlwirkung. Über den einer zentralen Muldenform nachgeführten inneren Kühlkanal oder Kühlraum, in Verbindung mit dem dazu radial angeordneten äußeren Kühlkanal werden alle thermisch stark beanspruchten Zonen des Kolbens von den Kühlkanälen erfasst. Durch das Wälzdrückverfahren verbunden mit der gezielten Anordnung der Kühlkanäle ist ein strukturfester Stahlkolben realisierbar mit einer optimierten, insbesondere den gesamten Kolbenboden erfassenden Kühlwirkung. Der erfindungsgemäße Kolben hält damit höchsten Belastungen stand und ist in Brennkraftmaschinen mit hoher Leistungsdichte einsetzbar.
Das erfindungsgemäße Konzept vereinfacht bzw. optimiert die Herstellung des Kolbens, insbesondere das Einbringen der vorzugsweise als Bohrungen ausgeführten Übertrittsöffnungen. Die Herstellung der Bohrungen in bisherigen Stahlkolben erforderte einen erhöhten Fertigungsaufwand. Bedingt durch die erschwerte Zugänglichkeit innerhalb des Kolbens, konnten die stets schrägverlaufenden Bohrungen nur mit langen Bohrern hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet einen großen Gestaltungsfreiraum zur Anordnung der von dem inneren Kühlkanal oder dem inneren Kühlraum ausgehenden, in den äußeren Kühlkanal mündenden Übertrittsöffnungen. Die Lage, Ausrichtung und Anzahl der Übertrittsöffnungen kann vorteilhaft ausschließlich im Hinblick auf eine verbesserte Kühlmittelbeaufschlagung der Kühlkanäle erfolgen, um eine optimale Kühlwirkung des Kolbens zu erzielen.
Eine weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kolbens sieht vor, dass zur Darstellung des inneren Kühlraums der zentrale, der Muldenform nachgeführte Innenbereich in Richtung Bolzenbohrung eine umlaufende Ringnut aufweist, die als Haltevolumen für Kühlflüssigkeit dient. Die Ringnut wird bevorzugt mittels einer mechanischen Bearbeitung hergestellt.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind zur Fertigstellung des Kühlkanalkolbens aus Stahl, der ein Oberteil und ein Unterteil einschließt, ein Wälzdrückverfahren vorgesehen, das mit zumindest einer Hauptschweißverbindung kombiniert ist. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte. Nach dem Einbringen eines inneren Kühlkanals oder eines inneren Kühlraums in den Kolben werden die korrespondierenden Fügebereiche, über die das Unterteil und das Oberteil abgestützt sind, verschweißt. Bevorzugt ist dazu ein Reibschweißen vorgesehen. Anschließend werden Übertrittsöffnungen eingebracht, die den inneren Kühlkanal mit dem äußeren Kühlkanal verbinden. Optional können auch Übertritssöffnungen vor der Schweißung eingebracht sein. Mit einem Umformprozess, einem Wälzdrückverfahren wird abschließend das Kolben-Ringfeld durch Einbiegen in seine endgültige Lage gebracht.
Die nachfolgende Beschreibung erläutert verschiedene, in den Figuren 1 bis 7 dargestellte Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäß ausgestalteten Kühlkanalkolben.
Es zeigen:
Figur 1 : ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kühlkanalkolbens, Figur 2: den um 90° gedrehten Kühlkanalkolben gemäß Figur 1 ,
Figur 3: ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kühlkanalkolbens,
Figur 4: ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kühlkanalkolbens,
Figur 5: ein viertes Ausführungsbeispiel eines Kühlkanalkolbens,
Figur 6: ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Kühlkanalkolbens,
Figur 7: den um 90° gedrehten Kühlkanalkolben gemäß Figur 6.
Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils in einer hälftigen Schnittansicht einen als Kühlkanalkolben gestalteten, für eine Brennkraftmaschine bestimmten Kolben 1 , der von einem Unterteil 2 sowie einem Oberteil 3 gebildet wird. Weiterhin umfasst der Kolben 1 ein für drei Kolbenringe bestimmtes Ringfeld 4, eine Brennraummulde 5, einen Kolbenschaft 6 sowie eine Bolzenbohrung 7. Nach dem Zusammenfügen von dem Unterteil 2 und dem Oberteil 3 bildet der Kolben 1 einen inneren Kühlkanal 8 sowie einen äußeren Kühlkanal 9. Dabei sind das Unterteil 2 und das Oberteil 3 über drei sowohl axial als auch radial versetzt zueinander angeordnete Fügeebenen 10,11 ,12 abgestützt, die zur Schaffung einer Baueinheit mittels einer Reibschweißung verbunden werden, denkbar ist jedoch auch eine andere Anzahl an Fügeebenen.
Die Schweißung verdeutlichend, sind jeder Fügeebene 10,11 ,12 in Richtung der Kühlkanäle 8,9 zeigend Schweißwülste 13,14,15,16 dargestellt. Durch ein Zusammenwirken von Fügebereichen 17a, 17b, 17c des Unterteils 2 mit entsprechenden Fügebereichen 18a, 18b, 18c des Oberteils 3 werden die einzelnen Fügeebenen 10,11 ,12 gebildet, die gleichzeitig die Kühlkanäle 8, 9 in dem Kolben 1 begrenzen. Der äußere flaschenartig geformte Kühlkanal 9 besitzt eine das Ringfeld 4 übertreffende Längserstreckung. Die wannenförmige Struktur des inneren Kühlkanals 8 bildet wie in Figur 1 gezeigt, im Bereich der Bolzenbohrung 7 einen vertikalen Abschnitt 19, an den sich endseitig ein abgewinkelter, schräg zu einer Symmetrieachse 20 des Kolbens 1 verlaufender Abschnitt 21 anschließt. Außerhalb des Bereiches oberhalb der Bolzenbohrung ist der Kühlkanal 8 auf den Abschnitt 21 begrenzt, der axial beabstandet der Kontur der Brennraummulde 5 folgend verläuft. Zur Kühlmittelbeaufschlagung sind den Kühlkanälen 8, 9, die sich bereichsweise im Unterteil 2 und im Oberteil 3 des Kolbens 1 erstrecken, Übertrittsöffnungen 22, 23 zugeordnet. Der Kühlkanal 8 weist dazu nahe der Symmetrieachse 20 eine auch als Austrittsöffnung zu bezeichnende Übertrittsöffnung 22 auf. In einer Zwischenwand unterhalb der Fügeebene 11 ist eine weitere, den Kühlkanal 8 mit dem Kühlkanal 9 verbindende Übertrittsöffnung 23 eingebracht.
Der Aufbau und das Herstellverfahren des Kolbens 1 ermöglicht, dass die Übertrittsöffnungen 22, 23 vor der Reibschweißung von Unterteil 2 und Oberteil 3 hergestellt werden, wodurch sich das Einbringen der Übertrittsöffnungen 22, 23 vereinfacht. Die Lage sowie die Anzahl der Übertrittsöffnungen 22 ist nicht beschränkt und kann den Erfordernissen hinsichtlich der Kühlmittelbeaufschlagung nahezu beliebig erfolgen. Die Lage sowie die Anzahl der Übertrittsöffnungen 23 ist beschränkt auf die wannenförmige Vertiefung 19. Wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, werden die Kühlkanäle 8, 9 von Wandungen nahezu gleicher Wandstärke umschlossen. Diese Maßnahme verbessert vorteilhaft die Wärmeabfuhr und optimiert die Strukturfestigkeit des Kolbens 1.
Die Figuren 3 bis 7 zeigen den Kolben 31 , der zu dem Kolben 1 gemäß den Figuren 1 und 2 alternativ gestaltet ist.
Zur Herstellung des Kolbens 31 gemäß Figur 3 wird zunächst in einem zentrischen Innenbereich 53 des Oberteils 33 ein innerer Kühlraum 38a eingebracht. Eine Innenwand des Kühlraums 38a verläuft dabei beabstandet zu der Kontur der Brennraummulde 35. Weiterhin wird zumindest eine, den Kühlraums 38a mit dem Kühlkanal 39 verbindende Übertrittsöffnung 45 in eine den inneren Kühlraum 38a begrenzende Wandung eingebracht. Alternativ zu der schräg ansteigend abgebildeten Übertrittsöffnung 45, kann diese in einer beliebigen Form oder Lage hergestellt werden. Das Unterteil 32 und das Oberteil 33 weisen jeweils einen Fügebereich 41a, 41b auf, die gemeinsam eine Fügeebene 40 bilden, über die beide Bauteile mittels einer Reibschweißung verbunden werden.
Aufgrund eines ausreichenden Abstandes zu der Fügeebene 40 wird die Übertrittsöffnung 45 von den sich einstellenden Schweißwülsten 42, 43 der Reibschweißung nicht beeinflusst. Nach erfolgter Schweißung wird das Ringfeld 34 von einer in Figur 3 nicht dargestellten ausgeschwenkten Position in die Endlage eingebogen, in der eine Mantelfäche des Ringfelds 34 konzentrisch zu der Symmetrieachse 52 des Kolbens 31 verläuft, die gleichzeitig mit der Außenkontur des Kolbenschafts 36 übereinstimmt. Damit begrenzt das Ringfeld 34 außenseitig den äußeren Kühlkanal 39. Das Wälzdrückverfahren gewährleistet eine Abdichtung einer bogenartig verlaufenden Fuge 46, die sich zwischen dem Ringfeld 34 und dem Kolbenschaft 36 einstellt. Der innere Kühlraum 38a wird nach unten, in Richtung der Bolzenbohrung 37 zeigend, von einem einstückig mit dem Unterteil 32 verbundenen Boden 47 begrenzt. Zur Kühlmittelbeaufschlagung des Kühlraums 38a ist der Boden 47 mit zumindest einer zentrischen Übertrittsöffnung 44 versehen.
Gemäß Figur 4 weist der Kolben 31 keine Fügeebene auf. In einer nicht abgebildeten Zwischenstufe des Herstellverfahrens ist das Ringfeld 34 verschwenkt, so dass die Übertrittsöffnung 45 ohne Spezialwerkzeug eingebracht werden kann, bevor das Einbiegen des Ringfeldes 34 erfolgt. Zur unteren Abgrenzung des inneren Kühlraums 38b ist ein scheibenartig, bevorzugt aus Blech hergestelltes Abdeckelement 48 vorgesehen, das mittels einer Schweißung oder einer Klemmung an der Kolbenwand dauerhaft befestigt wird. Zwecks Kühlmittelbeaufschlagung ist in das Abdeckelement 48 zumindest eine Übertrittsöffnung 44 eingebracht.
Die Figur 5 zeigt den Kolben 31 , der im Unterschied zu Figur 4 ein topfartig geformtes Abdeckelement 49 einschließt und den inneren Kühlraum 38b abschließt. Das vorteilhaft spanlos durch ein Tiefziehverfahren herstellbare Abdeckelement 49 ist dem oberen Nabenbereich 50 des Kolbens 31 zugeordnet. Zur Befestigung eignet sich eine Schweißung oder Hartlötung oder alternativ eine Klemmverbindung, mit der das Abdeckelement 49 kraftschlüssig an der Nabe 50 befestigt werden kann.
Gemäß Figur 6 umfasst der Kolben 31 einen inneren Kühlkanal 38c, der vorzugsweise mechanisch hergestellt ist. Dazu ist in den oberen Nabenbereich und im dazu senkrechten Bereich 51 ein Ringkanal eingebracht, der in Richtung der Brennraummulde 35 offen ist. Die Figur 7 zeigt den Kolben 31 gemäß Figur 6 in einer um 90° versetzten hälftigen Schnittdarstellung, die verdeutlicht, dass der Bereich 51 und folglich der Kühlkanal 38c umlaufend angeordnet ist. Weiterhin zeigen die Figuren 6 und 7 den Kolben 31 mit unterschiedlich ausgerichteten Übertrittsöffnungen 45.
Bezugszeichenliste:
1. Kolben 31. Kolben
2. Unterteil 32. Unterteil
3. Oberteil 33. Oberteil
4. Ringfeld 34. Ringfeld
5. Brennraummulde 35. Brennraummulde
6. Kolbenschaft 36. Kolbenschaft
7. Bolzenbohrung 37. Bolzenbohrung
8. Kühlkanal 38a . Kühlraum
9. Kühlkanal 38b. Kühlraum
10. Fügeebene 39c. Kühlkanal
11. Fügeebene 39. Kühlkanal
12. Fügeebene 40. Fügeebene
13. Schweißwulst 41a. Fügebereich
14. Schweißwulst 41 b. Fügebereich
15. Schweißwulst 42. Schweißwulst
16. Schweißwulst 43. Schweißwulst
17a. Fügebereich 44. Übertrittsöffnung
17b. Fügebereich 45. Übertrittsöffnung
17c. Fügebereich 46. Fuge
18a. Fügebereich 47. Boden
18b. Fügebereich 48. Abdeckelement
18c. Fügebereich 49. Abdeckelement
19. Abschnitt 50. Muldenrand
20. Symmetrieachse 51. Muldenrand
21. Abschnitt 52. Symmetrieachse
22. Übertrittsöffnung 53. Innenbereich
23. Übertrittsöffnung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) aus Stahl für eine Brennkraftmaschine, ausgeführt als ein einteiliger Kühlkanalkolben für kleine Kompressionshöhen mit zumindest zwei Kühlkanälen (8,9), der ein Unterteil (2) und ein Oberteil (3) einschließt, die über zumindest eine korrespondierende Fügeebene (11) abgestützt und mittels eines Fügeverfahrens, insbesondere einer Reibschweißung, verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) einen inneren, in einem Bereich oberhalb der Bolzenbohrung (7) eine wannenförmige Geometrie (19) aufweisenden, durch eine mechanische Bearbeitung, durch Schmieden oder durch Gießen hergestellten Kühlraum (8) umfasst, sowie einen äußeren, zu einem Ringfeld (4) des Kolbens (1) beabstandeten Kühlkanal (9), wobei der Kühlkanal (8) zumindest eine Übertrittsöffnung (23) zum äußeren Kühlkanal (9) aufweist, die in den wannenförmigen Teilbereich des Kühlraumes (8) mündet und zumindest eine Übertrittsöffnung (22), die in die Kolbeninnenform mündet , wobei die Bohrungen vor dem Reibschweißen der zumindest einen Fügeebene (11) in den Kolben (1) eingebracht werden.
2.
Kolben (1), hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (3) und das Unterteil (2) über genau drei korrespondierende Fügeebenen (10,11 ,12) mittels eines Fügeverfahrens, insbesondere einer Reibschweißung, verbunden sind, wobei die Wandungen der Fügeebenen Teilbereiche der Wandungen der beiden Kühlkanäle (8, 9) bilden.
3.
Kolben (1), hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der wannenförmige Teilbereich (19) des inneren Kühlkanals (8) im Bereich einer Bolzenbohrung (7) annähernd vertikal ausgerichteten ist, und sich endseitig ein abgewinkelter, schräg zu einer Symmetrieachse (20) des Kolbens (1) ausgerichteter Abschnitt (21) anschließt.
4.
Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (8,9) bereichsweise im Unterteil (2) und im Oberteil (3) des Kolbens (1) angeordnet sind.
5.
Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle
(8,9) von Wandungen nahezu gleicher Wandstärke umschlossen sind.
6.
Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (8,9) beabstandet einer Kontur der Brennraummulde (5) folgend in dem Kolben (1) eingebracht sind.
7.
Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die den Kühlkanälen (8,9) zugeordneten Übertrittsöffnungen (22,23) dem Unterteil (2) des Kolbens (1) zugeordnet sind.
8.
Verfahren zur Herstellung eines einteiligen, insbesondere geschmiedeten Kühlkanalkolbens aus Stahl für eine Brennkraftmaschine, das ein Wälzdrückverfahren einschließt, wobei der zumindest einen äußeren und einen inneren Kühlkanal (8,9) einschließende Kolben (31) ein Ringfeld (34) einschließt, das durch Einbiegen in eine endgültige Lage gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer mechanischen Bearbeitung oder in Verbindung mit einem Abdeckelement (48, 49) in einem Innenbereich (53) des Kolbens (31) ein innerer Kühlraum (38a, 38b) oder ein innerer Kühlkanal (38c) eingebracht ist, dem radial beabstandet ein äußerer Kühlkanal (39) zugeordnet ist, wobei zumindest eine Übertrittsöffnung (45) den äußeren Kühlkanal (39) mit dem inneren Kühlkanal (38c) oder inneren Kühlraum (38a, 38b) verbindet.
9.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Kolben (31) ein Unterteil (32) und ein Oberteil (33) einschließt, gekennzeichnet durch folgende Schritte zur Herstellung des Kolbens (31),
- Einbringen des inneren Kühlkanals (38c) oder des inneren Kühlraums (38a, 38b),
- Verschweißen von zumindest einer Fügeebene (40) zwischen dem Unterteil (32) und dem Oberteil (33),
- Einbringen von zumindest einer Übertrittsöffnung (45), die den inneren Kühlraums (38a, 38b) oder den inneren Kühlkanal (38c) mit dem äußeren Kühlkanal (39) verbindet,
- Einbiegen des Ringfeldes (34) in seine endgültige Lage.
10.
Kolben hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein umlaufender, eine Nut einschließender Kragen (51) an dem kuppelartig gestalteten Innenbereich (53) den inneren Kühlkanal (38c) bildet.
11.
Kolben hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des inneren Kühlraums (38a, 38b) der Innenbereich (53) des Kolbens (31) zu einer Bolzenbohrung (37) zeigend, von einem im Kolben (31) eingesetzten, zumindest eine Übertrittsöffnung (44) aufweisenden Abdeckelement (48,49) begrenzt ist.
12.
Kolben nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Befestigung des Abdeckelements (48,49) eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige oder stoffschlüssige Verbindung vorgesehen ist.
13. Kolben nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein scheibenartig oder topfartig gestaltetes Abdeckelement (48,49) den inneren Kühlraum (38a, 38b) abschließt.
14.
Kolben nach Anspruch 2 oder 3 oder nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Kühlkanal (9, 39) eine das Ringfeld (4, 34) übertreffende Längserstreckung aufweist.
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