EP2188513B1 - Zweiteiliger kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Zweiteiliger kolben für einen verbrennungsmotor Download PDF

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EP2188513B1
EP2188513B1 EP08801217.4A EP08801217A EP2188513B1 EP 2188513 B1 EP2188513 B1 EP 2188513B1 EP 08801217 A EP08801217 A EP 08801217A EP 2188513 B1 EP2188513 B1 EP 2188513B1
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EP
European Patent Office
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piston
ring element
solder connection
radially
ring
Prior art date
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EP08801217.4A
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EP2188513A1 (de
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Jochen Kortas
Timo Estrum
Dieter Messmer
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Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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    • 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
    • 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
    • F02F2003/0038—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping by brazing

Definitions

  • the invention relates to a two-part piston for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • DE-OS 24 34 902 is a multi-part piston for an internal combustion engine which has a base body, on the underside of two pin bosses are formed. On the underside of the body is connected to a piston skirt and on the top radially outward with a ring member. It is known from the above DE-OS also, for connecting the main body to the piston skirt and with the ring member a Lötsch Strukturbericht, ie, to use a brazing method. In this case, the ring element has a first solder joint on the radial inner side of the part of the piston crown formed by the ring element. Since both the part of the piston crown formed by the main body and by the ring element are very thin-walled, there is the disadvantage that the solder joint also has a very small axial length and thus a very low strength.
  • the ring element On the side facing away from the piston crown, the ring element is also connected to the base body via a relatively long, lower solder joint seen in the radial direction. If in this case the piston crown due to a pressure load due to the taking place in the combustion chamber cavity, explosive combustion of the fuel-air mixture and because of prevailing in the region of the piston crown, very high temperatures in the radial direction partly pressure and partly due to temperature expands, the ring element widened funnel-shaped, and the lower solder joint is subjected to a large tensile load.
  • the known from the prior art piston has the disadvantage that in the area of the lower solder joint no constructive measures are provided to reduce this tensile load on the lower solder joint.
  • Fig. 1 shows a piston 1 in an exploded view, which consists of a piston body 2 and a ring element 3.
  • the piston body 2 and the ring member 3 are made of AFP steel, ie, from a micro-alloyed, precipitation hardening, ferritic-pearlitic manganese-vanadium-based steel according to DIN EN 10267.
  • the piston body 2 and the ring member 3 are used in the assembly of the Soldered piston 1 with each other.
  • the ring member 3 forms the essential part of the annular piston crown 4 and has on its radial outer side a ring portion 5 to Recording in the figure not shown piston rings.
  • a round opening 7 is introduced, which is bounded near the piston head 4 by a first, cylindrical surface 8, which serves as a soldering surface during assembly of the piston 1.
  • the piston main body 2 consists of a substantially plate-shaped and round center part 9, on its underside facing away from the piston bottom 4, two opposing shaft elements 10 and two opposing and this shaft elements 10 interconnecting pin bosses 11 are formed.
  • the radially outer end faces 12 of the pin bosses 11 are set back relative to the radially outer boundary 13 of the middle part 9 in the direction of the piston axis 6.
  • a peripheral, channel-shaped recess 14 is formed radially outwardly, surrounded by a circumferential inner annular rib 15 arranged radially on the upper side of the middle part 9, the interior of which forms the combustion recess 16 of the piston 1.
  • the annular rib 15 and the combustion bowl 16 are not rotationally symmetrical to the piston axis 6, but have radially outward a dent 17 whose purpose is to improve the combustion of the fuel-air mixture in the combustion bowl 16.
  • the piston crown side, the boundary of the annular rib 15 is circular, so that a part of the piston head 4 'is formed thereof.
  • a radially outer, second cylindrical surface 18 is also formed, which also serves as a counterpart to the first surface 8 of the ring member 3 as a soldering surface and with the surface 8 an upper solder joint (23, see Fig. 3 ) between the ring member 3 and the piston body 2 forms.
  • the middle part 9 has on its upper side an annular, third surface 19, which serves as a soldering surface and with an in Fig. 1 not shown, on the lower end face of the ring member 3, fourth and also serving as a soldering surface 20 forms a lower solder joint between the ring member 3 and the piston body 2. (See also this Fig. 3 .)
  • Fig. 3 illustrated section through the piston along the piston axis 6 and the line III-III in Fig. 2 shows a radially outside of the ring member 3, radially inwardly of the annular rib 15 and bottom of the recess 14 of the central part 9 of the piston body 2 limited, annular, cooling channel 21, not shown in the figure and opening into the piston interior 22 ⁇ lzurios- and ⁇ labzhoukanäle , Shown are also formed by the first and second surfaces 8 and 18, axially aligned, upper solder joint 23 and formed by the third and fourth surfaces 19 and 20, radially oriented, lower solder joint 24 between the piston body 2 and the ring member third
  • the first surface 8 in this case represents the radially inner boundary of the piston crown 4 forming deck portion 25 of the ring member 3, wherein in the piston bottom side facing away from the deck area 25 an upwardly directed, circumferential recess 26 is formed, here a peripheral, upper, thinned wall area 49 forms.
  • the ratio between the length b of the upper solder joint 23 and the minimum thickness a of the upper thinned wall portion 49 is between 1 and 3, that is, 1 ⁇ b / a ⁇ 3.
  • the fourth surface 20 which forms the lower end face of the ring element 3
  • the recess 27 is disposed between the ring portion 5 and the lower solder joint 24.
  • Fig. 4 is an embodiment of the piston 1 'in the region of the cooling channel 21' shown, in which the upper deck portion 25 'of the ring member 3 "in the region of the upper, thinned wall portion 49 radially inward only extends to the region of lowest wall thickness a and here a radial inner, cylindrical surface 31 forms, which forms an upper solder joint 32 with a radially outer, cylindrical surface 29 of a piston crown side integrally formed on the annular rib 15, circumferential and radially outwardly directed collar 30.
  • the surface 29 is delimited by a step-shaped circumferential molding 34 on which the radially inner end of the cover region 25 'rests.
  • the recesses 47 and 48 are arranged between the lower solder joint 33 and the ring portion 5. .
  • Fig. 5 shows an embodiment of the piston 1 ", in which the solder joint 24 'of the conically downwardly tapering, lower end face 37 of the ring member 3' and of the conically tapering down surface 38 is formed, wherein the surface 38 is the radially outer Area of the central part 9 "limited piston bottom side.
  • the piston 1 according to the invention is produced by first forging a blank 39 for the piston main body 2 and a blank 40 for the ring element 3, as described in US Pat Fig. 6 are shown in which the two blanks 39 and 40 are shown hatched, and in the piston 1 ultimately produced from this is shown in dashed lines within the hatched area.
  • the ring member 3 can also be made by the method of rolling or drawing.
  • the piston bottom side, radially inner edge of the blank 40 with a chamfer 41 and the piston bottom side, radially outer edge of the blank 39 are provided with a chamfer 42, which, like Fig. 6 shows, a wedge-shaped in section, circumferential recess 43 result when the two blanks 39 and 40 are assembled.
  • a circumferential, in section at least approximately rectangular projection 44 is integrally formed. Both the recess 43 and the projection 44 have in the context of the joining of the two blanks by means of the Lot explained below in more detail purpose.
  • the two blanks 39 and 40 are soldered together.
  • a gap with this width is already achieved in that both the surfaces 8 and 18 and the surface 19 and 20 are brought into contact with each other without positive locking.
  • the recess 43 and the piston bottom side surface of the projection 44 are then coated with a nickel-based solder paste, after which the two blanks 39, 40 including solder paste are heated to 1150 ° C.
  • the solder paste liquefies here and penetrates due to the capillary effect between the surfaces 8 and 18 and the surfaces 19 and 20, wherein the liquefied solder enforces a gap with the above dimensions between the surfaces 8 and 18 and between the surfaces 19 and 20 due to the capillary action.
  • the surfaces 8, 18, 19 and 20 are completely wetted.
  • the solder paste solidifies and results in a defect-free solder joint between the two partially processed blanks 39 and 40.
  • the gap between the surfaces 29 and 31 of the upper solder joint 32 of 10 .mu.m to 200 .mu.m which is sufficient for an error-free solder connection is achieved by machining the surfaces 29 and 31 by means of a fine-turning method insofar as the gap between the two surfaces 29 and 31 having the above dimensions of 10 .mu.m to 200 .mu.m, after the collar 36 is fixed in the recess 35 with close clearance.
  • the Anformung 34 on which passes in the assembly of the piston 1 'of the cover portion 25' of the ring member 3 "to the plant, here ensures that the piston crown side end face 51 of the collar 36 and the shaft-side inner surface 52 of the recess 35 after the piston assembly a distance from 10 .mu.m to 200 .mu.m apart from each other, so that here too results in a sufficiently wide gap for an error-free solder joint.
  • the application of the soldering method for connecting the two piston parts has the advantage that the soldering temperature of 1150 ° C, to which the piston is heated in this case, is equal to the forging temperature, with which the two blanks 39 and 40 are forged so that when cooling specifically can be adjusted for the AFP steel typical material properties.
  • the piston 1 is completed by the in Fig. 6 dashed lines, rotationally symmetrical outer contours of the piston 1 by turning and also dashed lines, non-rotationally symmetrical boundary surfaces 46 of the combustion bowl 16 are made by milling. In this case it is also possible to weld the piston base body 2, 2 ', 2 "and the ring element 3, 3', 3" together.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen zweiteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE-OS 24 34 902 ist ein mehrteiliger Kolbe für einen Verbrennungsmotor bekannt, der einen Grundkörper aufweist, an dessen Unterseite zwei Bolzennaben angeformt sind. Auf der Unterseite ist der Grundkörper mit einem Kolbenschaft und auf der Oberseite radial außen mit einem Ringelement verbunden. Bekannt ist aus obigerer DE-OS auch, zum Verbinden des Grundkörpers mit dem Kolbenschaft und mit dem Ringelement ein Lötschweißverfahren, d.h., ein Hartlötverfahren anzuwenden. Hierbei weist das Ringelement eine erste Lötverbindung auf der radialen Innenseite des vom Ringelement gebildeten Teiles des Kolbenbodens auf. Da sowohl der vom Grundkörper als auch der vom Ringelement gebildete Teil des Kolbenbodens sehr dünnwandig sind, ergibt sich der Nachteil, dass auch die Lötverbindung eine sehr geringe axiale Länge und damit eine sehr geringe Festigkeit aufweist.
  • Ein ähnlicher Kolben ist aus GB 2 163 072 bekannt.
  • Auf der dem Kolbenboden abgewandten Seite ist das Ringelement zudem über eine in radialer Richtung gesehen relativ lange, untere Lötverbindung mit dem Grundkörper verbunden. Wenn sich hierbei der Kolbenboden aufgrund einer Druckbelastung wegen der in der Brennraummulde stattfindenden, explosionsartigen Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und wegen der im Bereich des Kolbenbodens herrschenden, sehr hohen Temperaturen in radialer Richtung teils druck- und teils temperaturbedingt ausdehnt, weitete sich das Ringelement trichterförmig auf, und die untere Lötverbindung wird einer großen Zugbelastung ausgesetzt. Der aus dem vorliegenden Stand der Technik bekannte Kolben hat den Nachteil, dass im Bereich der unteren Lötverbindung keine konstruktiven Maßnahmen vorgesehen sind, um diese Zugbelastung auf die untere Lötverbindung zu verringern.
  • Diese Nachteile des Stand der Technik zu vermeiden, ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Hierbei werden bei einer trichterförmigen Aufweitung des Ringelementes nahe den Lötverbindungen angeordnete, verdünnte, umlaufende Wandbereiche schamierartig verformt, was eine erheblich Verringerung der im Motorbetrieb auf die Lötverbindungen einwirkende Zugspannung mit sich bringt.
  • Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1
    eine Explosionsdarstellung des Kolbens gemäß der Erfindung, bestehend aus einem Kolbengrundkörper und einem Ringelement,
    Fig. 2
    eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Kolbens nach dessen Montage,
    Fig. 3
    einen Schnitt durch den Kolben entlang der Kolbenachse und der Linie III-III in Fig. 2,
    Fig. 4
    einen Teilschnitt durch den Kolben im Bereich des Kühlkanals zur Darstellung einer Ausgestaltung der Lötverbindungen,
    Fig. 5
    einen Teilschnitt durch den Kolben im Bereich des Kühlkanals zur Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer der Lötverbindungen und
    Fig. 6
    einen Teilschnitt durch den Kolbenrohling im Bereich des Kühlkanals.
  • Fig. 1 zeigt einen Kolben 1 in Explosionsdarstellung, der aus einem Kolbengrundkörper 2 und einem Ringelement 3 besteht. Der Kolbengrundkörper 2 und das Ringelement 3 sind aus AFP-Stahl gefertigt, d.h., aus einem mikrolegierten, ausscheidungshärtenden, ferritisch-perlitischen Stahl auf Mangan-Vanadin-Basis nach DIN EN 10267. Der Kolbengrundkörper 2 und das Ringelement 3 werden im Rahmen der Montage des Kolbens 1 miteinander verlötet.
  • Das Ringelement 3 bildet den wesentlichen Teil des ringförmig ausgebildeten Kolbenbodens 4 und weist auf seiner radialen Außenseite eine Ringpartie 5 zur Aufnahme in der Figur nicht dargestellter Kolbenringe auf. In das Ringelement 3 ist mittig und rotationssymmetrisch zur Kolbenachse 6 eine rund Öffnung 7 eingebracht, die nahe dem Kolbenboden 4 von einer ersten, zylinderförmigen Fläche 8 begrenzt wird, die bei der Montage des Kolbens 1 als Lötfläche dient.
  • Der Kolbengrundkörper 2 besteht aus einem im Wesentlichen plattenförmigen und runden Mittenteil 9, an dessen dem Kolbenboden 4 abgewandte Unterseite zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente 10 und zwei einander gegenüberliegende und diese Schaftelemente 10 miteinander verbindende Bolzennaben 11 angeformt sind. Die radial äußeren Stirnseiten 12 der Bolzennaben 11 sind gegenüber der radial äußeren Begrenzung 13 des Mittenteils 9 in Richtung der Kolbenachse 6 zurückgesetzt.
  • In die Oberseite des Mittenteils 9 ist radial außen eine umlaufende, kanalförmige Ausnehmung 14 eingeformt, von der eine radial innen liegende und auf der Oberseite des Mittenteils 9 angeordnete, umlaufende Ringrippe 15 umgeben ist, deren Innenraum die Verbrennungsmulde 16 des Kolbens 1 bildet.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel des Kolbens 1 sind die Ringrippe 15 und die Verbrennungsmulde 16 nicht rotationssymmetrisch zur Kolbenachse 6 ausgebildet, sondern weisen radial außen eine Eindellung 17 auf, deren Zweck darin besteht, die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Verbrennungsmulde 16 zu verbessern.
  • Kolbenbodenseitig ist die Begrenzung der Ringrippe 15 kreisförmig ausgebildet, sodass hiervon ein Teil des Kolbenbodens 4' gebildet wird. Hiervon wird zudem eine radial außen liegende, zweite zylinderförmige Fläche 18 gebildet, die als Gegenstück zur ersten Fläche 8 des Ringelementes 3 ebenfalls als Lötfläche dient und mit der Fläche 8 eine obere Lötverbindung (23, siehe Fig. 3) zwischen dem Ringelement 3 und dem Kolbengrundkörper 2 bildet.
  • Radial außen weist das Mittenteil 9 auf seiner Oberseite eine ringförmige, dritte Fläche 19 auf, die als Lötfläche dient und mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten, auf der unteren Stirnseite des Ringelementes 3 angeordneten, vierten und ebenfalls als Lötfläche dienender Fläche 20 eine untere Lötverbindung zwischen dem Ringelement 3 und dem Kolbengrundkörper 2 bildet. (Siehe auch hierzu Fig. 3.)
  • Ist das Ringelement 3 auf den Kolbengrundkörper 2 aufgesetzt und damit verlötet, ergibt sich der in Fig. 2 dargestellte Kolben 1, der den Kolbenboden 4, 4', die Verbrennungsmulde 16, die Ringpartie 5, ein Schaftelement 10 und eine Bolzennabe 11 erkennen lässt.
  • Der in Fig. 3 dargestellte Schnitt durch den Kolben entlang der Kolbenachse 6 und der Linie III-III in Fig. 2 zeigt einen radial außen vom Ringelement 3, radial innen von der Ringrippe 15 und unten von der Ausnehmung 14 des Mittelteils 9 des Kolbengrundkörpers 2 begrenzten, ringförmigen, Kühlkanal 21, der in der Figur nicht dargestellte und in den Kolbeninnenraum 22 mündende Ölzuführ- und Ölabführkanäle aufweist. Dargestellt sind auch die von der ersten und zweiten Fläche 8 und 18 gebildete, axial ausgerichtete, obere Lötverbindung 23 und die von der dritten und vierten Fläche 19 und 20 gebildete, radial ausgerichtete, untere Lötverbindung 24 zwischen dem Kolbengrundkörper 2 und dem Ringelement 3.
  • Die erste Fläche 8 stellt hierbei die radial innere Begrenzung des den Kolbenboden 4 bildenden Deckbereiches 25 des Ringelementes 3 dar, wobei in die kolbenbodenabgewandte Seite des Deckbereiches 25 eine nach oben gerichtete, umlaufende Ausnehmung 26 eingeformt ist, die hier einen umlaufenden, oberen, verdünnten Wandbereich 49 bildet. Hierbei liegt das Verhältnis zwischen der Länge b der oberen Lötverbindung 23 und der minimalen Dicke a des oberen, verdünnten Wandbereiches 49 zwischen 1 und 3, d.h., 1<b/a<3.
  • Kolbenbodenseitig schließt sich an die vierte Fläche 20, die die untere Stirnseite des Ringelementes 3 bildet, eine weitere, in die radiale Innenseite des Ringelementes 3 eingeformte und nach radial außen gerichtete, umlaufende Ausnehmung 27 an, die hier einen unteren, umlaufenden, verdünnten Wandbereich 50 bildet, wobei das Verhältnis zwischen der Länge c der unteren Lötverbindung 24 und der minimalen Dicke d des unteren, verdünnten Wandbereiches 50 ebenfalls zwischen 1 und 3 liegt, d.h., 1<c/d<3. Die Ausnehmung 27 ist zwischen der Ringpartie 5 und der unteren Lötverbindung 24 angeordnet.
  • Bei einer Temperatur- und/oder Druckbelastung des Kolbens 1, 1', 1" ergibt sich, wie es in Fig. 5 zur Verdeutlichung des Sachverhaltes vergrößert dargestellt ist, eine Aufweitung 28 des oberen Teiles des Kolbens 1, 1', 1". Die hierbei auf die Lötverbindungen 23, 24, 24' einwirkende Zugbelastung wird von den verdünnten und damit elastisch nachgiebigen Bereiche des Ringelementes 3, 3', die von den Ausnehmungen 26 und 27 gebildeten werden, und die sich bei der Aufweitung 28 des Kolbenoberteils scharnierartige verformen, insoweit verringert, dass die Lötverbindungen 23, 24, 24' auch nach längerem Motorbetrieb halten.
  • In Fig. 4 ist eine Ausgestaltung des Kolbens 1' im Bereich des Kühlkanals 21' dargestellt, bei der der obere Deckbereich 25' des Ringelementes 3" im Bereich des oberen, verdünnten Wandbereiches 49 radial innen nur bis zu dem Bereich der geringsten Wandstärke a reicht und hier eine radial innen liegende, zylinderförmige Fläche 31 bildet, die mit einer radial außen liegenden, zylinderförmigen Fläche 29 eines kolbenbodenseitig an die Ringrippe 15 angeformten, umlaufenden und nach radial außen gerichteten Kragens 30 eine obere Lötverbindung 32 bildet.
  • Auf der kolbenbodenabgewandten Seite wird die Fläche 29 von einer stufenförmigen, umlaufenden Anformung 34 begrenzt, auf der das radial innere Ende des Deckbereiches 25' aufliegt.
  • Die kolbenbodenabgewandte Stirnseite 20' des Ringelementes 3" weist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 radial innen eine umlaufende, stufenförmige Ausnehmung 35 auf, die so dimensioniert ist, dass sie auf einen kolbenbodenseitig auf der radial äußeren Begrenzung 13' des Mittenteils 9' angeformten, umlaufenden Kragen 36 passt, sodass beim Zusammenbau des Kolbens 1' das Ringelement 3" auf den Kragen 36 geschoben wird, bis der Kragen 36 in der Ausnehmung 35 sitzt, und der Deckbereich 25' des Ringelementes 3" auf der Anformung 34 zur Anlage gelangt. Eine untere Lötverbindung 33 wird im Bereich der kolbenbodenabgewandten Stirnseite 20' des Ringelementes 3" von der kolbenbodenseitigen Stirnfläche 51 des Kragens 36 und von der schaftseitigen Innenfläche 52 der Ausnehmung 35 gebildet.
  • Hierdurch wird erreicht, dass das Ringelement 3" beim Aufschieben auf den Kolbengrundkörper 2' nicht nur über die Flächen 29 und 31 der oberen Lötverbindung 32 geführt und zentriert wird, sondern dass bei der Montage des Kolbens 1' eine zusätzliche Führung und Zentrierung des Ringelementes 3" auch über die Ausnehmung 35 und den Kragen 36 der unteren Lötverbindung 33 erreicht wird.
  • Anstelle einer einzige, radial innen angeordneten Ausnehmung 27 gemäß dem in den Fig. 3 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kolbens 1, 1" weist das Ausführungsbeispiel des Kolbens 1' gemäß Fig. 4 oberhalb der unteren Lötverbindung 33 sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite des Ringelementes 3" je eine umlaufende Ausnehmung 47 und 48 auf, die hier einen unteren, verdünnten Wandbereich 50' mit der Dicke d schaffen, der sich bei einer Aufweitung 28 des Kolbenoberteils (gemäß Fig. 5) scharnierartige verformt und damit die sich hierbei ergebende Zugbelastung auf die untere Lötverbindung 33 verringert. Die Ausnehmungen 47 und 48 sind zwischen der unteren Lötverbindung 33 und der Ringpartie 5 angeordnet. ,
  • Fig. 5 zeigt eine Ausgestaltung des Kolbens 1", bei dem die Lötverbindung 24' von der konisch sich nach unten verjüngenden, unteren Stirnseite 37 des Ringelementes 3' und von der ebenfalls konisch sich nach unten verjüngenden Fläche 38 gebildet wird, wobei die Fläche 38 den radial äußeren Bereich des Mittenteils 9" kolbenbodenseitig begrenzt. Hierdurch wird eine Vergrößerung der Flächen 37 und 38 und damit eine Vergrößerung der unteren, konisch sich nach unten verjüngenden Lötverbindung 24' mit der Länge c erreicht, was zu einer weiteren Verbesserung der Festigkeit der unteren Lötverbindung 24' führt.
  • Hergestellt wird der erfindungsgemäße Kolben 1, indem zunächst ein Rohling 39 für den Kolbengrundkörper 2 und ein Rohling 40 für das Ringelement 3 geschmiedet werden, wie sie in Fig. 6 dargestellt sind, in der die beiden Rohlinge 39 und 40 schraffiert gezeichnet sind, und in der der letztlich hieraus hergestellte Kolben 1 innerhalb der schraffierten Fläche gestrichelt eingezeichnet ist. Das Ringelement 3 kann auch durch das Verfahren des Walzens oder des Ziehens hergestellt werden. Hierbei werden die kolbenbodenseitige, radial innere Kante des Rohlings 40 mit einer Fase 41 und die kolbenbodenseitige, radial äußere Kante des Rohlings 39 mit einer Fase 42 versehen, die, wie Fig. 6 zeigt, eine im Schnitt keilförmige, umlaufende Ausnehmung 43 ergeben, wenn die beiden Rohlinge 39 und 40 zusammengesetzt sind.
  • Weiterhin wird im Rahmen des Schmiedens des Rohlings 39 an die radial äußere, kolbenbodenseitige Kante der dritten Fläche 19 ein umlaufender, im Schnitt zumindest näherungsweise rechteckiger Vorsprung 44 angeformt. Sowohl die Ausnehmung 43 als auch der Vorsprung 44 haben im Rahmen des Verbindens der beiden Rohlinge mittels Lot den weiter unten näher erläuterten Zweck.
  • Im Anschluss daran werden in die radial äußere Fläche der Ringrippe 15 des Rohlings 39 und in die Oberfläche des Mittenteils 9 die insbesondere in Fig. 1 dargestellten rotationssymmetrischen Konturen eingedreht, wobei auch die Ausnehmung 14 hergestellt wird. Die in Fig. 1 dargestellte Eindellung 17 wird in die radiale Außenseite der Ringrippe 15 eingefräst. Durch Drehen werden dann auch die rotationssymmetrischen Konturen der radialen Innenfläche 45 des Ringelementes 3 und insbesondere die Ausnehmungen 26, 27, 47, 48 hergestellt.
  • Im Anschluss daran werden die beiden Rohlinge 39 und 40 miteinander verlötet. Hierbei ist es zunächst erforderlich, die Rohlinge 39 und 40 so zusammenzusetzen, dass sich zwischen den Flächen 8 und 18 und zwischen den Fläche 19 und 20, jeweils ein Spalt ergibt, der zwischen 10 µm und 200 µm breit ist. Beim Zusammensetzen der Rohlinge 39 und 40 wird ein Spalt mit dieser Breite bereits dadurch erreicht, dass sowohl die Flächen 8 und 18 und die Fläche 19 und 20 ohne Formschluss miteinander in Kontakt gebracht werden.
  • Die Ausnehmung 43 und die kolbenbodenseitige Fläche des Vorsprungs 44 werden dann mit einer Lotpaste auf Nickelbasis bestrichen, wonach die beiden Rohlinge 39, 40 inklusive Lotpaste auf 1150 °C erhitzt werden. Die Lotpaste verflüssigt sich hierbei und dringt aufgrund des Kapillareffektes zwischen den Flächen 8 und 18 und den Flächen 19 und 20 ein, wobei sich das verflüssigte Lot einen Spalt mit den oben angegebenen Maßen zwischen den Flächen 8 und 18 und zwischen den Flächen 19 und 20 aufgrund der Kapillarwirkung erzwingt. Hierdurch werden die Flächen 8, 18, 19 und 20 komplett benetzt. Im Rahmen der daran erfolgenden, gezielten Abkühlung des Kolbens 1 verfestigt sich die Lotpaste und ergibt eine fehlerfreie Lötverbindung zwischen den beiden teilbearbeiteten Rohlingen 39 und 40.
  • Bei der Ausgestaltung des Kolbengrundkörpers 2' und des Ringelementes 3" gemäß Fig. 4 wird der für eine fehlerfreie Lötverbindung ausreichende Spalt zwischen den Flächen 29 und 31 der oberen Lötverbindung 32 von 10 µm bis 200 µm dadurch erreicht, dass die Flächen 29 und 31 mittels eines Feindrehverfahrens insoweit bearbeitet werden, dass der Spalt zwischen den beiden Flächen 29 und 31 die oben angegebenen Maße von 10 µm bis 200 µm aufweist, nachdem der Kragen 36 mit engem Spiel in der Ausnehmung 35 fixiert ist.
  • Die Anformung 34, auf der bei der Montage des Kolbens 1' der Deckbereich 25' des Ringelementes 3" zur Anlage gelangt, sorgt hierbei dafür, dass die kolbenbodenseitige Stirnfläche 51 des Kragens 36 und die schaftseitige Innenfläche 52 der Ausnehmung 35 nach der Kolbenmontage einen Abstand von 10 µm bis 200 µm voneinander aufweisen, sodass auch hier ein für eine fehlerfreie Lötverbindung ausreichend breiter Spalt ergibt.
  • Bei der Ausgestaltung des Kolbengrundkörpers 2" und des Ringelementes 3' gemäß Fig. 5 ergibt sich für eine sichere, oberen Lötverbindung 23 ein Spalt mit der konstanten Breite von 10 µm bis 200 µm zwischen den Flächen 8 und 18 dadurch, dass nach einer entsprechenden Feinbebarbeitung der Flächen 8 und 18 das Ringelement 3' über dessen konisch ausgerichtete, untere Stirnseite 37 auf die gleichermaßen konisch geformte, radial äußere, kolbenbodenseitige Stirnfläche 38 des Kolbengrundkörpers 2" aufgesetzt wird, wobei das Ringelement 3' alleine durch die Konizität der beiden Flächen 37 und 38 symmetrisch zur Kolbenachse ausgerichtet wird. Hierbei bewirkt der Kapillareffekt, dass das nach Erhitzen verflüssigte Lot in den Spalt zwischen den Flächen 37 und 28 eindringt, um auch diese Flächen sicher miteinander zu verlöten.
  • Die Anwendung des Lötverfahrens zum Verbinden der beiden Kolbenteile hat den Vorteil, dass die Löttemperatur von 1150 °C, auf die der Kolben hierbei erhitzt wird, gleich der Schmiedetemperatur ist, mit der die beiden Rohlinge 39 und 40 geschmiedet werden, sodass beim Abkühlen gezielt die für den AFP-Stahl typischen Werkstoffeigenschaften eingestellt werden können.
  • Im Anschluss daran wird der Kolben 1 fertiggestellt, indem die in Fig. 6 gestrichelt eingezeichneten, rotationssymmetrischen Außenkonturen des Kolbens 1 durch Drehen und die ebenfalls gestrichelt eingezeichneten, nicht-rotationssymmetrischen Begrenzungsflächen 46 der Verbrennungsmulde 16 durch Fräsen hergestellt werden. Hierbei ist es auch möglich, den Kolbengrundkörper 2, 2', 2" und das Ringelement 3, 3', 3" miteinander zu verschweißen.
    • Bezugszeichenliste
    • a
    Dicke des oberen, verdünnten Wandbereiches 49
    b
    Länge der oberen Lötverbindung
    c
    Länge der unteren Lötverbindung
    d
    Dicke des unteren, verdünnten Wandbereiches 50, 50'
    1, 1', 1"
    Kolben
    2, 2', 2"
    Kolbengrundkörper
    3, 3', 3"
    Ringelement
    4, 4'
    Kolbenboden
    5
    Ringpartie
    6
    Kolbenachse
    7
    Öffnung
    8
    erste Fläche
    9, 9', 9"
    Mittelteil
    10
    Schaftelement
    11
    Bolzennabe
    12
    Stirnseite der Bolzennabe 11
    13, 13'
    Begrenzung des Mittenteils 9
    14
    Ausnehmung
    15
    Ringrippe
    16
    Verbrennungsmulde
    17
    Eindellung
    18
    zweite Fläche
    19
    dritte Fläche
    20, 20'
    vierte Fläche
    21, 21'
    Kühlkanal
    22
    Kolbeninnenraum
    23
    obere Lötverbindung
    24, 24'
    untere Lötverbindung
    25, 25'
    Deckbereich
    26, 27
    Ausnehmung
    28
    Aufweitung
    29
    Fläche
    30
    Kragen
    31
    Fläche
    32
    obere Lötverbindung
    33
    untere Lötverbindung
    34
    Anformung
    35
    Ausnehmung
    36
    Kragen
    37
    Fläche, untere Stirnseite des Ringelementes 3'
    38
    Fläche, Stirnfläche
    39
    Rohling für den Kolbengrundkörper 2
    40
    Rohling für das Ringelement 3
    41, 42
    Fase
    43
    Ausnehmung
    44
    Vorsprung
    45
    Innenfläche des Ringelementes 3
    46
    Begrenzungsfläche der Verbrennungsmulde 16
    47, 48
    Ausnehmung
    49
    oberer, verdünnter Wandbereich
    50, 50'
    unterer, verdünnter Wandbereich
    51
    kolbenbodenseitige Stirnfläche des Kragens 36
    52
    schaftseitige Innenfläche der Ausnehmung 35

Claims (7)

  1. Zweiteiliger Kolben (1, 1', 1 ") für einen Verbrennungsmotor,
    - bestehend aus einem Kolbengrundkörper (2, 2', 2") und einem Ringelement (3,3',3"),
    - wobei der Kolbengrundkörper (2, 2', 2") ein rundes im Wesentlichen plattenförmiges Mittenteil (9, 9', 9") aufweist, dessen radialer Durchmesser zumindest näherungsweise identisch ist mit dem radialen Durchmesser des Kolbens (1, 1', 1 "),
    - wobei an der Unterseite des Mittelteils (9, 9', 9") zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente (10) und zwei einander gegenüberliegende und die Schaftelemente (10) miteinander verbindende Bolzennaben (11) angeformt sind, und
    - wobei an der Oberseite des Mittelteils (9, 9', 9") eine umlaufende, gegenüber dem radial äußeren Rand des Mittenteils (9, 9', 9") in Richtung Kolbenachse (6) zurückgesetzte Ringrippe (15) angeformt ist, die die radial äußere Begrenzung einer Verbrennungsmulde (16) bildet,
    - wobei das Ringelement (3, 3', 3") auf seiner radialen Außenfläche eine Ringpartie (5) aufweist, und
    - wobei das Ringelement (3, 3', 3") über eine obere Lötverbindung (23, 32) mit der Länge b, die auf der radialen Innenseite eines vom Ringelement (3, 3', 3") zumindest teilweise gebildeten Kolbenbodens (4) angeordnete ist, und über eine untere Lötverbindung (24, 24', 33) mit der Länge c, die radial außen auf der Oberseite des Mittenteils (9, 9', 9") angeordnet ist, mit dem Kolbengrundkörper (2, 2', 2") verlötet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement (3, 3', 3") zum einen im Bereich des Kolbenbodens (4) radial außerhalb der oberen Lötverbindung (23, 32) einen umlaufenden, oberen, verdünnten Wandbereich (49) und zum anderen zwischen der Ringpartie (5) und der unteren Lötverbindung (24, 24', 33) einen umlaufenden, unteren, verdünnten Wandbereich (50, 50') aufweist,
    wobei die Dicke (a) des oberen verdünnten Wandbereichs (49) einen geringeren Wert hat als die Länge (b) der oberen Lötverbindung (23, 32) und wobei die Dicke (d) des unteren verdünnten Wandbereichs (50, 50') einen geringeren Wert hat als die Länge (c) der unteren Lötverbindung (24, 24', 33).
  2. Kolben (1, 1', 1") nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Länge b der oberen Lötverbindung (23, 32) und der Dicke a des oberen, verdünnten Wandbereiches (49) größer 1 und kleiner 3 ist, sodass gilt, 1 < b/a < 3.
  3. Kolben (1, 1', 1") nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Länge c der unteren Lötverbindung (24, 24', 33) und der Dicke d des unteren, verdünnten Wandbereiches (50, 50') größer 1 und kleines 3 ist, sodass gilt 1 < c/d < 3.
  4. Kolben (1, 1") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement (3, 3') einen den Kolbenboden (4) teilweise bildenden Deckenbereich (25) aufweist, wobei in die kolbenbodenabgewandte Seite des Deckenbereiches (25) eine nach oben gerichtete, umlaufende Ausnehmung (26) eingeformt ist, die den oberen, verdünnten Wandbereich (49) bildet.
  5. Kolben (1, 1") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der unteren Lötverbindung (24, 24') und der Ringpartie (5) in die radiale Innenseite des Ringelementes (3, 3') eine nach radial außen gerichtete, umlaufende Ausnehmung (27) eingeformt ist, die den unteren verdünnten Wandbereich (50) bildet.
  6. Kolben (1') nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der unteren Lötverbindung (33) und der Ringpartie (5) in die radiale Innenseite des Ringelementes (3") eine umlaufende, nach radial außen gerichtete Ausnehmung (47) und in die radiale Außenseite des Ringelementes (3") eine umlaufende, nach radial innen gerichtete Ausnehmung (48) eingeformt sind, und dass die beiden Ausnehmungen (47, 48) einander gegenüberliegen und den unteren verdünnten Wandbereich (50') bilden.
  7. Kolben (1") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Lötverbindung (24') von einer konisch sich nach unten verjüngenden, unteren Stirnseite (37) des Ringelementes (3') und von einer ebenfalls konisch sich nach unten verjüngenden und den radial äußeren Bereich des Mittenteils (9") kolbenbodenseitig begrenzenden Fläche (38) gebildet wird.
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