EP2229523A2 - Verfahren zum befestigen eines ringelementes auf einem kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren zum befestigen eines ringelementes auf einem kolben für einen verbrennungsmotor

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EP2229523A2
EP2229523A2 EP08865811A EP08865811A EP2229523A2 EP 2229523 A2 EP2229523 A2 EP 2229523A2 EP 08865811 A EP08865811 A EP 08865811A EP 08865811 A EP08865811 A EP 08865811A EP 2229523 A2 EP2229523 A2 EP 2229523A2
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ring element
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Mahle International GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for fastening a ring element on a piston for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • the figure shows a piston 1 for an internal combustion engine in a sectional view, which consists of two halves, of which the left half of a section of the piston. 1 90 ° offset to longitudinal section of the piston 1 represents.
  • the piston 1 consists of a piston body 4, with a piston element on the bottom side 5, a ring member 6 is screwed, which carries a top land 7 and a ring portion 8 of the piston 1.
  • the piston base body 4 and the ring element 6 can be made of steel, such as precipitation-hardening, ferritic-peiiitic AFP steel, or of cast iron in the present exemplary embodiment.
  • the piston main body 4 is formed in one piece and has a combustion bowl 10 in the region of the piston head 9.
  • a respective hub support 11, 11 ' two pin bosses 12, 12' each having a hub bore 3, 3 'are integrally formed on the piston head 9 whose end faces 16 are set back relative to the ring member 6 in the direction of the piston longitudinal axis 17.
  • the pin bosses 12, 12 ' are interconnected via shaft elements 13, 13'.
  • shaft elements 13, 13' Between the shaft elements 13, 13 'and the annular element 6 bearing, upper portion of the piston 1, the piston body 4 recesses 18 which are arranged in the present embodiment in the region of the shaft elements 13, 13' of the piston body 4 partially circulating.
  • the piston body 4 forms in the region of the piston head 9 together with the ring member 6 an annular cooling channel 14, which is partly incorporated in the piston body 4 and partly in the ring member 6.
  • the cooling channel 14 is covered by a projection 15 of the piston main body 4 arranged radially outside and at the level of the hub support 11, 11 '.
  • the Anformung 15 is radially outwardly provided with a collar-shaped projection 21, the radial dimension is greater than the radial outer dimension of the ring section 8. It can be seen in the figure, a drain opening 20 of the cooling channel fourteenth
  • soldering material can be applied to the surfaces of the piston base body 4 and the ring element 6 which come into contact with one another before the ring element 6 is screwed onto the piston base 4 and the piston 1 is heated in an oven for liquefying the soldering material.
  • soldering material 26 "and also the protrusion 21 on the piston crown side is coated with soldering material 26.
  • a copper-based or nickel-based, high-melting soldering paste has proven to be suitable in this context the projection 21 to lay a solder wire or a solder foil, which are also made on copper or nickel base.
  • the piston 1 is then heated to a temperature between 900 0 C and 1300 0 C, or in the present embodiment between 1050 0 C and 1250 ° C, wherein the solder material 26 'so far liquefied that it enters the threads of Thread 5 flows. Also located on the surface of the projection 21 solder material 26 liquefies in this case and penetrates between the surface 25 of the Anformung 15 and the lower end face of the ring element. 6
  • the piston 1 is then removed from the oven, wherein in the course of a controlled cooling of the piston 1 at a cooling rate of 5 to 50 ° K / min to a temperature of less than 600 ° C in the thread 5 and between the surfaces of the Anformung 15th and the ring element 6 located solder material 26, 26 'hardens, gives a secure screw connection between the piston body 4 and the ring member 6 and leads to a fixation of the ring member 6 on the Anformung 15.
  • a controlled cooling of the piston 1 at a cooling rate of 5 to 50 ° K / min to a temperature of less than 600 ° C in the thread 5 and between the surfaces of the Anformung 15th and the ring element 6 located solder material 26, 26 'hardens
  • the cooling process takes place in an oxygen-free atmosphere, preferably under vacuum or in a reducing atmosphere.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Befestigung eines Ringelementes (6) auf einem Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, bei dem: das Ringelement (6) über ein auf der radialen Außenfläche eines Teils (23) des Kolbenbodens (9) angebrachtes Gewinde (5) auf den Kolbengrundkörper (4) aufgeschraubt wird, in den Kolbenboden (9) im Bereich des Gewindes (5) eine nach oben offenen, umlaufenden Nut (24) eingeformt wird, die Nut (24) mit Lötmaterial (26) gefüllt wird, der Kolbens (1) erhitzt wird, bis sich das Lötmaterial (26) verflüssigt und zwischen die Gewindegänge des Gewindes (5) fließt, und anschließend der Kolben (1) abgekühlt wird. Dadurch ergibt sich eine sichere Schraubverbindung zwischen dem Kolbengrundkörper (4) und dem Ringelement (6). Weiterhin wird hierdurch der Kühlkanal (14) gegenüber den unter hohem Druck stehenden und auf den Kolbenboden (9) einwirkenden Verbrennungsgasen abgedichtet.

Description

Verfahren zum Befestigen eines Ringelementes auf einem Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen eines Ringelementes auf einem Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der PCT-Anmeldung, WO 2004/111420 A1 , ist es bekannt, ein Ringelement mit einem Kolbengrundkörper zu verschrauben, das den radial außen liegenden Teil des Kolbenbodens und zudem mit dem Kolbengrundkörper einen umlaufenden, radial außen und nahe dem Kolbenboden angeordneten Kühlkanal bildet. Hierbei können dauerhaft höhere, thermische und mechanische Belastungen des Kolbens dazu führen, dass sich die Schraubverbindung zwischen dem Kolbengrundkörper und dem Ringelement lockert, was zu einer Beschädigung der Zylinderlauffläche führen kann.
Diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird die Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen.
Durch die zusätzliche Lötverbindung gemäß der Erfindung ergibt sich eine sichere Befestigung des Ringelementes auf dem Kolbengrund körper. Weiterhin wird hierdurch der vom Ringelement und vom Kolbengrundkörper gebildete Kühlkanal gegenüber den unter hohem Druck stehenden und auf den Kolbenboden einwirkenden Verbrennungsgasen abgedichtet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung beschrieben. Sie zeigt einen Kolbens für einen Verbrennungsmotor in einem aus zwei Hälften bestehenden Schnittbild, die zwei um 90° versetzte Längsschnitte des Kolbens darstellen.
Die Figur zeigt einen Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor in einem Schnittbild, das aus zwei Hälften besteht, von denen die linke Hälfte einen Schnitt des Kolbens 1 90° dazu versetzten Längsschnitt des Kolbens 1 darstellt. Der Kolben 1 besteht aus einem Kolbengrundkörper 4, mit dem über ein kolbenbodenseitiges Gewinde 5 ein Ringelement 6 verschraubt ist, das einen Feuersteg 7 und eine Ringpartie 8 des Kolbens 1 trägt. Der Kolbengrundkörper 4 und das Ringelement 6 können aus Stahl, wie beispielsweise beim vorliegenden Ausführungsbeispiel aus ausscheidungshärten- dem, ferritisch-peiiitischem AFP-Stahl, oder aus Gusseisen hergestellt sein.
Der Kolbengrundkörper 4 ist einstückig ausgebildet und weist im Bereich des Kolbenbodens 9 eine Verbrennungsmulde 10 auf. Über je eine Nabenabstützung 11 , 11' sind an den Kolbenboden 9 zwei Bolzennaben 12, 12' mit je einer Nabenbohrung 3, 3' angeformt, deren Stirnflächen 16 gegenüber dem Ringelement 6 in Richtung Kolbenlängsachse 17 zurückgesetzt angeordnet sind. Die Bolzennaben 12, 12' sind ü- ber Schaftelemente 13, 13' miteinander verbunden. Zwischen den Schaftelementen 13, 13' und dem das Ringelement 6 tragenden, oberen Bereich des Kolbens 1 weist der Kolbengrundkörper 4 Ausnehmungen 18 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich der Schaftelemente 13, 13' des Kolbengrundkörpers 4 teilweise umlaufend angeordnet sind.
Der Kolbengrundkörper 4 bildet im Bereich des Kolbenbodens 9 gemeinsam mit dem Ringelement 6 einen ringförmigen Kühlkanal 14, der teils in den Kolbengrundkörper 4 und teils in das Ringelement 6 eingearbeitet ist. In Richtung Bolzennabe 12 wird der Kühlkanal 14 von einer radial außen und in Höhe der Nabenabstützung 11, 11' angeordneten Anformung 15 des Kolbengrundkörpers 4 abgedeckt. Kolbenbodenseitig ist die Anformung 15 radial außen mit einem kragenförmigen Vorsprung 21 versehen, dessen radiale Abmessung größer ist als das radiale Außenmaß der Ringpartie 8. Zu erkennen ist in der Figur auch eine Ablauföffnung 20 des Kühlkanals 14.
Bei der Herstellung des Kolbens 1 kann auf die in Kontakt zueinander tretenden Flächen des Kolbengrundkörpers 4 und des Ringelementes 6 Lötmaterial aufgetragen werden, bevor das Ringelement 6 auf den Kolbengrundkörper 4 geschraubt und der Kolben 1 zur Verflüssigung des Lötmaterials in einem Ofen erhitzt wird. Der Herstellungsprozess wird jedoch vereinfacht und verbilligt, wenn bei der Herstellung des Kolbens 1 zunächst sowohl die radial innere, kolbenbodenseitige Kante des vom Ringelement 6 gebildeten, radial äußeren Teils 22 des Kolbenbodens 9 als auch die radial äußere, kolbenbodenseitige Kante des radial inneren Teils 23 des vom Kolbengrundkörpers 4 gebildeten Kolbenbodens 9 mit einer Fase versehen werden, so dass sich, wenn das Ringelement 6 über das Gewinde 5 auf den Kolbengrundkörper 4 geschraubt ist, bis der radial äußere Teil 22 des Kolbenbodens 9 auf einer Ebene mit dem radial inneren Teil 23 des Kolbenbodens 9 liegt, eine umlaufende, im Querschnitt V-förmige Nut 24 ergibt. Hierbei gelangt die untere Stirnfläche des Ringelementes 6 auf der Oberfläche 25 der Anformung 15 zur Anlage.
Anschließend wird die Nut 24 mit Lötmaterial 26" gefüllt und auch der Vorsprung 21 kolbenbodenseitig mit Lötmaterial 26 belegt. Als geeignet hat sich hierbei eine auf Kupfer- oder Nickelbasis hergestellte, hochschmelzende Lötpaste erwiesen. Möglich ist auch, in die Nut 24 und auf die Oberfläche des Vorsprungs 21 einen Lötdraht oder eine Lötfolie zu legen, die ebenfalls auf Kupfer- oder Nickelbasis hergestellt sind.
In einem Ofen wird der Kolben 1 dann auf eine Temperatur zwischen 9000C und 13000C, beziehungsweise beim vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen 10500C und 1250°C, erhitzt, wobei sich das Lötmaterial 26' insoweit verflüssigt, dass es in die Gewindegänge des Gewindes 5 fließt. Auch das sich auf der Oberfläche des Vorsprunges 21 befindliche Lötmaterial 26 verflüssigt sich hierbei und dringt ein zwischen die Oberfläche 25 der Anformung 15 und die untere Stirnseite des Ringelementes 6.
Der Kolben 1 wird anschließend dem Ofen entnommen, wobei im Rahmen einer kontrollierten Abkühlung des Kolbens 1 mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 5 bis 50°K/min auf eine Temperatur von weniger als 600°C das sich im Gewinde 5 und zwischen den Flächen der Anformung 15 und des Ringelementes 6 befindliche Lötmaterial 26, 26' aushärtet, eine sichere Schraubverbindung zwischen dem Kolbengrundkörper 4 und dem Ringelement 6 ergibt und zu einer Fixierung des Ringelementes 6 auf der Anformung 15 führt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel erfährt - A -
beim Abkühlen eine Ausscheidungshärtung. Zur Vermeidung einer Verzunderung der Stahloberfläche findet der Abkühlprozess in einer sauerstofffreien Atmosphäre, vorzugsweise unter Vakuum oder in einer reduzierenden Atmosphäre statt.
Der über die radiale Außenfläche des Ringelementes 6 hinausragende Teil des Vorsprunges 21 wird anschließend abgedreht.
Weitere Vorteile der mit Lötmaterial 26' gesicherten Schraubverbindung bestehen darin, dass hierdurch der Wärmefluss zwischen der thermisch hochbelasteten Verbrennungsmulde 10 und dem Ringelement 6 verbessert wird, sodass die thermische Belastung des radial inneren Teils 23 des Kolbenbodens 9 reduziert wird. Weiterhin wird durch das Lötmaterial im Gewinde 5 der Kühlkanal 14 gegenüber den unter hohem Druck stehenden und auf den Kolbenboden 9 einwirkenden Verbrennungsgasen abgedichtet.
Bezugszeichenliste
1 Kolben
2 Längsachse der Nabenbohrungen
3 Nabenbohrung
4 Kolbengrundkörper
5 Gewinde
6 Ringelement
7 Feuersteg
8 Ringpartie
9 Kolbenboden
10 Verbrennungsmulde
11 , 11* Nabenabstützungen
12, 12" Bolzennaben
13, 13" Schaftelement
14 Kühlkanal
15 Anformung
16 Stirnfläche
17 Kolbenlängsachse
18 Ausnehmung
19 Zulauföffnung
20 Ablauföffnung
21 Vorsprung
22 radial äußerer Teil des Kolbenbodens 9
23 radial innerer Teil des Kolbenbodens 9
24 Nut
25 Oberfläche der Anformung 15
26, 26' Lötmaterial

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Befestigen eines Ringelementes (6) auf einem Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor
- mit einem Kolbengrundkörper (4), der den radial inneren Teil (23) des Kolbenbodens (9) bildet, und der zwei über je eine Nabenabstützung (11 , 11') mit dem Kolbenboden (9) verbundene Bolzennaben (12, 12') aufweist, die über zwei Schaftelemente (13, 13') miteinander verbunden sind,
- wobei das Ringelement (6) mit dem Kolbengrundkörper (4) über ein auf der radialen Außenfläche des inneren Teils (23) des Kolbenbodens (9) angebrachtes Gewinde (5) verbunden wird, den radial außen liegenden Teil (22) des Kolbenbodens (9) bildet und mit dem Kolbengrundkörper (4) einen umlaufenden, radial außen und nahe dem Kolbenboden (9) angeordneten Kühlkanal (14) bildet,
- wobei die untere Stirnfläche des Ringelementes (6) mit der kolbenbodensei- tigen Oberfläche (25) einer in Höhe der Nabenabstützung (11 , 11') an die radiale Außenfläche des Kolbens (1 ) angebrachte, umlaufenden Anformung (15) in Kontakt kommt, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- Anbringen eines die Oberfläche (25) nach radial außen erweiternden Vorsprunges (21 ) an die Anformung (15),
- Versehen der radial äußeren Kante des inneren Teils (23) und der radial inneren Kante des äußeren Teils (22) des Kolbenbodens (9) mit je einer Fase,
- Aufschrauben des Ringelementes (6) über das Gewinde (5) auf den Kolbengrundkörper (4), wobei die beiden Fasen des inneren (23) und des äußeren (22) Teils des Kobenbodens (9) eine im Schnitt V-förmige Nut (24) ergeben,
- Füllen der Nut (24) und Belegen der kolbenbodenseitigen Oberfläche des Vorsprunges (21 ) mit Lötmaterial (26, 26'),
- Erhitzen des Kolbens (1 ), bis sich das Lötmaterial (26, 26') verflüssigt und zwischen die Gewindegänge des Gewindes (5) und zwischen die untere Stirnfläche des Ringelementes (6) und die kolbenbodenseitige Oberfläche - Abkühlen des Kolbens (1 ),
- Abtragen des über die radiale Außenfläche des Ringelementes (6) hinausragenden Teils des Vorsprunges (21).
2. Verfahren zum Befestigen eines Ringelementes (6) auf einem Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- Verwendung eines Kolbengrundkörpers (4) und eines Ringelementes (6) aus AFP-Stahl,
- Verwendung von Lötmaterial (26, 26') auf Kupfer- oder Nickelbasis,
- Erhitzen des Kolbens (1 ) auf eine Temperatur zwischen 10500C und 12500C und
- Abkühlen des Kolbens (1 ) in einer sauerstofffreien Atmosphäre auf eine Temperatur von weniger als 6000C mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 5 bis 50°K/min.
3. Verfahren zum Befestigen eines Ringelementes (6) auf einem Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Abkühlen des Kolbens (1 ) unter Vakuum.
4. Verfahren zum Befestigen eines Ringelementes (6) auf einem Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Abkühlen des Kolbens (1) in einer reduzierenden Atmosphäre.
5. Verfahren zum Befestigen eines Ringelementes (6) auf einem Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung von Lötmaterial (26, 26') in Form einer Lötpaste.
6. Verfahren zum Befestigen eines Ringelementes (6) auf einem Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung von Lötmaterial (26, 26') in Form eines Lötdrahtes.
7. Verfahren zum Befestigen eines Ringelementes (6) auf einem Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung von Lötmaterial (26, 26') in Form einer Lötfolie.
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