EP2681435A2 - Kolben für einen verbrennungsmotor sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor sowie verfahren zu seiner herstellung

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EP2681435A2
EP2681435A2 EP12727232.6A EP12727232A EP2681435A2 EP 2681435 A2 EP2681435 A2 EP 2681435A2 EP 12727232 A EP12727232 A EP 12727232A EP 2681435 A2 EP2681435 A2 EP 2681435A2
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EP
European Patent Office
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piston
ring member
piston ring
joining
main body
Prior art date
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EP12727232.6A
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English (en)
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Helmut Edel
Andreas Seeger-Van Nie
Volker Weisse
Achim Fedyna
Christian Peschke
Rainer Scharp
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Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Publication date
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    • Y10T29/49249—Piston making
    • Y10T29/49252—Multi-element piston making

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine, comprising a piston body and a piston ring member, the piston body having at least an inner region of a piston crown and a piston shaft which is provided with hub bores having pin bosses, wherein the piston ring member at least an outer portion of a piston crown with a has circumferential top land and a ring-shaped circumferential ring.
  • the present invention further relates to a method for producing such a piston.
  • a generic piston and a generic method are known from DE 10 2007 005 268 A1.
  • the contact areas of the piston main body and the piston ring element are designed paragraph-shaped or formed as a tongue and groove area, and the piston ring member is permanently attached to the piston body. In this way, the required tolerances for the joining process are set and tilting of the two components avoided.
  • the gap widths of the parting lines between the components to be joined selected in these methods are generally less than 0.1 mm, often only 0.05 mm, since, for example, in modern beam welding systems, the beam diameter is correspondingly low.
  • the joining surfaces must be prepared by the design of the paragraphs and their position to each other in several operations, making very high demands on the accuracy of the individual processing steps. This process is very complicated and thus leads to increased production costs.
  • the object of the present invention is thus to develop a generic piston or a generic method so that a variable material selection in a simplified manufacturing process is possible.
  • the solution consists in a piston having the features of patent claim 1 and in a method having the features of claim 9. According to the invention, it is provided that the piston base body and the piston ring element are joined to one another by corresponding, conical joining surfaces formed on them.
  • the centering of the two components is carried out automatically due to the conical joining surfaces, due to the force applied to the piston body and piston ring member axial force. Additional guide surfaces, leading edges o. The like. Are not required.
  • Another significant advantage of the present invention is that due to the inventive design of the joining surfaces, the two components can be basically assembled in one operation.
  • the joining surfaces can be decomposed into an axial area vector and a radial area vector.
  • the radial surface portions cause shrinkage stresses, which can occur in thermal joining processes, are easily degraded by free shrinkage of the components in the axial direction.
  • the piston according to the invention and the method according to the invention also enable a substantially free choice of material for the piston main body and the piston ring element, since the conical joining surfaces can be arbitrarily positioned on the two components.
  • thermally and / or mechanically highly loaded areas of the piston crown, in particular the trough edge of a combustion bowl, consist of a correspondingly resilient material the piston body is made of a different material, for example. Especially light and / or is particularly easy to machine.
  • a circumferential cooling channel can be provided in a conventional manner.
  • the piston body and the piston ring member may also together form a circumferential cooling channel, the comparatively large volume provides for a particularly effective cooling, in particular the ring part.
  • the piston base body and / or the piston ring element may have a local thickening in the region of the cooling channel-side ends of the joining surfaces. As a result, a possible notch effect of the joint connection is at least significantly reduced.
  • the piston head of the piston according to the invention has a known combustion chamber trough, it is advantageous if the trough edge of the combustion chamber trough is formed of a wear-resistant and / or temperature-resistant material. This is particularly easy to achieve in that the piston ring element is made of such a material and the joining surfaces are positioned so that the trough edge part of the piston ring member and the trough bottom is part of the piston body.
  • the piston base body made of a metallic material or the piston ring element made of a wear and / or temperature-resistant steel material.
  • Suitable joining methods are, for example, gluing, welding or soldering. It is expedient to apply the piston ring member and / or the piston body during the joining operation with an axial clamping force to assist the centering of the components to be joined, in particular at different cone angles.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a piston according to the invention in section
  • Fig. 2 shows another embodiment of a piston according to the invention in
  • FIG. 3 shows a partial view of a further embodiment of a piston according to the invention in section
  • Fig. 4 is a further partial view of another embodiment of a piston according to the invention in section.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a piston 10 according to the invention.
  • the piston 10 has a piston main body 11 and a piston ring element 12.
  • the Kol beng round body 11 forms the inner portion 14 of a piston head 13; this inner region 14 at the same time represents the bottom of a combustion bowl 15.
  • a piston shaft 6 is connected in a manner known per se and has pin bosses 18 provided with hub bores 17.
  • the piston main body 11 can be made, for example, from a ferrous material or a light metal material. Both cast and forged materials can be used. Typical cast materials are, for example, cast iron with nodular graphite according to DIN EN 1563, such as, for example, EN-GJS-700-2, cast steel according to DIN EN 10293, or special aluminum-silicon piston alloys.
  • AFP steels according to DIN EN 10267 for example AFP steels according to DIN EN 10267, tempered steels according to DIN EN 10083 or malleable aluminum-silicon alloys can be used.
  • the piston ring member 12 forms the outer portion 21 of the piston crown 13 with a peripheral land 22 and a circumferential ring portion 23 with annular grooves 24 for piston rings (not shown).
  • the outer region 21 of the piston crown 13 includes the trough edge 25 of the combustion bowl 15.
  • the piston ring element may consist of a cast or forged material, or alternatively of a material produced by powder metallurgy, preferably of a wear and / or temperature-resistant material. - -
  • tempered steels according to DIN EN 10083 hot and high-temperature steels, such as.
  • hot and high-temperature steels such as.
  • heat-resistant steels and nickel alloys such as., To DIN EN 10095, are used.
  • cast iron materials eg cast iron with nodular graphite according to DIN EN 1563, cast steel according to DIN EN 10293 or heat-resistant cast steel according to DIN EN 10295 can be used.
  • high-temperature aluminum piston alloys can also be used.
  • the piston ring element 12 further has a circumferential recess 26 which extends in the direction of the piston head 13 substantially parallel to the ring portion 23.
  • a first circumferential joining surface 27 and below the trough edge 25 a second circumferential joining surface 28 is provided below the ring portion 23.
  • the joining surfaces 27 and 28 lie on a common conical surface.
  • the piston main body 11 has an outer circumferential recess 31, which is bounded by an outer circumferential joining surface 32 and an inner circumferential joining surface 33.
  • the inner circumferential joining surface 33 encloses at the same time the inner region 14 or the bottom of the combustion chamber trough 15.
  • the outer joining surface 32 and the inner joining surface 33 likewise lie on a common conical surface.
  • the piston main body 11 and the piston ring element 12 are joined together by the corresponding joining surfaces 27 and 32 or 28 and 33 come to lie on each other, so that gap-free or very narrow tolerance joints result.
  • the piston base body 11 and the piston ring element 12 are firmly joined together by means of suitable joining methods, in particular gluing, soldering or welding, along the joining surfaces 27, 32 and 28, 33.
  • suitable joining methods in particular gluing, soldering or welding, along the joining surfaces 27, 32 and 28, 33.
  • the joining surfaces 27, 32 and 28, 33 are connected to each other in a single operation, for example. By welding.
  • the recess 26 of the piston ring element 12 and the depression of the piston main body 11 thereby form a circumferential closed-loop
  • the centering of piston base body 11 and piston ring element 12 results automatically on the basis of the fact that the corresponding joining surfaces 27, 32 and 28, 33 lie on corresponding conical surfaces.
  • the centering can be supported by the piston body 11 and the piston ring member 12 are braced axially before joining.
  • a piston body 11 forged from 38MnVS6 is adjusted to the required strength by controlled cooling. Subsequently, the joining surfaces 32, 33 produced in one step, and the circumferential recess 31 finished.
  • the piston ring element 12 is forged from the material 42CrMo4 and adjusted to the desired strength by a tempering process. In the same way as in the piston base body, the joining surfaces 27, 28 using the same cone angle in this case, as well as the depression produced.
  • Both parts are preheated and clamped together by an axial force, so that the joining surfaces 27,32 and 28,33 come centered on each other to lie.
  • the two joints thus fixed to one another are then welded together starting from the outside diameter in one working step without the use of additional material.
  • the two joints may be separated from the outer diameter and from the combustion chamber 15, starting one after the other or simultaneously by a blast welding method firmly connected to each other.
  • the two seam roots thus come to rest in the cooling channel.
  • FIG 2 shows another embodiment of a piston 110 according to the invention from a piston body 111 and a piston ring member 112, wherein like components are provided with the same reference numerals.
  • the only difference to the piston 10 shown in Figure 1 is that no cooling channel is provided. Therefore, the piston ring element 111 has a single conical joint surface. - 135 and the piston ring member 112 has a single corresponding tapered joining surface 136.
  • the piston base body 111 and the piston ring member 112 are connected by means of suitable joining methods, in particular gluing, soldering or welding, along the joining surfaces 135, 136 firmly together. In this case, the joining surfaces 135, 136 can be connected to one another in a single operation, for example by welding.
  • the centering of the piston main body 111 and the piston ring element 112 also results automatically in this embodiment due to the fact that the corresponding joining surfaces 135, 136 lie on corresponding conical surfaces.
  • the centering can be assisted by axially bracing piston base 111 and piston ring element 112 before joining. Possibly. can be introduced in the piston ring member 112 in a conventional manner, a circumferential cooling channel, as indicated by dash-dotted lines in Figure 2.
  • a welding process offer beam-based methods, such as laser beam welding or electron beam welding.
  • other welding methods such as arc-based methods, for example TIG or MAG / MIG methods, can also be used.
  • the use of a joining material may be desirable or even necessary.
  • welding filler If the use of welding filler is required when using a welding process, it makes sense to use the corresponding joining surfaces 27, 28; 136 of the piston ring member 12; 112 and / or 32, 33; 135 of the piston main body 11; 111 on conical surfaces with whole or regionally different angle or to arrange a surface in an arc shape, such that a substantially wedge-shaped parting line is formed (not shown). In such a trained parting line of the - - -
  • Joining material is particularly easy and effective to be included.
  • the joint connection proceed from the cooling channel 34 in the direction of the ring section 23 (via the joining surfaces 27, 32) or in the direction of the combustion chamber trough 15 (via the joining surfaces 28, 33). manufacture. If a welding process is chosen, the seam roots can be placed corresponding to the cooling channel side.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a piston 210 according to the invention with a piston main body 211 and a piston ring element 212.
  • the piston 210 corresponds to the piston 10 according to FIG. 1, since it likewise has a circumferential cooling passage 234.
  • the piston 210 is characterized in that the piston main body 211 and the piston ring element 212 in the region of the joining surfaces 227, 232 and 228, 233 are provided on the cooling channel side local thickening (237, 238).
  • this piston is characterized in that the joining surfaces 227 and 227 'lie on a common plane, which is designed inclined at an acute angle ⁇ to the piston axis.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the piston according to the invention, in which the joining surfaces 227 and 227 'do not lie on a common plane, wherein the joining surface 227 forms an acute angle to the piston axis 300 and the joining surface 227' forms an obtuse angle ⁇ to the piston axis.
  • a slight self-centering effect of both parts to be connected can be achieved, wherein according to a joining surface 227'a arranged to the piston axis 300 (shown by dashed lines) the centering effect can be optimally achieved.
  • the joining surface arrangement 227'b in conjunction with 227 when using a beam welding for example. Laser or electron beam, an optimal task-appropriate solution is achieved.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110, 210) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbengrundkörper (11, 111, 211 ) und einem Kolbenringelement (12, 112, 212), wobei der Kolbengrundkörper (11, 111, 211) zumindest einen inneren Bereich (14) eines Kolbenbodens (13) sowie einen Kolbenschaft (16) aufweist, welcher mit Nabenbohrungen (17) aufweisenden Bolzennaben (18) versehen ist, wobei das Kolbenringelement (12, 112, 212) zumindest einen äußeren Bereich (21 ) eines Kolbenbodens (13) mit einem umlaufenden Feuersteg (22) und einer mit Ringnuten (24) versehenen umlaufenden Ringpartie (23) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Kolbengrundkörper (11, 111, 211) und Kolbenringelement (12, 112, 212) über an ihnen ausgebildete korrespondierende, kegelförmige Fügeflächen (32, 33, 27, 28; 135, 136; 232, 233, 227, 228) zusammengefügt sind. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie
Verfahren zu seiner Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbengrundkörper und einem Kolbenringelement, wobei der Kolbengrundkörper zumindest einen inneren Bereich eines Kolbenbodens sowie einen Kolbenschaft aufweist, welcher mit Nabenbohrungen aufweisenden Bolzennaben versehen ist, wobei das Kolbenringelement zumindest einen äußeren Bereich eines Kolbenbodens mit einem umlaufenden Feuersteg und einer mit Ringnuten versehenen umlaufenden Ringpartie aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft femer ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens.
Ein gattungsgemäßer Kolben sowie ein gattungsgemäßes Verfahren sind aus der DE 10 2007 005 268 A1 bekannt. Bei diesem Kolben sind die Anlagebereiche des Kolbengrundkörpers und des Kolbenringelements absatzförmig gestaltet bzw. als Nut- Feder-Bereich ausgebildet, und das Kolbenringelement ist unlösbar an dem Kolbengrundkörper angefügt. Auf diese Weise werden die erforderlichen Toleranzen für das Fügeverfahren eingestellt und Verkantungen der beiden Bauteile vermieden.
Diese bekannte Konstruktion bzw. dieses bekannte Verfahren bringen es mit sich, dass eine Brennraummulde nur im Kolbengrundkörper vorgesehen ist, so dass der Muldenrand aus demselben Werkstoff besteht wie der Kolbengrund körper selbst. Bei modernen Kolben sind jedoch der Kolbenboden und insbesondere der Muldenrand hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Daher wird die Verwendung entsprechend belastbarer Stähle favorisiert, so dass bei dem gattungsgemäßen Kolben zwangsläufig der gesamte Kolbengrundkörper aus diesen Werkstoffen bestehen muss. Dies bringt neben hohen Kosten vor allem Nachteile bei der mechanischen Bearbeitung im Zuge der Herstellung des Kolbengrund körpers mit sich.
Ferner bauen sich bei thermischen Fügeverfahren, wie bei den im gattungsgemäßen Verfahren bevorzugten Schweißverfahren oder Lötverfahren, erhebliche Eigenspan- - - nungen auf, da die Bauteile während der Abkühlung schrumpfen. Diese Eigenspannungen können bei axial umlaufenden Nähten, wie sie im gattungsgemäßen Kolben vorgesehen sind, durch die sich zwangsläufig ergebende Schrumpfungsbehinderung nur schlecht abgebaut werden. Daher ist die Verwendung eines duktilen Zusatzwerkstoffes notwendig, um im Fügeverfahren das Auftreten von Rissen zu vermeiden.
Insbesondere bei Lötverfahren oder modernen Strahlschweißverfahren werden hohe Anforderungen an die Passgenauigkeit der zu fügenden Bauteile gesteilt. Die bei diesen Verfahren gewählten Spaltbreiten der Trennfugen zwischen den zu fügenden Bauteilen betragen in der Regel weniger als 0,1 mm, häufig nur 0,05 mm, da bspw. bei modernen Strahlschweißanlagen der Strahldurchmesser entsprechend gering ist. Beim gattungsgemäßen Kolben müssen die Fügeflächen durch die Gestaltung der Absätze und ihrer Lage zueinander in mehreren Arbeitsgängen hergestellt werden, wodurch sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit der einzelnen Bearbeitungsschritte gestellt werden. Dieses Verfahren ist sehr aufwändig und führt somit zu erhöhten Herstellungskosten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen gattungsgemäßen Kolben bzw. ein gattungsgemäßes Verfahren so weiterzuentwickeln, dass eine variable Materialauswahl bei vereinfachtem Herstellungsverfahren möglich ist.
Die Lösung besteht in einem Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Kolbengrundkörper und Kolbenringelement über an ihnen ausgebildete korrespondierende, kegelförmige Fügeflächen zusammengefügt sind bzw. werden.
Die korrespondierenden Fügeflächen werden demnach so am Kolbengrundkörper und am Kolbenhngelement ausgebildet, dass sie kegelförmig angeordnete Flächen bilden. Hierdurch können spaltfreie bzw. sehr eng tolerierte Trennfugen auf besonders einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden. - -
Die Zentrierung der beiden Bauteile erfolgt aufgrund der kegelförmig ausgebildeten Fügeflächen selbsttätig, und zwar aufgrund der auf den Kolbengrundkörper und Kolbenringelement aufgebrachten axialen Kraft. Zusätzliche Führungsflächen, Führungskanten o. dgl. sind nicht erforderlich.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung der Fügeflächen die beiden Bauteile grundsätzlich in einem Arbeitsgang zusammengefügt werden können.
Die Fügeflächen können in einen axialen Flächenvektor und einen radialen Flächenvektor zerlegt werden. Die radialen Flächenanteile bewirken, dass Schrumpfspannungen, die bei thermischen Fügeverfahren auftreten können, durch freie Schrumpfung der Bauteile in axialer Richtung problemlos abgebaut werden.
Der erfindungsgemäße Kolben bzw. das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen ferner eine im wesentlichen freie Werkstoffauswahl für den Kolbengrundkörper und das Kolbenringelement, da die kegelförmig ausgebildeten Fügeflächen beliebig auf den beiden Bauteilen positioniert werden können. Insbesondere ist es nun problemlos möglich, dass thermisch und/oder mechanisch hoch belastete Bereiche des Kolbenbodens, insbesondere der Muldenrand einer Brennraummulde, aus einem entsprechend belastbaren Werkstoff bestehen, der Kolbengrundkörper jedoch aus einem anderen Werkstoff hergestellt ist, der bspw. besonders leicht und/oder besonders einfach mechanisch bearbeitbar ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die korrespondierenden Fügeflächen unterschiedliche Kegelwinkel aufweisen und der resultierende Spalt mit einem Fügewerkstoff gefüllt ist. Falls die Verwendung von Fügewerkstoffen gewünscht ist, können diese auf besonders einfache Art und Weise zwischen den Fügeflächen eingebracht werden. - -
Im Kolbenringelement kann in an sich bekannter Weise ein umlaufender Kühlkanal vorgesehen sein. Der Kolbengrundkörper und das Kolbenringelement können aber auch gemeinsam einen umlaufenden Kühlkanal bilden, dessen vergleichsweise großes Volumen für eine besonders wirksame Kühlung insbesondere der Ringpartie sorgt.
Der Kolbengrundkörper und/oder das Kolbenringelement können im Bereich der kühlkanalseitigen Enden der Fügeflächen eine lokale Aufdickung aufweisen. Dadurch wird eine mögliche Kerbwirkung der Fügeverbindung zumindest deutlich reduziert.
Wenn der Kolbenboden des erfindungsgemäßen Kolbens eine an sich bekannte Brennraummulde aufweist, ist es von Vorteil, wenn der Muldenrand der Brennraummulde aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Werkstoff gebildet ist. Dies ist besonders einfach dadurch zu erreichen, dass das Kolbenringelement aus einem derartigen Werkstoff hergestellt ist und die Fügeflächen so positioniert sind bzw. werden, dass der Muldenrand Teil des Kolbenringelements und der Muldenboden Teil des Kolbengrundkörpers ist.
Generell ist es vorteilhaft, wenn der Kolbengrundkörper aus einem metallischen Werkstoff bzw. das Kolbenringelement aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Stahlwerkstoff hergestellt sind.
Geeignete Fügeverfahren sind bspw. Kleben, Schweißen oder Löten. Es ist zweckmäßig, das Kolbenringelement und/oder den Kolbengrund körper während des Fügevorgangs mit einer axialen Spannkraft zu beaufschlagen, um die Zentrierung der zu fügenden Bauteile, insbesondere bei unterschiedlicher Kegelwinkel, zu unterstützen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt; - -
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens im
Schnitt;
Fig. 3 eine Teildarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Fig. 4 eine weitere Teildarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbengrundkörper 11 und ein Kolbenringelement 12 auf. Der Kol beng rund körper 11 bildet den inneren Bereich 14 eines Kolbenbodens 13; dieser innere Bereich 14 stellt zugleich den Boden einer Brennraummulde 15 dar. An der Unterseite des Kolbenbodens 13 ist in an sich bekannter Weise ein Kolbenschaft 6 angebunden, der mit Nabenbohrungen 17 versehene Bolzennaben 18 aufweist. Der Kolbengrundkörper 11 kann bspw. aus einem Eisenwerkstoff oder einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sein. Dabei können Guss- wie auch Schmiedewerkstoffe zum Einsatz kommen. Typische Gusswerkstoffe sind bspw. Gusseisen mit Ku- gelgrafit nach DIN EN 1563, wie bspw. EN-GJS-700-2, Stahlguss nach DIN EN 10293, oder spezielle Aluminium-Silizium-Kolbenlegierungen.
Als Schmiedewerkstoffe können bspw. AFP-Stähle nach DIN EN 10267, Vergütungsstähle nach DIN EN 10083 oder schmiedbare Aluminium-Silizium-Legierungen verwendet werden.
Das Kolbenringelement 12 bildet den äußeren Bereich 21 des Kolbenbodens 13 mit einem umlaufenden Feuersteg 22 und einer umlaufenden Ringpartie 23 mit Ringnuten 24 für Kolbenringe (nicht dargestellt). Der äußere Bereich 21 des Kolbenbodens 13 schließt den Muldenrand 25 der Brennraummulde 15 ein. Das Kolbenringeiement kann aus einem Guss- oder Schmiedewerkstoff, oder alternativ aus einem pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoff bestehen, vorzugsweise aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Werkstoff. - -
Hierfür können je nach Anforderungsprofil bspw. Vergütungsstähle nach DIN EN 10083, warm- und hochwarmfeste Stähle, wie bspw. nach DIN 17240 oder DIN EN 10269, hitzebeständige Stähle und Nickellegierungen wie bspw. nach DIN EN 10095, eingesetzt werden.
Als Eisengusswerkstoffe können bspw. Gusseisen mit Kugelgrafit nach DIN EN 1563, Stahlguss nach DIN EN 10293 oder hitzebeständiger Stahlguss nach DIN EN 10295 eingesetzt werden.
In Verbindung mit Aluminiumunterteilen sind auch hochwarmfeste Aluminiumkolbenlegierungen verwendbar.
Das Kolbenringelement 12 weist ferner eine umlaufende Ausnehmung 26 auf, die sich in Richtung zum Kolbenboden 13 im wesentlichen parallel zur Ringpartie 23 erstreckt. Unterhalb der Ringpartie 23 ist eine erste umlaufende Fügefläche 27 und unterhalb des Muldenrandes 25 eine zweite umlaufende Fügefläche 28 vorgesehen. Die Fügeflächen 27 und 28 liegen auf einer gemeinsamen Kegelfläche.
Der Kolbengrundkörper 11 weist eine äußere umlaufende Vertiefung 31 auf, die von einer äußeren umlaufenden Fügefläche 32 und einer inneren umlaufenden Fügefläche 33 begrenzt wird. Die innere umlaufende Fügefläche 33 umschließt zugleich den inneren Bereich 14 bzw. Boden der Brennraummulde 15. Die äußere Fügefläche 32 und die innere Fügefläche 33 liegen ebenfalls auf einer gemeinsamen Kegelfläche.
Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenringelement 12 werden zusammengefügt, indem die korrespondierenden Fügeflächen 27 und 32 bzw. 28 und 33 aufeinander zu liegen kommen, so dass spaltfreie bzw. sehr eng tolerierte Trennfugen resultieren. Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenringelement 12 werden mittels geeigneter Fügeverfahren, insbesondere Kleben, Löten oder Schweißen, entlang der Fügeflächen 27, 32 bzw. 28, 33 fest miteinander verbunden. Dabei können die Fügeflächen 27, 32 bzw. 28, 33 in einem einzigen Arbeitsgang miteinander verbunden werden, bspw. durch Schweißen. Die Ausnehmung 26 des Kolbenringelements 12 und die Vertiefung des Kolbengrundkörpers 11 bilden dabei einen umlaufenden geschlosse- - - nen Kühlkanal 34. Die Zentrierung von Kolbengrundkörper 11 und Kolbenringelement 12 ergibt sich selbsttätig aufgrund der Tatsache, dass die korrespondierenden Fügeflächen 27, 32 bzw. 28, 33 auf korrespondierenden Kegelflächen liegen. Die Zentrierung kann unterstützt werden, indem Kolbengrundkörper 11 und Kolbenringelement 12 vor dem Fügen axial verspannt werden.
Ausführungsbeispiel:
Ein Kolbengrundkörper 11 , geschmiedet aus 38MnVS6, wird durch gesteuerte Abkühlung auf die erforderliche Festigkeit eingestellt. Anschließend werden die Fügeflächen 32, 33 in einem Arbeitschritt hergestellt, sowie die umlaufende Vertiefung 31 fertig bearbeitet.
Das Kolbenringelement 12 wird aus dem Werkstoff 42CrMo4 geschmiedet und durch einen Vergütungsprozess auf die gewünschte Festigkeit eingestellt. In gleicher Weise wie beim Kolbengrund körper werden die Fügeflächen 27, 28 unter Anwendung des in diesem Fall gleichen Kegelwinkels, wie auch die Vertiefung hergestellt.
Beide Teile werden vorgewärmt und durch eine axiale Kraft miteinander verspannt, so dass die Fügeflächen 27,32 und 28,33 zentriert aufeinander zum liegen kommen. Mittels Elektronenstrahlschweißverfahren werden nun die so zueinander fixierten zwei Trennfugen ohne Verwendung von Zusatzwerkstoff vom Außendurchmesser ausgehend in einem Arbeitsschritt miteinander verschweißt.
Alternativ können die zwei Trennfugen getrennt, vom Außendurchmesser und von der Brennraumulde 15 ausgehend, nacheinander oder gleichzeitig durch ein Strahlschwei ßverfahren miteinander fest verbunden werden. Die beiden Nahtwurzeln kommen somit im Kühlkanal zum liegen.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110 aus einem Kolbengrundkörper 111 und einem Kolbenringelement 112, wobei gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der einzige Unterschied zu dem in Figur 1 gezeigten Kolben 10 besteht darin, dass kein Kühlkanal vorgesehen ist. Daher weist das Kolbenringelement 111 eine einzige kegelförmige Fügeflä- - - che 135 und das Kolbenringelement 112 eine einzige korrespondierende kegelförmige Fügefläche 136 auf. Der Kolbengrund körper 111 und das Kolbenringelement 112 werden mittels geeigneter Fügeverfahren, insbesondere Kleben, Löten oder Schweißen, entlang der Fügeflächen 135, 136 fest miteinander verbunden. Dabei können die Fügeflächen 135, 136 in einem einzigen Arbeitsgang miteinander verbunden werden, bspw. durch Schweißen. Die Zentrierung von Kolbengrundkörper 111 und Kolbenringelement 112 ergibt sich auch bei diesem Ausführungsbeispiel selbsttätig aufgrund der Tatsache, dass die korrespondierenden Fügeflächen 135, 136 auf korrespondierenden Kegelflächen liegen. Die Zentrierung kann unterstützt werden, indem Kolbengrundkörper 111 und Kolbenringelement 112 vor dem Fügen axial verspannt werden. Ggf. kann im Kolbenringelement 112 in an sich bekannter Weise ein umlaufender Kühlkanal eingebracht sein, wie es in Figur 2 strichpunktiert angedeutet ist.
Die Auswahl eines geeigneten Fügeverfahrens hängt in dem Fachmann bekannter Weise von den Werkstoffen des Kolbengrund körpers 11 , 111 und des Kolbenringelements 12, 112 ab:
Bei Anwendung von Lötverfahren ergibt sich die Auswahl eines geeigneten Lotes aus der Arbeitstemperatur des gewählten Verfahrens.
Als Schweißverfahren bieten sich strahlgestützte Verfahren, wie Laserstrahlschweißen oder Elektronenstrahlschweißen, an. Es können aber auch andere Schweißverfahren wie lichtbogengestützte Verfahren, bspw. WIG oder MAG/ MIG-Verfahren, angewendet werden. In diesem Zusammenhang kann der Einsatz eines Fügewerkstoffs wünschenswert oder auch notwendig sein.
Ist bei Anwendung eines Schweißverfahren der Einsatz von Schweißzusatz erforderlich, bietet es sich an, die korrespondierenden Fügeflächen 27, 28; 136 des Kolbenringelements 12; 112 und/oder 32, 33; 135 des Kolbengrundkörpers 11 ; 111 auf Kegelflächen mit ganz oder bereichsweise unterschiedlichem Winkel oder eine Fläche in Bogenform anzuordnen, derart, dass eine im wesentlichen keilförmige Trennfuge gebildet wird (nicht dargestellt). In einer derart ausgebildeten Trennfuge kann der - -
Fügewerkstoff besonders einfach und wirkungsvoll aufgenommen werden. Insbesondere bei einem Kolben 10 mit einem Kühlkanal 34 gemäß Figur 1 empfiehlt es sich, die Fügeverbindung ausgehend vom Kühlkanal 34 in Richtung der Ringpartie 23 (über die Fügeflächen 27, 32) bzw. in Richtung der Brennraummulde 15 (über die Fügeflächen 28, 33) herzustellen. Wenn ein Schweißverfahren gewählt wird, können die Nahtwurzeln dementsprechend kühlkanalseitig gelegt werden.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 210 mit einem Kolbengrundkörper 211 und einem Kolbenringelement 212. Der Kolben 210 entspricht dem Kolben 10 gemäß Figur 1 , da er ebenfalls einen umlaufenden Kühlkanal 234 aufweist. Der Kolben 210 zeichnet sich dadurch aus, dass der Kolbengrundkörper 211 und das Kolbenringelement 212 im Bereich der Fügeflächen 227, 232 bzw. 228, 233 kühlkanalseitig lokale Aufdickungen (237, 238) vorgesehen sind. Dadurch wird eine im Bereich der Fügeverbindung möglicherweise auftretende Kerbwirkung zumindest deutlich reduziert. Des weiteren zeichnet sich dieser Kolben dadurch aus, dass die Fügeflächen 227 und 227' auf einer gemeinsamen Ebene liegen, die in einem spitzen Winkel α zur Kolbenachse geneigt ausgeführt ist.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolbens, bei dem die Fügeflächen 227 und 227' nicht auf einer gemeinsamen Ebene liegen, wobei die Fügefläche 227 einen spitzen Winkel zur Kolbenachse 300 bildet und die Fügefläche 227' einen stumpfen Winkel ß zur Kolbenachse bildet. Damit ist ein leichter selbstzentrierender Effekt beider zu verbindender Teile erreichbar, wobei gemäß einer zur Kolbenachse 300 angeordneten Fügefläche 227'a (gestrichelt dargestellt) der Zentrierungseffekt optimal erreichbar ist. Gemäß der Fügeflächenanordnung 227'b in Verbindung mit 227 bei Verwendung einer Strahlschweißung, bspw. Laseroder Elektronenstrahl, wird eine optimale aufgabengemäße Lösung erzielt.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (10, 110, 210) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbengrundkörper (11 , 111 , 211 ) und einem Kolbenringelement (12, 112, 212), wobei der Koibengrundkörper (11 , 111 , 211 ) zumindest einen inneren Bereich (14) eines Kolbenbodens (13) sowie einen Kolbenschaft (16) aufweist, welcher mit Nabenbohrungen (17) aufweisenden Bolzennaben (18) versehen ist, wobei das Kolbenringelement (12, 112, 212) zumindest einen äußeren Bereich (21 ) eines Kolbenbodens (13) mit einem umlaufenden Feuersteg (22) und einer mit Ringnuten (24) versehenen umlaufenden Ringpartie (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Koibengrundkörper (11 , 111 , 211 ) und Kolbenringelement (12, 1 2, 212) über an ihnen ausgebildete korrespondierende, kegelförmige Fügeflächen (32, 33, 27, 28; 135, 136; 232, 233, 227, 228) zusammengefügt sind.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die korrespondierenden Fügeflächen (32, 33, 27, 28; 135, 136; 232, 233, 227, 228) ganz oder bereichsweise unterschiedliche Kegelwinkel aufweisen und/oder der resultierende Spalt mit einem Fügewerkstoff gefüllt ist.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kolbenringelement (111 ) ein umlaufender Kühikanal vorgesehen ist.
4. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Koibengrundkörper (11 , 211 ) und Kolbenringelement (12, 212) gemeinsam einen umlaufenden Kühlkanal (34, 234) bilden.
5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Koibengrundkörper (211 ) und/oder das Kolbenringelement (212) im Bereich der kühlkanalseiti- gen Enden der Fügeflächen (232, 233, 227, 228) eine lokale Aufdickung (237, 238) aufweisen.
6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (13) eine Brennraummulde ( 5) aufweist.
7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraummulde (15) einen Muldenrand (25) aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Werkstoff aufweist.
8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbengrundkörper (11 , 111 , 211 ) aus einem metallischen Werkstoff und das Kolbenringelement (12, 112, 212) aus einem verschleiß- und/oder temperaturbeständigen Werkstoff hergestellt ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10, 110, 210) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbengrundkörper (11 , 111 , 211 ) und einem Kolbenringelement (12, 112, 212), wobei der Kolbengrundkörper (11 , 111 , 211) zumindest einen inneren Bereich (14) eines Kolbenbodens (13) sowie einen Kolbenschaft (16) aufweist, welcher mit Nabenbohrungen (17) aufweisenden Bolzennaben (18) versehen ist, wobei das Kolbenringelement (12, 112, 212) zumindest einen äußeren Bereich (21 ) eines Kolbenbodens (13) mit einem umlaufenden Feuersteg (22) und einer mit Ringnuten (24) versehenen umlaufenden Ringpartie (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Kolbengrundkörper (11 , 111 , 211 ) und Kolbenringelement (12, 112, 212) über an ihnen ausgebildete korrespondierende, kegelförmige Fügeflächen (32, 33, 27, 28; 135, 136; 232, 233, 227, 228) zusammengefügt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die korrespondierenden Fügeflächen (32, 33, 27, 28; 135, 136; 232, 233, 227, 228) ganz oder bereichsweise mit unterschiedlichen Kegelwinkeln hergesteilt werden und/oder der resultierende Spalt mit einem Fügewerkstoff gefüllt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbengrundkörper (11 , 111 , 211 ) und das Kolbenringelement (12, 112, 212) durch Kleben, Schweißen oder Löten zusammengefügt werden.
2. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenringelement (12, 112, 212) und/oder der Kolbengrundkörper (11 , 111 , 211 ) während des Fügevorgangs mit einer axialen Spannkraft beaufschlagt wird.
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