WO2007031107A1

WO2007031107A1 - Kolben, insbesondere kühlkanalkolben, mit drei reibschweisszonen

Info

Publication number: WO2007031107A1
Application number: PCT/EP2005/010061
Authority: WO
Inventors: Volker Gniesmer; Gerhard Luz; Emmerich Ottliczky
Original assignee: Ks Kolbenschmidt Gmbh
Priority date: 2005-09-17
Filing date: 2005-09-17
Publication date: 2007-03-22
Also published as: EP1926902A1; US20080229923A1; ATE464466T1; DE502005009435D1; EP1926902B1; US8011288B2

Abstract

Kolben, insbesondere Kühlkanalkolben (1), einer Brennkraftmaschine mit einem Oberteil (2) sowie einem Unterteil (3), die separat voneinander herstellbar und anschließend zusammenfügbar sind, wobei das Oberteil (2) zumindest drei radial umlaufende Fügestege (11, 13, 15) und das Unterteil (3) ebenfalls zumindest drei radial umlaufende Fügestege (12, 14) aufweist, die während eines Fügevorganges zusammengebracht werden und über die das Oberteil (2) fest mit dem Unterteil (3) verbunden wird.

Description

B E S C H R E I B U N G

Kolben, insbesondere Kühlkanalkolben, mit drei Reϊbschweißzonen

Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere einen Kühlkanalkolben, einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1.

Aus der US 6,155,157 ist ein Kühlkanalkolben einer Brennkraftmaschine bekannt, der aus genau zwei Teilen besteht. Bei diesen Teilen handelt es sich um ein Oberteil, welches hier ein radial umlaufendes Ringfeld und eine Brennraummulde auf- weist. Als weiteres Teil ist ein Unterteil vorgesehen, welches den Kolbenschaft sowie die Bolzenbohrung aufnimmt. An der Unterkante des Ringfeldes und an dem tiefsten Scheitelpunkt der Brennraummulde sind radial zwei umlaufende Fügestege an dem Oberteil vorhanden, die in Lage und Erstreckung mit zwei Fügestegen des Unterteiles korrespondieren. Diese beiden separat voneinander herstellbaren Teile werden mittels eines Fügevorganges, bei dem es sich hier um einen Reibschweißvorgang handelt, untrennbar miteinander verbunden. Danach steht ein einteiliger Kühlkanalkolben zur Verfügung, der in die Brennkraftmaschine eingebaut werden kann, gegebenenfalls nachdem er feinbearbeitet worden ist.

Bei diesem aus der US 6,155,157 bekannten Kühlkanalkolben sind sowohl das O- berteil als auch das Unterteil derart gestaltet, dass sie zusammen mit den einander korrespondieren Fügestellen nach dem Fügevorgang einen hinter dem Ringfeld liegenden Kühlkanal zur Zirkulation von Kühlmedium bilden. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die innen liegende Fügestelle recht nah an die außen liegende Fügestel- Ie, die sich im Bereich des Ringfeldes befindet, zu legen, damit dadurch der Kühlkanal im Kolbenboden gebildet werden kann. Dies hat allerdings den Nachteil, dass die Abstützung des Kolbenbodens nicht mehr optimal gewährleistet werden kann, insbesondere im Hinblick auf die bei modernen Brennkraftmaschinen vorkommenden Einspritz- und Zünddrücke. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben, insbesondere Kühlkanalkolben, derart weiterzubilden, dass er hinsichtlich seiner Festigkeit und Langzeitstabilität verbesserte Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sowohl das Oberteil als auch das Unterteil zumindest drei radial umlaufende Fügestege aufweist. Damit sind zwei Fügestege jeweils des Oberteiles und des Unterteiles koaxial innerhalb von vier Fügestegen angeordnet, so dass das Oberteil mit dem Unterteil nicht nur über zwei Fügebereiche, wie es bisher bekannt war, sondern über drei (oder gegebenenfalls noch mehr) Fügebereiche miteinander verbunden werden. Daraus ergibt sich eine höhere Festigkeit des gesamten Kolbenbodens, so dass die auftretenden Zünd- und Verbrennungs- drücke wesentlich besser aufgefangen werden können. Dadurch erhöht sich auch die Langzeitstabilität über die Lebensdauer des Kolbens während seines Betriebes in der Brennkraftmaschine. Durch die weiteren Fügestege wird zudem die Abstützung der Brennraummulde verbessert, insbesondere versteift, so dass die Materialdicke im Bereich der Brennraummulde reduziert werden kann, was zu einer Ge- wichtserspamis führt.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Oberteil und das Unterteil derart gestaltet sind, dass sie mit den weiteren Fügestegen einen weiteren Kühlkanal bilden. Damit weist der Kühlkanalkolben nicht nur einen nahezu direkt hinter dem Ringfeld liegenden Kühlkanal auf, sondern innerhalb dessen koaxial liegend noch zumindest einen weiteren Kühlkanal auf, in dem ebenfalls ein Kühlmedium (insbesondere Motoröl) zirkulieren kann, um den Kolbenboden (insbesondere den Bereich unterhalb der Brennraummulde) kühlen zu können. Je nach Gestaltung des Oberteiles, des Unterteiles und deren Fügestege können zum Beispiel drei Kühlbereiche geschaffen werden, bei denen es sich um einen äußeren und einen mittleren Kühlkanal handelt und der dritte Bereich sich unterhalb des Scheitelpunktes der Brennraummulde befindet. In Weiterbildung der Erfindung weisen die Fügestege in drei verschiedenen Fügebereichen in etwa einen gleichen Querschnitt auf. Dadurch wird innerhalb des Kolbenbodens eine nahezu gleiche Strukturfestigkeit erzielt. Der nahezu gleiche Querschnitt wirkt sich auch vorteilhaft auf den Fügevorgang aus, da immer die gleichen Energiemengen aufgebracht und nicht aufwändig aufeinander abgestimmt werden müssen.

Bei dem Fügevorgang handelt es sich in besonders vorteilhafter Weise um ein Reibschweißverfahren, da dieses es gestattet, alle drei Fügebereiche gleichzeitig zu be- arbeiten und damit das Oberteil unlösbar mit dem Unterteil zu verbinden. Die Verwendung von nur zwei Teilen (Oberteil und Unterteil) zur Herstellung des Kühlkanalkolbens führt noch zu einer Reduzierung der Teilevielfalt, die gerade bei der Serienherstellung von Kolben von Bedeutung ist. Außerdem kommt noch in Betracht, dass das Oberteil und das Unterteil in gleichen oder verschiedenen Verfahren (wie zum Beispiel Schmieden, Gießen, Pressen, Fließpressen und dergleichen) hergestellt werden kann und aus gleichen oder verschiedenen Materialien besteht. So kann beispielsweise das Oberteil aus einem hitzebeständigeren Material bestehen wie das Unterteil. Auch Gewichtsaspekte spielen hier eine Rolle. So kann beispielsweise das Oberteil aus einem Leichtbauwerkstoff (wie Aluminium) bestehen, während das Un- terteil aus einem Eisenwerkstoff (zum Beispiel Grauguß) besteht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, sind im folgenden beschrieben und anhand der Figuren 1 bis 4 erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit in etwa drei gleichen Reibschweißquerschnitten,

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit unterschiedlichen Reibschweißquerschnitten und unterschiedlichen Fügeebenen,

Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit nahezu gleichen Reibschweißquerschnitten in unterschiedlichen Fügeebenen, Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel mit nahezu gleichen Reibschweißquerschnitten und drei verschiedenen Fügeebenen, wobei drei Kühlbereiche gebildet werden.

Figur 1 zeigt einen Kühlkanalkolben, der ein Oberteil 2 und ein Unterteil 3 aufweist. Das Oberteil 2 weist in an sich bekannter Weise eine Brennraummulde 4 sowie ein radial umlaufendes Ringfeld 5 mit nicht näher bezeichneten Ringnuten auf. Unterhalb des Oberteiles 2 ist das Unterteil 3 angefügt, das seinerseits eine Bolzenboh- rung 6 sowie einen Kolbenschaft 7 aufweist. Das Oberteil 2 wird insbesondere mit einem Reibschweißverfahren in drei Fügebereichen 8 bis 10 mit dem Unterteil 3 verbunden. In dem ersten Fügebereich 8 stehen sich ein Fügesteg 11 des Oberteiles 2 und ein Fügesteg 12 des Unterteiles 3 gegenüber. In dem zweiten Fügebereich 9 stehen sich ein Fügesteg 13 des Oberteiles 2 und ein Fügesteg 14 des Unterteiles 3 gegenüber. Schließlich sind in dem dritten Fügebereich 10 noch ein Fügesteg 15 des Oberteiles 2 und ein Fügesteg 16 des Unterteiles 3 angeordnet. Der erste Fügebereich 11 ist in einer ersten Fügeebene 17 und die zweiten Fügebereiche 9, 10 sind beide in einer zweiten Fügeebene 18 angeordnet. Dabei sind das Oberteil 2 und das Unterteil 13 so gestaltet, dass sie mit ihren radial umlaufenden Fügestegen 11 bis 14 einen hinter dem Ringfeld 5 liegenden Kühlkanal 19 bilden. Durch die beiden weiteren Fügebereiche 9, 10 entsteht zwischenliegend ein Hohlraum, der zur besseren Kräfteverteilung und zur Reduzierung von Gewicht im Koibenboden führt. Während des Reibschweißvorganges entstehen umlaufende Schweißwülste, die entfernt werden können (insbesondere die Reibschweißwulst unterhalb des Ringfeldes 5), oder auch bestehen bleiben können, da sie entweder nicht störend oder nicht mehr zugänglich sind (wie beispielsweise die Reibschweißwülste, die innenliegend bei den beiden Fügebereichen 9, 10 entstehen).

Figur 2 zeigt den Kühlkanalkolben 1 , der ebenfalls drei Fügebereiche 8 bis 10 mit zugehörigen Fügestegen 11 bis 16 aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt der erste Fügebereich 8 in etwa unterhalb des Ringfeldes 5, während der zweite Fügebereich 9 in etwa im tiefsten Scheitelpunkt der Brennraummulde 4 vorhanden ist. Zur Abstützung des höchsten Scheitelpunktes der Brennraummulde 4 ist der dritte Fügebereich 10 mit seinen einander gegenüberliegenden Fügestegen 15, 16 auf der Bewegungsachse des Hubes des Kühlkanalkolbens 1 während seines Betriebes angeordnet. Dies wiederum führt zu dem schon in Figur 1 beschriebenen Kühlkanal 19, während hier aufgrund der Gestaltung des Oberteiles 2 und des Unterteiles 3 mit den Fügestegen 13 bis 16 ein koaxial hinter dem Kühlkanal 19 liegender weiterer Kühlkanal 21 geschaffen wird. Die Öffnungen für die Zufuhr und den Ablauf des in dem Kühlkanal 19, 21 zirkulierenden Kühlmediums sind vorhanden, hier aber wegen der besseren Übersichtlichkeit (genauso wie in den anderen Figuren) weggelassen.

Die Fügestege 11 bis 17 weisen unterschiedlichen Querschnitt auf und liegen in un- terschiedlichen Fügeebenen 17, 18, 20.

Figur 3 zeigt den Kühlkanalkolben 1 , bei dem ebenfalls drei Fügebereiche 8 bis 10 vorhanden sind, wobei deren Fügestege 11 bis 16 nahezu gleichen Querschnitt aufweisen, aber in drei unterschiedlichen Fügeebenen 17, 18, 20 angeordnet sind. Auch hier sind wieder zwei Kühlkanäle 19, 21 vorhanden.

Figur 4 zeigt den Kühlkanalkolben 1 mit drei Fügebereichen 8 bis 10 und den zugehörigen Fügestegen 11 bis 16, wobei die Fügestege nahezu gleichen Querschnitt aufweisen, aber (gestuft) in drei voneinander verschiedenen Fügeebene 17, 18, 20 angeordnet sind. Aufgrund der Gestaltung des Unterteiles 2 werden nicht nur zwei Kühlkanäle 19, 21 gebildet, sondern es ist im Innenbereich 22 (der sich unterhalb des oberen Scheitelpunktes der Brennraummulde 4 erstreckt) ein weiterer geschlossener Raum realisiert, der ebenfalls als Kühlbereich fungieren kann.

Schließlich sei noch angemerkt, dass es sich bei den Kühlkanälen auch um Hohlräume handeln kann, die nicht von einem Kühlmedium durchströmt werden, sondern der Gewichtsersparnis im Bereich des Oberteiles (Kolbenboden) dienen. Ebenso ist die Erfindung genauso anwendbar bei einteiligen Kolben (wie in den Ausführungsbeispielen gezeigt, wobei der fertige einteilige Kolben aus dem Oberteil und dem Un- terteil zusammengefügt wird) wie auch bei fertigen mehrteiligen Kolben (insbesondere Pendelschaftkolben). Bezugszeichenliste

1. Kühlkanalkolben

2. Oberteil 5 3. Unterteil

4. Brennraummulde

5. Ringfeld

6. Bolzenbohrung

7. Kolbenschaft

10 8. Erster Fügebereich

9. Zweiter Fügebereich

10. Dritter Fügebereich

11. Fügesteg

12. Fügesteg 15 13. Fügesteg

14. Fügesteg

15. Fügesteg

16. Fügesteg

17. Erste Fügeebene 20 18. Zweite Fügeebene

19. Kühlkanal

20. Dritte Fügeebene

21. Weiterer Kühlkanal

22. Innenbereich

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E

1.

Kolben, insbesondere Kühlkanalkolben (1), einer Brennkraftmaschine mit einem O- berteil (2) sowie einem Unterteil (3), die separat voneinander herstellbar und anschließend zusammenfügbar sind, wobei das Oberteil (2) zumindest drei radial um- laufende Fügestege (11 , 13, 15) und das Unterteil (3) ebenfalls zumindest drei radial umlaufende Fügestege (12, 14) aufweist, die während eines Fügevorganges zusammengebracht werden und über die das Oberteil (2) fest mit dem Unterteil (3) verbunden wird.

2.

Kühlkanalkolben (1), bei dem das Oberteil (2) und das Unterteil (3) derart gestaltet sind, dass sie mit ihren Fügestegen (11 bis 14) einen Kühlkanal (19) bilden, nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteil (2) und das Oberteil (3) derart gestaltet sind, dass sie mit ihren weiteren Fügestegen (15, 16) zumindest ei- nen weiteren Kühlkanal (21) bilden.

3.

Kolben oder Kühlkanalkolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügestege (11 bis 16) in drei gleichen Fügebereichen (8 bis 10) oder in voneinander verschiedenen Fügebereichen (8 bis 10) in etwa einen gleichen Querschnitt aufweisen.

4.

Kolben oder Kühlkanalkolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Anlageflächen der einander zugewandten Fügestege (11 bis 16) in drei gleichen Fügeebenen, in drei verschiedenen Fügeebenen oder in zwei gleichen Fügeebenen und einer davon verschiedenen Fügeebene liegen.

5.

Kolben oder Kühlkanalkolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügevorgang ein Reibschweissen ist.

6.

Kolben oder Kühlkanalkolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberteil (2) aus dem gleichen Material oder einem anderen Material besteht als das Unterteil (3).