WO2008148425A1 - Composite piston for internal combustion engines having a completely closed cooling channel - Google Patents

Composite piston for internal combustion engines having a completely closed cooling channel Download PDF

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WO2008148425A1
WO2008148425A1 PCT/EP2007/055581 EP2007055581W WO2008148425A1 WO 2008148425 A1 WO2008148425 A1 WO 2008148425A1 EP 2007055581 W EP2007055581 W EP 2007055581W WO 2008148425 A1 WO2008148425 A1 WO 2008148425A1
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piston
component
joining
contour
outer component
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PCT/EP2007/055581
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Inventor
Matthias Prussak
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Cdp Bharat Forge Gmbh
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/0015Multi-part pistons
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23PMETAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/10Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass pistons
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/0015Multi-part pistons
    • F02F3/003Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/16Pistons  having cooling means
    • F02F3/18Pistons  having cooling means the means being a liquid or solid coolant, e.g. sodium, in a closed chamber in piston

Definitions

  • the invention relates to a composite piston for internal combustion engines with completely closed Kuhlkanal and a method for its preparation.
  • Combustion temperatures can be realized ("clean combustion").
  • Blacksmith materials have indisputable advantages over the cast materials with regard to the properties that can be achieved, in particular fatigue strength at elevated temperatures.
  • degrees of freedom compared to the casting are limited, especially with regard to the formation of the undercut Kuhlkanals.
  • the structural height of the piston is greater than in two-part, built solutions, as a minimum height for the axial gap of the cooling channel can not be fallen below in order to make the Kuhlkanal the mechanical processing accessible.
  • Closed Kuhlkanal means in this context not only a purely mechanical closing ("Zudeckein") of an open Kuhlkanals with a spring plate but also the assumption of forces in the direct power flow through mechanical and constructive connection of the piston lower part (combustion trough / piston head) circumferentially bearing and shirt area (Piston shaft).
  • a one-piece forged piston design with a closed coolant channel is known from EP 1 611 975 A1.
  • a closed coolant channel is formed by circumferential "closing" of the flange and wearing of the piston head against the piston shaft.
  • a closed connection between the shaft region and the piston head can be achieved and the flexural rigidity of the piston can be increased.
  • a very compact construction height is possible because the inner contour of the cooling channel is easily accessible due to the selected production technology of a processing. Again, however, the material for the entire component must always meet the highest of all possible loads, which leads to higher material costs. The manufacturing costs are further increased, since the radial flange must be trimmed by a special bending technology circumferentially against the shaft and thus is not classified as "schmiedeLER".
  • one-piece pistons with closed coolant channel can be produced by forging technology, this is only possible possible under high material and manufacturing costs. This is why increasingly built or assembled pistons are moving into the focus of the developers.
  • the built piston also has the advantage that the designer can combine different materials adapted to the respective tasks.
  • high-temperature steel grades are preferably used, whereas aluminum is also used as a material in the shaft area for reasons of weight.
  • WO 00/53913 A1 An example of a built-up piston is described in WO 00/53913 A1, in which the piston head and the piston shaft are screwed axially by means of expansion screws.
  • the optimal materials for piston head and piston skirt can be combined depending on the main load and undercut contours or closed cavities (cooling channel) can be realized relatively easily.
  • the now possible closed connection between the shaft area and piston head increases the bending stiffness of the piston.
  • the screw height increases the height of the piston and compared to one-piece solutions, an additional installation effort is necessary.
  • the expansion bolts as a link also represent a weak point, especially when the system is subjected to cyclic loads (in this case thermally and mechanically) constantly alternating strains.
  • Friction welds also a certain risk, since on the one hand represent weak points in terms of strength and on the other hand, the introduction of residual scale in the cooling channel can never be definitely excluded. Also, the free choice of materials for the individual components is already limited again, since due to the selected connection technology, the weldability of the components must be given.
  • a piston according to the invention for internal combustion engines has a compact inner component, which forms the interior of the piston bearing and the piston head, and a sleeve-shaped outer component, which forms the outer contour of the piston head with Brennmulde and Ringaniwitz and the piston shaft with tread and Pleuelbolzenbohrung.
  • the interior of the piston skirt is in this case that structure which serves for the construction of the connecting rod bore on the connecting rod side and serves to form one or more cooling channels on the combustion chamber side.
  • the inner component of the piston has at least one radial rib with a dimension (D) that substantially corresponds to the inner diameter of the outer component.
  • the dimension of the at least one radial rib is to be understood here as the distance between the respective outermost points of the rib (s) at the point at which the inner diameter of the outer component is measured.
  • the inner and outer components form a liquid or gas-tight cavity, which is suitable for receiving cooling media.
  • This cavity represents the closed cooling channel, wherein the shape of the cooling channel can be freely adapted to the requirements by known processing methods.
  • the inner component is supported on the inner contour of the outer component via the at least one rib in the axial and radial direction and via one or more shoulders in the region of the combustion trough in the axially opposite direction.
  • the at least one radial rib is formed as a circumferential flange contour whose dimension is given by its outer diameter.
  • the at least one radial rib or the flange may have a symmetry corresponding to the mechanical and thermal requirements, it is preferred that the at least one radial rib or the flange of the piston according to the invention is rotationally symmetrical. This form provides optimal support for most applications and thus power and heat transfer between the outer and inner components.
  • At least one additional cavity is formed between the upper side of the inner component and the inner contour of the outer component, which can be used for additional cooling of the piston head.
  • one or more additional cavities lying directly under the combustion trough are advantageous, since usually the highest temperatures in the combustion trough arise during the combustion and therefore an efficient cooling is of particular importance with regard to material life.
  • the inner component and the outer component consist of different materials.
  • the materials may be selected depending on the load case, strength or weight ratio and other required properties.
  • An inventive method for producing a piston for internal combustion engines comprises first inserting a compact inner component, which will form the interior of the piston skirt and the piston head, into a sleeve-shaped outer component, which the outer contour of the piston head with Brennmulde and Ringani Scheme and the piston shaft with tread and Pleuelbolzenbohrung will form, wherein the inner component has at least one radial rib with a dimension D, which corresponds substantially to the inner diameter of the outer component, and form the inner and outer components already in the initial state before the subsequent joining a cavity.
  • the following step is the joining of the outer component in the axial and radial direction via the at least one radial rib and in the axially opposite direction via one or more shoulders in the region of the combustion trough on the outer contour of the inner component, so that the cavity liquid or gas tight is closed.
  • the at least one radial rib is formed as a circumferential flange contour whose dimension is given by its outer diameter.
  • the joining of the outer component to the inner component is performed such that no axial displacement between inner component and outer component is possible.
  • This is particularly advantageous for applications in which a particularly high flexural rigidity is required, which absorbs both thermal and mechanical loads.
  • the mechanical loads that occur in the axial direction for example, due to particularly high mass or other mechanical forces are generally higher than the thermal loads that occur in the radial direction, so also thermal loads in the radial direction can be cleanly absorbed and derived ,
  • the joining of the outer component to the inner component is carried out such that an axial displacement between inner component and outer component is possible to compensate for thermally induced expansion differences. It can be so targeted tolerances between the two components are introduced, for example, between the shoulder (s) of the inner component and the combustion chamber trough corresponding inner contour of the outer component.
  • the joining is preferably a defined circumferential bending, flanging, folding, pressing or clamping process. These joining methods are inexpensive to carry out and easily achieve the necessary joining forces. Depending on the desired properties of the finished piston may be advantageous that the joining takes place in the cold, semi-warm or warm state. In this way, an optimal joining process and thus an optimal mechanical and thermal connection of the piston components can be ensured in function of the selected materials of the respective components.
  • bias voltages can specifically increase the strength of the connection between the components and improve the mechanical power transmission and the thermal conductivity of the piston.
  • the life of the piston can be positively influenced.
  • additional joining elements that are positive, positive or material fit can preferably be used, thereby reinforcing the bond between the inner and outer components.
  • the annular grooves are introduced into the outer component and / or the Pleuelbolzenbohrung in the inner and outer components after joining. In this way, damage to the grooves or holes during joining are avoided.
  • the inner component is drilled prior to joining and the outer component is pressed by the joining in the bore of the inner component, so that additional force or positive connection is formed.
  • Fig. 1 is a sectional view of a first embodiment of the invention showing in the left half a piston according to the invention before joining and in the right half after joining, wherein no connecting rod hole was drilled prior to joining;
  • Fig. 2 is a sectional view similar to Fig. 1, in which the connecting rod hole was drilled prior to joining.
  • FIG. 1 is a sectional view of a first embodiment of a composite piston in which the left half of the figure shows the initial state of the piston before joining and the right half of the figure shows the joined state of the piston.
  • FIG. 1 also illustrates a first embodiment of the method according to the invention for producing a piston for internal combustion engines, in which no connecting rod bore is introduced before the joining step.
  • the inner component 1 of the piston in the initial state, before joining, is inserted into the outer component 2, the inner diameter D of the flange 5 of the inner component 1 substantially corresponding to the inner diameter of the outer component 2.
  • the diameter D of the flange 5 is equal to the inner diameter of the outer component 2, except for manufacturing-related tolerances or specifically introduced clearance.
  • the diameter D must also be chosen so that a easy insertion of the inner to the outer component is possible.
  • the inner component 1 has at its combustion chamber end end end a circumferential shoulder 6 and a central shoulder 7, which face the inner contour of the combustion bowl of the outer component 2.
  • a circumferential cavity 3 is formed, which is adapted to receive a Kuhlstoffs such. Ol, will serve.
  • a further cavity 4 is formed, in which also Kuhlfluid can circulate.
  • the cavities 3, 4 are supplied by Kuhlfluid not shown here channels in the inner component 1.
  • the annular grooves and Pleuelbolzenbohrung are introduced only after the joints, so that in particular the annular grooves can not be damaged by the joints.
  • the connecting rod bore 8 is introduced into the inner component 1 before the joints.
  • the shaft wall of the outer component 2 in the in pressed in the inner component 1 Pleuelbolzenbohrung.
  • the pushing in can however also be carried out by a special procedure, eg by means of a punch. In this way, an additional support is provided by the depressed into the connecting rod bore 8 bore flanges 9 of the outer component 2 and increases the mechanical strength of the positive and / or non-positive connection of the piston components 1 and 2.

Abstract

The invention relates to a piston for internal combustion engines, comprising a compact interior component (1) forming the interior of the piston shaft and the piston head, and a sleeve-shaped exterior component (2) forming the exterior contour of the piston head, having a combustion cavity and a piston ring carrier, and the piston shaft, having a contact surface and a piston rod stud bore. The interior component (1) has at least one radial rib (5) of a dimension (D), which substantially corresponds to the inner diameter of the exterior component (2). The components (1) and (2) form a fluid- and gas-tight hollow space (3) suitable for receiving coolants, and the interior component (1) is supported in the axial and radial direction by the flange (5) and via one or more shoulders (6, 7) in the region of the combustion space cavity in the axially opposite direction on the interior contour of the exterior component (2). In the method for the production of a piston for internal combustion engines, a compact interior component (1) forming the interior of the piston shaft and the piston head is introduced into a sleeve-shaped exterior component (2) forming the exterior contour of the piston head, having a combustion cavity and a piston ring carrier, and the piston shaft, having a contact surface and a piston rod stud bore, wherein the interior component (1) has at least one radial rib (5) of a dimension (D) substantially corresponding to the inner diameter of the exterior component (2), and wherein the components (1) and (2) form a hollow space (3). The exterior component (1) is then joined to the exterior contour of the interior component (2) in the axial and radial direction via the flange contour (5) and, in the axially opposite direction, via one or more shoulders (6, 7) in the region of the combustion cavity such that the hollow space (3) is sealed in a fluid- and gas-tight manner.

Description

Composite-Kolben für Verbrennungsmotoren mit vollständig geschlossenem Kühlkanal Composite piston for internal combustion engines with fully closed cooling channel
Die Erfindung betrifft einen Composite-Kolben für Verbrennungsmotoren mit vollständig geschlossenem Kuhlkanal sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a composite piston for internal combustion engines with completely closed Kuhlkanal and a method for its preparation.
Stand der TechnikState of the art
Die immer weiter steigenden Anforderungen des Gesetzgebers bezuglich der Verringerung des Schadstoffausstoßes bei Verbrennungsmotoren und Senkung des spezifischen Brennstoffverbrauches einerseits und der Trend hin zu hohen spezifischen Motorleistungen andererseits zwingt die Motoren- und Motorenkomponentenhersteller zur standigen Verbesserung ihrer Produkte. Im Falle von Verbrennungsmotoren ist klar, dass die Einhaltung der geforderten Normen (Abgasmenge und -reinheit, Russpartikel, Ölverluste) physikalisch bedingt nur durch höhere Betriebsdrucke und höhereThe ever-increasing demands of the legislator regarding reduction of pollutant emissions in internal combustion engines and reduction of specific fuel consumption on the one hand and the trend towards high engine specific performance on the other hand are forcing engine and engine component manufacturers to constantly improve their products. In the case of combustion engines, it is clear that compliance with the required standards (exhaust gas quantity and purity, soot particles, oil losses) can only be achieved by higher operating pressures and higher physical factors
Verbrennungstemperaturen realisiert werden kann ("saubere Verbrennung") .Combustion temperatures can be realized ("clean combustion").
Die hohen Temperaturen und Betriebsdrucke verlangen von einem Kolbenhersteller designtechnische Maßnahmen, wie zum Beispiel die Schaffung von Kuhlkanalen zum Abfuhren der Verbrennungswarme, die Schaffung biegesteifer Kolbenkonstruktionen, um Oleintritt- und Gasaustritt in/aus den/m Verbrennungsraum, der durch Verbiegung des Kolbens zwischen Kolbenunterteil (Lager- und Schaftbereich) und Kolbenoberteil (sog. Brennmuldenbereich) relativ zur Zylinderinnenwand entsteht, zu verhindern, sowie um einen stabilen Schmierfilm zwischen Schaft und Zylinder aufrecht zu erhalten.The high temperatures and operating pressures require a piston manufacturer design technical measures, such as the creation of Kuhlkanalen to dissipate the heat of combustion, the creation of rigid piston designs to Oleintritt- and gas outlet in / from the combustion chamber by combustion of the piston between the piston ( Bearing and shank area) and piston upper part (so-called. Brennmuldenbereich) relative to the cylinder inner wall is formed to prevent, as well as a stable lubrication between shaft and cylinder upright.
Genauso wichtig ist angesichts der immer härteren Betriebsbedingungen aber auch das richtige Werkstoffdesign . Gusswerkstoffe stoßen zunehmend an ihre Grenzen, vor allem wenn es um die Lebensdauer im Bereich erhöhter Temperaturen geht (Warmdauerfestigkeit) . Allerdings war es bislang fast ausschließlich der Gießtechnologie vorbehalten, die designtechnischen Anforderungen (Hinterschnitte, Hohlkonturen) sicher abzubilden.Equally important, however, is the right material design in view of the ever-tougher operating conditions. Cast materials are increasingly reaching their limits, especially when it comes to the lifetime in the range of elevated temperatures (fatigue strength). However, it was up to now almost entirely reserved for casting technology to reliably represent the design requirements (undercuts, hollow contours).
Schmiedewerkstoffe hingegen haben bezuglich der erzielbaren Eigenschaften, insbesondere Dauerfestigkeit bei erhöhten Temperaturen, unstrittig Vorteile gegenüber den Gusswerkstoffen. Dafür sind die gestalterischen Freiheitsgrade gegenüber dem Guss eingeschränkt, insbesondere im Hinblick auf die Ausbildung des hinterschnittenen Kuhlkanals .Blacksmith materials, on the other hand, have indisputable advantages over the cast materials with regard to the properties that can be achieved, in particular fatigue strength at elevated temperatures. For the design degrees of freedom compared to the casting are limited, especially with regard to the formation of the undercut Kuhlkanals.
Ein Losungsansatz zur Überwindung dieser Einschränkungen sind zum Beispiel einteilig geschmiedete Kolben mit offenem Kuhlkanal, sog. Monothermkolben . Die umlaufend offene Anbindung zwischen Kolbenschaftbereich und Kolbenkopf mindert jedoch die Biegesteifigkeit des Kolbens, speziell wenn bei bestimmten Pleuelstellungen die Last unter einem Winkel am Kolben angreift. Auch ist bei einteilig geschmiedeten Kolben die Wahl des Kolbenmaterials insofern eingeschränkt, als dass das Material für das gesamte Bauteil stets den höchsten in Frage kommenden Belastungen genügen muss und somit zu höheren Kosten beitragt. Aus fertigungstechnischer Sicht ist nachteilhaft, dass die hinterschnittene Kontur keine optimale Herstellungstechnologie in Bezug auf dieA solution approach to overcome these limitations are, for example, one-piece forged pistons with open Kuhlkanal, so-called. Monothermic piston. However, the circumferentially open connection between the piston skirt area and the piston head reduces the flexural rigidity of the piston, especially when the load acts at an angle on the piston at certain connecting rod positions. Also, with one-piece forged pistons, the choice of the piston material is limited insofar as that the material for the entire component must always meet the highest possible loads and thus contributes to higher costs. From a production point of view is disadvantageous that the undercut contour no optimal manufacturing technology in terms of
Lebensdauereigenschaften zulasst. Schließlich ist die Bauhohe des Kolbens großer als bei zweiteiligen, gebauten Losungen, da eine Mindesthohe für das axiale Spaltmaß des Kuhlkanals nicht unterschritten werden kann, um den Kuhlkanal der mechanischen Bearbeitung zuganglich machen zu können.Lifetime properties allowed. Finally, the structural height of the piston is greater than in two-part, built solutions, as a minimum height for the axial gap of the cooling channel can not be fallen below in order to make the Kuhlkanal the mechanical processing accessible.
Galten somit Kolben mit offenen Kuhlkanalen bislang als ausreichend und betriebssicher, müssen künftig vor allem aus Gründen der höheren geforderten Biegesteifigkeit Kolben mit geschlossenen Kuhlkanalen zum Einsatz kommen. Geschlossener Kuhlkanal heißt in diesem Kontext nicht nur ein rein mechanisches Verschließen ("Zudeckein") eines offenen Kuhlkanals mit einem Federblech sondern auch die Übernahme von Kräften im direkten Kraftfluss durch mechanische und konstruktive Anbindung des Kolbenunterteils (Brennmulde/Kolbenkopf) umlaufend gegen Lager- und Hemdbereich (Kolbenschaft) .So far, pistons with open cooling ducts have been considered sufficient and reliable, in the future pistons with closed cooling ducts will have to be used, mainly for reasons of higher bending stiffness required. Closed Kuhlkanal means in this context not only a purely mechanical closing ("Zudeckein") of an open Kuhlkanals with a spring plate but also the assumption of forces in the direct power flow through mechanical and constructive connection of the piston lower part (combustion trough / piston head) circumferentially bearing and shirt area (Piston shaft).
Ein einteiliges geschmiedetes Kolbendesign mit geschlossenem Kuhlkanal ist aus der EP 1 611 975 Al bekannt. Hierbei wird bei einem Kolbenrohling mit am Kolbenkopf in radialer Richtung ausgebildetem Flansch durch umlaufendes "Verschließen" des Flansches und Abstutzung des Kolbenkopfes gegen den Kolbenschaft ein geschlossener Kuhlkanal ausgebildet. Dadurch kann im Gegensatz zum Kolben mit offenem Kuhlkanal eine geschlossene Anbindung zwischen Schaftbereich und Kolbenkopf erreicht und die Biegesteifigkeit des Kolbens erhöht werden. Des Weiteren ist eine sehr kompakte Bauhohe möglich, da die Innenkontur des Kuhlkanals durch die gewählte Fertigungstechnologie einer Bearbeitung leicht zuganglich ist. Auch hier jedoch muss das Material für das gesamte Bauteil immer dem höchsten aller in Frage kommenden Belastungen genügen, was zu höheren Materialkosten fuhrt. Die Herstellungskosten werden weiter erhöht, da der radiale Flansch durch eine spezielle Biegetechnologie umlaufend gegen den Schaft abgestutzt werden muss und somit nicht als "schmiedefreundlich" einzustufen ist.A one-piece forged piston design with a closed coolant channel is known from EP 1 611 975 A1. In this case, in a piston blank with flange formed on the piston head in the radial direction, a closed coolant channel is formed by circumferential "closing" of the flange and wearing of the piston head against the piston shaft. As a result, in contrast to the piston with an open coolant channel, a closed connection between the shaft region and the piston head can be achieved and the flexural rigidity of the piston can be increased. Furthermore, a very compact construction height is possible because the inner contour of the cooling channel is easily accessible due to the selected production technology of a processing. Again, however, the material for the entire component must always meet the highest of all possible loads, which leads to higher material costs. The manufacturing costs are further increased, since the radial flange must be trimmed by a special bending technology circumferentially against the shaft and thus is not classified as "schmiedefreundlich".
Somit lassen sich zwar einteilige Kolben mit geschlossenem Kuhlkanal schmiedetechnisch herstellen, jedoch ist dies nur unter hohen Material- und Fertigungskosten möglich. Dies ist der Grund, warum zunehmend gebaute oder gefügte Kolben in den Fokus der Entwickler rücken. Zum einen möchte man die werkstofftechnischen Vorteile des geschmiedeten Bauteils nutzen und durch geschickte Fügeverfahren andererseits in der Lage sein, Hinterschnittkonturen oder geschlossene Hohlräume abzubilden .Thus, while one-piece pistons with closed coolant channel can be produced by forging technology, this is only possible possible under high material and manufacturing costs. This is why increasingly built or assembled pistons are moving into the focus of the developers. On the one hand, one would like to make use of the material-technical advantages of the forged component and, on the other hand, be able to depict undercut contours or closed cavities by skillful joining methods.
Der gebaute Kolben hat darüber hinaus den Vorteil, das der Konstrukteur verschiedene, den jeweiligen Aufgaben angepasste Werkstoffe miteinander kombinieren kann. So kommen vor allem im Bereich des Kolbenkopfes hochwarmfeste Stahlgüten bevorzugt zur Anwendung, wohingegen im Schaftbereich aus Gewichtsgründen auch gerne Aluminium als Werkstoff verwendet wird.The built piston also has the advantage that the designer can combine different materials adapted to the respective tasks. Thus, particularly in the area of the piston head, high-temperature steel grades are preferably used, whereas aluminum is also used as a material in the shaft area for reasons of weight.
Ein Beispiel eines gebauten Kolbens ist in der WO 00/53913 Al beschrieben, bei dem der Kolbenkopf und der Kolbenschaft mit Hilfe von Dehnschrauben axial verschraubt sind. Dabei können die optimalen Materialien für Kolbenkopf und Kolbenschaft je nach Hauptbelastung kombiniert und Hinterschnittkonturen bzw. geschlossene Hohlräume (Kühlkanal) relativ einfach realisiert werden. Die nun mögliche geschlossene Anbindung zwischen Schaftbereich und Kolbenkopf erhöht die Biegesteifigkeit des Kolbens. Jedoch nimmt durch die Verschraubung die Bauhöhe des Kolbens zu und im Vergleich zu einteiligen Lösungen ist ein zusätzlicher Montageaufwand notwendig. Die Dehnschrauben als Verbindungsglied stellen zudem eine Schwachstelle dar, insbesondere dann, wenn das System durch zyklische Belastungen (in diesem Falle thermisch und mechanisch) ständig alternierenden Dehnungen unterworfen wird. Auch ist die freie Wahl der Werkstoffe für die Einzelkomponenten bereits wieder eingeschränkt, da wegen der gewählten Verbindungstechnik die thermischen Dehnungseigenschaften der Komponenten nicht zu stark differieren dürfen. Eine weitere gebaute Lösung stellen die so genannten Monosteelkolben dar, die in der US 4,581,893 beschrieben sind. Hier werden der Kolbenkopf und der Kolbenschaft umlaufend reibverschweißt, um die geschlossene Anbietung zur Erhöhung der Biegesteifigkeit zu erzielen und gleichzeitig einen geschlossenen Kühlkanal auszubilden. Da der Kühlkanal innen bereits vor dem Verschweißen bearbeitet werden kann, ist eine kompaktere Bauhöhe möglich. Jedoch ist auch hier ein zusätzlicher Montageaufwand notwendig, da die Reibschweißtechnologie die Einhaltung sehr enger Prozessfenster erfordert. Dabei bergen dieAn example of a built-up piston is described in WO 00/53913 A1, in which the piston head and the piston shaft are screwed axially by means of expansion screws. The optimal materials for piston head and piston skirt can be combined depending on the main load and undercut contours or closed cavities (cooling channel) can be realized relatively easily. The now possible closed connection between the shaft area and piston head increases the bending stiffness of the piston. However, the screw height increases the height of the piston and compared to one-piece solutions, an additional installation effort is necessary. The expansion bolts as a link also represent a weak point, especially when the system is subjected to cyclic loads (in this case thermally and mechanically) constantly alternating strains. Also, the free choice of materials for the individual components is already limited again, because due to the selected connection technology, the thermal expansion properties of the components may not differ too much. Another built solution are the so-called monostable pistons, which are described in US 4,581,893. Here, the piston head and the piston skirt are circumferentially friction welded to achieve the closed offer to increase the flexural rigidity and at the same time form a closed cooling channel. Since the cooling channel inside can be processed before welding, a compact overall height is possible. However, an additional installation effort is also necessary here, since the friction welding technology requires compliance with very narrow process window. This is where the
Reibschweißverbindungen zudem ein gewisses Risiko, da sie einerseits Schwachstellen in Bezug auf Festigkeit darstellen und anderseits das Einschleppen von Restzunder in den Kühlkanal nie definitiv ausgeschlossen werden kann. Auch ist die freie Wahl der Werkstoffe für die Einzelkomponenten bereits wieder eingeschränkt, da wegen der gewählten Verbindungstechnik die Verschweißbarkeit der Komponenten gegeben sein muss.Friction welds also a certain risk, since on the one hand represent weak points in terms of strength and on the other hand, the introduction of residual scale in the cooling channel can never be definitely excluded. Also, the free choice of materials for the individual components is already limited again, since due to the selected connection technology, the weldability of the components must be given.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Es ist demnach eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und einen gebauten Kolben zu entwickeln, der eine hohe Biegesteifigkeit und Lebensdauer sowie effektive Kühlung aufweist, um den zunehmenden Drücken und Temperaturen bei der Verbrennung widerstehen zu können. Es ist ebenso eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens zu entwickeln, das gegenüber bestehenden Verfahren sowohl einfacher als auch kostengünstiger durchzuführen ist.It is therefore an object of the invention to overcome the disadvantages of the prior art and to develop a built-up piston which has a high flexural rigidity and durability as well as effective cooling to withstand the increasing pressures and temperatures of combustion. It is also an object of the invention to develop a method for producing such a piston, which is both simpler and cheaper to carry out compared to existing methods.
Diese Aufgaben werden durch einen Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen. Ein erfindungsgemäßer Kolben für Verbrennungsmotoren besitzt eine kompakte Innenkomponente, welche das Innere des Kolbenlagers und des Kolbenkopfs bildet, und eine hülsenförmigen Außenkomponente, welche die äußere Kontur des Kolbenkopfes mit Brennmulde und Ringträgerbereich und des Kolbenschafts mit Lauffläche und Pleuelbolzenbohrung bildet. Das Innere des Kolbenschafts ist hierbei jene Struktur, die pleuelseitig der Ausbildung der Pleuelbolzenbohrung dient und brennraumseitig zur Bildung eines oder mehrerer Kühlkanäle dient. Die Innenkomponente des Kolbens weist mindestens eine radiale Rippe mit einer Abmessung (D) auf, die im Wesentlichen dem Innendurchmesser der Außenkomponente entspricht. Im Wesentlichen heißt hier, dass die genannten Maße bis auf technologisch bedingte Toleranzen oder Fügespalte übereinstimmen. Die Abmessung der mindestens einen radialen Rippe ist hierbei als der Abstand zwischen den jeweils äußersten Punkten der Rippe (n) an jener Stelle zu verstehen, an welcher der Innendurchmesser der Außenkomponente gemessen wird. Die Innen- und Außenkomponenten bilden einen flüssigkeits- bzw. gasdichten Hohlraum, der zur Aufnahme von Kühlmedien geeignet ist. Dieser Hohlraum stellt den geschlossenen Kühlkanal dar, wobei die Form des Kühlkanals den Erfordernissen durch bekannte Bearbeitungsverfahren frei angepasst werden kann. Die Innenkomponente stützt sich über die mindestens eine Rippe in axialer und radialer Richtung und über eine oder mehrere Schultern im Bereich der Brennmulde in der axial entgegen gesetzten Richtung an der Innenkontur der Außenkomponente ab. Durch diesen Aufbau wird ein zweiteiliger gebauter Kolben erhalten, der ohne zusätzliche kraft-, form- oder materialschlüssige Verbindungen (wie Schrauben, Nieten, Schweißnähte etc.) der beiden Komponenten den hohen Anforderungen im Hinblick auf Druck und Temperatur sowie deren Schwankungen im Brennraum standhält. Durch entsprechendes Ausgestalten der Innenkontur der Außenkomponente und/oder der Außenkontur der Innenkomponente lässt sich der Kühlkanal optimal den Anforderungen anpassen und die Bauhöhe gering halten.These objects are achieved by a piston having the features of claim 1 and a method having the features of claim 7. Further advantageous embodiments will be apparent from the respective dependent claims. A piston according to the invention for internal combustion engines has a compact inner component, which forms the interior of the piston bearing and the piston head, and a sleeve-shaped outer component, which forms the outer contour of the piston head with Brennmulde and Ringträgerbereich and the piston shaft with tread and Pleuelbolzenbohrung. The interior of the piston skirt is in this case that structure which serves for the construction of the connecting rod bore on the connecting rod side and serves to form one or more cooling channels on the combustion chamber side. The inner component of the piston has at least one radial rib with a dimension (D) that substantially corresponds to the inner diameter of the outer component. Essentially, this means that the specified dimensions are identical except for technologically determined tolerances or joining gaps. The dimension of the at least one radial rib is to be understood here as the distance between the respective outermost points of the rib (s) at the point at which the inner diameter of the outer component is measured. The inner and outer components form a liquid or gas-tight cavity, which is suitable for receiving cooling media. This cavity represents the closed cooling channel, wherein the shape of the cooling channel can be freely adapted to the requirements by known processing methods. The inner component is supported on the inner contour of the outer component via the at least one rib in the axial and radial direction and via one or more shoulders in the region of the combustion trough in the axially opposite direction. By this construction, a two-piece built piston is obtained, which withstands no force, form or material connections (such as screws, rivets, welds, etc.) of the two components the high requirements in terms of pressure and temperature and their fluctuations in the combustion chamber. By correspondingly shaping the inner contour of the outer component and / or the outer contour of the inner component The cooling channel can be optimally adapted to the requirements and the overall height can be kept low.
Bevorzugt ist die mindestens eine radiale Rippe als umlaufende Flanschkontur ausgebildet, deren Abmessung durch ihren Außendurchmesser gegeben ist.Preferably, the at least one radial rib is formed as a circumferential flange contour whose dimension is given by its outer diameter.
Obwohl die mindestens eine radiale Rippe bzw. der Flansch eine den mechanischen und thermischen Anforderungen entsprechende Symmetrie aufweisen kann, ist bevorzugt, dass die mindestens eine radiale Rippe bzw. der Flansch des erfindungsgemäßen Kolbens rotationssymmetrisch ist. Diese Form ermöglicht für die meisten Anwendungen eine optimale Abstützung und somit Kraft- und Wärmeübertragung zwischen Außen- und Innenkomponente.Although the at least one radial rib or the flange may have a symmetry corresponding to the mechanical and thermal requirements, it is preferred that the at least one radial rib or the flange of the piston according to the invention is rotationally symmetrical. This form provides optimal support for most applications and thus power and heat transfer between the outer and inner components.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens ist mindestens ein zusätzlicher Hohlraum zwischen der Oberseite der Innenkomponente und der Innenkontur des Außenkomponente ausgebildet, der zur zusätzlichen Kühlung des Kolbenkopfes nutzbar ist. Insbesondere ein oder mehrere direkt unter der Brennmulde liegende zusätzliche Hohlräume sind vorteilhaft, da in der Brennmulde üblicherweise die höchsten Temperaturen bei der Verbrennung entstehen und daher einer effizienten Kühlung besondere Bedeutung im Hinblick auf Materiallebensdauer zukommt.In a preferred embodiment of the piston according to the invention, at least one additional cavity is formed between the upper side of the inner component and the inner contour of the outer component, which can be used for additional cooling of the piston head. In particular, one or more additional cavities lying directly under the combustion trough are advantageous, since usually the highest temperatures in the combustion trough arise during the combustion and therefore an efficient cooling is of particular importance with regard to material life.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens bestehen die Innenkomponente und die Außenkomponente aus unterschiedlichen Materialien. Die Materialien können dabei je nach Lastfall, Festigkeits- oder Gewichtsverhältnis und weiteren geforderten Eigenschaften gewählt sein.According to a further preferred embodiment of the piston according to the invention, the inner component and the outer component consist of different materials. The materials may be selected depending on the load case, strength or weight ratio and other required properties.
Weiter ist es vorteilhaft, dass bei dem erfindungsgemäßen Kolben zwischen der oder den Schultern definierte Toleranzen vorhanden sind. So lässt sich eine definierte Axialverschiebung zum Ausgleich thermischer Dehnungsdifferenzen oder durch gezielte Bewegung eine Shakerwirkung im Kühlmedium erzielen.Furthermore, it is advantageous that defined tolerances are present in the piston according to the invention between the shoulder or shoulders. So can a defined Axial displacement to compensate for thermal expansion differences or by targeted movement to achieve a shaker effect in the cooling medium.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren umfasst zunächst das Einsetzen einer kompakten Innenkomponente, welche das Innere des Kolbenschafts und des Kolbenkopfs bilden wird, in eine hülsenförmige Außenkomponente, welche die äußere Kontur des Kolbenkopfes mit Brennmulde und Ringträgerbereich und des Kolbenschafts mit Lauffläche und Pleuelbolzenbohrung bilden wird, wobei die Innenkomponente mindestens eine radiale Rippe mit eine Abmessung D aufweist, die im Wesentlichen dem Innendurchmesser der Außenkomponente entspricht, und die Innen- und Außenkomponente bereits im Ausgangszustand vor dem folgenden Fügen einen Hohlraum bilden. Der folgende Schritt ist das Fügen der Außenkomponente in axialer und radialer Richtung über die mindestens eine radiale Rippe und in der axial entgegen gesetzten Richtung über eine oder mehrere Schultern im Bereich der Brennmulde auf die Außenkontur der Innenkomponente, so dass der Hohlraum flüssigkeits- bzw. gasdicht verschlossen wird. Durch dieses Verfahren kann auf im Vergleich zu bekannten Verfahren einfachere und wirtschaftlichere Weise ein zweiteiliger Kolben geschaffen werden, der sowohl eine hohe Biegesteifheit aufweist als auch optimale Wärmeleiteigenschaften besitzt. Durch die hohe Biegesteifheit lassen sich das Spiel zwischenAn inventive method for producing a piston for internal combustion engines comprises first inserting a compact inner component, which will form the interior of the piston skirt and the piston head, into a sleeve-shaped outer component, which the outer contour of the piston head with Brennmulde and Ringträgerbereich and the piston shaft with tread and Pleuelbolzenbohrung will form, wherein the inner component has at least one radial rib with a dimension D, which corresponds substantially to the inner diameter of the outer component, and form the inner and outer components already in the initial state before the subsequent joining a cavity. The following step is the joining of the outer component in the axial and radial direction via the at least one radial rib and in the axially opposite direction via one or more shoulders in the region of the combustion trough on the outer contour of the inner component, so that the cavity liquid or gas tight is closed. By this method, in comparison to known methods simpler and more economical way a two-piece piston can be provided, which has both a high bending stiffness and has optimal thermal conduction properties. Due to the high bending stiffness, the game can be between
Kolbenlauffläche und Zylinderlaufbuchse im optimalen Bereich halten und somit die Reibung zwischen ihnen verringern. Zusammen mit den guten Wärmeleiteigenschaften ist somit die Herstellung eines Kolbens mit hoher Lebensdauer möglich. Zusätzlich ist eine geringere Bauhöhe möglich, da keine separaten Fixierelemente wie Schrauben notwendig sind und auch kein Mindestmaß für eine Bearbeitung des Kühlhohlraums (Kühlkanals) beachtet werden muss. Schließlich sind keine aufwendigen oder enge Prozessparameterfenster aufweisenden Verfahrenschritte zur Ausbildung eines die genannten Eigenschaften besitzenden Kolbens notwendig. Gefahren von Zunder oder ähnlichen im Kühlhohlraum aufgrund einer Bearbeitung verbleibenden Fremdkörpern werden vermieden.Keep the piston running surface and cylinder liner in the optimum range and thus reduce the friction between them. Together with the good heat conduction properties, it is thus possible to produce a piston with a long service life. In addition, a lower overall height is possible because no separate fixing elements such as screws are necessary and no minimum dimension for a treatment of the cooling cavity (cooling channel) must be observed. Finally, there are no elaborate or narrow process parameter window having process steps for the formation of a said Characteristics possessing piston necessary. Dangers of scale or similar foreign bodies remaining in the cooling cavity due to processing are avoided.
Bevorzugt ist die mindestens eine radiale Rippe als umlaufende Flanschkontur ausgebildet, deren Abmessung durch ihren Außendurchmesser gegeben ist.Preferably, the at least one radial rib is formed as a circumferential flange contour whose dimension is given by its outer diameter.
Es ist für gewisse Anwendungen bevorzugt, dass das Fügen der Außenkomponente auf die Innenkomponente derart durchgeführt wird, dass keine axiale Verschiebung zwischen Innenkomponente und Außenkomponente möglich ist. Dies ist besonders für Anwendungen vorteilhaft, in denen eine besonders hohe Biegesteifigkeit benötigt wird, die sowohl thermische als auch mechanische Belastungen aufnimmt. Obwohl die mechanischen Belastungen, die in axialer Richtung zum Beispiel aufgrund besonders hoher Massen- oder anderer mechanischer Kräfte auftreten, im Allgemeinen höher als die thermischen Belastungen sind, die in radialer Richtung auftreten, können so auch thermische Belastungen in radialer Richtung sauber aufgenommen und abgeleitet werden.It is preferred for certain applications that the joining of the outer component to the inner component is performed such that no axial displacement between inner component and outer component is possible. This is particularly advantageous for applications in which a particularly high flexural rigidity is required, which absorbs both thermal and mechanical loads. Although the mechanical loads that occur in the axial direction, for example, due to particularly high mass or other mechanical forces are generally higher than the thermal loads that occur in the radial direction, so also thermal loads in the radial direction can be cleanly absorbed and derived ,
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fügen der Auenkomponente auf die Innenkomponente derart durchgeführt, dass eine axiale Verschiebung zwischen Innenkomponente und Außenkomponente möglich ist, um thermisch bedingte Dehnungsdifferenzen auszugleichen. Es können so gezielt Toleranzen zwischen die beiden Komponenten eingebracht werden, zum Beispiel zwischen die Schulter (n) der Innenkomponente und die der Brennraummulde entsprechende Innenkontur der Außenkomponente.According to an alternative embodiment of the method according to the invention, the joining of the outer component to the inner component is carried out such that an axial displacement between inner component and outer component is possible to compensate for thermally induced expansion differences. It can be so targeted tolerances between the two components are introduced, for example, between the shoulder (s) of the inner component and the combustion chamber trough corresponding inner contour of the outer component.
Bevorzugt ist das Fügen ein definiert umlaufender Biege-, Bördel-, FaIt-, Drück- oder Klemmvorgang. Diese Fügeverfahren sind kostengünstig durchzuführen und erzielen auf einfache Weise die nötigen Fügekräfte. Je nach den erwünschten Eigenschaften des fertigen Kolbens kann von Vorteil sein, dass das Fügen im kalten, halbwarmen oder warmen Zustand erfolgt. Auf diese Weise kann ein optimaler Fügevorgang und damit eine optimale mechanische und thermische Verbindung der Kolbenkomponenten in Funktion der gewählten Materialien der jeweiligen Komponenten sichergestellt werden.The joining is preferably a defined circumferential bending, flanging, folding, pressing or clamping process. These joining methods are inexpensive to carry out and easily achieve the necessary joining forces. Depending on the desired properties of the finished piston may be advantageous that the joining takes place in the cold, semi-warm or warm state. In this way, an optimal joining process and thus an optimal mechanical and thermal connection of the piston components can be ensured in function of the selected materials of the respective components.
Es ist insbesondere vorteilhaft, dass beim Fügen gezielte Vorspannungen in radialer, tangentialer und/oder axialer Richtung eingebracht werden. Die Vorspannungen können gezielt die Festigkeit der Verbindung zwischen den Komponenten erhöhen und die mechanische Kraftübertragung und die Wärmeleitfähigkeit des Kolbens verbessern. Somit kann die Lebensdauer des Kolbens positiv beeinflusst werden.It is particularly advantageous that targeted biases are introduced in the radial, tangential and / or axial direction during joining. The bias voltages can specifically increase the strength of the connection between the components and improve the mechanical power transmission and the thermal conductivity of the piston. Thus, the life of the piston can be positively influenced.
Bevorzugt können im erfindungsgemäßen Verfahren zusätzliche kraft-, form- oder materialschlüssige Fügeelemente eingesetzt werden und dadurch der Verbund zwischen Innen- und Außenkomponente verstärkt werden.In the method according to the invention, additional joining elements that are positive, positive or material fit can preferably be used, thereby reinforcing the bond between the inner and outer components.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Ringnuten in die Außenkomponente und/oder die Pleuelbolzenbohrung in den Innen- und Außenkomponente nach dem Fügen eingebracht. Auf diese Weise werden Beschädigungen der Nuten bzw. Bohrungen während des Fügens vermieden.In an advantageous embodiment of the method, the annular grooves are introduced into the outer component and / or the Pleuelbolzenbohrung in the inner and outer components after joining. In this way, damage to the grooves or holes during joining are avoided.
Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Innenkomponente vor dem Fügen gebohrt wird und die Außenkomponente durch das Fügen in die Bohrung der Innenkomponente hineingedrückt wird, so dass zusätzlicher Kraft- bzw. Formschluss entsteht. Kurze Beschreibung der ZeichnungenIt is particularly preferred that the inner component is drilled prior to joining and the outer component is pressed by the joining in the bore of the inner component, so that additional force or positive connection is formed. Brief description of the drawings
Im Folgenden werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens und des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschreiben, in denenIn the following, embodiments of the piston according to the invention and the method according to the invention will be described with reference to the attached drawings, in which
Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, die in der linken Hälfte einen erfindungsgemäßen Kolben vor dem Fügen und in der rechten Hälfte nach dem Fügen darstellt, wobei vor dem Fügen kein Pleuelbolzenloch gebohrt wurde; undFig. 1 is a sectional view of a first embodiment of the invention showing in the left half a piston according to the invention before joining and in the right half after joining, wherein no connecting rod hole was drilled prior to joining; and
Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Schnittansicht zeigt, bei der das Pleuelbolzenloch vor dem Fügen gebohrt wurde.Fig. 2 is a sectional view similar to Fig. 1, in which the connecting rod hole was drilled prior to joining.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
In Figur 1 ist eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Composite-Kolbens, in der die linke Hälfte der Figur den Ausgangszustand des Kolbens vor dem Fügen zeigt und die rechte Hälfte der Figur den gefügten Zustand des Kolbens zeigt. Die Figur 1 veranschaulicht auch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren, bei dem vor dem Schritt des Fügens keine Pleuelbolzenbohrung eingebracht wird. Wie aus der linken Hälfte der Figur ersichtlich ist, wird im Ausgangszustand, vor dem Fügen, die Innenkomponente 1 des Kolbens in die Außenkomponente 2 eingesetzt, wobei der Innendurchmesser D des Flansches 5 der Innenkomponente 1 im Wesentlichen dem Innendurchmesser der Außenkomponente 2 entspricht. Im Wesentlichen ist hier so auszulegen, dass der Durchmesser D des Flansches 5 bis auf fertigungsbedingte Toleranzen bzw. gezielt eingebrachtes Spiel gleich dem Innendurchmesser der Außenkomponente 2 ist. Der Durchmesser D muss auch so gewählt sein, dass ein problemloses Einsetzen der Innen- in die Außenkomponente möglich ist.In Fig. 1 is a sectional view of a first embodiment of a composite piston in which the left half of the figure shows the initial state of the piston before joining and the right half of the figure shows the joined state of the piston. FIG. 1 also illustrates a first embodiment of the method according to the invention for producing a piston for internal combustion engines, in which no connecting rod bore is introduced before the joining step. As can be seen from the left half of the figure, in the initial state, before joining, the inner component 1 of the piston is inserted into the outer component 2, the inner diameter D of the flange 5 of the inner component 1 substantially corresponding to the inner diameter of the outer component 2. In essence, it is to be interpreted here that the diameter D of the flange 5 is equal to the inner diameter of the outer component 2, except for manufacturing-related tolerances or specifically introduced clearance. The diameter D must also be chosen so that a easy insertion of the inner to the outer component is possible.
Die Innenkomponente 1 besitzt an ihrem brennraumseitigen Ende eine umlaufende Schulter 6 und eine mittige Schulter 7, die der Innenkontur der Brennraummulde der Außenkomponente 2 zugewandt sind. Zwischen dem Flansch 5 und der Schulter 6 der Innenkomponente 1 und der Innenkontur der Außenkomponente 2 ist ein umlaufender Hohlraum 3 ausgebildet, der zur Aufnahme eines Kuhlmittels, wie z.B. Ol, dienen wird. Zudem ist zwischen den Schultern 6, 7 und der Innenkontur der Brennraummulde ein weiterer Hohlraum 4 ausgebildet, in dem ebenfalls Kuhlfluid zirkulieren kann. Die Hohlräume 3, 4 werden durch hier nicht gezeigte Kanäle in der Innenkomponente 1 mit Kuhlfluid versorgt.The inner component 1 has at its combustion chamber end end a circumferential shoulder 6 and a central shoulder 7, which face the inner contour of the combustion bowl of the outer component 2. Between the flange 5 and the shoulder 6 of the inner component 1 and the inner contour of the outer component 2, a circumferential cavity 3 is formed, which is adapted to receive a Kuhlmittels such. Ol, will serve. In addition, between the shoulders 6, 7 and the inner contour of the combustion bowl a further cavity 4 is formed, in which also Kuhlfluid can circulate. The cavities 3, 4 are supplied by Kuhlfluid not shown here channels in the inner component 1.
Wie in der rechten Hälfte der Figur 1 gezeigt, werden durch das Fugen, hier ein Klemmvorgang mit einer an sich bekannten Vorrichtung, die Schaftwandung der Außenkomponente 2 um den Flansch 5 der Innenkomponente 1 herumgepresst und gleichzeitig die Innenkontur der Brennraummulde der Außenkomponente 2 gegen die Schultern 6, 7 der Innenkomponente 1 gedruckt. So wird sowohl ein axialer als auch radialer Kraftschluss zwischen Innen- und Außenkomponente erzielt und die Hohlräume 3, 4 gas- und flussigkeitsdicht verschlossen.As shown in the right half of Figure 1, the Schäftwandung of the outer component 2 are pressed around the flange 5 of the inner component 1 and simultaneously the inner contour of the combustion bowl of the outer component 2 against the shoulders by the joints, here a clamping operation with a known device 6, 7 of the inner component 1 printed. Thus, both an axial and radial adhesion between the inner and outer components is achieved and the cavities 3, 4 closed gas and liquid-tight.
In der oben dargestellten Ausfuhrungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens werden die Ringnuten und Pleuelbolzenbohrung erst nach dem Fugen eingebracht, so dass insbesondere die Ringnuten durch das Fugen nicht beschädigt werden können.In the above-described embodiment of the inventive method, the annular grooves and Pleuelbolzenbohrung are introduced only after the joints, so that in particular the annular grooves can not be damaged by the joints.
Gemäß einer zweiten Ausfuhrungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens wird die Pleuelbolzenbohrung 8 vor dem Fugen in die Innenkomponente 1 eingebracht. Beim folgenden Fugevorgang wird dann die Schaftwandung der Außenkomponente 2 in die in der Innenkomponente 1 gebildete Pleuelbolzenbohrung hineingedrückt. Das Hineindrücken kann aber auch durch einen speziellen Vorgang, z.B. mittels eines Stempels, durchgeführt werden. Auf diese Weise wird durch die in die Pleuelbolzenbohrung 8 eingedrückten Bohrungsflansche 9 der Außenkomponente 2 eine zusätzliche Abstützung bereitgestellt und die mechanische Festigkeit der form- und/oder kraftschlüssigen Verbindung der Kolbenkomponenten 1 und 2 erhöht . According to a second embodiment of the method according to the invention, the connecting rod bore 8 is introduced into the inner component 1 before the joints. In the following Fugevorgang then the shaft wall of the outer component 2 in the in pressed in the inner component 1 Pleuelbolzenbohrung. The pushing in can however also be carried out by a special procedure, eg by means of a punch. In this way, an additional support is provided by the depressed into the connecting rod bore 8 bore flanges 9 of the outer component 2 and increases the mechanical strength of the positive and / or non-positive connection of the piston components 1 and 2.

Claims

Ansprüche claims
1. Kolben für Verbrennungsmotoren mit einer kompakten Innenkomponente (1), welche das Innere des Kolbenschafts und des Kolbenkopfs bildet, und einer hülsenförmigen Außenkomponente (2), welche die äußere Kontur des Kolbenkopfes mit Brennmulde und Ringträgerbereich und des Kolbenschafts mit Lauffläche und Pleuelbolzenbohrung bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkomponente (1) mindestens eine radiale Rippe (5) mit einer Abmessung (D) aufweist, die im Wesentlichen dem Innendurchmesser der Außenkomponente (2) entspricht, wobei die Komponenten (1) und (2) einen flüssigkeits- bzw. gasdichten Hohlraum (3) bilden, der zur Aufnahme von Kühlmedien geeignet ist, und die Innenkomponente (1) sich über den Flansch (5) in axialer und radialer Richtung und über eine oder mehrere Schultern (6, 7) im Bereich der Brennmulde in der axial entgegengesetzten Richtung an der Innenkontur der Außenkomponente (2) abstützt.A piston for internal combustion engines with a compact inner component (1), which forms the interior of the piston skirt and the piston head, and a sleeve-shaped outer component (2), which forms the outer contour of the piston head with the combustion recess and ring carrier region and the piston shaft with the running surface and connecting rod bore, characterized in that the inner component (1) has at least one radial rib (5) with a dimension (D) which substantially corresponds to the inner diameter of the outer component (2), wherein the components (1) and (2) have a liquid or forming a gastight cavity (3) suitable for receiving cooling media, and the inner component (1) projecting over the flange (5) in the axial and radial directions and via one or more shoulders (6, 7) in the region of the combustion trough the axially opposite direction on the inner contour of the outer component (2) is supported.
2. Kolben nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine radiale Rippe als umlaufende Flanschkontur ausgebildet ist, deren Abmessung durch ihren Außendurchmesser gegeben ist.2. Piston according to claim 1, wherein the at least one radial rib is formed as a circumferential flange contour whose dimension is given by its outer diameter.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine radiale Rippe bzw. der Flansch (5) rotationssymmetrisch ist.3. Piston according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one radial rib or the flange (5) is rotationally symmetrical.
4. Kolben nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zusätzlicher Hohlraum (4) zwischen der Oberseite der Innenkomponente und der Innenkontur des Außenkomponente (2) ausgebildet ist, der zur zusätzlichen Kühlung des Kolbenkopfes nutzbar ist. 4. Piston according to claim 1, 2 or 3, characterized in that at least one additional cavity (4) between the top of the inner component and the inner contour of the outer component (2) is formed, which is used for additional cooling of the piston head.
5. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten (1) und (2) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.5. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the components (1) and (2) consist of different materials.
6. Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der oder den Schultern (6, 7) definierte Toleranzen vorhanden sind.6. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that between the or the shoulders (6, 7) defined tolerances are present.
7. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren, mit den folgenden Schritten:7. A method of manufacturing a piston for internal combustion engines, comprising the steps of:
• Einsetzen einer kompakten Innenkomponente (1), welche das Innere des Kolbenschafts und des Kolbenkopfs bildet, in eine hülsenförmigen Außenkomponente (2), welche die äußere Kontur des Kolbenkopfes mit Brennmulde und Ringträgerbereich und des Kolbenschafts mit Lauffläche und Pleuelbolzenbohrung bildet, wobei die Innenkomponente (1) mindestens eine radiale RippeInserting a compact inner component (1), which forms the interior of the piston skirt and the piston head, into a sleeve-shaped outer component (2), which forms the outer contour of the piston head with combustion recess and ring carrier region and the piston shaft with contact surface and connecting rod bore, wherein the inner component ( 1) at least one radial rib
(5) mit einer Abmessung (D) aufweist, die im Wesentlichen dem Innendurchmesser der Außenkomponente(5) having a dimension (D) substantially equal to the inner diameter of the outer component
(2) entspricht, und die Komponenten (1) und (2) einen Hohlraum (3) bilden,(2) and the components (1) and (2) form a cavity (3),
• Fügen der Außenkomponente (1) in axialer und radialer Richtung über die mindestens eine Rippe (5) und in der axial entgegen gesetzten Richtung über eine oder mehrere Schultern (6, 7) im Bereich der Brennmulde auf die Außenkontur der Innenkomponente (2), so dass der Hohlraum (3) flüssigkeits- bzw. gasdicht verschlossen wird.Joining the outer component (1) in the axial and radial direction via the at least one rib (5) and in the axially opposite direction via one or more shoulders (6, 7) in the region of the combustion trough on the outer contour of the inner component (2), so that the cavity (3) is liquid-tight or gas-tight.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine radiale Rippe als umlaufende Flanschkontur ausgebildet ist, deren Abmessung durch ihren Außendurchmesser gegeben ist.8. The method of claim 7, wherein the at least one radial rib is formed as a circumferential flange contour whose dimension is given by its outer diameter.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Fügen der Außenkomponente (2) auf die Innenkomponente (1) derart durchgeführt wird, dass keine axiale Verschiebung zwischen Innenkomponente und Außenkomponente möglich ist. 9. The method of claim 7 or 8, wherein the joining of the outer component (2) on the inner component (1) is performed such that no axial displacement between inner component and outer component is possible.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Fügen der Außenkomponente (2) auf die Innenkomponente (1) derart durchgeführt wird, dass eine axiale Verschiebung zwischen Innenkomponente und Außenkomponente möglich ist, um thermisch bedingte Dehnungsdifferenzen auszugleichen.10. The method of claim 7 or 8, wherein the joining of the outer component (2) on the inner component (1) is performed such that an axial displacement between the inner component and outer component is possible to compensate for thermally induced expansion differences.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Fügen ein definiert umlaufender Biege-, Bördel-, FaIt-, Drück- oder Klemmvorgang ist.11. The method according to any one of claims 7 to 10, wherein the joining is a defined circumferential bending, flanging, FaIt-, pressing or clamping operation.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei das Fügen im kalten, halbwarmen oder warmen Zustand erfolgt.12. The method according to any one of claims 7 to 11, wherein the joining takes place in the cold, semi-warm or warm state.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei beim Fügen gezielte Vorspannungen in radialer, tangentialer und/oder axialer Richtung eingebracht werden.13. The method according to any one of claims 7 to 12, wherein the joining targeted bias voltages are introduced in the radial, tangential and / or axial direction.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei zusätzliche kraft-, form- oder materialschlüssige Fügeelemente eingesetzt werden.14. The method according to any one of claims 7 to 13, wherein additional force, form or material-locking joining elements are used.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei die Ringnuten in die Außenkomponente (2) und/oder die Pleuelbolzenbohrung in die Innen- und Außenkomponenten (1) und (2) vor dem Fügen eingebracht werden.15. The method according to any one of claims 7 to 14, wherein the annular grooves in the outer component (2) and / or the Pleuelbolzenbohrung in the inner and outer components (1) and (2) are introduced prior to joining.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Innenkomponente (1) vor dem Fügen gebohrt wird und die Außenkomponente (2) durch das Fügen in die Bohrung der Innenkomponente (1) hineingedrückt wird, so dass zusätzlicher Kraft- bzw. Formschluss entsteht. 16. The method of claim 15, wherein the inner component (1) is drilled prior to joining and the outer component (2) is pressed by the joining in the bore of the inner component (1), so that additional force or positive engagement is formed.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102016204859B3 (en) * 2016-03-23 2017-06-29 Hirschvogel Umformtechnik Gmbh Multi-part piston for internal combustion engine

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