WO2010124894A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines kolbens für einen verbrennungsmotor sowie kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

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Marc-Manuel Matz
Wolfram Cromme
Klaus Lades
Frank Dörnenburg
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    • Y10T29/49265—Ring groove forming or finishing

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for producing a piston for an internal combustion engine and to a piston for an internal combustion engine.
  • Pistons for internal combustion engines when designed for diesel engines, are manufactured almost one hundred percent by gravity die casting. This also applies to a large part of the pistons for gasoline engines. In the course of the development to ever smaller, but at the same time more efficient engines ever higher pressure loads occur. This means higher loads on the first piston ring and the first annular groove of the piston in which it is received. In particular, highly loaded pistons for gasoline engines will in the future with
  • Wear protection reinforcements must be provided to improve the life and performance of the piston and piston rings.
  • Vorbehrssute are known in which the highly-locked first annular groove is locally reinforced with an electrically applied aluminum oxide layer to withstand the high surface pressures and wear stresses in the first annular groove.
  • diesel engine pistons which usually have a cooling channel, to manually insert a ring carrier, which is combined with a cooling channel, into the mold. This can be dipped by the so-called AIfin method before insertion into the mold in liquid aluminum and is thus completely wetted during casting over with teilerstarrtem aluminum. This means a particularly good metallic bond between the ring carrier and the surrounding Koibenmaterial.
  • the cooling channel can have a mold core, for example made of salt, which can be washed out after the solidification of the piston blank.
  • the affected area is formed by a melting core, whose outer ring is later removed to fill this area with Verstarkungsmaterial. Subsequently, the inner portion of the melt core is also removed to form the cooling channel.
  • EP 1 536 125 A1 describes a piston in which a recess is present in the piston upper part, which recess is closed by a one-part or multi-part cover element for forming a cooling channel.
  • DE 10 2004 003 980 A1 discloses a method for producing a closed cooling channel of a forged steel piston, in which initially a circumferential opening facing radially outwards is screwed in is subsequently closed by two semicircular elements.
  • WC 82/03814 A1 relates to a method of manufacturing a piston in which the area of a piston ring groove is first machined and subsequently machined to form an alloy region with an electron or laser beam. From the area treated in this way, the piston ring groove is subsequently machined out.
  • DE 10 2005 047 035 B3 describes a method for producing a piston for an internal combustion engine, in which only the cooling channel is filled with a removable mass, and the outer radii groove, from which the first annular groove is later machined, is filled with reinforcing material. Subsequently, the removable mass is removed, leaving an annular cooling channel.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus for producing a piston for an internal combustion engine, with which such a piston is particularly efficient to produce, and moreover meets the demands placed on him. Furthermore, a corresponding piston is to be created.
  • an area having a cooling passage and a piston ring groove in the finished piston is first recessed, and the later cooling passage is subsequently covered or closed.
  • On the "closure" material is applied for receiving the piston ring.
  • the invention Process obtains its particular efficiency in that wire material is used to cover the cooling channel, which is provided with a length which is greater than the length necessary for a single piston.
  • customized rings or the like are not provided in terms of their dimension, but wire material can be continuously unwound, for example, from a roll, are inserted into the recess so as to cover the cooling channel, and the required length can be achieved Drahtmateri ai be separated.
  • the above-mentioned and numerous of the below-mentioned, preferred method steps can be automated, so that the production of the piston according to the invention is particularly simple.
  • the region which has a cooling channel and a piston ring groove in the finished piston can already be recessed during casting or be pre-processed in a suitable manner. Furthermore, there are few requirements for the geometry of both the cooling channel and the groove provided for the reinforcing material and the ring carrier.
  • the cooling channel may be symmetrical with respect to a plane perpendicular to the piston axis and through the center of the cover material, but it may also be located predominantly below said plane and its upper edge may be level with the upper edge of the cover material.
  • the Kuhlkanai covering wire material with a large length, thus preferably the continuous, relative to that for a Long piston "endless” provision required a high degree of automation can be achieved, and in particular can hitherto required manual operations such as the pretreatment and Alfinieren of Ringtragern and the insertion of the same and mold cores in the mold uri ⁇ eliminating the washing or demolding of the mandrels.
  • the method according to the invention can be realized particularly efficiently by continuously unwinding the wire material covering the cooling channel from a roll.
  • a positive attachment for example by jamming, has proved to be particularly advantageous.
  • an initially selected shape of the wire which for example offers advantages in terms of material costs as a mass material, may be deformed during mounting to cover the cooling channel.
  • wire cross-section With regard to the shape of the wire cross-section is currently thought of an elliptical, rectangular or trapezoidal cross-section, because advantages for the attachment to the bottleneck between the cooling channel and outer, radial groove benefits are expected for such cross-sections. However, any other wire geometries are conceivable.
  • Wire material preferably locally limited and preferably to heat inductively.
  • heating in just under the melting point of the wire material or of the piston base material is particularly preferred in order not to complicate the manufacturing process by the necessary handling of molten material and at the same time metallurgically create the prerequisite for a particularly good connection between the abovementioned materials z ⁇ ,
  • a reinforcing material is applied to the covering wire material by means of a spraying method.
  • a device for manufacturing a piston for an internal combustion engine which has a device for providing wire material with a length which is larger as the length required to cover the cooling passage of a single piston.
  • This may, for example, be a wire unwinding device.
  • the further devices essentially correspond to those which are necessary for the realization of the above-mentioned method steps.
  • the means for applying the Drahtmate riais and for its heating and for thermal spraying of Verstarkungsmaterial can be combined in a single machine.
  • the piston described in claim 17 which is characterized in that it has as a covering material between thedekanai and the reinforcing material for receiving the piston ring, a wire material which has been unwound from a roll, deformed during mounting , and / or subsequently heated in the manner described above.
  • FIG. 1 is a sectional view of an upper side portion of a piston blank;
  • FIG. 2 shows the region of FIG. 1 with an introduced wire material and a tool;
  • FIG. 3 shows the region of FIG. 2 with deformed wire material and a heating device
  • FIG. 4 shows the region of FIG. 3 during the application of reinforcing material
  • FIG. 5 shows the region of FIGS. 1 to 4 in the finished state
  • FIG. 6 shows the area of FIG. 5 in another embodiment
  • FIG. 7 shows the region of FIG. 5 in another embodiment
  • FIGS 8 and 9 illustrate the situation of Figure 2 with alternative wire geometries.
  • FIG. 1 shows in section a region of a piston blank that lies close to the piston crown (in FIG. 1 above) and an outer side of the piston.
  • Said groove 10 extends to a constriction 12, starting from which a further, to the piston axis (in Fig. 1 right) widening groove 14 is provided, which is also trapezoidal in the example shown.
  • This groove 14 becomes more accurate as follows explained closed in the course of the process according to the invention and forms a Kuhlkanal in the finished piston.
  • both grooves 10, 14 are substantially symmetrical about a plane perpendicular to the piston axis and approximately through the center of the throat 12. In the following, however, alternative embodiments are explained in which this is not the case.
  • wire material 16 is introduced into the groove 10 in such a way that it is attached to the constriction 12, for example, in a form-fitting manner.
  • the wire material 16 has a substantially elliptical cross-section, the longer major axis being slightly larger than the dimension of the throat 12, thus allowing the described attachment.
  • This can be carried out in particular by pressing in the direction of the arrow A and, for example, by means of a suitable margining tool 26.
  • the margining tool 26 is substantially cylindrical and has a corrugated outer surface which may be somewhat concave.
  • the Randrierwerkmaschine 26 may be substantially cylindrical or outwardly convex, in other words designed spherical.
  • the fringing tool 26 could be embodied in the form of a truncated cone.
  • FIGS. 8 and 9 show, as further wire geometries, a substantially rectangular cross-section or a trapezoidal cross-section, in which the wider side faces outwards, can be used.
  • the provided for covering thedekanalnut 14 wire material may be slightly flattened by the Andrucken on its outside.
  • the wire can be heated by means of a heating device 18 which, for example, can be made inductive.
  • a heating device 18 which, for example, can be made inductive.
  • Fig. 4 for example, by thermal spraying reinforcing material are applied to the wire material 16 in order to create the conditions in this area that a top piston ring can be taken permanently and reliably.
  • the outer groove is preferably completely filled with Verstarkungsmaterial and then finished on the cylindrical outer surface of the piston in such a way that it is largely flush with this.
  • a piston ring groove 20 is incorporated.
  • Fig. 6 shows an alternative geometry of the groove 14 for the cooling channel, in which this from the top of the constriction 12, d. H. at the finished piston extends downwardly from the upper edge of the wire material 16, and in the illustrated embodiment extends beyond the lower edge of the outer groove 10 in particular.
  • thedekanalnut 14 is largely flat on its upper side, and curved on its underside.
  • Fig. 1 shows a further alternative embodiment of K ⁇ hlkanalnut 14, which is similar in the area above the center of the constriction 12 as the embodiment of Figures 1 to 5, but extends in its lower portion obliquely downward and in the direction of the piston axis 22 , so that an adaptation to the geometry of a combustion bowl 24 takes place.
  • the region of the cooling channel groove 14 directed toward the piston axis 22 may be designed such that it curves between the cooling channel groove 14 and the combustion chamber guide 24 with a substantially constant thickness and / or the region of the cooling channel closest to the piston axis has approximately the same or a smaller distance from the piston axis 22 as the farthest from the Koibenachse 22 location of the combustion bowl.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor beschrieben, bei dem ein Bereich, der bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal (14) und eine Kolbenringnut aufweist, zunächst ausgespart wird, der spätere Kühlkanal nachfolgend abgedeckt wird, und schließlich Material zur Aufnahme des Kolbenringes aufgetragen wird, und das sich dadurch auszeichnet, dass der spätere Kühlkanal durch Drahtmaterial abgedeckt wird, das mit einer Lange, die größer ist als die für einen einzigen Kolben notwendige Länge, bereitgestellt wird. Eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, mit einem zunächst ausgesparten Bereich, der bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal (14) und eine Kolbenringnut aufweist, weist eine Einrichtung zur Anbringung einer Abdeckung an dem Kühlkanal und eine Einrichtung zur Bereitstellung von Drahtmaterial mit einer Länge auf, die größer ist als die für einen einzigen Kolben notwendige Länge. Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor weist einen Kühlkanal (14) und ein Verstärkungsmaterial zur Aufnahme eines Kolbenrings sowie ein Abdeckmaterial zwischen dem Kühlkanal (14) und dem Verstärkungsmaterial auf, wobei das Abdeckmaterial aus fortlaufend von einer Rolle abgewickeltem Drahtmaterial besteht.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor sowie KoIben für einen
Verbrennungsmotor
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor sowie einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
Kolben für Verbrennungsmotoren werden, wenn sie für Dieselmotoren bestimmt sind, nahezu zu hundert Prozent mittels Schwerkraftkokilienguss hergestellt. Dies gilt ferner für einen Großteil der Kolben für Ottomotoren. Im Rahmen der Entwicklung zu immer kleineren, aber gleichzeitig leistungsfähigeren Motoren treten immer höhere Druckbelastungen auf. Dies bedeutet höhere Belastungen an dem ersten Kolbenring und der ersten Ringnut des Kolbens, in dem dieser aufgenommen ist. Insbesondere hoch belastete Kolben für Ottomotoren werden in Zukunft mit
Verschleißschutzbewehrungen versehen werden müssen, um die Lebensdauer und das Betriebsverhalten der Kolben und Kolbenringe zu verbessern.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet der Ottomotorkolben sind Vorbenutzungsgegenstände bekannt, bei denen die hoch beiastete erste Ringnut lokal mit einer elektrisch aufgebrachten Aluminiumoxidschicht armiert ist, um den hohen Flächenpressungen und Verschleißbeanspruchungen in der ersten Ringnut standzuhalten.
Bei Dieselmotorkolben ist es bereits Standard, und es könnte für Ottomotorkolben zusehends erforderlich werden, Ringträger einzugießen, was jedoch in technischer Hinsicht sehr aufwändig ist. Auf dem betreffenden Gebiet ist es insbesondere für Dieselmotorkolben, die üblicherweise einen Kühlkanal aufweisen, ferner bekannt, einen Ringträger, der mit einem Kühlkanal kombiniert ist, manuell in die Kokille einzulegen. Dieser kann nach dem sogenannten AIfin-Verfahren vor dem Einlegen in die Kokille in flüssiges Aluminium getaucht werden und ist somit beim Umgießen vollständig mit teilerstarrtem Aluminium benetzt. Dies bedeutet eine besonders gute metallische Bindung zwischen dem Ringträger und dem umgebenden Koibenmaterial. Der Kühlkanal kann einen Formkern, beispielsweise aus Salz aufweisen, der nach der Erstarrung des Kolbenrohlings ausgewaschen werden kann.
Aus der DE 198 07 176 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff dos Anspruchs 1 bekannt, bei dem der Bereich der obersten Ringnut und des Kühlkanals zunächst ausgespart wird, dann durch einen radial innen spannenden Abdeckring abgedeckt wird, so dass nachfolgend die verbleibende Nut, aus der später die Ringnut herausgearbeitet wird, beispielsweise durch thermisches Spritzen aufgefüllt werden kann.
Gemäß der DE 196 49 363 C2 wird der betroffene Bereich durch einen Schmelzkern gebildet, dessen äußerer Ring später entfernt wird, um diesen Bereich mit Verstarkungsmaterial zu füllen. Nachfolgend wird auch der innere Bereich αes Schmelzkerns entfernt, um den Kühlkanal auszubilden.
Die EP 1 536 125 Al beschreibt einen Kolben, bei dem in dem Kolbenoberteil eine Ausnehmung vorhanden ist, die mit einem ein- oder mehrteiligen Abdeckelement zur Bildung eines Kuhlkanals verschlossen wird.
Aus der DE 10 2004 003 980 Al geht ein Verfahren zur Herstellung eines geschlossenen Kühlkanals eines Kolbens aus geschmiedetem Stahl hervor, bei dem zunächst eine radial nach außen weisende, umlaufende Öffnung eingedreht wird, die nachfolgend durch zwei halbkreisförmige Elemente verschlossen wird.
Die WC 82/03814 Al betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, bei dem der Bereich einer Kolbenringnut zunächst spanend bearbeitet wird und nachfolgend zur Ausbildung eines Legierungsbereichs mit einem Elektronenoder Laserstrahl bearbeitet wird. Aus dem so behandelten Bereich wird nachfolgend die Kolbenringnut herausgearbeitet.
Schließlich beschreibt die DE 10 2005 047 035 B3 ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bei dem lediglich der Kühlkanal mit einer entfernbaren Masse gefüllt wird, und die äußere Radiainut, aus der später die erste Ringnut herausgearbeitet wird, mit Verstärkungsmaterial gefüllt wird. Nachfolgend wird die entfernbare Masse entfernt, so dass ein ringförmiger Kühlkanal verbleibt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, mit dem ein derartiger Kolben besonders effizient herstellbar ist, und darüber hinaus die an ihn gestellten Anforderungen erfüllt. Ferner soll ein entsprechender Kolben geschaffen werden.
Die Losung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
Demzufolge wird bei der Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor ein Bereich, der bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal und eine Kolbenringnut aufweist, zunächst ausgespart, und der spätere Kühlkanal nachfolgend abgedeckt oder verschlossen. Auf den "Verschluss" wird Material zur Aufnahme des Kolbenrings aufgetragen. Das erfindungsgemäße Verfahren erhalt seine besondere Effizienz dadurch, dass zur Abdeckung des Kühlkanals Drahtmaterial verwendet wird, das mit einer Lange bereitgestellt wird, die großer ist als die für einen einzigen Kolben notwendige Lange. Mit anderen Worten werden nicht, im Hinblick auf ihre Abmessung individuell angepasste Ringe oder dergleichen bereitgestellt, sondern Drahtmaterial kann beispielsweise von einer Rolle fortlaufend abgewickelt werden, in die Aussparung derart eingebracht werden, dass der Kühlkanal abgedeckt wird, und Dei Erreichen der erforderlichen Länge kann das Drahtmateri ai abgetrennt werden. Die vorangehend genannten und zahlreiche der nachfolgend erwähnten, bevorzugten Verfahrensschritte können automatisiert werden, so dass die Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens besonders einfach wird.
Der Bereich, der bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal und eine Kolbenringnut aufweist, kann bereits beim Gießen ausgespart werden oder in geeigneter Weise vorbearbeitet werden. Ferner sind für die Geometrie sowohl des Kuhlkanals als auch der für das Verstärkungsmaterial und als Ringträger dienende Material vorgesehenen Nut wenig Anforderungen zu beachten. Der Kühlkanal kann bezüglich einer Ebene senkrecht zur Kolbenachse und durch die Mitte des Abdeckmateriais symmetrisch sein, er kann sich jedoch auch überwiegend unterhalb der genannten Ebene befinden, und seine Oberkante kann sich auf einer Höhe mit der Oberkante des Abdeckmateriais befinden. Ferner ist es für den Kuhlkanal in seinem zur Kolbenachse hin, und damit zu einer möglichen Brennraummulde hin gelegenen Bereich denkbar, dass seine Geometrie an die Form der Brennraummulde angepasst ist. Beispielsweise kann zwischen der Brennraummulde und dem Kάhlkanai Material mit einer entlang der Kolbenachse konstanten Dicke verbleiben.
In jedem Fall kann durch die Bereitstellung des den Kuhlkanai abdeckenden Drahtmaterials mit einer großen Lange, somit bevorzugt die fortlaufende, bezogen auf die für einen einzelnen Kolben benötigte Lange "endlose" Bereitstellung ein hoher Automatisierungsgrad erreicht werden, und insbesondere können bislang erforderliche, manuelle Arbeitsschritte wie das Vorbehandeln und Alfinieren von Ringtragern sowie das Einlegen derselben sowie von Formkernen in die Kokille uriα das Auswaschen oder Entformen der Formkerne entfallen.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemaßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Besonders effizient lässt sich das erfindungsgemaße Verfahren, wie oben erwähnt, realisieren, indem das den Kühlkanal abdeckende Drahtmaterial fortlaufend von einer Rolle abgewickelt wird.
Für die Anbringung des Drahtmaterials derart, dass der Kuhlkanal abgedeckt wird, hat sich eine formschlüssige Anbringung, beispielsweise durch Verklemmen, als besonders vorteilhaft erwiesen.
In diesem Zusammenhang kann ferner eine zunächst gewählte Form des Drahtes, die beispielsweise als Massenmaterial Vorteile im Hinblick auf die Materialkosten bietet, beim Anbringen zum Abdecken des Kühlkanals verformt werden.
Im Hinblick auf die Form des Drahtquerschnitts ist derzeit an einen elliptischen, rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt gedacht, weil für derartige Querschnitte Vorteile bei der Befestigung an der Engstelle zwischen Kühlkanal und äußerer, radialer Nut Vorteile erwartet werden. Es sind jedoch beliebig andere Drahtgeometrien denkbar.
Für die insbesondere stoffschlüssige Verbindung zwischen dem abdeckenden Drahtmaterial und dem Kolbenwerkstoff und/oder dem Verstärkungsmaterial, das bevorzugt auf das abdeckende Drahtmaterial aufgebracht wird, um nachfolgend eine Ringnut herauszuarbeiten, erweist es sich als vorteilhaft, das Drahtmaterial vorzugsweise lokal begrenzt und vorzugsweise induktiv zu erwärmen.
Besonders bevorzugt wird in diesem Fall eine Erwärmung knapp unterhalb des Schmelzpunktes des Drahtwerkstoffs oder des Kolbenbasiswerkstoffs, um zum einen das Herstellungsverfahren nicht durch die notwendige Handhabung von geschmolzenem Material zu verkomplizieren und gleichzeitig metallurgisch die Voraussetzung für eine besonders gute Verbindung zwischen den oben genannten Materialien zα schaffen.
Wie bereits angedeutet wird im Rahmen des erfindungsgemaßen Verfahrens auf das abdeckende Drahtmaterial ein Verstarkungsmaterial mittels eines Spritzverfahrens aufgebracht .
In diesem Zusammenhang bietet es besondere Vorteile, wenn zumindest zwei unterschiedliche Materialien gleichzeitig oder nacheinander aufgebracht werden, die vorzugsweise kontinuierlich als Drahte bereitgestellt werden, und deren Mischungsverhältnis beispielsweise durch unterschiedliche Drahtdurchmesser und/oder unterschiedliche Vorschubgeschwindigkeiten eingestellt wird.
Insbesondere werden besonders gute Eigenschaften erwartet, wenn als Materialien eine AlSi-Legierung und ein unlegierter Stahl kombiniert werden, und/oder das Mischungsverhältnis zwischen zwei unterschiedlichen Materialien bei 60 bis 70 : 30 bis 40 liegt. Die in den letzten beiden Absatzen genannten Maßnahmen sind von den weiteren Merkmalen dieser Anmeldung unabhängig und vorteilhaft, können aber damit kombiniert werden .
Die Losung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, die eine Einrichtung zur Bereitstellung von Drahtmaterial mit einer Lange aufweist, die großer ist als die für die Abdeckung des Kühlkanals eines einzigen Kolbens erforderliche Länge. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Draht-Abwickelvorrichtung handeln.
Für das Anbringen des Drahtmaterials derart, dass der Kuhlkanal abgedeckt wirdr hat sich nach ersten Überlegungen ein Randri erwerkzeug, beispielsweise in Form einer Rolle, als besonders günstig erwiesen, das den angebrachten Draht zusatzlich verformen kann.
Die weiteren Einrichtungen entsprechen im Wesentlichen denjenigen, die zur Realisierung der oben genannten Verfahrensschritte erforderlich sind. Für eine möglichst umfangreiche Automatisierung können beispielsweise die Einrichtungen zum Aufbringen des Drahtmate riais und zu dessen Erhitzen sowie zum thermischen Aufspritzen von Verstarkungsmaterial in einer einzigen Maschine kombiniert werden .
Die Losung der oben genannten Aufgabe erfolgt schließlich durch den im Anspruch 17 beschriebenen Kolben, der sich dadurch auszeichnet, dass er als Abdeckmaterial zwischen dem Kühlkanai und dem Verstärkungsmaterial zur Aufnahme des Kolbenrings ein Drahtmaterial aufweist, das fortlaufend von einer Rolle abgewickelt wurde, beim Anbringen verformt, und/oder nachfolgend in der oben beschriebenen Weise erhitzt wurde .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von beispielhaft in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines oberen, seitlichen Bereichs eines Kolbenrohlings; Fig. 2 den Bereich von Fig. 1 mit einem eingebrachten Drahtmaterial und einem Werkzeug;
Fig. 3 den Bereich von Fig. 2 mit verformtem Drahtmaterial und einer Heizeinrichtung;
Fig. 4 den Bereich von Fig. 3 beim Aufbringen von Verstärkungsmaterial ;
Fig. 5 den Bereich der Figuren 1 bis 4 in fertig bearbeitetem Zustand;
E'ig. 6 den Bereich von Fig. 5 in einer anderen Aus führungsform;
Fig. 7 den Bereich von Fig. 5 in einer anderen Ausführungsform; und
Figuren
8 und 9 die Situation von Fig. 2 mit alternativen Drahtgeometrien .
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Λusführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist im Schnitt ein Bereich eines Kolbenrohlings gezeigt , der nahe zu dem Kolbenboden (in Fig. 1 oben) und einer Außenseite des Kolbens liegt. Die gezeigte, zur Außenseite (in Fig. 1 links) offene, bei dem gezeigten Äusführungsbei spiel trapezförmige Nut 10 wird, wie nachfolgend noch genauer erläutert, mit Verstärkungsmaterial gefüllt, und anschließend mit einer Nut zur Aufnahme eines obersten Kolbenringes versehen. Die genannte Nut 10 erstreckt sich zu einer Engstelle 12, von der ausgehend eine weitere, sich zur Kolbenachse (in Fig. 1 rechts) erweiternde Nut 14 vorgesehen ist, die in dem gezeigten Beispiel ebenfalls trapezförmig ist. Diese Nut 14 wird, wie nachfolgend genauer erläutert , im Laufe des erfindungsgemäföen Verfahrens verschlossen und bildet bei dem fertigen Kolben einen Kuhlkanal. Bei dem gezeigten Beispiel sind beide Nuten 10, 14 zu einer Ebene senkrecht zur Kolbenachse und etwa durch die Mitte der Engstelle 12 im Wesentlichen symmetrisch. Nachfolgend werden jedoch alternative Ausfuhrungsformen erläutert, bei denen dies nicht der Fall ist.
Wie in Fig. 2 gezeigt, wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens Drahtmaterial 16 derart in die Nut 10 eingebracht, dass es an der Engstelle 12 beispielsweise formschlussig angebracht wird. Beim Beispiel von Fig. 2 weist das Drahtmaterial 16 einen im Wesentlichen elliptischen Querschnitt auf, wobei die längere Hauptachse etwas großer ist als die Abmessung der Engstelle 12, so dass die beschriebene Befestigung ermöglicht wird. Dies kann insbesondere durch ein Andrücken in Richtung des Pfeils A und beispielsweise durch ein geeignetes Randrierwerkzeug 26 durchgeführt werden. In dem gezeigten Beispiel ist das Randrierwerkzeug 26 im Wesentlichen zylindrisch und weist eine geriffelte Außenfläche auf, die ein wenig konkav gestaltet sein kann. Ebenso kann das Randrierwerkzeug 26 weitgehend zylindrisch oder nach außen konvex, mit anderen Worten ballig gestaltet sein. Alternativ könnte das Randrierwerkzeug 26 kegeistumpfförmig ausgeführt sein. Wie die Figuren 8 und 9 zeigen, können als weitere Drahtgeometrien ein weitgehend rechteckförmiger Querschnitt oder ein trapezförmiger Querschnitt, bei dem die breitere Seite nach außen zeigt, eingesetzt werden.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, kann das zum Abdecken der Kühlkanalnut 14 vorgesehene Drahtmaterial durch das Andrucken an seiner Außenseite etwas abgeflacht worden sein. In Fig. 3 ist ergänzend gezeigt, dass der Draht αurch eine Heizeinrichtung 18, die beispielsweise induktiv ausgeführt sein kann, erwärmt werden kann. Nachfolgend kann, wie in Fig. 4 gezeigt, beispielsweise durch thermisches Spritzen Verstärkungsmaterial auf das Drahtmaterial 16 aufgebracht werden, um in diesem Bereich die Voraussetzungen dafür zu schaffen, dass ein oberster Kolbenring dauerhaft und zuverlässig aufgenommen werden kann. Hierzu wird, wie in Fig. 5 im Ergebnis gezeigt, die äußere Nut vorzugsweise vollständig mit Verstarkungsmaterial gefüllt und anschließend an der zylindrischen Außenfläche des Kolbens derart fertigbearbeitiet, dass es mit dieser weitgehend bündig ist. Ferner wird eine Kolbenringnut 20 eingearbeitet.
Aus Fig. 6 geht eine alternative Geometrie der Nut 14 für den Kύhlkanal hervor, bei der sich diese von der Oberkante der Engstelle 12, d. h. bei dem fertig bearbeiteten Kolben von der Oberkante des Drahtmaterials 16 nach unten erstreckt, und bei der gezeigten Ausführungsform insbesondere über den unteren Rand der äußeren Nut 10 hinaus reicht. Bei dem gezeigten Beispiel ist die Kühlkanalnut 14 an ihrer Oberseite weitgehend eben, und an ihrer Unterseite gekrümmt .
Fig. 1 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung der Kύhlkanalnut 14, die sich in dem Bereich oberhalb des Mittelpunktes der Engstelle 12 ähnlich darstellt wie die Ausführungsform der Figuren 1 bis 5, sich jedoch in ihrem unteren Bereich schräg nach unten und in Richtung der Kolbenachse 22 erstreckt, so dass eine Anpassung an die Geometrie einer Brennraummulde 24 erfolgt. Insbesondere kann der zu der Kolbenachse 22 gerichtete Bereich der Kühlkanalnut 14 derart gestaltet, beispielsweise derart gekrümmt sein, dass zwischen der Kühlkanalnut 14 und der Brennraummuide 24 ein "Steg" mit weitgehend gleichbleibender Dicke verbleibt und/oder der der Kolbenachse am nächsten kommende Bereich des Kuhlkanals in etwa die gleiche oder eine geringere Distanz von der Kolbenachse 22 hat wie die von der Koibenachse 22 am entferntesten liegende Stelle der Brennraummulde .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen
Verbrennungsmotor, bei dem ein Bereich, der bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal (14) und eine Kolbenringnut (20) aufweist, zunächst ausgespart wird, der spätere Kühlkanal nachfolgend abgedeckt wird, und schließlich Material zur Aufnahme des Kolbenringes aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der spätere Kühlkanal durch Drahtmaterial (16) abgedeckt wird, das mit einer Länge, die größer ist als die für einen einzigen Kolben notwendige Länge, bereitgestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtmaterial (16) fortlaufend von einer Rolle abgewickelt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtmaterial (16) formschlüssig angebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtmaterial (16) beim oder nach dem Anbringen verformt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtmaterial (16) einen weitgehend elliptischen, rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtmateriai (16) nach der Anbringung vorzugsweise lokal begrenzt und vorzugsweise induktiv erwärmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Drahtmaterial (16) knapp unterhalb des Schmelzpunktes des Drahtmaterials (16) oder des Kolbenwerkstoffs erwärmt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abdecken des spateren Kdhlkanals (14) Material mit einem Spritzverfahren auf das Drahtmaterial (16) aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Spritzverfahrens zumindest zwei unterschiedliche Materialien gleichzeitig oder nacheinander, vorzugsweise als Drähte bereitgestellt, aufgebracht werden, und das Mischungsverhältnis der beiden Materialien durch unterschiedliche Drahtdurchmesser und/oder Vorschubgeschwindigkeiten eingestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialien eine AlSi-Legierung und unlegierter Stahl verwendet werden, und/oder das Mischverhältnis 60 bis 70:30 bis 40 beträgt.
11. Vorrichtung zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, mit einem zunächst ausgesparten Bereich, der bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal (14) und eine Kolbenringnut (20) aufweist, mit einer Einrichtung zur Anbringung einer Abdeckung an dem Kühlkanal und mit einer Einrichtung zur Bereitstellung von Drahtmaterial (16) mit einer Länge, die größer ist als die für einen einzigen Kolben notwendige Länge.
12. Vorrichtung zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Bereitsteilung von Drahtrαaterial eine Draht-Abwickelvorrichtung ist;.
13. Vorrichtung zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 11 oder 12, ferner mit einer Einrichtung zum Andrucken des Drahtmaterials (16), vorzugsweise einem Randrierwerkzeug.
14. Vorrichtung zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, ferner mit einer Heizeinrichtung (18) .
15. Vorrichtung zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, ferner mit einer Einrichtung zum thermischen Aufspritzen von Material.
16. Vorrichtung zur Hersteilung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Einrichtung zum thermischen Aufspritzen zumindest zwei unterschiedliche Materialien zufuhrbar sind, deren Drahtdurchmesser und/oder Vorschubgeschwindigkeiten unterschiedlich sind.
17. Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kühlkanal (14) und einem Verstärkungsmaterial zur Aufnahme eines
Kolbenrings sowie mit einem Abdeckmaterial zwiscnen dem Kühlkanal (14) und dem Verstarkungsmaterial, wobei das Abdeckmaterial aus fortlaufend von einer Rolle abgewickeltem Drahtmaterial (16} besteht.
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