WO2013004216A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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WO2013004216A1
WO2013004216A1 PCT/DE2012/000671 DE2012000671W WO2013004216A1 WO 2013004216 A1 WO2013004216 A1 WO 2013004216A1 DE 2012000671 W DE2012000671 W DE 2012000671W WO 2013004216 A1 WO2013004216 A1 WO 2013004216A1
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WO
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piston
retaining
outer circumferential
locking
blocking element
Prior art date
Application number
PCT/DE2012/000671
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hakan KAHRAMAN
Original Assignee
Mahle International Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine, with a piston upper part and a piston lower part, wherein the piston upper part has on its side facing the piston lower part provided with at least one retaining element axially arranged bolt and wherein the piston lower part has on its upper side facing the piston upper part at least one locking element on which the at least one retaining element is supported.
  • the present invention further relates to a method of manufacturing such a piston.
  • a generic piston is disclosed in WO 2006/060987 A1.
  • This piston is composed of a piston upper part and a piston lower part.
  • the upper piston part is connected by means of a bayonet lock with the lower piston part.
  • With the help of a mounted on the piston base pad a permanent bias is exerted on the piston upper part in the assembled state.
  • the problem here is that the upper piston part and the lower piston part are connected to each other only via a latch. There is a risk that this locking can be solved due to the high mechanical requirements in engine operation.
  • the object of the present invention is to develop a generic piston and a method for its production so that a reliable solid connection of piston upper part and lower piston part is ensured.
  • the solution consists in that the at least one retaining element and / or the at least one blocking element are designed to be elastic, that the at least one retaining element is tapered in the direction of the piston lower part and has at least one retaining shoulder, and that the at least one blocking element is on the at least one Supporting shoulder supports, such that piston upper part and lower piston part are locked together under bias.
  • the present invention further provides a method for producing a piston for an internal combustion engine, wherein the piston has a piston upper part and a piston lower part, wherein the piston upper part has on its side facing the piston lower part an axially arranged bolt provided with at least one retaining element and wherein Piston lower part on its upper side facing the piston upper part has at least one locking element, on which the at least one support member is supported, characterized by the following steps: a) providing a piston upper part or a blank thereof, wherein the at least one holding element facing away from the piston top tapered and formed with at least a retaining shoulder is provided, b) providing a piston lower part or a blank thereof, wherein the at least one blocking element is formed, which delimits a central opening, c) heating of the piston lower part s, d) connecting the upper piston part and lower piston part or connecting their blanks by the at least one retaining element is driven through the central opening, such that the at least one retaining shoulder of the at least one retaining element engages behind the at least one
  • the piston according to the invention is characterized in that even under the high mechanical requirements in engine operation sufficient preload and thus a sufficient surface pressure between the piston upper part and the piston lower part are ensured.
  • This goal is achieved by the fact that in the positive connection between the at least one retaining element of the piston upper part and the at least one locking element of the piston lower part, the at least one locking element undergoes no significant deflection in the direction of the piston upper part.
  • the preload and thus the surface pressure in the area of the bearing surfaces of piston upper part and piston lower part can be adjusted accurately and reliably and remain substantially constant even during engine operation.
  • the bias can be targeted be measured.
  • the construction of the piston according to the invention further provides a freedom of choice in that either the at least one retaining element or the at least one locking element or both can be designed to be elastic.
  • the piston according to the invention can be adapted to different requirements.
  • the erfindüngsdorfe method is finally very easy and inexpensive to implement.
  • At least two elastically designed in the radial direction locking elements are provided, which are supported on the at least one retaining shoulder.
  • the holding element may be rigid, also solid.
  • a blind hole may be provided in the retaining element.
  • At least two locking elements are provided, preferably each have an elastically formed wall part, at the free end of a locking lug is provided.
  • This embodiment allows a particularly strong connection between the at least one holding element and the locking elements, wherein a deflection of the locking elements in the direction of the piston upper part is particularly reliably avoided.
  • the at least one retaining element can be plastically deformed relative to the at least two locking elements, for example be caulked.
  • a further preferred embodiment of the piston according to the invention is that exactly one locking element is provided and that at least two elastically formed holding elements are provided.
  • the blocking element is rigid.
  • the lower piston part has an outer circumferential fold, which is formed in an upper part formed in the piston upper part circumferential recess engages. This embodiment represents an additional centering between piston upper part and piston lower part.
  • the lower piston part is shrunk onto the upper piston part, so that an additional non-positive connection between piston upper part and piston lower part is produced.
  • the piston upper part and the piston lower part preferably form an outer circumferential cooling channel.
  • the at least one blocking element is arranged on an inner bottom element, such that the upper piston part and the lower piston part form an inner cooling space.
  • the inventive method makes it possible in particular to produce the piston upper part and / or the lower piston part as finished parts, preferably to forge, so that a machining finishing after connecting piston upper part and lower piston part is avoided.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a piston according to the invention in
  • Fig. 2 shows another embodiment of a piston according to the invention in
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the blocking elements for a piston according to FIG. 1;
  • 5 shows a further embodiment of a piston according to the invention in section;
  • Fig. 7 shows a further embodiment of a piston according to the invention in
  • FIGS. 1 and 3 show a first exemplary embodiment of a piston 10 according to the invention.
  • the piston 10 according to the invention is composed of a piston upper part 11 and a piston lower part 12, which in the exemplary embodiment are forged from a steel material.
  • the piston upper part 11 has a combustion bowl 13 and a side wall with a circumferential top land 14 and a circumferential ring portion 15 with annular grooves for receiving piston rings (not shown).
  • the piston lower part 12 has a piston shaft 16 with hubs 17 for receiving a piston pin (not shown) in hub bores 18.
  • the upper piston part 11 and the lower piston part 12 form a circumferential outer cooling channel 19.
  • the upper piston part 11 has a circumferential inner support element 21 with a support surface 21a, while the lower piston part 12 has a corresponding inner support element 22 with a support surface 22a.
  • the upper piston part 11 and the lower piston part 12 are aligned with each other so that the circumferential inner support elements 21, 22 of upper piston part 11 and lower piston part 12 with their bearing surfaces 21a, 22a are superimposed.
  • the upper piston part 11 further has in the side wall below the ring portion 15 an outer circumferential recess 23, while the lower piston part 12 has a corresponding thereto outer circumferential fold 24. In the assembled state, the recess 23 and the fold 24 engage each other.
  • the ring portion 15 and the inner support member 21 of the upper piston part 11 on the one hand and the inner support member 22 of the lower piston part 12 on the other hand form and define the peripheral outer cooling channel 19 of the piston 10, wherein in the embodiment, the lower piston part 12 substantially forms the bottom 19 a of the cooling channel 19.
  • a bolt 25 is formed in the middle of the piston longitudinal axis M in the exemplary embodiment, which is provided with a holding element 26 at its free end.
  • the holding member 26 is in the embodiment, a solid component, which tapers directed towards the piston base 12, is tapered in the embodiment tapered.
  • a circumferential retaining shoulder 26 a is formed in the region in which the bolt 25 merges into the retaining element 26.
  • the piston lower part 12 is provided in the exemplary embodiment on its upper side facing the piston upper part 11 with a peripheral bottom element 27.
  • two blocking elements 28 are formed on the bottom element 27 in the exemplary embodiment.
  • Each blocking element 28 has an essentially axially extending, in the radial direction (see arrows R) in the exemplary embodiment, an elastically formed wall part 29, to which a substantially radially inwardly extending rigid locking lug 31 is integrally formed.
  • the locking lugs 31 define a central opening 32 (see Figure 3).
  • the bolt 25 protrudes through the central opening 32, so that the holding element 26 comes to lie below the locking lugs 31.
  • the locking lugs 31 are based on the circumferential retaining shoulder 26a of the holding member 26, such that the piston upper part 11 and the piston lower part 12 are firmly connected to each other by the resulting lock, wherein they are supported on their corresponding bearing surfaces 21a, 22a against each other.
  • the inner peripheral bearing elements 21, 22 of upper piston part 11 and lower piston part 12, the underside of piston upper part 11, the bolt 25 and the bottom element 27 and the locking elements 28 form and define an inner cooling 33.
  • the inner circumferential bearing elements 21, 22 may be provided in a conventional manner with overflow channels for a coolant, which connect the peripheral outer cooling channel 19 with the inner cooling chamber 33 (not shown).
  • the optionally formed intermediate spaces between the blocking elements 28 can serve as drainage openings for the coolant.
  • the coolant is, as is customary and known to the person skilled in the art, supplied from the outside to the peripheral outer cooling channel 19. About the overflow channels, the coolant is transported from the peripheral outer cooling channel 19 into the inner cooling chamber 33 and discharged from there in the direction of the crankcase.
  • the upper piston part 11 and the lower piston part 12 are interconnected according to the invention under bias.
  • This bias voltage is generated by the manufacturing method according to the invention.
  • a piston upper part 11 and a piston lower part 12 can preferably be used as forged finished parts, so that a machining finishing after connecting piston upper part 11 and lower piston part 12 can be dispensed with.
  • blanks can be used.
  • the lower piston part 12 is heated, so that the material expands, the elasticity of the wall parts 29 increases and the limited by the locking elements 28 central opening 32 is widened.
  • the upper piston part 11 and the lower piston part 12 are connected to each other by the holding member 26, optionally driven by force through the central opening 32 until the peripheral retaining shoulder 26a of the holding member 26, the locking lugs 31 engages behind.
  • the lower piston part 12 is cooled, so that, as a result, the upper piston part 11 and the lower piston part 12 are firmly connected to each other and a bias voltage arises.
  • the locking lugs 31 are based on this bias on the circumferential support shoulder 26 a of the support member 26 from.
  • the upper piston part 11 and the lower piston part 12 are firmly pulled against each other, so that the bearing surfaces 21a, 22a on the one hand and the recess 23 and the fold 24 on the other hand are pressed firmly against each other.
  • the outer circumferential recess 23 and the outer circumferential fold 24 on the one hand and the pin 25 and the locking elements 28 on the other hand dimensioned such that the piston lower part 12 is shrunk onto the upper piston part 11 after cooling.
  • an additional frictional connection is obtained between the upper piston part 11 and the lower piston part 12.
  • FIGS 2 and 3 show a further embodiment of a piston 110 according to the invention, which substantially corresponds to the piston 10 according to Figures 1 and 3. Therefore, matching structures are provided with the same reference numerals, and reference is made to the above description in this regard.
  • the upper piston part 111 has a holding element 126, which is plastically deformed in a known manner after the upper piston part 111 and lower piston part 12 are joined against the locking elements 28, in the exemplary embodiment.
  • the retaining element 126 prior to assembly on a gap or a recess (not shown), where in a conventional manner a Stemmwerkmaschinemaschine can intervene.
  • the holding element 126 is deformed in the form of two jaws 134 relative to the locking elements, so that one obtains an additional positive connection between piston upper part 111 and lower piston part 12.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of blocking elements 128 which can be used in particular for the pistons 10, 110 according to FIGS. 1 and 2.
  • four locking elements 128 are integrally formed on the bottom element 27.
  • Each blocking element 128 has an essentially axially extending, in the radial direction (see arrows R) in the exemplary embodiment, an elastically formed wall portion 129 to which a substantially radially inwardly extending rigid locking lug 131 is integrally formed.
  • the locking lugs 131 define a central opening 132.
  • a different number of locking elements can be selected.
  • FIGS. 5 and 6 show a further exemplary embodiment of a piston 210 according to the invention, which substantially corresponds to the piston 10 according to FIG. Therefore, matching structures are provided with the same reference numerals, and reference is made in this regard to the above description.
  • the main difference is that two elastically formed holding elements 226 are provided and the blocking element 228 is rigid.
  • the holding elements 226 are spaced apart by a slot 235, so that the bolt 225 is shortened in the axial direction with respect to the pin 25 according to FIG. Therefore, the holding elements 226 are formed in this embodiment as resilient tongues, the ends of which tapered towards the lower piston part 12, are formed tapered in the embodiment frustoconical.
  • Each holding element 226 has a holding shoulder 226a, which is arranged such that it engages behind the blocking element 228 in the assembled state of the piston 210 according to the invention.
  • the blocking element 228 itself is formed in the exemplary embodiment on the bottom element 27.
  • the blocking element 228 has a substantially axially running circumferential wall part 229, to which a substantially radially inwardly extending, rigid blocking ring 231 is integrally formed.
  • the locking ring 231 defines the central opening 32.
  • upper piston part 211 and lower piston part 212 takes place as described for the piston 10 according to FIG. 1, with the only difference that the retaining elements 226 spring radially inwardly when passing through the central opening (see arrows R).
  • FIGS. 7 and 8 show a further exemplary embodiment of a piston 310 according to the invention, which essentially corresponds to the piston 10 according to FIG. Therefore, matching structures are provided with the same reference numerals, and reference is made to the above description in this regard.
  • the main difference is that six elastically formed holding elements 326 are provided and the blocking element 328 is rigid.
  • a centrally arranged blind bore 336 is provided, so that the bolt 325 is shortened in the axial direction relative to the bolt 25 according to FIG.
  • the holding members 326 are spaced by slots 335. Therefore, the holding elements 326 are formed in this embodiment as resilient tongues, the ends of which tapered towards the lower piston part 12, are formed in the embodiment tapered truncated tapered.
  • Each holding element 326 has a holding shoulder 326a, which is arranged such that it engages behind the blocking element 328 in the assembled state of the piston 310 according to the invention.
  • the blocking element 328 itself is formed in the exemplary embodiment on the bottom element 27.
  • the blocking element 328 has a substantially axially running circumferential wall part 329, to which a substantially radially inwardly extending, rigid blocking ring 331 is integrally formed.
  • the locking ring 331 defines the central opening 32.
  • upper piston part 311 and lower piston part 312 are carried out as described for the piston 10 according to Figure 1, with the only difference that the holding elements 326 when passing through the central opening radially inwardly (see arrows R) feathers.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110, 210, 310) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenoberteil (11, 111, 211, 311) und einem Kolbenunterteil (12, 212, 312), wobei das Kolbenoberteil (11, 111, 211, 311) an seiner dem Kolbenunterteil (12, 212, 312) zugewandten Seite einen mit mindestens einem Halteelement (26, 126, 226, 326) versehenen axial angeordneten Bolzen (25, 225, 325) aufweist und wobei das Kolbenunterteil (12, 212, 312) an seiner dem Kolbenoberteil (11, 111, 211, 311) zugewandten Seite mindestens ein Sperrelement (28, 128, 228, 328) aufweist, an welchem sich das mindestens eine Halteelement (26, 126, 226, 326) abstützt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das mindestens eine Halteelement (26, 126, 226, 326) und/oder das mindestens eine Sperrelement (28, 128, 228, 328) elastisch ausgebildet sind, dass das mindestens eine Halteelement (26, 126, 226, 326) in Richtung des Kolbenunterteils (12, 212, 312) verjüngt ausgebildet ist und mindestens eine Halteschulter (26a, 126a, 226a, 326a) aufweist, und dass das mindestens eine Sperrelement (28, 128, 228, 328) sich auf der mindestens einen Halteschulter (26a, 126a, 226a, 326a) abstützt, derart, dass Kolbenoberteil (11, 111, 211, 212) und Kolbenunterteil (12, 212, 312) unter Vorspannung miteinander verriegelt sind. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil, wobei das Kolbenoberteil an seiner dem Kolbenunterteil zugewandten Seite einen mit mindestens einem Halteelement versehenen axial angeordneten Bolzen aufweist und wobei das Kolbenunterteil an seiner dem Kolbenoberteil zugewandten Seite mindestens ein Sperrelement aufweist, an welchem sich das mindestens eine Halteelement abstützt. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens.
Ein gattungsgemäßer Kolben ist in der WO 2006/060987 A1 offenbart. Dieser Kolben setzt sich zusammen aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil. Das Kolbenoberteil ist mittels eines Bajonettverschlusses mit dem Kolbenunterteil verbunden. Mit Hilfe einer am Kolbenunterteil angebrachten Auflage wird in montiertem Zustand eine dauerhafte Vorspannung auf das Kolbenoberteil ausgeübt.
Problematisch hierbei ist es, dass das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil lediglich über eine Verrastung miteinander verbunden sind. Es besteht die Gefahr, dass diese Verrastung sich aufgrund der hohen mechanischen Anforderungen im Motorbetrieb lösen kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben und ein Verfahren zu seiner Herstellung so weiterzuentwickeln, dass eine zuverlässig feste Verbindung von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil gewährleistet ist.
Die Lösung besteht darin, dass das mindestens eine Halteelement und/oder das mindestens eine Sperrelement elastisch ausgebildet sind, dass das mindestens eine Halteelement in Richtung des Kolbenunterteils verjüngt ausgebildet ist und mindestens eine Halteschulter aufweist, und dass das mindestens eine Sperrelement sich auf der mindestens einen Halteschulter abstützt, derart, dass Kolbenoberteil und Kolbenunterteil unter Vorspannung miteinander verriegelt sind. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben mit ein Kolbenoberteil und ein Kolben unterteil aufweist, wobei das Kolbenoberteil an seiner dem Kolbenunterteil zugewandten Seite einen mit mindestens einem Halteelement versehenen axial angeordneten Bolzen aufweist und wobei das Kolbenunterteil an seiner dem Kolbenoberteil zugewandten Seite mindestens ein Sperrelement aufweist, an welchem sich das mindestens eine Halteelement abstützt, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Kolbenoberteils oder eines Rohlings hiervon, wobei das mindestens eine Halteelement vom Kolbenoberteil abgekehrt verjüngt ausgebildet sowie mit mindestens einer Halteschulter versehen wird, b) Bereitstellen eines Kolbenunterteils oder eines Rohlings hiervon, wobei das mindestens eine Sperrelement ausgebildet wird, welches eine zentrale Öffnung begrenzt, c) Erwärmen des Kolbenunterteils, d) Verbinden von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil bzw. Verbinden ihrer Rohlinge, indem das mindestens eine Halteelement durch die zentrale Öffnung getrieben wird, derart dass die mindestens eine Halteschulter des mindestens einen Halteelements das mindestens eine Sperrelement hintergreift, e) Abkühlen des Kolbenunterteils, derart, dass das mindestens eine Sperrelement sich unter Vorspannung auf der mindestens einen Halteschulter des mindestens einen Halteelements abstützt, so dass eine Verriegelung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil gebildet wird, f) ggf. Fertigbearbeiten zum erfindungsgemäßen Kolben.
Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass auch unter den hohen mechanischen Anforderungen im Motorbetrieb eine ausreichende Vorspannung und damit eine ausreichende Flächenpressung zwischen dem Kolbenoberteil und dem Kolbenunterteil gewährleistet sind. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass bei der formschlüssigen Verbindung zwischen dem mindestens einen Halteelement des Kolbenoberteils und dem mindestens einen Sperrelement des Kolbenunterteils das mindestens eine Sperrelement keine wesentliche Auslenkung in Richtung des Kolbenoberteils erfährt. Das bedeutet, dass die Vorspannung und damit die Flächenpressung im Bereich der Auflageflächen von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil maßgenau und zuverlässig eingestellt werden können und auch im Motorbetrieb im Wesentlichen konstant bleiben. Insbesondere über die Auslegung der Stichmaße der Auflageflächen von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil kann die Vorspannung gezielt bemessen werden. Die Konstruktion des erfindungsgemäßen Kolbens gewährt ferner eine Wahlfreiheit dahingehend, dass entweder das mindestens eine Halteelement oder das mindestens eine Sperrelement oder beide elastisch ausgebildet sein können. Somit kann der erfindungsgemäße Kolben an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden. Das erfindüngsgemäße Verfahren ist schließlich sehr einfach und kostengünstig zu realisieren.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorzugsweise sind mindestens zwei in radialer Richtung elastisch ausgebildete Sperrelemente vorgesehen, die sich auf der mindestens einen Halteschulter abstützen. In diesem Fall kann das Halteelement starr, auch massiv, ausgebildet sein. Zur Gewichtsersparnis kann eine Sackbohrung im Halteelement vorgesehen sein.
Wenn mindestens zwei Sperrelemente vorgesehen sind, weisen vorzugsweise jeweils einen elastisch ausgebildeten Wandteil auf, an dessen freiem Ende eine Sperrnase vorgesehen ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders feste Verbindung zwischen dem mindestens einen Halteelement und den Sperrelementen, wobei eine Auslenkung der Sperrelemente in Richtung des Kolbenoberteils besonders zuverlässig vermieden wird.
Als zusätzliche formschlüssige Verbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil kann das mindestens einen Halteelement gegenüber den mindestens zwei Sperrelementen plastisch verformt, bspw. verstemmt sein.
Eine weitere bevorzugte Ausbildung des erfindungsgemäßen Kolbens besteht darin, dass genau ein Sperrelement vorgesehen ist und dass mindestens zwei elastisch ausgebildete Halteelemente vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungsform ist dass Sperrelement starr ausgebildet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Kolbenunterteil einen äußeren umlaufenden Falz auf, der in eine im Kolbenoberteil ausgebildete äußere umlaufende Ausnehmung eingreift. Diese Ausgestaltung stellt eine zusätzliche Zentrierung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil dar.
Besonders bevorzugt ist das Kolbenunterteil auf das Kolbenoberteil aufgeschrumpft, so dass eine zusätzliche kraftschlüssige Verbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil hergestellt ist.
Das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil bilden vorzugsweise einen äußeren umlaufenden Kühlkanal. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das mindestens eine Sperrelement an einem inneren Bodenelement angeordnet, derart dass das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil einen inneren Kühlraum bilden. Somit kann eine zusätzliche Kühlung des erfindungsgemäßen Kolbens erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es insbesondere, das Kolbenoberteil und/oder das Kolbenunterteil als Fertigteile herzustellen, vorzugsweise zu schmieden, so dass eine spanabhebende Fertigbearbeitung nach dem Verbinden von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil vermieden wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im
Schnitt;
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im
Schnitt;
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III - III in Figur 1 und Figur 2,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Sperrelemente für einen Kolben gemäß Figur 1 ; Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI - VI in Figur 5;
Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im
Schnitt;
Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie VIII - VIII in Figur 7.
Die Figuren 1 und 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der erfindungsgemäße Kolben 10 setzt sich zusammen aus einem Kolbenoberteil 11 und einem Kolbenunterteil 12, die im Ausführungsbeispiel aus einem Stahl Werkstoff geschmiedet sind. Das Kolbenoberteil 11 weist eine Verbrennungsmulde 13 und eine Seitenwand mit einem umlaufenden Feuersteg 14 und einer umlaufenden Ringpartie 15 mit Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Das Kolbenunterteil 12 weist einen Kolbenschaft 16 mit Naben 17 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) in Nabenbohrungen 18 auf. Das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 bilden einen umlaufenden äußeren Kühlkanal 19.
Das Kolbenoberteil 11 weist ein umlaufendes inneres Auflageelement 21 mit einer Auflagefläche 21a auf, während das Kolbenunterteil 12 ein hierzu korrespondierendes inneres Auflageelement 22 mit einer Auflagefläche 22a aufweist. Im zusammengebauten Zustand sind das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 so zueinander ausgerichtet, dass die umlaufenden inneren Auflageelemente 21 , 22 von Kolbenoberteil 11 und Kolbenunterteil 12 mit ihren Auflageflächen 21a, 22a aufeinander liegen.
Das Kolbenoberteil 11 weist ferner in der Seitenwand unterhalb der Ringpartie 15 eine äußere umlaufende Ausnehmung 23 auf, während das Kolbenunterteil 12 einen hierzu korrespondierenden äußeren umlaufenden Falz 24 aufweist. Im zusammengebauten Zustand greifen die Ausnehmung 23 und der Falz 24 ineinander ein. Die Ringpartie 15 sowie das innere Auflageelement 21 des Kolbenoberteils 11 einerseits und das innere Auflageelement 22 des Kolbenunterteils 12 andererseits bilden und begrenzen den umlaufenden äußeren Kühlkanal 19 des Kolbens 10, wobei im Ausführungsbeispiel das Kolbenunterteil 12 im Wesentlichen den Boden 19a des Kühlkanals 19 bildet.
An der dem Kolbenunterteil 12 zugewandten Unterseite des Kolbenoberteils 11 ist im Ausführungsbeispiel mittig in der Kolbenlängsachse M ein Bolzen 25 angeformt, der an seinem freien Ende mit einem Halteelement 26 versehen ist. Das Halteelement 26 ist im Ausführungsbeispiel ein massives Bauteil, welches zum Kolbenunterteil 12 gerichtet verjüngt, im Ausführungsbeispiel kegelstumpfartig verjüngt ausgebildet ist. Eine umlaufende Halteschulter 26a ist in dem Bereich ausgebildet, in dem der Bolzen 25 in das Halteelement 26 übergeht.
Das Kolbenunterteil 12 ist im Ausführungsbeispiel an seiner dem Kolbenoberteil 11 zugewandten Oberseite mit einem umlaufenden Bodenelement 27 versehen. Wie insbesondere Figur 3 zu entnehmen ist, sind am Bodenelement 27 im Ausführungsbeispiel zwei Sperrelemente 28 angeformt. Jedes Sperrelement 28 weist einen im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen axial verlaufenden, in radialer Richtung (vgl. Pfeile R) elastisch ausgebildeten Wandteil 29 auf, an den eine im Wesentlichen radial nach innen verlaufende starre Sperrnase 31 angeformt ist. Die Sperrnasen 31 begrenzen eine zentrale Öffnung 32 (vgl. Figur 3).
Im zusammengebauten Zustand ragt der Bolzen 25 durch die zentrale Öffnung 32, so dass das Halteelement 26 unterhalb der Sperrnasen 31 zu liegen kommt. Die Sperrnasen 31 stützen sich auf der umlaufenden Halteschulter 26a des Halteelements 26 ab, derart, dass das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 durch die resultierende Verriegelung fest miteinander verbunden sind, wobei sie sich auf ihren korrespondierenden Auflageflächen 21a, 22a gegeneinander abstützen.
Die inneren umlaufenden Auflageelemente 21 , 22 von Kolbenoberteil 11 und Kolbenunterteil 12, die Unterseite des Kolbenoberteils 11 , der Bolzen 25 sowie das Bodenelement 27 und die Sperrelemente 28 bilden und begrenzen einen inneren Kühl- räum 33. Die inneren umlaufenden Auflageelemente 21 , 22 können in an sich bekannter Weise mit Überlaufkanälen für ein Kühlmittel versehen sein, welche den umlaufenden äußeren Kühlkanal 19 mit dem inneren Kühlraum 33 verbinden (nicht dargestellt). Die gegebenenfalls gebildeten Zwischenräume zwischen den Sperrelementen 28 können als Ablauföffnungen für das Kühlmittel dienen. Das Kühlmittel wird, wie es üblich und dem Fachmann bekannt ist, von außen dem umlaufenden äußeren Kühlkanal 19 zugeführt. Über die Überlaufkanäle wird das Kühlmittel vom umlaufenden äußeren Kühlkanal 19 in den inneren Kühlraum 33 transportiert und von dort in Richtung auf das Kurbelgehäuse abgeführt.
Das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 sind erfindungsgemäß unter Vorspannung miteinander verbunden. Diese Vorspannung wird durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erzeugt. Hierfür können ein Kolbenoberteil 11 und ein Kolbenunterteil 12 vorzugsweise als geschmiedete Fertigteile verwendet werden, so dass auf eine spanabhebende Fertigbearbeitung nach dem Verbinden von Kolbenoberteil 11 und Kolbenunterteil 12 verzichtet werden kann. Selbstverständlich können aber auch Rohlinge verwendet werden. Zunächst wird das Kolbenunterteil 12 erwärmt, so dass der Werkstoff sich ausdehnt, die Elastizität der Wandteile 29 vergrößert und die von den Sperrelementen 28 begrenzte zentrale Öffnung 32 aufgeweitet wird. Dann werden das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 miteinander verbunden, indem das Halteelement 26, gegebenenfalls unter Krafteinwirkung durch die zentrale Öffnung 32 getrieben wird, bis die umlaufende Halteschulter 26a des Halteelements 26 die Sperrnasen 31 hintergreift. Anschließend wird das Kolbenunterteil 12 abgekühlt, so dass im Ergebnis das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 fest miteinander verbunden sind und eine Vorspannung entsteht. Die Sperrnasen 31 stützen sich unter dieser Vorspannung auf der umlaufenden Halteschulter 26a des Halteelements 26 ab. Das Kolbenoberteil 11 und das Kolbenunterteil 12 werden fest gegeneinander gezogen, so dass die Auflageflächen 21a, 22a einerseits sowie die Ausnehmung 23 und der Falz 24 andererseits fest gegeneinander gepresst werden. Im Ergebnis wird eine unter Vorspannung stehende Verriegelung zwischen Kolbenoberteil und Kolben unterteil erhalten. Im Ausführungsbeispiel sind die äußere umlaufende Ausnehmung 23 und der äußere umlaufende Falz 24 einerseits sowie der Bolzen 25 und die Sperrelemente 28 andererseits derart bemessen, dass das Kolbenunterteil 12 nach dem Abkühlen auf das Kolbenoberteil 11 aufgeschrumpft ist. Damit wird zwischen dem Kolbenoberteil 11 und dem Kolbenunterteil 12 eine zusätzliche kraftschlüssige Verbindung erhalten.
Die Figuren 2 und 3 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 110, der im Wesentlichen dem Kolben 10 gemäß den Figuren 1 und 3 entspricht. Daher sind übereinstimmende Strukturen mit denselben Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung verwiesen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass das Kolbenoberteil 111 eine Halteelement 126 aufweist, welches nach dem Verbinden von Kolbenoberteil 111 und Kolbenunterteil 12 gegen die Sperrelemente 28 in an sich bekannter Weise plastisch verformt, im Ausführungsbeispiel verstemmt wird. Zu diesem Zweck weist das Halteelement 126 vor der Montage einen Spalt oder eine Ausnehmung (nicht dargestellt) auf, wo in an sich bekannter Weise ein Stemmwerkzeug eingreifen kann. Im Ergebnis wird das Halteelement 126 in Form zweier Backen 134 gegenüber den Sperrelementen verformt, so dass man eine zusätzliche formschlüssige Verbindung zwischen Kolbenoberteil 111 und Kolbenunterteil 12 erhält.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel von Sperrelementen 128, die insbesondere für die Kolben 10, 110 gemäß den Figuren 1 und 2 verwendet werden können. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind am Bodenelement 27 vier Sperrelemente 128 angeformt. Jedes Sperrelement 128 weist einen im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen axial verlaufenden, in radialer Richtung (vgl. Pfeile R) elastisch ausgebildeten Wandteil 129 auf, an den eine im Wesentlichen radial nach innen verlaufende starre Sperrnase 131 angeformt ist. Die Sperrnasen 131 begrenzen eine zentrale Öffnung 132. Selbstverständlich kann auch eine andere Zahl von Sperrelementen gewählt werden.
Die Figuren 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 210, der im Wesentlichen dem Kolben 10 gemäß Figur 1 entspricht. Daher sind übereinstimmende Strukturen mit denselben Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung verwiesen. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass zwei elastisch ausgebildete Haltelemente 226 vorgesehen sind und das Sperrelement 228 starr ausgebildet ist.
Im Einzelnen sind die Halteelemente 226 durch einen Schlitz 235 beabstandet, so dass der Bolzen 225 gegenüber dem Bolzen 25 gemäß Figur 1 in axialer Richtung verkürzt ist. Daher sind die Halteelemente 226 in diesem Ausführungsbeispiel als federnde Zungen ausgebildet, deren Enden zum Kolbenunterteil 12 gerichtet verjüngt, im Ausführungsbeispiel kegelstumpfartig verjüngt ausgebildet sind. Jedes Haltelement 226 weist eine Halteschulter 226a auf, die so angeordnet ist, dass sie im zusammengebauten Zustand des erfindungsgemäßen Kolbens 210 das Sperrelement 228 hintergreift.
Das Sperrelement 228 selbst ist im Ausführungsbeispiel am Bodenelement 27 angeformt. Das Sperrelement 228 weist im Ausführungsbeispiel einen im Wesentlichen axial verlaufenden umlaufenden Wandteil 229 auf, an den ein im Wesentlichen radial nach innen verlaufender, starrer Sperrring 231 angeformt ist. Der Sperrring 231 begrenzt die zentrale Öffnung 32.
Der Zusammenbau von Kolbenoberteil 211 und Kolbenunterteil 212 erfolgt wie für den Kolben 10 gemäß Figur 1 beschrieben, mit dem einzigen Unterschied, dass die Halteelemente 226 beim Durchdringen der zentralen Öffnung radial nach innen (vgl. Pfeile R) federn.
Die Figuren 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 310, der im Wesentlichen dem Kolben 10 gemäß Figur 1 entspricht. Daher sind übereinstimmende Strukturen mit denselben Bezugszeichen versehen, und es wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung verwiesen. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass sechs elastisch ausgebildete Haltelemente 326 vorgesehen sind und das Sperrelement 328 starr ausgebildet ist.
Im Einzelnen ist eine mittig angeordnete Sackbohrung 336 vorgesehen, so dass der Bolzen 325 gegenüber dem Bolzen 25 gemäß Figur 1 in axialer Richtung verkürzt ist. Die Halteelemente 326 sind durch Schlitze 335 beabstandet. Daher sind die Halteelemente 326 in diesem Ausführungsbeispiel als federnde Zungen ausgebildet, deren Enden zum Kolbenunterteil 12 gerichtet verjüngt, im Ausführungsbeispiel kegel- stumpfartig verjüngt ausgebildet sind. Jedes Haltelement 326 weist eine Halteschulter 326a auf, die so angeordnet ist, dass sie im zusammengebauten Zustand des erfindungsgemäßen Kolbens 310 das Sperrelement 328 hintergreift.
Das Sperrelement 328 selbst ist im Ausführungsbeispiel am Bodenelement 27 angeformt. Das Sperrelement 328 weist im Ausführungsbeispiel einen im Wesentlichen axial verlaufenden umlaufenden Wandteil 329 auf, an den ein im Wesentlichen radial nach innen verlaufender, starrer Sperrring 331 angeformt ist. Der Sperrring 331 begrenzt die zentrale Öffnung 32.
Der Zusammenbau von Kolbenoberteil 311 und Kolbenunterteil 312 erfolgt wie für den Kolben 10 gemäß Figur 1 beschrieben, mit dem einzigen Unterschied, dass die Halteelemente 326 beim Durchdringen der zentralen Öffnung radial nach innen (vgl. Pfeile R) federn.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (10, 110, 210, 310) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenoberteil (11 , 111 , 211 , 311) und einem Kolbenunterteil (12, 212, 312), wobei das Kolbenoberteil (11 , 111 , 211 , 311) an seiner dem Kolbenunterteil (12, 212, 312) zugewandten Seite einen mit mindestens einem Halteelement (26, 126, 226, 326) versehenen axial angeordneten Bolzen (25, 225, 325) aufweist und wobei das Kolbenunterteil (12, 212, 312) an seiner dem Kolbenoberteil (11 , 111 , 211 , 311) zugewandten Seite mindestens ein Sperrelement (28, 128, 228, 328) aufweist, an welchem sich das mindestens eine Halteelement (26, 126, 226, 326) abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Halteelement (26, 126, 226, 326) und/oder das mindestens eine Sperrelement (28, 128, 228, 328) elastisch ausgebildet sind, dass das mindestens eine Halteelement (26, 126, 226, 326) in Richtung des Kolbenunterteils (12, 212, 312) verjüngt ausgebildet ist und mindestens eine Halteschulter (26a, 126a, 226a, 326a) aufweist, und dass das mindestens eine Sperrelement (28, 128, 228, 328) sich auf der mindestens einen Halteschulter (26a, 126a, 226a, 326a) abstützt, derart, dass Kolbenoberteil (11 , 111 , 211 , 212) und Kolbenunterteil (12, 212, 312) unter Vorspannung miteinander verriegelt sind.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei in radialer Richtung elastisch ausgebildete Sperrelemente (28) vorgesehen sind, die sich auf der mindestens einen Halteschulter (26a) abstützen.
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Sperrelemente (28) jeweils einen elastisch ausgebildeten Wandteil (29) aufweisen, an dessen freiem Ende eine Sperrnase (31) vorgesehen ist.
4. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Halteelement (126) gegenüber den mindestens zwei Sperrelementen (28) plastisch verformt ist.
5. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass genau ein Sperrelement vorgesehen ist und mindestens zwei elastisch ausgebildete Halteelemente () vorgesehen sind.
6. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (12) einen äußeren umlaufenden Falz (24) aufweist, der in eine im Kolbenoberteil (11 , 111) ausgebildete äußere umlaufende Ausnehmung (23) eingreift.
7. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (12) auf das Kolbenoberteil (11 , 111) aufgeschrumpft ist.
8. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenoberteil (1 1 , 111) und das Kolbenunterteil (12) einen äußeren umlaufenden Kühlkanal (19) bilden.
9. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sperrelement (28) an einem inneren Bodenelement (27) angeordnet ist, derart dass das Kolbenoberteil (11 , 111) und das Kolbenunterteil (12) einen inneren Kühlraum (33) bilden.
10. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10, 110, 210, 310) für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben (10, 110, 210, 310) mit ein Kolbenoberteil (11 , 111 , 211 , 311) und ein Kolbenunterteil (12, 212, 312) aufweist, wobei das Kolbenoberteil (11 , 111 , 211 , 311) an seiner dem Kolbenunterteil (12, 212, 312) zugewandten Seite einen mit mindestens einem Halteelement (26, 126, 226, 326) versehenen axial angeordneten Bolzen (25, 225, 325) aufweist und wobei das Kolbenunterteil (12, 212, 312) an seiner dem Kolbenoberteil (11 , 111 , 211 , 311) zugewandten Seite mindestens ein Sperrelement (28, 128, 228, 328) aufweist, an welchem sich das mindestens eine Halteelement (26, 126, 226, 326) abstützt, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
a) Bereitstellen eines Kolbenoberteils (11 , 111 , 211 , 311) oder eines Rohlings hiervon, wobei das mindestens eine Halteelement (26, 126, 226, 326) vom Kolbenoberteil (11 , 111 , 211 , 311) abgekehrt verjüngt ausgebil- det sowie mit mindestens einer Halteschulter (26a, 126a, 226a, 326a) versehen wird,
b) Bereitstellen eines Kolbenunterteils (12, 212, 312) oder eines Rohlings hiervon, wobei das mindestens eine Sperrelement (28, 128, 228, 328) ausgebildet wird, welches eine zentrale Öffnung (32) begrenzt, c) Erwärmen des Kolbenunterteils (12, 212, 312),
d) Verbinden von Kolbenoberteil (11 , 111 /211 , 311) und Kolbenunterteil (12, 212, 312) bzw. Verbinden ihrer Rohlinge, indem das mindestens eine Halteelement (26, 126, 226, 326) durch die zentrale Öffnung (32) getrieben wird, derart dass die mindestens eine Halteschulter (26a, 126a, 226a, 326a) des mindestens einen Halteelements (26, 126, 226, 326) das mindestens eine Sperrelement (28, 128, 228, 328) hintergreift,
e) Abkühlen des Kolbenunterteils (12, 212, 312) derart, dass das mindestens eine Sperrelement (28, 128, 228, 328) sich unter Vorspannung auf der mindestens einen Halteschulter (26a, 126a, 226a, 326a) des mindestens einen Halteelements (26, 126, 226, 326) abstützt, so dass eine Verriegelung zwischen Kolbenoberteil (11 ,111 , 211, 311) und Kolbenunterteil (12, 212, 312) gebildet wird,
f) ggf. Fertigbearbeiten zum Kolben (10, 110, 210, 310).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Halteelement (126) nach Schritt d) oder nach Schritt e) gegenüber dem mindestens einen Sperrelement (28) plastisch verformt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine äußere umlaufende Ausnehmung (23) in das Kolbenoberteil (11 , 111 , 211 , 311) eingebracht wird, dass in Schritt b) ein äußerer umlaufender Falz (24) in das Kolbenunterteil (12, 212, 312) eingebracht wird, derart, dass nach Schritt d) die äußere umlaufende Ausnehmung (23) und der äußere umlaufende Falz (24) ineinander greifen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere umlaufende Ausnehmung (23) und der äußere umlaufende Falz (24) derart bemessen werden, dass in Schritt e) das Kolbenunterteil (12, 212, 312) auf das Kolbenoberteil (11 , 111, 211 , 311) aufgeschrumpft wird.
14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (25, 225, 325) und das mindestens eine Halteelement (26, 126, 226, 326) des Kolbenoberteils (11, 111 , 211 , 311) sowie das mindestens eine Sperrelement (28, 128, 228, 328) des Kolbenunterteils (12, 212, 312) so bemessen werden, dass in Schritt e) das Kolbenunterteil (12, 212, 312) auf das Kolbenoberteil (11 , 111, 211 , 311) aufgeschrumpft wird.
15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) und/oder Schritt b) das Kolbenoberteil (11 , 111 , 211 , 311) bzw. das Kolbenunterteil (12, 212, 312) als Fertigteile hergestellt, vorzugsweise geschmiedet werden.
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