WO2017081036A1 - Wärmeeintragzone mit darin positionierter nutflanke bei kolben - Google Patents

Wärmeeintragzone mit darin positionierter nutflanke bei kolben Download PDF

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Jens Voigt
Johannes Spermann
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Ks Kolbenschmidt Gmbh
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    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
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    • F02F2003/0061—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping by welding

Definitions

  • the invention relates to a piston of an internal combustion engine, comprising an upper part and a lower part, which are joined together in the region of a joint plane by means of a friction welding, wherein the piston has at least one circumferential annular groove, according to the features of the preamble of claim 1
  • the invention is based on a piston, in particular a cooling channel piston, as is known from DE 10 2010 033 881 A1.
  • the finished for later operation piston is formed of an upper part and a lower part, both of which are interconnected by friction welding.
  • an annularly closed cooling channel is formed, which is formed by the upper part and the lower part.
  • the cooling channel piston known from DE 10 2010 033 881 A1 has friction welding surfaces lying concentrically in one another, thus two friction welding zones.
  • a joining plane in the region of the ring field is arranged approximately centrally between two annular grooves in the lying between the two annular grooves web. This creates a heat-affected zone directly above and directly below this joining plane. Towards the outside, approximately at the level of this heat-affected zone, the friction weld is formed, which subsequently has to be removed from the surface of the piston, so that the piston in the cylinder of the piston has an effect Internal combustion engine can be used. The removal of the Reibsch spawulst takes place up to the surface of the piston, which later has the finished measure of the operation of the piston in the cylinder of the internal combustion engine.
  • the invention has for its object to improve the known piston in terms of its durability.
  • the joining plane between the upper flank (the plane in which the upper flank lies, enclosing or deviating therefrom) and the lower flank (the plane in which the lower flank lies, enclosing or deviating therefrom) of the annular groove is located and a by the application of the friction welding process adjusting heat affected zone includes at least the upper flank and / or the lower flank of the annular groove.
  • the present invention is concerned with the fact that the heat-affected zone extends into an annular groove.
  • This has the advantage that in the processing of the weld beads, which arise during friction welding, machining can not only be done down to the outer surface of the cylindrical piston, but a deeper processing is done to remove the Reibsch spawulst and at the same time either an existing ring groove To free from there penetrated Reibsch spawulst or in the heat affected zone and possibly also below or overlying areas of the annular groove (when viewing the Kolbenhubachse) contribute.
  • hardening of the Nutoberflanke or Nutunterfianke depending on where the joining plane is located in an advantageous manner.
  • the joining plane is approximately centrally (either exactly centered or slightly different from the center, for example, less than or equal to 30% of the height of the annular groove) between the upper edge and the lower edge of the lowermost annular groove and the adjusting Heat affected zone the upper flank and includes the lower flank of the lowermost annular groove.
  • the hardening of at least one groove flank, but also of both groove flanks, of the upper annular grooves (which face the cylinder chamber) is not sufficient. Therefore, other methods of curing (such as laser remelting) are required for these annular grooves.
  • the curing by the heat-affected zone, which occurs in the friction welding process is sufficient. This is generally true in the application of any type of rings used in this lowest ring groove rings.
  • the hardening by the heat affected zone, which occurs in the friction welding is particularly effective in a three-piece ⁇ labstreifring, as this is given if at all a very low wear of the adjacent surfaces of groove flank and ⁇ labstreifring.
  • FIG. 1 shows a piston which consists of an upper part 1 and a lower part 2.
  • the two parts 1 and 2 have mutually assigning joining surfaces, which are joined together in a joining plane 3 inextricably by means of a friction welding process.
  • the joining plane 3 is approximately centrally between a top edge and a lower edge of an annular groove 4.
  • the position of the joining plane 3 is exactly in the middle between these two edges, the position of the joining plane 3 also from this central position up or down (at View of Figure 1) may be moved.
  • the joining plane 3 can even be provided in the same plane in which the upper flank or lower flank of the annular groove 4 is arranged.
  • Reibsch By Reibsch experience compiler creates a heat affected zone 5 (shown in dark gray), wherein initially after joining the two parts 1, 2 by means of Reibsch consultantss the annular groove 4 is not yet available. This is introduced by appropriate processing, for example, a machining process, in the self-adjusting heat affected zone 5 (eg stabbed).
  • the geometry (cross-section) of the annular groove 4 is chosen so that it is completely within the self-adjusting heat infiltration zone 5.
  • a Reibsch spawulst 6, which is arranged in a cooling channel 7 is formed.
  • the cooling channel 7 may, but need not, be formed together by the upper part 1 and the lower part 2.
  • the joining plane 3 is located between the upper flank and the lower flank of the annular groove 4, wherein in this particular case, the joining plane 3 is located centrally between the upper flank and the lower flank of the annular groove 4.
  • This central arrangement of the joining plane 3 can also be shifted in the direction of the upper flank or the lower flank of the annular groove 4. It is even conceivable that the joining plane 3 is located in the plane of the upper flank of the annular groove 4 or the joining plane 3 in the plane of the lower flank of the annular groove 4.
  • the self-adjusting heat-affected zone 5 includes both the upper flank and the lower flank of the annular groove 4 and extends over a certain range even further upwards and downwards (as viewed in FIG. 1).
  • the joining plane 3 is located in the plane of the upper flank of the annular groove 4, and the heat-influencing zone 5 which adjoins encloses the upper flank of the annular groove 4.
  • the heat-affected zone includes at least the lower flank and / or the upper flank and further regions beyond the annular groove 4, of course, the heat-affected zone 5 also includes the groove base into the inner wall of the cooling channel 7.
  • the third (bottom) annular groove is hardened by friction welding, which is particularly advantageous in a three-piece oil ring.
  • the joining plane of the outer or single friction welded joint between the upper part and lower part is not centered in the web between two annular grooves (as in DE 10 2010 033 881 A1), but the friction welding zone and Thus, the heat affected zone extends into the annular groove and possibly also behind it areas (up to the beginning of the cooling channel) into it.
  • the heat-affected zone is shown in the region of the respective Nutoberflanke, can also be considered to provide the heat affected zone in the region of Nutunterflanke.
  • the heat input can be used by the friction welding process for the subsequent curing process in an advantageous manner.

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Abstract

Kolben einer Brennkraftmaschine, bestehend aus einem Oberteil (1) und einem Unterteil (2), die im Bereich einer Fügeebene (3) unlösbar mittels eines Reibschweißverfahrens zusammengefügt sind, wobei der Kolben zumindest eine umlaufende Ringnut (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fügeebene (3) zwischen der Oberflanke und der Unterflanke der Ringnut (4) befindet und sich eine durch die Anwendung des Reibschweißverfahrens einstellende Wärmeeinflußzone (5) zumindest die Oberflanke und/oder die Unterflanke der Ringnut (4) einschließt.

Description

Wärmeeintragzone mit darin positionierter Nutflanke bei Kolben
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine, bestehend aus einem Oberteil und einem Unterteil, die im Bereich einer Fügeebene unlösbar mittels eines Reibschweißverfahrens zusammengefügt sind, wobei der Kolben zumindest eine umlaufende Ringnut aufweist, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1
Die Erfindung geht aus von einem Kolben, insbesondere einem Kühlkanalkolben, wie er aus der DE 10 2010 033 881 A1 bekannt ist.
Der für den späteren Betrieb fertige Kolben wird gebildet aus einem Oberteil und einem Unterteil, die beide mittels Reibschweißen miteinander verbunden werden. Bei dem Fügevorgang entsteht ein ringförmig geschlossener Kühlkanal, der von dem Oberteil und dem Unterteil gebildet wird.
Oberteil und Unterteil haben einander zugewandte Fügeflächen, die mittels Reibschweißen miteinander verbunden werden. Dabei entstehen in an sich bekannter Weise Reibschweißwülste.
Der aus der DE 10 2010 033 881 A1 bekannte Kühlkanalkolben weist konzentrisch ineinander liegende Reibschweißflächen, mithin zwei Reibschweißzonen, auf.
Bei der äußeren ringförmigen Reibschweißfläche ist eine Fügeebene im Bereich des Ringfeldes in etwa mittig zwischen zwei Ringnuten in dem zwischen den beiden Ringnuten liegenden Steg angeordnet. Dadurch entsteht direkt oberhalb und direkt unterhalb dieser Fügeebene eine Wärmeeinflusszone. Nach außen hin entsteht in etwa auf Höhe dieser Wärmeeinflusszone die Reibschweißwuist, die anschließend von der Oberfläche des Kolbens entfernt werden muss, so dass der Kolben im Zylinder der Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann. Die Entfernung der Reibschweißwulst erfolgt dabei bis auf die Oberfläche des Kolbens, die später das fertige Maß für den Betrieb des Kolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Kolben hinsichtlich seiner Dauerhaltbarkeit zu verbessern.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich die Fügeebene zwischen der Oberflanke (die Ebene, in der die Oberflanke liegt, einschließend oder abweichend davon) und der Unterflanke (die Ebene, in der die Unterflanke liegt, einschließend oder abweichend davon) der Ringnut befindet und sich eine durch die Anwendung des Reibschweißverfahrens einstellende Wärmeeinflußzone zumindest die Oberflanke und/oder die Unterflanke der Ringnut einschließt.
Gegenüber der Lage der Fügeebene und der sich einstellenden Wärmeeinflußzone nach dem Stand der Technik beschäftigt sich die vorliegende Erfindung damit, dass die Wärmeeinflusszone bis in eine Ringnut hinein reicht. Dies hat den Vorteil, dass bei der Bearbeitung der Schweißwülste, die beim Reibschweißen entstehen, eine Bearbeitung nicht nur bis auf die äußere Oberfläche des zylinderförmigen Kolbens erfolgen kann, sondern eine tiefergehende Bearbeitung erfolgt, um die Reibschweißwulst zu entfernen und gleichzeitig entweder eine schon vorhandene Ringnut von der dort eingedrungenen Reibschweißwulst zu befreien oder im Bereich der Wärmeeinflusszone und ggf. auch darunter oder darüber liegende Bereiche der Ringnut (bei Betrachtung der Kolbenhubachse) einzubringen. Dadurch erfolgt in vorteilhafter Weise eine Härtung der Nutoberflanke oder der Nutunterfianke, je nachdem, wo sich die Fügeebene befindet.
Von ganz besonderem Vorteil ist es, wenn sich die Fügeebene etwa mittig (entweder genau mittig oder etwas abweichend von der Mitte, beispielsweise um weniger oder gleich 30% der Höhe der Ringnut) zwischen der Oberflanke und der Unterflanke der untersten Ringnut befindet und die sich einstellende Wärmeeinflußzone die Oberflanke und die Unterflanke der untersten Ringnut einschließt. Insbesondere bei hoch belasteten Kolben von Brennkraftmaschinen hat sich herausgestellt, dass die Härtung zumindest einer Nutflanke, aber auch beider Nutflanken, der oberen Ringnuten (die dem Zylinderraum zugewandt sind) nicht ausreicht. Für diese Ringnuten sind daher andere Verfahren zum Härten (wie zum Beispiel Laserumschmelzen) erforderlich. Für diesen Fall ist also überraschenderweise die Härtung durch die Wärmeeinflusszone, die sich bei dem Reibschweißverfahren einstellt, ausreichend. Dies gilt allgemein bei der Anwendung beliebiger Bauformen von in diese unterste Ringnut eingesetzte Ringe. Darüber hinaus hat sich auch herausgestellt, dass die Härtung durch die Wärmeeinflusszone, die sich bei dem Reibschweißverfahren einstellt, bei einem dreiteiligen Ölabstreifring besonders wirksam ist, da hierdurch wenn überhaupt ein nur sehr niedriger Verschleiß der aneinander liegenden Oberflächen von Nutflanke und Ölabstreifring gegeben ist.
Das Einbringen einer Ringnut nach dem Fügen von Oberteil und Unterteil mittels des Reibschweißverfahrens kann auf zumindest die beiden im folgenden beschriebenen Verfahren erfolgen.
Entweder wird nach dem Reibschweißen die außen entstehende Reibschweißwulst entfernt (zum Beispiel durch spanabhebende Bearbeitung), so dass eine nahezu glatte Kolbenoberfläche entsteht. Anschließend wird an der Stelle, wo sich die Ringnut befinden soll, diese herausgearbeitet, vorzugsweise durch spanabhebende Bearbeitung mittels eines Stechmeißels im Drehverfahren. Dadurch wird etwa der Mittenbereich der Wärmeeinflußzone entfernt, allerdings bleiben Teile davon im Bereich der somit gehärteten Ober- und/oder Unterflanke der Ringnut bestehen. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass das Werkzeug, insbesondere der Stechmeißel, gezielt geführt werden kann und nicht durch die unregelmäßig geformte Reibschweißwulst verläuft. Es wird somit die Maßhaltigkeit der eingestochenen Ringnut erhöht.
Oder es wird alternativ dazu der vorhandene Reibschweißwulst belassen und durch das Werkzeug, mit dem die Ringnut herausgearbeitet wird, entfernt. Dadurch entfällt der vorhergehende Schritt des Entfernens der Reibschweißwulst. Allerdings muss darauf geachtet werden, dass das Werkzeug, insbesondere der Stechmeißei, bei der Entfernung der Reibschweißwulst nicht verläuft.
Die Erfindung wird im Folgenden näher beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
In Figur 1 ist ein Kolben gezeigt, der aus einem Oberteil 1 und einem Unterteil 2 besteht.
Die Bauform dieser beiden Teile 1 , 2 ist beispielhaft und die Erfindung hierauf nicht beschränkt.
Die beiden Teile 1 und 2 weisen einander zuweisende Fügeflächen auf, die in einer Fügeebene 3 unlösbar mittels eines Reibschweißverfahrens zusammengefügt werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt die Fügeebene 3 etwa mittig zwischen einer Oberflanke und einer Unterflanke einer Ringnut 4. Hier ist die Lage der Fügeebene 3 genau mittig zwischen diesen beiden Flanken, wobei die Lage der Fügeebene 3 auch von dieser mittigen Lage nach oben oder unten (bei Betrachtung der Figur 1) verschoben sein kann. Die Fügeebene 3 kann sogar in der gleichen Ebene, in der die Oberflanke bzw. Unterflanke der Ringnut 4 angeordnet ist, vorgesehen sein.
Durch das Reibschweißverfahren entsteht eine Wärmeeinflusszone 5 (dunkelgrau dargestellt), wobei zunächst nach dem Fügen der beiden Teile 1 , 2 mittels des Reibschweißverfahrens die Ringnut 4 noch nicht vorhanden ist. Diese wird erst durch geeignete Bearbeitung, beispielsweise ein spanabhebendes Verfahren, in die sich einstellende Wärmeeinflusszone 5 eingebracht (z.B. eingestochen). Die Geometrie (Querschnitt) der Ringnut 4 ist dabei so gewählt, dass sie vollständig innerhalb der sich einstellenden Wärmeeinfiusszone 5 befindet. Am Nutgrund der Ringnut 4 bildet sich ein Reibschweißwulst 6, der in einem Kühlkanal 7 angeordnet ist. Der Kühlkanal 7 kann, muss aber nicht, zusammen von dem Oberteil 1 und dem Unterteil 2 gebildet sein. Da nach dem unlösbaren Zusammenfügen dieser beiden Teile 1 , 2 der Innenraum des Kühikanales 7 nicht mehr zur Verfügung steht, verbleibt die Reibschweißwulst 6 in diesem Bereich. Entweder wird die nach außen hin entstehende Reibschweißwulst durch das Einbringen der Ringnut 4 oder vorzugsweise vorher in einem separaten Schritt entfernt. Bei diesem Ausführungsbeispiel befindet sich somit die Fügeebene 3 zwischen der Oberflanke und der Unterflanke der Ringnut 4, wobei sich in diesem konkreten Fall die Fügeebene 3 mittig zwischen der Oberflanke und der Unterflanke der Ringnut 4 befindet. Diese mittige Anordnung der Fügeebene 3 kann auch in Richtung der Oberflanke oder der Unterflanke der Ringnut 4 verschoben sein. Es ist sogar denkbar, dass sich die Fügeebene 3 in der Ebene der Oberflanke der Ringnut 4 oder die Fügeebene 3 in der Ebene der Unterflanke der Ringnut 4 befindet.
In Figur 1 schließt die sich einstellende Wärmeeinflusszone 5 sowohl die Oberflanke als auch die Unterflanke der Ringnut 4 mit ein und erstreckt sich über einen gewissen Bereich auch noch weiter nach oben und nach unten (bei Betrachtung der Figur 1).
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 befindet sich die Fügeebene 3 in der Ebene der Oberflanke der Ringnut 4 und die sich einstellende Wärmeeinflusszone 5 schließt die Oberflanke der Ringnut 4 mit ein.
Gleiches gilt alternativ für den Fall, dass die Fügeebene 3 in der Ebene der Unterflanke der Ringnut 4 sich befindet und sich die einstellende Wärmeeinflusszone 5 die Unterflanke der Ringnut 4 einschließt.
Während bei der vorstehenden Beschreibung davon ausgegangen worden ist, dass die Wärmeeinflusszone zumindest die Unterflanke und/oder die Oberflanke und weitere Bereiche darüber hinaus der Ringnut 4 miteinschließt, schließt selbstverständlich die Wärmeeinflusszone 5 auch den Nutgrund bis in die innenliegende Wandung des Kühlkanales 7 mit ein.
In den Figuren 3 und 4 ist die analoge Situation dargestellt, wie sie in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, jedoch hier bei Anwendung der mittleren Ringnut. Vergleichbares gilt für die Figuren 5 (analog zu den Figuren 2 und 4) und 6 (analog zu den Figuren 1 und 3), bei denen die Lage der Fügeebenen und die sich einstellenden Wärmeeinflusszonen an der untersten Ringnut dargestellt sind. Es versteht sich von selbst, dass ein Kolben mehr als drei oder weniger als zwei Ringnuten aufweisen kann und die Erfindung nicht nur bei einer Ringnut, sondern bei mindestens zwei Ringnuten angewandt werden kann.
In den Figuren ist oben die Härtung der zweiten Nutoberflanke durch das Reibschweißen gezeigt, wobei beim Reibschweißen die Wärmeeinflusszone (WEZ) entsteht.
In der der Figur 5 oder 6 wird insbesondere die Nutoberflanke der dritten (untersten) Ringnut durch das Reibschweißen gehärtet, was besonders vorteilhaft bei einem dreiteiligen Ölring ist.
Bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen ist je nach Bauart der beiden Teile 1 , 2 entweder nur eine einzige Fügeebene 3, in der die Fügeflächen der beiden Teile 1 , 2 vor dem Reibschweißen einander zugewandt sind und anschließend zusammengebracht und unlösbar miteinander verbunden werden, vorhanden. Oder es ist mehr als eine Fügeebene mit entsprechend ausgebildeten und einander zuweisenden Fügeflächen der beiden Teile 1 , 2 vorhanden, wobei die zumindest zwei Fügeebenen in der gleichen Ebene oder in unterschiedlichen Ebenen liegen.
Bei diesen beispielhaften Varianten, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, liegt die Fügeebene der äußeren oder einzigen Reibschweißverbindung zwischen Oberteil und Unterteil nicht mittig in dem Steg zwischen zwei Ringnuten (wie bei der DE 10 2010 033 881 A1), sondern die Reibschweißzone und damit die Wärmeeinflusszone reicht bis in die Ringnut und ggf. auch dahinter liegende Bereiche (bis hin zum Beginn des Kühlkanales) hinein.
Während in den beiden Darstellungen der Figur die Wärmeeinflusszone im Bereich der jeweiligen Nutoberflanke gezeigt ist, kann auch daran gedacht werden, die Wärmeeinflusszone im Bereich einer Nutunterflanke vorzusehen. Auf jeden Fall kann in vorteilhafter Weise der Wärmeeintrag durch den Reibschweißprozess für den anschließenden Härtungsvorgang genutzt werden.
Oberteil
Unterteil
Fügeebene Ringnut
Wärmeeinflußzone

Claims

Patentansprüche
1. Kolben einer Brennkraftmaschine, bestehend aus einem Oberteil (1 ) und einem Unterteil (2), die im Bereich einer Fügeebene (3) unlösbar mittels eines Reibschweißverfahrens zusammengefügt sind, wobei der Kolben zumindest eine umlaufende Ringnut (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fügeebene (3) zwischen der Oberflanke und der Unterflanke der Ringnut (4) befindet und sich eine durch die Anwendung des Reibschweißverfahrens einstellende Wärmeeinflußzone (5) zumindest die Oberflanke und/oder die Unterflanke der Ringnut (4) einschließt.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fügeebene (3) mittig zwischen der Oberflanke und der Unterflanke der Ringnut (4) befindet und die sich einstellende Wärmeeinflußzone (5) die Oberflanke und die Unterflanke der Ringnut (4) einschließt.
3. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fügeebene (3) in der Ebene der Oberflanke der Ringnut (4) befindet und sich die einstellende Wärmeeinflußzone (5) die Oberflanke der Ringnut (4) einschließt.
4. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fügeebene (3) in der Ebene der Unterflanke der Ringnut (4) befindet und sich die einstellende Wärmeeinflußzone (5) die Unterflanke der Ringnut (4) einschließt.
5. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fügeebene (3) mittig zwischen der Oberflanke und der Unterflanke der untersten Ringnut (4) befindet und die sich einstellende Wärmeeinflußzone (5) die Oberflanke und die Unterflanke der untersten Ringnut (4) einschließt.
6. Koiben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fügeebene (3) genau mittig zwischen der zwischen der Oberflanke und der Linterflanke der Ringnut (4) befindet.
7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Fügeebene (3) um weniger oder gleich 30% der Höhe der Ringnut (4) abweichend von der Mitte zwischen der Oberflanke und der Unterflanke der Ringnut (4) befindet.
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