WO2020083885A1 - Kolben für verbrennungsmotoren und herstellungsverfahren dafür - Google Patents

Kolben für verbrennungsmotoren und herstellungsverfahren dafür Download PDF

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WO2020083885A1
WO2020083885A1 PCT/EP2019/078682 EP2019078682W WO2020083885A1 WO 2020083885 A1 WO2020083885 A1 WO 2020083885A1 EP 2019078682 W EP2019078682 W EP 2019078682W WO 2020083885 A1 WO2020083885 A1 WO 2020083885A1
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WO
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piston
axis
blank
machining
bores
Prior art date
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PCT/EP2019/078682
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English (en)
French (fr)
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Ralf Meske
Michael Scherer
Sven Ungermann
Original Assignee
Federal-Mogul Nürnberg GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/10—Connection to driving members
    • F16J1/14—Connection to driving members with connecting-rods, i.e. pivotal connections
    • F16J1/16—Connection to driving members with connecting-rods, i.e. pivotal connections with gudgeon-pin; Gudgeon-pins
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/10—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass pistons
    • 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 

Definitions

  • the present invention relates to pistons for
  • Pistons for gasoline and diesel engines usually have a shaped hole in the piston hub to prevent excessive
  • a conically cut hub is usually used, i.e. the lower hub length is shorter than the upper hub length (in the present case the lower side denotes the side which is away from the piston crown, while the upper side is the side which is directed towards the piston crown).
  • the piston hub is realized in the prior art as a continuous bore in order to ensure the coaxiality of the two hub sides.
  • the corresponding form drilling is carried out by turning, with conventional Lathes the lower hub shape must correspond to the upper one, ie the hub surface is formed by rotating a profile curve around the bore axis and a cut perpendicular to the bore axis results in a circular shape with a radius defined by the profile curve. Due to the
  • Piston hub differs. Since the design of the piston hub is carried out primarily for reasons of strength under ignition pressure, the lower piston hub can be under
  • Centrifugal load is a critical load on the edge
  • the deflection can be variably defined depending on the angle. In principle, this makes it possible to close non-rotationally symmetrical shaped bores
  • the invention aims to reduce the disadvantages mentioned.
  • a piston for an internal combustion engine has two piston hubs.
  • Such a piston can be a piston for diesel engines, but also for gasoline engines.
  • the piston hubs are those parts of the piston which are designed to receive a piston pin and which are used when such a piston pin is used
  • Piston connect the piston to the connecting rod.
  • Piston hubs are essentially constant
  • Piston hubs in the part in which they receive the piston pin have a cross section that does not widen or narrow significantly or change in any other way in the direction of the piston hub.
  • This essentially constant cross-section does not have to extend through the entire piston hub - it is sufficient if this essentially constant cross-section only extends over the area through which the piston pin is received and held when the piston is used.
  • such a piston is essentially cylindrical and has an axis which extends along the axis of the cylinder. A plane perpendicular to this axis is defined as the reference plane of the piston.
  • the center lines of the piston hubs are inclined with respect to the reference plane.
  • the center lines of the piston hub are understood to mean a line which is defined by those parts of the piston hub which have a substantially constant cross section.
  • the inclination of the center lines is preferably such that the piston hubs are inclined away from the piston crown when moving away from the piston crown
  • Center lines of the piston hubs with respect to the reference plane are in the range from 0.02 ° to 1 °, particularly preferably in the range from 0.02 ° to 0.5 °. Simulations have shown the suitability of this angular range.
  • the invention is intended for all types of pistons, i.e. both petrol pistons and diesel pistons.
  • the primary pistons i.e. both petrol pistons and diesel pistons.
  • diesel pistons which typically consist of steel or an aluminum alloy
  • the two center lines of the two piston hubs enclose the same angle with the reference plane.
  • center lines of the two piston hubs are mirror-symmetrical to one another with respect to a plane that contains the axis of the piston.
  • this plane would be a plane that extends centrally between the two piston hubs and is perpendicular to the two piston hubs.
  • the piston hubs have an oval profile in cross section. With such an oval profile, the stress that occurs in the piston can be reduced, which for the
  • a piston according to the invention for an internal combustion engine is defined in a coordinate system KSo as follows:
  • the axis z 0 corresponds to the axis of a piston
  • Piston crown The axis x 0 points in the direction of the pressure side, the axis y0 points in the direction of the front side.
  • the bolt plane be defined, which is displaced parallel to the y 0 z 0 plane by a dimension d, the bolt offset, in the x 0 direction.
  • the xoyo _ plane is referred to as the eye plane (hub plane), the xo z o plane as the running plane.
  • Piston hub Two points A and B are defined on this straight line, each of which is half the length of the bolt from the running plane. These points mark the end of the piston hub and the beginning of the grooves for the
  • Coordinate system KS 1 , KS 2 defined, with the z-axis pointing from A or B to C and the r-axis lying in the bolt plane and pointing towards the piston crown.
  • Edge stress on the lower piston hub can be excluded.
  • a profile hole is defined in the interval [0, L B ], where L B defines the length of the bolt hole.
  • the profile bore runs from the starting points of the two bolt bores A and B in direction C and defines the local radial expansion R as a continuous and convex function f of the axial deflection:
  • z 1 , z 2 define the respective positions along the respective hub axis.
  • R denotes the distance of the respective hub surface from the line AC or BC.
  • a piston can be manufactured according to one of the preceding claims.
  • a piston blank is arranged on a turntable.
  • Such a piston blank is an object from which the finished piston is to be produced.
  • the piston blank is machined from one side of the blank (a shell side in the finished piston) (for example, by turning) to form one of the two piston hubs. Then the
  • Piston blank rotated around the axis of the piston to be manufactured (typically by 180 °). Then he will be on one machined second position from the outside in to form the second of the two piston hubs. Since only one device for machining the piston blank has to be provided, such a method is easier to implement.
  • a piston blank on a platform which can be pivoted about a pivot axis which is perpendicular to the axis of the piston to be manufactured and to the straight line which connects the two piston hubs in the finished piston.
  • a first step of machining the first of the two piston hubs is formed, for which purpose the piston blank is rotated through the angle about the pivot axis. This erosion machining takes place essentially along the direction which extends along the straight line which connects the two piston hubs in the finished piston.
  • This erosion machining also takes place essentially along the direction in which the erosion machining was carried out during the first step. I.e. the direction in which it is removed does not differ apart from the pivoting angle a between the production of the first piston hub and the second piston hub.
  • Such a method is easy to implement, but a corresponding “long” tool is required for the machining.
  • the pivoting takes place through an angle of ⁇ , i.e. the angle of inclination of the piston hubs in relation to the
  • Another manufacturing method according to the invention comprises arranging the piston blank on a platform. However, this can be moved along the axis of the piston to be manufactured. The piston blank is then removed in machined in a direction perpendicular to the axis of the piston to be manufactured to form one of the two piston hubs.
  • the piston blank is moved along the axis of the piston to be manufactured in order to obtain a first one
  • the invention is also achieved by a device which is designed to carry out a method according to one of claims 9-11.
  • Fig. 1 shows a piston according to the invention in a
  • Fig. 2 shows a piston according to the invention in a
  • Fig. 3 shows the piston of Figure 2 in another
  • Fig. 4 shows a piston from the prior art in
  • Fig. 5 shows the warm play of a piston according to the prior art.
  • 6 + 7 show the upper and lower shaped bores of a first piston according to the invention in the cold state (FIG. 6) and in the operating state (FIG. 7), each minus cold or warm play.
  • FIG. 12 shows a third embodiment of a method for producing a piston according to an embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows an overall view of a piston according to the invention. This piston is also shown in sectional views in Figures 2 and 3.
  • the piston 100 has a piston head 110, which at
  • This piston typically has ring grooves which can accommodate piston rings.
  • piston hubs 120 which are designed to receive a piston pin (not shown).
  • these piston hubs each have grooves 130 on their radial ends, which are used for receiving serve of retaining rings that hold the piston pin in the piston hub 120.
  • FIG. 3 indicates how the piston hubs are to be pivoted with respect to the horizontal.
  • Piston hub extends along the straight line that connects points A and B.
  • Points A and B indicate the centers of the cross sections through the piston hub at the points at which the inner edges of the grooves for the locking rings are located.
  • each individual piston hub is inclined downward with respect to this line, as is indicated by lines g 1 and g2.
  • Such a design of the piston hub can by a
  • the inclination angle is typically significantly less than 1 °.
  • the bolt can continue to be mounted on the inside of the expanding bore and the play between the bolt and the hub, although the axes of the hub are no longer arranged coaxially, as is customary in the prior art.
  • FIGS. 4 to 5 shows a finite (heavily oversubscribed, oversubscription factor 50)
  • FIGS. 6 and 7 show the profile of a piston hub in the cold state (FIG. 6) and operating state (FIG. 7) of a piston according to the invention.
  • the operating state is understood to mean the temperatures which occur in the engine when such a piston is used.
  • the upper solid line shows the top of the piston hub, and the lower solid line shows the bottom of the
  • Piston hub The dashed line denotes the axis of the hub.
  • Figure 7 shows the same in operating condition, i.e. at those temperatures that occur in the operating state. It can be clearly seen that in particular the axis in the
  • Operating state runs parallel to the X-axis and that voltages are thus avoided.
  • FIGs 10-12 schematically show manufacturing processes for pistons according to the invention.
  • a piston blank 150 on a turntable (not shown) is arranged.
  • a piston hub 120 ' is produced by means of an inclined feed movement V of an abrasive tool. After the piston hub 120 'has been formed, the blank 150 is rotated through 180 ° (rotation D). Then the second piston hub is manufactured using the same abrasive
  • Figure 11 shows a second embodiment of the invention.
  • a piston blank 160 is arranged on a pivotable platform (not shown).
  • the platform is first tilted by a tilt angle and a piston hub 120 'is produced by a machining V.
  • tilt movement K After the first piston hub 120 'has been formed, the piston is tilted back by a tilt angle -2a (tilting movement K).
  • the second piston hub 120 ′′ is then produced.
  • FIG. 12 shows a third method according to the invention for producing a piston.
  • a piston blank 160 is arranged on a platform, not shown, and a piston hub 120 'is formed by means of a machining V, while the piston blank along a
  • Travel direction F is shifted.
  • the machining is carried out completely horizontally.
  • the piston is then machined in the same direction of removal V in order to remove the second piston hub 120 ′′.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (100) für einen Verbrennungsmotor mit: zwei Kolbennaben (120), die zur Aufnahme eines Kolbenbolzens ausgestaltet sind und einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweisen, wobei der Kolben im Wesentlichen zylindrisch ist und wobei eine Referenzebene des Kolbens senkrecht zu der Achse (70) des Zylinders ist, wobei die Mittellinien (g1, g2)der Kolbennaben (120) in Bezug auf die Referenzebene geneigt sind.

Description

Kolben für Verbrennungsmotoren und Herstellungsverfahren dafür
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Kolben für
Verbrennungsmotoren (d.h. Diesel- oder Ottomotoren) und
Verfahren zu deren Herstellung. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung solcher Kolben.
Technischer Hintergrund
Kolben für Otto- und Dieselmotoren verfügen in der Regel über eine Formbohrung in der Kolbennabe, um eine übermäßige
Belastung der Innenkante der Oberseite der Kolbennabe
aufgrund des Zünddrucks und der Durchbiegung des Kolbens zu vermeiden. Der untere Teil der Kolbennabe wird durch die Fliehkraft beansprucht. Zur Gewichtsreduktion und zur
Verwendung konischer Pleuel wird in der Regel eine konisch abgeschnittene Nabe verwendet, d.h. die untere Nabenlänge ist kürzer als die obere Nabenlänge (vorliegend bezeichnet die untere Seite diejenige Seite, die von dem Kolbenboden weg ist, während die obere Seite diejenige Seite ist, zu dem Kolbenboden hin gerichtet ist) .
Die Kolbennabe wird im Stand der Technik als durchgängige Bohrung realisiert, um die Koaxialität der beiden Nabenseiten sicherzustellen. Die entsprechende Formbohrung wird durch eine Drehbearbeitung durchgeführt, wobei mit konventionellen Drehmaschinen die untere Nabenform der oberen entsprechen muss, d.h. die Nabenfläche wird durch die Rotation einer Profilkurve um die Bohrungsachse gebildet und ein Schnitt senkrecht zur Bohrungsachse ergibt eine Kreisform mit einem über die Profilkurve definiertem Radius. Aufgrund der
thermischen Deformation des Kolbens wird die Mittelachse der beiden Naben im betriebswarmen Zustand jeweils zum
Kolbenboden hin gedreht, wodurch sich die Warmkontur der unteren Kolbennabe deutlich von derjenigen der oberen
Kolbennabe unterscheidet. Da die Auslegung der Kolbennabe primär aus Festigkeitsgründen unter Zünddruckbelastung durchgeführt wird, kann die untere Kolbennabe unter
Fliehkraftbelastung eine kritische Belastung am Rand
aufweisen, wie dies die vorliegenden Erfinder festgestellt haben. Diese gilt es zu vermeiden.
Bekannter Stand der Technik
Beispiele des Standes der Technik sind die DE 10 2005 020 501 Al, WO 2007/115527 A1, DE 101 37 437 A1, WO 2007/025733 A1,
DE 10 2009 056 920 A1, DE 10 2009 036 784 A1 und WO
2005/078321 A1.
Durch Verwendung besonderer Feindrehmaschinen mit
Magnetspindel kann die Auslenkung variabel in Abhängigkeit des Winkels definiert werden. Hierdurch ist es prinzipiell möglich, nicht-rotationssymmetrische Formbohrungen zu
fertigen, wodurch die obere und untere Nabenform voneinander entkoppelt werden können. Entsprechende Herstellungsverfahren werden zum Beispiel in der WO 2007/025733 A1 beschrieben. Mit dieser Technik können bei Bedarf bestimmte Ovalitäten in horizontaler und vertikaler Richtung ausgebildet werden, während in Umfangsrichtung eine geeignete
Überblendungsfunktion zwischen den beiden Formen des oberen Nabenteils und des unteren Nabenteils verwendet wird. Die JP 2018-119444 A offenbart Merkmale, die unter den Oberbegriff des Anspruchs 1 fallen. Darstellung der Erfindung
Den Erfindern ist aufgefallen, dass es bei den Verfahren aus dem Stand der Technik eine nur unzureichende Kompensation der thermischen Dehnung gibt. Dies führt zu einer erhöhten
Flankenbelastung an der Nabenunterseite im Betriebszustand, welche zu vermeiden bzw. zu verringern ist.
Die Erfindung zielt darauf ab, die genannten Nachteile zu reduzieren .
Die Erfindung wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Die Erfindung wird ferner durch die Verfahrensansprüche und durch den Vorrichtungsanspruch definiert .
Erfindungsgemäß weist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor zwei Kolbennaben auf. Bei einem solchen Kolben kann es sich um einen Kolben für Dieselmotoren, aber auch für Ottomotoren handeln. Bei den Kolbennaben handelt es sich um diejenigen Teile des Kolbens, die zur Aufnahme eines Kolbenbolzens ausgestaltet sind und die bei Verwendung eines solchen
Kolbens den Kolben mit dem Pleuel verbinden. Diese
Kolbennaben weisen einen im Wesentlichen konstanten
Querschnitt auf. Hierunter wird verstanden, dass die
Kolbennaben in demjenigen Teil, in dem sie den Kolbenbolzen aufnehmen, einen Querschnitt aufweisen, der sich in Richtung der Kolbennabe nicht wesentlich aufweitet oder verengt oder sich sonstwie verändert. Dieser im Wesentlichen konstante Querschnitt muss sich nicht durch die gesamte Kolbennabe hindurch erstrecken - es reicht aus, wenn sich dieser im Wesentlichen konstante Querschnitt lediglich über denjenigen Bereich erstreckt, durch den bei Verwendung des Kolbens der Kolbenbolzen aufgenommen und gehalten wird. Ein solcher Kolben ist erfindungsgemäß im Wesentlichen zylindrisch und hat eine Achse, die sich entlang der Achse des Zylinders erstreckt. Eine Ebene senkrecht zu dieser Achse wird als Referenzebene des Kolbens definiert.
Erfindungsgemäß sind die Mittellinien der Kolbennaben in Bezug auf die Referenzebene geneigt. Hierbei wird unter den Mittellinien der Kolbennabe eine Linie verstanden, die durch diejenigen Teile der Kolbennaben definiert wird, die einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweisen. Die
Mittellinien erstrecken sich jeweils durch die
Flächenschwerpunkte dieser Querschnitte. Die Neigung der Mittellinien ist bevorzugt so, dass die Kolbennaben von dem Kolbenboden weg geneigt sind, wenn man sich von der
Außenseite des Kolbens entlang der Kolbennabe zur Innenseite des Kolbens bewegt.
Den Erfindern ist aufgefallen, dass durch eine entsprechende Neigung der Mittellinien der Kolbennaben die Spannungen in den unteren Kolbennaben, die im betriebswarmen Zustand unter Fliehkraft wirken, verringert werden können. Hierbei wird die aufwärts, d.h. zum Kolbenboden hin, gerichtete Neigung der Kolbennaben aufgrund der thermischen Ausdehnung ganz oder teilweise kompensiert.
Besonders bevorzugt wird, dass der Neigungswiankel der
Mittellinien der Kolbennaben bezüglich der Referenzebene im Bereich von 0,02° bis 1°, besonders bevorzugt im Bereich von 0,02° bis 0,5° liegt. Simulationen haben die gute Eignung dieses Winkelbereichs gezeigt.
Die Erfindung ist für alle Arten von Kolben gedacht, also sowohl Ottokolben als auch Dieselkolben. Die primäre
Anwendung wären Ottokolben, welche fast immer aus einer
Aluminiumlegierung bestehen. In der Praxis wäre eine
Anwendung auf Dieselkolben, die typischerweise aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung bestehen, auch möglich. Weiterhin wird bevorzugt, dass die beiden Mittellinien der beiden Kolbennaben mit der Referenzebene den gleichen Winkel einschließen.
Weiterhin wird bevorzugt, dass die Mittellinien der beiden Kolbennaben zueinander spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine Ebene sind, welche die Achse des Kolbens enthält. Diese Ebene wäre zum Beispiel eine Ebene, die sich mittig zwischen den beiden Kolbennaben erstreckt und zu den beiden Kolbennaben senkrecht ist.
Optional haben die Kolbennaben im Querschnitt ein ovales Profil. Mit einem solchen ovalen Profil kann die Spannung, die im Kolben auftritt, verringert werden, was für das
Abnutzungsverhalten des Kolbens von Vorteil ist.
Mathematisch formuliert wird ein erfindungsgemäßer Kolben für einen Verbrennungsmotor in einem Koordinatensystem KSo folgendermaßen definiert:
Die Achse z0 entspricht der Achse eines dem Kolben
umschriebenen Zylinders und zeigt in Richtung des
Kolbenbodens. Die Achse x0 zeigt in Richtung der Druckseite, die Achse y0 zeigt in Richtung der Frontseite. Eine
Bolzenebene sei definiert, die parallel zur y0z0-Ebene um ein Maß d, den Bolzenversatz, in x0 Richtung verschoben ist. Die xoyo_Ebene sei als Augenebene (Nabenebene) bezeichnet, die xoZo-Ebene als Laufebene.
Die Schnittgerade zwischen Bolzenebene und Augenebene
definiert bei konventionellen Kolben die Achse der
Kolbennabe. Auf dieser Geraden seien zwei Punkte A und B definiert, die jeweils die halbe Länge des Bolzens von der Laufebene entfernt sind. Diese Punkte kennzeichnen das Ende der Kolbennabe und den Beginn der Nuten für die
Sicherungsringe . Im Gegensatz zum Stand der Technik wird ein Kolben vorgeschlagen, bei dem die beiden Bohrungen der Kolbennabe nicht auf einer durchgängigen horizontalen Achse AB liegen, sondern durch zwei zur Augenebene im gleichen Winkel
geneigte Achsen definiert werden. Diese Achsen verlaufen durch die Punkte A und B und schneiden sich in einem weiteren Punkt C, der sich aufgrund der Symmetrie in der Laufebene befindet. Auf beiden Achsen wird je ein zylindrisches
Koordinatensystem KS1, KS2 definiert, wobei die z-Achse von A bzw. B nach C zeigt und die r-Achse in der Bolzenebene liegt und zum Kolbenboden zeigt.
Die Motivation zur Einführung der geneigten Bohrungsachsen ergibt sich aus der vollständigen oder teilweisen
Kompensation der thermischen Dehnung im betriebswarmen
Zustand, so dass beiden Bohrungsachsen der warmen Kolbennabe weitgehend koaxial sind, wodurch der Nachteil der
Kantenbelastung an der unteren Kolbennabe ausgeschlossen werden kann.
Zur Realisierung der Feinkontur der Bolzenbohrung wird eine Profilbohrung im Intervall [0, LB] definiert, wobei LB die Länge der Bolzenbohrung definiert. Die Profilbohrung verläuft ausgehend vom den Startpunkten der beiden Bolzenbohrungen A und B in Richtung C und definiert jeweils die lokale radiale Aufweitung R als stetige und konvexe Funktion f der axialen Auslenkung :
Figure imgf000008_0001
Hierbei definieren z1, z2 die jeweiligen Positionen entlang der jeweiligen Nabenachse. R bezeichnet den Abstand der jeweiligen Nabenoberfläche von der Linie A-C bzw. B-C.
Die Formbohrungen Ri(zi) und R2(z2) seien konvexe Funktion im Intervall [0, LB] , so dass für alle
Figure imgf000008_0002
[0,Lb] und
Figure imgf000008_0003
[0,1] gilt :
Figure imgf000009_0001
Als Erweiterung der rotationssymmetrischen Bohrung im
geneigten Koordinatensystem wird eine Ovalität a(z) in horizontaler Richtung eingeführt, wobei a(z) die Zunahme des Durchmessers angibt:
Figure imgf000009_0002
Dies bedeutet, dass der Durchmesser in horizontaler Richtung 2*R(z) + a(z) ist, während in vertikaler Richtung ein
Durchmesser von 2*R(z) besteht.
In gleicher Weise wird eine Ovalität in vertikaler Richtung eingeführt :
Figure imgf000009_0003
Weiterhin kann eine allgemeine Ovalität im geneigten
Koordinatensystem durch Definition einer Fourier-Reihe beschrieben werden:
Figure imgf000009_0004
Erfindungsgemäß ist auch ein Herstellungsverfahren für Kolben nach Anspruch 9. Mit einem solchen Verfahren kann ein Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt werden.
Erfindungsgemäß wird hierbei ein Kolbenrohling auf einer Drehscheibe angeordnet. Bei einem solchen Kolbenrohling handelt es sich um ein Objekt, aus dem der fertige Kolben hergestellt werden soll. Der Kolbenrohling wird von einer Seite des Rohlings (einer Mantelseite im fertigen Kolben) aus bearbeitet (zum Beispiel durch eine Drehbearbeitung), um eine der zwei Kolbennaben auszubilden. Anschließend wird der
Kolbenrohling um die Achse des herzustellenden Kolbens gedreht (typischerweise um 180°) . Danach wird er an einer zweiten Position abtragend von außen nach innen bearbeitet, um die zweite der zwei Kolbennaben auszubilden. Da man somit nur eine einzige Vorrichtung zum abtragenden Bearbeiten des Kolbenrohlings vorsehen muss, ist ein solches Verfahren leichter implementierbar.
Alternativ ist es auch möglich, einen Kolbenrohling auf einer Plattform anzuordnen, die um eine Schwenkachse verschwenkbar ist, die senkrecht zur Achse des herzustellenden Kolbens und zu der Geraden ist, welche im fertigen Kolben die beiden Kolbennaben verbindet. Nun wird in einem ersten Schritt des abtragenden Bearbeitens die erste der zwei Kolbennaben ausgebildet, wozu der Kolbenrohling um den Winkel um die Schwenkachse gedreht wird. Dieses abtragende Bearbeiten erfolgt im Wesentlichen entlang der Richtung, die sich entlang der Geraden erstreckt, welche im fertigen Kolben die beiden Kolbennaben verbindet. Sobald das Werkzeug die
Mittelachse des Kolbens erreicht hat, wird der Kolben um die Schwenkachse der Plattform mit dem Winkel -2 a zurück geschwenkt. Es folgt das abtragende Bearbeiten des
Kolbenrohlings, um die zweite der zwei Kolbennaben
auszubilden. Dieses abtragende Bearbeiten erfolgt ebenso im Wesentlichen entlang der Richtung, entlang der das abtragende Bearbeiten während des ersten Schritts erfolgt ist. D.h. die Richtung, in der abgetragen wird, unterscheidet sich bis auf den Schwenkwinkel a nicht zwischen dem Herstellen der ersten Kolbennabe und der zweiten Kolbennabe. Ein solches Verfahren ist leicht implementierbar, wobei jedoch ein entsprechendes „langes" Werkzeug für das abtragende Bearbeiten nötig ist.
Das Verschwenken erfolgt um einen Winkel von ± , d.h. dem Neigungswinkel der Kolbennaben in Bezug auf die
Referenzebene .
Ein weiteres erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren umfasst das Anordnen des Kolbenrohlings auf einer Plattform. Diese ist jedoch entlang der Achse des herzustellenden Kolbens verfahrbar. Der Kolbenrohling wird anschließend abtragend in eine Richtung senkrecht zur Achse des herzustellenden Kolbens bearbeitet, um eine der zwei Kolbennaben auszubilden.
Gleichzeitig dazu wird der Kolbenrohling entlang der Achse des herzustellenden Kolbens verfahren, um eine erste
Kolbennabe auszubilden. Durch die Kombination aus der
Verfahrbewegung entlang der Achse des Kolbens und den
abtragenden Bearbeiten senkrecht zur Kolbenachse ergibt sich in Summe eine schräge Ausrichtung der Kolbennabe, wie dies vorliegend beansprucht wird. Sobald das Werkzeug die
Mittelachse des Kolbens erreicht hat, wird die
Verfahrrichtung des Werkzeugs beibehalten, aber die
Verfahrrichtung des Kolbenrohlings umgekehrt, wodurch die zweite Kolbennabe ausgebildet wird.
Die Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung gelöst, die für das Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9-11 ausgebildet ist.
Kurze Beschreibung der Figuren
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben in einer
Gesamtansicht .
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben in einer
Schnittansicht .
Fig. 3 zeigt den Kolben der Figur 2 in einer anderen
Schnittansicht .
Fig. 4 zeigt einen Kolben aus dem Stand der Technik im
Betriebszustand mit Temperaturfeld und überhöht dargestellter thermischer Deformation.
Fig. 5 zeigt das Warmspiel eines Kolbens gemäß dem Stand der Technik. Fig. 6+7 zeigen die obere und untere Formbohrung eines ersten erfindungsgemäßen Kolbens im Kaltzustand (Figur 6) und im Betriebszustand (Figur 7) jeweils abzüglich Kalt- bzw. Warmspiel.
Fig. 8+9 zeigen die obere und untere Formbohrung eines
zweiten erfindungsgemäßen Kolbens im Kaltzustand (Figur 8) und im Betriebszustand (Fig. 9) jeweils abzüglich Kalt- bzw. Warmspiel.
Fig. 10 zeigt ein erstes Herstellungsverfahren für einen
Kolben nach einer ersten Ausführungsform der
Erfindung .
Fig. 11 zeigt ein zweites Herstellungsverfahren für einen
Kolben nach einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 12 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Kolbens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt eine Gesamtansicht eines Kolbens gemäß der Erfindung. Dieser Kolben ist auch in Schnittansichten in Figuren 2 und 3 gezeigt.
Der Kolben 100 weist einen Kolbenboden 110 auf, der bei
Verwendung die untere Begrenzung des Verbrennungsraums bildet. Dieser Kolben weist typischerweise Ringnuten auf, welche Kolbenringe aufnehmen können. Unterhalb (d.h. weiter vom Kolbenboden 110 entfernt) befinden sich zwei Kolbennaben 120, die zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) ausgestaltet sind.
Wie in Figur 2 zu sehen ist, weisen diese Kolbennaben an ihren radialen Enden jeweils Nuten 130 auf, die zur Aufnahme von Sicherungsringen dienen, die den Kolbenbolzen in der Kolbennabe 120 halten.
In Figur 3 ist angedeutet, wie die Kolbennaben bezüglich der Horizontalen zu verschwenken sind. Eine „klassische"
Kolbennabe erstreckt sich entlang der Geraden, welche die Punkte A und B verbindet. Die Punkte A und B bezeichnen die Mittelpunkte der Querschnitte durch die Kolbennabe an den Punkten, an denen sich die inneren Kanten der Nuten für die Sicherungsringe befinden. Erfindungsgemäß ist jede einzelne Kolbennabe bezüglich dieser Linie nach unten hin geneigt, wie dies durch die Linien g1 und g2 angedeutet ist. Diese
erstrecken sich von den Punkten A bzw. B durch einen Punkt C, der unterhalb der Verbindungslinie zwischen A und B ist. Eine solche Gestaltung der Kolbennabe kann durch eine
konventionelle Feinbearbeitung mit einer jeweils
rotationssymmetrischen Formbohrung durchgeführt werden. Der Neigungswinakel beträgt typischerweise deutlich weniger als 1 ° .
Aufgrund des geringen Neigungswinkels, der zur
Nabeninnenseite sich aufweitenden Formbohrung und dem Spiel zwischen Bolzen und Nabe kann der Bolzen weiterhin montiert werden, obwohl die Achsen der Nabe nicht mehr wie im Stand der Technik üblich koaxial angeordnet sind.
Die Vorteile einer solchen Gestaltung werden im Hinblick auf Figuren 4 bis 5 deutlich werden. Hierbei zeigte Figur 4 eine (stark überzeichnete, Überzeichnungsfaktor 50) finite
Elementesimulation eines Kolbens gemäß dem Stand der Technik mit einer horizontalen Kolbennabe im Betriebszustand.
Es ergeben sich, wie aus der Verformung des Kolbens
erkenntlich ist, Spannungen beim Einsetzen eines geraden, zylindrischen Bolzens insbesondere an der Innenseite am unteren Bereich der Kolbennabe. Dies wird auch aus der Figur 5 deutlich. Die obere durchgezogene Linie zeigt die Verformung der Oberseite der Kolbennabe entlang der
Bolzenachse, während die untere durchgezogene Linie, die sich im Wesentlichen horizontalen entlang der X-Achse erstreckt, die Oberseite des Kolbenbolzens zeigt. Die obere gestrichelte Linie zeigt die Unterseite des Kolbenbolzens, welche sich im Wesentlichen parallel zur Oberseite des Bolzens erstreckt, während die untere gestrichelte Linie die untere Seite der Kolbennabe zeigt. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich aufgrund des unterschiedlichen Verlaufs der Kolbennabe und des Kolbenbolzens Spannungen ergeben, die von den
unterschiedlichen Formen herrühren.
Dass die vorliegende Erfindung diese Effekte zumindest teilweise kompensiert, wird aus Figuren 6 und 7 deutlich, welche das Profil einer Kolbennabe im Kaltzustand (Fig. 6) und Betriebszustand (Fig. 7) eines erfindungsgemäßen Kolbens zeigen. Unter dem Betriebszustand werden die Temperaturen verstanden, die bei Verwendung eines solchen Kolbens im Motor auftreten. Hierbei sind die Kolbennaben symmetrisch um einen Winkel von =0,114° geneigt. In Figur 6 zeigt die obere durchgezogene Linie die Oberseite der Kolbennabe, und die untere durchgezogene Linie zeigt die Unterseite der
Kolbennabe. Die gestrichelte Linie bezeichnet die Achse der Nabe. Figur 7 zeigt das gleiche im Betriebszustand, d.h. bei denjenigen Temperaturen, die im Betriebszustand auftreten. Zu erkennen ist deutlich, dass insbesondere die Achse im
Betriebszustand parallel zur X-Achse verläuft und dass somit Spannungen vermieden werden.
Figuren 8 und 9 zeigen im Wesentlichen das gleiche die
Figuren 6 und 7, wobei jedoch hier ein anderer Neigungswinkel von 0,057° gewählt ist. Auch hierbei ergibt sich eine
geringere Verspannung.
Figuren 10-12 zeigen schematisch Herstellungsverfahren für erfindungsgemäße Kolben. In Figur 10 wird gezeigt, dass ein Kolbenrohling 150 auf einer (nicht dargestellten) Drehscheibe angeordnet wird. Eine Kolbennabe 120' wird mittels einer geneigten Vorschubbewegung V eines abtragenden Werkzeugs hergestellt. Nach dem Ausbilden der Kolbennabe 120' wird der Rohling 150 um 180° gedreht (Drehung D) . Dann wird die zweite Kolbennabe hergestellt mittels der gleichen abtragenden
Bearbeitung V.
Figur 11 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Hierbei wird ein Kolbenrohling 160 auf einer verschwenkbaren Plattform (nicht dargestellt) angeordnet. Die Plattform wird zuerst um einen Kippwinkael verkippt und eine Kolbennabe 120' wird durch ein abtragendes Bearbeiten V hergestellt.
Nach dem Ausbilden der ersten Kolbennabe 120' wird der Kolben um einen Kippwinkel -2a zurückgekippt (Kippbewegung K) .
Anschließend wird die zweite Kolbennabe 120'' hergestellt.
Figur 12 zeigt ein drittes erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Kolbens. Hierbei wird ein Kolbenrohling 160 auf einer nicht dargestellten Plattform angeordnet und eine Kolbennabe 120' wird mittels einer abtragenden Bearbeitung V ausgebildet, während der Kolbenrohling entlang einer
Verfahrrichtung F verschoben wird. Die abtragende Bearbeitung erfolgt vorliegend komplett horizontal. Anschließend wird der Kolben entlang der gleichen Abtragungsrichtung V weiterhin abtragend bearbeitet, um die zweite Kolbennabe 120''
herzustellen. Hierzu wird lediglich die Verfahrrichtung F umgekehrt .

Claims

Ansprüche
1. Kolben (100) für einen Verbrennungsmotor mit:
zwei Kolbennaben mit Bolzenbohrungen (120), die zur Aufnahme eines Kolbenbolzens ausgestaltet sind,
wobei der Kolben im Wesentlichen zylindrisch ist und wobei eine Referenzebene des Kolbens senkrecht zu der Achse (z0) des Zylinders ist,
wobei die Mittellinien (g1, g2) der Bolzenbohrungen (120) in Bezug auf die Referenzebene geneigt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittellinien (g1, g2) der beiden Bolzenbohrungen mit der Referenzebene den gleichen Winkel einschließen und spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine Ebene sind, welche die Achse des Zylinders enthält.
2. Kolben (100) für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, wobei der Neigungswinkel der Mittellinien (g1, g2) der Bolzenbohrungen (120) im Bereich von 0,02° bis 1°, bevorzugt im Bereich von 0,02° bis 0,5° liegt.
3. Kolben (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bolzenbohrungen (120) der Kolbennabe eine
Formbohrung sind, welche durch die folgende Gleichung beschrieben wird:
Figure imgf000016_0001
4. Kolben (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bolzenbohrungen (120) im Querschnitt ein ovales Profil haben.
5. Kolben (100) nach Anspruch 4, wobei die Bolzenbohrungen (120) ein Profil haben, welches durch folgende Gleichung beschrieben wird:
Figure imgf000017_0002
6. Kolben (100) nach Anspruch 4, wobei die Bolzenbohrungen (120) ein Profil haben, welches durch folgende Gleichung beschrieben wird:
Figure imgf000017_0003
7. Kolben (100) nach Anspruch 3, wobei die Bolzenbohrungen (120) ein Profil haben, welches durch die folgende Gleichung beschrieben wird:
Figure imgf000017_0001
8. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Schritten:
Anordnen eines Kolbenrohlings (150) auf einer
Drehscheibe,
abtragendes Bearbeiten (V) des Kolbenrohlings entlang einer Richtung von einer Mantelseite des herzustellenden Kolbens aus nach innen, um eine der zwei Bolzenbohrungen auszubilden,
Drehen (D) des Kolbenrohlings um die Achse des
herzustellenden Kolbens und
daran anschließend abtragendes Bearbeiten des
Kolbenrohlings entlang einer Richtung von einer Mantelseite des herzustellenden Kolbens aus nach innen, um die zweite der zwei Bolzenbohrungen auszubilden.
9. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit folgenden Schritten:
Anordnen eines Kolbenrohlings (160) auf einer Plattform, die um eine Schwenkachse verschwenkbar ist, die senkrecht zur Achse (70) des herzustellenden Kolbens und zu der Geraden ist, welche im fertigen Kolben die beiden Bolzenbohrungen verbindet,
erster Schritt des abtragenden Bearbeitens (V) des
Kolbenrohlings, um eine der zwei Bolzenbohrungen (120) auszubilden, wobei das abtragende Bearbeiten entlang einer Richtung erfolgt, die sich entlang der Geraden erstreckt, welche im fertigen Kolben die beiden Bolzenbohrungen
verbindet,
zweiter Schritt des abtragenden Bearbeitens des
Kolbenrohlings, um die zweite der zwei Bolzenbohrungen auszubilden, wobei das abtragende Bearbeiten entlang der Richtung erfolgt, entlang der das abtragende Bearbeiten während des ersten Schritts erfolgt ist,
bevorzugt mit dem Verschwenken (K) der Plattform um einen Winkel 2a zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt des abtragenden Bearbeitens.
10. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit folgenden Schritten:
Anordnen eines Kolbenrohlings (160) auf einer entlang der Achse (70) des herzustellenden Kolbens verfahrbaren
Plattform,
abtragendes Bearbeiten (V) des Kolbenrohlings in einer Richtung senkrecht zur Achse des herzustellenden Kolbens, um eine der zwei Bolzenbohrungen auszubilden, zusammen mit einer Verfahrbewegung (F) des Kolbenrohlings parallel zur Achse des herzustellenden Kolbens, um eine erste Bolzenbohrungen auszubilden,
anschließend abtragendes Bearbeiten des Kolbenrohlings in der gleichen Verfahrrichtung des Werkzeugs zusammen mit einer Verfahrbewegung (F) des Kolbenrohlings, die
entgegengesetzt zur ursprünglichen Verfahrrichtung des
Kolbenrohlings ist, um die zweite Bolzenbohrungen
auszubilden .
11. Vorrichtung, die für das Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 10 ausgebildet ist.
Figure imgf000019_0001
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