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