Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kolben mit einem Kühlraum.

Stand der Technik

In Verbrennungsmotoren wird periodisch am Ende eines

Verdichtungstakts und zu Beginn eines Expansionstakts ein Kraftstoffluftgemisch entzündet und verbrannt. Aufgrund der durch die Verbrennung entstehenden hohen Temperaturen wird der Kolben starken Belastungen ausgesetzt. Um daher zu verhindern, dass sich der Kolben in seinen mechanischen Eigenschaften verändert, werden die Kolben im Allgemeinen gekühlt. Hierzu werden die Kolben oft mit Kühlkanälen versehen, durch die Kühlöl über entsprechende Öffnungen ein- und ausgeleitet wird, das dadurch den Kolben kühlt . Das Kühlöl nimmt hierbei die Energie des Kolbens teilweise auf, was zu einer Kühlung führt. Die reduzierte Temperatur führt zu einer erhöhten Belastbarkeit des Kolbens .

Nach dem derzeitigen Stand der Technik (siehe zum Beispiel WO 2009/153237 A1) werden für die Bildung der Kühlkanäle Salzkerne in den Kolben eingegossen, welche hinterher mit Wasser ausgewaschen werden. Die somit entstehenden Hohlräume bilden die Kühlkanäle. Hierbei stellte sich allerdings heraus, dass es nötig ist, zwei Arbeitsschritte vorzunehmen, nämlich zum einen das Einlegen der Salzkerne und zum anderen das Auswaschen dieser nach dem Guss. Es wäre daher aus arbeitsökonomischer Sicht sinnvoll, auf diese Schritte verzichten zu können. Außerdem muss ein Salzkern gesondert hergestellt werden, was zu erhöhten Kosten führt. Ein weiteres Problem, das oft auftritt, ist, dass viele

Kolben in hohen Temperaturbereichen, insbesondere in der Nähe von ihrem Schmelzpunkt, betrieben werden und eine verstärkte Kühlung brauchen. Hierbei stellt sich die Frage, wie es zu erreichen ist, dass diese verbesserte Kühlung bei

gleichzeitig reduzierten Kosten erzielt werden kann.

In verschiedenen Dokumenten werden Verfahren vorgestellt, mit denen Kolben aus mehreren Grundbestandteilen hergestellt werden können.

US 2009/0220820 A1 zeigt einen Kolben, der aus zwei Teilen hergestellt wird, die mittels einer Reibschweißtechnik miteinander verbunden werden.

WO 2009/040617 A2 beschreibt ein ähnliches Verfahren, in dem ebenso zwei Metallteile zu einem kombinierten,

zusammengesetzten Kolben mittels einer Reibschweißtechnik verbunden werden.

WO 2005/060315 A1, JP 2007/270813, DD 92 353, US

2008/0041333 A1 und US 4, 553,472 bilden weiteren Stand der Technik .

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

Herstellungsverfahren für die Herstellung von Kolben mit eingebauten Kühlkanälen zu finden, das sich durch eine im Vergleich zum Stand der Technik verringerte Taktdauer und durch eine erhöhte Kühleffizienz auszeichnet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren. Demzufolge wird ein Kolben für einen Verbrennungsmotor dadurch hergesteilt, dass zwei Teile, die zusammen zumindest einen Kühlraum definieren, der zumindest einen ringförmigen Bereich aufweist und in radialer und/oder axialer Richtung erweitert ist, über Reibschweißen zusammengefügt werden. Ein Vorteil dabei ist, dass auch kompliziertere Kühlkanalformen gegossen werden können. Beim Reibschweißen werden die beiden zu verschweißenden Teile vor dem Verbinden bereits fertig hergestellt und hinterher nur noch an den Punkten, an denen sie miteinander in Kontakt gebracht werden, verbunden.

Dadurch kann auch der zukünftige Innenraum der Kühlkanäle gut gestaltet werden. Im Gegensatz dazu haben Salzkerne den

Nachteil, dass es schwierig ist, mit ihnen filigrane und auch sehr feine Abschnitte der Kühlkanäle zu gestalten, da die Salzkerne nicht die nötige Festigkeit haben und entweder beim Einlegen oder beim Umgießen zerbrechen können, wodurch sich eine schlechte Kühlkanalgestaltung ergibt. Daher ergibt sich die Benutzung des Reibschweißens aus der Aufgabe, Kühlkanäle mit höherer Kühlleistungsfähigkeit zu produzieren. Solche Kühlkanäle zeichnen sich (vgl. Figuren 1 und 2) dadurch aus, dass sie in radialer und/oder axialer Richtung erweitert sind und sich somit über eine größere Breite des Kolbens

erstrecken. Durch diese Verbreiterung und Vergrößerung der Kühlkanäle kann mehr Hitze abgeführt werden.

Die Verbindung der beiden Teile kann, abgesehen von

Reibschweißen („friction welding"), auch durch

Induktionsschweißen („induction welding") erreicht werden. Der Vorteil ist ferner, dass das Einlegen der Salzkerne zumindest für die nicht durch Salzkerne hergestellten

Kühlkanäle nicht mehr nötig ist. Hierdurch werden

Personalkosten gespart, und es kann auch die Taktzeit

reduziert werden da der Gießvorgang automatisiert werden kann .

Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen

Patentansprüchen 2-4 beschrieben. Vorzugsweise zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, das sich der Kühlraum, radial im Wesentlichen über den gesamten Kolbenboden erstreckt. Diese Ausführungsform weist eine gegenüber der herkömmlichen Ringform erheblich erhöhte

Wärmeableitfähigkeit aus, weshalb dieser Kolben eine höhere Lebensdauer im Vergleich zu Kolben nach dem Stand der Technik haben wird und auch für die Benutzung in Motoren, die eine hohe Betriebstemperatur aufweisen, geeignet ist.

Weiterhin wird bevorzugt, dass ein Teil des Kolbens eine Brennraummulde aufweist, deren Kontur im Wesentlichen der des Kühlraums entspricht. Durch die Tatsache, dass die Kontur im Wesentlichen derjenigen des Kühlraums entspricht, findet an der Unterseite des Kolbens eine im Wesentlichen konstante Wärmeleitung von dem Brennraum hin zu der Kühlungsflüssigkeit statt. Dadurch, dass diese Wärmeleitung im Wesentlichen konstant ist, wird auch die Temperatur des Kolbenmaterials in der Brennraummulde im Wesentlichen konstant sein, was dazu führt, dass die Brennraummulde im Wesentlichen thermisch gleich beiastet wird und somit keine durch

Temperaturunterschiede bedingten Verzerrungen auftreten, welche sich in einer verringerten Lebensdauer des Kolbens äußern könnten.

Es ist erfindungsgemäß , dass in axialer Richtung zumindest zwei ringförmige Kühlkanäle ausgebildet werden, die durch zumindest eine weitgehend axiale Verbindung miteinander verbunden sind. Durch diese beiden Kühlkanäle wird eine verbesserte Kühlung des Kolbens erreicht und ferner sind die Kolben durch die Redundanz der Kühlkanäle auch für den Fall einer verringerten Kühlleistung eines dieser Kolben besser abgesichert .

Es ist erfindungsgemäß, dass zumindest ein Kühlkanal

vollständig in einem der beiden Teile des Kolbens ausgebildet ist. Hierdurch wird die Herstellung des Kolbens erleichtert, nämlich dadurch, dass ein Kühlkanal bereits vor dem Reibschweißen hergestellt wurde, weshalb in dem Reibschweißen nur der zweite Kühlkanal ausgebildet werden muss, was sich auch in einer reduzierten Taktzeit widerspiegelt.

Eine letzte bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass ein Teil des Kolbens als ein im Wesentlichen ringförmiger Deckel ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass ein solcher Deckel aufgrund seiner einfachen Gestaltung leicht herzustellen ist und aufgrund der leichten Qualitätsprüfung bedingt durch seine vergleichsweise einfache Form auch von einer konstanten hohen Qualität ausgegangen werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den beiliegenden Zeichnungen zeigen

Figur 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäß

hergestellten Kolbens, und

Figur 2 eine Schnittansicht eines weiteren Kolbens, der

nicht erfindungsgemäß hergestellt worden ist.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung

Eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäß

hergestellten Kolbens für einen Verbrennungsmotor wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

Bevorzugte Ausführungsform

Der erste erfindungsgemäß hergestellte Kolben 10 besteht aus einem Kolbengrundkörper 22, der zwei Kühlkanäle 14 und 16 aufweist, die zusammen den Kühlraum 12 definieren. Die beiden Kühlkanäle 14 und 16 sind im Wesentlichen ringförmig. An der Oberkante des Kolbengrundkörpers 22 ist ein ringförmiger Deckel 24 mittels Reibschweißen stoffschlüssig so angebracht, dass er den oberen Kühikanal 16 verschließt. Durch die stoffschlüssige Verbindung wird der Deckel 24 mit dem

Kolbengrundkörper 22 so verbunden, dass zwischen dem Deckel 24 und dem Kolbengrundkörper 22 kein Schlitz entsteht, durch den Motoröl austreten könnte. Der ringförmige Deckel 24 schließt mit der Brennraummulde 20 ab, welche innerhalb des durch die Kühlkanäle 14 und 16 definierten Ringes liegt. Der Kolben 10 weist ferner ringförmige Nuten 26, welche teilweise durch Ringträger verstärkt sind (Mut 28), auf. Diese Nuten 26 und 28 sind entlang der Umfangrichtung des Kolbens 10 ringförmig ausgebildet und dienen zur Aufnahme von

Kolbenringen. Der Kühlkanal 16 ist in radialer und axialer Richtung von dem Kühlkanal 14 versetzt, insbesondere ist Kühlkanal 16 radial weiter außen als Kühlkanal 14 angebracht und schließt direkt mit dem ringförmigen Deckel 24 ab.

Illustratives Beispiel

Ein Beispiel zum besseren Verständnis wird nun mit Bezug auf Figur 2 beschrieben.

Auch dieser Kolben 10 besteht aus einem Kolbengrundkörper 22, an dem ein zweites Teil 18 mittels Reibschweißen

stoffschlüssig angebracht ist. Zwischen den beiden Teilen 18 und 22 wird ein Kühlraum 12 definiert, welcher zur Aufnahme von einem Kühlmittel, zum Beispiel Öl, vorgesehen ist. Dieser Kühlraum wird in radialer Richtung durch die durch

Reibschweißen hergestellte Verbindung zwischen den Teilen 18 und 22, weiche stoffschlüssig ist, definiert. Durch die stoffschlüssige Verbindung wird das zweite Teil 18 mit dem Kolbengrundkörper 22 so verbunden, dass zwischen den beiden kein Schlitz entsteht, durch den Öl austreten könnte. Radial innerhalb dieser Schweißnaht ist der Kühlraum kontinuierlich ausgebildet, d. h. es gibt, abgesehen von der erwähnten ringförmigen Schweißnaht zwischen dem äußeren Rand des

Kolbens und dem Rand des zweiten Teils, keine weitere Verbindung zwischen Kolbengrundstück 22 und dem zweiten Teil 18. Der Kühlraum 12 ist so gestaltet, dass seine Form im Wesentlichen derjenigen der Brennraummulde 20 entspricht. An den radialen Rändern des Kühlraums 12 weist dieser eine größere Breite auf, und unterhalb dieser Ränder weist der Kühlraum 12 eine axiale Erstreckung auf und ist in Richtung des Kolbenbodens erweitert.

Ferner weist der Kolben mehrere Nuten 26 für die Aufnahme von Kolbenringen auf, von denen eine Nut 28 einen Ringträger aufweist .