Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens für eine Brennkraftmaschine, der in seinem Kolbenboden einen Kühlkanal aufweist, wobei sich dem Kolbenboden ein Kolbenunterteil mit Kolbennaben, Bolzenbohrungen und Kolbenschäften anschließt, wobei zunächst ein Kolbengrundkörper mit einem im Bereich des Kolbenbodens radial abstehenden und umlaufenden Kragen hergestellt wird, wobei der Kragen derart umgeformt wird, bis dessen äußere umlaufende Kante sehr nah oder vollständig zur Anlage an einen Anlagebereich des Kolbenunterteiles kommt, um den Kühlkanal zu bilden, und anschließend zumindest eine Ringnut eingebracht wird, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 .

Die vorliegende Erfindung basiert auf einem Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens für eine Brennkraftmaschine und einem danach hergestellten Kühlkanalkolben, der in seinem Kolbenboden einen Kühlkanal aufweist, wobei sich dem Kühlkanalboden ein Kolbenunterteil mit Kolbennaben, Bolzenbohrungen und Kolbenschäften anschließen, wobei zunächst ein Kolbenrohling mit einem im Bereich des Kolbenbodens radial abstehenden und umlaufenden Kragen hergestellt und anschließend der Kragen umgeformt wird, wobei in einem Übergangsbereich zwischen dem Kolbenboden und dem Kolbenunterteil ein Anlagebereich für den Kragen geformt und der Kragen derart umgeformt wird, bis dessen äußere radial umlaufende Kante sehr nahe oder vollständig zu Anlage an den Anlagebereich kommt, um einen geschlossenen Kühlkanal zu bilden.

Ein solches Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens und ein danach hergestellter Kühlkanalkolben ist aus der DE 10 2004 031 513 A1 bekannt.

Der danach hergestellte Kühlkanalkolben weist drei Nuten auf, wobei für den einsatzbereiten Kolben in diese drei Ringnuten in bekannter Weise Ringe eingesetzt sind.

Figur 1 zeigt einen nach dem Verfahren, welches in der DE 10 2004 031 513 A1 beschrieben ist, hergestellten Kühlkanalkolben 1 . Dieser Kühlkanalkolben 1 weist einen Kolbengrundkörper 2 auf, bei dem der radial abstehende und umlaufende Kragen 3 schon um etwa 90° umgeformt und mit drei Ringnuten 4 versehen worden ist. Die umlaufende äußere Kante des Kragens 3 kommt zur Anlage an ein Kolbenunterteil 5, sodass dadurch ein bis auf zumindest eine Zulauf- und zumindest eine Ablauföffnung geschlossener Kühlkanal 6 entsteht. Die Anlage zwischen der unteren umlaufenden Kante des umgeformten Kragens 3 und dem Kolbenunterteil 5 erfolgt zumindest teilweise umlaufend, ggf. vollständig umlaufend um den Umfang des Kühlkanalkolbens 1 im Bereich einer Trennebene 7.

Bei dem bekannten Verfahren erfolgt eine Verschweißung der beiden aneinander anliegenden Bereiche um die Trennebene 7 herum. Nach diesem Vorgang erfolgt eine Überarbeitung des Kühlkanalkolbens 1 , der bis hierhin noch nicht betriebsbereit war und deshalb auf Maß gebracht werden muss, insbesondere durch Entfernung von Schweißnähten im Bereich der Trennebene 7. Erst danach steht der betriebsfertige Kühlkanalkolben 1 zur Verfügung, sodass er mit weiteren Elementen (insbesondere Einsetzen von Ringen in die Ringnuten 4) versehen und anschließend montiert werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren weiter zu gestalten und einen nach diesem Verfahren hergestellten Kühlkanalkolben hinsichtlich seiner Funktionalität zu verbessern.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass unterhalb der zumindest einen Ringnut, insbesondere der untersten Ringnut, in die später ein Ring eingesetzt wird, eine ringfreie Nut gebildet wird, wobei eine Trennebene zwischen der äußeren umlaufenden Kante des umgeformten Kragens und einer Oberseite des Kolbenunterteils in der ringfreien Nut liegt.

Nach der Erfindung ist somit die Trennebene zwischen dem Ringfeld (genauer dessen unterer Kante des umgeformten Kragens) zu dem nach oben weisenden Ende des Kolbenschaftes in eine umlaufende Nut verlegt, die frei von einem dort eingesetzten Ring ist. Es wird also zusätzlich zu den schon vorhandenen zwei, drei oder mehr Ringnuten, in die Ringe eingesetzt sind, eine weitere ringfreie Nut geschaffen, die unterhalb der an sich bekannten Ölringnut angeordnet ist. Die Verlegung der Trennebene (Anlagebereich) erfolgt mit dem Zweck, dass in dem Bereich der zusätzlichen ringfreien Nut gefügt werden kann und damit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Ringfeld und dem Kolbenschaft herzustellen, wobei in vorteilhafter Weise der Fügevorgang in einem Bereich erfolgt, der frei von einem Ring ist, so dass dort nach dem Fügen keine Bearbeitung oder eine geringfügige Bearbeitung zur Entfernung von Fügewülsten erfolgen kann. Außerdem befindet sich die Fügeebene bzw. der darum liegende Fügebereich nicht in einer stark belasteten Ringnut, so dass dadurch der Verschleiß vermindert und die Festigkeit des Kühlkanalkolbens erhöht wird. In besonders vorteilhafter Weise wird die Erfindung bei einem Kolben mit drei Nuten mit dort jeweils eingesetzten Ringen angewandt und es ist unterhalb der untersten Ringnut (Ölringnut) die vierte umlaufende Nut, in der sich der Fügebereich befindet, vorhanden.

Durch die Verlegung des Fügevorganges in eine weitere, insbesondere vierte Nut, werden negative Wirkungen, die sich sowohl bei der Bearbeitung (Fügevorgang, bei dem Stahlbrüche durch nicht komplett aufgefüllte Schweißnähte auftreten) als auch bei der Qualität der Nuten (Poren im Nutgrund, an den Nutflanken und der Nutkante) ergeben, wirksam vermieden.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zu Herstellung eines Kühlkanalkolbens und einen danach hergestellten Kühlkanalkolben, bei dem eine Trennebene zwischen Ringfeld und Kolbenschafft in eine unterhalb der Ölringnut zusätzlich vorgesehene umlaufende Nut ohne Ring verlegt wird.

In Weiterbildung der Erfindung wird der Kragen derart ausgebildet und umgeformt, dass im Bereich der Trennebene zwischen der äußeren umlaufenden Kante des umgeformten Kragens und einer Oberseite des Kolbenunterteils ein Spalt entsteht. Durch einen solchen Spalt kann das an der Zylinderwand während der Bewegung des Kühlkanalkolbens sich ansammelnde Öl in Richtung eines Innenbereichs des Kühlkanals abgeführt werden. Ergänzend oder alternativ kann auch Kühlöl, welches sich im Innenbereich des Kühlkanalkolbens befindet und in den Kühlkanal eingespritzt und aus diesem wieder herausbewegt wird, über den Spalt in Richtung der Zylinderwand gefördert werden, um die Reibung zu verbessern. Über die weitere ringfreie Nut kann somit Öl gesammelt und abgeführt oder zugeführtes Öl in Richtung der Zylinderwand gefördert werden. Der Spalt kann durchgehend in nur einer Ebene oder auch in zumindest zwei oder mehr als zwei verschiedenen Ebenen (vorzugsweise horizontal und vertikal) vom Äußeren des Kühlkanalkolbens in Richtung seines Innenbereiches verlaufen.

In Weiterbildung der Erfindung wird der Kragen derart ausgebildet und umgeformt, dass im Bereich der Trennebene die äußere umlaufende Kante des umgeformten Kragens an die Oberseite des Kolbenunterteils zur Anlage kommt. Dadurch wird ein Spalt vermieden und somit der Anlagebereich im Bereich der Trennebene vollständig geschlossen. Dadurch wird, soweit erforderlich, wirksam vermieden, dass Öl aus dem Innenbereich des Kühlkanalkolbens in Richtung der Zylinderwand gefördert wird. Außerdem erhöht sich dadurch wesentlich die Sammelwirkung von Öl unterhalb der untersten Ringnut, in die insbesondere ein Ölabstreifring eingesetzt ist, durch die weitere ringfreie Nut deutlich.

In Weiterbildung der Erfindung wird die ringfreie Nut durch einen spanabhebenden Bearbeitungsprozess gebildet. Nach dem der zunächst radial abstehende und umlaufende Kragen umgeformt worden ist und dabei den Kühlkanal bildet, wird die ringfreie Nut unterhalb der untersten (bzw. einzigen) Ringnut durch spanabhebende Bearbeitung erzeugt, insbesondere durch einen Einstichprozess. Dieser kann erfolgen, unabhängig davon, ob im Bereich der Trennebene ein Spalt vorhanden ist oder die umlaufende untere Kante des Kragens zur Anlage an die Oberseite des Kolbenunterteils gekommen ist.

Alternativ oder ergänzend dazu wird die ringfreie Nut durch einen spanlosen Bearbeitungsprozess gebildet. Durch einen solchen spanlosen Prozess (zum Beispiel Einwalzen, Einpressen oder dergleichen) lässt sich Material einsparen und das Entstehen von Spänen vermeiden. Außerdem wirkt sich ein solcher spanloser Bearbeitungsschritt vorteilhaft auf die Gefügestruktur des Materials um den Spalt herum aus.

Alternativ oder ergänzend zu der spanlosen oder spanabhebenden Herstellung der ringfreien Nut wird diese durch eine Formgebung der äußeren umlaufenden Kante des umgeformten Kragens und einer Oberseite des Kolbenunterteiles gebildet. Zum einen ist es denkbar, die umlaufende untere Kante des Kragens und den korrespondierenden Bereich des Kolbenunterteiles so zu gestalten, dass nach dem Umformvorgang die ringfreie Nut (mit oder ohne Spalt im Bereich der Trennebene) gebildet ist. Dadurch lässt sich auf sehr einfache Art und Weise diese ringfreie Nut erzeugen. Sollte es erforderlich sein, insbesondere aufgrund von Toleranzen der beteiligten Anlagebereiche bzw. aufgrund der Umformung, kann daran zum anderen gedacht werden, die ringfreie Nut nicht nur durch eine entsprechende Formgebung der beteiligten Bereiche, sondern auch ergänzend durch einen weiteren spanabhebenden Bearbeitungsprozess zu bilden. Durch einen solchen spanabhebenden Bearbeitungsprozess werden die erforderlichen Toleranzen erzielt, wobei gleichzeitig aufgrund der entsprechenden Formgebung dieser Bearbeitungsprozess verkürzt werden kann, da weniger Material abgetragen werden muss, als wenn die vollständige ringfreie Nut ausgestochen werden müsste.

Daher ist es von besonderem Vorteil, wenn in Weiterbildung der Erfindung die ringfreie Nut durch eine Formgebung der äußeren umlaufenden Kante des umgeformten Kragens und einer Oberseite des Kolbenunterteils und einem anschließenden spanabhebenden Bearbeitungsprozess gebildet wird.

In Weiterbildung der Erfindung wird im Bereich der Trennebene zwischen der äußeren umlaufenden Kante des umgeformten Kragens und einer Oberseite des Kolbenunterteils ein Fügevorgang durchgeführt. Damit können sich die angrenzenden Bereiche aufeinander abstützen, was zu einer gleichmäßigen Einleitung der auf den Kolbenboden wirkenden Kräfte in Richtung des Kolbenunterteiles vorteilhaft auswirkt.

Alternativ oder ergänzend zu einer stoffschlüssigen Verbindung kommen auch formschlüssige Verbindungen in Betracht. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Feder-Nut-Verbindung handeln, wobei eine (zum Beispiel von der Stirnfläche der äußeren umlaufenden Kante des umlaufenden Kragens abstehende) Feder (Vorsprung) in eine (zum Beispiel im korrespondierenden Kolbenunterteil vorhandene) Nut eingreift (oder umgekehrt), wenn der Kragen umgeformt worden ist. Andere Geometrien als die beschriebene Feder-Nut-Geometrie sind ebenfalls denkbar.

In Weiterbildung der Erfindung wird der Fügevorgang als ein Schweißprozess, ein Lötprozess, ein Klebevorgang oder dergleichen durchgeführt. Mittels eines solchen Schweiß- oder Lötprozesses lassen sich die angrenzenden Bereiche schnell und stoffschlüssig sowie prozesssicher miteinander dauerhaft verbinden. Gleiches gilt für einen Klebevorgang mittels eines Klebers, der entsprechend temperaturbeständig ausgelegt sein muss.

In Weiterbildung der Erfindung wird ein bei der Durchführung des Schweißprozesses entstehender Schweißwulst entfernt. Dies erfolgt entweder durch Überarbeitung der äußeren Oberfläche des Rohlings des Kühlkanalkolbens nach Durchführung des Fügevorgangs und anschließender Einbringung der ringfreien Nut (insbesondere durch einen spanabhebenden Bearbeitungsprozess) oder ohne vorherige Überarbeitung der Oberfläche des Rohlings des Kühlkanalkolbens, sodass ein entstandener Schweißwulst durch Einbringung der ringfreien Nut gelichzeitig mitentfernt wird. Gleiches gilt für Überschüsse, die bei dem Lötprozess oder dem Klebevorgang entstehen.

Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Kühlkanalkolben ist in den Figuren 2 bis 5 dargestellt und im Folgenden beschrieben.

Auch ein Kühlkanalkolben 10 gemäß des Ausführungsbeispieles beruht bei seiner Herstellung auf dem Verfahren, welches in der DE 10 2004 031 513 A1 beschrieben ist.

Der Ausschnitt des Kühlkanalkolbens 10, wie er in der Figur 2 dargestellt ist, beruht auch wieder darauf, dass zunächst von einem Kolbengrundkörper 20 ein radial abstehender und umlaufender Kragen vorgesehen ist. In einem geeigneten Verfahrensschritt wird dieser zunächst abstehende Kragen umgeformt, sodass er in Bezug auf die Kolbenhubachse von seiner zunächst etwa senkrecht dazu abstehenden Ausrichtung in eine etwa parallele Ausrichtung umgeformt wird. Der Kragen wird somit etwa um einen Winkel von 90° „umgeklappt", sodass ein umlaufender umgeklappter Kragen 30, wie er in Figur 2 dargestellt ist, von dem Kolbengrundkörper 20 ausgeht. Im Bereich des umgeklappten Kragens 30 wird zumindest eine Ringnut 40 (hier in dem Ausführungsbeispiel 3 Ringnut 40) zu einem gegebenen Zeitpunkt eingebracht. Der Kolbengrundkörper 20 weist außerdem ein Kolbenunterteil 50 auf, sodass von dem Kolbengrundkörper 20 zusammen mit dem Kolbenunterteil 50 und dem umgeklappten Kragen 30 ein Kühlkanal 60 gebildet wird.

Durch die Umformung des Kragens 30 kommt es zu einer Annäherung oder einer Anlage der umlaufenden unteren Kante des Kragens 30 und der Oberseite des Kolbenunterteils 50 im Bereich einer Trennebene 70. Die einander korrespondierenden Bereiche des Kragens 30 und des Kolbenunterteils 50 bilden im Bereich der Trennebene entweder einen Spalt oder, wie in Figur 2 dargestellt, kommen sie in diesen Bereich der Trennebene 70 zur Anlage.

Im Unterschied zu dem bekannten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 , bei dem die Trennebene 7 entweder in einer Ringnut 4 oder unterhalb der untersten Ringnut 4 lag, ist gemäß dem Ausführungsbeispiel und nach der Erfindung die Trennebene 70 in den Bereich einer ringfreien Nut 80 gelegt. Diese ringfreie Nut 80 ist durch Formgebung der unteren umlaufenden Kante des Kragens 30 und der korrespondierenden Oberseite des Kolbenunterteiles 50 gebildet und/oder wird durch einen entsprechenden Bearbeitungsschritt, insbesondere einen spanabhebenden Bearbeitungsprozess, eingebracht. Somit zeigt der Ausschnitt des Kühlkanalkolbens 10, wie er in Figur 2 dargestellt ist, prinzipiell schon einen weitestgehend fertigen einsatzbereiten Kühlkanalkolben 10 (wobei zu unterstellen ist, dass eine Überarbeitung stattgefunden hat, um den Kühlkanalkolben 10 auf Maß zu bringen). Es kann jedoch auch daran gedacht werden, im Bereich der Trennebene 70 einen weiteren stoffschlüssigen Fügeprozess, wie z.B. einen Schweißprozess, durchzuführen. Zur Verdeutlichung dieses weiteren Bearbeitungsschrittes wird auf die Figur 3 verwiesen. Es wird davon ausgegangen, dass der Kühlkanalkolben 10 nach der Umformung des Kragens 30 den Zustand einnimmt, wie er in Figur 2 dargestellt ist. Anschließend erfolgt der stoffschlüssige Fügeprozess im Bereich der ringfreien Nut 80 (basierend auf Figur 2), wobei ein dabei entstehender Schweißwulst nicht dargestellt ist. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dieser Schweißwulst entfernt (und, falls nicht schon vorhanden, die ringfreie Nut 80 eingebracht), sodass der Kühlkanalkolben 10 im Bereich der ringfreien Nut 80 die Form erhält, wie sie in Figur 3 dargestellt ist. Anschließend erfolgt eine abschließende Überarbeitung des derart bereitgestellten Kühlkanalkolbens 10, um ihn auf Maß zu bringen, damit er in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine eingebaut werden kann.

Die Figuren 4 und 5 zeigen schließlich einen solchen fertigen betriebsbereiten Kühlkanalkolben 10. Es ist erkennbar, dass dieser Kühlkanalkolben 10 in seinem Kolbenboden 90 den Kühlkanal 60 aufweist (und ggf., wie dargestellt, eine Brennraummulde), wobei sich dem Kolbenboden 90 das Kolbenunterteil 50 mit in an sich bekannter weise Kolbennaben 100, Bolzenbohrungen 1 10 und Kolbenschäften 120 anschließen. Mit 130 ist eine Kolbenhubachse bezeichnet, wobei senkrecht dazu durch die Bolzenbohrungen 1 10 eine nicht näher bezeichnete Bolzenbohrungsachse verläuft.

Unter„Ringnut" ist eine solche umlaufende Nut zu verstehen, die sich einem Ringfeld des Kühlkanalkolbens befindet und in die ein Kolbenring (zum Beispiel ein Ölabstreifring) eingesetzt wird.

Unter „äußere umlaufende Kante" des umlaufenden Kragens ist insbesondere diejenige Stirnfläche zu verstehen, die vor der Umformung des von dem Kolbengrundkörper abstehenden Kragens radial nach aussen weist und die nach seinem Umformen bei Betrachtung der Kolbenhubachse nach unten (in Richtung des Kolbenschaftes) weist.

Bezugszeichenliste

1 . Kühlkanalkolben

2. Kolbengrundkörper

3. Umlaufender Kragen

4. Ringnut

5. Kolbenunterteil

6. Kühlkanal

7. Trennebene

10. Kühlkanalkolben

20. Kolbengrundkörper

30. Umlaufender Kragen

40. Ringnut

50. Kolbenunterteil

60. Kühlkanal

70. Trennebene

80. Ringfreie Nut

90. Kolbenboden

100. Kolbennabe

1 10. Bolzenbohrung

120. Kolbenschaft

130. Kolbenhubachse