Kolben in Strukturbauweise

Die Erfindung betrifft einen gewichtsoptimierten Kolben einer Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung eines gewichtsoptimierten Kolbens gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der beiden unabhängigen Patentansprüche.

Bei Kolben für Brennkraftmaschinen ist es immer schon erforderlich, die erforderliche Festigkeit, Dauerhaltbarkeit und das Gewicht in Einklang zu bringen.

Hinsichtlich der Festigkeit und Dauerhaltbarkeit werden Kolben aus geschmiedeten Kolbenrohlingen hergestellt.

Ein Herstellungsverfahren ist aus der DE 10 2004 031 513 A1 bekannt. Hierbei wird ein Kolbenrohling geschmiedet und ein abstehender Kragen umgeformt, um somit die weitestgehend endgültige Form des Kolbens zu erzielen, wobei hinter dem umgeformten Kragen ein Hohlraum entsteht, der beispielsweise als Kühlkanal genutzt werden kann. Nach der Fertigbearbeitung des Kolbenrohlings, insbesondere durch eine Verschweißung des freien Endes des umgeformten Kragens mit dem Grundkörper des Kolbenrohlings und eine Fertigbearbeitung auf Maß, steht der einsatzbereite Kolben zur Verfügung.

Allerdings ist der bekannte Kolben noch nicht hinsichtlich seines Gewichtes optimiert, sodass es Ziel der Erfindung ist, einen solchen Kolben bezüglich seines Gewichtes zu reduzieren, ohne dass darunter die Dauerhaltbarkeit beziehungsweise Festigkeit leidet. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem bekannten Kolben verbesserten Kolben sowie ein entsprechendes verbessertes Verfahren zur Herstellung insbesondere eines gattungsgemäßen Kolbens bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird ein Kolben in einer sogenannten Strukturbauweise zur Verfügung gestellt.

Es wird das Grundkonzept der Herstellung eines Kolbenrohlings bevorzugt im Schmiedeverfahren beibehalten, da dies die bekannten Vorteile hinsichtlich Festigkeit und Dauerhaltbarkeit bietet. Während des Schmiedeverfahrens wird ein abstehender Kragen in an sich bekannter Weise erzeugt, umgeformt und anschließend das freie umlaufende Ende des umgeformten Kragens mit dem Grundkörper des Kolbenrohlings stoffschlüssig, zum Beispiel durch Verschweißen, verbunden. Im bekannten Stand der Technik weist der Kolben drei Ringnuten auf, wobei der Fügebereich etwa in der Mitte der untersten Ringnut liegt.

Die vorstehend erwähnte Strukturbauweise ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenrohling in seinem Innenbereich an bestimmten Stellen mit Rippen versehen wird und gleichzeitig die Bereiche um diese Rippen herum hinsichtlich ihrer Wandstärke (bezogen auf die Wandstärke ohne Rippen) reduziert werden. Die zumindest eine Rippe, vorzugsweise alle Rippen, im Innenbereich des Kolbengrundkörpers und somit des späteren fertigen einsatzbereiten Kolbens bewirken eine Versteifung der Bereiche, in denen sie angeordnet sind. Gleichzeitig ermöglicht diese Versteifung die Herabsetzung der Materialdicke (Wandstärke) um die Rippen herum, sodass zwar in geringfügiger Weise durch das Vorsehen der Rippen Material an diesen Stellen angehäuft wird, jedoch die Gewichtseinsparung dadurch erzielt wird, dass Material um die Versteifungen herum in einem demgegenüber größeren Maße reduziert werden kann.

In Weiterbildung der Erfindung wird alternativ oder ergänzend zu dieser Strukturbauweise des Kolbens mit Versteifungen und gleichzeitiger Wegnahme von Material um die Versteifungen herum eine Ausnehmung im Bereich der inneren Bolzennabe vorgesehen, die sich um den oberen und unteren Scheitelpunkt der Bolzenbohrung herum erstreckt. Es hat sich herausgestellt, dass diese Wegnahme von Material nicht nur zu der gewünschten Gewichtsreduzierung führt, sondern auch die Festigkeit beziehungsweise Dauerhaltbarkeit des Kolbens im Einsatz in der Brennkraftmaschine nicht beeinträchtigt.

In Weiterbildung der Erfindung ist alternativ oder ergänzend dazu vorgehsehen, dass der Fügebereich zwischen das freie umlaufende Ende des umgeformten Kragens und den Kolbengrundkörper in den Bereich zwischen der untersten (dritten) und der mittleren (zweiten) Ringnut gelegt wird. Dadurch kann die Höhe der tragenden Schaftwandabschnitte (Schaftoberlänge) verlängert werden, wodurch die Geräuschentwicklung des Kolbens im Betrieb im Zylinder der Brennkraftmaschine reduziert wird. Außerdem ist es möglich, die Höhe der untersten (dritten) Ringnut zu reduzieren.

Während die vorstehend genannten drei Maßnahmen jeweils für sich alleine betrachtet angewendet werden können, ist es von besonderem Vorteil, wenn zumindest die Strukturbauweise und die Ausnehmung im Innenbereich der Bolzennabe miteinander kombiniert werden, um das Gewicht des fertigen Kolbens gegenüber vergleichbaren Kolben um mindestens 10% bei akzeptablen Betriebssicherheiten zu reduzieren.

Ein Ausführungsbeispiel, an dem die Strukturbauweise und die Ausnehmung an der Innenseite der Bolzennabe erkennbar ist, ist in den Figuren 1 bis 4 gezeigt.

Figur 1 zeigt in einer dreidimensionalen Ansicht einen Kolben 1 von unten, wobei gegenüberliegende tragende Schaftwandabschnitte mit 2 und Verbindungswände, die die tragenden Schaftwandabschnitte 2 miteinander verbinden, mit 3 bezeichnet sind. Jeweils eine Verbindungswand 3 erstreckt sich ausgehend von einer Kolbennabe 4 in Richtung der Seitenkante der tragenden Schaftwandabschnitte 2.

An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass bei der Herstellung dieses Kolbens 1 das Verfahren gemäß der DE 10 2004 031 513 A1 angewendet werden kann, aber nicht angewendet werden muss. Da der Kolbengrundkörper, der den späteren fertigen Kolben 1 bildet, geschmiedet wird, ist darauf zu achten, dass die beteiligten Elemente (wie Schaftwandabschnitte 2, Verbindungswände 3, Kolbennaben 4 und dergleichen) die für den Schmiedevorgang erforderlichen Auszugsschrägen aufweisen. Anstelle eines Schmiedevorganges kann selbstverständlich auch die Herstellung durch einen Gießvorgang in Betracht kommen.

Die Strukturbauweise des Kolbens 1 ist durch zumindest eine Rippe an einer geeigneten Stelle gekennzeichnet.

Bei den Rippen handelt es sich um eine Rippe 5, die an der Innenseite des jeweiligen tragenden Schaftwandabschnittes 2 angeordnet ist, und/oder um eine im Innenbereich die beiden Bolzennaben 4 miteinander verbindenden Rippe 6 und/oder eine quer zu einer Bolzenbohrungsachse verlaufende Rippe 7.

Besonders bevorzugt ist die Kombination der Rippen 5, 6, 7, wie sie in Figur 1 dargestellt sind.

In Kombination oder gegebenenfalls auch alleine kann der Kolben 1 an der nach innen gewandten Seite der Bolzennabe 4 um deren oberen und/oder unteren Scheitelpunkt herum jeweils eine Ausnehmung 8 aufweisen. Durch diese Ausnehmung 8 wird Gewicht eingespart, jedoch die Festigkeit der Bolzennabe 4 nicht beeinträchtigt.

Die vorstehend genannten Maßnahmen sind in Kombination auch in Figur 2 dargestellt. Hierbei ist insbesondere der Verlauf und die Anordnung der Rippe 5 und/oder der Rippe 6 und/oder der Rippe 7 erkennbar. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass es von besonderer Wichtigkeit der Erfindung ist, dass in den Bereichen um die Rippen 5, 6, 7 herum die Wandstärken beziehungsweise die Materialdicke reduziert sind. Bezüglich der tragenden Schaftwandabschnitte 2 ist eingezeichnet, dass um die Rippe 5 herum der tragende Schaftwandabschnitt 2 eine reduzierte Wandstärke RW aufweist.

Zur weiteren Verdeutlichung ist in Figur 2 mit 10 eine Aushebenut und mit 1 1 eine Öffnung für ein Kühlmedium, welches in einen Kühlkanal (hier nicht dargestellt) des Kolbens eingeführt und abgeführt werden kann, bezeichnet. Die Figur 3 basiert auf dem Kolben 1 gemäß Figur 1 , wobei zur Verdeutlichung des Verlaufes der Rippen 5, 6, 7 und deren Übergang in Bereiche mit reduzierter Wandstärke RW Gitternetzlinien eingezeichnet sind.

Gleiches gilt für die Figur 4, die auf dem Kolben 1 gemäß Figur 2 beruht. Hier ist ergänzend noch eingezeichnet und erkennbar, dass um die Öffnung 1 1 herum ein umlaufender Wulst 12 angeordnet ist, wobei in einem Teilberiech um die Öffnung 1 1 herum zusammen mit einem Teilberiech des umlaufenden Wulstes 12 eine Vertiefung (Wanne 13) gebildet ist. Hierdurch kann nicht nur Gewicht reduziert werden, sondern auch Kühlmedium in der Wanne 13 gesammelt werden, wenn dieses bei der Auf- und Abbewegung des Kolbens 1 im Zylinder der Brennkraftmaschine in die Öffnung 1 1 und um diese herum angespritzt wird. Die umlaufende Wulst 12 bewirkt somit eine Versteifung und die Wanne 13 nicht nur eine Materialreduzierung, sondern auch ein Speicherreservoir für das Kühlmedium zwecks weiter verbesserter Kühlung des Kolbens 1 . Mit 14 ist innerhalb des nicht näher dargestellten Kühlkanales ein Strahlteiler bezeichnet, der vorhanden sein kann, aber nicht vorhanden sein muss.

Während in den Figuren 1 bis 4 die beiden möglichen Maßnahmen der Strukturbauweise und der Ausnehmung an der Innenseite der Bolzennabe gezeigt sind, ist in den Figuren 5 und 6 de Veränderung hinsichtlich der Lage des Fügebereiches erkennbar.

Figur 5 zeigt die Situation bei dem Kolben, wie er aus der DE 10 2004 031 513 A1 bekannt ist. Dieser bekannte Kolben weist drei Ringnuten 15, 16, 17 auf, wobei der freie umlaufende Randbereich des umgeformten Kragens stoffschlüssig in einem Fügebereich 18 mit dem Grundkörper des Kolbenrohlings verbunden wird. Dieser Fügebereich 18 liegt im Bereich der untersten (dritten) Ringnut 17.

Im Gegensatz hierzu ist der Kolben 1 nach der Erfindung, wie er in Figur 6 dargestellt ist, dahingehend verändert, dass der Fügebereich 18 in den Bereich zwischen der mittleren (zweiten) Ringnut 16 und der untersten (dritten) Ringnut 17 verlegt worden ist.

Mit 19 ist ein Kühlkanal, der ringförmig hinter dem Ringfeld des Kolbens 1 verläuft, bezeichnet. Bezugszeichenliste

1 Kolben

2 tragender Schaftwandabschnitt

3 Verbindungswand

4 Bolzennabe

5 Rippe

6 Rippe

7 Rippe

8 Ausnehmung

9 Bolzenbohrung

10 Aushebenut

1 1 Öffnung

12 umlaufender Wulst

13 Wanne

14 Strahlteiler

15 Ringnut

16 Ringnut

17 Ringnut

18 Fügebereich

19 Kühlkanal