Substitution der Innenform bei einem Kolben für eine Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft die Innenform eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Herstellung des Kolbens, gemäß den Merkmalen der jeweiligen Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche.

Aus der DE 29 19 638 A1 ist ein aus einem Ober- und einem Unterteil bestehender, mit einem oder mehreren im Bereich ihrer Trennebene liegenden Kühlkanälen versehener Kolben für Brennkraftmaschinen bekannt, dessen aus geschmiedetem Stahl bestehendes Oberteil sich mit seinen auf der Unterseite verlaufenden Rippen auf den gegenüberliegenden Flächen des Unterteils abstützt. Das Kolbenunterteil weist einen Innenkühlkanal mit einer Abiaufbohrung sowie eine sehr aufwendige darunterliegende Geometrie auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung des Innenraumes eines Kolbens zu vereinfachen und die Masse des Kolbens zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und einen Kolben mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Innenraum bzw. die Innenform (auch als Innenbereich des Kolbens zum Beispiel unterhalb des Kolbenbodens oder einer Brennraummulde und oberhalb eines Kolbenbolzens bezeichnet) durch eine Drehbearbeitung spanend aus einem Kolbenunterteil herausgearbeitet. Durch die Entfernung von Material, insbesondere Stahl, aus diesem Bereich reduziert sich die Masse des erfindungsgemäßen Kolbens gegenüber Kolben mit einer Innenform insbesondere aus Stahl ohne diese Materialentfernung. Durch die Drehbearbeitung wird das Material über dem Bolzenauge kostengünstig herausgearbeitet. In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Innenform zur Bildung eines Kühlraumes mit einem Verschlusselement versehen wird. Um einen insbesondere inneren Kühlraum zu erhalten, wird der Innenraum nach der Bearbeitung mit einem Verschlusselement verschlossen. Der innere Kühlraum kann, muss aber nicht zumindest über eine Zulauf- und/oder zumindest eine Ablauföffnung für ein Kühlmedium zugänglich sein. Diese zumindest eine Ablauf- und/oder Zulauföffnung, die als Bohrung ausgeführt sein kann, befindet sich im den Bereich des Innenraums umgebenden Kolbenmaterial. Alternativ oder ergänzend wird die zumindest eine Ablauf- und/oder Zulauföffnung durch das Verschlusselement gebildet.

Das Verschlusselement weist in einer Ausgestaltung die Form einer kreisrunden Scheibe mit einer zentralen Öffnung für die Durchströmung des Kühlmediums auf.

In einer weiteren Ausgestaltung wird ein Hohlraum im Innenbereich eines Rohlings für das Kolbenunterteil zur Herstellung des Kolbens durch Gießen erzeugt. Durch eine anschließende Drehbearbeitung entsteht eine Innenform. Der Rohling ist somit durch die weniger komplexe Geometrie einfacher und kostengünstiger im Gießverfahren herstellbar. Die erfindungsgemäße Innenform bzw. der Innenraum kann durch ein Verschlusselement verschlossen werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird ein Hohlraum im Innenbereich eines Rohlings für das Kolbenunterteil zur Herstellung des Kolbens durch Schmieden erzeugt. Durch eine anschließende Drehbearbeitung wird eine Innenform erzeugt. Der Rohling ist somit durch die weniger komplexe Geometrie einfacher und kostengünstiger als Alternative zum Gießverfahren im Schmiedeverfahren herstellbar. Diese erfindungsgemäße Innenform kann durch ein Verschlusselement verschlossen werden.

Das Verschlusselement zum Bilden und Verschließen des Hohlraumes bzw. des Innenraumes kann aus unterschiedlichen Materialien gefertigt werden, die den mechanischen, thermodynamischen und strömungstechnischen Anforderungen an den Kolben während des Betriebes in der Brennkraftmaschine genügen. Beispielsweise kann das Verschlusselement aus Metallen wie Stahl, Aluminium, Legierungen daraus, hochwarmfesten Kunststoff oder Gummi gefertigt werden. Das Verschlusselement kann kraft-, form- oder stoffschlüssig an dem Unterteil des Kolbens festgelegt werden. Beispielsweise erfolgt dies durch kleben, verschrauben, klemmen oder verschweißen.

Das Kolbenunterteil und das Kolbenoberteil können kraft-, form- und/oder stoffschlüssig zunächst zu einem Kolbenrohling zusammengefügt werden. Der danach bearbeitete Kolbenrohling bildet dann einen einstückigen betriebsbereiten Kolben. Alternativ ist es denkbar, dass zunächst der Kolbenrohling und dann auch der daraus hergestellte fertige Kolben bearbeitet werden und dabei immer einstückig ausgebildet ist.

Unter Drehbearbeitung wird insbesondere Drehen als Spanen mit geschlossener, meist kreisförmiger Schnittbewegung und beliebiger, quer zur Schnittrichtung liegender Vorschubbewegung verstanden. Die Drehachse der Schnittbewegung behält vorzugsweise ihre Lage zum Werkstück unabhängig von der Vorschubbewegung bei.

Unter spanender Bearbeitung wird Trennen, bei dem von einem Werkstück mit Hilfe der Schneiden eines Werkzeuges Werkstoffschichten in Form von Spänen zur Änderung der Werkstückform und/oder Werkstückoberfläche mechanisch abgetrennt werden, verstanden. Beim Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden wird ein Werkzeug verwendet, dessen Schneidenanzahl, Geometrie der Schneidkeile und die Lage der Schneiden zum Werkstück bestimmt sind.

Erfindungsgemäß ist auch noch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen vorgesehen, insbesondere eines Kühlkanalkolbens, aufweisend ein Kolbenunterteil und ein Kolbenoberteil, wobei eine Innenform durch Drehbearbeitung aus dem Kolben, insbesondere dem Kolbenunterteil, herausgearbeitet wird.

Durch die Drehbearbeitung des Kolbens (genauer des Kolbenrohlings), insbesondere des Kolbenunterteils, zur Bildung einer Innenform wird Material entfernt und somit eingespart sowie eine deutlich vereinfachte Geometrie erzeugt. Durch die Herstellung der Innenform als nach oben (in Richtung des Brennraumes) offener Hohlraum ist dieser leicht zugänglich für Bearbeitungswerkzeuge. Weiterhin ist diese Geometrie in kurzer Zeit durch Drehbearbeitung herstellbar, sodass sich die Taktzeiten bei der Serienherstellung von solchen Kolben erhöhen.

Das Verschlusselement ersetzt die aus dem Stand der Technik bekannte Struktur im Kolbenunterteil zur Bildung eines Innenkühlraumes sowie gegebenenfalls einer Abiaufbohrung. Durch die einfache Geometrie des Verschlusselementes, beispielsweise eine kreisrunde Scheibe mit einer zentrierten Öffnung, ist das Verschlusselement kostengünstig herstellbar. Das Verschlusselement findet vor allen Dingen dann Anwendung, wenn der herzustellende Kolben über einen Innenkühlraum verfügt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kolben nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt ist.

Das zuvor beschriebene Verfahren ermöglicht die Herstellung eines kostengünstigen Kolbens mit optionalem Innenkühlraum. Durch die Materialeinsparung reduziert sich die Masse des Kolbens gegenüber vergleichbaren aus dem Stand der Technik bekannten Kolben.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verschlusselement aus einem Material mit einer geringeren Dichte gegenüber dem Material des Kolbens gefertigt ist. Besteht beispielsweise der Kolben aus Stahl, kann das Verschlusselement aus Aluminium oder einer entsprechenden Stahl- bzw. Aluminium-Legierung bestehen.

Durch den Einsatz von Materialien zur Herstellung des Verschlusselements mit einer geringeren Dichte gegenüber dem Material des Kolbens reduziert sich auch bei Kolben mit Verschlusselement die Masse gegenüber vergleichbaren aus dem Stand der Technik bekannten Kolben. Durch die geringere Masse des Verschlusselements bei gleichem Volumen ergibt sich eine deutliche Gewichtseinsparung für den Kolben.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verschlusselement aus Stahl, einer Stahllegierung, Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kunststoff oder Gummi hergestellt ist. Insbesondere Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen eignen sich zur Herstellung des Verschlusselements besonders gut, da sie auch den thermischen Belastungen besonders gut standhalten. Auch Kunststoffe und Gummi eignen sich zur Substitution von Stahl oder Aluminium bzw. der entsprechenden Legierungen bei der Herstellung des Verschlusselements. Abhängig von den Anforderungen an den Kolben muss somit ein geeignetes Material zur Herstellung des Verschlusselementes gewählt werden.

Während bisher davon ausgegangen wurde, dass das Verschlusselement in besonders vorteilhafter Weise einteilig ausgebildet ist, kann es auch zwei- oder mehr als zweiteilig ausgebildet sein. Die jeweiligen Teile haben dann gleiche oder voneinander abweichende Formen.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgend beschriebenen Figuren weiter verdeutlicht.

Figur 1 : zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben,

Figur 2: zeigt eine Teilansicht des erfindungsgenäßen Kolbens,

Figur 3: zeigt einen Kolben aus dem Stand der Technik und

Figur 4: zeigt eine Teilansicht eines Kolbens aus dem Stand der Technik.

Die Figuren 1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Kolben 1 . In den Figuren 3 und 4 ist zur Verdeutlichung ein aus dem Stand der Technik bekannter Kolben 30 dargestellt. Gleiche Elemente erhalten in allen Figuren gleiche Bezugszeichen.

In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position der Vorrichtung und anderer Elemente. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, das heißt durch verschiedene Positionen und/oder spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern.

Die Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben 1 mit einem Unterteil 2 und einem Oberteil 3. Das Unterteil 2 weist ein hier einteiliges Verschlusselement 4 auf, welches über eine Öffnung 6 verfügt. Das Verschlusselement deckt den darunterliegenden Hohlraum 10 (einschließlich einer ggfs. vorhandenen Drehkontur 5) ab (siehe Figur 2). Das Verschlusselement 4 ist als Kreisring mit einer zentralen kreisrunden Öffnung 6 ausgestaltet. Umgeben wird das Verschlusselement 4 von vier Öffnungen 7 im das Verschlusselement 4 einfassenden Material des Kolbens 1 , genauer des Unterteiles 2. Es können auch weniger oder mehr als vier Öffnungen 7 vorhanden sein.

Daran schließt sich eine radial umlaufende Vertiefung 8 an. Sie ist insbesondere hinter einem Ringfeld und, falls vorhanden, konzentrisch um eine Brennraummulde herum angeordnet. Diese Vertiefung oder Rinne bildet einen Teil eines Kühlkanales aus. Ein solcher Kühlkanal kann, wie gezeigt, offen bleiben, oder von einem entsprechenden Element zu einem geschlossenen Kühlkanal abgedeckt werden. In der Wandung der Vertiefung 8 befindet sich zumindest eine Zulauf- und/oder zumindest eine Ablauföffnung für ein Kühlmedium, wobei hierfür in dieser Figur stellvertretend mindestens eine Bohrung 9 gezeigt ist.

Die Öffnungen 7 können Übertrittskanäle für das Kühlmedium vom Innenbereich zu der Vertiefung 8 bilden. Alternativ dazu können durch die Öffnungen 7 (zum Beispiel ausgeführt als nachträglich eingebrachte Bohrung oder beim Glessen eingebracht) Schrauben (insbesondere Dehnschrauben) geführt werden, mit denen das Unterteil 2 mit dem Oberteil 3 durch Schrauben zusammengefügt wird.

Unterteil 2 und Oberteil 3 sind voneinander separat gefertigte Teile, die auf geeignete Weise (zum Beispiel Verschrauben oder Schweißen) zu dem fertigen einsatzbereiten Kolben 1 zusammengefügt werden. Je nach geometrischer Gestaltung können Unterteil 2 und Oberteil 3 einen einstückigen Kolbenrohling bilden.

Die Figur 2 zeigt eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Kolbens 2. Der Aufbruch in der Figur ist derart gewählt, dass der Blick auf einen Innenbereich (im folgenden als Hohlraum 10 bezeichnet) frei ist. Der Hohlraum 10 wurde durch spanende Bearbeitung aus dem Kolbenunterteil 2 herausgearbeitet. Gut zu erkennen ist eine Drehkontur 5, entstanden durch eine Bearbeitung von oben. Als eine Innenform 1 1 werden der Hohlraum 10 sowie die Drehkontur 5 bezeichnet.

Die Figur 3 zeigt einen Kolben 30, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der gebaute Kolben 30 besteht aus einem Kolbenunterteil 2 und einem Kolbenoberteil 3. Das Kolbenunterteil 2 weist einen Innenkühlkanal 31 mit einer Abiaufbohrung 32 auf.

Die Figur 4 zeigt eine Teilansicht eines Kolbens 30 gemäß Figur 3. In der Figur 3 ist die Abiaufbohrung 32 und der darunter liegende zu bearbeitende Bereich zu erkennen. Weiterhin ist eine in der Herstellung sehr aufwendige und damit kostenintensive Geometrie 33 zu erkennen. Dieser Bereich kann nicht geschmiedet werden und muss somit aufwendig herausgefräst werden.

Bezugszeichenliste

1 Kolben

2 Kolbenunterteil

3 Kolbenoberteil

4 Verschlusselement

5 Drehkontur

6 Öffnung

7 Öffnung

8 Vertiefung

9 Bohrung

10 Hohlraum

1 1 Innenform

30 Kolben

31 Innenkühlkanai

32 Abiaufbohrung

33 Geometrie