Zweiteiliger Kolben für Verbrennungsmotor doppelt gefügt

Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere einen Kühlkanalkolben, einer Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.

Der Kolben besteht nach seiner Endbearbeitung aus einem Stück und ist zusammengesetzt aus zumindest zwei Teilen, vorzugsweise genau zwei Teilen, die voneinander getrennt hergestellt und anschließend zusammengefügt werden.

Üblicherweise werden die beiden Teile (Oberteil und Unterteil) in voneinander getrennten Prozessen, wie z. B. Schmieden, Gießen oder dergleichen, hergestellt und anschließend durch eine Schweiß- oder Lötverbindung zusammengefügt. Die DE 10 2010 056 220 A1 beschreibt beispielsweise ein einfach zu fertigendes, beispielsweise durch Gießen gefertigtes, erstes Kolbenbauteil, welches mit dem zweiten Kolbenbauteil verbunden werden kann, bevorzugt mittels eines Reibschweißverfahren.

Die Anordnung eines Passstiftes als Verdrehsicherung zwischen Kolbenschaft und Kolbenkopf wird in der Ausiegeschrift DE 22 12 922 beschrieben. Über eine Schraubverbindung werden dann Kolbenschaft und Kolbenkopf miteinander verbunden. Nachteil ist der zusätzliche Arbeitsschritt zum Einbringen der Verdrehsicherung sowie die aufwendige Schraubverbindung.

EP 1 878 902 A2 beschreibt den Aufbau eines Kolbens aus einem Oberteil und einem Unterteil, die über Fügestege im Bereich von Kontaktzonen abgestützt und miteinander verbunden sind. Eine Klemmverbindung entsteht hier durch ein Verdrehen von dem Oberteil zu dem Unterteil, vergleichbar einer Kupplung. Dies ist im Handling sehr aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dass Zusammenfügen von Oberteil und Unterteil durch eine andere Fügung als durch einen Schweißvorgang oder Lötvorgang zu realisieren.

Diese Aufgabe wird durch einen Kolben sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Kolbenteile ihrem Verbindungsbereich korrespondierende Geometrien aufweisen, um eine formschlüssige Verbindung zu bewirken. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die beiden Teile durch einen Formschluss dauerhaft zu einem einstückigen Kolben zusammengefügt werden. Der Formschluss und die entsprechend gestalteten Bereiche des Oberteiles und des Unterteiles, die den Formschluss bilden, sind dabei so gestaltet, dass die beiden Teile nach Ausführung des Formschluss-Vorganges dauerhaft und unlösbar miteinander verbunden sind. Da es sich bei einem Kolben einer Brennkraftmaschine um Bauteile handelt, die aus einem etallwerkstoff (wie z. B. Stahl, Aluminium oder dergleichen) bestehen, kann es erforderlich sein, dass zumindest diejenigen Bereiche, die für den Formschluss erforderlich sind, aber auch das gesamte Oberteil und das gesamte Unterteil, vor dem Zusammenfügen auf eine deutlich höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur erwärmt werden. Die formschlüssige Verbindung zwischen dem Unterteil und dem Oberteil erfolgt in einer Fügerichtung. Eine Fügerichtung erleichtert das Handling und erlaubt höhere Taktzeiten.

In besonders vorteilhafter Weise sind diejenigen Bereiche des Oberteiles und des Unterteiles die vor dem Fügen einander zugewandt sind, und die den Formschluss letztendlich bilden, als Schwalbenschwanznut und entsprechend ausgebildete Gegenfeder ausgebildet.

Eine Verbindung, bei der wenigstens zwei zu verbindende Komponenten mechanisch ineinander greifen und aufgrund ihrer geometrischen Form der zu verbindenden Komponenten im Verbindungsbereich die Verbindung bestehen bleibt, wird als Formschluss bezeichnet. Auch wenn keine Kraftübertragung zwischen den zu verbindenden Komponenten erfolgt beziehungsweise die Kraftübertragung zwischen den zu verbindenden Komponenten unterbrochen ist, wird die Verbindung aufrecht erhalten. Verbindungen mit Hinterschnitt, Nietverbindungen oder Schwalbenschwanzverbindungen werden beispielsweise den formschlüssigen Verbindungen zugerechnet.

Die Bezeichnung Schwalbenschwanzprofil bzw. -Verbindung wird gewählt, wenn im Querschnitt gesehen, die Form der Feder bzw. der Nut entfernt an die gegabelte Form des Schwanzes einer Schwalbe erinnert. Mit anderen Worten, wenn die Geometrie der Feder bzw. der Nut im Querschnitt einem Trapez entspricht, einem ebenen Viereck mit zwei parallel zueinander liegenden Seiten.

Weiterhin ist als Geometrie der Feder im Querschnitt ein mit seiner Spitze an das zu verbindende Element angebundenes Dreieck, insbesondere gleichschenkliges Dreieck vorstellbar. Die Nut weist dann eine entsprechende korrespondierende Querschnittsform zur Aufnahme der Feder auf.

Kolben, insbesondere Kühlkanalkolben, einer Brennkraftmaschine, umfassend mindestens ein Unterteil und mindestens ein Oberteil, wobei die mindestens zwei Kolbentetle in ihrem Verbindungsbereich korrespondierende Geometrien aufweisen, um eine formschlüssige Verbindung zu bewirken. Hierdurch wird eine robuste Verbindung zwischen dem mindestens einem Unterteil eines Kolbens und dem mindestens einem Oberteil eines Kolbens geschaffen, die den Anforderungen an den Einsatz in einer Brennkraftmaschine genügt und damit langfristig den Betriebsbedingungen stand hält.

Erfindungsgemäß ist für den Kolben vorgesehen, dass korrespondierende Geometrien als Nut und Feder ausgeführt sind. Hierdurch wird eine sichere formschlüssige Verbindung geschaffen, da die Nut bevorzugt einen Hinterschnitt aufweist, welcher von der Feder hinter griffen wird. Die hierzu benötigten Geometrien können mit vertretbaren Aufwand großtechnisch hergestellt werden. Erfindungsgemäß ist für den Kolben vorgesehen, dass die Feder zumindest nach dem Fügen das Profil einer Gegenfeder zur Nut aufweist. Denkbar ist hier, dass die Feder vor dem Fügen bereits die Geometrie der Nut aufweist. Hierbei erfolgt während des Fügeprozesses eine temporäre, bevorzugt elastische Verformung der Fede. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Feder erst während des Fügeprozesses die Geometrie der Feder an. Hierbei können Toleranzen aus dem Fertigungsprozess sicher ausgeglichen werden, da die genaue Geometrie der Befestigungsmittel erst während des Fügevorganges entsteht. In beiden geschilderten Fällen entsteht eine robuste formschlüssige Verbindung zwischen dem mindestens einem Unterteil und dem mindestens einem Oberteil des Kolbens.

Erfindungsgemäß ist für den Kolben vorgesehen, dass die Nut in ihrem Schnitt das Negativ eines Schwalbenschwanzprofils aufweist. Hierdurch entstehen Hinterschnitte, welche von der Feder sicher hintergriffen werden können. Es entsteht somit eine belastbare formschlüssige Verbindung.

Erfindungsgemäß ist für den Kolben vorgesehen, dass die Feder zumindest nach dem Fügen im Schnitt ein Schwalbenschwanzprofil aufweist. Vor dem Fügen kann die Form der Feder im Querschnitt von der Form der Nut abweichen. Nach dem Fügen füllt die Feder nahezu, bevorzugt vollständig die Nut aus.

Erfindungsgemäß ist für den Kolben vorgesehen, dass Unterteil und Oberteil nach Ausführung des Formschluss-Vorganges dauerhaft und unlösbar miteinander verbunden sind. In einem Fügeschritt der mit hohen Taktzeiten erfolgen kann, werden einteilige Kolben erzeugt. Es erfolgt kein zusätzlicher Wärmeeintrag in das Material, welcher zu einer Veränderung des Gefüges innerhalb der Legierung ^' bzw. des Metalls führen könnte. Die Materialeigenschaften des Ausgangsmaterial bleiben vollumfänglich erhalten.

Verfahren zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen Unterteil und Oberteil eines Kolbens, insbesondere Kühlkanalkolbens, für eine Brennkraftmaschine, wobei die formschlüssige Verbindung in einem Arbeitsschritt mit einer Fügerichtung hergestellt wird. Die Verbindung wird somit bei hohen Taktzeiten sicher hergestellt. Der Fügeprozess kann über die Dokumentation der Kraft beim Fügen überwacht werden. Eine aufwendige Überwachung der Fügestelle im Nachgang, wie beispielsweise bei einer stoffschlüssigen Verbindung erforderlich, entfällt. Auch Verringern sich Aufwand und Kosten für Handiingwerkzeuge, da lediglich eine Fügerichtung realisiert werden muss.

Erfindungsgemäß ist für das Verfahren vorgesehen, dass mindestens ein Teil, Oberteil oder Unterteil vor dem Zusammenfügen auf eine deutlich höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur erwärmt werden. Um den Fügeprozess zu Unterstützen, kann eines der zu fügenden Teile vor dem Zusammenfügen erhitzt werden. Wenn Feder und Nut vor dem Fügen unterschiedliche Geometrien aufweisen, erleichtert das Erhitzen einer Komponente das Finden der neuen Form der Feder.

Erfindungsgemäß ist für das Verfahren vorgesehen, dass die Feder während des Fügevorganges die Geometrie der Nut annimmt. Hierdurch wird eine spielfreie, formschlüssige Verbindung erzeugt.

Erfindungsgemäß ist für das Verfahren vorgesehen, dass durch die Heißumformung eine unlösbare mindestens formschlüssige Verbindung zwischen dem Unterteil und dem Oberteil eines Kolbens entsteht. Hierdurch wird die Verbindung zwischen dem mindestens einem Unterteil und dem mindestens einem Oberteil des Kolbens derart ausgebildet, dass sie sich während des Betriebs einer Brennkraftmaschine nicht lösen kann.

Ausgebildet ist der erfindungsgemäße Formschluss derart, dass er den beim Betrieb in einer Brennkraftmaschine ausgesetzten Kräften entgegenwirkt. Dies sind überwiegend Kräfte, deren Vektor parallel zur zentralen Längsachse des Kolbens verläuft.

Nähere Details der Erfindung werden im Zusammenhang mit den Figuren erläutert. Es zeigen: eine Schnittansicht eines zweiteiligen Kolben vor dem Fügen, Fig. 2A und B eine Schnittansicht vor und nach dem Fügevorgang,

Fig. 3A und B einen gefügten Kolbenrohling

Fig. 4A und B einen Fertigkolben sowie eine Schnittansicht eines

Fertigkolbens,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbenoberteiles (NKW- Kolben) als Schnittansicht,

Fig. 6 eine Schnittansicht nach dem Fügen des Kolbens gemäß Fig. 5 und

Fig. 7A und B einen Fertigkolben sowie eine Schnittansicht

Fertigkolbens gemäß Fig. 5.

Die Figuren 1 bis 4B zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens und die Figuren 5 bis 7B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens. Für gleiche Elemente werden für beide Ausführungsbeispiele gleiche Bezugszeichen vergeben.

In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position der Einrichtung 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.

Figur 1 zeigt ein Oberteil 3 (hier als Drehtei! ausgebildet) und ein Unterteil 2, dass als geschmiedetes Unterteil 2, eines Kolben 1 ausgebildet ist. Andere Herstellungsverfahren und Kombinationen sind selbstverständlich denkbar.

Im Querschnitt ist im Unterteil 2 die radial umlaufende Nut 4 ausgeführt als Schwaibenschwanznut erkennbar, wobei hier zwei radial und konzentrisch zueinander angeordnete Nuten 4 vorhanden sind. Alternativ dazu können auch nur eine Nut 4 oder auch mehr als zwei Nuten 4 vorhanden sein. Im Oberteil 3 sind die entsprechenden Federn 5 vorhanden, die in die als Schwalbenschwanznut ausgeführte Nut 4 eingreifen, wenn das Oberteil 3 mit dem Unterteil 2 zusammengefügt wird. Ebenso sind andere geometrische Formen der Nut 4 denkbar. Weiterhin ist gezeigt, dass der Bereich 6 des Oberteiles 3 vor dem Fügen erwärmt wird. Hierbei handelt es sich insbesondere um die Feder 5 bzw. die Federn 5, die in die Schwalbenschwanznut 4 bzw. die Schwalbenschwanznuten 4 eingreifen sollen. Alternativ oder ergänzend dazu kann auch die Nut 4 selber erwärmt werden.

Figur 2 zeigt den Zustand, bei dem das Oberteil 3 auf das Unterteil 2 gedrückt bzw. gepresst wird, fn der oberen Darstellung der Figur 2 ist das Oberteil 3 noch nicht vollständig auf das Unterteil 2 gedrückt. Dies ist daran erkennbar, dass die nach unten weisenden Federn 5 noch nicht vollständig in die Nut 4 eingedrückt sind und sich noch nicht verformt haben. Erst wenn weiter von dem Oberteil 3 in Richtung des Unterteils 2 gedrückt bzw. gepresst wird, kommt es zu einer Verformung der Federn 5 des Oberteiles 3 in den Nuten 4 des Unterteiles 2, wie es in der unteren Darstellung der Figur 2 erkennbar ist. Hierbei liegen auch die zueinander gewandten Fügeflächen 7 des Oberteiles 3 auf den entsprechenden Oberflächen des Unterteiles 2 vollflächig auf. Die Fügerichtung ist in den Figuren mit dem Bezugszeichen F gekennzeichnet.

Figur 3 zeigt einen den gemäß Figuren 1 und 2 konstruierten und zusammengefügten Kolbenrohling 8, der noch einer Endbearbeitung zugeführt werden muss, bevor er betriebsbereit in den Zylinder einer Brennkraftmaschine eingebaut werden kann.

Figur 4A und 4B zeigen schließlich den endbearbeiteten Fertigkolben 1 , in den z. B. Ringnuten 9 und Ventiltaschen 10 eingebracht worden sind. Außerdem erfolgte eine Bearbeitung des Innenbereiches der Brennraummuide 1 1. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Trennebene 12 zwischen Oberteil 3 und Unterteil 2 gestuft ist, jedoch auch in der gleichen Ebene liegen kann. Außerdem bestehen Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der Trennebene 12 zwischen dem Oberteil 3 und dem Unterteil 2. In Figur 4B ist eine Trennebene 12 (von oben betrachtet) zwischen 7

8

der obersten und mittleren Ringnut 9 erkennbar. Die äußere Trennebene 12 kann aber auch darüber oder darunter liegen. Außerdem ist in den Figuren 4A und 4B ein Kühikanalkolben gezeigt, der um die Brennraummulde 11 herum konzentrisch einen radial umlaufenden Kühlkanal 13 aufweist. Ein solcher Kühlkanal kann, muss aber nicht vorhanden sein. Gleiches gilt für die Brennraummulde 11. Ebenso ist die Bauform nicht auf eine solche beschränkt, wie sie in den Figuren 4 dargestellt ist. Bei dieser Bauform weist der Fertigkolben 1 zwei gegenüberliegende Schaftwandabschnitte 14 auf, die sich im Betrieb des Kolbens 1 an der Zylinderwand der Brennkraftmaschine abstützen. Die beiden tragenden Schaftwandabschnitte 14 sind über zurückgesetzte Verbindungswände 15 miteinander verbunden, wobei in den Verbindungswänden 15 in an sich bekannterweise die Bolzenbohrung 16 angeordnet ist. Neben dieser Bauform sind selbstverständlich auch andere Bauformen von Kolben für Brennkraftmaschinen denkbar, auf die das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Ausbildung anwendbar sind.

Figur 5 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Kolbenrohlings 8' des Oberteiles 3' des Kolbens gemäß den Figuren 1 bis 4B _r wobei erkennbar ist, dass in diesem Oberteil 3' Transferbohrungen 17 vorhanden sind. Mittels dieser Transferbohrungen 17 ist es möglich, zwischen dem radial umlaufenden äußeren Kühlkanal 13 und dem innenliegenden Innenbereich 18 des Kolbens ein Kühlmedium auszutauschen. In einem solchen Fall weist der Kolben einen äußeren (hier radial umlaufenden)

Kühlkanal 13 und einen innenliegenden als Kühlraum ausgeführten Innenbereich 18 auf. Aufgrund der gezeigten Anordnungen der Transferbohrungen 17 können diese besser in das Oberteil 3' eingebracht und nach dem Einbringen besser entgratet werden.

Die Figuren 6, 7A und 7B zeigen eine Variante eines Kolbens 1 ", der spezieil auf die Erfordernisse in Nutzkraftwagen (NKW) ausgerichtet ist, Figur 6 zeigt den Kolbenrohling 8", nach dem das Oberteil 3" und das Unterteil 2" erfindungsgemäß zusammengefügt worden sind. Die Figuren 7A und 7B zeigen den fertigen Kolben 1 ", der der Endbearbeitung zugeführt wurde. Hier ist insbesondere erkennbar, dass die Ringnuten 9 und weitere Einstiche 19 oberhalb und unterhalb der Ringnuten 9 eingebracht worden sind. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass durch den erfindungsgemäßen Formschluss keine Schwächungen im Gefüge im Bereich des Oberteiles 3, 3', 3" und des Unterteiles 2, 2", die zusammengefügt werden, auftreten. Solche Schwächungen entstehen insbesondere bei Schweißverbindungen in nachteiliger Weise. Ebenfalls entstehen bei Schweißoder Lötverbindungen in nachteiliger Weise Wulste (insbesondere bei einem Reibschweißverfahren, Reibschweißwulste), die entfernt werden müssen, soweit dies aufgrund der Konstruktion des Kolbens 1 , 1 " überhaupt möglich ist. Verbleiben die beim Schweißen entstehenden Wulste, insbesondere die Reibschweißwulste, in Bereichen, die nach dem Zusammenfügen der beiden Teile nicht mehr zugänglich sind (z. B. innerhalb des Kühlkanales 13), können sich diese störend im Betrieb des Kolbens 1 , 1 " auswirken, weil z. B. das Kühlmedium nicht ungehindert in dem Kühlkanal 13 zirkulieren kann. Diese Nachteile überwindet der erfindungsgemäße formschlüssige Fügevorgang in besonders vorteilhafter Weise.

Bezugszeichenliste

1 Kolben

1 " Kolben

2 Unterteil

2" Unterteil

3 Oberteil

3' Oberteil

3" Oberteil

4 Nut

5 Feder

6 Bereich

7 Fügefläche

8 Kolbenrohüng

8' Kolbenrohling

8" Kolbenrohling

9 Ringnut

10 Ventiltasche

11 Brennraummulde

12 Trennebene

13 Kühlkanal

14 Schaftwand abschnitt

15 Verbindungswand

16 Bolzenbohrung

17 Transferbohrung

18 Innenbereich / Kühlraum

19 Einstich ņügerichtung