Zweiteiliger Stahlkolben, Fügeprozess

Die Erfindung betrifft einen Kolben sowie ein Verfahren zur Herstellung eines zweiteiligen Kolbens aus einem Oberteil und einem Unterteil, gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.

Die 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.

Aus der DE 10 2005 030 556 B4 ist die Herstellung einer Verbindung zwischen Oberteil und Unterteil eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine durch Formschluss bekannt. Nachteilig ist hier, dass das durch Formschluss gefügte Oberteil lediglich einen Teil des Kolbenbodens ausbildet.

Der Kolben, insbesondere der Kühlkanalkolben, besteht aus einem Oberteil und einem Unterteil. In dem Oberteil kann, muss aber nicht ein Kühlkanal eingebracht sein. Das Oberteil umfasst die dem Brennraum des Zylinders zugewandte Oberfläche, in an sich bekannterweise das Ringfeld und gegebenenfalls eine Brennraummulde. Das Unterteil besteht aus sich gegenüberliegenden tragenden Schaftwandabschnitten, Verbindungswänden, die die Schaftwand abschnitte verbinden, wobei in den Verbindungswänden in an sich bekannterweise die Bolzenbohrungen angeordnet sind. Die beiden Teile können aus gleichem oder unterschiedlichem Material bestehen. Handelt es sich bei dem Kolben um einen Kühlkanalkolben, kann vor dem Zusammenfügen von Oberteil und Unterteil eine Abdeckung für den Kühlkanal vorgesehen werden, wobei diese Abdeckung durch das Zusammenfügen der beiden Teile an ihrem Bestimmungsort festgelegt wird. Alternativ oder ergänzend dazu kann auch nach dem Zusammenfügen der beiden Teile die Abdeckung unabhängig von dem Klemm- prozess angeordnet werden oder auch dann, wenn sie von dem Ober- und Unterteil eingeklemmt wurde, durch zusätzliche Maßnahmen, wie z. B. Verschweißen oder dergleichen, an ihrem Bestimmungsort festgelegt und durch diese zusätzlichen Maßnahmen abgedichtet werden. Die beiden Teile können im gleichen Verfahren oder in unterschiedlichen Verfahren, wie z. B. Schmieden, Gießen oder dergleichen, hergestellt sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die nachteilige Trennebene zwischen Unterteil und Oberteil eines Kolbens abzuschaffen.

Gelöst wird die Aufgabe durch einen Kolben sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.

Vorgeschlagen wird, das Oberteil mit Brennraummulde und Ringfeld sowie einem optionalen Kühlkanal einstückig zu fertigen.

Gegenüber dem Stand der Technik ist es vorteilhaft eine Fügerichtung anzustreben.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Oberteil mindestens einen Brennraum und mindestens eine Ringnut umfasst. 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 Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere Kühlkanalkolben, für eine Brenn- kraftmaschine, mit wenigstens einem Unterteil und einem Oberteil, sowie einem Brennraum und mit wenigstens einer Ringnut, wobei das Oberteil oder das

Unterteil mit wenigstens einem Hinterschnitt am Unterteil oder am Oberteil fixiert ist, wobei das Oberteil mindestens einen Brennraum und mindestens eine Ringnut um- fasst.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der mindestens eine Hinterschnitt Bestandteil der Wandung einer Öffnung ist. Der Hinterschnitt kann vorteilhaft in einem Arbeitsschritt mit der Öffnung hergestellt werden.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein Zapfen nach dem Umformen in den Hinterschnitt eingreift. Somit wird unter Einbeziehung des Hinterschnittes eine robuste formschlüssige Verbindung geschaffen. Die Verbindung ist nahezu unlösbar und kann nur, wenn überhaupt, mit einem sehr hohen Aufwand wieder gelöst werden.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Volumen des Zapfen nahezu exakt dem Volumen der Öffnung entspricht. Somit ist gewährleistet, dass der Zapfen die gesamte, beispielsweise zylinderförmige Öffnung, ausfüllt. Dies führt zu einer sicheren hochfesten Verbindung. Die Öffnung ist nahezu zylinderförmig ausgeführt, wobei sie im Eintrittsbereich des Zapfens einen geringeren Durchmesser als an der gegenüberliegenden Seite aufweist. Die Öffnung wird von einer Wandung begrenzt, die dem Mantel eines Kegelstumpfes entspricht, wobei der Kegelstumpf mit der „Spitze" in Richtung des Zapfens deutet.„Nahezu exakt" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Volumen des Zapfens (also das Volumen, welches in der Öffnung platziert werden soll) kleiner oder maximal gleich dem Volumen der Öffnung sein darf. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zum Verschluss eines Kühlkanales, zumindest ein Verschlusselement, insbesondere ein Ring, vorgesehen ist.

Ein solches Verschlusselement ist einteilig, kann aber auch mehrteilig, z.B. aus zwei oder mehr als zwei Teilen, ausgestaltet sein. Außerdem ist je nach Form des Kühlkanales das zumindest ein Verschlusselement der Geometrie des Kühlkanales an- gepasst. Ist der Kühlkanal rotationssymetrisch (zum Beispiel bezogen auf die

Kolbenhubachse) ausgebildet, ist auch das eine Teil des Verschlusselementes (oder die mehreren Teile, die das Verschlusselement bilden) rotationssymetrisch ausgebildet. Ist jedoch die Geometrie des Kühlkanales nicht rotationssymetrisch (z.B. oval, ellipsenförmig oder andere Geometrien) ist das zumindest eine Verschluss-element dementsprechend auch angepasst, dass heißt auch nicht rotations-symetrisch ausgebildet.

Vorgesehen ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines zweiteiligen Kolbens, insbesondere Kühlkanalkolben, für eine Brennkraftmaschine, mit einem Unterteil und einem Oberteil umfassend die folgenden Schritte,

Zuführung des Unterteils aufweisend mindestens eine Öffnung oder mindestens einen Zapfen, Zuführung des Oberteils aufweisend mindestens einen Zapfen oder mindestens eine Öffnung, wobei der mindestens eine Zapfen unter Krafteinwirkung den Hinterschnitt der mindestens einen Öffnung ausfüllt.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens der mindestens eine Zapfen vor dem Fügen auf eine Temperatur deutlich oberhalb der Raumtemperatur erwärmt wird. Somit wird der Fügeprozess unterstützt, da das zu fügende Material leichter verformbar wird.

Unter dem Begriff „Raumtemperatur" sind im Regelfall die jenigen Temperaturen zu verstehen, in denen der Herstellungsprozess solcher Kolben stattfindet. Es handelt sich somit um Temperaturen, die für die Personen, die in solchen Produktionshallen tätig sind, aushaltbar sind. Die Temperatur, auf die der mindestens eine Zapfen vor dem Fügen erwärmt wird, liegt somit signifikant über dieser Raumtemperatur, bei spielweise deutlich über 100 Grad Celsius. Findet als Fügeprozess das Kaltschmie- den oder Warmschmieden statt, kommen deutlich oberhalb von 200 Grad Celsius in Betracht. Zum Beispiel wird beim Halbwarmen-Schmieden im

Temperaturbereich über 300 Grad Celsius (+/- 20 %) gearbeitet. Beim Warm- Schmieden liegen die Temperaturen noch deutlich darüber.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass vor dem Fügen von Unterteil und Oberteil ein Ring zur Bildung eines Kühlkanales eingelegt wird. Somit kann optional ein Kolben mit Kühlkanal erzeugt werden, ohne Werkzeugänderung.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens eine Ringnut nach dem Fügen in das Oberteil eingebracht wird. Ringnuten dienen zur Aufnahme von Kolbenringen zum Einsatz mindestens eines Kolbens in einer Brennkraftmaschine.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine unlösbare, formschlüssige Verbindung zwischen Unterteil und Oberteil geschaffen wird. Hierdurch entsteht ein quasi einteiliger Kolben, der jedoch aus verschiedenen Materialien gefertigt sein kann. Diese Materialien müssen keiner stoffschlüssigen Verbindung zugänglich sein, da erfindungsgemäß eine hochfeste formschlüssige Verbindung geschaffen wird.

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:

Fig. 1 A bis 1 D zeigen den Ablauf zur Vorbereitung des Fügeprozesses zwischen Unter- und Oberteil eines Kolbens,

Fig. 2A bis 2D zeigen schematisch den Ablauf des Fügeprozesses für einen

Kolben. Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht eines Kolbenrohlings und die

Fig. 4A bis 4B zeigen mehrere Ansichten der Kolbenteile.

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.

Die Figuren 1A bis 2D zeigen den erfindungsgemäßen Fügeprozess am Beispiel eines Kühlkanalkolbens. Das Verfahren ist nicht auf Kühlkanalkolben beschränkt, auch Kolben ohne Kühlkanal können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt werden.

Alle Figuren 1A bis 1 D zeigen eine Draufsicht auf die Unterseite (in Betriebsstellung) eines Oberteiles 3 eines Kolbenrohlings 1 .

In der Figur 1 A wird ein Ring 4 zur Bildung eines Kühlkanales 7 in das auf dem Kopf liegende Oberteil 3 eingebracht. Wenn später das Unterteil 2 zugeführt wird und das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren zur Anwendung gekommen ist, liegt der Ring 4 fixiert zwischen Unterteil 2 und Oberteil 3. Der Ring 4 schließt dann den darunterliegenden (in Betriebsstellung darüber liegenden) Hohlraum zur Bildung des Kühlkanales 7 dicht ab.

Figur 1 B zeigt das Oberteil 3 mit eingelegtem Ring 4 sowie Zapfen 5 vor dem Fügen des Unterteiles 2. Deutlich zu erkennen sind die in diesem Fall vier Zapfen 5 zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen Unterteil 2 und Oberteil 3. Es können jedoch auch lediglich zwei Zapfen 5 oder mehr als vier Zapfen 5 vorgesehen werden. Die Zuführung des Unterteiles 2 vor dem Fügen zeigt die Figur 1 C. Zum Fügen können insbesondere die Zapfen 5 auf eine Temperatur deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur erhitzt werden. Dies unterstützt den darauffolgenden Umformpro- zess der Zapfen 5.

Figur 1 D zeigt den nun einteiligen Kolbenrohling 1 , gefertigt aus dem Unterteil 2 und dem Oberteil 3. Durch die transparente Darstellung des Unterteils 2 ist die Verformung der Zapfen 5 nach dem Fügen ersichtlich.

Die Figuren 2A bis 2D zeigen Schnittansichten im Bereich der erfindungsgemäßen Verbindung analog zu den Figuren 1 A bis 1 D. Figur 2D zeigt deutlich, dass der Zapfen 5 nach dem Umformen die Gegenform einer Öffnung 6 vollständig ausfüllt.

Die Figuren 2A und 2B zeigen das Zuführen des Unterteiles 2 vor dem Fügen. Figur 2B zeigt weiterhin, dass das Maß x des Zapfen 5 vor dem Fügen größer ist als das in der Figur 2D angezogene Maß y nach dem Fügen. Diese Maße x und y beziehen sich auf die Höhe des Zapfens 5 gemessen ab der Trennebene 8. Das in der Höhe „überschüssige" Material des Zapfens 5 ist so kalkuliert, dass es die Öffnung 6 nach dem Fügevorgang vollständig ausfüllt. Der in der Figur 3 eingezeichnete Winkel α verdeutlicht, dass die Öffnung 6 einen Hinterschnitt aufweist. In den Bereich des Hinterschnittes wird das„überschüssige" Material des Zapfens 5 beim Fügevorgang hineingepresst. Die Materialmenge des Zapfen 5 muss genau auf das Volumen der Öffnung 6 abgestimmt werden, damit das Oberteil 3 und das Unterteil 2 in der Trennebene 8 plan aufeinanderliegend gefügt werden können. Das Volumen des Zapfen 5 vor und nach dem Fügevorgang entspricht somit exakt dem Volumen der Öffnung 6. Zumindest die Zapfen 5 können vor dem Fügeprozess auf eine Temperatur deutlich über der Raumtemperatur erwärmt werden, dies erleichtert den Umformprozess und lässt das Material des Zapfen 5 nahezu in die Öffnung 6 fließen. Nach Abschluss des Fügeprozesses sind das Unterteil 2 und das Oberteil 3 unlösbar zu einem Kolbenrohling 1 verbunden. In weiteren Prozessschritten werden beispielsweise die Ringnuten in das Oberteil 3 eingebracht. In Figur 3 ist der Kolbenrohling 1 im Schnitt durch die erfindungsgemäße Verbindungsstelle dargestellt. Eingezeichnet ist eine Linie 9 die die spätere Außenkontur eines Kolbens 10 wiedergibt. Auch ist ersichtlich, dass die Verbindungsstellen oberhalb neben einer Bolzenbohrung 12 liegen. Hier ist genügend Material vorhanden um eine feste, sichere Verbindung zwischen Unterteil 2 und Oberteil 3 zu gewährleisten. Mit 8 ist in der Figur 3 die Trennebene zwischen Unterteil 2 und Oberteil 3 gekennzeichnet.

Figur 4A zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß hergestellten Kolbens 10, wobei das Unterteil 2 und das Oberteil 3 beabstandet dargestellt sind. Die Figur 4B wiederum zeigt eine Draufsicht auf das Unterteil 2 und das Oberteil 2 in der Trennebene 8. Am Oberteil 3 sind bereits in Figur 3 durch die Linie 9 markierten Ringnuten 1 1 herausgearbeitet. Wenn gedanklich die Komponenten 2 und 3 zusammengefügt werden, liegt ein fertiger Kolben 10 vor.

Sowohl im allgemeinen Beschreibungsteil sowohl als auch bei der Beschreibung der Figuren wird der Begriff „Öffnung" (im Teil der Figurenbeschreibungen mit der Bezugsziffer 6 versehen) in dem Sinne verwendet, dass in dem Oberteil (allgemein) bzw. in dem Oberteil 3 (gemäß dem Ausführungsbeispiel) ein Volumen ausgenommen ist (Ausnehmung), in dem der Zapfen (allgemein) bzw. Bezugsziffer 5 in der Figurenbeschreibung eingebracht und umgeformt wird. Dabei wird der Zapfen von dem Unterteil (allgemein, bzw. Unterteil 2 in dem Ausführungsbeispiel) gebildet. Denkbar ist auch, dass die zumindest eine Ausnehmung in dem Unterteil und der zumindest eine korrespondierende Zapfen Bestandteil des Oberteiles ist. Wesentlich ist, dass Zapfen und Ausnehmung (bzw. Öffnung) so aufeinander abgestimmt sind, dass das Volumen des Zapfens nach dem Umformen das Volumen der Ausnehmung (Öffnung) ausfüllt. Durch die entstandene Umformung des Zapfens„verkrallt" sich dieser in der Ausnehmung, so dass dadurch Oberteil und Unterteil in dem Sinne unlösbar miteinander verbunden sind, so dass sie nicht mehr relativ bewegbar zueinander angeordnet sind. Nur durch im Betrieb nicht auftretende und somit ungewöhnlich hohe Kräfte würde es möglich Unterteil und Oberteil voneinander zu trennen. Bezugszeichenliste

1 Kolbenrohling

2 Unterteil

3 Oberteil

4 Ring

5 Zapfen

6 Öffnung

7 Kühlkanal

8 Trennebene

9 Linie

10 Kolben

1 1 Ringnut

12 Bolzenbohrung

13 Brennraum x Maß vor dem Fügen y Maß nach dem Fügen α Winkel