Zweiteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor

Die Erfindung betrifft einen zweiteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der Offenlegungsschrift DE-OS 24 34 902 ist ein mehrteiliger Kolbe für einen Verbrennungsmotor bekannt, der einen Grundkörper aufweist, an dessen Unterseite zwei Bolzennaben angeformt sind. Auf der Unterseite ist der Grundkörper mit einem Kolbenschaft und auf der Oberseite radial außen mit einem Ringelement verbunden. Bekannt ist aus obigerer DE-OS auch, zum Verbinden des Grundkörpers mit dem Kolbenschaft und mit dem Ringelement ein Lötschweißverfahren, d.h., ein Hartlötverfahren anzuwenden. Hierbei weist das Ringelement eine erste Lötverbindung auf der radialen Innenseite des vom Ringelement gebildeten Teiles des Kolbenbodens auf. Da sowohl der vom Grundkörper als auch der vom Ringelement gebildete Teil des Kolbenbodens sehr dünnwandig sind, ergibt sich der Nachteil, dass auch die Lötverbindung eine sehr geringe axiale Länge und damit eine sehr geringe Festigkeit aufweist.

Auf der dem Kolbenboden abgewandten Seite ist das Ringelement zudem über eine in radialer Richtung gesehen relativ lange, untere Lötverbindung mit dem Grundkörper verbunden. Wenn sich hierbei der Kolbenboden aufgrund einer Druckbelastung wegen der in der Brennraummulde stattfindenden, explosionsartigen Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und wegen der im Bereich des Kolbenbodens herrschenden, sehr hohen Temperaturen in radialer Richtung teils druck- und teils temperaturbedingt ausdehnt, weitete sich das Ringelement trichterförmig auf, und die untere Lötverbindung wird einer großen Zugbelastung ausgesetzt. Der aus dem vorliegenden Stand der Technik bekannte Kolben hat den Nachteil, dass im Bereich der unteren Lötverbindung keine konstruktiven Maßnahmen vorgesehen sind, um diese Zugbelastung auf die untere Lötverbindung zu verringern.

Diese Nachteile des Stand der Technik zu vermeiden, ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Hierbei werden bei einer trichterförmigen Aufweitung des Ringelementes nahe den Lötverbindungen angeordnete, verdünnte, umlaufende Wandbereiche scharnierartig verformt, was eine erheblich Verringerung der im Motorbetrieb auf die Lötverbindungen einwirkende Zugspannung mit sich bringt.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der

Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Explosionsdarstellung des Kolbens gemäß der Erfindung, bestehend aus einem Kolbengrundkörper und einem Ringelement,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Kolbens nach dessen Montage,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Kolben entlang der Kolbenachse und der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Teilschnitt durch den Kolben im Bereich des Kühlkanals zur Darstellung einer Ausgestaltung der Lötverbindungen,

Fig. 5 einen Teilschnitt durch den Kolben im Bereich des Kühlkanals zur Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer der Lötverbindungen und

Fig. 6 einen Teilschnitt durch den Kolbenrohling im Bereich des Kühlkanals.

Fig. 1 zeigt einen Kolben 1 in Explosionsdarstellung, der aus einem Kolbengrund kör- per 2 und einem Ringelement 3 besteht. Der Kolbengrundkörper 2 und das Ringelement 3 sind aus AFP-Stahl gefertigt, d.h., aus einem mikrolegierten, ausscheidungs- härtenden, ferritisch-perlitischen Stahl auf Mangan-Vanadin-Basis nach DIN EN 10267. Der Kolbengrundkörper 2 und das Ringelement 3 werden im Rahmen der Montage des Kolbens 1 miteinander verlötet.

Das Ringelement 3 bildet den wesentlichen Teil des ringförmig ausgebildeten Kolbenbodens 4 und weist auf seiner radialen Außenseite eine Ringpartie 5 zur

Aufnahme in der Figur nicht dargestellter Kolbenringe auf. In das Ringelement 3 ist mittig und rotationssymmetrisch zur Kolbenachse 6 eine rund öffnung 7 eingebracht, die nahe dem Kolbenboden 4 von einer ersten, zylinderförmigen Fläche 8 begrenzt wird, die bei der Montage des Kolbens 1 als Lötfläche dient.

Der Kolbengrundkörper 2 besteht aus einem im Wesentlichen plattenförmigen und runden Mittenteil 9, an dessen dem Kolbenboden 4 abgewandte Unterseite zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente 10 und zwei einander gegenüberliegende und diese Schaftelemente 10 miteinander verbindende Bolzennaben 11 angeformt sind. Die radial äußeren Stirnseiten 12 der Bolzennaben 11 sind gegenüber der radial äußeren Begrenzung 13 des Mittenteils 9 in Richtung der Kolbenachse 6 zurückgesetzt.

In die Oberseite des Mittenteils 9 ist radial außen eine umlaufende, kanalförmige Ausnehmung 14 eingeformt, von der eine radial innen liegende und auf der Oberseite des Mittenteils 9 angeordnete, umlaufende Ringrippe 15 umgeben ist, deren Innenraum die Verbrennungsmulde 16 des Kolbens 1 bildet.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel des Kolbens 1 sind die Ringrippe 15 und die Verbrennungsmulde 16 nicht rotationssymmetrisch zur Kolbenachse 6 ausgebildet, sondern weisen radial außen eine Eindellung 17 auf, deren Zweck darin besteht, die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Verbrennungsmulde 16 zu verbessern.

Kolbenbodenseitig ist die Begrenzung der Ringrippe 15 kreisförmig ausgebildet, sodass hiervon ein Teil des Kolbenbodens 4 ¹ gebildet wird. Hiervon wird zudem eine radial außen liegende, zweite zylinderförmige Fläche 18 gebildet, die als Gegenstück zur ersten Fläche 8 des Ringelementes 3 ebenfalls als Lötfläche dient und mit der Fläche 8 eine obere Lötverbindung (23, siehe Fig. 3) zwischen dem Ringelement 3 und dem Kolbengrundkörper 2 bildet.

Radial außen weist das Mittenteil 9 auf seiner Oberseite eine ringförmige, dritte Fläche 19 auf, die als Lötfläche dient und mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten, auf

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der unteren Stirnseite des Ringelementes 3 angeordneten, vierten und ebenfalls als Lötfläche dienender Fläche 20 eine untere Lötverbindung zwischen dem Ringelement 3 und dem Kolbengrundkörper 2 bildet. (Siehe auch hierzu Fig. 3.)

Ist das Ringelement 3 auf den Kolbengrundkörper 2 aufgesetzt und damit verlötet, ergibt sich der in Fig. 2 dargestellte Kolben 1 , der den Kolbenboden 4, 4', die Verbrennungsmulde 16, die Ringpartie 5, ein Schaftelement 10 und eine Bolzennabe 11 erkennen lässt.

Der in Fig. 3 dargestellte Schnitt durch den Kolben entlang der Kolbenachse 6 und der Linie IH-III in Fig. 2 zeigt einen radial außen vom Ringelement 3, radial innen von der Ringrippe 15 und unten von der Ausnehmung 14 des Mittelteils 9 des Kolbengrundkörpers 2 begrenzten, ringförmigen, Kühlkanal 21 , der in der Figur nicht dargestellte und in den Kolbeninnenraum 22 mündende ölzuführ- und ölabführkanä- Ie aufweist. Dargestellt sind auch die von der ersten und zweiten Fläche 8 und 18 gebildete, axial ausgerichtete, obere Lötverbindung 23 und die von der dritten und vierten Fläche 19 und 20 gebildete, radial ausgerichtete, untere Lötverbindung 24 zwischen dem Kolbengrundkörper 2 und dem Ringelement 3.

Die erste Fläche 8 stellt hierbei die radial innere Begrenzung des den Kolbenboden 4 bildenden Deckbereiches 25 des Ringelementes 3 dar, wobei in die kolbenbodenab- gewandte Seite des Deckbereiches 25 eine nach oben gerichtete, umlaufende Ausnehmung 26 eingeformt ist, die hier einen umlaufenden, oberen, verdünnten Wandbereich 49 bildet. Hierbei liegt das Verhältnis zwischen der Länge b der oberen Lötverbindung 23 und der minimalen Dicke a des oberen, verdünnten Wandbereiches 49 zwischen 1 und 3, d.h., 1<b/a<3.

Kolbenbodenseitig schließt sich an die vierte Fläche 20, die die untere Stirnseite des Ringelementes 3 bildet, eine weitere, in die radiale Innenseite des Ringelementes 3 eingeformte und nach radial außen gerichtete, umlaufende Ausnehmung 27 an, die hier einen unteren, umlaufenden, verdünnten Wandbereich 50 bildet, wobei das Verhältnis zwischen der Länge c der unteren Lötverbindung 24 und der minimalen Dicke d des unteren, verdünnten Wandbereiches 50 ebenfalls zwischen 1 und 3 liegt,

d.h., 1<c/d<3. Die Ausnehmung 27 ist zwischen der Ringpartie 5 und der unteren Lötverbindung 24 angeordnet.

Bei einer Temperatur- und/oder Druckbelastung des Kolbens 1 , 1', 1" ergibt sich, wie es in Fig. 5 zur Verdeutlichung des Sachverhaltes vergrößert dargestellt ist, eine Aufweitung 28 des oberen Teiles des Kolbens 1 , 1', 1". Die hierbei auf die Lötverbindungen 23, 24, 24' einwirkende Zugbelastung wird von den verdünnten und damit elastisch nachgiebigen Bereiche des Ringelementes 3, 3', die von den Ausnehmungen 26 und 27 gebildeten werden, und die sich bei der Aufweitung 28 des Kolbenoberteils scharnierartige verformen, insoweit verringert, dass die Lötverbindungen 23, 24, 24' auch nach längerem Motorbetrieb halten.

In Fig. 4 ist eine Ausgestaltung des Kolbens V im Bereich des Kühlkanals 21' dargestellt, bei der der obere Deckbereich 25' des Ringelementes 3" im Bereich des oberen, verdünnten Wandbereiches 49 radial innen nur bis zu dem Bereich der geringsten Wandstärke a reicht und hier eine radial innen liegende, zylinderförmige Fläche 31 bildet, die mit einer radial außen liegenden, zylinderförmigen Fläche 29 eines kolbenbodenseitig an die Ringrippe 15 angeformten, umlaufenden und nach radial außen gerichteten Kragens 30 eine obere Lötverbindung 32 bildet.

Auf der kolbenbodenabgewandten Seite wird die Fläche 29 von einer stufenförmigen, umlaufenden Anformung 34 begrenzt, auf der das radial innere Ende des Deckbereiches 25' aufliegt.

Die kolbenbodenabgewandte Stirnseite 20' des Ringelementes 3" weist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 radial innen eine umlaufende, stufenförmige Ausnehmung 35 auf, die so dimensioniert ist, dass sie auf einen kolbenbodenseitig auf der radial äußeren Begrenzung 13' des Mittenteils 9' angeformten, umlaufenden Kragen 36 passt, sodass beim Zusammenbau des Kolbens 1' das Ringelement 3" auf den Kragen 36 geschoben wird, bis der Kragen 36 in der Ausnehmung 35 sitzt, und der Deckbereich 25' des Ringelementes 3" auf der Anformung 34 zur Anlage gelangt. Eine untere Lötverbindung 33 wird im Bereich der kolbenbodenabgewandten Stirn-

seite 20' des Ringelementes 3" von der kolbenbodenseitigen Stirnfläche 51 des Kragens 36 und von der schaftseitigen Innenfläche 52 der Ausnehmung 35 gebildet.

Hierdurch wird erreicht, dass das Ringelement 3" beim Aufschieben auf den Kolbengrundkörper 2' nicht nur über die Flächen 29 und 31 der oberen Lötverbindung 32 geführt und zentriert wird, sondern dass bei der Montage des Kolbens 1' eine zusätzliche Führung und Zentrierung des Ringelementes 3" auch über die Ausnehmung 35 und den Kragen 36 der unteren Lötverbindung 33 erreicht wird.

Anstelle einer einzige, radial innen angeordneten Ausnehmung 27 gemäß dem in den Fig. 3 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel des Kolbens 1 , 1" weist das Ausführungsbeispiel des Kolbens 1 ¹ gemäß Fig. 4 oberhalb der unteren Lötverbindung 33 sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite des Ringelementes 3" je eine umlaufende Ausnehmung 47 und 48 auf, die hier einen unteren, verdünnten Wandbereich 50' mit der Dicke d schaffen, der sich bei einer Aufweitung 28 des Kolbenoberteils (gemäß Fig. 5) scharnierartige verformt und damit die sich hierbei ergebende Zugbelastung auf die untere Lötverbindung 33 verringert. Die Ausnehmungen 47 und 48 sind zwischen der unteren Lötverbindung 33 und der Ringpartie 5 angeordnet. ,

Fig. 5 zeigt eine Ausgestaltung des Kolbens 1", bei dem die Lötverbindung 24' von der konisch sich nach unten verjüngenden, unteren Stirnseite 37 des Ringelementes 3 ¹ und von der ebenfalls konisch sich nach unten verjüngenden Fläche 38 gebildet wird, wobei die Fläche 38 den radial äußeren Bereich des Mittenteils 9" kolbenbo- denseitig begrenzt. Hierdurch wird eine Vergrößerung der Flächen 37 und 38 und damit eine Vergrößerung der unteren, konisch sich nach unten verjüngenden Lötverbindung 24' mit der Länge c erreicht, was zu einer weiteren Verbesserung der Festigkeit der unteren Lötverbindung 24' führt.

Hergestellt wird der erfindungsgemäße Kolben 1 , indem zunächst ein Rohling 39 für den Kolbengrundkörper 2 und ein Rohling 40 für das Ringelement 3 geschmiedet werden, wie sie in Fig. 6 dargestellt sind, in der die beiden Rohlinge 39 und 40 schraffiert gezeichnet sind, und in der der letztlich hieraus hergestellte Kolben 1

innerhalb der schraffierten Fläche gestrichelt eingezeichnet ist. Das Ringelement 3 kann auch durch das Verfahren des Walzens oder des Ziehens hergestellt werden. Hierbei werden die kolbenbodenseitige, radial innere Kante des Rohlings 40 mit einer Fase 41 und die kolbenbodenseitige, radial äußere Kante des Rohlings 39 mit einer Fase 42 versehen, die, wie Fig. 6 zeigt, eine im Schnitt keilförmige, umlaufende Ausnehmung 43 ergeben, wenn die beiden Rohlinge 39 und 40 zusammengesetzt sind.

Weiterhin wird im Rahmen des Schmiedens des Rohlings 39 an die radial äußere, kolbenbodenseitige Kante der dritten Fläche 19 ein umlaufender, im Schnitt zumindest näherungsweise rechteckiger Vorsprung 44 angeformt. Sowohl die Ausnehmung 43 als auch der Vorsprung 44 haben im Rahmen des Verbindens der beiden Rohlinge mittels Lot den weiter unten näher erläuterten Zweck.

Im Anschluss daran werden in die radial äußere Fläche der Ringrippe 15 des Rohlings 39 und in die Oberfläche des Mittenteils 9 die insbesondere in Fig. 1 dargestellten rotationssymmetrischen Konturen eingedreht, wobei auch die Ausnehmung 14 hergestellt wird. Die in Fig. 1 dargestellte Eindellung 17 wird in die radiale Außenseite der Ringrippe 15 eingefräst. Durch Drehen werden dann auch die rotationssymmetrischen Konturen der radialen Innenfläche 45 des Ringelementes 3 und insbesondere die Ausnehmungen 26, 27, 47, 48 hergestellt.

Im Anschluss daran werden die beiden Rohlinge 39 und 40 miteinander verlötet. Hierbei ist es zunächst erforderlich, die Rohlinge 39 und 40 so zusammenzusetzen, dass sich zwischen den Flächen 8 und 18 und zwischen den Fläche 19 und 20, jeweils ein Spalt ergibt, der zwischen 10 μm und 200 μm breit ist. Beim Zusammensetzen der Rohlinge 39 und 40 wird ein Spalt mit dieser Breite bereits dadurch erreicht, dass sowohl die Flächen 8 und 18 und die Fläche 19 und 20 ohne Form- schluss miteinander in Kontakt gebracht werden.

Die Ausnehmung 43 und die kolbenbodenseitige Fläche des Vorsprungs 44 werden dann mit einer Lotpaste auf Nickelbasis bestrichen, wonach die beiden Rohlinge 39, 40 inklusive Lotpaste auf 1150 ⁰ C erhitzt werden. Die Lotpaste verflüssigt sich hierbei

und dringt aufgrund des Kapillareffektes zwischen den Flächen 8 und 18 und den Flächen 19 und 20 ein, wobei sich das verflüssigte Lot einen Spalt mit den oben angegebenen Maßen zwischen den Flächen 8 und 18 und zwischen den Flächen 19 und 20 aufgrund der Kapillarwirkung erzwingt. Hierdurch werden die Flächen 8, 18, 19 und 20 komplett benetzt. Im Rahmen der daran erfolgenden, gezielten Abkühlung des Kolbens 1 verfestigt sich die Lotpaste und ergibt eine fehlerfreie Lötverbindung zwischen den beiden teilbearbeiteten Rohlingen 39 und 40.

Bei der Ausgestaltung des Kolbengrund körpers 2' und des Ringelementes 3" gemäß Fig. 4 wird der für eine fehlerfreie Lötverbindung ausreichende Spalt zwischen den Flächen 29 und 31 der oberen Lötverbindung 32 von 10 μm bis 200 μm dadurch erreicht, dass die Flächen 29 und 31 mittels eines Feindrehverfahrens insoweit bearbeitet werden, dass der Spalt zwischen den beiden Flächen 29 und 31 die oben angegebenen Maße von 10 μm bis 200 μm aufweist, nachdem der Kragen 36 mit engem Spiel in der Ausnehmung 35 fixiert ist.

Die Anformung 34, auf der bei der Montage des Kolbens 1 ¹ der Deckbereich 25' des Ringelementes 3" zur Anlage gelangt, sorgt hierbei dafür, dass die kolbenbodenseiti- ge Stirnfläche 51 des Kragens 36 und die schaftseitige Innenfläche 52 der Ausnehmung 35 nach der Kolbenmontage einen Abstand von 10 μm bis 200 μm voneinander aufweisen, sodass auch hier ein für eine fehlerfreie Lötverbindung ausreichend breiter Spalt ergibt.

Bei der Ausgestaltung des Kolbengrundkörpers 2" und des Ringelementes 3' gemäß Fig. 5 ergibt sich für eine sichere, oberen Lötverbindung 23 ein Spalt mit der konstanten Breite von 10 μm bis 200 μm zwischen den Flächen 8 und 18 dadurch, dass nach einer entsprechenden Feinbebarbeitung der Flächen 8 und 18 das Ringelement 3 ¹ über dessen konisch ausgerichtete, untere Stirnseite 37 auf die gleichermaßen konisch geformte, radial äußere, kolbenbodenseitige Stirnfläche 38 des Kolbengrundkörpers 2" aufgesetzt wird, wobei das Ringelement 3' alleine durch die Konizität der beiden Flächen 37 und 38 symmetrisch zur Kolbenachse ausgerichtet wird. Hierbei bewirkt der Kapillareffekt, dass das nach Erhitzen verflüssigte Lot in den

Spalt zwischen den Flächen 37 und 28 eindringt, um auch diese Flächen sicher miteinander zu verlöten.

Die Anwendung des Lötverfahrens zum Verbinden der beiden Kolbenteile hat den Vorteil, dass die Löttemperatur von 1150 ⁰ C, auf die der Kolben hierbei erhitzt wird, gleich der Schmiedetemperatur ist, mit der die beiden Rohlinge 39 und 40 geschmiedet werden, sodass beim Abkühlen gezielt die für den AFP-Stahl typischen Werkstoffeigenschaften eingestellt werden können.

Im Anschluss daran wird der Kolben 1 fertiggestellt, indem die in Fig. 6 gestrichelt eingezeichneten, rotationssymmetrischen Außenkonturen des Kolbens 1 durch Drehen und die ebenfalls gestrichelt eingezeichneten, nicht-rotationssymmetrischen Begrenzungsflächen 46 der Verbrennungsmulde 16 durch Fräsen hergestellt werden. Hierbei ist es auch möglich, den Kolbengrundkörper 2, 2', 2" und das Ringelement 3, 3', 3" miteinander zu verschweißen.

Bezugszeichenliste

a Dicke des oberen, verdünnten Wandbereiches 49 b Länge der oberen Lötverbindung

C Länge der unteren Lötverbindung d Dicke des unteren, verdünnten Wandbereiches 50, 50

1 , 1", 1" Kolben

2, 2\ 2" Kolbengrundkörper

3, 3\ 3" Ringelement

4, 4' Kolbenboden

5 Ringpartie

6 Kolbenachse

7 öffnung

8 erste Fläche

9, 9\ 9" Mittelteil

10 Schaftelement

11 Bolzennabe

12 Stirnseite der Bolzennabe 11

13, 13 ¹ Begrenzung des Mittenteils 9

14 Ausnehmung

15 Ringrippe

16 Verbrennungsmulde

17 Eindellung

18 zweite Fläche

19 dritte Fläche

20, 20' vierte Fläche

21 , 21' Kühlkanal

22 Kolbeninnenraum

23 obere Lötverbindung

24, 24' untere Lötverbindung

25, 25" Deckbereich

26, 27 Ausnehmung

28 Aufweitung

Fläche Kragen Fläche obere Lötverbindung untere Lötverbindung Anformung Ausnehmung Kragen Fläche, untere Stirnseite des Ringelementes 3' Fläche, Stirnfläche Rohling für den Kolbengrundkörper 2 Rohling für das Ringelement 3 , 42 Fase Ausnehmung Vorsprung Innenfläche des Ringelementes 3 Begrenzungsfläche der Verbrennungsmulde 16, 48 Ausnehmung oberer, verdünnter Wandbereich , 50' unterer, verdünnter Wandbereich kolbenbodenseitige Stirnfläche des Kragens 36 schaftseitige Innenfläche der Ausnehmung 35