DE10042207A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Herstellung eines Kolbens - Google Patents
Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Herstellung eines KolbensInfo
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Abstract
Ein Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor weist einen gegossenen Grundkörper (12) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, der eine von dem Kolbenboden bis zu dem Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen durchgehende Aussparung aufweist, und einen weitgehend konischen Verstärkungseinsatz (16) aus hochwarmfestem Material auf, der mit dem Grundkörper (12) fest verbunden, vorzugsweise verschweißt ist. DOLLAR A Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Grundkörper aus Aluminium oder Aluminiumlegierung gegossen, eine von dem Kolbenboden bis zu dem Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen durchgehende Aussparung ausgebildet, ein weitgehend konischer Verstärkungseinsatz aus hochfestem Material hergestellt und mit dem Grundkörper fest verbunden, vorzugsweise verschweißt.
Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen
Verbrennungsmotor und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Um den Anforderungen insbesondere im Hinblick auf eine
geringe Masse der sich bewegenden Kolben von
Verbrennungsmotoren genüge zu tun, werden in großem Umfang
Kolben aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium-Guss-
Legierungen eingesetzt. Es zeigt sich nunmehr beispielsweise
bei hochbelasteten Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, dass
bislang verwendeten Aluminium-Guss-Legierungen bei steigender
Leistung, die notwendigerweise zu höheren Kolbenbelastungen
führt, den gestellten Festigkeitsanforderungen nicht mehr
gerecht werden. Beispielsweise treten Muldenrandrisse und
Kolbenbodenrisse auf. Als Grund dafür wurde zum einen die
begrenzte Dauerfestigkeit des Materials an sich ermittelt.
Zum anderen wurden als Ursachen für die genannten Schäden an
Leichtmetallkolben die Inhomogenität des Gussgefüges zusammen
mit den stets auftretenden Gefügestörungen, wie
beispielsweise Anreicherungen von Legierungselementen,
Lunker, Poren und Oxyde festgestellt. Derartige
Gefügestörungen können auch durch aufwendige Prüfverfahren
nicht mehr erkannt werden.
Im Stand der Technik sind einige Maßnahmen zur Verstärkung
von Kolben bekannt, die sich jedoch bei dem genannten
Anwendungsfall, insbesondere bei hochbelasteten Dieselmotoren
mit Direkteinspritzung als unzureichend erwiesen haben.
Beispielsweise offenbart die GB 1 277 579 einen Kolben mit
einem Grundkörper, in den mittels Reibschweißen ein
ringförmiger Kolbenringträger, ein Einsetzteil mit einer
Brennraummulde oder ein Einsetzteil, das an zu erwartenden
heißen Stellen des Kolbenbodens einzusetzen ist, befestigt
werden.
Die DE 196 48 260 Al offenbart ein Verfahren zur Herstellung
eines Kolbens, bei dem ein Kolbenbodenteil und ein
Kolbenschaftteil aus einem Werkstoff, der jeweils den an die
einzelnen Teile gestellten Anforderungen entspricht, zu einem
Verbundteil zusammengesetzt werden. Wie erwähnt, haben sich
diese bekannten Kolben immer noch als verbesserungswürdig
erwiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für
einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der den Anforderungen an
die Dauerfestigkeit, die insbesondere bei hochbelasteten
Motoren gestellt werden, besonders gut erfüllt und darüber
hinaus mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellbar ist.
Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen
Kolbens geschaffen werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß einem ersten Aspekt
durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.
Demzufolge besteht der erfindungsgemäße Kolben aus einem
gegossenen Grundkörper aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung der eine von dem Kolbenboden bis zu dem
Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen durchgehende
Aussparung aufweist. Hierbei muss die Aussparung nicht
unbedingt in Radialrichtung der Kolbenbolzenaugen bis
zwischen diese reichen. Dadurch, dass der Grundkörper aus
einem bewährten, warmfesten Material ausgeführt ist, können
die vorteilhaften Eigenschaften für den Grundkörper des
erfindungsgemäßen Kolbens genutzt werden. Für den Grundkörper
können als Aluminium-Guss-Legierungen beispielsweise die den
Fachleuten bekannten Legierungen Nüral B1 oder B2 verwendet
werden. Bei der Verwendung in hochbelasteten Motoren treten
jedoch besonders hohe Temperaturen und dementsprechend
besonders hohe Belastungen im Bereich des Kolbenbodens auf.
Dem wird gemäß der Erfindung dadurch Rechnung getragen, dass
der Grundkörper mit einem weitgehend konischen
Verstärkungseinsatz aus einem hochwarmfesten Material
kombiniert ist. Die konische Form des Verstärkungseinsatzes
ergibt sich dadurch, dass dieser ausgehend von einem
vergleichsweise großen Durchmesser im Bereich des
Kolbenbodens sich verjüngend auf einen vergleichsweise
schmalen Durchmesser im Bereich zwischen den
Kolbenbolzenaugen zuläuft. Insbesondere bildet der
Verstärkungseinsatz aus hochwarmfestem Material vorzugsweise
einen wesentlichen Teil des Kolbenbodens. Es verbleibt
lediglich ein ringförmiger, vergleichsweise schmaler
Randbereich am oberen Ende des Kolbens, der durch den
Grundkörper gebildet wird.
Erfindungsgemäß erstreckt sich der Verstärkungseinsatz
durchgehend bis zu der Aussparung, die in axialer Richtung
der Kolbenbolzenaugen zwischen den Kolbenbolzenaugen
vorhanden ist. Dies gilt zumindest an dem Rohkolben und führt
zu dem Vorteil, dass die Stoßstelle zwischen dem Grundkörper
und dem Verstärkungseinsatz in diesem Bereich freigelegt ist
und mechanisch bearbeitet werden kann. Beispielsweise in dem
Fall, dass der Grundkörper und der Verstärkungseinsatz durch
Elektronenstrahl- oder Laserschweißen miteinander verbunden
werden, tritt der Strahl somit an der Stoßstelle im Bereich
des Kolbenbodens ein und dementsprechend an der vorangehend
beschriebenen Stelle im Bereich zwischen den
Kolbenbolzenaugen aus. Diese Zonen stellen hinsichtlich der
Festigkeit der Verbindung kritische Bereiche dar. Die
Erfindung bietet hierbei den Vorteil, dass diese Stoßstellen
freigelegt sind und dementsprechend bei einer nachfolgenden
mechanischen Bearbeitung zerspant werden. Es sei erwähnt,
dass in die Kolbenbolzenaugen nachfolgend jeweils eine Buchse
eingesetzt werden kann, was jedoch nichts daran ändert, dass
vor dem Einsetzen einer derartigen Buchse die beschriebene
vorteilhafte Bearbeitung der Verbindungsstelle zwischen
Grundkörper und Verstärkungseinsatz erfolgen kann.
Der erfindungsgemäße Verstärkungseinsatz kann, wie
nachfolgend noch detailliert beschrieben, aus einem
hochwarmfesten Material ausgeführt werden und in dieser Weise
die besonders hoch belasteten Bereiche des erfindungsgemäßen
Kolbens verstärken, so dass der erfindungsgemäße Kolben in
besonders vorteilhafter Weise den Anforderungen genügt, die
an Kolben von hochbelasteten Motoren, insbesondere
Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, gestellt werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren
Ansprüchen beschrieben.
Für das Material des Verstärkungseinsatzes haben sich
insbesondere hochwarmfeste Aluminium-Knetlegierungen sowie
Buntmetalle mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der
demjenigen des Grundkörpers ähnlich ist, als günstig
erwiesen. Mit diesen Werkstoffen lässt sich eine deutlich
höhere Thermoschock- und Dauerwarmfestigkeit erzielen als mit
denjenigen Gusswerkstoffen, die für den Grundkörper verwendet
werden. Bei den Aluminium-Knetlegierungen ergibt sich der
weitere Vorteil, dass diese aufgrund des besonderen
Herstellungsverfahrens eine äußerst geringe Anzahl von
Fehlstellen aufweisen und diejenigen Fehler, die durch das
Herstellungsverfahren bedingt sind, wegen ihrer Größe ohne
weiteres bereits anhand des Vormaterials ermittelt werden
können.
Für die Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem
Verstärkungseinsatz hat sich neben einem Verschweißen mittels
eines kontinuierlichen Schweißvorganges durch
Elektronenstrahl- oder Laserschweißen auch ein Vakuumverlöten
als günstig erwiesen.
Ferner hat sich bei Versuchen ergeben, dass der
Verstärkungseinsatz aus Pulvermetall oder sprühkompaktierten
Materialien hergestellt werden kann und in dieser
Konstellation mit dem Grundkörper verschweißt oder
heißisostatisch verpresst werden kann. Hierbei kann die
oberste Kolbenringnut schweißarmiert ausgebildet sein.
Ferner wird für bestimmte Anwendungsfälle bevorzugt, den
Verstärkungseinsatz durch poröses Sintern oder aus geeignetem
Stahl flammgespritzt herzustellen und mittels eines Squeeze-
Cast-Verfahrens in den Grundkörper einzugießen.
Um auch weiteren Anforderungen im Hinblick auf Kolben,
insbesondere von Dieselmotoren gerecht zu werden, wird für
den erfindungsgemäßen Kolben bevorzugt, dass der Grundkörper
einen Kühlkanal und vorzugsweise zusätzlich einen Ringträger
enthält. Das Vorsehen eines Ringträgers in dem Grundkörper
ist von den geometrischen Gegebenheiten abhängig und
ermöglicht eine besonders zuverlässige Aufnahme, insbesondere
des obersten Kolbenringes.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird
ein Verfahren vorgestellt, bei dem zunächst ein Grundkörper
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gegossen wird.
Beim Gießen oder auch in einem nachfolgenden
Bearbeitungsschritt wird in dem Grundkörper eine von dem
Kolbenboden bis zu dem Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen
durchgehende Aussparung ausgebildet. Nachfolgend wird ein
Verstärkungseinsatz aus hochwarmfestem Material ausgebildet
und vorzugsweise mittels Schweißen mit dem Grundkörper fest
verbunden. Bevorzugt erfolgt eine spanende Bearbeitung des in
dieser Weise ausgebildeten Rohkolbens zur Herstellung eines
Fertigkolbens. Da, wie oben ausgeführt, der
Verstärkungseinsatz weitgehend konisch ausgebildet ist und
von dem Kolbenboden bis in den Bereich reicht, der in
Axialrichtung der Kolbenbolzenaugen zwischen diesen liegt,
kann im Rahmen des zuletzt genannten Schrittes eine spanende
Bearbeitung der freiliegenden Stoßstellen zwischen den
genannten Teilen des erfindungsgemäßen Kolbens erfolgen, so
dass beispielsweise bei der Verwendung eines kontinuierlichen
Schweißvorganges im Rahmen der Verbindung zwischen
Grundkörper und Verstärkungseinsatz eine Zerspanung der
verbindungstechnisch kritischen Randzonen der
Schweißverbindung, z. B. der Bereiche des Strahlein- und
Strahlaustritts erfolgen kann. Es sei erwähnt, dass im Rahmen
der Herstellung des Fertigkolbens aus dem Rohkolben die
übliche Bearbeitung des Kolbenschaftes und gegebenenfalls der
Brennraummulde erfolgen kann. Ferner ist es denkbar, dass im
Bereich der Kolbenbolzenaugen besondere Lagerbuchsen für den
Kolbenbolzen eingesetzt werden.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Die bevorzugt gewählten Verfahrensschritte entsprechen im
Wesentlichen den vorangehend im Zusammenhang mit dem
entstehenden Kolben erwähnten Verfahrensschritten. Zusätzlich
können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens der
Grundkörper und der Verstärkungseinsatz in vorgewärmtem
Zustand miteinander verschweißt werden. Die Verbindung
zwischen dem Verstärkungseinsatz und dem Grundkörper kann
neben dem Verschweißen beispielsweise auch mittels eines
heißisostatischen Verpressens durchgeführt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer beispielhaft in
den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt senkrecht zur Kolbenbolzenachse
durch den Rohkolben des erfindungsgemäßen Kolbens;
Fig. 2 einen Querschnitt senkrecht zur Kolbenbolzenachse
durch den erfindungsgemäßen Kolben; und
Fig. 3 einen Querschnitt parallel zur Kolbenbolzenachse
durch den erfindungsgemäßen Kolben.
Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, weist der erfindungsgemäße
Kolben einen Grundkörper 12 auf, der den Kolbenschaft und
einen vergleichsweise kleinen, am Rand befindlichen
ringförmigen Keil des Kolbenbodens bildet. Ausgehend von
diesem ringförmigen Randbereich des Grundkörpers 12 erstreckt
sich in Richtung der Kolbenachse nach unten, bis zu dem
Bereich axial zwischen den Kolbenbolzenaugen eine weitgehend
konusförmige Aussparung 14. Wie oben erwähnt, erstreckt sich
die Aussparung 14 durchgehend nach unten, bis zu einem
Bereich, der in Axialrichtung der Kolbenbolzenaugen
betrachtet zwischen diesen liegt. In der Richtung senkrecht
hierzu, also in Richtung der Kolbenachse muss der untere Rand
der Aussparung nicht notwendigerweise so tief liegen, dass er
auch in radialer Richtung zwischen den Kolbenbolzenaugen
liegt. In der Aussparung 14 ist der nachfolgend noch im
einzelnen erläuterte Verstärkungseinsatz 16 aufgenommen. Bei
der gezeigten Ausführungsform weist der Grundkörper 12 einen
Kühlkanal 18 sowie einen eingegossenen Ringträger 20 auf.
Der Verstärkungseinsatz 16 weist in seinem oberen Bereich,
dem Bereich des Kolbenbodens eine Aussparung 22 auf, die in
einer nachfolgenden mechanischen Bearbeitung zu einer
Brennraummulde erweitert wird. In seinem schmäleren, unteren
Bereich weist der Verstärkungseinsatz 16 ebenfalls eine
Aussparung 24 auf, die bei dem fertigen Kolben der Aufnahme
eines Abschnitts eines Pleuels dient.
Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, ist der Verstärkungseinsatz 16
durchgehend von dem Bereich des Kolbenbodens bis zu dem
freigelegten Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen
ausgebildet. Dies ermöglicht die Verwendung eines
kontinuierlichen Schweißverfahrens im Rahmen der Verbindung
zwischen Grundkörper 12 und Verstärkungseinsatz 16. Mit
anderen Worten ist nur eine einzige umlaufende Schweißnaht
erforderlich. Der Schweißstrahl tritt an der Stoßstelle im
Bereich des Kolbenbodens an der mit 26 bezeichneten Stelle
ein und tritt im Bereich zwischen den Kolbenbolzen an der mit
28 bezeichneten Stelle aus. Da diese Zonen an dem
Fertigkolben freigelegt sind, können diese kritischen
Bereiche vorteilhafterweise nachfolgend spanend bearbeitet
werden.
Aus Fig. 2 ist die endgültige Gestaltung des
erfindungsgemäßen Kolbens 10 ersichtlich. Wie vorangehend
beschrieben, wurden insbesondere der Schweißnahtein- 26 und
der Schweißnahtaustritt 28 mechanisch bearbeitet, so dass
diese kritischen Stellen weitgehend entfernt wurden, und die
Verbindung zwischen dem Grundkörper 12 und dem
Verstärkungseinsatz 16 durch eine kontinuierliche Schweißnaht
ausgebildet ist. Ferner wurde die in dem Verstärkungseinsatz
durch die Aussparung 22 vorbereitete Brennraummulde zu einer
geeigneten Form ausgebildet. Schließlich wurde der
Kolbenschaft in geeigneter Weise mechanisch bearbeitet. Im
Bereich des Ringträgers 20 wurde die oberste Kolbenringnut
ausgebildet, und in den Bereichen darunter zwei weitere
Kolbenringnuten vorgesehen.
Wie ergänzend aus der Querschnittsansicht parallel zur
Kolbenbolzenachse von Fig. 3 ersichtlich ist, wurden in die
Kolbenbolzenaugen jeweils eine Buchse 30 eingesetzt, die der
Aufnahme des Kolbenbolzens dient.
Claims (12)
1. Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem
gegossenen Grundkörper (12) aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung, der eine von dem Kolbenboden bis zu
dem Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen durchgehende
Aussparung aufweist, und einem weitgehend konischen
Verstärkungseinsatz (16) aus hochwarmfestem Material,
der mit dem Grundkörper (12) fest verbunden,
vorzugsweise verschweißt ist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Verstärkungseinsatz (16) aus einer Aluminium-Knet-
Legierung oder einem Buntmetall mit einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich zu demjenigen des
Grundkörpers (12) besteht.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der Grundkörper (12) und der Verstärkungseinsatz
(16) miteinander vakuumverlötet sind.
4. Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungseinsatz
(16) aus Pulvermetall oder einem sprühkompaktierten
Material besteht.
5. Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungseinsatz
(16) porös gesintert oder aus Stahl flammgespritzt ist
und mittels eines Squeeze-cast-Verfahrens in den
Grundkörper (12) eingegossen ist.
6. Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) einen
Kühlkanal (18) und vorzugsweise einen Ringträger (20)
enthält.
7. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen
Verbrennungsmotor mit folgenden Schritten:
- - Gießen eines Grundkörpers aus Aluminium und einer Aluminiumlegierung und Ausbilden einer von dem Kolbenboden bis zu dem Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen durchgehenden Aussparung,
- - Herstellen eines weitgehend konischen Verstärkungseinsatzes aus hochwarmfestem Material, und
- - festes Verbinden, vorzugsweise verschweißen des Verstärkungseinsatzes mit dem Grundkörper.
8. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper und der
Verstärkungseinsatz mittels eines kontiunierlichen
Schweißverfahrens, insbesondere Elektronenstrahl- oder
Laserschweißen verbunden werden, und der
Schweißnahteintritt und der Schweißnahtaustritt
nachfolgend mechanisch zerspant werden.
9. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach Anspruch 7
oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper
und/oder der Verstärkungseinsatz vor dem Schweißen
vorgewärmt werden.
10. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach zumindest
einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dass der Grundkörper mit dem Verstärkungseinsatz
vakuumverlötet wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach zumindest
einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
dass der Verstärkungseinsatz aus einem Pulvermetall
oder einem sprühkompaktierten Metall hergestellt wird
und mit dem Grundkörper verschweißt oder heißisostatisch
verpresst wird.
12. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach zumindest
einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
dass der Verstärkungseinsatz porös gesintert oder aus
Stahl flammgespritzt wird und in den Grundkörper mittels
eines Squeeze-cast-Verfahrens eingegossen wird.
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DE10042207A DE10042207C2 (de) | 2000-08-28 | 2000-08-28 | Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Herstellung eines Kolbens |
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