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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, aufweisend ein Oberteil mit wenigstens einer hinter einem Ringfeld angeordneten Ausnehmung, wobei das Oberteil mit einem zumindest einem Kolbenschaft und Bolzenbohrungen aufweisenden Unterteil verbindbar ist, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
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Es ist grundsätzlich bekannt, dass Kolben dadurch hergestellt werden, dass ein Oberteil und ein Unterteil separat voneinander hergestellt und anschließend zusammengefügt werden. Bisher wurden solche Fügeverbindungen mit einem Stoff- oder Kraftschluss, z. B. durch Schweißen oder Schrauben zur Verbindung des Oberteiles mit dem Unterteil eingesetzt. Diese Fügeverbindungen, wie z. B. Schweißen oder Schrauben, haben sich in der Praxis zwar bewährt, jedoch ist immer darauf zu achten, dass die Fügebereiche für das Schweißen oder Schrauben zugänglich bleiben. Das bedeutet gerade bei einem Schweißvorgang, dass Bereiche des Kolbens, wie z. B. umlaufende und von außen zugängliche Ausnehmungen, immer offen bleiben müssen, damit überhaupt geschweißt werden kann. Kommt für ein Schweißverfahren beispielsweise ein Reibschweißverfahren in Betracht, ist es von Nachteil, dass bei diesem Reibschweißvorgang Wülste entstehen, die überarbeitet und entfernt werden müssen. Bei einem Schraubvorgang, mit dem das Unterteil und das Oberteil miteinander verbunden wird, sind aufwändige Vorbereitungsmaßnahmen (z. B. Gewindeschneiden) erforderlich. Außerdem ist die Teilezahl höher und der Montagevorgang aufwändiger.
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Abhandlung des Standes der Technik
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Eine Schraubverbindung zwischen Unterteil und Oberteil eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine wird beispielsweise in der
DD 90 25 2 A1 beschrieben. Die
DE 731 632 A offenbart einen Arbeitskolben mit einer Bodenplatte aus Quarzglas für Brennkraftmaschinen. Größere Krafteinwirkung zum Fügen der Komponenten kann hier zur Zerstörung der Bodenplatte aus dem amorphen Werkstoff Quarzglas führen. Weiterhin wird beschrieben, den Kolbenkörper um den knaufartigen Teil der Bodenplatte aus Quarzglas herumzuschmieden, zu pressen oder zu biegen.
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In der
DE 2 040 906 A wird eine geschmiedeter Kolbenkörperrohling mit einem verschleissfestem Ringträger behandelt. Ein als Ringträger ausgebildeter Stauchring wird in den Boden des Kolbenkörperrohlings warm eingepresst. Der Ringträger soll unter zur Hilfenahme einer Zentrierrilie auf den Kolbenboden aufgesetzt und dann verpresst und verschweißt werden.
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Die
DE 29 19 897 A1 behandelt einen geschmiedeten Kolben aus Leichtmetall mit einer geschmiedeten Krone und einem Nutverstärkungseinsatz. Der Nutverstärkungseinsatz soll mit der Kolbenkrone sowohl mechanisch verkeilt wie auch metallurgisch verbunden sein. Hierzu werden sm Umfang beinartige Vorsprünge vorgesehen, die durch eine Schraubverbindung an der Unterseite des Einsatzes befestigt werden. Diese Verbindung ist sehr Aufwendung und daher kostenintensiv. In einem weiteren Schritt soll noch die Umformung eines Teiles des Materials der Kolbenkrone erfolgen um den Nutverstärkungseinsatz festzulegen.
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Auch die
DE 31 27 400 C2 schlägt die Ausbildung eines Verstärkungsrings im Bereich der Kolbenkrone vor. Der Verstärkungsring soll durch einen „Schrumpfsitz” und ein Umformen eines Teiles der Kolbenkrone festgelegt werden.
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Die
DE 103 11 148 A1 beschreibt einen geschmiedeten Kolben für einen Verbrennungsmotor der aus zwei Rohteilen zusammengefügt wird, ein rohrförmiges Rohteil aus einem oxidaitionsbeständigem Stahl und ein zylindrisches Rohteil aus einem warmschmiedbaren Stahl. Das rohrförmige Rohteil soll durch „Aufschrumpfen” am zylindrischen Rohteil festgelegt werden. In einem weiteren Arbeitsschritt soll durch Schmieden der Kolbenrohling hergestellt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, insbesondere eines Kühlkanalkolbens, einer Brennkraftmaschine bereit zu stellen, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden.
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Insbesondere soll mit dem Verfahren nicht nur die Teilezahl verringert werden, sondern auch eine anschließende Bearbeitung nach dem Verbinden des Oberteiles mit dem Unterteil weitestgehend vermieden werden.
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Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Oberteil einen Aufnahmebereich und das Unterteil einen Verformungsbereich aufweist (oder umgekehrt), wobei der Verformungsbereich unter Krafteinwirkung in den Aufnahmebereich eingeführt und derart verformt wird, dass das Unterteil an dem Oberteil unverrückbar befestigt wird. Das bedeutet, dass das Oberteil beispielsweise mit Hilfe einer Schmiede-Stauchverbindung mit dem Unterteil verbunden wird. Durch die zueinander angepasste Formgebung des Oberteiles mit seinem Aufnahmebereich (oder seinem Verformungsbereich) und dem Unterteil mit seinem Verformungsbereich (oder Aufnahmebereich), werden diese beiden Teile unter Krafteinwirkung miteinander verbunden, ohne dass es weiterer Teile bedarf oder einer wesentlichen Nachbearbeitung bedarf. Das heißt, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Schweiß- oder Schraubvorgänge vermieden. Nach dem Zusammenbringen der beiden Teile des Kolbens und der Durchführung und Beendigung des Verformungsvorganges sind die beiden Teile unverrückbar miteinander verbunden und der dadurch entstandene Kolben muss lediglich nur noch einer an sich bekannten Feinbearbeitung unterzogen werden.
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In Weiterbildung der Erfindung weist der Aufnahmebereich einen Hinterschnitt auf, wobei sich der Verformungsbereich unter Krafteinwirkung verformt und durch seine Verformung dem Hinterschnitt anpasst. Alternativ oder ergänzend dazu ist vorgesehen, dass auch der Verformungsbereich einen Hinterschnitt aufweist, wobei sich der Aufnahmebereich unter Krafteinwirkung verformt und durch seine Verformung dem Hinterschnitt anpasst. Das bedeutet, dass das Verbinden (Fügen) der beiden Kolbenteile (Oberteil und Unterteil) durch einen Formschluss mit Hilfe von Krafteinwirkung erfolgt. Diese Krafteinwirkung ist ein massiver Umformvorgang, der kalt oder warm erfolgen kann. Das bedeutet, dass für den Verformungsvorgang das Oberteil und/oder das Unterteil des Kolbens erwärmt wird. Dies hat neben der leichteren Verformbarkeit und damit einer geringeren Krafteinwirkung auch den Vorteil, dass ein Oberteil und/oder ein Unterteil aus einem Werkstoff verformt werden können, die unterschiedlich sind. So kann beispielsweise bei einer Kaltumformung das Oberteil aus einem hochbelastbaren Stahl bestehen (da es den Verbrennungsdrücken und Verbrennungstemperaturen im Zylinder der Brennkraftmaschine zugewandt ist), während das Unterteil aus einem niedrig legierten Stahl besteht, der sehr gute Eigenschaften bei der Kaltumformung aufweist. In ebenso bevorzugter Weise werden das Oberteil und das Unterteil in einem Schmiedevorgang hergestellt, wohingegen auch andere Herstellungsverfahren (wie z. B. Gießen) und beliebige Kombinationen denkbar sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet also einerseits die Möglichkeit, dass auf Grund der freien Werkstoffauswahl (alle umformbaren Werkstoffe) verschiedene gleiche oder unterschiedliche Werkstoffe miteinander kombiniert werden können. Beispielsweise sind also mikrolegierte Stähle mit vergüteten Stählen oder auch mit niedrig legierten Stählen kombinierbar. Dabei können auch Werkstoffkombinationen für das Oberteil und das Unterteil gewählt werden, die nicht schweißbar sind (wie z. B. Stahl-Oberteil und Aluminium-Unterteil).
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Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kühlkanalkolbens anwendbar, da durch das Zusammenbringen von Oberteil und Unterteil und dem dabei ausgeführten Verformungsvorgang bei entsprechendem Design von Oberteil und Unterteil die radial umlaufende und hinter dem Ringfeld angeordnete Ausnehmung automatisch verschlossen wird, ohne dass weitere Maßnahmen (wie z. B. Abdecken der Ausnehmung mit einem Ring) erforderlich sind.
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Denn bis heute sind die bekannten einteilig geschmiedeten Stahlkolben mit einem Blechverschluss zur Abdichtung des Kühlkanals verschlossen. Diese Vorgehensweise ist nur bei offenen und gut zugänglichen Kühlkanälen möglich. Es erfordert ein komplexes Werkzeug und einen erhöhten Aufwand bei der zerspanenden Bearbeitung. Außerdem schränkt das Ausdrehend des Kühlkanals am fertigen Bauteil die konstruktiven Freiheiten so stark ein, dass z. B. eine Reduzierung der Kompressionshöhe und damit die Senkung der Kolbenmasse entweder gar nicht oder nur in engen, aber nicht zufrieden stellenden Grenzen möglich ist. Versuche, diese kostenintensive Zerspanungsarbeit zu reduzieren, führten zu geschweißten Kolben, die beispielsweise entweder durch Reibschweißen oder Laserschweißen aus mehreren Teilen gefügt werden. Auch bei diesen Ausführungen entstehen zusätzlich erhöhte Kosten durch den Schweißprozess und die trotzdem erforderliche Nachbearbeitung des Schweißbereiches.
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Kolben, insbesondere Kühlkanalkolben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind, sind in den Figuren in verschiedenen Varianten dargestellt, wobei die verschiedenen Varianten bzw. deren Herstellung im Folgenden erläutert werden, ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt ist.
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Es zeigen:
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1 bis 4: Eine erste Variante eines Kühlkanalkolbens,
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4 bis 6: Eine zweite Variante eines Kühlkanalkolbens,
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7 bis 9: Eine dritte Variante eines Kühlkanalkolbens.
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In den 1 bis 3 ist eine erste Variante eines Kühlkanalkolbens und seiner Herstellung gezeigt.
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1 zeigt die Bestandteile eines Kolbens, nachdem ein Oberteil 10, das ein Ringfeld 11 sowie eine dahinter angeordnete Ausnehmung 12 sowie eine Brennraummulde 13 aufweist, und ein Unterteil 20 separat voneinander hergestellt worden sind. Das Unterteil 20 weist in an sich bekannter Weise einen Kolbenschaft 21 sowie Bolzenbohrungen 22 zur Aufnahme eines Bolzens auf. Das Oberteil 10 weist eine nach unten weisenden Stirnfläche 14 auf, wobei mit 15 eine Unterkante des Ringfeldes 11 bezeichnet ist. Im Innenbereich, in Bezug auf die Kolbenhubachse nach unten weisend ist als Verformungsbereich ein Zapfen 16 vorhanden, der mittig unterhalb der Brennraummulde 13 in Richtung des später anzufügenden Unterteiles 20 vorsteht. Dieser Zapfen 16 ist damit der Verformungsbereich V des Oberteiles, wohingegen das Unterteil 20 einen Anlagebereich 23 (für die Stirnfläche 14) mit einer seinerseitigen Stirnfläche 24 aufweist. Der Anlagebereich 23 weist eine nicht näher bezeichnete Öffnung zur Aufnahme des Zapfens 16 auf, wobei diese Öffnung der Aufnahmebereich A des Unterteiles 20 ist. Mit 25 ist ein Vorsprung bezeichnet, der so angeordnet und gestaltet ist, dass er geringfügig nach dem Zusammenbringen des Oberteiles 10 und des Unterteiles 20 in die Ausnehmung 12 hineinragt. 26 bezeichnet einen Absatz des Unterteiles 20, der mit der Unterkante 15 des Ringfeldes korrespondiert. 2 zeigt, dass mit Hilfe eines bewegbaren Werkzeuges W von unten auf den Zapfen 16 eine Verformungskraft in Richtung der Kolbenhubachse aufgebracht wird, so dass zunächst die Stirnflächen 14, 24 zur Anlage kommen. Dadurch wird einerseits durch den Vorsprung 25 die Ausnehmung 12 wirksam verschlossen und es kann, muss aber nicht, ein Spalt S zwischen der Unterkante 15 und dem Absatz 26 verbleiben. Ein Werkzeug zum Gegenhalten, d. h. zur Lagerfixierung des Oberteiles 10 beim Verformungsvorgang, ist selbstverständlich vorhanden, hier jedoch nicht dargestellt. Aufgrund der Anlage von Oberteil 10 und Unterteil 20 im Bereich der Stirnflächen 14, 24 können sich diese beiden Teile relativ zueinander nicht mehr bewegen, so dass die weitere Aufbringung der Kraftkomponente F durch das Werkzeug W bewirkt, dass der Zapfen 16, also der Verformungsbereich V des Oberteiles 10, verformt wird. Zur Erzielung einer gewünschten Verformung weist das Werkzeug W eine entsprechende Formgebung, z. B. eine abgerundete Form, auf. Nach Durchführung und Beendigung des Verformungsvorganges ist der bisher in etwas zylinderförmige Zapfen 16 derart in einen verformten Zapfen 16' verformt worden, dass dieser verformte Zapfen 16' den Anlagebereich 23 des Unterteiles 20 hintergreift und somit durch den verformten Zapfen 16' Oberteil 10 und Unterteil 20 miteinander verkrallt sind. Durch die Verformung des ursprünglichen Zapfens 16 entsteht also in dem Bereich unterhalb der Brennraummulde 13 und hinter der Ausnehmung 12 in Richtung Kolbenhubachse ein massiver Bereich, in dem das Oberteil 10 mit dem Unterteil 20 durch den Massivumformvorgang miteinander unverrückbar verbunden ist. Eine anschließende Bearbeitung dieses Bereiches ist entbehrlich. Es ist ggf. lediglich erforderlich, die Außenkonturen des jetzt fertigen Kolbens in an sich bekannter Weise fertig zu bearbeiten. Außerdem kann es für den Fall, das die Ausnehmung 12 als Kühlkanal eingesetzt werden soll, noch erforderlich sein, zumindest eine Ablauföffnung sowie zumindest eine Zulauföffnung für das in der Ausnehmung 12 einzuspritzende und zu zirkulierende Kühlöl einzubringen.
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Die 4 bis 7 zeigen eine weitere konstruktive Ausgestaltung eines Kühlkanalkolbens und seiner Herstellung. Nachdem ein Oberteil 30 und ein Unterteil 40 separat voneinander hergestellt worden sind, werden diese in der folgenden zu beschreibenden Art und Weise zusammengebracht. Das Oberteil 30 weist die übliche Konstruktion auf, insbesondere eine radial umlaufende Ausnehmung 31, die z. B. durch einen Drehvorgang hergestellt werden kann. Bei diesem Oberteil 30 ist der Aufnahmebereich A gebildet durch einen Hinterschnitt, der durch eine erste untere Stirnfläche 32, einen nach innen gerichteten Steg (umlaufend) 33, eine umlaufende Ausnehmung 34 sowie eine zweite nach unten berichtete Stirnfläche 35 realisiert ist. Das Unterteil 40 weist wieder einen nach oben gerichteten Vorsprung (radial umlaufend) 41 für den Verschluss der Ausnehmung 31 auf. Der Verformungsbereich V dieses Unterteiles 40 ist realisiert durch eine erste nach oben gerichtete Stirnfläche 42, eine zweite nach oben gerichtete Stirnfläche 43 sowie einen Zapfen 44, der ebenfalls nach oben gerichtet ist und zylinderförmig gestaltet ist. Die nach oben gerichtete Stirnfläche dieses Zapfens 44 weist zwecks besserer Verformbarkeit eine nach innen, in Richtung der Kolbenhubachse (strichpunktiert) weisende Vertiefung auf. Je nach Gestaltung der ersten nach unten gerichteten Stirnfläche 32 des Oberteiles 30 kann diese Geometrie der Stirnfläche des Zapfens 44 auch andersartig gestaltet sein.
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5 zeigt, dass der Zapfen 44 in den Aufnahmebereich A des Oberteiles 30 so weit eingeführt worden ist, dass die obere umlaufende Kante der ersten oberen Stirnfläche 42 des Zapfens 44 an der nach unten gerichteten Stirnfläche 32 des Oberteiles 30 zur Anlage kommt. Dabei verbleibt zunächst ein Spalt zwischen den Stirnflächen 35, 43, die aber nach Durchführung und Beendigung der Verformung des Zapfens 44 derart verschwinden, dass diese beiden Stirnflächen 35, 43 zur Anlage kommen. Dies ist in 6 gezeigt, wobei erkennbar ist, dass der ursprünglich zylinderförmige Zapfen 44 in einen verformten Zapfen 44' aufgrund der Massivumformung übergegangen ist und sich der Formgebung der umlaufenden Ausnehmung 34 angepasst hat und diese vollständig ausfüllt. Das bedeutet, dass das Unterteil 40 mit seinem Zapfen 44 (Bolzen) in die vorgedrehte hinterschnittene Aufnahmeöffnung in dem Oberteil 30 unterhalb der Brennraummulde 13 axial eingeführt wurde uns sich so stark verformt hat, dass der Zapfen 44 gestaucht wird und das Zapfenmaterial radial in die umlaufende Ausnehmung 34 (Muldenhinterschnitt) wandert. Auf diese Weise ist die formschlüssige Verbindung zwischen dem Oberteil 30 und dem Unterteil 40 hergestellt worden.
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Eine dritte, aber nicht abschließende Variante ist in den 7 bis 9 dargestellt, in denen wieder das Design und das Herstellverfahren eines Kühlkanalkolbens gezeigt sind. Ein Oberteil 50 weist wieder eine Ausnehmung 51 auf, wobei der Aufnahmebereich A des Oberteiles 50 gebildet ist durch eine erste nach unten gerichtete Stirnfläche 52, einen Vorsprung 53 (radial umlaufend), eine zweite nach unten gerichtete Stirnfläche 54, wobei der Vorsprung 53 an seinem nach unten weisenden Ende eine Schräge 55 aufweist. Ein korrespondierendes Unterteil 60 weist wieder einen Vorsprung 61 zum Verschluss der Ausnehmung 51 auf. Im Übrigen ist der Verformungsbereich dieses Unterteiles 60 gebildet durch eine erste nach oben gerichtete Stirnfläche 62, eine zweite nach oben gerichtete Stirnfläche 63, sowie einen Zapfen 64, wobei der Zapfen 64 einen umlaufenden Vorsprung 65 sowie eine darunter angeordnete und zurückgesetzte umlaufende Ausnehmung 66 aufweist. Im Übergangsbereich von dem Vorsprung 61 in Richtung des Zapfens 64 ist ebenfalls eine Schräge 67 eingebracht, wobei die beiden Schrägen 55, 67 miteinander korrespondieren und den anschließenden Umformvorgang erleichtern. Denn in 8 ist erkennbar, dass wieder eine Kraft F auf das Unterteil 60 bei festgelegtem Oberteil 50 (oder umgekehrt) aufgebracht wird, so dass zunächst die zweite nach unten gerichtete Stirnfläche 54 des Oberteiles 50 zur Anlage kommt an die erste nach oben gerichtete Stirnfläche 62 des Unterteiles 60. Bis zu diesem Zeitpunkt ist noch ein Spalt zwischen der ersten nach unten gerichteten Stirnfläche 52 des Oberteiles 50 und der zweiten nach oben gerichteten Stirnfläche 63 des Zapfens 64 vorhanden. Außerdem ist bis hierhin die Ausnehmung 51 noch nicht verschlossen.
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Unter weiterer Kraftaufbringung (siehe 9) wird der Zapfen 64 derart verformt, dass er mit seiner zweiten nach oben gerichteten Stirnfläche 63 zur Anlage kommt an die erste nach unten gerichtete Stirnfläche 52 und der bis dahin vorhandene Spalt verschwindet. Durch die einander korrespondierenden Schrägen 55, 67 wird es ermöglicht, dass sich der Vorsprung 53 in Richtung der umlaufenden Ausnehmung 66 bewegt und nach Abschluss der Massivumformung diese Ausnehmung vollständig ausfüllt. Damit ist der Zapfen 64 derart verformt worden, dass er sich nicht nur mit dem Vorsprung 53 verkrallt, sondern der Vorsprung 53 seinerseits so umgeformt wurde, dass er sich mit dem umlaufenden Vorsprung 65 des Unterteiles 60 verkrallt.
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Damit bietet die Erfindung also ein Herstellverfahren für einen Kolben sowie einen danach hergestellten Kolben an, bei dem das Oberteil und das Unterteil des Kolbens durch eine Umformung, insbesondere eine Kalt- oder Warm-Massivumformung, miteinander verbunden werden, ohne dass ein Schweißvorgang oder eine Verschraubung der beiden Teile durchgeführt werden muss. Dabei ist in besonders vorteilhafter Weise die in Richtung des Unterteiles weisende Geometrie des Oberteiles und genauso die in Richtung des Oberteiles weisende Geometrie des Unterteiles so gestaltet, dass bei vorhandener radial umlaufender Ausnehmung im Oberteil ein Kühlkanal realisiert wird. Damit wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in besonders vorteilhafter Weise ein Kühlkanalkolben mit den vorstehend beschriebenen Vorteilen hergestellt. Dabei ist es aber nicht zwangsweise erforderlich, dass das Oberteil eine Ausnehmung aufweist. Diese kann ggf. dann entfallen, wenn ein Kolben ohne Kühlkanal hergestellt werden soll. Außerdem ist es denkbar, dass die jeweiligen Vorsprünge 25, 41, 61 der jeweiligen Unterteile keine Vorsprünge sind, sondern die jeweilige Ausnehmung 12, 31, 51 flach abdecken oder dass das jeweilige Unterteil 20, 40, 60 seinerseits eine Ausnehmung aufweist, die zusammen mit der zugehörigen Ausnehmung im Oberteil einen Kühlkanal bildet.
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Außerdem sind die in den Figuren gezeigten und beschriebenen Geometrien der Aufnahmebereiche bzw. Verformungsbereiche und der jeweiligen Hinterschnitte nur beispielhaft und können ohne weiteres abgewandelt werden, ohne den Erfindungsgedanken, nämlich die Verbindung zwischen Oberteil und Unterteil des Kolbens durch Massivumformung, zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Oberteil
- 11
- Ringfeld
- 12
- Ausnehmung
- 13
- Brennraummulde
- 14
- untere Stirnfläche
- 15
- Unterkante
- 16
- Zapfen
- 16'
- verformter Zapfen
- 20
- Unterteil
- 21
- Kolbenschaft
- 22
- Bolzenbohrung
- 23
- Anlagebereich
- 24
- Obere Stirnfläche
- 25
- Vorsprung
- 26
- Absatz
- 30
- Oberteil
- 31
- Ausnehmung
- 32
- Erste untere Stirnfläche
- 33
- Nach innen gerichteter Steg
- 34
- Umlaufende Ausnehmung
- 35
- Zweite untere Stirnfläche
- 40
- Unterteil
- 41
- Vorsprung
- 42
- Erste obere Stirnfläche
- 43
- Zweite obere Stirnfläche
- 44
- Zapfen
- 44'
- verformter Zapfen
- 50
- Oberteil
- 51
- Ausnehmung
- 52
- Erste untere Stirnfläche
- 53
- Vorsprung
- 54
- Zweite untere Stirnfläche
- 55
- Schräge
- 60
- Unterteil
- 61
- Vorsprung
- 62
- Erste obere Stirnfläche
- 63
- Zweite obere Stirnfläche
- 64
- Zapfen
- 65
- umlaufender Vorsprung
- 66
- umlaufende Ausnehmung
- 67
- Schräge
- A
- Aufnahmebereich
- V
- Verformungsbereich
- F
- Kraftkomponente
- S
- Spalt
- W
- Werkzeug
