DE102015221293A1

DE102015221293A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor und Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102015221293A1
Application number: DE102015221293.9A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Obermeier; Kurt Reinl; Frank Dörnenburg; Bondan Winartomo
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2017-05-04
Anticipated expiration: 2035-10-31
Also published as: DE102015221293B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, bei dem ein Bereich, der bei dem fertigen Kolben (10) einen Kühlkanal (12) und eine Kolbenringnut (18) aufweist, zunächst ausgespart wird, der spätere Kühlkanal (12) nachfolgend abgedeckt wird, und schließlich Material (16) zur Aufnahme des Kolbenringes aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der spätere Kühlkanal (12) durch zumindest zwei Segmente (14) eines insgesamt ringförmigen Formteils abgedeckt wird. Ferner wird beschrieben ein Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kühlkanal (12) und einem Verstärkungsmaterial (16) zur Aufnahme des Kolbenrings sowie mit einer Abdeckung zwischen dem Kühlkanal (12) und dem Verstärkungsmaterial (16), wobei die Abdeckung durch zumindest zwei Segmente (14) eines insgesamt ringförmigen Formteils gebildet wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor und einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
Im Rahmen der Entwicklung zu immer kleineren, aber gleichzeitig leistungsfähigeren Motoren treten immer höhere Druckbelastungen auf. Dies bedeutet höhere Belastungen an dem ersten Kolbenring und der ersten Ringnut des Kolbens, in dem dieser aufgenommen ist. Ferner ist eine ausreichende Kühlung des Bereichs um eine Brennraummulde zu gewährleisten.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet der Ottomotorkolben sind Vorbenutzungsgegenstände bekannt, bei denen die hoch belastete erste Ringnut lokal mit einer elektrisch aufgebrachten Aluminiumoxidschicht armiert ist, um den hohen Flächenpressungen und Verschleißbeanspruchungen in der ersten Ringnut standzuhalten.
Bei Dieselmotorkolben ist es bereits Standard, und es könnte für Ottomotorkolben zusehends erforderlich werden, Ringträger einzugießen, was jedoch in technischer Hinsicht sehr aufwändig ist. Auf dem betreffenden Gebiet ist es insbesondere für Dieselmotorkolben, die üblicherweise einen Kühlkanal aufweisen, ferner bekannt, einen Ringträger, der mit einem Kühlkanal kombiniert ist, manuell in die Kokille einzulegen. Dieser kann nach dem sogenannten Alfin-Verfahren vor dem Einlegen in die Kokille in flüssiges Aluminium getaucht werden und ist somit beim Umgießen vollständig mit teilerstarrtem Aluminium benetzt. Dies bedeutet eine besonders gute metallische Bindung zwischen dem Ringträger und dem umgebenden Kolbenmaterial. Der Kühlkanal kann einen Formkern, beispielsweise aus Salz aufweisen, der nach der Erstarrung des Kolbenrohlings ausgewaschen werden kann.
Aus der DE 198 07 176 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem der Bereich der obersten Ringnut und des Kühlkanals zunächst ausgespart wird, dann durch einen radial innen spannenden Abdeckring abgedeckt wird, so dass nachfolgend die verbleibende Nut, aus der später die Ringnut herausgearbeitet wird, beispielsweise durch thermisches Spritzen aufgefüllt werden kann.
Gemäß der DE 196 49 363 A1 wird der betroffene Bereich durch einen Schmelzkern gebildet, dessen äußerer Ring später entfernt wird, um diesen Bereich mit Verstärkungsmaterial zu füllen. Nachfolgend wird auch der innere Bereich des Schmelzkerns entfernt, um den Kühlkanal auszubilden.
Aus der DE 10 2009 002 653 A1 geht eine Abdeckung des späteren Kühlkanals hervor, die durch ein Drahtmaterial erfolgt. In ähnlicher Weise erfolgt die Abdeckung gemäß der EP 937 888 B1 , DE 10 2011 078 194 B4 , DE 10 2011 002 652 B4 und JP 2000 213413 A mit einem einstückigen Ring.
Schließlich beschreiben die DE 10 2007 010 839 B4 , DD 279 203 A1 , JP 3138438 A , EP 1 536 125 B1 , DE 102 09 168 B4 und DE 103 46 822 A1 Verschlüsse von Kühlkanälen, die zweiteilig ausgeführt sind.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, mit dem ein derartiger Kolben besonders zuverlässig herstellbar ist, und darüber hinaus die an ihn gestellten Anforderungen erfüllt. Ferner soll ein entsprechender Kolben geschaffen werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren.
Demzufolge wird bei der Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor ein Bereich, der bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal und einen Kolbenring aufweist, zunächst ausgespart, und der spätere Kühlkanal nachfolgend abgedeckt oder verschlossen. Auf den "Verschluss" wird Material zur Aufnahme des Kolbenrings aufgetragen. Das erfindungsgemäße Verfahren erhält seine Besonderheit dadurch, dass zur Abdeckung des Kühlkanals zumindest zwei Segmente eines insgesamt ring-, bevorzugt kreisringförmigen Formteils verwendet werden. Ein derartiges Formteil weist, anders als die bislang verwendeten Ringe oder Drahtmaterialien eine gewisse Erstreckung in radialer Richtung (bezüglich des Kolbens) auf, so dass eine wesentlich verbesserte Kraftübertragung zwischen dem Kolbenboden und dem Bereich unterhalb des Kühlkanals möglich ist. Hierdurch wird das aufgetragene Material zur Aufnahme des Kolbenrings, also die sogenannte Nutarmierung erheblich entlastet, da das Formteil die Druckkräfte überträgt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Festigkeit der Nutarmierung aufgrund der Materialeigenschaften sowie aufgrund von Poren und des Setzverhaltens begrenzt ist. Hier erfolgt eine Entlastung, und die Gefahr von Rissen, beispielsweise an der Innenseite des Kühlkanals wird erheblich reduziert. Die Segmente des Formteils wirken als Verbindung zwischen Kolbenboden oder -krone und dem ersten Ringsteg und leiten die Kräfte vom Kolbenboden insbesondere in den Bereich unterhalb und seitlich des Kühlkanals. Aufgrund der vorteilhaften Wirkungsweise der Segmente des Formteils ist die Festigkeit gewährleistet, und der Kühlkanal kann näher zu einer Brennraummulde ausgeführt werden, so dass eine gute Kühlung gewährleistet ist. Die Segmente sollten zumindest mit Übergangspassung, bevorzugt mit einer Presspassung - in die dafür vorgesehene Nut in dem Kolben eingesetzt werden, da hierdurch die gewünschte Stützfunktion am besten erreicht werden kann. Eine entsprechend ausgeführte Presspassung erzeugt Zugspannungen in der Ausrundung des Kühlkanals. Diese Zugvorspannung entlastet die, im motorischen Betrieb, druckbelastete Wand zwischen Brennraummulde und Kühlkanal. In der Brennraummulde erzeugt die Presspassung Druckvorspannung, die den lebensdaurverkürzenden Zugspannungen im Motorbetrieb entgegenwirkt.
Der Bereich, der bei dem fertigen Kolben einen Kühlkanal und einen Kolbenring aufweist, kann bereits beim Gießen ausgespart werden oder in geeigneter Weise vorbearbeitet werden. Ferner sind für die Geometrie sowohl des Kühlkanals als auch der für das Verstärkungsmaterial und als Ringträger dienende Material vorgesehenen Nut wenig Anforderungen zu beachten. Der Kühlkanal kann bezüglich einer Ebene senkrecht zur Kolbenachse und durch die Mitte des Abdeckmaterials symmetrisch sein, er kann sich jedoch auch überwiegend unterhalb der genannten Ebene befinden, und seine Oberkante kann sich auf einer Höhe mit der Oberkante des Abdeckmaterials befinden. Ferner ist es für den Kühlkanal in seinem zur Kolbenachse hin, und damit zu einer möglichen Brennraummulde hin gelegenen Bereich denkbar, dass seine Geometrie an die Form der Brennraummulde angepasst ist. Beispielsweise kann zwischen der Brennraummulde und dem Kühlkanal Material mit einer entlang der Kolbenachse konstanten Dicke verbleiben.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Für den Querschnitt zumindest eines der verwendeten Segmente, bevorzugt sämtlicher Segmente des insgesamt ringförmigen Formteils ist ein U-, I- oder trapezförmiger Querschnitt möglich. Ferner kann ein rechteckiger Querschnitt vorgesehen sein, der bevorzugt wird, da sich die Druckkräfte über zueinander parallele Flächen am besten übertragen lassen.
Für zumindest eine Seitenfläche, die zu dem Kühlkanal zeigt, oder auf die das Verstärkungsmaterial für die Ausbildung der Kolbenringnut aufgespritzt wird, wird bevorzugt, dass sie konkav, bevorzugt rund ausgebildet ist, um beispielsweise eine besonders gute Verbindung mit dem Verstärkungsmaterial zu erreichen. Hierdurch kann Gewicht eingespart werden, ohne die Festigkeit zu gefährden. Dies gilt in gleicher Weise für die unten genauer beschriebene Maßnahme, die Kontaktflächen zu dem Kolbenmaterial unterschiedlich breit zu gestalten.
Für das Material zumindest eines, bevorzugt sämtlicher Segmente des verwendeten Formteils wird derzeit eine warmfeste Kolbenlegierung, insbesondere ein Material mit aluminiumähnlicher Wärmeausdehnung, eine Aluminiumlegierung, oder austenitisches Gusseisen oder austenitischer Stahl bevorzugt. Austenitisches Gusseisen hat sich beispielsweise bereits als Ringträgermaterial bewährt.
Bei ersten grundsätzlichen Versuchen hat sich ferner herausgestellt, dass die beschriebene Kraftübertragung in besonderer Weise gewährleistet werden kann, wenn die in Radialrichtung gemessene Dicke an der dünnsten Stelle zumindest eines Segments 1,5 mm oder mehr beträgt. Dieser Wert gilt bei Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung für die Segmente. Bei Verwendung von höherfesten Materialien ist eine kleinere Breite an der genannten Stelle möglich, beispielsweise eine Mindestbreite von 1,2 mm. Die Gestaltung des Querschnitts der Segmente ergibt sich jedoch grundsätzlich aus der im Motorbetrieb zu erwartenden Druck- und Temperaturbeaufschlagung sowie der Festigkeit des Kolbenmaterials. Mit anderen Worten stellen Temperatur und Flächenpressung im Bereich der Kontaktflächen die wesentlichen Kriterien dar. Das für die Auslegung der Mindestbreite herangezogene Kriterium ist deshalb die Dauerkriechfestigkeit der verwendeten Werkstoffe. Wenn ein Segment beispielsweise aus einem Eisenwerkstoff ausgeführt ist, der eine vergleichsweise hohe Dauerkriechfestigkeit aufweist, begrenzt die Dauerkriechfestigkeit des Aluminiumwerkstoffs des Kolbens die Auflagenbreite. Wenn jedoch für ein Segment ein Aluminiumwerkstoff aus einer weniger kriechfesten Legierung als der Kolben verwendet wird, bestimmt die Dauerkriechfestigkeit des Segmentmaterials die Auflagefläche. Durch den erheblichen Temperaturunterschied zwischen der Brennraumseite und der durch den Kühlkanal getrennten Schaftseite des Kolbens weist das Kolbenmaterial auf der Schaftseite eine höhere Dauerfestigkeit auf. Aus diesem Grund, und da die Temperaturen an der Kopfseite der Segmente, also der zum Brennraum gerichteten Seite, üblicherweise deutlich höher sind als an der Schaftseite, kann beispielsweise die Kontaktfläche auf der Schaftseite, also der zu dem Kolbenbolzen gerichteten Seite geringer sein als die Kontaktfläche zu der Brennraumseite, wie oben beschrieben.
Im Hinblick auf die Herstellung zumindest eines, bevorzugt sämtlicher Segmente des verwendeten Formteils, werden gute Ergebnisse für geschmiedete, extrudierte, gegossene, insbesondere durch Strangguss hergestellte, gesinterte oder aus einem Profilstab gewickelte Segmente erwartet. Hierbei kann beispielsweise ein Rechteckprofil gewickelt werden, so dass sich eine Herstellung ergibt, die ähnlich zu der bewährten Herstellungsmethode für Kolbenringe aus Stahl ist. Hierbei kann das Vormaterial insbesondere einen konischen Querschnitt haben. Bevorzugt sollte das Vormaterial in diesem Zusammenhang nicht exakt rund, sondern mit einer durchmesserkorrelierten Ovalität hergestellt werden. Der Trennschnitt erfolgt dann bevorzugt entlang der langen Achse der Ellipse. Die Segmente bilden dann beim Einbau in die Nut einen „Quasikreis“, der zur Erfüllung der Stützfunktion genügend Rundheit aufweist.
Für die Stöße zwischen zwei Segmenten wird bevorzugt, dass diese bei 30 bis 60 Grad, insbesondere 40 bis 50 Grad und besonders bevorzugt etwa 45 Grad von der Laufebene angeordnet sind, da hier die Belastungen besonders niedrig sind.
Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch den im Anspruch 8 beschriebenen Kolben. Die bevorzugten Merkmale des Kolbens und insbesondere der verwendeten Segmente von Formteilen entsprechen hierbei denjenigen, die vorangehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Es sei ferner erwähnt, dass sämtliche vorangehend und nachfolgend für den Kolben und insbesondere dessen Formteilsegmente angegebenen Merkmale auf das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar sind und umgekehrt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer beispielhaft in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform näher erläutert.
Die Figur zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
In der Figur ist im Schnitt ein erfindungsgemäßer Kolben 10 gezeigt, der einen Kühlkanal 12 aufweist, der durch Segmente 14 eines insgesamt ringförmigen Formteils abgedeckt ist. Radial außerhalb der Segmente 14 ist Verstärkungsmaterial 16 aufgetragen, in das eine Nut 18 zur Aufnahme eines (nicht dargestellten) Kolbenringes eingearbeitet ist. Im Rahmen der Herstellung des gezeigten Kolbens wird in dem Kolben eine Nut ausgebildet, die nicht nur den Kühlkanal 12 umfasst, sondern auch die später von den Segmenten 14 und dem Verstärkungsmaterial 16 eingenommenen Bereiche. Der Kühlkanal weist in dem gezeigten Fall insofern eine besondere Form auf, als er im Wesentlichen trapezförmig, mit einer im Wesentlichen in Richtung der Kolbenachse (in der Figur vertikal) verlaufenden radial äußeren Seite, einer parallelen Ober- und Unterseite sowie einer geneigten radial inneren Seite versehen ist. In dem gezeigten Fall ist die geneigte Innenseite im Wesentlichen parallel zu einer Tangente an die Brennraummulde im Bereich des kürzesten Abstandes zwischen der Brennraummulde und dem Kühlkanal. Ferner sind in dem Kühlkanal insbesondere die Übergänge zwischen der Ober- und Unterseite sowie der radial gesehen Innenseite gerundet ausgeführt.
Die radial äußere Seite des Kühlkanals 12 wird durch die radial gesehen Innenseite des jeweiligen Segments 14 gebildet. Für das Segment 14 ist im Hinblick auf seinen Querschnitt zu erkennen, dass es in dem gezeigten Fall im Wesentlichen trapezförmig ist, wobei seine radial gesehen Außenseite gerundet konkav oder aushöhlt ausgeführt ist, um hier das Verstärkungsmaterial 16 besonders gut aufnehmen zu können. Ferner sind in dem gezeigten Fall die Ober- und Unterseite, die mit Kolbenmaterial in Verbindung stehen, etwas konvex oder ballig ausgeführt. Zur Aufnahme des Verstärkungsmaterials 16 erweitert sich die Nut zur Kolbenaußenseite hin bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel.
Wie in der Figur zu erkennen ist, weist das Formteilsegment 14, das zusammen mit anderen Segmenten eine insgesamt ringförmiges Formteil bildet, eine gewisse Breite in radialer Richtung, insbesondere auch an seiner schmälsten Stelle bei Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eine Breite von mindestens 1,5 mm auf, so dass Druckkräfte von dem Kolbenboden oder der Kolbenkrone, also dem Bereich radial außerhalb der Brennraummulde, besonders zuverlässig in den Bereich unterhalb des Kühlkanals 12 übertragen werden können. Wie oben erwähnt, kann auch die zu dem Kühlkanal 12 gerichtete Seite zumindest eines Segments 14 konkav ausgebildet sein, um weiter Gewicht einzusparen, wobei eine an die Belastung angepasste Mindestbreite an der schmalsten Stelle nicht unterschritten werden sollte. Ferner können, was zur besonders guten Übertragung der Druckkräfte bevorzugt wird, eine oder beide der zu dem Kolbenmaterial gerichteten Seiten zumindest eines, bevorzugt sämtlicher Segmente 14 im Wesentlichen senkrecht zur Kolbenachse ausgerichtet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19807176 C2 [0005]
DE 19649363 A1 [0006]
DE 102009002653 A1 [0007]
EP 937888 B1 [0007]
DE 102011078194 B4 [0007]
DE 102011002652 B4 [0007]
JP 2000213413 A [0007]
DE 102007010839 B4 [0008]
DD 279203 A1 [0008]
JP 3138438 A [0008]
EP 1536125 B1 [0008]
DE 10209168 B4 [0008]
DE 10346822 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10) für einen Verbrennungsmotor, bei dem ein Bereich, der bei dem fertigen Kolben (10) einen Kühlkanal (12) und eine Kolbenringnut (18) aufweist, zunächst ausgespart wird, der spätere Kühlkanal (12) nachfolgend abgedeckt wird, und schließlich Material (16) zur Aufnahme des Kolbenringes aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der spätere Kühlkanal (12) durch zumindest zwei Segmente (14) eines insgesamt ringförmigen Formteils abgedeckt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Segment einen weitgehend U-, I- oder trapezförmigen oder rechteckigen Querschnitt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem Segment zumindest eine Seitenfläche, die zu dem Kühlkanal zeigt, oder auf die das Material für die Aufnahme des Kolbenringes aufgespritzt wird, konkav, bevorzugt rund ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Segment aus einer warmfesten Kolbenlegierung, insbesondere einem Material mit aluminiumähnlicher Wärmeausdehnung, austenitischem Gußeisen, austenitischen Stahl oder einer Aluminiumlegierung ausgeführt ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Radialrichtung gemessene Dicke zumindest eines Segments zumindest 1,2 mm, bevorzugt zumindest 1,5 mm beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Segment geschmiedet, extrudiert, gegossen, insbesondere durch Strangguss, gesintert oder aus einem Profilstab gewickelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Stoß zwischen zwei Segmenten (14) 30 bis 60 Grad, insbesondere 40 bis 50 Grad und bevorzugt etwa 45 Grad von der Laufebene des Kolbens (10) angeordnet ist.
Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kühlkanal (12) und einem Verstärkungsmaterial (16) zur Aufnahme des Kolbenrings sowie mit einer Abdeckung zwischen dem Kühlkanal (12) und dem Verstärkungsmaterial (16), wobei die Abdeckung durch zumindest zwei Segmente (14) eines insgesamt ringförmigen Formteils gebildet wird.
Kolben (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Segment einen weitgehend U-, I- oder trapezförmigen oder rechteckigen Querschnitt aufweist.
Kolben (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem Segment zumindest eine Seitenfläche, die zu dem Kühlkanal zeigt, oder auf die das Material für die Aufnahme des Kolbenringes aufgespritzt wird, konkav, bevorzugt rund ausgebildet ist.
Kolben (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Segment aus einer warmfesten Kolbenlegierung, insbesondere einem Material (16) mit aluminiumähnlicher Wärmeausdehnung, austenitischem Gußeisen, austenitischen Stahl oder einer Aluminiumlegierung ausgeführt ist.
Kolben (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Radialrichtung gemessene Dicke zumindest eines Segments zumindest 1,2 mm, bevorzugt zumindest 1,5 mm beträgt.
Kolben (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Segment geschmiedet, extrudiert, gegossen, insbesondere durch Strangguss, gesintert oder aus einem Profilstab gewickelt ist.
Kolben (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Stoß zwischen zwei Segmenten (14) 30 bis 60 Grad, insbesondere 40 bis 50 Grad und bevorzugt etwa 45 Grad von der Laufebene des Kolbens (10) angeordnet ist.