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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenoberteils und/oder eines Kolbenunterteils für einen Kolben einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft außerdem ein solches Kolbenoberteil und ein solches Kolbenunterteil sowie einen Kolben mit einem solchen Kolbenoberteil und mit einem solchen Kolbenunterteil.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Brennraummulde eines Kolbenteils im Zuge des Schmiedevorgangs zum Schmieden des Kolbenteils gleich mit zu fertigen. Auf diese Weise lassen sich auch Kolbenteile mit asymmetrischen Formen ohne aufwändiges Zerspanen erzeugen. Zum Herstellen besagter Brennraummulde wird im Zuge des Schmiedevorgangs typischerweise ein Stempel gegen ein entsprechendes Gegenstück - in der Regel eine Matrize - gepresst, so dass sich das noch heiße und fließbare Werkstück um den Stempel legt. Nach Entfernen des Schmiedestempels entsteht so die gewünschte Muldenform.
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Als nachteilig bei der vorangehend beschriebenen Vorgehensweise erweist sich jedoch, dass im Kolbenteil nur Geometrien mit Kantenwinkeln von mehr als 90° hergestellt werden können, da andernfalls der Stempel nicht mehr aus dem Gegenstück herausgefahren werden könnte. Dies gilt insbesondere, wenn am Kolbenoberteil und am Kolbenunterteil jeweils ein Teil eines Kühlkanals ausgeformt werden soll, wie dieser in modernen Kolben zum Kühlen der Brennraummulde typischerweise vorgesehen wird.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Herstellungsverfahren für ein Kolbenoberteil bzw. Kolbenunterteil zu schaffen, bei welchem der vorangehend genannte Nachteil nicht mehr auftritt. Insbesondere soll ein Herstellungsverfahren für ein Kolbenoberteil bzw. für ein Kolbenunterteil geschaffen werden, bei welchem ohne Zerspanen auch geometrische Kühlkanal-Formen mit Kantenwinkeln von 90° oder weniger erzeugt werden können.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, einen Schmiedeprozess zum Herstellen eines Kolbenoberteils oder Kolbenunterteils um einen Verfahrens-schritt zu ergänzen, bei welchem die radial inneren sowie - alternativ oder zusätzlich - die radial äußeren Begrenzungen eines zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil gebildeten Kühlkanals nach dem eigentlichen Schmieden plastisch umgeformt werden. Das plastische Umformen erfolgt dabei derart, dass ein Abstand der beiden distalen, vom Kolbenboden abgewandten Enden von Ringwand und Abstützung zueinander abnimmt. Mittels dieser Maßnahme sind geometrische Ausgestaltungen des Kühlkanals möglich, die bei Herstellungs-verfahren, die ausschließlich einen Schmiedevorgang zur Herstellung des Kühlkanals vorsehen, nicht möglich sind. Mittels des hier vorgestellten Verfahrens wird also die Design-Freiheit des im Kolben ausgebildeten Kühlkanals gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich erhöht. Insbesondere lassen sich Kühlkanal-Geometrien mit Hinterschnitt realisieren, bei denen mittels des im Kühlkanal angeordneten Kühlmittels eine besonders hohe Kühlwirkung erzielt werden kann.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Kolbenoberteils für einen Kolben einer Brennkraftmaschine umfasst einen ersten Schritt a), gemäß welchem ein Kolbenoberteil aus Stahl geschmiedet wird. Das Kolbenoberteil umfasst einen Kolbenboden - vorzugsweise mit einer Verbrennungsmulde -, eine radial außen an den Kolbenboden angeformte, nach unten gerichtete Ringwand und eine radial innerhalb der Ringwand angeordnete, an die Unterseite des Kolbenbodens angeformte, ringförmige Abstützung. Zwischen der Ringwand und der Abstützung wird ein (oberer) Teil eines Kühlkanals gebildet. In einem zweiten Verfahrensschritt b) werden die Ringwand und/oder die Abstützung derart plastisch verformt, dass ein Abstand der beiden distalen, vom Kolbenboden abgewandten Enden von Ringwand und Abstützung zueinander abnimmt. Die Ringwand, insbesondere deren distales Ende, wird also radial nach innen verformt. Die Abstützung, insbesondere deren distales Ende, wird hingegen radial nach außen verformt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das plastische Umformen gemäß Schritt b) derart, dass der obere Teil des Kühlkanals nach dem plastischen Umformen in einem Längsschnitt des Kolbenoberteils einen Hinterschnitt aufweist. Mit einem solchen Hinterschnitt geht eine vorteilhafte Geometrie des sich ergebenden Kühlkanals einher.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung erfolgt das plastische Umformen in Schritt b) derart, dass die Ringwand und/oder die Abstützung nach dem plastischen Umformen in einem Längsschnitt entlang der Mittellängsachse des Kolbenoberteils mit der Mittellängsachse des Kolbenoberteils einen spitzen Winkel ausbilden. Bevorzugt beträgt dieser spitze Winkel zwischen 0° und 90°, vorzugsweise zwischen 3° und 45°.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform erfolgt das plastische Umformen in Schritt b) derart, dass sich die Ringwand und/oder die Abstützung nach dem plastischen Umformen in dem Längsschnitt des Kolbenoberteils im Wesentlichen parallel zur Mittellängsachse des Kolbenoberteils erstrecken. Auch mit einer solchen Geometrie geht eine vorteilhafte Geometrie des sich ergebenden Kühlkanals einher. Unter „im Wesentlichen“ ist vorliegend gemeint, dass der Winkel zwischen Ringwand bzw. Abstützung und der Mittellängsachse 0,5°, vorzugsweise 0,2°, nicht überschreitet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das plastische Umformen gemäß Schritt b) entlang des gesamten Umfangs des Kolbenoberteils, so dass der obere Teil des Kühlkanals rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Gemäß einer dazu alternativen bevorzugten Ausführungsform erfolgt das plastische Umformen gemäß Schritt b) entlang des Umfangs des Kolbenoberteils nur abschnittsweise, so dass der obere Teil des Kühlkanals nicht rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Je nach Anforderungsprofil lässt sich somit eine der voranstehend genannten Ausführungsform auswählen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Kolbenunterteils für einen Kolben einer Brennkraftmaschine umfasst einen ersten Schritt a), gemäß welchem ein Kolbenunterteil aus Stahl geschmiedet wird. Das Kolbenunterteil umfasst zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente, die über zwei einander gegenüberliegenden Bolzennaben miteinander verbunden sind, eine auf der Oberseite des Kolbenunterteils angeordnete ringförmige und mit dem Bolzennaben verbundene Auflage sowie eine umlaufende, radial außerhalb der Auflage angeordnete und mit den Schaftelementen verbundene Ringrippe. Dabei wird zwischen der Auflage und der Ringrippe der untere Teil des Kühlkanals gebildet. In einem zweiten Verfahrensschritt b) werden die Auflage und/oder die Ringrippe derart plastisch verformt, dass ein Abstand der beiden distalen, von den Schaftelementen abgewandten Enden von Auflage und/oder Ringrippe zueinander abnimmt. Die Ringrippe, insbesondere deren distales Ende, wird also radial nach innen verformt. Die Auflage, insbesondere deren distales Ende, wird radial nach außen verformt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das plastische Umformen in Schritt b) derart, dass der untere Teil des Kühlkanals nach dem plastischen Umformen in einem Längsschnitt des Kolbenunterteils einen Hinterschnitt aufweist. Mit einem solchen Hinterschnitt geht eine vorteilhafte Geometrie des sich ergebenden Kühlkanals einher.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung erfolgt das plastische Umformen in Schritt b) derart, dass die Auflage und/oder die Ringrippe nach dem plastischen Umformen in einem Längsschnitt entlang der Mittellängsachse des Kolbenunterteils mit der Mittellängsachse des Kolbenunterteils einen spitzen Winkel einschließt. Bevorzugt beträgt dieser spitze Winkel zwischen 0° und 90°, vorzugsweise zwischen 3° und 45°.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das plastische Umformen in Schritt b) derart, dass sich die Auflage und/oder die Ringrippe nach dem plastischen Umformen in einem Längsschnitt des Kolbenunterteils entlang der Mittellängsachse im Wesentlichen parallel zur Mittellängsachse des Kolbenunterteils erstrecken. Unter „im Wesentlichen“ ist vorliegend gemeint, dass der Winkel zwischen Auflage bzw. Ringrippe und der Mittellängsachse 0,5°, vorzugsweise 0,2°, nicht überschreitet. Auch mit einer solchen Maßnahme geht eine vorteilhafte Geometrie des sich ergebenden Kühlkanals einher.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das plastische Umformen gemäß Schritt b) entlang des gesamten Umfangs des Kolbenunterteils, so dass der Teil des Kühlkanals rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform erfolgtdas plastische Umformen gemäß Schritt b) entlang des Umfangs des Kolbenunterteils nur abschnittsweise, so dass der untere Teil des Kühlkanals nicht-rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Kolbenoberteil für einen Kolben einer Brennkraftmaschine, das unter Durchführung des oben erläuterten Verfahrens hergestellt ist. Die oben erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für ein Kolbenoberteil übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Kolbenoberteil.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Kolbenunterteil für einen Kolben einer Brennkraftmaschine, das unter Durchführung des voranstehend erläuterten Verfahrens hergestellt ist. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für ein Kolbenunterteil übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Kolbenunterteil.
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Die Erfindung betrifft schließlich einen Kolben mit einem vorangehend vorgestellten Kolbenoberteil und mit einem vorangehend vorgestellten Kolbenunterteil. Das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil sind dabei mittels einer Schweißverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kolbenoberteils und des erfindungsgemäßen Kolbenunterteils übertragen sich auch auf den erfindungsgemäßen Kolben.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 das Kolbenoberteil eines Kolbens vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in stark vereinfachter Darstellung,
- 2 das Kolbenoberteil der 1 nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 eine alternative, perspektivische Darstellung des Kolbenoberteils gemäß 2,
- 4 das Kolbenunterteil eines Kolbens vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in stark vereinfachter Darstellung,
- 5 eine Variante des Kolbenunterteils der 4 in einer perspektivischen Darstellung nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist in schematischer, stark vereinfachter Darstellung ein geschmiedetes Kolbenoberteil 2 aus Stahl gezeigt. Die 1 zeigt das Kolbenoberteil 2 in einem Längsschnitt entlang einer Mittellängsachse M des Kolbenoberteils 2. Eine axiale Richtung A erstreckt sich parallel zur Mittellängsachse M. Eine radiale Richtung R erstreckt sich senkrecht zur Mittellängsachse M. Eine Umfangsrichtung U läuft um die Mittellängsachse M um.
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Zusammen mit einem in 1 nicht dargestellten Kolbenunterteil bildet das Kolbenoberteil 2 einen Kolben 1 für eine Brennkraftmaschine aus. Das Kolbenoberteil 2 umfasst einen Kolbenboden 3. Das Kolbenoberteil 2 umfasst ferner eine radial außen an den Kolbenboden 3 angeformte, nach unten gerichtete Ringwand 5 und eine radial innerhalb der Ringwand 5 angeordnete, an die Unterseite 7a des Kolbenbodens 3 angeformte ringförmige Abstützung 6. In einem Bereich 8 zwischen der Ringwand 5 und der Abstützung 6 wird ein oberer Teil eines Kühlkanals 9 des Kolbens 1 gebildet.
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Das vorangehend beschriebene Kolbenoberteil 2 wird in einem Verfahrensschritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines Schmiedeprozesses hergestellt. In einem weiteren Verfahrensschritt b) werden die Ringwand 5 und die Abstützung 6 derart plastisch verformt, dass in dem Längsschnitt des Kolbenoberteils 2 entlang der Mittellängsachse M ein Abstand a der beiden distalen, vom Kolbenboden 3 abgewandten Enden 28a, 28b von Ringwand 5 und Abstützung 6 zueinander abnimmt. Der Abstand a kann dabei entlang einer radialen Richtung R des Kolbenoberteils 3, also senkrecht zur axialen Richtung A, gemessen sein. In einer vereinfachten Variante des Verfahrens kann auch nur die Ringwand 5 oder nur die Abstützung 6 plastisch verformt werden. Ein solches plastisches Verformen gemäß Schritt b) wird in 1 durch Pfeile, die mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet sind, angedeutet. Das plastische Verformen in Verfahrensschritt b) kann derart erfolgen, dass der im Kolbenoberteil 2 ausgebildete obere Teil des Kühlkanals 9 nach dem plastischen Verformen in dem Längsschnitt gemäß 2 einen Hinterschnitt 14 aufweist. Die Ringwand 5 wird also in radialer Richtung R des Kolbenoberteils 2 nach innen verformt. Die Abstützung 6 wird hingegen in radialer Richtung R des Kolbenoberteils 2 nach außen verformt.
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Die 2 und 3 zeigen in unterschiedlichen Darstellungen das Kolbenoberteil 2 nach dem plastischen Umformen von Ringwand 5 und Abstützung 6. Das plastische Verformen in Schritt b) erfolgt im Beispielszenario derart, dass die Ringwand 5 und/oder die Abstützung 6 nach dem plastischen Verformen in dem Längsschnitt entlang der Mittellängsachse M des Kolbenoberteils 2 mit der Mittellängsachse M einen spitzen Winkel α ausbildet. Bevorzugt beträgt der Winkel α zwischen 0° und 90°, besonders bevorzugt zwischen 3° und 45°. Alternativ dazu kann das plastische Verformen gemäß Schritt b) derart erfolgen, dass sich die Ringwand 5 und - alternativ oder zusätzlich auch die Abstützung 6 - nach dem plastischen Verformen in dem Längsschnitt des Kolbenoberteils 2 entlang der Mittellängsachse M im Wesentlichen parallel zur Mittellängsachse M des Kolbenoberteils 2 erstrecken. Dieses Szenario ist in den 2 und 3 gezeigt. Die in der 2 dargestellten, gestrichelten Linien 16 sollen eine solche, im Wesentlichen parallele Orientierung von Abstützung 6 und Ringwand 5 relativ zur Mittellängsachse M andeuten.
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Die 4 illustriert ein Kolbenunterteil 20 des Kolbens 1, welches ebenfalls mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden kann. Die 4 zeigt das Kolbenunterteil 20 in einem Längsschnitt entlang einer Mittellängsachse M des Kolbenunterteils 20. Eine axiale Richtung A erstreckt sich parallel zur Mittellängsachse M. Eine radiale Richtung R erstreckt sich senkrecht zur Mittellängsachse M. Eine Umfangsrichtung U läuft um die Mittellängsachse M um.
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Das Kolbenunterteil 20 aus Stahl umfasst zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente 21, 22 die über zwei einander gegenüberliegende Bolzennaben - in der Schnittdarstellung der 4 ist nur eine einzige Bolzennabe 27 mit einer Nabenbohrung erkennbar - miteinander verbunden. Auf einer Oberseite 23a des Kolbenunterteils 20 ist eine ringförmige und mit den Bolzennaben 27 verbundene Auflage 24 angeordnet, die einen Teil des Kolbenunterteils 20 bildet. Radial außerhalb der Auflage 24 ist eine mit den Schaftelementen 21, 22 verbundene Ringrippe 25 vorgesehen. Zwischen der Auflage 24 und der Ringrippe 25 wird ein unterer Teil 26 des Kühlkanals 9 gebildet.
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Das vorangehend beschriebene Kolbenunterteil 20 wird in einem Verfahrensschritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines Schmiedeprozesses hergestellt. In einem weiteren Verfahrensschritt b) werden die distalen Enden 29a, 29b von Ringrippe 25 und Auflage 24 - in analoger Weise zur Ringwand 5 und zur Abstützung 6 beim Kolbenoberteil 2 - in dem Längsschnitt des Kolbenunterteils 20 entlang der Mittellängsachse M entsprechend 5 aufeinander zu plastisch verformt. Die plastische Verformung geschieht dabei derart, dass ein Abstand b der von den Schaftelementen 21, 22 abgewandten Enden von Ringrippe 25 und Auflage 24 zueinander abnimmt. Der Abstand b kann dabei entlang einer radialen Richtung R des Kolbenunterteils 20, also senkrecht zur axialen Richtung A, gemessen sein. In einer vereinfachten Variante des Verfahrens kann auch nur die Ringrippe 25 oder nur die Auflage 24 plastisch verformt werden. Auch in der 4 ist das plastische Umformen schematisch durch mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete Pfeile angedeutet. Vorangehende Erläuterungen zu dem anhand der 1 bis 3 illustrierten plastischen Umformen von Ringwand 5 und/oder Abstützung 6 des Kolbenoberteils 2 gelten mutatis mutandis auch für die Ringrippe 25 und die Auflage 24 des Kolbenunterteils 20 gemäß 4. Zur Vermeidung unnötiger Textwiederholungen wird daher auf die 1 bis 3 verwiesen.
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Das plastische Verformen gemäß Schritt b) kann sowohl beim Kolbenoberteil 2 als auch beim Kolbenunterteil 20 entlang des gesamten Umfangs des Kolbenoberteils 2 bzw. Kolbenunterteils 20 erfolgen, so dass der obere bzw. untere Teil des Kühlkanals 9 rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Alternativ dazu kann das plastische Verformen gemäß Schritt b) entlang des Umfangs des Kolbenoberteils 2 bzw. des Kolbenunterteils 20 nur abschnittsweise erfolgt, so dass der obere bzw. untere Teil des Kühlkanals 9 nicht-rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Letztere Variante ist in 5 exemplarisch für das Kolbenunterteil 20 dargestellt, welche das Kolbenoberteil 20 in einer perspektivischen Darstellung zeigt. Gemäß 5 erfolgt nur in Bereichen 12 des Kolbenschafts ein plastisches Verformen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011013141 A1 [0003]
