DE10255691A1

DE10255691A1 - Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers für einen Aluminiumkolben

Info

Publication number: DE10255691A1
Application number: DE2002155691
Authority: DE
Inventors: Hanspeter Wieland
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-06-09

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers (17) für einen Aluminiumkolben (13) vorgeschlagen, wobei in einen aus einer Eisenlegierung bestehenden Metallring (1') eine Nut (2) und in den Nutgrund ein Kühlkanal (6) eingearbeitet werden, und wobei nach dem Gießen des Aluminiumkolbens (13) mit in der Gussform eingelegtem Metallring (1') eine Ringträgernut (18) in den dem Feuersteg (21) abgewandten Grenzbereich (23) zwischen dem beim Gießvorgang in die Nut (2) eingedrungenen Aluminium und dem Metallring (1') derart eingearbeitet wird, dass die dem Feuersteg (21) zugewandte Flanke (19) der Ringträgernut (18) aus Aluminium und die dem Feuersteg (21) abgewandte Flanke (20) der Ringträgernut (18) aus dem Metall des Metallringes (1') gebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers für einen Aluminiumkolben nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE 100 09 875 C1 ist es bekannt, einen einstückig ausgebildeten, gekühlten Ringträger herzustellen, indem zunächst im Strangpressverfahren ein länglich ausgebildetes Werkstück mit dem Querschnitt des Ringträgers hergestellt wird, an dem ein Blechteil angeformt ist. Das Ende des Blechteiles wird auf das Werkstück zurückgebogen, sodass sich ein Kühlkanal ergibt, der durch Krafteinwirkung auf das Ende des Blechteiles so weit wie möglich dichtend abgeschlossen wird. Im Anschluss daran wird der länglich ausgebildete Ringkanal mit angeformtem Kühlkanal in eine für die Herstellung eines Kolbens geeignete Rundform gebogen.

Nachteilig ist hierbei, dass es einen sehr großen fertigungstechnischen Aufwand erfordert, Kühlkanäle durch Verbiegen dafür vorgesehener Bleche und Ringträger durch Verbiegen länglicher, im Strangpressverfahren hergestellter Profileisen herzustellen. Außerdem bietet die Methode, einen Kühlkanal alleine dadurch abzudichten, dass das Ende des diesen Kühlkanal ergebenden Blechteiles unter Krafteinwirkung auf ein profiliertes Werkstück gedrückt wird, keinesfalls eine ausreichende Gewähr dafür, dass der Kühlkanal bei der Herstellung des Kolbens im Verbundgussverfahren unter Verwendung der separat hergestellten Ringträger-Kühlkanal-Kombination dicht genug ist, damit beim Gießen keine Schmelze in den Kühlkanal eindringt.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und problemlos realisierbares Verfahren zur Herstellung eines qualitativ hochwertigen, gekühlten Ringträgers zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen nach dem Kennzeichen des Hauptanspruches.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Kühlkanal ist mit einfachen und problemlos realisierbaren Verfahrensschritten herstellbar. Zudem wird eine verbesserte Kühlwirkung des an den Ringträger angeformten Kühlkanals dadurch erreicht, dass zum einen sowohl der Ringträger als auch der Kühlkanal in einen gemeinsamen Metallring eingearbeitet sind. Zum anderen ergibt die Verwendung von Aluminium für die dem Feuersteg zugewandte Flanke der Ringträgernut eine weitere Verbesserung der Kühlwirkung seitens des an den Ringträger angeformten Kühlkanals.

Anhand der Zeichnungen wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers näher beschrieben. Es zeigen
1a , b, c erste Schritte der Bearbeitung eines Metallringes zur Bildung eines Kühlkanals,
2a , b, c, d Verfahrensschritte zur Vorbereitung des Metallringes auf den Prozess des Gießens eines Kolbens unter Verwendung des Metallringes,
3a, b den in den Kolben eingegossenen Metallring vor, und
4 nach der Einbringung eines Kanals zum Ein- und Ausleiten von Kühlöl in und aus den Kühlkanal und
5a, b Schnittbilder zweier Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ringträgers.
Ausgegangen wird bei der Herstellung des erfindungsgemäßen gekühlten Ringträgers für einen Aluminiumkolben von einem Metallring 1, der aus einer Eisenlegierung mit Nickel- und Siliziumanteilen besteht, und dessen Querschnitt in 1a dargestellt ist.
In diesen Rohling wird eine in 1b dargestellte Nut 2 derart eingearbeitet, bspw. eingestochen, dass sich hierbei ein oberer Schenkel 3 ergibt, der näherungsweise halb so dick ist wie ein sich hierbei ergebender unterer Schenkel 4. Mit einer gestrichelten Linie 5 ist in dieser und den folgenden Figuren eine zweite, weiter unten näher erläuterte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ringträgers angedeutet, bei der der obere Schenkel 3 kürzer als der untere Schenkel 4 ausgebildet ist.
Gemäß 1c wird anschließend mit Hilfe eines Formstahles eine den Kühlkanal 6 ergebende Hinterschneidung der Nut 2 in den Metallring 1 eingearbeitet.
Um zu verhindern, dass beim Gießen des Aluminiumkolbens Aluminium in die als Kühlkanal 6 vorgesehene Ausnehmung eindringt, ist eine der in den 2a bis d dargestellten Maßnahmen zu ergreifen. Gemäß 2a wird in den Kühlkanal 6 ein erster gepresster und ringförmig ausgebildeter Salzkern 7 eingelegt, der zur erleichterten Handhabung aus zwei halbkreisförmigen Hälften besteht, die nacheinander in die Nut 2 eingeschoben werden. Der Querschnitt des ersten Salzkernes 7 hat näherungsweise die Form eines Viertelkreises.
Um hierbei die Gefahr sicher auszuschließen, dass beim Gießen des Kolbens in die untere offene Hälfte 8 des Kühlkanals 6 Aluminium eindringt, kann gemäß 2b in diese Hälfte 8 des Kühlkanals 6 zunächst ein ebenfalls aus zwei halbkreisförmigen Hälften bestehender, ringförmiger, zweiter, gepresster Salzkern 9 mit einem Querschnitt in Form eines Kreissegmentes eingelegt werden, wonach der erste gepresste Salzkern 7 in die Nut 2 eingelegt wird.
Ersatzweise kann gemäß 2c vor dem Gießen des Kolbens der Kühlkanal 6 mittels eines Abdeckringes 10 verschlossen werden, der einstückig ausgebildet aber auf einer Seite durch einen Schlitz getrennt ist, sodass er in aufgebogenem Zustand in die Nut 2 eingeführt werden kann. Für einen guten Sitz des Abdeckringes 10 weist das an den Kühlkanal 6 grenzende Ende der Nut 2 Anschlagsnasen 11 und 12 auf, an die der Abdeckring 10 zur Anlage gelangt, wenn er in die Nut 2 eingelegt wird.
Letztlich besteht, wie in 2d dargestellt ist, die Möglichkeit, in die Nut 2 und in die als Kühlkanal 6 vorgesehene Ausnehmung unverdichtetes Salz einzufüllen, wonach dieses insoweit zusammengepresst wird, dass die gesamte Kühlkanalausnehmung 6 mit einem gepressten Salzkern 24 gefüllt ist.
Damit sich beim Gießen des Aluminiumkolbens mit in der Gießform eingelegtem Metallring 1 die Aluminiumschmelze gut mit dem Metall des Metallringes 1 verbindet, ist es in einem weiteren Verfahrensschritt erforderlich, den entweder einen, bzw. zwei Salzkerne 7, 9, 24 oder einen Abdeckring 10 aufweisenden Metallring 1 vor dem eigentlichen Gießvorgang in eine Aluminiumschmelze einzutauchen, d.h., zu alfinieren.
Im Folgenden findet das eigentliche Gießen des Aluminiumkolbens 13 statt, wobei sich, wie in den 3a und 3b dargestellt ist, die Nut 2 des sich hierbei in der Gießform befindlichen Metallringes 1, 1' mit Aluminium füllt. Die 3a und 3b unterscheiden sich hierbei dadurch, dass das in die Nut 2 eingedrungene Aluminium auf Grund der Verkürzung des oberen Schenkels 3' des Metallringes 1' gemäß 3b mit dem restlichen Aluminium des Kolbens 13 einen einheitlichen Aluminiumkörper bildet, wodurch die weiter unten näher erläuterten Vorteile erreicht werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird gemäß 4 zwischen der Kolbeninnenfläche 14 und dem Kühlkanal 6 ein Kanal 15 gebohrt, der zunächst im Rahmen der Herstellung des Ringträgers dazu dient, die in den 3a und b eingezeichneten Salzkerne 7 und 9, bzw den in 2d eingezeichneten Salzkern 24 aus dem Kühlkanal 6 auszulösen, der aber des Weiteren dazu dient, Kühlöl in und aus den Kühlkanal 6 zu leiten.
Der letzte Verfahrensschritt im Rahmen der Herstellung der Ringträger 16, 17 besteht gemäß den 5a und 5b darin, in die mit Aluminium ausgefüllte Nut 2 des Metallringes 1, 1' eine Ringträgernut 18 für einen in den Figuren nicht dargestellten Verdichtungsring einzustechen. Da die obere Flanke 19 der Ringträgernut 18 aus Aluminium auszuformen ist, ergibt sich die Notwendigkeit, diese Flanke mit einem anderen, hierfür geeigneten Werkzeug herzustellen, als die untere Flanke 20, die aus dem aus Eisen bestehenden Metallring 1 auszustechen ist.
Hierbei ergeben sich die beiden in den 5a und 5b dargestellten Ausgestaltungen des Ringträgers 16 und 17, wobei der verkürzte, obere Schenkel 3' des Metallringes 1' des Ringträgers 17 gemäß 5b die Vorteile mit sich bringt, dass zum einen die Wärme vom thermisch hochbelasteten Feuersteg 21 über die Aluminiumbrücke 22 und die obere aus Aluminium bestehende Flanke 19 ausschließlich über thermisch sehr gut leitendes Aluminium zum Kühlkanal 6 fließen kann, was eine relativ gute Kühlung sowohl des Feuersteges 21 als auch der Ringträgernut 18 mit sich bringt. Zum anderen bringt die Tatsache, dass die Kombination aus oberer Ringträgerflanke 19 und Kolben 13 aus einem Guss besteht, eine relativ große Festigkeit und mechanische Belastbarkeit der oberen Flanke 19 der Ringträgernut 18 mit sich.
Letztlich haben die in den 5a und 5b dargestellten, erfindungsgemäßen Ausgestaltungen des gekühlten Ringträgers 16, 17 den Vorteil, dass durch eine geeignete Wahl der Materialien zur Herstellung des Ringträgers 16, 17 die im Verbrennungsmotor auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen in besonderem Maße berücksichtigt werden. Hierbei ist die obere Flanke 19 der Ringträgernut 18 thermisch besonders hoch, mechanisch aber sehr wenig belastet, sodass hierfür Aluminium das Material der ersten Wahl ist. Demgegenüber ist die untere Flanke 20 der Ringträgernut 18 mechanisch besonders hoch belastet, weshalb sich hierfür der aus der oben erwähnten Eisenlegierung bestehende und entsprechend bearbeitete Metallring 1, 1' besonders gut eignet.

1, 1': Metallring
2: Nut
3, 3': oberer Schenkel des Metallringes
4: unterer Schenkel des Metallringes
5: gestrichelte Linie
6: Kühlkanal, Kühlkanalausnehmung
7: erster Salzkern, obere Hälfte des Salzkernes
8: untere Kühlkanalhälfte
9: zweiter Salzkern, untere Hälfte des Salzkernes
10: Abdeckring
11: Anschlagsnase
12: Anschlagsnase
13: Aluminiumkolben, Kolben
14: Kolbeninnenwand
15: Kanal
16: Ringträger
17: Ringträger
18: Ringträgernut
19: obere Flanke
20: untere Flanke
21: Feuersteg
22: Aluminiumbrücke
23: Grenzbereich
24: gepresster Salzkern, auszulösendes Material

Claims

Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Ringträgers (16, 17) für einen Aluminiumkolben (13) mit folgenden Verfahrensschritten: – Herstellen eines aus einer Eisenlegierung bestehenden Metallringes (1, 1') mit einer nach außen offenen Nut (2) und mit einem auf der Innenseite des Metallringes (1) angeformten, geschlossenen Kühlkanal (6), – Herstellen des Aluminiumkolbens (13) im Verbundgussverfahren unter Verwendung des Metallringes (1, 1'), wobei der Metallring (1, 1') an dem für den Ringträger (16, 17) vorgesehen Ort nahe dem Feuersteg (21) des Aluminiumkollbens (13) zu liegen kommt, – Bearbeiten der Nut (2) derart, dass sich daraus eine Ringträgernut (18) ergibt, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kühlkanal (6) mit Hilfe eines Formstahles in den Grund der Nut (2) eingearbeitet wird, – dass der Kühlkanal (6) vor dem Gießen des Aluminiumkolbens (13) mit einem Abdeckring (10) verschlossen oder mit einem auslösbaren Material (7, 9, 24) gefüllt wird, – dass sich beim Gießen des Aluminiumkolbens (13) die Nut (2) mit Aluminium füllt, – dass nach dem Gießen des Aluminiumkolbens (13) ein Kanal (15) zwischen dem Kühlkanal (6) und einer Außen- oder Innenfläche (14) des Aluminiumkolbens (13) gebohrt wird, und – dass die Ringträgernut (18) in den dem Feuersteg (21) abgewandten Grenzbereich (23) zwischen dem in der Nut (2) befindlichen Aluminium und dem Metallring (1, 1') derart eingearbeitet wird, dass die dem Feuersteg (21) zugewandte obere Flanke (19) der Ringträgernut (18) aus Aluminium und die dem Feuersteg (21) abgewandte untere Flanke (20) der Ringträgernut (18) aus dem Metall des Metallringes (1, 1') gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Gießen des Aluminiumkolbens (13) von einem dem Feuersteg (21) zugewandten Schenkel (3') des Metallringes (1') ein Stück mit einer der Hälfte bis einem Viertel der Breite des Metallringes (1') entsprechenden Breite entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Gießen des Aluminiumkolbens (13) in die als Kühlkanal (6) vorgesehene Ausnehmung mindestens ein gepresster Salzkern (7, 9) eingelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gepresste Salzkern aus einer oberen und einer unteren Hälfte (7, 9) besteht, wovon zunächst die untere Hälfte (9) in eine als Hinterschneidung ausgebildete untere Kühlkanalhälfte (8) und anschließend die obere Hälfte (7) des Salzkernes in die verbleibende als Kühlkanal (6) vorgesehene Ausnehmung eingelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (6) vor dem Gießen des Aluminiumkolbens (13) mittels eines Abdeckringes (10) verschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Gießen des Aluminiumkolbens (13) in die als Kühlkanal (6) vorgesehene Ausnehmung (6) Salzgranulat eingefüllt und zur Bildung eines gepressten Salzkernes (24) im Anschluss daran verdichtet wird.