DE3935078A1 - Zweiteiliger kolben und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen zweiteiligen oder einen gegliederten Kolben für Innenverbrennungsmotoren, mit einem Kopfteil, von dem sich abwärts ein Paar von Kolbennaben zur Lagerung eines Kolbenbolzens er­ strecken, und mit einem Kolbenschaft, sowie auf ein Verfahren zur Her­ stellung eines solchen Kolbens. Kolben dieser Art sind insbesondere für Dieselmotoren geeignet.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kopfteils eines zweiteiligen Kolbens und auf einen auf diese Weise hergestellten Kolben. Bei einem zweiteiligen oder gegliederten Kolben sind der obere Teil oder der Kopf und der untere Teil oder der Schaft unabhängige Teile. Der Kolbenschaft ist mittels eines Kolbenbolzens auf einem Nabenpaar befestigt, die sich am unteren Ende eines Stützteils befinden, das sich vom Kolbenkopf abwärts erstreckt und einstückig mit diesem ausgebildet ist. Zwischen der Unterkante des Kopfes und der Oberkante des Schaftes besteht ein Spiel in solcher Weise, daß beim Betrieb des Motores kein Kontakt zwischen dem Kolbenkopf und dem Kolbenschaft besteht. Im allgemeinen ist der Kopf aus gegossenem oder geschmiedetem Stahl und der Kolbenschaft aus Aluminium oder einer Alu­ miniumlegierung gefertigt. Kolben dieser Art sind aus den US-Patent­ schriften 41 61 165, 41 80 027 und 42 56 022 bekannt. Die Verwendung von zweiteiligen oder gegliederten Kolben ist insbesondere bei Diesel­ motoren vorteilhaft, vor allem bei Dieselmotoren, bei denen die thermischen und mechanischen Belastungen sehr hoch sind. Bei diesen Motoren sind die Drücke und Temperaturen der Verbrennungsgase extrem hoch, so daß das Kolbenoberteil starken mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt wird. Die Verwendung von konventionellen Aluminiumkolben für solche Motoren ist nur zusammen mit Verstärkungseinsätzen bei der Verbrennungskammer und der obersten Kolbenringnut möglich, die die am meisten belasteten Teile darstellen. Gleichwohl sind für gewisse Anwendungen solche Lösungen nicht vollkommen zufriedenstellend, abgesehen von der Tatsache, daß diese Verstärkungseinsätze die Kosten des Kolbens erhöhen. Deswegen ist der zweigeteilte Kolben, dessen Kopf im allgemeinen aus einem thermisch und mechanisch hoch belastbaren Material, wie etwa Stahl oder Gußeisen gefertigt ist, eine adäquate Lösung für diese Probleme und weist darüber hinaus weitere Vorteile auf. Das Ringband kann mit verringertem Spiel zwischen Kolben und Zylinderwand infolge der geringen Querbewegung des Kolbens gefertigt werden, wodurch die Kolbenringstabilität verbessert und demgemäß der Ölverbrauch gesenkt und ein Durchblasen der Verbrennungsgase in das Kurbelgehäuse reduziert wird. Infolge des Fehlens eines Kontakts zwischen dem Kopf und dem Schaft wird ein Ab­ leiten der Hitze von dem Kopf zu dem Schaft vermieden, so daß der Kol­ benschaft in der Zylinderwandung mit minimalem Spiel geführt werden kann, was das Motorenlaufgeräusch verringert. Infolge der bei der Her­ stellung von zweiteiligen Kolben üblicherweise eingesetzten Verfahren und Materialien, insbesondere bei der Herstellung des Oberteils oder Kopfes, also eines Teiles, das ein Oberteil und ein Nabenteil aufweist, sind die Gestehungskosten solcher Kolben etwas erhöht, so daß ihre Ver­ wendung bei Dieselmotoren geringer Leistung nicht gerechtfertigt ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Her­ stellung eines zweiteiligen Kolbens der eingangs genannten Art zu schaf­ fen, das einfach und leicht durchzuführen ist, und das die Herstellung von entsprechend billigeren zweiteiligen Kolben ermöglicht. Hierdurch soll die Möglichkeit geschaffen werden, von den konstruktiven Eigenschaften eines zweiteiligen Kolbens auch für kleinere Dieselmotoren Gebrauch zu machen, ohne den bei diesem Kolbentyp sonst vorhandenen Kosten­ nachteil. Aufgabe der Erfindung ist des weiteren die Schaffung eines kostengünstigen zweiteiligen Kolbens.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den kennzeichnenden Teilen der Patent­ ansprüche 1 und 8 angegeben. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, daß die beiden Teile, die das Kopfteil eines zweiteiligen Kol­ bens darstellen, d.h. das Oberteil und das Nabenteil, als getrennte Teile aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien ge­ fertigt und danach durch Schweißen verbunden werden.

Der erfindungsgemäße zweigeteilte und gegliederte Kolben weist demge­ mäß ein Kopfteil auf, das aus einem Oberteil und einem Nabenteil zusammengesetzt ist, wobei beide Bauteile gesonderte Teile darstellen, die nach ihrer getrennten Fertigung miteinander verbunden worden sind.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt des Kolbenober­ teils, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren.

Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer ausgeschnittenen und mit Löchern versehenen Platte, die den Rohling für das Nabenteil des Kolbens gemäß der Erfindung darstellt.

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt des Nabenteils des Kolbens gemäß der Erfindung und

Fig. 4 einen Längsschnitt des Oberteils und des mit die­ sem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verbunde­ nen Nabenteils.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Oberteil 1 durch Tief­ ziehen eines dicken Bleches, vorzugsweise eines Stahlbleches hergestellt, das eine geeignete Dicke aufweist (Fig. 1).

Gemäß der Erfindung ist das Oberteil durch eine obere Platte 1 a und ein randseitiges, im wesentlichen zylindrisches sich nach unten erstreckendes Bein 1 b (Gürtel) repräsentiert, das mit Umfangsnuten für die Kolbenringe versehen wird.

Das Nabenteil 2 ist ebenfalls aus Metallblech, vorzugsweise Stahlblech, gefertigt. Der Anfangsschritt umfaßt das Schneiden des Bleches zu der gewünschten Form und das Ausstanzen von Löchern 2 a für den Kolbenbol­ zen wie in Fig. 2 gezeigt. Die ausgeschnittene und ausgestanzte Platte wird dann in einem Biegevorgang in eine etwa U-förmige Gestalt gebogen und ein zusätzliches Loch 2 b wird wie in Fig. 3 gezeigt, vorgesehen. Da­ nach werden die beiden Teile, das Oberteil 1 und das Nabenteil 2, durch Schweißen miteinander verbunden, wodurch eine Einheit, wie in Fig. 4 gezeigt ist, entsteht. Das Loch 2 b in dem Basisteil der U-Form des Nabenteils 2, welches Basisteil den Bereich darstellt, der mit dem Ober­ teil verbunden wird, dient dazu, das Gewicht des Nabenteils zu verrin­ gern, ohne die Belastbarkeit der Schweißverbindung zwischen dem Ober­ teil und dem Nabenteil zu beeinträchtigen. Zusätzlich zu der gewünschten Gewichtsverringerung des Oberteils und des Nabenteils führt das Entfernen von Material aus dem zentralen Teil des Basisteils der U-Form unterhalb des zentralen Teils des Oberteils zu einem größeren Raum für das Pleuelstangenauge, was bei Konstruktionen gebraucht wird, bei denen die Naben für den Kolbenbolzen näher am Oberteil liegen. Auf diese Weise wird verhindert, daß die Pleuelstange mit dem Oberteil zusammenstößt.

Im letzten Herstellungsschritt für das Oberteil und das Nabenteil werden die Nabenlöcher 2 a für den Kolbenbolzen bearbeitet, so daß die Löcher exakt ausgerichtet sind, und das Oberteil wird mit Umfangsnuten für die Kolbenringe versehen. Da diese Nuten keinen wichtigen Aspekt der Erfin­ dung darstellen, sind diese in den Zeichnungen nicht gezeigt.

Die aus Oberteil und Nabenteil bestehende Kopfeinheit gemäß der Erfin­ dung weist ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und geometrische Genauigkeit auf. Das Blechformverfahren, das das bevorzugte Verfahren zur getrennten Herstellung des Oberteiles und des Nabenteiles ist, ist gut reproduzierbar, was für hohe Genauigkeit und geringen Bearbeitungsauf­ wand sorgt. Das Verfahren ist somit wesentlich einfacher und billiger als die bisherigen Herstellungsverfahren für diese Bauteile. Jedoch können zusätzlich zum Tiefziehverfahren andere Verfahren, wie etwa Gießen, Schmieden oder Sintern eingesetzt werden, um das Oberteil und das Na­ benteil zu erhalten. Wenngleich diese Formverfahren teuerer sind, sind sie sehr gut für die Herstellung dieser Bauteile geeignet. Gemäß der Erfindung können die zu verschweißenden Teile aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Beispielsweise kann ein Oberteil aus Stahl an ein Stahl-, Gußeisen- oder Aluminium-Nabenteil geschweißt werden. Ein Gußeisenoberteil kann an ein Gußeisen-, Stahl- oder Aluminium-Nabenteil geschweißt werden. Ein Aluminium-Oberteil kann an ein Aluminium-, Stahl- oder Gußeisen-Nabenteil geschweißt werden. ln gleicher Weise kann das Verfahren zur Schweißverbindung von Ober- und Nabenteilen eingesetzt werden, die nach dem gleichen Verfahren oder nach unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann ein gestanztes Oberteil mit einem gestanzten, gegossenen, geschmiedeten oder gesinterten Nabenteil verschweißt werden; ein gegossenes Oberteil kann mit einem gegossenen, geschmiedeten, gesinterten oder gestanzten Nabenteil verschweißt werden; ein geschmiedetes Oberteil kann mit einem ge­ schmiedeten, gegossenen, gestanzten oder gesinterten Nabenteil ver­ schweißt werden; und ein gesintertes Oberteil kann mit einem gesinter­ ten, gegossenen, gestanzten oder geschmiedeten Nabenteil verschweißt werden.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Verbindung des Oberteils mit den Naben­ teil ist Reibungsschweißen, das die gewünschte Verbindung herstellt, ohne daß ein Schmelzen des Materials eines der zu verschweißenden Teile erfolgt, wobei Veränderungen der Materialstruktur der Bauteile vermie­ den werden. Es können jedoch auch andere Verfahren zur Herstellung der Verbindung eingesetzt werden, wie etwa eine Inertgas-Metallverschweißung, eine Wolfram-Inertgasschweißung, eine Schmelzverschweißung, elektrische Schweißung, Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißung.

Zusammenfassend ist somit ein Verfahren zur Herstellung von zweiteili­ gen Kolben beschrieben, bei dem das Oberteil und das Nabenteil, die den Kolbenkopf darstellen, getrennt voneinander durch Kalt- oder Warmformung, Gießen oder Sintern hergestellt und durch Schweißen, beispielsweise Reibungsschweißen, verbunden werden. Das Oberteil und das Nabenteil können aus dem gleichen Material oder unterschiedlichen Materialien bestehen und nach dem gleichen Verfahren oder nach unterschiedlichen Verfahren hergestellt sein.

Claims (13)

1. Verfahren zum Herstellen von zweiteiligen Kolben für Innenver­ brennungsmotoren, mit einem Kopfteil, von dem sich abwärts ein Paar von Kolbennaben zur Lagerung eines Kolbenbolzens erstrecken, und mit einem Kolbenschaft, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oberteil (1) hergestellt wird, das eine obere Platte aufweist und einen im wesentlichen zylindrischen, randseitig nach unten stehenden Gürtel; daß ein Nabenteil (2) von umgekehrter U-Form hergestellt wird, das ein Basisteil und ein Paar Schenkel aufweist, die mit Löchern (2 a) für den Kolbenbolzen versehen sind; daß die Außenfläche des Basisteils des Nabenteils (2) an die Innenfläche der oberen Platte des Kopfteils (1) geschweißt wird; und daß mindestens die Außenfläche des im wesentlichen zylindrischen Gürtels und die Löcher für den Kolbenbolzen bearbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver­ schweißen des Oberteils (1) mit dem Nabenteil (2) durch Reibung zwi­ schen diesen Teilen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nabenteil (2) mit einem Loch (2 b) versehen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ober­ teil (1) und/oder das Nabenteil (2) für den Kolbenbolzen entweder durch ein Kaltform- oder durch ein Warmform-Verfahren erhalten werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ober­ teil (1) und/oder das Nabenteil (2) für den Kolbenbolzen durch ein Gießverfahren hergestellt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ober­ teil (1) und/oder das Nabenteil (2) für den Kolbenbolzen durch Sintern her­ gestellt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberteil (1) und das Nabenteil (2) für den Kolbenbolzen unabhängig voneinander aus Stahl, Gußeisen oder Aluminium gefertigt werden.

8. Zweiteiliger Kolben für Innenverbrennungsmotoren, mit einem Kopfteil, von dem aus sich abwärts ein Paar von Kolbennaben zur Lagerung des Kolbenbolzens erstrecken, und mit einem Schaftteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfteil ein Oberteil (1) mit einer oberen Platte und einem im wesentlichen zylindrischen randseitigen Gürtel sowie ein Nabenteil (2) von umgekehrter U-Form aufweist, dessen Basisteil an die Innenfläche der oberen Platte angeschweißt ist, wobei die Schenkel des Nabenteils (2) Löcher (2 a) für den Kolbenbolzen aufweisen.

9. Zweiteiliger Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil des Nabenteils (2) ein Loch (2 b) aufweist.

10. Zweiteiliger Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberteil (1) und/oder das Nabenteil (2) durch Tiefziehen einer Metall­ platte erhalten sind.

11. Zweiteiliger Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberteil (1) und/oder das Nabenteil (2) gegossen sind.

12. Zweiteiliger Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberteil (1) und/oder das Nabenteil (2) gesinterte Teile sind.

13. Zweiteiliger Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberteil (1) und das Nabenteil (2) unabhängig voneinander aus Stahl, Gußeisen oder Aluminium gefertigt sind.