DE69710814T2

DE69710814T2 - Giessverfahren für einen Kolben

Info

Publication number: DE69710814T2
Application number: DE69710814T
Authority: DE
Inventors: Takao Suzuki; Asami Tsuchiya
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-06-04
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 2002-07-25
Anticipated expiration: 2017-06-03
Also published as: EP0811760B1; EP0811760A1; US5924472A; JP3189684B2; DE69710814D1; JPH09324857A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Motorkolben und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbrennungsmotorkolbens durch Gießen.

Stand der Technik

Ein Verbrennungsmotorkolben weist im Allgemeinen einen Kolbenkopf, einen Mantel, ein Bolzenauge und einen Stützbereich auf, wobei der Stützbereich den Rand des Bolzenauges mit dem Mantel verbindet. Der Kolben wird üblicherweise durch Gießen aus einer Leichtmetalllegierung, wie etwa einer Aluminiumlegierung, hergestellt.
Der Kolben hat wie erwähnt einen komplizierten Aufbau, weshalb zur Herstellung des Kolbens durch Gießen mehrere Formen verwendet und die Formen so angeordnet werden müssen, dass sie entsprechend dem komplizierten Aufbau des Kolbens Hohlräume bilden. Die Formen müssen so angeordnet werden, dass sie den Aufbau des Kolbens nachbilden und nach Beendigung des Gießens leicht entfernt werden können.
Ein Verfahren, bei dem durch Gießen ein Kolben hergestellt wird, ist beispielsweise aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 5-86971 bekannt. Bei diesem Kolbenherstellungsverfahren bilden mehrere Formen entsprechend dem Aufbau des Kolbens Hohlräume und wird in die Hohlräume der Formen Metallschmelze eingegossen, um zur Kolbenherstellung den Guss durchzuführen. Ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens durch Gießen ist auch aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2-220733 bekannt. Bei diesem Kolbenherstellungsverfahren bilden mehrere Formen entsprechend dem Aufbau des Kolbens Hohlräume und wird zur Kolbenherstellung der Guss durchgeführt. Die Formen umfassen bei dieser Offenlegungsschrift eine leichtschmelzende Kernform, die von einer Aussteifung gestützt wird und die so angeordnet ist, dass sie innerhalb einer Deckringnut des Kolbens einen Innenhohlraum bildet.
Im Übrigen wird beim Zusammenbau des Motors ein Kolbenbolzen in das Bolzenauge des Kolbens eingepasst und der Kolben durch den Kolbenbolzen mit einer Verbindungsstange verbunden. Die Verbindungsstange verbindet die Kurbelwelle des Motors mit dem Kolben.
Wenn sich die Kurbelwelle des Motors dreht, bewegt sich der Kolben im Motorzylinder auf und ab. Während des Verbrennungshubs des Motors übertragt der Kolben die Leistung, die ihm durch die Kraftstoffverbrennung in der Verbrennungskammer verliehen wurde, über die Verbindungsstange und den Kolbenbolzen auf die Kurbelwelle. Während des Motorbetriebs wirken Druck- und Zugkräfte von der Verbindungsstange durch den Kolbenbolzen auf das Bolzenauge. Diese Kräfte werden von dem Bolzenauge auf den Stützbereich übertragen, was im Stützbereich des Kolbens zu einer hohen Belastung führt. Da der Kolbenbolzen vom Bolzenauge des Kolbens aufgenommen wird, kommt es in den Ecken des Stützbereichs um den Rand des Bolzenauges herum zu einer Spannungskonzentration.
Abgesehen davon unterliegt der Kolbenmantel aufgrund der Hin- und Herbewegung des Kolbens relativ zum Motorzylinder einer Reibungsbelastung, was in einem zentralen Abschnitt des Kolbenmantels zu einer großen mechanischen Spannung führt.
Wenn der Kolben durch Gießen hergestellt wird, werden die Formen wie gesagt so angeordnet, dass sie entsprechend dem Aufbau des Kolbens Hohlräume bilden. Wenn zur Herstellung des Kolbens der Guss durchgeführt wird, kann aus einem Spalt zwischen zwei sich gegenseitig berührenden Formen Metallschmelze herausfließen und kann infolge des Gießens auf einer Formpaarungsfläche zwischen den beiden Formen ein Gussgrat entstehen. Der Gussgrat hat scharfe Kanten, und an dem Gussgrat des Gusses kann sehr leicht eine Spannungskonzentration auftreten.
Wenn daher der Gussgrat infolge des Gießens an einer Stelle wie an den Ecken des Stützbereichs oder dem zentralen Abschnitt des Mantels entsteht, an der eine große Belastung auftritt, können diese Stellen des Kolbens leicht brechen oder beschädigt werden. Bei dem herkömmlichen Kolbenherstellungsverfahren der angesprochenen Offenlegungsschrift werden keine wirksamen Maßnahmen in Erwägung gezogen, um an diesen Stellen des Kolbens das Auftreten des Gussgrats infolge des Gießens zu verhindern.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Kolbenherstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, das die angesprochenen Probleme löst.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kolbenherstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem wirksam das Auftreten des Gussgrats an den Stellen des Kolbens verhindert wird, an denen es leicht zu einer hohen Belastung kommt.
Die obigen Aufgaben der Erfindung werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens durch Gießen gelöst, bei dem der Kolben einen Kolbenkopf, einen Mantel, ein Bolzenauge und einen den Rand des Bolzenauges mit dem Mantel verbindenden Stützbereich aufweist und das die Schritte umfasst: Anordnen mehrerer Formen derart, dass die Formen entsprechend einem Aufbau des Kolbens Hohlräume bilden; Anordnen von Formpaarungsflächen zwischen den Formen derart, dass sich die Formen gegenseitig an anderen Stellen als an Ecken des Stützbereichs des Kolbens berühren; und Durchführen eines Gusses unter Verwendung der Formen, so dass der Kolben hergestellt wird.
Die obigen Aufgaben der Erfindung werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens durch Gießen gelöst, bei dem der Kolben einen Kolbenkopf, ein Paar Mantelbereiche, ein Paar Bolzenaugen und ein Paar die Ränder der Bolzenaugen mit den Mantelbereichen verbindender Stützbereiche aufweist und das die Schritte umfasst: Anordnen einer Hauptform, eines Paars äußerer Formen, eines Paars seitlicher Kernformen und einer zentralen Kernform derart, dass die Hauptform, die äußeren Formen, die seitlichen Kernformen und die zentrale Kernform entsprechend einem Aufbau des Kolbens Hohlräume bilden; Anordnen von Formpaarungsflächen zwischen den äußeren Formen und den seitlichen Kernformen derart, dass sich die äußeren Formen und die seitlichen Kernformen gegenseitig an anderen Stellen als an Ecken der Stützbereiche des Kolbens berühren; Anordnen von Formpaarungsflächen zwischen den seitlichen Kernformen und der zentralen Kernform derart, dass die seitlichen Kernformen von der zentralen Kernform berührt werden und sich äußere Enden der Formpaarungsflächen zwischen den seitlichen Kernformen und der zentralen Kernform an anderen Stellen als an zentralen Abschnitten der Mantelbereiche befinden; und Durchführen des Gusses unter Verwendung der Hauptform, der äußeren Formen, der seitlichen Kernformen und der zentralen Kernform, so dass der Kolben hergestellt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Kolbenherstellungsverfahren kann beim Durchführen des Gusses wirksam das Auftreten des Gussgrats an einer der Ecken des Kolbens verhindert werden. Es lässt sich sicher verhindern, dass der Stützbereich, der die Kolbenecken aufweist, infolge einer zu hohen Belastung bricht oder beschädigt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Kolbenherstellungsverfahren kann außerdem beim Durchführen des Gusses wirksam das Auftreten des Gussgrats an den zentralen Abschnitten der Mantelbereiche des Kolbens verhindert werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung deutlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Kolben, der unter Durchführung eines erfindungsgemäßen Kolbenherstellungsverfahrens hergestellt wird;
Fig. 2 eine Bodenansicht des Kolbens von Fig. 1 mit Angaben zu Formpaarungsflächen, die von einem ersten Ausführungsbeispiel des Kolbenherstellungsverfahrens verwendet werden;
Fig. 3 eine Querschnittansicht des Kolbens entlang der Linie III-III in Fig. 1 mit Angaben zu Formen, die von dem ersten Ausführungsbeispiel des Kolbenherstellungsverfahrens verwendet werden;
Fig. 4 eine Querschnittansicht des Kolbens entlang der Linie IV-IV in Fig. 2 mit Angaben zu den von dem Kolbenherstellungsverfahren verwendeten Formen;
Fig. 5 eine Bodenansicht des Kolbens von Fig. 1 mit Angaben zu Formpaarungsflächen, die von einem zweiten Ausführungsbeispiel des Kolbenherstellungsverfahrens verwendet werden; und
Fig. 6 eine Querschnittansicht des Kolbens von Fig. 5 entlang der Linie III-III in Fig. 1 mit Angaben zu Formen, die von dem zweiten Ausführungsbeispiel des Kolbenherstellungsverfahrens verwendet werden.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen folgt nun eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Kolben 10, der unter Durchführung eines erfindungsgemäßen Kolbenherstellungsverfahrens hergestellt wird. In Fig. 1 befindet sich auf der Oberseite des Kolbens 10 eine (nicht gezeigte) Verbrennungskammer des Motors und auf der Unterseite des Kolbens 10 ein (nicht gezeigte) Kurbelwelle des Motors.
Fig. 2 zeigt eine Bodenansicht des Kolbens von Fig. 1 mit Angaben zu Formpaarungsflächen, die von einem ersten Ausführungsbeispiel des Kolbenherstellungsverfahrens verwendet werden. Fig. 3 zeigt eine Querschnittansicht des Kolbens 10 entlang der Linie III-III in Fig. 1 mit Angaben zu Formen 40 bis 50, die von dem ersten Ausführungsbeispiel des Kolbenherstellungsverfahrens verwendet werden. Fig. 4 zeigt eine Querschnittansicht des Kolbens 10 entlang der Linie IV-IV in Fig. 2 mit Angaben zu den von dem von dem ersten Ausführungsbeispiel des Kolbenherstellungsverfahrens verwendeten Formen 40 bis 50.
Der Kolben 10 wird durch Gießen einer Leichtlegierung wie etwa einer Aluminiumlegierung in einem Stück ausgebildet.
Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, umfasst der Kolben 10 einen Kolbenkopf 12, der den Boden einer Verbrennungskammer des Motors bildet. An der Außenumfangsfläche des Kolbenkopfs 12 sind mehrere Ringnuten 14, 16 und 17 ausgebildet. In die Ringnuten 14, 16 und 17 werden mehrere (nicht gezeigte) Kolbenringe eingepasst, wobei sich der Kolben 10, während die Verbrennungskammer durch die Kolbenringe pneumatisch abgedichtet wird, im Motorzylinder auf und ab bewegen kann.
Auf der Kurbelwellenseite des Kolbenkopfs 12 sind ein Paar Mantelbereiche 18 und 19 und ein Paar Bolzenaugen 22 und 23 ausgebildet. Der Mantelbereich 18 und der Mantelbereich 19 sind bezüglich der zentralen Längsachse des Kolbens symmetrisch angeordnet. Die Mantelbereiche 18 und 19 verlaufen entlang der Außenumfangsfläche des Kolbenkopfs 12 nach unten. Das Bolzenauge 22 und das Bolzenauge 23 befinden sich in der Mitte der Mantelbereiche 18 und 19 und sind bezüglich der zentralen Längsachse des Kolbens 10 symmetrisch angeordnet.
Auf der Kurbelwellenseite des Kolbenkopfs 12 befindet sich außerdem ein Paar Stützbereiche 20 und 21. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, geht der Stützbereich 20 in horizontaler Richtung von den einen Enden der Mantelbereiche 18 und 19 aus, während der Stützbereich 21 in horizontaler Richtung von den anderen Enden der Mantelbereiche 18 und 19 ausgeht. Der Stützbereich 20 verbindet das Bolzenauge 22 mit den einen Enden der Mantelbereiche 18 und 19, und der Stützbereich 21 verbindet das Bolzenauge 23 mit den anderen Enden. Die Bolzenaugen 22 und 23 befinden sich jeweils in der Mitte der Stützbereiche 20 und 21, und die Dicke der Bolzenaugen 22 und 23 ist erhöht und größer als die jeweilige Dicke der Stützbereiche 20 und 21.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, weist das Bolzenauge 22 in seiner Mitte eine Kolbenbolzenbohrung 22a und das Bolzenauge 23 in seiner Mitte eine Kolbenbolzenbohrung 23a auf. Beim Zusammenbau des Motors wird in die Kolbenbolzenbohrungen 22a und 23a des Kolbens 10 ein (nicht gezeigter) Kolbenbolzen eingepasst und der Kolben 10 über den Kolbenbolzen mit einer (nicht gezeigten) Verbindungsstange verbunden. Daher wird auf die Bolzenaugen 22 und 23 des Kolbens 10 von der Verbindungsstange aus über den Kolbenbolzen eine große Kraft ausgeübt. Die Bolzenaugen 22 und 23 haben eine erhöhte Dicke, die größer als die Dicke der Stützbereiche 20 und 21 ist, wobei die Bolzenaugen 22 und 23 eine Festigkeit besitzen müssen, die groß genug ist, um der durch den Kolbenbolzen ausgeübten Kraft zu widerstehen.
Des weiteren sind zwischen den Außenflächen der Bolzenaugen 22 und 23 und dem Boden des Kolbenkopfs 12 gerundete Abschnitte 22b und 23b ausgebildet. Zwischen den Innenflächen der Bolzenaugen 22 und 23 und dem Boden des Kolbenkopfs 12 sind gerundete Abschnitte 22c und 23c ausgebildet. Die gerundeten Abschnitte 22b, 23b, 22c, 23c haben in sämtlichen Randbereichen zwischen dem Kolbenkopf 12 und den Bolzenaugen 22 und 23 und zwischen den Stützbereichen 20 und 21 und den Bolzenaugen 22 und 23 gerundete Flächen. Die gerundeten Abschnitte 22b, 23b, 22c, 23c dienen dazu, die Spannungskonzentration an den Randbereichen zwischen dem Kolbenkopf 12 und den Bolzenaugen 22 und 23 und die Spannungskonzentration an den Randbereichen zwischen den Stützbereichen 20 und 21 und den Bolzenaugen 22 und 23 zu senken, wenn durch den Kolbenbolzen wie oben erwähnt die Kraft auf die Bolzenaugen 22 und 23 ausgeübt wird.
Des weiteren ist an mittleren Abschnitten der Stützbereiche 20 und 21 auf den Seiten der Bolzenaugen 22 und 23 jeweils ein Satz Öffnungen 24 und 25 ausgebildet. Durch das Ausbilden der Öffnungen 24 und 25 des Kolbens 10 wird das Gewicht des Kolbens 10 gesenkt.
Wie in den Fig. 2 bis 4 gezeigt ist, werden beim Durchführen des Gusses zur Herstellung des Kolbens 10 eine Hauptform 40 und mehrere Formen 42, 44, 46, 48 und 50 verwendet. Der Guss wird zur Herstellung des Kolbens 10 wie gezeigt im umgedrehten Zustand durchgeführt, in dem der Kolben 10 auf dem Kopf steht (oder sich der Kolbenkopf 12 auf dem Boden des Kolbens 10 befindet).
In diesem Ausführungsbeispiel stellen die Formen 42 und 50 äußere Formen, die außerhalb des Kolbens 10 angeordnet sind, die Formen 44 und 48 seitliche Kernformen, die innerhalb des Kolbens 10 angeordnet sind, und die Form 46 eine zentrale Kernform dar, die innerhalb des Kolbens 10 und in der Mitte der Hohlräume des Kolbens 10 angeordnet ist.
Die Außenflächen der Bolzenaugen 22 und 23 und der Stützbereiche 20 und 21 des Kolbens 10 werden von den Formen 42 und 50 geformt, die außerhalb des Kolbens 10 angeordnet sind. Die Innenflächen der Bolzenaugen 22 und 23 und der Stützbereiche 20 und 21 werden von den Kernformen 44, 46 und 48 geformt, die innerhalb des Kolbens 10 angeordnet sind und sich gegenseitig berühren. Genauer gesagt werden die Innenflächen des Bolzenauges 22 und des Stützbereichs 20 von der Seitenfläche der Kernform 44 und die Innenflächen des Bolzenauges 23 und des Stützbereichs 21 von der Seitenfläche der Kernform 48 geformt.
Des weiteren werden die Innenflächen der Mantelbereiche 18 und 19 von den Endflächen der Kernformen 44, 46 und 48 geformt. Genauer gesagt wird die Innenfläche des Mantelbereichs 18 von den rechten Endflächen der Kernformen 44, 46 und 48 und die Innenfläche des Mantelbereichs 19 von den linken Endflächen der Kernformen 44, 46 und 48 geformt.
Wie außerdem in Fig. 4 gezeigt ist, wird die Bodenfläche des Kolbenkopfs 12 (im umgedrehten Zustand) von der unteren Fläche der Hauptform 40 geformt. Die Außenumfangsflächen der Mantelbereiche 18 und 19 und des Kolbenkopfs 12 werden von den Innenseitenflächen der Hauptform 40 geformt.
Abgesehen davon werden die Kolbenbolzenbohrungen 22a und 23a und die Ringnuten 14, 16 und 17 nach dem Durchführen des Gusses durch anschließendes maschinelles Bearbeiten ausgebildet.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sind bei diesem Ausführungsbeispiel eine Formpaarungsfläche zwischen den Formen 42 und 44 und eine Formpaarungsfläche zwischen den Formen 48 und 50 derart angeordnet, dass die Formpaarungsflächen nicht mit Ecken der Stützbereiche 20 und 21 übereinstimmen. Das heißt, dass sich die Form 42 und die Form 44 gegenseitig an anderen Stellen als an den Ecken des Stützbereichs 20 berühren und dass sich die Form 48 und die Form 50 gegenseitig an anderen Stellen als an den Ecken des Stützbereichs 21 berühren.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, befinden sich daher die Ecken 20a und 20b des Stützbereichs 20, die Ecken 21a und 21b des Stützbereichs 21, die Ecken 24a bis 24d der Innenumfangswand der Öffnung 24 und die Ecken 25a bis 25d der Innenumfangswand der Öffnung 25 nicht an den Formpaarungsflächen zwischen den Formen und werden diese Ecken von genau einer der Formen 42, 44, 48 und 50 geformt. Die Ecken 20a und 20b, die Ecken 21a und 21b, die Ecken 24a-24d und die Ecken 25a-25d werden beim Durchführen des Gusses jeweils von einem gerundeten Abschnitt der entsprechenden Form 42, 44, 48 oder 50 ausgebildet.
Der Guss zur Herstellung des Kolbens 10 wird bei dem obigen Ausführungsbeispiel wie folgt durchgeführt. Die Formen 42 bis 50 werden wie in den Fig. 2 bis 4 gezeigt so mit der Hauptform 40 angeordnet, dass die Formen 40 bis 50 entsprechend der Form des Kolbens 10 Hohlräume bilden. In die Hohlräume der Formen 40 bis 50 wird Aluminiumlegierungsmetallschmelze eingegossen. Mit Hilfe einer bekannten Technik wird auf die Metallschmelze in den Formen 40 bis 50 ein angemessener Druck aufgebracht. Nachdem die Metallschmelze durch Abkühlen erstarrt ist, wird zunächst die Form 46 entfernt, indem sie nach oben gezogen wird. Dann werden die Formen 44 und 48 zur Mitte der Formen 44 und 48 bewegt und jeweils entfernt, indem sie nacheinander so nach oben gezogen werden, dass sie nicht an die Bolzenaugen 22 und 23 des Kolbens 10 stoßen. Die Formen 42 und 50 werden entfernt, indem sie in entgegengesetzte Richtungen seitwärts bewegt werden. Nach dem Entfernen der Formen 42 bis 50 wird schließlich der infolge des Gießens erzielte Kolben 10 entnommen.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird der (nicht gezeigte) Kolbenbolzen in die Kolbenbolzenbohrungen 22a und 23a des Kolbens eingepasst und der Kolben 10 durch die (nicht gezeigte) Kolbenstange mit dem Kolbenbolzen verbunden. Die Kolbenstange verbindet die (nicht gezeigte) Kurbelwelle des Motors mit dem Kolben. Wenn sich die Kurbelwelle dreht, bewegt sich der Kolben 10 im Motorzylinder auf und ab. Während des Verbrennungshubs des Motors übertragt der Kolben 10 die Leistung, die ihm durch die Kraftstoffverbrennung in der Verbrennungskammer verliehen wurde, über die Verbindungsstange und den Kolbenbolzen auf die Kurbelwelle. Während des Motorbetriebs wirken Druck- und Zugkräfte von der Verbindungsstange durch den Kolbenbolzen auf die Bolzenaugen 22 und 23. Diese Kräfte werden von den Bolzenaugen 22 und 23 auf die Stützbereiche 20 und 21 übertragen, was in den Stützbereichen 20 und 21 zu einer hohen Belastung führt.
Des weiteren bildet der Kolbenkopf 12 den Boden der Verbrennungskammer des Motors und wird über den Kolbenkopf 12 Wärmeenergie von der Verbrennungskammer zu den Stützbereichen 20 und 21 übertragen. Aufgrund der Wärmeenergie von der Verbrennungskammer sind die Stützbereiche 20 und 21 daher einer hohen Temperatur ausgesetzt. Aus diesem Grund erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass es durch Wärmespannungen in den Stützbereichen 20 und 21, die durch die Wärmeenergie von der Verbrennungskammer erzeugt werden, zur Spannungskonzentration in den Stützbereichen 20 und 21 kommt. Insbesondere die Ecken 20a und 20b des Stützbereichs 20, die Ecken 21a und 21b des Stützbereichs 21, die Ecken 24a bis 24d der Innenumfangswand der Öffnung 24 und die Ecken 25a bis 25d der Innenumfangswand der Öffnung 25 unterliegen durch die Spannungskonzentration einer hohen Belastung.
Beim Durchführen des Gusses zur Herstellung des Kolbens 10 kann im Allgemeinen Metallschmelze aus einem Spalt zwischen zwei sich gegenseitig berührenden Formen herausfließen und kann infolge des Gießens auf einer Formpaarungsfläche zwischen den beiden Formen ein Gussgrat entstehen. Der Gussgrat hat scharfe Kanten, und an dem Gussgrat des Gusses kann sehr leicht eine Spannungskonzentration auftreten.
Wenn sich daher die Ecken 20a und 20b des Stützbereichs 20, die Ecken 21a und 21b des Stützbereichs 21, die Ecken 24a bis 24d der Innenumfangswand der Öffnung 24 und die Ecken 25a bis 25d der Innenumfangswand der Öffnung 25 an den Formpaarungsflächen befinden, entsteht an diesen - Ecken des Kolbens 10 infolge des Gießens leicht der Gussgrat. Entsteht der Gussgrat an diesen Ecken des Kolbens 10, können die Stützbereiche 20 und 21 oder die Innenumfangswände der Öffnungen 24 und 25 des Kolbens 10 durch eine zu hohe Belastung am Gussgrat des Gusses brechen oder beschädigt werden.
Bei dem obigen Ausführungsbeispiel befinden sich die Ecken 20a und 20b des Stützbereichs 20, die Ecken 21a und 21b des Stützbereichs 21, die Ecken 24a bis 24d der Innenumfangswand der Öffnung 24 und die Ecken 25a bis 25d der Innenumfangswand der Öffnung 25 nicht an den Formpaarungsflächen zwischen den Formen und werden diese Ecken von genau einer der Formen 42, 44, 48 und 50 geformt. Die Ecken 20a und 20b, die Ecken 21a und 21b, die Ecken 24a-24d und die Ecken 25a-25d werden beim Durchführen des Gusses jeweils von einem gerundeten Abschnitt der entsprechenden Form 42, 44, 48 oder 50 ausgebildet. Mit dem obigen Ausführungsbeispiel lässt sich daher beim Durchführen des Gusses wirksam das Auftreten des Gussgrats an den Ecken der Stützbereiche 20 und 21 und an den Ecken der Innenumfangswände der Öffnungen 24 und 25 verhindern. Es lässt sich sicher verhindern, dass die Stützbereiche 20 und 21 und die Innenumfangswände der Öffnungen 24 und 25 des Kolbens 10 infolge einer zu hohen Belastung brechen oder beschädigt werden.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel befinden sich die Formpaarungsflächen zwischen den Formen an Flachflächen, die sich von den Ecken des Kolbens 10 unterscheiden. Durch das Gießen kann auf einer der Flachflächen der Gussgrat entstehen. Verglichen mit der Belastung am Gussgrat an den Ecken des Kolbens 10 ist die Belastung am Gussgrat auf der Flachfläche jedoch, wenn überhaupt, gering und unbedeutend. Entsteht der Gussgrat auf einer der Flachflächen, ist daher die Spannungskonzentration am Gussgrat auf der Flachfläche unbedeutend und kommt es kaum zu Brüchen oder Beschädigungen des Kolbens 10.
Bei dem obigen Ausführungsbeispiel sind die Formpaarungsflächen zwischen den Formen derart angeordnet, dass sich die Formpaarungsflächen an anderen Stellen als an den Ecken der Stützbereiche 20 und 21 des Kolbens 10 befinden. Das Auftreten des Gussgrats an einer der Ecken des Kolbens infolge des Gießens kann wirksam verhindert werden. Es lässt sich sicher verhindern, dass die Stützbereiche 20 und 21 des Kolbens 10 infolge einer zu hohen Belastung brechen oder beschädigt werden.
Des weiteren wird bei Durchführung des Kolbenherstellungsverfahrens gemäß diesem Ausführungsbeispiel bezogen auf den Kolben 10 die Spannungskonzentration deutlich gesenkt und kann die ihm eigene Festigkeit des Kolbens 10 erhöht werden. Die Wanddicke der Stützbereiche 20 und 21 des Kolbens 10, die für die erforderliche Festigkeit gegenüber den äußeren Kräften benötigt wird, kann verringert werden. Da der Kolben 10 in den Stützbereichen 20 und 21 eine geringere Wanddicke haben kann, lässt sich das Gewicht des Kolbens 10 senken. Wegen des leichten Gewichts des Kolbens 10 ist es daher möglich, dass der Motor, sofern er den Kolben 10 nutzt, während seines Betriebs weniger ausgeprägte Schwingungen und Kolbengeräusche mit sich bringt. Wegen des leichten Gewicht des Kolbens 10 lässt sich außerdem die Trägheitskraft senken, wenn sich der Kolben 10 auf und ab bewegt, weshalb das Kolbenherstellungsverfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel bei Motoren mit hoher Umdrehungsgeschwindigkeit Anwendung finden kann.
Darüber hinaus wird herkömmlicherweise beim Kolben nach Beendigung des Gusses ein Reparaturvorgang durchgeführt, um den Gussgrat zu entfernen, sofern an einer beliebigen Stelle des Kolbens ein Gussgrat entstanden ist. Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Auftreten des Gusgrats an den Ecken der Stützbereiche 20 und 21 des Kolbens 10 wirksam verhindert, weswegen der Reparaturvorgang nicht mehr erforderlich ist und sich die Kosten für die Herstellung des Kolbens 10 verringern.
Fig. 5 zeigt eine Bodenansicht des Kolbens von Fig. 1 mit Angaben zu Formpaarungsflächen, die von einem zweiten Ausführungsbeispiel des Kolbenherstellungsverfahrens verwendet werden. Fig. 6 zeigt eine Querschnittansicht des Kolbens von Fig. 5 entlang der Linie III-III in Fig. 1 mit Angaben zu Formen, die von dem zweiten Ausführungsbeispiel des Kolbenherstellungsverfahrens verwendet werden.
In den Fig. 5 und 6 sind die Elemente, die den Elementen in den Fig. 2 und 3 entsprechen, mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet, wobei auf eine Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist, werden die Hauptform 40 und mehrere Formen 70, 72, 74, 76 und 78 verwendet, wenn der Guss zur Herstellung des Kolbens 10 durchgeführt wird. Ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel erfolgt der Guss zur Herstellung des Kolbens 10 im umgedrehten Zustand, wobei der Kolben 10 auf den Kopf gedreht ist (oder sich der Kolbenkopf 12 auf dem Boden des Kolbens 10 befindet).
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel stellen die Formen 70 und 78 äußere Formen, die außerhalb des Kolbens 10 angeordnet sind, die Formen 72 und 76 seitliche Kernformen, die innerhalb des Kolbens 10 angeordnet sind, und die Form 74 eine zentrale Kernform dar, die innerhalb des Kolbens 10 und in der Mitte der Hohlräume des Kolbens 10 angeordnet ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Außenflächen der Bolzenaugen 22 und 23 und der Stützbereiche 20 und 21 des Kolbens 10 von den Formen 70 und 78 geformt, die außerhalb des Kolbens 10 angeordnet sind. Die Innenflächen der Bolzenaugen 22 und 23 und der Stützbereiche 20 und 21 werden von den Kernformen 72, 74 und 76 geformt, die innerhalb des Kolbens 10 angeordnet sind und sich gegenseitig berühren. Genauer gesagt werden die Innenflächen des Bolzenauges 22 und des Stützbereichs 20 von der Seitenfläche der Kernform 72 und die Innenflächen des Bolzenauges 23 und des Stützbereichs 21 von der Seitenfläche der Kernform 76 geformt.
Des weiteren werden die Innenflächen der Mantelbereiche 18 und 19 von den Endflächen der Form 74 geformt. Genauer gesagt wird die Innenfläche des Mantelbereichs 18 von der rechten Endfläche der Form 74 und die Innenfläche des Mantelbereichs 19 von der linken Endfläche der Form 74 geformt.
Ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel in Fig. 4 wird die Bodenfläche des Kolbenkopfs 12 (im umgedrehten Zustand) von der unteren Fläche der Hauptform 40 geformt. Die Außenumfangsflächen der Mantelbereiche 18 und 19 und des Kolbenkopfs 12 werden von den Innenseitenflächen der Hauptform 40 geformt. Die Kolbenbolzenbohrungen 22a und 23a und die Ringnuten 14, 16 und 17 werden nach Beendigung des Gusses durch anschließendes maschinelles Bearbeiten ausgebildet.
Bei dem obigen zweiten Ausführungsbeispiel sind eine Formpaarungsfläche zwischen den Formen 70 und 72 und eine Formpaarungsfläche zwischen den Formen 76 und 78 derart angeordnet, dass die Formpaarungsflächen nicht mit den Ecken der Stützbereiche 20 und 21 übereinstimmen. Das heißt, dass sich die Form 70 und die Form 72 gegenseitig - an anderen Stellen als an den Ecken des Stützbereichs 20 berühren und dass sich die Form 76 und die Form 78 gegenseitig an anderen Stellen als an den Ecken des Stützbereichs 21 berühren.
Ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel in Fig. 4 befinden sich beim obigen zweiten Ausführungsbeispiel die Ecken 20a und 20b des Stützbereichs 20, die Ecken 21a und 21b des Stützbereichs 21, die Ecken 24a bis 24d der Innenumfangswand der Öffnung 24, und die Ecken 25a bis 25d der Innenumfangswand der Öffnung 25 nicht an den Formpaarungsflächen zwischen den Formen und werden diese Ecken von genau einer der Formen 70, 72, 76 und 78 geformt. Die Ecken 20a und 20b, die Ecken 21a und 21b, die Ecken 24a-24d und die Ecken 25a-25d werden beim Durchführen des Gusses jeweils von einem gerundeten Abschnitt der entsprechenden Form 70, 72, 76 oder 78 ausgebildet.
Bei dem obigen zweiten Ausführungsbeispiel ist außerdem eine Formpaarungsfläche zwischen den Formen 74 und 72 nach außen gekrümmt und weist in Richtung der einen Randkanten der Mantelbereiche 18 und 19 und ist eine Formpaarungsfläche zwischen den Formen 74 und 76 nach außen gekrümmt und weist in Richtung der anderen Randkanten der Mantelbereiche 18 und 19. Die äußeren Enden dieser Formpaarungsflächen befinden sich zwischen den zentralen Abschnitten der Mantelbereiche 18 und 19 und den Randkanten der Mantelbereiche 18 und 19. Das heißt, dass sich die äußeren Enden der Formpaarungsflächen der Kernformen 72, 74 und 76 an anderen Stellen als an den zentralen Abschnitten der Innenflächen der Mantelbereiche 18 und 19 befinden. Die Innenflächen der Mantelbereiche 18 und 19 werden wie beschrieben von den Endflächen der Form 74 geformt.
Der Guss zur Herstellung des Kolbens 10 erfolgt bei dem obigen zweiten Ausführungsbeispiel auf ähnliche Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird der Kolbenbolzen in die Kolbenbolzenbohrungen 22a und 23a des Kolbens 10 eingepasst und der Kolben 10 durch den Kolbenbolzen mit der Kolbenstange verbunden. Die Kolbenstange verbindet die Kurbelwelle des Motors mit dem Kolben. Wenn sich die Kurbelwelle dreht, bewegt sich der Kolben 10 im Motorzylinder auf und ab. Während des Verbrennungshubs des Motors übertragt der Kolben 10 die Leistung, die ihm durch die Kraftstoffverbrennung in der Verbrennungskammer verliehen wurde, über die Verbindungsstange und den Kolbenbolzen auf die Kurbelwelle.
Während der Hin- und Herbewegung des Kolbens 10 innerhalb des Motorzylinders unterliegen die Mantelbereiche 18 und 19 daher einer Reibungsbelastung. Dabei wird in den Mantelbereichen 18 und 19 eine verhältnismäßig hohe Reibungsbelastung erzeugt. Wenn sich die Kurbelwelle des Motors dreht und sich der Kolben 10 in dem Zylinder auf und ab bewegt, wird abgesehen davon außerdem eine Seitenkraft erzeugt, die den Mantelbereich 18 oder 19 gegen den Zylinder drückt. An den zentralen Abschnitten der Mantelbereiche 18 und 19 kommt es leicht zur Spannungskonzentration.
Des weiteren bildet der Kolbenkopf 12 den Boden der Verbrennungskammer des Motors und wird über den Kolbenkopf 12 Wärmeenergie von der Verbrennungskammer zu den Mantelbereichen 18 und 19 übertragen. Aufgrund der Wärmeenergie von der Verbrennungskammer sind die Mantelbereiche 18 und 19 daher einer hohen Temperatur ausgesetzt. Aus diesem Grund erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass es durch Wärmespannungen in den Mantelbereichen 18 und 19, die durch die Wärmeenergie von der Verbrennungskammer erzeugt werden, zur Spannungskonzentration in den Mantelbereichen 18 und 19 kommt. Insbesondere die zentralen Abschnitte der Mantelbereiche 18 und 19 unterliegen einer hohen Belastung durch die Spannungskonzentration.
Wenn sich daher die zentralen Abschnitte der Mantelbereiche 18 und 19 an den Formpaarungsflächen zwischen den Formen befinden, entsteht an den zentralen Abschnitten der Mantelbereiche des Kolbens 10 infolge des Gießens leicht der Gussgrat. Entsteht der Gussgrat an den zentralen Abschnitten der Mantelbereiche 18 und 19 des Kolbens 10, können die Mantelbereiche 18 und 19 des Kolbens 10 durch eine zu hohe Belastung am Gussgrat des Gusses brechen oder beschädigt werden.
Bei dem obigen zweiten Ausführungsbeispiel befinden sich die zentralen Abschnitte der Mantelbereiche 18 und 19 nicht an den Formpaarungsflächen zwischen den Kernformen 72, 74 und 76. Die zentralen Abschnitte der Innenflächen der Mantelbereiche 18 und 19 werden lediglich von der Kernform 74 und die zentralen Abschnitte der Außenflächen der Mantelbereiche 18 und 19 werden lediglich von der Hauptform 40 geformt. Die Zentralabschnitte der Mantelbereiche 18 und 19 werden beim Durchführen des Gusses entsprechend von entweder der Hauptform 40 oder der Kernform 74 geformt. Das Auftreten des Gussgrats an den zentralen Abschnitten der Mantelbereiche 18 und 19 des Kolbens 10 infolge des Gießens kann wirksam verhindert werden. Es lässt sich sicher verhindern, dass die Mantelbereiche 18 und 19 des Kolbens 10 infolge einer zu hohen Belastung brechen oder beschädigt werden.
Des weiteren wird bei Durchführung des Kolbenherstellungsverfahrens gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel bezogen auf den Kolben 10 die Spannungskonzentration deutlich gesenkt und kann die ihm eigene Festigkeit des Kolbens 10 erhöht werden. Die Wanddicke der Stützbereiche 20 und 21 des Kolbens 10, die für die erforderliche Festigkeit gegenüber den äußeren Kräften benötigt wird, kann verringert werden. Da der Kolben 10 in den Stützbereichen 20 und 21 eine geringere Wanddicke haben kann, lässt sich das Gewicht des Kolbens 10 senken. Wegen des leichten Gewicht des Kolbens 10 ist es daher möglich, dass der Motor, sofern er den Kolben 10 nutzt, während seines Betriebs weniger ausgeprägte Schwingungen und Kolbengeräusche mit sich bringt. Wegen des leichten Gewichts des Kolbens 10 lässt sich außerdem die Trägheitskraft senken, wenn sich der Kolben 10 auf und ab bewegt, weshalb das Kolbenherstellungsverfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel bei Motoren mit hoher Umdrehungsgeschwindigkeit Anwendung finden kann.
Darüber hinaus wird bei dem obigen zweiten Ausführungsbeispiel die Spannungskonzentration an den Mantelbereichen 18 und 19 und die Maximalbelastung an den zentralen Abschnitten der Mantelbereiche 18 und 19 gesenkt. Die Verformung der Mantelbereiche 18 und 19 des Kolbens 10, die durch wiederholten Betrieb des Motors hervorgerufen werden kann, wird deutlich gesenkt. Der Spalt zwischen dem Kolben 10 und dem Zylinder kann daher auf ein passendes Maß gehalten werden. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel kann die Überhitzung der Mantelbereiche des Kolbens 10 während des Motorbetriebs verhindert werden und lassen sich die Kolbengeräusche bei laufendem Motor senken. Abgesehen davon kann der Reibungswiderstand zwischen dem Kolben 10 und dem Zylinder gesenkt werden, wodurch sich der Kraftstoffverbrauch beim Motor verbessern kann, sofern er den gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel hergestellten Kolben 10 nutzt.
Darüber hinaus wird herkömmlicherweise beim Kolben nach Beendigung des Gusses der Reparaturvorgang durchgeführt, um den Gussgrat zu entfernen, sofern an einer beliebigen - Stelle des Kolbens ein Gussgrat entstanden ist. Bei dem obigen zweiten Ausführungsbeispiel wird das Auftreten des Gusgrats an den zentralen Abschnitten der Mantelbereiche des Kolbens 10 wirksam verhindert, weswegen der Reparaturvorgang nicht mehr erforderlich ist und sich die Kosten für die Herstellung des Kolbens 10 verringern.
Ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist es beim obigen zweiten Ausführungsbeispiel notwendig, dass das Auftreten des Gussgrats an einer der Ecken der Stützbereiche 20 und 21 des Kolbens 10 infolge des Gießens verhindert wird. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die Formpaarungsfläche zwischen den Formen 70 und 72 und die Formpaarungsfläche zwischen den Formen 76 und 78 daher derart angeordnet, dass die Formpaarungsflächen dieser Formen nicht mit den Ecken der Stützbereiche 20 und 21 übereinstimmen. Beim Durchführen des Kolbenherstellungsverfahrens gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel lassen sich die gleichen Vorteile erzielen, wie sie beim ersten Ausführungsbeispiel erwähnt wurden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (10) durch Gießen, bei dem der Kolben einen Kolbenkopf (12), einen Mantel, ein Bolzenauge und einen den Rand des Bolzenauges (22) mit dem Mantel verbindenden Stützbereich aufweist und das die Schritte umfasst:

Anordnen mehrerer Formen derart, dass die Formen entsprechend einem Aufbau des Kolbens Hohlräume bilden;

Anordnen von Formpaarungsflächen zwischen den Formen derart, dass sich die Formen (40) gegenseitig an anderen Stellen als an Ecken des Stützbereichs des Kolbens berühren; und

Durchführen eines Gusses unter Verwendung der Formen (40), so dass der Kolben (10) hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Stützbereich an einem mittleren Abschnitt zwischen dem Mantel und dem Bolzenauge (22) eine Öffnung enthält und sich die Formen gegenseitig an anderen Stellen als an Ecken der Öffnung berühren.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Formpaarungsflächen der Formen (40) Flachflächen des Stützbereichs kreuzen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem von genau einer der Formen (40) eine Innenfläche des Stützbereichs geformt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Guss zur Herstellung des Kolbens (10) in einem umgedrehten Zustand durchgeführt wird, in dem der Kolben (10) auf dem Kopf - steht und sich der Kolbenkopf (12) am Boden des Kolbens (10) befindet.

6. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens durch Gießen, bei dem der Kolben (10) einen Kolbenkopf (12), ein Paar Mantelbereiche, ein Paar Bolzenaugen und ein Paar die Ränder der Bolzenaugen (23) mit den Mantelbereichen verbindender Stützbereiche aufweist und das die Schritte umfasst:

Anordnen einer Hauptform (40), eines Paars äußerer Formen, eines Paars seitlicher Kernformen (72, 76) und einer zentralen Kernform derart, dass die Hauptform, die äußeren Formen, die seitlichen Kernformen (72, 76) und die zentrale Kernform entsprechend einem Aufbau des Kolbens (10) Hohlräume bilden;

Anordnen von Formpaarungsflächen zwischen den äußeren Formen und den seitlichen Kernformen (72, 76) derart, dass sich die äußeren Formen und die seitlichen Kernformen gegenseitig an anderen Stellen als an Ecken der Stützbereiche des Kolbens berühren;

Anordnen von Formpaarungsflächen zwischen den seitlichen Kernformen (72, 76) und der zentralen Kernform derart, dass die seitlichen Kernformen (72, 76) von der zentralen Kernform (74) berührt werden und sich äußere Enden der Formpaarungsflächen zwischen den seitlichen Kernformen und der zentralen Kernform (74) an anderen Stellen als an zentralen Abschnitten der Mantelbereiche befinden; und

Durchführen des Gusses unter Verwendung der Hauptform, der äußeren Formen, der seitlichen Kernformen (72, 76) und der zentralen Form, so dass der Kolben hergestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem sich die äußeren Enden der Formpaarungsflächen der seitlichen Kernformen (72, 76) zwischen den zentralen Abschnitten der Mantelbereiche und Randkanten der Mantelbereiche befinden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Guss zur Herstellung des Kolbens (10) in einem umgedrehten Zustand durchgeführt wird, in dem der Kolben (10) auf dem Kopf steht und sich der Kolbenkopf (12) am Boden des Kolbens (10) befindet.

9. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem von der zentralen Kernform, die eine Einzelform ist, Innenflächen der Mantelbereiche geformt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem von den seitlichen Kernformen jeweils Innenflächen der Stützbereiche geformt werden.