WO2011026481A1 - Verfahren zur herstellung eines kolbens für einen verbrennungsmotor - Google Patents

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Joachim Zander
Rainer Ottmüller
Stefan Scheday
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    • Y10T29/49249—Piston making
    • Y10T29/49265—Ring groove forming or finishing

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a piston for an internal combustion engine, having a piston crown, having a ring section and having a piston shaft which has two mutually opposite pin bosses, with the method steps:
  • European Patent Application EP 0 167 791 A2 discloses a round-shaft piston of the type mentioned above with shaft returns extending in the region of the pin bosses over the entire axial length of the piston shaft. These are formed by means of a lathe in the piston skirt, wherein the piston is clamped in its longitudinal direction eccentrically on the lathe.
  • the disadvantage here is that with the known from the prior art turning method only Schafetschreiblos can be produced, the depth to the edge of the Schaftschreibsacrificing continuously decreases, so that they have an oval shape in cross-section.
  • CONFIRMATION COPY Object of the present invention is thus to provide a simple and inexpensive method for producing a piston with stock returns, which can be arbitrarily shaped.
  • the lathe tool can be positioned freely programmable depending on the rotational position of the piston, allows to restrict to the production of the piston blank and the insertion of the pin hole on a single, further operation, because with the above lathe, both the grooves of the Ring section and arbitrarily shaped stock withdrawals made as well as the rest of the piston outer surface finished.
  • Fig. 4 is a schematic representation of a lathe with freely programmable positioning of the turning tool.
  • Fig. 1 shows a piston 1 for an internal combustion engine, which is designed as a round shank piston, consists of aluminum and is produced by forging.
  • the Piston 1 has a piston crown 2, a crown land 3, a ring section 4 and a piston skirt 5 with pin bosses 6, 6 'and pin bores 7, 7'.
  • the piston skirt 5 has lug withdrawals 9, 9 ', that is, the piston skirt 5 is retracted in these areas in the radial direction by 0.5 mm to 2 mm, and These regions 9, 9 'of the piston axis 10 thus have a distance of 0.5 mm to 2 mm smaller than the unretained regions 11, 11' of the piston skirt 5.
  • the transition regions 12, 12 'between the Schawtschreibsure 9, 9' and the unretained portions 11, 11 'of the piston shaft 5 as in the present embodiment shown in FIG. 1 are parallel to each other or (not shown in Fig. 1) in the direction of the piston head 2 tapered towards each other.
  • the Schafetschreibsure 9, 9 ' may be shaped as the lateral surfaces of a circular cylinder. However, they may also have an oval shape viewed in cross-section perpendicular to the piston axis 10, the axis 13 of the pin bore 7 (FIG. 2) being the minor axis of the ovality.
  • the height 14 is dependent on the manufacturing process of the piston first freely selectable.
  • Fig. 2 a section through the piston 1 along the line AA in Fig. 1, it is shown that the circumferential extent of the Schaptschreibsure 9, 9 'and the unretained portions 11, 11' of the piston shaft 5 based on the angle ⁇ between a perpendicular to the axis 13 of the pin bore 7 and also perpendicular to the piston axis 10 standing straight line 16 and the piston axis 10 with the transition region 12 'connecting straight line 17 is definable.
  • the angle ⁇ has a value of 32 ° in the present embodiment. But it can be between 5 ° and 85 °.
  • 3 A, B show two embodiments of the transition regions 12a and 12b between the Schapetschreibsure 9 and the unretained portions 11 of the piston shaft 5.
  • the transition region 12a of FIG. 3 A has over the areas 9 and 11 each one over the entire height 14 of the tail withdrawal 9 reaching edge 18 and 19 on.
  • the transition region 12b according to FIG. 3B continuously and edge-free connects the two regions 9 and
  • This angle ß, ß ' can be between 5 ° and 20 °.
  • a forging blank is known from the prior art (for example, from DE 10 2005 041 000 A1) and will not be explained in detail here. Note here only that the blank is forged using a mandrel for forming the piston interior and a forging die for forming the piston outer mold. Subsequently, the bolt holes are introduced by means of a drill.
  • a rotary drive 20 piston blank 1 By means of a mounted on a feed slide 21 and both in the direction of arrow 22 parallel to the piston axis 10 and in the direction of arrow 23 perpendicular to the piston axis 10 slidably mounted turning tool 24, the outer surface of the piston 1, such as the piston shaft 5, are processed.
  • the piston blank 1 is rotated by the rotary drive 20 in the direction of the rotary arrow 25 in rotation.
  • the rotational position of the piston blank 1 is detected and reported to a control unit, not shown in the figure.
  • the method according to the invention can also be used to produce two-part piston, these two parts are either welded together, soldered or bolted.
  • the parts can hereby forged from steel or cast from aluminum or cast iron, each part being finished by itself with the help of the lathe 26.
  • the method according to the invention is also suitable for producing the shaft part of pendulum piston. In any case, the method according to the invention is well suited for forming stock withdrawals in the piston parts intended for the pin bosses.
  • the inventive method has the advantage that the Schaft Wegsure can be shaped arbitrarily. Seen in the direction of the piston axis 10, the transitional regions 12 between the slip returns 9 and the unretracted regions 11 of the piston skirt 5 can have any desired shape and, for example, be wave-shaped. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenboden (2), mit einer Ringpartie (4) und mit einem Kolbenschaft (5), der zwei einander gegenüberliegende Bolzennaben (6, 6') aufweist, wobei im Rahmen der Endbearbeitung der Außenfläche des Kolbenrohlings in die Bereichen der radial äußeren Stirnflächen (8, 8') der Bolzennaben (6, 6') in radiale Richtung sich erstreckende Schaftrücknahmen eingeformt werden. Einfach und preisgünstig ist es, wenn hierbei die Endbearbeitung der Außenfläche des Kolbenrohlings einschließlich dem Einformen der Nuten in die Ringpartie (4) und dem Einformen der Schaftrücknahmen (9, 9') in den Kolbenschaft (5) mit Hilfe einer Drehbank (26) vorgenommen wird, deren Drehmeißel in Abhängigkeit der Drehposition des Kolben (1) freiprogrammierbar positioniert werden kann.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenboden, mit einer Ringpartie und mit einem Kolbenschaft, der zwei einander gegenüberliegende Bolzennaben aufweist, mit den Verfahrensschritten:
- Herstellung eines einteiliger Kolbenrohling mit Bereichen für den Kolbenschaft und die Bolzennaben oder eines aus zwei Teilen bestehender Kolbenrohling, wobei das eine Teil für den Kolbenboden und das andere Teil für den Kolbenschaft mit den Bolzennaben vorgesehen sind,
- Einbringung von Bolzenbohrungen in die Bereiche der Bolzennaben, und
- Fertigstellung des Kolbens, wobei im Rahmen der Endbearbeitung der Außenfläche des Kolbenrohlings in die Bereiche der radial äußeren Stirnflächen der Bolzennaben in radiale Richtung sich erstreckende Schaftrücknahmen eingeformt werden.
Aus der Europäischen Patentanmeldung EP 0 167 791 A2 ist ein Rundschaftkolben der eingangs genannten Art mit im Bereich der Bolzennaben über die gesamte axiale Länge des Kolbenschaftes sich erstreckenden Schaftrücknahmen bekannt. Diese werden mittels einer Drehbank in den Kolbenschaft eingeformt, wobei der Kolben in seiner Längsrichtung exzentrisch auf der Drehbank eingespannt wird. Nachteilig ist hierbei, dass mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Drehverfahren nur Schaftrücknahmen herstellbar sind, deren Tiefe zum Rand der Schaftrücknahmen hin kontinuierlich abnimmt, sodass sie im Querschnitt eine ovale Form aufweisen. Eine im Querschnitt nichtovale Schaftrücknahme in den Kolbenschaft einzuformen, ist nur mit Hilf einer Fräsmaschine beispielsweise mit Hilfe einer Zirkularfräsmaschine möglich, sodass zur Endbearbeitung des Kolbens neben einer herkömmlichen Drehbank zusätzlich eine Fräsmaschine erforderlich ist, was die Herstellung des Kolbens nicht unerheblich verteuert.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein einfaches und preisgünstiges Verfahren zur Herstellung eines Kolbens mit Schaftrücknahmen zu schaffen, die beliebig geformt sein können.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass die Endbearbeitung der Außenfläche des Kolbenrohlings einschließlich dem Einformen der Nuten in die Ringpartie und dem Einformen der Schaftrücknahmen in den Kolbenschaft mit Hilfe einer Drehbank vorgenommen wird, deren Drehmeißel in Abhängigkeit der Drehposition des Kolben freiprogrammierbar positioniert werden kann.
Die Verwendung einer Drehbank, dessen Drehmeißel in Abhängigkeit der Drehposition des Kolbens freiprogrammierbar positioniert werden kann, ermöglicht es, sich nach der Herstellung des Kolbenrohlings und dem Einbringen der Bolzenbohrung auf einen einzigen, weiteren Arbeitsgang zu beschränken, denn mit obiger Drehbank können sowohl die Nuten der Ringpartie und beliebig geformte Schaftrücknahmen hergestellt als auch der Rest der Kolbenaußenfläche fertig bearbeitet werden.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Kolben in Seitenansicht, wobei im Bereich der Stirnflächen der Bolzennaben der Kolbenschaft zurückgenommen ist,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Kolben entlang der Linie AA in Fig. 1 ,
Fig. 3 A, Beinige Ausführungen der Übergänge zwischen den zurückgenommenen und den nicht zurückgenommenen Schaftbereichen, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Drehbank mit frei programmierbarer Positionierung des Drehmeißels.
Fig. 1 zeigt einen Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor, der als Rundschaftkolben ausgebildet ist, aus Aluminium besteht und im Schmiedeverfahren hergestellt ist. Der Kolben 1 weist einen Kolbenboden 2, einen Feuersteg 3, eine Ringpartie 4 und einen Kolbenschaft 5 mit Bolzennaben 6, 6' und Bolzenbohrungen 7, 7' auf.
Im Bereich der Stirnflächen 8, 8' der Bolzennaben 6, 6' weist der Kolbenschaft 5 Schaftrücknahmen 9, 9' auf, das heißt, dass der Kolbenschaft 5 in diesen Bereichen in radialer Richtung um 0,5 mm bis 2 mm zurückgenommen ist, und diese Bereiche 9, 9' von der Kolbenachse 10 somit einen um 0,5 mm bis 2 mm geringeren Abstand haben als die nicht zurückgenommenen Bereiche 11 , 11' des Kolbenschafts 5.
Hierbei können die Übergangsbereiche 12, 12' zwischen den Schaftrücknahmen 9, 9' und den nicht zurückgenommenen Bereichen 11 , 11' des Kolbenschafts 5 wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 parallel zueinander liegen oder (in Fig. 1 nicht dargestellt) in Richtung Kolbenboden 2 konisch aufeinander zulaufen. Weiterhin können die Schaftrücknahmen 9, 9' wie die Mantelflächen eines Kreiszylinders geformt sein. Sie können aber auch im Querschnitt senkrecht zur Kolbenachse 10 betrachtet eine ovale Form haben, wobei die Achse 13 der Bolzenbohrung 7 (Fig. 2) die kleine Achse der Ovalität ist.
Die Höhe 14 der Schaftrücknahme 9, 9' reicht im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die gesamte axiale Länge des Kolbenschaftes 5, das heißt, von der Ringpartie 4 bis zum kolbenbodenabgewandten, unteren Ende 15 des Kolbenschaftes 5. Die Höhe 14 ist abhängig vom Herstellungsverfahren des Kolbens 1 frei wählbar.
In Fig. 2, einem Schnitt durch den Kolben 1 entlang der Linie AA in Fig. 1 , ist dargestellt, dass die umfangsmäßige Ausdehnung der Schaftrücknahmen 9, 9' und der nicht zurückgenommenen Bereiche 11 , 11' des Kolbenschaftes 5 anhand des Winkels α zwischen einer senkrecht auf der Achse 13 der Bolzenbohrung 7 und zudem senkrecht auf der Kolbenachse 10 stehenden Geraden 16 und einer die Kolbenachse 10 mit dem Übergangsbereich 12' verbindenden Geraden 17 definierbar ist. Der Winkel α hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Wert von 32°. Er kann aber zwischen 5° und 85° betragen. Die Fig. 3 A, B zeigen zwei Ausführungsformen der Übergangsbereiche 12a und 12b zwischen den Schaftrücknahmen 9 und den nicht zurückgenommenen Bereichen 11 des Kolbenschafts 5. Der Übergangsbereich 12a gemäß Fig. 3 A weist gegenüber den Bereichen 9 und 11 je eine über die gesamte Höhe 14 der Schaftrücknahme 9 reichende Kante 18 und 19 auf. Der Übergangsbereich 12b gemäß Fig. 3 B verbindet stetig und kantenfrei die beiden Bereiche 9 und 11.
Über den Winkel ß, ß' zwischen Geraden 27, 28, die die Ränder der Bereiche 11 und 9 mit der (in Fig. 3 nicht dargestellten) Kolbenachse 10 verbinden und senkrecht auf der Kolbenachse 10 stehen, ist die umfangsmäßige Ausdehnung der Übergangsbereiche 12a und 12b definierbar. Dieser Winkel ß, ß' kann zwischen 5° und 20° betragen.
Die Herstellung eines Schmiederohlings ist aus dem Stand der Technik (bspw. aus der DE 10 2005 041 000 A1) bekannt und wird hier nicht näher erläutert. Angemerkt sie hier nur, dass der Rohling unter Verwendung eines Doms zur Ausformung des Kolbeninnenraumes und eines Schmiedegesenks zur Ausformung der Kolbenaußenform geschmiedet wird. Anschließend werden mittels einer Bohrmaschine die Bolzenbohrungen eingebracht.
Die restliche Bearbeitung der Kolbenaußenfläche, wie das Einformen der Nuten der Ringpartie 4 und der Schaftrücknahmen 9, 9' und die Endbearbeitung der Kolbenaußenfläche, erfolgt mittels einer in Fig. 4 schematisch dargestellten Drehbank 26, dessen Drehmeißel 24 in Abhängigkeit der Drehposition des Kolbens 1 freiprogrammierbar positioniert werden kann.
Dargestellt ist ein auf einem Drehantrieb 20 drehbar befestigter Kolbenrohling 1. Mittels eines an einem Vorschubschlitten 21 befestigten und sowohl in Richtung des Pfeiles 22 parallel zur Kolbenachse 10 als auch in Richtung des Pfeiles 23 senkrecht zur Kolbenachse 10 verschiebbar gelagerten Drehmeißels 24 kann die Außenfläche des Kolbens 1 , wie beispielsweise der Kolbenschaft 5, bearbeitet werden. Hierbei wird der Kolbenrohling 1 vom Drehantrieb 20 in Richtung des Drehpfeiles 25 in Drehung versetzt. Über einen im Drehantrieb 20 angeordneten Drehstellungsgeber wird die Drehposition des Kolbenrohlings 1 erfasst und an eine in der Figur nicht dargestellte Steuereinheit gemeldet. In Abhängigkeit von der Drehposition des Kolbenrohlings 1 und von der Position des Drehmeißels 24 in Richtung der Kolbenachse 10 wird von der Steuereinheit der Drehmeißel 24 in Richtung des Pfeiles 23 auf den Kolben 1 zubewegt, um den spanenden Materialabtrag zu starten, wodurch die Schaftrücknahmen und die Nuten in die Außenfläche des Kolbenrohlings 1 eingedreht werden.
Die Verringerung der mit der Zylinderinnenfläche in Kontakt stehenden Flächen 11 , 11' des Kolbenschaftes 5 mittels der Schaftrücknahmen 9, 9' hat den Vorteil, die Gleiteigenschaften des Kolbens zu verbessern. Zudem bietet ein Rundschaftkolben mit Schaftrücknahmen gegenüber einem Kastenkolben mit gegenüber der Ringpartie zurückgesetzten Stirnflächen der Bolzennaben in radialer Richtung längere Bolzenbohrungen und damit eine größere Auflagefläche für den Kolbenbolzen.
Neben der Herstellung von einteiligen und aus Aluminium geschmiedeten Kolben kann das erfindungsgemäße Verfahren auch dazu verwendet werden, aus zwei Teilen bestehende Kolben herzustellen, wobei diese beiden Teile entweder miteinander verschweißt, verlötet oder verschraubt werden. Die Teile können hierbei aus Stahl geschmiedet oder aus Aluminium oder aus Gusseisen gegossen werden, wobei jedes Teil für sich mit Hilfe der Drehbank 26 fertig gedreht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zudem dazu, den Schaftteil von Pendelschaftkolben herzustellen. In jedem Fall ist das erfindungsgemäße Verfahren gut dazu geeignet, in die Kolbenteile, die für die Bolzennaben vorgesehen sind, Schaftrücknahmen einzuformen.
Weiterhin hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die Schaftrücknahmen beliebig geformt werden können. In Richtung der Kolbenachse 10 gesehen können die Übergangsbereiche 12 zwischen den Schaftrücknahmen 9 und den nicht zurückgenommenen Bereiche 11 des Kolbenschaftes 5 jede beliebige Form haben und beispielsweise wellenförmig ausgebildet sein. Bezugszeichenliste
α, ß, β' Winkel
1 Kolben, Kolbenrohling
2 Kolbenboden
3 Feuersteg
4 Ringpartie
5 Kolbenschaft
6, 6' Bolzennabe
7, 7' Bolzenbohrung
8, 8" Stirnfläche der Bolzennabe 6, 6'
9, 9' Schaftrücknahme
10 Kolbenachse
11 , 11' nicht rückgenommener Bereich des Kolbenschaftes 5
12, 12' Übergangsbereich zwischen der Schaftrücknahme 9 und dem Bereich
11
12a, 12b Übergangsbereich zwischen der Schaftrücknahme 9 und dem Bereich
11
13 Achse der Bolzenbohrung 7
14 Höhe der Schaftrücknahme 9
15 unteres Ende des Kolbenschaftes 5
16 Verbindungsgerade
17 Verbindungsgerade
18, 19 Kante zwischen dem Übergangsbereich 12a und der Schaftrücknahme
9 bzw. dem nicht zurückgenommenen Bereich 11 des Kolbenschaftes 5
20 Drehantrieb
21 Vorschubschlitten
22, 23 Pfeil
24 Drehmeißel
25 Drehpfeil
26 Drehbank
27, 28 Gerade

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenboden (2), mit einer Ringpartie (4) und mit einem Kolbenschaft (5), der zwei einander gegenüberliegende Bolzennaben (6, 6') aufweist, mit den Verfahrensschritten:
- Herstellung eines einteiliger Kolbenrohling mit Bereichen für den Kolbenschaft (5) und die Bolzennaben (6, 6') oder eines aus zwei Teilen bestehender Kolbenrohling, wobei das eine Teil für den Kolbenboden (2) und das andere Teil für den Kolbenschaft (5) mit den Bolzennaben (6, 6') vorgesehen sind,
- Einbringung von Bolzenbohrungen (7, 7') in die Bereiche der Bolzennaben (6, 6'), und
- Fertigstellung des Kolbens (1), wobei im Rahmen der Endbearbeitung der Außenfläche des Kolbenrohlings in die Bereiche der radial äußeren Stirnflächen (8, 8') der Bolzennaben (6, 6') in radiale Richtung sich erstreckende Schaftrücknahmen eingeformt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass die Endbearbeitung der Außenfläche des Kolbenrohlings einschließlich dem Einformen der Nuten in die Ringpartie (4) und dem Einformen der Schaftrücknahmen (9, 9') in den Kolbenschaft (5) mit Hilfe einer Drehbank (26) vorgenommen wird, deren Drehmeißel in Abhängigkeit der Drehposition des Kolben (1 ) freiprogrammierbar positioniert werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftrücknahmen (9, 9') mit einer Tiefe zwischen 0,5 mm und 2 mm hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schaftrücknahmen (9, 9') und den nicht zurückgenommenen Bereichen (11 , 11') des Kolbenschafts (5) Übergangsbereiche (12a) geformt werden, die gegenüber den Schaftrücknahmen (9, 9') und gegenüber den nicht zurückgenommenen Bereichen (11 , 11') jeweils eine über die gesamte Höhe (14) der Schaftrücknahme (9, 9') reichende Kante (18, 19) und zwischen den Kanten (18, 19) eine eben Fläche aufweisen.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schaftrücknahmen (9, 9') und den nicht zurückgenommenen Bereichen (11 , 11") des Kolbenschafts (5) Übergangsbereiche (12b) geformt werden, die die Schaftrücknahmen (9, 9') stetig und kantenfrei mit den nicht zurückgenommenen Bereichen (11 , 11') des Kolbenschaftes (5) verbinden.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsbereiche (12a, 12b) so gestaltet werden, dass sie parallel zur Kolbenachse (10) zu liegen kommen.
6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsbereiche (12a, 12b) so gestaltet werden, dass sie in Richtung Kolbenboden (2) konisch aufeinander zulaufen.
7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsbereiche (12a, 12b) so gestaltet werden, dass sie in Richtung des kolbenbodenabgewandten Endes (15) des Kolbenschaftes (5) konisch aufeinander zulaufen.
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