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Dokumentenidentifikation DE10042207C2 23.01.2003
Titel Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Herstellung eines Kolbens
Anmelder Federal-Mogul Nürnberg GmbH, 90441 Nürnberg, DE
Erfinder Reinl, Kurt, 90469 Nürnberg, DE;
Obermeier, Karl-Heinz, 91593 Burgbernheim, DE
Vertreter HOFFMANN · EITLE, 81925 München
DE-Anmeldedatum 28.08.2000
DE-Aktenzeichen 10042207
Offenlegungstag 28.03.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.01.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.01.2003
IPC-Hauptklasse F02F 3/00
IPC-Nebenklasse B23P 15/10   B23K 26/00   B23K 15/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Um den Anforderungen insbesondere im Hinblick auf eine geringe Masse der sich bewegenden Kolben von Verbrennungsmotoren genüge zu tun, werden in großem Umfang Kolben aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium-Guss- Legierungen eingesetzt. Es zeigt sich nunmehr beispielsweise bei hochbelasteten Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, dass bislang verwendeten Aluminium-Guss-Legierungen bei steigender Leistung, die notwendigerweise zu höheren Kolbenbelastungen führt, den gestellten Festigkeitsanforderungen nicht mehr gerecht werden. Beispielsweise treten Muldenrandrisse und Kolbenbodenrisse auf. Als Grund dafür wurde zum einen die begrenzte Dauerfestigkeit des Materials an sich ermittelt. Zum anderen wurden als Ursachen für die genannten Schäden an Leichtmetallkolben die Inhomogenität des Gussgefüges zusammen mit den stets auftretenden Gefügestörungen, wie beispielsweise Anreicherungen von Legierungselementen, Lunker, Poren und Oxyde festgestellt. Derartige Gefügestörungen können auch durch aufwendige Prüfverfahren nicht mehr erkannt werden.

Im Stand der Technik sind einige Maßnahmen zur Verstärkung von Kolben bekannt, die sich jedoch bei dem genannten Anwendungsfall, insbesondere bei hochbelasteten Dieselmotoren mit Direkteinspritzung als unzureichend erwiesen haben. Beispielsweise offenbart die GB 1 277 579 einen Kolben mit einem Grundkörper, in den mittels Reibschweißen ein ringförmiger Kolbenringträger, ein Einsetzteil mit einer Brennraummulde oder ein Einsetzteil, das an zu erwartenden heißen Stellen des Kolbenbodens einzusetzen ist, befestigt werden.

Die DE 196 48 260 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens, bei dem ein Kolbenbodenteil und ein Kolbenschaftteil aus einem Werkstoff, der jeweils den an die einzelnen Teile gestellten Anforderungen entspricht, zu einem Verbundteil zusammengesetzt werden. Wie erwähnt, haben sich diese bekannten Kolben immer noch als verbesserungswürdig erwiesen.

Ein Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 ist in der DE 34 40 565 A1 offenbart. Dieser Kolben weist einen Einsatz auf, der einen konischen Abschnitt und einen oberen Kragen besitzt, der zu dem Grundkörper über einer Dichtung aufgelegt ist. Dieser Einsatz ist als Isoliereinsatz vorgesehen. Dementsprechend sind als Materialien wie Glas, hochfeste Keramik und Sinterstoffe angegeben. Die Anbringung des Einsatz erfolgt beispielweise durch Einpressen oder Eingießen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der den Anforderungen an die Dauerfestigkeit, die insbesondere bei hochbelasteten Motoren gestellt werden, besonders gut erfüllt und darüber hinaus mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellbar ist. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens geschaffen werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß einem ersten Aspekt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.

Demzufolge besteht der erfindungsgemäße Kolben aus einem gegossenen Grundkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung der eine von dem Kolbenboden bis zu dem Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen durchgehende Aussparung aufweist. Hierbei muss die Aussparung nicht unbedingt in Radialrichtung der Kolbenbolzenaugen bis zwischen diese reichen. Dadurch, dass der Grundkörper aus einem bewährten, warmfesten Material ausgeführt ist, können die vorteilhaften Eigenschaften für den Grundkörper des erfindungsgemäßen Kolbens genutzt werden. Für den Grundkörper können als Aluminium-Guss-Legierungen beispielsweise die den Fachleuten bekannten Legierungen Nüral B1 oder B2 verwendet werden. Bei der Verwendung in hochbelasteten Motoren treten jedoch besonders hohe Temperaturen und dementsprechend besonders hohe Belastungen im Bereich des Kolbenbodens auf. Dem wird gemäß der Erfindung dadurch Rechnung getragen, dass der Grundkörper mit einem weitgehend konischen Verstärkungseinsatz aus einem hochwarmfesten Material kombiniert ist. Die konische Form des Verstärkungseinsatzes ergibt sich dadurch, dass dieser ausgehend von einem vergleichsweise großen Durchmesser im Bereich des Kolbenbodens sich verjüngend auf einen vergleichsweise schmalen Durchmesser im Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen zuläuft. Insbesondere bildet der Verstärkungseinsatz aus hochwarmfestem Material vorzugsweise einen wesentlichen Teil des Kolbenbodens. Es verbleibt lediglich ein ringförmiger, vergleichsweise schmaler Randbereich am oberen Ende des Kolbens, der durch den Grundkörper gebildet wird.

Erfindungsgemäß erstreckt sich der Verstärkungseinsatz durchgehend bis zu der Aussparung, die in axialer Richtung der Kolbenbolzenaugen zwischen den Kolbenbolzenaugen vorhanden ist. Dies gilt zumindest an dem Rohkolben und führt zu dem Vorteil, dass die Stoßstelle zwischen dem Grundkörper und dem Verstärkungseinsatz in diesem Bereich freigelegt ist und mechanisch bearbeitet werden kann. Beispielsweise in dem Fall, dass der Grundkörper und der Verstärkungseinsatz durch Elektronenstrahl- oder Laserschweißen miteinander verbunden werden, tritt der Strahl somit an der Stoßstelle im Bereich des Kolbenbodens ein und dementsprechend an der vorangehend beschriebenen Stelle im Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen aus. Diese Zonen stellen hinsichtlich der Festigkeit der Verbindung kritische Bereiche dar. Die Erfindung bietet hierbei den Vorteil, dass diese Stoßstellen freigelegt sind und dementsprechend bei einer nachfolgenden mechanischen Bearbeitung zerspant werden. Es sei erwähnt, dass in die Kolbenbolzenaugen nachfolgend jeweils eine Buchse eingesetzt werden kann, was jedoch nichts daran ändert, dass vor dem Einsetzen einer derartigen Buchse die beschriebene vorteilhafte Bearbeitung der Verbindungsstelle zwischen Grundkörper und Verstärkungseinsatz erfolgen kann.

Der erfindungsgemäße Verstärkungseinsatz kann, wie nachfolgend noch detailliert beschrieben, aus einem hochwarmfesten Material ausgeführt werden und in dieser Weise die besonders hoch belasteten Bereiche des erfindungsgemäßen Kolbens verstärken, so dass der erfindungsgemäße Kolben in besonders vorteilhafter Weise den Anforderungen genügt, die an Kolben von hochbelasteten Motoren, insbesondere Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, gestellt werden.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Für das Material des Verstärkungseinsatzes haben sich insbesondere hochwarmfeste Aluminium-Knetlegierungen sowie Buntmetalle mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der demjenigen des Grundkörpers ähnlich ist, als günstig erwiesen. Mit diesen Werkstoffen lässt sich eine deutlich höhere Thermoschock- und Dauerwarmfestigkeit erzielen als mit denjenigen Gusswerkstoffen, die für den Grundkörper verwendet werden. Bei den Aluminium-Knetlegierungen ergibt sich der weitere Vorteil, dass diese aufgrund des besonderen Herstellungsverfahrens eine äußerst geringe Anzahl von Fehlstellen aufweisen und diejenigen Fehler, die durch das Herstellungsverfahren bedingt sind, wegen ihrer Größe ohne weiteres bereits anhand des Vormaterials ermittelt werden können.

Die Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem Verstärkungseinsatz kann neben dem Verschweißen mittels eines kontinuierlichen Schweißvorganges auch durch Vakuumverlöten erfolgen.

Ferner hat sich bei Versuchen ergeben, dass der Verstärkungseinsatz aus Pulvermetall oder sprühkompaktierten Materialien hergestellt werden kann und in dieser Konstellation mit dem Grundkörper verschweißt oder heißisostatisch verpresst werden kann. Hierbei kann die oberste Kolbenringnut schweißarmiert ausgebildet sein.

Ferner wird für bestimmte Anwendungsfälle bevorzugt, den Verstärkungseinsatz durch poröses Sintern oder aus geeignetem Stahl flammgespritzt herzustellen. In diesem Fall kann der Verstärkungseinsatz mittels eines Squeeze-Cast-Verfahrens in den Grundkörper eingegossen werden.

Um auch weiteren Anforderungen im Hinblick auf Kolben, insbesondere von Dieselmotoren gerecht zu werden, wird für den erfindungsgemäßen Kolben bevorzugt, dass der Grundkörper einen Kühlkanal und vorzugsweise zusätzlich einen Ringträger enthält. Das Vorsehen eines Ringträgers in dem Grundkörper ist von den geometrischen Gegebenheiten abhängig und ermöglicht eine besonders zuverlässige Aufnahme, insbesondere des obersten Kolbenringes.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem zunächst ein Grundkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gegossen wird. Beim Gießen oder auch in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt wird in dem Grundkörper eine von dem Kolbenboden bis zu dem Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen durchgehende Aussparung ausgebildet. Nachfolgend wird ein Verstärkungseinsatz aus hochwarmfestem Material ausgebildet und vorzugsweise mittels Schweißen mit dem Grundkörper fest verbunden. Bevorzugt erfolgt eine spanende Bearbeitung des in dieser Weise ausgebildeten Rohkolbens zur Herstellung eines Fertigkolbens. Da, wie oben ausgeführt, der Verstärkungseinsatz weitgehend konisch ausgebildet ist und von dem Kolbenboden bis in den Bereich reicht, der in Axialrichtung der Kolbenbolzenaugen zwischen diesen liegt, kann im Rahmen des zuletzt genannten Schrittes eine spanende Bearbeitung der freiliegenden Stoßstellen zwischen den genannten Teilen des erfindungsgemäßen Kolbens erfolgen, so dass beispielsweise bei der Verwendung eines kontinuierlichen Schweißvorganges im Rahmen der Verbindung zwischen Grundkörper und Verstärkungseinsatz eine Zerspanung der verbindungstechnisch kritischen Randzonen der Schweißverbindung, z. B. der Bereiche des Strahlein- und Strahlaustritts erfolgen kann. Es sei erwähnt, dass im Rahmen der Herstellung des Fertigkolbens aus dem Rohkolben die übliche Bearbeitung des Kolbenschaftes und gegebenenfalls der Brennraummulde erfolgen kann. Ferner ist es denkbar, dass im Bereich der Kolbenbolzenaugen besondere Lagerbuchsen für den Kolbenbolzen eingesetzt werden.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Die bevorzugt gewählten Verfahrensschritte entsprechen im Wesentlichen den vorangehend im Zusammenhang mit dem entstehenden Kolben erwähnten Verfahrensschritten. Zusätzlich können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens der Grundkörper und der Verstärkungseinsatz in vorgewärmtem Zustand miteinander verschweißt werden. Die Verbindung zwischen dem Verstärkungseinsatz und dem Grundkörper kann neben dem Verschweißen beispielsweise auch mittels eines heißisostatischen Verpressens durchgeführt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer beispielhaft in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt senkrecht zur Kolbenbolzenachse durch den Rohkolben des erfindungsgemäßen Kolbens;

Fig. 2 einen Querschnitt senkrecht zur Kolbenbolzenachse durch den erfindungsgemäßen Kolben und

Fig. 3 einen Querschnitt parallel zur Kolbenbolzenachse durch den erfindungsgemäßen Kolben.

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, weist der erfindungsgemäße Kolben einen Grundkörper 12 auf, der den Kolbenschaft und einen vergleichsweise kleinen, am Rand befindlichen ringförmigen Keil des Kolbenbodens bildet. Ausgehend von diesem ringförmigen Randbereich des Grundkörpers 12 erstreckt sich in Richtung der Kolbenachse nach unten, bis zu dem Bereich axial zwischen den Kolbenbolzenaugen eine weitgehend konusförmige Aussparung 14. Wie oben erwähnt, erstreckt sich die Aussparung 14 durchgehend nach unten, bis zu einem Bereich, der in Axialrichtung der Kolbenbolzenaugen betrachtet zwischen diesen liegt. In der Richtung senkrecht hierzu, also in Richtung der Kolbenachse muss der untere Rand der Aussparung nicht notwendigerweise so tief liegen, dass er auch in radialer Richtung zwischen den Kolbenbolzenaugen liegt. In der Aussparung 14 ist der nachfolgend noch im einzelnen erläuterte Verstärkungseinsatz 16 aufgenommen. Bei der gezeigten Ausführungsform weist der Grundkörper 12 einen Kühlkanal 18 sowie einen eingegossenen Ringträger 20 auf.

Der Verstärkungseinsatz 16 weist in seinem oberen Bereich, dem Bereich des Kolbenbodens eine Aussparung 22 auf, die in einer nachfolgenden mechanischen Bearbeitung zu einer Brennraummulde erweitert wird. In seinem schmäleren, unteren Bereich weist der Verstärkungseinsatz 16 ebenfalls eine Aussparung 24 auf, die bei dem fertigen Kolben der Aufnahme eines Abschnitts eines Pleuels dient.

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, ist der Verstärkungseinsatz 16 durchgehend von dem Bereich des Kolbenbodens bis zu dem freigelegten Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen ausgebildet. Dies ermöglicht die Verwendung eines kontinuierlichen Schweißverfahrens im Rahmen der Verbindung zwischen Grundkörper 12 und Verstärkungseinsatz 16. Mit anderen Worten ist nur eine einzige umlaufende Schweißnaht erforderlich. Der Schweißstrahl tritt an der Stoßstelle im Bereich des Kolbenbodens an der mit 26 bezeichneten Stelle ein und tritt im Bereich zwischen den Kolbenbolzen an der mit 28 bezeichneten Stelle aus. Da diese Zonen an dem Fertigkolben freigelegt sind, können diese kritischen Bereiche vorteilhafterweise nachfolgend spanend bearbeitet werden.

Aus Fig. 2 ist die endgültige Gestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens 10 ersichtlich. Wie vorangehend beschrieben, wurden insbesondere der Schweißnahtein- 26 und der Schweißnahtaustritt 28 mechanisch bearbeitet, so dass diese kritischen Stellen weitgehend entfernt wurden, und die Verbindung zwischen dem Grundkörper 12 und dem Verstärkungseinsatz 16 durch eine kontinuierliche Schweißnaht ausgebildet ist. Ferner wurde die in dem Verstärkungseinsatz durch die Aussparung 22 vorbereitete Brennraummulde zu einer geeigneten Form ausgebildet. Schließlich wurde der Kolbenschaft in geeigneter Weise mechanisch bearbeitet. Im Bereich des Ringträgers 20 wurde die oberste Kolbenringnut ausgebildet, und in den Bereichen darunter zwei weitere Kolbenringnuten vorgesehen.

Wie ergänzend aus der Querschnittsansicht parallel zur Kolbenbolzenachse von Fig. 3 ersichtlich ist, wurden in die Kolbenbolzenaugen jeweils eine Buchse 30 eingesetzt, die der Aufnahme des Kolbenbolzens dient.


Anspruch[de]
  1. 1. Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem gegossenen Grundkörper (12) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, der eine von dem Kolbenboden bis zu dem Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen durchgehende Aussparung aufweist, und einem weitgehend konischen Verstärkungseinsatz (16) aus hochwarmfestem Material, der mit dem Grundkörper (12) fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungseinsatz (16) mit dem Grundkörper (12) verschweißt ist, wobei der Schweißnahteintritt (26) und der Schweißnahtaustritt (28) derart angeordnet sind, dass sie nachfolgend mechanisch bearbeitbar sind.
  2. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungseinsatz (16) aus einer Aluminium-Knet- Legierung oder einem Buntmetall mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich zu demjenigen des Grundkörpers (12) besteht.
  3. 3. Kolben nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungseinsatz (16) aus Pulvermetall oder einem sprühkompaktierten Material besteht.
  4. 4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungseinsatz (16) porös gesintert oder aus Stahl flammgespritzt ist.
  5. 5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) einen Kühlkanal (18) und vorzugsweise einen Ringträger (20) enthält.
  6. 6. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit folgenden Schritten:
    1. - Gießen eines Grundkörpers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und Ausbilden einer von dem Kolbenboden bis zu dem Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen durchgehenden Aussparung,
    2. - Herstellen eines weitgehend konischen Verstärkungseinsatzes aus hochwarmfestem Material, und
    3. - festes Verbinden, des Verstärkungseinsatzes mit dem Grundkörper,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungseinsatz mit dem Grundkörper durch Schweißen verbunden wird, wobei der Schweißnahteintritt und der Schweißnahtaustritt derart angeordnet sind, dass sie nachfolgend mechanisch bearbeitbar sind.
  7. 7. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper und der Verstärkungseinsatz mittels eines kontinuierlichen Schweißverfahrens, insbesondere Elektronenstrahl- oder Laserschweißen verbunden werden, und der Schweißnahteintritt und der Schweißnahtaustritt nachfolgend mechanisch zerspant werden.
  8. 8. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper und/oder der Verstärkungseinsatz vor dem Schweißen vorgewärmt werden.
  9. 9. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungseinsatz aus einem Pulvermetall oder einem sprühkompaktierten Metall hergestellt wird.
  10. 10. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungseinsatz porös gesintert oder aus Stahl flammgespritzt wird.






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