WO2015155309A1 - Verlängerter kühlkanalzulauf für kühlkanalkolben und verfahren zu seinem betrieb - Google Patents

Verlängerter kühlkanalzulauf für kühlkanalkolben und verfahren zu seinem betrieb Download PDF

Info

Publication number
WO2015155309A1
WO2015155309A1 PCT/EP2015/057771 EP2015057771W WO2015155309A1 WO 2015155309 A1 WO2015155309 A1 WO 2015155309A1 EP 2015057771 W EP2015057771 W EP 2015057771W WO 2015155309 A1 WO2015155309 A1 WO 2015155309A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piston
cooling channel
passage
thread
coolant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2015/057771
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Müller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KS Kolbenschmidt GmbH
Original Assignee
KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KS Kolbenschmidt GmbH filed Critical KS Kolbenschmidt GmbH
Priority to US15/302,768 priority Critical patent/US9989008B2/en
Priority to MX2016013321A priority patent/MX2016013321A/es
Priority to EP15715262.0A priority patent/EP3129629B1/de
Priority to PL15715262T priority patent/PL3129629T3/pl
Priority to JP2016561771A priority patent/JP6373404B2/ja
Priority to CN201580026109.5A priority patent/CN106662034B/zh
Publication of WO2015155309A1 publication Critical patent/WO2015155309A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/06—Arrangements for cooling pistons
    • F01P3/10—Cooling by flow of coolant through pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P7/00—Controlling of coolant flow
    • F01P7/14—Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping
    • F02F2003/0061—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping by welding

Definitions

  • the invention relates to a cooling channel piston for internal combustion engines and to a method for regulating the coolant level in the cooling channel according to the features of the respective preamble of the independent patent claims.
  • Cooling channel piston in which in the piston upper part (also called the piston head), a cooling channel (also called cooling chamber) is arranged, are known.
  • the cooling channel has at least one opening into which a cooling medium is introduced. After this has passed the cooling channel, it leaves the cooling channel at another opening or at the same opening.
  • DE 10 201 1 007 285 A1 relates to a piston for an internal combustion engine having a piston upper part and a piston lower part, an inner, preferably annular cooling channel for cooling the piston during operation of the internal combustion engine and at least one inlet opening arranged on the piston lower part and at least one outlet opening arranged on the piston lower part via which a coolant inflow and outflow takes place into or out of the cooling channel, the at least one inlet opening and / or the at least one outlet opening being surrounded by an annular bead or a ramp-like elevation, which is a lowering of a coolant level below a predefined level prevents, and is integrally formed with the piston lower part.
  • the annular bead can only be created at the height of the displaced material.
  • the object of the invention is therefore to be able to adjust the coolant level in a wider range and to provide a method for adjusting the coolant level in the cooling channel. This object is achieved by a piston and method having the features of the independent claims.
  • a piston in particular for an internal combustion engine, having a piston lower part and a piston upper part, an inner, preferably annular cooling channel and at least one inlet opening arranged on the piston lower part and at least one outlet opening arranged on the piston lower part, via which a coolant inflow and outflow into the cooling channel or takes place from this, wherein the at least one inlet opening and / or the at least one outlet opening is / are formed by a passage and this is formed integrally with the piston lower part, wherein the at least one passage has a thread into which at least one tubular element is inserted.
  • any elements can be screwed into the piston, for example tubular elements, which can be flowed through by coolant.
  • a subsequent assembly can take place with regard to the coolant level in the cooling channel of the piston.
  • the pistons in question can be made equal to this step.
  • the at least one passage terminates flush with the surface of a cooling passage wall.
  • the coolant level can be adjusted freely via the engagement length of a tubular element. There is thus no minimum level.
  • the at least one passage has at least one collar. As a result, a gain of the thread to be introduced there is achieved.
  • connection between the piston and the screwed-in component becomes stronger. Furthermore, it is inventively provided that the at least one collar is formed on the side facing the bolt holes side of the cooling channel wall. As a result, the at least one passage can be created on the piston connected from the lower piston part and upper piston part.
  • the at least one collar is formed on the side facing away from the bolt holes side of the cooling channel wall and thus protrudes into the cooling channel. As a result, a minimum coolant level is achieved in the cooling channel.
  • the at least one rohrformige element is flush with the at least one passage or with the collar of the at least one passage.
  • the rohrformige element of the better supply of coolant to the cooling channel, but not to influence the coolant level in the cooling channel.
  • the at least one tubular element protrudes into the cooling channel beyond the at least one passage and / or the collar of the at least one passage.
  • the penetration depth of the tubular element into the cooling channel influences the level of the coolant in the cooling channel.
  • the at least one tubular element projects beyond the at least one thread in the direction opposite to the cooling channel.
  • the rohrformige element of the better supply of coolant to the cooling channel for example, the coolant can be conveyed by means of a nozzle directly into the rohrformige element.
  • the direction away from the cooling channel end of the at least one rohrformigen element is funnel-shaped.
  • a funnel-shaped construction of the tubular element increases the absorption of injected coolant from the nozzle. Due to the funnel-shaped configuration of the rohrformigen element tolerances of the oil jet can be compensated. If the oil jet is fanned out, however, it is still possible to choose between upper and lower dead center during the up and down movement of the piston almost the entire or preferably the entire volume flow are passed into the cooling channel.
  • a method for regulating the coolant level in a cooling channel of a piston, in particular for internal combustion engines, which has at least one inlet opening and / or outlet opening in the cooling channel formed by at least one passage, wherein the coolant level in the cooling channel via an adjustable tubular Element is set. Furthermore, it is provided according to the invention that the passage to form the at least one inlet opening and / or outlet opening is created by flow drilling. Flow drilling produces no chips and is thus ideal for use in the production of pistons, since the use of the piston in an internal combustion engine, each chip would jeopardize the operation of the internal combustion engine.
  • the thread in the passage which forms the at least one inlet opening and / or outlet opening is formed by tapping.
  • Thread cutting is a manufacturing technology known and mastered process. Therefore, thread cutting is an alternative to thread forming.
  • Thread forming is the ideal connection step for flow drilling, since no chips are formed during thread forming or during flow drilling.
  • the regulation of the coolant level via the screw-in length of the tubular element takes place in a thread located in the cooling channel.
  • the screw-in length here refers to the length of the tubular element projecting beyond the passage or the collar of the passage into the cooling channel.
  • the tubular element serves for the transport of coolant.
  • the supply and / or discharge of coolant to the cooling channel can take place. They can be tailored in their shape to the particular application.
  • the piston in question is also referred to as a cooling channel piston and may consist of at least two piston parts, for example a piston lower part and a piston upper part, which are assembled by a non-positive, positive and / or cohesive joining process to form a piston.
  • the piston with piston lower part and piston upper part can also be produced in one piece in a production process, for example a casting process, in which case the working step for joining the piston lower part and piston upper part is omitted.
  • To produce the cavities for example, sand cores are used in a casting process, and these can be rinsed out after the casting process by specially provided openings. These openings are closed after rinsing.
  • the temperature of the flow drill increases very quickly, for example, about 650 ° to 800 ° C, the cooling channel wall, for example, locally to about 600 ° C.
  • the first displaced from the cooling duct wall material initially flows counter to the feed direction upwards, with increasing penetration depth of the actual draft is then generated in the feed direction.
  • the ratio between material flowing upwards and downwards is for example about 1/3 to 2/3. This varies depending on the diameter of the drill and the thickness of the material and may be less (eg 1/4 to 3/4).
  • flow drilling also known as flow forming, flow-hole drilling or flow-hole forming
  • flow drilling is an advantageous chipless method for producing passages on pistons, in particular on pistons for internal combustion engines.
  • the material is not removed, but displaced by means of force and friction heat, wulstformig raised and formed into a kind of socket or passage on the piston and thus the formation of chips is avoided.
  • the displaced and bulbous raised piston material may be formed into a collar or worn away.
  • the generated stable bushes or passages are caused by material displacement and not by erosion. This homogeneous deformation causes not only an additional material consolidation, but also a considerable time and material savings.
  • the shape and diameter of the passage formed on the piston are determined by the dimension of the cylindrical part of the flow drill.
  • the displaced material is advantageously used for the design of the area around the passage opening of the flow drill.
  • the subsequently to be created thread train can be extended.
  • the stability to the component received in the thread for example a tubular element, is increased.
  • the depth of engagement has an influence on the stability of the connection between the receiving piston and the screwed-in element, for example a tubular element.
  • Thread shear are reduced by a raised by a collar on the passage in a piston screwing depth.
  • the screw-in depth is the length on which the component received by the thread in the piston, for example a tubular element and the internal thread, actually engage in a load-bearing manner.
  • Only in the area of ideal screwing depth is a thread considered to be fully supporting.
  • the outgoing threads are not to be considered in the sense of carrying capacity as equivalent to the intervening fully supporting threads. Therefore, length deductions are made from the physically carrying depth of engagement, which results in the ideal screwing depth.
  • a collar formed by flow drilling on the piston advantageously increases the number of threads on the connection in the piston, such as the connection between the piston and a tubular member.
  • the load bearing capacity of the thread is increased in the piston by forming a collar on the passage on the piston, produced by flow drilling, in relation to a conventionally produced opening, for example by drilling or pouring.
  • the application of the flow-drilling method to pistons leads, in addition to the aforementioned advantages, inter alia to the following advantages.
  • the use of the flow-drilling method in pistons produces stable passages or bushes for receiving screw connections, such as tubular elements, through which coolant can flow.
  • diagonal flow drilling is possible, in which case the center axis of the flow bore or of the resulting draft deviates from the vertical line formed by the piston stroke axis at an acute or obtuse angle.
  • Flow drilling is a chipless production method, connecting elements are not necessary. Flow drilling involves a great deal of time, labor and material savings as no additional components are required.
  • the production of passages on the piston takes place in only one operation.
  • Flow drilling is a completely automatable process with minimal set-up times. For joining components, such as tubular members, no riveting and welding nuts are required.
  • the flow drilling process offers more safety through homogeneous deformation, thus increasing the service life of the piston.
  • Flow drills have a long service life and produce excellent surface qualities. There are no waste and disposal costs because it is a non-cutting process. Furthermore, chips do not endanger the operational reliability of the piston in the internal combustion engine in a particularly advantageous manner. Thus, a lesser failure of products is noted.
  • Flow drilling therefore offers high process reliability through durable carbide tools.
  • Flow drills are solid carbide tools with a polygon contour. With high speed and axial force pressed against thin-walled metallic materials, they generate extreme frictional heat. As a result, the material of the cooling channel wall can be plastified locally at the flow drilling position. The flow drill is guided through the cooling channel wall within a few seconds. This results in a draft or a bushing from the starting material without loss of material. The length of this socket can be about three to five times the original material thickness. The maximum material thickness to be machined is proportional to the core hole diameter of the flow drill. Depending on the core hole diameter, between 0.5 mm (with optimum relining) and 12 mm (requires very high spindle power) strong material can be machined.
  • any conventional threading device can be used. It should be noted, however, that a higher rotational speed (3 to 10 times the process speed) is used.
  • thread forming can also be worked with a hand drill. This should have right or left rotation and enough power.
  • Hand drills are hand-held drills. They are depending on the design for flow drilling and / or thread forming in different materials such as metal or metal alloys of a piston suitable.
  • a common feature of all hand drills is the ability to use flow drills and other rotating tools, such as thread formers, in a front mounted drill chuck.
  • the most important distinguishing feature for hand drills is the type of energy supply, which can be done manually by hand with the help of muscle power, electric, hydraulic or pneumatic.
  • Such hand drills can preferably be used for the production of piston small series.
  • any number of pistons desired by the customer may be provided with flow-generated passages and threaded threads.
  • Thread forming is a non-cutting process and thus advantageously complements the flow-drilling method. Since chips do not form in this production step, they can not later endanger the operation of the piston in an internal combustion engine. In tapping, an increase in productivity is achieved through a higher process speed.
  • the connection produced by thread forming in the piston is highly resilient and has an exact thread guide. For example, a special TiN coating can increase the service life. Furthermore, the length and wall thickness of the passage produced in the flow-drilling process are completely retained.
  • the thread forming process is also a completely automatable process. It can be used existing equipment, since the thread forming method can be used on all conventional tapping devices.
  • thread forming in conjunction with flow drilling has enormous advantages.
  • the previous semi-warm displacement of the material during flow drilling and the subsequent cold rolling during thread forming cause a strong solidification of the material of the cooling channel wall. This ensures highly resistant threaded connections.
  • the non-cutting thread former causes a significant increase in productivity due to the very high cutting speed and extremely long tool life.
  • the opening, which is supplied to the cooling medium is aligned in the direction of a cooling oil nozzle, wherein from the cooling oil nozzle, the cooling medium is sprayed in the direction of the opening.
  • the cooling channel is realized, for example, in a manner known per se during casting of the cooling channel piston with the aid of a lost core, wherein at least one opening, for example a bore, is introduced from the inner area of the piston, in order to reach the lost core and flush it out ,
  • an extended feed is realized as an additional bore in the actual piston.
  • a thickening is usually poured or formed in the area of the piston neck, whereby this thickening is then bored out.
  • the invention is based on a cooling channel piston in which after the production of the cooling channel piston in any way a cooling channel (or more cooling channels or sections or the like) is provided in the piston head, wherein approximately below the plane in which the piston head downwards considered ends (ie above the pin bore or the apex of the bolt), which is at least one opening for the inlet of the cooling medium.
  • a cooling channel or more cooling channels or sections or the like
  • Such a piston which forms the basis for the invention, thus has no thickening on the piston hub, which is cast and molded and then drilled.
  • a component is arranged at the inlet opening, which forms an extended cooling channel inlet (or an extended cooling channel outlet).
  • This component is in one piece or can also be realized from several components.
  • the at least one component consists for example of a steel material (for example sheet metal), plastic, a composite material or a light metal material and may be e.g. in the form of a widening or tapered tubular member or tubular element are produced inexpensively.
  • the connection can be made by a simple attachment method such as screws, gluing, stapling, positive locking, clipping, soldering, welding, shrinking or pressing or the like.
  • the component can be designed so that it protrudes into the interior of the cooling channel inlet, that is, beyond the plane in which the inlet or discharge opening is located.
  • the resultant projecting into the cooling channel collar prevents advantageously a return flow from the cooling medium in the direction of the component. This means that it is ensured that always remains a certain amount of cooling medium in the cooling channel during the oscillating up and down movement of the piston in the cylinder of the internal combustion engine. This can absorb heat from the surrounding areas of the piston crown and is mixed by the shaker effect with incoming fresh cooling medium and can thereby dissipate heat improved.
  • the filling of the cooling channel piston can be significantly improved with cooling medium, especially at the bottom dead center. Measurements have shown an improvement of 60% not only in the filling, but also in the heat dissipation.
  • any piston having a cooling channel, wherein the cooling channel itself has at least one drain and / or inlet opening to equip them with the invention extended cooling duct inlet and outlet.
  • an extended cooling passage inlet to be realized by one or more additional components on the piston.
  • the extended cooling channel inlet is to be provided as an additional component (s) for pistons for an internal combustion engine, for example as a tubular element.
  • the invention makes it possible to significantly improve the filling of the cooling channel. It is a cheaper production possible.
  • An extended inlet is previously realized as an additional hole in the actual piston. It is cast or formed in the piston material, a thickening of the piston hub, which is then drilled. This has been the state of the art in aluminum pistons for many years, here the bore can be cast.
  • the filling of the cooling channel in the piston with cooling oil can be significantly improved, especially at bottom dead center. Measurements show an improvement of up to 60%.
  • the invention achieves a more cost-effective production of the extended cooling passage inlet, especially in pistons which are not cast. With such a solution, the connection from the piston skirt to the hub is more cost-effective, since no material has to be provided for later drilling. A reduction of the piston weight or the mass of the piston is possible.
  • the piston is designed in the conventional design, that is, the thickening is forged and then we drilled the extended feed. It can also be produced by flow drilling a relatively short collar, based on the passage length of the inlet opening and / or outlet opening.
  • the cooling effect is primarily improved by the fact that in the cooling channel a collar is made which prevents the backflow of the cooling oil.
  • a tube such as a tubular element
  • Electrochemical removal (English: Electro Chemical Machining, ECM) is an abrasive manufacturing process especially for very hard materials, assigned to the separation. ECM is suitable for simple deburring to the production of openings on pistons.
  • Fig. 1A and. 1 B each show a sectional view of an inventive
  • FIG. 2A u. 2B show sectional views of piston upper part and piston lower part before joining to a piston
  • FIG. 3A u. 3B each show a sectional view of the piston lower part of FIG. 2B during machining
  • Fig. 4 shows a sectional view of a piston upper part
  • FIG. 5 shows a sectional view of a piston according to FIG. 4 during the machining
  • FIG. 6 shows a sectional view of a piston according to FIG. 5 during a thread formation
  • FIG. 7 shows a sectional view of a piston according to FIG. 6 according to FIG.
  • FIGS. 9A to 9H show the embodiments of flow holes on pistons and Fig. 10 shows schematically the creation of a thread.
  • FIGS. 1A, 1B, 2, 3A, 3B, 4, 5, 6 and 7 show a piston 1 or components of the piston 1 in the form of a piston lower part 2 and / or a piston upper part 3.
  • the following description of the figures deals with the overlapping ones Characteristics of the piston in question. 1
  • the piston lower part 3 has at least one pin bore 4. Furthermore, the piston 1 has a radially encircling cooling channel 5 behind an unspecified ring field 7. This cooling channel 5 is bounded in the direction of the bolt holes 4 by a cooling channel wall 6.
  • the piston upper part 3 has a combustion bowl 8. The combustion bowl 8 can, but does not have to be present.
  • the piston 1 moves in the direction of a piston stroke axis 9.
  • the piston lower part 2 and the piston upper part 3 are joined to form a piston 1, by a material connection. Welding, in particular friction welding, is suitable for integral joining. During welding, an outer joint seam 16 and an inner joint seam 17 are formed.
  • FIG. 2B shows the lower piston part 2 before joining the piston 1
  • FIG. 2A shows the upper piston part 3 before joining the piston 1.
  • the cooling channel wall 6 has at least one passage 12.
  • This passage 12 is provided with a collar 13 (see Figures 1A, 1B, 3A, 3B, 6 and 7).
  • the at least one passage 12 serves as at least one inlet opening and / or the at least one outlet opening for coolant.
  • the at least one passage 12 is provided with a thread 14.
  • a straight tubular member 15 (of the same diameter) or at least one side widened tubular member 1 15 (funnel-shaped, with at least partially variable diameter) are introduced.
  • this rohrformigen elements 1 15 inflow and / or outflow of coolant to / from the cooling channel 5.
  • the level of the coolant in the cooling channel 5 can be adjusted.
  • X is the distance between the cooling channel wall 6 and the end of the rohrformigen elements 15, 1 15 lying opening.
  • Y is the distance between the collar 13 and the end of the rohrformigen elements 15, 1 15 lying opening.
  • the level of the coolant in the cooling channel 5 is set by the smallest value of X. If a plurality of tubular elements 15, 15 are installed, the tubular element 15, 15 projecting into the cooling channel 5 with the least free length thus determines the level of the coolant in the cooling channel 5. If the inlet opening 10 is higher than the outlet opening 1 1, A continuous flow of coolant forms between the inlet opening 10 and the outlet opening 11.
  • the level of the coolant in the cooling channel 5 is determined by the position of the outlet opening 1 1 in the cooling channel 5.
  • the end opening of the tubular elements 15, 15 arranged in the cooling channel 5 can thus function as inlet opening 10 and / or outlet opening 11.
  • the tubular elements 15, 15 have at least one thread in a partial region. This thread is made in such a way that it can be screwed into the thread 14.
  • a very precise adjustment of the inlet opening 10 and / or outlet opening 1 1 in the cooling channel 5 is made possible.
  • the coolant level in the cooling passage 5 of the piston 1 can be accurately set to the later use. It allows a piston 1 with different coolant levels to be offered on the market.
  • a tubular element 15 which has just been designed or, alternatively, a tubular element 11 which has been widened at least on one side can be installed.
  • the piston 1 is therefore variable in the amount of coolant provided during operation in an internal combustion engine.
  • a tubular element 15, 1 15 can be used for each piston.
  • the at least one side widened tubular element 1 15 is particularly suitable for receiving a sprayed through nozzles coolant jet.
  • FIG. 1A shows the piston 1 with two tubular elements 15.
  • FIG. 1B shows a piston 1 with a tubular element 1 15 which has been widened on at least one side. After the adjustment of the tubular elements 15, 15, they can be fixed in a force-fit or material-locking manner become. The fixation can take place, for example, on the passage 12 or on the cooling channel wall 6.
  • FIGS. 3A and 3B show a piston lower part 2 in the production of a passage 12 in the region of the cooling channel wall 6 with the aid of a flow drill 18. The passage 12 is here almost finished, since the collar 13 is already fully formed.
  • FIG. 4 shows the piston 1 according to FIGS. 2A (upper piston part 3) and 2B (lower piston part 2) after a cohesive joining process has been carried out, in particular a friction welding process. At the seams 16, 17 Sch spawulste are formed.
  • FIG. 5 shows a piston 1 joined from piston lower part 2 and piston upper part 3 during the action of flow drills 18 on the cooling channel wall 6.
  • the flow drilling method can be applied to the piston lower part 2 before joining (see FIGS. 3A and 3B) or after joining (see FIG 5).
  • the collar 13 is formed on the side of the cooling channel wall 6 facing the bolt bores (see FIGS. 3A and 5).
  • FIG. 6 shows schematically the creation of the thread 14 in the passage 12 by a thread forming method.
  • a thread former 19 acts to produce the thread 14 a.
  • FIGS. 1A, 1B, 3A, 5, 6 and 7 show the parallel creation of two passages 12 or two threads 14, but it should be noted that only one pass 12 or one thread 14 can be created, such as in the Figure 3B shown. Also, more than two passages 12 can be formed with threads 14 on the piston 1, for example, on a cooling channel wall 6 of the cooling channel 5. Also, not shown here, central cooling space can be provided with at least one passage and at least one thread.
  • FIG. 7 shows a piston 1 after the production of passages 12 with threads 14.
  • the flow-drilling process shown schematically in FIGS. 8A to 8G comprises the following steps.
  • the first step illustrated in FIG. 8A includes placing the tip of the flow drill 18 on the cooling channel wall 6.
  • FIGS 8B and 8C show preheating.
  • the flow drill 18 is pressed with high axial force and speed on the cooling channel wall 6, whereby the necessary frictional heat generated and their material is heated.
  • the flow drill 18 can now penetrate into the material and form the passage 12.
  • the third step is illustrated in FIGS. 8D to 8F and includes molding.
  • the flow drill 18 displaces the material of the cooling channel wall 6 initially counter to the feed direction upwards. With increasing penetration depth of the passage 12 is then generated in the feed direction. The ratio between the up and down flowing material is about 1/3 to 2/3.
  • Figure 8G shows the fourth step, the molding.
  • the flow-formed passage 12 is ready.
  • the material flowing upwards of the cooling channel wall 6 has been converted into a homogeneous collar 13 or bead.
  • the flow drills required for this purpose are usually referred to as type "mold" or "standard".
  • the upflowing material of the cooling channel wall 6 was removed directly again.
  • the flow drills required for the removal are usually referred to as "cut” or “flat” type. If the collar 13 has been almost removed or removed, it is still advantageous to provide a tubular element 15, 15 in the thread 14 formed in the passage 12. It can also be two rohrformige Elements 15, 1 15 be introduced into a thread 14, wherein they preferably abut each other within the threads.
  • FIGS. 9A to 9H show embodiments of passages 12 with collars 13, produced by different types of tools.
  • FIG. 9 shows schematically the production of the thread 14 by thread forming.
  • the process flow during thread forming is as follows.
  • threads The preparation of the thread 14 by thread-forming is referred to as threads, this presses the thread former 19, the material of the passage 12 in the thread flanks and causes by a non-cutting cold forming a structural compaction.
  • threads a very high strength of the thread 14 and an exact thread guide is achieved.
  • a highly resilient connection has been created by the continuous course of the material in the threads and the cold rolling of the thread forming. Due to the exact thread guide there is no risk of intersecting.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft 1. Kolben (1), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenunterteil (2) und einem Kolbenoberteil (3), einem innenliegenden, vorzugsweise ringförmigen Kühlkanal (5) und zumindest einer am Kolbenunterteil (2) angeordneten Einlassöffnung (10) und zumindest einer am Kolbenunterteil (2) angeordneten Auslassöffnung (11), über welche ein Kühlmittelzufluss und -abfluss in den Kühlkanal (5) bzw. aus diesem erfolgt, wobei die zumindest eine Einlassöffnung (10) und/oder die zumindest eine Auslassöffnung (11) von einem Durchzug (12) gebildet sind/ist und dieser einstückig mit dem Kolbenunterteil (2) ausgebildet ist, wobei der mindestens eine Durchzug (12) ein Gewinde (14) aufweist in das mindestens ein rohrförmiges Element (15, 115) eingesetzt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regulierung des Kühlmittelniveaus in einem Kühlkanal (5) eines Kolbens (1), insbesondere für Brennkraftmaschinen, welcher über mindestens eine Einlassöffnung (10) und/oder Auslassöffnung (11) im Kühlkanal (5), gebildet durch einen Durchzug (12), verfügt, wobei das Kühlmittelniveau in dem Kühlkanal (5) über ein justierbares rohrförmiges Element (15, 115) eingestellt wird.

Description

Verlängerter Kühlkanalzulauf für Kühlkanalkolben und Verfahren zu seinem
Betrieb
B E S C H R E I B U N G Die Erfindung betrifft einen Kühlkanalkolben für Brennkraftmaschinen sowie ein Verfahren zur Regulierung des Kühlmittelniveaus im Kühlkanal gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.
Kühlkanalkolben, bei denen in dem Kolbenoberteil (auch Kolbenboden genannt) ein Kühlkanal (auch Kühlraum genannt) angeordnet ist, sind bekannt. Der Kühlkanal weist im Regelfall zumindest eine Öffnung auf, in die ein Kühlmedium eingeführt wird. Nachdem dieses den Kühlkanal passiert hat, verlässt es den Kühlkanal an einer weiteren Öffnung oder an der gleichen Öffnung. Die DE 10 201 1 007 285 A1 betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil, einem innenliegenden, vorzugsweise ringförmigen Kühlkanal zur Kühlung des Kolbens während des Betriebs der Brennkraftmaschine und zumindest einer am Kolbenunterteil angeordneten Einlassöffnung und zumindest einer am Kolbenunterteil angeordneten Auslassöffnung, über welche ein Kühlmittelzufluss und -abfluss in den Kühlkanal bzw. aus diesem erfolgt, wobei die zumindest eine Einlassöffnung und/oder die zumindest eine Auslassöffnung von einer Ringwulst oder einer rampenartigen Erhöhung umgeben sind/ ist, die ein Absinken eines Kühlmittelpegels unter ein vordefiniertes Niveau unterbindet, und der einstückig mit dem Kolbenunterteil ausgebildet ist. Die Ringwulst lässt sich jedoch nur in der Höhe des verdrängten Materials erstellen. Somit ist auch die Einflussmöglichkeit auf das Niveau bzw. den Pegel des Kühlmittels im Kühlkanal beschränkt. Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Kühlmittelpegel in einem größeren Bereich einstellen zu können sowie ein Verfahren zur Einstellung des Kühlmittelniveaus im Kühlkanal bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen Kolben und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein Kolben, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenunterteil und einem Kolbenoberteil, einem innenliegenden, vorzugsweise ringförmigen Kühlkanal und zumindest einer am Kolbenunterteil angeordneten Einlassöffnung und zumindest einer am Kolbenunterteil angeordneten Auslassöffnung, über welche ein Kühlmittelzufluss und -abfluss in den Kühlkanal bzw. aus diesem erfolgt, wobei die zumindest eine Einlassöffnung und/oder die zumindest eine Auslassöffnung von einem Durchzug gebildet sind/ ist und dieser einstückig mit dem Kolbenunterteil ausgebildet ist, wobei der mindestens eine Durchzug ein Gewinde aufweist in das mindestens ein rohrförmiges Element eingesetzt ist. Durch das Vorsehen eines Gewindes in mindestens einer Einlassöffnung und/oder eine Auslassöffnung können beliebige Elemente in den Kolben eingeschraubt werden, beispielsweise rohrförmige Elemente, welche von Kühlmittel durchflössen werden können. Durch die Fertigung des Kolbens mit mindestens einem Gewinde kann eine spätere Konfektionierung im Hinblick auf das Kühlmittelniveau im Kühlkanal des Kolbens erfolgen. Die in Rede stehenden Kolben können bis zu diesem Schritt gleich gefertigt werden. Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der mindestens eine Durchzug plan mit der Oberfläche einer Kühlkanalwand abschließt. Hierdurch kann das Kühlmittelniveau frei über die Einschraublänge eines rohrförmigen Elements eingestellt werden. Es entsteht somit kein Mindestfüllstand. Alternativ ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der mindestens eine Durchzug mindestens einen Kragen aufweist. Hierdurch wird eine Verstärkung des dort einzubringenden Gewindes erzielt. Die Verbindung zwischen Kolben und eingeschraubten Bauteil, beispielsweise einem rohrförmigen Element wird fester. Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der mindestens eine Kragen an der den Bolzenbohrungen zugewandten Seite der Kühlkanalwand ausgebildet ist. Hierdurch kann der mindestens eine Durchzug am aus Kolbenunterteil und Kolbenoberteil gefügten Kolben erstellt werden.
Alternativ ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der mindestens eine Kragen an der den Bolzenbohrungen abgewandten Seite der Kühlkanalwand ausgebildet ist und somit in den Kühlkanal hineinragt. Hierdurch wird im Kühlkanal ein Mindestkühlmittelfüllstand erreicht.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das mindestens eine rohrformige Element bündig mit dem mindestens einen Durchzug oder mit dem Kragen des mindestens einen Durchzugs abschließt. In diesem Fall dient das rohrformige Element der besseren Zuleitung von Kühlmittel zum Kühlkanal, jedoch nicht zur Beeinflussung des Kühlmittelniveaus im Kühlkanal.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das mindestens eine rohrformige Element über den mindestens einen Durchzug und/oder den Kragen des mindestens einen Durchzugs hinaus in den Kühlkanal ragt. Durch die Eindringtiefe des rohrformigen Elements in den Kühlkanal wird das Niveau des Kühlmittels im Kühlkanal beeinflusst.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das mindestens eine rohrformige Element über das mindestens eine Gewinde in der dem Kühlkanal entgegengesetzte Richtung hinausragt. In diesem Fall dient das rohrformige Element der besseren Zuleitung von Kühlmittel zum Kühlkanal, beispielsweise kann das Kühlmittel mit Hilfe einer Düse direkt in das rohrformige Element gefördert werden.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das vom Kühlkanal wegweisende Ende des mindestens einen rohrformigen Elements trichterförmig ist. Ein trichterförmiger Aufbau des rohrformigen Elements erhöht die Aufnahme von eingespritzten Kühlmittel aus der Düse. Durch die trichterförmige Ausgestaltung des rohrformigen Elements können Toleranzen des Ölstrahls ausgeglichen werden. Falls der Ölstrahl aufgefächert wird, kann dennoch zwischen oberen und unteren Totpunkt während der Auf- und Abbewegung des Kolbens nahezu der gesamte oder vorzugsweise der gesamte Volumenstrom in den Kühlkanal geleitet werden.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Regulierung des Kühlmittelniveaus in einem Kühlkanal eines Kolbens, insbesondere für Brennkraftmaschinen, welcher über mindestens eine Einlassöffnung und/oder Auslassöffnung im Kühlkanal, gebildet durch mindestens einen Durchzug, verfügt, vorgesehen, wobei das Kühlmittelniveau in dem Kühlkanal über ein justierbares rohrförmiges Element eingestellt wird. Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Durchzug zur Bildung der mindestens einen Einlassöffnung und/oder Auslassöffnung durch Fließbohren erstellt ist. Fließbohren erzeugt keine Späne und ist somit ideal zum Einsatz bei der Herstellung von Kolben, da beim Einsatz des Kolbens in einer Brennkraftmaschine jeder Span den Betrieb der Brennkraftmaschine gefährden würde.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gewinde im Durchzug der die mindestens eine Einlassöffnung und/oder Auslassöffnung bildet, durch Gewindeschneiden entstanden ist. Gewindeschneiden ist ein fertigungstechnisch bekanntes und beherrschtes Verfahren. Daher stellt Gewindeschneiden eine Alternative zum Gewindeformen dar.
Alternativ ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gewinde im Durchzug durch Gewindeformen entstanden ist. Gewindeformen ist der ideale Anschlussschritt zum Fließbohren, da auch beim Gewindeformen, wie auch beim Fließbohren, keine Späne entstehen.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Regulierung des Kühlmittelniveaus über die Einschraublänge des rohrförmigen Elements in ein im Kühlkanal befindliches Gewinde erfolgt. Die Einschraublänge bezeichnet hier den über den Durchzug bzw. den Kragen des Durchzugs in den Kühlkanal hineinragende Länge des rohrförmigen Elements. Durch ein Gewinde ist eine besonders genaue Regulierung des Kühlmittelniveaus möglich. Nach erfolgter Einstellung des Kühlmittelniveaus kann das rohrförmige Element kraft-, form- und/oder stoffschlüssig festgelegt werden, damit die Einstellung des Kühlmittelniveaus während des Betriebs der Brennkraftmaschine fixiert ist.
Durch die Variation der Eindringtiefe des rohrförmigen Elements in den Kühlkanal erfolgt die Regulierung des Kühlmittelniveaus.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das rohrförmige Element zum Transport von Kühlmittel dient. Somit kann die Zu- und/oder Ableitung von Kühlmittel zum Kühlkanal erfolgen. Sie können in ihrer Gestalt auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden.
Vorgesehen ist ein Verfahren zur Regulierung des Kühlmittelniveaus in einem Kühlkanal eines Kolbens, insbesondere für Brennkraftmaschinen, wobei das Kühlmittelniveau in dem Kühlkanal über ein justierbares rohrförmiges Element eingestellt wird. Durch dieses Verfahren kann eine genau definierte Kühlmittelmenge während des Betriebs der Brennkraftmaschine im Kühlkanal des Kolbens vorgehalten werden.
Der in Rede stehende Kolben wird auch als Kühlkanalkolben bezeichnet und kann aus mindestens zwei Kolbenteilen, beispielsweise einem Kolbenunterteil und einem Kolbenoberteil, die durch ein kraft-, form- und/oder stoffschlüssiges Fügeverfahren zu einem Kolben zusammengesetzt werden, bestehen. Alternativ kann der Kolben mit Kolbenunterteil und Kolbenoberteil auch in einem Herstellprozess, beispielsweise einem Gießverfahren, einstückig hergestellt werden, hierbei entfällt der Arbeitsschritt zum Fügen von Kolbenunterteil und Kolbenoberteil. Zur Erzeugung der Kavitäten kommen bei einem Gießverfahren beispielsweise Sandkerne zum Einsatz, diese können nach dem Gießprozess durch eigens dafür vorgesehene Öffnungen ausgespült werden. Diese Öffnungen werden nach dem Ausspülen verschlossen. Zu Beginn des Fließbohrprozesses wird eine relativ hohe Axialkraft und Drehzahl benötigt, um zwischen Fließbohrer und Kühlkanalwand die notwendige Reibungswärme zu erzeugen. Dabei steigt die Temperatur des Fließbohrers sehr schnell auf beispielsweise ca. 650 ° bis 800 °C, die der Kühlkanalwand beispielsweise lokal auf ca. 600 °C an. Das zuerst aus der Kühlkanalwand verdrängte Material fließt anfänglich entgegen der Vorschubrichtung nach oben, mit zunehmender Eindringtiefe wird dann der eigentliche Durchzug in Vorschubrichtung erzeugt. Das Verhältnis zwischen nach oben und nach unten fließendem Material beträgt beispielsweise ca. 1/3 zu 2/3. Dies variiert je nach Bohrdurchmesser und Materialstärke und kann auch weniger betragen (z.B. 1/4 zu 3/4).
Nachdem der Fließbohrer die Kühlkanalwand durchstoßen hat, formt dieser nun, je nach Fließbohrertyp, entweder das nach oben geflossene Material zu einem homogenen Kragen bzw. Wulst um oder trägt dieses Material direkt wieder ab. Dabei wird die geometrische Form des Werkzeuges im Material abgebildet.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass Fließbohren (auch bekannt als Fließformen, Fließlochbohren oder Fließlochformen) eine vorteilhafte spanlose Methode zur Erzeugung von Durchzügen an Kolben, insbesondere an Kolben für Brennkraftmaschinen ist. Dabei wird das Material nicht entfernt, sondern mit Hilfe von Kraft und Reibungshitze verdrängt, wulstformig aufgeworfen und zu einer Art Buchse bzw. Durchzug am Kolben ausgeformt und somit die Entstehung von Spänen vermieden wird. Das verdrängte und wulstformig aufgeworfene Kolbenmaterial kann zu einem Kragen geformt werden oder abgetragen werden. Die erzeugten stabilen Buchsen bzw. Durchzüge entstehen durch Materialverdrängung und nicht durch Abtragung. Diese homogene Verformung bewirkt nicht nur eine zusätzliche Materialfestigung, sondern auch eine erhebliche Zeit- und Materialersparnis. Die Form und der Durchmesser des am Kolben entstandenen Durchzuges werden bestimmt durch die Abmessung des zylindrischen Teiles des Fließbohrers. Durch Materialverdrängung entstehen keine Späne bei der Herstellung einer Öffnung an einem Kolben. Das verdrängte Material wird vorteilhaft zur Gestaltung des Bereiches um die Durchtrittsöffnung des Fließbohrers genutzt. Durch die Bildung eines Kragens durch wulstformig aufgeworfenes Material kann der nachfolgend zu schaffende Gewindezug verlängert werden. Die Stabilität zu dem in das Gewinde aufgenommene Bauteil, beispielsweise ein rohrförmiges Element, wird erhöht. Bei einer Einschraubverbindung hat die Einschraubtiefe einen Einfluss auf die Stabilität der Verbindung zwischen dem aufnehmenden Kolben und dem eingeschraubten Element, beispielsweise einem rohrförmigen Element. Die Gefahr der Schadensformen, Kraterausbruch, Gewindeumformung und/oder
Gewindeabscherung werden durch eine durch einen Kragen am Durchzug in einem Kolben erhöhte Einschraubtiefe herabgesetzt. Die Einschraubtiefe ist diejenige Länge, auf der das vom Gewinde im Kolben aufgenommene Bauteil, beispielsweise ein rohrförmiges Element und das Innengewinde, tatsächlich tragend im Eingriff stehen. Lediglich im Bereich der ideellen Einschraubtiefe ist ein Gewinde als volltragend anzusehen. Die auslaufenden Gewindegänge sind im Sinne der Tragfähigkeit nicht als gleichwertig mit den dazwischenliegenden volltragenden Gewindegängen anzusetzen. Deswegen werden Längenabzüge von der physisch tragenden Einschraubtiefe vorgenommen, wonach sich die ideelle Einschraubtiefe ergibt. Somit erhöht ein durch Fließbohren am Kolben ausgebildeter Kragen vorteilhaft die Anzahl der Gewindegänge an der Verbindung im Kolben, beispielsweise der Verbindung zwischen dem Kolben und einen rohrförmigen Element. Mit Endeneinflüssen wird die Schwächung der Tragfähigkeit an den Ausläufen von Innengewindebauteil und im Gewinde aufgenommenen Bauteil bezeichnet. Durch Ausbildung des Kragens und dem darin eingebrachten Gewinde, werden die Endeinflüsse auf die Einschraubverbindung am Kolben zumindest kompensiert. Vorteilhafterweise erhöht sich die Tragfähigkeit des Gewindes durch Ausbildung eines Kragens am Durchzug am Kolben, hergestellt durch Fließbohren, gegenüber einer konventionell, beispielsweise durch Bohren oder Gießen hergestellten Öffnung, im Kolben.
Die Anwendung des Fließbohr-Verfahrens an Kolben führt neben den zuvor genannten Vorteilen unter anderem zu den folgenden Vorteilen. Durch die Anwendung des Fließbohr-Verfahrens bei Kolben entstehen stabile Durchzüge bzw. Buchsen für die Aufnahme von Schraubverbindungen, wie rohrförmige Elemente, die von Kühlmittel durchflössen werden können. Weiterhin ist diagonales Fließbohren möglich, hierbei weicht die Mittelachse der Fließbohrung bzw. des entstehenden Durchzuges von der durch die Kolbenhubachse gebildeten senkrechten Linie in einem spitzen oder stumpfen Winkel ab. Fließbohren ist eine spanlose Fertigungsmethode, Verbindungselemente sind nicht notwendig. Fließbohren beinhaltet eine hohe Zeit-, Arbeits- und Werkstoffeinsparung, da keine zusätzlichen Komponenten erforderlich sind. Die Herstellung von Durchzügen an Kolben erfolgt in nur einem Arbeitsvorgang. Fließbohren ist ein komplett automatisierbares Verfahren mit minimalen Rüstzeiten. Zum Fügen von Komponenten, wie beispielsweise rohrförmige Elemente, sind keine Einniet- und Anschweißmuttern erforderlich. Das Fließbohrverfahren bietet mehr Sicherheit durch homogene Verformung, die Lebenszeit des Kolbens wird somit erhöht. Fließbohrer haben hohe Standzeiten und erzeugen hervorragende Oberflächenqualitäten. Es fallen keine Abfall- und Entsorgungskosten an, da es sich um ein spanloses Verfahren handelt. Weiterhin gefährden in besonders vorteilhafterweise keine Späne die Betriebssicherheit des Kolbens in der Brennkraftmaschine. Somit ist ein geringerer Ausfall von Produkten zu vermerken. Fließbohren bietet daher hohe Prozesssicherheit durch langlebige Werkzeuge aus Hartmetall.
Fließbohrer sind Vollhartmetallwerkzeuge mit einer Polygonkontur. Mit hoher Drehzahl und Axialkraft gegen dünnwandige metallische Werkstoffe gedrückt erzeugen sie extreme Reibungswärme. Dadurch lässt sich das Material der Kühlkanalwand lokal an der Fließbohrposition plastifizieren. Der Fließbohrer wird innerhalb weniger Sekunden durch die Kühlkanalwand geführt. Hierbei entsteht ganz ohne Materialverlust ein Durchzug bzw. eine Buchse aus dem Ausgangsmaterial. Die Länge dieser Buchse kann dabei etwa das drei bis fünf-fache der ursprünglichen Materialstärke betragen. Die maximal zu bearbeitende Materialstärke ist proportional zum Kernlochdurchmesser des Fließbohrers. Je nach Kernlochdurchmesser, ist zwischen 0,5 mm (bei optimaler Unterfütterung) und 12 mm (erfordert sehr hohe Spindelleistung) starkes Material bearbeitbar. Je nach Materialstärke und -güte können so ca. 5.000 bis 10.000 Bohrungen mit einem Fließbohrer erstellt werden. Beim Gewindeformen werden die Vorteile des Fließbohrens weiterverfolgt. Die spanlose Buchsen- bzw. Durchzugfertigung bewirkt eine Materialkaltverfestigung des zu bearbeitenden Werkstoffs und das kalt eingewalzte Gewinde verstärkt die Gewindegänge zusätzlich. Für das Gewindeformen kann jede übliche Gewindeschneidvorrichtung verwendet werden. Es ist jedoch zu beachten, dass mit einer höheren Drehgeschwindigkeit (3- bis 10-fache Prozessgeschwindigkeit) gearbeitet wird. Beim Gewindeformen kann auch mit einer Handbohrmaschine gearbeitet werden. Diese sollte dabei über Rechts- oder Linkslauf und genügend Leistung verfügen. Als Handbohrmaschine werden handgeführte Bohrmaschinen bezeichnet. Sie sind je nach Bauart zum Fließbohren und/oder Gewindeformen in unterschiedliche Werkstoffe wie Metall oder Metalllegierungen eines Kolbens geeignet. Gemeinsames Merkmal aller Handbohrmaschinen ist die Möglichkeit, Fließbohrer und andere rotierende Werkzeuge, wie beispielsweise Gewindeformer, in ein stirnseitig angebrachtes Bohrfutter einzusetzen. Wichtigstes Unterscheidungsmerkmal für Handbohrmaschinen ist die Art der Energiezufuhr, die manuell von Hand mit Hilfe von Muskelkraft, elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen kann. Derartige Handbohrmaschinen können vorzugsweise zur Fertigung von Kolben-Kleinserien eingesetzt werden. Somit kann jede vom Kunden gewünschte Kolbenanzahl mit durch Fließbohren erzeugten Durchzügen und durch Gewindeumformen erzeugten Gewinden versehen werden.
Bei dem sogenannten Gewinden drückt der Gewindeformer das Material des Durchzuges bzw. der Buchse in die Gewindeflanken und bewirkt durch eine spanlose Kaltumformung eine Gefügeverdichtung des Kolbenmaterials. Dadurch wird eine sehr hohe Festigkeit des Gewindes im Kolben sowie eine exakte Gewindeführung erreicht. Durch den ununterbrochenen Verlauf des Kolbenmaterials in den Gewindegängen und das Kaltwalzen des Gewindeformens ist eine hoch belastbare Verbindung entstanden. Aufgrund der exakten Gewindeführung besteht keine Gefahr des Verschneidens.
Das Fertigen von Gewinden an Kolben mit Hilfe des Gewindeform-Verfahrens weist unter anderen die folgenden Vorteile auf. Das Gewindeformen ist ein spanloses Verfahren und ergänzt somit vorteilhaft das Fließbohr-Verfahren. Da bei diesem Produktionsschritt keine Späne entstehen, können sie auch später nicht den Betrieb des Kolbens in einer Brennkraftmaschine gefährden. Beim Gewindeformen wird eine Produktivitätssteigerung durch eine höhere Prozessgeschwindigkeit erzielt. Die durch Gewindeformen im Kolben erzeugte Verbindung ist hoch belastbar und weist exakte Gewindeführung auf. Durch beispielsweise eine spezielle TiN-Beschichtung kann eine Erhöhung der Standzeit erreicht werden. Weiterhin bleiben die Länge und Wandstärke des im Fließbohr-Verfahren erzeugten Durchzuges vollständig erhalten. Auch das Gewindeform-Verfahren ist ein vollständig automatisierbares Verfahren. Es können bestehende Betriebsmittel zum Einsatz kommen, da das Gewindeform- Verfahren auf allen üblichen Gewindeschneidvorrichtungen einsetzbar ist. Im Gegensatz zum herkömmlichen Gewindeschneiden hat das Gewindeformen in Verbindung mit dem Fließbohren enorme Vorteile. Die vorangegangene halbwarme Verdrängung des Materials beim Fließbohren und das anschließende Kaltwalzen beim Gewindeformen bewirken eine starke Verfestigung des Materials der Kühlkanalwand. Diese gewährleistet hochauszugsfeste Gewindeverbindungen. Der spanlos arbeitende Gewindeformer bewirkt durch die sehr hohe Schnittgeschwindigkeit und extrem lange Standzeit eine deutliche Produktivitätssteigerung. Die Öffnung, der das Kühlmedium zugeführt wird, ist in Richtung einer Kühlöldüse ausgerichtet, wobei aus der Kühlöldüse das Kühlmedium in Richtung der Öffnung gespritzt wird. Dabei ist während der Montage des Kühlkanalkolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine und auch während des Betriebes darauf zu achten, dass während der oszillierenden Auf- und Abbewegung des Kolbens in dem Zylinderraum der die Kühlöldüse verlassende Kühlölstrahl genau die Öffnung auf der Unterseite des Kolbeninnenbereiches trifft, damit das Kühlöl in den Kühlkanal gelangen kann.
Der Kühlkanal wird zum Beispiel in an sich bekannter Weise beim Gießen des Kühlkanalkolbens mit Hilfe eines verlorenen Kernes realisiert, wobei vom Kolbeninnenbereich her, nachdem Gießprozess zumindest eine Öffnung, zum Beispiel eine Bohrung, eingebracht wird, um zu dem verlorenen Kern zu gelangen und diesen auszuspülen.
Neben dieser Ausgestaltungsform ist es bekannt, dass ein verlängerter Zulauf als zusätzliche Bohrung im eigentlichen Kolben realisiert wird. Es wird dabei im Kolbengrundkörper eine Verdickung im Regelfall im Bereich der Kolbennarbe gegossen oder geformt, wobei diese Verdickung anschließend aufgebohrt wird.
Diese verlängerte Zulauföffnung von der Kolbeninnenseite in Richtung des Hypermales hat den Vorteil, dass das in diesen Zulauf eingespritzte bzw. eingeführte Kühlmedium besser geführt und gezielter in den Kühlkanal abgelenkt und dort zirkulieren kann. Die Erfindung basiert auf einem Kühlkanalkolben, bei dem nach der Herstellung des Kühlkanalkolbens auf beliebige Art und Weise ein Kühlkanal (oder auch mehrere Kühlkanäle oder Abschnitte oder dergleichen) im Kolbenboden vorgesehen ist, wobei in etwa unterhalb der Ebene, in der der Kolbenboden nach unten hin betrachtet endet (also oberhalb der Bolzenbohrung bzw. des Scheitels des Bolzens) sich die zumindest eine Öffnung für den Zulauf des Kühlmediums befindet. Ein solcher Kolben, der die Basis für die Erfindung bildet, weist somit keine Verdickung an der Kolbennabe auf, die gegossen und geformt ist und anschließend aufgebohrt wird.
Ausgehend von der zumindest einen Öffnung für den Zulauf (oder Ablauf) des Kühlmediums in etwa unterhalb der Ebene des axialen Endes des Kolbenbodens wird an der Zulauföffnung ein Bauteil angeordnet, das einen verlängerten Kühlkanalzulauf (oder einen verlängerten Kühlkanalablauf) bildet. Dieses Bauteil ist einstückig oder kann auch aus mehreren Bauteilen realisiert sein. Das zumindest eine Bauteil besteht beispielsweise aus einem Stahlwerkstoff (z.B. Blech), Kunststoff, einem Verbundwerkstoff oder einem Leichtmetallwerkstoff und kann z.B. in Form eines sich aufweitenden oder verjüngenden rohrförmigen Bauteiles bzw. rohrförmigen Elements kostengünstig hergestellt werden. Die Anbindung kann durch ein einfaches Anbringungsverfahren wie Schrauben, Kleben, Heften, Formschluss, Einklippsen, Verlöten, Verschweißen, Schrumpfen oder Verpressen oder dergleichen erfolgen.
Das Bauteil kann so ausgeführt sein, dass es bis in das Innere des Kühlkanalzulaufs hineinragt, dass heißt, über die Ebene hinaus, in der sich die Zulauf- bzw. Ablauföffnung befindet. Der dadurch entstehende in den Kühlkanal hineinragende Bund verhindert in vorteilhafter Weise ein Rückströmen vom Kühlmedium in Richtung des Bauteiles. Das bedeutet, dass gewährleistet ist, dass während der oszillierenden Auf- und Abbewegung des Kolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine immer eine gewisse Menge Kühlmedium im Kühlkanal verbleibt. Dieses kann Wärme aus den umliegenden Bereichen des Kolbenbodens aufnehmen und wird durch die Shakerwirkung mit zuströmendem frischem Kühlmedium vermischt und kann dadurch Wärme verbessert abführen. Durch den verlängerten Kühlkanalzulauf durch die Ergänzung des Kühlkanales mit dem zumindest einem erfindungsgemäßen Bauteil lässt sich die Befüllung des Kühlkanalkolbens mit Kühlmedium vor allem am unteren Totpunkt deutlich verbessern. Messungen haben hier eine Verbesserung von 60 % nicht nur bei der Befüllung, sondern auch bei der Wärmeabfuhr erbracht.
Außerdem ist eine Gewichtsreduzierung gegeben, wenn nicht neben der Kolbennabe verdickte Bereiche, in die eine Bohrung zwecks verlängertem Kühlkanalzulauf einzubringen wäre, vorgesehen werden müssen. Dadurch gestaltet sich die Anbindung des Kolbenschaftes des Kühlkanalkolbens an seine Nabe wesentlich günstiger.
Außerdem ist es denkbar, beliebige Kolben, die einen Kühlkanal aufweisen, wobei der Kühlkanal selber über zumindest eine Ablauf- und/oder Zulauföffnung verfügt, diese mit dem erfindungsgemäßen verlängerten Kühlkanalzulauf bzw. -ablauf auszustatten.
Durch diese Erfindung soll ein verlängerter Kühlkanalzulauf durch eine oder mehrere zusätzlicher Bauteile am Kolben realisiert werden. Der verlängerte Kühlkanalzulauf soll als zusätzliche(s) Bauteil(e) für Kolben für einen Verbrennungsmotor vorgesehen werden, beispielsweise als rohrförmiges Element.
Die Erfindung ermöglicht es, die Befüllung des Kühlkanals deutlich zu verbessern. Es ist eine kostengünstigere Herstellung möglich.
Ein verlängerter Zulauf wird bisher als zusätzliche Bohrung im eigentlichen Kolben realisiert. Es wird im Kolben Werkstoff eine Verdickung an der Kolbennabe gegossen oder geformt, die anschließend aufgebohrt wird. Dies ist bei Aluminium-Kolben seit vielen Jahren Stand der Technik, hier kann die Bohrung gegossen werden.
Durch den verlängerten Kühlkanalzulauf lässt sich die Befüllung des Kühlkanals im Kolben mit Kühlöl vor allen am unteren Totpunkt deutlich verbessern. Messungen zeigen eine Verbesserung von bis zu 60 %. Die Erfindung erzielt eine kostengünstigere Herstellung des verlängerten Kühlkanalzulaufs, vor allem bei Kolben, die nicht gegossen werden. Mit einer solchen Lösung gestaltet sich die Anbindung vom Kolbenschaft an die Nabe kostengünstiger, da kein Material zum späteren Aufbohren vorgesehen werden muss. Eine Reduzierung des Kolbengewichts bzw. der Masse des Kolbens ist möglich. Im Stand der Technik ist der Kolben jedoch im herkömmlichen Design ausgeführt, das heißt, die Verdickung wird angeschmiedet und anschließend wir der verlängerte Zulauf aufgebohrt. Es kann auch durch Fließbohren eine relativ kurzer Kragen, bezogen auf die Durchtrittslänge der Einlassöffnung und/oder Auslassöffnung, erzeugt werden. Hier ist die Kühlwirkung in erster Linie dadurch verbessert, dass im Kühlkanal ein Kragen hergestellt wird der das Zurückströmen des Kühlöls verhindert. Zur Verlängerung kann ein Röhrchen, beispielsweise ein rohrförmiges Element, eingeschraubt werden.
Dieses Verfahren hat auch den Vorteil, dass eine Bohrung ohne Späne zu erzeugen entsteht. Das Fließbohren kann daher das momentane sehr aufwändige Öffnen durch ein ECM Verfahren ersetzten. Elektrochemisches Abtragen (engl.: Electro Chemical Machining, ECM) ist ein abtragendes Fertigungsverfahren insbesondere für sehr harte Werkstoffe, dem Trennen zugeordnet. ECM ist geeignet für einfache Entgratarbeiten bis hin zur Herstellung von Öffnungen an Kolben.
Bei einem Durchzug mit einem Kragen oder von einem Ringwulst oder einer rampenartige Erhöhung umgeben, kann das Absinken eines Kühlmittelpegels unter ein vordefiniertes Niveau unterbunden werden. Dieser mindestens eine Durchzug wird in der den Bolzenbohrungen zugewandten Kühlkanalwand umgesetzt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, aus denen sich weitere Vorteile ergeben. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren gezeigt und nachfolgend beschrieben.
Fig. 1A u. 1 B zeigen jeweils eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen
Kolbens quer zur Bolzenachse, Fig. 2A u. 2B zeigen Schnittansichten von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil vor dem Fügen zu einem Kolben,
Fig. 3A u. 3B zeigen je eine Schnittansicht des Kolbenunterteils aus Figur 2B während der Bearbeitung,
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines aus Kolbenoberteil und
Kolbenunterteil gemäß Figuren 2A und 2B gefügten Kolbens, Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht eines Kolbens gemäß Figur 4 während der Bearbeitung,
Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht eines Kolbens gemäß Figur 5 während einer Gewindeformung,
Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht eines Kolbens gemäß Figur 6 nach der
Fertigstellung der Gewinde,
Fig. 8A bis 8G zeigen schematisch die Bearbeitungsschritte beim Fließbohren eines Kolbens,
Fig. 9A bis 9H zeigen die Ausgestaltungsformen von Fließbohrungen an Kolben und Fig. 10 zeigt schematisch die Erstellung eines Gewindes.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position der Vorrichtung und anderer Elemente. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, das heißt durch verschiedene Positionen und/oder spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern. Die Figuren 1A, 1 B, 2, 3A, 3B, 4, 5, 6 und 7 zeigen einen Kolben 1 bzw. Bestandteile des Kolbens 1 in Form eines Kolbenunterteils 2 und/oder eines Kolbenoberteils 3. Die folgende Figurenbeschreibung befasst sich mit den übergreifenden Merkmalen des in Rede stehenden Kolbens 1 .
Das Kolbenunterteil 3 weist mindestens eine Bolzenbohrung 4 auf. Weiterhin weist der Kolben 1 hinter einem nicht näher bezeichneten Ringfeld 7 einen radial umlaufenden Kühlkanal 5 auf. Dieser Kühlkanal 5 wird in Richtung der Bolzenbohrungen 4 von einer Kühlkanalwand 6 begrenzt. Das Kolbenoberteil 3 weist eine Brennraummulde 8 auf. Die Brennraummulde 8 kann, muss aber nicht vorhanden sein. Während des Betriebs des Kolbens 1 in einer Brennkraftmaschine bewegt sich der Kolben 1 in Richtung einer Kolbenhubachse 9. Das Kolbenunterteil 2 und das Kolbenoberteil 3 werden zu einem Koben 1 gefügt, durch eine stoffschlüssige Verbindung. Zum stoffschlüssigen Fügen bietet sich Schweißen, insbesondere Reibschweißen an. Beim Schweißen entsteht eine äußere Fügenaht 16 sowie eine innere Fügenaht 17. Die Figur 2B zeigt das Kolbenunterteil 2 vor dem Fügen des Kolbens 1 und die Figur 2A zeigt das Kolbenoberteil 3 vor dem Fügen des Kolbens 1 . Die Kühlkanalwand 6 weist mindestens einen Durchzug 12 auf. Dieser Durchzug 12 ist mit einem Kragen 13 versehen (siehe Figuren 1A, 1 B, 3A, 3B, 6 und 7). Der mindestens eine Durchzug 12 dient als zumindest eine Einlassöffnung und/oder die zumindest eine Auslassöffnung für Kühlmittel. Der mindestens eine Durchzug 12 ist mit einem Gewinde 14 versehen. In dieses Gewinde 14 kann ein gerades rohrförmiges Element 15 (mit gleichem Durchmesser) oder ein mindestens einseitig aufgeweitetes rohrförmiges Element 1 15 (trichterförmig, mit zumindest in Teilbereichen veränderlichen Durchmesser) eingebracht werden. Über diese rohrformigen Elemente 15, 1 15 erfolgt Zu- und/oder Abfluss von Kühlmittel zum/vom Kühlkanal 5. Über die Einschraublänge dieser rohrformigen Elemente 15, 1 15 kann das Niveau des Kühlmittels im Kühlkanal 5 eingestellt werden. Mit X ist der Abstand zwischen Kühlkanalwand 6 und der am Ende der rohrformigen Elemente 15, 1 15 liegenden Öffnung bezeichnet. Mit Y ist der Abstand zwischen Kragen 13 und der am Ende der rohrformigen Elemente 15, 1 15 liegenden Öffnung bezeichnet. Der Pegel des Kühlmittels im Kühlkanal 5 stellt anhand des kleinsten Wertes für X ein. Wenn mehrere rohrförmigen Elemente 15, 1 15 verbaut sind, bestimmt somit das mit der geringsten freien Länge in den Kühlkanal 5 ragende rohrförmige Element 15, 1 15 das Niveau des Kühlmittels im Kühlkanal 5. Sofern die Einlassöffnung 10 höher liegt als die Auslauföffnung 1 1 , bildet sich ein ständiger Kühlmittelfluss zwischen Einlassöffnung 10 und der Auslassöffnung 1 1 heraus. Das Niveau des Kühlmittels im Kühlkanal 5 wird durch die Position der Auslassöffnung 1 1 im Kühlkanal 5 bestimmt. Die im Kühlkanal 5 lokalisierte endseitige Öffnung der rohrförmigen Elemente 15, 1 15 kann somit als Einlassöffnung 10 und/oder Auslassöffnung 1 1 fungieren. Am äußeren Umfang weisen die rohrförmigen Elemente 15, 1 15 zumindest in einem Teilbereich ein Gewinde auf. Dieses Gewinde ist dergestalt ausgefertigt, dass es in das Gewinde 14 eingeschraubt werden kann. Abhängig von dem Gewindeaufbau ist eine sehr genaue Justierung der Einlassöffnung 10 und/oder Auslauföffnung 1 1 im Kühlkanal 5 ermöglicht. Somit kann das Kühlmittelniveau im Kühlkanal 5 des Kolbens 1 genau auf die spätere Verwendung eingestellt werden. Es ermöglicht, dass ein Kolben 1 mit verschiedenen Kühlmittelniveaus im Markt angeboten werden kann. Weiterhin kann ein gerade gestaltetes rohrförmiges Element 15 oder alternativ ein mindestens einseitig aufgeweitetes rohrförmiges Element 1 15 verbaut werden. Der Kolben 1 ist daher variable in der im Betrieb in einer Brennkraftmaschine vorgesehen Kühlmittelmenge. Je Kolben kann auch lediglich ein rohrförmiges Element 15, 1 15 eingesetzt werden. Das mindestens einseitig aufgeweitete rohrförmige Element 1 15 eignet sich insbesondere zur Aufnahme eines durch Düsen versprühten Kühlmittelstrahles.
Die Figur 1A zeigt den Kolben 1 mit zwei rohrförmigen Elementen 15. Die Figur 1 B zeigt einen Kolben 1 mit einem mindestens einseitig aufgeweiteten rohrförmigen Element 1 15. Nach der Justierung der rohrförmigen Elemente 15, 1 15 können diese kraft- form- oder stoffschlüssig fixiert werden. Die Fixierung kann beispielsweise am Durchzug 12 oder an der Kühlkanalwand 6 erfolgen. Die Figuren 3A und 3B zeigen ein Kolbenunterteil 2 bei der Herstellung eines Durchzuges 12 im Bereich der Kühlkanalwand 6 mit Hilfe eines Fließbohrers 18. Der Durchzug 12 ist hier nahezu fertig gestellt, da der Kragen 13 schon voll ausgebildet ist. Die Figur 4 zeigt den Kolben 1 gemäß der Figuren 2A (Kolbenoberteil 3) und 2B (Kolbenunterteil 2) nach der Durchführung eines stoffschlüssigen Fügeverfahrens, insbesondere eines Reibschweißverfahrens. An den Fügenähten 16, 17 sind Schweißwulste ausgebildet.
Die Figur 5 zeigt einen aus Kolbenunterteil 2 und Kolbenoberteil 3 gefügten Kolben 1 während des Einwirkens von Fließbohrern 18 auf die Kühlkanalwand 6. Das Fließbohrverfahren kann an dem Kolbenunterteil 2 vor dem Fügen (siehe Fig. 3A und 3B) oder nach dem Fügen (siehe Fig. 5) angewendet werden. Nach dem Fügen oder der Bearbeitung der Kühlkanalwand aus Richtung der Bolzenbohrungen 4 entsteht der Kragen 13 an der den Bolzenbohrungen zugewandten Seite der Kühlkanalwand 6 (siehe Figuren 3A und 5). Durch das spätere Einformen eines Gewindes 14 (siehe Figuren 5 und 6) bzw. das Einformen eines Gewindes 14 aus Richtung der Bolzenbohrungen 4 (siehe Figuren 3A und 6) in den Durchzug 12 ist die Entstehung eines Kragens innerhalb des Kühlkanals 5 nicht erforderlich, durch die Verwendung der rohrförmigen Elemente 15, 1 15 kann das Niveau des Kühlmittels im Kühlkanal 5 frei eingestellt werden. Der Kragen 13 entfaltet seine Gewindeverlängernde Wirkung und damit auch Verbindungsverstärkende Wirkung unabhängig davon, ob er an der der an der den Bolzenbohrungen 4 zugewandten Seite der Kühlkanalwand 6 angeordnet ist oder an der den Bolzenbohrungen 4 abgewandten Seite der Kühlkanalwand 6 angeordnet ist. Somit kann die Bearbeitung der Kühlkanalwand 6 durch Fließbohren und nachfolgendes Gewindeformen auch an aus Kolbenunterteil 10 und Kolbenoberteil 1 1 erfolgen. Alternativ kann die Kombination aus Fließbohren und Gewindeformen an einem einteilig geschmiedeten oder gegossenen Kolben durchgeführt werden.
Die Figur 6 zeigt schematisch die Erstellung des Gewindes 14 im Durchzug 12 durch ein Gewindeform-Verfahren. Auf den zuvor durch Fließbohren erzeugten Durchzug 12 in der Kühlkanalwand 6 wirkt ein Gewindeformer 19 zur Erzeugung des Gewindes 14 ein.
Die Figuren 1A, 1 B, 3A, 5, 6 und 7 zeigen die parallele Erstellung von zwei Durchzügen 12 bzw. zwei Gewinden 14, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass auch lediglich ein Durchzug 12 bzw. ein Gewinde 14 erstellt werden kann, wie in der Figur 3B dargestellt. Auch können mehr als zwei Durchzüge 12 mit Gewinden 14 am Kolben 1 ausgebildet werden, beispielsweise an einer Kühlkanalwand 6 des Kühlkanals 5. Auch kann ein hier nicht dargestellter, zentraler Kühlraum mit mindestens einem Durchzug und mindestens einem Gewinde versehen werden.
Die Figur 7 zeigt einen Kolben 1 nach der Herstellung von Durchzügen 12 mit Gewinden 14.
Der in den Figuren 8A bis 8G schematisch dargestellte Fließbohrprozess umfasst die folgenden Schritte.
Der in Figur 8A dargestellte erste Schritt beinhaltet das Aufsetzen der Spitze des Fließbohrers 18 auf die Kühlkanalwand 6.
Die Figuren 8B und 8C zeigen das Vorwärmen. Hierzu wird der Fließbohrer 18 mit hoher Axialkraft und Drehzahl auf die Kühlkanalwand 6 gedrückt, wodurch die notwendige Reibungswärme erzeugt und ihr Material aufgeheizt wird. Der Fließbohrer 18 kann nun in das Material eindringen und den Durchzug 12 ausformen.
Der dritte Schritt wird in den Figuren 8D bis 8F dargestellt und umfasst das Formen. Der Fließbohrer 18 verdrängt das Material der Kühlkanalwand 6 anfänglich entgegen der Vorschubrichtung nach oben. Mit zunehmender Eindringtiefe wird dann der Durchzug 12 in Vorschubrichtung erzeugt. Das Verhältnis zwischen dem nach oben und nach unten fließendem Material beträgt ca. 1/3 zu 2/3. Figur 8G zeigt den vierten Schritt, das Ausformen. Der fließgeformte Durchzug 12 ist fertig. Je nach Fließbohrer 18 wurde das nach oben geflossene Material der Kühlkanalwand 6 zu einem homogenen Kragen 13 bzw. Wulst umgeformt. Im Werkzeughandel werden die hierzu benötigten Fließbohrer üblicherweise als Typ „Form" bzw. „Standard" bezeichnet. Alternativ wurde das nach oben geflossene Material der Kühlkanalwand 6 direkt wieder abgetragen. Im Werkzeughandel werden die zum Abtragen benötigten Fließbohrer üblicherweise als Typ„Cut" bzw.„Flach" bezeichnet. Sofern der Kragen 13 nahezu abgetragen oder abgetragen wurde, kann dennoch vorteilhaft ein rohrformiges Element 15, 1 15 in dem im Durchzug 12 ausgebildeten Gewinde 14 vorgesehen werden. Es können auch zwei rohrformige Elemente 15, 1 15 in ein Gewinde 14 eingebracht sein, wobei sie bevorzugt innerhalb der Gewindegänge aufeinander stoßen.
Die Bildung des Kragens 13 erfolgt je nach Werkzeugtyp, beispielsweise als Rand in Form eines Dichtringes oder als plane Oberfläche. Die Figuren 9A bis 9H zeigen Ausgestaltungen von Durchzügen 12 mit Krägen 13, erzeugt durch unterschiedliche Werkzeugtypen.
Die Figur 9 zeigt schematisch die Herstellung des Gewindes 14 durch Gewindeformen. Der Prozessablauf beim Gewindeformen stellt sich wie folgt dar.
Die Herstellung des Gewindes 14 durch Gewindeumformen wird als Gewinden bezeichnet, hierbei drückt der Gewindeformer 19 das Material des Durchzuges 12 in die Gewindeflanken und bewirkt durch eine spanlose Kaltumformung eine Gefügeverdichtung. Dadurch wird eine sehr hohe Festigkeit des Gewindes 14 sowie eine exakte Gewindeführung erreicht. Als Resultat ist durch den ununterbrochenen Verlauf des Materials in den Gewindegängen und das Kaltwalzen des Gewindeformens eine hoch belastbare Verbindung entstanden. Aufgrund der exakten Gewindeführung besteht keine Gefahr des Verschneidens.
BEZUGSZEICHEN LISTE
1 Kolben
2 Kolbenunterteil
3 Kolbenoberteil
4 Bolzenbohrung
5 Kühlkanal
6 Kühlkanalwand
7 Ringfeld
8 Brennraummulde
9 Kolbenhubachse
10 Einlassöffnung
11 Auslassöffnung
12 Durchzug
13 Kragen
14 Gewinde
15 Rohrförmiges Element, gerade
115 Rohrförmiges Element, trichterförmig
16 Fügenaht, außen
17 Fügenaht, innen
18 Fließbohrer
19 Gewindeformer
Abstand zwischen Kühlkanalwand und Öffnung des rohrförnnigen Elements Abstand zwischen Kragen und Öffnung des rohrförnnigen Elements

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E 1 . Kolben (1 ), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenunterteil (2) und einem Kolbenoberteil (3), einem innenliegenden, vorzugsweise ringförmigen Kühlkanal (5) und zumindest einer am Kolbenunterteil (2) angeordneten Einlassöffnung (10) und zumindest einer am Kolbenunterteil (2) angeordneten Auslassöffnung (1 1 ), über welche ein Kühlmittelzufluss und -abfluss in den Kühlkanal (5) bzw. aus diesem erfolgt, wobei die zumindest eine Einlassöffnung (10) und/oder die zumindest eine Auslassöffnung (1 1 ) von einem Durchzug (12) gebildet sind/ ist und dieser einstückig mit dem Kolbenunterteil (2) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Durchzug (12) ein Gewinde (14) aufweist in das mindestens ein rohrförmiges Element (15, 1 15) eingesetzt ist.
2. Kolben (1 ) nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Durchzug (12) plan mit der Oberfläche einer Kühlkanalwand (6) abschließt.
3. Kolben (1 ) nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Durchzug (12) mindestens einen Kragen (13) aufweist.
4. Kolben (1 ) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kragen (13) an der den Bolzenbohrungen (4) zugewandten Seite der Kühlkanalwand (6) ausgebildet ist.
5. Kolben (1 ) nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kragen (13) an der den Bolzenbohrungen (4) abgewandten Seite der Kühlkanalwand (6) ausgebildet ist und somit in den Kühlkanal (5) hineinragt.
6. Kolben (1 ) nach einem der vorhergehenden Patentansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine rohrformige Element (15, 1 15) bündig mit dem mindestens einen Durchzug (12) oder mit dem Kragen (13) des mindestens einen Durchzugs (12) abschließt.
7. Kolben (1 ) nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine rohrformige Element (15, 1 15) über den mindestens einen Durchzug (12) und/oder den Kragen (13) des mindestens einen Durchzugs (12) hinaus in den Kühlkanal (5) ragt.
8. Kolben (1 ) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine rohrformige Element (15) über das Gewinde (14) in der dem Kühlkanal (5) entgegengesetzte Richtung hinausragt.
9. Kolben (1 ) nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das vom
Kühlkanal (5) wegweisende Ende des mindestens einen rohrförmigen Elements (1 15) trichterförmig ist.
10. Verfahren zur Regulierung des Kühlmittelniveaus in einem Kühlkanal (5) eines Kolbens (1 ), insbesondere für Brennkraftmaschinen, welcher über mindestens eine
Einlassöffnung (10) und/oder Auslassöffnung (1 1 ) im Kühlkanal (5), gebildet durch mindestens einen Durchzug (12), verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelniveau in dem Kühlkanal (5) über ein justierbares rohrförmiges Element (15, 1 15) eingestellt wird.
1 1 . Verfahren nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der
Durchzug (12) zur Bildung der mindestens einen Einlassöffnung (10) und/oder Auslassöffnung (1 1 ) durch Fließbohren erstellt ist.
12. Verfahren nach einem der Patentansprüche 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gewinde (14) im Durchzug (12) der die mindestens eine Einlassöffnung (10) und/oder Auslassöffnung (1 1 ) bildet, durch Gewindeschneiden entstanden ist.
13. Verfahren nach einem der Patentansprüche 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gewinde (14) im Durchzug (12) der die mindestens eine Einlassöffnung (10) und/oder Auslassöffnung (1 1 ) bildet, durch Gewindeformen entstanden ist.
14. Verfahren nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Regulierung des Kühlmittelniveaus über die Einschraublänge des rohrformigen Elements (15, 1 15) in ein im Kühlkanal (5) befindliches Gewinde (14) erfolgt.
PCT/EP2015/057771 2014-04-09 2015-04-09 Verlängerter kühlkanalzulauf für kühlkanalkolben und verfahren zu seinem betrieb Ceased WO2015155309A1 (de)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/302,768 US9989008B2 (en) 2014-04-09 2015-04-09 Elongate cooling channel inlet for cooling channel pistons and method for operating
MX2016013321A MX2016013321A (es) 2014-04-09 2015-04-09 Entrada de canal de refrigeracion alargada para pistones de canal de refrigeracion y metodo para su operacion.
EP15715262.0A EP3129629B1 (de) 2014-04-09 2015-04-09 Verlängerter kühlkanalzulauf für kühlkanalkolben und verfahren zu seinem betrieb
PL15715262T PL3129629T3 (pl) 2014-04-09 2015-04-09 Przedłużony dopływ kanału chłodzenia dla tłoków z kanałem chłodzenia i sposób jego działania
JP2016561771A JP6373404B2 (ja) 2014-04-09 2015-04-09 冷却通路付きピストン用の延長された冷却通路供給部及び冷却通路付きピストンを作動させる方法
CN201580026109.5A CN106662034B (zh) 2014-04-09 2015-04-09 用于冷却通道活塞的延长的冷却通道入口以及用于其运行的方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014206877.0 2014-04-09
DE102014206877 2014-04-09

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015155309A1 true WO2015155309A1 (de) 2015-10-15

Family

ID=52823643

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2015/057771 Ceased WO2015155309A1 (de) 2014-04-09 2015-04-09 Verlängerter kühlkanalzulauf für kühlkanalkolben und verfahren zu seinem betrieb

Country Status (8)

Country Link
US (1) US9989008B2 (de)
EP (1) EP3129629B1 (de)
JP (1) JP6373404B2 (de)
CN (1) CN106662034B (de)
DE (1) DE102015206375A1 (de)
MX (1) MX2016013321A (de)
PL (1) PL3129629T3 (de)
WO (1) WO2015155309A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109475949A (zh) * 2016-06-13 2019-03-15 Ks科尔本施密特有限公司 用于循环铣削操作的冷却通道开口

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3377244B1 (de) * 2015-11-19 2025-12-31 KS Kolbenschmidt GmbH Gegossene zu- und ablauföffnungen bei stahlguss- und eisen-gusskolben
EP3301284B1 (de) * 2016-09-29 2020-11-25 Caterpillar Energy Solutions GmbH Kolben mit anordnung zur kühlung
DE102016221353A1 (de) * 2016-10-28 2018-05-03 Mahle International Gmbh Brennkraftmaschine
EP3555451B1 (de) 2016-12-19 2024-12-04 KS Kolbenschmidt GmbH Kühlkanal mit damm und trichter
DE102017201137A1 (de) * 2017-01-25 2018-07-26 Volkswagen Aktiengesellschaft Kolben für einen Verbrennungsmotor
DE102017210818A1 (de) * 2017-06-27 2018-12-27 Mahle International Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine aus einem Kolbenoberteil und aus einem Kolbenunterteil
DE102018203411A1 (de) * 2018-03-07 2019-09-12 Federal-Mogul Nürnberg GmbH Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie Verfahren zur Herstellung eines Kolbens
EP3953576A1 (de) * 2019-04-09 2022-02-16 KS Kolbenschmidt GmbH Kühlkanalkolben mit einem trichterförmigem zulauf in den kühlkanal
DE102019209362A1 (de) * 2019-06-27 2020-03-26 Audi Ag Kolben für eine Brennkraftmaschine sowie entsprechende Brennkraftmaschine
DE102019213358A1 (de) * 2019-09-03 2021-03-04 Mahle International Gmbh Kolben
DE102021201154A1 (de) 2021-02-08 2022-08-11 Mahle International Gmbh Montageverfahren eines Zulauftrichters sowie zugehöriger Zulauftrichter und Kolben
DE102021133609B3 (de) 2021-12-17 2023-02-02 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Kolben mit funktionsoptimierten Kolbenkühlung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1930302A1 (de) * 1969-06-14 1970-12-17 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Verfahren und Einrichtung zum Kuehlen eines Brennkraftmaschinenkolbens
JPS56124650A (en) * 1980-03-06 1981-09-30 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Piston for internal combustion engine
WO2010009779A1 (de) * 2008-07-24 2010-01-28 Ks Kolbenschmidt Gmbh Reibgeschweisster stahlkolben mit optimiertem kühlkanal
DE102011075300A1 (de) * 2011-05-05 2012-11-08 Mahle International Gmbh Verfahren zur Herstellung einers Kolbens

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1930302U (de) * 1965-06-22 1965-12-30 Hans Pachlhofer Abdeckplatte fuer den koffer- bzw. laderaum bei combi-personenkraftwagen.
DD99418A1 (de) * 1972-10-12 1973-08-13
JPS5485209U (de) * 1977-11-29 1979-06-16
JPS57160917U (de) * 1981-04-03 1982-10-08
JPS57160942U (de) * 1981-04-03 1982-10-08
US4548127A (en) * 1981-05-08 1985-10-22 Dunn Stephen J Piston for internal combustion engine
DE3338419A1 (de) * 1983-10-22 1985-05-02 Mtu Motoren- Und Turbinen-Union Friedrichshafen Gmbh, 7990 Friedrichshafen Kolben fuer eine hubkolbenbrennkraftmaschine
DE3426238A1 (de) * 1984-07-17 1986-01-30 Mtu Motoren- Und Turbinen-Union Friedrichshafen Gmbh, 7990 Friedrichshafen Gebauter kolben
DE3702272A1 (de) * 1986-04-18 1987-10-22 Mahle Gmbh Tauchkolben fuer verbrennungsmotoren mit einem von kuehloel durchstroemten hohlraum
JPH03149341A (ja) * 1989-11-02 1991-06-25 Izumi Ind Ltd 鋳鉄製の冷却空洞付ピストン
JPH11132101A (ja) * 1997-10-29 1999-05-18 Komatsu Ltd 内燃機関用ピストンの冷却装置
DE19960913A1 (de) * 1999-12-17 2001-06-21 Mahle Gmbh Untere Abdeckung eines Kühlraumes für Kolben von Verbrennungsmotoren
US6634278B2 (en) * 2000-10-18 2003-10-21 Caterpillar Inc. Piston for an internal combustion engine and method of assembly
DE10346819A1 (de) * 2003-10-06 2005-04-21 Mahle Gmbh Einteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor
DE102004038946A1 (de) * 2004-08-11 2006-02-23 Mahle International Gmbh Kühlkanalkolben für einen Verbrennungsmotor mit Wärmerohren
US9238283B2 (en) * 2008-07-24 2016-01-19 Ks Kolbenschmidt Gmbh Friction welded steel piston having optimized cooling channel
EP3267022B1 (de) * 2009-11-10 2018-10-03 Federal-Mogul LLC Kolben mit blow-by-funktion und verfahren zur vermeidung eines katastrophalen defekts an einem verbrennungsmotor
DE102011007285A1 (de) * 2011-04-13 2012-10-18 Mahle International Gmbh Kolben für eine Brennkraftmaschine

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1930302A1 (de) * 1969-06-14 1970-12-17 Maschf Augsburg Nuernberg Ag Verfahren und Einrichtung zum Kuehlen eines Brennkraftmaschinenkolbens
JPS56124650A (en) * 1980-03-06 1981-09-30 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Piston for internal combustion engine
WO2010009779A1 (de) * 2008-07-24 2010-01-28 Ks Kolbenschmidt Gmbh Reibgeschweisster stahlkolben mit optimiertem kühlkanal
DE102011075300A1 (de) * 2011-05-05 2012-11-08 Mahle International Gmbh Verfahren zur Herstellung einers Kolbens

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109475949A (zh) * 2016-06-13 2019-03-15 Ks科尔本施密特有限公司 用于循环铣削操作的冷却通道开口
CN109475949B (zh) * 2016-06-13 2021-03-12 Ks科尔本施密特有限公司 用于循环铣削操作的冷却通道开口

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017514059A (ja) 2017-06-01
CN106662034A (zh) 2017-05-10
EP3129629B1 (de) 2018-06-06
EP3129629A1 (de) 2017-02-15
US20170030291A1 (en) 2017-02-02
JP6373404B2 (ja) 2018-08-15
MX2016013321A (es) 2017-01-18
US9989008B2 (en) 2018-06-05
DE102015206375A1 (de) 2015-10-15
PL3129629T3 (pl) 2018-11-30
CN106662034B (zh) 2019-07-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3129629B1 (de) Verlängerter kühlkanalzulauf für kühlkanalkolben und verfahren zu seinem betrieb
EP1407848B1 (de) Gewindewerkzeug mit Kühlmittelzufuhr
DE102015120962A1 (de) Kraftstoffverteiler und Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffverteilers
EP2342441B1 (de) Kühlkanalkolben einer brennkraftmaschine mit einem verschlusselement, das den kühlkanal verschliesst
EP2681437A2 (de) Kolben für einen verbrennungsmotor und verfahren zu seiner herstellung
WO2015124748A1 (de) Kolben ohne geschlossenen kühlraum für verbrennungsmotoren mit mindestens einer kühlöldüse pro zylinder sowie ein verfahren zur kühlung dieses kolbens
EP3612727A1 (de) Kolben in strukturbauweise
EP1636474B1 (de) Verfahren zur herstellung eines einteiligen kolbens für einen verbrennungsmotor
EP3630400B1 (de) Einlippenbohrer und verfahren zum herstellen eines einlippenbohrers
WO2011026481A1 (de) Verfahren zur herstellung eines kolbens für einen verbrennungsmotor
WO2013004218A1 (de) Kolben für einen verbrennungsmotor
EP2867509A1 (de) Besondere anordnung einer kühlkanalverbindungsbohrung eines kühlkanales
AT517140B1 (de) Schleifwerkzeug
DE102011000591B4 (de) Zentralventil für einen Schwenkmotorversteller
EP3555451B1 (de) Kühlkanal mit damm und trichter
DE102016109106A1 (de) Räumwerkzeug und Werkzeugvorrichtung mit einem Räumwerkzeug
WO2016023986A1 (de) Kühlölring
DE202015106569U1 (de) Kraftstoffverteiler
CH712063A1 (de) Herstellungsverfahren für einen Gleitschuh einer Axialkolbenmaschine und Gleitschuh.
DE102021129556B4 (de) Hybrid-gewindeschneider mit reibahle und gewindeschneidabschnitt
EP3452711A1 (de) Kolben
EP2011986A2 (de) Einteiliger Kühlkanalkolben mit zwei miteinander verschraubten Kolbenteilen
DE102005056183A1 (de) Zusammengesetzte Kurbelwelle
EP3169466B1 (de) Verfahren zum neubestücken eines einlippenbohrers
DE102011089959A1 (de) Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15715262

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2016561771

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 15302768

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: MX/A/2016/013321

Country of ref document: MX

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2015715262

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2015715262

Country of ref document: EP

REG Reference to national code

Ref country code: BR

Ref legal event code: B01A

Ref document number: 112016023348

Country of ref document: BR

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 112016023348

Country of ref document: BR

Kind code of ref document: A2

Effective date: 20161006