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WO2009068494A2 - Kolben und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2009068494A2
WO2009068494A2 PCT/EP2008/066058 EP2008066058W WO2009068494A2 WO 2009068494 A2 WO2009068494 A2 WO 2009068494A2 EP 2008066058 W EP2008066058 W EP 2008066058W WO 2009068494 A2 WO2009068494 A2 WO 2009068494A2
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WO
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piston
pin
webs
skirt
workpiece
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Andreas Borst
Uwe Nuding
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Individual
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Ceased legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a piston for internal combustion engines, with a piston head, on which a piston skirt and piston webs connect forming a piston box, and provided in the piston webs bolt hub, and a method for its preparation.
  • the invention further relates to a piston pin for use with the piston.
  • the object of the present invention is to provide a piston with better material properties and highest geometric precision, so that best operating characteristics can be achieved with low piston weight.
  • the invention is based primarily on the recognition that there is a material which, although having the desired material properties, but can not be used for the production of pistons with the conventional methods of casting or pressing. According to the invention it is therefore provided that the piston consists of a spray-compacted aluminum-silicon alloy.
  • alloy ratios can be represented which can not be achieved by means of a conventional fusible alloy.
  • the alloy used thus preferably has spherically embedded silicon in a proportion of more than 20 percent by weight. The embedded silicon is exposed in the production of the piston, in particular in the area of the piston skirt and forms a very hard, but not provided with sharp edges tread. This reduces friction and ensures a long service life of the piston.
  • the piston skirt on a freeform geometry in which under operating conditions an ellipse surface projected on a cylinder is present as a support surface relative to a cylinder inner wall. This is achieved, inter alia, by a spherical design of the piston skirt.
  • the piston skirt has a projecting over the piston webs lot, which forms a spring-damper unit for receiving tilting moments. This promotes the smoothness of the piston.
  • the elliptical bearing surface is located in a region between the piston crown and the free end of the piston webs.
  • the wing is not rigid but has a predetermined elasticity, which is preferably created by a wall thickness weakening, so a recess in the piston skirt on the piston inside. Due to the depth and area of the recess, the elasticity of the support surface can be changed in a targeted manner.
  • the pin boss is axially offset transversely to the piston axis against the running direction of the piston, preferably by 0.3 to 0.7 mm, in particular by 0.5 mm. This reduces the forces acting on the piston at top dead center, since the connecting rod then already has a small deflection and an effective torque can be transmitted. The resulting momentum of the axle shift must be supported by the piston skirt. This happens mainly in the spring damper unit.
  • a further stiffening of the piston box can be achieved in that the piston webs are completed by a continuous, approximately parallel to the piston crown extending and inwardly facing annular web.
  • the wall thickness of the piston webs can be further reduced by this measure, resulting in a total weight advantage.
  • the piston crown may have flat reinforcing ribs extending as two inner ribs between the pin bosses of the Bolts hub and extend as four outer ribs approximately radially between the pin bosses and the annular region of the piston.
  • the inventive method for producing a piston for internal combustion engines comprises the following steps:
  • the piston head is machined.
  • the piston is expediently tensioned via an inserted piston pin against a holding device acting on the piston webs.
  • a turning method is used for fine machining, a milling method is used here.
  • a wet-chemical treatment of the piston takes place, for example by means of an aqueous vinegar solution.
  • the aluminum matrix is slightly etched away, so that embedded silicon particles protrude over the surface, in particular in the area of the piston skirt, and form a hard and wear-resistant running surface.
  • a piston pin for the piston according to the invention has a bore axially passing through the bore, which is widened conically in end regions of the bolt. As a result, the mass of the bolt is reduced, whereby the wall thickness, in particular in the highly loaded middle region of the tank, must be sufficiently large.
  • a piston pin having a length of 66 mm and a diameter of 22 mm may have a maximum wall thickness of 5 mm, which reduces to 2 mm due to the conical widenings towards the ends.
  • the conical widenings may have an opening angle in the range of 45 ° to 100 °.
  • the piston pin can additionally have a contour-turned inner shape, in which at high-loaded points of the bolt a larger wall strength is provided as at lower loaded points. Where the shear forces act through the pin boss and the connecting rod, the piston pin then has the largest wall thickness.
  • a piston pin with a diameter of 22 mm can have wall thicknesses of a minimum of 2.5 mm and a maximum of 4.0 mm.
  • the securing of the piston pin is effected by a respective provided in the end region of the bolt outer groove into which a locking ring is inserted.
  • a laminated ring has proven to be a circlip.
  • an inner locking ring is used, which is inserted into a groove in the pin boss.
  • this groove weakens the pin hub, so it can cause breaks in this area.
  • the piston pin according to the invention projects beyond the pin boss on both sides and is secured by the lamellar rings arranged on the pin. The bolt hub can thus remain groove-free.
  • the piston pin can be made of stainless steel and advantageously has a hard coating, for example a coating of a nitride or carbide such as titanium nitride (TiN) or tungsten carbide (WC).
  • a hard coating for example a coating of a nitride or carbide such as titanium nitride (TiN) or tungsten carbide (WC).
  • the invention furthermore relates to a method for controlling the movement distances of a machining or measuring tool during the machining or measuring of a workpiece, in which a computer program, starting from a predetermined reference plane, generates a data record with spatial coordinates of the workpiece, the workpiece being normal to the workpiece Reference level has an undercut workpiece section.
  • the workpiece may in particular be the piston according to the invention, whose piston skirt has a crown, so that from a viewing direction perpendicular to the piston crown an undercut portion of the piston skirt is present.
  • Such a lot is fundamentally not detectable by CAD programs, so that the workpiece has to be re-clamped to a different position in a milling machine in the case of a predetermined machining direction.
  • the invention proposes that starting from at least one further, normal to the first reference plane reference plane another record with spatial coordinates of the workpiece is generated and that the intersection of the at least two data sets is formed, wherein the intersection contains the spatial coordinates of the undercut workpiece section, so that a machining or measurement of the workpiece is made possible without changing its orientation.
  • the crown of the piston skirt which leads to an undercut area normal to the piston crown, is extremely small and lies within the range of the machining tolerance. If the piston were to be re-clamped during machining of the piston skirt, the desired crown could no longer be reliably produced.
  • a grid with triangulated interpolation points with the contour of the workpiece is preferably calculated, wherein the number of interpolation points is selected such that the resolution of the interstitial grid is greater than the processing tolerance.
  • the resolution of the grid can be at least one hundred times greater than the machining tolerance.
  • the grid is preferably calculated only at locations of the workpiece with special accuracy requirements with the highest resolution. If the computer program detects that the projected movement distance of the machining tool does not vary over several triangulation points, a radius function is used and calculated by the Calculation of other coordinates apart. Thus, for a given surface segment of the workpiece, a number of interpolation points is calculated such that three successive interpolation points lie on a circular arc for a given processing tolerance.
  • FIG. 1 is a perspective view of an embodiment of a piston for an internal combustion engine.
  • Fig. 2 is a plan view of the piston of FIG. 1;
  • FIGS. 3a and 3b show sections through a piston with two variants of a piston pin.
  • the piston shown in the drawing is a machined from a solid blank milled part. It consists essentially of a piston head 10 with an adjoining, annular piston ring section 12, two diametrically opposite piston shirts 14, 14 ', a pin boss having two bearing eyes 16, 16' and a number of piston or reinforcement webs.
  • piston webs 18 extend between the Kolbenhemdrän- the and the bearing lugs 16, 16 'of the pin boss and together with these form the piston box.
  • These piston webs are formed comparatively thin-walled and are therefore completed for further stiffening of an essentially parallel to the piston crown aligned annular web 20.
  • 10 reinforcing ribs are provided on the piston head, of which two inner ribs 22, 22 'within the piston box between the bearing lugs 16, 16' of the pin boss and two outer ribs 24, 24 'radially between the piston ring portion 12 and one of the Lagerau- conditions 16, 16 'extend.
  • the piston skirt 14 has two in Fig. 1 by dashed ellipses marked zones, of which the first, closer to the piston head 10 arranged a support portion 26 and the second, arranged in the region of the free end of the piston skirt 14 a spring-damping section 28.
  • Die Supporting portion 26 is the portion of the piston skirt 14, which lies radially outermost during operation of the piston due to the crowned design of the piston skirt and thus represents the main contact surface to the cylinder.
  • the support part has a greater elasticity than the surrounding parts of the piston skirt 14, which is set by a cutout 30 defined on the inside of the piston skirt.
  • the spring-damper section 28 supports the piston during tilting movements in the direction reversal at top dead center on the cylinder wall.
  • the resilient-steaming design of the lot 28 causes a noise minimization.
  • the tilting moment of the piston results from a pin hub axis offset by approx. 0.5 mm against the direction of travel of the piston. This reduces the forces acting on the piston at top dead center, since the connecting rod then already there has a small deflection, so that an effective torque can be transmitted.
  • the spring behavior is set defined by a decreasing cross-section towards the free end.
  • FIG. 3a the piston of FIG. 1 and 2 is shown with inserted piston pin 32.
  • the piston pin is hollow drilled to reduce weight, the bore widens conically towards the end sides.
  • the piston pin 32 projects beyond the bearing lugs 16, 16 'of the pin boss and has outer grooves 34, 34', into the lamellar rings 36, 36 'are used to secure the bolt in the hub.
  • Such a fuse has proven to be much more reliable than conventional fuses, in which a short piston pin and snap rings are used in internal grooves in the bearing bosses of the pin boss. In addition to the improved reliability of the fuse takes place in a backup, as shown in Fig.
  • the piston pin 32 also no weakening of the pin boss by internal grooves instead, so that the load capacity of the piston is improved.
  • this has a hard material coating, not shown, for example, a nitride or carbide coating on.
  • the piston pin 32 ' as shown in Fig. 3b, not only hollow drilled but also has a contour-turned inner shape, in which the wall thickness is greater at higher loaded points than at less highly loaded points. As a result, the weight of the piston pin 32 'is further reduced without reducing the load capacity.
  • the piston pin 32 ' is made of a steel alloy that is tempered, not just hardened. By tempering following tempering, high strength and high toughness are achieved during tempering.
  • the invention relates to a piston for internal combustion engines, with a piston head 10, on which a piston skirt 14, 14 'and piston webs 18 forming a piston box forming, and provided in the piston webs pin boss 16, 16', and a milling process for its production.
  • the invention further relates to a piston pin for use with the piston.
  • the invention is based primarily on the recognition that there is a material which, although having the desired material properties, but can not be used for the production of pistons with the conventional methods of casting or pressing. According to the invention, it is therefore provided that the piston consists of an injection-molded aluminum-silicon alloy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Kolbenboden (10), an dem sich ein Kolbenhemd (14, 14') und Kolbenstege (18) einen Kolbenkasten bildend anschließen, und einer in den Kolbenstegen vorgesehenen Bolzennabe (16, 16'), sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kolbenbolzen zur Verwendung mit dem Kolben. Die Erfindung geht vor allem von der Erkenntnis aus, dass es einen Werkstoff gibt, der zwar die gewünschten Materialeigenschaften aufweist, jedoch mit den herkömmlichen Verfahren des Gießens oder Pressens nicht für die Kolbenherstellung verwendet werden kann. Gemäß der Erfindung ist daher vorgesehen, dass der Kolben aus einer spritz-kompaktierten Aluminium-Silizium-Legierung besteht.

Description

Kolben und Verfahren zu dessen Herstellung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Kolbenboden, an dem sich ein Kolbenhemd und Kolbenstege einen Kolbenkasten bildend anschließen, und einer in den Kolbenstegen vorgesehenen Bolzennabe, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kolbenbolzen zur Verwendung mit dem Kolben.
Die am weitesten verbreiteten Verfahren für die Kolbenherstellung sind Gießen und Pressen (Schmieden). Beim Giessen wird verflüssigtes Material in eine Gussform gegossen und ein Rohling hergestellt, der vor der Verwendung noch nachbearbeitet werden muss. Die Nachbearbeitung erfolgt in der Regel spanabhebend. Ein derartiges Verfahren weist zwar den Vorteil auf, dass sich eine große Anzahl von Kolben in vergleichsweise kurzer Zeit herstellen lassen, jedoch sind Materialeigenschaften wie insbesondere Festigkeit, Steifigkeit und Warmfestigkeit sowie die Homogenität des Gefüges nicht optimal. Beim Gießen kann es zu einer Entmischung der Legierungs- bestandteile kommen, so dass der Kolbenboden eine andere Zusammensetzung aufweisen kann als das Kolbenhemd und die Bolzennabe. Zudem besteht die Gefahr einer Lunkerbildung. All diese Nachteile führen dazu, dass die Wand- und Bodenstärken des Kolbens stärker dimensioniert werden müssen als dies im optimalen Fall gegeben wäre. Der Kolben wird hierdurch unnötig schwer mit den bekannten damit verbundenen Nachteilen.
Beim Pressen wird ein flüssiger Werkstoff in eine Kokille gegossen und dann mit einem Stempel verdichtet bzw. nachverdichtet. Durch die Kombination Kokille und Stempel sind bei der Formgebung Grenzen gesetzt, bei- spielsweise sind Hinterschneidungen oder Angüsse auf diese Weise nicht herstellbar. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, dass die Ge- fahr einer Lunkerbildung vermieden oder zumindest stark reduziert wird. Zudem wird durch das Pressen eine höhere Festigkeit als beim Gießen erreicht. Eine spanabhebende Nachbearbeitung ist auch bei gepressten Kolben erforderlich.
Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Kolben mit besseren Materialeigenschaften und höchster geometrischer Präzision zu schaffen, so dass beste Betriebseigenschaften bei geringem Kolbengewicht erreicht werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Ansprüchen 1 , 4, 6, 10, 15 und 22 angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung geht vor allem von der Erkenntnis aus, dass es einen Werkstoff gibt, der zwar die gewünschten Materialeigenschaften aufweist, jedoch mit den herkömmlichen Verfahren des Gießens oder Pressens nicht für die Kolbenherstellung verwendet werden kann. Gemäß der Erfindung ist daher vorgesehen, dass der Kolben aus einer spritzkompaktierten Aluminium- Silizium-Legierung besteht. Bei einem spritzkompaktierten Werkstoff lassen sich Legierungsverhältnisse darstellen, die mittels einer herkömmlichen Schmelzlegierung nicht erreichbar sind. Bevorzugt weist die verwendete Legierung somit sphärisch eingelagertes Silizium mit einem Anteil von mehr als 20 Gewichtsprozent auf. Das eingelagerte Silizium wird bei der Herstellung des Kolbens insbesondere im Bereich des Kolbenhemds freigelegt und bildet eine sehr harte, jedoch nicht mit scharfen Kanten versehene Lauffläche. Dies vermindert die Reibung und sorgt für eine lange Lebensdauer des Kolbens. Ein derartiger Werkstoff wird beispielsweise von der PEAK Werkstoff GmbH unter der Materialbezeichnung S 270 angeboten. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung oder als Erfindungsvariante weist das Kolbenhemd eine Freiformgeomethe auf, bei der unter Betriebsbedingungen eine auf einen Zylinder projizierte Ellipsenfläche als Tragfläche gegenüber einer Zylinderinnenwand vorhanden ist. Erreicht wird dies unter anderem durch eine ballige Auslegung des Kolbenhemds. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung oder als weitere Erfindungsvariante weist das Kolbenhemd eine über die Kolbenstege überstehende Partie auf, die eine Feder-Dämpfereinheit zur Aufnahme von Kippmomenten bildet. Dies fördert die Laufruhe des Kolbens. Die elliptische Tragfläche befindet sich in einem Be- reich zwischen dem Kolbenboden und dem freien Ende der Kolbenstege. Die Tragfläche ist nicht starr sondern weist eine vorbestimmte Elastizität auf, die bevorzugt durch eine Wandstärkenschwächung, also eine Ausnehmung im Kolbenhemd auf der Kolbeninnenseite geschaffen ist. Durch die Tiefe und Fläche der Ausnehmung kann die Elastizität der Tragfläche gezielt ver- ändert werden.
Bevorzugt ist die Bolzennabe quer zur Kolbenachse entgegen der Laufrichtung des Kolbens achsverschoben, vorzugsweise um 0,3 bis 0,7 mm, insbesondere um 0,5 mm. Dies reduziert die auf den Kolben wirkenden Kräfte im oberen Totpunkt, da das Pleuel dann schon eine geringe Auslenkung aufweist und ein wirksames Drehmoment übertragen werden kann. Das resultierende Moment der Achsverschiebung muss vom Kolbenhemd gestützt werden. Dies geschieht überwiegend im Bereich der Feder-Dämpfereinheit.
Eine weitere Versteifung des Kolbenkastens kann dadurch erreicht werden, dass die Kolbenstege durch einen durchgängigen, annähernd parallel zum Kolbenboden verlaufenden und nach innen gewandten Ringsteg abgeschlossen sind. Die Wandstärke der Kolbenstege kann durch diese Maßnahme noch weiter verringert werden, wodurch insgesamt ein Gewichtsvor- teil entsteht. Weiterhin kann der Kolbenboden flache Verstärkungsrippen aufweisen, die sich als zwei innere Rippen zwischen den Bolzenaugen der Bolzennabe und als vier äußere Rippen etwa radial zwischen den Bolzenaugen und dem Ringbereich des Kolbens erstrecken.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungskraftmaschinen umfasst die folgenden Schritte:
a) Aufspannen eines Rohlings in einer Bearbeitungsstation; b) Einstechen oberhalb des Kolbenbodens über einen vorbestimmten Teildurchmesser des Rohlings; c) Grobherstellung der Kolbenform mit großem Vorschub; d) Auslagern des Rohlings bei einer Temperatur zwischen 200 0C und 300 0C für eine Dauer von 15 h bis 30 h; e) Feinbearbeitung der inneren und äußeren Bereiche des Kolbens mit Ausnahme des Kolbenhemds; f) Einstechen der Nuten für die Kolbenringe; g) Feinbearbeitung des Kolbenhemds; h) Feinbearbeitung der Bolzennabe; i) Abtrennen des Kolbens vom verbleibenden Rohling.
Versuche haben ergeben, dass ohne den anfänglichen Einstich oberhalb des Kolbenbodens Materialspannungen beim Abtrennen des bearbeiteten Kolbens vom Rohling zu Dimensionsveränderungen führen. Beispielsweise fluchten die Lageraugen der Bolzennabe nicht mehr exakt. Der Einstich wird jedoch nur so tief vorgenommen, dass eine stabile Verbindung zum einge- spannten Teil des Rohlings verbleibt, die in der Lage ist, die Kräfte der nachfolgenden Bearbeitungsschritte aufzufangen. Das Auslagern des Rohlings bei erhöhter Temperatur vor der Feinbearbeitung dient ebenfalls dem Abbau von Spannungen im Material. Eine Gefügeänderung tritt hierbei nicht auf. Von besonderer Wichtigkeit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es, dass alle wesentlichen Bearbeitungsschritte in einer Aufspannung erfolgen. Dies ist insbesondere für eine nahezu ideale Geometrie des Kolben- hemds und der Bolzennabe und ihrer exakt zueinander ausgerichteten Achsen von Bedeutung. Ebenso hat sich herausgestellt, dass die Reihenfolge der Bearbeitungsschritte, beispielsweise das Einstechen der Nuten für die Kolbenringe bevor das Kolbenhemd und die Bolzennabe fein bearbeitet werden, von großer Wichtigkeit für die Maßhaltigkeit der Kolbengeometrie ist.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Kolbenboden bearbeitet. Hierzu wird der Kolben zweckmäßig über einen einge- fügten Kolbenbolzen gegen eine an den Kolbenstegen angreifende Halte- rung gespannt. Während bei der konventionellen Kolbenherstellung ein Drehverfahren zur Feinbearbeitung eingesetzt wird, wird vorliegend ein Fräsverfahren angewandt.
Schließlich erfolgt eine nasschemische Behandlung des Kolbens, beispielsweise mittels einer wässrigen Essiglösung. Hierbei wird die Aluminiummatrix geringfügig weggeätzt, so dass eingelagerte Siliziumpartikel insbesondere im Bereich des Kolbenhemds über die Oberfläche überstehen und eine harte und verschleißfeste Lauffläche bilden.
Ein Kolbenbolzen für den erfindungsgemäßen Kolben weist eine den Bolzen axial durchsetzende Bohrung auf, die in Endbereichen des Bolzens konisch aufgeweitet ist. Die Masse des Bolzens wird hierdurch verringert, wobei die Wandstärke, insbesondere im hoch belasteten mittleren Bereich des BoI- zens, ausreichend groß sein muss. Ein Kolbenbolzen kann beispielsweise bei einer Länge von 66 mm und einem Durchmesser von 22 mm eine maximale Wandstärke von 5 mm aufweisen, die sich durch die konischen Aufweitungen zu den Enden hin auf 2 mm verringert. Die konischen Aufweitungen können einen Öffnungswinkel im Bereich von 45° bis 100° aufweisen. Alter- nativ kann der Kolbenbolzen zusätzlich eine konturgedrehte Innenform aufweisen, bei der an hoch belasteten Stellen des Bolzens eine größere Wand- stärke vorgesehen ist als an geringer belasteten Stellen. Dort wo die Scherkräfte durch die Bolzennabe und das Pleuel wirken, weist der Kolbenbolzen dann die größte Wandstärke auf. Ein Kolbenbolzen mit 22 mm Durchmesser kann dabei Wandstärken von minimal 2,5 mm und maximal 4,0 mm aufwei- sen.
Die Sicherung des Kolbenbolzens erfolgt durch jeweils eine im Endbereich des Bolzens vorgesehene Außennut, in die ein Sicherungsring eingesetzt wird. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines Lamellenrings als Sicherungsring erwiesen. Im Vergleich zu herkömmlichen Sicherungsringen, die keine in sich geschlossene Form aufweisen, ist die Gefahr eines Heraussphngens des Lamellenrings aus seiner Nut drastisch reduziert. Bei herkömmlichen Kolben wird zudem ein Innensicherungsring verwendet, der in eine Nut in der Bolzennabe eingesetzt wird. Diese Nut schwächt jedoch die Bolzennabe, so dass es in diesem Bereich zu Brüchen kommen kann. Der erfindungsgemäße Kolbenbolzen überragt die Bolzennabe beidseitig und wird durch die am Bolzen angeordneten Lamellenringe gesichert. Die Bolzennabe kann somit nutfrei bleiben.
Der Kolbenbolzen kann aus Edelstahl bestehen und weist vorteilhaft eine harte Beschichtung auf, beispielsweise eine Beschichtung aus einem Nitrid oder Carbid wie Titannitrid (TiN) oder Wolframkarbid (WC).
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung der Bewegungs- strecken eines Bearbeitungs- oder Messwerkzeugs bei der Bearbeitung oder Vermessung eines Werkstücks, bei dem ein Rechenprogramm, ausgehend von einer vorgegeben Bezugsebene, einen Datensatz mit Raumkoordinaten des Werkstücks erzeugt, wobei das Werkstück normal zu der Bezugsebene eine hinterschnittene Werkstückpartie aufweist. Das Werkstück kann insbe- sondere der erfindungsgemäße Kolben sein, dessen Kolbenhemd eine Balligkeit aufweist, so dass aus einer Sichtrichtung senkrecht zum Kolbenboden eine hinterschnittene Partie des Kolbenhemds vorhanden ist. Eine derartige Partie ist von CAD Programmen grundsätzlich nicht erfassbar, so dass das Werkstück bei vorgegebener Bearbeitungsrichtung in einer Fräsmaschine in eine andere Lage umgespannt werden muss. Um zu vermeiden, dass der Kolben im Zuge der Kolbenhemdbearbeitung umgespannt werden muss, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit vermindert werden würde, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ausgehend von mindestens einer weiteren, normal zur ersten Bezugsebene orientierten Bezugsebene ein weiterer Datensatz mit Raumkoordinaten des Werkstücks erzeugt wird und dass die Schnittmenge der mindestens zwei Datensätze gebildet wird, wobei die Schnittmenge die Raumkoordinaten der hinterschnittenen Werkstückpartie enthält, so dass eine Bearbeitung oder Vermessung des Werkstücks ermöglicht wird, ohne dessen Orientierung zu verändern. Die Balligkeit des Kolbenhemds, die normal zum Kolbenboden zu einem hinterschnittenen Be- reich führt, ist äußerst gering und liegt im Bereich der Bearbeitungstoleranz. Würde der Kolben bei der Bearbeitung des Kolbenhemds umgespannt werden, so ließe sich die gewünschte Balligkeit nicht mehr verlässlich herstellen.
Bevorzugt wird aus den Raumkoordinaten der Schnittmenge der mindestens zwei Datensätze ein Gitternetz mit triangulierten Stützpunkten mit der Kontur des Werkstücks berechnet, wobei die Anzahl der Stützpunkte derart gewählt wird, dass die Auflösung des Gitternetzes größer ist als die Bearbeitungstoleranz. Insbesondere kann die Auflösung des Gitternetzes mindestens ein- hundert Mal größer sein als die Bearbeitungstoleranz. Um bei derart hohen rechnerischen Auflösungen den Rechenaufwand auf ein vertretbares Maß zu reduzieren, wird das Gitternetz vorzugsweise nur an Orten des Werkstücks mit besonderen Genauigkeitsanforderungen mit der höchsten Auflösung berechnet. Erkennt das Rechenprogramm, dass die projizierte Bewe- gungsstrecke des Bearbeitungswerkzeugs über mehrere Triangulationspunkte nicht variiert, wird eine Radiusfunktion verwendet und von der Berechnung weiterer Koordinaten abgesehen. Es wird dann also für ein gegebenes Oberflächensegment des Werkstücks eine derartige Anzahl von Stützpunkten berechnet, dass für eine vorgegebene Bearbeitungstoleranz drei aufeinander folgende Stützpunkte auf einem Kreisbogen liegen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kolbens für eine Verbrennungskraftmaschine;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kolben gemäß Fig. 1 ; und
Fig. 3a und b Schnitte durch einen Kolben mit zwei Varianten eines KoI- benbolzens.
Der in der Zeichnung dargestellte Kolben ist ein aus einem massiven Rohling gearbeitetes Frästeil. Er besteht im Wesentlichen aus einem Kolbenboden 10 mit einer daran anschließenden, ringförmigen Kolbenringpartie 12, zwei einander diametral gegenüberliegenden Kolbenhemden 14, 14', einer zwei Lageraugen 16, 16' aufweisenden Bolzennabe und einer Anzahl von Kolben- oder Verstärkungsstegen.
Jeweils zwei Kolbenstege 18 erstrecken sich zwischen den Kolbenhemdrän- dem und den Lageraugen 16, 16' der Bolzennabe und bilden gemeinsam mit diesen den Kolbenkasten. Diese Kolbenstege sind vergleichsweise dünnwandig ausgebildet und werden daher zur weiteren Aussteifung von einem im Wesentlichen parallel zum Kolbenboden ausgerichteten Ringsteg 20 abgeschlossen. Weiterhin sind am Kolbenboden 10 Verstärkungsrippen vorgesehen, von denen sich zwei innere Rippen 22, 22' innerhalb des Kolbenkastens zwischen den Lageraugen 16, 16' der Bolzennabe und jeweils zwei äußere Rippen 24, 24' radial zwischen der Kolbenringpartie 12 und einem der Lagerau- gen 16, 16' erstrecken.
Das Kolbenhemd 14 weist zwei in Fig. 1 durch gestrichelte Ellipsen markierte Zonen auf, von denen die erste, näher am Kolbenboden 10 angeordnete eine Stützpartie 26 darstellt und die zweite, im Bereich des freien Endes des Kolbenhemds 14 angeordnete eine Feder-Dämpfungspartie 28. Die Stützpartie 26 ist die Partie des Kolbenhemds 14, die im Betrieb des Kolbens auf Grund der balligen Ausführung des Kolbenhemds radial am weitesten außen liegt und somit die hauptsächliche Kontaktfläche zum Zylinder darstellt. Die Stützpartie weist eine gegenüber den umliegenden Teilen des Kolbenhemds 14 größere Elastizität auf, die durch eine Ausfräsung 30 an der Innenseite des Kolbenhemds definiert eingestellt wird. Die Feder-Dämpfungspartie 28 stützt den Kolben bei Kippbewegungen bei der Richtungsumkehr am oberen Totpunkt an der Zylinderwand ab. Die federnd-dampfende Auslegung der Partie 28 bewirkt eine Geräuschminimierung. Das Kippmoment des Kolbens resultiert aus einer um ca. 0,5 mm entgegen der Laufrichtung des Kolbens versetzten Bolzennabenachse. Dies reduziert die auf den Kolben wirkenden Kräfte im oberen Totpunkt, da das Pleuel dann dort schon eine geringe Auslenkung aufweist, so dass ein wirksames Drehmoment übertragen werden kann. Das Federverhalten wird durch einen zum freien Ende hin abnehmen- den Querschnitt definiert eingestellt.
In der Schnittdarstellung der Fig. 3a ist der Kolben gemäß Fig. 1 und 2 mit eingesetztem Kolbenbolzen 32 dargestellt. Der Kolbenbolzen ist zur Gewichtsreduzierung hohlgebohrt, wobei sich die Bohrung zu den Endseiten hin konisch aufweitet. Der Kolbenbolzen 32 überragt die Lageraugen 16, 16' der Bolzennabe und weist Außennuten 34, 34' auf, in die Lamellenringe 36, 36' zur Sicherung des Bolzens in der Nabe eingesetzt sind. Eine derartige Sicherung hat sich als wesentlich zuverlässiger als herkömmliche Sicherungen erwiesen, bei denen ein kurzer Kolbenbolzen und Sprengringe in Innennuten in den Lageraugen der Bolzennabe verwendet werden. Neben der verbesserten Zuverlässigkeit der Sicherung findet bei einer Sicherung, wie in Fig. 3 dargestellt, zudem keine Schwächung der Bolzennabe durch Innennuten statt, so dass die Belastbarkeit des Kolbens verbessert wird. Um die tribologischen Eigenschaften des Kolbenbolzens 32 zu verbessern, weist dieser eine nicht näher dargestellte Hartstoffbeschichtung, beispielsweise eine Nitrid- oder Carbidbeschichtung, auf. Alternativ ist der Kolbenbolzen 32', wie in Fig. 3b dargestellt, nicht nur hohlgebohrt sondern weist zusätzlich eine konturgedrehte Innenform auf, bei der die Wandstärke an höher belasteten Stellen größer ist als an weniger hoch belasteten Stellen. Hierdurch wird das Gewicht des Kolbenbolzens 32' noch weiter reduziert, ohne dabei die Belastbarkeit zu vermindern. Der Kolbenbolzen 32' besteht aus einer Stahllegierung, die vergütet, nicht nur gehärtet, wird. Durch das auf eine Härtung folgende Anlassen wird beim Vergüten eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher Zähigkeit erreicht.
Zusammenfassend ist folgendes festzustellen: Die Erfindung betrifft einen Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Kolbenboden 10, an dem sich ein Kolbenhemd 14, 14' und Kolbenstege 18 einen Kolbenkasten bildend anschließen, und einer in den Kolbenstegen vorgesehenen Bolzennabe 16, 16', sowie ein Fräsverfahren zu dessen Herstellung. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kolbenbolzen zur Verwendung mit dem Kolben. Die Erfindung geht vor allem von der Erkenntnis aus, dass es einen Werkstoff gibt, der zwar die gewünschten Materialeigenschaften aufweist, jedoch mit den herkömmlichen Verfahren des Gießens oder Pressens nicht für die Kolbenherstellung verwendet werden kann. Gemäß der Erfindung ist daher vor- gesehen, dass der Kolben aus einer spritzkompaktierten Aluminium-Silizium- Legierung besteht.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Kolbenboden (10), an den sich ein Kolbenhemd (14, 14') und Kolbenstege (18) einen KoI- benkasten bildend anschließen, und einer in den Kolbenstegen vorgesehenen Bolzennabe (16, 16'), dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben aus einer spritzkompaktierten Aluminium-Silizium-Legierung besteht.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung sphärisch eingelagertes Silizium mit einem Anteil von mehr als 20 Gew% aufweist.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenhemd (14, 14') eine Freiformgeometrie aufweist, bei der unter
Betriebsbedingungen eine auf einen Zylinder projizierte Ellipsenfläche als Tragfläche (26) gegenüber einer Zylinderinnenwand vorhanden ist.
4. Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Kolbenboden (10), an den sich ein Kolbenhemd (14, 14') und Kolbenstege (18) einen Kolbenkasten bildend anschließen, und einer in den Kolbenstegen vorgesehenen Bolzennabe (16, 16'), dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenhemd (14, 14') eine Freiformgeometrie aufweist, bei der unter Betriebsbedingungen eine auf einen Zylinder projizierte Ellipsenfläche als Tragfläche (26) gegenüber einer Zylinderinnenwand vorhanden ist.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenhemd (14, 14') eine über die Kolbenstege (18) überstehende Partie (28) aufweist, die eine Feder-Dämpfereinheit zur Auf- nähme von Kippmomenten bildet.
6. Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Kolbenboden (10), an den sich ein Kolbenhemd (14, 14') und Kolbenstege (18) einen Kolbenkasten bildend anschließen, und einer in den Kolbenstegen vorge- sehenen Bolzennabe (16, 16'), dadurch gekennzeichnet, dass das
Kolbenhemd (14, 14') eine über die Kolbenstege (18) überstehende Partie (28) aufweist, die eine Feder-Dämpfereinheit zur Aufnahme von Kippmomenten bildet.
7. Kolben nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenhemd im Bereich der Tragfläche (26) eine Wandstärkenveränderung, insbesondere eine Wandstärkenschwächung auf der Kolbeninnenseite aufweist.
8. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzennabe (16, 16') quer zur Kolbenachse entgegen der Laufrichtung des Kolbens achsverschoben ist, vorzugsweise um 0,3 bis 0,7 mm, insbesondere um 0,5 mm.
9. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstege (18) durch einen durchgängigen, annähernd parallel zum Kolbenboden verlaufenden und nach innen gewandten Ringsteg (20) abgeschlossen sind.
10. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (10) flache Verstärkungsrippen aufweist, die sich als zwei innere Rippen (22, 22') zwischen den Lageraugen (16, 16') der Bolzennabe und als vier äußere Rippen (24, 24') zwischen den Bolzenaugen und dem Ringbereich (12) des Kolbens erstrecken.
11. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungskraftmaschi- nen, umfassend die folgenden Schritte: a) Aufspannen eines Rohlings in einer Bearbeitungsstation; b) Einstechen oberhalb des Kolbenbodens (10) über einen vorbestimm- ten Teildurchmesser des Rohlings; c) Grobherstellung der Kolbenform mit großem Vorschub des Bearbeitungswerkzeugs; d) Auslagern des Rohlings bei einer Temperatur zwischen 200 0C und 300 0C für eine Dauer von 15 h bis 30 h; e) Feinbearbeitung der inneren und äußeren Bereiche des Kolbens mit
Ausnahme des Kolbenhemds (14, 14'); f) Einstechen der Nuten (12) für die Kolbenringe; g) Feinbearbeitung des Kolbenhemds; h) Feinbearbeitung der Bolzennabe (16, 16'); i) Abtrennen des Kolbens vom verbleibenden Rohling.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben in einem weiteren Bearbeitungsschritt der Kolben in eine Halterung eingespannt und der Kolbenboden (10) feinbearbeitet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben über einen eingefügten Kolbenbolzen (32, 32') gegen die an den Kolbenstegen (18) angreifende Halterung gespannt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch eine nasschemische Behandlung des Kolbens, bevorzugt mittels einer wässrigen Essiglösung.
15. Kolbenbolzen, insbesondere für einen Kolben nach einem der Ansprü- che 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine den Bolzen (32) axial durch- setzende Bohrung, die in Endbereichen des Bolzens konisch aufgeweitet ist.
16. Kolbenbolzen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die konischen Aufweitungen einen Öffnungswinkel im Bereich von 45° bis
100° aufweisen.
17. Kolbenbolzen nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch jeweils eine im Endbereich des Bolzens (32) vorgesehene Außennut (34, 34') zur Aufnahme eines Sicherungsrings (36, 36').
18. Kolbenbolzen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungsring ein Lamellenring (36, 36') ist.
19. Kolbenbolzen nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (32) aus Edelstahl besteht und eine harte Beschichtung aufweist.
20. Kolbenbolzen nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Nitrid- oder Carbidbeschichtung ist.
21. Kolbenbolzen nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenbolzen (32') zusätzlich eine konturgedrehte Innenform aufweist, bei der an hoch belasteten Stellen des Bolzens ei- ne größere Wandstärke vorgesehen ist als an geringer belasteten Stellen.
22. Verfahren zur Steuerung der Bewegungsstrecken eines Bearbeitungsoder Messwerkzeugs bei der Bearbeitung oder Vermessung eines Werkstücks, bei dem ein Rechenprogramm ausgehend von einer vor- gegeben Bezugsebene einen Datensatz mit Raumkoordinaten des
Werkstücks erzeugt, wobei das Werkstück normal zu der Bezugsebene eine hinterschnittene Werkstückpartie aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von mindestens einer weiteren, normal zur ersten Bezugsebene orientierten Bezugsebene ein weiterer Datensatz mit Raumkoordinaten des Werkstücks erzeugt wird und dass die Schnittmenge der mindestens zwei Datensätze gebildet wird, wobei die Schnittmenge die Raumkoordinaten der hinterschnittenen Werkstückpartie enthält, so dass eine Bearbeitung oder Vermessung des Werk- Stücks ermöglicht wird, ohne dessen Orientierung zu verändern.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Raumkoordinaten der Schnittmenge der mindestens zwei Datensätze ein Gitternetz mit triangulierten Stützpunkten mit der Kontur des Werk- Stücks berechnet wird, wobei die Anzahl der Stützpunkte derart gewählt wird, dass die Auflösung des Gitternetzes größer ist als die Bearbeitungstoleranz.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Auf- lösung des Gitternetzes mindestens einhundert Mal größer ist als die
Bearbeitungstoleranz.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass für ein gegebenes Oberflächensegment des Werkstücks eine derartige Anzahl von Stützpunkten berechnet wird, dass für eine vorgegebene Bearbeitungstoleranz drei aufeinander folgende Stützpunkte auf einem Kreisbogen liegen.
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