Verfahren zur Herstellung eines Kolbenbolzens sowie danach hergestellter Kolbenbolzen

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenbolzens zur Verbindung eines Kolbens einer Hubkolbenmaschine mit einem Pleuel sowie einen danach hergestellten Kolbenbolzen.

Stand der Technik

Am Kolben eines Verbrennungsmotors auftretende Kräfte werden mittels des Pleuels auf die Kurbelwelle übertragen. Der Kolben und das Pleuel sind mittels des Kolbenbolzens verbunden. Die am Kolben wirkenden Gas- und Massenkräfte werden über Bolzenaugen (oder andere Verbindungen zwischen Kolben und Kolbenbolzen) auf den Kolbenbolzen übertragen.

Da der Kolben und damit auch der Kolbenbolzen zu den bewegten Teilen eines Motors gehören, ist es vorteilhaft, das Gewicht des Kolbenbolzens zu verringern.

Hierfür ist es beispielsweise aus der JP 02-129466 bekannt, den Kolbenbolzen aus einem keramischen Material zu fertigen. Derartige Kolbenbolzen sind jedoch relativ teuer.

Weiter ist es beispielsweise aus der DE 36 10 133 Cl bekannt, den Kolbenbolzen als Verbundkörper mit einer metallischen Außenhülse und einem Kern aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff auszubilden. Zur festen Verbindung der metallischen Außenhülse und des Kerns wird dabei der Kern in die erwärmte Außenhülse geschoben, so dass diese dann auf dem Kern festschrumpft. Dadurch ist es möglich, das Gewicht des Kolbenbolzens durch eine leichten Kern zu reduzieren, ohne dabei die Belastbarkeit des Kolbenbolzens zu verringern. Um die Verbindung zwischen Außenhülse und Kern zu verbessern sowie um eine Delamination des Kerns zu verhindern, sind an den Enden der Außenhülse Schraubdeckel vorgesehen.

Aus der EP 0 040 174 Bl geht ein Bolzen für die Verbindung von Maschinenelementen hervor, der einen Kunststoffkern und eine metallische Umhüllung aufweist.

Die DE 30 23 204 C2 betrifft einen Bolzen mit einem Kern aus einem faserverstärkten Epoxyharz .

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenbolzens mit einer Außenhülse und einem Kern sowie einen danach hergestellten Kolbenbolzen zu schaffen, wobei die Verbindung zwischen Außenhülse und Kern eine hohe Festigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 6 gelöst.

Hierfür wird der Kolbenbolzen mit einer Außenhülse und einem Kern ausgebildet, wobei die Außenhülse und/oder der Kern in

eine Rotation um eine Achse versetzt werden, so dass sie eine Relativbewegung zueinander ausführen, und die Außenhülse und der Kern entlang der axialen Achse unter Druck verbunden werden. Durch die Kombination aus Druck und Relativrotation lässt sich eine Verbindung zwischen der Außenhülse und dem Kern herstellen, welche den Festigkeitsanforderungen genügt. Das Verfahren zur Herstellung des Kolbenbolzens ist besonders einfach und damit kostengünstig. Für die Herstellung der Verbindung ist weder eine Schutzatmosphäre notwendig, noch entstehen gesundheitsschädliche Dämpfe.

Das Material des Kerns ist derart gewählt, dass der Kern bei der Verbindung mit der Außenhülse unter Druck und Rotation plastifiziert und/oder aufgeschmolzen wird. Der Plastifizierungsprozess setzt sich durch die Kombination aus Druck und Rotation entlang des Kerns fort, bis schließlich die Außenhülse komplett mit dem Werkstoff des Kerns gefüllt ist. Die entstehende Verbindung zeichnet sich durch ein feines Mikrogefüge, geringen Verzug sowie gute mechanische Eigenschaften aus. Diese Eigenschaften resultieren aus der geringen notwendigen Wärmeeinbringung sowie der Verformung des Kerns an dem Außendurchmesser.

Besonders bevorzugt wird der Kern in eine Rotationsbewegung versetzt und entlang der axialen Achse in die Außenhülse gedrückt. Ein derartiges Verfahren ist besonders kostengünstig durchführbar.

Vorzugsweise wird der Kern in eine Rotationsbewegung mit einer festlegbaren Nenndrehzahl versetzt, bevor der Kern in die Außenhülse gedrückt wird. Die Nenndrehzahl ist dabei geeignet festzulegen, so dass ein Plastifizierungsprozess optimiert wird.

Vorzugsweise ist die Außenhülse mit einem Boden ausgebildet. Durch den axialen Druck und die daraus resultierende Reibungswärme am Boden der Außenhülse wird der Kern zunehmend plastifiziert , wobei sich der Plastifizierungsprozess vom Boden nach oben fortsetzt, bis schließlich die Außenhülse komplett mit dem Material des Kerns gefüllt ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Kern mit einem Außendurchmesser ausgebildet, welcher zumindest vor dem Verbinden mit der Außenhülse geringer ist als der Innendurchmesser der Außenhülse. Dadurch lassen sich der Kern und die Außenhülse ohne zusätzliche Erwärmung miteinander verbinden. Durch den Plastifizierungsprozess des Kerns und/oder des zusätzlich eingebrachten Materials wird der aus der Differenz der Durchmesser resultierende Spalt geschlossen.

Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt weiter durch einen Kolbenbolzen zur Verbindung eines Kolbens einer Hubkolbenmaschine mit einem Pleuel, wobei der Kolbenbolzen mit einer metallischen Außenhülse und einem Kern ausgebildet ist und die Außenhülse und der Kern mittels eines der beschriebenen Verfahren verbunden sind.

Vorzugsweise sind die Außenhülse und/oder der Kern mindestens teilweise metallisch. Metallische Werkstoffe habe gute Festigkeitseigenschaften und sind vergleichsweise kostengünstig. Dabei sind verschiedene Legierungen oder Verbundwerkstoffe sowohl für die Außenhülse als auch für den Kern denkbar. Die Werkstoffe der Außenhülse und des Kerns sind unabhängig voneinander an bestimmte Anforderungen anpassbar.

Bevorzugt ist der Kern aus einem Material ausgebildet, das leichter ist als das Material der Außenhülse. Durch die Ausbildung des Kerns aus einem Material mit einem geringeren Gewicht als das Material der Außenhülse, ist das Gewicht des Kolbenbolzens reduzierbar. Daneben ist es auch denkbar, Kolbenbolzen herzustellen, welche eine Außenhülse aus einem Werkstoff oder einer Werkstoffkombination aufweisen, das einer Beanspruchung der Außenhülse im Kontakt mit dem Pleuel besonders gut standhält. Für die Außenhülse sind beispielsweise die Verwendung legierter Stähle, Einsatz- oder Vergütungsstähle, wie 17Cr3 oder 16MnCr5, denkbar.

Besonders bevorzugt wird der Kern aus einem Leichtmetall- Verbundwerkstoff ausgebildet. Bei einem derartigen Verbundwerkstoff handelt es sich beispielsweise um ein Metal Matrix Composite (MMC) , wobei Verstärkungselemente als Partikel, Kurz- oder Langfasern in ein Leichtmetall eingebracht sind. Das MMC ist beispielsweise auf Basis von Aluminium oder Magnesium aufgebaut.

In einer weiteren Ausführungsform ist Außenhülse und/oder der Kern im Wesentlichen rotationssymmetrisch. Es versteht sich, dass dabei vorzugsweise nur der Innendurchmesser der Außenhülse im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Der Außenrand der Außenhülse kann dabei beliebig gestaltet werden.

Besonders bevorzugt ist die Außenhülse mit einem Boden ausgebildet ist. Dadurch sind der Kern und die Außenhülse besonders stabil miteinander verbindbar. Der Boden kann jedoch, aus Gründen der Gewichtseinsparung, in einem nachfolgenden Bearbeitungsprozess wieder entfernt werden.

Es ist ebenfalls denkbar, dass die Außenhülse rohrförmig, ohne Boden, aufgebaut ist und auf einer Bodenplatte aufsteht. Der Werkstoff und/oder eine Beschichtung der Bodenplatte wird dabei so gewählt, dass beim Verfahren zum Verbinden des Kerns mit der Außenhülse keine Stoffschlüssige Verbindung des Kerns und/oder der Außenhülse zur Bodenplatte entsteht. Denkbar ist beispielsweise eine Verwendung von Keramik und/oder Graphit.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten

Ausführungsform beispielhaft beschrieben. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines

Kolbens mit einem Bolzenauge zur Aufnahme eines Kolbenbolzens;

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kolbenbolzens ;

Fig. 3a - 3c verschiedene Schritte des Verfahrens zur

Herstellung eines Kolbenbolzens gemäß Fig. 2 ; und

Fig. 4a - 4c verschiedene Schritte eines weitern Verfahrens zur Herstellung eines zweiten Kolbenbolzens.

Ausführliche Beschreibung einer Ausführunσsform der Erfindung

Fig. 1 zeigt schematisch einen Kolben 1 einer Hubkolbenmaschine. Der Kolben 1 ist mit einem Kolbenboden 10

ausgebildet. Der Kolben 1 ist weiter mit einem Bolzenauge 12 und einer Ausnehmung 14 zur Aufnahme eines nicht dargestellten Pleuels ausgebildet. Das Pleuel wird in die Ausnehmung 14 eingesetzt und mittels eines in Fig. 2 dargestellten Kolbenbolzens mit dem Kolben 1 verbunden. Der Kolbenbolzen wird hierfür in das Bolzenauge 12 eingesetzt.

Die am Kolbenboden 10 auftretenden Verbrennungskräfte werden über den Kolbenbolzen auf das Pleuel übertragen. Der Kolbenbolzen ist daher einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt. Der Kolbenbolzen ist mit dem Kolben 1 fest verbunden. Der Kolbenbolzen gehört damit auch zu den bewegten Teilen des Motors.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolbenbolzen 2 mit einer Außenhülse 20 und einem Kern 22. Der Kern ist aus einem Leichtmetallverbundwerkstoff hergestellt. Dadurch ist das Gewicht des Kolbenbolzens verringerbar.

Die Außenhülse 20 und der Kern 22 sind durch eine Kombination aus Druck und einer Relativrotation derart fest verbunden, dass die Verbindung die hohen Festigkeitsanforderungen erfüllt, die aufgrund der mechanischen Beanspruchung des Kolbenbolzens 2 im Betrieb zu stellen sind.

Die Figuren 3a bis 3c zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des Kolbenbolzens gemäß Fig. 2. Das Verfahren zur Verbindung des Kerns mit einer Außenhülse wird auch als Friction Hydro Pillar Verfahren bezeichnet.

Wie in Fig. 3a dargestellt, ist die Außenhülse 20 mit einem Boden 24 ausgebildet. Die Außenhülse 20 und der Kern 22 sind im Wesentlichen rotationssymmetrisch. Es ist jedoch durchaus

denkbar, den Kern mit VorSprüngen und/oder die Außenhülse 20 mit Rücksprüngen auszubilden. Durch diese Vor- und/oder Rücksprünge ist eine Verbindung weiter verbesserbar.

Der Außendurchmesser Da des Kerns 22 ist geringer als der Innendurchmesser Di der Außenhülse 20. Die Differenz der Durchmesser ist in den Figuren übertrieben dargestellt.

Die Außenhülse 20 und der Kern 22 werden entlang einer Achse 3 ausgerichtet.

Der Kern 22 wird zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Kern 22 und der Außenhülle 20 in Rotation versetzt. Nach Erreichen einer Nenndrehzahl wird der Kern 22 in die Außenhülle 20 gedrückt.

Durch den axialen Druck und die daraus resultierende Reibungswärme am Boden der Außenhülse wird der Kern 22 zunehmend plastifiziert .

Durch die Kombination aus Druck und Rotation setzt sich der Plastifizierungsprozess immer weiter nach oben fort, wie in den Figuren 3b und 3c dargestellt.

Die so entstehende Verbindung zwischen der Außenhülle 20 und dem Kern 22 weist ein feines Mikrogefüge, einen geringen Verzug und gute mechanische Eigenschaften auf. Diese Eigenarten sind auf die geringe notwendige Wärmeeinbringung und die Verformung zur Herstellung der Verbindung zurückzuführen .

Die Materialien der Außenhülse 20 und des Kerns 22 sind entsprechend des Einsatzes des Kolbenbolzens geeignet zu

wählen. Ist der Kern 22 aus einem Material, das selbst nicht plastifizierbar ist, so sind zwischen den Kern 22 und die Außenhülle 20 zusätzliche plastifizierbare Werkstoffe zur Herstellung einer festen Schweißverbindung zwischen Außenhülse 20 und Kern 22 einzubringen.

Für die Herstellung der Verbindung ist weder eine Schutzatmosphäre notwendig, noch entstehenden gesundheitsschädliche Dämpfe. Die Verbindung ist daher nicht nur kostengünstig, sondern auch besonders umweltfreundlich herstellbar.

Die Figuren 4a bis 4c zeigen ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines weiteren Kolbenbolzens 2.

Wie in Fig. 4a dargestellt, ist die Außenhülse 20' dabei nicht mit einem Boden ausgebildet. Die rohrförmige Außenhülse 20' steht auf einer Bodenplatte 4 auf.

Der Werkstoff und/oder eine Beschichtung der Bodenplatte 4 wird so gewählt, dass beim anschließenden Verbinden der Außenhülse 20' mit dem Kern 22 keine Stoffschlüssige Verbindung des Kerns und/oder der Außenhülse 20' zur Bodenplatte 4 entsteht.

Der Kern 22 entspricht dabei dem in den Figuren 3a bis 3c dargestellten Kern mit einem geringeren Außendurchmesser Da als der Innendurchmesser Di der Außenhülse 20'.

Die Außenhülse 20' und der Kern 22 werden ebenfalls entlang einer Achse 3 ausgerichtet.

Der Kern 22 wird zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Kern 22 und der Außenhülle 20' in Rotation versetzt. Nach

Erreichen einer Nenndrehzahl wird der Kern 22 in die rohrförmige Außenhülle 20' gedrückt.

Durch den axialen Druck und die daraus resultierende Reibungswärme wird der Kern 22 -zunehmend plastifiziert .

Durch die Kombination aus Druck und Rotation setzt sich der Plastifizierungsprozess ausgehend von der Bodenplatte 4 immer weiter nach oben fort, wie in den Figuren 4b und 4c dargestellt.