Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Kolben für

Verbrennungsmotoren (d.h. Diesel- oder Ottomotoren) und

Verfahren zu deren Herstellung. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung solcher Kolben.

Technischer Hintergrund

Kolben für Otto- und Dieselmotoren verfügen in der Regel über eine Formbohrung in der Kolbennabe, um eine übermäßige

Belastung der Innenkante der Oberseite der Kolbennabe

aufgrund des Zünddrucks und der Durchbiegung des Kolbens zu vermeiden. Der untere Teil der Kolbennabe wird durch die Fliehkraft beansprucht. Zur Gewichtsreduktion und zur

Verwendung konischer Pleuel wird in der Regel eine konisch abgeschnittene Nabe verwendet, d.h. die untere Nabenlänge ist kürzer als die obere Nabenlänge (vorliegend bezeichnet die untere Seite diejenige Seite, die von dem Kolbenboden weg ist, während die obere Seite diejenige Seite ist, zu dem Kolbenboden hin gerichtet ist) .

Die Kolbennabe wird im Stand der Technik als durchgängige Bohrung realisiert, um die Koaxialität der beiden Nabenseiten sicherzustellen. Die entsprechende Formbohrung wird durch eine Drehbearbeitung durchgeführt, wobei mit konventionellen Drehmaschinen die untere Nabenform der oberen entsprechen muss, d.h. die Nabenfläche wird durch die Rotation einer Profilkurve um die Bohrungsachse gebildet und ein Schnitt senkrecht zur Bohrungsachse ergibt eine Kreisform mit einem über die Profilkurve definiertem Radius. Aufgrund der

thermischen Deformation des Kolbens wird die Mittelachse der beiden Naben im betriebswarmen Zustand jeweils zum

Kolbenboden hin gedreht, wodurch sich die Warmkontur der unteren Kolbennabe deutlich von derjenigen der oberen

Kolbennabe unterscheidet. Da die Auslegung der Kolbennabe primär aus Festigkeitsgründen unter Zünddruckbelastung durchgeführt wird, kann die untere Kolbennabe unter

Fliehkraftbelastung eine kritische Belastung am Rand

aufweisen, wie dies die vorliegenden Erfinder festgestellt haben. Diese gilt es zu vermeiden.

Bekannter Stand der Technik

Beispiele des Standes der Technik sind die DE 10 2005 020 501 Al, WO 2007/115527 A1, DE 101 37 437 A1, WO 2007/025733 A1,

DE 10 2009 056 920 A1, DE 10 2009 036 784 A1 und WO

2005/078321 A1.

Durch Verwendung besonderer Feindrehmaschinen mit

Magnetspindel kann die Auslenkung variabel in Abhängigkeit des Winkels definiert werden. Hierdurch ist es prinzipiell möglich, nicht-rotationssymmetrische Formbohrungen zu

fertigen, wodurch die obere und untere Nabenform voneinander entkoppelt werden können. Entsprechende Herstellungsverfahren werden zum Beispiel in der WO 2007/025733 A1 beschrieben. Mit dieser Technik können bei Bedarf bestimmte Ovalitäten in horizontaler und vertikaler Richtung ausgebildet werden, während in Umfangsrichtung eine geeignete

Überblendungsfunktion zwischen den beiden Formen des oberen Nabenteils und des unteren Nabenteils verwendet wird. Die JP 2018-119444 A offenbart Merkmale, die unter den Oberbegriff des Anspruchs 1 fallen. Darstellung der Erfindung

Den Erfindern ist aufgefallen, dass es bei den Verfahren aus dem Stand der Technik eine nur unzureichende Kompensation der thermischen Dehnung gibt. Dies führt zu einer erhöhten

Flankenbelastung an der Nabenunterseite im Betriebszustand, welche zu vermeiden bzw. zu verringern ist.

Die Erfindung zielt darauf ab, die genannten Nachteile zu reduzieren .

Die Erfindung wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Die Erfindung wird ferner durch die Verfahrensansprüche und durch den Vorrichtungsanspruch definiert .

Erfindungsgemäß weist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor zwei Kolbennaben auf. Bei einem solchen Kolben kann es sich um einen Kolben für Dieselmotoren, aber auch für Ottomotoren handeln. Bei den Kolbennaben handelt es sich um diejenigen Teile des Kolbens, die zur Aufnahme eines Kolbenbolzens ausgestaltet sind und die bei Verwendung eines solchen

Kolbens den Kolben mit dem Pleuel verbinden. Diese

Kolbennaben weisen einen im Wesentlichen konstanten

Querschnitt auf. Hierunter wird verstanden, dass die

Kolbennaben in demjenigen Teil, in dem sie den Kolbenbolzen aufnehmen, einen Querschnitt aufweisen, der sich in Richtung der Kolbennabe nicht wesentlich aufweitet oder verengt oder sich sonstwie verändert. Dieser im Wesentlichen konstante Querschnitt muss sich nicht durch die gesamte Kolbennabe hindurch erstrecken - es reicht aus, wenn sich dieser im Wesentlichen konstante Querschnitt lediglich über denjenigen Bereich erstreckt, durch den bei Verwendung des Kolbens der Kolbenbolzen aufgenommen und gehalten wird. Ein solcher Kolben ist erfindungsgemäß im Wesentlichen zylindrisch und hat eine Achse, die sich entlang der Achse des Zylinders erstreckt. Eine Ebene senkrecht zu dieser Achse wird als Referenzebene des Kolbens definiert.

Erfindungsgemäß sind die Mittellinien der Kolbennaben in Bezug auf die Referenzebene geneigt. Hierbei wird unter den Mittellinien der Kolbennabe eine Linie verstanden, die durch diejenigen Teile der Kolbennaben definiert wird, die einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweisen. Die

Mittellinien erstrecken sich jeweils durch die

Flächenschwerpunkte dieser Querschnitte. Die Neigung der Mittellinien ist bevorzugt so, dass die Kolbennaben von dem Kolbenboden weg geneigt sind, wenn man sich von der

Außenseite des Kolbens entlang der Kolbennabe zur Innenseite des Kolbens bewegt.

Den Erfindern ist aufgefallen, dass durch eine entsprechende Neigung der Mittellinien der Kolbennaben die Spannungen in den unteren Kolbennaben, die im betriebswarmen Zustand unter Fliehkraft wirken, verringert werden können. Hierbei wird die aufwärts, d.h. zum Kolbenboden hin, gerichtete Neigung der Kolbennaben aufgrund der thermischen Ausdehnung ganz oder teilweise kompensiert.

Besonders bevorzugt wird, dass der Neigungswiankel der

Mittellinien der Kolbennaben bezüglich der Referenzebene im Bereich von 0,02° bis 1°, besonders bevorzugt im Bereich von 0,02° bis 0,5° liegt. Simulationen haben die gute Eignung dieses Winkelbereichs gezeigt.

Die Erfindung ist für alle Arten von Kolben gedacht, also sowohl Ottokolben als auch Dieselkolben. Die primäre

Anwendung wären Ottokolben, welche fast immer aus einer

Aluminiumlegierung bestehen. In der Praxis wäre eine

Anwendung auf Dieselkolben, die typischerweise aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung bestehen, auch möglich. Weiterhin wird bevorzugt, dass die beiden Mittellinien der beiden Kolbennaben mit der Referenzebene den gleichen Winkel einschließen.

Weiterhin wird bevorzugt, dass die Mittellinien der beiden Kolbennaben zueinander spiegelsymmetrisch in Bezug auf eine Ebene sind, welche die Achse des Kolbens enthält. Diese Ebene wäre zum Beispiel eine Ebene, die sich mittig zwischen den beiden Kolbennaben erstreckt und zu den beiden Kolbennaben senkrecht ist.

Optional haben die Kolbennaben im Querschnitt ein ovales Profil. Mit einem solchen ovalen Profil kann die Spannung, die im Kolben auftritt, verringert werden, was für das

Abnutzungsverhalten des Kolbens von Vorteil ist.

Mathematisch formuliert wird ein erfindungsgemäßer Kolben für einen Verbrennungsmotor in einem Koordinatensystem KSo folgendermaßen definiert:

Die Achse z ₀ entspricht der Achse eines dem Kolben

umschriebenen Zylinders und zeigt in Richtung des

Kolbenbodens. Die Achse x ₀ zeigt in Richtung der Druckseite, die Achse y0 zeigt in Richtung der Frontseite. Eine

Bolzenebene sei definiert, die parallel zur y ₀ z ₀ -Ebene um ein Maß d, den Bolzenversatz, in x ₀ Richtung verschoben ist. Die xoyo ^_ Ebene sei als Augenebene (Nabenebene) bezeichnet, die xo _Z o-Ebene als Laufebene.

Die Schnittgerade zwischen Bolzenebene und Augenebene

definiert bei konventionellen Kolben die Achse der

Kolbennabe. Auf dieser Geraden seien zwei Punkte A und B definiert, die jeweils die halbe Länge des Bolzens von der Laufebene entfernt sind. Diese Punkte kennzeichnen das Ende der Kolbennabe und den Beginn der Nuten für die

Sicherungsringe . Im Gegensatz zum Stand der Technik wird ein Kolben vorgeschlagen, bei dem die beiden Bohrungen der Kolbennabe nicht auf einer durchgängigen horizontalen Achse AB liegen, sondern durch zwei zur Augenebene im gleichen Winkel

geneigte Achsen definiert werden. Diese Achsen verlaufen durch die Punkte A und B und schneiden sich in einem weiteren Punkt C, der sich aufgrund der Symmetrie in der Laufebene befindet. Auf beiden Achsen wird je ein zylindrisches

Koordinatensystem KS ₁ , KS ₂ definiert, wobei die z-Achse von A bzw. B nach C zeigt und die r-Achse in der Bolzenebene liegt und zum Kolbenboden zeigt.

Die Motivation zur Einführung der geneigten Bohrungsachsen ergibt sich aus der vollständigen oder teilweisen

Kompensation der thermischen Dehnung im betriebswarmen

Zustand, so dass beiden Bohrungsachsen der warmen Kolbennabe weitgehend koaxial sind, wodurch der Nachteil der

Kantenbelastung an der unteren Kolbennabe ausgeschlossen werden kann.

Zur Realisierung der Feinkontur der Bolzenbohrung wird eine Profilbohrung im Intervall [0, L _B ] definiert, wobei L _B die Länge der Bolzenbohrung definiert. Die Profilbohrung verläuft ausgehend vom den Startpunkten der beiden Bolzenbohrungen A und B in Richtung C und definiert jeweils die lokale radiale Aufweitung R als stetige und konvexe Funktion f der axialen Auslenkung :

Hierbei definieren z ₁ , z ₂ die jeweiligen Positionen entlang der jeweiligen Nabenachse. R bezeichnet den Abstand der jeweiligen Nabenoberfläche von der Linie A-C bzw. B-C.

Die Formbohrungen Ri(zi) und R ₂₍ z ₂₎ seien konvexe Funktion im Intervall [0, L _B ] , so dass für alle [0,L _b ] und [0,1] gilt :

Als Erweiterung der rotationssymmetrischen Bohrung im

geneigten Koordinatensystem wird eine Ovalität a(z) in horizontaler Richtung eingeführt, wobei a(z) die Zunahme des Durchmessers angibt:

Dies bedeutet, dass der Durchmesser in horizontaler Richtung 2*R(z) + a(z) ist, während in vertikaler Richtung ein

Durchmesser von 2*R(z) besteht.

In gleicher Weise wird eine Ovalität in vertikaler Richtung eingeführt :

Weiterhin kann eine allgemeine Ovalität im geneigten

Koordinatensystem durch Definition einer Fourier-Reihe beschrieben werden:

Erfindungsgemäß ist auch ein Herstellungsverfahren für Kolben nach Anspruch 9. Mit einem solchen Verfahren kann ein Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt werden.

Erfindungsgemäß wird hierbei ein Kolbenrohling auf einer Drehscheibe angeordnet. Bei einem solchen Kolbenrohling handelt es sich um ein Objekt, aus dem der fertige Kolben hergestellt werden soll. Der Kolbenrohling wird von einer Seite des Rohlings (einer Mantelseite im fertigen Kolben) aus bearbeitet (zum Beispiel durch eine Drehbearbeitung), um eine der zwei Kolbennaben auszubilden. Anschließend wird der

Kolbenrohling um die Achse des herzustellenden Kolbens gedreht (typischerweise um 180°) . Danach wird er an einer zweiten Position abtragend von außen nach innen bearbeitet, um die zweite der zwei Kolbennaben auszubilden. Da man somit nur eine einzige Vorrichtung zum abtragenden Bearbeiten des Kolbenrohlings vorsehen muss, ist ein solches Verfahren leichter implementierbar.

Alternativ ist es auch möglich, einen Kolbenrohling auf einer Plattform anzuordnen, die um eine Schwenkachse verschwenkbar ist, die senkrecht zur Achse des herzustellenden Kolbens und zu der Geraden ist, welche im fertigen Kolben die beiden Kolbennaben verbindet. Nun wird in einem ersten Schritt des abtragenden Bearbeitens die erste der zwei Kolbennaben ausgebildet, wozu der Kolbenrohling um den Winkel um die Schwenkachse gedreht wird. Dieses abtragende Bearbeiten erfolgt im Wesentlichen entlang der Richtung, die sich entlang der Geraden erstreckt, welche im fertigen Kolben die beiden Kolbennaben verbindet. Sobald das Werkzeug die

Mittelachse des Kolbens erreicht hat, wird der Kolben um die Schwenkachse der Plattform mit dem Winkel -2 a zurück geschwenkt. Es folgt das abtragende Bearbeiten des

Kolbenrohlings, um die zweite der zwei Kolbennaben

auszubilden. Dieses abtragende Bearbeiten erfolgt ebenso im Wesentlichen entlang der Richtung, entlang der das abtragende Bearbeiten während des ersten Schritts erfolgt ist. D.h. die Richtung, in der abgetragen wird, unterscheidet sich bis auf den Schwenkwinkel a nicht zwischen dem Herstellen der ersten Kolbennabe und der zweiten Kolbennabe. Ein solches Verfahren ist leicht implementierbar, wobei jedoch ein entsprechendes „langes" Werkzeug für das abtragende Bearbeiten nötig ist.

Das Verschwenken erfolgt um einen Winkel von ± , d.h. dem Neigungswinkel der Kolbennaben in Bezug auf die

Referenzebene .

Ein weiteres erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren umfasst das Anordnen des Kolbenrohlings auf einer Plattform. Diese ist jedoch entlang der Achse des herzustellenden Kolbens verfahrbar. Der Kolbenrohling wird anschließend abtragend in eine Richtung senkrecht zur Achse des herzustellenden Kolbens bearbeitet, um eine der zwei Kolbennaben auszubilden.

Gleichzeitig dazu wird der Kolbenrohling entlang der Achse des herzustellenden Kolbens verfahren, um eine erste

Kolbennabe auszubilden. Durch die Kombination aus der

Verfahrbewegung entlang der Achse des Kolbens und den

abtragenden Bearbeiten senkrecht zur Kolbenachse ergibt sich in Summe eine schräge Ausrichtung der Kolbennabe, wie dies vorliegend beansprucht wird. Sobald das Werkzeug die

Mittelachse des Kolbens erreicht hat, wird die

Verfahrrichtung des Werkzeugs beibehalten, aber die

Verfahrrichtung des Kolbenrohlings umgekehrt, wodurch die zweite Kolbennabe ausgebildet wird.

Die Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung gelöst, die für das Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9-11 ausgebildet ist.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben in einer

Gesamtansicht .

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben in einer

Schnittansicht .

Fig. 3 zeigt den Kolben der Figur 2 in einer anderen

Schnittansicht .

Fig. 4 zeigt einen Kolben aus dem Stand der Technik im

Betriebszustand mit Temperaturfeld und überhöht dargestellter thermischer Deformation.

Fig. 5 zeigt das Warmspiel eines Kolbens gemäß dem Stand der Technik. Fig. 6+7 zeigen die obere und untere Formbohrung eines ersten erfindungsgemäßen Kolbens im Kaltzustand (Figur 6) und im Betriebszustand (Figur 7) jeweils abzüglich Kalt- bzw. Warmspiel.

Fig. 8+9 zeigen die obere und untere Formbohrung eines

zweiten erfindungsgemäßen Kolbens im Kaltzustand (Figur 8) und im Betriebszustand (Fig. 9) jeweils abzüglich Kalt- bzw. Warmspiel.

Fig. 10 zeigt ein erstes Herstellungsverfahren für einen

Kolben nach einer ersten Ausführungsform der

Erfindung .

Fig. 11 zeigt ein zweites Herstellungsverfahren für einen

Kolben nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 12 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Kolbens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt eine Gesamtansicht eines Kolbens gemäß der Erfindung. Dieser Kolben ist auch in Schnittansichten in Figuren 2 und 3 gezeigt.

Der Kolben 100 weist einen Kolbenboden 110 auf, der bei

Verwendung die untere Begrenzung des Verbrennungsraums bildet. Dieser Kolben weist typischerweise Ringnuten auf, welche Kolbenringe aufnehmen können. Unterhalb (d.h. weiter vom Kolbenboden 110 entfernt) befinden sich zwei Kolbennaben 120, die zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) ausgestaltet sind.

Wie in Figur 2 zu sehen ist, weisen diese Kolbennaben an ihren radialen Enden jeweils Nuten 130 auf, die zur Aufnahme von Sicherungsringen dienen, die den Kolbenbolzen in der Kolbennabe 120 halten.

In Figur 3 ist angedeutet, wie die Kolbennaben bezüglich der Horizontalen zu verschwenken sind. Eine „klassische"

Kolbennabe erstreckt sich entlang der Geraden, welche die Punkte A und B verbindet. Die Punkte A und B bezeichnen die Mittelpunkte der Querschnitte durch die Kolbennabe an den Punkten, an denen sich die inneren Kanten der Nuten für die Sicherungsringe befinden. Erfindungsgemäß ist jede einzelne Kolbennabe bezüglich dieser Linie nach unten hin geneigt, wie dies durch die Linien g ₁ und g2 angedeutet ist. Diese

erstrecken sich von den Punkten A bzw. B durch einen Punkt C, der unterhalb der Verbindungslinie zwischen A und B ist. Eine solche Gestaltung der Kolbennabe kann durch eine

konventionelle Feinbearbeitung mit einer jeweils

rotationssymmetrischen Formbohrung durchgeführt werden. Der Neigungswinakel beträgt typischerweise deutlich weniger als 1 ° .

Aufgrund des geringen Neigungswinkels, der zur

Nabeninnenseite sich aufweitenden Formbohrung und dem Spiel zwischen Bolzen und Nabe kann der Bolzen weiterhin montiert werden, obwohl die Achsen der Nabe nicht mehr wie im Stand der Technik üblich koaxial angeordnet sind.

Die Vorteile einer solchen Gestaltung werden im Hinblick auf Figuren 4 bis 5 deutlich werden. Hierbei zeigte Figur 4 eine (stark überzeichnete, Überzeichnungsfaktor 50) finite

Elementesimulation eines Kolbens gemäß dem Stand der Technik mit einer horizontalen Kolbennabe im Betriebszustand.

Es ergeben sich, wie aus der Verformung des Kolbens

erkenntlich ist, Spannungen beim Einsetzen eines geraden, zylindrischen Bolzens insbesondere an der Innenseite am unteren Bereich der Kolbennabe. Dies wird auch aus der Figur 5 deutlich. Die obere durchgezogene Linie zeigt die Verformung der Oberseite der Kolbennabe entlang der

Bolzenachse, während die untere durchgezogene Linie, die sich im Wesentlichen horizontalen entlang der X-Achse erstreckt, die Oberseite des Kolbenbolzens zeigt. Die obere gestrichelte Linie zeigt die Unterseite des Kolbenbolzens, welche sich im Wesentlichen parallel zur Oberseite des Bolzens erstreckt, während die untere gestrichelte Linie die untere Seite der Kolbennabe zeigt. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich aufgrund des unterschiedlichen Verlaufs der Kolbennabe und des Kolbenbolzens Spannungen ergeben, die von den

unterschiedlichen Formen herrühren.

Dass die vorliegende Erfindung diese Effekte zumindest teilweise kompensiert, wird aus Figuren 6 und 7 deutlich, welche das Profil einer Kolbennabe im Kaltzustand (Fig. 6) und Betriebszustand (Fig. 7) eines erfindungsgemäßen Kolbens zeigen. Unter dem Betriebszustand werden die Temperaturen verstanden, die bei Verwendung eines solchen Kolbens im Motor auftreten. Hierbei sind die Kolbennaben symmetrisch um einen Winkel von =0,114° geneigt. In Figur 6 zeigt die obere durchgezogene Linie die Oberseite der Kolbennabe, und die untere durchgezogene Linie zeigt die Unterseite der

Kolbennabe. Die gestrichelte Linie bezeichnet die Achse der Nabe. Figur 7 zeigt das gleiche im Betriebszustand, d.h. bei denjenigen Temperaturen, die im Betriebszustand auftreten. Zu erkennen ist deutlich, dass insbesondere die Achse im

Betriebszustand parallel zur X-Achse verläuft und dass somit Spannungen vermieden werden.

Figuren 8 und 9 zeigen im Wesentlichen das gleiche die

Figuren 6 und 7, wobei jedoch hier ein anderer Neigungswinkel von 0,057° gewählt ist. Auch hierbei ergibt sich eine

geringere Verspannung.

Figuren 10-12 zeigen schematisch Herstellungsverfahren für erfindungsgemäße Kolben. In Figur 10 wird gezeigt, dass ein Kolbenrohling 150 auf einer (nicht dargestellten) Drehscheibe angeordnet wird. Eine Kolbennabe 120' wird mittels einer geneigten Vorschubbewegung V eines abtragenden Werkzeugs hergestellt. Nach dem Ausbilden der Kolbennabe 120' wird der Rohling 150 um 180° gedreht (Drehung D) . Dann wird die zweite Kolbennabe hergestellt mittels der gleichen abtragenden

Bearbeitung V.

Figur 11 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Hierbei wird ein Kolbenrohling 160 auf einer verschwenkbaren Plattform (nicht dargestellt) angeordnet. Die Plattform wird zuerst um einen Kippwinkael verkippt und eine Kolbennabe 120' wird durch ein abtragendes Bearbeiten V hergestellt.

Nach dem Ausbilden der ersten Kolbennabe 120' wird der Kolben um einen Kippwinkel -2a zurückgekippt (Kippbewegung K) .

Anschließend wird die zweite Kolbennabe 120'' hergestellt.

Figur 12 zeigt ein drittes erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Kolbens. Hierbei wird ein Kolbenrohling 160 auf einer nicht dargestellten Plattform angeordnet und eine Kolbennabe 120' wird mittels einer abtragenden Bearbeitung V ausgebildet, während der Kolbenrohling entlang einer

Verfahrrichtung F verschoben wird. Die abtragende Bearbeitung erfolgt vorliegend komplett horizontal. Anschließend wird der Kolben entlang der gleichen Abtragungsrichtung V weiterhin abtragend bearbeitet, um die zweite Kolbennabe 120''

herzustellen. Hierzu wird lediglich die Verfahrrichtung F umgekehrt .