DE10145589A1

DE10145589A1 - Piston for IC engine has shaft with connection walls with convex lower edge and concave upper edge and curved central section

Info

Publication number: DE10145589A1
Application number: DE2001145589
Authority: DE
Inventors: Hartmut Kamp; Volker Gniesmer; Ralf Buschbeck; Matthias Laqua
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2001-09-15
Filing date: 2001-09-15
Publication date: 2003-04-24
Anticipated expiration: 2021-09-16
Also published as: DE10145589B4

Abstract

The piston has a ring field (6) and a shaft (2) consisting of load-bearing wall sections (7) and offset connection walls (5). The connection walls are convex within the area of their peripheral lower edges (8) relative to an axis, and concave or straight relative to that axis, within the upper edge area (9) and pref. below the ring field. The shaft wall sections are of constant width, or decrease in size upwards or downwards in longitudinal direction of the piston.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche. The invention relates to a piston for an internal combustion engine according to the Features of the respective preamble of the independent claims.

Ein Kolben für Brennkraftmaschinen ist aus der gattungsbildenden EP 0 902 180 A2 bekannt. Bei diesem Kolben sind die Naben in Bolzenachsrichtung derart zurückgesetzt, daß der äußere Nabenabstand 60-65% des Kolbendurchmessers oder weniger beträgt. Die Nabenaußenflächen, die die beiden Gleitflächen miteinander verbinden, haben über die Höhe der Gleitflächen betrachtet einen gradlinigen (Linearen) Verlauf. Bei diesem Kolben sind die Nabenaußenflächen (auch Kastenwände genannt) nicht grundsätzlich eben, sondern auch gekrümmt sowohl in Schnitten parallel als auch senkrecht zu der Kolbenachse. Dabei ist jedoch der Krümmungssinn der Fläche in Schnitten senkrecht zur Kolbenachse immer für die ganze Fläche der Kastenwand gleichbleibend. Dadurch ergibt sich bei nach oben (in Richtung des Kolbenbodens) geringer werdendem Abstand der Kastenwände eine nach oben abnehmende Breite der tragenden Gleitfläche. Nachteilig dabei ist, daß sich bei nach oben verbreiterndem Abstand der Kastenwände zueinander das Potential der Gewichtseinsparung durch den Hinterschnitt des Ringfeldes in Bolzenrichtung nicht vollständig genutzt werden kann. Die Unterstützung des Kolbenbodens ist durch die Kastenwände aufgrund der Absenkung der Bodenzugspannungen nicht optimal. Bei sich nach oben (in Richtung des Kolbenbodens) verringerndem Abstand der Kastenwände geht an der Schaftoberkante Schaftfläche, die für die Kolbengradführung und die Herstellung der Freßsicherheit benötigt wird, verloren. Außerdem ergeben sich zwischen dem Kolbenschaft und dem Ringfeldumguß aufgrund der mangelnden Unterstützung des Ringfeldes durch den Kolbenschaft hohe Spannungen in den Übergangsbereichen. A piston for internal combustion engines is from generic EP 0 902 180 A2 known. With this piston, the hubs in the direction of the pin axis are of this type reset that the outer hub distance 60-65% of the piston diameter or is less. The hub outer surfaces, the two sliding surfaces together connect, have a straight line (linear) over the height of the sliding surfaces Course. With this piston, the hub outer surfaces (also box walls not basically flat, but also curved both in parallel cuts as well as perpendicular to the piston axis. However, the sense of curvature is the Area in sections perpendicular to the piston axis always for the entire area of the Box wall constant. This results in upwards (towards the Piston bottom) decreasing distance between the box walls one up decreasing width of the bearing sliding surface. The disadvantage here is that after above widening distance of the box walls to each other the potential of Weight reduction through the undercut of the ring field in the direction of the bolt does not can be fully used. The support of the piston crown is through the Box walls are not optimal due to the lowering of the floor tension. at increasing distance (towards the piston crown) Box walls go to the top edge of the shaft surface, which is used for the piston degree guide and the creation of feeding security is needed, lost. Also revealed between the piston skirt and the ring encapsulation due to the lack of Support of the ring field by the piston skirt high tensions in the Transition areas.

Ebenso sind Verbindungswände bei Kolben bekannt, die als zueinander parallele Ebenen oder gekrümmten Flächen mit nur einem Krümmungsradius und nur einer Krümmungsrichtung ausgebildet sind. Connecting walls for pistons are also known which are parallel to one another Planes or curved surfaces with only one radius of curvature and only one Direction of curvature are formed.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben bereitzustellen, mit dem die geschilderten Nachteile vermieden werden. The invention is therefore based on the object of providing a piston with which the disadvantages described are avoided.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des jeweiligen unabhängigen Patentanspruches gelöst. This task is independent of the characteristics of each Claim resolved.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Verbindungswände im Bereich ihres umlaufenden unteren Randes konvex zu einer Achse des Kolbens und im Bereich ihres oberen Randes vorzugsweise unterhalb des Ringfeldes konkav zu der Achse ausgebildet sind. Dazwischen ist ein entsprechend gekrümmter Übergangsbereich vorhanden. Alternativ dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Verbindungswände im Bereich ihres umlaufenden unteren Randes konvex zu einer Achse und im Bereich ihres oberen Randes vorzugsweise unterhalb des Ringfeldes gerade ausgebildet sind. Ebenso ist alternativ erfindungegemäß vorgesehen, daß die Verbindungswände im Bereich ihres umlaufenden unteren Randes gerade und im Bereich ihres oberen Randes vorzugsweise unterhalb des Ringfeldes konkav zu der Achse ausgebildet sind. Aufgrund dieses Verlaufes der Verbindungswände bleibt eine ausreichend gute Bodenabstützung im unteren Randbereich des Kolbenschaftes erhalten, wobei gleichzeitig durch die Aufweitung im oberen Bereich, d. h. im Bereich unterhalb des Kolbenbodens, eine ausreichend große Lauffläche zur optimalen Geradführung und zur Vermeidung von Freßsicherheit zur Verfügung steht. Ebenso werden durch die Aufweitungen der Verbindungswände im Kolbenbodenbereich Spannungskonzentrationen aufgrund des größeren Übergangsradius wirksam vermieden. Der mit dieser Bauweise einhergehende höhere Grad an Gewicht wird durch die eingangs genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Kolbens wett gemacht. According to the invention it is provided that the connecting walls in the area of their circumferential lower edge convex to an axis of the piston and in the area of it upper edge preferably below the ring field concave to the axis are trained. In between is a correspondingly curved transition area available. Alternatively, the invention provides that the Connecting walls in the area of their peripheral lower edge convex to an axis and in Area of their upper edge preferably below the ring field straight are trained. It is also alternatively provided according to the invention that the Connecting walls in the area of their circumferential lower edge straight and in the area of their upper edge preferably below the ring field concave to the axis are trained. Because of this course of the connecting walls, one remains receive sufficient good ground support in the lower edge area of the piston skirt, whereby at the same time by the expansion in the upper area, d. H. in the area below the piston crown, a sufficiently large tread for optimal Straight guidance and to avoid feeding security is available. Likewise through the expansion of the connecting walls in the piston crown area Stress concentrations effectively avoided due to the larger transition radius. The associated with this design is higher weight made the above-mentioned advantages of the piston according to the invention.

Durch einen solchen Verlauf der Verbindungswände zueinander ist eine optimale Abstützung des Kolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine gewährleistet. Bei dieser Bauform werden also hohe Freßsicherheit, optimale Führung und ausreichende Abstützung des Kolbens in Verbindung mit einem hohen Leichtbaugrad in optimaler Weise miteinander verbunden. Such a course of the connecting walls to one another is optimal The piston is supported in the cylinder of the internal combustion engine. at this type of construction will provide high seizure security, optimal guidance and sufficient Support of the piston in connection with a high lightweight construction in optimal Way connected.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß im Übergangsbereich zwischen konkaver und konvexer Krümmung der Verbindungswände der Krümmungssinn der Verbindungswände in Schnitten parallel zum Kolbenboden das Vorzeichen wechselt oder der Krümmungssinn gleichbleibt, insbesondere annähernd eine Gerade entsteht. Durch diesen weitestgehend gleichmäßigen Verlauf der Verbindungswände zueinander ist ein besonders hohes Maß an Abstützung und Führung des Kolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine zu realisieren. Gleichzeitig ist damit, im Gegensatz zu geraden Verbindungswänden, eine Gewichtsersparnis verbunden. In a special embodiment of the invention it is provided that in Transition area between concave and convex curvature of the connecting walls the sense of curvature of the connecting walls in sections parallel to the piston crown the sign changes or the sense of curvature remains the same, in particular almost a straight line is created. Through this largely even course of Connecting walls to each other is a particularly high level of support and To guide the piston in the cylinder of the internal combustion engine. simultaneously in contrast to straight connecting walls, this saves weight connected.

In Weiterbildung der Erfindung steht im Bereich der Verbindungswände der untere Rand des Ringfeldes über die Verbindungswände über diese über (Überstand) und ist dort zumindest teilweise ausgehöhlt. Durch diesen Überstand, sowie die Aushöhlung des Überstandes wird eine weitere Gewichtsreduzierung in einem Bereich, der für die Festigkeit des Kolbens unkritisch ist, erzielt. Der Bereich, der ausgehöhlt ist, richtet sich insbesondere nach der Anordnung der Bolzennabe und des Übergangsbereiches des Kolbenbodens in die Kolbenschäfte. In a further development of the invention, the lower one is located in the area of the connecting walls Edge of the ring field over the connecting walls over this over (overhang) and is at least partially hollowed out there. Through this supernatant, as well as the Hollowing out the supernatant will further reduce weight in an area that is not critical for the strength of the piston. The area that is hollowed out depends in particular on the arrangement of the pin hub and the Transition area of the piston crown into the piston shafts.

Eine beispielhafte Ausführung eines Kolbens, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist im folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert. An exemplary embodiment of a piston, but the invention is not is limited, is described below and explained with reference to the figures.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Kolben in dreidimensionaler Ansicht, Fig. 1 shows a piston according to the invention in three-dimensional view,

Fig. 2 einen Kolben in der Ansicht von unten in den Innenbereich des Kolbens hinein Fig. 2 shows a piston in the view from below into the interior of the piston

Fig. 3 einen Kolben im Schnitt längs der Kolbenachse. Fig. 3 shows a piston in section along the piston axis.

Fig. 1 zeigt einen Kolben 1, bei dem es sich insbesondere um einen Leichtmetallkolben, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, handelt. Dieser Kolben 1 weist einen Kolbenschaft 2 sowie einen zylindrisch geformten Kolbenboden 3 auf, der insbesondere dem Typ der Brennkraftmaschine (Diesel- oder Otto-Brennkraftmaschine) angepaßt ist. Auf die Ausbildung des Kolbenbodens, die beliebig sein kann, kommt es bei dieser Erfindung nicht an. Fig. 1 shows a piston 1, which is, is in particular a light metal pistons, in particular for an internal combustion engine. This piston 1 has a piston skirt 2 and a cylindrically shaped piston head 3 , which is particularly adapted to the type of internal combustion engine (diesel or Otto engine). The design of the piston crown, which can be any, is not important in this invention.

Weiterhin sind Bolzennaben 4 vorhanden, die in Richtung einer Bolzenachse zu einer Kolbenachse zurückgesetzt sind und Bestandteil des Kolbenschaftes 2 sind. Die Bolzennaben 4 befinden sich in zwei zurückliegenden Verbindungswänden 5, die zwei gegenüberliegende Schaftwandabschnitte 7 miteinander verbinden. Weiterhin ist ein Ringfeld 6 im Kolbenboden 3 vorgesehen. Mit der Bezugsziffer 8 ist der untere Rand der Verbindungswand 5 und mit der Bezugsziffer 9 der untere Rand des Kolbenbodens 3 bzw. des Ringfeldes 6 bezeichnet. Die Konstruktion des Kolbens 1 ist derart, daß die Krümmungsfunktionen, ihr relativer Versatz zueinander in Bolzenrichtung und die Art ihrer Verbindung in Kolbenlängsrichtung so gewählt wird, daß sich Flächen der Schaftwandabschnitte 7 mit konstanter Schaftbreite oder sich nach oben oder unten verjüngender Schaftbreite in Kolbenlängsrichtung ergeben. There are also pin bosses 4 , which are set back in the direction of a pin axis to a piston axis and are part of the piston skirt 2 . The pin bosses 4 are located in two rear connecting walls 5 , which connect two opposite shaft wall sections 7 to one another. Furthermore, an annular field 6 is provided in the piston crown 3 . The reference number 8 denotes the lower edge of the connecting wall 5 and the reference number 9 the lower edge of the piston crown 3 or the ring field 6 . The design of the piston 1 is such that the curvature functions, their relative offset to one another in the pin direction and the type of their connection in the longitudinal direction of the piston are selected such that surfaces of the skirt wall sections 7 with a constant skirt width or tapering skirt width in the longitudinal direction of the piston result.

Fig. 2 zeigt zur Verdeutlichung der Erfindung die Ansicht des Kolbens 1 von unten, in den Innenbereich des Kolbens 1 hinein betrachtet. Hierbei wird erkennbar, daß die Verbindungswände 5 in ihrem umlaufenden unteren Rand 8 einen konvexen Krümmungsradius, bezogen auf eine Achse 10 (senkrecht zu der Bolzenachse) aufweisen (durchgezogene Linie). Im Bereich des unteren Randes 9 des Ringfeldes 6 haben die Verbindungswände 5 einen in Bezug auf die Achse 10 konkaven Krümmungsradius (gestrichelte Linie). Fig. 2 in the inner region is to illustrate the invention, the view of the piston 1 from below, of the piston 1 inside considered. It can be seen here that the connecting walls 5 in their circumferential lower edge 8 have a convex radius of curvature with respect to an axis 10 (perpendicular to the bolt axis) (solid line). In the area of the lower edge 9 of the ring field 6 , the connecting walls 5 have a radius of curvature concave with respect to the axis 10 (dashed line).

Mit der Bezugsziffer 11 ist ein Überstand (Ringfeldüberstand) des unteren Randes des Ringfeldes 6 über die Verbindungswände 5 hinaus bezeichnet, wobei dieser Bereich insbesondere zumindest teilweise ausgehöhlt ist, um eine weitere Gewichtsersparnis zu realisieren. Diese Aushöhlung des Überstandes 11 kann sich auch bis in die Bereiche, in denen die Schaftwandabschnitte 7 angeordnet sind, erstrecken und ggf. bis in den innen liegenden Bereich des Ringfeldes 6, also bis knapp vor Ende des Kolbenbodens 3, erstrecken. In vorteilhafter Weise erfolgt die Aushöhlung als Freiguß 12 (siehe Fig. 3) hinter dem Ringfeld 6 in der Fläche des Überstandes 11 und an solchen Stellen, die nicht oder nur geringfügig zur Festigkeit des Kolbens 1, insbesondere des Kolbenbodens 3, beitragen (Bezugsziffer 13 = Kolbenachse, 14 = Bolzenachse). Reference number 11 denotes a projection (ring field projection) of the lower edge of the ring field 6 beyond the connecting walls 5 , this area being in particular at least partially hollowed out in order to achieve further weight savings. This hollowing out of the protrusion 11 can also extend into the areas in which the shaft wall sections 7 are arranged and, if appropriate, extend into the inner area of the ring field 6 , that is to say just before the end of the piston head 3 . Advantageously, the hollowing out takes place as a free space 12 (see FIG. 3) behind the ring field 6 in the surface of the protrusion 11 and at locations which do not or only slightly contribute to the strength of the piston 1 , in particular the piston crown 3 (reference number 13 = Piston axis, 14 = pin axis).

Claims

1. piston ( 1 ), with a piston crown ( 3 ), an annular field ( 6 ) and a piston skirt ( 2 ), consisting of load-bearing skirt wall sections ( 7 ) and rear connecting walls ( 5 ) which connect the skirt wall sections ( 7 ) to each other, and in the direction of a pin axis to a piston axis recessed pin hubs ( 4 ) which penetrate the connecting walls ( 5 ), characterized in that the connecting walls ( 5 ) in the area of their peripheral lower edge ( 8 ) convex to an axis ( 10 ) and in the area of their upper edge ( 9 ) are preferably concave to the axis ( 10 ) below the ring field ( 6 ).

2. Piston ( 1 ), with a piston crown ( 3 ), an annular field ( 6 ) and a piston skirt ( 2 ), consisting of load-bearing skirt wall sections ( 7 ) and rear connecting walls ( 5 ) which connect the skirt wall sections ( 7 ) to each other, and in the direction of a pin axis to a piston axis recessed pin hubs ( 4 ) which penetrate the connecting walls ( 5 ), characterized in that the connecting walls ( 5 ) in the area of their peripheral lower edge ( 8 ) convex to an axis ( 10 ) and in the area of their upper edge ( 9 ) are preferably formed straight below the ring field ( 6 ).

3. Piston ( 1 ), with a piston crown ( 3 ), an annular field ( 6 ) and a piston skirt ( 2 ), consisting of load-bearing skirt wall sections ( 7 ) and rear connecting walls ( 5 ) which connect the skirt wall sections ( 7 ) to each other, and characterized in direction of a bolt axis to a piston axis set back pin bosses (4), which penetrate the connecting walls (5), that the connecting walls (5) straight and in the region of its upper edge (9), preferably in the region of its circumferential lower edge (8) below the ring field ( 6 ) are concave to the axis ( 10 ).

4. Piston ( 1 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the curvature functions, their relative offset to each other in the bolt direction and the type of their connection in the longitudinal direction of the piston is chosen so that surfaces of the stem wall sections ( 7 ) with a constant stem width or result in a shaft width that tapers up or down in the longitudinal direction of the piston.

5. Piston ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that in the transition region between concave and convex curvature of the connecting walls ( 5 ) the sense of curvature of the connecting walls ( 5 ) changes in parallel to the piston crown ( 3 ) or the sign of curvature remains the same , in particular approximately a straight line.

6. Piston ( 1 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that in the region of the connecting walls ( 5 ) the lower edge ( 9 ) of the ring field ( 6 ) projects beyond this (protrusion ( 11 )) and there in particular is at least partially hollowed out ,

7. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that a free flow behind the annular grooves in the surface of the protrusion ( 11 ) is carried out.