DE10145589B4

DE10145589B4 - Kolben für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10145589B4
Application number: DE2001145589
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr. 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: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2021-09-16
Also published as: DE10145589A1

Abstract

Kolben (1), mit einem Kolbenboden (3), einem Ringfeld (6) sowie einem Kolbenschaft (2), bestehend aus tragenden Schaftwandabschnitten (7) und zurückliegenden Verbindungswänden (5), die die Schaftwandabschnitte (7) miteinander verbinden, und in Richtung einer Bolzenachse zu einer Kolbenachse zurückgesetzten Bolzennaben (4), welche die Verbindungswände (5) durchdringen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungswände (5) im Bereich ihres umlaufenden unteren Randes (8) konvex zu einer Achse (10) und im Bereich ihres oberen Randes (9) unterhalb des Ringfeldes (6) konkav zu der Achse (10) ausgebildet sind, wobei die Breite der Schaftwandabschnitte (7) am unteren Rand (8) in etwa der Breite der Schaftwandabschnitte (7) unterhalb des Ringfeldes (6) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.

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 gleich bleibend. 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.

Ebenso sind Verbindungswände bei Kolben bekannt, die als zueinander parallele Ebenen oder gekrümmte Flächen mit nur einem Krümmungsradius und nur einer Krümmungsrichtung ausgebildet sind.

Ein Kolben mit einem Kolbenboden, einem Ringfeld sowie einem Kolbenschaft, bestehend aus tragenden Schaftwandabschnitten und zurückliegenden Verbindungswänden, die die Schaftwandabschnitte miteinander verbinden, und in Richtung der Bolzenachse zu einer Kolbenachse zurückgesetzten Bolzennaben, welche die Verbindungswände durchdringen, wobei die Verbindungswände im Bereich ihres umlaufenden unteren Randes konvex zu einer Achse ausgebildet sind, ist aus der EP 0 430 362 A1 bekannt.

Im Gegensatz hierzu offenbart die US 50 76 225 A einen Kolben, dessen Verbindungswände im Bereich ihres oberen Randes konkav zu der Achse ausgebildet sein können.

Ein Kolben mit einem Kolbenboden, einem Ringfeld sowie einem Kolbenschaft, bestehend aus tragenden Schaftwandabschnitten und zurückliegenden Verbindungswänden, die die Schaftwandabschnitte miteinander verbinden, und in Richtung der Bolzenachse zu einer Kolbenachse zurückgesetzten Bolzennaben, welche die Verbindungswände durchdringen, wobei die Verbindungswände im Bereich ihres umlaufenden unteren Randes gerade zu einer Achse ausgebildet sind, ist aus der US 48 56 417 bekannt.

Schließlich weist ein Kolben der DE 196 43 778 A1 einen Kolbenschaft und einen im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten oberen Bereich auf. Der Kolbenschaft besteht im Wesentlichen aus zwei bezüglich der Bolzenachse gegenüberliegenden Schaftwandabschnitten. Ferner sind zwei Bolzennaben in Richtung des Durchmessers des Kolbenschaftes zu der Kolbenachse zurückgesetzt. An diesem Kolben sind zwei Verbindungswände ausgebildet, welche die Schaftwandabschnitte verbinden, die zurückgesetzt sind und bis zu einem unteren Rand des im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten oberen Bereiches reichen und in denen die Bolzennaben liegen. Die Schaftwandabschnitte sind in weitgehend übereinstimmender Art und Weise mit einer Abmessung in Umfangsrichtung versehen, die sich in Richtung der Kolbenachse verändert. Letztlich folgen die Verbindungswände dem dadurch bestimmten Verlauf der in Richtung der Kolbenachse verlaufenden Ränder der beiden Schaftwandabschnitte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben bereitzustellen, mit dem die geschilderten Nachteile vermieden werden. Vor allem soll die Geradführung während des Betriebes des Kolbens verbessert werden.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des jeweiligen unabhängigen Patentanspruches gelöst.

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 erfindungsgemäß 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. Weiterhin kommt noch hinzu, dass die Breite der Schaftwandabschnitte am unteren Rand in etwa der Breite der Schaftwandabschnitte unterhalb des Ringfeldes entspricht. 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 wettgemacht.

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.

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 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.

Eine beispielhafte Ausführung eines Kolbens, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist im folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Kolben in dreidimensionaler Ansicht,
2 einen Kolben in der Ansicht von unten in den Innenbereich des Kolbens hinein und
3 einen Kolben im Schnitt längs der Kolbenachse.
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 ins besondere 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.
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.
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).
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 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).

Claims

Kolben (1), mit einem Kolbenboden (3), einem Ringfeld (6) sowie einem Kolbenschaft (2), bestehend aus tragenden Schaftwandabschnitten (7) und zurückliegenden Verbindungswänden (5), die die Schaftwandabschnitte (7) miteinander verbinden, und in Richtung einer Bolzenachse zu einer Kolbenachse zurückgesetzten Bolzennaben (4), welche die Verbindungswände (5) durchdringen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungswände (5) im Bereich ihres umlaufenden unteren Randes (8) konvex zu einer Achse (10) und im Bereich ihres oberen Randes (9) unterhalb des Ringfeldes (6) konkav zu der Achse (10) ausgebildet sind, wobei die Breite der Schaftwandabschnitte (7) am unteren Rand (8) in etwa der Breite der Schaftwandabschnitte (7) unterhalb des Ringfeldes (6) entspricht.
Kolben (1), mit einem Kolbenboden (3), einem Ringfeld (6) sowie einem Kolbenschaft (2), bestehend aus tragenden Schaftwandabschnitten (7) und zurückliegenden Verbindungswänden (5), die die Schaftwandabschnitte (7) miteinander verbinden, und in Richtung einer Bolzenachse zu einer Kolbenachse zurückgesetzten Bolzennaben (4), welche die Verbindungswände (5) durchdringen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungswände (5) im Bereich ihres umlaufenden unteren Randes (8) konvex zu einer Achse (10) und im Bereich ihres oberen Randes (9) unterhalb des Ringfeldes (6) gerade ausgebildet sind, wobei die Breite der Schaftwandabschnitte (7) am unteren Rand (8) in etwa der Breite der Schaftwandabschnitte (7) unterhalb des Ringfeldes (6) entspricht.
Kolben (1), mit einem Kolbenboden (3), einem Ringfeld (6) sowie einem Kolbenschaft (2), bestehend aus tragenden Schaftwandabschnitten (7) und zurückliegenden Verbindungswänden (5), die die Schaftwandabschnitte (7) miteinander verbinden, und in Richtung einer Bolzenachse zu einer Kolbenachse zurückgesetzten Bolzennaben (4), welche die Verbindungswände (5) durchdringen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungswände (5) im Bereich ihres umlaufenden unteren Randes (8) gerade und im Bereich ihres oberen Randes (9) unterhalb des Ringfeldes (6) konkav zu der Achse (10) ausgebildet sind, wobei die Breite der Schaftwandabschnitte (7) am unteren Rand (8) in etwa der Breite der Schaftwandabschnitte (7) unterhalb des Ringfeldes (6) entspricht.
Kolben (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, 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.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich zwischen konkaver und konvexer Krümmung der Verbindungswände (5) der Krümmungssinn der Verbindungswände (5) in Schnitten parallel zum Kolbenboden (3) das Vorzeichen wechselt oder der Krümmungssinn gleich bleibt, insbesondere annähernd eine Gerade entsteht.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Verbindungswände (5) der untere Rand (9) des Ringfeldes (6) über diese übersteht (Überstand (11)) und dort insbesondere zumindest teilweise ausgehöhlt ist.
Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Freiguss hinter den Ringnuten in der Fläche des Überstandes (11) ausgeführt wird.