DE102004028459A1

DE102004028459A1 - Gebauter Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102004028459A1
Application number: DE200410028459
Authority: DE
Inventors: Franz Dr. Puckert
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2005-12-29

Abstract

Vorgeschlagen wird ein gebauter Kolben (3) für einen Verbrennungsmotor, bestehend aus einem Oberteil (1) mit einer auf der dem Kolbenboden (4) abgewandten Unterseite angeordnete Tragrippe (11), die eine zur Unterseite hin offene Ausnehmung (12) umschließt, und aus einem Unterteil (2) mit einem kolbenbodenseitig an das Unterteil (2) angeformten Ansatz (21), dessen radial äußere Kontur so ausgebildet ist, dass er mit der Ausnehmung (12) einen Schrumpfsitz bildet, über den das Oberteil (1) und das Unterteil (2) miteinander verbunden sind. Dieser Schrumpfsitz weist eine sehr große Festigkeit auf, weil die hierbei in Kontakt zueinander stehenden Flächen des Ansatzes (21) und der Ausnehmung (12) in einem parallel zur Kolbenlängsachse (27) liegenden Längsschnitt betrachtet schwalbenschwanzförmig ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen gebauten Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 35 23 910 A1 ist es bekannt, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor aus einem Oberteil und einem Unterteil herzustellen, indem das Oberteil und das Unterteil über einen Schrumpfsitz miteinander verbunden werden. Hierbei weisen die den Schrumpfsitz bildenden Kolbenteile ein in die Sitzflächen des Schrumpfsitzes mündendes Kanalsystem auf, in das Öl unter Druck eingeleitet werden kann, um dadurch zu bewirken, dass sich der Schrumpfsitz löst, damit das Oberteil des gebauten Kolbens ausgewechselt werden kann. Dies erfordert, dass die Festigkeit dieses Schrumpfsitzes nicht allzu groß ist, was aber die Gefahr mit sich bringt, dass sich das Oberteil und das Unterteil des gebauten Kolbens während des Motorbetriebes voneinander lösen.

Diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden ist Aufgabe der Erfindung.

Gelöst wird die Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteranprüche.

Hierbei sorgt die im Längsschnitt betrachtet schwalbenschwanzförmige Ausgestaltung der Sitzflächen des Schrumpfsitzes dafür, dass zur Trennung der beiden Kolbenteile sehr große, entgegengesetzte Zugkräfte auf die beiden Kolbenteile ausgeübt werden müssen, und dass der Schrumpfsitz gemäß der vorliegenden Erfindung eine sehr große Festigkeit aufweist.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

1 das Schnittbild eines aus einem Oberteil und einem Unterteil bestehenden und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kolbens,

2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes A aus 1 und

3 eine konstruktive, das Zusammenfügen des Oberteiles und des Unterteiles vereinfachende Ausgestaltung des Kolbens.

1 zeigt im Schnitt einen aus einem Oberteil 1 und einem Unterteil 2 zusammengesetzten Kolben 3. Das Oberteil 1 und das Unterteil 2 bestehen aus Stahl, wobei beide Teile 1 und 2 aus der gleichen oder aus verschiedenen Stahlsorten hergestellt sein können.

Das Oberteil 1 weist eine in den Kolbenboden 4 eingeformte Brennkammer 5 auf. In die radial äußere Mantelfläche 6 des Oberteiles 1 sind 3 Kolbenringnuten 7, 8 und 9 eingearbeitet. Auf der dem Kolbenboden 4 abgewandten Unterseite des Oberteiles 1 ist radial außen eine umlaufende Ausnehmung 10 eingeformt, in die Kühlöl zum Kühlen des Kolbenbodens 4 eingespritzt werden kann. Nach radial innen schließt sich daran eine umlaufende Tragrippe 11 an, die eine zentral gelegene, zur Kolbenlängsachse 27 rotationssymmetrische, zur Kolbenunterseite hin offene und nach unten sich verjüngende Ausnehmung 12 umschließt, und die auf ihrer kolbenbodenabgewandten Seite eine parallel zum Kolbenboden 4 liegende, ringförmige Stirnfläche 19 aufweist.

Weiterhin ist an die radiale Außenfläche der Tragrippe 11 ein im Schnitt stufenförmiger Kragen 28 angeformt, der kolbenbodenseitig eine Stufenfläche 29 aufweist, die als Auflage für ein ringförmiges, mit einem durchgehenden, radial liegenden Schlitz und mit in 1 nicht dargestellten Öffnungen zum Ein- und Ausleiten von Kühlöl versehenes Abdeckblech 31 dient. Bei der Montage des Abdeckbleches 31 gelangen dessen radial innerer Bereich auf der Stufenfläche 29 und dessen radial äußerer Bereich auf einer schaftzugewandten Stirnfläche 30 des radial äußeren Bereiches des Kolbenoberteiles 1 zur Auflage. Die Feinbearbeitung der Flächen 29 und 30, die planparallel zum Kolbenboden 4 liegen müssen, damit sie zur Halterung des Abdeckbleches 31 geeignet sind, und die Montage des Abdeckbleches 31 erfolgen vor dem Zusammensetzen der beiden Kolbenteile 1 und 2, was einfacher und preisgünstiger realisierbar ist, als wenn die letzteren Verfahrensschritte nach dem Zusammenbau der Kolbenteile 1 und 2 durchgeführt würden.

Das Unterteil 2 des Kolbens 3 besteht zum einen aus zwei einander gegenüberliegende, und den Kolbenschaft bildenden Schaftelementen 13 und 14, die über je zwei Rippen mit zwei einander gegenüberliegenden Bolzennaben mit je einer Bolzenbohrung verbunden sind, von denen in 1 wegen der gewählten Schnittebene neben den Schaftelementen 13 und 14 die rückseitigen Rippen 15 und 16 und die davon gehaltene Bolzennabe 17 mit Nabenbohrung 18 zu sehen sind. Zum anderen besteht das Unterteil 2 aus einer zur Kolbenlängsachse 27 rotationssymmetrisch ausgebildeten, stempelförmigen Anformung 20, die schaftseitig mit den Bolzennaben 17 verbunden ist, und die in Richtung des Kolbenbodens 4 einen, zur Kolbenlängsachse 27 drehsymmetrischen, im parallel zur Kolbenlängsachse 27 liegenden Längsschnitt betrachtet, schwalbenschwanzförmigen Ansatz 21 aufweist, dessen äußere Kontur komplementär zur Innenform der Ausnehmung 12 ausgebildet ist. Schaftseitig schließt sich daran eine umlaufende Stufe 22 mit einer zum Kolbenboden 4 parallelen, kolbenbodenseitigen Stufenfläche 23 an.

Der Ausschnitt A aus 1 ist in 2 vergrößert dargestellt und zeigt, dass die radial äußere Mantelfläche 24 des Ansatzes 21 gegenüber einer gedachten, achsparallelen Linie 25 einen Winkel α einschließt, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Größe von 1,15° hat.

3 zeigt eine konstruktive Ausgestaltung der radial äußeren Mantelfläche 24' des Ansatzes 21', bei der ein kolbenbodenseitiger Bereich 26 des ansonsten im Querschnitt schwalbenschwanzförmigen Ansatzes 21' in Richtung Kolbenboden konisch zulaufend ausgebildet ist und mit der gedachten, achsparallelen Linie 25 einen Win kel β einschließt, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Größe von 5,7° hat. Der Vorteil hiervon liegt darin, dass der konisch zulaufende Bereich 26 das Einschieben des Ansatzes 21' in die Ausnehmung 12 erleichtert.

Um das Oberteil 1 mit dem Unterteil 2 des Kolbens 3 zu verbinden, wird das Schrumpfverfahren angewandt, wobei das Unterteil 2 zunächst in flüssigen Stickstoff eingetaucht und dabei auf eine Temperatur von ca. –180° abgekühlt wird. Hierbei nehmen insb. die radialen äußeren Abmessungen der Anformung 20 und des Ansatzes 21, bzw. 21' so weit ab, dass der Ansatz 21, bzw. 21' problemlos in die Ausnehmung 12 eingeschoben werden kann. Erwärmt sich im Anschluss daran der Ansatz 21, 21' wieder auf Zimmertemperatur, nehmen dessen äußere Abmessungen insoweit zu, dass sich zwischen dem Ansatz 21, 21' des Unterteiles 2 und der Tragrippe 11 des Oberteiles 1 ein fester Schrumpfsitz ergibt, dessen Festigkeit dadurch sehr vergrößert wird, dass die Ausnehmung 12 und der Ansatz 21, 21' eine schwalbenschwanzförmige Querschnittsform aufweisen.

Ist hierbei der im Schnitt schwalbenschwanzförmige Ansatz 21, 21' in die in Schaftrichtung verjüngend zulaufende Ausnehmung 12 eingeschrumpft, ist eine Trennung der beiden Kolbenteile 1 und 2 nur möglich, wenn hierzu sehr große, entgegengesetzte Zugkräfte auf die Kolbenteile 1 und 2 ausgeübt werden, sodass die im Motorbetrieb auf den Kolben 3 einwirkende Massen- und Zündkräfte nicht zu Relativbewegungen des Ober- und des Unterteiles 1 und 2 des Kolbens 3 führen und ein dadurch bedingter Verschleiß und Beschädigungen des Kobens 3 vermieden werden.

Wenn zudem Ober- und Unterteil 1 und 2 des Kolbens 3 aus unterschiedlichen Stahlsorten bestehen, und der thermische Ausdehnungskoeffizient der Stahlsorte des Unterteiles 2 größer ist als der Ausdehungskoeffizient der Stahlsorte des Oberteiles 1, wird die Festigkeit des erfindungsgemäßen Schrumpfsitzes insbesondere im Motorbetrieb dadurch weiter verbessert, dass eine dabei erfolgende Erwärmung des Kolbens 3 auf Temperaturen von über 200°C zu einer größeren Ausdehung des Ansatzes 21, 21' des Unterteiles 2 als der Tragrippe 11 des Oberteiles 1 führt, sodass sich hierbei zusätzliche, die Festigkeit des Schrumpfsitzes weiter vergrößernde, mechanische Spannungen aufbauen.

A: Ausschnitt
1: Oberteil
2: Unterteil
3: Kolben
4: Kolbenboden
5: Brennkammer
6: Mantelfläche
7–9: Kolbenringnut
10: Ausnehmung
11: Tragrippe
12: Ausnehmung
13, 14: Schaftelement, Kolbenschaft
15, 16: Rippe
17: Bolzennabe
18: Bolzenbohrung
19: Stirnfläche
20: Anformung
21, 21': Ansatz
22: Stufe
23: Stufenfläche
24, 24': Mantelfläche
25: achsparallele Linie
26: Bereich
27: Kolbenlängsachse
28: Kragen
29: Stufenfläche
30: Stirnfläche
31: Abdeckblech

Claims

Gebauter Kolben (3) für einen Verbrennungsmotor bestehend aus einem Oberteil (1) – mit einem Kolbenboden (4) und – mit einer auf der dem Kolbenboden (4) abgewandten Unterseite angeordneten, rotationssymmetrisch zur Kolbenlängsachse (27) ausgebildeten, umlaufenden Tragrippe (11), die eine zur Unterseite hin offene und zur Kolbenlängsachse (27) rotationssymmetrische Ausnehmung (12) umschließt, und aus einem Unterteil (2) – mit einem radial außen angeordneten Kolbenschaft (13, 14), – mit Bolzenbohrungen (18) aufweisende Bolzennaben (17) und – mit einem kolbenbodenseitig an das Unterteil (2) angeformten Ansatz (21, 21'), dessen radial äußere Kontur so ausgebildet ist, dass er mit der Ausnehmung (12) einen Schrumpfsitz bildet, über den das Oberteil (1) und das Unterteils (2) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die in Kontakt zueinander stehenden und den Schrumpfsitz bildenden Flächen des Ansatzes (21, 21') und der Ausnehmung (12) in einem parallel zur Kolbenlängsachse (27) liegenden Längsschnitt betrachtet schwalbenschwanzförmig ausgebildet sind.
Gebauter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radial äußere Mantelfläche (24, 24') des Ansatzes (21) gegenüber einer gedachten, achsparallelen Linie (25) einen Winkel α mit dem Wert von 1°<α<2,5° einschließt.
Gebauter Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansatz (21') kolbenbodenseitig einen in Richtung Kolbenboden (4) konisch zulaufenden Bereich (26) aufweist.
Gebauter Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die radial äußere Mantelfläche des konisch zulaufenden Bereiches (26) mit der gedachten achsparalellen Linie (25) einen Winkel β mit einem Wert von 5°<β<7° einschließt.