DE102005041002A1

DE102005041002A1 - Leichtbaukolben

Info

Publication number: DE102005041002A1
Application number: DE200510041002
Authority: DE
Inventors: Ralf Buschbeck; Johannes Spermann; Albert Haberl; Klaus Lormes
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2007-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) mit einem ein Ringfeld (4) aufweisenden Kolbenboden (2) und einem daran angeordneten Kolbenschaft (3), aufweisend tragende Schaftwandabschnitte (5) und zurückliegenden Verbindungswänden (6), die die Schaftwandabschnitte (5) miteinander verbinden und einen gewölbten Verlauf sowie eine Bolzenbohrung (7) aufweisen, wobei unterhalb des Ringfeldes (4) im Bereich der Bolzenbohrung (7) ein hinterschnittener Freiraum (8) im Bereich des Kolbenbodens (2) vorhanden ist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass im Innenbereich des Kolbens (1) beim Übergang von der Bolzenbohrung (7) in Richtung des Schaftwandabschnittes (5f) ein gewölbter Bereich (15) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben mit einem ein Ringfeld aufweisenden Kolbenboden und einem daran angeordneten Kolbenschaft gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Ein solcher Kolben ist aus der DE 101 45 589 A1 bekannt. Dieser weist einen Kolbenboden auf, der aus einem Ringfeld mit mehreren Ringnuten und gegebenenfalls einer Brennraummulde besteht. In Bewegungsrichtung des Kolbens ist unterhalb des Kolbenbodens ein Kolbenschaft angeordnet, wobei dieser Kolbenschaft aus zwei den Kolben im Betrieb in der Brennkraftmaschine tragenden Schaftwandabschnitten besteht, die der Führung des Kolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine dienen. Die Schaftwandabschnitte sind über zurückliegende Verbindungswände miteinander verbunden, wobei die Verbindungswände keine Verbindung zu der Lauffläche des Zylinders haben. Bei dem Kolben der DE 101 45 589 A1 weisen gemäß den dortigen Patentansprüchen 1 bis 3 die Verbindungswände einen gewölbten Verlauf auf, der konvex, konkav oder aus einer Kombination von diesen Wölbungen bestehen kann. Weiterhin ist bei diesem bekannten Kolben im Bereich der Verbindungswände der untere Rand des Ringfeldes über diesen überstehend ausgebildet (Überstand) und dort zumindest teilweise ausgehöhlt, so das ein Freiraum zwecks Gewichteinsparung entsteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gattungsgemäßen Kolben hinsichtlich seiner Eigenschaften im Betrieb in der Brennkraftmaschine zu verbessern, insbesondere seine Festigkeit und Dauerhaltbarkeit zu erhöhen.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Innenbereich des Kolbens beim Übergang von der Bolzenbohrung in Richtung des Schaftwandabschnittes ein gewölbter Bereich vorgesehen ist. Durch diese gewölbten Bereiche beim Übergang von der Aussenkante der Bolzenbohrung in Richtung der Schaftwandabschnitte kann einerseits soviel Material verbleiben, dass hier die erforderliche Festigkeit beim Betrieb des Kolbens erzielt wird, während gleichzeitig soviel Material weggenommen werden kann, dass dadurch eine Gewichtsreduzierung bei gleichzeitig optimierter Haltbarkeit des Kolbens eintritt. Durch diesen erfindungsgemäßen gewölbten Verlauf im Innenbereich des Kolbens wird somit in Verbindung mit dem äußeren gewölbten Verlauf der tragenden Schaftwandabschnitte die erforderliche Festigkeit und Haltbarkeit des Kolbens erhöht bei gleichzeitiger Reduzierung des Kolbengewichtes. Desweiteren kann diese Konstruktion dahingehend fortgeführt werden, dass ausgehend von einer Ringnut des Ringfeldes in Richtung der Bolzenbohrung zumindest eine Verbindung in den Kolben eingebracht ist. Damit wird der Betrieb des Kolbens wesentlich verbessert, da der in der Ringnut sitzende Ölring (gegebenenfalls mehrteiliger Ölabstreifring) das sich an der Oberfläche des Kolbens beziehungsweise an der Oberfläche der Zylinderwand vorhandene Öl ansammelt und dieses in die Verbindung gedrückt wird und somit in Richtung der Bolzenbohrung geführt werden kann, um dort eine Schmierung des in die Bolzenbohrung eingesetzten Bolzens zu bewirken. Diese Verbindung ist bei dem gattungsgemäßen Kolben besonders vorteilhaft, da dieser aufgrund der gewölbten Verbindungswände schon ein geringes Gewicht und eine verbesserte Festigkeit aufweist, wobei die erfindungsgemäße Verbindung zur Schmierung des in die Bolzenbohrung eingesetzten Bolzens die Haltbarkeit der gesamten Anordnung, bestehend aus Kolben, Bolzen und Pleuel, wesentlich verbessert. Denn durch die Zuführung von Öl aus Richtung der Oberfläche des Kolbens in Richtung der Bolzenbohrung wird der dort eingesetzte Bolzen geschmiert und kann nicht fressen. Die erfindungsgemäße Bohrung wird entweder eingegossen und/oder durch einen Bohrvorgang (Bohrung) eingebracht.

In Weiterbildung der Erfindung ist in dem Freiraum hinter dem Ringfeld zumindest eine Rippe zur Abstützung des Ringfeldes angeordnet. Die zumindest eine Rippe bewirkt in vorteilhafter Weise, dass der überstehende Bereich des Ringfeldes im Bereich der zurückliegenden Verbindungswände wirksam abgestützt wird, so dass eine Verformung des Kolbens im Betrieb weitestgehend reduziert wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist jeweils eine Rippe recht und links oberhalb der Bolzenbohrung in dem Freiraum vorhanden. Dadurch stützt sich das Ringfeld auf diejenigen Bereiche rechts und links der Bolzenbohrung ab, die eine besondere Stabilität bilden. Dadurch werden Einflüsse der Bewegung des Bolzens in der Bolzenbohrung bei der Bewegung des Kolbens nicht auf das Ringfeld übertragen, wenn eben erfindungsgemäß jeweils eine Rippe recht und links oberhalb der Bolzenbohrung angeordnet ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verläuft die Verbindung durch die zumindest eine Rippe, insbesondere durch mehrere oder alle Rippen. Dabei können sowohl die Rippen als auch die Verbindungen schon bei der Herstellung eines Kolbenrohlings berücksichtigt werden. Ergänzend oder alternativ dazu ist es denkbar, dass die zumindest eine Verbindung erst nach der Herstellung des Kolbenrohlings eingebracht wird. Ebenso ist denkbar, zum Beispiel im Falle eines abgewinkelten oder gerundeten Verlaufes der Verbindung von der Ringnut in Richtung der Bolzenbohrung einen Teil der Verbindung schon mit der Herstellung des Kolbenrohlings auszubilden und einen weiteren, den restlichen Teil der Verbindung durch eine späteren Bearbeitungsvorgang, insbesondere eine Bohrung, einzubringen. Wird die Verbindung schon mit Herstellung des Kolbenrohlings erzeugt bietet es sich an, im Bereich der späteren Verbindung einen Kern oder auch einen Stift vorzusehen, der nach Herstellung des Kolbenrohlings entfernt wird.

In Weiterbildung der Erfindung ist in der Ringnut zumindest ein in den Freiraum hineinreichender Drainageschlitz vorhanden. Dabei wird der Freiraum mit der Herstellung des Kolbenrohlings (und gegebenenfalls nach anschließender weiterer Bearbeitung) so gestaltet, dass mit Einbringung der Ringnut, insbesondere der untersten Ringnut, eine Verbindung von außen in Richtung des Freiraumes erzeugt wird, die eben den in den Freiraum hinreichenden Drainageschlitz bildet. Das bedeutet, dass mit einbringen der Ringnut, insbesondere durch einen Schritt spanabhebender Bearbeitung, der Drainageschlitz automatisch erzeugt wird. Der eingebrachte Drainageschlitz bewirkt, das dass an der Oberfläche des Kolbens beziehungsweise an der Oberfläche der Zylinderinnenwand vorhanden Öl in Richtung des Innenbereiches des Kolbens abgeführt wird. Die Position bzw. die konstruktive Ausführung dieses Drainageschlitzes wirkt im Vergleich zu bisher bekannten Ölbohrungen dauerfestigkeitserhöhend. Ausserdem gibt es keine Unterbrechung der Ringauflagefläche, so dass Nutverschleiß und Ölverbrauch dadurch reduziert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die Bolzenbohrung eine Aushebenut für einen Rückhaltering (Klemmring) für den Bolzen auf, wobei die Aushebenut unterhalb des Freiraums und am oberen Scheitelpunkt der Bolzenbohrung angeordnet ist. Durch den Freiraum wird es ermöglicht, die Aushebenut am oberen Scheitelpunkt der Bolzenbohrung anzuordnen. Dies hat den Vorteil, dass die Aushebenut in einem Bereich angeordnet ist, in der die Festigkeit des Kolbens nicht beinträchtig ist. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer steigenden Massenkraftsicherheit.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kante unterhalb des Ringfeldes im Bereich der zurückliegenden Verbindungswände abgerundet. Nach der Herstellung des Kolbenrohlings wird dieser im Regelfall mittels spanabhebender Bearbeitung fertig bearbeitet, insbesondere abgedreht. Dies hat zur Folge. Das die Kante unterhalb des Ringfeldes im Bereich der zurückliegenden Verbindungswände sehr scharfkantig ist und gegebenenfalls einen Grat ausweist, der beim Handling, insbesondere der Montage des Kolbens zu Verletzungen des Montagepersonals kommen kann. Zu diesem Zweck ist in vorteilhafter Weise diese scharfe Kante unterhalb des Ringfeldes abgerundet beziehungsweise weist eine Abrundung auf. Diese Abrundung kann ebenfalls durch spanabhebende Bearbeitung, insbesondere einen Fräsvorgang, hergestellt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf diese jedoch nicht beschränkt ist, sind im Folgenden beschrieben und an Hand der Figuren erläutert.
Die 1 bis 3 zeigen jeweils einen Kolbens 1 einer Brennkraftmaschine, der als Leichtbaukolben ausgestaltet sein kann, aber nicht muss. Handelt es sich um einen Leichtbaukolben, wird zunächst ein Kolbenrohling aus einem Leichtbauwerkstoff, insbesondere Aluminium, gegossen und dann mittels spanabhebender Bearbeitung endbearbeitet. Die Grundkonstruktion eines solchen Kolbens 1 ist aus der DE 101 45 589 A1 bekannt. Dieser Kolben 1 besteht aus einem Kolbenboden 2 mit anhängendem Kolbenschaft 3, wobei Kolbenboden 2 und Kolbenschaft 3 einteilig ausgebildet sind oder aus zwei Teilen bestehen, die nach ihrer Herstellung zusammen gefügt werden. Weiterhin weist der Kolben 1 ein Ringfeld 4 mit im Regelfall 3 Ringnuten auf. Der Kolbenschaft 3 besteht aus den Kolben 1 tragenden Schaftwandabschnitten 5, wobei die Schaftwandabschnitte 5 durch zurückliegende Verbindungswände 6 miteinander verbunden sind. Die Verbindungswände 6 haben einen gewölbten Verlauf, wobei bezüglich des gewölbten Verlaufes der Verbundswände 6 auf die möglichen Ausgestaltungen gemäß der Patenansprüche 1 bis 3 der DE 101 45 589 A1 verwiesen wird. Auf diesen gewölbten Verlauf (konkav und/oder konvex von einem Schaftwandabschnitt zu dem anderen Schaftwandabschnitt und/oder in ihrem Verlauf in Kolbenbewegungsachse) wird verwiesen, da dieser Verlauf hinsichtlich Gewichtseinsparung bei gleichzeitiger Beibehaltung der erforderlichen Festigkeit besonders wichtig ist. Die zurückliegenden Verbindungswände 6 weisen weiterhin eine Bolzenbohrung 7 zur Aufnahme eines Bolzens zur Verbindung des Kolbens 1 mit einem nicht dargestellten Pleuel auf. Weiterhin ist in 1 gezeigt, dass im Bereich des Kolbenbodens 2 zurückliegend hinter dem Ringfeld 4 und oberhalb der Bolzenbohrung 7 ein Freiraum 8 vorhanden ist. In einer ersten Ausgestaltung, wie sie in 1 gezeigt ist, verläuft ausgehend von einer Ringnut 9 des Ringfeldes 4 eine Verbindung 10 in Richtung der Bolzenbohrung 7, um den dort befindlichen (nicht dargestellten) Bolzen zu schmieren. Bei der Ausgestaltung der Verbindung 10 gemäß 1 handelt es sich um eine Bohrung, die zum einen Teil aus Richtung der Ringnut 9 und zum anderen Teil aus Richtung des Kolbenschafts 3 in Richtung des Kolbenbodens 2 eingebracht wird. Die Darstellung unten rechts der 1 ist ein Schnitt A-A gemäß der Darstellung in 1 oben rechts.
2 zeigt den gleichen Kolben 1 gemäß 1, wobei hier oberhalb der Bolzenbohrung 7 in dem Freiraum 8 rechts und links von der Bolzenbohrung 7 jeweils eine Rippe 11 angeordnet ist. Diese Rippen 11 dienen der Abstützung des Ringfeldes 4 beim Betrieb des Kolbens 1, so dass die auf dem Kolbenboden 2 wirkenden Kräfte über die Rippen 11 in die zurückliegenden Verbindungswände 6 eingeleitet werden. Weiterhin ist in 2 gezeigt, das die Bolzenbohrung 7 eine Aushebenut 12 für einen Rückhaltering (Klemmring) für den Bolzen aufweist, wobei die Aushebenut 12 unterhalb des Freiraums 8 und am oberen Scheitelpunkt der Bolzenbohrung 7 angeordnet ist. In der Darstellung der 2, rechts, ist ein Drainageschlitz 13 gezeigt, dessen Lage und Anordnung sich auch bei Betrachtung der 3 ergibt. Der Drai nageschlitz 13 ist im Bereich der Ringnut 9 angeordnet so dass sich eine Verbindung von der Ringnut 9 in den Freiraum 8 ergibt, wenn die Ringnut 9 in den Kolbenrohling eingebracht wird. Der Bereich des Drainageschlitzes 13 hinter der Ringnut 9, also im Bereich des Freiraumes 8, kann Tassenförmig ausgebildet sein. Bei Einsatz insbesondere eines dreiteiligen Ölrings in der Ringnut 9 kann über den Drainageschlitz 13 Öl von der Oberfläche des Kolbens 1 beziehungsweise der Zylinderlauffläche in Richtung des Innenbereiches des Kolbens 1 abgeführt werden. Zu diesem Zweck befinden sich die Drainageschlitze 13, bei der insbesondere jeweils ein Drainageschlitz rechts und links von der Bolzenbohrung 7, insbesondere symmetrisch, angeordnet ist, im Bereich der zurückliegenden Verbindungswände 6, da hier für das abgeführte Öl ausreichend Platz zur Verfügung steht.
In den Figuren zwar nicht dargestellt, kann die Verbindung 10, wie sie zum Beispiel in 1 dargestellt ist, ausgehend von der Ringnut 9 durch die Rippe 11 in Richtung der Bolzenbohrung 7 verlaufen.
Mit Blick auf 3 ist erkennbar, dass im Innenbereich des Kolbens 1 gewölbte Bereiche 15 vorgesehen sind, die sich ausgehend von der Bolzenbohrung 7 in Richtung der Schaftwandabschnitte 5 (deren innenliegenden Flächen) erstrecken. Diese gewölbten Bereiche 15 können einen stetigen oder unstetigen Verlauf in Umfangsrichtung und/oder im Verlauf in Richtung der Kolbenhubachse aufweisen und damit den jeweiligen Geometrien des Innenbereiches des Kolbens 1 angepasst werden. Diese gewölbten Bereiche 15 können entweder durch Gießen des Kolbens 1 oder durch nachträgliche Bearbeitung, insbesondere spanabhebende Bearbeitung mittels Fräsen, eingebracht werden.
Der Verlauf und/oder die Erstreckung des gewölbten Bereiches 15 hat darüber hinaus noch den Vorteil, dass ein Freiraum geschaffen wird im Innenbereich des Kolbens, der für den Spielbedarf eines Trapezpleuels, über das der Kolben mit der Kurbelwelle verbindbar ist, erforderlich ist.

1: Kolben
2: Kolbenboden
3: Kolbenschaft
4: Ringfeld
5: Schaftwandabschnitt
6: Verbindungswand
7: Bolzenbohrung
8: Freiraum
9: Ringnut
10: Verbindung
11: Rippe
12: Aushebenut
13: Drainageschlitz
14: Abrundung
15: gewölbter Bereich

Claims

Koben (1) mit einem ein Ringfeld (4) aufweisenden Kolbenboden (2) und einem daran angeordneten Kolbenschaft (3), der tragende Schaftwandabschnitte (5) und zurückliegende Verbindungswände (6) aufweist, die die Schaftwandabschnitte (5) miteinander verbinden und einen gewölbten Verlauf sowie eine Bolzenbohrung (7) aufweisen, wobei unterhalb des Ringfeldes (4) im Bereich der Bolzenbohrung (7) ein hinterschnittener Freiraum (8) im Bereich des Kolbenbodens (2) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenbereich des Kolbens (1) beim Übergang von der Bolzenbohrung (7) in Richtung des Schaftwandabschnittes (5) ein gewölbter Bereich (15) vorgesehen ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehen von einer Ringnut (9) des Ringfeldes (4) in Richtung der Bolzenbohrung (7) zumindest eine Verbindung (10) in den Kolben (1) eingebracht ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Freiraum (8) zumindest eine Rippe (11) zur Abstützung des Ringfeldes (4) angeordnet ist.
Kolben (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Rippe (11) rechts und links oberhalb der Bolzenbohrung (7) vorhanden ist.
Kolben (1) nach Anspruch oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (10) durch die zumindest eine Rippe (11) verläuft.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ringnut (9) zumindest ein in den Freiraum (8) hineinreichender Drainageschlitz (13) vorhanden ist.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzenbohrung (7) eine Aushebenut (12) für einen Rückhaltering aufweist, wobei die Aushebenut (12) unterhalb des Freiraums (8) und am oberen Scheitelpunkt der Bolzenbohrung (7) angeordnet ist.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante unterhalb des Ringfeldes (4) im Bereich der zurückliegenden Verbindungswände (6) abgerundet ist.