DE102005042857A1

DE102005042857A1 - Kolben für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005042857A1
Application number: DE102005042857A
Authority: DE
Inventors: Ralf Buschbeck; Albert Haberl; Willi Sikorsky
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2005-09-08
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2007-03-22
Also published as: KR20080068805A; US8683913B2; PL1922479T3; EP1922479A1; WO2007028466A1; US20080245229A1; JP2009507173A; EP1922479B1

Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere einen 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, wobei die Verbindungswände (5) im Bereich ihres umlaufenden unteren Randes (8) konvex zu einer Achse (10) und im Bereich ihres oberen Randes (9) vorzugsweise unterhalb des Ringfeldes (6) konkav zu der Achse (10) ausgebildet sind, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass im Bereich des Kolbenbodens (3) radial umlaufend hinter dem Ringfeld (6) eine Verstärkung (15) vorgesehen ist.

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 bis 65% des Kolbendurchmessers oder weniger beträgt. Die Nabenaußenflächen, die die beiden Gleitflächen miteinander verbinden, haben über die Höhe der Gleitflächen betrachtet einen geradlinigen (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 Kolbengeradführung 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 gekrümmten Flächen mit nur einem Krümmungsradius und nur einer Krümmungsrichtung ausgebildet sind.

Eine Verbesserung bietet ein Kolben, wie er aus der DE 101 45 589 A1 bekannt ist. Dieser weist im Kolbenboden einen Freiguss (Hinterschnitt) auf, der sich radial umlaufend hinter dem Ringfeld erstreckt. Dieser Freiguss hat zwar den Vorteil einer Gewichtsersparnis, aber gleichzeitig auch den Nachteil, dass der Bereich des Kolbenbodens dadurch geschwächt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben bereitzustellen, mit dem die geschilderten Nachteile vermieden werden.

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

Erfindungsgemäß ist bei verschiedenen Bauformen des Kolbens, betreffend den Verlauf der Schaftwandabschnitte und deren Verbindungswände (deren Vorteile in der DE 101 45 589 A1 beschrieben sind), vorgesehen, dass im Bereich des Kolbenbodens radial umlaufend hinter dem Ringfeld eine Verstärkung vorgesehen ist. Diese Verstärkung hat den Vorteil, dass dort der Kolbenbodenbereich verstärkt wird, in dem auch der Freiguss sich befindet, um den Belastungen zu genügen, die aus den Verbrennungstemperaturen und -drücken während des Betriebes des Kolbens im Zylinderraum einer Brennkraftmaschine resultieren. Da in diesem Bereich der Freiguß (Hinterschnitt) vorhanden ist, ist diese Verstärkung von besonderem Vorteil und besonders wichtig, zumal der Schaft unter dem Ringfeld freihängend angeordnet ist und nicht zur Verstärkung (Abstützung) beitragen kann.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Verstärkung als Einlegeteil ausgebildet, dass vor dem Giessen eines Kolbenrohlings in das Gießwerkzeug eingelegt, dort fixiert und mit Gießschmelze umgeben wird. Das Einlegeteil ist aus dem gleichen oder einem anderen Werkstoff als der Werkstoff, aus dem der Kolbenrohling gegossen wird. Dadurch können Gewichtsersparnis durch den Freiguss einerseits und Verstärkung durch das Einlegeteil andererseits optimal aufeinander abgestimmt werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Einlegeteil ein- oder mehrteilig, vorzugsweise einteilig ringförmig, ausgebildet. Die mehrteilige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass das Einlegeteil an den Stellen hinter dem Ringfeld und etwa auf Höhe des Freigusses angeordnet werden kann, an denen eine besondere Verstärkung stattfinden soll. Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Einlegeteil einteilig ringförmig ausgebildet ist, so dass es beim Einsetzen in das Gießwerkzeug sehr einfach gehandhabt werden kann. Außerdem ist dadurch eine besonders gute durchgängige Verstärkung, vor allem eine radial Abstützung, im Bereich des Ringfeldes gegeben.

In Weiterbildung der Erfindung weist das Einlegeteil vor dem Einsetzen in das Gießwerkzeug einen Außendurchmesser auf, der kleiner oder gleich dem Innendurchmesser des Gießwerkzeuges an der Stelle, an der das Einlegeteil fixiert wird, ist. Der Innendurchmesser des Einlegeteiles ist größer oder gleich dem Außendurchmesser des Freigusses. Vorzugsweise ist eine Beabstandung zwischen dem Einlegeteil und dem Freiguss gegeben zwecks Verstärkung und Vermeidung von Problemen beim Giessen. Dabei ist diese Beabstandung so zu wählen, dass sich beim Einfüllen der Gießschmelze in das Gießwerkzeug ausreichend Gießschmelze zwischen Einlegeteil und Freiguss verteilen kann und Lücken vermieden werden. Der Freiguss (Hinterschnitt) wird dabei von einem entsprechend ausgebildeten Formteil (Schieber) des Gießwerkzeuges gebildet, das je nach Form des Freigusses senkrecht, schräg oder im rechten Winkel zur Kolbenhubachse nach dem Erstarren der Gießschmelze ausgezogen wird. Insgesamt ist das Einlegeteil gemäß der Erfindung so gestaltet, dass es der Verstärkung des Kolbenbodens dient und nach der Herstellung des Kolbens (Kolbenrohling gießen, der fertig bearbeitet wird) an der radialen Oberfläche des Kolbens im Bereich des Ringfeldes erscheint. Dabei ist die axiale Höhe des Einlegeteiles so gewählt, dass es sich ober- und unterhalb zumindest einer Ringnut, vorzugsweise der obersten Ringnut, erstreckt oder auch über mehrere Ringnuten erstrecken kann. Dabei ist es möglich, dass das Einlegeteil schon vor dem Giessen eine Nut zur Aufnahme eines Ölringes aufweist oder diese Nut (Ringnut) bei der Fertigbearbeitung des Kolbenrohlings eingebracht wird.

In Weiterbildung der Erfindung weist das Einlegeteil ein einen Kühlkanal bildendes ein- oder mehrteiliges Kühlkanalblech auf, welches an dem Einlegeteil angeformt ist. Damit ist eine Kühlung des Kolbenbodens durch ein in dem Kühlkanal zirkulierendes Kühlmedium, insbesondere Motoröl, möglich, um den hohen Belastungsanforderungen an den Kolben im Betrieb gerecht zu werden.

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 an hand 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
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 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.
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 15 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, Bezugsziffer 14 = Bolzenachse).
Weiterhin ist in 2 und 3 gezeigt, dass im Bereich des Kolbenbodens 3 radial umlaufend hinter dem Ringfeld 6 eine Verstärkung 15 vorgesehen ist, die der Verstärkung des Kolbenbodens dient. Somit wird durch die Kombination aus Freiguss 12 und Verstärkung 15 einerseits Gewicht gespart, andererseits aber die Festigkeit erhöht. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Gewicht, das das Volumen des Freigusses 12 ausmacht, größer ist als das Gewicht der Verstärkung, also des ein- oder mehrteiligen Einlegeteils. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass das Material des Einlegeteils eine geringere spezifische Dichte aufweist als die des umgebenden Kolbenmaterials. Alternativ oder ergänzend kann dieser Effekt auch bei gleichen Materialien über unterschiedliche Volumina (Volumen des Einlegeteils kleiner als das Volumen des Freigusses) erzielt werden.
(Bezugsziffer 16 = oberste Ringnut).

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, wobei die Verbindungswände (5) im Bereich ihres umlaufenden unteren Randes (8) konvex zu einer Achse (10) und im Bereich ihres oberen Randes (9) vorzugsweise unterhalb des Ringfeldes (6) konkav zu der Achse (10) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Kolbenbodens (3) radial umlaufend hinter dem Ringfeld (6) eine Verstärkung (15) vorgesehen ist.
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, wobei die Verbindungswände (5) im Bereich ihres umlaufenden unteren Randes (8) konvex zu einer Achse (10) und im Bereich ihres oberen Randes (9) vorzugsweise unterhalb des Ringfeldes (6) gerade ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Kolbenbodens (3) radial umlaufend hinter dem Ringfeld (6) eine Verstärkung (15) vorgesehen ist.
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, wobei die Verbindungswände (5) im Bereich ihres umlaufenden unteren Randes (8) gerade und im Bereich ihres oberen Randes (9) vorzugsweise unterhalb des Ringfeldes (6) konkav zu der Achse (10) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Kolbenbodens (3) radial umlaufend hinter dem Ringfeld (6) eine Verstärkung (15) vorgesehen ist.
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.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung (15) als Einlegeteil ausgebildet ist, das vor dem Giessen eines Kolbenrohlings in das Gießwerkzeug eingelegt, dort fixiert und mit Gießschmelze umgeben wird.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil ein- oder mehrteilig, vorzugsweise einteilig ringförmig, ausgebildet ist.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil vor dem Einsetzen in das Gießwerkzeug einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner oder gleich dem Innendurchmesser des Gießwerkzeuges an der Stelle, an der das Einlegeteil fixiert wird, ist und der Innendurchmesser des Einlegeteiles größer oder gleich dem Außendurchmesser des Freigusses (12) ist.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil an der radialen Oberfläche des Kolbens (1) im Bereich des Ringfeldes (6) erscheint und die axiale Höhe des Einlegeteiles so gewählt ist, dass es sich ober- und unterhalb zumindest einer Ringnut, vorzugsweise der obersten Ringnut (16), erstreckt.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil ein einen Kühlkanal bildendes ein- oder mehrteiliges Kühlkanalblech aufweist, welches an dem Einlegeteil angeformt ist.