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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere für eine Brennkraftmaschine,
der als solcher einen Kolbenboden, ein Kolbenhemd und ein der Aufnahme
eines Kolbenbolzens dienendes Kolbenbolzenlager umfasst.
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Hintergrund der Erfindung
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Kolben
der vorgenanten Art finden insbesondere in Brennkraftmaschinen in
Hubkolbenbauart Anwendung und sind in verbautem Zustand über den genannten
Kolbenbolzen an ein Pleuel und über
dieses in einen Kurbeltrieb eingebunden. Diese Kolben sind üblicherweise
derart ausgebildet, dass bei einer möglichst geringen Eigenmasse
die geforderte Geometrie an sich, sowie auch die anderweitigen funktionsrelevanten
strukturmechanischen Eigenschaften erreicht werden können. Insbesondere
im Bereich der Fahrzeugmotorentechnik haben sich Leichtmetallkolben
bewährt
die ggf. in thermisch oder mechanisch hoch belasteten Zonen mit
Verstärkungsstrukturen
versehen sind, und typischerweise durch Guss- oder Schmiedeverfahren
gefertigt werden.
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Aus
DE 19837596 ist ein Leichtmetallkolben für eine Brennkraftmaschine
bekannt, der einen Kolbenboden, ein Kolbenhemd und ein integral
hiermit ausgebildetes Kolbenbolzenlager aufweist in welchem in verbautem
Zustand die seitlich aus einem Pleuelauge herausragenden Endabschnitte
eines Kolbenbolzens aufgenommen sind. Das Kolbenbolzenlager ist
mit Lagerbuchsen versehen die in die entsprechenden Aufnahmebohrungen
eingepresst und aus einem gerollten Blechmaterial gefertigt sind.
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Aus
US PS 4,074,617 ist ein
Kolben für
eine Brennkraftmaschine bekannt, der ähnlich wie der vorgenannte
Kolben einen Hauptkorpus umfasst durch welchen der Bereich des Kolbenbodens,
das Kolbenhemd und das Kolbenbolzenlager gebildet sind. In diesen
Hauptkorpus ist eine aus einem Stahlwerkstoff gefertigte Verstärkungseinlage
eingebettet die sich aus einem dem oberen Bereich der Kolbenbolzenbohrung
benachbarten Korpusbereich in den Bereich des Kolbenhemdes erstreckt.
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Aus
GB 1 478 293 ist ein Kolben
für eine Brennkraftmaschine
bekannt, der eine in den Kolbenboden eingeformte Brennkammer aufweist.
Im Bereich einer oberen Umfangskante der Brennkammer ist die Kammerwandung
von einem Ringelement eingefasst, das aus einem hinreichend temperaturbeständigen Stahlwerkstoff
gefertigt ist.
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Aus
AT 389 571 ist ein aus Leichtmetallkomponenten
gefertigter Kolben bekannt dessen Kolbenboden durch zwei randseitig
verschweißte
und konvex nach außen
gewölbte
Blechscheiben gebildet ist. Diese Blechscheiben bilden eine Kammer
in welcher ein Ausdehnungselement aufgenommen ist. Über diese
Struktur soll eine Weitung des Kolbens im Bereich der Außenumfangszonen
des Kolbenbodens vermieden werden.
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Aus
der Anfangszeit des Motorenbaus und auch zeitlich vor der Verbreitung
von Kolben aus Leichtmetall, sind aus
GB
10,435 und
GB 259,050 Kolben
bekannt, bei welchen der Kolbenboden und der Kolbenmantel aus einem
aus einem Blechmaterial gefertigt sind.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben zu schaffen durch
welchen den motortechnisch gegebenen Anforderung in vorteilhafter Weise
Rechnung getragen werden kann und welcher auch unter fertigungstechnischen
Gesichtspunkten Vorteile gegenüber
verbreiteten Kolbenkonzepten bietet.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Kolben mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Demnach
umfasst der den Kolbenbolzen lagernde und in Hubrichtung abstützende Bereich
des Kolbens auf jeder Seite des Auges eines zugeordneten Pleuels,
jeweils mindestens zwei sich radial zur Bolzenachse erstreckende
Wandungen. Diese Wandungen sind vorzugsweise voneinander beabstandet,
so dass zwischen diesen ein Zwischenraum definiert ist.
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Durch
das erfindungsgemäße Konzept
wird es auf vorteilhafte Weise möglich,
einen thermisch hoch belastbaren Kolben zu schaffen, der sich bei geringem
Eigengewicht durch eine hohe Strukturfestigkeit auszeichnet und
als Serienteil besonders kostengünstig
auf Grundlage eines Blechumformverfahrens herstellbar ist. Auf Grundlage
des erfindungsgemäßen Konzeptes
wird es möglich,
einen besonders vorteilhaften Kraftfluss zwischen der Struktur des Kolbenbodens,
des Kolbenhemdes und der Kolbenbolzenlagerung zu realisieren.
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Die
Doppelwandstruktur ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass diese
wenigstens eine zum Kolbenboden vordringende Stützwand umfasst. Diese zum Kolbenboden
vordringende Stützwand
dient dabei vorzugsweise der Einleitung der auf den Kolbenboden
wirkenden Gaskräfte
in den Bereich des Kolbenbolzenlagerungsabschnittes.
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Die
Doppelwandstruktur ist weiterhin vorzugsweise derart ausgebildet,
dass diese auch eine zum Kolbenhemdabschnitt vordringende Querstegwand
umfasst. Über
diese Querstegwand kann das Pleuelauge quer zur Hubrichtung abgestützt werden. Die
Doppelwandstruktur kann hierbei derart ausgebildet sein, dass diese
einen an den Kolbenhemdabschnitt angrenzenden, seitlichen Endkantenabschnitt
aufweist, wobei die Querstegwand über jenen Endkantenabschnitt
mit dem Kolbenhemd verbunden ist, insbesondere verschweißt oder
verlötet ist,
zur radialen Aussteifung des Kolbenhemdes.
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Es
ist möglich,
den linken und den rechten Bolzenlagerungsabschnitt derart zu gestalten,
dass dieser ein Buchsenelement umfasst, das als solches den jeweiligen
Lagerbohrungsabschnitt definiert. Dieses Buchsenelement kann als
nahtloser Rohrstutzen gefertigt sein. Es ist auch möglich, dieses
Buchsenelement aus einem gewickelten Blechabschnitt zu fertigen
und mit einer entsprechenden Axialnaht zu versehen. Die Innenwandung
dieses Buchsenelementes kann als Lagerfläche zur Aufnahme des Kolbenbolzens
nachgearbeitet, insbesondere geschliffen werden. Es ist auch möglich. in
dieses Buchsenelement eine weitere, beispielsweise aus einem Lagermaterial
gefertigte Buchse einzupressen und ggf. durch reine Pressumformung
eine hinreichende Lagergeometrie zu schaffen.
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Zur
Erlangung einer besonders hohen Struktursteifigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens
sind die Wände
der Doppelwandstruktur vorzugsweise mit Sicken versehen. Der Verlauf
dieser Sicken wird vorzugsweise unter strukturmechanischen Gesichtspunkten
optimiert. Hierbei werden insbesondere neben der Gestaltung zur
Erlangung möglichst
hoher Festigkeiten auch Auswirkungen der Sicken auf das Wärmedehnverhalten
des erfindungsgemäßen Kolbens
berück sichtigt.
Vorzugsweise wird der Kolben derart gestaltet, dass etwaige mechanische
und thermische Belastungen desselben die Geometrie und Laufeigenschaften
des Kolbens nicht unzulässig stark
beeinträchtigen.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist auch der Kolbenboden aus einem Blechmaterial gefertigt.
Zur Bildung des Kolbenbodens und zur Bildung des Kolbenhemdabschnittes
können
Blechmaterialabschnitte unterschiedlicher Dicke und Legierung verwendet werden.
Das zur Bildung des Kolbenbodens verwendete Blechmaterial ist vorzugsweise
ein hochtemperaturbeständiger,
warmfester Stahl.
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Es
ist möglich,
dem Kolbenboden die erforderliche Geometrie durch Umformverfahren,
insbesondere Tiefziehen und Fließpressen und gegebenenfalls
leichte spanabhebende Nachbearbeitung zu verleihen. Vorzugsweise
ist in den Kolbenboden eine Kammer eingeformt, die beispielsweise
als Brennkammer fungieren kann. Weiterhin ist es möglich, in den
Kolbenboden Ventilkopftaschen einzuformen, in die als solche die
Randabschnitte entsprechender Gaswechselventile eintauchen können. Die
Umformung des Kolbenbodens erfolgt vorzugsweise derart, dass durch
diese keine unzulässig
starke Wandschwächung
erfolgt. Die in den Kolbenboden eingebundenen Umformungen können so
gewählt
sein, dass durch diese die Festigkeit des Kolbenbodens, insbesondere
die Biegesteifigkeit desselben erhöht wird.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Kolbenboden integral mit einem Wandungsabschnitt
der Doppelwandstruktur ausgeführt.
Hierdurch wird eine besonders tragfähige Kolbengestaltung erreicht,
da die auf den Kolbenboden wirkenden Gas- und Massenkräfte in strukturmechanisch
vorteilhafter Weise in den jeweiligen Wandabschnitt der Doppelwandstruktur
einlaufen können.
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Es
ist auch möglich,
den Kolbenboden integral mit dem Kolbenhemdabschnitt auszuführen. Der Kolbenboden
und der Kolbenhemdabschnitt können hierbei
durch Umformung, insbesondere Tiefziehen eines Blechmaterialabschnittes
gefertigt werden.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst der Kolben einen zur Bildung von Kolbenringnuten
vorgesehenen Außenbereich,
der durch ein Ringelement gebildet ist. Dieses Ringelement kann
aus einem Werkstoff gefertigt sein dessen mechanische Eigenschaften insbesondere
für die
Abstützung
der Kolbenringe sowie für
die Laufeigenschaften des Kolbens an der entsprechenden Zylinderwand
Vorteile bieten. Dieses Ringelement kann derart vorgefertigt sein,
dass dieses nach Einbindung in den Kolben nur noch in geringem Umfang
nachgearbeitet werden muss. Insbesondere ist es möglich, das
Ringelement so auszubilden, dass dessen Außenflächen sowie die Kolbenringnuten
bereits auf Endmaß geschliffen
gefertigt sind.
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Das
Ringelement wird vorzugsweise derart angeordnet, dass sich dieses
in einem Zwischenbereich zwischen dem Kolbenboden und dem Kolbenhemdabschnitt
erstreckt. An dem Ringelement können
Strukturen ausgebildet sein, die eine besonders effiziente Sicherung
desselben in dem Kolben ermöglichen.
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Das
Ringelement kann mit dem Kolbenboden über eine Schweißverbindungsstelle
verbunden sein. Alternativ hierzu, oder auch in Kombination mit der
vorgenannten Maßnahme
ist es auch möglich, das
Ringelement mit dem Kolbenboden oder den anderweitig an dieses angrenzenden
Wandungen des Kolbens zu verlöten
oder durch anderweitige Umformung der angrenzenden Wandung zu sichern.
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Das
Ringelement kann so ausgebildet sein, dass dieses mit der daran
angrenzenden Struktur des Kolbens formschlüssig gekoppelt ist, wobei die den
Formschluss herbeiführenden
Abschnitte, beispielsweise durch plastische Umformung der angrenzenden
Struktur, gefertigt sein können.
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Das
Ringelement kann auch durch ein Gieß- oder Pressverfahren an den übrigen Kolbenkern
angeformt sein. Das Ringelement kann hierzu insbesondere aus einer
Leichtmetalllegierung gefertigt sein. Der Kolbenkern und das Ringelement
sind dann als MIM (Metall-Insert-Molding) Struktur miteinander verbunden.
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Der
erfindungsgemäße Kolben
kann weiterhin derart ausgebildet sein, dass das durch diesen bereitgestellte
Kolbenbolzenlager als Kolbenbolzenlager zur Anbindung eines Trapezkopf-Pleuels
ausgeführt
ist. Dadurch ergibt sich eine besonders vorteilhafte Kraftübertragung
zwischen Pleuel und Kolben, und zudem eine geringe Biegebelastung
des Kolbenbolzens sowie auch der Doppelwandstruktur.
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Der
erfindungsgemäße Kolben
ist vorzugsweise aus einem hochfesten Werkstoff, insbesondere Stahl
oder Titan gefertigt. Das erfindungsgemäße Konzept eines unter Bildung
von Doppelwandstrukturen aus mehreren Einzelteilen zusammengefügten Kolbens
kann jedoch auch durch Aluminium-Werkstoffe realisiert werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Kolben
sind der Kolbenboden und das Kolbenhemd als Blechumformteile ausgeführt. Dies
hat den Vorteil, dass hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften
vorteilhafte Strukturen durch den Blechumformvorgang bereitgestellt
werden können.
Das Ringelement kann als einfaches Drehteil aus einem Halbzeug gefertigt
werden. Die Verbindung der einzelnen Komponenten des Kolbens kann
durch Verbindungskonzepte zur Schaffung metallischer Verbindungen,
wie Schweißen
und/oder Löten
erfolgen. Der so geschaffene Kolbenkorpus kann auch elektrochemisch
nachbehandelt, insbesondere entgratet und poliert werden. Es ist
möglich,
den Kolben insbesondere in hinsichtlich der Rissbildung kritischen
Zonen zu beschichten.
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Der
erfindungsgemäß gebaute
Kolben kann einer Wärmebehandlung
unterzogen werden, insbesondere spannungsarm geglüht werden.
Nach Abschluss der Wärmebehandlung
erfolgt eine Fertigbearbeitung des Kolbens. Es ist möglich, den
Kolben derart durch plastische Verformung, insbesondere Stauchung
zu kalibrieren, dass im Rahmen der Fertigbearbeitung nur ein relativ
geringes Materialvolumen im Bereich der Ringnuten, des Kolbenhemdes und
der Kolbenbolzenbohrung abgetragen werden muss.
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Es
ist möglich,
den Kolbenboden so zu gestalten, dass dieser einteilig mit dem Kolbenhemd ausgeführt ist.
In den Kolbenboden kann insbesondere bei dieser Ausführungsform
die bereits angesprochene Brenn- oder Kompressionskammer eingeformt
sein. Es ist auch möglich,
die zur Aufnahme der Kolbenringe vorgesehene Randstruktur des Kolbens einteilig
mit einem den weiteren Teil des Kolbenbodens bildenden Element auszuführen. Die
entsprechende Materialstärke
im Randbereich des Kolbens kann durch Fließpressen, sowie Mehrfachbördelung oder
-faltung geschaffen werden. Die Kolbenstruktur kann mit Ölbohrungen, Öffnungen
und anderweitigen Ölleiteinrichtungen
versehen sein um zu den schmier- und kühlungsrelevanten Zonen einen
ausreichenden Schmierstoffzutritt zu ermöglichen.
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Auf
die angegebenen Buchsenelemente zur Aufnahme des Kolbenbolzens kann
verzichtet werden. Es ist möglich
entsprechende Buchsenzonen durch ringbildende Umformung der die
Bolzenbohrungen umsäumenden
Abschnitte der Wände
der Doppelwandstruktur zu fertigen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens mit Blick auf die
Unterseite des Kolbenbodens, insbesondere zur Veranschaulichung
eines bevorzugten Aufbaus der Doppelwandstruktur,
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2 eine
perspektivische Explosionsdarstellung des Kolbens nach 1,
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3 eine
Axial-Schnittansicht des Kolbens nach 1 in einer
zur Kolbenbolzenachse radialen Axialebene,
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4 ebenfalls
eine Axial-Schnittansicht des Kolbens nach 1 in einer
die Hubachse und die Kolbenbolzenachse enthaltenden Axialebene,
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5 eine
perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens,
bei welchem der Kolbenboden, das Kolbenhemd und jeweils eine Wandung
der Doppelwandstruktur integral als Blechumformteil gefertigt sind,
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6 eine
Prinzip-Skizze zur Erläuterung
eines bevorzugten Tragbildes eines erfindungsgemäßen Kolbens,
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7 eine
Skizze zur Veranschaulichung des Aufbaus hochfester Schweißstellen
zur Anbindung wenigstens einer Wand der Doppelwandstruktur an den
Kolbenboden,
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8 eine
weitere Skizze zur Veranschaulichung einer möglichen Gestaltung der Doppelwandstruktur,
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9 eine
Skizze zur Illustration einer durch Sicken ausgesteiften Wand der
Doppelwandstruktur,
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10 eine
Skizze zur Veranschaulichung der Gestaltung der Doppelwandstruktur
bei der Abstützung
eines Trapez-Pleuels,
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11 eine
weitere Detail-Skizze zur Veranschaulichung einer weiteren Variante
der Doppelwandstruktur.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der
in 1 dargestellte Kolben ist derart gestaltet, dass
dieser in einer radial zur Oszillationsachse X liegenden Ebene eine
annähernd
kreisförmige
Außenkontur
aufweist. Der Kolben umfasst einen Kolbenboden 1 und ein
Kolbenhemd 2. Der Kolben umfasst weiterhin ein Kolbenbolzenlager 3,
das einen ersten Bolzenlagerungsabschnitt 3a und einen zweiten
Bolzenlagerungsabschnitt 3b umfasst. Durch diese beiden
Bolzenlagerungsabschnitte 3a, 3b wird ein erster
bzw. ein zweiter Lagerbohrungsabschnitt 3c, 3d bereitgestellt,
in welchem letztlich ein Kolbenbolzen sitzen kann. Der hier gezeigte
Kolben zeichnet sich dadurch aus, dass das Kolbenhemd 2 aus
einem Blechmaterial gefertigt ist und sowohl der erste Bolzenlagerungsabschnitt 3a,
als auch der zweite Bolzenlagerungsabschnitt 3d jeweils
als Doppelwandstruktur ausgeführt
sind. Diese Doppelwandstruktur ist jeweils derart ausgebildet, dass
diese eine zum Kolbenboden 1 vordringende Stützwand 4a, 4b umfasst.
Die Doppelwandstruktur umfasst weiterhin auch eine, zum Kolbenhemdabschnitt
vordringende Querstegwand 5a, 5b.
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Bei
dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist
die Querstegwand 5a, 5b integral mit dem Kolbenhemd 2 ausgeführt. Die
Stützwand 4a, 4b ist
jeweils im Bereich ihrer von innen an das Kolbenhemd 2 angrenzenden
seitlichen Endkanten mit dem Kolbenhemd 2 verbunden. Die
Verbindung kann durch Schweiß-
oder Lötstellen
erfolgen. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Kolbenhemd 2 durch
die beiden Wandungen 4a, 5a bzw. 4b, 5b der jeweiligen
Doppelwandstruktur radial ausgesteift.
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Bei
dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist
jeder Bolzenlagerungsabschnitt 3a, 3d mit einem Buchsenelement 6a, 6b versehen,
das als solches den jeweiligen zur Aufnahme des Kolbenbolzens vorgesehenen
Lagerbohrungsabschnitt definiert. Dieses Buchsenelement kann aus
einem Halbzeug gefertigt sein und – wie hier dargestellt – einen
Ringrand 7 aufweisen, durch welchen das Buchsenelement 6a, 6b einerseits
weiter ausgesteift wird und andererseits eine Anschlagstruktur erhält, durch
welche dessen Axialposition in der Doppelwandstruktur festgelegt wird.
Dieser Ringrand 7 kann eine Lauffläche bilden, über welche
ein in den erfindungsgemäßen Kolben eingesetztes
Pleuel in Richtung der Kolbenbolzenachse positioniert wird.
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In
den Kolbenboden 1 kann eine Kammer 8 eingeformt
sein, die beispielsweise als Brennkammer oder Kompressionskammer
fungiert. Es ist möglich, die
in dieser Ansicht sichtbare Bodenlage der Kammer 8 so auszubilden,
dass diese eine Gleit- oder Aufstandsfläche bildet, die auf einer zur
Kolbenbolzenachse konzentrischen Außenfläche des Pleuel-Auges aufsitzt
und sich damit zumindest bei besonders hohen Gaskräften unmittelbar
auf dem Pleuel abstützen
kann.
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Der
Kolben umfasst weiterhin ein Ringelement 9, das als solches
mit Kolbenringnuten versehen ist zur Aufnahme von Kolbenringen.
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
erstreckt sich das Ringelement 9 in einen Zwischenbereich
zwischen dem zur Bildung des Kolbenbodens 1 vorgesehenen Materialzuschnitt
und dem zur Bildung des Kolbenhemdes 2 vorgesehenen Materialzuschnitt.
Die gesamten in dieser Darstellung erkennbaren Einzelteile des Kolbens
sind über
Schweiß-
und/oder Lötverbindungsstellen
miteinander verbunden.
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Aus 2 ist
der Aufbau des erfindungsgemäßen Kolbens
noch weiter ersichtlich. Bei der hier gezeigten Ausführungsform
sitzt der Kolbenboden 1 im Bereich seiner Randzone auf
dem Ringelement 9 auf. Das Kolbenhemd 2 ist integral
mit den beiden äußeren Querstegwänden 5a, 5b der
Doppelwandstruktur ausgeführt.
Die zur Koppelung des Kolbenbodens 1 mit den Buchsenelementen 6a, 6b vorgesehenen
Stützwandungen 4a, 4b sind
relativ dickwandig ausgebildet und stellen bei der hier gezeigten Ausführungsform
die inneren Wandungen, d.h. die unmittelbar dem Pleuel-Auge benachbarten
Innenwandungen der jeweiligen Doppelwandstruktur dar.
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Das
Ringelement 9 ist bei diesem Ausführungsbeispiel bereits vor
Einbindung in die erfindungsgemäße Blechstruktur
mit Kolbenringnuten versehen, um den Nachbearbeitungsbedarf des
Kolbens nach Verschweißen
bzw. Verlöten
der einzelnen Blechkomponenten möglichst
gering zu halten.
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Die
in den Kolbenboden 1 eingeformte Kammer 8 ist
bei diesem Ausführungsbeispiel
so ausgebildet, dass diese einen konvex zur Kolbenoberseite ausbauchenden
Bodenabschnitt 8a aufweist. Durch diese Kammergestaltung
kann das Querdehnungsverhalten des Kolbens beeinflusst werden.
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Wie
aus der Darstellung nach 3 ersichtlich, erstreck sich
die Stützwand 4a bzw. 4b bis
unmittelbar an die Unterseite des Kolbenbodens 1. Die Stützwand 4a bzw. 4b ist
im Bereich ihrer, an die Unterseite des Kolbenbodens 1 angrenzenden
Endkanten mit dem Kolbenboden 1 zumindest abschnittsweise
verschweißt
oder verlötet.
Es ist möglich,
die Stützwand 4a bzw. 4b so
auszugestalten, dass diese im Bereich ihrer der an die Außenwandung
der Kammer 8 angrenzenden Flächenabschnitte eine Komplementärgeometrie
bildet, durch welche sich ein besonders vorteilhafter Kraftfluss
aus der Wandung der Kammer 8 in die Stützwand 4a, 4b ergibt.
Es ist möglich,
die Gestaltung der Stützwand 4a, 4b so
vorzunehmen, dass die dimensionsrelevanten Betriebskräfte hinreichend
zuverlässig übertragen
werden, ansonsten jedoch bei der Anbindung der Stützwand 4a, 4b an
den Kolbenboden auch thermische Gesichtspunkte berücksichtigt
werden, sodass sich hinsichtlich der Wärmeableitung aus dem Kolbenboden 1 und
des Querdehnungsverhaltens des Kolbens vorteilhafte Effekte ergeben.
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In 4 ist
der in Verbindung mit den vorgenannten Figuren beschriebene Kolben
in einer Schnittebene dargestellt, die als solche durch die Kolbenoszillationsachse
X und die Kolbenbolzenachse Y definiert ist. Wie aus dieser Ansicht
erkennbar, ist die Stützwand 4a bzw. 4b derart
an den Kolbenboden 1 angebunden, dass sich diese in unmittelbarer Nachbarschaft
zur Außenwandung
der Kammer 8 befindet. Hierdurch ergibt sich eine besonders
vorteilhafte Übertragung
der auf den Bodenabschnitt 8a der Kammer 8 wirkenden
Gaskräfte
auf die jeweiligen Stützwände 4a, 4b der
Doppelwandstruktur. Bei der Herstellung des hier gezeigten Kolbens
wird vorzugsweise zunächst
das Ringelement 9 an die Unterseite des Kolbenbodens 1 angesetzt
und mit diesem verschweißt.
Anschließend
werden die Stützwände 4a, 4b an
den Kolbenboden 1 angesetzt und ebenfalls mit diesem von
unten her verschweißt.
Als Schweißzonen
kommen hierbei insbesondere die an die Unterseite des Kolbenbodens 1 angrenzenden
oberen Endkanten, die auf dem Ringelement 9 von unten aufsitzenden
Zonen der Stützwände 4a, 4b sowie
die Spaltbereiche zwischen den Stützwandungen 4a, 4b und
der Unterkante der Kammer 8, in Betracht.
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In
das so gebildete Schweißteil,
oder bereits vorab können
die Buchsenelemente 6a, 6b so eingesetzt werden,
dass deren Radialsteg 6c, 6d an der Innenfläche der
jeweiligen Stützwand 4a, 4b anstehen. Die
Buchsenelemente 6a, 6b sind vorzugsweise entlang
des gesamten Außenumfangs
in der mit der Stützwand 4a bzw. 4b gebildeten
Kehlstelle verschweißt.
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Unter
vorübergehender
leichter elastischer Weitung kann nunmehr das den Kolbenhemdabschnitt 2 (siehe 3)
und die beiden Querstegwände 5a, 5b und
das Kolbenhemd 2 bildende Element auf die Buchsenelemente 6a, 6b aufgesetzt und
mit diesen ebenfalls verschweißt
werden. Die Querstegwände 5a, 5b können in
ihrem, dem Ringelement 9 benachbarten Bereich ebenfalls
mit diesem Ringelement 9 verschweißt werden. Insbesondere ist es
möglich,
auch das Kolbenhemd 2 an einer durch dieses im Zusammenspiel
mit dem Ringelement 9 gebildeten Kehlstelle zu verschweißen.
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Der
so gebildete Kolben-Korpus kann einer Wärmebehandlung unterzogen werden.
Nach Abschluss dieser Wärmebehandlung
wird der aus mehreren Metallteilen zusammengesetzte Kolben-Korpus
abschließend
nachbearbeitet. Im Rahmen dieser Nachbearbeitung wird vorzugsweise
insbesondere die Außenumfangsfläche des
Kolbens, d.h. der Außenrandbereich
des Kolbenbodens 1, das Ringelement 9 und das
Kolbenhemd nachbearbeitet, insbesondere auf Form geschliffen, sodass
der Kolben-Korpus ein zur Erreichung geforderter Laufeigenschaften
innerhalb eines Zylinders erforderliches Tragbild erhält.
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In 5 ist
eine Kolbenvariante dargestellt, bei welcher der Kolbenboden 1,
das Kolbenhemd 2 und eine Wandung 4a des Kolbenbolzenlagers
als Integralteil aus einem Blechmaterial gefertigt sind. Die entsprechende
Formgebung kann insbesondere durch Tiefziehen und gegebenenfalls
durch mehrstufiges Formpressen erfolgen. Das den Kolbenboden 1 und
das Kolbenhemd 2 umfassende Integralteil ist derart ausgebildet,
dass dieses eine Ringschulter 10 bildet, auf welcher das
Ringelement 9 sitzen kann. Der Kolbenboden 1 ist
durch entsprechende Umformung mit Ventiltaschen 11, 12 versehen,
die sich beim fertigen Kolben in das Ringelement 9 fortsetzen.
Die entsprechenden Abschnitte der Ventiltaschen 11, 12 in
jenem Ringelement 9 sind vorzugsweise durch spanabhebende
Bearbeitung gefertigt. Der hier dargestellte Kolben kann derart
gefertigt sein, dass das Ringelement 9 als weitgehend endbearbeitetes
Bauteil auf die Blechstruktur aufgesetzt, insbesondere aufgepresst
wird, und mit der Blechstruktur metallisch, insbesondere durch Löten verbunden
wird ohne hierbei unzulässig
starke Form- oder Gefügeänderungen
zu erleiden. Der so gefertigte Kolben kann erforderlichenfalls einer
Feinbearbeitung, insbesondere einem abschließendem Formschliffvorgang unterzogen
werden.
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Bei
dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist
die Stützwand 4a im
Umgebungsbereich der zur Aufnahme des hier nicht näher dargestellten
Buchsenelementes 6c vorgesehenen Durchbrechung mit einer
Sickenstruktur 13 versehen, zur Aussteifung der Stützwand 4 und
zur Verbesserung der Krafteinleitung in das Buchsenelement 6c.
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In 6 ist
stark vereinfacht dargestellt, wie durch Formschliff des Kolbens,
insbesondere im Bereich seiner Außenumfangsfläche ein
vorteilhaftes Tragbild des Kolbens erreicht werden kann. Die Ermittlung
der geforderten Außenkonturierung
des Kolbens erfolgt vorzugsweise unter Berücksichtigung des Wärmedehnverhaltens
des Kolbens und ist so abgestimmt, dass auch bei ungünstigen
thermischen Belastungen des erfindungsgemäßen Kolbens keine unzulässigen Kolbengeometrien
entstehen. Es ist möglich,
das Tragbild so zu gestalten, dass die signifikant zur seitlichen
Kolbenabstützung
beitragenden Flächen
sich aus dem Bereich des Kolbenhemdes 2 in den Bereich
des Ringelementes 9 fortsetzen. Es ist auch möglich, am
Kolbenhemd in den führungsrelevanten
Bereichen eine flache Versenkung auszubilden und in dieser einen
Gleitmaterialeinsatz zu fixieren.
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In 7 ist
vereinfacht dargestellt, auf welche Weise wenigstens eine Wandung
der Doppelwandstruktur – hier
insbesondere beide Wandungen 4a, 5a – mit dem
Kolbenboden 1 verschweißt werden können. In dem Kolbenboden 1 können wie
dargestellt Kehlzonen eingeformt sein, die in ihrem Bodenbereich
mit Schlitzen versehen sind und in welche die Wandungen 4a, 5a der
jeweiligen Doppelwandstruktur eintauchen können. In diesen Kehlstellen 14 kann der
Kolbenboden 1 mit den Wandungen 4a, 5a verschweißt werden.
Bei dieser Verbindungsmethode ergibt sich ein günstiger Kraftfluss. Die Ausbildung dieser
Schweißstellen
ist auch unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten aufgrund der
guten Zugänglichkeit
und Rinnenstruktur vorteilhaft abwickelbar.
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In 8 ist
in Form einer Detail-Skizze ein Konzept dargestellt, über welches
der Kraftfluss von den Wandungen 4a, 5a der Doppelwandstruktur
in das Buchsenelement 6a und damit auch in den hier nicht
näher dargestellten
Kolbenbol zen besonders vorteilhaft realisiert werden kann. Die Wandungen 4a, 5a sind
hierbei im Bereich ihrer das Buchsenelement 6a aufnehmenden
Durchbrechungen mit Sicken und auskragenden Ringrandabschnitten 4d, 5d versehen.
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Es
ist möglich,
die Wandungen 5a, 4a der Doppelwandstruktur insbesondere
auf ihren dem Kolbenboden 1 (4) abgewandten
Kantenzonen, wie hier dargestellt, miteinander zu verbinden. Bei dem
hier gezeigten Ausführungsbeispiel
stütz sich die
Wandung 5a in einer Kehlstelle der Stützwand 4a ab und ist
dort über
eine Schweißstelle 15 mit
der Stützwand 4a verbunden.
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In 9 ist
beispielhaft dargestellt wie die Stützwand 4a, oder auch
die Querstegwand 5a durch Sicken 16, 17 ausgesteift
werden kann. An der Wandung 4a, 5a ist weiterhin
entlang der unteren Randkante ein Randsteg 18 ausgebildet,
durch welchen die Steifigkeit der Wandung 4a, 5a in
Seitenrichtung und auch die Tragfähigkeit des Bauteils an sich
weiter erhöht
wird.
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Wie
aus 10 ersichtlich, ist es möglich, die Wandungen 4a, 5a so
auszubilden, dass in einer die Oszillationsachse X und die Kolbenachse
Y enthaltenden Ebene (oder einer dieser Ebene zumindest benachbarten
Ebene) der Querabstand der Wandungen 4a, 5a von
der Oszillationsachse X variiert. Hierdurch wird es insbesondere
möglich,
die über
die erfindungsgemäße Doppelwandstruktur
ein Kolbenbolzenlager zu schaffen, das die Aufnahme des Pleuel-Auges eines Trapez-Pleuels 19 ermöglicht.
Hierdurch ergibt sich eine Reduktion der Biegebelastung des im Pleuel-Auge
des Trapez-Pleuels 19 sitzenden Kolbenbolzens 20.
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In 11 ist
eine Kolbenvariante dargestellt, bei welcher die den Gaskräften ausgesetzte
Kolbenbodenfläche
durch das Ringelement 9, ein Randsegmentelement 21 und
ein Zentralelement 22 gebildet sind. Das Randsegmentelement 21 ist
integral mit einer Wandung (hier Wandung 5a) der Doppelwandstruktur
ausgeführt.
Das Zentralelement 22 ist ebenfalls integral mit einer
Wandung (hier 4a) der Doppelwandstruktur ausgeführt. Das
Randsegment 21 ist seitlich an das Zentralelement 22 angesetzt
und mit diesem verbunden, insbesondere verschweißt. Die beiden Wandungen 4a, 5a bilden
wie bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen Durchgangsöffnungen
in welche das Buchsenelement 6a eingesetzt ist.
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Das
Ringelement 9 sitzt auf einer Ringschulter 10 die
in der hier gezeigten Darstellung durch das Randsegmentelement 21 gebildet
ist und sich in einen entsprechend durch das Zentralelement 22 gebildeten
Schulterabschnitt (vergleiche 5) fortsetzt.
-
In
der hier gezeigten Detailskizze ist nur der Aufbau der linken Kolbenhälfte dargestellt.
Die rechte Kolbenhälfte
ist vorzugsweise konzeptionell gleichartig, spiegelsymmetrisch ausgebildet.
Es ist möglich, die
Lage der Doppelwandstruktur auf die Lage des Schwerpunkt S' der durch die Doppelwandstruktur getragenen
jeweiligen Kolbenhälfte
so abzustimmen, dass die von der Doppelwandstruktur zu übertragenden
Massenkräfte
vorteilhaft aufgegriffen werden.
-
Der
Einsatz des erfindungsgemäßen Kolbens
ist nicht auf das Gebiet des Verbrennungsmotorenbaus beschränkt. Der
erfindungsgemäße Kolben kann
in vorteilhafter Weise auch in anderweitigen Kolbenmaschinen, insbesondere
Kompressoren und Pumpen Anwendung finden. Insbesondere bei Einsatz
des erfindungsgemäßen Kolbens
in Systemen mit gegenüber
Verbrennungsmotoren geringeren thermischen Belastungen ist es möglich, auf
das Ringelement zu verzichten, oder dieses aus einem Kunststoffmaterial,
z.B. PTFE zu fertigen.
-
- 1
- Kolbenboden
- 2
- Kolbenhemd
- 3
- Kolbenbolzenlager
- 3a
- erster
Bolzenlagerungsabschnitt
- 3b
- zweiter
Bolzenlagerungsaschnittb
- 3c
- erster
Lagerbohrungsabschnitt
- 3d
- zweiter
Lagerbohrungsabschnitt
- 4a
- Stützwand
- 4b
- Stützwand
- 4d
- Ringrandabschnitt
- 5a
- Querstegwand
- 5b
- Querstegwand
- 5d
- Ringrandabschnitt
- 6a
- Buchsenelement
- 6b
- Buchsenelement
- 6c
- Radialsteg
- 6d
- Radialsteg
- 7
- Ringrand
- 8
- Kammer
- 8a
- Bodenabschnitt
- 9
- Ringelement
- 10
- Ringschulter
- 11
- Ventiltasche
- 12
- Ventiltasche
- 14
- Kehlstelle
- 15
- Schweißstelle
- 16
- Sicke
- 17
- Sicke
- 19
- Trapez-Pleuel
- 20
- Kolbenbolzen
- 22
- Zentralelement
- 21
- Randsegmentelement
- S'
- Schwerpunkt
der linken Kolbenhälfte
- X
- Kolbenoszillationsachse
- Y
- Kolbenbolzenachse