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Einteiliger
Kühlkanalkolben
aus Stahl für eine
Brennkraftmaschine, der zumindest einen radial umlaufenden, dem
Kolbenboden benachbarten, zur Beaufschlagung von einem Kühlmittel
bestimmten Kühlkanal
einschließt
und ein Oberteil und ein Unterteil umfasst, die über Fügestege abgestützt und
miteinander verbunden sind.
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Stand der Technik
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Aus
der
US 6,155,157 ist
ein einteiliger Kühlkanalkolben
bekannt, der zwei separat voneinander herstellbare Bauteile umfasst,
die über
ein Reibschweißverfahren
stoffschlüssig
zusammengefügt sind.
Als Kühlkanal
ist ein zu dem Ringfeld des Kolbens radial beabstandeter und umlaufender,
in Richtung einer Bolzenbohrung offener, schmal dimensionierter
Ringkanal vorgesehen. Über
eine ortsfest positionierte Spritzdüse wird der Kühlkanal
von einem Kühlmedium,
insbesondere dem Schmieröl
der Brennkraftmaschine beaufschlagt. Dieser Kühlkanal ermöglicht aufgrund seiner Lage
nur eine lokale Kühlung,
die zumindest für
hochbelastete Kolben nicht ausreichend ist.
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Gemäß dem Japanischen
Gebrauchsmuster
JP 52 346-1983 ist
in dem Kolbenkopf ein einstückig gestaltetes
Kühlkanalsegment
aus Gußeisen
integriert, das einen Hohlraum sowie Ringstege umfasst. Die Verwendung
eines derart teuren, abriebfesten Materials für das Kühlkanalsegment mit niedriger Wärmeleitfähigkeit
besitzt eine nur geringe Kühlwirkung
und hat einen nachteiligen Kostenanstieg zur Folge.
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Aufgabenstellung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung eines
thermisch hochbelasteten Stahlkolbens kostengünstig zu optimieren.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Dauerfestigkeit
und die Lebensdauer des Stahlkolbens in hochbelasteten Brennkraftmaschinen
insbesondere von der Effizienz der Kühlung, der Kühlmittel-Beaufschlagung,
thermisch beanspruchter Zonen des Kolbens beeinflusst werden.
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Die
Erfindung geht daher gemäß den Merkmalen
des Hauptanspruchs von einem Kolben aus, der zumindest zwei Kühlkanäle einschließt, die
sich jeweils beabstandet über
alle thermisch hochbeanspruchten Zonen des Kolbens, insbesondere
den Kolbenboden und den Ringträger
erstrecken. Der erfindungsgemäße Stahlkolben
umfasst weiterhin ein Oberteil und ein Unterteil, die über radial
beabstandete Fügestege
abgestützt
sind unter Bildung einer Kontaktzone. Zur Erzielung einer wirksamen
Befestigung sind die Fügestege
im Bereich der Kontaktzone über
eine stoffschlüssige
oder formschlüssige und/oder
kraftschlüssige
Verbindung dauerhaft lagefixiert. Der Aufbau des Kolbens schließt weiterhin weitestgehend
umlaufende geschlossen, äußere Fügestege,
sowie segmentartige ausgebildete, partielle Durchtritte aufweisende
innere Fügestege
ein. Die Durchtritte im Bereich der inneren Fügestege, die auch als Übertrittsöffnungen
zu bezeichnen sind, bewirken einen gewünschten intensiven Kühlmittelaustausch
zwischen den Kühlkanälen, innerhalb
des verschlossenen Kühlkanalsystems.
Dieser erfindungsgemäße Aufbau
bildet einen Kolben mit großdimensionierten
Kühlkanälen, die
eine optimale Zuströmung
des Kühlmittels
bewirken. Das erfindungsgemäße konstruktive
Konzept optimiert die Kolbenkühlung,
die damit die Anforderungen hinsichtlich der Kühlung erfüllt, die an Kolben für hochbelastete Brennkraftmaschinen
gestellt werden. Der erfindungsgemäße Kolben hält damit höchsten Belastungen stand und
ist in Brennkraftmaschinen mit hoher Leistungsdichte einsetzbar.
Bedingt durch abgestimmte Wandstärken
der Kühlkanäle und der
Fügestege
wird ein strukturfester Kolben realisiert, der höchsten Anforderungen standhält und der
kostengünstig
hergestellt werden kann.
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Weitere
konstruktive Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der unabhängigen,
nachfolgend erläuterten
Ansprüche
2 bis 13.
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Gemäß einer
bevorzugten Gestaltung ist der innere Kühlkanal kuppelartig ausgeführt und
folgt dabei beabstandet einer zentrischen Kontur der wannenförmig in
dem Kolbenboden ausgebildeten Kolbenmulde. Damit stellt sich ein
großvolumiger,
die Kühlmittelaufnahme
vergrößernder
innerer Kühlkanal
ein, der die Shakerwirkung des Kolbens verbessert, wodurch insgesamt
die Kühlwirkung
des Kolbens deutlich gesteigert werden kann. Außenseitig wird der zentrale
Kühlkanal
von den inneren Fügestegen
des Oberteils und des Unterteils umschlossen.
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Der
weitere äußere, kreisringförmig ausgeführte Kühlkanal übertrifft
ein Längenmaß des Ringfeldes
einschließlich
des Ringträgers
und wird seitlich von den inneren und den äußeren Fügestegen begrenzt. In Richtung
des Kolbenbodens folgt der äußere Kühlkanal
beabstandet einer Randzone der Kolbenmulde, so dass die Kühlkanäle weitestgehend der
geometrischen Formgebung der Kolbenmulde folgend, in dem Kolben
integriert sind.
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Bereichsweise
erstrecken sich sowohl der innere als auch der äußere Kühlkanal bis in das Unterteil
des Kolbens. Die Kühlkanäle erfassen
somit alle thermisch stark beanspruchten Kolbenzonen. Die Lage der
Kühlkanäle in Verbindung
mit deren Fügestegen
und Durchtritten gewährleistet
somit eine optimierte Kühlwirkung
des Kolbens. Außerdem
verringern die großvolumig
gestalteten Kühlkanäle das Kolbengewicht.
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Die
genannten Kühlkanäle sind
vorteilhaft so gestaltet, dass die Kontaktzonen der Fügestege
versetzt zueinander positioniert sind. Die Kontaktzone der inneren
Fügestege
und damit verbunden die Durchtritte befinden sich bevorzugt im Bereich der halben
Längserstreckung
des äußeren Kühlkanals und
damit in Mitte des Ringfeldes. Diese Lage optimiert bzw. intensiviert
den Kühlmittelaustausch
zwischen den Kühlkanälen.
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Die
Lage der Kontaktzone des äußeren Fügestegs
stimmt vorteilhaft überein
mit der Einbaulage von dem unteren Kolbenring des Ringfeldes. Dadurch
bildet sich ein geschlossenes, trennungsfreies Ringfeld. Alternativ
dazu kann bei Bedarf eine weitestgehende übereinstimmende Lage zwischen
der inneren und der äußeren Kontaktzonen
vorgesehen werden.
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Als
bevorzugte formschlüssige
Verbindung zwischen dem Oberteil und dem Unterteil bietet sich eine
Verzahnung im Bereich der inneren Kontaktzone an. Dazu umfasst beispielsweise
das Oberteil im Bereich des Fügestegs
eine Außenverzahnung,
die mit einer Innenverzahnung des Fügestegs des Unterteils zusammenwirkt.
Alternativ dazu eignet sich eine Verzahnung in Umfangsrichtung, ähnlich einer
Kupplung oder einem Bajonettverschluß, die gleichzeitig nach einem
Verdrehwinkel zwischen dem Oberteil und dem Unterteil einen Endanschlag
definiert.
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Außerdem bietet
es sich an, eine Verschraubung als formschlüssige Verbindung vorzusehen. Dabei
kann der dem Oberteil zugehörige
Fügesteg eine
Außenverzahnung
oder eine Innenverzahnung aufweisen, die in eine entsprechende Gegenverzahnung
des Fügestegs
an dem Unterteil eingreift.
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Zur
Schaffung einer kraftschlüssigen
Verbindung bietet es sich an, zumindest im Bereich einer Kontaktzone
das Oberteil und das Unterteil mittels einer Klemmverbindung oder
Presspassung zu fixieren und zu befestigen. Die Klemmverbindung
entsteht durch ein Verdrehen von dem Oberteil zu dem Unterteil vergleichbar
einer Kupplung.
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Als
Maßnahme
eine kraftschlüssige und/oder
eine formschlüssige
Verbindung zwischen dem Oberteil und dem Unterteil wirksam zu sichern und
zu fixieren, schließt
die Erfindung eine stoffschlüssige
Verbindung ein. Bevorzugt ist dazu eine Schweißung, insbesondere eine Reibschweißung der äußeren Kontaktzone
vorgesehen. Unabhängig von
dem eingesetzten Schweißverfahren
erfordert dieses keine Rotation des Kolbens. Die Schweißung ist
sowohl als alleinige Sicherung geeignet als auch in einer Kombination
mit einer der zuvor erwähnten formschlüssigen oder
kraftschlüssigen
Befestigungen zwischen dem Oberteil und dem Unterteil im Bereich
der inneren Kontaktzone.
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Zur
Darstellung des erfindungsgemäßen Stahlkolbens
umfasst dieser jeweils ein aus Stahl gegossenes oder geschmiedetes
Oberteil und Unterteil, die gemäß den zuvor
beschriebenen Maßnahmen zur
Befestigung im Bereich der Kontaktzonen dauerhaft verbunden sind.
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Ausführungsbeispiele:
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Die
Figurenbeschreibung erläutert
nachfolgend verschiedene, in den 1 bis 6 dargestellte
Ausführungsbeispiele
von erfindungsgemäß ausgestalteten
Kühlkanalkolben.
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Es
zeigen:
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1,
ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Kühlkanalkolbens
in einem Teilschnitt;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines Kühlkanalkolbens
in einem Teilschnitt;
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3 ein
Oberteil des Kolbens in dreidimensionaler Ansicht mit einer radial
nach außen
gerichteten Verzahnung;
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4 ein
Unterteil des Kolbens in dreidimensionaler Ansicht mit einer radial
nach innen gerichteten Verzahnung;
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5 ein
Oberteil des Kolbens in dreidimensionaler Ansicht mit einer in Umfangsrichtung
ausgerichteten Verzahnung;
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6 ein
Unterteil des Kolbens in dreidimensionaler Ansicht mit einer in
Umfangsrichtung ausgerichteten Verzahnung.
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Die 1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Kolben 1,
ausgeführt
als Stahlkolben, in einer erfindungsgemäßen Ausführung. Der Kolben 1 umfasst ein
Oberteil 2 und ein Unterteil 3, die über radial
beabstandete Fügestege
abgestützt
sind. Dazu schließt das
Oberteil 2 einen inneren Fügesteg 4a ein, der
mit einem dem Unterteil 3 zugeordneten Fügesteg 5a korrespondiert,
wobei die Fügestege 4a, 5a über eine erste
Kontaktzone 6a abgestützt
sind. Weiterhin schließt
der Kolben 1 einen äußeren, dem
Oberteil 2 zugehörigen
Fügesteg 7a sowie
einen unteren, dem Unterteil 3 zugeordneten Fügesteg 8a ein,
die sich über
eine Kontaktzone 9a abstützten. Die Fügestege 4a, 5a begrenzen
außenseitig
einen zentral in dem Kolben 1 integrierten inneren Kühlkanal 10.
Dieser kuppelartig gestaltete Kühlkanal 10 folgt
beabstandet einer Kontur einer Kolbenmulde 11, die in einem
Kolbenboden 14 eingebracht ist. Ein zweiter keisringförmig verlaufender
Kühlkanal 12 des
Kolbens 1 wird innen von den Fügestegen 4a, 5a und
außen
von den Fügestegen 7a, 8a begrenzt.
In Richtung des Kolbenbodens 14 folgt der Kühlkanal 12 beabstandet
einer Randkontur der Kolbenmulde 11. Eine Längserstreckung
des Kühlkanals 12 übertrifft
dabei ein Ringfeld 13.
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Abweichend
von der geschlossen ausgebildeten äußeren Kontaktzone 9a ist
die innere Kontaktzone 6a als eine, Durchtritte 18 einschließende Segmentabstützung gestaltet.
Die umlaufend im Kolben 1 angeordneten Durchtritte 18 bewirken
im Betriebszustand des Kolbens 1 einen gewünschten
Kühlmittelaustausch
zwischen dem Kühlkanal 10 und
dem Kühlkanal 12.
Zur Erzielung einer dauerfesten Verbindung zwischen dem Oberteil 2 und
dem Unterteil 3 sind formschlüssige, stoffschlüssige und/oder
kraftschlüssige
Verbindungen vorgesehen. Bevorzugt sind im Bereich der äußeren, dem
Ringfeld 13 zugeordneten Kontaktzone 9a die Fügestege 7a, 8a verschweißt, wozu
sich eine Reibschweißung
eignet, die keine Rotation des Kolbens 1 erfordert. Die
Fügestege 4a, 5a der
Kontaktzone 6a sind über
eine radiale Verzahnung 15a formschlüssig verbunden, von der in 1 Segmente 16a dargestellt
sind. Die 3 und 4 zeigen
detailliert den Aufbau der Verzahnung 15a. Alternativ zu
der Verzahnung 15a eignet sich eine Pressverbindung, mit
der die Fügestege 4a, 5a wirksam
verbunden sind.
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Die 2 zeigt
den Kolben 1 mit abweichend zu der 1 ausgebildeten
Kontaktzonen. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich daher ausschließlich auf
Unterscheidungsmerkmale zwischen den 1 und 2.
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Gemäß 2 ist
im Bereich der Kontaktzone 6b eine Verschraubung 20 zwischen
den Fügestegen 4b, 5b vorgesehen,
die den inneren Kühlkanal 10 umschließen. Dazu
ist der mit dem Unterteil 3 verbundene Fügesteg 5b mit
einem Außengewinde
versehen, das formschlüssig
in ein Innengewinde des mit dem Oberteil 2 verbundenen
Fügestegs 4b eingreift.
Alternativ dazu kann der Fügesteg 5b ein
Innengewinde und der Fügesteg 4b ein
Außengewinde aufweisen.
Die Ausgestaltung des Fügestegs 4b sieht
vor, dass der Fügesteg 4b über Durchtritte 18 bildende
Segmente 17 abgestützt
ist. Ergänzend dazu
bietet es sich an, die Fügestege 7b, 8b der
Kontaktzone 9b zu verschweißen, wobei das Schweißverfahren
keine Rotation des Kolbens 1 erfordert. Zur Erzielung eines
geschlossenen Ringfeldes 13 stimmt die Lage der äußeren Kontaktzone 9b überein mit
der Einbaulage eines unteren Kolbenrings. Durch die gestufte Anordnung
der Kontaktzonen 6b, 9b, gekennzeichnet durch
das Maß „s", stellt sich eine
Lage der Durchtritte 18 im Bereich der Kontaktzone 9b ein,
die weitestgehend mit einer Mitte der Längserstreckung des äußeren Kühlkanals 12 übereinstimmt.
Diese Lage begünstigt
einen optimalen Kühlmittelaustausch
zwischen den ein geschlossenes Kühlkanalsystem
bildenden Kühlkanälen 10, 12,
die überwiegend
in dem Oberteil 2 angeordnet sind und sich bereichsweise
bis in das Unterteil 3 erstrecken.
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Die 3 und 4 zeigen
in Einzelteilzeichnungen das Oberteil 2 und das Unterteil 3.
Dabei wird insbesondere die Anordnung und Ausgestaltung der Segmente 16a und 16b verdeutlicht,
die gemeinsam eine in 1 gezeigte Verzahnung 15a bilden.
Das Zahnprofil der Segmente 16a ist dabei radial nach außen und
das Zahnprofil der Segmente 16b radial nach innen gerichtet.
Die umfangsverteilt innerhalb des Oberteils 2 positionierten,
einstückig
mit den Fügestegen 4a verbundenen
Segmente 16a sind so angeordnet, dass diese formschlüssig mit
zugehörigen,
einstückig
mit dem Fügesteg 5a verbundenen Segmenten 16b des
Unterteils 3 zusammenwirken. In einer Endstellung, bei
der sich eine Überdeckung zwischen
den Segmenten 16a, 16b einstellt, bilden sich
großdimensionierte
Durchtritte 18, wobei deren Querschnitt von dem Abstand
der Segmente zueinander und der Höhe der Segmente 16a, 16b bestimmt
wird.
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In
den 5 und 6 ist eine weitere Ausführungsform
dargestellt, um die inneren Fügestege 4c, 5c im
Bereich der Kontaktzone 6c formschlüssig zu verbinden. Dazu weist
das Oberteil 2 innerhalb einer Kreisringfläche des
Fügestegs 4c angeordnete Segmente 19a auf,
die ein in Umfangsrichtung ausgerichtetes Zahnprofil aufweisen und
die mit korrespondierenden Segmenten 19b zusammenwirken,
die einstückig
mit dem Fügesteg 5c des
Unterteils 3 verbunden sind. Gemeinsam bilden die Segmente 19a, 19b eine
Verzahnung 15b. Diese auch als Klemm- oder Bajonettverschluß zu bezeichnende
Verbindung bewirkt eine durch Verdrehen des Oberteils 2 zu
dem Unterteil 3 wirksame Sicherung, wobei die Segmente 19a, 19b gleichzeitig
in einer insbesondere von dem Profil der Segmente 19a, 19b bestimmten
Endstellung positioniert sind.
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- 1
- Kolben
- 2
- Oberteil
- 3
- Unterteil
- 4a
- Fügesteg
- 4b
- Fügesteg
- 4c
- Fügesteg
- 5a
- Fügesteg
- 5b
- Fügesteg
- 5c
- Fügesteg
- 6a
- Kontaktzone
- 6b
- Kontaktzone
- 6c
- Kontaktzone
- 7a
- Fügesteg
- 7b
- Fügesteg
- 7c
- Fügesteg
- 8a
- Fügesteg
- 8b
- Fügesteg
- 8c
- Fügesteg
- 9a
- Kontaktzone
- 9b
- Kontaktzone
- 9c
- Kontaktzone
- 10
- Kühlhlkanal
- 11
- Kolbenmulde
- 12
- Kühlkanal
- 13
- Ringfeld
- 14
- Kolbenboden
- 15a
- Verzahnung
- 15b
- Verzahnung
- 16a
- Segment
- 16b
- Segment
- 17
- Segment
- 18
- Durchtritt
- 19a
- Segment
- 19b
- Segment
- 20
- Verschraubung