DE102006045728A1

DE102006045728A1 - Einteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102006045728A1
Application number: DE200610045728
Authority: DE
Inventors: Michael Ullrich
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-04-03

Abstract

Vorgeschlagen wird ein einteiliger Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor mit im Bereich der Schaftelemente (2) umlaufenden Ausnehmungen (13) und mit einem nach unten offenen Kühlkanal (10), wobei im Bereich der Schaftelemente (2) der Kühlkanal (10) und die Ausnehmungen (13) und im Bereich der Stirnseiten (16) der Bolzennaben (14) der Kühlkanal (10) und je ein sich in kolbenbodenabgewandte Richtung daran anschließender Ringraum (20) von einer aus zwei halbkreisförmigen Elementen bestehenden Kühlkanalabdeckung (19, 32) abgedeckt werden. Eine einfache Montage der Kühlkanalabdeckung (19, 32) ergibt sich dadurch, dass die beiden Elemente der Kühlkanalabdeckung aus unter Vorspannung stehendem Federblech besteht, wobei die oberen Bereiche der Elemente der Kühlkanalabdeckung an dem unteren Ende der Ringwand (5) anliegen, und deren untere Bereiche im Bereich der Schaftelemente (2) auf je einer Schulter (12) der Schaftelemente (2) und im Bereich der Stirnseiten (16) der Bolzennaben (14) auf je einem Vorsprung (29) der Nabenanbindungen (18) aufliegen. Hierdurch ist die Kühlkanalabdeckung gegen radiales und axiales Verschieben fixiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen einteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein Kolben gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches ist aus der Patentanmeldung DE 10 2005 037 175.2 bekannt. Der Kolben weist einen umlaufenden Kühlkanal und eine im Bereich der Schaftelemente umlaufende Ausnehmung auf, wobei im Bereich der Schaftelemente der Kühlkanal und die Ausnehmung und im Bereich der Bolzennaben der Kühlkanal und ein sich in kolbenbodenabgewandte Richtung daran anschließender Ringraum von einem aus zwei Hälften bestehenden Abdeckring abgedeckt werden. Der obere Rand des Abdeckringes stützt sich hierbei an der unteren Stirnfläche der Ringwand ab, während sich der untere Teil des Abdeckringes auf den oberen Schultern der Schaftelemente abstützt. Eine Abstützung des unteren Teils des Abdeckringes im Bereich der Bolzennaben ist hierbei nicht vorgesehen. Nachteilig ist hierbei, dass an der radialen Außenseite des Abdeckringes befestigbare Laschen erforderlich sind, um die beiden Hälften des Abdeckringes miteinander zu verbinden und damit den Abdeckring am Kolben gegen ein Verschieben in radiale Richtung zu sichern.
Diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden, ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine gegen Verschieben in axiale Richtung sichere Befestigung der Kühlkanalabdeckung am Kolben ergibt sich dadurch, dass die Enden der aus Federblech bestehenden Kühlkanalabdeckung bei der Montage zusammengedrückt werden können, sodass die Kühlkanalabdeckung unter Vorspannung entweder in am Kolben ange brachte und teils schräg angeordnete Haltenuten eingeschoben werden kann, oder nach geeigneter Formgebung unter Vorspannung teils an einer inneren Kante der Ringwand des Kolbens und teils an der oberen Schulter des Kolbenschaftes anliegt.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
1 einen Halbschnitt eines Kolbens im Bereich der Schaftelemente mit einer in diesem Bereich in einer oberen und eine unteren Haltenut fixierten Kühlkanalabdeckung,
2 einen Halbschnitt des Kolbens im Bereich der Stirnseiten der Bolzennaben mit der Kühlkanalabdeckung gemäß 1 in diesem Bereich,
3 einen Halbschnitt des Kolbens im Bereich der Schaftelemente mit einer Ausgestaltung der Kühlkanalabdeckung, die in ihrem oberen Bereich eine nach radial außen konkave, umlaufende Rinne aufweist, mit der die Kühlkanalabdeckung an der radial inneren Kante der unteren Stirnfläche der Ringwand anliegt und
4 einen Halbschnitt des Kolbens im Bereich der Stirnseiten der Bolzennaben mit der Kühlkanalabdeckung gemäß 3 in diesem Bereich.
1 zeigt einen Halbschnitt eines einteiligen, aus Stahl hergestellten Kolbens 1 im Bereich der Schaftelemente 2, der eine in den Kolbenboden 3 eingeformte Verbrennungsmulde 4 aufweist. Radial außen ist in Richtung der Schaftelemente 2 an den Kolbenboden 3 eine Ringwand 5 angeformt, die in Kolbenbodennähe einen Feuersteg 6 und eine sich schaftseitig daran anschließende Ringpartie 7 aufweist. Die Ringwand 5 wird schaftseitig, d.h., unten von einer Stirnfläche 8 begrenzt. Radial außen wird die Verbrennungsmulde 4 von einer Ringrippe 9 begrenzt, die in Kolbenbodennähe mit der Ringwand 5 verbunden ist und die radial innere Begrenzung eines ringförmig umlaufenden Kühlkanals 10 bildet, der radial außen von der Ringwand 5 begrenzt ist und der unten offen ist. Die Schaftelemente 2 sind über Schaftanbindungen 11 mit dem Kolbenboden 3 verbunden.
Die Schaftelemente 2 weisen kolbenbodenseitig je eine Schulter 12 auf, die insoweit auf Abstand zur Stirnfläche 8 angeordnet ist, dass sich zwischen der unteren Stirnfläche 8 der Ringwand 5, den oberen Schultern 12 der Schaftelemente 2 und der Schaftanbindung 11 eine im Bereich der Schaftelemente 2 umlaufende Ausnehmung 13 ergibt.
In Draufsicht zu erkennen ist in 1 auch eine von zwei die Schaftelemente 2 miteinander verbindenden Bolzennaben 14 mit einer Bolzenbohrung 15. Hierzu sei auf 2 verwiesen, die einen Halbschnitt des Kolbens 1 im Bereich der Bolzennaben 14 zeigt. Die Stirnseiten 16 der Bolzennaben 14 sind gegenüber der radialen Außenfläche der Ringpartie 7 in Richtung Kolbenachse 17 zurückgesetzt. In 2 ist eine von zwei über je eine Nabenanbindung 18 mit dem Kolbenboden 3 verbundenen Bolzennaben 14 und eine der jeweiligen Bolzenbohrungen 15 im Schnitt dargestellt.
Um einen möglichst großen Raum für Kühlöl zu schaffen, womit insbesondere die Ringwand 5 und die radial außen die Verbrennungsmulde 4 begrenzende Ringrippe 9 gekühlt werden, wird, wie in 1 dargestellt ist, im Bereich der Schaftelemente 2 die gesamte Ausnehmung 13 inklusive des Kühlkanals 10 und, wie in 2 dargestellt ist, im Bereich der Stirnseiten 16 der Bolzennaben 14 der Kühlkanal 10 inklusive eines sich schaftseitig daran anschließenden Ringraumes 20 von einer Kühlkanalabdeckung 19 abgedeckt.
Die Kühlkanalabdeckung 19 setzt sich aus zwei identischen, in Draufsicht halbkreisförmigen Elementen zusammen, die gemäß 1 im Bereich der Schaftelemente 2 im Schnitt betrachtet aus einem Steg 21 mit beidseitig daran angebrachten Schenkeln 22 und 23 besteht. Hierbei ist der obere Schenkel 22 kürzer als der untere Schenkel 23 und sitzt in einer oberen Haltenut 24, die radial außen in das untere Ende der Ringwand 5 eingebracht ist. Die radial äußere Stirnseite 25 der unteren Flanke 26 der oberen Haltenut 24 ist gegenüber der radialen Außenfläche der Ringpartie 7 zurückgesetzt, damit nach der Montage der Kühlkanalabdeckung 19 diese und insbesondere deren Steg 21 gegenüber der radialen Außenfläche der Ringpartie 7 und der Schaftelemente 2 in Richtung Kolbenachse 17 zurückgesetzt ist und die radiale Außenfläche des Steges 21 nicht in Kontakt mit der Innenfläche einer Zylinderbuchse kommt, in der der Kolben 1 geführt ist.
Der untere längere Schenkel 23 der Kühlkanalabdeckung 19 weist radial innen einen Endbereich 27 auf, der die Form einer schräg nach unten, in Richtung Kolbenachse 17 geneigten Schürze hat, und der in einer ebenso schräg nach unten, in Richtung Kolbenachse 17 geneigten, unteren Haltenut 28 sitzt, die am Übergangsbereich zwischen der Schulter 12 des Schaftelementes 2 und der Schaftanbindung 11 in die Schaftanbindung 11 eingebracht ist. Die Neigung des Endbereiches 27 und der unteren Haltenut 28 hat den Zweck, die Kühlkanalabdeckung in ihrer Position zu fixieren und zu verhindern, dass sich die in der oberen und der unteren Haltenut 24 und 28 steckende Kühlkanalabdeckung 19 bei den schnellen Hin- und Herbewegungen des Kolbens 1 im Motorbetrieb nach radial außen verschiebt und die Innenfläche der Zylinderbuchse, in der der Kolben 1 geführt ist, beschädigt.
Gemäß 2 liegt im Bereich der Stirnseiten 16 der Bolzennaben 14 der untere Teil 30 der Kühlkanalabdeckung 19 lediglich auf einem radial außen angeordneten und umlaufenden Vorsprung 29 der Nabenanbindung 18 auf.
Nicht in den Figuren eingezeichnet sind in die Schaftanbindung 11 eingebrachte Ölzu- und Ölablauföffnungen. Eine oder mehrere Ölzu- und Ölablauföffnungen können auch im unteren Teil 30 der Kühlkanalabdeckung 19 im Bereich der Stirnseiten 16 der Bolzennaben 14 angeordnet sein.
Herstellungsbedingt sind die beiden halbkreisförmigen Elemente der Kühlkanalabdeckung 19 identisch aufgebaut, was heißt, dass gemäß einer ersten Ausgestaltung die mittleren Bereiche der beiden Elemente jeweils vollständig die Ausnehmungen 13 im Bereich der Schaftelemente 2 überdecken und, wie in 1 dargestellt, ausgebildet sind. Die sich beidseitig daran anschließenden Endbereiche der Elemente der Kühlkanalabdeckung 19 überdecken jeweils die Hälfte der Kühlkanäle 10 und Ringräume 20 im Bereich der Stirnseiten 16 der Bolzennabe 14, und sind, wie in 2 dargestellt, ausgebildet. Hierbei kommen die Enden der beiden Elemente der Kühlkanalabdeckung 19 nahe der Bolzenachse 31 in Kontakt zueinander.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der beiden Elemente der Kühlkanalabdeckung 19 überdecken die mittleren Bereiche dieser Elemente vollständig die Kühlkanäle 10 und Ringräume 20 im Bereich der Stirnseiten 16 der Bolzennaben 14 und sind, wie in 2 dargestellt, ausgebildet. Die sich beidseitig daran anschließenden Randbereiche der Elemente überdecken dann jeweils zur Hälfte die Ausnehmungen 13 im Bereich der Schaftelemente 2 und sind, wie in 1 dargestellt, ausgebildet. Die Enden der beiden Elemente der Kühlkanalabdeckung 19 kommen dann im Bereich der Schaftelemente 2 in Kontakt zueinander.
Beide letztgenannten Ausgestaltungen der Elemente der Kühlkanalabdeckung 19 sind symmetrisch aufgebaut und somit preisgünstig herstellbar, wobei die Elemente der Kühlkanalabdeckung 19 aus Federblech mit einer Dicke von 0,5 mm bis 1 mm ausgestanzt werden.
Zudem ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Elemente der Kühlkanalabdeckung 19, diese auf einfache Weise am Kolben 1 zu befestigen. Hierzu ist es lediglich erforderlich, im Bereich der Schaftelemente 2 die beiden Schenkel 22 und 23 der Kühlkanalabdeckung 19 so weit zusammenzudrücken, dass der obere Schenkel 22 in die obere Haltenut 24 und der Endbereich 27 des unteren Schenkels 23 in die untere Haltenut 28 eingeschoben werden können. Im Bereich der Stirnseiten 16 der Bolzennaben 14 muss die Kühlkanalabdeckung 19 lediglich so weit zusammengedrückt werden, dass nach dem Einschieben des oberen Schenkels 22 der Kühlkanalabdeckung 19 in die obere Haltenut 24 deren unterer Teil 30 auf dem Vorsprung 29 der Nabenanbindung 18 zur Anlage gelangt. Nach der Befestigung der Kühlkanalabdeckung 19 am Kolben 1 steht diese unter Vorspannung, wodurch die Kühlkanalabdeckung 19 auch bei schnellen Hin- und Herbewegungen des Kolbens 1 im Motorbetrieb in ihrer Position fest fixiert ist.
Die in den 3 und 4 dargestellte Ausgestaltung der Kühlkanalabdeckung 32 unterscheidet sich von der in den 1 und 2 dargestellten Kühlkanalabdeckung 19 dadurch, dass der kolbenbodenseitige Schenkel 33 der Kühlkanalabdeckung 32 eine nach radial außen konkave, schräg nach oben offene, umlaufende Rinne 34 aufweist, über die die Kühlkanalabdeckung 32 an der radial inneren Kante 35 der un teren Stirnfläche 8 der Ringwand 5 anliegt. Ein weiterer Unterschied zwischen der Kühlkanalabdeckung 19 gemäß 1 und der Kühlkanalabdeckung 32 gemäß 3 besteht im Bereich der Schaftelemente 2 darin, dass der schaftseitige Schenkel 36 der Kühlkanalabdeckung 32 auf der Schulter 12 des Schaftelementes 2 nur aufliegt. Da auch das Schaftelement 32 gemäß den 3 und 4 unter Vorspannung steht, wenn es am Kolben 1 montiert ist, wird die nach radial außen konkave, schräg nach oben offene Rinne 34 an die Kante 35 der Stirnfläche 8 gedrückt, sodass hierdurch eine nach radial innen gerichtete Kraft auf die Kühlkanalabdeckung 32 ausgeübt wird, die auf sehr einfache Weise verhindert, dass bei schnellen Hin- und Herbewegungen des Kolbens 1 im Motorbetrieb die Kühlkanalabdeckung 32 nach radial außen wegrutscht.

1: Kolben
2: Schaftelement
3: Kolbenboden
4: Verbrennungsmulde
5: Ringwand
6: Feuersteg
7: Ringpartie
8: untere Stirnfläche der Ringwand 5
9: Ringrippe
10: Kühlkanal
11: Schaftanbindung
12: Schulter des Schaftelementes 2
13: Ausnehmung
14: Bolzennabe
15: Bolzenbohrung
16: Stirnseite der Bolzennabe 14
17: Kolbenachse
18: Nabenanbindung
19: Kühlkanalabdeckung
20: Ringraum
21: Steg der Kühlkanalabdeckung 19
22, 23: Schenkel der Kühlkanalabdeckung 19
24: obere Haltenut
25: radial äußere Stirnseite der unteren Flanke 26
26: untere Flanke der oberen Haltenut 24
27: Endbereich des Schenkels 23
28: untere Haltenut
29: Vorsprung der Nabenanbindung 18
30: unterer Teil der Kühlkanalabdeckung 19
31: Bolzenachse
32: Kühlkanalabdeckung
33: Schenkel der Kühlkanalabdeckung 32
34: Rinne
35: innere Kante der Stirnfläche 8
36: Schenkel der Kühlkanalabdeckung 32

Claims

Einteiliger Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor – mit einem Kolbenboden (3), – mit 2 über Schaftanbindungen (11) am Kolbenboden (3) angeformten, einander gegenüberliegenden Schaftelementen (2), – mit 2 über Nabenanbindungen (18) an den Kolbenboden (3) angeformten und die Schaftelemente (2) miteinander verbindenden Bolzennaben (14) mit je einer Bolzenbohrung (15), wobei die radial äußeren Stirnseiten (16) der Bolzennaben (14) in Richtung Kolbenachse (17) zurückgesetzt sind, und die Nabenabbindungen (18) nahe den Bolzenbohrungen (15) je einen im Bereich der Stirnseiten (16) radial außen umlaufenden, im Schnitt nasenförmigen Vorsprung (29) aufweisen, – mit einer nahe dem Kolbenboden (3) auf der radialen Außenseite des Kobens (1) angeordneten, umlaufenden Ringpartie (7), – mit sich in kolbenbodenabgewandte Richtung an die Ringpartie (7) anschließenden, im Bereich der Schaftelemente (2) umlaufenden, von der radialen Außenseite des Kolbens (1) ausgehend nach radial innen gerichteten Ausnehmungen (13), wobei sich kolbenbodenseitig auf den Schaftelementen (2) je eine Schulter (12) ergibt, – mit einem in Kolbenbodennähe und radial außen angeordneten, in Schaftrichtung, d.h., nach unten offenen, umlaufenden und in die Ausnehmungen (13) mündenden Kühlkanal (10), wobei sich radial außen, zwischen dem Kühlkanal (10) und der Ringpartie (7) eine Ringwand (5) ergibt, und – mit einer aus zwei halbkreisförmigen Elementen bestehenden Kühlkanalabdeckung (19, 32), die im Bereich der Schaftelemente (2) den Kühlkanal (10) und die jeweilige Ausnehmung (13) und im Bereich der Stirnseiten (16) der Bolzennaben (14) den Kühlkanal (10) und jeweils einen sich in kolbenbodenabgewande Richtung daran anschließenden Ringraum (20) abdecken, dadurch gekennzeichnet, – dass die Elemente der Kühlkanalabdeckung (19, 32) jeweils aus unter Vorspannung stehendem Federblech bestehen und derart am Kolben (1) angeordnet sind, dass sie gegen ein Verschieben in radiale und axiale Richtung gesichert sind, wobei die oberen Bereiche der Elemente am unteren Bereich der Ringwand (5) anliegen, und die untere Bereiche der Elemente im Bereich der Schaftelemente (2) jeweils auf der Schulter 12) eines der Schaftelemente (2) und im Bereich der Stirnseiten (16) der Bolzennaben (14) jeweils auf dem Vorsprung (29) der Nabenanbindungen (18) aufliegen.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen Bereiche der Elemente der Kühlkanalabdeckung (32) je eine nach radial außen konkave, schräg nach oben offene, umlaufende Rinne (34) aufweisen, die an einer radial inneren Kante (35) einer unteren Stirnfläche (8) der Ringwand (5) anliegen.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass in das untere Ende der Ringwand (5) radial außen eine umlaufende, obere Haltenut (24) eingebracht ist, wobei die untere Nutflanke (26) der oberen Haltenut (24) eine in Richtung der Kolbenachse (17) zurückgesetzte, radial äußere Stirnseite (25) aufweist, – dass im radial inneren Bereich der Schultern (12) der Schaftelemente (2) je eine umlaufende, schräg nach unten in Richtung der Kolbenachse (17) geneigte, untere Haltenut (28) eingebracht ist, und – dass die oberen Bereiche der Elemente der Kühlkanalabdeckung (19) in der oberen Haltenut (24) und die unteren Bereiche der Elemente der Kühlkanalabdeckung (19) in der jeweiligen unteren Haltenut (28) eingeführt sind.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Federblech der Kühlkanalabdeckung (19, 32) zwischen 0,5 mm und 1 mm dick ist.
Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente der Kühlkanalabdeckung (19, 32) durch Stanzen hergestellt sind.