DE102007027162A1

DE102007027162A1 - Zweiteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102007027162A1
Application number: DE102007027162A
Authority: DE
Inventors: Rainer Scharp
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2008-12-18
Also published as: KR20100021599A; JP2010529357A; EP2162612A1; CN101680394A; US7762178B2; US20080307958A1; WO2008151620A1; EP2162612B1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein zweiteiliger Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, bestehend aus einem Oberteil (2) und einem damit verbundenen Unterteil (3), der radial außen und nahe dem Kolbenboden (4) einen umlaufenden, geschlossenen Kühlkanal (9) aufweist, der auf seiner Unterseite von einer Kühlkanalabdeckung (10) verschlossen ist, mit der über je eine Schaftanbindung (14, 15) zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente (12, 13) verbunden sind. Um das Kolbengewicht zu verringern und dennoch Sekundärbewegungen des Kolbens zu vermeiden, sind im Bereich der Schaftelemente (12, 13) umlaufende Ausnehmungen (20) vorgesehen, die kolbenbodenseitig von der Kühlkanalabdeckung (10) und schaftseitig von den Schaftanbindungen (14, 15) begrenzt sind, wobei die Schaftanbindungen (14, 15) kolbenbodenseitig mit dem radial inneren Bereich der Kühlkanalabdeckung (10) und schaftseitig mit den oberen Bereichen der Schaftelemente (12, 13) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen zweiteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Aus der US-Patentschrift US 6 557 514 B1 ist ein zweiteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der aus einem Oberteil und einem Unterteil besteht. Der Kolben weist radial außen und nahe dem Kolbenboden einen umlaufenden Kühlkanal auf, der kolbenbodenseitig vom Oberteil und schaftseitig von einer Kühlkanalabdeckung verschlossen ist, die Teil des Unterteils ist. Radial außen sind an die Kühlkanalabdeckung zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente angeformt, die über zwei einander gegenüberliegende Bolzennaben miteinander verbunden sind, wobei die Bolzennaben über je eine Nabenanbindung an die Kühlkanalabdeckung angeformt sind. Hergestellt werden das Oberteil und das Unterteil des aus dem Stand der Technik bekannten Kolbens aus Stahl.
Aus einem Ober- und einem Unterteil bestehende Kolben werden üblicherweise für Nutzkraftfahrzeuge hergestellt. Diese Kolben weisen deshalb in der Regel relativ große Abmessungen und damit ein relativ großes Gewicht auf.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Gewicht zweiteiliger und insbesondere für Nutzkraftfahrzeuge hergestellter Kolben zu reduzieren, ohne deren Festigkeit zu verringern.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Hierbei werden wegen der Ausnehmungen Teile der Schaftanbindung nach radial innen verlegt, wodurch wegen des geringeren Radius dieser Teile deren Masse und damit deren Gewicht reduziert wird. Dadurch, dass die Schaftanbindungen kolbenbodenseitig mit dem radial inneren Bereich der Kühlkanalabdeckung verbunden ist, bleibt die Festigkeit des Kolbens erhalten, und werden Sekundärbewegungen des Kolbens weitgehend vermieden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Sie zeigt ein Schnittbild eines aus einem Oberteil und einem Unterteil bestehenden, zweiteiligen Kühlkanalkolbens mit Ausnehmungen zwischen der unteren Kühlkanalabdeckung und dem oberen Bereich der Schaftelemente und im Bereich der Nabenanbindungen.
Der in der Figur im Schnitt dargestellt Kolben 1 besteht aus einem Oberteil 2 und einem Unterteil 3. Das Oberteil 2 bildet den Kolbenboden 4, in den eine Verbrennungsmulde 5 eingeformt ist. Radial außen weist der Kolben 1 nahe dem Kolbenboden 4 eine umlaufende Ringpartie 6 mit Nuten 7, 7', 8 zur Aufnahme in der Figur nicht dargestellter Kolbenringe auf, wobei die Nuten 7, 7' in das Oberteil 2 des Kolbens 1 eingeformt sind.
Kolbenbodenseitig begrenzt das Oberteil 2 einen geschlossenen, radial außen umlaufenden Kühlkanal 9, der auf der kolbenbodenabgewandten Unterseite von einer Kühlkanalabdeckung 10 verschlossen wird, die Teil des Unterteiles 3 ist, und die eine Öffnung 11 zum Einleiten von Kühlöl in den Kühlkanal 9 und eine weitere, in der Figur nicht dargestellte Öffnung zum Ausleiten von Kühlöl aus dem Kühlkanal 9 aufweist. An die Kühlkanalabdeckung 10 ist kolbenbodenseitig, radial außen ein nach oben gerichteter Kragen 25 angeformt, in den radial außen die Nut 8 der Ringpartie 6 zur Aufnahme eines in der Figur nicht dargestellten Ölabstreifringes eingeformt ist.
Das Unterteil 3 weist weiterhin zwei einander gegenüberliegende Schaftelemente 12, 13 auf, von denen der rechte Halbschnitt des Schnittbildes, der parallel zur Druck-Gegendruckrichtung des Kolbens 1 liegt, das eine Schaftelement 12 im Schnitt zeigt, und von denen der linke Halbschnitt des Schnittbildes, der senkrecht zur Schnittebene des rechten Halbschnittes liegt, das andere Schaftelement 13 in Draufsicht zeigt.
Die Schaftelemente 12, 13 sind über je eine Schaftanbindung 14, 15 mit der unteren Kühlkanalabdeckung 10 verbunden. Die Schaftelemente 12, 13 sind über zwei einander gegenüberliegende und über je eine Nabenanbindung 18, 19 an die Kühlkanalabdeckung 10 angeformte Bolzennaben 16, 17 miteinander verbunden. Über den Umfang des Kolbens 1 betrachtet gehen hierbei die Schaftanbindungen 14, 15 lückenlos in die Nabenanbindungen 18, 19 über.
Zwischen jedem der Schaftelementen 12, 13 und der Ringpartie 6 weist der Kolben 1 eine Ausnehmung 20 auf, die kolbenbodenseitig von der Kühlkanalabdeckung 10 und schaftseitig von den Schaftanbindungen 14, 15 begrenzt wird, wobei die Unterseiten der Schaftanbindungen 14, 15 mit den Oberseiten der Schaftelementen 12, 13 und die Oberseiten der Schaftanbindungen 14, 15 mit dem radial inneren Bereich der Kühlkanalabdeckung 10 verbunden sind. Hierdurch ergibt sich, dass die Schaftanbindungen 14, 15 im Bereich der Schaftelemente 12, 13 zumindest näherungsweise kegelstumpfförmig ausgebildet sind und in diesem Bereich mit der Kolbenachse 23 einen Winkel α von näherungsweise 45° bilden. Die maximale axiale Abmessung h der Ausnehmungen 20 zwischen der Oberseite der Schaftelemente 12, 13 und der Unterseite der Ringpartie 6 entspricht näherungsweise der Abmessung zwischen der Unterseite der Ringpartie 6 und der Oberfläche des Kolbenbodens 4.
Weiterhin sind radial außen in die Nabenanbindungen 18, 19 im Schnitt kreissegmentförmige Ausnehmungen 24 eingeformt, die stetig in die im Bereich der Schaftelemente 12, 13 angeordnete Ausnehmungen 20 übergehen. Die Ausnehmungen 20 führen zu einer weiteren Reduktion des Kolbengewichtes.
Hergestellt werden können das Oberteil 2 und das Unterteil 3 des Kolbens 1 aus Gusseisen, aus Stahl oder aus Leichtmetall, wie beispielsweise aus Aluminium oder aus Magnesium. Vorteilhaft ist es, das den Verbrennungsgasen direkt ausgesetzte Oberteil 2 aus Stahl und das Unterteil 3 zum Zweck der Gewichtsersparnis aus Aluminium herzustellen. Verbunden werden können das Oberteil 2 und das Unterteil 3 über die ringförmigen Kontaktbereiche 21 und 22 mit Hilfe eines Schweißverfahrens, wie beispielsweise des Reibschweißverfahrens, oder mit Hilfe des Hartlötverfahrens. Möglich ist auch, das Oberteil 2 mit dem Unterteil 3 zu verschrauben.

h: axiale Abmessung
1: Kolben
2: Oberteil des Kolbens 1
3: Unterteil des Kolbens 1
4: Kolbenboden
5: Verbrennungsmulde
6: Ringpartie
7, 7', 8: Nut
9: Kühlkanal
10: Kühlkanalabdeckung
11: Öffnung
12, 13: Schaftelement
14, 15: Schaftanbindung
16, 17: Bolzennabe
18, 19: Nabenanbindung
20: Ausnehmung
21, 22: Kontaktbereich
23: Kolbenachse
24: Ausnehmung
25: Kragen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6557514 B1 [0002]

Claims

Zweiteiliger Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, – bestehend aus einem Oberteil (2) und einem damit verbundenen Unterteil (3), – mit einem vom Oberteil (2) gebildeten Kolbenboden (4) und einer radial außen an den Kolbenboden (4) angeformten Ringpartie (6), – mit einem radial außen und nahe dem Kolbenboden (4) angeordneten, umlaufenden, geschlossenen Kühlkanal (9), – wobei der kolbenbodenzugewandte, obere Bereich des Kühlkanals (4) vom Oberteil (2) begrenzt ist, – wobei der Kühlkanal (4) auf seiner Unterseite von einer Kühlkanalabdeckung (10) verschlossen ist, die Teil des Unterteils (3) ist, – mit 2 über je eine Schaftanbindung (14, 15) mit der Kühlkanalabdeckung (10) verbundene und einander gegenüberliegende Schaftelemente (12, 13), – mit 2 über je eine Nabenanbindung (18, 19) mit der Kühlkanalabdeckung (10) verbundene, einander gegenüberliegende Bolzennaben (16, 17), die die Schaftelemente (12, 13) miteinander verbinden, – wobei über den Umfang des Kolben (1) betrachtet die Schaftanbindungen (14, 15) lückenlos in die Nabenanbindungen (18, 19) übergehen, gekennzeichnet durch im Bereich der Schaftelemente (12, 13) umlaufende Ausnehmungen (20), die kolbenbodenseitig von der Kühlkanalabdeckung (10) und schaftseitig von den Schaftanbindungen (14, 15) begrenzt sind, wobei die Schaftanbindungen (14, 15) kolbenbodenseitig mit dem radial inneren Bereich der Kühlkanalabdeckung (10) und schaftseitig mit den oberen Bereichen der Schaftelemente (12, 13) verbunden sind.
Kolben (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch im Bereich der Nabenanbindungen (18, 19) umlaufende, im Schnitt kreissegmentförmige Ausnehmungen (24), die stetig in die im Bereich der Schaftelemente (12, 13) angeordneten Ausnehmungen (20) übergehen.
Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftanbindungen (14, 15) im Bereich der Schaftelemente (12, 13) zumindest näherungsweise kegelstumpfförmig ausgebildet sind und in diesen Bereichen mit der Kolbenachse (23) einen Winkel α von näherungsweise 45° bilden.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale axiale Abmessung "h" der Ausnehmungen (20) zwischen der Oberseite der Schaftelemente (12, 13) und der Unterseite der Ringpartie (6) näherungsweise der Abmessung zwischen der Unterseite der Ringpartie (6) und der Oberfläche des Kolbenbodens (4) entspricht.