DE102007060472A1

DE102007060472A1 - Zweiteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102007060472A1
Application number: DE102007060472A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Ißler
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-06-18
Also published as: US20090151556A1; KR20100098664A; JP2011506816A; WO2009076928A3; CN101896711B; CN101896711A; US8113105B2; KR101531436B1; EP2229521A2; WO2009076928A2

Abstract

Vorgeschlagen wird ein zweiteiliger Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor mit einem Oberteil 2, das auf der Unterseite seines Kolbenbodens 4 einen Bolzen 31 mit einem Außengewinde 32 aufweist, und mit einem Unterteil 3, das ein Bodenteil 25 aufweist, an das radial innen eine in axialer Richtung elastisch dehnbare Dehnhülse 26 angeformt ist, in die zum Verschrauben des Oberteils 2 mit dem Unterteil 3 der Bolzen 31 eingeführt ist, wobei die Dehnhülse 26 in axialer Richtung gedehnt wird. Das Material der Dehnhülse 26 weist zur Verbesserung ihrer Festigkeit eine gegenüber dem restlichen Kolbenmaterial höhere Streckgrenze auf. Die Erhöhung der Streckgrenze wird durch eine bleibende Dehnung der Dehnhülse in axialer Richtung von näherungsweise 1% ihrer Länge erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen zweiteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der Offenlegungsschrift, DE 10 2005 060 548 A1 , ist ein zweiteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der aus einem Oberteil mit einem auf der Unterseite seines Kolbenbodens koaxial angeordneten Bolzen, der ein Außengewinde aufweist, und aus einem Unterteil besteht, an dessen Bodenteil radial innen eine koaxial angeordnete und in axialer Richtung elastisch dehnbaren Dehnhülse angeformt ist. Beim Verschrauben des Oberteils mit dem Unterteil wird der Bolzen in die Dehnhülse eingeführt ist, wonach eine Mutter auf den Bolzen geschraubt wird, der die Dehnhülse in axialer Richtung dehnt. Nachteilig ist hierbei, dass im Motorbetrieb auf die Dehnhülse eine über die Streckgrenze des Dehnhülsenmaterials hinausgehende, axial gerichtete Kraft ausgeübt werden kann, die zu einer bleibenden Längsdehnung der Dehnhülse und damit zu einer Lockerung der Schraubverbindung zwischen dem Oberteil und dem Unterteil des Kolbens führt.
Diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird die Aufgabe mit dem im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmal. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Hierbei wird durch eine plastische Verformung der Dehnhülse in axialer Richtung erreicht, dass die Streckgrenze des Dehnhülsenmaterials so weit erhöht wird, dass bei der im Motorbetrieb üblichen Zugbeanspruchung der Dehnhülse keine Gefahr der Plastifizierung des Dehnhülsenmaterials und damit der Lockerung der Schraubverbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil mehr besteht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
1 ein Schnittbild eines zweiteiligen Kolbens, dessen Oberteil und dessen Unterteil mittels einer Mutter mit angeformter Stauchhülse miteinander verschraubt sind, und
2 eine Montagehilfe, womit die Streckgrenze einer am Kolbenunterteil angebrachten Dehnhülse durch eine bleibende Dehnung erhöht wird.
In 1 ist ein zweiteiliger, gekühlter Kolben 1 dargestellt, der aus einem Oberteil 2 und einem Unterteil 3 besteht. Das Oberteil 2 und das Unterteil 3 können aus Stahl oder aus einem anderen metallischen Werkstoff gefertigt sein. Ein Kolbenboden 4 begrenzt die axiale Oberseite des Oberteils 2, dessen radial innerer Bereich eine Verbrennungsmulde 5 aufweist. An den Außenrand des Kolbenbodens 4 ist eine Ringwand 6 angeformt, deren Außenfläche kolbenbodenseitig einen Feuersteg 7 bildet, woran sich schaftseitig eine Ringpartie 8 mit Ringnuten zur Aufnahme von in der Figur nicht dargestellten Kolbenringen anschließt.
An der dem Kolbenboden 4 abgewandten Unterseite des Unterteils 3 sind zwei Bolzennaben 9, 9' mit je einer Bolzenbohrung 10, 10' angeordnet, deren Stirnseiten 11 gegenüber der Ringwand 6 in Richtung Kolbenachse 12 zurückgesetzt angeordnet sind. Die Bolzennaben 9, 9' sind über Kolbenschaftelemente 13, 13' miteinander verbunden.
Das Oberteil 2 und das Unterteil 3 des Kolbens 1 stehen über eine innere Auflage 14 und über eine konzentrisch dazu angeordnete, äußere Auflage 15 miteinander in Verbindung. Die innere Auflage 14 wird von einer auf der der Verbrennungsmulde 5 abgewandten Seite des Oberteils 2 angeordneten Auflagefläche 16 und von einer kolbenbodenseitig auf einer ringförmigen Tragrippe 17 des Unterteils 3 angeordneten Auflagefläche 18 gebildet. Die äußere Auflage 15 wird von einer die Unterseite der Ringwand 6 begrenzenden Auflagefläche 19 und von einer kolbenbodenseitig auf einem ringförmigen Tragsteg 20 des Unterteils 3 angeordneten Auflagefläche 21 gebildet.
Vom Oberteil 2 und vom Unterteil 3 des Kolbens 1 wird ein im kolbenbodenseitigen Randbereich des Kolbens 1 angeordneter Kühlkanal 22 gebildet, dessen radial äußere Begrenzung von der Ringwand 6, dessen radial innere Begrenzung teils von der Tragrippe 17 und teils vom Kolbenboden 4 und dessen axial untere Begrenzung vom Unterteil 3 des Kolbens 1 gebildet werden. Über Einlassöffnungen 23 wird Kühlöl in den Kühlkanal 22 eingeleitet.
Der Kolben 1 weist einen weiteren, koaxial zur Kolbenachse 12 angeordneten, ringförmigen Kühlkanal 24 auf, der einen geringeren radialen Durchmesser als der äußere Kühlkanal 22 hat und in radialer Richtung gesehen innerhalb des äußeren Kühlkanals 22 angeordnet ist. Axial oben wird der innere Kühlkanal 24 vom Kolbenboden 4, radial außen von der Tragrippe 17 und radial unten von einem dünnwandig und elastisch nachgiebig ausgebildeten, oberen Bodenteil 25 des Unterteils 3 begrenzt, an das radial innen eine nach axial oben gerichtet Dehnhülse 26 angeformt ist, deren axial oben liegende, erste Öffnung 27 mit einer insoweit nach radial innen gerichteten Bördelung 28 versehen ist, dass die Unterseite der Bördelung 28 als Anschlag für eine an eine Mutter 29 angeformte Stauchhülse 30 dienen kann. Hierbei bildet die Dehnhülse 26 die radial innere Begrenzung des inneren Kühlkanals 24. In axialer Richtung weist die Dehnhülse 26 auf ihrer der ersten Öffnung 27 gegenüberliegenden Seite eine zweite Öffnung 43 auf. (Siehe hierzu 2)
Koaxial zur Kolbenachse 12 ist auf der Unterseite des Kolbenbodens 4 ein zylindrischer Bolzen 31 mit einer Mantelfläche angeformt, die einen kolbenbodenabgewandten Endbereich mit einem Außengewinde 32 aufweist, das dem Innengewinde der Mutter 29 entspricht, sodass die Mutter 29 auf das Außengewinde 32 aufschraubbar ist. Die axiale Länge des Bolzens 31 entspricht näherungsweise der axialen Länge der mit der Stauchhülse 30 versehenen Mutter 29. Der radiale Durchmesser des Bolzens 31 und insbesondere dessen Außengewindes 32 sind geringer als der radiale Durchmesser der ersten Öffnung 27 der Dehnhülse 26, sodass der Bolzen 31 problemlos in die erste Öffnung 27 einführbar ist. Der radiale Innendurchmesser der Stauchhülse 30 ist größer als der radiale Außendurchmesser des Außengewindes 32 des Bolzens 31.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der radiale Durchmesser des Bolzens 31 in einem Bereich zwischen dessen Außengewinde 32 und der Unterseite des Kolbenbodens 4 geringer ausgebildet als der Durchmesser des Außengewindes 32 und auch geringer als der Innendurchmesser der Stauchhülse 30, sodass sich zwischen der Stauchhülse 30 und dem Bolzen 31 ein ringförmiger Kühlraum 33 ergibt.
Über die Einlassöffnung 23 wird Kühlöl in den äußeren Kühlkanal 22 eingeleitet, das über einen Verbindungskanal 34 in den inneren Kühlkanal 24 fließt, von wo ein Teil des Öles über eine Öffnung 35 im oberen Bodenteil 25 des Unterteils 3 wieder zurück in das Kurbelgehäuse fließt. Ein kleiner Teil des Öles fließt über einen Spalt 36 zwischen der Bördelung 28 und der Unterfläche des Kolbenbodens 4 und über die erste Öffnung 27 der Dehnhülse 26 in den Kühlraum 33, von wo es über in das Außengewinde 32 des Bolzens 31 eingearbeitete und parallel zur Kolbenachse 12 liegende Ablaufkanäle zurück in das Kurbelgehäuse fließt, von denen in 1 ein Ablaufkanal 37 dargestellt ist. Dies bewirkt eine sehr gute Kühlung des thermisch hoch belasteten Oberteiles 2 des Kolbens 1.
Beim Zusammenbau von Oberteil 2 und Unterteil 3 des Kolbens 1 wird zunächst der auf der Unterseite des Kolbenbodens 4 angeordnete Bolzen 31 durch die erste Öffnung 27 der Dehnhülse 26 geführt, die an die zweite Öffnung 43 im oberen Bodenteil 25 des Kolbenunterteiles 3 angeformt ist. Im weiteren Verlauf der Montage des Kolbens 1 werden das Oberteil 2 und das Unterteil 3 des Kolbens 1 koaxial zueinander ausgerichtet, was dadurch erreicht wird, dass der Tragsteg 20 im Schnitt die Form einer nach radial innen und axial in Richtung des Kolbenbodens 4 gerichteten Stufe aufweist, und dass die untere Stirnseite der Ringwand 6 auf der Innenseite eine zylinderförmige Ausnehmung 38 aufweist, deren Innenform der Außenform des Tragsteges 20 entspricht, sodass bei der Montage von Ober- und Unterteil 2, 3 des Kolbens 1 der Tragsteg 20 in die Ausnehmung 38 eingeführt wird, und damit Oberteil 2 und Unterteil 3 koaxial ausgerichtet werden.
Im Anschluss daran wird die Stauchhülse 30 der Mutter 29 über das Außengewinde 32 des Bolzens 31 geschoben, bis das Innengewinde der Mutter 29 in Kontakt mit dem Außengewinde 32 des Bolzens 31 kommt. Die Mutter 29 wird nun insoweit auf das Außengewinde 32 aufgeschraubt, bis die obere Stirnseite der Stauchhülse 30 in Anlage an die Bördelung 28 der Dehnhülse 26 gelangt.
Ein weiteres Festschrauben der Mutter 29 unter Aufwendung eines gewissen Drehmomentes bewirkt nun, dass sich das elastisch nachgiebige, obere Bodenteil 25 tellerfederartig in Richtung Kolbenboden 4 verformt, dass sich die dünnwandig ausgebildete Dehnhülse 26 axial dehnt, dass die ebenfalls dünnwandig ausgebildete Stauchhülse 30 axial zusammengestaucht wird, dass der mittlere Teil des Bolzens 31 mit reduziertem radialem Durchmesser eine Dehnung erfährt, und dass sich der die Verbrennungsmulde 5 begrenzende Teil des Kolbenbodens 4 tellerfederartig in Schaftrichtung verformt. Diese elastischen Verformungen der Kolbenteile 25, 26, 30, 31 und 4 bewirken eine sehr flache Kennlinie der Schraubverbindung zwischen Mutter 29 und Bolzen 31, die dieser Schraubverbindung unabhängig von Temperatureinflüssen und von mechanischen Einflüssen auf den Kolben 1 eine große Festigkeit verleiht.
Im Motorbetrieb hierbei besteht die Gefahr, dass insbesondere beim Ansaugtakt auf die Dehnhülse 26 eine über die Streckgrenze des Dehnhülsenmaterials hinausgehende Kraft in Richtung des Pfeils 40 ausgeübt wird, die zu einer bleibenden Längsdehnung dieses Materials und damit zu einer Lockerung der Schraubverbindung zwischen Oberteil 2 und Unterteil 3 des Kolbens 1 führt. Deshalb wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Streckgrenze des Dehnhülsenmaterials dadurch zu erhöhen, dass die Dehnhülse im kalten Zustand einer kontrollierten Zugbeanspruchung unterzogen wird, wodurch sie eine bleibende Dehnung in axialer Richtung von näherungsweise 1% ihrer Länge erfährt, ohne dass die Duktilität des Dehnhülsenmaterials dabei beeinträchtigt wird.
Um auf die Dehnhülse 26 die vorgeschlagene Zugbeanspruchung auszuüben, kann gemäß 2 ein Gewindebolzen 41 mit einem Außendurchmesser verwendet werden, der etwas kleiner als der Innendurchmesser der ersten Öffnung 27 in der die Dehnhülse 26 kolbenbodenseitig begrenzenden Bördelung 28 ist, damit der Gewindebolzen 41 problemlos durch die erste Öffnung 27 und die zweite Öffnung 43 hindurchführbar ist. Am unteren Ende ist auf den Gewindebolzen 41 eine Mutter 42 mit zylinderförmiger Außenfläche geschraubt, deren Außendurchmesser etwas kleiner als der Innendurchmesser der Dehnhülse 26 aber etwas größer als der Innendurchmesser der ersten Öffnung 27 ist, sodass der Gewindebolzen 41 mit aufgeschraubter Mutter 42 durch die zweite Öffnung 43 und durch den Innenraum der Dehnhülse 26 geführt werden kann, bis die obere Stirnseite der Mutter 42 in Anschlag an die Unterseite der Bördelung 28 gelangt.
Um Anschluss daran wird auf den Gewindebolzen 41 eine Zugkraft in Richtung des Pfeils 40 ausgeübt, der über die an der Bördelung 28 anliegenden Mutter 42 auf die Dehnhülse 26 eine kontrollierte Zugbeanspruchung ausübt, um die Dehnhülse 26 in axialer Richtung um näherungsweise 1% ihrer Länge zu dehnen. Der Kolben 1 ist hierbei in einer in 2 nicht dargestellten Montagevorrichtung befestigt.
Hierdurch wird erreicht, dass die Streckgrenze des Kolbenmaterials im Bereich der Dehnhülse 26 so weit erhöht wird, dass bei einer Zugbeanspruchung der Dehnhülse 26 im Motorbetrieb keine Gefahr der Plastifizierung des Dehnhülsenmaterials und damit des Verlustes der Vorspannung beziehungsweise der Lockerung der Schraubverbindung zwischen Kolbenoberteil 2 und Kolbenunterteil 3 mehr besteht.
Zur Erhöhung der Streckgrenze des Materials der Dehnhülse 26 ist es auch möglich, die Dehnhülse 26 mittels einer in den Figuren nicht dargestellten Montagevorrichtung mit einer kalkulierten Druckkraft zu beaufschlagen, die die Dehnhülse 26 um näherungsweise 1% ihrer Länge in axialer Richtung staucht.
Ebenso kann die Streckgrenze des Materials der Stauchhülse 30 erhöht werden, indem die Stauchhülse 30 einer kalkulierten Druckkraft ausgesetzt wird, die die Stauchhülse 30 um näherungsweise 1% ihrer Länge staucht.

1: Kolben
2: Oberteil
3: Unterteil
4: Kolbenboden
5: Verbrennungsmulde
6: Ringwand
7: Feuersteg
8: Ringpartie
9, 9': Bolzennabe
10, 10': Bolzenbohrung
11: Stirnseite der Bolzennabe 9, 9'
12: Kolbenachse
13, 13': Kolbenschaftelement
14: innere Auflage
15: äußere Auflage
16: Auflagefläche des Oberteils 2
17: Tragrippe des Unterteiles 3
18: Auflagefläche des Unterteiles 3
19: Auflagefläche
20: Tragsteg
21: Auflagefläche
22: äußerer Kühlkanal
23: Einlassöffnung
24: innerer Kühlkanal
25: oberes Bodenteil des Unterteiles 3
26: Dehnhülse
27: erste Öffnung
28: Bördelung
29: Mutter
30: Stauchhülse
31: Bolzen
32: Außengewinde
33: Kühlraum
34: Verbindungskanal, Ölzulauföffnung
35: Öffnung, Ölablauföffnung
36: Spalt
37, 37', 37': Ablaufkanal
38: zylinderförmige Ausnehmung
39: Bohrung
40: Pfeil
41: Gewindebolzen
42: Mutter
43: zweite Öffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005060548 A1 [0002]

Claims

Zweiteiliger Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor – mit einem Oberteil (2), das einen Kolbenboden (4) bildet, und auf dessen dem Kolbenboden (4) abgewandter Unterseite ein koaxial zur Kolbenachse (12) liegender, zylindrischer Bolzen (31) mit einem Außengewinde (32) angeformt ist, – mit einem Unterteil (3), das aus einem Bodenteil (25) besteht, auf dessen Unterseite Bolzennaben (9, 9') mit Bolzenbohrungen (10, 10') und die Bolzennaben (9, 9') miteinander verbindende Schaftelemente (13, 13') angeordnet sind, – wobei das Bodenteil (25) eine koaxial zur Kolbenachse (12) liegende zweite Öffnung (43) aufweist, an deren Rand eine nach oben gerichtete, in axialer Richtung elastisch dehnbaren Dehnhülse (26) angeformt ist, die an ihrem kolbenbodenseitigen Ende eine erste Öffnung (27) aufweist, wobei der Bolzen (31) in die erste und die zweite Öffnung (43, 27) eingeführt ist, – wobei die erste Öffnung (27) mit einer nach radial innen gerichteten Bördelung (28) versehen ist, deren Innenradius größer als der Außenradius des Bolzens (31) ist, und – wobei das Oberteil (2) und das Unterteil (3) mittels einer auf das Außengewinde (32) des Bolzens (31) aufgeschraubten Mutter (29) miteinander verbunden sind, die kolbenbodenseitig an der Bördelung (28) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, aus dem die Dehnhülse (26) besteht, eine im Vergleich zum restlichen Kolbenmaterial höhere Streckgrenze aufweist.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Streckgrenze die Dehnhülse (26) ausgehend vom fertig hergestellten Kolbenunterteil (3) um 0,5% bis 5% ihrer Länge in axialer Richtung plastisch verformt ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Streckgrenze die Dehnhülse (26) ausgehend vom fertig herge stellten Kolbenunterteil (3) um näherungsweise 1% ihrer Länge in axialer Richtung plastisch verformt ist.
Kolben (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Streckgrenze die Dehnhülse (26) ausgehend vom fertig hergestellten Kolbenunterteil (3) in axialer Richtung gedehnt ist.
Kolben (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Streckgrenze die Dehnhülse (26) ausgehend vom fertig hergestellten Kolbenunterteil (3) in axialer Richtung gestaucht ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mutter (29) kolbenbodenseitig eine koaxial zur Kolbenachse (12) liegende, in axialer Richtung elastische Stauchhülse (30) aufweist, die beim fertig montierten Kolben (1) kolbenbodenseitig an der Bördelung (28) anliegt, und deren Material eine im Vergleich zum restlichen Material der Mutter (29) höhere Streckgrenze aufweist.
Kolben (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Streckgrenze die Stauchhülse (30) in axialer Richtung um näherungsweise 1% ihrer Länge gestaucht ist.