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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung betrifft einen Kolben für eine Verbrennungsmaschine,
bei welcher der Kolben einen Kolbenschaft mit einem offenen Endbereich
und Bolzenbohrungen in dem Kolbenschaft zum Aufnehmen eines Kolbenbolzens
aufweist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Kolben,
die in Verbrennungsmaschinen verwendet werden, sind hohen Temperaturen
und Belastungen ausgesetzt. Strukturelle Defekte, wie beispielsweise
Crack- bzw. Rissbildung aufgrund von Materialermüdung, haben ihre Ursache in
den obigen anspruchsvollen Arbeitsbedingungen.
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Zur
Erläuterung
ist in 1A ein Foto eines offenen Endbereichs
eines Kolbenschafts gezeigt. 1B vergrößert den
gekennzeichneten Bereich in 1A und
stellt einen typischen Defekt in Benzinkolben am besten dar. Die
Crack- bzw. Rissbildung, die
in 1B gezeigt ist, tritt in dem Randbereich des Endbereichs
des Kolbenschafts auf und ist ein primärer Grund für Defekte.
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Folglich
ist es wünschenswert,
die Belastungs- und Spannungsverteilung und die Haltbarkeit des
Kolbens zu steuern. Kolbenmerkmale aus dem Stand der Technik enthalten,
um das Peak-Belastungsniveau des offenen Endes in Langlebigkeitsgrenzen
zu halten, das architektonische Design des Kolbenschafts. Um Defekte
im offenen Endbereich des Kolbens zu verringern, kann Material hinzugefügt werden
und das Design (Dicke, Ausrichtung usw.) kann verändert werden,
um die lokale Festigkeit bzw. Steifheit zu verbessern, um eine Crackeinleitung während des
Betriebs zu vermeiden. Die Kolbenbohrung kann für eine Verbesserung der dynamischen Stabilität versetzt
sein. Die Kolbenbohrung kann ferner profiliert sein, wodurch eine
größere Ablenkung des
Kolbenschaftbereichs ermöglicht
werden kann, was theoretisch einen vernachlässigbaren positiven Effekt
auf NVH (noise, vibration, harshness) und die Festigkeit der Kolbenkomponente
ausübt.
Eine weitere Maßnahme
des Kolbendesigns betrifft die Änderung
des Kolbenschaftprofils, um einen optimalen Kolben/Zylinder-Kontakt
hinsichtlich NVH und eine strukturelle Integrität zu erzielen. Ferner enthalten Reibungsverringerungstreiber
für Kolben
Modifikationen der Kolbenschaftoberfläche, wie beispielsweise Niedrigreibungsbeschichtungen
auf Kontaktoberflächen,
Oberflächenveredelungsparameter
oder asymmetrische Kontaktbereiche. Eine Vergrößerung der lokalen Steifigkeit
kann eine erhöhte
Masse und/oder verringerte Flexibilität des Kolbenschaftbereichs
verursachen. Dies wiederum hat negative Einflüsse auf die Leistungsfähigkeit
des Motors, beispielsweise hinsichtlich der Reibung und NVH.
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Die
FR 855 411 A und
die
US 1,469,087 A beschreiben
jeweils Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei im Kolbenschaft
unterhalb der Bolzenbohrungen Aussparungen vorgesehen sind. Die
DE 1 027 934 B und
DE 36 00 750 A1 beschreiben
ebenfalls Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, die Wahrscheinlichkeit der Riss-
bzw. Crackbildung in dem offenen Endbereich des Kolbenschafts zu
verringern, während
negative Einflüsse
auf die Leistungsfähigkeit
des Kolbens vermieden werden.
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Die
Aufgabe wird mit einem Kolben nach Anspruch 1 gelöst.
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Der
bevorzugte flache zylindrische und hohle Kolbenschaft ist an einem
Ende mit einem zylindrischen Kolbenkopf verbunden und ist an dem
anderen Ende offen. Das offene Ende definiert eine im Wesentlichen
ovale Kontur. Der Kolbenschaft weist vorzugsweise zwei gegenüberliegende
Bolzenbohrungen zum Aufnehmen eines Kolbenbolzens auf, die in zwei
abgeflachten Wandbereichen des Kolbenschafts angeordnet sind. Die
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Bolzenbohrung
einen Schnitt bzw. eine Ausnehmung in der Umgebung des offenen Endes
des Kolbenschafts umfasst.
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Die
Bezeichnung „in
der Umgebung” ist
relativ zu wesentlichen Größenordnungen
des Kolbenschafts zu verstehen, wie beispielsweise einem Durchmesser
des Kolbenschafts, wenn dieser zylindrisch ist. Die Bezeichnung „Kolbenbohrung” betrifft nicht
ausschließlich
die eigentliche Bolzenöffnung, sondern
umfasst einen wesentlichen Bereich der festen Struktur in der Umgebung
der Öffnung.
Wenn die Bolzenöffnung
durch verstärkte
Wandteile des Kolbenschafts umgeben ist, dann umfasst die Bolzenbohrung
diese verstärkten
Wandteile. Folglich ist die Ausnehmung nicht notwendigerweise in
einer inneren Oberfläche
(die Oberfläche,
die ein Lager für
einen Kolbenbolzen bildet) der Bolzenbohrung angeordnet.
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Die
Ausnehmung ist imstande, lokale Belastungs- und/oder Spannungskonzentrationen
in dem offenen Endbereich des Kolbenschafts zu verringern. Die Ausnehmung
stellt ferner eine verbesserte Flexibilität bereit. Ferner verbessert
die Ausnehmung die Fähigkeit
des Kolbens Stöße zu absorbieren,
was Reibung und hörbare
Geräuschcharakteristiken
verringert, wodurch die Leistungsfähigkeit des Kolbens verbessert
wird. Der Mechanismus arbeitet durch Umverteilung des Spannungsabsorptionswegs.
Der Kolben mit der obigen Ausnehmung weist eine verbesserte strukturelle
Flexibilität
beim Kontakt des Kolbenschafts mit der Zylinderwand auf. Die Spannungsenergie,
die von dem Kolbenschaft absorbiert wird und anschließend durch
das offene Schaftelement des Kolbens und schließlich in die Bolzenbohrungswand übertragen
wird, wird umverteilt und deren Gesamtbetrag wird verringert. Das
Einbringen der Ausnehmung ermöglicht
eine deutlich vergrößerte elastische
Ablenkung des Kolbenschafts und der Bereiche des offenen Endes des
Kolbenschafts.
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Die
Ausnehmung ist so gestaltet, dass diese eine asymmetrische Bewegung
der Bolzenbohrung unter Last verringert, um die NVH-Eigenschaften des Kolbens
zu verbessern. Das wird mittels einer Ausnehmung erzielt, die im
Wesentlichen sinusförmig oder
zickzackförmig
ist.
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Die
Ausnehmung durchbricht die Bolzenbohrung insgesamt, so dass sich
die Ausnehmung von einer inneren Oberfläche zu einer äußeren Oberfläche der
Bolzenbohrung in einer radialen Richtung der Bolzenbohrung erstreckt.
Der sogenannte „ISO-FLEX”-Schnitt
(isolated flexible body) optimiert die NVH-Eigenschaften des Kolbens und die Belastung
und/oder Spannungsumverteilung zum Verringern der Wahrscheinlichkeit
einer Crack- bzw. Rissbildung.
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Vorzugsweise
ist die Ausnehmung in einem minimalen Abstand zur Kontur angeordnet,
zum Optimieren der Belastung und/oder Spannungsumverteilung. Wenn
der Schnittstellenbereich zwischen einem Kolbenkopf und dem Kolbenschaft
als „oben” bezeichnet
wird, ist die Ausnehmung folglich vorzugsweise am unteren Abschnitt
der Bolzenbohrung angeordnet.
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Vorzugsweise
erstreckt sich die Ausnehmung im Wesentlichen in einer Längsrichtung
der Bohrung, um Belastungen in dem offenen Endbereich des Kolbenschafts
zu verringern und um die Flexibilität des Kolbenschafts zu verbessern.
Die Längsrichtung
ist die axiale Richtung der Bohrung.
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Vorzugsweise
erstreckt sich die Ausnehmung entlang der gesamten longitudinalen
Länge der
Bohrung, zum Optimieren der Belastungs- und/oder Spannungsumverteilung.
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Vorzugsweise
enthält
der Kolben zwei Kolbenbohrungen, wobei beide eine Ausnehmung aufweisen,
um einseitige Belastungen zu vermeiden, wodurch die Belastungs-
und/oder Spannungsumverteilung optimiert wird.
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Vorzugsweise
ist die Ausnehmung so gestaltet, dass diese sich wenigstens teilweise
unter thermischer Belastung schließt. Vorzugweise ist die Ausnehmung
gestaltet, um sich unter Wärmebelastung des
Kolbens nicht vollständig
zu schließen.
Das Hinzufügen
einer mechanischen Last kann ferner die Ausnehmung schließen, wenn
Kräfte
aus einer Gaslast und einem Schaftschlag durch den Schaft zu den Bolzenbohrungen übertragen
werden.
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Vorzugsweise
ist eine Ölstrahl-Kühldüse unter
der Ausnehmung angeordnet, um die Bolzenbohrung zu schmieren, wobei
Kühlöl auf die
Bolzenoberfläche
auftrifft, wenn es sich durch die Ausnehmung bewegt. Eine gerichtete
Kühl- und
Schmierwirkung kann helfen, das Schwimmen und Drehen des Bolzens
in der Bohrung beizubehalten.
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Vorzugweise
ist der Kolben aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt.
Die Absicht der Verbesserung der Haltbarkeit eines Kolbens steht
mit der Absicht der Verringerung von Gewicht, was hinsichtlich der
Energieeffizienz wünschenswert ist,
im Widerspruch. Um einen Kompromiss zwischen beiden bereit zu stellen,
ist die Erfindung für
Fahrzeug-Aluminiumkolben wichtig und geeignet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A und 1B sind
Fotos eines offenen Endbereichs eines Kolbenschafts.
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2A und 2B sind
dreidimensionale Zeichnungen des offenen Endbereichs eines Kolbenschafts,
wobei Bolzenbohrungen eine sinusförmige Ausnehmung aufweisen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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2A und 2B sind
dreidimensionale Ansichten, die einen Kolben für eine Verbrennungsmaschine
von unten zeigen. Der Kolben weist einen zylindrischen Kopf 2 mit
kreisförmigen
Nuten für
Kolbenringe und einen abgeflachten zylindrischen Kolbenschaft 1 auf.
Zwei Bolzenbohrungen 10 zum Aufnehmen eines Kolbenbolzens,
der den Kolben mit einer Pleuelstange verbindet, sind in dem hohlen
Kolbenschaft 1 vorgesehen. Der Kolbenschaft 1 ist
an einem Ende in seiner Längsrichtung
integral mit dem Kolbenkopf 2 verbunden.
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Die
zwei Bolzenbohrungen 10 sind einander gegenüber in einem
abgeflachten Bereich des Kolbenschafts 1 angeordnet. Jede
Bolzenbohrung 10 weist eine Bolzenöffnung mit einer inneren Oberfläche 11 auf.
Der Kolbenschaft ist in der Umgebung jeder Bolzenöffnung verstärkt. Die
verstärkten
Bereiche sind Teil der entsprechenden Bolzenbohrung 10, sowie
des Kolbenschafts 1.
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Jede
der beiden Bolzenbohrungen 10 weist einen im Wesentlichen
sinusförmigen
Schnitt 12 auf, der durch den unteren Bolzenbohrungsbereich
des Kolbens gefertigt ist. Der sinusförmige Schnitt 12 erstreckt
sich im Wesentlichen in der Längsrichtung
der Bolzenbohrung 10. Der Schnitt kann andere Gestalten,
wie beispielsweise eine sinusförmige
Gestalt mit geraden Linien, welche die Extrema der Kurve verbinden,
oder eine Zickzack-Gestalt mit abgerundeten Ecken aufweisen. Die
Längsrichtung
ist die axiale Richtung. Der sogenannte „ISO-FLEX”-Schnitt verbindet die innere
Oberfläche 11 der
Bolzenbohrung 10 mit einer äußeren Oberfläche der Bolzenbohrung 10,
die einen Teil der Kantenkontur des offenen Endbereichs des Kolbenschafts 1 definiert.
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Das
Schneiden des „ISO-FLEX”-Schnitts kann
nach Beendigung des Gießens
des Kolbens erfolgen.
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Das
Schließen
der Lücke
des Schnitts 10 erfolgt während des Betriebs mittels
thermischer Verformung und mechanischer Ablenkung, wenn sich der
Kolbenboden um den Bolzen verformt und der Schaft auf die Zylinderwand
auftrifft.