DE102009032379A1

DE102009032379A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102009032379A1
Application number: DE102009032379A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Hettich
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2008-08-13
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2010-02-18
Also published as: BRPI0918437A2; BRPI0918437B1; EP2329125B1; US20110174153A1; WO2010017808A3; WO2010017808A2; JP2011530669A; EP2329125A2

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Kolben 10 für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden 11, mit einem Feuersteg 12, mit einer umlaufenden Ringpartie 13, die Ringnuten 14 aufweist, und mit einem Kolbenschafendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwände 16, 17 und zwei die Schaftwände 16, 17 miteinander verbindende Kastenwände 18, 19 aufweist, wobei die Kastenwände 18, 19 mit Nabenbohrungen 22 aufweisenden Bolzennaben 21 versehen sind, und wobei die auf der Druckseite (DS) angeordnete Schaftwand 16 in Umfangsrichtung des Kolbens 10 betrachtet kürzer ist als die auf der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwand 17 ist. Zur Reduzierung der Beanspruchung des Kolbens verlaufen die druckseitigen Kastenwände 18 geradlinig und schräg, wobei der Abstand der Kastenwände 18 im Bereich der Bolzennaben 21 größer ist als im Bereich der druckseitigen Schaftwand 16.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden, mit einem Feuersteg, mit einer umlaufenden Ringpartie, die Ringnuten aufweist, und mit einem Kolbenschaft, der zwei auf der Druckseite und der Gegendruckseite angeordnete Schaftwände und zwei die Schaftwände miteinander verbindende Kastenwände aufweist, wobei die Kastenwände mit Nabenbohrungen aufweisenden Bolzennaben versehen sind, und wobei die auf der Druckseite angeordnete Schaftwand in Umfangsrichtung des Kolbens betrachtet kürzer ist als die auf der Gegendruckseite angeordnete Schaftwand.
Bei einem Kolben der eingangs genannten Art bewirkt die Schrägstellung eines Pleuels unter Zünddruck eine Seitenkraftbelastung, die über die Kastenwände und den Schaft an die Zylinderwand abgegeben wird. Außerdem führt der Zünddruck in Kombination mit einer Desachsierung beziehungsweise Exzentrizität der Nabenbohrungen zu einem Kippmoment, das die Seitenkraftbelastung erhöht. Beide Mechanismen verursachen eine hohe Beanspruchung des Kolbens im unteren Bereich nahe dem freien, kolbenbodenabgewandten Rand der Schaft-Kastenwand-Anbindung. Bei ungeschränkten Kurbeltrieben findet man die höchste Beanspruchung beim oder kurz nach dem Zünddruckmaximum auf der Druckseite des Kolbens. Die Schaft-Kastenwand-Anbindung auf der Gegendruckseite des Kolbens ist hierbei vergleichsweise niedrig belastet. Bei Kurbeltrieben, die zur Druckseite geschränkt sind, erhöht sich demgegenüber die Beanspruchung der gegendruckseitigen Schaft-Kastenwand-Anbindung.
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Beanspruchung des hoch beanspruchten, kolbenbodenabgewandten Bereichs der druck- und gegendruckseitigen Schaft-Kastenwand-Anbindung zu reduzieren.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass die druckseitigen Kastenwände geradlinig und schräg verlaufen, wobei der Abstand der Kastenwände im Bereich der Bolzennaben größer ist als im Bereich der druckseitigen Schaftwand.
In vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung kann die Dicke der druckseitigen Kastenwände ausgehend von der Bolzennabe in Richtung Schaftwand linear zunehmen, und kann die Dicke der Kastenwände ausgehend von deren kolbenbodenabgewandten, freien Rändern in Richtung Kolbenboden abnehmen, wodurch sich eine weitere Reduzierung der Beanspruchung des hoch beanspruchten, kolbenbodenabgewandten Bereichs der druck- und gegendruckseitigen Schaft-Kastenwand-Anbindung ergibt.
Wie die Seitenkraftbelastung von der Schaft-Kastenwand-Anbindung abgetragen wird, kann anhand eines einfachen Balkenmodells erläutert werden, wobei die Schaft- und Kastenwand als flächige Tragstrukturen dargestellt sind. Die Seitenkraftbelastung wird hierbei konzentriert nahe dem freien Rand der Schaft-Kastenwand-Anbindung eingeleitet.
Dabei hat sich gezeigt, dass ideal gerade Kastenwände mit möglichst großer Schrägstellung, die an der Nabenaußenkante angebunden sind, bei realistischer Wahl des Lastangriffspunktes der Seitenkraftresultierenden am geringsten beansprucht werden. Hierbei ist die Schrägstellung der Kastenwände hauptsächlich durch die Schaftwandbreite begrenzt, die groß genug sein muss, um den Kolben über den Schaft sicher führen zu können. Deshalb sind die Kastenwände im Bereich ihres unteren Randes geradlinig ausgestaltet und schräg gestellt. Um eine große Schrägstellung zu erzielen, sind die Kastenwände an der Nabenaußenkante angebunden.
Um die Struktur im unteren Bereich der Schaft-Kastenwand-Anbindung homogen zu beanspruchen, müssen die Wanddicken entsprechend der Belastung ausgelegt werden. Damit ist gleichzeitig gewährleistet, dass festigkeitsseitig unnötige Steifigkeiten verschwinden und Gewicht eingespart werden kann.
Deshalb nimmt die Kastenwanddicke ausgehend von der Nabe in Richtung Schaftwand kontinuierlich zu, während die Schaftwanddicke ausgehend vom kolbenbodenabgewandten Ende in Richtung Kolbenboden abnimmt. Ferner wird die Dickenzunahme der Kastenwand dadurch realisiert, dass die Innenkontur der Kastenwand schräger gestellt wird als ihre Außenkontur. Als positiven Nebeneffekt hieraus erhält man eine leichte Zunahme der Kastenwandschrägstellung.
Da die Schaft-Kastenwand-Anbindung lediglich in ihrem unteren Bereich eine hohe Seitenkraftbelastung erfährt, wird ihre Dicke nur bis zur Nabenbohrungsmitte reduziert, um das Kolbengewicht gering zu halten.
Die oben beschriebene, erfindungsgemäße Schaft-Kastenwand-Anbindung ist in der Regel druckseitig auszuführen. Falls durch einen geschränkten Kurbeltrieb die Gegendruckseite höher belastet sein sollte als die Druckseite, wird das Konstruktionsprinzip gegendruckseitig angewendet. Die niedriger belastete Seite der Schaft-Kastenwand-Anbindung wird dann so ausgeführt wie diejenige, die in der Deutschen Patentanmeldung 10 2007 020 447.9 als Gegendruckseite bezeichnet wird.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Abbildungen näher erläutert. Es zeigen
1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt A-A in 2 und
2 und 3 einen Kolben gemäß 1 in Unteransicht in Richtung des Pfeils B in 1 um einige Winkelgrade gekippt
Die 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolbens 10, der insbesondere zum Einsatz in hoch belasteten Ottomotoren geeignet ist. Der Kolben 10 weist einen Kolbenboden 11 sowie einen umlaufenden Feuersteg 12 und eine umlaufende Ringpartie 13 mit Ringnuten 14 auf.
Auf der kolbenbodenabgewandten Seite weist der Kolben 10 einen Kolbenschaft 15 auf, der aus einer Schaftwand 16 auf der Druckseite (DS) und einer Schaftwand 17 auf der Gegendruckseite (GDS) besteht, wobei die Schaftwände 16 und 17 über Kastenwänden 18 und 19 miteinander verbunden sind. Die Kastenwände 18, 19 weisen jeweils eine Bolzennabe 21 mit je einer Nabenbohrung 20 auf.
Hierbei ist die Schaftwand 16 auf der Druckseite (DS) in Umfangsrichtung betrachtet kürzer ausgebildet als die Schaftwand 17 auf der Gegendruckseite (GDS). Somit sind die Schaftwände 16, 17 asymmetrisch ausgebildet.
Aus 2 ist ersichtlich, dass die druckseitigen Kastenwände 18 geradlinig ausgebildet und schräg gestellt sind. Die Schrägstellung wird durch den Winkel α beschrieben, der größer oder gleich null sein kann. Hierbei ergibt sich somit, dass der Abstand der Kastenwände 18 voneinander im Bereich der Bolzennaben 21 größer ist als im Bereich der druckseitigen Schaftwand 16.
Darüberhinaus nimmt die Dicke ”d” der druckseitigen Kastenwände 18 ausgehend von der Bolzennabe 21 in Richtung Schaftwand 16 linear zu, wie aus 2 ersichtlich ist. Weiterhin nimmt die Dicke ”b” der Kastenwände 18, 19 ausgehend von deren kolbenbodenabgewandten, freien Rändern in Richtung Kolbenboden 11 ab, wie sich aus 1 ergibt.

10: Kolben
11: Kolbenboden
12: Feuersteg
13: Ringpartie
14: Ringnut
15: Kolbenschaft
16: druckseitige Schaftwand
17: gegendruckseitige Schaftwand
18: Druckseitige Kastenwand
19: gegendruckseitige Kastenwand
20: Nabenbohrung
21: Bolzennabe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007020447 [0011]

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden (11), mit einem Feuersteg (12), mit einer umlaufenden Ringpartie (13), die Ringnuten (14) aufweist, und mit einem Kolbenschaft (15), der zwei auf der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwände (16, 17) und zwei die Schaftwände (16, 17) miteinander verbindende Kastenwände (18, 19) aufweist, wobei die Kastenwände (18, 19) mit Nabenbohrungen (22) aufweisenden Bolzennaben (21) versehen sind, und wobei die auf der Druckseite (DS) angeordnete Schaftwand (16) in Umfangsrichtung des Kolbens (10) betrachtet kürzer ist als die auf der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwand (17) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die druckseitigen Kastenwände (18) geradlinig und schräg verlaufen, wobei der Abstand der Kastenwände (18) im Bereich der Bolzennaben (21) größer ist als im Bereich der druckseitigen Schaftwand (16).
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der druckseitigen Kastenwände (18) ausgehend von der Bolzennabe (21) in Richtung Schaftwand (16) linear zunimmt.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kastenwände (18, 19) ausgehend von deren kolbenbodenabgewandten, freien Rändern in Richtung Kolbenboden (11) abnimmt.