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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen mehrteiligen Kolben für
einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil.
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Mehrteilige
Kolben haben den großen Vorteil, dass das Kolbenoberteil
und das Kolbenunterteil aus verschiedenen Materialien bestehen können. Das
Kolbenoberteil ist in der Regel aus einem besonders verschleißfesten,
insbesondere wärmebeständigen, aber relativ schweren
Material hergestellt, während das Kolbenunterteil in der
Regel zur Gewichtseinsparung aus einem weniger verschleißfesten Leichtmetallwerkstoff
hergestellt ist.
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In
der Regel sind das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil durch
Verschrauben miteinander verbunden, wie es bspw. in der
EP 1 483 493 B1 offenbart
ist. Durch die Vorspannung der Schraubverbindung wird sichergestellt,
dass auch unter der hohen Belastung des Kolbens im Betrieb (Temperatur, Zünddruck
und Massenkraft) Kolbenoberteil und Kolbenunterteil fest aneinander
anliegen. Problematisch ist hierbei, dass durch die Belastung der
Gewindebohrung die Schraubverbindung destabilisiert werden kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen derartigen
Kolben bereitzustellen, bei dem das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil unter
der Betriebsbelastung zuverlässig fest miteinander verbunden
sind.
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Die
Lösung besteht in einem Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass das Kolbenoberteil auf seiner dem Kolbenunterteil
zugewandten Seite eine Halteeinrichtung aufweist, die in eine im
Kolbenunterteil vorgesehene Aufnahme eingreift und mittels eines
Federelements in der Aufnahme gehalten ist.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung zeichnet sich dadurch
aus, dass die Verbindung von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil über
ein Federelement die erforderliche Vorspannung aufweist, so dass
das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil fest aneinander liegen.
Die gewünschte Vorspannung wird im Wesentlichen durch das
Federelement erzielt, welches das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil
gegeneinander zieht und fest miteinander verpresst. Im Betrieb wird
das Kolbenoberteil regelmäßig elastisch deformiert.
Damit unterliegt auch die Federverbindung aus Halteeinrichtung,
Aufnahme und Federelement einer elastischen Deformation. So wird zuverlässig
eine zu wenig feste Verbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil
oder gar ein Abheben des Kolbenoberteils im Betrieb vermieden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorzugsweise
ist die Halteeinrichtung als zylinderförmiger Körper
ausgebildet oder aus mindestens zwei teilzylinderförmigen
Abschnitten gebildet, so dass ein mit dieser Halteeinrichtung versehenes Kolbenoberteil
besonders einfach herzustellen ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Federelement
an seiner Außenfläche mindestens ein Verriegelungselement
aufweist, das in ein in der Aufnahme ausgebildetes korrespondierendes
Gegenelement eingreift. Auf diese Weise wird die Federverbindung
zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil in axialer Richtung
besonders zuverlässig fixiert. Die axiale Fixierung der
Federverbindung kann auf besonders einfache Weise dadurch weiter
verbessert werden, dass das Federelement mittels einer radial ausgerichteten
Auflageschulter gehalten ist.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausgestaltung, wonach sich das Federelement an
seiner dem Kolbenunterteil zugewandten Seite auf der Auflageschulter
an seiner dem Kolbenoberteil zugewandten Seite auf der in der Aufnahme
ausgebildeten Anlageschulter spielfrei abstützt. Dadurch
wird eine besonders feste und sichere Verbindung zwischen Kolbenoberteil
und Kolbenunterteil in axialer Richtung erzielt.
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Das
Federelement ist zweckmäßigerweise als Federring
ausgebildet. Ein solcher Federring kann besonders einfach auf der
Halteeinrichtung montiert werden. Wenn der Federring kegelstumpfförmig
ausgebildet ist, ist der größere Durchmesser des
Federelements dem Kolbenoberteil zugewandt. Diese Ausgestaltung
lässt sich besonders einfach herstellen.
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Zweckmäßigerweise
weist die Halteeinrichtung zur Aufnahme des Federelements eine umlaufende
Ausnehmung mit einer oberen, schräg in Richtung des Kolbenbodens
verlaufenden Freifläche auf. Bei der Montage von Kolbenoberteil
und Kolbenunterteil kann sich das Federelement zuverlässig
radial federnd bewegen. Die Außenfläche der Halteeinrichtung
und die Innenfläche der Aufnahme können jeweils
mindestens eine korrespondierende Führungsfläche
aufweisen, um die Montage von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil
weiter zu vereinfachen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die
radial ausgerichtete Auflageschulter an der Halteeinrichtung vorgesehen, und
die umlaufende Ausnehmung ist als umlaufende Nut ausgebildet. Diese
Art der Verbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil weist
keine weiteren für die Belastung im Betrieb anfälligen
Strukturen auf, insbesondere keine Gewindebohrung, die durch die
Belastung im Betrieb beeinträchtigt werden kann.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht
darin, dass die radial ausgerichtete Auflageschulter an einem Halteelement
ausgebildet ist, welches mit der Halteeinrichtung verbunden ist.
Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
die erforderliche Vorspannung zusätzlich über
das Halteelement erzielt, so dass das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil besonders
fest aneinander liegen. Das Halteelement ist zweckmäßigerweise
mittels eines als Stift, Gewindebolzen o. dgl. ausgebildeten Befestigungselements
lösbar oder unlösbar mit der Halteeinrichtung verbunden.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung ist dadurch gegeben, dass die Auflageschulter
Teil einer sich radial erstreckenden Bodenplatte ist, die am Halteelement
ausgebildet ist. In diesem Fall wird die gewünschte Vorspannung
zusätzlich durch die elastische Deformation der Bodenplatte
bei der Montage erzielt, wobei das Federelement mit vorgespannt wird.
Wenn die mit dem Federelement und dem Halteelement versehene Halteeinrichtung
des Kolbenoberteils in die Aufnahme des Kolbenunterteils eingesetzt
wird, werden sowohl die Bodenplatte als auch das Federelement und
ggf. der Bereich des Kolbenunterteils, auf dem die Bodenplatte aufliegt,
elastisch vorgespannt. Auf diese Weise wird eine äußerst
feste Verbindung zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil erzielt.
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Das
Befestigungselement ist zweckmäßigerweise lotrecht
auf der Bodenplatte angeordnet.
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Das
Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil weisen vorzugsweise innere
umlaufende Auflageflächen und äußere
umlaufende Auflageflächen auf. Im zusammengebauten Zustand
liegen jeweils die inneren Auflageflächen einerseits und
die äußeren Auflageflächen andererseits
aneinander. Damit kann auf besonders einfache Weise ein umlaufender
Kühlkanal gebildet werden.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer,
nicht maßstabsgetreuer Darstellung:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbens in einer Explosionsdarstellung im Schnitt;
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2 einen
vergrößerte Darstellung der Federverbindung gemäß 1;
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3 der
Kolben gemäß 1 in zusammengebautem
Zustand im Schnitt;
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4 einen
vergrößerte Darstellung der Federverbindung gemäß 3;
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5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbens in zusammengebautem Zustand im Schnitt;
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6 eine
vergrößerte Teilansicht der Federverbindung gemäß 5.
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Die 1 bis 4 zeigen
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbens 10. Der Kolben 10 setzt sich zusammen
aus einem Kolbenoberteil 11 und einem Kolbenunterteil 12.
Das Kolbenoberteil 11 weist einen Kolbenboden 13 mit
einer Brennraummulde 14 und eine Seitenwand mit einem umlaufenden
Feuersteg 15 und einer umlaufenden Ringpartie (nicht dargestellt)
auf, von der nur eine Kolbenringnut 16 dargestellt ist.
Ringnuten können sowohl im Kolbenoberteil 11 als
auch im Kolbenunterteil 12 vorgesehen sein. Das Kolbenunterteil 12 ist
aus Gründen der Vereinfachung nur schematisch angedeutet.
Kolbenschaft, Naben zur Aufnahme des Kolbenbolzens und mit dem Kolbenschaft
verbundene Nabenabstützungen sind wie üblich vorhanden und
können beliebig ausgestaltet sein. Das Kolbenoberteil 11 und
das Kolbenunterteil 12 bilden einen umlaufenden äußeren
Kühlkanal 17.
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Das
Kolbenoberteil 11 weist eine innere umlaufende Auflagefläche 21 und
eine äußere umlaufenden Auflagefläche 22 auf.
Das Kolbenunterteil 12 weist ebenfalls eine innere umlaufende
Auflagefläche 23 und eine äußere
umlaufende Auflagefläche 24 auf (vgl. 1 und 2).
Im zusammengebauten Zustand sind das Kolbenoberteil 11 und
das Kolbenunterteil 12 so zueinander ausgerichtet, dass
die innere Auflagefläche 21 des Kolbenoberteils 11 und die
innere Auflagefläche 23 des Kolbenunterteils 12 aufeinander
liegen. Ebenso liegen die äußere Auflagefläche 22 des
Kolbenoberteils 11 und die äußere Auflagefläche 24 des
Kolbenunterteils 12 aufeinander (vgl. 3 und 4).
Auf diese Weise wird der äußere umlaufende Kühlkanal 17 gebildet.
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An
der dem Kolbenunterteil 12 zugewandten Unterseite des Kolbenbodens 13 des
Kolbenoberteils 11 ist eine im Ausführungsbeispiel
zylinderförmige Halteeinrichtung 31, mittig in
der Kolbenlängsachse A vorgesehen. Die Halteeinrichtung 31 ist
im Ausführungsbeispiel zylinderrohrförmig ausgebildet
und mit der Unterseite des Kolbenbodens 13 einstückig
verbunden. Die Halteeinrichtung 31 weist an ihrer äußeren
Mantelfläche im Ausführungsbeispiel eine umlaufende
Ausnehmung 32 in Form einer Nut mit einer unteren Auflageschulter 33 und
einer oberen, schräg in Richtung des Kolbenbodens 13 verlaufenden
Freifläche 34 auf. Ferner ist eine ringförmig
umlaufende, durch die Ausnehmung 32 unterbrochene Führungsfläche 35 vorgesehen
(vgl. 1 und 2).
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Das
Federelement 40 ist im Ausführungsbeispiel als
kegelstumpfförmiger Federring ausgebildet. Das Federelement 40 ist
im Ausführungsbeispiel mit radialen Schlitzen 41 versehen.
Stattdessen kann das Federelement 40 auch als offener,
geschlitzter Ring ausgebildet sein. Das Federelement 40 weist
an seinem kleineren Durchmesser eine radiale Auflagefläche 42 und
an seinem größeren Durchmesser eine radiale Stützfläche 43 auf.
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Das
Kolbenunterteil 12 ist an seiner dem Kolbenoberteil 11 zugewandten
Oberseite mit einer mittig in der Kolbenlängsachse A angeordneten
Aufnahme 51 versehen. Die Aufnahme 51 ist mit
dem Kolbenunterteil 12 einstückig verbunden. Die
Aufnahme 51 weist an ihrer inneren Mantelfläche
im Ausführungsbeispiel eine zum Kolbenoberteil hin gerichtete Anlageschulter 52 auf.
Ferner ist eine ringförmige umlaufende, durch die Anlageschulter 52 unterbrochene
Führungsfläche 53 vorgesehen (vgl. 1 und 2).
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Zur
Montage wird das Federelement 40 auf die Halteeinrichtung 31 des
Kolbenoberteils 11 aufgeschoben, bis es in der Ausnehmung 32 einrastet und
sich mit seiner Auflagefläche 42 auf der Auflageschulter 33 der
Ausnehmung 32 abstützt. Anschließend
wird die Halteeinrichtung 31 mit dem Federelement 40 in
die Aufnahme 51 des Kolbenunterteils 12 eingesetzt.
Dabei wird das Federelement 40 so weit radial nach innen
zusammengedrückt, bis die Führungsflächen 35, 53 aneinander
liegen und schließlich die Stützfläche 43 des
Federelements 40 hinter die Anlageschulter 52 der
Aufnahme 51 schnappt. Dabei bewirkt die Freifläche 34 in
der Halteeinrichtung 31, dass das Federelement 40 ungehindert
radial nach innen zusammengedrückt werden kann.
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Im
zusammengebauten Zustand stützt sich das Federelement 40 mit
seiner Auflagefläche 42 auf der Auflageschulter 33 der
Halteeinrichtung 31 ab. Zugleich stützt sich das
Federelement 40 mit seiner Stützfläche 43 an
der Anlageschulter 52 der Aufnahme 51 ab. Auf
diese Weise wird eine spielfreie Verriegelung von Kolbenoberteil 11 und
Kolbenunterteil 12 in Richtung der Kolbenlängsachse
A erzielt (vgl. 3 und 4).
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Die 5 und 6 zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbens 110. Der Kolben 110 weist einen vergleichbaren Grundaufbau
auf wie der Kolben 10 gemäß den 1 bis 4,
so dass gleiche Strukturelemente mit denselben Bezugszeichen versehen
sind. Der Kolben 110 setzt sich insbesondere ebenfalls
aus einem Kolbenoberteil 11 und einem Kolbenunterteil 12 zusammen,
wie sie bereits für den Kolben 10 gemäß den 1 bis 4 in
ihrem grundsätzlichen Aufbau beschrieben wurden.
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An
der dem Kolbenunterteil 12 zugewandten Unterseite des Kolbenbodens 13 des
Kolbenoberteils 11 ist eine Halteeinrichtung 131 mittig
in der Kolbenlängsachse A vorgesehen. Die Halteeinrichtung 131 ist
im Ausführungsbeispiel zylinderförmig ausgebildet,
mit der Unterseite des Kolbenbodens 13 einstückig
verbunden und weist eine zentrale Bohrung auf. Die Halteeinrichtung 131 weist
an ihrer äußeren Mantelfläche im Ausführungsbeispiel
eine umlaufende Ausnehmung 132 mit einer oberen, schräg
in Richtung des Kolbenbodens 13 verlaufenden Freifläche 134 auf.
Ferner ist eine ringförmig umlaufende Führungsfläche 135 vorgesehen.
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Das
Federelement 40 ist im Ausführungsbeispiel ebenfalls
als kegelstumpfförmiger Federring ausgebildet. Das Federelement 40 ist
im Ausführungsbeispiel ebenfalls mit radialen Schlitzen
(nicht dargestellt) versehen. Stattdessen kann das Federelement 40 auch
als offener, geschlitzter Ring ausgebildet sein. Das Federelement 40 weist
an seinem kleineren Durchmesser eine radiale Auflagefläche 42 und
an seinem größeren Durchmesser eine radiale Stützfläche 43 auf.
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Ein
Halteelement 160 dient zur Befestigung des Federelements 40 an
der Halteeinrichtung 131 des Kolbenoberteils 11.
Das Halteelement 160 setzt sich zusammen aus einem Befestigungselement 161 und
einer Bodenplatte 162. Das Befestigungselement 161,
im Ausführungsbeispiel ein Stift oder eine Schraube, ist
lotrecht auf der Bodenplatte 162 angeordnet. Das Befestigungselement 161 kann
einstückig mit der Bodenplatte 162 oder als separates
Bauteil ausgebildet sein.
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Das
Kolbenunterteil 12 ist an seiner dem Kolbenoberteil 11 zugewandten
Oberseite mit einer mittig in der Kolbenlängsachse A angeordneten
Aufnahme 151 versehen.
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Die
Aufnahme 151 ist mit dem Kolbenunterteil 12 einstückig
verbunden. Die Aufnahme 151 weist an ihrer inneren Mantelfläche
im Ausführungsbeispiel eine zum Kolbenoberteil 11 hin
gerichtete Anlageschulter 152 auf. Ferner ist eine ringförmig umlaufende
Führungsfläche 153 vorgesehen.
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Zur
Montage wird das Federelement 40 auf die Halteeinrichtung 131 des
Kolbenoberteils 11 aufgeschoben. Dann wird das Befestigungselement 161 des
Halteelements 160 lösbar oder unlösbar
in der zentralen Bohrung der Halteeinrichtung 131 aufgenommen,
bspw. durch Verpressen, Verschrauben, Aufschrumpfen der zentralen
Bohrung und dergleichen. Nun erstreckt sich die Bodenplatte 162 radial zur
Kolbenlängsachse A und bildet eine umlaufende Auflageschulter 133 für
das Federelement 40. Im Ergebnis ist das Federelement 40 zwischen
der Freifläche 134 der Ausnehmung 132 und
der Auflageschulter 133 der Bodenplatte 162 an
der Halteeinrichtung 131 gehalten und stützt sich
an der Auflageschulter 133 ab. Anschließend wird
die Halteeinrichtung 131 mit dem Federelement 40 und
dem Halteelement 160 in die Aufnahme 151 des Kolbenunterteils 12 eingesetzt.
Dabei wird das Federelement 40 so weit radial nach innen
zusammengedrückt, bis die Führungsflächen 135, 153 aneinander
liegen und schließlich die Stützfläche 43 des
Federelements 40 hinter die Anlageschulter 152 der
Aufnahme 151 schnappt. Dabei bewirkt die Freifläche 134 in
der Halteeinrichtung 131, dass das Federelement 40 ungehindert
radial nach innen zusammengedrückt werden kann.
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Im
zusammengebauten Zustand stützt sich das Federelement 40 mit
seiner Auflagefläche 42 auf der Auflageschulter 133 der
Bodenplatte 162 ab. Zugleich stützt sich das Federelement 40 mit
seiner Stützfläche 43 an der Anlageschulter 152 der
Aufnahme 151 ab. Auf diese Weise wird eine spielfreie Verriegelung
von Kolbenoberteil 11 und Kolbenunterteil 12 in
Richtung der Kolbenlängsachse A erzielt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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