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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Maschinenelement mit einer Nut zur Aufnahme eines z.B. axial Kraft oder Druck beaufschlagten Dichtungsrings, speziell einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einem derartigen Kolben ausgestattete Brennkraftmaschine sowie ein Bearbeitungswerkzeug mit einer zum Anbringen einer solchen Nut geeigneten Geometrie der Schneidkante.
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Gattungsgemäße Kolben mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft sind hinlänglich bekannt, wobei am Kolbenkopf eine umlaufende Ringpartie sowie im Bereich dieser Ringpartie zumindest eine Ringnut zur Aufnahme eines Kolbenrings vorgesehen ist. Die Ringnuten besitzen dabei üblicherweise zwei in Radialrichtung des Kolbens verlaufende Nutflanken und einen parallel zu einer Kolbenachse ausgerichteten Nutgrund. Gerade diese Ringnuten stellen jedoch Schwachstellen an den bekannten Kolben dar, wobei zur Erhöhung der Festigkeit der zwischen den Ringnuten vorhandenen Ringstege prinzipiell zwei Maßnahmen in Frage kommen. Zum einen kann ein axial höherer und damit stabilerer Ringsteg ausgebildet werden, wodurch jedoch die Bauhöhe des erfindungsgemäßen Kolbens und damit sein Gewicht steigt oder die übrigen Ringstege in ihrer Höhe reduziert werden müssen. Als zweite Maßnahme kommt ein größerer Ausrundungsradius im Übergang zwischen den Nutenflanken und dem Nutgrund in Betracht, was jedoch wiederum prinzipiell zwei Probleme aufwirft: Zum einen muss der Nutgrunddurchmesser am Kolben reduziert werden, damit ein Kolbenring nicht in den Radius am Übergang drückt. Dies bewirkt ein größeres Schadvolumen hinter dem Kolbenring sowie eine gewisse Reduzierung der Ringstegfestigkeit, da der Ringsteg über eine etwas größere radiale Tiefe auskragt. Des Weiteren lässt sich bei axial niedrigen Ringnuten (z.B. 1,0 oder 1,2 mm Höhe), wie sie z.B. bei PKW-Kolben verwendet werden, kein genügend großer Radius mehr vorsehen, da zur Einhaltung der Bearbeitungsqualität an der Werkzeugschneidfläche zwischen den beiden die Nutradien erzeugenden Radien noch ein gerader Abschnitt am Nutgrund vorgesehen werden muss. Ebenfalls kann die Bearbeitungsqualität beeinträchtigt sein, wenn z.B. an der vom Gasdruck besonders stark belasteten unteren Flanke der obersten Ringnut ein größerer Ausrundungsradius ausgebildet wird als an der weniger stark belasteten oberen Nutflanke. Bei einer zerspanenden Bearbeitung können dadurch im Bereich der Ausrundungsradien Quer- bzw. Axialkräfte auftreten, die sich gegenseitig nicht aufheben und beim Schneiden der Nut ein seitliches Ausweichen des Schneidwerkzeugs hervorrufen können.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Kolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Festigkeit im Bereich einer Ringpartie des Kolbens bei niedriger Bauhöhe auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Maschinenelement, wie z.B. einem an sich bekannten Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft sowie einer im Bereich des Kolbenkopfs umlaufenden Ringpartie, eine im Bereich der Ringpartie zur Aufnahme eines Kolbenrings angeordnete Ringnut mit unterschiedlichen Radien im Übergang zwischen einem Nutgrund und einer benachbarten Nutflanke auszustatten. Jede Ringnut besitzt dabei zwei Nutflanken sowie einen Nutgrund, wobei ein Übergang von zumindest einer Nutflanke in den Nutgrund ausgerundet ist. Erfindungsgemäß weist nun der Übergang beginnend an der Nutflanke mit einem größeren Radius einen in Richtung des Nutgrunds immer kleiner werdenden Radius auf, so dass ein Übergang mit zunehmender Krümmung, ausgehend von der Nutflanke zum Nutgrund geschaffen wird. Erfindungsgemäß wird somit der Übergang zwischen Nutflanke und Nutgrund mit einer Verrundung ausgeführt, deren Krümmung von der Nutflanke zum Nutgrund hinzunimmt, entweder beispielsweise in einem kontinuierlichen Radienverlauf (idealerweise entsprechend einer Klothoide oder einer logarithmischen Spirale) oder vereinfacht durch die Kombination von zumindest zwei unterschiedlichen Radien, nämlich einem ersten Radius an der Nutflanke übergehend in einen zweiten, kleineren Radius am Nutgrund. Hierdurch wird in demjenigen Übergangsbereich, in dem am Ringstegradius die höchste Biegespannung wirkt, ein vergleichsweise großer Radius und damit eine reduzierte Kerbwirkung und somit eine erhöhte Belastbarkeit erzielt, ohne dass der Nutgrunddurchmesser an sich geändert werden müsste und ohne dass eine ein Messer eines Schneidwerkzeugs aus der Schneidebene drückende Kraftkomponente entsteht. Dabei ist denkbar, dass das Schneidwerkzeug einseitig oder aber auch beidseitig mit der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Geometrie ausgeführt wird, wobei diese erfindungsgemäße Geometrie bevorzugt für die dem Feuersteg benachbarte Ringnut vorgesehen ist, jedoch auch bei anderen Ringnuten eingesetzt werden kann.
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Mit der erfindungsgemäß ausgestalteten Ringnut ist es durch den größeren Radius in dem radial äußeren, an die Nutflanke angrenzenden Teil des Übergangs möglich, die Belastbarkeit des Ringsteges und damit auch des Kolbens deutlich zu steigern, ohne dass der Ringsteg dicker und damit der Kolben schwerer ausgeführt werden müsste. Durch den kleineren Radius am Nutgrund kann der gesamte Übergang bei gleichem radialen Platzbedarf sogar in Axialrichtung kleiner ausgeführt sein als mit einem einfachen Radius. Ein verringerter axialer Platzbedarf des Übergangs kann vorteilhafterweise z.B. dazu genutzt werden, den geraden Abschnitt am Nutgrund im Interesse der Bearbeitungsqualität zu vergrößern oder einen axial niedrigeren Kolbenring zu verwenden, um die Bauhöhe des Kolbens insgesamt zu verringern oder um im Interesse der Stabilität Ringstege axial zu vergrößern.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist der Übergang zumindest zwei unterschiedliche Radien auf, nämlich einen ersten Radius an der Nutflanke übergehend in einen zweiten Radius am Nutgrund, wobei der erste Radius größer ist als der zweite Radius und insbesondere in einem Verhältnis von ca. 5,2 zu 1 steht. Bei einem derartigen "idealen" Radienverhältnis muss die Nuttiefe bzw. eine radiale Ringdicke nicht geändert werden, wobei jedoch eine Kerbwirkung gegenüber einer Ausführungsform mit einem einfachen Radius stark reduziert und damit die Belastbarkeit des Ringstegs entsprechend erhöht werden kann, ohne dass hierfür der Nutgrunddurchmesser verändert werden müsste und ohne dass sich der zur Führung des Werkzeugs nötige zylindrische Bereich am Nutgrund verkleinert. Hierdurch lässt sich insbesondere auch eine stabile Führung eines Schneidwerkzeugs zum Herstellen der Ringnuten gewährleisten sowie ein unbeabsichtigtes Ausweichen des Schneidwerkzeugs von einer gewünschten Bearbeitungsebene zuverlässig verhindern. Zusätzlich ist das durch den Raum zwischen Nutgrund und innerem Durchmesser des Kolbenrings gebildete Schadvolumen minimal.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der Übergang von zumindest einer Nutflanke in den Nutgrund in der Art einer logarithmischen Spirale ausgebildet. Eine logarithmische Spirale ist eine Spirale, die mit jeder Umdrehung den Abstand von ihrem Mittelpunkt, also dem Pol, um den gleichen Faktor vergrößert bzw. verkleinert. Jede Gerade durch den Pol schneidet die logarithmische Spirale stets unter demselben Winkel, weshalb man auch von einer gleichwinkligen Spirale spricht. Alternativ hierzu kann der Übergang auch in der Art einer Klothoide ausgebildet sein, wobei die Klothoide eine spezielle ebene Kurve darstellt, deren Krümmungsverlauf linear zunimmt und daher insbesondere im Straßenbau eingesetzt wird. Sowohl die logarithmische Spirale als auch die Klothoide weisen dabei im Bereich der Nutflanke einen größeren und im Bereich des Nutgrunds einen kleineren Radius und damit eine stärkere Krümmung auf.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung schließen von der Nutflanke über den ersten und den zweiten Radius bzw. den Abschnitt mit der kontinuierlich zunehmenden Krümmung bis zum Nutgrund die benachbarten Flächenbereiche jeweils tangentenstetig bzw. knickfrei aneinander an, wodurch Spannungskonzentrationen im Bereich der Grenzen zwischen den einzelnen Flächenbereichen vermieden werden.
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In einer Ausführungsform weist nur der untere, das heißt der dem Kolbenboden abgewandte Nutgrundradius, zwei unterschiedliche Radien bzw. eine zunehmende Krümmung beginnend von der Nutflanke hin zum Nutgrund auf. Selbstverständlich kann auch der obere Übergang derart ausgerundet ausgebildet sein, wobei jedoch die Ausbildung am unteren Übergang für die Festigkeit des Ringstegs besonders wichtig ist, da sich der Kolbenring hier unter der Wirkung des Verbrennungsdrucks abstützt.
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Der obere Übergang kann dagegen auch in der bekannten Weise mit einem einfachen Ausrundungsradius zwischen Nutflanke und Nutgrund versehen sein. Dieser Ausrundungsradius kann zwischen den Werten der in dem unteren Übergang auftretenden Krümmungsradien liegen, gleich einem der dort auftreten Radien, vorzugsweise gleich dem am Nutgrund vorhandenen kleineren Krümmungsradius sein oder einen noch kleineren Wert aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird er so gewählt, dass der Radiusbeginn an der Nutflanke an derselben radialen Position liegt wie an der gegenüberliegenden, mit dem erfindungsgemäßen Krümmungsverlauf ausgestalteten Nutflanke. Dies bewirkt einen weitgehenden Ausgleich der beim Schneiden der Nut z.B. durch Drehen an den Nutflanken auf das Schneidwerkzeug einwirkenden Axialkräfte und verhindert ein seitliches bzw. axiales Ausweichen des Werkzeugs.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung erstrecken sich die Nutflanken rechtwinklig zur Kolbenachse, während ein gerader Abschnitt am Nutgrund einer Zylinderfläche um die Kolbenachse entspricht. Die Nutflanken und der Nutgrund können aber auch unter anderen Winkeln zur Kolbenachse ausgerichtet und dementsprechend kegelstumpfförmige Flächen aufweisen. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Ausrundung auch bei Nuten anwendbar, bei denen die Nutflanken und der Nutgrund keinen rechten Winkel einschließen, wie es z.B. bei Nuten zur Aufnahme von Trapezringen der Fall ist.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens,
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2 eine Detaildarstellung eines Übergangs zwischen einer Nutflanke und einem Nutgrund einer Ringnut sowie eines zum Anbringen der Nut geeigneten Schneidwerkzeugs,
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3 eine Darstellung wie in 2, jedoch mit einem Übergang in der Art einer Klothoide,
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4 eine Darstellung wie in 2, jedoch mit einem Übergang in der Art einer logarithmischen Spirale.
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Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 für eine nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine einen Kolbenkopf 2 und einen Kolbenschaft 3 auf, wobei der Kolbenkopf 2 eine umlaufende Ringpartie 4 sowie im Bereich dieser Ringpartie 4 zumindest eine Ringnut 5 zur Aufnahme eines Kolbenringes 6 besitzt. Die Ringnut 5 weist dabei in bekannter Weise zwei Nutflanken 7 und 7' sowie einen Nutgrund 8 auf, der die beiden Nutflanken 7 und 7' miteinander verbindet. Erfindungsgemäß ist nun ein Übergang 9 von zumindest einer Nutflanke 7, 7' in den Nutgrund 8 ausgerundet, wobei eine Krümmung dieses Übergangs 9 ausgehend von der Nutflanke 7, 7' hin zum Nutgrund 8 zunimmt. Hierdurch ergibt sich im Bereich des Übergangs 9, in dem an einem Ringsteg 10 unter Wirkung des Verbrennungsdrucks die höchste Biegespannung entsteht, ein großer Radius, wodurch eine erhöhte Belastbarkeit erzielt werden kann, ohne dass ein Nutgrunddurchmesser prinzipiell geändert werden müsste, und ohne dass eine auf ein Schneidwerkzeug 11 (vgl. 2) zum Einschneiden der Ringnuten 5 aus der Schneidebene drückende Kraftkomponente entsteht. Der erfindungsgemäß ausgebildete Übergang 9 ist dabei vorzugsweise an einem unteren Übergang 9, das heißt auf einer dem Kolbenboden 2 abgewandten Seite mit zunehmender Krümmung ausgebildet, wobei selbstverständlich auch beide Übergänge 9, das heißt sowohl der Übergang zwischen der Nutflanke 7 und dem Nutgrund 8 als auch der Übergang 9 zwischen der Nutflanke 7' und dem Nutgrund 8 mit zunehmender Krümmung ausgebildet sein kann. Es wird zwar üblicherweise von einem Kolben 1 gesprochen, es ist jedoch klar, dass die erfindungsgemäß ausgestaltete Ringnut 5 auch an anderen Bauelementen Anwendung finden kann. Hierfür kommen insbesondere Wellen, Achsen oder eben Kolben 1 mit mindestens einer umlaufenden Ringnut 5 zur Aufnahme eines Dichtrings in Betracht, die zwei Nutflanken 7, 7‘ und einen Nutgrund 8 besitzt, Dabei ist zumindest ein Übergang 9 von einer der Nutflanken 7, 7' in den Nutgrund 8 ausgerundet und eine Krümmung des Übergangs 9 nimmt ausgehend von der Nutflanke 7, 7' hin zum Nutgrund 8 zu.
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Die zunehmende Krümmung im Bereich des Übergangs 9 lässt sich auf unterschiedliche Weise realisieren:
Prinzipiell kann vorgesehen sein, dass der Übergang 9 zumindest zwei unterschiedliche Radien R1 und R2 aufweist, nämlich einen ersten Radius R1 an der Nutflanke 7 übergehend in einen zweiten Radius R2 am Nutgrund 8, wobei der erste Radius R1 größer ist als der zweite Radius R2. In 2 wird dabei mit R0 und einem unterbrochen gezeichneten Übergang 9 die bisherige Gestaltung des Übergangs mit einem konstanten Verrundungsradius dargestellt.
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Vorzugsweise weisen dabei der erste Radius R1 und der zweite Radius R2 ein Verhältnis von ca. 2:1 bis 8:1, bevorzugt sogar von ca. 5,2:1 auf. Ein derartiges Verhältnis der beiden Radien R1 und R2 ist gemäß der 2 dargestellt, wobei der erste Radius R1 = 1,6 mm und der zweite Radius R2 = 0,308 mm beträgt. Bei einem Verhältnis von 5,2:1 muss die Nuttiefe nicht geändert werden, wobei jedoch die Kerbwirkung gegenüber der Ausführung mit bisherigem Radius R0 stark reduziert und dadurch die Belastbarkeit des Ringsteges 10 deutlich erhöht werden kann, ohne dass der Nutgrunddurchmesser verändert werden muss und ohne dass der zylindrische Bereich 12 am Nutgrund 8 verändert werden müsste, wodurch eine stabile Führung des Schneidwerkzeugs 11 gewährleistet und ein Ausweichen desselben von der gewünschten Bearbeitungsebene zuverlässig verhindert werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Übergangs 9 mit zunehmender Krümmung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Übergang 9 von zumindest einer Nutflanke 7, 7' in den Nutgrund 8 in der Art einer logarithmischen Spirale LS (vgl. 4) oder in der Art einer Klothoide K (vgl. 3) ausgebildet ist. Bei der logarithmischen Spirale LS vergrößert sich mit jeder Umdrehung ein Abstand von ihrem Mittelpunkt, dem Pol, um den gleichen Faktor. In umgekehrter Drehrichtung schlingt sich die logarithmische Spirale LS mit abnehmendem Radius immer enger um den Pol, wobei jede Gerade durch den Pol die logarithmische Spirale LS stets unter dem gleichen Winkel schneidet. Bei der Klothoide K hingegen nimmt der Krümmungsverlauf linear zu. Beiden Ausführungsformen ist damit die in Richtung des Nutgrunds 8 zunehmende Krümmung gemein.
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Generell kann die so bearbeitete Ringnut 5 benachbart zu einem Feuersteg 13 des Kolbens 1 angeordnet sein, wobei selbstverständlich auch sämtliche andere Ringnuten 5 in der gleichen Weise bearbeitet sein können. Im Bereich der Ringpartie 4 kann darüber hinaus ein Kühlkanal 14 zur Kühlung des Kolbens 1 angeordnet sein, wobei der Kolben 1 an sich beispielsweise als Leichtmetallkolben, insbesondere als Aluminiumkolben, ausgebildet sein kann. Die erfindungsgemäße Ringnut 5 kann dabei im Grundwerkstoff des Kolbens 1 oder in einem daran angebrachten, z.B. eingegossenen Ringträger aus einem anderen belastbareren Material ausgebildet sein. Die Erfindung ist auch bei Kolben 1 aus anderen Werkstoffen, wie z.B. Stahlkolben anwendbar. Der Abstand der beiden Nutflanken 7 und 7' kann konstant sein oder aber sich zum Nutgrund 8 hin kontinuierlich verringern.
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Mit dem erfindungsgemäß ausgestalteten Übergang 9 ist nicht nur eine erhöhte Belastbarkeit des Kolbens 1 insbesondere an dessen Ringstegen 10, 10‘, 10‘‘ erreichbar, sondern es ist insbesondere auch möglich, den zylindrischen Bereich 12 am Nutgrund 8 vergleichsweise breit auszubilden, das heißt deutlich breiter als bei herkömmlich ausgerundeten Übergängen, so dass prinzipiell auch ein Schneidwerkzeug 11, wie z.B. ein Drehmeißel, eingesetzt werden kann, welches lediglich einen Übergang 9 je Ringnut 5 erfindungsgemäß schneidet, ohne dass hierbei befürchtet werden muss, dass das Schneidmesser 11 aus seiner Schneidebene läuft. Selbstverständlich ist auch ein Schneidwerkzeug 11 einsetzbar, welches gleichzeitig beide Übergänge 9 mit gespiegeltem erfindungsgemäßen Krümmungsverlauf erzeugt.
