DE102013215538A1

DE102013215538A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102013215538A1
Application number: DE102013215538.7A
Authority: DE
Inventors: Kay Fröde; Marian Meinhard
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: KR102186278B1; JP2016532047A; DE102013215538B4; CN105452639B; JP6363710B2; US20160177866A1; CN105452639A; BR112016002455A2; WO2015018712A1; MX2016000534A; US9945320B2; KR20160034929A; EP3030773A1

Abstract

Ein Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor weist zur Abstützung eines Kolbenbolzens diskrete, zylindrische Abstützflächen (18, 24) auf, wobei zwischen zumindest zwei Abstützflächen (18, 24) eine Aussparung (26) vorgesehen ist, die eine radiale Tiefe von mindestens 10% des halben Abstands zweier gegenüberliegender Abstützflächen aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
In Verbrennungsmotoren dienen Kolben dazu, jeweils nach der Zündung des Kraftstoffgemischs translatorisch bewegt zu werden und über einen Kolbenbolzen und ein Pleuel kinetische Energie auf die Kurbelwelle zu übertragen. Die Kolben weisen zur Erfüllung der an sie gestellten Anforderungen in einem dem Brennraum naheliegenden Bereich ein Ringfeld auf. Zur Aufnahme des Kolbenbolzens sind Bolzennaben vorgesehen, und in der Ebene senkrecht hierzu sind üblicherweise Schaftwände vorhanden, die der seitlichen Abstützung dienen. Die Verbindung der genannten Funktionsbereiche, nämlich Ringfeld, Bolzennaben und Schaftwände erfolgt üblicherweise durch sogenannte Verbindungs- oder Seitenwände, die sich zwischen den Schaftwänden erstrecken, jeweils eine Bolzennabe aufnehmen und zusätzlich der Abstützung des Ringfeldes dienen.
Auf diesem technischen Gebiet ist es stets erstrebenswert, die Kompressionshöhe, d.h. den Abstand zwischen dem zu dem Brennraum gerichteten Ende des Ringfeldes und der Kolbenbolzenmitte zu reduzieren, da hierdurch Gewicht eingespart werden kann. Dies steht jedoch in Zielkonflikt mit dem Erfordernis, den Anforderungen im Hinblick auf die Kolbensteifigkeit gerecht zu werden.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind verschiedene Kolbengestaltungen bekannt, bei denen durch unterschiedlichste Maßnahmen Versuche unternommen wurden, die Kompressionshöhe und das Gewicht gering zu halten. Beim Kolben gemäß der DE 10 2009 032 861 A1 erfolgt dies beispielsweise durch großflächige "Fenster" in den Verbindungswänden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der im Hinblick auf die Kompressionshöhe und/oder das Gewicht weiter verbessert ist, wobei gleichzeitig die Anforderungen an die Kolbensteifigkeit erfüllt werden müssen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben.
Demzufolge weist dieser anstelle der üblichen, im Wesentlichen zylindrischen Bolzennaben diskrete Abstützflächen auf, die im Wesentlichen Abschnitten von Zylinderinnenflächen entsprechen. Zwischen zumindest zwei derartigen Abstützflächen ist eine Aussparung vorgesehen, die eine (radiale) Tiefe von mindestens 10% des halben Abstands zweier gegenüberliegender Abstützflächen aufweist. Der halbe Abstand zweier gegenüberliegender Abstützflächen bezeichnet im Wesentlichen den Radius des aufzunehmenden Kolbenbolzens, und die in Radialrichtung des Kolbenbolzens gemessene Tiefe der Aussparung beträgt somit bei üblichen Kolbenbolzenabmessungen eine Größenordnung von Millimetern. Hierdurch entstehen mit anderen Worten deutliche und großflächige Fenster an Stellen, an denen bislang Abschnitte der Bolzennabe vorgesehen waren. Insbesondere hat sich bei ersten Berechnungen herausgestellt, dass es ausreicht, wenn der Kolbenbolzen, in Richtung der Kolbenachse betrachtet, in einem oberen, also dem Ringfeld nahegelegenen Bereich, und einem unteren, dem Ringfeld gegenüberliegenden Bereich, abgestützt ist. Gewissermaßen seitlich davon und insbesondere in der unteren Hälfte können die beschriebenen "Fenster" ausgebildet werden, und es kann umfangreich Gewicht eingespart werden. Mittels finiter Elemente wurden die Spannungsamplituden für den erfindungsgemäßen Kolben ermittelt und mit einem bislang üblichen Kolbendesign verglichen. Es hat sich hierbei ergeben, dass die Spannungsamplituden am Muldenrand in der Bolzenebene nahezu 20% geringer sind, und am Muldenrand in der Ebene senkrecht hierzu sowie am Muldengrund in der Bolzenebene ebenfalls in der Größenordnung von 5% bis 10% geringer sind.
Ferner kann eine Sicherungsnut für einen Ring zur Sicherung des Kolbenbolzens nur in den Bereichen der beschriebenen Abstützflächen ausgebildet sein, und es konnte gefunden werden, dass hierdurch eine ausreichende Sicherung des Kolbenbolzens gewährleistet wird.
Zu dem erfindungsgemäßen Kolben sei erwähnt, dass dieser weiterhin mit einem Kühlkanal versehen sein kann, und dass in diesem Fall als Herstellungsverfahren Gießen bevorzugt wird. Es sei ergänzend erwähnt, dass die beschriebenen Strukturen, also die Streben, die Rippen und/oder der Ring, beispielsweise durch geeignete Entformungsschrägen, so gestaltet werden können, dass die Entformung im Fall der Fertigung in geeigneten Gießwerkzeugen gewährleistet werden kann. Es ist jedoch ebenso eine Herstellung durch Schmieden denkbar, wobei in diesem Fall als Werkstoff Stahl bevorzugt wird. Es ist jedoch unabhängig vom Herstellungsverfahren auch als Werkstoff für den erfindungsgemäßen Kolben Aluminium oder eine Aluminiumlegierung denkbar. Die Schaftwände können im Bereich ihrer Anbindung an das Ringfeld breiter sein als in ihrem übrigen "unteren" Bereich. In bestimmten Anwendungsfällen können die Schaftwände jedoch auch entgegengesetzt ausgebildet sein, d.h. sie können in ihrem übrigen Verlauf breiter sein als im Bereich ihrer Anbindung an das Ringfeld. Insbesondere kann die Größe der Schaftwände auf die zu übertragenden Seitenkräfte eingestellt werden.
Zu der Tiefe der erfindungsgemäßen Aussparung(en) sei erwähnt, dass sie bis zu 50% des Kolbenbolzenradius betragen kann. Allgemein beruht der erfindungsgemäße Kolben auf dem Grundgedanken, den Kraftfluss und die erforderliche Festigkeit ohne die bislang üblichen Seitenwände zu realisieren, und dadurch Gewicht einzusparen, und die Kompressionshöhe zu verringern.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Für eine näher zu einem Ringfeld gelegene Abstützfläche wird derzeit bevorzugt, dass sie in Umfangsrichtung des Kolbenbolzens einen größeren Winkel, insbesondere 120° bis 180°, bevorzugt 150° bis 170° abdeckt als eine gegenüberliegende Abstützfläche, für die derzeit ein Winkel von lediglich etwa 40° bis 90°, bevorzugt etwa 60° vorgesehen wird.
Ferner wird für die näher zu dem Ringfeld gelegene Abstützfläche bevorzugt, dass sie in Richtung der Kolbenachse erweitert ist, um so lediglich ein minimales Spiel für das Pleuel und dessen Bewegung zuzulassen.
Zur weiteren Gewichtseinsparung bietet es Vorteile, wenn die erfindungsgemäße Aussparung an der dem aufzunehmenden Kolbenbolzen gegenüberliegenden Seite durch eine Strebe begrenzt ist, an deren anderer, also zu der Schaftwand gerichteten Seite ebenfalls eine Aussparung vorhanden ist. Mit anderen Worten werden die bislang üblichen Seitenwände durch zwei typischerweise symmetrische Streben ersetzt, die zu beiden Seiten umfangreiche Aussparungen aufweisen, so dass die bislang üblichen Seitenwände nicht mehr vorhanden sind und deren Gewicht eingespart werden kann. Bei ersten Berechnungen konnte festgestellt werden, dass auch durch die beschriebenen Streben die notwendige Steifigkeit gewährleistet werden kann.
Im Hinblick auf die Gestaltung der Streben hat es sich ferner als günstig erwiesen, diese in einem von dem Ringfeld entfernten Bereich schmaler auszubilden als in einem zu dem Ringfeld nahen Bereich.
Ferner bietet es für die Festigkeit Vorteile, wenn die Streben in Richtung zu dem Ringfeld konvergierend ausgebildet sind. Mit anderen Worten sind die typischerweise auf jeder Seite vorhandenen zwei Streben, bei Betrachtung in Richtung der Kolbenbolzenachse, in Richtung des Ringfeldes zueinander geneigt. Hierdurch ist eine besonders gute Abstützung des Ringfeldes gewährleistet, in dessen Innerem der Brennraum begrenzt wird und insbesondere eine Brennraummulde ausgebildet sein kann.
Zur weiterhin vorgesehenen Verbindung der eingangs beschriebenen Funktionsbereiche wird derzeit ein vorzugsweise ovaler Ring vorgesehen, der an dem dem Ringfeld entgegengesetzten Ende des Kolbens ausgebildet ist, und die Schaftwände, eine von dem Ringfeld entfernt liegende Abstützfläche und gegebenenfalls die beschriebenen Streben miteinander verbindet. Der Ring ist hierbei bevorzugt möglichst eng ausgebildet, insbesondere oval, da hierdurch weiteres Gewicht eingespart werden kann, und das notwendige minimale Spiel für das Pleuel und dessen Bewegung weiterhin gewährleistet werden kann.
Für die Gewährleistung der Festigkeit der Streben wird derzeit bevorzugt, dass diese an dem Übergang zu dem Ringfeld und/oder zu dem Ring Verstärkungsrippen aufweisen. Durch diese Rippen werden ferner Spannungen an den beschriebenen Übergängen reduziert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird eine beispielhaft in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Kolbens in Richtung der Kolbenbolzenachse betrachtet;
2 eine Seitenansicht in einer hierzu senkrechten Richtung; und
3 eine Unteransicht des erfindungsgemäßen Kolbens. Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
Wie in 1 zu erkennen ist, weist der erfindungsgemäße Kolben 10 in seinem in der Darstellung von 1 oberen, zu einem Brennraum gerichteten Bereich ein Ringfeld 12 sowie zur seitlichen Abstützung die besser in 2 zu erkennenden Schaftwände 14 auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Schaftwände 14 lediglich über einen im unteren Bereich des Kolbens vorgesehenen Ring miteinander verbunden, der zusätzlich eine erste Abstützfläche 18 für den (nicht gezeigten) Kolbenbolzen trägt. Die zwischen den Schaftwänden 14 herkömmlich vorgesehenen Verbindungswände sind nicht vorhanden. Vielmehr wird durch erste Aussparungen 20, jeweils zwischen den Schaftwänden 14 und schräg in Richtung des Ringfeldes 12 zueinander verlaufenden Streben 22 umfangreich Gewicht eingespart.
Die Abstützung des nicht gezeigten Kolbenbolzens erfolgt bei der gezeigten Ausführungsform in einem unteren Bereich über die erste Abstützfläche 18, die bei der gezeigten Ausführungsform lediglich einen Winkel von etwa 60° abdeckt. Gegenüberliegend, also dem Ringfeld näher ist eine zweite Abstützfläche 24 vorgesehen, die bei der gezeigten Ausführungsform einen größeren Winkel, beispielsweise etwa 170° abdeckt. Zwischen diesen beiden Abstützflächen sind weitere Aussparungen 26 vorgesehen, die bei der gezeigten Ausführungsform eine (in radialer Richtung des Kolbenbolzens gemessene) Tiefe von etwa 40% des Kolbenbolzenradius aufweisen. Die großflächige Ausbildung der Aussparungen 26 äußert sich auch darin, dass die Abstützflächen 18 und 24 jeweils durch Kanten oder Knickstellen von den Aussparungen 26 abgesetzt sind. Hierdurch kann weiter umfangreich Gewicht eingespart werden, und durch die Abstützflächen 18, 24 ist dennoch die notwendige Abstützung und "Umschlingung" des Kolbenbolzens gewährleistet. Dies gilt in gleicher Weise für die seitliche Abstützung durch die Schaftwände 14 und die Abstützung des Ringfeldes 12 und einer hierin bevorzugt ausgebildeten Brennraummulde 28 (vgl. 2). Die Verbindung der beschriebenen Funktionsbereiche erfolgt in vorteilhafter Weise durch den am unteren Rand vorgesehenen Ring 16. In 1 sind ergänzend Rippen 30 zu erkennen, die an den Übergängen zwischen den Streben 22 und dem Ringfeld 12 bzw. dem Ring 16 für ergänzende Abstützung und die Vermeidung von Spannungsspitzen sorgen.
In 2 ist zu erkennen, dass der erfindungsgemäße Kolben einen Kühlkanal 32 aufweisen kann, und dass eine Sicherungsnut 34 für einen Sicherungsring jeweils im Bereich der Abstützflächen 18, 24 vorgesehen sein kann. Für den unteren Ring 16 ist in 2 und besonders gut in 3 zu erkennen, dass er weitgehend oval ist und möglichst eng um den Bereich gefasst ist, in dem sich im montierten Zustand ein Pleuel befindet. Für die Streben 22 ist unter Bezugnahme auf 2 zu ergänzen, dass sie in einem unteren Bereich, d.h. im Wesentlichen unterhalb einer Kolbenbolzenachse, schmäler gestaltet sein können als in 2 gezeigt. In 2 ist ergänzend zu erkennen, dass die Streben 22 eine deutliche Erstreckung in Richtung der Kolbenbolzenachse aufweisen, und dass die Verstärkungsrippen 30 in Zonen vorgesehen sind, die vergleichsweise nahe an der Kolbenachse liegen. Für die Schaftwände 14 ist in 2 zu erkennen, dass sie im Bereich der Anbindung an das Ringfeld 12 breiter sind als in ihrem unteren Bereich. Diese Gestaltung kann jedoch in bestimmten Anwendungsfällen auch umgekehrt oder mit gleichbleibender Breite ausgeführt sein.
In 3 ist ergänzend der Ring dargestellt, der als oval beschrieben wurde. Die ovale Form ist insbesondere an der Innenseite des Rings zu erkennen. Über weite Bereiche in der Umgebung der Kolbenbolzenachse weist der Ring eine gleichbleibende Wanddicke auf. Jedoch ist diese Wanddicke in äußeren Bereichen, in denen der Ring in die Schaftwände 14 übergeht, größer. In 3 ist schließlich zu erkennen, dass die zum Ringfeld 12 benachbarte Abstützfläche 24 insbesondere in einem Scheitelbereich, also in der dem Ringfeld 12 am nächsten liegenden Zone, in Richtung der Kolbenbolzenachse (die gemäß 3 senkrecht zur Zeichenebene ist) erweitert ist. Hierdurch kann ein minimales Spiel für ein aufzunehmendes Pleuel gewährleistet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009032861 A1 [0004]

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, der zur Abstützung eines Kolbenbolzens diskrete, zylindrische Abstützflächen (18, 24) aufweist, wobei zwischen zumindest zwei Abstützflächen (18, 24) eine Aussparung (26) vorgesehen ist, die eine radiale Tiefe von mindestens 10% des halben Abstands zweier gegenüberliegender Abstützflächen aufweist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine näher zu einem Ringfeld (12) gelegene Abstützfläche (24) in Umfangsrichtung des Kolbenbolzens einen größeren Winkel, insbesondere 120° bis 180°, bevorzugt 150° bis 170° abdeckt als eine gegenüberliegende Abstützfläche (18), die bevorzugt einen Winkel von etwa 40° bis 90° und insbesondere etwa 60° aufweist.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die näher zu dem Ringfeld (12) gelegene Abstützfläche (24) in Richtung der Kolbenachse erweitert ist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (26) an der dem aufzunehmenden Kolbenbolzen gegenüberliegenden Seite durch jeweils eine Strebe (22) begrenzt sind, und dass an der der Aussparung (26) entgegengesetzten Seite der Strebe (22) jeweils eine weitere Aussparung (20) ausgebildet ist.
Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Strebe (22) in einem von dem Ringfeld (12) entfernten Bereich schmaler ausgebildet ist als in einem zu dem Ringfeld (12) nahen Bereich.
Kolben nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Streben (22) in Richtung zu dem Ringfeld (12) konvergierend ausgebildet sind.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ferner einen bevorzugt ovalen Ring (16) an dem zu dem Ringfeld (12) entgegengesetzten Ende aufweist, der Schaftwände (14), eine von dem Ringfeld (12) entfernt liegende Abstützfläche (18) und gegebenenfalls die Streben (22) miteinander verbindet.
Kolben nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Strebe (22) an dem Übergang zu dem Ringfeld und/oder zu dem Ring (16) zumindest eine Verstärkungsrippe (30) aufweist.