DE102014114785A1

DE102014114785A1 - Kolben für eine Brennkraftmaschine und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102014114785A1
Application number: DE201410114785
Authority: DE
Inventors: Robert Kühnel; Hartwig Gerson; Andreas Rehl
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2015-04-16
Also published as: CN105745426B; US20180372020A1; US20160245223A1; KR20160070818A; JP2016535191A; KR20180004290A; MX2016004545A; CN105745426A; WO2015055578A1; EP3058206A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) einer Brennkraftmaschine mit einem ein Ringfeld (12) aufweisenden Kolbenboden (11), an den sich ein eine Innenform (10) umschließender Kolbenschaft (2), mit zwei einander gegenüber liegenden, gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens (1) zurückgesetzten Kastenwänden (4) und mit zwei gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens (1) nicht zurückgesetzten Schaftwände (13) anschließt, wobei die Kastenwände (4) Naben (6) aufnehmen, wobei der Kolbenschaft (2) Schaftabstützungen (3) aufweist, die mit der Nabe (6) verbunden sind, wobei die Breite (b) der Kastenwand (4) ein Schnittpunkt zwischen der Bolzenachse (7) und der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand (4) ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für Brennkraftmaschinen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine und ein Herstellungsverfahren gemäß den Merkmalen der jeweiligen Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche.
Die DE 10 2009 059 056 A1 betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenboden, einem umlaufenden Feuersteg und einer Ringnuten aufweisenden umlaufenden Ringpartie sowie mit einem Kolbenschaft, der zwei Schaftwände und zwei gegenüber der Ringpartie zurückgesetzte, die Schaftwände verbindende Kastenwände aufweist, derart, dass im Bereich der Kastenwände jeweils eine freistehende Unterseite der Ringpartie gebildet ist, wobei die Kastenwände mit Nabenbohrungen aufweisenden Bolzennaben versehen sind. Es ist vorgesehen, dass zwischen jeder freistehenden Unterseite der Ringpartie und der ihr zugeordneten Kastenwand mindestens ein Stützelement angeordnet ist. Diese Stützelemente bilden eine in der Herstellung aufwendige schräge Abstützung des Schafts in der Nabe aus.
Die DE 10 2007 018 932 A1 betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Ringfeld aufweisenden Kolbenboden, an dem sich ein einen Kolbeninnenraum umschließender Kolbenschaft mit zwei tragenden Schaftwandabschnitten und zwei Bolzennaben anschließt. Jede eine Nabenbohrung einschließende Bolzennabe ist über eine Nabenabstützung mit einem Nabengrundkörper verbunden. Die DE 10 2007 018 932 A1 ist somit ein Beispiel für bestehende Kolbengeometrien, welche einen in Bolzenachsrichtung zurückgenommenen Schaft nach Art eines Kastenkolbens aufweisen. Bei dieser Bauform ist eine große Wandstärke und damit ein hoher Materialeinsatz erforderlich, um eine geringe Deformation durch die im Betrieb entstehenden Belastungen zu gewährleisten.
Bei diesen bekannten Kastenkolben dergestalt tritt das Problem auf, dass im Betrieb der Brennkraftmaschine durch den Gasdruck und den Zünddruck so große Kräfte auf den Kolben einwirken, dass Deformationen am Kolben auftreten können. Besonders nachteilig ist hierbei, dass das Ringfeld nur im Bereich der Schaftwände unterstützt ist, im Bereich der Kastenwände jedoch eine freistehende, überhängende Unterseite vorhanden ist. Dies hat zur Folge, dass das Ringfeld im Bereich der Kastenwände deutlich in Richtung des Kurbelgehäuses deformiert werden kann. Das Ringfeld im Bereich der Schaftwände wird dagegen infolge der steifen Konstruktion der Kastenwände und der Schaftwände nur geringfügig deformiert. Es liegt daher ein Steifigkeitssprung in dem Bereich vor, in dem die Kastenwände in die Schaftwände übergehen. Dadurch und durch das bei der Deformation des Ringfeldes im Bereich der Kastenwände auftretenden Biegemoments treten Spannungen auf, durch die der Kastenkolben übermäßig belastet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung eines Kolbens zu vereinfachen und die Masse des Kolbens bei erhöhter Stabilität zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass ein Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem ein Ringfeld aufweisenden Kolbenboden, an den sich ein eine Innenform umschließender Kolbenschaft, mit zwei einander gegenüber liegenden, gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens zurückgesetzten Kastenwänden und mit zwei gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens nicht zurückgesetzten Schaftwände anschließt, wobei die Kastenwände Naben aufnehmen, wobei der Kolbenschaft Schaftabstützungen aufweist, die mit der Nabe verbunden sind, wobei die Breite der Kastenwand ein Schnittpunkt zwischen der Bolzenachse und der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand ist.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass durch das Vorsehen der Breite der Kastenwand als Schnittpunkt zwischen der Bolzenachse und der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand Material und damit Kolbenmasse, eingespart werden kann. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Kastenwände kann die Materialstärke der Kastenwände sowie der Schaftwände gegenüber bisher bekannten Kolben dieser Bauform bei gesteigerter Stabilität verringert werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaftabstützung eine konkave Form, in Bezug auf die durch eine Kolbenhubachse und senkrecht zur Bolzenachse stehende Ebene, aufweist.
Durch die konkave Formgebung der Schaftwandabstützung wird eine höhere Stabilität erzielt. Der gesamte Kolben, insbesondere im Bereich eines überkragenden Ringfeldes, wird somit formstabiler.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Richtung der Schaftabstützung durch die Schnittpunkte a2i, a3i, a2a, a3a beschrieben wird, wobei die Punkte a2i, a2a die Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand mit dem auf Höhe der Bolzenachse befindlichen äußeren Nabenradius r ist und die Punkte a3i, a3a die Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand und der tangentenstetigen Weiterführung einer Innenform ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass folgende geometrischen Eigenschaften gelten:
Das Verhältnis von a2i zu a3i beträgt 1,05 bis 1,5 (a2i/a3i = 1,05 bis 1,5) und
das Verhältnis von a2a zu a3a beträgt 1,05 bis 1,5 (a2a/a3a = 1,05 bis 1,5).
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaftabstützung für die Druck- und Gegendruckseite identisch auszuführen ist oder für die jeweilige Seite des Kolbens in den Verhältnissen a2i/a3i und a2a/a3a variiert wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Breite b der Kastenwand wie folgt definiert ist: b = ((a1 + A))/2 ± 15% d_k
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen, wobei der Kolben im Gieß- oder Schmiedeverfahren hergestellt wird.
Erfindungsgemäß wird der Kolben im Gieß- oder Schmiedeverfahren hergestellt. Die erfindungsgemäße Formgebung des Kolbens ermöglicht eine vereinfachte Herstellung im Gieß- oder Schmiedeverfahren.
Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß ein Kolben für eine Brennkraftmaschine vorgesehen, welcher einen Kolbenschaft mit Naben zur Aufnahme des den Kolben mit dem Pleuel verbindenden Kolbenbolzens sowie Schaftabstützungen, die mit der Nabe verbunden sind, aufweist.
Aufgabe ist es, eine struktur-, gewichts- und reibungsoptimierte Gestaltung der Kolbenschaftabstützung an die Kolbennabe zu erreichen. Hierbei weist die Schaftabstützung eine konkave Form in Bezug, auf die durch die Kolbenhubachse und senkrecht zur Bolzenachse stehenden Ebene auf.
Die Schaftabstützung ist für die Druck- und Gegendruckseite identisch auszuführen oder kann für die jeweilige Kolbenseite variiert werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgend beschriebenen Figur weiter verdeutlicht.
1: zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben.
Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben 1. Dieser Kolben 1 weist einen Kolbenschaft 2 mit einer Schaftabstützung 3 auf. Bei dem Kolben 1 sind zwei einander gegenüber liegende Wände des Kolbenschaftes 2 gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens 1 zurückgesetzt, vorgesehen. Die zurückgesetzten Wände werden als Kastenwände 4 bezeichnet, die beiden anderen nicht zurückgesetzten Wände werden als Schaftwände 13 bezeichnet und weisen die eigentliche Lauffläche des Kolbenschaftes 2 auf. In die Kastenwände 4 sind Naben 6 mit Nabenbohrungen integriert. Die Kastenwände 4 und die Schaftwände 13 sind mit der Unterseite eines Kolbenbodens 11 verbunden.
Die Kastenwand 4 weist eine Breite b, einen Durchmesser d sowie eine Wandstärke s auf. Weiterhin weist der Kolben 1 einen Kastenwandbogen 5 auf. Zudem werden die Naben 6 von einer Bolzenachse 7 durchtreten. Die Schaftabstützung 3 weist eine konkave Form in Bezug auf die durch eine Kolbenhubachse 8 und senkrecht zur Bolzenachse 7 stehenden Ebene auf. Mit r ist der äußere Nabenradius bezeichnet. A beschreibt den axialen Abstand in Bolzenrichtung der Sicherungsringnut 9 und a1 beschreibt den axialen Abstand des Beginns der tragenden Länge in Richtung der Bolzenachse 7.
Die Punkte a2a und a2i bilden Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand 4 mit dem auf der Höhe der Bolzenachse 7 befindlichen äußeren Nabenradius r. Die Punkte a3a und a3i bilden Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand 4 und der tangentenförmigen Weiterführung der Innenform 10. Die Innenform 10 bildet einen Teil der Unterseite des Kolbenbodens 11 aus. Am äußeren Umfang des Kolbenbodens 11 ist ein umlaufendes Ringfeld 12 angeordnet. Das Ringfeld 12 erfährt insbesondere durch die Schaftwände 13 eine Unterstützung.
Der Kolben 1 weist folgende Merkmale auf.
Die Breite b der Kastenwand 4 ist der Schnittpunkt zwischen der Bolzenachse 7 und der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand 4 und wird wie folgt definiert: b_Kastenwand = ((a1 + A))/2 ± 15% d_k wobei d_k den Kolbendurchmesser, A den axialen Abstand in Bolzenrichtung der Sicherungsringnut 9 und a1 den axialen Abstand des Beginns der tragenden Länge in Richtung der Bolzenachse 7 beschreibt.
Die Breite b der Kastenwand 4 ist gleich dem Schnittpunkt des Kastenwandbogens 5 mit der Bolzenachse 7.
Die Richtung der Schaftabstützung 3 wird durch die Punkte a2i, a3i, a2a und a3a beschrieben, wobei die Punkte a2i und a2a die Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand 4 mit dem auf Höhe der Bolzenachse 7 befindlichen äußeren Nabenradius r ist und die Punkte a3i und a3a die Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand 4 und der tangentenstetigen Weiterführung einer Innenform 10 ist.
Es gelten folgende geometrischen Eigenschaften: a2i/a3i = 1,05...1,5 und a2a/a3a = 1,05...1,5
Hierbei gilt ein min. Radius von R_min ≥ 0,9 d_k
Jegliche Radiuskombinationen (Splines, verlaufende Radien, Kombinationen aus Geraden und Radien) in dem zuvor genannten Bereich sind in der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
Die Schaftabstützung 3 ist für die Druck- und Gegendruckseite identisch auszuführen oder kann für die jeweilige Kolbenseite in den Verhältnissen a2i/a3i und a2a/a3a variiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Kolben
2: Kolbenschaft
3: Schaftabstützung
4: Kastenwand
5: Kastenwandbogen
6: Nabe
7: Bolzenachse
8: Kolbenhubachse
9: Sicherungsnut
10: Innenform
11: Kolbenboden
12: Ringfeld
13: Schaftwand
A: axialer Abstand der Sicherungsringnut in Bolzenachsrichtung
a1: axialer Abstand des Beginns der tragenden Länge in Bolzenachsrichtung
a2a: Schnittpunkt zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand mit dem auf Bolzenachshöhe befindlichen äußeren Nabenradius
a2i: Schnittpunkt zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand mit dem auf Bolzenachshöhe befindlichen äußeren Nabenradius
a3a: Schnittpunkt zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand und der tangentenförmigen Weiterführung der Innenform
a3i: Schnittpunkt zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand und der tangentenförmigen Weiterführung der Innenform
b: Breite der Kastenwand
d: Durchmesser der Kastenwand
d_k: Kolbendurchmesser
r: Äußerer Nabenradius
s: Wandstärke
R_min: Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009059056 A1 [0002]
DE 102007018932 A1 [0003, 0003]

Claims

Kolben (1) einer Brennkraftmaschine mit einem ein Ringfeld (12) aufweisenden Kolbenboden (11), an den sich ein eine Innenform (10) umschließender Kolbenschaft (2), mit zwei einander gegenüber liegenden, gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens (1) zurückgesetzten Kastenwänden (4) und mit zwei gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens (1) nicht zurückgesetzten Schaftwände (13) anschließt, wobei die Kastenwände (4) Naben (6) aufnehmen, wobei der Kolbenschaft (2) Schaftabstützungen (3) aufweist, die mit der Nabe (6) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der Kastenwand (4) ein Schnittpunkt zwischen der Bolzenachse (7) und der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand (4) ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftabstützung (3) eine konkave Form, in Bezug auf die durch eine Kolbenhubachse (8) und senkrecht zur Bolzenachse (7) stehende Ebene, aufweist.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Schaftabstützung (3) durch die Schnittpunkte (a2i, a3i, a2a, a3a) beschrieben wird, wobei die Punkte (a2i, a2a) die Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand (4) mit dem auf Höhe der Bolzenachse (7) befindlichen äußeren Nabenradius (r) ist und die Punkte (a3i, a3a) die Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand (4) und der tangentenstetigen Weiterführung einer Innenform (10) ist.
Kolben (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass folgende geometrischen Eigenschaften gelten: a2i/a3i = 1,05 bis 1,5 und a2a/a3a = 1,05 bis 1,5.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftabstützung (3) für die Druck- und Gegendruckseite identisch auszuführen ist oder für die jeweilige Seite des Kolbens (1) in den Verhältnissen a2i/a3i und a2a/a3a variiert wird.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der Kastenwand (4) wie folgt definiert ist: b = ((a1 + A))/2 ± 15% d_k
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) im Gieß- oder Schmiedeverfahren hergestellt wird.