DE102015201633A1

DE102015201633A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie Verfahren zur Herstellung des Kolbens für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102015201633A1
Application number: DE102015201633.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Seiffert; Hanno Necker; Georg Hopp
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2016-08-04
Also published as: WO2016120246A1; US20180202388A1; US10436146B2; EP3250804A1

Abstract

Ein Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, bevorzugt aus Stahl, weist ein Ringfeld (12), einen Schaft (14), Durchbrüche (16) zwischen Ringfeld (12) und Schaft (14), die von der Kolbenaußenseite zum Kolbeninneren reichen, und eine bezüglich einer Länge eines aufzunehmenden Kolbenbolzens im Wesentlichen zentrale Rippe (18) zwischen zwei Durchbrüchen (16) auf. Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bevorzugt aus Stahl, mit einem Ringfeld und einem Schaft, werden zwischen dem Ringfeld und dem Schaft Durchbrüche, die von der Kolbenaußenseite zum Kolbeninneren reichen, und zumindest eine bezüglich einer Länge eines aufzunehmenden Kolbenbolzens im Wesentlichen zentrale Rippe zwischen den Durchbrüchen ausgebildet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor.
An Kolben für Verbrennungsmotoren werden typischerweise Anforderungen gestellt, die zu Zielkonflikten führen. Zum einen soll nämlich die Masse des Kolbens vergleichsweise gering sein, und zum anderen muss die Steifigkeit und Festigkeit des Kolbens den im Betrieb auftretenden Anforderungen genügen.
STAND DER TECHNIK
Beispielsweise aus der US 2001/0029840 A1 ist ein Stahlkolben bekannt, der zwischen einem Ringfeld und einem Schaft einen Durchbruch aufweist.
Die JP 2010-038048 A betrifft einen Kolben mit einem Ringfeld und einem Schaft, der eine deutlich geringere Höhe, entlang der Kolbenachse, aufweist, als das Ringfeld, und der in einem Ausführungsbeispiel mit zwei, sich im Wesentlichen parallel zur Kolbenachse erstreckenden Verstärkungen zum Ringfeld hin abgestützt ist.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, bei dem die Anforderungen im Hinblick auf die Gewichtsersparnis einerseits und die Festigkeit andererseits möglichst gleichermaßen erfüllt werden.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Anspruch 1 beschriebenen Kolben. Demzufolge weist dieser ein Ringfeld, einen Schaft, Durchbrüche zwischen Ringfeld und Schaft, die von der Kolbenaußenseite zum Kolbeninneren reichen, und zumindest eine bezüglich einer Länge eines aufzunehmenden Kolbens im Wesentlichen zentrale Rippe zwischen zwei Durchbrüchen auf. Unter Ringfeld wird derjenige, an den Kolbenboden angrenzende Bereich verstanden, in dem sich ein oder mehrere Kolbenringnuten befinden. Der Schaft stellt im Wesentlichen denjenigen Bereich des Kolbens dar, an dem der Kolben mit den Wänden eines Zylinders oder einer Zylinderlaufbuchse in Gleitkontakt ist. Üblicherweise wird der Schaft durch zwei voneinander getrennte Schaftwände gebildet, die sich zu beiden Seiten der Kolbenbolzennaben befinden. Die Anbindung der Schaftwände an die Kolbenbolzennaben erfolgt durch sogenannte Verbindungswände.
Erfindungsgemäß wird durch die beschriebenen Durchbrüche in vorteilhafter Weise Gewicht eingespart. Gleichzeitig wird durch die zentrale Rippe die notwendige Festigkeit hergestellt. Die Rippe oder Strebe erreicht somit in vorteilhafter Weise eine Versteifung des zentralen Schaftbereichs und wirkt einem Herunterbiegen des Ringfeldes entgegen. Diese Versteifung bewirkt eine Reduktion des elastischen Schafteinfalls, wodurch ein weitgehend homogenes Tragbild im Bereich des Kolbenschafts erzeugt werden, und ein Kippen des Kolbens im Betrieb reduziert werden kann. Hierdurch unterbleibt ferner ein Anschlagen des Kolbenkopfes an der Zylinderwand, so dass darüber hinaus in vorteilhafter Weise Geräusche vermieden werden. Es sei ergänzt, dass bevorzugt an jeder Seite des Kolbenbolzens genau zwei Durchbrüche und eine einzige Rippe vorgesehen sind.
Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Für die Gewichtsersparnis bietet es Vorteile, und es hat sich ferner herausgestellt, dass die notwendige Festigkeit erreicht werden kann, wenn zumindest ein Durchbruch in Umfangsrichtung mehr als die doppelte Breite der Rippe aufweist.
Für die Führung des Kolbens und die Festigkeit im Bereich des Schafts wird bevorzugt, dass der Schaft, insbesondere die einzelnen Schaftwände, entlang der Kolbenachse zumindest die 1,5-fache Höhe des Ringfeldes aufweisen.
Für eine Gestaltung, die auch bei höchster Belastung möglichst wenig rissanfällig ist, wird bevorzugt vorgesehen, dass die Rippe und/oder der Bereich neben zumindest einem Durchbruch in einem Schnitt, der die Kolbenachse enthält, an der Außenseite konkav gerundet ausgeführt ist. Da sich der Durchbruch beispielsweise durch Ausbildung einer Nut ergibt, weist eine derartige, von der Außenseite des Kolbens her ausgebildete Nut, somit bevorzugt einen gerundeten Boden auf.
Für die Festigkeit hat es sich als günstig erwiesen, und die Gestaltung der Rippe kann in dieser Weise gleichzeitig mit dem Ziel der Gewichtseinsparung vereinbart werden, wenn diese in vorteilhafter Weise ausgehend von ihrer, in Umfangsrichtung gesehen, Mitte eine abnehmende, in radialer Richtung des Kolbens gemessene Dicke aufweist.
Im Hinblick auf die Festigkeit wird ferner bevorzugt, dass sich die Rippe in Richtung des Kolbenbodens weniger weit erstreckt als am Schaft entlang. Hierdurch kann insbesondere eine stabile Ausgestaltung der Schaftwände erreicht werden.
Die Gewichtseinsparung wird weiter dadurch erreicht, dass bevorzugt eine Sicherungsnut für einen Sicherungsring für einen Kolbenbolzen vorgesehen ist, die entlang Ihres Umfangs zumindest an einer Stelle unterbrochen ist. Ausgehend von einer üblichen, voll umlaufenden Sicherungsnut kann die Unterbrechung derselben dergestalt erreicht werden, dass das die Sicherungsnut umgebende Material stellenweise derart entlang der Kolbenbolzenachse und in Richtung des Inneren des Kolbens zurückgenommen wird, dass die Sicherungsnut in diesen Bereichen „verschwindet“, und der Sicherungsring beispielsweise lediglich in einem oberen, zum Kolbenboden gerichteten Bereich und in einem unteren Bereich in einer Nut aufgenommen ist. Diese Aufnahme schafft einen ausreichenden Umschlingungswinkel für den Sicherungsring und ermöglicht gleichzeitig in der beschriebenen Weise eine weitere Gewichtsersparnis. Bevorzugt kann die Sicherungsnut in dem oberen Bereich in ihrer Umfangsrichtung breiter, beispielsweise über 120 bis 150 Grad und an der Unterseite schmäler, beispielsweise über 60 bis 100 Grad, ausgeführt sein. Die Unterbrechungen der Sicherungsnut bieten ferner den Vorteil, dass für die Entnahme des Sicherungsringes keine spezielle Aushebenut erforderlich ist, weil ein Aushebewerkzeug im Bereich der Unterbrechung angesetzt werden kann. Dies reduziert die Produktionskosten.
Schließlich wird für den Schaft, von der Kolbenunterseite her betrachtet, bevorzugt, dass dieser an der Außenseite, ausgehend von den Schaftwänden eine konvexe Krümmung und am Übergang zu den Kolbenbolzennaben eine konkave Krümmung aufweist. Hierdurch ergibt sich insgesamt eine Kolbenform, die als „Figure of Eight“ bekannt ist und die eine breite Schaftwand ebenso wie einen ausreichenden Sicherheitsabstand einer Kühlöldüse im Kolbeninneren sowie einen Kolbenbolzen mit minimaler Länge ermöglicht. Darüber hinaus kann hierdurch ein homogenes Tragbild am Schaft ermöglicht werden. Die Schaftanbindung an die Verbindunsgwände kann gleichzeitig mit erhöhter Flexibilität versehen werden, und ein unerwünschter „Schienentrag“ kann reduziert werden. Insgesamt ergibt sich hierdurch eine moderne Kolbenarchitektur.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei der Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bevorzugt aus Stahl, zwischen Ringfeld und Schaft Durchbrüche sowie zumindest eine, bezüglich einer Länge eines aufzunehmenden Kolbenbolzens zentrale Rippe ausgebildet. Hierdurch können die entsprechenden Vorteile wie bei dem vorangehend beschriebenen Kolben erreicht werden. Ferner sind sämtliche vorangehend und nachfolgend für den Kolben angegebenen Merkmale bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anwendbar und umgekehrt.
Bevorzugt wird zumindest ein Durchbruch durch Ausbilden einer Nut von der Außenseite des Kolbens her ausgebildet. Dieser Durchbruch kann bereits beim geschmiedeten oder gegossenen Kolben vorgesehen werden, er kann jedoch alternativ oder ergänzend von der Außenseite durch Ausbilden der Nut ausgebildet werden, wobei gleichzeitig die Materialdicke im Bereich der vorgesehenen Rippe ausreichend dick gewählt ist.
Bevorzugt wird die Rippe beim Urformen, beispielsweise beim Gießen oder Schmieden, vorgesehen, oder der Kolben wird von seiner Innenseite her durch Fräsen in geeigneter Weise bearbeitet, um die Rippe auszubilden. Schließlich ist die Ausbildung der Rippe im Rahmen von Rapid Prototyping möglich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend wird ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Unteransicht eines erfindungsgemäßen Kolbens; und
2 eine perspektivische Seitenansicht eines Abschnitts des erfindungsgemäßen Kolbens.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Wie in 1 zu erkennen ist, weist der in 1 in einer Unteransicht dargestellte Kolben 10 ein Ringfeld 12 und einen Schaft 14 auf, der durch zwei gegenüberliegende Schaftwände gebildet wird, die durch Verbindungswände verbunden sind, in denen die Kolbenbolzennaben vorgesehen sind. Wie ebenfalls in 1 zu erkennen, sind die Verbindungswände, ausgehend von der jeweiligen Schaftwand, zunächst, von der Außenseite her betrachtet, konvex, und am Übergang zu den Kolbenbolzennaben konkav gekrümmt.
Erfindungsgemäß befindet sich entlang der Erstreckung des (nicht gezeigten) Kolbenbolzens, das heißt etwa auf Höhe der Mitte zwischen den zu erkennenden Kolbenbolzennaben 24 eine zentrale Rippe 18, die an der rechten Seite des Kolbens zu erkennen ist. Bei der gezeigten Ausführungsform befindet sich rechts und links neben der Rippe 18 jeweils ein Durchbruch, von denen nur der linke gemäß 1 gut erkennbar ist. Der Durchbruch reicht von der Außenseite des Kolbens zu dessen Innerem und kann beispielsweise dadurch ausgebildet werden, dass von der Außenseite her eine Nut ausgebildet wird, und die Materialdicke in den Bereichen neben der Rippe 18 ausreichend dünn ist, so dass die beschriebenen Durchbrüche 16 entstehen. Die Ober- und/oder Unterseite der zu dem Durchbruch führenden Nut kann, wie ergänzend in 2 zu erkennen, weitgehend senkrecht zur Kolbenachse sein, und der Boden der beschriebenen Nut, das heißt die Außenseite der Rippe 18 und/oder der Bereiche 26 neben den Durchbrüchen 16 kann, von der Außenseite betrachtet, konkav gekrümmt sein. Dies ist ergänzend in 2 erkennbar.
Aus 1 ist ferner ersichtlich, dass die Rippe in ihrer, in Umfangsrichtung betrachtet, Mitte eine größere (radiale) Dicke aufweist, als an ihren zu den Durchbrüchen 16 gerichteten Seiten. Ferner erstreckt sie sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weniger weit an der Unterseite des Kolbenbodens als entlang der jeweiligen Schaftwand. In 1 ist ferner die spezielle Ausgestaltung einer Sicherungsnut 22 für einen Sicherungsring für einen Kolbenbolzen zu erkennen. Insbesondere an den Seiten des Kolbenbolzens ist das Material des Kolbens an der Außenseite soweit zurückgenommen, dass hier die Sicherungsnut 22 „verschwindet“, und der Sicherungsring lediglich durch die im Bereich der Ober- und Unterseite verbleibenden Nutabschnitte gehalten wird. Dies wird jedoch als ausreichend angesehen, und die beschriebenen Materialausnehmungen verringern in vorteilhafter Weise das Gewicht. Ferner kann hier ein Aushebewerkzeug angesetzt werden, so dass in vorteilhafter Weise keine eigene Aushebenut erforderlich ist. Schließlich ist in 1 auch zu erkennen, dass die Durchbrüche, wenn sie in einer Richtung senkrecht zur Kolben- und zur Kolbenbolzenachse betrachtet werden, gerundete Seiten aufweisen.
Dies geht ergänzend aus 2 hervor. In 2 ist ferner zu erkennen, dass die jeweilige Schaftwand eine entlang der Kolbenachse im Wesentlichen gleichbleibende Breite und darüber hinaus eine bevorzugt ebenfalls entlang der Kolbenachse mit gleichbleibender Breite versehene Beschichtung aufweisen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2001/0029840 A1 [0003]
JP 2010-038048 A [0004]

Claims

Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, bevorzugt aus Stahl, mit einem Ringfeld (12), einem Schaft (14), Durchbrüchen (16) zwischen Ringfeld (12) und Schaft (14), die von der Kolbenaußenseite zum Kolbeninneren reichen, und einer bezüglich einer Länge eines aufzunehmenden Kolbenbolzens im Wesentlichen zentralen Rippe (18) zwischen zwei Durchbrüchen (16).
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Durchbruch (16) in Umfangsrichtung mehr als die doppelte Breite der Rippe (18) aufweist.
Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (14) entlang der Kolbenachse zumindest die 1,5-fache Höhe des Ringfeldes (12) aufweist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (18) und/oder der Bereich neben zumindest einem Durchbruch (16) in einem Schnitt, der die Kolbenachse enthält, an der Außenseite konkav gerundet ausgeführt ist.
Kolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (16) ausgehend von ihrer, in Umfangsrichtung gesehen, Mitte eine abnehmende, in Radialrichtung gemessene Dicke aufweist.
Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippe (16) in Richtung des Kolbenbodens (20) weniger weit erstreckt als am Schaft (14) entlang.
Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, ferner mit zumindest einer Sicherungsnut (22) für einen Sicherungsring für einen Kolbenbolzen, die entlang ihres Umfangs zumindest an einer Stelle unterbrochen ist.
Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (14) an der Außenseite von der Kolbenunterseite aus betrachtet, ausgehend von den Schaftwänden eine konvexe Krümmung, und am Übergang zu Kolbenbolzenaugen eine konkave Krümmung aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor, bevorzugt aus Stahl, mit einem Ringfeld und einem Schaft, bei dem zwischen dem Ringfeld und dem Schaft Durchbrüche ausgebildet werden, die von der Kolbenaußenseite zum Kolbeninneren reichen, und zumindest eine bezüglich einer Länge eines aufzunehmenden Kolbenbolzens im Wesentlichen zentrale Rippe zwischen den Durchbrüchen ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Durchbruch durch Ausbilden einer Nut von der Außenseite des Kolbens her ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Rippe durch Urformen, wie z. B. Schmieden oder Gießen, Fräsen oder Rapid Prototyping ausgebildet wird.