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Die vorlegende Erfindung betrifft einen mehrteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor.
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Im Stand der Technik sind mehrteilige, insbesondere zweiteilige Kolben für Verbrennungsmotoren bekannt. Beispielsweise offenbart die Druckschrift
DE 10 2013 218 764 A1 einen zweiteiligen Kolben, der aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil aufgebaut ist. Im zusammengefügten Zustand der beiden Kolbenteile ergibt sich aufgrund der ausgestalteten Trennfläche eine Fügestelle wenigstens im kritischen Bereich der Kolbenringe bzw. des Kolbenschaftes und gegebenenfalls auch in dem besonders kritischen Bereich des Kolbenbodens (Brennraummulde, Kolbendach). Mehrteilige Kolben gemäß dem Stand der Technik sind dabei grundsätzlich in Kolbenoberteil und Kolbenunterteil aufgeteilt, wobei in der Regel das Kolbenoberteil die Ringpartie und das Kolbenunterteil den Kolbenschaft aufweisen. Somit ergibt sich immer in einem Bereich der äußersten Mantelfläche des Kolbens eine Fügestelle oder ein Spalt; beispielsweise zwischen Ringpartie und Kolbenschaft oder im Bereich der Kolbenringe. Diese Fügestelle bzw. dieser Spalt liegt folglich im Bereich des Zusammenwirkens des Kolbens mit der Zylinderwand eines Verbrennungsmotors und Nahe dem Brennraum in einem thermisch und mechanisch stark beeinflussten Bereich des Kolbens. Ist eine Fügestelle im Kolbenboden vorgesehen, liegt diese in einem besonders stark thermisch und mechanisch beeinflussten Bereich.
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Die
FR 2 918 118 A1 ,
DE 601 22 533 T2 und
WO 2008/148 425 A1 zeigen jeweils einen mehrteiligen Kolben mit einem den Brennraum und die Mantelfläche des Kolbens außen begrenzenden Kolbenaußenteil sowie einen darin aufgenommenen Kolbeninnteil zum Anschluss eines Pleuels.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, einen mehrteiligen Kolben bereitzustellen, welcher eine verbesserte Trennflächengeometrie bereitstellt.
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Diese und andere Aufgaben, die beim Lesen der folgenden Beschreibung noch genannt werden oder vom Fachmann erkannt werden können, werden durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen mehrteiligen, insbesondere zweiteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor. Der Kolben weist dabei üblicherweise eine Längsachse auf. Der Kolben weist ferner ein Kolbenaußenteil mit einem geschlossenen Kolbenboden, der im eingebauten Zustand einen Brennraum begrenzt, und einen sich von dem Kolbenboden axial weg erstreckenden Kolbenmantel auf. Unter einem „geschlossenen” Kolbenboden wird im Rahmen der Erfindung insbesondere dessen integrale und fugenfreie – also einstückige – Ausgestaltung verstanden. Des Weiteren weist der Kolben ein Kolbeninnenteil auf, das im eingebauten Zustand mit einer Pleuelstange verbunden ist. Eine bezüglich der Längsachse den Kolben radial begrenzende Außenfläche ist ausschließlich durch wenigstens einen Teil des Kolbenmantels des Kolbenaußenteils gebildet. Das Kolbeninnenteil ist in axialer Richtung gesehen – also in Blickrichtung auf den Kolben bzw. entlang der Längsachse – vollständig radial innerhalb des Kolbenmantels bzw. seiner Mantelfläche angeordnet.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltungsform wird somit eine neuartige Fügevariante eines mehrteiligen Kolbens bereitgestellt. Anders als bei der üblichen Ausgestaltung eines mehrteiligen Kolbens mit Kolbenoberteil und Kolbenunterteil, wird vorliegend ein einziges, die Außen- bzw. Mantelfläche begrenzendes Kolbenaußenteil bereitgestellt, innerhalb dessen – wenigstens in axialer Richtung gesehen – das zum Anschluss an eine Pleuelstange vorgesehene Kolbeninnenteil angeordnet ist. Eine Trennlinie erstreckt sich somit ausschließlich innerhalb der äußeren Mantelfläche des Kolbens und insbesondere nicht bis zur Außenseite des Kolbenmantels – also seiner Mantelfläche – oder des Kolbenbodens. Dies wird insbesondere dadurch erzielt, dass das Kolbenaußenteil mit dem gesamten Kolbenmantel bzw. Kolbenhemd und somit die gesamte äußere Mantelfläche (= Außenfläche) des Kolbens aufweisend bereitgestellt wird, während das Kolbeninnenteil zur Bereitstellung einer Bolzenlochgabel in Längsrichtung gesehen radial innerhalb des Kolbenmantels bereitgestellt ist. Somit ist eine Fügestelle allenfalls außerhalb der kritischen Kolbenbereiche vorhanden und insbesondere nicht im Kolbenboden oder Kolbenmantel.
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Die durch den Kolbenmantel des Kolbenaußenteils gebildete bzw. begrenzte Außenfläche des Kolbens spannt bevorzugt einen Zylinder auf, innerhalb dessen das gesamte Kolbeninnenteil angeordnet ist. Die zylindrische Ausgestaltung ermöglicht eine zu einer Zylinderbohrung eines Verbrennungsmotors vorteilhaft korrespondierende Außengeometrie, um eine gute Gleiteigenschaft des Kolbens innerhalb des Zylinders zu ermöglichen.
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Das Kolbeninnenteil ist wenigstens teilweise radial innerhalb des Kolbenaußenteils, vorzugsweise radial innerhalb des Kolbenmantels bzw. seiner Mantelfläche angeordnet. Insofern ist das Kolbeninnenteil wenigstens zum Teil in dem Kolbenaußenteil aufgenommen und somit sicher in diesem gelagert. Somit wird eine sichere und kompakte Kolbengeometrie ermöglicht.
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Der Kolbenmantel bildet bevorzugt mit dem Kolbenboden einen von dem Kolbenboden abgewandt einseitig offenen und vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum, innerhalb dessen das Kolbeninnenteil wenigstens teilweise aufgenommen ist. Auf diese Weise kann eine einfach herzustellende Geometrie der Kolbenteile mit einer leicht zu verbindenden Trennfläche zwischen den beiden Kolbenteilen bereitgestellt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform ist diese Trennfläche zwischen dem Kolbenaußenteil und dem Kolbeninnenteil im Querschnitt im Wesentlichen U-förmig und bevorzugt ferner bezüglich der Längsachse spiegelsymmetrisch ausgebildet. Somit bildet der das Kolbeninnenteil aufnehmende Teil des Kolbenaußenteils im Wesentlichen eine Art „Topf”, in dem das Kolbeninnenteil in einfacher Weise korrespondierend aufgenommen werden kann.
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Das Kolbenaußenteil, insbesondere der Kolbenmantel, weist eine sich vom Kolbenboden axial weg erstreckende Ringpartie sowie einen sich von der Ringpartie weiter axial erstreckenden Kolbenschaft auf. Ringpartie und Kolbenschaft bilden bevorzugt den Kolbenmantel. Wenigstens einer von Ringpartie und Kolbenschaft (vorzugsweise wenigstens der Kolbenschaft) bildet die radial begrenzende Außenfläche bzw. den entsprechenden Teil des Kolbenmantels des Kolbens. Die Ringpartie weist bevorzugt wenigstens eine, vorzugsweise wenigstens zwei oder drei umlaufende radiale Nut(en) zur Aufnahme eines Kolbenringes auf. Mit anderen Worten bildet das Kolbenaußenteil alle radial außenliegenden Bereiche (z. B. Kolbenboden, Kolbenmantel) des Kolbens. Als Kolbenringe kommen hier dem Brennraum zugewandte Kompression- bzw. Verdichtungsringe sowie von dem Brennraum abgewandte Ölabstreifringe zum Einsatz. In der Regel werden bevorzugt zwei Kompressions- bzw. Verdichtungsringe und ein Ölabstreifring vorgesehen. Da eine Trennfuge nun nicht mehr im oder in der Nähe des Bereichs der Ringpartie oder auch des Kolbenschafts vorgesehen ist, ergeben sich größere Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Ringpartie und insbesondere der die Kolbenringe aufnehmenden Ringnuten.
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Das Kolbenaußenteil und das Kolbeninnenteil begrenzen im zusammengesetzten Zustand einen umlaufenden Kühlkanal. Der Kühlkanal kann dabei als eine dem Kolbeninnenteil zugewandte umlaufende (axiale) Nut in dem Kolbenaußenteil bereitgestellt sein. Diese ist dann durch einen korrespondierenden Bereich – beispielsweise eine ebene Fläche oder auch eine zum Kolbenboden hin offene Ringnut – der dem Kolbenaußenteil zugewandten Seite des Kolbeninnenteils begrenzt, um den Kühlkanal zu bilden. Somit kann durch einfaches Fügen von Kolbenaußenteil und Kolbeninnenteil ein Kühlkanal des Kolbens bereitgestellt werden. Der Kühlkanal kann somit leicht und ohne Hinterschnitt bearbeitet bzw. bereitgestellt werden.
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Ein dem Kolbenboden axial abgewandtes Ende des Kolbenmantels, insbesondere der Kolbenschaft, weist mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Kolbenschaftbereiche auf. Bevorzugt sind hier zwei oder auch mehr Kolbenschaftbereiche ausgebildet, die vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Kolbens bzw. Kolbenaußenteils verteilt angeordnet sind. Die Kolbenschaftbereiche folgen dabei als Außenfläche des Kolbens bzw. Mantelfläche des Kolbenmantels entsprechend der korrespondierenden Kontur der Zylinderbohrung eines Zylinders eines Verbrennungsmotors, um eine ausreichende Führung bei gleichzeitiger Materialeinsparung durch die mehrteilige Ausbildung zu gewährleisten.
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An ihren in Umfangsrichtung gesehen gegenüberliegenden Enden weisen die Kolbenschaftbereiche radial zur Längsachse hin – also nach innen – vorstehende Verstärkungsstege auf. Diese sorgen für eine Stabilisierung der Kolbenschaftbereiche insbesondere während des Betriebes, um eine ausreichend genaue Gleitführung derselben in einer korrespondierenden Zylinderbohrung zu ermöglichen.
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Das Kolbeninnenteil weist einen dem Kolbenboden zugewandten Basisbereich auf, von dem sich auf der dem Kolbenboden abgewandten Seite Kolbenbolzennaben zur Aufnahme eines den Kolben mit einer Pleuelstange verbindenden Kolbenbolzens erstrecken. Der Basisbereich ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. Somit wird eine geometrisch einfache, materialsparende und technisch wirkungsvolle Ausgestaltung eines Kolbeninnenteils mit Kolbenbolzenlagerung bereitgestellt, welches sich in einfacher Weise in das Kolbenaußenteil einsetzen lässt.
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Das Kolbeninnenteil und insbesondere der Basisbereich können eine radial umlaufende äußere Kontaktfläche aufweisen, welche mit einer radial umlaufenden inneren Kontaktfläche des Kolbenmantels und insbesondere dessen Ringpartie wenigstens teilweise in flächigem Kontakt steht. Auf diese Weise können das Kolbeninnenteil und das Kolbenaußenteil einfach und sicher zusammengefügt werden. Da die Fügestelle bzw. die Trennfläche keinen großen Zugkräften ausgesetzt ist, reicht auch hier eine vergleichsweise kleine Kontaktfläche zum Verbinden des Kolbenaußenteils mit dem Kolbeninnenteils aus.
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Das Kolbeninnenteil und insbesondere die Kolbenbolzennaben weisen eine radial nach außen gerichtete Stützfläche auf, welche mit einer radial nach innen gerichteten Stützfläche des Kolbenmantels und insbesondere dessen Kolbenschafts bzw. der Verstärkungsstege wenigstens teilweise in flächigem Kontakt steht. Die Stützwirkung der Verstärkungsstege kann, falls notwendig, somit auf das zentral liegende Kolbeninnenteil übertragen werden, so dass ein insgesamt stabiler Kolbenmantel bzw. Kolbenschaft bereitgestellt wird; insbesondere, da dieser mit mehreren Kolbenschaftbereichen ausgebildet ist.
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Das Kolbeninnenteil und insbesondere der Basisbereich können eine dem Kolbenboden zugewandte erste axiale Verbindungsfläche aufweisen, welche mit einer dem Kolbeninnenteil zugewandten zweiten axialen Verbindungsfläche des Kolbenaußenteils und insbesondere des Kolbenbodens wenigstens teilweise in flächigem Kontakt steht. Auf diese Weise wird ein vergleichsweise großflächiger Kontaktbereich zur Bildung einer Fügestelle bzw. Trennfläche der beiden Kolbenteile bereitgestellt, um eine sichere Verbindung der Kolbenteile insbesondere zum Aufnehmen von Zugkräften bereitzustellen.
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Das Kolbenaußenteil und das Kolbeninnenteil können lösbar oder unlösbar miteinander verbunden sein. Als lösbare Verbindungsart kann beispielsweise eine Schraubverbindung (mittels Gewinde, Bajonettverschluss und dergleichen), Rastverbindung (beispielsweise mittels Rastvorsprüngen und Rastaufnahmen) und dergleichen dienen. Als unlösbare Verbindungsart ist beispielsweise eine Lötverbindung, eine Schweißverbindung, eine Klebeverbindung oder eine Nietverbindung denkbar. Auch ein Auf- bzw. Einschrumpfen bzw. eine (radiale) Presspassung ist denkbar. Auch jede beliebige Kombination der vorbezeichneten Verbindungsarten ist denkbar.
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Aufgrund der mehrteiligen Ausgestaltung des Kolbens ist es möglich, das Kolbenaußenteil und das Kolbeninnenteil aus unterschiedlichen Materialien bereitzustellen. Da das Kolbenaußenteil alle stark beanspruchten Bereiche des Kolbens, also die dem Brennraum und der Zylinderwand zugeordneten bzw. mit diesem korrespondierenden Flächen aufweist, kann das Kolbenaußenteil bevorzugt aus Metall, insbesondere Stahl wie hochtemperaturbeständigen Stahl, hergestellt sein. Das bevorzugt vom Kolbenaußenteil abgeschirmte Kolbeninnenteil kann dann beispielsweise aus einem anderen Material hergestellt sein, welches insbesondere den mechanischen Belastungen im Zusammenspiel mit dem über das Pleuel verbundenen Kurbelwelle gewählt ist. So kann das Kolbeninnenteil beispielsweise aus Metall, wie Stahl oder nicht Eisenmetallen (NE-Metalle) oder auch aus Kunststoff, wie beispielsweise Faserverstärktem Kunstoffen, hergestellt sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Erfindung ebenso auf ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kolbens gerichtet, bei dem Kolbenaußenteil und Kolbeninnenteil zunächst bereitgestellt, dann das Kolbeninnenteil in das Kolbenaußenteil eingesetzt und schließlich die beiden Kolbenteile miteinander verbunden werden, insbesondere gefügt werden.
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß der Figuren der begleitenden Zeichnungen im Folgenden beschrieben. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Kolbens gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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2 eine perspektivische Schnittansicht des Kolbens gemäß 1 in Explosionsdarstellung in Blickrichtung II gemäß 1, und
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3 eine Seiten-Schnittansicht des Kolbens gemäß 2 in Blickrichtung III gemäß 1.
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Die Figuren zeigen einen erfindungsgemäßen mehrteiligen Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor. Wie in 3 dargestellt, weist der Kolben 1 eine Längsachse L auf. Diese entspricht der Hubachse des Kolbens 1 in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors während des Betriebes.
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Der hier dargestellte Kolben 1 weist zwei Kolbenteile 10, 20 auf. Zum einen ein Kolbenaußenteil 10 mit einem geschlossenen Kolbenboden 11, der im eingebauten Zustand – also eingesetzt in eine Zylinderbohrung eines Zylinders eines Verbrennungsmotors – einen Brennraum begrenzt. Wie bereits erwähnt wird im Rahmen der Erfindung unter „geschlossen” verstanden, dass der Kolbenboden 11 einstückig und insbesondere ohne Fügestellen bereitgestellt ist. Der Kolbenboden 11 weist bevorzugt eine Brennraummulde 12 auf. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Kolbenboden 11 gemäß seines Einsatzzweckes mit Kolbendach bzw. Kolbenkrone ausgebildet ist. Das Kolbenaußenteil 10 weist ferner einen sich von dem Kolbenboden 11 axial – also in Richtung der Längsachse L – weg erstreckenden Kolbenmantel 13 auf. Eine bezüglich der Längsachse L den Kolben 1 radial begrenzende Außenfläche 2 – also eine Mantelfläche des Kolbenmantels 13 – wird, wie insbesondere der 3 zu entnehmen ist, ausschließlich durch wenigstens einen Teil des Kolbenmantels 13 des Kolbenaußenteils 10 gebildet. Das Kolbenaußenteil 10 bildet somit alle radial außenliegenden Bereiche bzw. Wirkflächen des Kolbens 1 aus.
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Das Kolbenaußenteil 10, genauer der Kolbenmantel 13, weist eine sich vom Kolbenboden 11 axial weg erstreckende Ringpartie 14 sowie einen sich von der Ringpartie 14 weiter axial erstreckenden Kolbenschaft 15 auf. Ringpartie 14 und Kolbenschaft 15 bilden dabei bevorzugt den Kolbenmantel 13. Wenigstens einer von Ringpartie 14 und Kolbenschaft 15 bildet die radial begrenzende Außenfläche 2 des Kolbens 1. Die Ringpartie 14 kann in üblicher Weise – wie in den Figuren nicht dargestellt – wenigstens eine, vorzugsweise wenigstens zwei und besonders bevorzugt wenigstens drei umlaufende radiale Nuten zur Aufnahme jeweils eines Kolbenringes aufweisen. Üblicherweise weist die Ringpartie entsprechend drei in axialer Richtung beabstandete Ringnuten auf, wobei die beiden dem Kolbenboden 11 zugewandten Ringnuten zur Aufnahme von Kompressions- bzw. Verdichtungsringen und die dem Kolbenboden 11 entfernte Ringnut der Aufnahme eines Ölabstreifringes dient.
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Das Kolbenaußenteil 10 ist bevorzugt aus Metall, insbesondere aus Stahl wie hochtemperaturbeständigem Stahl, hergestellt. Insbesondere ist das Kolbenaußenteil 10 aus einem Material bereitgestellt, welches den funktionalen Anforderungen entsprechend gewählt ist. So muss dieses Material entsprechend hochtemperaturbeständig sein, um auf Seiten des Brennraumes den gegebenen Temperaturen und Temperaturschwankungen standzuhalten. Des Weiteren muss das Kolbenaußenteil 10 wenigstens im Bereich seiner Außenfläche 2 – also im Bereich des Kolbenmantels 13 – verschleißfest ausgebildet sein, um durch das Zusammenspiel mit der Zylinderwand des Verbrennungsmotors einen langlebigen Einsatz während des Lebenszyklus des Verbrennungsmotors zu gewährleisten. Grundsätzlich ist es auch denkbar, die entsprechenden Bereiche des Kolbenaußenteils 10, also Kolbenboden 11 einerseits und Kolbenmantel 13 andererseits, entsprechend zu behandeln; beispielsweise durch Härten oder Beschichten.
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Zum anderen weist der Kolben 1 ein Kolbeninnenteil 20 auf, das im eingebauten Zustand mit einer Pleuelstange verbunden ist. Das Kolbeninnenteil 20 kann aus einem Metall, wie Stahl oder Nichteisenmetall (NE-Metall), oder auch aus Kunststoff, wie faserverstärkten Kunstoffen, hergestellt sein. Insbesondere ist bei der mehrteiligen Ausgestaltung des Kolbens 1 vorteilhaft, die beiden Kolbenteile 10, 20 bevorzugt aus unterschiedlichen Materialien bereitzustellen, welche den jeweiligen Anforderungen der beiden Kolbenteile 10, 20 entsprechend optimal gewählt sind.
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Das Kolbeninnenteil 20 ist in axialer Richtung gesehen – also in Richtung der Längsachse L gesehen – vollständig radial innerhalb des Kolbenmantels 13 angeordnet, wie dies insbesondere aus 3 ersichtlich ist. Auf diese Weise kann es sicher erzielt werden, dass eine Fügestelle bzw. Trennfläche T zwischen den Kolbenteilen 10, 20 außerhalb der kritischen Bereiche (hier die durch den Kolbenmantel 13 gebildete Außenfläche 2 des Kolbens 1 und der Kolbenboden 11) bereitgestellt ist. Zudem ist eine entsprechende Fügestelle bzw. Trennfläche T dennoch leicht zugänglich bereitgestellt. Wie in 3 zu erkennen ist, kann die Trennfläche T zwischen dem Kolbenaußenteil 10 und dem Kolbeninnenteil 20 im Querschnitt im Wesentlichen U-förmig und besonders bevorzugt bezüglich der Längsachse L spiegelsymmetrisch ausgebildet sein. Somit wird eine möglichst großflächige Trennfläche T außerhalb der kritischen Bereiche des Kolbens 1 bereitgestellt, um die beiden gefügten Kolbenteile 10, 20 sicher miteinander zu verbinden und verbunden zu halten.
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Die durch den Kolbenmantel 13 des Kolbenaußenteils 10 gebildete Außenfläche 2 des Kolbens 1 spannt bevorzugt einen Zylinder Z auf, wie in 3 beispielhaft dargestellt ist. Wie dieser Figur zu entnehmen ist, ist das gesamte Kolbeninnenteil 20 hier bevorzugt innerhalb dieses Zylinders Z angeordnet. Die zylindrische Ausgestaltung gibt somit dem Kolbenaußenteil 10 bzw. Kolbenmantel 13 eine für seine Führung innerhalb einer Zylinderbohrung eines Zylinders eines Verbrennungsmotors geeignete Form, während gleichzeitig das Kolbeninnenteil 20 sicher innerhalb dieses Zylinders Z – also innerhalb des Kolbenmantels 13 – aufgenommen ist, um Fügestellen an äußeren Randbereichen des Kolbenaußenteils 10 sowohl radial seitlich (also auf Seiten des Kolbenmantels 13) als auch axial auf Seiten des Kolbenbodens 11 zu vermeiden. Das Kolbeninnenteil 20 kann wenigstens teilweise radial innerhalb des Kolbenaußenteils 10 und bevorzugt radial innerhalb des Kolbenmantels 13 angeordnet sein, wie dies beispielhaft in der 3 verdeutlicht ist. Somit wird das Kolbeninnenteil 20 wenigstens zum Teil sicher innerhalb des Kolbenaußenteils 10 aufgenommen und ist somit bevorzugt von den kritischen Bereichen des Kolbens 1 abgeschirmt. Dies ermöglicht eine hohe Varianz in der Ausgestaltung (Geometrie, Materialwahl, etc.) des Kolbeninnenteils 20, da dies von den kritischen Bereichen des Kolbens 1 insbesondere im Zusammenspiel mit einer Zylinderbohrung und einem Brennraum entkoppelt ist.
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Vorzugsweise bildet der Kolbenmantel 13 mit dem Kolbenboden 11 einen von dem Kolbenboden 11 abgewandt einseitig offenen – also im Wesentlichen topfförmigen – und vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum 3, wie er insbesondere in 1 zu erkennen ist. Innerhalb dieses Hohlraums 3 ist das Kolbeninnenteil 20 wenigstens teilweise aufgenommen und somit sicher innerhalb des Kolbenaußenteils 10 gehalten. Zudem kann somit ein Zusammenfügen der beiden Kolbenteile 10, 20 einfach bewerkstelligt werden.
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Wie insbesondere der 1 zu entnehmen ist, weist ein dem Kolbenboden 11 axial abgewandtes Ende des Kolbenmantels 13, hier insbesondere der Kolbenschaft 15, mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Kolbenschaftbereiche 150, 151 auf. Gemäß der Ausführungsform sind zwei Kolbenschaftbereiche 150, 151 bereitgestellt, welche sich bevorzugt gegenüberliegen. Insbesondere sind die Kolbenschaftbereiche 150, 151 bevorzugt über den Umfang des Kolbens 1 bzw. Kolbenaußenteils 10 bevorzugt gleichmäßig verteilt angeordnet. Auf diese Weise wird eine materialsparende und gleichzeitig sichere Führung des Kolbens 1 in einem Zylinder eines Verbrennungsmotors gewährleistet.
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Die Kolbenschaftbereiche 150, 151 weisen an ihren in Umfangsrichtung gesehen gegenüberliegenden Enden 150a, 150b, 151a, 151b radial zur Längsachse L hin – also nach innen – vorstehende Verstärkungsstege 152, 153 auf. Diese dienen insbesondere der Stabilisierung der Kolbenschaftbereiche 150, 151 in Zusammenwirkung mit der Innenwand eines Zylinders – also der Zylinderbohrung – eines Verbrennungsmotors während des Betriebes.
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Das Kolbeninnenteil 20 weist, wie insbesondere der 1 zu entnehmen ist, einen dem Kolbenboden 11 zugewandten Basisbereich 22 auf. Dieser Basisbereich 22 ist bevorzugt im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. Von dem Basisbereich 22 erstrecken sich auf der dem Kolbenboden 11 abgewandten Seite 23 Kolbenbolzennaben 24, 25 zur Aufnahme eines den Kolben 1 mit einer Pleuelstange verbindenden Kolbenbolzens. Hierzu weisen die Kolbenbolzennaben 24, 25 jeweils eine Kolbenbolzenbohrung 5, 6 auf.
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Insbesondere zur Verbindung bzw. zum Fügen der beiden Kolbenteile 10, 20 weist das Kolbeninnenteil 20, insbesondere dessen Basisbereich 22, eine radial umlaufende äußere Kontaktfläche 220 auf. Diese ist bevorzugt geschlossen umlaufend ringförmig ausgebildet. Diese äußere Kontaktfläche 220 steht bevorzugt wenigstens teilweise in flächigem Kontakt mit einer radial umlaufenden inneren Kontaktfläche 140 des Kolbenmantels 13, vorzugsweise der Ringpartie 14 desselben.
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Das Kolbeninnenteil 20, insbesondere die Kolbenbolzennaben 24, 25, weisen eine radial nach außen gerichtete Stützfläche 240, 250 auf, welche mit einer radial nach innen gerichteten Stützfläche 154, 155 des Kolbenschafts 15 des Kolbenmantels 13 und insbesondere der Verstärkungsstege 152, 153 wenigstens teilweise in flächigen Kontakt steht. Dies ist insbesondere der Schnittdarstellung in 3 zu entnehmen. Auf diese Weise werden die Verstärkungsstege 152, 153 und insbesondere der Kolbenmantel 13 vorzugsweise wenigstens im Bereich des Kolbenschafts 15 sicher nach innen abgestützt, um insgesamt den Kolbenmantel 13 auch während des Betriebs zu stabilisieren.
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Das Kolbeninnenteil 20, insbesondere der Basisbereich 22, weist bevorzugt eine dem Kolbenboden 11 zugewandte erste axiale Verbindungsfläche 210 auf, welche mit einer dem Kolbeninnenteil 11 zugewandten zweiten axialen Verbindungsfläche 110 des Kolbenaußenteils 10, vorzugsweise des Kolbenbodens 11, wenigstens teilweise in flächigem Kontakt steht. Wie den Figuren zu entnehmen ist, kann auf diese Weise eine möglichst großflächige Trennfläche T zwischen den Kolbenteilen 10, 20 gebildet werden, um diese sicher miteinander zu verbinden. Insbesondere reicht die so ausgebildete Trennfläche T für den nur auf geringe Zugkräfte ausgesetzten Kolben 1 für eine sichere Verbindung der Kolbenteile 10, 20 aus.
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Das Kolbenaußenteil 10 und das Kolbeninnenteil 20 sind über ihre Stützflächen 154, 155, 240, 250 und optional ferner über ihre innere und äußere Kontaktfläche 140, 220 und/oder ihre axialen Verbindungsflächen 110, 210 miteinander verbunden. Die Kolbenteile 10, 20 sind bevorzugt lösbar oder auch unlösbar miteinander verbunden. Als lösbarer Verbindungsarten sind insbesondere eine Schraubverbindung oder eine Rastverbindung zu nennen. Unlösbare Verbindungsarten sind beispielsweise eine Lötverbindung, eine Schweißverbindung, eine Klebeverbindung oder eine Nietverbindung. Auch ein Einschrumpfen des Kolbeninnenteils 20 in das Kolbenaußenteil 10 oder ein Aufschrumpfen des Kolbenaußenteils 10 auf das Kolbeninnenteil 20 bzw. eine (radiale) Presspassung der Kolbenteile 10, 20 insbesondere im Bereich der inneren und äußeren Kontaktflächen 140, 220 ist denkbar. Auch eine beliebige Kombination der vorbezeichneten Verbindungsarten ist denkbar.
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Wie insbesondere der 3 zu entnehmen ist, begrenzen das Kolbenaußenteil 10 und das Kolbeninnenteil 20 im zusammengesetzten bzw. gefügten Zustand einen umlaufenden Kühlkanal 4. Dabei kann der Kühlkanal 4 als eine dem Kolbeninnenteil 20 zugewandte axiale bzw. umlaufende Nut 40 in dem Kolbenaußenteil 10 bereitgestellt sein. Diese Nut 40 ist dann durch einen korrespondierenden und bevorzugt ebenso umlaufenden Bereich 41 der dem Kolbenaußenteil 10 zugewandten Seite 21 des Kolbeninnenteils 20 begrenzt, um eben den geschlossenen umlaufenden Kühlkanal 4 zu bilden. Der Bereich 41 kann dabei, wie in 3 gezeigt, ebenfalls als eine dem Kolbenboden 11 zugewandte umlaufende (axiale) Nut bereitgestellt sein.
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Der Kolben 1 weist bevorzugt sich von dem Kühlkanal 4 weg erstreckende Öffnungen bzw. Bohrungen (Ölbohrungen) 42 auf, welche der Zu- bzw. Abführung eines Kühlmediums, wie insbesondere Motoröl, dienen. Neben der einen dargestellten Öffnung 42 sind vorzugsweise weitere Öffnungen denkbar. Die Öffnung 42 erstreckt sich dabei bevorzugt von dem Bereich 41 in Richtung von dem Kolbenboden 11 weg. Die Öffnung 42 ist dazu vorzugsweise in dem Kolbeninnenteil 20 ausgebildet und verbindet im Betrieb den Kühlkanal 4 fluidtechnisch mit einem dem Brennraum abgewandten Raum, über den das Kühlmedium bereitgestellt wird. Die Öffnung 42 ist bevorzugt radial nach innen von der Kontaktfläche 220 beabstandet vorgesehen. Die Öffnung 42 kann jedoch auch die äußere Kontaktfläche 220 unterbrechen. Diese Unterbrechung wirkt sich jedoch nicht oder nicht nennenswert auf die Wirkung des wenigstens teilweise flächigen Kontaktes zwischen der äußeren Kontaktfläche 220 des Kolbeninnenteils 20 bzw. des Basisbereichs 22 einerseits und der inneren Kontaktfläche 140 des Kolbenmantels 13 bzw. der Ringpartie 14 andererseits aus.
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Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mehrteiligen Kolbens 1 beschrieben. In einem ersten Schritt wird ein Kolbenaußenteil 10 und ein Kolbeninnenteil 20, wie sie zuvor beschrieben wurden, bereitgestellt. Die Kolbenteile 10, 20 werden dazu bevorzugt mittels Umformverfahren – bspw. Schmieden – hergestellt. Die zuvor beschrieben geometrische Ausgestaltung der Kolbenteile 10, 20 ermöglicht eine besonders einfache Herstellung derselben mit leicht zugänglicher Trennfläche T zur Verbindung der Kolbenteile 10, 20. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Kolbenteile 10, 20 alternativ oder zusätzlich mittels Urformverfahren oder spanender Fertigungsverfahren bereitgestellt werden. Insgesamt können das Kolbenaußenteil 10 und das Kolbeninnenteil 20 mittels Urformverfahren, Umformverfahren und/oder spanender Fertigungsverfahren bereitgestellt werden.
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Das Kolbeninnenteil 20 wird in einem zweiten Schritt bevorzugt in das Kolbenaußenteil 10 eingesetzt. Durch das Einsetzen des Kolbeninnenteils 20 in das Kolbenaußenteil 10 wird bevorzugt der Kühlkanal 4 zwischen dem Kolbenaußenteil 10 und dem Kolbeninnenteil 20 ausgebildet bzw. bereitgestellt.
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Schließlich werden die Kolbenteile 10, 20 miteinander verbunden. Wie zuvor bereits beschrieben, werden das Kolbenaußenteil 10 und das Kolbeninnenteil 20 lösbar oder unlösbar miteinander verbunden, vorzugsweise miteinander (radial) verpresst, verschraubt, verrastet, verlötet, verschweißt, verklebt und/oder vernietet.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das vorhergehend gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mehrteiligen Kolbens 1 beschränkt, solange sie vom Gegenstand der folgenden Ansprüche umfasst ist. Insbesondere sind die Merkmale der vorliegenden Erfindung in beliebiger Weise mit- und untereinander austauschbar und kombinierbar.
