DE102016209816A1

DE102016209816A1 - Two-piece piston for an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102016209816A1
Application number: DE102016209816.0A
Authority: DE
Inventors: Joachim Busse; Dieter Messmer
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2017-12-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen zweiteiligen Kolben (1) – mit einem Oberteil (3) und einem damit verschraubten Unterteil (5), – wobei im Unterteil (5) Durchgangsöffnungen (6) und im Oberteil (3) koaxial dazu angeordnete Einschrauböffnungen (7) für das Oberteil (3) mit dem Unterteil (5) verbindende Schrauben (4) vorgesehen sind, – mit einem nahe dem Kolbenboden (8) und radial außen angeordneten, umlaufenden Kühlkanal (11), der zum Teil in das Oberteil (3) und zum Teil in das Unterteil (5) eingeformt ist, – wobei der Kühlkanal (11) radial außen von einer Ringwand (12) und radial innen teils von einer oberen Ringrippe (14) und teils von einer unteren Ringrippe (15) begrenzt ist. Erfindungswesentlich ist dabei, dass in der Unterseite (13) der oberen Ringrippe (14) zumindest zwei radiale Nuten (16) vorgesehen sind, die benachbart zu zumindest einer der Einschrauböffnungen (7) angeordnet sind und diese in Umfangsrichtung zwischen sich aufnehmen.The present invention relates to a two-part piston (1) - with an upper part (3) and a lower part (5) screwed therewith, - through openings (6) in the lower part (5) and screw-in openings (7) arranged coaxially in the upper part (3). for the upper part (3) with the lower part (5) connecting screws (4) are provided, - with a close to the piston head (8) and radially outwardly disposed, circulating cooling channel (11), in part in the upper part (3) and is formed in part in the lower part (5), - wherein the cooling channel (11) is bounded radially outwardly by an annular wall (12) and radially inwardly partly by an upper annular rib (14) and partly by a lower annular rib (15). Essential to the invention is that in the bottom (13) of the upper annular rib (14) at least two radial grooves (16) are provided, which are adjacent to at least one of the screw-in (7) and receive them in the circumferential direction between them.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen zweiteiligen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Oberteil und einem damit verschraubten Unterteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Kolben.The present invention relates to a two-part piston for an internal combustion engine with an upper part and a lower part screwed therewith according to the preamble of claim 1. The invention also relates to an internal combustion engine with at least one such piston.

Aus der DE 10 2006 055 251 A1 ist ein gattungsgemäßer, zweiteiliger Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Oberteil und einem damit verschraubten Unterteil bekannt, wobei im Unterteil Durchgangsöffnungen und im Oberteil koaxial dazu angeordnete Einschrauböffnungen für das Oberteil mit dem Unterteil fixierende Schrauben vorgesehen sind. Im Oberteil ist dabei ein Kolbenboden eingeformt, ebenso wie ein nahe dem Kolbenboden und radial außen angeordneter und umlaufender Kühlkanal, der sich zum Teil auch in das Unterteil erstreckt. Der Kühlkanal ist dabei radial außen von einer mit dem Kolbenboden verbundenen Ringwand und radial innen teils von einer an die kolbenbodenabgewandte Unterseite des Oberteils angeformten, umlaufenden oberen Ringrippe und teils von einer auf der kolbenbodenzugewandten Oberseite des Unterteils angebrachten und ebenfalls umlaufenden unteren Ringrippe begrenzt. Das Oberteil und das Unterteil stehen dabei teils über die Unterseite der oberen Ringrippe und die Oberseite der unteren Ringrippe begrenzende Auflageflächen miteinander in Kontakt. Zur Vermeidung von Schwingungsreibverschleiß und von druckbedingten Materialverschweißungen wird dabei mindestens eine der Auflageflächen auf einfache und preisgünstige Weise mit einer Chromschicht belegt, die eine strukturierte und eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen aufweisende Oberfläche hat. From the DE 10 2006 055 251 A1 is a generic, two-piece piston for an internal combustion engine with an upper part and a lower part screwed therewith known, being provided in the lower part through-holes and coaxially arranged in the upper part screw-in openings for the upper part with the lower part fixing screws. In the upper part of a piston crown is formed, as well as a near the piston head and radially outwardly arranged and circumferential cooling channel, which extends partly in the lower part. The cooling channel is in this case bounded radially on the outside by a ring wall connected to the piston bottom and radially inwardly by a circumferential upper annular rib formed on the underside of the upper part facing away from the piston bottom and partly by a lower annular rib mounted on the upper side of the lower part facing the piston head. The upper part and the lower part are partly on the underside of the upper annular rib and the upper side of the lower annular rib limiting bearing surfaces in contact. To avoid Schwingungsreibverschleiß and pressure-related Materialverschweißungen while at least one of the bearing surfaces is covered in a simple and inexpensive way with a chromium layer having a structured and a plurality of elevations and depressions having surface.

Aus der GB 718,612 ist ebenfalls ein zweiteiliger Kolben für einen Brennkraftmaschine mit einem Oberteil und einem damit verschraubten Unterteil bekannt. Für Großmotoren, beispielsweise für Schiffsdiesel, werden üblicherweise zweiteilige Stahlkolben eingesetzt. Im Betrieb erhitzt sich dabei jedoch das Oberteil eines solchen Kolbens stark und dehnt sich entsprechend aus. Da die Wärmeleitung von Stahl nicht sehr hoch ist, ist das Oberteil an einer Unterseite deutlich kühler als an einer Oberseite, das heißt einer dem Brennraum zugewandten Oberseite, wodurch die Ringrippen unter Umfangszugspannung geraten. Insbesondere im Bereich einer Einschrauböffnung im Oberteil für die das Unterteil mit dem Oberteil des Kolbens verbindenden Schrauben, wird jedoch die innere Ringrippe deutlich geschwächt, was dort zu Spannungskonzentrationen führt. Hinzu kommt noch die axiale Druckkraft durch den Zünddruck in der Ringrippe. Damit die miteinander in Kontakt stehenden Anlageflächen des Oberteils und des Unterteils auch im Ansaugtakt unter einer permanenten Druckvorspannung gehalten werden können, ist eine erhebliche Vorspannung des Unterteils gegenüber dem Oberteil mittels der Schrauben erforderlich, wodurch sich wiederum Spannungskonzentrationen im Bereich der Einschrauböffnungen im Oberteil ergeben und mit dem Verbrennungsdruck überlagert werden, wodurch die dort ohnehin bereits geschwächte Stelle zusätzlich belastet wird, was insbesondere langfristig zu Rissen in der oberen inneren Ringrippe führen kann. From the GB 718,612 is also known a two-piece piston for an internal combustion engine with an upper part and a lower part screwed therewith. For large engines, such as marine diesel, usually two-piece steel pistons are used. During operation, however, the upper part of such a piston heats up strongly and expands accordingly. Since the heat conduction of steel is not very high, the upper part is significantly cooler on a lower side than on an upper side, that is to say an upper side facing the combustion chamber, as a result of which the annular ribs are subject to circumferential tensile stress. However, in particular in the region of a screw-in opening in the upper part for the screws connecting the lower part to the upper part of the piston, the inner annular rib is significantly weakened, which leads to stress concentrations there. In addition, there is the axial pressure force by the ignition pressure in the annular rib. Thus, the contact surfaces of the upper part and the lower part in contact with each other can be kept under a permanent pressure bias in the intake stroke, a significant bias of the lower part relative to the upper part by means of screws is required, which in turn result in stress concentrations in the region of the screw holes in the upper part and superimposed on the combustion pressure, whereby the already already weakened point there is additionally charged, which in particular can lead to long-term cracks in the upper inner annular rib.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen zweiteiligen Kolben der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.The present invention therefore deals with the problem of providing for a two-part piston of the generic type an improved or at least one alternative embodiment, which overcomes in particular disadvantages known from the prior art.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This problem is solved according to the invention by the subject matter of independent claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die durch eine Schraubenvorspannung eines Oberteils gegen ein Unterteil eines zweiteiligen Kolbens einer Brennkraftmaschine erzeugte axiale Druckspannung in einer oberen, inneren Ringrippe von einer Umfangszugspannung durch das Einbringen von radialen Entlastungsfräsungen zu entkoppeln. Der erfindungsgemäße zweiteilige Kolben für eine Brennkraftmaschine besitzt dabei ein Oberteil sowie ein damit verschraubtes Unterteil, wobei im Unterteil Durchgangsöffnungen und im Oberteil koaxial dazu angeordnete Einschrauböffnungen für das Oberteil mit dem Unterteil fixierende Schrauben vorgesehen sind. Der Kolben weist darüber hinaus einen vom Oberteil gebildeten Kolbenboden und einen vom Unterteil gebildeten Kolbenschaft auf, wobei der Kolbenschaft zwei einander gegenüberliegende Bolzenbohrungen besitzt, über welche der Kolben mit einem entsprechenden Bolzen mit einem Pleuel verbunden werden kann. Nahe dem Kolbenboden und radial außen angeordnet ist nun ein umlaufender Kühlkanal, der zum Teil in das Oberteil und zum Teil in das Unterteil eingeformt ist. Der Kühlkanal ist dabei radial außen von einer mit dem Kolbenboden verbundenen Ringwand und radial innen teils von einer an die kolbenbodenabgewandte Unterseite des Oberteils angeformten, umlaufenden oberen Ringrippe und teils von einer auf der kolbenbodenzugewandten Oberseite des Unterteils angebrachten, umlaufenden unteren Ringrippe begrenzt. Das Oberteil und das Unterteil stehen darüber hinaus teils über die Unterseite der oberen Ringrippe und die Oberseite der unteren Ringrippe begrenzende Anlageflächen miteinander in Kontakt. Erfindungswesentlich ist nun, dass in der Unterseite der oberen Ringrippe zumindest zwei radiale Nuten vorgesehen sind, die benachbart zu zumindest einer der Einschrauböffnungen angeordnet sind und diese in Umfangsrichtung zwischen sich aufnehmen. Diese zumindest zwei radialen Nuten bilden dabei die zuvor erwähnten radialen Entlastungsfräsungen. Im Ergebnis bewirken dabei die im Oberteil angeordneten radialen Nuten eine Unterbrechung der Ringrippe in Umfangsrichtung, so dass sich die Zugumfangsspannungen ihren Weg weiter oben, das heißt näher am Kolbenboden, suchen, während der Abschnitt der oberen Ringrippe unmittelbar um die Schraube, der den maximalen Axialdruck aufnimmt, durch die (Entlastungs-)Nuten entlastet wird. Im Bereich der maximalen Umfangsspannung verteilt sich dagegen der Axialdruck gleichmäßiger und zugleich wird ein Teil bereits in das Gewinde der Schraube eingeleitet. Letztlich lässt sich durch diese Trennung von tangentialem Zug und axialem Druck das Oberteil des Kolbens höher belasten und/oder leichter ausführen. The present invention is based on the general idea of decoupling the axial compressive stress in a top, inner annular rib generated by a helical bias of a top against a lower part of a two-part piston of an internal combustion engine from a circumferential tensile stress by the introduction of radial relief milling. The two-part piston according to the invention for an internal combustion engine in this case has an upper part and a lower part screwed thereto, wherein in the lower part passage openings and in the upper part coaxial thereto arranged screw-in openings for the upper part with the lower part fixing screws are provided. The piston also has a piston crown formed by the upper part and a piston skirt formed by the lower part, wherein the piston skirt has two opposing bolt holes through which the piston can be connected to a connecting rod with a connecting rod. Near the piston head and radially outward is now a circumferential cooling channel, which is partially formed in the upper part and partly in the lower part. The cooling channel is thereby bounded radially on the outside by a ring wall connected to the piston bottom and radially inwardly by a circumferential upper annular rib formed on the underside of the upper part facing away from the piston bottom and partly by a circumferential lower annular rib mounted on the upper surface of the lower part facing the piston head. The upper part and the lower part are also partly on the underside of the upper annular rib and the upper side of the lower annular rib limiting abutment surfaces in contact. Is essential to the invention now that at least two radial grooves are provided in the underside of the upper annular rib, which adjacent to at least one of Screw-in openings are arranged and receive them in the circumferential direction between them. These at least two radial grooves form the aforementioned radial relief milling. As a result, thereby causing the arranged in the upper radial grooves interrupting the annular rib in the circumferential direction, so that the Zugumfangsspannungen their way further up, that is closer to the piston bottom search, while the portion of the upper annular rib immediately to the screw, the maximum axial pressure is taken, is relieved by the (discharge) grooves. In the area of the maximum hoop stress, on the other hand, the axial pressure distributes more uniformly and at the same time a part is already introduced into the thread of the screw. Ultimately, this separation of tangential tension and axial pressure makes the upper part of the piston heavier and / or easier to carry out.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weisen die zumindest zwei Nuten eine axiale Höhe auf, die mindestens der Hälfte einer Einschraubtiefe der zugehörigen Schraube in das Oberteil entspricht. Durch die erfindungsgemäß gewählte axiale Mindesthöhe der Nuten können zum einen der Bereich der oberen Ringrippe um die jeweilige Schraube herum von Zugumfangsspannungen zuverlässig entlastet und zugleich die Zugumfangsspannungen in den gewünschten, kolbenbodennahen Bereich umgeleitet werden. Durch die jeweilige Auslegung der axialen Höhe lässt sich somit eine definierte Umleitung der Zugumfangsspannungen in der oberen Ringrippe hin zum Kolbenboden bewirken.In an advantageous development of the solution according to the invention, the at least two grooves have an axial height which corresponds to at least half of a screwing depth of the associated screw into the upper part. By virtue of the axial minimum height of the grooves selected according to the invention, the region of the upper annular rib around the respective screw can be reliably relieved of tensile circumferential stresses and at the same time the tensile peripheral stresses can be diverted into the desired region close to the piston crown. As a result of the respective design of the axial height, a defined redirection of the tensile circumferential stresses in the upper annular rib toward the piston crown can thus be effected.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung beträgt eine Materialstärke der oberen Ringrippe in Umfangsrichtung zwischen einer Einschrauböffnung und einer benachbarten Nut mindestens dem einfachen Durchmesser der Einschrauböffnung und höchstens dem dreifachen Durchmesser der Einschrauböffnung. Hierdurch kann zum einen erreicht werden, dass für den über die Schrauben aufgebrachten Axialdruck noch genügend Material zur Verfügung steht und zum anderen Bereiche der oberen Ringrippe unmittelbar um die Schraube effektiv von Zugumfangsspannungen entlastet werden. Eine Breite der einzelnen Nuten ist dabei von untergeordneter Bedeutung und lediglich hinsichtlich eines erforderlichen Kühlölübertrags auszulegen. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind die zumindest zwei Nuten ausgerundet. Durch eine derartige Ausrundung der einzelnen Nuten können insbesondere Kerbwirkungen, die langfristig eine Rissbildung begünstigen können, zumindest minimiert werden. Als besonders günstig hat sich dabei erwiesen, sofern die Nuten einen ausgerundeten Übergang zwischen einer jeweiligen Nutwand und einem Nutgrund aufweisen, wobei zugleich im Nutgrund ein ebener Abschnitt vorgesehen ist. In an advantageous development of the solution according to the invention, a material thickness of the upper annular rib in the circumferential direction between a screw-in opening and an adjacent groove is at least the simple diameter of the screw-in opening and at most three times the diameter of the screw-in opening. This can be achieved on the one hand, that for the axial pressure applied over the screws still enough material is available and the other areas of the upper annular rib are immediately relieved by Zugumfangsspannungen immediately around the screw. A width of the individual grooves is of minor importance and interpreted only in terms of a required cooling oil transfer. In an advantageous development of the solution according to the invention, the at least two grooves are rounded. By such a rounding of the individual grooves, in particular notch effects which can promote crack formation in the long term can at least be minimized. In this case, it has proven to be particularly favorable, if the grooves have a rounded transition between a respective groove wall and a groove bottom, wherein at the same time a planar portion is provided in the groove base.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind die Nuten gefräst. Ein derartiges Fräsen der Nuten stellt einen einerseits kostengünstigen und andererseits besonders exakten Herstellungsprozess dar, wobei selbstverständlich auch denkbar ist, dass die Nuten anderweitig eingeformt sind, beispielsweise bereits beim Schmieden oder Gießen mit hergestellt werden.In an advantageous embodiment of the solution according to the invention, the grooves are milled. Such a milling of the grooves represents a hand, on the one hand cost-effective and on the other hand particularly accurate manufacturing process, which of course is also conceivable that the grooves are otherwise formed, for example, already be produced during forging or casting.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem zuvor beschriebenen Kolben auszustatten, wodurch insbesondere bei gleicher gewünschter Leistung das Oberteil des Kolbens und damit der Kolben insgesamt leichter ausgebildet werden können oder aber bei gleichem Gewicht eine höhere Leistung erreicht werden kann. Eine derartige Brennkraftmaschine bzw. ein zugehöriger Kolben werden dabei insbesondere bei Großmotoren, wie beispielsweise Schiffsdieseln, eingesetzt.The present invention is further based on the general idea of equipping an internal combustion engine with at least one piston described above, whereby the upper part of the piston and thus the piston can be made lighter overall or at the same weight a higher performance can be achieved especially for the same desired performance , Such an internal combustion engine or an associated piston are used in particular in large engines, such as marine diesels.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

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.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,Show, in each case schematically,

1 eine Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, zweiteiligen Kolbens, 1 a sectional view through a possible embodiment of a two-part piston according to the invention,

2 eine Ansicht von unten auf eine mögliche Ausführungsform eines Oberteils des Kolbens, 2 a bottom view of a possible embodiment of an upper part of the piston,

3 ebenfalls eine Ansicht von unten auf das Oberteil, 3 also a bottom view of the top,

4 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene IV-IV, 4 a sectional view along the section plane IV-IV,

5 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene V-V. 5 a sectional view along the section plane VV.

Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Kolben 1 für eine Brennkraftmaschine 2 ein Oberteil 3 sowie ein damit über Schrauben 4 verschraubtes Unterteil 5 auf. Im Unterteil 5 sind dabei Durchgangsöffnungen 6 und im Oberteil 3 koaxial dazu angeordnete Einschrauböffnungen 7 vorgesehen, wobei die Schrauben 4 durch die Durchgangsöffnungen 6 von unten in die Einschrauböffnungen 7 des Oberteils 3 eingeschraubt werden. Der Kolben 1 weist darüber hinaus einen vom Oberteil 3 gebildeten Kolbenboden 8 und einen vom Unterteil 5 gebildeten Kolbenschaft 9 auf, der zwei einander gegenüberliegende Bolzenbohrungen 10 besitzt. In diesen Bolzenbohrungen 10 ist in bekannter Weise ein nicht gezeigter Kolbenbolzen angeordnet, der den Kolben 1 mit einem ebenfalls nicht gezeigten Pleuel der Brennkraftmaschine 2 verbindet. Nahe dem Kolbenboden 8 und radial außen angeordnet, ist ein umlaufender Kühlkanal 11, welcher zum Teil in das Oberteil 3 und zum Teil in das Unterteil 5 eingeformt ist. Der Kühlkanal 11 ist dabei radial außen von einer mit dem Kolbenboden 8 verbundenen Ringwand 12 und radial innen teils von einer an die kolbenbodenabgewandte Unterseite 13 des Oberteils 3 angeformten, umlaufenden oberen Ringrippe 14 und teils von einer auf der kolbenbodenzugewandten Oberseite des Unterteils 5 angebrachten, umlaufenden unteren Ringrippe 15 begrenzt. Das Oberteil 3 und das Unterteil 5 stehen dabei teils über die Unterseite 13 der oberen Ringrippe 14 und die Oberseite der unteren Ringrippe 15 begrenzte Anlageflächen miteinander in Kontakt. Erfindungsgemäß sind nun in der Unterseite 13 der oberen Ringrippe 14 zumindest zwei radiale Nuten 16 (vergleiche auch die 2–5) vorgesehen, die benachbart zu zumindest einer der Einschrauböffnungen 7 angeordnet sind und diese in Umfangsrichtung zwischen sich aufnehmen. Durch die in Radialrichtung verlaufenden Nuten 16, die zudem benachbart zu den zumindest zwei Einschrauböffnungen 7 angeordnet sind, kann eine räumliche Trennung einer Axialspannung, welche durch die Schrauben 4 aufgebracht wird, und einer beim Betrieb der Brennkraftmaschine 2 auftretenden Umfangszugspannung erreicht werden, wodurch insbesondere ein um die jeweilige Einschrauböffnung 7 herum angeordneter Bereich, der durch die zuvor genannten axialen Druck- und Umfangszugspannungen stark belastet ist, entlastet werden kann. Mit den im Oberteil 3 angeordneten Nuten 16 können die Umfangszugspannungen insbesondere in Richtung des Kolbenbodens 8 verlagert werden. According to the 1 , Has a piston according to the invention 1 for an internal combustion engine 2 a shell 3 as well as a screw about it 4 screwed lower part 5 on. In the lower part 5 There are through holes 6 and in the shell 3 Coaxially arranged screw-in openings 7 provided, with the screws 4 through the passage openings 6 from below into the screw-in openings 7 of the top 3 be screwed. The piston 1 also has one from the top 3 formed piston bottom 8th and one from the bottom 5 formed piston stem 9 on, the two opposing bolt holes 10 has. In these bolt holes 10 In a known manner, a not shown piston pin is arranged, which the piston 1 with a connecting rod, also not shown, of the internal combustion engine 2 combines. Near the piston bottom 8th and arranged radially outward, is a circumferential cooling channel 11 , which partly in the upper part 3 and partly in the lower part 5 is formed. The cooling channel 11 is radially outward from one with the piston crown 8th connected ring wall 12 and radially inward partly from a bottom side facing away from the piston bottom 13 of the top 3 molded, circumferential upper annular rib 14 and partly by a on the piston bottom facing top of the base 5 attached, surrounding lower ring rib 15 limited. The top 3 and the lower part 5 are partly about the bottom 13 the upper ring rib 14 and the top of the lower ring rib 15 limited contact surfaces in contact with each other. According to the invention are now in the bottom 13 the upper ring rib 14 at least two radial grooves 16 (compare also the 2 - 5 ) provided adjacent to at least one of the screw-in openings 7 are arranged and record them in the circumferential direction between them. Through the radial grooves 16 , which also adjacent to the at least two screw holes 7 can be arranged, a spatial separation of an axial stress, which by the screws 4 is applied, and one in the operation of the internal combustion engine 2 occurring circumferential tensile stress can be achieved, which in particular one to the respective screw 7 around arranged area which is heavily loaded by the aforementioned axial compressive and circumferential tensile stresses can be relieved. With the in the upper part 3 arranged grooves 16 can the circumferential tensile stresses in particular in the direction of the piston crown 8th be relocated.

Vorzugsweise beträgt dabei eine axiale Höhe h der zumindest zwei Nuten 16 mindestens der Hälfe einer Einschraubtiefe t der zugehörigen Schraube 4 in das Oberteil 3. Im Ergebnis bewirken dabei die Nuten 16 also eine Unterbrechung der oberen Ringrippe 14, so dass sich die Zugumfangsspannungen ihren Weg weiter oben, das heißt näher am Kolbenboden 8 suchen müssen, während der direkt benachbart zu der Schraube 4 bzw. zu der Einschrauböffnung 7 angeordnete Abschnitt der oberen Ringrippe 14, der den maximalen Axialdruck von der Schraube 4 aufnehmen muss, von der Umfangszugspannung entlastet wird. Im Bereich der maximalen Umfangszugspannung hingegen verteilt sich dagegen der Axialdruck gleichmäßiger, wobei bereits ein Teil des Axialdrucks in das Gewinde der Schraube 4 eingeleitet wird. Letztlich lässt sich durch diese Trennung von tangentialem Zug und axialem Druck das Oberteil 3 des Kolbens 1 höher belasten und/oder leichter bauen. Preferably, an axial height h of the at least two grooves 16 at least half of a screwing depth t of the associated screw 4 in the shell 3 , As a result, thereby causing the grooves 16 So an interruption of the upper ring rib 14 , so that the Zugumfangsspannungen their way further up, that is closer to the piston crown 8th look for while the directly adjacent to the screw 4 or to the screw-in opening 7 arranged section of the upper ring rib 14 , which is the maximum axial pressure of the screw 4 must be absorbed by the circumferential tensile stress. By contrast, in the region of the maximum circumferential tensile stress, the axial pressure distributes more uniformly, whereby already a part of the axial pressure in the thread of the screw 4 is initiated. Ultimately, this separation of tangential tension and axial pressure allows the upper part 3 of the piston 1 heavier and / or easier to build.

Eine Materialstärke d (vergleiche die 3 und 4) zwischen der Einschrauböffnung 7 und einer benachbarten Nut 16 entspricht dabei mindestens dem einfachen Durchmesser der Einschrauböffnung 7 und höchstens dem dreifachen Durchmesser der Einschrauböffnung 7, wodurch einerseits genügend Material zur Aufnahme der axialen Druckkräfte vorhanden ist und andererseits eine Entlastung des kritischen Einschraubbereichs von tangentialen Zugumfangsspannungen gewährleistet werden kann.A material thickness d (compare the 3 and 4 ) between the screw hole 7 and a neighboring groove 16 corresponds to at least the simple diameter of the screw-in 7 and at most three times the diameter of the screw hole 7 , whereby on the one hand sufficient material for receiving the axial compressive forces is present and on the other hand, a relief of the critical screw-in range of tangential Zugumfangsspannungen can be ensured.

Die zumindest zwei Nuten 16, gemäß den 1–5 die zumindest vier Nuten 16, sind dabei ausgerundet ausgebildet, wodurch insbesondere eine Kerbwirkung und damit auch die Gefahr einer Rissbildung verringert werden können. Betrachtet man die Nuten 16 gemäß der 4 genauer, so kann man erkennen, dass diese einen ausgerundeten Übergang zwischen einer jeweiligen Nutwand 17 und einem Nutgrund 18 aufweist, wobei im Nutgrund 18 ein ebener Abschnitt vorgesehen ist. Je nach Breite des ebenen Abschnitts im Nutgrund 18 kann die jeweilige Nut 16 mehr oder weniger breit ausgestaltet sein, wobei die Breite an sich lediglich von dem erforderlichen Öldurchfluss zwischen einem Kolbeninnenraum und dem Kühlkanal 11 bestimmt wird.The at least two grooves 16 , according to the 1 - 5 the at least four grooves 16 are designed rounded, which in particular a notch effect and thus the risk of cracking can be reduced. Looking at the grooves 16 according to the 4 more precisely, it can be seen that these have a rounded transition between a respective groove wall 17 and a groove bottom 18 having, wherein in the groove bottom 18 a planar section is provided. Depending on the width of the flat section in the groove base 18 can the respective groove 16 be more or less wide, the width itself only of the required oil flow between a piston interior and the cooling channel 11 is determined.

Betrachtet man die 1 und 2, so kann man erkennen, dass je Kolben 1 insgesamt zwei Schrauben 4 und insgesamt vier radiale Nuten 16 vorgesehen sind, die benachbart zu zwei gegenüberliegenden Einschrauböffnungen 7 angeordnet sind und diese in Umfangsrichtung zwischen sich aufnehmen. Eine durch die beiden Achsen der Einschrauböffnungen 7 gelegte Gerade 19 (vergleiche 1) verläuft dabei orthogonal zur Achse 20 der Bolzenbohrung. Gemäß der 1 verläuft dabei die Gerade 19 in der Bildebene, während die Achse 20 der Bolzenbohrungen senkrecht zur Bildebene verläuft.Looking at the 1 and 2 so you can tell that each piston 1 a total of two screws 4 and a total of four radial grooves 16 are provided, which are adjacent to two opposite screw-in 7 are arranged and record them in the circumferential direction between them. One through the two axes of the screw holes 7 laid straight line 19 (see 1 ) runs orthogonal to the axis 20 the bolt hole. According to the 1 runs the straight line 19 in the image plane, while the axis 20 the bolt holes perpendicular to the image plane.

Um die Nuten 16 möglichst kostengünstig herstellen zu können, werden diese üblicherweise gefräst, können selbstverständlich aber auch in anderer Art und Weise, beispielsweise direkt beim Schmieden oder Gießen des Oberteils 3 des Kolbens 1 mit hergestellt werden. Die Nuten 16 sind dabei in die Anlagefläche an der Unterseite 13 der oberen Ringrippe 14 eingebracht.Around the grooves 16 to be able to produce as inexpensively as possible, these are usually milled, but can of course also in other ways, for example, directly when forging or casting the shell 3 of the piston 1 to be made with. The grooves 16 are there in the contact surface at the bottom 13 the upper ring rib 14 brought in.

Rein theoretisch ist es auch denkbar, dass in der Oberseite der unteren Ringrippe 15 zumindest zwei radiale Nuten 16' vorgesehen sind, die benachbart zu zumindest einer der Durchgangsöffnungen 6 angeordnet sind und diese in Umfangsrichtung zwischen sich aufnehmen. Gemäß der 1 sind dabei die lediglich rein optional vorzusehenden Nuten 16' lediglich mit unterbrochen gezeichneter Linie dargestellt. Sie können eine gänzlich andere Gestalt als die zugehörigen Nuten 16 aufweisen, oder aber spiegelbildlich zu diesen ausgebildet sein.Purely theoretically it is also conceivable that in the top of the lower ring rib 15 at least two radial grooves 16 ' are provided adjacent to at least one of the through holes 6 are arranged and record them in the circumferential direction between them. According to the 1 are the only purely optional grooves to be provided 16 ' only shown with broken line drawn. They can have a completely different shape than the corresponding grooves 16 have, or be designed mirror images of these.

Mit dem erfindungsgemäßen Kolben 1 und insbesondere auch mit der damit ausgestalteten Brennkraftmaschine 2 lassen sich insbesondere Spannungskonzentrationen im Bereich direkt neben ein Oberteil 3 mit einem Unterteil 5 verbindenden Schrauben 4 in einer oberen Ringrippe 14 des Oberteils 3 reduzieren, wodurch eine räumliche Trennung einer dort aufgrund der Schrauben 4 vorhandenen Axialdruckspannung von einer im Betrieb der Brennkraftmaschine 2 auftretenden tangentialen Zugumfangsspannung möglich ist. Die axiale Druckkraft wird neben den vorgespannten Schrauben 4 zusätzlich durch den Zünddruck beim Betrieb der Brennkraftmaschine 2 verstärkt. Da jedoch die Schrauben 4 derart hoch vorgespannt sein müssen, dass diese das Oberteil 3 mit dem Unterteil 5 auch im Ansaugtakt der Brennkraftmaschine 2 unter permanenter Druckspannung halten, ist insbesondere ein Bereich direkt benachbart zu den jeweiligen Einschrauböffnungen 7 einer erhöhten Spannungskonzentration ausgesetzt. Da sich während des Betriebs der Brennkraftmaschine 2 aufgrund der dabei auftretenden hohen Temperaturen das Oberteil 3 an einer dem Brennraum zugewandten Oberseite deutlich stärker erwärmt als an einer davon abgewandten unteren Seite im Bereich der oberen Ringrippe 14, gerät die obere Ringrippe 14 zusätzlich unter die zuvor beschriebene Umfangszugspannung. Mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Nuten 16 in der oberen Ringrippe 14 kann erstmals eine räumliche Trennung dieser Zugumfangsspannungen von den im Bereich der Einschrauböffnungen 7 und der Schrauben 4 auftretenden axialen Druckspannungen erreicht werden und dadurch das Oberteil 3 leichter ausführen oder höher belasten.With the piston according to the invention 1 and in particular with the thus designed internal combustion engine 2 In particular, stress concentrations in the area directly next to an upper part can be determined 3 with a lower part 5 connecting screws 4 in an upper ring rib 14 of the top 3 reduce, creating a spatial separation of a there due to the screws 4 existing axial pressure of one during operation of the internal combustion engine 2 occurring tangential Zugumfangsspannung is possible. The axial compressive force is next to the prestressed screws 4 additionally by the ignition pressure during operation of the internal combustion engine 2 strengthened. However, because the screws 4 must be biased so high that this is the top 3 with the lower part 5 also in the intake stroke of the internal combustion engine 2 Keep under permanent compressive stress, in particular an area directly adjacent to the respective screw holes 7 exposed to an increased stress concentration. Since during operation of the internal combustion engine 2 due to the high temperatures occurring, the upper part 3 heated significantly more strongly at an upper side facing the combustion chamber than at a lower side facing away from it in the region of the upper annular rib 14 , gets the upper ring rib 14 in addition to the previously described circumferential tensile stress. With the inventively provided grooves 16 in the upper ring rib 14 For the first time, it is possible to spatially separate these tension forces from those in the area of the screw-in openings 7 and the screws 4 occurring axial compressive stresses are achieved and thereby the upper part 3 easier to carry or heavier load.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006055251 A1 [0002]
GB 718612 [0003]

Claims

Two-piece piston ( 1 ) for an internal combustion engine ( 2 ) - with an upper part ( 3 ) and a lower part screwed therewith ( 5 ), - where in the lower part ( 5 ) Passage openings ( 6 ) and in the upper part ( 3 ) coaxial thereto arranged screw holes ( 7 ) for the upper part ( 3 ) with the lower part ( 5 ) connecting screws ( 4 ), - with one of the upper part ( 3 ) formed piston bottom ( 8th ) and one from the lower part ( 5 ) formed piston stem ( 9 ), which has two opposing bolt holes, - with a close to the piston head ( 8th ) and radially outwardly disposed, circulating cooling channel ( 11 ), partly in the upper part ( 3 ) and partly in the lower part ( 5 ) is formed, - wherein the cooling channel ( 11 ) radially outward from one to the piston head ( 8th ) connected annular wall ( 12 ) and radially inward partly from a bottom side facing away from the piston bottom ( 13 ) of the upper part ( 3 ) formed upper annular rib ( 14 ) and partly of a on the piston bottom facing top of the lower part ( 5 ) attached lower ring rib ( 15 ), the upper part ( 3 ) and the lower part ( 5 ) partly on the underside ( 13 ) of the upper ring rib ( 14 ) and the top of the lower ring rib ( 15 ) limiting, contact surfaces are in contact, characterized in that in the bottom ( 13 ) of the upper ring rib ( 14 ) at least two radial grooves ( 16 ) are provided, which adjacent to at least one of the screw holes ( 7 ) are arranged and receive them in the circumferential direction between them.

Piston according to claim 1, characterized in that an axial height (h) of the at least two grooves ( 16 ) at least half of a screwing depth (t) of the associated screw ( 4 ) in the upper part ( 3 ) is.

Piston according to claim 1 or 2, characterized in that the at least two grooves ( 16 ) are rounded off.

Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the grooves ( 16 ) a rounded transition between a respective groove wall ( 17 ) and a groove bottom ( 18 ), wherein in the groove bottom ( 18 ) is provided a planar portion.

Piston according to one of the preceding claims, characterized in that two screws ( 4 ) and a total of four radial grooves ( 16 ) are provided, which adjacent to two opposite screw holes ( 7 ) are arranged and receive them in the circumferential direction between them.

Piston according to claim 5, characterized in that a through the two axes of the screw-in openings ( 7 ) placed straight line ( 19 ) orthogonal to the axis ( 20 ) of the bolt holes runs.

Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the grooves ( 16 ) are milled.

Piston according to one of the preceding claims, characterized in that in the upper side of the lower annular rib ( 15 ) at least two radial grooves ( 16 ' ) are provided, which adjacent to at least one of the passage openings ( 6 ) are arranged and receive them in the circumferential direction between them.

Piston according to one of the preceding claims, characterized in that a material thickness d between a screw-in opening ( 7 ) and an adjacent groove ( 16 ) at least the simple diameter of the screw-in ( 7 ) and at most three times the diameter of the screw-in opening ( 7 ) corresponds.

Internal combustion engine ( 2 ) with at least one piston ( 1 ) according to any one of the preceding claims.