DE102017108271A1

DE102017108271A1 - piston

Info

Publication number: DE102017108271A1
Application number: DE102017108271.9A
Authority: DE
Inventors: Klaus Lormes; Edward Werninghaus
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2017-11-02
Also published as: WO2017190952A1; EP3452711A1

Abstract

Kolben (1) einer Brennkraftmaschine mit einem Oberteil (2) und einem Unterteil (3), wobei das Oberteil (2) zumindest ein Ringfeld aufweist und das Unterteil gebildet ist von gegenüberliegenden Bolzenbohrungen (4) und Kolbenschäften (5), wobei zwischen dem Oberteil (2) und zumindest einem Kolbenschaft (5) ein Schlitz (6) angeordnet ist.Piston (1) of an internal combustion engine having an upper part (2) and a lower part (3), wherein the upper part (2) has at least one annular field and the lower part is formed by opposite pin holes (4) and piston shafts (5), wherein between the upper part (2) and at least one piston shaft (5) has a slot (6) is arranged.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Oberteil und einem Unterteil, wobei das Oberteil zumindest ein Ringfeld aufweist und das Unterteil gebildet ist von gegenüberliegenden Bolzenbohrungen und Kolbenschäften, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.The invention relates to a piston of an internal combustion engine having an upper part and a lower part, wherein the upper part has at least one annular field and the lower part is formed by opposite pin holes and piston shanks, according to the features of the preamble of claim 1.

Kolben von Brennkraftmaschinen, die im betriebsfertigen Zustand einstückig ausgebildet sind und bei ihrer Herstellung einstückig sind oder aus zwei oder mehr Teilen gebildet werden können, sind bekannt. Unabhängig davon, ob ein Kolbenrohling zur Herstellung eines betriebsfertigen Kolbens einstückig oder aus mehreren Teilen hergestellt worden ist, weisen solche Kolben ein Oberteil auf, welches ein Ringfeld umfasst. Gegebenenfalls können auch eine Brennraummulde und andere Elemente des Kolbens in diesem Bereich des Oberteiles vorgesehen werden. An dem Oberteil angehangen ist in an sich bekannter Weise der Kolbenschaftbereich, der beispielsweise durchgehend zylinderförmig oder aus sich gegenüberliegenden Kolbenschäften (tragende Schaftwandabschnitte) besteht. Im Bereich des Unterteils sind auch sich gegenüberliegende Bolzenbohrungen vorhanden, die entweder den Kolbenschaft oder Verbindungswände, die die tragenden Schaftwandabschnitte verbinden, durchdringen.Pistons of internal combustion engines, which are integrally formed in the operational state and are integral in their manufacture or can be formed from two or more parts are known. Regardless of whether a piston blank has been produced in one piece or in several parts to produce a ready-to-use piston, such pistons have an upper part which comprises a ring field. Optionally, a combustion bowl and other elements of the piston can be provided in this region of the upper part. Attached to the upper part is in a manner known per se the piston skirt area, which for example is continuous cylindrical or from opposite piston shanks (supporting shaft wall sections). In the region of the lower part there are also opposite pin holes which penetrate either the piston skirt or connecting walls connecting the supporting skirt wall sections.

Ein Kolben ist aus der DE 10 2009 032 916 A1 bekannt.A piston is out of the DE 10 2009 032 916 A1 known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen bekannten Kolben hinsichtlich seiner Betriebseigenschaften beim Einsatz in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine zu verbessern.The invention has for its object to improve such a known piston in terms of its operating characteristics when used in a cylinder of an internal combustion engine.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.This object is solved by the features of claim 1.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen dem Oberteil und zumindest einem Kolbenschaft ein Schlitz angeordnet ist. Obwohl der Kolbenschaft mit dem Oberteil verbunden bleibt, kann er mittels des Schlitzes von dem Oberteil teilentkoppelt werden und somit kann in vorteilhafter Weise die Steifigkeit des Kolbenschaftes abhängig von der Geometrie des Schlitzes gezielt herabgesetzt werden. Außerdem führt ein solcher Schlitz zu einer Reduzierung der Reibung des Kolbenschaftes und auch zu einer deutlichen Geräuschherabsetzung.According to the invention, it is provided that a slot is arranged between the upper part and at least one piston skirt. Although the piston shaft remains connected to the upper part, it can be partially decoupled by means of the slot of the upper part and thus advantageously the stiffness of the piston skirt can be selectively reduced depending on the geometry of the slot. In addition, such a slot leads to a reduction in the friction of the piston skirt and also to a significant noise reduction.

Grundsätzlich ist die Ausgestaltung der Höhe und der Breite des Schlitzes abhängig von den auftretenden Seitenkräften, der Kolbengesamthöhe sowie der Schaftlänge. Um hier eine optimale Auslegung gewährleisten zu können, ist es notwendig, einen Bemessungsspielraum (%-Bereich) in Bezug zum Kolbendurchmesser zur Verfügung zu haben. Beispielsweise kann dieser %-Bereich durch FEA Berechnungen festgelegt werden.Basically, the configuration of the height and the width of the slot depends on the occurring lateral forces, the piston total height and the shaft length. In order to guarantee an optimal design, it is necessary to have a design clearance (% range) with respect to the piston diameter. For example, this% range can be set by FEA calculations.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Schlitz zwischen der untersten Ringnut des Ringfeldes und der Oberkante des Kolbenschaftes, mit der der Kolbenschaft in das Oberteil übergeht, angeordnet. Ist der Schlitz an dieser Stelle angeordnet, wird eine besonders gute Teilentkoppelung der Steifigkeit des Schaftes von dem Oberteil des Kolbens erzielt.In a further development of the invention, the slot between the lowermost annular groove of the annular field and the upper edge of the piston skirt, with which the piston skirt merges into the upper part, is arranged. If the slot is arranged at this point, a particularly good partial decoupling of the rigidity of the shaft is achieved by the upper part of the piston.

In Weiterbildung der Erfindung weist der Schlitz eine mittlere Breite B1 und der Kolbenschaft eine mittlere Breite B2 auf, wobei B2 < B1 ist. Beispielsweise weist der Schlitz eine mittlere Breite B1 von 70% bis 90% der mittleren Breite B2 des Kolbenschaftes auf.In a development of the invention, the slot has a mean width B1 and the piston shaft has a mean width B2, where B2 <B1. For example, the slot has a mean width B1 of 70% to 90% of the mean width B2 of the piston skirt.

In Weiterbildung der Erfindung weist der Schlitz eine mittlere Breite B1 und der Kolbenschaft eine mittlere Breite B2 auf, wobei B2 > B1 ist.In a development of the invention, the slot has a mean width B1 and the piston shaft has a mean width B2, where B2> B1.

Bezüglich der vorstehend aufgeführten verschiedenen Bereiche ist auszuführen, dass es insbesondere aufgrund der Anordnung von Kühlöldüsen dazu führen kann, dass die Kastenwände (Verbindungswände zwischen den tragenden Schaftwandabschnitten) an Kolben breiter und somit auch die Schaftflächen größer gestaltet werden, als dies für die auftretenden Seitenkräfte notwendig ist. Hierbei ist eine Flexibilität beziehungsweise Aufweitung des %-Bereich notwendig, um auf diese besonderen geometrischen Bedingungen eingehen zu können.With regard to the various areas listed above, it should be noted that, in particular owing to the arrangement of cooling oil nozzles, the box walls (connecting walls between the supporting shaft wall sections) on pistons can be made wider and therefore the shaft surfaces larger than necessary for the lateral forces that occur is. In this case, a flexibility or expansion of the% range is necessary in order to be able to respond to these special geometric conditions.

Unter der mittleren Breite des Schlitzes bzw. des Kolbenschaftes ist zu verstehen, dass die jeweilige Breite entweder durch die Draufsicht auf den zylinderförmigen Bereich, in dem sich Schlitz und Kolbenschaft befinden, bestimmt wird (zweidimensionale Ansicht) oder dass die mittlere Breite dem Teilumfang im Verlauf des Schlitzes bzw. des Kolbenschaftes entspricht.The mean width of the slot or of the piston shaft is to be understood as meaning that the respective width is determined either by the plan view of the cylindrical region in which the slot and piston shaft are located (two-dimensional view) or that the average width is the partial circumference in the course corresponds to the slot or the piston shaft.

In Weiterbildung der Erfindung weist der Schlitz eine Höhe auf, die 0,25% bis 3,5% des Außendurchmessers des Kolbens beträgt.In a further development of the invention, the slot has a height which is 0.25% to 3.5% of the outer diameter of the piston.

Alternativ ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Schlitz eine Höhe aufweist, die 3,5% bis 5% des Außendurchmessers beträgt.Alternatively, it is provided in a development of the invention that the slot has a height which is 3.5% to 5% of the outer diameter.

Die Höhe des Schlitzes, aber auch die Breite des Schlitzes sind abhängig von einem kostenoptimalem Fertigungsverfahren zu wählen. Je nachdem, welches Fertigungsverfahren in einer Fertigungslinie Integriert ist oder integriert werden kann, muss dies in der Schlitzgestaltung berücksichtigt werden. Zum Beispiel können durch die Bearbeitung mit einem Sägeblatt kleine Schlitzhöhen (< 0,5 mm) wirtschaftlicher umgesetzt werden als zum Beispiel durch Fräsen. Wiederum ist zum Beispiel durch Fräsen ein größerer Gestaltungsfreiraum der Schlitzgeometrie (Höhe und/oder Breite und/oder Geometrie) gegeben. Die Schlitzgestaltung ist so auszulegen, dass ein guter Kompromiss zwischen Schaftentkopplung und ausreichender Bauteilfestigkeit umgesetzt werden kann.The height of the slot, but also the width of the slot are dependent on a cost-optimal manufacturing process to choose. Depending on which manufacturing process is integrated or can be integrated in a production line, this must be taken into account in the slot design. For example, by machining with a saw blade small slot heights (<0.5 mm) be implemented more economically than for example by milling. Again, for example, by milling a greater freedom of design of the slot geometry (height and / or width and / or geometry) is given. The slot design must be designed so that a good compromise between shaft decoupling and sufficient component strength can be implemented.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Endbereiche des Schlitzes parallel zu einer Querachse des Kolbens ausgerichtet. Alternativ dazu sind die Endbereiche des Schlitzes in einem Winkel α zu einer Querachse des Kolbens ausgerichtet. Damit stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung, wie die Endbereiche des Schlitzes ausgerichtet sind, die je nach Herstellungsweise des Kolbens bevorzugt angewendet werden können. Die Querachse des Kolbens ist eine Achse, die senkrecht auf einer Bolzenbohrungsachse steht.In a further development of the invention, the end regions of the slot are aligned parallel to a transverse axis of the piston. Alternatively, the end portions of the slot are oriented at an angle α to a transverse axis of the piston. There are thus several possibilities available, such as the end areas of the slot are aligned, which can be preferably applied depending on the manner of manufacturing the piston. The transverse axis of the piston is an axis perpendicular to a pin bore axis.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Endbereiche des Schlitzes von einer Bohrung gebildet. Dadurch werden scharfe Übergänge, die zu Rissen während des Betriebes des Kolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine auftreten können, wirksam vermieden. Ein gerundeter Endbereich des Schlitzes kann auch durch Fräsen, genauso wie die Einbringung des gesamten Schlitzes in den Kolben, realisiert werden.In a further development of the invention, the end regions of the slot are formed by a bore. As a result, sharp transitions, which can occur during cracks during operation of the piston in the cylinder of the internal combustion engine, effectively avoided. A rounded end portion of the slot can also be realized by milling, as well as the introduction of the entire slot in the piston.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Durchmesser der Bohrung kleiner oder gleich oder größer als die Höhe des Schlitzes. Damit stehen mehrere Möglichkeiten für die Geometrie der Bohrung zur Verfügung, um nicht nur Rissbildungen zu vermeiden, sondern auch Durchtrittsöffnungen für den Transport von Öl zu realisieren, insbesondere dann, wenn der Durchmesser der Bohrung größer oder deutlich größer ist als die Höhe des Schlitzes.In a further development of the invention, the diameter of the bore is smaller than or equal to or greater than the height of the slot. This provides several options for the geometry of the hole available, not only to avoid cracking, but also to realize passages for the transport of oil, especially if the diameter of the hole is larger or significantly larger than the height of the slot.

Zwei Ausführungsbeispiele eines Kolbens nach der Erfindung sind in den Figuren gezeigt und werden im Folgenden näher beschrieben.Two embodiments of a piston according to the invention are shown in the figures and will be described in more detail below.

In den 1 bis 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens und in den 5 bis 7 ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt.In the 1 to 4 is a first embodiment of a piston according to the invention and in the 5 to 7 a second embodiment shown.

Beide Ausführungsbeispiele basieren auf der gleichen Geometrie des Kolbens 1, wobei sich die Unterschiede auf die Ausführungen des erfindungsgemäßen Schlitzes beziehen, was noch im Detail beschrieben wird.Both embodiments are based on the same geometry of the piston 1 , The differences refer to the embodiments of the slot according to the invention, which will be described in detail.

Der Kolben 1 besteht aus Bereichen eines Oberteiles 2 und eines Unterteiles 3. Unabhängig davon, ob Oberteil 2 und Unterteil 3 separat voneinander hergestellt und anschließend gefügt wurden oder ein einstückiges Teil bilden, ist in dem Oberteil 2 ein Ringfeld (hier mit drei Ringnuten) vorhanden. Das Unterteil 3 weist in an sich bekannter Weise gegenüberliegende Bolzenbohrungen 4 und ebenfalls gegenüberliegende Kolbenschäfte 5 auf. Der in den 1 bis 7 gezeigte Kolben 1 ist ein Kolben im Kastendesign, wobei die beiden gegenüberliegenden Kolbenschäfte 5 (tragende Schaftwandabschnitte) über nicht näher bezeichnete Verbindungswände miteinander verbunden sind und wobei in jeder Verbindungswand jeweils die Bolzenbohrung 4, die von einer Bolzennabe umgeben wird, angeordnet ist.The piston 1 consists of areas of a shell 2 and a lower part 3 , Regardless of whether upper part 2 and lower part 3 are manufactured separately from each other and then joined or form an integral part is in the upper part 2 a ring field (here with three ring grooves) available. The lower part 3 has opposite in a known manner opposite pin holes 4 and also opposite piston shafts 5 on. The in the 1 to 7 shown piston 1 is a piston in the box design, with the two opposite piston shafts 5 (Supporting shaft wall sections) are connected to each other via unspecified connecting walls and wherein in each connecting wall in each case the pin bore 4 , which is surrounded by a bolt hub, is arranged.

Unabhängig von der Bauform des Kolbens 1 ist zwischen dem Oberteil 2 und dem Unterteil 3 ein Schlitz 6 in den Kolben 1 eingebracht. Vorzugsweise erstreckt sich der Schlitz 6 ausgehend von einer Kolbenhubachse im weiteren Verlauf in dem Kolbenschaft 5 in Richtung jeweils einer Bolzenbohrung 4 in gleicher Längserstreckung, wobei auch eine asymmetrische Anordnung des Schlitzes 6 bezüglich der Kolbenhubachse 7 denkbar ist. Mittels des Schlitzes 6 erfolgt in vorteilhafter Weise eine Teilentkoppelung des Kolbenschaftes 5 von dem Oberteil 2 zur Herabsetzung der Steifigkeit des Schaftbereiches des Kolbens 1.Regardless of the design of the piston 1 is between the shell 2 and the lower part 3 a slot 6 in the pistons 1 brought in. Preferably, the slot extends 6 starting from a piston stroke axis in the further course in the piston skirt 5 in the direction of a pin hole 4 in the same longitudinal extent, with an asymmetrical arrangement of the slot 6 with respect to the piston stroke axis 7 is conceivable. By means of the slot 6 Advantageously, a partial decoupling of the piston skirt 5 from the top 2 for reducing the rigidity of the shaft portion of the piston 1 ,

Mit Blick auf die 4 ist erkennbar, dass durch die Bolzenbohrung 4 eine Bolzenbohrungsachse 8 verläuft und eine Querachse 9 senkrecht auf der Bolzenbohrungsachse 8 steht.With view on 4 it can be seen that through the bolt hole 4 a pin bore axis 8th runs and a transverse axis 9 perpendicular to the pin bore axis 8th stands.

Der Schlitz 6 ist nicht nur in die Oberfläche des Kolbens 1 eingebracht, sondern durchdringt den Bereich, beispielsweise den Übergangsbereich, der Oberkante des Kolbenschaftes 5, mit der er in den unteren Bereich des Oberteiles 2 übergeht, vollständig bis hinein in einen Innenbereich 10 des Kolbens 1, wobei sich dieser Innenbereich 10 hinter dem Kolbenschaft und zwischen den beiden die Kolbenschäfte 5 verbindende Verbindungswände hineinreicht.The slot 6 is not just in the surface of the piston 1 introduced, but penetrates the area, for example, the transition region, the upper edge of the piston skirt 5 with which he is in the lower part of the upper part 2 passes completely into an interior area 10 of the piston 1 , with this interior area 10 behind the piston shaft and between the two piston shafts 5 extends connecting connecting walls.

In 3 ist dargestellt, dass der Schlitz 6 eine Breite B1 und der Kolbenschaft 5 eine Breite B2 aufweist. Diese beiden mittleren Breiten können zum Beispiel dadurch bestimmt werden, dass der an sich dreidimensionale betriebsbereite Kolben 1 in dieser Weise zweidimensional betrachtet und entsprechend dieser Betrachtungsweise die beiden Breiten B1 und B2 bestimmt werden. Sie können alternativ aber auch durch eine Messung des Teilumfanges an dem betriebsbereiten Kolben 1 dreidimensional bestimmt werden.In 3 is shown that the slot 6 a width B1 and the piston skirt 5 has a width B2. These two average widths can be determined, for example, by the fact that the three-dimensional operational piston is in itself three-dimensional 1 considered in two dimensions in this way and be determined according to this approach, the two widths B1 and B2. Alternatively, you can also by measuring the partial circumference of the ready piston 1 be determined three-dimensionally.

In 4 ist erkennbar, dass der zumindest eine Endbereich, vorzugsweise beide Endbereiche, des Schlitzes 6 in einem Winkel α in Bezug auf die Querachse 9 ausgerichtet sind. Hierzu sind auch andere Verläufe denkbar, wie zum Beispiel ein paralleler Verlauf des Endbereiches in Bezug auf die Querachse 9.In 4 it can be seen that the at least one end region, preferably both end regions, of the slot 6 at an angle α with respect to the transverse axis 9 are aligned. For this other courses are conceivable, such as a parallel course of the end area with respect to the transverse axis 9 ,

In den 5 bis 7 ist prinzipiell das gleiche Design des Kolbens 1 gezeigt, wie in den 1 bis 4. Der einzige Unterscheid besteht darin, dass ein Endbereich des Schlitzes 6, hier beide Endbereiche, mi einer Bohrung 11 abgeschlossen ist. In 5 ist erkennbar, dass der Durchmesser der Bohrung 11 größer ist als die Höhe des Schlitzes 6. Allerdings ist es auch denkbar, dass der Durchmesser der Bohrung 11 der Höhe des Schlitzes 6 entspricht oder auch kleiner ist.In the 5 to 7 is basically the same design of the piston 1 shown in the 1 to 4 , The only difference is that one end portion of the slot 6 , here both end areas, with a bore 11 is completed. In 5 it can be seen that the diameter of the hole 11 is greater than the height of the slot 6 , However, it is also conceivable that the diameter of the bore 11 the height of the slot 6 is equal or smaller.

In 7 ist wieder erkennbar, dass der Schlitz 6 zur Entkoppelung des Kolbenschaftes 5 von dem Oberteil 2 den oberen Bereich des Kolbenschaftes 5 bis in den Innenbereich 10 durchdringt. Ebenfalls ist in 7 erkennbar, dass die Längsachse der Bohrung 11 angestellt sein kann zu der Querachse 9, wobei auch andere Verläufe (wie zum Beispiel parallel zu der Querachse) denkbar sind.In 7 is again recognizable that the slot 6 for decoupling the piston skirt 5 from the top 2 the upper area of the piston skirt 5 to the interior 10 penetrates. Also is in 7 recognizable that the longitudinal axis of the bore 11 can be employed to the transverse axis 9 , although other courses (such as parallel to the transverse axis) are conceivable.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Kolbenpiston
22: Oberteiltop
33: Unterteillower part
44: Bolzenbohrungpin bore
55: Kolbenschaftpiston shaft
66: Schlitzslot
77: Kolbenhubachsepiston stroke
88th: BolzenbohrungsachsePin bore axis
99: Querachsetransverse axis
1010: Innenbereichinterior
1111: Bohrungdrilling

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009032916 A1 [0003]

Claims

Piston ( 1 ) an internal combustion engine having an upper part ( 2 ) and a lower part ( 3 ), the top ( 2 ) has at least one ring field and the lower part is formed by opposing bolt holes ( 4 ) and piston stems ( 5 ), characterized in that between the upper part ( 2 ) and at least one piston skirt ( 5 ) a slot ( 6 ) is arranged.

Piston ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the slot ( 6 ) between the lowest annular groove of the ring field and the upper edge of the piston skirt ( 5 ), with which the piston skirt into the upper part ( 2 ), is arranged.

Piston ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the slot ( 6 ) an average width (B1) and the piston skirt (B1) 5 ) has a mean width (B2) and (B2) is smaller (B1).

Piston ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the slot ( 6 ) an average width (B1) and the piston skirt (B1) 5 ) has a mean width (B2) and (B2) is greater (B1).

Piston ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the slot ( 6 ) an average width (B1) and the piston skirt (B1) 5 ) has a mean width (B2) and (B2) is equal to (B1).

Piston ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the slot ( 6 ) has an average width (B1) of 70% to 90% of the mean width (B2) of the piston skirt (B1) 5 ) having.

Piston ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the slot ( 6 ) has an average width (B1) of 40% to 70% of the mean width (B2) of the piston skirt (B1) 5 ) having.

Piston ( 1 ) According to one of the preceding claims, characterized in that the slot ( 6 ) has an average width (B1) of 90% to 110% of the mean width (B2) of the piston skirt (B1) 5 ) having.

Piston ( 1 ) According to one of the preceding claims, characterized in that the slot ( 6 ) has a height which is 0.25% to 3.5% of the outer diameter of the piston ( 1 ) is.

Piston ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the slot ( 6 ) has a height which is 3.5% to 5% of the outer diameter of the piston ( 1 ) is.

Piston ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the end regions of the slot ( 6 ) parallel to a transverse axis ( 9 ) of the piston ( 1 ) are aligned.

Piston ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the end regions of the slot ( 6 ) at an angle (α) to a transverse axis ( 9 ) of the piston ( 1 ) are aligned.

Piston ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the end regions of the slot ( 6 ) from a bore ( 11 ) are formed.

Piston ( 1 ) according to claim 13, characterized in that the diameter of the bore ( 11 ) is less than or equal to or greater than the height of the slot ( 6 ).