DE102017109471A1

DE102017109471A1 - Kolben

Info

Publication number: DE102017109471A1
Application number: DE102017109471.7A
Authority: DE
Inventors: Klaus Lormes; Willi Sikorsky
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2016-05-04
Filing date: 2017-05-03
Publication date: 2017-11-09
Also published as: CN109312688A; US20190145344A1; WO2017191189A1; MX2018013353A; EP3452712A1; US11162453B2

Abstract

Kolben (1) einer Brennkraftmaschine, gebildet von einem mit einem Unterteil (2) zusammengefügten Oberteil (3), wobei das Unterteil (2) von gegenüberliegenden gegenüber dem Außendurchmesser des Kolbens (1) zurückgesetzten und schräg gestellten Verbindungswänden (7) gebildet ist, wobei jeweils eine Verbindungswand (7) eine Bolzenbohrung (4) aufweist und das jeweilige Ende einer jeden Verbindungswand (7) in einen Kolbenschaft (6) übergeht, wobei das Unterteil (2) zumindest eine in Richtung des Oberteiles (3) gewandte Ausnehmung (12) und das Oberteil (3) zumindest eine in Richtung des Unterteiles (2) gewandte Ausnehmung (5) aufweist, wobei sich die Ausnehmungen (5, 12) nach dem Zusammenfügen überdecken, wobei weiterhin eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Unterteil (2) und dem Oberteil (3) eine formschlüssige Verbindung ist und die formschlüssige Verbindung gebildet ist von zumindest einer Feder (16) und zumindest einer damit in Wirkverbindung bringbaren Nut (17).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine, gebildet von einem mit einem Unterteil zusammengefügten Oberteil, wobei das Unterteil von gegenüberliegenden gegenüber dem Außendurchmesser des Kolbens zurückgesetzten und schräg gestellten Verbindungswänden gebildet ist, wobei jeweils eine Verbindungswand eine Bolzenbohrung aufweist und das jeweilige Ende einer jeden Verbindungswand in einen Kolbenschaft übergeht, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Bekannte Kolben in dem sogenannten Kastendesign sind bekannt und werden eingesetzt, wenn es um eine Gewichtsreduzierung des Kolbens geht. Darüber hinaus ist bei solchen gattungsgemäßen Kolben bekannt, dass die Verbindungswände, die die gegenüberliegenden Kolbenschäfte (auch als tragende Schaftwandabschnitte bezeichnet) verbinden, schräg gestellt sind und jeweils eine Bolzenbohrung aufnehmen. Durch diese Schrägstellung hat sich in der Praxis gezeigt, dass die auf den Kolben wirkenden Verbrennungskräfte sehr gut übertragen werden können und die daraus resultierende Deformation des Kolbens wirksam begrenzt wird. Außerdem ist die separate Herstellung eines Unterteiles und eines Oberteiles, die nach ihrer Herstellung zusammengefügt werden, von Vorteil, da bestimmte Elemente des Kolbens vor dem Zusammenfügen besser zugänglich sind, als dies nach dem Zusammenfügen der Fall wäre.
Ein gattungsgemäßer Kolben ist aus der DE 10 2005 041 001 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, der gegenüber gattungsgemäßen Kolben hinsichtlich seiner Herstellung verbessert ist, insbesondere aber auch hinsichtlich bei dem das Gewicht weiter reduziert ist, ohne dass die Stabilität des Kolbens im Betrieb in dem Zylinder der Brennkraftmaschine dadurch eingeschränkt wird.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Unterteil zumindest eine in Richtung des Oberteiles gewandte Ausnehmung und das Oberteil zumindest eine in Richtung des Unterteiles gewandte Ausnehmung aufweist, wobei sich die Ausnehmungen nach dem Zusammenfügen überdecken, wobei weiterhin eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Unterteil und dem Oberteil eine formschlüssige Verbindung ist und die formschlüssige Verbindung gebildet ist von zumindest einer Feder und zumindest einer damit in Wirkverbindung bringbaren Nut. Durch diese zumindest eine Ausnehmung, vorzugsweise mehrere Ausnehmungen je Unterteil und je Oberteil, können lokal Materialeinsparungen vorgenommen werden, um das Gewicht des Kolbens nach dem Zusammenfügen zu reduzieren. Durch die Überdeckung der Ausnehmungen in dem Oberteil und in dem Unterteil werden scharfkantige Übergänge zwischen den beiden Teilen vermieden, um somit Rissbildungen vermeiden zu können, insbesondere dann, wenn im Übergangsbereich zwischen Oberteil und Unterteil ein Fügevorgang wie zum Beispiel ein Schweißvorgang oder dergleichen stattgefunden hat. Die Überdeckung der beiden Teile lässt sich durch die formschlüssige Verbindung lagegenau realisieren, so dass immer eine definierte Lage des Oberteiles in Bezug auf das Unterteil entweder durch die formschlüssige Verbindung schon vordefiniert ist (sodass die beiden Teile nach dem Zusammenbringen nicht mehr relativ zueinander bewegt werden müssen) oder sich eine definierte Lage durch Relativbewegung der beiden Teile zueinander einstellen lässt.
In Weiterbildung der Erfindung ist die zumindest eine Ausnehmung des Unterteiles (und damit korrespondierend auch die Ausnehmung des Oberteiles) oberhalb und außerhalb der Verbindungswand angeordnet. Dadurch ist die durch das Zusammenfügen von Oberteil und Unterteil gebildete zumindest eine lokale Ausnehmung unterhalb des Oberteiles des Kolbens angeordnet und befindet sich außerhalb des Innenbereiches des Kolbens, sodass an Stellen Material eingespart werden kann, in denen der Kolben nicht hochbelastet ist.
Alternativ oder ergänzend dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zumindest eine Ausnehmung des Unterteiles (und damit auch die korrespondierende zumindest eine Ausnehmung des Oberteiles) oberhalb und innerhalb der beiden Verbindungswände angeordnet ist. Auch hierdurch lässt sich Material des Kolbens an Stellen einsparen, die oberhalb des Innenbereiches, das heißt zwischen den beiden Verbindungswänden und den beiden gegenüberliegenden tragenden Schaftwandabschnitten angeordnet sind, reduzieren. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Kolben keine Brennraummulde aufweist. Ventiltaschen, die flach bauen, können, müssen aber nicht vorhanden sein.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Wandbereich der Verbindungswand übergangslos in einen Wandbereich der zumindest einen Ausnehmung des Unterteiles übergeht. Wenn die zumindest eine Ausnehmung in dem Unterteil (und auch in dem Oberteil) oberhalb der Verbindungswand angeordnet ist, ist es von Vorteil, dass ein Übergang von dem Wandbereich der Verbindungswand in den Wandbereich der zumindest einen lokalen Ausnehmung übergangslos übergeht, sodass auch hier scharfkantige Übergänge, stufenartige Übergänge oder dergleichen vermieden werden, um einer Rissbildung entgegenzuwirken. Dieser übergangslose Übergang kann, muss aber nicht im Bereich einer Fügeebene zwischen Oberteil und Unterteil angeordnet sein. Er lässt sich darüber hinaus in vorteilhafter Weise durch die formschlüssige Verbindung (Feder-Nut-Prinzip) sehr einfach realisieren.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Ausnehmung des Unterteiles oberhalb der Bolzenbohrung und jeweils eine Ausnehmung des Unterteiles oberhalb neben der Bolzenbohrung angeordnet ist. Durch diese symmetrische Anordnung dreier lokaler Ausnehmungen wird einerseits nennenswert Material eingespart und andererseits durch die zwischen den lokalen Ausnehmungen verbleibenden Bereiche (Stege) eine sehr gute Abstützung des Oberteiles gegenüber den auf den Kolben wirkenden Verbrennungsdrücke erzielt.
Weitere Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Kolbens sind in den Unteransprüchen angegeben, aus denen sich entsprechende Vorteile ergeben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels, auf das die Erfindung jedoch beschränkt ist, im Folgenden näher erläutert und in den Figuren gezeigt.
1 zeigt einen noch nicht betriebsfertigen Kolben 1, der gebildet wird von einem Unterteil 2 und einem Oberteil 3. Diese beiden Teile 2, 3 werden auf geeigneter Art und Weise (gleiche oder voneinander unterschiedliche Materialien, gleiche oder voneinander unterschiedliche Herstellungsverfahren und dergleichen) separat voneinander gefertigt. Mit 4 ist in 1 eine Bolzenbohrung bezeichnet.
2 zeigt das Oberteil 3 in einer Draufsicht von unten, wobei die dargestellte Ebene dem Unterteil 2 zugewandt wird, wenn diese beiden Teile 2, 3 zusammengefügt werden. Es ist erkennbar, dass das Oberteil 3 zumindest eine lokale Ausnehmung, hier symmetrisch zu einer Querachse des Oberteiles 3 jeweils drei lokale Ausnehmungen 5 aufweist. Die Lage und Anzahl der Ausnehmungen 5 ist beispielhaft und kann hinsichtlich Lage und/oder Anzahl variieren. Außerdem ist eine zur Querachse des Oberteils 3 angeordnete mittlere lokale Ausnehmung 5 vorhanden.
Die übrigen Details dieses Oberteils 3, die in 2 mit Bezugsziffern versehen sind, werden im Folgenden im Zusammenhangmit korrespondierenden Ausgestaltungen des Unterteiles 2 noch beschrieben.
3 zeigt das Unterteil 2, welches einen Kolbenschaft 6 umfasst, dem korrespondierend gegenüberliegend ein weiterer nicht dargestellter Kolbenschaft gegenüberliegt. Dieser Kolbenschaft 6 ist als tragender Schaftwandabschnitt ausgebildet und wird durch zwei etwa parallel verlaufende und schräg gestellte Verbindungswände (schräg gestellt in Bezug auf die Kolbenhubachse) verbunden.
Zur Ausbildung von Auflageflächen zwischen dem Unterteil 2 und dem Oberteil 3 kann zum Beispiel ein äußerer Ring 8 vorhanden sein, von dem sich zumindest ein Steg, hier mehrere Stege 9, in Richtung des Zentrums des Kolbens erstrecken. Diese Stege 9 können von dem äußeren Ring 8 ausgehen, und zwar in der gleichen oder in einer dazu versetzt angeordneten Ebene. Bei dem Unterteil 2 gemäß 3 ist konzentrisch innerhalb des äußeren Ringes 8 noch ein innerer Ring 10 vorhanden, wobei der äußere Ring 8 in einer anderen Ebene angeordnet ist als der innere Ring 10 und gegebenenfalls die Stege 9. Weiterhin ist ein Mittenbereich 11 vorhanden, der in diesem Fall ebenfalls in einer andere Ebene angeordnet ist als in den Ebenen, in denen sich äußere Ring 8, Stege 9 und innerer Ring 10 befinden. Dadurch wird zwischen dem äußeren Ring 8 und dem inneren Ring 10 und/oder dem inneren Ring 10 und dem Mittenbereich 11 eine Nut bzw. zwei Nuten in dem Unterteil 2 zur Ausbildung eines Teiles der formschlüssigen Verbindung gebildet.
Es ist aber auch denkbar und bei Betrachtung der Figur erkennbar, dass der äußere Ring 8 und der parallel dazu verlaufende Umfangsbereich am nach außen weisenden Ende der Stege 9 (also der innere Ring 10) und/oder der der innere Ring 10 und der Mittenbereich 11 in ein und derselben Ebene angeordnet sind. Dadurch wird auch bei dieser Variante zwischen dem äußeren Ring 8 und dem inneren Ring 10 und/oder dem inneren Ring 10 und dem Mittenbereich 11 eine Nut bzw. zwei Nuten in dem Unterteil 2 zur Ausbildung eines Teiles der formschlüssigen Verbindung gebildet.
Mit der Bezugsziffer 12 ist zumindest eine Ausnehmung in dem Unterteil 2 bezeichnet, die grundsätzlich an geeigneter Stelle zwecks Materialeinsparung vorgesehen werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind korrespondierend zu den Ausnehmungen 5 in dem Oberteil 3 gemäß 2 eine innerhalb des Mittenbereiches 11 und sich in Richtung der Kolbenschäfte 6 erstreckende Ausnehmung 12 vorhanden, die sich somit oberhalb eines Mittenbereiches des Unterteils 2 befindet. Außerdem ist eine Ausnehmung 12 (beziehungsweise zwei Ausnehmungen 12 symmetrisch zu einer Querachse des Unterteiles 2) vorhanden, die oberhalb der Bolzenbohrung 4 angeordnet ist. Neben dieser oberhalb der Bolzenbohrung 4 angeordneten Ausnehmung 12 sind jeweils eine Ausnehmung 12 rechts und links neben und oberhalb der Bolzenbohrung 4 vorhanden.
Der äußere Ring 8 des Unterteils 2 korrespondiert mit einem äußeren Ring 13 (2) des Oberteils 3. Genauso korrespondiert der jeweilige Steg 9 des Unterteils 2 mit zugehörigen Stegen 14 (2) des Oberteils 3. Auch der innere Ring 10 korrespondiert mit einem inneren Ring 15 (2) des Oberteils 3.
Wie bei einer Betrachtung der beiden Teile 2, 3 gemäß den 2 und 3 erkennbar ist, sind die einander zugewandten Auflageflächen und die jeweiligen lokalen Ausnehmungen zwecks Gewichtseinsparung vorzugsweise symmetrisch und überdeckend. Gleiches kann auch für den Mittenbereich 11 gelten, muss es aber nicht, wie es der 2 entnommen werden kann.
Bei Betrachtung der 3 ist sehr gut erkennbar, dass der Wandbereich der oberhalb und neben der Bolzenbohrung angeordneten Ausnehmungen 12 in den Wandbereich der Verbindungswand übergangslos übergeht. Gleiches gilt für den Fall, dass die Ausnehmung 12 des Unterteils 2 in die korrespondierende Ausnehmung 5 des Oberteils 3 übergeht. Vorzugsweise haben die Ausnehmungen 5/12, die sich überdecken, nach dem Zusammenfügen ebenfalls keinen Übergang.
4 zeigt einen betriebsbereiten Kolben 1, bei dem das Unterteil 2 und das Oberteil 3 auf geeignete Weise unlösbar miteinander gefügt worden sind. Außerdem erkennbar sind die einander gegenüberliegenden Kolbenschäfte 6 und die die Kolbenschäfte 6 verbindenden Verbindungswände 7, in denen die Bolzenbohrung 4 angeordnet ist.
Der in 4 dargestellte betriebsfertige Kolben 1 ist nach dem Zusammenfügen der beiden Teile 2, 3 überarbeitet worden und insbesondere sind Ringnuten zur Ausbildung eines Ringfeldes eingebracht worden.
5 zeigt den Kolben gemäß 4 in einer Ansicht von unten. Hierbei ist insbesondere der horizontale und vertikale Verlauf der Verbindungswände 7 erkennbar, die auch die die Bolzenbohrung 4 umgebenden Bolzennaben umfassen. Dieser nach außen gewandte Verlauf sowie der in den Innenbereich des Kolbens 1 gewandte Verlauf beziehungsweise Formgebung der Verbindungswände 7 ist besonders wichtig, da sie die Einbringung der lokalen Ausnehmungen in den beiden Teilen 2, 3 unterstützen und gleichzeitig in optimaler Weise den Kolbenboden (gebildet von dem Oberteil 3) abstützen.
Die Ausgestaltung der beiden Teile 2, 3, wie sie in den 1 bis 5 gezeigt und vorstehend beschrieben worden sind, lässt es in vorteilhafter Weise zu, diese beiden Teile 2, 3 mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere mittels einer Schweißverbindung, miteinander dauerhaft und unlösbar zu fügen.
In den 6 bis 9 ist ein Ausführungsbeispiel eines Kolbens 1 gezeigt, der weitestgehend die gleichen konstruktiven Details aufweist, wie der Kolben 1 gemäß den 1 bis 5.
Bei dem Kolben 1 gemäß 6 ist jedoch vorgesehen, dass eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Unterteil 2 und dem Oberteil 3 eine formschlüssige Verbindung ist.
Diese formschlüssige Verbindung ist gebildet, wie es in 7 dargestellt ist, von zumindest einer Feder 16 und zumindest einer damit in Wirkverbindung bringbaren Nut 17. Die Feder 16 kann beispielsweise an dem Oberteil 13 und die Nut 17 an dem Unterteil 2 (und/oder umgekehrt) angeordnet werden. Außerdem ist nicht nur ein einziges solches Feder-Nut-System über den Umfang des Kolben 1 verteilt vorhanden, sondern dieses System ist wie in 6 dargestellt ist mehrfach vorhanden. Durch Eindrücken der zumindest einen Feder 16 in die zumindest eine korrespondierende Nut 17 wird ebenfalls eine unlösbare Verbindung zwischen dem Oberteil 3 und dem Unterteil 2 realisiert. Diese kann, muss aber nicht, von einer stoffschlüssigen Verbindung ergänzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Kolben
2: Unterteil
3: Oberteil
4: Bolzenbohrung
5: Ausnehmung
6: Kolbenschaft
7: Verbindungswand
8: äußerer Ring
9: Steg
10: innerer Ring
11: Mittenbereich
12: Ausnehmung
13: äußerer Ring
14: Steg
15: innerer Ring
16: Feder
17: Nut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005041001 [0003]

Claims

Kolben (1) einer Brennkraftmaschine, gebildet von einem mit einem Unterteil (2) zusammengefügten Oberteil (3), wobei das Unterteil (2) von gegenüberliegenden gegenüber dem Außendurchmesser des Kolbens (1) zurückgesetzten und schräg gestellten Verbindungswänden (7) gebildet ist, wobei jeweils eine Verbindungswand (7) eine Bolzenbohrung (4) aufweist und das jeweilige Ende einer jeden Verbindungswand (7) in einen Kolbenschaft (6) übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteil (2) zumindest eine in Richtung des Oberteiles (3) gewandte Ausnehmung (12) und das Oberteil (3) zumindest eine in Richtung des Unterteiles (2) gewandte Ausnehmung (5) aufweist, wobei sich die Ausnehmungen (5, 12) nach dem Zusammenfügen überdecken, wobei weiterhin eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Unterteil (2) und dem Oberteil (3) eine formschlüssige Verbindung ist und die formschlüssige Verbindung gebildet ist von zumindest einer Feder (16) und zumindest einer damit in Wirkverbindung bringbaren Nut (17).
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Ausnehmung (12) des Unterteiles (2) oberhalb und außerhalb der Verbindungswand (7) angeordnet ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Ausnehmung (12) des Unterteiles (2) oberhalb und innerhalb der beiden Verbindungswände (7) angeordnet ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wandbereich der Verbindungswand (7) übergangslos in einen Wandbereich der zumindest einen Ausnehmung (12) des Unterteiles (2) übergeht.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausnehmung (12) des Unterteiles (2) oberhalb der Bolzenbohrung (4) und jeweils eine Ausnehmung (12) des Unterteiles (2) oberhalb neben der Bolzenbohrung (4) angeordnet ist.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausnehmung (12) des Unterteiles (2) umgeben ist von zumindest einem Steg (9), der sich ausgehend von einem äußeren Ring (8) des Unterteiles (2) in Richtung eines Mittenbereiches (11) des Kolbens (1) erstreckt.
Kolben (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass koaxial zu dem äußeren Ring (8) zumindest ein dazu versetzt angeordneter innerer Ring (10) vorgesehen ist.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Ring (8) und der parallel dazu verlaufende Umfangsbereich am nach außen weisenden Ende der Stege (9) und/oder der der innere Ring (10) und der Mittenbereich (11) in ein und derselben Ebene angeordnet sind
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Ring (8) und der parallel dazu verlaufende Umfangsbereich am nach außen weisenden Ende der Stege (9) und/oder der der innere Ring (10) und der Mittenbereich (11) in zumindest zwei unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche dauerhafte Verbindung zwischen dem Unterteil (2) und dem Oberteil (3) eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schweißverbindung, ist.