DE102021207405A1

DE102021207405A1 - Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102021207405A1
Application number: DE102021207405.7A
Authority: DE
Inventors: Ralf Meske
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2021-07-13
Filing date: 2021-07-13
Publication date: 2023-01-19
Also published as: WO2023285233A1

Abstract

Ein Stahlkolben (10) für einen Verbrennungsmotor weist einen rotationssymmetrisch um die Kolbenachse verlaufenden Kühlhohlraum (20) und zumindest drei Ringnuten (12, 14, 16) auf, wobei eine vom Kolbenboden (18) aus betrachtet dritte Ringnut (16) eine größere Tiefe (T3) aufweist als die Tiefe (T2) einer zweiten Ringnut (14).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Stahlkolben für einen Verbrennungsmotor mit einem rotationssymmetrisch um die Kolbenachse verlaufenden Kühlhohlraum und zumindest drei Ringnuten.
Stand der Technik
Derartige Stahlkolben sind als Vorbenutzungsgegenstände bekannt und weisen Ringnuten auf, die üblicherweise lediglich zur Aufnahme der Kolbenringe ausgelegt sind. Aufgrund der thermischen Belastung eines derartigen Kolbens im motorischen Betrieb, nämlich besonders hoher Temperaturen am Kolbenboden bei gleichzeitiger Kühlung des Kühlkanals, kommt es zu thermischen Deformationen, die im Wesentlichen den Kolbenboden nach oben wölben und das Ringfeld nach außen biegen. Durch die Biegung des Ringfeldes wird insbesondere die zweite Ringnut zusammengebogen, d.h. die Nutflanken nähern sich an ihrem Ende einander an. Sofern eine Schweißnaht infolge von Reib- oder Induktionsschweißen in den Bereich der zweiten Nut gelegt wird, führt der Steifigkeitssprung durch das zusätzliche Material des Schweißwulsts zu hohen Spannungen am Übergang zwischen Kühlkanalwand und der Schweißwulst und an den Nutgrundradien der zweiten Nut. Diese thermischen Spannungen können zu einer Rissentstehung und einem Versagen des Kolbens unter einer Thermowechselbeanspruchung führen.
Dies wurde bislang dadurch versucht zu verhindern, dass die Schweißnaht in ihrer axialen Lage entlang der Kolbenhubachse verschoben, oder die Wanddicke zwischen Kühlkanal und Ringfeld erhöht wurde. Die erstgenannte Maßnahme ist jedoch nicht immer zielführend, und die zweitgenannte Maßnahme erhöht in nachteiliger Weise das Gewicht.
Weiteren Stand der Technik bilden die DE 197 16 702 C2 , die einen Kühlkanal zeigt, der auf Höhe der ersten Ringnut liegt, sowie die DE 27 34 519 A1 und die EP 0 366 983 B1 , die keinen Kühlkanal zeigen. Dabei sei angemerkt, dass sich keines der genannten Dokumente auf einen Stahlkolben bezieht.
Darstellung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stahlkolben im Hinblick auf die Beständigkeit gegen thermomechanische Beanspruchung im Bereich der Schweißwulst und der zweiten Nut zu verbessern, ohne das Gewicht zu erhöhen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Patentanspruch 1 beschriebenen Stahlkolben.
Demzufolge weist eine vom Kolbenboden aus betrachtet dritte Ringnut eine größere Tiefe auf als eine zweite Ringnut, und/oder eine minimale Wanddicke zwischen der dritten Ringnut und einem rotationssymmetrisch um die Kolbenachse verlaufenden Kühlhohlraum ist zumindest lokal kleiner als eine minimale Wanddicke zwischen der zweiten Ringnut und dem Kühlhohlraum. Beide Maßnahmen führen im Wesentlichen dazu, dass die dritte Ringnut gewissermaßen als Biegegelenk wirkt und einen höheren Anteil der thermisch induzierten Deformation des Ringfeldes aufnimmt. Hierdurch wird die zweite Ringnut, in deren Bereich typischerweise eine Schweißnaht und insbesondere im Fall von Reibschweißen die zugehörige Schweißwulst vorhanden ist, entlastet. Es ist jedoch auch eine Verbindung von Kolbenteilen durch Widerstands-, oder Laserschweißen denkbar. Die verringerte Wanddicke kann insbesondere durch eine lokale Querschnittsvergrößerung des Kühlhohlraums, beispielsweise durch eine dort vorgesehene Eindrehung vorgesehen sein.
Mit anderen Worten wird die dritte Ringnut, die bislang lediglich zur Aufnahme eines Ölrings dimensioniert wurde und deshalb typischerweise eine geringere Tiefe aufweist als die zweite Ringnut, in neuartiger Weise vertieft und/oder die Wanddicke zu einem Kühlhohlraum wird lokal verringert, was die Reaktion des Kolbens auf thermische Belastungen verbessert. Insbesondere können die Spannungen im Bereich des Schweißwulst und der zweiten Ringnut verringert werden, und gleichzeitig können die Spannungen im Bereich der dritten Ringnut in beherrschbaren Grenzen gehalten werden.
Insbesondere konnte bei Simulationen infolge der erfindungsgemäßen Maßnahme eine Verringerung der Spannungen im Bereich der zweiten Ringnut von bis zu 16 % festgestellt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Stahlkolbens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Wie erwähnt, entfaltet die Erfindung ihre Vorteile in besonderem Maße, wenn zwischen der ersten und der dritten Ringnut eine Schweißwulst oder -naht vorhanden ist, sodass in diesem Bereich eine zusätzliche Spannungskonzentration vorliegt, die durch die gemäß der Erfindung in Kauf genommene Biegung um den Nutgrund der dritten Ringnut entlastet werden kann.
Durch die Vertiefung der dritten Ringnut nimmt in gewollter Weise die Biegung dieser Nut zu, was allerdings zu höheren Spannungen in den Nutgrundradien der dritten Nut führt.
Dieser Spannungsanstieg kann durch eine Vergrößerung der Radien kompensiert werden. Insbesondere wird derzeit bevorzugt, dass zumindest ein Nutgrundradius der dritten Ringnut größer ist als zumindest ein Nutgrundradius der zweiten Ringnut.
Besonders umfangreich können die Wirkungen der zuletzt beschriebenen Maßnahmen genutzt werden, wenn die dritte Ringnut sowohl an der Unter- als auch Oberflanke einen Nutgrundradius aufweist, der jeweils größer ist als der jeweiligen Nutgrundradius der zweiten Ringnut.
In ähnlicher Weise können die Spannungen begrenzt werden, wenn die dritte Ringnut einen im Querschnitt gesehen elliptischen oder aus zwei Radien zusammengesetzten Nutgrundradius aufweist.
Insbesondere kann der Nutgrund der Nut insgesamt aus einer elliptischen Kurve bestehen, die tangential in Unter- und Oberflanke übergeht.
Gute Ergebnisse werden ferner für einen Nutgrund der dritten Ringnut erhalten, der aus einem tangential stetigen Übergang von zumindest zwei Radien an der Unterflanke, einer geraden Strecke und zumindest zwei Radien an der Oberflanke besteht. Mit anderen Worten wird, mathematisch ausgedrückt, im Querschnitt ein Korbbogen beschrieben.
Weiterhin können die beiden Nutgrundradien der dritten Nut jeweils durch eine konvexe kubische Spline-Kurve und einen krümmungsstetigen Übergang zu den Nutflanken ersetzt werden.
Die Erfindung macht es ferner möglich, dass aufgrund der vergrößerten Tiefe der dritten Ringnut Öldrainagebohrungen eingespart werden können, die sonst üblicherweise im Bereich der dritten Ringnut vorgesehen sind. Insbesondere kann in der tieferen Nut Öl im Abwärtshub gespeichert werden, das im Aufwärtshub wieder zur Schmierung des Kolbenschafts verwendet werden kann.
Schließlich wird bevorzugt, um den erfindungsgemäßen Effekt in besonderem Maße sicherzustellen, dass die dritte Ringnut eine um zumindest 5 % größere Tiefe aufweist als die zweite Ringnut. Allgemein sei zu den beschriebenen Tiefen und Tiefenverhältnissen jeweils ergänzt, dass sich die Tiefe nach dem Abstand zwischen der (im Bereich der jeweiligen Nut gedachten) Kolbenaußenwand und dem tiefsten Punkt der Nut bemisst.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform näher erläutert.

1 zeigt den oberen Teil eines erfindungsgemäßen Kolbens im Querschnitt.
2a zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Seite eines erfindungsgemäßen Kolbens gemäß einer ersten Ausführungsform im Querschnitt.
2b zeigt eine vergrößerte Ansicht der ersten, zweiten und dritten Ringnut eines erfindungsgemäßen Kolbens gemäß der ersten Ausführungsform im Querschnitt.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Seite eines erfindungsgemäßen Kolbens gemäß einer zweiten Ausführungsform im Querschnitt.
4 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Seite eines erfindungsgemäßen Kolbens gemäß einer dritten Ausführungsform im Querschnitt.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Ein erfindungsgemäßer Stahlkolben 10 weist einen Kolbenboden 28 mit einer Brennraummulde 26 und einem rotationssymmetrisch um die Kolbenachse verlaufenden Kühlhohlraum auf, welcher als ringförmiger Kühlkanal 20 ausgeprägt ist. Im Bereich eines Ringfeldes sind vom Kolbenboden aus betrachtet drei Ringnuten 12, 14, 16 ausgebildet. Wie insbesondere in der 2b erkennbar ist, weist die dritte Ringnut 16 eine größere Tiefe T3 auf als eine Tiefe T2 der zweiten Ringnut 14.
Zudem ist die Wanddicke D3 zwischen der dritten Ringnut 16 und dem Kühlkanal 20 geringer als die Wanddicke D2 zwischen der zweiten Ringnut 14 und dem Kühlkanal 20. Im Gegensatz zu den übrigen Figuren zeigt die 4 eine Ausführungsform mit einer lokalen Querschnittsvergrößerung des Kühlkanals 20, wodurch die Wanddicke D3 zwischen der dritten Ringnut 16 und dem Kühlkanal 20 zusätzlich reduziert wird.
In der Ausführungsform gemäß der 1 und 2 sind die Nutgrundradien R31, R32 der dritten Ringnut 16 größer als die Nutgrundradien R21, R22 der zweiten Ringnut 14. Es kann aber auch nur der obere Nutgrundradius R31 der dritten Ringnut 16 größer sein als der obere Nutgrundradius R21 der zweiten Ringnut 14 oder der untere Nutgrundradius R32 der dritten Ringnut 16 größer sein als der untere Nutgrundradius R22 der zweiten Ringnut 14. Alternativ kann die dritte Ringnut 16, wie in den 3 und 4 gezeigt, auch mit einem Nutgrund in Form einer elliptischen Kurve ausgebildet sein, die tangential in die Unter- 22 und Oberflanke 24 übergeht.
Ergänzend ist in den Figuren eine äußere Schweißwulst 18 zu erkennen, die bei der gezeigten Position im Bereich der zweiten Ringnut 14 zu einer Versteifung des Materials führt, dessen Belastung auch bei thermischer Deformation durch die erfindungsgemäße Gestaltung der dritten Ringnut 16 in vorteilhafter Weise verringert werden kann. Weiterhin liegt eine innere Schweißwulst 19 vor. Es versteht sich, dass der in den Figuren gezeigte äußere Schweißwulst 18 dabei nicht mittig der zweiten Ringnut 14 angeordnet sein muss.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19716702 C2 [0004]
DE 2734519 A1 [0004]
EP 0366983 B1 [0004]

Claims

Stahlkolben (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem rotationssymmetrisch um die Kolbenachse verlaufenden Kühlhohlraum (20) und zumindest drei Ringnuten (12, 14, 16), wobei eine vom Kolbenboden (28) aus betrachtet dritte Ringnut (16) eine größere Tiefe (T3) aufweist als die Tiefe (T2) einer zweiten Ringnut (14).
Stahlkolben (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem rotationssymmetrisch um die Kolbenachse verlaufenden Kühlhohlraum (20) und zumindest drei Ringnuten (12, 14, 16), insbesondere nach Anspruch 1, wobei die minimale Wanddicke (D3) zwischen der dritten Ringnut (16) und dem Kühlhohlraum (20), insbesondere durch eine lokale Querschnittsvergrößerung des Kühlhohlraums (20), kleiner ist als die minimale Wanddicke (D2) zwischen der zweiten Ringnut (14) und dem Kühlhohlraum (20).
Stahlkolben (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen erster Ringnut (12) und dritter Ringnut (16) eine Schweißwulst (18) vorhanden ist.
Stahlkolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Ringnut (16) zumindest einen Nutgrundradius (R31, R32) aufweist, der größer als der größte Nutgrundradius (R21, R22) der zweiten Ringnut (14) ist.
Stahlkolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Ringnut (16) je einen Nutgrundradius (R31, R32) an der Unterflanke (22) und Oberflanke (24) aufweist, die jeweils größer als die jeweiligen Nutgrundradien (R21, R22) der zweiten Ringnut (14) sind.
Stahlkolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Ringnut (16) zumindest einen im Querschnitt elliptischen oder aus zwei Radien zusammengesetzten Nutgrundradius aufweist.
Stahlkolben (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Nutgrunds der dritten Ringnut (16) aus einer elliptischen Kurve besteht, welche tangential in die Unterflanke (22) und Oberflanke (24) übergeht.
Stahlkolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutgrund der dritten Ringnut (16) aus einem tangentialstetigen Übergang von zumindest zwei Radien an der Unterflanke (22), einer geraden Strecke und zumindest zwei Radien an der Oberflanke (24) besteht.
Stahlkolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutgrund der dritten Ringnut (16) aus einem krümmungsstetigen Übergang von einer konvexen kubischen Spline-Kurve an der Unterflanke (22), einer geraden Strecke und einer konvexen kubischen Spline-Kurve an der Oberflanke (24) besteht.
Stahlkolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Ringnut (16) keine Öldrainagebohrungen aufweist.
Stahlkolben (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Ringnut (16) eine um zumindest 5% größere Tiefe (T3) aufweist als die Tiefe (T2) der zweiten Ringnut (14).