DE4000846A1 - Verschraubter kolben fuer verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Verbrennungs­ motoren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 2.

Bei derartigen Kolben sind die Auflageflächen des Druckstückes und des Kolbens, an denen das Druckstück und der Kolben sich berühren, nur sehr gering gegen die normal zur Kolbenlängsachse verlaufende Ebene ge­ neigt. Die Neigung der kolbenseitigen Aufnahmefläche hat dabei lediglich bearbeitungstechnische Vorteile und ist daher nur so groß, wie sie zur Erzielung ei­ ner guten Bearbeitung notwendig ist. Die Schräge wird dabei jeweils durch einen ringförmigen Kugelkalotten­ abschnitt erzielt, wobei dieser Abschnitt über einen getrennten Übergangsradius in die Wand der für das jeweilige Druckstück vorgesehenen Bohrung übergeht. Die Auflagefläche des jeweiligen zugehörigen Druck­ stückes ist in diesen Fällen, in denen die kolbensei­ tige Aufnahmefläche konkav ausgebildet ist, entspre­ chend konvex. Die Krümmung beider Auflageflächen ist dabei jeweils insoweit unterschiedlich, daß sich im kalten Zustand ein nach außen erweiternder Ringspalt zwischen den Auflageflächen ergibt. Die Größe des Ringspaltes ist so ausgelegt, daß dieser im verspann­ ten Zustand nicht mehr vorhanden ist und die Auflage­ kräfte in radialer Richtung etwa gleichmäßig groß sind.

Derartige Ausbildungen der druckstück- und kolbensei­ tigen gegenseitigen Auflageflächen sind an sich be­ kannt, wobei eine bestimmte Ausführungsform bei­ spielsweise in DE-C 26 47 250 beschrieben ist. Das Besondere bei der Ausführung der Auflagebereiche nach jener Schrift ist, daß die Krümmungsradien für die Auflageflächen am Druckstück und innerhalb des Kol­ bens ihren Mittelpunkt nicht gemeinsam auf der Dehn­ schraubenachse angeordnet haben. Diese Besonderheit ist in der Praxis meist nicht verwirklicht. Dort lie­ gen die Mittelpunkte beider Krümmungsradien in der Regel auf der Dehnschraubenachse, wobei sie lediglich axial voneinander getrennt sind.

Bei derartigen Auflageflächenausbildungen zwischen Druckstück und Kolben besteht ein Problem darin, daß radial innerhalb der Bohrung für die Aufnahme des Druckstückes nur äußerst geringer Platz zur Verfügung steht. Dadurch muß die Auflagefläche innerhalb des Kolbens nach radial außen jeweils möglichst weit aus­ genützt werden. Dadurch kann häufig kein ausreichend großer Übergangsradius von der konkaven Aufnahmeflä­ che in die zylindrische Wandfläche der das Druckstück aufnehmenden Bohrung verwirklicht werden. Dies führt in bestimmten Fällen besonders hoher Belastung dazu, daß es im Bereich des vorgenannten Krümmungsradius zu Rissen innerhalb des Kolbenmaterials kommen kann.

Hier mit möglichst einfachen Mitteln eine Verbesse- rung zu schaffen ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Ausbildung der Auflageflächen nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist Gegenstand des Anspruchs 3.

Bei beiden Lösungen liegt der Vorteil darin, daß durch eine insgesamt größere Neigung der Auflageflä­ che zwischen Druckstück und Gegenlager des Kolbens eine größere Kraftübertragungsfläche zwischen Druck­ stück und kolbenseitigem Gegenlager bei vorgegebenem Durchmesser der das Druckstück aufnehmenden Bohrung erzielt werden kann. Dadurch kann die radiale Ausdeh­ nung des Auflagebereiches gegenüber weniger geneigten Auflageflächen verringert werden, wodurch Platz für einen größeren Übergangsradius von der kolbenseitigen Auflagefläche in die zylindrische Wand der das Druck­ stück aufnehmenden Kolbenbohrung geschaffen werden kann.

Bei den Ausführungen nach den kennzeichnenden Merkma­ len der Ansprüche 2 und 3 ist die erfindungsgemäße Aufgabe in besonders idealer Weise gelöst, da hier die kugelkalottenförmige Aufnahmefläche gleichzeitig einen tangential in die zylindrische Bohrungswand einlaufenden Übergangsradius bildet, wodurch der Übergangsradius groß ausgebildet werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung darge­ stellt, die einen Schnitt durch ein in einer Aufnah­ mebohrung eines Kolbens gelagertes Druckstück aus­ schnittsweise zeigt und zwar in

Fig. 1 bezüglich einer konischen Aus­ führung der Auflagefläche und in

Fig. 2, 3 bezüglich zweier konkav gewölbter Ausbildungen des Auflagebereiches.

Mit 1 ist jeweils der Kolben und mit 2 das Druckstück bezeichnet. Zwischen den Punken A und B ist jeweils eine Auflage im verspannten Zustand gegeben. Die un­ terschiedlichen Radien R₁ und R₂ der Krümmungsradien der kolbenseitigen Auflage bzw. der Druckstückfläche sind größenmäßig so auszulegen, daß die Auflagekräfte im verspannten Zustand innerhalb des gesamten Aufla­ gebereiches zwischen A und B etwa gleich groß sind, wobei die unterschiedlichen Materialien des Druck­ stücks 2 und des Kolbens 1 entsprechend zu berück­ sichtigen sind. Bei einem sich nach radial außen er­ weiternden Spalt in dem Bereich zwischen A und B be­ sitzt das Material des Druckstückes 2 jeweils einen größeren E-Modul als dasjenige des Kolbens 1. Dabei kann der Kolben 1 beispielsweise aus Leichtmetall und das Druckstück 2 aus Stahl bestehen.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist der Auflagebereich des Druckstückes 2 und der Kolbenauflagefläche zwi­ schen den Punkten A und B jeweils geradlinig konisch ausgebildet. An die Kolbenauflagefläche schließt sich nach radial außen ein relativ großer Krümmungsradius an.

Bei der Ausführung nach Fig. 2 besitzen die beiden entsprechenden zwischen A und B liegenden Auflagebe­ reiche von Druckstück und Kolbenauflagefläche durch­ gehend gekrümmte Flächen mit Radien R₁ bzw. R₂, von denen der Radius R₁ der Kolbenauflagefläche exakt dem Durchmesser der das Druckstück 2 aufnehmenden Bohrung entspricht, wobei die Flächenkrümmung tangential in den zylindrischen Bereich der Bohrungswand übergeht. Das Zentrum der Krümmungsradien R₁ und R₂ liegt je­ weils auf der Bohrungsachse.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 liegen die Zentren der Krümmungsradien R₁ und R₂ neben der Bohrungsachse, wobei die Länge und die Lage des Zentrums des Krüm­ mungsradius 1 so gelegt ist, daß wiederum ein tangen­ tialer Übergang der Kolbenauflagefläche in den zylin­ drischen Bereich der Druckstück-Aufnahmebohrung gege­ ben ist.

Claims (3)

1. Kolben für Verbrennungsmotoren mit einem den Schaftbereich bildenden Unterteil und einem mit diesem über Dehnschrauben verbundenen, den Boden und Ringbereich bildenden Oberteil, bei dem die Dehnschrauben im Kolbenunterteil auf in jeweilige Bohrungen im Kolbenunterteil eingreifenden Dehn­ hülsen aufliegen, deren Material gegenüber demje­ nigen des Kolbenunterteiles einen höheren E-Modul aufweist, und bei denen die jeweilige Auflage zwischen Dehnhülse und Kolbenunterteil im unver­ spannten Zustand über geneigt gegeneinander ver­ laufenden Flächen erfolgt, wobei in diesem Zu­ stand zwischen den übereinanderliegenden Flächen ein sich radial nach außen erweiternder Ringspalt liegt, dessen Größe so ausgelegt ist, daß die Auflageflächen im verspannten Zustand unter glei­ cher Vorspannung spaltfrei aneinanderliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schräge der das Druckstück (2) aufnehmen­ den Auflagefläche des Kolbens (1) in bezug auf eine normal zur Kolbenlängsachse gelegte Ebene größer als 10 Grad ist.

2. Kolben für Verbrennungsmotoren mit einem den Schaftbereich bildenden Unterteil und einem mit diesem über Dehnschrauben verbundenen, den Boden und Ringbereich bildenden Oberteil, bei dem die Dehnschrauben im Kolbenunterteil auf in jeweilige Bohrungen im Kolbenunterteil eingreifenden Dehn­ hülsen aufliegen, deren Material gegenüber demje­ nigen des Kolbenunterteiles einen höheren E-Modul aufweist, und bei denen die jeweilige Auflage zwischen Dehnhülse und Kolbenunterteil im unver­ spannten Zustand über geneigt gegeneinander ver­ laufenden Flächen erfolgt, wobei in diesem Zu­ stand zwischen den übereinanderliegenden Flächen ein sich radial nach außen erweiternder Ringspalt liegt, dessen Größe so ausgelegt ist, daß die Auflageflächen im verspannten Zustand unter glei­ cher Vorspannung spaltfrei aneinanderliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche des Kolbens (1) für das Druckstück (2) über einen Krümmungsradius R₁ tan­ gential in die Mantelfläche der das Druckstück (2) enthaltenden Bohrung übergeht, dessen Wert R₁ größer ist als die Differenz der Radien der dor­ tigen Bohrung und derjenigen am Innenumfang der kolbenseitigen Druckstückauflage.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kolbenseitige Auflagefläche an ihrem In­ nenumfang eine Schräge von größer als 10 Grad in bezug auf eine normale zur Kolbenlängsachse ge­ legte Ebene aufweist.