DE4016507C2

DE4016507C2 -

Info

Publication number: DE4016507C2
Application number: DE4016507A
Authority: DE
Inventors: Naohiro Atsugi Kanagawa Jp Iwaya
Original assignee: Atsugi Unisia Corp
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1989-05-22
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1992-02-27
Also published as: US5063893A; JP2561798Y2; JPH02149852U; DE4016507A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, um einem Kolbenschaft die erforderliche Steifigkeit zu verleihen.

Herkömmliche Kolben weisen eine im wesentlichen gleichmäßig breite Rippenversteifung auf, die sich entlang der Innenwand des Kolbenschaftes in einer Ebene rechtwinklig zur Kolbenachse erstreckt.

Die Rippenversteifung befindet sich an einer unteren Stelle des Kolbenmantels und benachbart dem Boden einer Bolzennabe, in die ein Kolbenbolzen eingesetzt wird, um eine Pleuelstange zu verbinden. Der Kolben enthält außerdem einen Gleitabschnitt, der sich unterhalb der Rippenverstärkung erstreckt, um das Geräusch oder den Verschleiß infolge der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens während der Verbrennung zu vermindern.

Hierdurch verlängert sich der Kolben, und sein Gewicht wird erhöht. Eine solche Ausbildung ist daher für Hochleistungsmotoren, die hohe Drehzahlen besitzen, ungeeignet. Außerdem erhöht sich die Breite der Rippenverstärkung, um dem Kolbenmantel eine ausreichend Steifigkeit zu verleihen, wodurch die Gefahr der Überhitzung des Kolbens besteht.

Ein Kolben der eingangs genannten Art ist aus der GB 14 40 060 bekannt. Ein solcher Kolben weist Längsrippen auf, die sich im Druck-Gegendruckbereich des Kolbenschaftes erstrecken und vorgesehen sind, Metalleinsätze mit gegenüber dem Leichtmetallkolben niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizienten aufzunehmen, um hierdurch die thermische Wärmedehnung des Kolbens zu begrenzen und unter allen Arbeitsbedingungen ein hinreichendes Kolbenspiel im Zylinder zu gewährleisten. Auch hierbei ist der Kolben allerdings mit einem verhältnismäßig langen Gleitbereich unterhalb der Längsrippen versehen.

Aus der DE-PS 7 63 526 ist überdies ein Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen bekannt, der neben einem federnden Stahlstreifen zur Abstützung des teilweise federnden Kolbenschaftes Profilstücke als Versteifungsrippen zur Abstützung der Kolbenbolzenaugen aufweist, wobei diese Rippen zwischen den Kolbenbolzenaugen und dem Kolbenschaft zu dem oberen Kolbenringteil verlaufen. Auch eine solche Anordnung erweist sich sowohl in bezug auf die axiale Gesamtlänge des Kolbens als auch im Hinblick auf das Kolbengewicht für die Verwendung in Hochleistungsmotoren nicht als geeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der eingangs genannten Art anzugeben, der einerseits die erforderliche Steifigkeit besitzt und andererseits eine geringe Bauhöhe sowie ein geringes Gewicht aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kolben der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Versteifungsrippen einen bogenförmigen Verlauf besitzen, dessen Scheitelpunkt jeweils etwa in Höhe der Nabenbohrungen liegt und dessen Schenkel sich bis zum unteren Rand des Kolbenschaftes erstrecken.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der bogenförmige Verlauf der Versteifungsrippen auch aus geraden Segmenten zusammengesetzt sein.

Ferner erstreckt sich vorzugsweise der untere Rand des Kolbenschaftes in einer Ebene, die senkrecht zur Kolbenlängsachse verläuft.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 einen Kolben im Schnitt nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine Teilschnittdarstellung des Kolbens nach Fig. 1 in Längsrichtung eines Kolbenbolzens,

Fig. 3 einen Kolben im Schnitt nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 eine Teilschnittdarstellung des Kolbens nach Fig. 2 in Längsrichtung eines Kolbenbolzens,

Fig. 5 einen Kolben im Schnitt nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 eine Teilschnittdarstellung nach Fig. 5 in Längsrichtung eines Kolbenbolzens,

Fig. 7 einen Kolben im Schnitt nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 8 einen Teilschnitt nach Fig. 7 in Längsrichtung eines Kolbenbolzens.

Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in den verschiedenen Darstellungen und Ansichten bezeichnen, zeigen die Fig. 1 und 2 einen Kolben für eine Brennkraftmaschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Kolben 11 ist ein sogenannter Gleit-Mantelkolben und enthält allgemein einen oberen Ringstegabschnitt 12 und integral einstückig mit diesem einen hohlen zylindrischen Kolbenmantelabschnitt, nachfolgend als Kolbenschaft 13 bezeichnet, der eine dicke Wandung aufweist, und Rippen 14 erstrecken sich von einer Innenwand des Kolbenkopfes nach unten und zwei Abschnitte der Kolbenbolzennaben 15 sind in Verbindung mit den Rippen 14 ausgebildet. Die Abschnitte der Kolbenbolzennaben 15 sind einander diametral gegenüberliegend angeordnet, um einen Kolbenbolzen (nicht gezeigt) aufzunehmen, um den Kolben mit einer Pleuelstange 20 zu verbinden. Jede Kolbenbolzennabe 15 ist gegenüber der Mittellinie oder Achse Y des Kolbens 11 versetzt, so daß die Mittelpunkte der Kolbenbolzennaben 15 gegenüber der Achse um einen Abstand d versetzt sind, um die Position des Kolbens am oberen Totpunkt geringfügig zu verschieben.

Der Kolben 11 enthält außerdem gekrümmte Versteifungsrippen 16, die in den Zeichnungen strichpunktiert schraffiert sind, wobei jede dieser Versteifungsrippen 16 von einer Innenwandung des Kolbenschaftes 13 um ein vorgegebenes Maß vorspringt. Jede Versteifungsrippe 16 erstreckt sich von einem unteren Rand des Kolbenschaftes nahe eines Bodens 15A der einen Rippenverbindung bzw. der Kolbenbolzennabe 15 entlang der Innenwandung des Kolbenschaftes 13, so daß der obere Abschnitt der Versteifungsrippen 16 in Höhe der Nabenbohrung, d. h. im Bereich eines Schnittpunktes einer Horizontalachse H, die rechtwinklig die Längsachse der Kolbenbolzennabe 15 schneidet, mit der Innenwandung des Kolbenschaftes 13 angeordnet ist. Verlängerungsabschnitte 13A sind beiderseits der Kolbenbolzennabe 15 am unteren Rand des Kolbenschaftes 13 vorgesehen.

Die Erzeugung des Seitendruckes, der auf den Kolben 11 während der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens einwirkt, führt dazu, daß sich eine Kontaktfläche des Kolbenmantels bzw. Kolbenschaftes mit einer Zylinderwand beständig ändert, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Seitendruck ist das Produkt aus Verbrennungsdruck, der auf den Kolbenkopf wirkt, und Trägheitskraft der hin- und herbewegten Teile. Bei der vorerwähnten Kolbenausbildung berührt dann, wenn ein verhältnismäßig kleiner Seitendruck auf den Kolben 11 einwirkt, ein Abschnitt des Kolbenschaftes 13 unterhalb der Versteifungsrippen 16 mit verhältnismäßig niedriger Steifigkeit rechtwinklig zur Achse der Nabenbohrung der Kolbenbolzennabe 15 die Zylinderwand, um den Stoß, der auf den Kolben infolge des Seitendruckes einwirkt, zu absorbieren, wobei die Kontaktfläche geringfügig deformiert wird. Wenn der Seitendruck größer wird, erstreckt sich die Kontaktfläche des Kolbenschaftes mit der Zylinderwand über einen Abschnitt verhältnismäßig hoher Steifigkeit. Andererseits wird dann, wenn der Seitendruck niedriger wird, die Kontaktfläche vermindert. Daher berührt, wie in Fig. 2 gezeigt ist, dann, wenn der Seitendruck verhältnismäßig klein ist, der Abschnitt 30 (bezeichnet durch eine unterbrochene Linie) des Kolbenschaftes 13 unterhalb der Versteifungsrippe 16, der eine verhältnismäßig niedrige Steifigkeit aufweist, die Zylinderwand. Wenn der Seitendruck größer wird, vergrößert sich die Kontaktfläche über den Abschnitt 31 mit höherer Steifigkeit.

Somit ist ein Teil des Kolbenmantels bzw. des Kolbenschaftes 13 einschließlich des Verlängerungsabschnittes 13A unterhalb der Versteifungsrippen 16 als ein Belastungsabsorptionsglied, wie es durch einen Gleitabschnitt einer herkömmlichen Kolbenanordnung ausgebildet wird, wirksam. Es ist deutlich, daß die Verlängerung des sich nach unten erstreckenden Abschnittes 13A unnötig ist und somit ein verkürzter Kolbenmantel bzw. ein verkürzter Kolbenschaft erhalten wird.

Bezugnehmend auf die Fig. 3 und 4 ist in diesen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kolbens gezeigt. Der Kolben 11 ist so gestaltet, daß der Verlängerungsabschnitt 13A des Kolbenschaftes 13 gemäß einem Ausführungsbeispiel weggelassen ist, um das Kolbengewicht zu vermindern und die Kolbenstange weiter zu verkürzen. Dies ist möglich, da eine nach oben gekrümmte Rippenversteifung einen Stoßabsorptionsbereich des Kolbenmantels bzw. Kolbenschaftes 13 unterhalb der Versteifungsrippen schafft, vergleichbar zu dem Gleitabschnitt der herkömmlichen Kolbenanordnung. Durch diesen Aufbau wird eine flache Oberfläche eines Bodens des Kolbens 11 geschaffen. Dennoch kann ein verhältnismäßig breiter Bereich mit niedrigerer Steifigkeit ausgebildet werden.

Bezugnehmend auf die Fig. 5 und 6 ist in diesen ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kolbens gezeigt. Bei diesem Aufbau ist jede Versteifungsrippe 16 so gestaltet, daß sie sich gerade von einem Abschnitt benachbart dem Boden 15A der Kolbenbolzennabe 15 entlang der Innenwandung des Kolbenschaftes 13 erstreckt und anschließend horizontal abgewinkelt ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die Versteifungsrippen 16 mit einer Mehrzahl von geraden Segmenten 16A, 16B versehen ist. Außerdem kann, ähnlich wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, der Verlängerungs- oder Erstreckungsabschnitt 13A des Kolbenschaftes 13 weggelassen werden, um einen flachen Boden des Kolbens zu bilden. Es ist deutlich, daß die gleiche Wirkung, wie diejenige des oben erwähnten Kolbens, der gekrümmte Versteifungsrippen 16 aufweist, erhalten werden kann.

Bezugnehmend auf die Fig. 7 und 8 ist ein viertes Ausführungsbeispiel eines Kolbens nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel für einen Fall, bei dem der Kolben durch drei separate Gesenke oder Formen gebildet wird. Vier separate Versteifungsrippen 16 sind vorgesehen, die infolge der Gießherstellung unter Verwendung separater Formen keinen gekrümmten oder flachen oberen Abschnitt ähnlich demjenigen des obigen Ausführungsbeispieles aufweisen. Dies führt jedoch in der Praxis zu keinerlei Schwierigkeiten, und es werden die gleichen Vorteile, wie oben bereits erläutert, erzielt.

Wie aus der obigen Beschreibung deutlich ist, wird durch den Kolben nach der vorliegenden Erfindung ein Abschnitt mit verhältnismäßig niedriger Steifigkeit mit einer verbesserten Festigkeit des Kolbenschaftes versehen, um den Kolbenschaft zu verkürzen und somit das Gewicht und die Gesamtlänge des Kolbens zu vermindern und gleichzeitig eine Überhitzung desselben zu vermeiden sowie die Erzeugung von Schwingungen zu verhindern. Außerdem ist dann, wenn der auf den Kolben einwirkende Seitendruck klein ist, ein Abschnitt, auf den der Zylinder gegen den Kolbenschaft über Schmieröl einwirkt, auf einem schmalen und mit verhältnismäßig niedriger Steifigkeit versehenen Abschnitt des Kolbenschaftes begrenzt, so daß ein Verschleiß desselben stark vermindert wird.

Selbstverständlich sind auch weitere Modifikationen des Kolbens möglich.

Z.B. ist in jedem der obigen Ausführungsbeispiele die Wanddicke in radialer Richtung des Kolbens und die Breite der Versteifungsrippen verschieden und nicht stets gleichmäßig und kann verändert werden. Die unteren Enden der Versteifungsrippen 16, wie oben erwähnt, können in der Nähe der jeweiligen Böden 15A der Kolbenbolzennaben 15 angeordnet sein; alternativ können sie auch jeweils integral einstückig mit dem Boden der Kolbennaben 15 ausgebildet sein.

Claims

1. Kolben für eine Brennkraftmaschine mit Versteifungsrippen an der Innenwand des Kolbenschaftes, die im Druck- und Gegendruckbereich des Kolbenschaftes verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungsrippen (16) einen bogenförmigen Verlauf besitzen, dessen Scheitelpunkt jeweils etwa in Höhe der Nabenbohrungen liegt und dessen Schenkel sich bis zum unteren Rand des Kolbenschaftes (13) erstrecken.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bogenförmige Verlauf der Versteifungsrippen (16) aus geraden Segmenten (16A, 16B) zusammengesetzt ist.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Rand des Kolbenschaftes (13) in einer Ebene liegt, die senkrecht zur Kolbenlängsachse verläuft.