DE4019968A1 - Kolben fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen einen ovalen Mantel aufweisenden Kolben und richtet sich insbesondere auf einen verbesserten Kolben, welcher einen ovalen Mantel für die gleichmäßige Aufnahme von während eines Arbeitshubs darauf einwirkenden seitlichen Schubkräften aufweist.

Für die Gewichtsverringerung von Kolben wurde der allgemein bekannte Leichtbaukolben geschaffen. Dieser Kolben hat einen ausgesparten Mantel mit einander in bezug auf die Mittellinie des Kolbens diametral gegenüber angeordneten ersten und zweiten Laufflächen, welche während der Kolben­ hübe in Anlage an einer Zylinderwand kommen. Diese Lauf­ flächen sind durch von den Kolbenbolzenlagern ausgehende Rippen abgestützt.

Bei bekannten Kolben dieser Art sind Teile des Kolben­ mantels beiderseits der Kolbenbolzenlager ausgespart, so daß zwei Mantelsegmente bzw. eine erste und eine zweite Lauffläche vorhanden sind, welche jeweils eine relativ geringe Breite in Umfangsrichtung aufweisen. Jede Lauf­ fläche verjüngt sich in Axialrichtung des Kolbens in Form eines durch eine vorbestimmte große Achse und eine kleine Achse definierten elliptischen Kegelprofils, bei welchem die Differenz zwischen den beiden Achsen vom oberen Teil des Mantels bis zum unteren Teil desselben konstant ist. Dabei haben die seitlichen Bereiche des Mantels eine relativ große Steifigkeit. Während des Arbeitshubs konzen­ trieren sich seitliche Schubkräfte in diesen sehr steifen Bereichen, was zu einem Fressen des Kolbenmantels führen kann. Je schmaler dabei die Laufflächen in Umfangsrichtung sind, um so größer ist die Gefahr des Fressens des Kolbens. Bekannte Kolben mit zur Verringerung des Kolbengewichts sehr schmal gehaltenen Laufflächen des Mantels sind deshalb in besonderem Maße der Gefahr des Fressens sowie starkem Verschleiß usw. ausgesetzt.

Ein Ziel der Erfindung ist deshalb die Beseitigung der Mängel von dem Stand der Technik entsprechenden Kolben.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Leichtbaukolbens, welcher eine erhöhte Widerstandsfähigkeit aufweist und der Gefahr des Fressens in geringerem Maße ausgesetzt ist.

In einer Ausführungsform schafft die Erfindung somit einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, mit einem Bodenteil und einem sich in Axialrichtung des Kolbens vom Bodenteil weg erstreckenden, ovalen Mantelteil mit einander in bezug auf die Kolbenachse diametral gegenüber angeordneten ersten und zweiten Mantelsegmenten, deren Profil jeweils durch ein Teil eines eine vorbestimmte große und eine vorbestimmte kleine Achse aufweisenden elliptischen Kegels definiert ist, wobei die Länge der beiden Achsen zum unteren Teil des Mantelteils in der Weise zunimmt, daß sich die Differenz zwischen den großen und der kleinen Achse bei Annäherung an das untere Teil des Mantelteils vergrößert.

In einer anderen Ausführungsform schafft die Erfindung einen aus einer Aluminiumlegierung gefertigten Leichtbau­ kolben für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenboden, einem an diesen anschließenden, ausgesparten Kolbenmantel, einem innerhalb des Kolbenmantels angeordneten Kolben­ bolzenlager und den ausgesparten Kolbenmantel mit dem Kolbenbolzenlager verbindenden Rippen. Am Kolbenmantel sind tragende Laufflächen ausgebildet. Ein vorbestimmter Bereich jeder Lauffläche hat ein durch ein Teil einer eine vor­ bestimmte große Achse und eine vorbestimmte kleine Achse aufweisenden Ellipse definiertes Querschnittsprofil. Die Differenz zwischen der großen Achse und der kleinen Achse sowie auch die Längen der großen und der kleinen Achsen vergrößern sich zum unteren Ende des ausgesparten Kolben­ mantels hin.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Kolbens in einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht des in Fig. 1 gezeigten Kolbens,

Fig. 3 eine Ansicht des Kolbens von unten in Richtung des Pfeils Y in Fig. 1,

Fig. 4 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie X-X in Fig. 2,

Fig. 5 Darstellungen von elliptischen Formen zur Erläute­ rung eines Kolbenmantelprofils gemäß der Erfindung, und

Fig. 6 eine im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines Kolbens in einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

In der Zeichnung, in welcher gleiche Teile in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, ist insbesondere in Fig. 1, 2 und 3 ein Leichtbaukolben für eine Brennkraftmaschine in einer Ausführungsform der Erfin­ dung dargestellt. Der Kolben 1 ist aus einer Aluminium­ legierung gefertigt und hat im wesentlichen einen Kolben­ boden 2, zwei Kolbenbolzenlager 4, einen ovalen Kolben­ mantel 6 und Stützrippen 7. Der Kolbenmantel 6 hat zwei einander in bezug auf die Achse des Kolbens diametral gegenüber ausgebildete Mantelsegmente oder Laufflächen für die Anlage an einer Zylinderwand während der Hübe des Kolbens. Die Kolbenbolzenlager 4 sind einstückig an der Innenseite des Kolbenbodens 2 geformt und jeweils von einer Kolbenbolzenbohrung 3 durchsetzt. Die einander diametral gegenüber ausgebildeten Bohrungen 3 dienen der Aufnahme eines (nicht gezeigten) Kolbenbolzens, welcher den Kolben in bekannter Weise mit einer (nicht gezeigten) Pleuelstange verbindet. Jede Kolbenbolzenbohrung 3 ist geringfügig aus der Mittellinie P/A des Kolbens heraus versetzt, so daß die Mittellinie der Bohrung in einem bestimmten Abstand zur Mittellinie P/A des Kolbens verläuft, um die Stellung des Kolbens am oberen Totpunkt geringfügig zu versetzen. Der Kolbenmantel 6 erstreckt sich von einer Kolbenkrone 5 aus abwärts. Die Stützrippen 7 verbinden die Kolbenbolzenlager 4 mit Teilen des Kolbenmantels 6, um eine Versteifung für den Kolben zu bilden. In den Stützrippen 7 ausgebildete Durchbrechungen 8 dienen der Verringerung des Kolben­ gewichts.

In der Umfangsfläche der Kolbenkrone 5 sind ringförmige Nuten 9a und 9b ausgebildet, in welche (nicht gezeigte) Kolbenringe einzusetzen sind. In der Unterseite des Kolben­ bodens sind Aussparungen 10 ausgebildet, welche sich rück­ wärts der Ringnuten 9a und 9b erstrecken.

Fig. 3 zeigt eine Ansicht des Kolbens von unten in Richtung des Pfeils Y in Fig. 1. In dieser Figur ist die nachstehend im einzelnen beschriebene Ausbildung des Kolbenmantels 6 deutlich zu erkennen. Der Kolbenmantel ist innerhalb eines Umfangsbereichs von einer vorgegebenen Breite bzw. inner­ halb eines vorgegebenen Bogenmaßes LS durch ein Teil einer Ellipse definiert. Das Bogenmaß LS seinerseits ist in bezug auf eine die Mittellinie P/A des Kolbens einschließende und zur Mittellinie der Kolbenbolzenlager lotrechte Ebene P/S durch zwei Winkel R definiert. In der dargestellten Aus­ führungsform betragen die beiden Winkel R jeweils 36°.

In Fig. 5 sind in Fig. 4 mit 6a, 6b und 6c bezeichnete Querschnittsprofile des Kolbenmantels 6 dargestellt. Die Querschnitte 6a, 6b und 6c sind lotrecht zur Mittellinie P/A des Kolbens ausgerichtet und in der Reihenfolge ihrer Entfernung von der Kolbenkrone 5 geordnet, wie in Fig. 4 dargestellt.

Bezeichnet man die große Achse der Ellipsenform mit DL, die kleine Achse mit DS, und verwendet man die Indices a, b und c für die Querschnitte 6a bzw. 6b bzw. 6c, dann lassen sich die Beziehungen zwischen den großen Achsen und den kleinen Achsen der ellipsenförmigen Querschnitte wie folgt ausdrücken:

DLa < DLb < DLc (1)

DSa < DSb < DSc (2)

DLa - DSa < DLb - DSb <DLc - DSc (3)

Daraus geht hervor, daß sich das Profil des Kolbenmantels innerhalb des Bogenmaßes LS in der Weise verändert, daß nicht nur die Länge der großen und der kleinen Achse vom oberen zum unteren Ende des Kolbenmantels hin zunimmt, sondern sich auch die Längendifferenz zwischen der großen und der kleinen Achse stetig von oben nach unten vergrößert.

Es ist allgemein bekannt, daß der Kolben 1 bei seiner Hin- und Herbewegung in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine plötzliche Kippbewegungen vollführt, so daß er abwechselnd rechts- und linksseitig in Anlage an der Zylinderwandung kommt, wobei entsprechende seitliche Schubkräfte auf den Kolbenmantel einwirken. Diese seitlichen Kräfte erreichen gewöhnlich ein Maximum in einem unteren Bereich des Kolben­ mantels 6 zunächst der Ebene P/S und verringern sich stetig auf ein Minimum in einem oberen Bereich mit zunehmendem Umfangsabstand von der Ebene P/S. Bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion des Kolbens bewirken die auf die Teile des Kolbenmantels einwirkenden seitlichen Kräfte eine Verformung desselben von der elliptischen zu einer kreis­ förmigen Gestalt, so daß sich ein gleichmäßiger Flächen­ kontakt mit der Zylinderwandung ergibt.

Dadurch werden auf Grund der seitlichen Schubkräfte örtlich auf die Teile des Kolbenmantels 6 einwirkende Stoßbelastun­ gen absorbiert, so daß ein im wesentlichen gleichmäßiger Druck auf alle in Berührung mit der Zylinderwandung befind­ lichen Bereiche des Kolbens einwirkt. Dabei verteilt sich die Druckbelastung auf die in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie umgrenzte Kontaktfläche 11. Die Lauf- oder Druck­ flächen des Zylindermantels 6 sind daher trotz ihrer geringen Breite in Umfangsrichtung in der Lage, den Kolben wirksam gegenüber seitlichen Schubkräften abzustützen, ohne daß die Gefahr des Fressens des Kolbenmantels gegeben ist.

Fig. 6 zeigt einen Kolben in einer anderen Ausführungsform. Im Gegensatz zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform haben die Rippen 7 dieses Kolbens 1 keine der Gewichts­ verringerung dienende Durchbrechungen 8. Hier ist vielmehr die Stärke der Rippen 7 im Hinblick auf eine Verringerung des Kolbengewichts ausgewählt. Im übrigen entspricht die Konstruktion dieses Kolbens im wesentlichen derjenigen der ersten Ausführungsform und braucht deshalb nicht erneut beschrieben zu werden.

Im Rahmen der Vorarbeiten zu der vorliegenden Erfindung durchgeführte Untersuchung haben u. A. folgendes ergeben: Ist das Verhältnis der Breite der Laufflächen zum Gesamt­ umfang des Kolbens (d. h. also das Bogenmaß LS×2) gleich 0,34 : 1 oder kleiner (wobei dann der Winkel R <30,6°ist), und ist dabei die Längendifferenz zwischen der großen Achse und der kleinen Achse des Kolbenmantelprofils kon­ stant, dann können die Kontaktflächen des Kolbenmantels zum Fressen neigen. Im Gegensatz dazu weist der Kolben gemäß der Erfindung eine sich stetig ändernde Längendifferenz zwischen der großen und der kleinen Achse auf, wodurch einem Fressen des Kolbenmantels vorgebeugt ist.

Liegt dagegen das vorstehend genannte Breiten/Umfangs­ verhältnis zwischen 0,34 : 1 und 0,4 : 1 (wobei dann also 30,6°<R<36° gilt), dann tritt auch bei einer konstanten Längendifferenz zwischen der großen und der kleinen Achse kein Fressen des Kolbens auf, wobei jedoch der Kolbenmantel beim Auftreten von seitlichen Schubkräften sehr starken ört­ lichen Stoßbelastungen unterworfen ist. Dieser Nachteil ist bei einem Kolben gemäß der Erfindung vermieden.

Im Falle schließlich eines Kolbens mit einem Breiten/Um­ fangsverhältnis von 0,4 : 1 oder darüber (wobei dann R<36° gilt) tritt auch bei einer konstanten Differenz zwischen der großen und der kleinen Achse kein Fressen des Kolbens auf. Ein derartiger Nachteil ist auch bei einem Kolben gemäß der Erfindung nicht gegeben.

Wie man aus vorstehender Beschreibung erkennt, hat ein Kolben gemäß der Erfindung einen ovalen Mantel, bei welchem die Beziehung der Umfangslänge der tragenden Flächen zum Gesamtumfang des Kolbens unterhalb eines vorbestimmten Werts liegt und die Differenz zwischen der großen Achse und der kleinen Achse des ovalen Mantelprofils im oberen Teil zunächst der Kolbenkrone am kleinsten und im unteren Teil des Kolbenmantels am größten ist. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, das Gewicht des erfindungsgemäßen Kolbens sehr gering zu halten und einem Fressen des Kolbenmantels vor­ zubeugen, so daß eine lange Standzeit des Kolbens und eine hohe Widerstandsfähigkeit desselben gewährleistet sind.

Im Vorstehenden ist die Erfindung des besseren Verständ­ nisses halber an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert worden, wobei jedoch Abwandlungen derselben im Rahmen der Erfindung möglich sind.

Claims (4)

1. Kolben für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch ein Kolbenbodenteil (2) und durch ein sich in Axialrichtung des Kolbens vom Kolben­ bodenteil weg erstreckendes, ovales Kolbenmantelteil (6) mit einander in bezug auf die Achse des Kolbens diametral gegenüber angeordneten ersten und zweiten Segmenten, deren Profil durch ein Teil eines eine vorbestimmte große Achse und eine vorbestimmte kleine Achse aufweisenden elliptischen Kegels definiert ist, wobei die Länge der Achsen zum unteren Teil des Mantelteils hin zunimmt und sich die Differenz zwischen der großen und der kleinen Achse mit Annäherung an das untere Teil des Mantelteils vergrößert.
2. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Umfangs­ länge des Mantelteils (6) und der Umfangslänge des Kolbens (1) 0,4 : 1 oder weniger beträgt.
3. 3. Aus einer Aluminiumlegierung gefertigter Leichtbau­ kolben für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch ein Kolbenbodenteil (2, 5), durch ein an das Kolbenbodenteil anschließendes, ausgespartes Kolbenmantelteil (6), durch ein innerhalb des Kolbenmantelteils angeordnetes Kolbenbolzenlager (4, 3) und durch wenigstens eine das Kolbenmantelteil mit den Kolben­ bolzenlager verbindende Rippe (7), wobei das Kolbenmantelteil Druck- oder Laufflächen aufweist und jeweils ein vorbestimmter Bereich jeder Druck- oder Lauffläche ein Querschnittsprofil aufweist, welches durch ein Teil einer eine vorbestimmte große Achse und eine vor­ bestimmte kleine Achse aufweisenden Ellipse definiert ist, und wobei sich die Differenz zwischen der großen Achse und der kleinen Achse sowie auch die Länge der großen und der kleinen Achse zum unteren Bereich des Mantelteils hin vergrößern.
4. 4. Leichtbaukolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangslänge der vorbestimmten Bereiche der Druck- oder Laufflächen weniger als 4/10 der gesamten Umfangslänge des Kolbens (1) beträgt.