DE4019968C2

DE4019968C2 - Kolben für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4019968C2
Application number: DE4019968A
Authority: DE
Inventors: Naohiro Iwaya
Original assignee: Atsugi Unisia Corp
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1989-06-20
Filing date: 1990-06-22
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2010-06-23
Also published as: DE4019968A1; JPH0310057U; US5058489A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine und richtet sich insbesondere auf einen einen ovalen Mantel aufweisenden Kolben, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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, die während der Kolbenhübe in der Anlage an eine Zylinderwand kommen. Diese Laufflächen sind durch von den Kolbenbolzenlagern ausgehende Rippen abgestützt.

Aus der DE 35 34 536 A1 ist ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, mit einem Kolbenbodenteil und mit einem sich in axialer Richtung des Kolbens vom Kolbenbodenteil weg erstreckenden, ovalen Kolbenmantelteil, mit einer in bezug auf die Längs-Mittellinie des Kolbens diametral gegenüber angeordneten ersten und zweiten Segmenten zur Berührung mit einer Zylinderwand der Brennkraftmaschine während der Verbrennung, deren Profil durch einen Teil eines vorbestimmte große und kleine Achsen aufweisenden elliptischen Kegels definiert ist.

Hier ist der Kolben so ausgebildet, daß insbesondere der kleinste Durchmesser des Ovals kontinuierlich von den Kolbenringen an gesehen abwärts zunimmt, wohingegen der größte Durchmesser nur in einem ersten Teilbereich ausgehend vom Kolbenmantel zunimmt und dann konstant bleibt.

Der so ausgebildete Kolben der DE 35 34 536 A1 weist jedoch den Nachteil auf, daß die seitlichen Bereiche des Mantels relativ große Steifigkeit besitzen. Während des Arbeitshubs konzentrieren sich seitliche Schubkräfte in diesem sehr steifen Bereich, was zu einem Fressen des Kolbenmantels führen kann. Je schmaler dabei die Laufflächen in Umfangsrichtung sind, umso 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.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen einen ovalen Mantel aufweisenden Kolben der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß dieser während eines Arbeitshubes auf ihn einwirkende seitliche Schubkräfte gleichmäßig aufnehmen kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Ausgestaltung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ergibt sich, daß die Schubkräfte von dem Mantel gleichmäßig aufgenommen werden können, da eine entsprechende Verteilung dieser Schubkräfte durch die Ausgestaltung des Kolbens ermöglicht wird. Insbesondere wird dabei auch die Gefahr des Fressens des Kolbenmantels deutlich verringert.

Zwar ist aus der DE-PS 7 55 235 bereits ein Kolben für Brennkraftmaschinen mit formgeschliffener Lauffläche bekannt. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um einen Kolben mit einem ovalen Mantel, sondern mit einem Mantel mit kreisförmigem Querschnitt, der teilweise abgeflachte Kreissegmente aufweist, wobei zwischen dem Kreisbogen und den Kreissegmenten Ecken ausgebildet sind.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand 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 bodenteil 2, zwei Kolbenbolzenlagerbereiche 4, einen ovalen Kolben mantelteil 6 und Stützrippen 7. Der Kolbenmantelteil 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 Kolbenbolzenlagerbereiche 4 sind einstückig an der Innenseite des Kolbenbodenteils 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 Kolbenmantelteilteil 6 erstreckt sich von einer Kolbenkrone 5 aus abwärts. Die Stützrippen 7 verbinden die Kolbenbolzenlagerbereiche 4 mit Teilen des Kolbenmantelteils 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 Kolbenmantelteils 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 die in Fig. 4 mit 6a, 6b und 6c bezeichnete Querschnittsprofile des Kolbenmantelteils 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 Kolbenmantelteil einwirken. Diese seitlichen Kräfte erreichen gewöhnlich ein Maximum in einem unteren Bereich des Kolben mantelteils 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 Kolbenmantelteils 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 Zylindermantelteils 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

1. Kolben für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenbodenteil (2) und mit einem sich in Axialrichtung des Kolbens vom Kolbenbodenteil weg erstreckendem, ovalem Kolbenmantelteil (6) mit einander in bezug auf die Längs-Mittenlinie des Kolbens (1) diametral gegenüber angeordneten ersten und zweiten Segmenten (6A, 6B) zur Berührung mit einer Zylinderwand der Brennkraftmaschine während der Verbrennung, deren Profil durch ein Teil eines vorbestimmte große und kleine Achsen (DLa, DLb, DLc, DSa, DSb, DSc) aufweisenden elliptischen Kegels definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen beider Achsen (DLa, DSa; DLb, DSb; DLc, DSc) zum unteren Teil des Kolbenmantelteils (6) hin zunehmen und sich die Differenz zwischen der großen und der kleinen Achse (DLa-DSa; DLb-DSb; DLc-DSc) mit Annäherung an das untere Teil des Kolbenmantelteils (6) vergrößert.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Umfangslänge des Kolbenmantelteils (6) und der Umfangslänge des Kolbens (1) 0,4 : 1 oder weniger beträgt.

3. Kolben nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Paar von Kolbenbolzenlagerbereichen (4), die hinter dem Kolbenbodenteil (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die größere Achse (DLa, DLb, DLc) des elliptischen Kegels senkrecht zu einer Kolbenbolzenlager-Mittenlinie verläuft.