DE4441450B4

DE4441450B4 - Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4441450B4
Application number: DE19944441450
Authority: DE
Inventors: Emmerich Ottliczky
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 1994-11-22
Filing date: 1994-11-22
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2014-11-23
Also published as: DE4441450A1

Abstract

Leichtmetallkolben (14) für Brennkraftmaschinen mit in Naben (16) angebrachten Formbohrungen (19), wobei die Mantelfläche der Formbohrungen (19) in den Naben (16) in einem mittleren Nabenabschnitt (23) die Form eines Kreiszylinders aufweist, und wobei der mittlere Nabenabschnitt (23) einen Übergangsbereich zwischen einem äußeren Nabenabschnitt (20) und einem inneren Nabenabschnitt (21) bildet, und wobei die Mantelfläche der Formbohrungen (19) in dem äußeren Nabenabschnitt (20) die Form eines Hyperboloids mit elliptischem Querschnitt aufweist, wobei die größere Achse (24) der Ellipsenform (25) des äußeren Nabenabschnitts (20) in der die Kolbenachse (26) und die Achse (27) der Formbohrungen (19) in den Naben (16) einschließenden Ebene verläuft und wobei die größere Achse (29) der Ellipsenform (28) des inneren Nabenabschnitts (21) senkrecht zu der die Achse der Formbohrungen (19) in den Naben (16) und die Kolbenachse (26) einschließenden Ebene verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit in den Naben angebrachter Formbohrung.
Die bei einem Kolben für Brennkraftmaschinen über beide Naben auf den Kolbenbolzen eingeleitete Bolzenlagerkraft ist die Resultierende aus Gaskraft, Seitenkraft und der Massenkraft des Kolbens einschließlich der Kolbenringe und tritt unter Einwirkung des Zünddrucks im oberen Scheitelbereich der Naben auf. Beim Anlagewechsel hat der Kolbenbolzen den Widerstand des zu verdrängenden Schmierölfilms im Spalt zwischen Kolbenbolzen und Nabe zu überwinden. Die dabei auftretenden Spitzenwerte der Flächenpressung sind maßgeblich sowohl für die Belastung des Schmierfilms als auch für die Beanspruchung des Kolbenwerkstoffs; sie wird durch mehrere Faktoren beeinflusst. In Grundzügen entspricht sie der Schmierfilmdruckverteilung eines auf Verdrängung belasteten Gleitlagers. Infolge der elastischen Verformung von Kolben und Kolbenbolzen, insbesondere der Kolbenbolzendurchbiegung, ist das im Idealfall in der Nabenmitte liegende Druckmaximum unter Erhöhung des Spitzenwertes zur Nabeninnenseite hin verlagert. Bei extremen Verformungen besonders im Zusammenwirken mit Schmierölmangel in der Nabe kann es zur Kantenpressung mit metallischer Berührung mit hoher Verschleiß- und Ermüdungsbeanspruchung kommen. Auf die Druckverteilung im Nabenquerschnitt wirken sich vor allem das Spiel zwischen Kolbenbolzen und Naben und die Ovalverformung des Kolbenbolzens aus.
Die Druckverteilung in den Bohrungen der Naben erzeugt Zugspannungen in Umfangsrichtung der Naben. Die Beanspruchung der Naben ist dabei durch einen mehrachsigen Spannungszustand mit hohen Spannungsgradienten gekennzeichnet. Bei Überschreiten der Dauerfestigkeit kommt es am Ort des Druckmaximums im hauptbelasteten oberen Scheitel der Naben zu Ermüdungsrissen, die bei weiterem Rissfortschritt den Kolben spalten (Nabenspaltbruch). Die Abstützung der Naben. d. h. die Zone zwischen dem oberen Scheitel der Naben und dem Kolbenboden ist durch hohe Druckspannungen in Richtung der Kraftübertragung beansprucht. Die Spannungsverteilung der Nabenabstützung ist umso günstiger je größer der Abstand zwischen der Bohrung in den Naben und dem Kolbenboden ist, der als Dehnlänge bezeichnet wird. Umgekehrt führt eine geringe Dehnlänge zu hohen Spannungskonzentrationen und zu entsprechend geringerer Belastbarkeit der Naben. Die Belastung des unteren Scheitels der Naben durch Massenkraft ist zwar wesentlich geringer als die Belastung des oberen Scheitels der Naben durch Gaskraft, trotzdem können auch hier kritische Spannungen auftreten, die beider Auslegung der Naben zu berücksichtigen sind.

Eine wesentliche Verringerung der Zugspannungen in Umfangsrichtung der Naben und somit eine erhöhte Sicherheit gegen Ermüdungsanrisse im oberen Nabenscheitel sowie gleichzeitig eine Verbesserung der Schmierung zwischen dem Kolbenbolzen und den Naben wird durch sichelartige Ausnehmungen im Seitenbereich der Bohrungen in den Naben, die sich über die ganze Bohrungslänge erstrecken können oder auf den inneren Nabenabschnitt begrenzt sind, erreicht. Der übliche Winkelbereich liegt zwischen 80 und 110° ( GB 851 322 A ). Bekannt sind auch Kolben, bei denen die Bohrungen in den Naben im Bereich des inneren Nabenabschnitts konisch oder trompetenförmig mit rundem oder leicht ovalem Querschnitt aufgeweitet sind, wodurch die Spitzenwerte der Schmierfilmdruckverteilung abgebaut und durch gleichmäßigere Lastverteilung bei maximaler Bolzenlagerkraft die Lagerflächen besser ausgenutzt werden (Technisches Handbuch der Kolbenschmidt AG, Heft 3, Seite 31, Neckarsulm 1988). In der DE 16 50 206 A sind die Bohrungen in den Naben über ihre ganze Länge oval ausgebildet, wobei die große Achse der Ovalform quer zur Längsachse des Kolbens verläuft. Diese Maßnahme kann gemäß der DE 21 52 462 B mit einer gekrümmten Mantellinie der Bohrungen in den Naben und einer leichten Krümmung der Achse der Bohrungen in den Naben zur Kolbenmitte hin kombiniert sein. Die EP 0065 642 B1 befasst sich mit Bohrungen in den Naben mit mindestens einer im Scheitelbereich in Richtung der Bolzenachse verlaufenden Ausnehmung in einem umfangsmäßig in einem Winkel von maximal 30° beidseitig des Nabenscheitels liegenden Bereich, wobei die gesamte Breite der Ausnehmung 1 bis 10 % des Durchmessers der Nabenbohrungen beträgt und die Ausnehmung über die gesamte Länge der Nabenbohrung gleichbleibende Tiefe und Breite besitzt. Durch diese Maßnahme soll die Schmierung zwischen Kolbenbolzen und den Lagerflächen der Naben verbessert werden.

DE 44 31 990 A1 zeigt einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit in den Naben angebrachten Formbohrungen, welche einen inneren Nabenabschnitt mit der Form eines Kreiszylinders aufweisen und einen äußeren Nabenabschnitt, der ebenfalls kreisförmig ist, jedoch konisch oder trompetenförmig aufgeweitet ist.

In Motortechnische Zeitschrift 42 (1981), Seite 409 ff. sind Formbohrungen verschiedener Gestalt bei Kolbennaben dargestellt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Formbohrungen in den Naben eines Leichtmetallkolbens eine solche Gestalt zu geben, dass der über den Kolbenboden eingeleitete Kraftfluss umgelenkt und damit eine Reduzierung der Spannungen am Nabenumfang insbesondere im Bereich des oberen Scheitels der Naben erreicht und damit die Gefahr der Spaltrissbildung deutlich gesenkt wird. Ferner sollen die am Kolbenboden auftretenden Spannungen herabgesetzt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die Länge der aufgeweiteten Nabenabschnitte der Formbohrungen in den Naben beträgt 10 bis 90 %, vorzugsweise 30 bis 60 %.

Die Länge des kreiszylinderförmigen, zwischen dem äußeren und dem inneren aufgeweiteten Nabenabschnitt der Formbohrungen in den Naben liegenden Nabenabschnitts beträgt 3 bis 40 % der Auflagelänge des Kolbenbodens.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen näher und beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Leichtmetallkolben entlang der die Kolbenachse und die Achse der Formbohrungen in den Naben einschließenden Ebene;
2 eine vergrößerte Darstellung des Details Y der 1;
3 einen Längsschnitt entlang der Schnittlinie B-B der 2 und
4 einen Schnitt entlang der Schnittlinie C-C der 2.
Der in 1 bis 4 dargestellte, aus einer Aluminiumkolbenlegierung gegossene Leichtmetallkolben (14) besitzt in den Kolbenschaft (15) integrierte Naben (16). Der Kolbenboden (17) stützt sich bei kleiner Dehnlänge auf der Blockabstützung (18) der Naben (16) ab. die Formbohrungen (19) der Naben (16) sind sowohl in ihrem äußeren als auch in ihrem inneren Nabenabschnitt (20, 21) hyperboloidförmig mit elliptischem Querschnitt aufgeweitet, wobei sich die Aufweitungen jeweils über eine Länge von 40 % der Auflagelänge (22) des Kolbenbolzens erstrecken. Zwischen den beiden Nabenabschnitten (20, 21) befindet sich ein Übergangsbereich (23) mit kreiszylindrischer Form und einer Länge, die 10 % der Auflagelänge (22) des Kolbenbolzens entspricht.

Claims

Leichtmetallkolben (14) für Brennkraftmaschinen mit in Naben (16) angebrachten Formbohrungen (19), wobei die Mantelfläche der Formbohrungen (19) in den Naben (16) in einem mittleren Nabenabschnitt (23) die Form eines Kreiszylinders aufweist, und wobei der mittlere Nabenabschnitt (23) einen Übergangsbereich zwischen einem äußeren Nabenabschnitt (20) und einem inneren Nabenabschnitt (21) bildet, und wobei die Mantelfläche der Formbohrungen (19) in dem äußeren Nabenabschnitt (20) die Form eines Hyperboloids mit elliptischem Querschnitt aufweist, wobei die größere Achse (24) der Ellipsenform (25) des äußeren Nabenabschnitts (20) in der die Kolbenachse (26) und die Achse (27) der Formbohrungen (19) in den Naben (16) einschließenden Ebene verläuft und wobei die größere Achse (29) der Ellipsenform (28) des inneren Nabenabschnitts (21) senkrecht zu der die Achse der Formbohrungen (19) in den Naben (16) und die Kolbenachse (26) einschließenden Ebene verläuft.
Leichtmetallkolben (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des inneren bzw. äußeren hyperboloidförmig aufgeweiteten Nabenabschnitts (20, 21) 10 bis 90 %, vorzugsweise 30 bis 70 %, der Auflagelänge (22) des Kolbenbolzens beträgt.
Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der eine kreiszylinderförmige Form aufweisende Nabenabschnitt (23) eine Länge von 3 bis 40 % der Auflagelänge (22) des Kolbenbolzens besitzt.