DE60301636T3

DE60301636T3 - Kolben

Info

Publication number: DE60301636T3
Application number: DE60301636T
Authority: DE
Inventors: Karl Glinsner; Martin Olejniczak
Original assignee: BRP Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: BRP Rotax GmbH and Co KG
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: US20030221553A1; EP1348859A3; DE60301636T2; DE60301636D1; US6862977B2; EP1348859A2; ATE305088T1; EP1348859B2; EP1348859B1

Description

HINWEIS AUF VERWANDTE PATENTANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht Priorität über die provisorische US-Patentanmeldung Nr. 60/366,527, die am 25. März 2002 eingetragen wurde.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Kolben für Verbrennungsmotoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Kolben mit einer Konfiguration, die eine flexible Unterstützung der Mantelabschnitte des Kolbens erreicht und gleichzeitig die Belastungen in einem Übergangsbereich zwischen den Kolbenaugen und dem Kolbenkopf minimiert.
Stand der Technik
In einem Verbrennungsmotor besitzt jeder Zylinder einen darin beweglich aufgenommenen Kolben. Der Kolben steht über eine Verbindungsstange in operativer Verbindung mit einer Kurbelwelle in einem Kurbelgehäuse. Die Verbindungsstange ist in der Regel mit einem Kolbenbolzen am Kolben befestigt. Der Kolbenbolzen steckt in einem Paar Kolbenbolzenaugen, die im Kolben selbst ausgebildet oder mit diesem verbunden sind. In der Regel sind Kolben mit Mantelabschnitten auf einander gegenüber liegenden Seiten der Kolbenbolzenaugen ausgebildet. Die Außenflächen der Mantelabschnitte dienen der Stabilisierung des Kolbens im Zylinder während des Betriebs. Die Außenflächen der Mantelabschnitte konfrontieren während des Verbrennungszyklus die Zylinderwand, um auf den Kolben aufgebrachte Seitenlasten aufzunehmen, um den Kolben im Betrieb am Zylinder ausgerichtet zu halten.
Die Mantelabschnitte sind in der Regel mittels Verbindungswänden miteinander und mit den Kolbenbolzenaugen verbunden. Die Verbindungswände dienen der Unterstützung der Mantelabschnit te und verbinden die Kolbenbolzenaugen mit der Unterseite des Kolbenkopfes. Im Sinne einer flexiblen oder variablen oder weichen Unterstützung der Mantelabschnitte, so dass die Mantelabschnitte ausreichend Kontakt mit den Seiten der Verbrennungskammer halten, ist es wünschenswert, die Verbindungswände so weit auseinander wie möglich anzuordnen. Um anderseits die Belastungen im Übergangsbereich zwischen dem Kolbenauge und der Unterseite des Kolbenkopfes zu minimieren, ist es vorteilhaft, den kleinstmöglichen Abstand zwischen den Verbindungswänden zu haben. In dem zurzeit in der Fachwelt bekannten Kolben kann nur eine dieser Bedingungen optimiert werden. Das Profil des Kolbenmantels in vertikaler Hubrichtung ist in der Regel flach, und die etwas verjüngten Enden ermöglichen eine unbehinderte Auf-/Abführung des Mantels im Zylinder.
Beispielsweise offenbart DE 196 43 778 C2 einen leichtgewichtigen Kolben. Der Kolben umfasst ein Paar Mantelabschnitte, die an gegenüber liegenden Seiten eines Paares von Kolbenbolzenaugen angebracht sind. Die Mantelabschnitte sind mittels räumlich gekrümmter Verbindungswände miteinander verbunden. Die Verbindungswände sind in Richtung einer Außenseite des Kolbens konvex gekrümmt. Diese Verbindungswände unterstützen die Kolbenbolzenaugen jedoch nicht optimal. Diese Anordnung verursacht zudem größere Belastungen im Übergangsbereich zwischen den Kolbenbolzenaugen und der Unterseite des Kolbenkopfes.
In DE 34 25 965 A1 wird auch ein Leichtmetallkolben offenbart, der flache Verbindungswände zwischen den Mantelabschnitten aufweist. Mit dieser Anordnung ist es möglich, eine flexible oder variable Unterstützung für die Mantelabschnitte bereitzustellen. Die Kolbenbolzenaugen sind jedoch nicht optimal mit der Unterseite des Kolbenkopfes verbunden. Folglich kann es im Übergangsbereich zwischen den Kolbenbolzenaugen und der Unterseite des Kolbenkopfes zu größeren Belastungen kommen, die bei extremen Betriebsbedingungen zu Rissbildungen führen können.
In US 4,989,559 an Fletcher-Jones wird ein Kolben für einen Verbrennungsmotor offenbart. Die Kolbenbolzenaugen des Kolbens werden von einem Paar ebener Stege und einer Mehrzahl von Trägerrippen gehalten.
In GB 2 238 596 A wird ein Kolben mit Bolzenaugen und Mantelabschnitten beschrieben, die miteinander durch Verbindungswände verbunden sind. Die Verbindungswände sind im Bereich der äußeren Seitenfläche der Bolzenaugen angeordnet und so geformt, dass sie sich konvex nach außen krümmen. Diese Verbindung mit der Unterseite des Kolbenkopfes führt zu größeren Belastungen.
Ein Ω Kolben mit Kolben-Bolzenaugen und Mantelabschnitten, die durch Verbindungswände verbunden sind, wird beschrieben in ”Innovating Piston for High Performance 4 Stroke Engine, drawing and development”, von U. Panzeri, Gilardoni Vittorio S. P. A., 2. Internationales Seminar ”High Performance Spark Ignition Engines for Passenger Cars”, 23. bis 24. November 1995, Milano, Italien. In Draufsicht betrachtet, nehmen die Mantelabschnitte und die Verbindungswände die Form eines D ein. Diese Anordnung erzielt einen gerade und präzisen Zwischenraum zwischen dem Kolben und dem Zylinder. Die Verbindungswände sind nahe der inneren Seitenfläche der Kolbenbolzenaugen angeordnet. Die einzelnen Verbindungswände sind in einer S-Form zwischen dem Bereich der Kolbenbolzenaugen und der Mantelabschnitte gekrümmt. Mit der Ω Kolbenanordnung ist die Unterstützung der Mantelabschnitte zwar relativ flexibel, die Belastungsverteilung im Übergangsbereich zwischen dem Kolbenauge und der Unterseite des Kolbenkopfes ist jedoch ungünstig.
In WO 00/72116 wird eine Methode zur Produktion eines geschlossenen Kolbens offenbart. Die Verbindungswände sind angrenzend an eine Innenfläche der einzelnen Kolbenbolzenaugen angeordnet. Die unteren freien Enden der Verbindungswände krümmen sich in eine Richtung weg von einer Mittelebene des geschlossenen Kolbens.
In EP 0838 587 A1 wird ein Kolben mit einem Paar Mantelabschnitte offenbart, die konkav zulaufende Kanten aufweisen, wenn sie von einer den Kolben teilenden Symmetrieebene betrachtet werden. Die Verbindungswände folgen der Krümmung der konischen Kanten der Mantelabschnitte. In US 4 683 808 A wird ein Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren offenbart, der einen Mantel besitzt, welcher an seinem unteren Ende geschlossen ist und an Stellen, die angrenzend an die Augen zu beiden Seiten der hori zontalen Ebene durch den Kolbenbolzen angeordnet sind, so zurück versetzt ist, dass er entsprechende Aussparungen bildet. Um ein Zurückbehalten von Öl in den Aussparungen zu vermeiden, sind jene Endabschnitte des Mantels, die an die Aussparungen anschließen, von der äußeren Außenumfangsfläche des Kolbens einwärts versetzt. Allerdings ist die Belastungsverteilung im Übergangsbereich zwischen dem Kolbenauge und der Unterseite des Kolbenkopfes nicht günstig.
ZIELE DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen leichtgewichtigen Kolben zu schaffen, der die Nachteile der Kolbenanordnungen nach dem Stand der Technik überwindet.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen leichtgewichtigen, dauerhaften Kolben zu schaffen, der die Belastung im Übergangsbereich zwischen den Kolbenbolzenaugen und dem Kolbenkopf minimiert.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen leichtgewichtigen, dauerhaften Kolben zu schalten, der eine flexible oder weiche Unterstützung für den Kolbenmantel bereitstellt.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen leichtgewichtigen, dauerhaften Kolben zu schaffen, der die Belastung im Übergangsbereich zwischen den Kolbenbolzenaugen und dem Kolbenkopf minimiert, während er eine flexible oder weiche Unterstützung für den Kolbenmantel bereitstellt.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kolben mit einer Verbindungswand zu schaffen, die sich zwischen den Kolbenmänteln und dem Kolbenbolzenauge erstreckt und eine aufgeweitete Konstruktion aufweist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kolben mit einer Verbindungswand zu schaffen, die in mehrere Richtungen gekrümmt ist, um zu ermöglichen, dass der Abstand zwischen angrenzenden Wänden angrenzend an die Kolbenbolzenaugen am kleinsten ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kolben mit einer Verbindungswand zu schaffen, die in mehrere Richtungen gekrümmt ist, um zu ermöglichen, dass der Abstand zwischen angrenzenden Wänden angrenzend an den Kolbenmantel am größten ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kolben zu schaffen, der ein Paar konischer Kolbenmäntel besitzt.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kolben zu schaffen, der ein Paar konischer Kolbenmäntel und verbundener Wände besitzt, die so gekrümmt sind, dass sie der Konizität der Kolbenmäntel folgen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kolben zu schaffen der ein Paar Verbindungswände besitzt, die sich zwischen den einander gegenüber liegenden Kolbenmänteln erstrecken und eine aufgeweitete Konstruktion aufweisen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kolben zu schaffen, der ein Paar Verbindungswände mit zweifacher Krümmung besitzt, wobei die Wände sich in mehr als eine Richtung krümmen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Als Reaktion auf die oben beschriebenen Herausforderungen haben die Antragsteller einen Kolben für einen Verbrennungsmotor entwickelt, der die Belastungen in einem Übergangsbereich zwischen dem Kolbenkopf und den zugehörigen Kolbenbolzenaugen minimiert und gleichzeitig eine flexible, weiche Verbindung zwischen den Kolbenmänteln und dem Kolbenkopf herstellt. Dieses Ziel wird erreicht durch einen Kolben gemäß Anspruch 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Kolben einen Kolbenkopf mit einer Unterseite. Ein Kolbenringträger erstreckt sich von der Unterseite des Kolbenkopfes. Ein Paar Kolbenbolzenaugen sind mit der Unterseite des Kolbenkopfes verbunden. Jedes Kolbenbolzenauge umfasst eine Innenfläche. Die Kolbenbolzenaugen sind voneinander beabstandet so angeordnet, dass die Innenfläche eines Kolbenbolzenauges von der Innenfläche des anderen Kolbenbolzenauges beabstandet ist. Der Kolben umfasst des weiteren ein Paar Kolbenmäntel, die sich vom Außenumfang des Kolbenringträgers erstrecken. Jeder Kolbenmantel besitzt ein freies Ende und ein Paar gegenüber liegender Kanten. Die gegenüber liegenden Kanten erstrecken sich vom Kolbenringträger zum freien Ende. Einer der Kolbenmäntel ist auf einer Seite der Achse positioniert, der andere Kolbenmantel auf der anderen Seite der Achse. Der Kolben umfasst des weiteren ein Paar Verbindungswände, die sich zwischen dem Paar gegenüber liegender Kolbenmäntel und dem Paar Kolbenbolzenaugen erstrecken. Jede Verbindungswand ist mit dem Kolbenkopf verbunden. Jede Verbindungswand erstreckt sich von einer Kante des Kolbenmantels zu einer Kante des gegenüber liegenden Kolbenmantels. Jede Verbindungswand erweitert sich im Allgemeinen auswärts gerichtet in vertikaler und horizontaler Richtung. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zumindest ein Teil jeder der Verbindungswände mit der Innenfläche an einem der Kolbenbolzenaugen ausgerichtet. Die Verbindungswände sind so konfiguriert, dass zumindest ein Teil der gegenüber liegenden Innenflächen der Verbindungswände mit Bezug auf die gegenüber liegende Verbindungswand in mindestens zwei Ebenen konvex gekrümmt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jeder der Kolbenmäntel auf eine Art konisch sein, dass der Abstand zwischen den gegenüber liegenden Kanten angrenzend an die freien Enden größer ist als der Abstand zwischen den einander gegenüber liegenden Kanten angrenzend an den Kolbenringträger. Die Verbindungswände sind aufgeweitet und so konfiguriert, dass sie einem Profil der gegenüber liegenden Kante folgen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jede der Verbindungswände so konfiguriert, dass ein Abschnitt der Verbindungswand angrenzend an das Kolbenbolzenauge näher an einer Ebene positioniert ist als ein Abschnitt der Verbindungswand angrenzend an die gegenüber liegende Kante des Kolbenmantels.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, der an der Unterseite einen Kolbenkopf besitzt. Der Kolbenkopf besitzt eine Kolbenachse, die sich in einer im Allgemeinen länglichen Richtung erstreckt. Ein Kolbenringträ ger erstreckt sich von der Unterseite des Kolbenkopfes. Der Kolbenring hat einen Außenumfang. Ein Paar Kolbenbolzenaugen sind mit dem Kolbenkopf verbunden, wobei die Kolbenbolzenaugen entlang einer Augenachse in beabstandetem Verhältnis angeordnet sind. Die Augenachse ist im Wesentlichen senkrecht zu der Kolbenachse angeordnet. Der Kolben umfasst eine erste Ebene, welche die Kolbenachse und die Augenachse enthält. Ein Kolbenbolzenauge ist auf einer Seite der Kolbenachse angeordnet, und ein anderes Kolbenbolzenauge auf einer gegenüber liegenden Seite der Kolbenachse. Ein Paar Kolbenmäntel erstreckt sich vom Außenumfang des Kolbenringträgers. Einer aus dem Paar der Kolbenmäntel ist auf einer Seite der ersten Ebene angeordnet, ein anderer Kolbenmantel auf einer gegenüber liegenden Seite der ersten Ebene. Jeder Kolbenmantel umfasst ein freies Ende und ein Paar gegenüber liegender Kanten. Ein Paar Verbindungswände erstreckt sich von einem der Kolbenmäntel auf einer Seite der ersten Ebene über ein Kolbenbolzenauge zum anderen Kolbenmantel auf der gegenüber liegenden Seite der ersten Ebene. Jede Verbindungswand ist mit dem Kolbenkopf verbunden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erstreckt sich eine erste Referenzebene im Allgemeinen parallel zu der und beabstandet von der ersten Ebene. Die erste Referenzebene schneidet jede der Verbindungswände an einer Schnittkurve. Jede der Verbindungswände ist zumindest teilweise konvex gekrümmt bezüglich der gegenüber liegenden Verbindungswand an der Schnittkurve. Die Schnittkurve hat eine bestimmte Erstreckung. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind mindestens 15% der Verbindungswand an der Erstreckung der Schnittkurve konvex gekrümmt. Vorzugsweise sind mindestens 25% der Verbindungswand an der Erstreckung der Schnittkurve konvex gekrümmt. Es ist noch bevorzugter, dass mindestens 50% der Verbindungswand an der Erstreckung der Schnittkurve konvex gekrümmt sind.
Die vorliegende Erfindung umfasst des weiteren eine zweite Referenzebene, die sich im Allgemeinen rechtwinkelig zur ersten Ebene und ersten Referenzebene erstreckt. Die zweite Referenzebene schneidet jede der Verbindungswände an einer zweiten Schnittkurve. Jede der Verbindungswände ist mit Bezug auf die gegenüber liegende Verbindungswand an der zweiten Schnittkurve mindestens teilweise konvex gekrümmt. Die zweite Schnittkurve hat eine bestimmte Erstreckung. Mindestens 15% der Verbindungswand an der Erstreckung der zweiten Schnittkurve sind konvex gekrümmt. Vorzugsweise sind mindestens 25% der Verbindungswand an der Erstreckung der zweiten Schnittkurve konvex gekrümmt. Es ist noch mehr vorzuziehen, dass mindestens 50% der Verbindungswand an der Erstreckung der zweiten Schnittkurve konvex gekrümmt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird in Verbindung mit den nachstehenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Elemente beziehen.
1 ist eine perspektivische Schrägansicht eines Kolbenbodens gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Boden des Kolbens der 2;
3 ist eine Querschnittansicht des Kolbens der 2 an der Schnittlinie 3-3;
4 ist eine Querschnittansicht des Kolbens der 2 an der Schnittlinie 4-4;
5 ist eine Querschnittansicht des Kolbens der 2 an der Schnittlinie 5-5;
6 ist eine Seitenansicht des Kolbens der 1; und
7 ist eine Querschnittansicht des Kolbens der 6 an der Schnittlinie 7-7.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ein Kolben 1 gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun detaillierter beschrieben. Der Kolben 1 umfasst einen Kolbenkopf 2. Der Kolben 1 umfasst eine Kolbenachse 11. Der Kolben 1 ist beweglich in einem (nicht dargestellten) Zylinder aufgenommen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht die Kolbenachse 11 der Zylinderachse des Zylinders. Eine Ebene 12 geht durch die Kolbenachse 11. Jeder Kolben 1 ist vorzugsweise symmetrisch mit Bezug zur Ebene 12. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine symmetrische Anordnung beschränkt; asymmetrische und unsymmetrische Kolben gehören vielmehr ebenfalls in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung. Die obere Oberfläche des Kolbenkopfes 2 umfasst eine Verbrennungsfläche 4. Die Verbrennungsfläche 4 bildet die untere Oberfläche der (nicht dargestellten) Verbrennungskammer im Verbrennungsmotor. Die Seitenfläche des Kolbenkopfes 2 bildet einen zylindrischen Kolbenringträger 3 mit einer Mehrzahl von darin ausgebildeten Rillen 31, 32 und 33, wie in 3–6 dargestellt. Ölablassbohrungen 14 für einen Ölabstreifring, der anliegend in der Rille 31 positioniert ist, erstrecken sich von der Rille 31 zum Inneren des Kolbenkopfes 2, wie in 3–5 dargestellt. Ein Paar Kolbenbolzenaugen 5 ist an der Unterseite des Kolbenkopfes 2 ausgebildet, wie in 1, 3 und 5–7 dargestellt. Die Kolbenbolzenaugen 5 sind auf gegenüber liegenden Seiten der Ebene 12 angeordnet. Die Kolbenbolzenaugen 5 nehmen den (nicht dargestellten) Kolbenbolzen auf. Der Kolben 1 ist mit der Kurbelwelle durch den Kolbenbolzen und eine Verbindungsstange verbunden. Die Kolbenbolzenaugen 5 haben eine gemeinsame Augenachse 6. Jedes Kolbenauge 5 besitzt eine innere Seitenfläche 5a. Die innere Seitenfläche 5a eines Auges 5 ist von der inneren Seitenfläche 5a des gegenüber liegenden Auges 5 beabstandet, wie in 3, 5 und 7, dargestellt. Die Kolbenachse 11 und die gemeinsame Augenachse 6 liegen in einer Ebene 15. Die Ebene 15 steht im rechten Winkel zur Ebene 12.
Der Kolben 1 umfasst ein Paar unterstützende Mantelabschnitte 7. Wie in 2 und 7 dargestellt, sind die unterstützenden Mantelabschnitte 7 auf der gegenüber liegenden Seite der gemeinsamen Augenachse 6 und der Ebene 15 positioniert. Die unterstützenden Mantelabschnitte 7 erstrecken sich von einer unteren Seite des Kolbenkopfes 2 und sind unmittelbar angrenzend an den Kolbenringträger 3 angeordnet. Die Mantelabschnitte 7 stabilisieren den Kolben 1 während des Motorbetriebs in einem (nicht dargestellten) Zylinder, um den Kolben 1 im Zylinder ausgerichtet zu erhalten. Die Mantelabschnitte 7 sind mit den Kolbenbolzenaugen 5 durch die Verbindungswände 10 verbunden.
Die Geometrie der Mantelabschnitte 7 wird nun detailliert beschrieben. Wie in 1, 4 und Fla. 6 beschrieben, haben die Mantelabschnitte ein konisches Profil. Die Kanten 8 der Mantelabschnitte 7 laufen von einem Fuß- oder unteren Abschnitt 9 zum Kolbenkopf 2 hin konisch zu. Der Außenumfang der einzelnen Mantelabschnitte 7 ist am unteren Abschnitt 9 größer als im Bereich angrenzend an den Kolbenringträger 3 (d. h. die Breite der Mantelabschnitte 8 nimmt mit dem Abstand von der Unterseite des Kolbenkopfes 2 zu). Ein Spreizwinkel α besteht zwischen den Kanten 8 des Mantels 7 und der Kolbenachse 11, wie in 2 dargestellt. Die elastische Unterstützung der Kolbenmäntel 7 ist erleichtert, wenn der Winkel α mindestens 40° beträgt. Vorzugsweise beträgt der Winkel α mindestens 45° nahe den Kanten 8 angrenzend an den Kolbenkopf 2. Der Winkel α nimmt mit dem Abstand vom Kolbenkopf 2 zu.
Ein Paar Verbindungswände 10 sind an gegenüber liegenden Seiten der Ebene 12 platziert. Jede Verbindungswand 10 erstreckt sich von einer freien Kante 8 eines Mantelabschnitts 7 zu einer anderen freien Kante 8 auf dem gegenüber liegenden Mantelabschnitt 7, wie 1 und 2 dargestellt. Die Geometrie der Verbindungswände 10 wird nun detaillierter beschrieben. Jede Verbindungswand 10 ist mit den Enden 8 der gegenüber liegenden Mantelabschnitte 7, einem dazwischen angeordneten Kolbenbolzenauge 5 und der unteren Fläche des Kolbenkopfs 2 verbunden. Die Verbindungswände 10 erstrecken sich in einem Winkel β mit Bezug auf den Kolbenkopf 2, wie in 4 dargestellt. Der Winkel β beträgt vorzugsweise zwischen 90° und 120°. Dieses Verhältnis trägt zur Minimierung der Belastung im Übergangsbereich bei. Für eine optimale Belastungsreduzierung im Übergangsbereich sollte der Winkel β nahe bei 90° liegen.
Jede Verbindungswand 10 besitzt eine Innenfläche 10a und eine Außenfläche 10b sowie einen Fuß- oder unteren Abschnitt 10c. Der untere Abschnitt 10c ist vom Kolbenkopf 2 beabstandet. Von der Ebene 12 aus gesehen, erweitern sich die Verbindungswände 10 von der Ebene 12 weg, so dass der Abschnitt der Verbindungswand 10 angrenzend an die Unterseite des Kolbenkopfes 2 zunächst der Ebene 12 angeordnet ist. Der untere Abschnitt 10c ist weiter von der Ebene 12 beabstandet. Jede Verbindungswand 10 ist mindestens teilweise gekrümmt mit Bezug auf die gemeinsame Augenachse 6, die Ebene 12, die Ebene 15 und die Kolbenachse 11 des Kolbens 1. Von der Ebene 15 aus gesehen, erweitern sich die Verbindungswände 10 im Allgemeinen in einer Auswärtsrichtung weg von der Achse 11 und der Ebene 12. Bei einer solchen Anordnung hat von der Ebene 12 aus gesehen mindestens ein Abschnitt der Innenfläche 10a der Verbindungswände 10 eine konvexe Krümmung. Die Innenfläche 10a der Verbindungswände 10 ist mit Bezug auf eine erste Referenzebene, die parallel zur Ebene 15 liegt, und eine zweite Referenzebene, die im rechten Winkel zu der Ebene 12 und der Ebene 15 liegt, konvex gekrümmt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die erste Referenzebene in jedem Abstand von der Ebene 15 angeordnet sein. Die zweite Referenzebene kann an jedem Punkt unterhalb der Unterseite des Kolbenkopfes 2 angeordnet sein. Sowohl die erste wie die zweite Referenzebene schneiden die Verbindungswand 10 an einer Schnittkurve. Diese Schnittkurven sind in 4 und 7 dargestellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung hat an der Erstreckung der Schnittkurven mindestens 15% der Innenfläche 10a eine konvexe Krümmung. Es ist noch mehr bevorzugt, dass mindestens 25% der Innenfläche 10a eine konvexe Krümmung an der Erstreckung der Schnittkurven aufweist. Es ist noch mehr vorzuziehen, dass mindestens 50% der Innenfläche 10b eine konvexe Krümmung an der Erstreckung der Schnittkurven aufweist. Wie dargestellt, vergrößert sich die Krümmung der Verbindungswände 10 mit dem Abstand von der Ebene 15. Obwohl dies bevorzugt ist, ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf diese Anordnung beschränkt; andere Krümmungen sind ebenfalls möglich und liegen ebenfalls im Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung. Mindestens ein Abschnitt jeder Verbindungswand 10 erweitert sich von der Ebene 15 weg. Von der Unterseite des Kolbenkopfes 2 gesehen, wie in 4 dargestellt, erweitern sich die Verbindungswände 10 im Allgemeinen radial auswärts gerichtet. Dies bildet eine zweifache Krümmung jeder Verbindungswand 10. Die Gesamtkrümmung ist im Allgemeinen schalenförmig, wenn von unten gesehen, wie in 1 dargestellt. Die Außenfläche 10b der Verbindungswände 10 weist eine allgemein konkave Krümmung auf, wenn von der Außenseite des Kolbens 1 gesehen. Die zweifache Krümmung der Verbindungswände 10 erstreckt sich vorzugsweise von der Unterseite des Kolbenkopfes 2. Mindestens ein Abschnitt jeder Verbindungswand 10 ist konvex gekrümmt in einer zweifach konvexen Krümmung, wenn von der Ebene 12 an einem Punkt zwischen der Unterseite des Kolbenkopfes 2 und einer Ebene gesehen, die im rechten Winkel zu den Ebenen 12 und 15 steht und die Achse 6 enthält.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat jede Verbindungswand 10 einen Krümmungsradius R, der entlang der Verbindungswand variiert. Der Krümmungsradius R1 für die Verbindungswand 10 im Bereich angrenzend an den Kolbenkopf 2 ist größer als der Krümmungsradius R2 angrenzend an den unteren Abschnitt 10c. Diese Variation des Radius R erlaubt eine Minimierung des Abstands zwischen den Wänden 10, um die Belastungen im Übergangsbereich zwischen den Augen 5 und dem Kolbenkopf 2 zu minimieren, während der Abstand zwischen den Wänden 10, welche die Mantel 7 halten, maximiert wird. Dies trägt zusätzlich dazu bei, die Belastungen im Übergangsbereich zu minimieren. Die vorliegende Erfindung ist Jedoch nicht auf R1 > R2 beschränkt; auch die Relationen R1 = R2 und R1 < R2 sind im Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung.
Im inneren Übergangsbereich zwischen dem Mantel 7 und der Verbindungswand 10 ist eine Krümmung ausgebildet, wie in 2, 4, 5 und 7 dargestellt. Diese Krümmung hat die Radien r1 und r2. Es ist wünschenswert, dass diese Radien r1 und r2 so groß wie möglich sind. Der Radius r1 muss ausreichend groß sein, um unnötige Belastungskonzentrationen zu vermeiden. Es ist vorzuziehen, dass der Radius r1 annähernd zweimal der Breite der Verbindungswand 10 entspricht. Der Radius r2 sollte so groß wie möglich gestaltet sein, damit die Belastungskonzentration im Übergangsbereich zwischen der Verbindungswand 10 und dem Boden des Kolbenkopfes 2 reduziert wird. Die Größe des Radius r2 ist jedoch beschränkt durch die Position des Auges 5 und der (nicht dargestellten) Verbindungsstange.
Jede Verbindungswand 10 hat eine tangentiale Ebene ε angrenzend an die innere Seitenfläche 5a. Gemäß der Erfindung fügt sich ein Abschnitt der Innenfläche 10a der Verbindungswand 10 nahe dem Kolbenkopf 2 kontinuierlich in die innere Seitenfläche 5a des Auges 5. Die innere Seitenfläche 5a liegt in der tangentialen Ebene ε. An dieser Stelle sind sich die Verbindungswände 10 am nächsten. Dies ist der kleinste mögliche Abstand zwischen den Verbindungswänden 10. Damit werden die Belastungen im Übergangsbereich zwischen dem Kolben 5 und dem Kolbenkopf 2 minimiert. Jedes Auge 5 hat eine Ebene 13, die im rechten Winkel zur gemeinsamen Augenachse 6 steht. Die Ebene 13 ist ungefähr in der Mitte des Auges 5 angeordnet. Die Verbindungswände 10 sind so konfiguriert, dass der Bereich angrenzend an den unteren Abschnitt 10c das Kolbenbolzenauge 5 nahe der Ebene 13 schneidet, wie in 2, 3 und 5 dargestellt. Diese Anordnung gewährt die optimale Unterstützung der Kolbenbolzenaugen 5.
Die konische Form der Kanten 8 der Mantelabschnitte 7 und die zweifache Krümmung der Verbindungswände 10 ermöglichen die Verbindung der einzelnen Mäntel 7 am unteren Abschnitt 9 beim weitest möglichen Abstand zwischen den Wänden 10. So wird die gewünschte flexible oder variable oder weiche Unterstützung der Mantelabschnitte erreicht, so dass die Mantelabschnitte ausreichend Kontakt mit den Seiten der Verbrennungskammer halten. Dies reduziert auch das Kolbengeräusch.
Der Kolben 1 ist vorzugsweise aus Aluminium ausgebildet, um eine leichtgewichtige Konstruktion zu schaffen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung von Aluminium beschränkt; vielmehr sind auch Aluminiumlegierungen, Kohlenstoff, Gusseisen, Titan, Keramik, Stahl und Leichtmetalle im Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung. Im Sinne einer Gewichtsreduzierung sind in der Unterseite des Kolbenkopfes 2 zu beiden Seiten der Kolbenbolzenaugen 5 zwischen der Außenseite 10b der Verbindungswände 10 und dem Kolbenringträger 3 die Taschen 21 ausgebildet, wie in 4 und 7 dargestellt. Im Sinne einer leichteren Entnahme des Kolbens 1 aus der Form ist es wichtig, dass die Form geneigte gegenüber liegende Flächen aufweist, die einen Winkel γ > 0° einnehmen. Der Winkel γ ist vorzugsweise > 2°. Aufgrund der zweifach gekrümmten Verbindungswände 10 zwischen den Mantelabschnitten 7 ist es möglich, einen leichtgewichtigen Kolben zu schaffen, der extrem dauerhaft ist und eine weiche Unterstützung für die Mantelabschnitte 7 bietet.
Die Abmessungen von Merkmalen unterschiedlicher Komponenten, die in den Zeichnungen erscheinen, sind nicht einschränkend auszulegen, und die Größe der Komponenten kann von der Größe in den hier dargestellten Figuren abweichen.

Claims

Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, der Folgendes umfasst: einen Kolbenkopf (2) mit einer Unterseite; wobei der Kolbenkopf (2) eine Kolbenachse (11) aufweist, die sich in einer im Allgemeinen länglichen Richtung erstreckt; einen Kolbenringträger (3), der sich von der Unterseite des Kolbenkopfes (2) erstreckt; wobei der Kolbenringträger (3) einen Außenumfang aufweist; ein Paar Kolbenbolzenaugen (5), wobei das Paar Kolbenbolzenaugen (5) entlang einer Augenachse (6) in beabstandeter Weise angeordnet ist; wobei die Augenachse (6) im Wesentlichen senkrecht zur Kolbenachse (11) ist; wobei ein Kolbenbolzenauge (5) des Kolbenbolzenaugenpaares auf einer Seite der Kolbenachse (11) und das andere Kolbenbolzenauge (5) des Kolbenbolzenaugenpaares auf einer gegenüberliegenden Seite der Kolbenachse (11) angeordnet ist; eine erste Ebene (15), welche die Kolbenachse (11) und die Augenachse (6) enthält; ein Paar Kolbenmäntel (7), die sich von dem Außenumfang des Kolbenringträgers (3) erstrecken; wobei ein Kolbenmantel (7) des Kolbenmantelpaares auf einer Seite der ersten Ebene (15) angeordnet ist und ein anderer Kolbenmantel (7) des Kolbenmantelpaares auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Ebene (15) angeordnet ist; wobei jeder Kolbenmantel (7) des Kolbenmantelpaares ein freies Ende und ein Paar gegenüberliegender Kanten (8) aufweist; ein Paar Verbindungswände (10), die sich von einem der Kolbenmäntel (7) auf einer Seite der ersten Ebene (15) über ein Kolbenbolzenauge (5) zu dem anderen Kolbenmantel (7) auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Ebene (15) erstrecken; wobei die Verbindungswände (10) mit den Kanten (8) der Mäntel (7) verbunden sind; wobei jede Verbindungswand (10) des Verbindungswandpaares mit dem Kolbenkopf (2) verbunden ist und eine Innenfläche (10a) aufweist; erste Referenzebenen, die sich im Allgemeinen parallel zu und beabstandet von der ersten Ebene (15) erstrecken; wobei die ersten Referenzebenen jede der Verbindungswände (10) entlang von ersten Schnittkurven schneiden; zweite Referenzebenen, die sich im Allgemeinen senkrecht zur ersten Ebene (15) und der Kolbenachse (11) erstrecken; wobei die zweiten Referenzebenen jede der Verbindungswände (10) entlang zweiter Schnittkurven schneiden; wobei jede der Verbindungswände (10) jeweils mindestens teilweise in Bezug auf die gegenüberliegende Verbindungswand (10) an der zweiten Schnittkurve auf der Innenfläche (10a) der Verbindungswand (10) konvex gekrümmt ist, wobei jedes Kolbenauge (5) eine innere Seitenfläche (5a) aufweist, wobei ein Abschnitt der Innenflächen (10a) der Verbindungswände (10) nahe dem Kolbenkopf (2) sich kontinuierlich in die Seitenfläche (5a) des Kolbenauges (5) einfügt, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Verbindungswände (10) jeweils mindestens teilweise in Bezug auf die gegenüberliegende Verbindungswand (10) an den ersten Schnittkurven auf der Innenfläche (10a) der Verbindungswand (10) konvex gekrümmt ist; und jede der Verbindungswände (10) jeweils mindestens teilweise in Bezug auf die gegenüberliegende Verbindungswand (10) an den ersten und den zweiten Schnittkurven auf der Innenfläche (10a) der Verbindungswand (10) zwischen der Unterseite des Kolbenkopfes (2) und einer Augenebene konvex gekrümmt ist, wobei die Augenebene zur ersten Ebene (15) und der Kolbenachse (11) senkrecht ist und die Augenachse (6) enthält.
Kolben (1) nach Anspruch 1, wobei eine Ebene (13) bereitgestellt wird, wobei die Ebene (13) zur gemeinsamen Augenachse (6) senkrecht ist, welche das Auge (5) ungefähr an seiner Mitte schneidet, wobei der Kolben (1) ferner einen Abschnitt der Innenfläche (10a) der Verbindungswand (10) in der Nähe des Kolbenkopfes (2) umfasst, welcher kontinuierlich in der inneren Seitenfläche (5a) des Auges aufgeht, und einen Bereich, der zum unteren Abschnitt (10c) der Verbindungswand (10) benachbart ist, welcher das Kolbenbolzenauge (5) nahe der Ebene (13) schneidet.
Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Breite des Mantelabschnitts (7) mit zunehmendem Abstand von der Unterseite des Kolbenkopfes (2) steigt.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Spreizwinkel (α) zwischen den Kanten (8) und der Kolbenachse (11), gemessen in Ebenen, die zur Kolbenachse (11) senkrecht sind, mindestens 40° betragen.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei α für die Kanten (8) benachbart zum Kolbenkopf (2) mindestens 45° beträgt.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich die Verbindungswände (10) in einem Winkel (β) in Bezug auf den Kolbenkopf (2) in einem Übergangsbereich zwischen den Verbindungswänden (10) und dem Kolbenkopf (2) erstrecken, wobei β zwischen 90° und 120° beträgt.
Kolben (1) nach Anspruch 6, wobei β nahe bei 90° ist.
Kolben (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Radius der konvexen Krümmung (R1), gemessen in einer Ebene, die zur Kolbenachse (11) der Verbindungswände (10) in dem Bereich benachbart zum Kolbenkopf (2) senkrecht ist, größer als der Radius einer konvexen Krümmung (R2) benachbart zum unteren Abschnitt (10c) ist.
Kolben (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Übergangsbereich zwischen dem Mantel (7) und der Verbindungswand (10) eine konkave Krümmung mit einem Radius r1 aufweist, wobei r1 ungefähr zwei Mal so dick wie die Verbindungswand (10) ist.
Kolben (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Übergangsbereich zwischen der Verbindungswand (10) und dem Kolbenkopf (2) eine konkave Krümmung mit einem Radius r2 aufweist, wobei r2 so groß wie möglich unter Berücksichtigung der Konstruktion ist.