EP0838587B2 - Leichtbaukolben - Google Patents

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EP0838587B2
EP0838587B2 EP97118337A EP97118337A EP0838587B2 EP 0838587 B2 EP0838587 B2 EP 0838587B2 EP 97118337 A EP97118337 A EP 97118337A EP 97118337 A EP97118337 A EP 97118337A EP 0838587 B2 EP0838587 B2 EP 0838587B2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
wall sections
shaft wall
constructed
area
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
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EP97118337A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0838587A1 (de
EP0838587B1 (de
Inventor
Josef Harrer
Dirk Ragus
Stephan Thieme
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Federal Mogul Nuernberg GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Nuernberg GmbH
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Publication date
Family has litigation
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Application filed by Federal Mogul Nuernberg GmbH filed Critical Federal Mogul Nuernberg GmbH
Publication of EP0838587A1 publication Critical patent/EP0838587A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0838587B1 publication Critical patent/EP0838587B1/de
Publication of EP0838587B2 publication Critical patent/EP0838587B2/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/02—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/02—Light metals
    • F05C2201/021—Aluminium

Definitions

  • the invention relates to a piston for a Internal combustion engine according to the preamble of the claim 1.
  • Such a piston is described in EP 0 385 390 A1 and typically has shank surfaces not all areas along the height of the Piston shaft completely cylindrical and in cross section are formed circular.
  • the piston shaft in an upper area largely cylindrical Designed to hold the space for in an internal combustion engine complete incipient combustion.
  • the pin bosses for receiving the connecting rod in the direction the diameter of the piston shaft set back inside. This will change the areas of the pin bosses, which is indispensable for the reception of the piston pin are, of the shaft surface, so the outer Lateral surface of the piston inwards, to the piston axis added. Consequently, in the outer areas Material will be saved, and it will be a weight reduction reached.
  • pin bosses must also be at the level of the pin bosses and below the pin boss shaft sections have with which he after installation in the cylinder of an internal combustion engine at the Cylinder wall is applied.
  • These shaft wall sections the also referred to as load-bearing shaft wall sections as they are responsible for guiding the piston in the cylinder are thus in a lower area of the Piston shaft at radially opposite to the bolt axis Pages, namely on the print side on the one hand and on the counterpressure side, on the other hand. At these points provide these shaft wall sections for a support of the piston in the up- and Abmony in the cylinder, wherein the piston can tilt around the piston pin axis.
  • This task is accomplished by a piston with the characteristics of the Claim 1 solved.
  • the two shaft wall sections are with a Dimension in the circumferential direction, so to speak a width formed, extending in the direction of the piston axis, that is about the height of the piston, changed.
  • the Connecting walls designed so that they match the course of in Direction of the piston axis extending edges of Shaft wall sections follow.
  • the width the two leg wall portions to the lower end of the piston skirt out larger is formed.
  • the two connecting walls thus obliquely and inclined to each other, that their distance in a lower area larger is as in an upper area.
  • the connecting walls are somewhat conical to each other.
  • the shaft wall sections designed so that they as a whole as a supporting Shaft wall sections are designed, and to the Shaft walls no zones are formed, the Support of the piston on the cylinder inner wall no Make contribution.
  • Such areas are therefore for the strength is not required and will be in accordance with the Invention omitted.
  • These are in particular around those areas that are more than 0.2mm are reset relative to the cylinder wall.
  • the course of the shaft wall sections to the the elasticity of the piston made requirements be adjusted.
  • this can mean that the bearing Shaft wall sections available if required are, ensure a good runnability for the piston become.
  • this may for example can be achieved without shortening the piston skirt, the one possible measure to reduce weight represents, but carries the risk that the piston noises by tilting in the cold state considerably increase.
  • the inventive partial resetting in the area of the shaft wall sections a reduction in wall thickness or to avoid further reset of the pin bosses be what Although a weight saving effect, but the strength of the Piston significantly reduced.
  • the piston according to EP 0 385 390 A1 is improved to the effect that that in this piston over the entire height with a constant width trained shaft wall sections be narrowed in areas such that a noticeable Weight reduction without sacrificing strength and Support properties in the cylinder is achieved.
  • the connecting walls are the course of the lateral Edges adapted to the skirt wall sections.
  • the two supporting shaft wall sections in terms of their dimension in the circumferential direction upwards formed rejuvenating.
  • the Shaft wall sections in a side view largely as inverted T are designed, and in a lower area are significantly wider than in an upper area, in which they are closed to the circumferentially adjacent trained area of the piston skirt.
  • the two in this preferred embodiment Connecting walls formed inclined upward to each other. Consequently, the distance between the two Connecting walls in a lower area greater than in an upper area, and by adjusting the orientation the two connecting walls to the lateral edges of Shaft wall sections is achieved that the strength of required for carrying shaft walls is guaranteed.
  • a similar piston is known from DE 41 22 921 A1.
  • the shaft wall sections are largely X-shaped designed, the lower area in turn by an am bottom edge of the piston circumferentially formed ring is formed.
  • the shaft is thus left out in places and the connecting walls are in the area of the recesses also excluded.
  • the strength of Shank wall sections affected to the effect that the Shaft surface is not always completely on the cylinder wall is applied. Rather, this is only by the inventive Training the connecting walls reached, which at no Job are omitted, but for a support of the carrying shaft wall sections the course of their lateral follow edges.
  • US 5,448,942 describes a piston whose supporting areas of the shaft walls take the form of an inverted T have. The other, non-structural areas of However, shaft walls are also present on this piston, so that this piston is disadvantageous in terms of its weight is. This applies equally to the piston according to the US 5,058,489, in which also the shaft walls by the actual contact area with the cylinder wall and more Areas are formed so that the resulting piston is unnecessarily difficult.
  • the piston according to the invention suitable for a piston material is conceivable is preferably, the piston of light metal, for example Aluminum or an aluminum alloy, to train the Weight of the piston low by this choice of material hold.
  • the shank wall sections are therefore preferably such formed so that they are in the area of their entire outer surface as a supporting shaft wall sections for the support of the Piston on a cylinder inner wall worry. This can, how described for the shaft wall sections each for each Place the one along the height of the piston stem Width dimensions are selected, which are responsible for the leadership of the Piston is absolutely necessary. On any other Areas of the skirt wall sections that are designed such that when installed in a cylinder by more than 0.2 mm can be reset relative to the cylinder wall can be waived. When installing in the cylinder with the mentioned distance to the cylinder inner wall afford these zones namely the shaft wall sections namely no contribution to carrying and supporting the piston on the cylinder wall.
  • the piston shaft in its upper, over the set back Bolts hubs protruding area, at its bottom is hollowed out.
  • the pin hubs as far as possibly set back from the shaft walls. Consequently arises in this area a certain supernatant of the upper, cylindrical piston area.
  • the pin bosses for use with a Jardinnpleuel stepped at their sides facing each other are formed.
  • This measure is for the piston according to the invention particularly suitable when the supporting shaft walls tapered towards the top are formed.
  • the two connecting walls inclined upward to each other, so that those too Zones in which the pin bosses are to be formed, especially in an upper area very far inwards are offset.
  • the necessary support surface for the To ensure piston pins are in this preferred Embodiment the pin bosses, as described, stepped formed so that the distance between the pin bosses in an upper area is lower than in a lower area Area. This is despite the extensive transfer of Bolts hubs inside the necessary support surface for the Piston pin guaranteed.
  • the piston 10 shown in Fig. 1 has a Piston stem 16 and an upper, largely cylindrical trained area 14. In this upper one Area 14, i. the ring field area, the piston can 10 with one or more partially circumferential and parallel provided to the piston crown extending slots be. Below the cylindrical portion 14 are formed the pin bosses 24, the recording of the (not shown) piston pin during assembly serve the piston with a (not shown) connecting rod.
  • Bolts hubs 24 may be in the area below of the overhang 26 on the generic piston Material can be saved, so that the weight of the piston 10 can be reduced.
  • two opposite shaft wall sections 16 formed, which form the piston skirt.
  • the two shaft wall sections 16 are interconnected by two connecting walls 18 connected, each between the lateral Edges 20, 22 of the skirt wall portions 16 formed are.
  • connecting wall 18 the 1 left edge 20 of the front shaft wall portion 16 with the corresponding edge 20 of the rear shaft wall section connects.
  • the two connecting walls extend 18 to the bottom of the piston shaft and are set back inside.
  • the bolt ends 24th are also be also the bolt ends 24th
  • both connecting walls 18 are further designed such that that they follow the course of the in the direction of the piston axis extending edges 20, 22 of the shaft wall portions 16 follow.
  • the connecting walls 18 in which the two shaft wall sections 16 formed tapered upwards, results thus an arrangement of the connecting walls 18, at the latter arranged inclined to each other upwards are. In other words, there are the connecting walls 18 to a certain extent in an oblique position.
  • Fig. 1 In the embodiment shown in Fig. 1 are the lateral edges 20, 22 of the bearing Shaft wall sections 16 also designed convexly curved. Consequently, the connecting walls 18 in Area of their surface, ie in the course of the lower Edge of the piston to below the overhang 26 convexly curved.
  • Fig. 3 is an advantageous embodiment of shown in Figs. 1 and 2 piston 10 shown.
  • On the one hand is taken in the area of the piston axis 30
  • Sectional view of Fig. 3 again the oblique course of the two connecting walls according to the invention 18 to recognize. This is from the convex curved course of the connecting walls 18 to recognize that the course of the edges (not shown) 20, 22 of the shaft wall portions 16 approximately in the Fig. 1 and 2 corresponds to the course shown.
  • the two pin bosses 24 each from the outer edge of the upper Area 14 are back, but over their entire height along the piston axis 30 the same Have width.
  • the piston 10 shown in Fig. 3 is further in the region of the overhang 26 of the upper region 14 provided with the recesses 32 via the pin bosses 24. These cavities can therefore be formed are because the upper portion 14, as described in this area has an overhang 26. Furthermore allows the inclination of the connecting walls 18, which increases the width of the overhang 26, the Forming the cavities 32. These cavities can either by milling out the cast piston or by pouring water already during casting be formed. By this measure can through the material savings in the area of the cavities 32 for the piston 10 according to the invention another Reduction of its weight can be achieved.
  • Fig. 4 is another embodiment of the plunger 10 according to the invention.
  • the piston 10 is suitable for use with a (not shown) Standnpleuel. at a réellenpleuel is the eyelet, in which the piston pin is recorded in an upper area narrower than in a lower area.
  • the pin bosses 24 of FIG. 4 illustrated embodiment of the invention Designed piston 10.
  • the inner Edges 34 of the pin bosses 24 are designed such that they have a smaller distance in an upper area have, as in a lower area.
  • This measure can also be used in the event that the pin bosses are set back very far, for example in the embodiment shown in Fig.
  • connecting walls 18 not necessarily so straight between the formed to be connected shaft wall portions 16 must be that in the side and cross-sectional views Fig. 2 to 5 exclusively their outlines are recognizable. Rather, the connecting walls 18 in the area of the pin bosses 24 convex to the outside be formed so that in a bottom view after Curved outside "outline" of the connecting walls 18 would be apparent. Essential to the invention, however, is that the connecting walls 18 with respect to their in the Page and section views of recognizable outline the over the height of the piston 10 is changing Width of the shaft wall sections 16 follow. hereby can despite the recess of the shaft wall sections 18 in the zones not required for support a sufficient strength of the invention Piston 10 can be ensured.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Kolben ist in der EP 0 385 390 A1 beschrieben und weist typischerweise Schaftflächen auf, die nicht in allen Bereichen entlang der Höhe des Kolbenschaftes vollkommen zylindrisch und im Querschnitt kreisrund ausgebildet sind. Hierbei ist der Kolbenschaft in einem oberen Bereich weitgehend zylindrisch gestaltet, um den Raum für die in einem Verbrennungsmotor stattfindende Verbrennung abzuschließen. Zur Gewichtsreduzierung des Kolbens sind die Bolzennaben für die Aufnahme des Pleuelbolzens in Richtung des Durchmessers des Kolbenschafts nach innen zurückversetzt. Dadurch werden die Bereiche der Bolzennaben, die für die Aufnahme des Kolbenbolzens unabdingbar sind, von der Schaftfläche, also der äußeren Mantelfläche des Kolbens nach innen, zu der Kolbenachse versetzt. Folglich kann in den äußeren Bereichen Material eingespart werden, und es wird eine Gewichtsreduzierung erreicht.
Ein derartiger Kolben mit nach innen versetzten Bolzennaben muß jedoch auch auf Höhe der Bolzennaben sowie unterhalb der Bolzennaben Schaftwandabschnitte aufweisen, mit denen er nach dem Einbau in den Zylinder eines Verbrennungsmotors an der Zylinderwand anliegt. Diese Schaftwandabschnitte, die auch als tragende Schaftwandabschnitte bezeichnet werden, da sie für die Führung des Kolbens in dem Zylinder sorgen, sind somit in einem unteren Bereich des Kolbenschafts an radial bezüglich der Bolzenachse gegenüberliegenden Seiten, nämlich an der Druckseite einerseits und an der Gegendruckseite andererseits, ausgebildet. An diesen Stellen sorgen diese Schaftwandabschnitte für eine Abstützung des Kolbens bei der Auf- und Abbewegung in dem Zylinder, bei welcher der Kolben um die Kolbenbolzenachse kippen kann. Insbesondere erfolgt bei dieser Kippbewegung im oberen und im unteren Totpunkt ein Wechsel hinsichtlich derjenigen Seite, mit welcher der Kolben an der Zylinderwand anliegt, von der Druck- zur Gegendruckseite oder umgekehrt. Diese Kippbewegung wird durch die tragenden Schaftwandabschnitte soweit wie erforderlich eingeschränkt. Bei den gattungsgemäßen Kolben weist der Kolbenschaft in seinem unteren Bereich Verbindungswände auf, die nach innen zurückgesetzt sind und in denen die Bolzennaben liegen. Diese Verbindungswände reichen bis zum unteren Rand des Kolbenschafts. Somit fehlt am unteren Rand des Kolbens ein umlaufender Ring, der so ausgebildet ist, daß er die beiden gegenüberliegenden Schaftwandabschnitte miteinander verbindet.
Ein derartiger Kolben gewährleistet durch die Materialeinsparung in den Bereichen außerhalb der zurückversetzten Bolzennaben die Möglichkeit, das Gewicht des Kolbens beträchtlich zu reduzieren.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem derartigen Kolben das Gewicht weiter zu verringern und gleichzeitig die an den Kolben hinsichtlich der Festigkeit und der Geräuscharmut gestellten Anforderungen zu erfüllen.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demzufolge sind die beiden Schaftwandabschnitte mit einer Abmessung in Umfangsrichtung, also gewissermaßen einer Breite ausgebildet, die sich in Richtung der Kolbenachse, also über die Höhe des Kolbens, verändert. Ferner sind die Verbindungswände derart gestaltet, daß sie dem Verlauf der in Richtung der Kolbenachse verlaufenden Ränder der Schaftwandabschnitte folgen. Erfindungsgemäß ist die Breite der beiden Schaftwandabschnitte zum unteren Ende des Kolbenschafts hin größer werdend ausgebildet ist. Die beiden Verbindungswände somit schräg und derart zueinander geneigt ausgebildet, daß ihr Abstand in einem unteren Bereich größer ist als in einem oberen Bereich. Mit anderen Worten verlaufen die Verbindungswände gewissermaßen konisch zueinander. Durch die erfindungsgemäß sich über die Höhe des Kolbens verändernde Breitenabmessung der Schaftwandabschnitte kann erreicht werden, daß insbesondere in denjenigen Zonen, in denen die Schaftwandabschnitte schmäler ausgebildet werden können, weiteres Material eingespart werden kann. Die mögliche Gewichtsreduzierung beträgt für den erfindungsgemäßen Kolben bis zu 15%.
Erfindungsgemäß sind die Schaftwandabschnitte derart gestaltet, daß sie insgesamt als tragende Schaftwandabschnitte gestaltet sind, und an den Schaftwänden keine Zonen ausgebildet sind, die zur Abstützung des Kolbens an der Zylinderinnenwand keinen Beitrag leisten. Derartige Bereiche sind folglich für die Festigkeit nicht erforderlich und werden gemäß der Erfindung ausgespart. Hierbei handelt es sich insbesondere um diejenigen Bereiche, die um mehr als 0,2 mm gegenüber der Zylinderwand zurückgesetzt sind. Ebenso kann der Verlauf der Schaftwandabschnitte an die an die Elastizität des Kolbens gestellten Anforderungen angepaßt werden.
Gleichzeitig kann dadurch, daß die tragenden Schaftwandabschnitte soweit erforderlich vorhanden sind, eine gute Laufeigenschaft für den Kolben gewährleistet werden. Insbesondere kann dies beispielsweise ohne eine Verkürzung des Kolbenschaftes erreicht werden, die eine mögliche Maßnahme zur Gewichtserleichterung darstellt, jedoch die Gefahr birgt, daß die Kolbengeräusche durch Kippen im kalten Zustand erheblich zunehmen. Ferner kann durch die erfindungsgemäße bereichsweise Zurücksetzung im Bereich der Schaftwandabschnitte eine Verringerung der Wanddicke oder ein weiteres Zurücksetzen der Bolzennaben vermieden werden, was zwar eine Gewichtseinsparung bewirkt, aber die Festigkeit des Kolbens erheblich verringert. Mit der Erfindung wird folglich der Kolben gemäß der EP 0 385 390 A1 dahingehend verbessert, daß die bei diesem Kolben über die gesamte Höhe mit einer gleichbleibenden Breite ausgebildeten Schaftwandabschnitte bereichsweise derart verschmälert werden, daß eine merkliche Gewichtsreduzierung ohne Einbußen bei der Festigkeit und den Abstützeigenschaften in dem Zylinder erreicht wird. Wie erwähnt, sind die Verbindungswände dem Verlauf der seitlichen Ränder der Schaftwandabschnitte angepaßt ausgebildet.
Wie erwähnt, sind die beiden tragenden Schaftwandabschnitte hinsichtlich ihrer Abmessung in Umfangsrichtung nach oben verjüngend ausgebildet. Dies bedeutet, daß die Schaftwandabschnitte in einer Seitenansicht weitgehend als umgekehrtes T gestaltet sind, und in einem unteren Bereich deutlich breiter ausgeführt sind als in einem oberen Bereich, in dem sie an den in Umfangsrichtung geschlossen ausgebildeten Bereich des Kolbenschafts angrenzen. Ferner sind bei dieser bevorzugten Ausführungsform die beiden Verbindungswände nach oben zueinander geneigt ausgebildet. Folglich ist der Abstand zwischen den beiden Verbindungswänden in einem unteren Bereich größer als in einem oberen Bereich, und durch die Anpassung der Ausrichtung der beiden Verbindungswände an die seitlichen Ränder der Schaftwandabschnitte wird erreicht, daß die Festigkeit der zum Tragen erforderlichen Schaftwände gewährleistet ist.
Wie erwähnt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, möglichst viel Material und somit Gewicht einzusparen, so daß es grundsätzlich denkbar ist, bei selbstverständlich weitgehend fließenden Übergängen die tragenden Schaftwandabschnitte in all denjenigen Bereichen auszusparen, die für die Abstützung an der Zylinderinnenwand nicht erforderlich sind.
Zwar ist es aus der US 5 076 225 bekannt, bei einem Kolben, der sowohl im oberen Bereich als auch im unteren Bereich in Umfangsrichtung einen kreisrunden Querschnitt aufweist und somit eine erhöhte Stabilität auch in seinem unteren Bereich aufweist, die Schaftwandabschnitte mit einer über die Höhe des Kolbenschafts veränderlichen Breite zu versehen. Ein derartiger Kolben kann jedoch nicht mit dem gattungsgemäßen Kolben verglichen werden, da bei diesem Kolben durch den an seinem unteren Ende ausgebildeten umlaufenden Ring die Stabilität des Kolbens auch in einem unteren Bereich stets gewährleistet ist. Folglich können hierbei die Schaftwandabschnitte ohne weiteres mit einer veränderlichen Breite ausgebildet werde, ohne die Stabilität des Kolbens zu gefährden. Diese Maßnahme ist für den gattungsgemäßen Kolben jedoch hinsichtlich seiner Festigkeit und der Gewährleistung der Abstützung in der Zylinderinnenwand wesentlich bedenklicher und kann erfindungsgemäß lediglich dadurch ausgeglichen werden, daß die Verbindungswände dem Verlauf der in Richtung der Kolbenachse verlaufenden Ränder der Schaftwandabschnitte folgend ausgebildet sind.
Ein ähnlicher Kolben ist aus der DE 41 22 921 A1 bekannt. Hierbei sind die Schaftwandabschnitte weitgehend X-förmig gestaltet, wobei der untere Bereich wiederum durch einen am unteren Rand des Kolbens umlaufend ausgebildeten Ring gebildet wird. Der Schaft wird also stellenweise ausgespart, und die Verbindungswände werden im Bereich der Aussparungen ebenso ausgenommen. Hierdurch wird jedoch die Festigkeit der Schaftwandabschnitte dahingehend beeinträchtigt, daß die Schaftfläche nicht immer vollständig an der Zylinderwand anliegt. Dies wird vielmehr erst durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Verbindungswände erreicht, die an keiner Stelle ausgespart sind, sondern für eine Abstützung der tragenden Schaftwandabschnitte dem Verlauf deren seitlicher Ränder folgen.
Ferner ist in der US 4,856,417 ein Kolben beschrieben, durch den ein Kolbenklappern verringert werden soll. Hierbei sind die Schaftwandabschnitte insgesamt nach unten verjüngend ausgebildet, wobei auch aus dieser Druckschrift kein Hinweis dahingehend entnehmbar ist, daß die Schaftwandabschnitte auf die tragenden Schaftwandabschnitte reduziert werden können und somit nach obenhin verjüngend ausgebildet werden können, was gemäß der Erfindung zu erheblichen Gewichtseinsparungen führt.
Ferner beschreibt die US 5,448,942 einen Kolben, dessen tragende Bereiche der Schaftwände die Form eines umgekehrten T aufweisen. Die sonstigen, nicht tragenden Bereiche der Schaftwände sind jedoch ebenfalls an diesem Kolben vorhanden, so daß dieser Kolben hinsichtlich seines Gewichts nachteilig ist. Dies gilt in gleicher Weise für den Kolben gemäß der US 5,058,489, bei dem ebenfalls die Schaftwände durch den eigentlichen Kontaktbereich mit der Zylinderwand und weitere Bereiche gebildet werden, so daß der entstehende Kolben unnötig schwer ist.
Obwohl für den erfindungsgemäßen Kolben grundsätzlich jedes für einen Kolben geeignete Material denkbar ist, wird bevorzugt, den Kolben aus Leichtmetall, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, auszubilden, um das Gewicht des Kolbens durch diese Wahl des Materials gering zu halten.
Es ist vorgesehen, die seitlichen Ränder der tragenden Schaftwandabschnitte im Verlauf ihrer Verjüngung derart gekrümmt auszubilden, daß die Verbindungswände bezüglich ihres Verlaufs in Richtung der Kolbenachse konvex gekrümmt sind. Folglich sind die beiden Verbindungswände konvex gekrümmt ausgebildet, und die seitlichen Ränder der Schaftwandabschnitte sind in der Seitenansicht nach außen gekrümmt.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Bevorzugt sind die Schaftwandabschnitte demnach derart ausgebildet, daß sie im Bereich ihrer gesamten Außenfläche als tragende Schaftwandabschnitte für die Abstützung des Kolbens an einer Zylinderinnenwand sorgen. Dadurch kann, wie beschrieben, für die Schaftwandabschnitte jeweils für jede Stelle entlang der Höhe des Kolbenschafts diejenige Breitenabmessung gewählt werden, die für die Führung des Kolbens unbedingt erforderlich ist. Auf jegliche andere Bereiche der Schaftwandabschnitte, die derart gestaltet sind, daß sie beim Einbau in einen Zylinder um mehr als 0,2 mm gegenüber der Zylinderwand zurückgesetzt sind, kann verzichtet werden. Beim Einbau in den Zylinder mit dem genannten Abstand zur Zylinderinnenwand leisten diese Zonen der Schaftwandabschnitte nämlich keinen Beitrag zum Tragen und Abstützen des Kolbens an der Zylinderwand.
Für den erfindungsgemäßen Kolben wird ferner bevorzugt, daß der Kolbenschaft in seinem oberen, über die zurückversetzten Bolzennaben überstehenden Bereich, an seiner Unterseite ausgehöhlt ist. Diese Maßnahme wird dadurch ermöglicht, daß bei dem erfindungsgemäßen Kolben die Bolzennaben soweit wie möglich von den Schaftwänden zurückversetzt sind. Somit entsteht in diesem Bereich ein gewisser Überstand des oberen, zylindrischen Kolbenbereichs. Diese Bereiche in der Zone der Kolbenbolzenachse sind für die Abstützung des Kolbens nicht wesentlich, da der Kolben im wesentlichen nur um die Kolbenbolzenachse kippen kann, so daß durch ein Aushöhlen des Überstandes über die Kolbenbolzenachse weiter Material und Gewicht eingespart werden kann, ohne die Festigkeit und die Abstützung des Kolbens zu gefährden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Bolzennaben für die Verwendung mit einem Stufenpleuel an ihren zueinander gerichteten Seiten gestuft ausgebildet sind. Diese Maßnahme ist für den erfindungsgemäßen Kolben insbesondere dann geeignet, wenn die tragenden Schaftwandabschnitte nach oben hin verjüngt ausgebildet sind. Dadurch sind die beiden Verbindungswände nach oben hin zueinander geneigt, so daß auch diejenigen Zonen, in denen die Bolzennaben auszubilden sind, insbesondere in einem oberen Bereich sehr weit nach innen versetzt sind. Um dennoch die notwendige Stützfläche für den Kolbenbolzen zu gewährleisten, sind bei dieser bevorzugten Ausführungsform die Bolzennaben, wie beschrieben, gestuft ausgebildet, so daß der Abstand zwischen den Bolzennaben in einem oberen Bereich geringer ist als in einem unteren Bereich. Dadurch ist trotz der weitgehenden Versetzung der Bolzennaben nach innen die notwendige Stützfläche für den Kolbenbolzen gewährleistet. Bei Verwendung mit einem Stufenpleuel bzw. einem Trapezpleuel, das folglich in einem oberen Bereich schmäler ausgebildet ist als in einem unteren Bereich seiner Bolzennabe, kann durch den erfindungsgemäßen Kolben in dieser Ausführungsform eine besonders vorteilhafte Gewichtseinsparung bei Gewährleistung der Festigkeit und der Funktion erreicht werden.
Nachfolgend wird die Erfindung ausführlich anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1
eine schematische perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Kolbens in einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2
eine Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Kolbens;
Fig. 3
eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kolbens in einer zweiten Ausführungsform; und
Fig. 4
eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kolbens in einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
Der in Fig. 1 dargestellte Kolben 10 weist einen Kolbenschaft 16 und einen oberen, weitgehend zylindrisch ausgebildeten Bereich 14 auf. In diesem oberen Bereich 14, d.h. dem Ringfeldbereich, kann der Kolben 10 mit einem oder mehreren partiell umlaufend und parallel zum Kolbenboden verlaufenden Schlitzen versehen sein. Unterhalb des zylindrischen Bereichs 14 sind die Bolzennaben 24 ausgebildet, die der Aufnahme des (nicht gezeigten) Kolbenbolzens beim Zusammenbau des Kolbens mit einem (nicht gezeigten) Pleuel dienen.
Wie in Fig. 1 gut zu erkennen ist, sind bei dem gattungsgemäßen Kolben die beiden Bolzennaben 24 jeweils in Richtung des Durchmessers des Kolbenschafts 16 zurückgesetzt, so daß am unteren Ende des oberen Bereichs 14 des Kolbens 10 ein Überhang 26 entsteht. Durch diese Zurücksetzung der
Bolzennaben 24 kann im Bereich unterhalb des Überhangs 26 an dem gattungsgemäßen Kolben Material eingespart werden, so daß auch das Gewicht des Kolbens 10 reduziert werden kann.
In einem unteren Bereich des Kolbens sind ferner zwei einander gegenüberliegende Schaftwandabschnitte 16 ausgebildet, die den Kolbenschaft bilden. In der Zeichnung ist nur der gemäß der gewählten Orientierung des Kolbens 10 vorne befindliche Schaftwandabschnitt 16 zu erkennen. Die beiden Schaftwandabschnitte 16 sind durch zwei Verbindungswände 18 miteinander verbunden, die jeweils zwischen den seitlichen Rändern 20, 22 der Schaftwandabschnitte 16 ausgebildet sind. In der für die Fig. 1 gewählten Darstellung ist von den beiden Verbindungswänden 18 wiederum nur diejenige Verbindungswand 18 zu erkennen, die den gemäß Fig. 1 linken Rand 20 des vorderen Schaftwandabschnitts 16 mit dem entsprechenden Rand 20 des hinteren Schaftwandabschnitts verbindet. Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, reichen die beiden Verbindungswände 18 bis zum unteren Rand des Kolbenschafts und sind nach innen zurückversetzt. In den beiden Verbindungswänden 18 liegen ferner die Bolzenenden 24.
Erfindungsgemäß sind die beiden Schaftwandabschnitte 16 mit einer Abmessung in Umfangsrichtung, also gewissermaßen einer Breite ausgebildet, die sich in Richtung der Kolbenachse verändert. Durch diese Maßnahme ist es erfindungsgemäß möglich, in denjenigen Bereichen der Schaftwandabschnitte 16, die für die Abstützung des Kolbens an einer Zylinderinnenwand nicht erforderlich sind, weiteres Material und damit Gewicht einzusparen. Erfindungsgemäß sind die beiden Verbindungswände 18 ferner derart ausgebildet, daß sie dem Verlauf der in Richtung der Kolbenachse verlaufenden Ränder 20, 22 der Schaftwandabschnitte 16 folgen. Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform, bei der die beiden Schaftwandabschnitte 16 nach oben hin verjüngend ausgebildet sind, ergibt sich somit eine Anordnung der Verbindungswände 18, bei der diese nach oben hin zueinander geneigt angeordnet sind. Mit anderen Worten befinden sich die Verbindungswände 18 gewissermaßen in einer schrägen Stellung.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind die seitlichen Ränder 20, 22 der tragenden Schaftwandabschnitte 16 ferner konvex gekrümmt gestaltet. Folglich sind auch die Verbindungswände 18 im Bereich ihrer Oberfläche, also im Verlauf von dem unteren Rand des Kolbens bis unterhalb dem Überhang 26 konvex gekrümmt.
In der Seitenansicht von Fig. 2 in einer Richtung senkrecht zu der Kolbenbolzenachse 28 ist der gekrümmte Verlauf der seitlichen Ränder 20, 22 des vorderen Schaftwandabschnitts 16 nochmals gut zu erkennen. Ferner wird aus der Seitenansicht von Fig. 2 deutlich, wie bei dem erfindungsgemäßen Kolben 10 die Bolzennaben 24 gegenüber dem Umfangsrand des oberen Abschnitts 14 zurückversetzt sind, so daß ein Überhang 26 entsteht. Wie erwähnt, bietet diese Zurückversetzung der Bolzennaben 24 die Möglichkeit, an den links und rechts im Bereich der Bolzenachse 28 liegenden Zonen Material einzusparen.
Erfindungsgemäß wird die dadurch erreichte Gewichtsersparnis weiter erhöht, indem die an bezüglich der Bolzenachse 28 radial gegenüberliegenden Seiten ausgebildeten Schaftwandabschnitte 16 nicht über ihre gesamte Höhe eine Breite aufweisen, die der zur Abstützung des Kolbens 10 erforderlichen breitesten Stelle entspricht. Vielmehr ist der Schaftwandabschnitt 16 jeweils entlang seiner Höhe nur so breit ausgebildet, wie es für die Abstützung des Kolbens 10 an einer Zylinderinnenwand erforderlich ist. Beispielsweise kann gemäß der in Fig. 2 dargestellten nach oben sich verjüngenden Gestaltung der tragenden Schaftwandabschnitte 16 eine weitere deutliche Gewichtsreduzierung erreicht werden. Aus der Ansicht von Fig. 2 wird ferner nochmals verdeutlicht, daß an dem erfindungsgemäßen Kolben 10 an dessen unterem Rand kein im Querschnitt kreisrunder Bereich ausgebildet ist, der in seinen Abmessungen dem oberen Bereich 14 entspricht. Ferner sind an dem Kolben 10 entlang seines Umfangs die beiden Verbindungswände 18 zurückversetzt ausgebildet.
In Fig. 3 ist eine vorteilhafte Weiterbildung des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Kolbens 10 gezeigt. Zum einen ist in der im Bereich der Kolbenachse 30 genommenen Schnittdarstellung von Fig. 3 nochmals der erfindungsgemäße schräge Verlauf der beiden Verbindungswände 18 zu erkennen. Hierbei ist aus dem konvex gekrümmten Verlauf der Verbindungswände 18 zu erkennen, daß der Verlauf der (nicht gezeigten) Ränder 20, 22 der Schaftwandabschnitte 16 in etwa dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Verlauf entspricht. Ferner ist in der Schnittdarstellung zu erkennen, daß die beiden Bolzennaben 24 jeweils von dem äußeren Rand des oberen Bereichs 14 zurückversetzt sind, jedoch über ihre gesamte Höhe entlang der Kolbenachse 30 die gleiche Breite aufweisen.
Der in Fig. 3 dargestellte Kolben 10 ist ferner im Bereich des Überhanges 26 des oberen Bereichs 14 über die Bolzennaben 24 mit Aushöhlungen 32 versehen. Diese Aushöhlungen können deshalb ausgebildet werden, weil der obere Bereich 14, wie beschrieben, in diesem Bereich einen Überhang 26 aufweist. Ferner ermöglicht die Schrägstellung der Verbindungswände 18, welche die Breite des Überhangs 26 vergrößert, die Ausbildung der Hohlräume 32. Diese Hohlräume können entweder durch Ausfräsen des gegossenen Kolbens oder durch geeignete Gießkeme bereits beim Gießen ausgebildet werden. Durch diese Maßnahme kann durch die Materialeinsparung im Bereich der Hohlräume 32 für den erfindungsgemäßen Kolben 10 eine weitere Verminderung seines Gewichts erreicht werden.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens 10 dargestellt. In dieser Ausführungsform eignet sich der Kolben 10 für die Verwendung mit einem (nicht gezeigten) Stufenpleuel. Bei einem Stufenpleuel ist die Öse, in welcher der Kolbenbolzen aufgenommen wird, in einem oberen Bereich schmaler ausgebildet als in einem unteren Bereich. Dementsprechend sind die Bolzennaben 24 der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens 10 gestaltet. Dies bedeutet, daß die inneren Ränder 34 der Bolzennaben 24 derart gestaltet sind, daß sie in einem oberen Bereich einen geringeren Abstand aufweisen, als in einem unteren Bereich. Durch diese Maßnahme kann auch für den Fall, daß die Bolzennaben sehr weit zurückgesetzt sind, beispielsweise bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform, bis zu den seitlichen Rändern 20, 22 des Schaftwandabschnitts 16, für eine genügend große Lagerfläche für den Kolbenbolzen gesorgt werden. Dies wird durch die Verbreiterung der Bolzennaben 24 in deren oberen Bereichen erreicht. Entsprechendes gilt auch für sogenannte Trapezpleuel.
Es sei noch angemerkt, daß die Verbindungswände 18 nicht unbedingt derart gerade zwischen den zu verbindenden Schaftwandabschnitten 16 ausgebildet sein müssen, daß in den Seiten- und Querschnittsansichten der Fig. 2 bis 5 ausschließlich deren Umrisse erkennbar sind. Vielmehr können die Verbindungswände 18 im Bereich der Bolzennaben 24 nach außen ballig ausgebildet sein, so daß in einer Unteransicht ein nach außen gekrümmter "Grundriß" der Verbindungswände 18 erkennbar wäre. Erfindungswesentlich ist jedoch, daß die Verbindungswände 18 hinsichtlich ihres in den Seiten- und Schnittansichten zu erkennenden Umrisses der über die Höhe des Kolbens 10 sich verändernden Breite der Schaftwandabschnitte 16 folgen. Hierdurch kann trotz der Aussparung der Schaftwandabschnitte 18 in den für die Abstützung nicht erforderlichen Zonen eine hinreichende Festigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens 10 gewährleistet werden.

Claims (4)

  1. Kolben (10), insbesondere aus Leichtmetall, mit:
    einem Kolbenschaft (16),
    einem oberen, den Kolbenboden bildenden, im wesentlichen zylindrischen Bereich (14),
    Bolzennaben (24), die in Richtung der Bolzenachse (28) zu der Kolbenachse (30) zurückgesetzt sind,
    zwei dadurch in einem unteren Bereich des im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Bereichs (14) an radial bezüglich der Bolzenachse (28) gegenüberliegenden Seiten ausgebildeten Schaftwandabschnitten (16), und
    zwei die Schaftwandabschnitte (16) verbindenden Verbindungswänden (18), die zurückgesetzt sind, in denen die Bolzennaben (24) liegen, und die bis zum unteren Rand des Kolbenschafts reichen,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die beiden Schaftwandabschnitte (16) als tragende Schaftwandabschnitte ausgebildet sind, und daß diejenigen Bereiche der Schaftwandabschnitte, die zur Abstützung des Kolbens (10) an der Zylinderinnenwand keinen Beitrag leisten, ausgespart sind,
    die beiden Schaftwandabschnitte (16) seitliche Ränder (20, 22) aufweisen, die in weitgehend übereinstimmender Weise hinsichtlich ihrer Abmessung in Umfangsrichtung nach oben verjüngend ausgebildet sind,
    die Verbindungswände (18) dem dadurch bestimmten Verlauf der in Richtung der Kolbenachse (30) verlaufenden Ränder (20, 22) der Schaftwandabschnitte (16) derart folgen, daß sie nach oben zueinander geneigt sind,
    die seitlichen Ränder (20, 22) der tragenden Schaftwandabschnitte (16) im Verlauf der Verjüngung gekrümmt ausgebildet sind, und
    die Verbindungswände (18) bezüglich ihres Verlaufs in Richtung der Kolbenachse konvex gekrümmt ausgebildet sind.
  2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaftwandabschnitte (16) derart ausgebildet sind, daß sie im Bereich ihrer gesamten Außenfläche als tragende Schaftwandabschnitte (16) für die Abstützung des Kolbens (10) an der Zylinderwand sorgen.
  3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Kolben (10) in dem oberen, über die zurückversetzten Bolzennaben (24) überstehenden Bereich (26) an seiner Unterseite (32) ausgehöhlt ist.
  4. Kolben nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Bolzennaben (24) für die Verwendung mit einem Stufenpleuel bzw. Trapezpleuel an ihren zueinander gerichteten Seiten (34) derart ausgebildet sind, daß der Abstand zwischen den Bolzennaben (24) in einem oberen Bereich geringer ist als in einem unteren Bereich.
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