EP1072782A2 - Piston for an internal combustion engine - Google Patents

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EP1072782A2
EP1072782A2 EP00114741A EP00114741A EP1072782A2 EP 1072782 A2 EP1072782 A2 EP 1072782A2 EP 00114741 A EP00114741 A EP 00114741A EP 00114741 A EP00114741 A EP 00114741A EP 1072782 A2 EP1072782 A2 EP 1072782A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
webs
bolt hole
bolt
ring field
Prior art date
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Application number
EP00114741A
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German (de)
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EP1072782B1 (en
EP1072782A3 (en
Inventor
Emmerich Ottliczky
Gregor Müller
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.)
KS Kolbenschmidt GmbH
Original Assignee
KS Kolbenschmidt GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by KS Kolbenschmidt GmbH filed Critical KS Kolbenschmidt GmbH
Publication of EP1072782A2 publication Critical patent/EP1072782A2/en
Publication of EP1072782A3 publication Critical patent/EP1072782A3/en
Application granted granted Critical
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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 
    • F02F3/02—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • F02F3/027—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion the skirt wall having cavities
    • 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
    • F02F3/025—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion having circumferentially slotted piston skirts, e.g. T-slots

Definitions

  • the invention relates to a piston, in particular a piston for an internal combustion engine, according to the features of the preamble of claim 1.
  • Pistons especially for internal combustion engines, are generally known.
  • Such a piston consists of a piston skirt and one adjoining the piston skirt Ring field, the top of the ring field of the combustion chamber of the internal combustion engine is facing.
  • There is a bolt hole in the piston skirt for receiving one Bolt that connects the piston to the connecting rod.
  • Such a piston is also subject to high thermal loads during operation strong pressure loads caused by the combustion and the resulting Gas pressure are generated. Due to expansion and compression due to the ignition pressure There are tensile and compressive stresses on the piston crown, this ignition pressure the piston crown bulges or pushes in. This effect is still seen when the piston is operating reinforced that over the connecting rod and the bolt from the other side of the piston high forces act on the piston crown.
  • Modern pistons have been used to improve the combustion and exhaust behavior of Internal combustion engines in the piston crown with geometrically complex recesses with an undercut, so that the mentioned tensile and compressive stresses not only on a flat piston crown act, but also on the complex structure of the trough. So it comes in disadvantageously also to tensile and compressive stresses in the trough edge area, so that it breaks very quickly due to the forces introduced in the trough edge area of the piston comes. This has fatal effects on the internal combustion engine since it is destroyed without notice.
  • a piston which one Piston shaft having a bolt hole and an adjoining ring field.
  • this piston there are several longitudinally around the bolt hole stretched surveys provided. An elevation is exactly on the inside Axis of the bolt hole is arranged in the direction of the piston crown, whereby the piston crown area is used in the operation of the piston with very high compressive stresses.
  • this very strong deflection of the pressure curve plays no role, since the piston crown area has no trough and is therefore very stable and is heavily trained.
  • With the arrangement of a survey which is on the towards the Axis of the bolt hole extending piston crown region, occur in this region, in which the recess is located in modern pistons, very strong loads that lead to weakening or destruction of the piston.
  • the invention is therefore based on the object of a piston, in particular a piston for an internal combustion engine to improve such that destructions are avoided and tensions be dismantled within the piston.
  • Another advantage of the webs according to the invention is that they are already in the Casting mold of the piston can be provided so that the targeted force support and achieved the substantial reduction in tensile and compressive stresses extremely cost-effectively In addition, there is no need to rework the piston with regard to the webs, if these are already integrated in the mold. Likewise, the application of the invention Bars regardless of the material from which the piston is made.
  • an outer hub is at least partially around the bolt hole arranged, which together with the webs and the lower edge of the ring field Form bolt window.
  • the bolt hole becomes through the outer hub around the bolt hole reinforced, but at the same time material saved around the outer hub, so that this too effective weight reduction of the piston.
  • a portion of the outer hub encloses the bolt window, so that with very good power support material is saved at the same time, so the Increase weight loss.
  • the surface of the webs is parallel, inclined or curved the surface of the piston. It goes without saying that the surface of the The webs are set back at least extremely slightly relative to the surface (running surface) of the piston is. This can be done in such a way that the surface of the webs is parallel is set back against the tread of the piston, whereby also an inclined or curved surface with respect to the running surface of the piston is conceivable.
  • a preferred but not necessarily required inclination can be seen in such an orientation, that the surface of the webs in the region of the bolt hole or the outer hub of the bolt hole lies further behind the running surface of the piston than the surface of the webs in the area of the lower edge of the ring field. It could also be thought of the Execute the surface of the webs in the shape of a groove, so that with sufficient stability weight is further reduced.
  • the webs run parallel to one another from the bolt hole towards the ring field.
  • the webs can be within the diameter of the bolt hole be arranged, connect tangentially to the outer circumference of the bolt hole or can also be arranged outside the diameter of the bolt hole, In the webs are particularly advantageously approximately tangential to the outer circumference of the Bolt hole arranged in order to achieve a particularly optimal power support.
  • the webs run obliquely to one another from the bolt hole towards the ring field.
  • the webs run approximately V-shaped, with configurations are conceivable in which the webs in their extension through the axis of the bolt hole or can run outside the axis.
  • the webs are straight and / or curved.
  • Each after the geometric design of the bolt it can be advantageous to achieve a Optimal power support to design the bars straight or arched. So stand So several options are available for optimal power support and reduction the tensile and compressive stresses to design the webs.
  • the area of the bolt window is lower than a window area around the outer hub of the bolt hole. This can be done while maintaining the optimal force support, the weight of the piston can be further reduced, whereby Another advantage is that this recess of the bolt window already can be taken into account in the mold for the piston and therefore not higher Leads to manufacturing costs of the piston. In addition to saving weight, there is also Advantage of material savings and thus a cost reduction, given this Particularly noticeable in series production in large numbers (end of tape !!!) makes.
  • FIG. 1 shows a piston 1 designed according to the invention, which has a piston shaft 2 and has an annular field 3 adjoining the piston skirt 2.
  • a bolt hole 4 for receiving a bolt in a manner known per se, with which the piston 1 is connected via a connecting rod, not shown.
  • an outer hub 5 is around the bolt hole 4 arranged so that by means of the outer hub 5 and the window surface 6 around it, which is lower, both a reinforcement of the bolt hole 4 and a weight saving is achieved.
  • this deeper window area 6 also be in the area between the outer hub 5 and the lower edge of the ring field 3 would be a weakening of the piston 1, which adversely affects the voltages already described would lead in the piston crown area (see also Fig. 3).
  • webs 7 are therefore provided which extend from the outer hub 5 in the direction of the ring field 3 extend.
  • a bolt window 9 is generated, whereby the optimal already described Power support, accompanied by a weight saving, is achieved.
  • the area in the The depth of the bolt window 9 can be at the same level as the window surface 6; It is also conceivable that the surface of the bolt window 9 deepens relative to the window surface 6 is arranged to save additional material.
  • the bolt window 9 on the Bolt extends into the middle of the piston 1.
  • Fig. 1 it is shown that the two webs 7 run obliquely to each other.
  • the webs 7 on the inner diameter of the bolt hole 4 lie tangentially or arranged further in the direction of the central axis of the bolt hole 4 are.
  • An oblique arrangement of the webs 7 outside the bolt hole 4 or tangentially to the bolt hole 4 is also conceivable, but then the effect of the force support not as optimal as if the webs 7 are arranged within the bolt hole 4.
  • the longitudinal axes of the webs 7 can, but do not have to, the central axis of the bolt hole 4 cut.
  • Fig. 2 the piston 1 already shown in Fig. 1 is shown in sections, shown here is that the webs 7 run parallel to each other. Run in this embodiment the webs 7 approximately tangential to the bolt hole 4, wherein it is also conceivable that the webs 7 can run parallel to one another within the bolt hole 4 or outside.
  • a continuous area which is provided with the reference number 10 and hatched is shown. Because of this continuous area 10, the above occurs of the piston 1 shown voltage curve 11, this dashed voltage curve corresponds to the disadvantageous curvature of the piston crown area of the piston 1. Because of this voltage curve 11 and the resulting tensions In the piston crown area there are the disadvantages already described at the beginning Deformations especially of trough edge areas, which lead to destruction of the entire Pistons can lead.
  • Fig. 5 the piston 1 according to the invention is now shown, with reference to the Dashed line of the voltage curve 14 clearly shows that this curve 14 is now in is approximately wavy, but overall the deformation of the piston crown area is clear what is clear from the amplitudes of this undulating course 14 is reduced results.
  • the tensile and compressive stresses in the trough edge areas of the complex shaped Piston base area significantly reduced and destruction avoided.

Landscapes

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Abstract

The piston(1) has lands(7) emanating from the piston pin bore(4) and formed on the outer face of the pistons. The lands extend in the direction of the piston ring zone(3) and/or in the direction of the piston skirt end furthest from the piston ring zone. The lands form a piston pin recess(9). An outer boss(5) is located at least partially around the piston pin bore and together with the lands and lower edge(8) of the piston ring zone form the recess.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.The invention relates to a piston, in particular a piston for an internal combustion engine, according to the features of the preamble of claim 1.

Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, sind allgemein bekannt. Ein solcher Kolben besteht aus einem Kolbenschaft und einem sich an dem Kolbenschaft anschließenden Ringfeld, wobei die Oberseite des Ringfeldes der Verbrennungskammer der Brennkraftmaschine zugewandt ist. In dem Kolbenschaft befindet sich ein Bolzenloch zur Aufnahme eines Bolzens, über den der Kolben mit der Pleuelstange verbunden ist.Pistons, especially for internal combustion engines, are generally known. Such a piston consists of a piston skirt and one adjoining the piston skirt Ring field, the top of the ring field of the combustion chamber of the internal combustion engine is facing. There is a bolt hole in the piston skirt for receiving one Bolt that connects the piston to the connecting rod.

Ein solcher Kolben unterliegt beim Betrieb neben hohen thermischen Belastungen auch starken Druckbeanspruchungen, die durch die Verbrennung und den daraus resultierenden Gasdruck erzeugt werden. Durch Dehnungen und Stauchungen aufgrund des Zünddruckes entstehen am Kolbenboden Zug- und Druckspannungen, wobei dieser Zünddruck den Kolbenboden wölbt bzw. eindrückt. Dieser Effekt wird noch beim Betrieb des Kolbens dadurch verstärkt, daß über die Pleuelstange und den Bolzen von der anderen Seite des Kolbens hohe Kräfte auf den Kolbenboden einwirken.Such a piston is also subject to high thermal loads during operation strong pressure loads caused by the combustion and the resulting Gas pressure are generated. Due to expansion and compression due to the ignition pressure There are tensile and compressive stresses on the piston crown, this ignition pressure the piston crown bulges or pushes in. This effect is still seen when the piston is operating reinforced that over the connecting rod and the bolt from the other side of the piston high forces act on the piston crown.

Moderne Kolben haben zur Verbesserung der Verbrennung und des Abgasverhaltens von Brennkraftmaschinen im Kolbenboden geometrisch komplex ausgeführte Mulden mit Hinterschnitt, so daß die erwähnten Zug- und Druckspannungen nicht nur auf einen planen Kolbenboden einwirken, sondern auch auf das komplexe Gebilde der Mulde. So kommt es in nachteiliger Weise ebenfalls zu Zug- und Druckspannungen im Muldenrandbereich, so daß es sehr schnell aufgrund der eingeleiteten Kräfte im Muldenrandbereich zu einem Zerbrechen des Kolbens kommt. Dies hat fatale Wirkungen auf die Brennkraftmaschine, da diese ohne Vorankündigung zerstört wird. Modern pistons have been used to improve the combustion and exhaust behavior of Internal combustion engines in the piston crown with geometrically complex recesses with an undercut, so that the mentioned tensile and compressive stresses not only on a flat piston crown act, but also on the complex structure of the trough. So it comes in disadvantageously also to tensile and compressive stresses in the trough edge area, so that it breaks very quickly due to the forces introduced in the trough edge area of the piston comes. This has fatal effects on the internal combustion engine since it is destroyed without notice.

Es sind schon Maßnahmen ergriffen worden, um die Zug- oder die Druckspannungen im Bereich des Kolbenbodens zu verringern. So beeinflussen beispielsweise der Kolbenbolzendurchmesser oder die Kolbenbolzenlänge entweder die eingeleiteten Zugspannungen oder die eingeleiteten Druckspannungen. Diese Maßnahmen haben jedoch den wesentlichen Nachteil, daß bei Änderung einer geometrischen Größe des Kolbens entweder die Zugspannungen verringert werden, gleichzeitig sich aber die Druckspannungen erhöhen, oder aber umgekehrt, d. h. die Druckspannungen werden verringert, während die Zugspannungen wieder zunehmen. Durch diese unerwünschte Zunahme entweder der Zugspannung oder der Druckspannung im Betrieb des Kolbens kann es wieder zu Zerstörungen des Kolbens kommen, so daß diese ergriffenen Maßnahmen nicht zufriedenstellend sind.Measures have already been taken to reduce the tensile or compressive stresses in the Reduce the area of the piston crown. For example, the piston pin diameter affects or the piston pin length either the tensile stresses introduced or the initiated compressive stresses. However, these measures have the essential Disadvantage that when changing a geometric size of the piston either the tensile stresses be reduced, but at the same time the compressive stresses increase, or else vice versa, d. H. the compressive stresses are reduced while the tensile stresses increase again. This undesirable increase in either tension or The compressive stress in the operation of the piston can destroy the piston again come, so that these measures are unsatisfactory.

Aus der DE 876 338 B bzw. der DE 539 906 A ist schon ein Kolben bekannt, der einen ein Bolzenloch aufweisenden Kolbenschaft und ein sich daran anschließendes Ringfeld aufweist. Bei diesem Kolben sind im Innenbereich um das Bolzenloch herum mehrere längs gestreckte Erhebungen vorgesehen. Dabei ist im Innenbereich eine Erhebung genau auf der Achse des Bolzenloches in Richtung des Kolbenbodens angeordnet, wodurch der Kolbenbodenbereich im Betrieb des Kolbens mit sehr hohen Druckspannungen beansprucht wird. D. h., daß der Druckverlauf im Kolbenbodenbereich in der Mitte eine sehr starke Auslenkung erfährt. Bei dem bekanntem Kolben spielt diese sehr starke Auslenkung des Druckverlaufes keine Rolle, da der Kolbenbodenbereich keine Mulde aufweist und somit sehr stabil und schwer ausgebildet ist. Mit der Anordnung einer Erhebung, die sich auf der in Richtung des Kolbenbodenbereiches erstreckenden Achse des Bolzenloches liegt, treten in diesem Bereich, in dem sich bei modernen Kolben die Mulde befindet, sehr starke Belastungen auf, die zu einer Schwächung bzw. Zerstörung des Kolbens führen.From DE 876 338 B and DE 539 906 A a piston is already known, which one Piston shaft having a bolt hole and an adjoining ring field. In this piston there are several longitudinally around the bolt hole stretched surveys provided. An elevation is exactly on the inside Axis of the bolt hole is arranged in the direction of the piston crown, whereby the piston crown area is used in the operation of the piston with very high compressive stresses. This means that the pressure curve in the piston crown area in the middle has a very strong deflection experiences. In the known piston, this very strong deflection of the pressure curve plays no role, since the piston crown area has no trough and is therefore very stable and is heavily trained. With the arrangement of a survey, which is on the towards the Axis of the bolt hole extending piston crown region, occur in this region, in which the recess is located in modern pistons, very strong loads that lead to weakening or destruction of the piston.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben, insbesondere einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, derart zu verbessern, daß Zerstörungen vermieden und Spannungen innerhalb des Kolbens abgebaut werden.The invention is therefore based on the object of a piston, in particular a piston for an internal combustion engine to improve such that destructions are avoided and tensions be dismantled within the piston.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.This object is solved by the features of claim 1.

Ausgehend von dem Bolzenloch sind auf der äußeren Oberfläche des Kolbens Stege vorgesehen, die sich in Richtung des Ringfeldes erstrecken, wobei die Stege ein Bolzenfenster bilden. Dadurch ist eine sehr hohe Kraftabstützung gegeben, so daß Kräfte, die im Kolbenbodenbereich eingeleitet werden (Gasdruckkräfte) sich über die Stege und das Bolzenloch auf die Pleuelstange abstützen können und umgekehrt. Daraus resultiert, wie sich herausgestellt hat, eine wesentliche und gleichzeitige Verringerung der Zug- und Druckspannungen, so daß im Kolbenbodenbereich die Verteilung dieser Spannungen wesentlich gleichförmiger ist und Zerstörungen wirksam vermieden werden. Insbesondere bei einer komplex ausgeformten Mulde im Kolbenbodenbereich wird vermieden, daß der Muldenrandbereich durch die eingeleiteten Kräfte geschwächt wird und es so zu Zerstörungen kommen könnte. Wesentlich ist, daß mindestens zwei Stege sich ausgehend von dem Bolzenloch in Richtung des Ringfeldes erstrecken, so daß sich dadurch ein etwa wellenförmiger Kraftverlauf in dem Kolbenbodenbereich einstellt und dadurch eine bogenförmige Verformung des Kolbenbodens um den Bolzen, die hohe Zugspannung zur Folge hat, vermieden wird.Starting from the bolt hole, webs are provided on the outer surface of the piston, which extend in the direction of the ring field, the webs a bolt window form. This provides a very high level of power support, so that forces in the piston crown area are introduced (gas pressure forces) via the webs and the bolt hole can support on the connecting rod and vice versa. As a result, it turns out has a significant and simultaneous reduction in tensile and compressive stresses, so that the distribution of these stresses in the piston crown area is much more uniform and destruction can be effectively avoided. Especially with a complex molded trough in the piston crown area is avoided that the trough edge area is weakened by the forces introduced and this could result in destruction. It is essential that at least two webs start from the bolt hole in the direction extend the ring field, so that there is an approximately undulating force curve in the Sets the piston crown area and thereby an arcuate deformation of the piston crown around the bolt, which results in high tensile stress, is avoided.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Stege liegt darin, daß diese schon bei der Gießform des Kolbens vorgesehen werden können, so daß die gezielte Kraftabstützung und die wesentliche Verringerung der Zug- und Druckspannungen äußerst kostengünstig erzielt werden kann, Außerdem entfällt eine Nachbearbeitung des Kolbens im Hinblick auf die Stege, wenn diese schon in der Gießform integriert sind. Ebenso ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Stege unabhängig von dem Material, aus dem der Kolben hergestellt wird.Another advantage of the webs according to the invention is that they are already in the Casting mold of the piston can be provided so that the targeted force support and achieved the substantial reduction in tensile and compressive stresses extremely cost-effectively In addition, there is no need to rework the piston with regard to the webs, if these are already integrated in the mold. Likewise, the application of the invention Bars regardless of the material from which the piston is made.

In Weiterbildung der Erfindung ist zumindest teilweise um das Bolzenloch herum eine Außennabe angeordnet, die zusammen mit den Stegen und der Unterkante des Ringfeldes das Bolzenfenster bilden. Durch die Außennabe um das Bolzenloch herum wird das Bolzenloch verstärkt, gleichzeitig aber um die Außennabe herum Material eingespart, so daß dies zu einer wirkungsvollen Gewichtsreduzierung des Kolbens führt. Zusammen mit der Unterkante des Ringfeldes und den Stegen umschließt ein Teilbereich der Außennabe das Bolzenfenster, so daß bei sehr guter Kraftabstützung gleichzeitig Material eingespart ist, um so die Gewichtsreduzierung zu erhöhen. Denn wenn der Bereich des Bolzenfensters auch mit Material aufgefüllt wird, so daß ein Teilbereich der Außennabe zusammen mit den Stegen und dem aufgefüllten Bolzenfenster einen einflächigen Bereich ergeben würde, würde nicht nur das Gewicht des Kolbens erhöht, sondern auch die Kraftunterstützung verloren gehen, da über diesen einflächigen Bereich die Kräfte wieder über einen breiten Bereich auf den Kolbenboden einwirken können, so daß es wieder in nachteiliger Weise zu einer bogenförmigen Verformung des Kolbenbodenbereiches kommen würde, die mit den Stegen und dem Bolzenfenster wirksam vermieden werden.In a further development of the invention, an outer hub is at least partially around the bolt hole arranged, which together with the webs and the lower edge of the ring field Form bolt window. The bolt hole becomes through the outer hub around the bolt hole reinforced, but at the same time material saved around the outer hub, so that this too effective weight reduction of the piston. Together with the bottom edge of the ring field and the webs, a portion of the outer hub encloses the bolt window, so that with very good power support material is saved at the same time, so the Increase weight loss. Because if the area of the bolt window also with material is filled so that a portion of the outer hub together with the webs and the padded window would result in a single area, would not only the weight of the piston increases but the power support is lost because over this single area the forces again over a wide area on the piston crown can act so that it again disadvantageously becomes an arc Deformation of the piston crown area would come with the webs and the bolt window be effectively avoided.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Oberfläche der Stege parallel, geneigt oder gewölbt zu der Oberfläche des Kolbens angeordnet. Es versteht sich von selbst, daß die Oberfläche der Stege zumindest äußerst gering gegenüber der Oberfläche (Lauffläche) des Kolbens zurückgesetzt ist. Dies kann in der Weise geschehen, daß die Oberfläche der Stege parallel zurückgesetzt ist gegenüber der Lauffläche des Kolbens, wobei auch eine geneigte oder gewölbte Oberfläche in bezug auf die Lauffläche des Kolbens denkbar ist. Eine bevorzugte, jedoch nicht zwangsweise erforderliche Neigung ist in einer solchen Ausrichtung zu sehen, daß die Oberfläche der Stege im Bereich des Bolzenloches bzw. der Außennabe des Bolzenloches weiter hinter der Lauffläche des Kolbens zurückliegt als die Oberfläche der Stege im Bereich der Unterkante des Ringfeldes. Es könnte auch daran gedacht werden, die Oberfläche der Stege hohlkehlenförmig auszuführen, so daß bei ausreichender Stabilität weiter Gewicht reduziert wird.In a development of the invention, the surface of the webs is parallel, inclined or curved the surface of the piston. It goes without saying that the surface of the The webs are set back at least extremely slightly relative to the surface (running surface) of the piston is. This can be done in such a way that the surface of the webs is parallel is set back against the tread of the piston, whereby also an inclined or curved surface with respect to the running surface of the piston is conceivable. A preferred but not necessarily required inclination can be seen in such an orientation, that the surface of the webs in the region of the bolt hole or the outer hub of the bolt hole lies further behind the running surface of the piston than the surface of the webs in the area of the lower edge of the ring field. It could also be thought of the Execute the surface of the webs in the shape of a groove, so that with sufficient stability weight is further reduced.

In Weiterbildung der Erfindung verlaufen die Stege parallel zueinander von dem Bolzenloch in Richtung des Ringfeldes. Dabei können die Stege innerhalb des Durchmessers des Bolzenloches angeordnet sein, tangential sich an dem Außenumfang des Bolzenloches anschließen oder auch außerhalb des Durchmessers des Bolzenloches angeordnet sein, In besonders vorteilhafter Weise sind die Stege in etwa tangential zu dem Außenumfang des Bolzenloches angeordnet, um so eine besonders optimale Kraftabstützung zu erzielen.In a development of the invention, the webs run parallel to one another from the bolt hole towards the ring field. The webs can be within the diameter of the bolt hole be arranged, connect tangentially to the outer circumference of the bolt hole or can also be arranged outside the diameter of the bolt hole, In the webs are particularly advantageously approximately tangential to the outer circumference of the Bolt hole arranged in order to achieve a particularly optimal power support.

In Weiterbildung der Erfindung verlaufen die Stege schräg zueinander von dem Bolzenloch in Richtung des Ringfeldes. Hierbei verlaufen die Stege in etwa V-förmig, wobei Ausgestaltungen denkbar sind, bei denen die Stege in ihrer Verlängerung durch die Achse des Bolzenloches oder außerhalb der Achse verlaufen können.In a development of the invention, the webs run obliquely to one another from the bolt hole towards the ring field. Here, the webs run approximately V-shaped, with configurations are conceivable in which the webs in their extension through the axis of the bolt hole or can run outside the axis.

In Weiterbildung der Erfindung sind die Stege gerade und/oder bogenförmig ausgebildet. Je nach geometrischer Gestaltung des Bolzens kann es von Vorteil sein, zur Erzielung einer optimalen Kraftabstützung die Stege gerade bzw. bogenförmig auszugestalten. Somit stehen also mehrere Möglichkeiten zur Verfügung, zur optimalen Kraftabstützung und Verringerung der Zug- und Druckspannungen die Stege zu gestalten.In a development of the invention, the webs are straight and / or curved. Each after the geometric design of the bolt, it can be advantageous to achieve a Optimal power support to design the bars straight or arched. So stand So several options are available for optimal power support and reduction the tensile and compressive stresses to design the webs.

In Weiterbildung der Erfindung liegt die Fläche des Bolzenfensters tiefer als eine Fensterfläche um die Außennabe des Bolzenloches herum. Dadurch kann bei gleichzeitiger Beibehaltung der optimalen Kraftabstützung das Gewicht des Kolbens weiter verringert werden, wobei ein weiterer Vorteil darin zu sehen ist, daß diese Vertiefung des Bolzenfensters schon bei der Gießform für den Kolben berücksichtigt werden kann und somit zu keinen höheren Kosten bei der Herstellung des Kolbens führt. Neben der Gewichtsersparnis ist auch der Vorteil der Materialersparnis und somit einer Kostenreduzierung gegeben, wobei sich dies gerade bei einer Serienproduktion in hohen Stückzahlen (Bandende!!!) positiv bemerkbar macht. In a development of the invention, the area of the bolt window is lower than a window area around the outer hub of the bolt hole. This can be done while maintaining the optimal force support, the weight of the piston can be further reduced, whereby Another advantage is that this recess of the bolt window already can be taken into account in the mold for the piston and therefore not higher Leads to manufacturing costs of the piston. In addition to saving weight, there is also Advantage of material savings and thus a cost reduction, given this Particularly noticeable in series production in large numbers (end of tape !!!) makes.

Verschiedene Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Kolbens, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, sowie Spannungsverläufe im Kolbenbodenbereich von Kolben gemäß dem Stand der Technik und dem erfindungsgemäßen Kolben sind im folgenden erläutert und anhand der Figuren beschrieben.Different embodiments of the piston according to the invention to which the invention but is not limited, as well as voltage profiles in the piston crown area of pistons according to the prior art and the piston according to the invention are explained below and described with reference to the figures.

Es zeigen:

Fig. 1:
einen erfindungsgemäß ausgestalteten Kolben,
Fig. 2:
einen erfindungsgemäß ausgestalteten Kolben in einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 3 und 4:
Kolben nach dem Stand der Technik und Durchbiegungen sowie Spannungsverläufe im Kolbenbodenbereich,
Fig. 5:
ein erfindungsgemäßer Kolben und die Durchbiegungen bzw. der Spannungsverlauf im Kolbenbodenbereich.
Show it:
Fig. 1:
a piston designed according to the invention,
Fig. 2:
a piston designed according to the invention in a further embodiment,
3 and 4:
State-of-the-art pistons and deflections as well as stress curves in the piston crown area,
Fig. 5:
a piston according to the invention and the deflections or the stress curve in the piston crown area.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäß ausgestalteten Kolben 1, der einen Kolbenschaft 2 und ein sich an dem Kolbenschaft 2 anschließendes Ringfeld 3 aufweist. Im Bereich des Kolbenschaftes 2 ist in an sich bekannter Weise ein Bolzenloch 4 zur Aufnahme eines Bolzens vorhanden, mit dem der Kolben 1 über eine nicht gezeigte Pleuelstange verbunden wird. Bei der in Fig.1 gezeigten Ausführungsform ist um das Bolzenloch 4 herum eine Außennabe 5 angeordnet, so daß mittels der Außennabe 5 und der darum vorhandenen Fensterfläche 6, die tiefer liegt, sowohl eine Verstärkung des Bolzenloches 4 als auch eine Gewichtsersparnis erzielt wird. Wäre diese tieferliegende Fensterfläche 6 auch im Bereich zwischen der Außennabe 5 und der Unterkante des Ringfeldes 3 vorhanden, wäre damit eine Schwächung des Kolbens 1 gegeben, die in nachteiliger Weise zu den schon beschriebenen Spannungen im Kolbenbodenbereich führen würde (siehe hierzu auch Fig. 3).1 shows a piston 1 designed according to the invention, which has a piston shaft 2 and has an annular field 3 adjoining the piston skirt 2. In the area of the piston skirt 2 there is a bolt hole 4 for receiving a bolt in a manner known per se, with which the piston 1 is connected via a connecting rod, not shown. At In the embodiment shown in FIG. 1, an outer hub 5 is around the bolt hole 4 arranged so that by means of the outer hub 5 and the window surface 6 around it, which is lower, both a reinforcement of the bolt hole 4 and a weight saving is achieved. Would this deeper window area 6 also be in the area between the outer hub 5 and the lower edge of the ring field 3 would be a weakening of the piston 1, which adversely affects the voltages already described would lead in the piston crown area (see also Fig. 3).

Erfindungsgemäß sind daher Stege 7 vorgesehen, die sich von der Außennabe 5 in Richtung des Ringfeldes 3 erstrecken. Durch den Teilbereich der Außennabe 5, die beiden, hier schräg verlaufenden Stege 7 sowie die mit der Bezugsziffer 8 bezeichnete Unterkante des Ringfeldes 3 wird ein Bolzenfenster 9 erzeugt, wodurch die schon beschriebene optimale Kraftabstützung, einhergehend mit einer Gewichtsersparnis, erzielt wird. Die Fläche in der Tiefe des Bolzenfensters 9 kann auf dem gleichen Niveau liegen wie die Fensterfläche 6; denkbar ist auch, daß die Fläche des Bolzenfensters 9 gegenüber der Fensterfläche 6 vertieft angeordnet ist, um weiteres Material einzusparen. Je nach Konstruktion und geometrischer Ausführung des Kolbens 1 ist es auch denkbar, daß das Bolzenfenster 9 über den Bolzen bis in die Mitte des Kolbens 1 hineinreicht.According to the invention webs 7 are therefore provided which extend from the outer hub 5 in the direction of the ring field 3 extend. Through the partial area of the outer hub 5, the two, here inclined webs 7 and the lower edge of the Ring field 3, a bolt window 9 is generated, whereby the optimal already described Power support, accompanied by a weight saving, is achieved. The area in the The depth of the bolt window 9 can be at the same level as the window surface 6; It is also conceivable that the surface of the bolt window 9 deepens relative to the window surface 6 is arranged to save additional material. Depending on the construction and geometric Execution of the piston 1, it is also conceivable that the bolt window 9 on the Bolt extends into the middle of the piston 1.

In Fig. 1 ist gezeigt, daß die beiden Stege 7 schräg zueinander verlaufen. Zur optimalen Kraftabstützung ist es erforderlich, daß die Stege 7 am Innendurchmesser des Bolzenloches 4 tangential anliegen oder weiter in Richtung der Mittenachse des Bolzenloches 4 angeordnet sind. Eine schräge Anordnung der Stege 7 außerhalb des Bolzenloches 4 oder tangential zu dem Bolzenloch 4 ist zwar auch denkbar, jedoch ist dann die Wirkung der Kraftabstützung nicht so optimal, als wenn die Stege 7 innerhalb des Bolzenloches 4 angeordnet sind. Ebenso können, aber müssen nicht, die Längsachsen der Stege 7 die Mittelachse des Bolzenloches 4 schneiden.In Fig. 1 it is shown that the two webs 7 run obliquely to each other. For optimal Force support, it is necessary that the webs 7 on the inner diameter of the bolt hole 4 lie tangentially or arranged further in the direction of the central axis of the bolt hole 4 are. An oblique arrangement of the webs 7 outside the bolt hole 4 or tangentially to the bolt hole 4 is also conceivable, but then the effect of the force support not as optimal as if the webs 7 are arranged within the bolt hole 4. Likewise, the longitudinal axes of the webs 7 can, but do not have to, the central axis of the bolt hole 4 cut.

In Fig. 2 ist der schon in Fig. 1 gezeigte Kolben 1 ausschnittsweise gezeigt, wobei hier dargestellt ist, daß die Stege 7 parallel zueinander verlaufen. Bei dieser Ausführungsform verlaufen die Stege 7 in etwa tangential zu dem Bolzenloch 4, wobei es auch denkbar ist, daß die Stege 7 parallel zueinander innerhalb des Bolzenloches 4 oder außerhalb verlaufen können.In Fig. 2 the piston 1 already shown in Fig. 1 is shown in sections, shown here is that the webs 7 run parallel to each other. Run in this embodiment the webs 7 approximately tangential to the bolt hole 4, wherein it is also conceivable that the webs 7 can run parallel to one another within the bolt hole 4 or outside.

In Bezug auf die Stege 7, sowohl schräg als auch parallel verlaufend, sei noch erwähnt, daß diese je nach geometrischer Gestaltung des Kolbens 1 nicht nur ausgehend von dem Bolzenloch 4 (bzw. der Außennabe 5) in Richtung der Unterkante 8 des Ringfeldes 3 verlaufen müssen, sondern es auch denkbar ist, daß diese Stege ausgehend von dem Bolzenloch 4 sich in Richtung der Unterkante des Kolbenschaftes 2 (also der dem Ringfeld 3 abgewandten Ende) erstrecken können. Ebenso ist noch zu erwähnen, daß das Bolzenfenster 9 nicht planparallel oder parallel zu der Lauffläche des Kolbens 1 ausgebildet sein muß, sondern daß es gerade im Übergangsbereich zu den Stegen 7 bzw. zu der Unterkante 8 bzw. zu der Außennabe 5 durch Materialanhäufung verstärkt werden kann (gerundeter Übergang). Auch dadurch ergibt sich eine bessere Kraftabstützung. Während bisher symmetrische Anordnungen der Stege 7 gezeigt sind, sind auch je nach Geometrie des Kolbens asymmetrische Anordnungen der Stege 7 möglich und ggf. je nach Kräfteverlauf zu bevorzugen.With respect to the webs 7, both inclined and parallel, it should also be mentioned that this, depending on the geometric design of the piston 1, not only starting from the bolt hole 4 (or the outer hub 5) run in the direction of the lower edge 8 of the ring field 3 must, but it is also conceivable that these webs starting from the bolt hole 4th towards the lower edge of the piston skirt 2 (i.e. that facing away from the ring field 3 End) can extend. It should also be mentioned that the bolt window 9 is not must be parallel or parallel to the running surface of the piston 1, but that it is precisely in the transition area to the webs 7 or to the lower edge 8 or to the Outer hub 5 can be reinforced by material accumulation (rounded transition). Also this results in better power support. While previously symmetrical arrangements the webs 7 are shown, are also asymmetrical arrangements depending on the geometry of the piston the webs 7 possible and possibly preferred depending on the course of forces.

In den Figuren 3 und 4 sind Ausführungen von Kolben gezeigt, bei denen in nachteiliger Weise eine Verformung des Kolbenbodenbereiches stattfindet.In Figures 3 and 4 versions of pistons are shown, in which disadvantageous Way a deformation of the piston crown area takes place.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform befindet sich rechts und links und im Bereich zwischen dem Bolzenloch und der Unterkante des Ringfeldes (das hier vereinfacht dargestellt ist) ein durchgehender Bereich, der mit der Bezugsziffer 10 versehen und schraffiert dargestellt ist. Aufgrund dieses durchgehenden Bereiches 10 kommt es zu dem oberhalb des Kolbens 1 gezeigten Spannungsverlauf 11, wobei dieser gestrichelt gezeichnete Spannungsverlauf der nachteiligen Wölbung des Kolbenbodenbereiches des Kolbens 1 entspricht. Aufgrund dieses Spannungsverlaufes 11 und den daraus resultierenden Spannungen im Kolbenbodenbereich kommt es zu den eingangs schon geschilderten nachteiligen Verformungen insbesondere von Muldenrandbereichen, die zu einer Zerstörung des gesamten Kolbens führen können.In the embodiment shown in Fig. 3 is on the right and left and in the area between the bolt hole and the lower edge of the ring field (which is shown here in simplified form is) a continuous area which is provided with the reference number 10 and hatched is shown. Because of this continuous area 10, the above occurs of the piston 1 shown voltage curve 11, this dashed voltage curve corresponds to the disadvantageous curvature of the piston crown area of the piston 1. Because of this voltage curve 11 and the resulting tensions In the piston crown area there are the disadvantages already described at the beginning Deformations especially of trough edge areas, which lead to destruction of the entire Pistons can lead.

Fig. 4 zeigt eine weitere Maßnahme, mit der der Spannungsverlauf beeinflußt werden kann. Ausgehend von der Außennabe 5 des Bolzenloches 4 ist hier ein breiter Bereich vorgesehen, der schraffiert dargestellt ist und die Bezugsziffer 12 aufweist. Dieser breite Bereich führt zwar, wie dies in dem Spannungsverlauf 13 erkennbar ist, zu einer Abflachung des Verlaufes und damit zu einer Verringerung der Wölbung des Kolbenbodenbereiches, wobei diese Abflachung und Verringerung der Wölbung noch nicht zufriedenstellend ist. Diese ist insbesondere bei Kolben, die komplex ausgeformte Mulden im Kolbenbodenbereich aufweisen, immer noch nicht ausreichend, da der komplex ausgeführte Kolbenbodenbereich zum Teil recht dünne Muldenränder erfordert, die von dem Verlauf 13 bei der Ausgestaltung des Kolbens gemäß Fig. 4 immer noch zerstört werden.4 shows a further measure with which the voltage curve can be influenced. Starting from the outer hub 5 of the bolt hole 4, a wide range is provided here, which is shown hatched and has the reference number 12. This wide area leads, as can be seen in the voltage curve 13, to a flattening of the Course and thus a reduction in the curvature of the piston crown area, wherein this flattening and curvature reduction is not yet satisfactory. This is especially for pistons that have complex shaped troughs in the piston crown area, still not sufficient, because the complex piston crown area Part requires quite thin trough edges, which of the course 13 in the design of the 4 are still destroyed.

In Fig. 5 ist nun der erfindungsgemäß ausgestattete Kolben 1 gezeigt, wobei anhand der gestrichelten Linie des Spannungsverlaufes 14 deutlich wird, daß dieser Verlauf 14 nun in etwa wellenförmig ist, insgesamt jedoch die Verformung des Kolbenbodenbereiches deutlich reduziert ist, was sich aus den Amplituden dieses wellenförmigen Verlaufes 14 eindeutig ergibt. Somit werden also aufgrund der günstigen Krafteinleitung und Kraftabstützung gleichzeitig die Zug- und Druckspannungen in den Muldenrandbereiche des komplex geformten Kolbenbodenbereiches deutlich reduziert und Zerstörungen vermieden.In Fig. 5 the piston 1 according to the invention is now shown, with reference to the Dashed line of the voltage curve 14 clearly shows that this curve 14 is now in is approximately wavy, but overall the deformation of the piston crown area is clear what is clear from the amplitudes of this undulating course 14 is reduced results. Thus, due to the favorable application of force and support at the same time the tensile and compressive stresses in the trough edge areas of the complex shaped Piston base area significantly reduced and destruction avoided.

Claims (8)

Kolben (1), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, der einen ein Bolzenloch (4) aufweisenden Kolbenschaft (2) und ein sich daran anschließendes Ringfeld (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sich ausgehend von dem Bolzenloch (4) auf der äußeren Oberfläche des Kolbens (1) Stege (7) in Richtung des Ringfeldes (3) und/oder in Richtung des dem Ringfeld (3) abgewandten Ende des Kolbenschaftes (2) erstrecken, wobei die Stege (7) ein Bolzenfenster (9) bilden.Piston (1), in particular for an internal combustion engine, which has a piston shaft (2) having a bolt hole (4) and an adjoining ring field (3), characterized in that, starting from the bolt hole (4), on the outer surface of the Piston (1) webs (7) extend in the direction of the ring field (3) and / or in the direction of the end of the piston shaft (2) facing away from the ring field (3), the webs (7) forming a bolt window (9). Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest teilweise um das Bolzenloch (4) herum eine Außennabe (5) angeordnet ist, die zusammen mit den Stegen (7) und einer Unterkante (8) des Ringfeldes (3) das Bolzenfenster (9) bildet.Piston (1) according to claim 1, characterized in that an outer hub (5) is arranged at least partially around the bolt hole (4), which together with the webs (7) and a lower edge (8) of the ring field (3) the bolt window (9) forms. Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Stege (7) parallel, geneigt oder gewölbt zu der Oberfläche des Kolbens (1) angeordnet ist.Piston (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the surface of the webs (7) is arranged parallel, inclined or curved to the surface of the piston (1). Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (7) parallel zueinander von dem Bolzenloch (4) in Richtung des Ringfeldes (3) verlaufen.Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the webs (7) run parallel to one another from the bolt hole (4) in the direction of the ring field (3). Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (7) schräg zueinander von dem Bolzenloch (4) in Richtung des Ringfeldes (3) verlaufen.Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the webs (7) run obliquely to one another from the bolt hole (4) in the direction of the ring field (3). Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (7) gerade und/oder bogenförmig in Längsrichtung ausgebildet sind. Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the webs (7) are straight and / or curved in the longitudinal direction. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Bolzenfensters (9) tiefer liegt als eine Fensterfläche (6) um die Außennabe (5) herum.Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the surface of the bolt window (9) is lower than a window surface (6) around the outer hub (5). Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich zwischen dem Bolzenfenster (8) und der Außennabe (5) und/oder den Stegen (7) und/oder der Unterkante (8) des Ringfeldes (3) verstärkt ist.Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the transition region between the bolt window (8) and the outer hub (5) and / or the webs (7) and / or the lower edge (8) of the ring field (3) reinforces is.
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