EP1072782B1 - Piston for an internal combustion engine - Google Patents
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- EP1072782B1 EP1072782B1 EP00114741A EP00114741A EP1072782B1 EP 1072782 B1 EP1072782 B1 EP 1072782B1 EP 00114741 A EP00114741 A EP 00114741A EP 00114741 A EP00114741 A EP 00114741A EP 1072782 B1 EP1072782 B1 EP 1072782B1
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- piston
- webs
- bolt hole
- bolt
- area
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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
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- 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 in particular for internal combustion engines, are well known.
- Such a piston consists of a piston stem and one adjoining the piston skirt Ring field, wherein the top of the ring field of the combustion chamber of the internal combustion engine is facing.
- a bolt hole for receiving a Bolzens, via which the piston is connected to the connecting rod.
- Such a piston is also subject to high thermal loads during operation strong compressive stresses caused by the combustion and the resulting Gas pressure can be generated.
- This ignition pressure arise at the piston crown tensile and compressive stresses, this ignition pressure the piston crown bulges or pushes. This effect is still in operation of the piston thereby 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 to improve the combustion and the exhaust gas behavior of Internal combustion engines in the piston crown geometrically complex recesses with undercut , so that the mentioned tensile and compressive stresses not only on a flat piston crown but also on the complex structure of the hollow. That's how it comes in disadvantageous way also to tensile and compressive stresses in the bowl edge area, so that it very quickly due to the forces introduced in the trough edge area to a break the piston comes. This has fatal effects on the internal combustion engine, since these is destroyed without notice.
- a piston for an internal combustion engine which has a a bolt hole having piston stem and an adjoining Ring field, wherein, starting from the bolt hole on the outer Surface of the piston two webs extend in the direction of the ring field and the Webs form a bolt window and at least partially around the bolt hole an outer hub is arranged.
- this known piston of the ring field having the piston head and the piston shaft connected to each other via two webs, wherein around the webs around a radially circumferential recess between Piston bottom and piston skirt is present, which at combustion pressures of modern internal combustion engines to comply with required environmental regulations lead to an undesirable deformation of the piston crown.
- the invention is therefore based on the object, a piston, in particular a piston for an internal combustion engine, to improve such that destructions avoided and voltages be degraded within the piston.
- Another advantage of the webs of the invention is that they already in the Mold of the piston can be provided so that the targeted power and achieved the substantial reduction of tensile and compressive stresses extremely cost can be.
- the application of the invention Webs regardless of the material from which the piston is made.
- an outer hub is at least partially arranged around the bolt hole, which together with the webs and the lower edge of the ring field form the bolt window.
- the surface of the webs is parallel, inclined or curved to arranged the surface of the piston. It goes without saying that the surface of the Webs at least extremely low compared to the surface (running surface) of the piston reset is. This can be done in such a way that the surface of the webs parallel is set back against the tread of the piston, with an inclined or curved surface with respect to the running surface of the piston is conceivable. A preferred, however not necessarily required inclination is to 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 further behind the tread of the piston lies back than the surface of the webs in the area of the lower edge of the ring field. It could also be thought of that To perform surface of the webs grooved, so that with sufficient stability further weight is reduced.
- the webs run parallel to each other from the bolt hole in the direction of the ring field.
- the webs can within the diameter of the bolt hole be arranged to connect tangentially to the outer circumference of the bolt hole or be arranged outside the diameter of the bolt hole.
- the webs are approximately tangential to the outer circumference of the Bolt holes arranged so as to achieve a particularly optimal power support.
- the webs run obliquely to each other from the bolt hole in the direction of the ring field.
- the webs are approximately V-shaped, with embodiments are conceivable in which the webs in their extension through the axis of the bolt hole or outside the axis.
- the webs are straight and / or arcuate. ever according to geometric design of the bolt, it may be advantageous to achieve a optimal force support the webs straight or arcuate design. Thus stand So several options available for optimum power and reduction the tensile and compressive stresses to make the webs.
- the surface of the bolt window is lower than a window surface around the outer hub of the bolt hole. This can be done while maintaining the optimal power support the weight of the piston can be further reduced, wherein Another advantage is that this recess of the bolt window already can be considered in the mold for the piston and thus to no higher Costs in the production of the piston leads. In addition to the weight savings is also the Advantage of the material savings and thus a cost reduction, where this is just in a series production in high quantities (end of tape !!!) positively noticeable power.
- Fig. 1 shows an inventively designed piston 1, a piston shaft 2 and a subsequent to the piston skirt 2 ring field 3 has.
- a bolt hole 4 for receiving a bolt is provided in a manner known per se, with which the piston 1 is connected via a connecting rod, not shown.
- at the embodiment shown in Figure 1 is around the bolt hole 4 around an outer hub fifth arranged so that by means of the outer hub 5 and the window surface 6 therefore existing, which is lower, both a gain of the bolt hole 4 and a weight saving is achieved. If this deeper lying window surface 6 in the area between the outer hub 5 and the lower edge of the ring field 3, it would be a weakening given the piston 1, which disadvantageously to the already described voltages would lead in the piston crown area (see also Fig. 3).
- webs 7 are provided, extending from the outer hub 5 in the direction of the ring field 3 extend.
- a bolt window 9 is generated, whereby the already described optimal Force support, accompanied by a weight saving, is achieved.
- the area in 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 recesses relative to the window surface 6 is arranged to save further material.
- the bolt window 9 over the Bolt extends into the middle of the piston 1.
- Fig. 1 it is shown that the two webs 7 extend obliquely to each other.
- the webs 7 on the inner diameter of the bolt hole 4 tangentially or further arranged in the direction of the center axis of the bolt hole 4 are.
- An oblique arrangement of the webs 7 outside the bolt hole 4 or tangentially is also conceivable, but then the effect of the power support not so optimal, as if the webs 7 are arranged within the bolt hole 4.
- the longitudinal axes of the webs 7, the central axis of the bolt hole 4 cut.
- Fig. 2 the piston 1 already shown in Fig. 1 is shown in fragmentary form, wherein shown here is that the webs 7 are parallel to each other. In this embodiment run the webs 7 in approximately tangential to the bolt hole 4, wherein it is also conceivable that the webs 7 can run parallel to each other within the bolt hole 4 or outside.
- a continuous area which is provided with the reference numeral 10 and hatched is shown. Due to this continuous area 10, it comes to the above of the piston 1 shown voltage curve 11, wherein this dashed line voltage curve the disadvantageous curvature of the piston crown region of the piston 1 corresponds. Because of this voltage curve 11 and the resulting voltages in the piston crown area, it comes to the initially described disadvantageous Deformations in particular of Muldenrand Schemeen, leading to the destruction of the entire Can lead piston.
- Fig. 4 shows a further measure with which the voltage curve can be influenced.
- a wide area is provided here, which is hatched and has the reference numeral 12.
- This wide range leads, as can be seen in the voltage curve 13, to a flattening of Course and thus to a reduction of the curvature of the piston crown area, wherein this flattening and curvature reduction is still unsatisfactory.
- This is in particular in the case of pistons which have complexly shaped depressions in the piston crown region, still not sufficient, since the complex executed piston crown area for Part requires very thin trough edges, of the course 13 in the embodiment of the Piston according to FIG. 4 are still destroyed.
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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
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, in particular for internal combustion engines, are well known. Such a piston consists of a piston stem and one adjoining the piston skirt Ring field, wherein the top of the ring field of the combustion chamber of the internal combustion engine is facing. In the piston shaft is a bolt hole for receiving a Bolzens, via which the piston is connected 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 compressive stresses caused by the combustion and the resulting Gas pressure can be generated. By strains and compressions due to the ignition pressure arise at the piston crown tensile and compressive stresses, this ignition pressure the piston crown bulges or pushes. This effect is still in operation of the piston thereby 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 to improve the combustion and the exhaust gas behavior of Internal combustion engines in the piston crown geometrically complex recesses with undercut , so that the mentioned tensile and compressive stresses not only on a flat piston crown but also on the complex structure of the hollow. That's how it comes in disadvantageous way also to tensile and compressive stresses in the bowl edge area, so that it very quickly due to the forces introduced in the trough edge area to a break the piston comes. This has fatal effects on the internal combustion engine, since these 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 Kolbenbotzendurchmesser 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.There are already measures have been taken to the tensile or compressive stresses in To reduce the area of the piston crown. For example, affect the Kolbenbotzendurchmesser or the piston pin length either the introduced tensile stresses or the introduced 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 increase the compressive stresses, or conversely, d. H. the compressive stresses are reduced while the tensile stresses increase again. Due to this unwanted increase in either the tension or The compressive stress during operation of the piston can again destroy the piston come, so that these measures are not satisfactory.
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, the one Bolt hole having piston skirt and an adjoining ring field has. In this piston, several longitudinally around the bolt hole in the interior stretched surveys. It is in the interior of a survey exactly on the Axis of the bolt hole arranged in the direction of the piston crown, whereby the piston crown area is claimed during operation of the piston with very high compressive stresses. D. h., That the pressure curve in the piston crown area in the middle of a very strong deflection experiences. In the known piston, this plays very strong deflection of the pressure curve No role, since the piston crown area has no trough and thus very stable and is heavily trained. With the arrangement of a survey, which is located in the direction of the Piston crown area extending axis of the bolt hole, occur in this area, in which the trough is located in modern pistons, very heavy loads, the lead to weakening or destruction of the piston.
Aus der GB-A-405071 ist ein Kolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, der einen ein Bolzenloch aufweisenden Kolbenschaft und ein sich daran anschließendes Ringfeld aufweist, wobei sich ausgehend von dem Bolzenloch auf der äußeren Oberfläche des Kolbens zwei Stege in Richtung des Ringfeldes erstrecken und die Stege ein Bolzenfenster bilden und zumindest teilweise um das Bolzenloch herum eine Außennabe angeordnet ist. Bei diesem bekannten Kolben sind der das Ringfeld aufweisende Kolbenboden und der Kolbenschaft über zwei Stege miteinander verbunden, wobei um die Stege herum radial umlaufend eine Ausnehmung zwischen Kolbenboden und Kolbenschaft vorhanden ist, die bei Verbrennungsdrücken von modernen Brennkraftmaschinen zur Einhaltung von geforderten Umweltvorschriften zu einer unerwünschten Verformung des Kolbenbodens führen.From GB-A-405071 a piston for an internal combustion engine is known, which has a a bolt hole having piston stem and an adjoining Ring field, wherein, starting from the bolt hole on the outer Surface of the piston two webs extend in the direction of the ring field and the Webs form a bolt window and at least partially around the bolt hole an outer hub is arranged. In this known piston of the ring field having the piston head and the piston shaft connected to each other via two webs, wherein around the webs around a radially circumferential recess between Piston bottom and piston skirt is present, which at combustion pressures of modern internal combustion engines to comply with required environmental regulations lead to an undesirable deformation of the piston crown.
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, a piston, in particular a piston for an internal combustion engine, to improve such that destructions avoided and voltages be degraded within the piston.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.This object is solved by the features of
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, extending in the direction of the ring field, wherein the webs a bolt window form. As a result, a very high power support is given so that forces in the piston crown area are introduced (gas pressure forces) over the webs and the bolt hole can be supported on the connecting rod and vice versa. As a result, as it turns out has, a significant and simultaneous reduction of tensile and compressive stresses, so that in the piston crown area, the distribution of these stresses much more uniform and destructions are effectively avoided. Especially with a complex Molded trough in the piston crown area is avoided that the trough edge area weakened by the initiated forces and it could come to destruction. It is essential that at least two webs, starting from the bolt hole in the direction extend the ring field, so that thereby an approximately wave-shaped force curve in the Sets the piston head area and thereby an arcuate deformation of the piston crown around the bolt, which has 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 of the invention is that they already in the Mold of the piston can be provided so that the targeted power and achieved the substantial reduction of tensile and compressive stresses extremely cost can be. In addition, a post-processing of the piston with respect to the webs, omitted if they are already integrated in the mold. Likewise, the application of the invention Webs regardless of the material from which the piston is made.
Außerdem 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 addition, an outer hub is at least partially arranged around the bolt hole, which together with the webs and the lower edge of the ring field form the bolt window. Through the outer hub around the bolt hole around the bolt hole is reinforced, at the same time but saving material around the outer hub, making this an effective one Weight reduction of the piston leads. Together with the lower edge of the ring field and the webs surrounds a portion of the outer hub, the bolt window, so that at very Good power support while saving material, so as to reduce weight increase. Because if the area of the bolt window is also filled with material, so that a portion of the outer hub together with the webs and the filled-in bolt window would yield a single-surface area, not just the weight of the piston increased, but also lost the power support because over this one-faceted Area the forces again act over a wide range on the piston crown can, so that it again disadvantageously to an arcuate deformation of the Piston floor area would come into effect, with the webs and the bolt window be 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 further development of the invention, the surface of the webs is parallel, inclined or curved to arranged the surface of the piston. It goes without saying that the surface of the Webs at least extremely low compared to the surface (running surface) of the piston reset is. This can be done in such a way that the surface of the webs parallel is set back against the tread of the piston, with an inclined or curved surface with respect to the running surface of the piston is conceivable. A preferred, however not necessarily required inclination is to 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 further behind the tread of the piston lies back than the surface of the webs in the area of the lower edge of the ring field. It could also be thought of that To perform surface of the webs grooved, so that with sufficient stability further weight is 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 further development of the invention, the webs run parallel to each other from the bolt hole in the direction of the ring field. The webs can within the diameter of the bolt hole be arranged to connect tangentially to the outer circumference of the bolt hole or be arranged outside the diameter of the bolt hole. In Particularly advantageously, the webs are approximately tangential to the outer circumference of the Bolt holes arranged so as 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 further development of the invention, the webs run obliquely to each other from the bolt hole in the direction of the ring field. In this case, the webs are approximately V-shaped, with embodiments are conceivable in which the webs in their extension through the axis of the bolt hole or 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 further development of the invention, the webs are straight and / or arcuate. ever according to geometric design of the bolt, it may be advantageous to achieve a optimal force support the webs straight or arcuate design. Thus stand So several options available for optimum power and reduction the tensile and compressive stresses to make 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 further development of the invention, the surface of the bolt window is lower than a window surface around the outer hub of the bolt hole. This can be done while maintaining the optimal power support the weight of the piston can be further reduced, wherein Another advantage is that this recess of the bolt window already can be considered in the mold for the piston and thus to no higher Costs in the production of the piston leads. In addition to the weight savings is also the Advantage of the material savings and thus a cost reduction, where this is just in a series production in high quantities (end of tape !!!) positively noticeable power.
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.Various embodiments of the piston according to the invention, to which the invention but is not limited, as well as voltage curves in the piston crown area of the piston 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.
- 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:
- Piston according to the prior art and deflections and voltage curves in the piston crown area,
- Fig. 5:
- an inventive piston and the deflections or the voltage 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).Fig. 1 shows an inventively designed
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 therefore
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
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
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
In den Figuren 3 und 4 sind Ausführungen von Kolben gezeigt, bei denen in nachteiliger Weise eine Verformung des Kolbenbodenbereiches stattfindet.In the figures 3 and 4 embodiments of pistons are shown in which in 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 located on the right and left and in the area
between the bolt hole and the lower edge of the ring field (which is simplified here
is) a continuous area, which is provided with the
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.Fig. 4 shows a further measure with which the voltage curve can be influenced.
Starting from the
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 present invention equipped
Claims (6)
- Piston (1) for an internal combustion engine, which has a piston skirt (2) having a bolt hole (4), and an annular area (3) adjoining said piston skirt, with two webs (7) extending from the bolt hole (4) on the outer surface of the piston (1) in the direction of the annular area (3) and the webs (7) forming a bolt aperture (9), and an outer boss (5) being arranged at least partially around the bolt hole (4), characterized in that the piston skirt (2) is arranged without interruption below the annular area (3), and the outer boss (5) together with the webs (7) and a lower edge (8) of the annular area (3) forms the bolt aperture (9), and the surface of the bolt aperture (9) is situated lower than an aperture surface (6) around the outer boss (5).
- Piston (1) according to Claim 1, characterized in that the surface of the webs (9) is arranged parallel, inclined or curved with respect to the surface of the piston (1).
- Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the webs (7) run parallel to each other from the bolt hole (4) in the direction of the annular area (3).
- Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the webs (7) run obliquely with respect to each other from the bolt hole (4) in the direction of the annular area (3).
- Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the webs (7) are of straight and/or arc-shaped design in the longitudinal direction.
- Piston (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the transition region between the bolt aperture (9) and the outer boss (5) and/or the webs (7) and/or the lower edge (8) of the annular area (3) is reinforced.
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