EP1642017B1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

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EP1642017B1
EP1642017B1 EP04738618A EP04738618A EP1642017B1 EP 1642017 B1 EP1642017 B1 EP 1642017B1 EP 04738618 A EP04738618 A EP 04738618A EP 04738618 A EP04738618 A EP 04738618A EP 1642017 B1 EP1642017 B1 EP 1642017B1
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piston
annular element
piston base
projection
annular
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Mahle GmbH
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    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/0023—Multi-part pistons the parts being bolted or screwed together
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F2003/0007—Monolithic pistons; One piece constructions; Casting of pistons

Definitions

  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • a piston for an internal combustion engine which consists of a piston body with pin bosses and with a box-shaped shaft.
  • an annular member is welded, in the outside of which a part of the ring part is incorporated, and the upper part is designed as a firing bar.
  • the component forms, together with the piston bottom side part of the piston main body an annular cooling channel, which is closed by a molded to the piston body, circumferential wall to the hub side.
  • the annular member is welded via each of its two end faces with the piston body, which makes the production of the piston known from the prior art very time consuming and labor-intensive.
  • the invention is based on the problem to simplify the manufacturing process of a piston equipped with a cooling channel to accelerate and thus cheaper.
  • An expedient embodiment of the invention is the subject of the dependent claim. This results in a quick and easy to produce screw between a piston body and a ring member, which receives high strength by the mechanical stress under which an elastically formed projection sets the ring member.
  • Fig. 1 shows a piston 1 for an internal combustion engine in a sectional view, which consists of two halves, of which the left half represents a section of the piston 1 along a longitudinal axis 2 of a hub bore 3 and the right half offset by 90 ° thereto longitudinal section of the piston 1.
  • the piston 1 consists of a piston body 4, with a piston element on the bottom side 5, a ring member 6 is screwed, which carries a top land 7 and a ring portion 8 of the piston 1.
  • the piston body 4 and the ring member 6 are made of steel.
  • the piston main body 4 is formed in one piece and has a combustion bowl 10 in the region of the piston head 9.
  • a respective hub support 11, 11 ' two pin bosses 12, 12' each having a hub bore 3, 3 'are integrally formed on the piston head 9, whose end faces 16 are set back relative to the ring member 6 in the direction of the piston longitudinal axis 17.
  • the pin bosses 12, 12 ' are connected to each other via shaft elements 13, 13'.
  • a carrier of the ring member 6 and a piston body 4 may be used, in which the end faces 16 of the pin bosses 12, 12 'are arranged not reset relative to the ring section 8.
  • the recess 18 over the entire circumference of the piston partly between the Shaft members 13, 13 'and the ring member 6 and partly between the pin bosses 12, 12' and the ring member 6 circumferentially arranged.
  • the piston body 4 forms in the region of the piston head 9 together with the ring member 6 an annular cooling channel 14, which is partly incorporated in the piston body 4 and partly in the ring member 6.
  • the cooling channel 14 is covered by a projection 15 of the piston body 4, which is formed like a plate spring and is arranged starting from the piston body 4 in the direction of the piston head 9 inclined. It can be seen in Fig. 1 also a drain opening 20 of the cooling channel 14th
  • Fig. 2 makes a section across the piston 1 along the line AA in Fig. 1 in which the pin bosses 12, 12 'facing side of the piston head 9 can be seen in a bottom view.
  • Fig. 2 shows an inlet opening 19 and the discharge opening 20 of the not recognizable in the selected form of representation cooling channel 14 for cooling the piston 1 provided cooling liquid. Hatched are the shaft elements 13, 13 'and the associated pin bosses 12, 12' shown. To recognize are in Fig. 2
  • the projection 15, which is visible in the region of the recessed end faces 16 of the pin bosses 12, 12 'in a bottom view, and the lower end face 21 of the ring element. 6
  • the thread 5 can be provided with a ceramic sealant for the purpose of improved sealing of the screw first, before the ring member 6 is screwed via the thread 5 on the prefabricated piston body 4.
  • the lower end face 21 of the ring member 6 comes into contact with the surface 25 of the projection 15, which in the present embodiment is flat, ie, plateau-like, but may also be roof, or dish-shaped or may have a spherical shape.
  • the projection 15 is formed so thin-walled that it elastically yields when screwing the ring member 6 when it exerts a pressure on the projection 15. After screwing the ring element 6, the projection 15 thus sets the ring element 6 under mechanical stress, which improves the strength the screw connection between the ring element 6 and the bottom region of the piston main body 4 contributes.
  • the lower end face 21 of the ring element 6 is provided with a recess 24 which has on its inside a radially oriented surface 22 and subsequently on its outside an axially aligned surface 23.
  • the axially lying surface 23 is screwed into the lower end face 21 of the ring member 6 in the radial direction so far that, as in Fig.
  • a radial clearance 27 results when screwing the ring member 6 on the piston 1, the radially oriented surface 22 of the lower end face 21 of Ring element 6 comes into first contact with the surface 25 of the projection 15.
  • the radial width of this radial clearance is in this case between 0 .mu.m and 300 .mu.m.
  • the elastic compliance of the projection 15 results in further screwing the ring member 6 to the fact that the upper portion of the projection 15 moves in the direction of arrow 28 until the outer boundary surface 26 of the projection 15 to the axially aligned surface 23 of the recess 24 in Stop comes. This contributes to an improvement in the strength of the screw connection and the rigidity of the upper piston area.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, der aus einem Kolbengrundkörper (4) und aus einem damit verschraubten Ringelement (6) besteht, das mit dem Kolbengrundkörper (4) einen ringförmigen Kühlkanal (14) bildet, der in Richtung der Bolzennaben (12, 12') von einem Vorsprung (15) des Kolbengrundkörpers (4) verschlossen ist. Der Vorsprung (15) ist in Form einer elastisch nachgiebigen Tellerfeder ausgebildet ist, die beim Aufschrauben des Ringelementes (6) verformt wird und damit zur Festigkeit der Schraubverbindung-beiträgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 198 46 152 A1 ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der aus einem Kolbengrundkörper mit Bolzennaben und mit einem kastenförmigen Schaft besteht. An den Bodenbereich des Kolbengrundkörpers ist ein ringförmiges Bauteil angeschweißt, in dessen Außenseite ein Teil der Ringpartie eingearbeitet ist, und dessen Oberteil als Feuersteg ausgebildet ist. Das Bauteil bildet gemeinsam mit dem kolbenbodenseitigen Teil des Kolbengrundkörpers einen ringförmigen Kühlkanal, der von einer an den Kolbengrundkörper angeformten, umlaufenden Wand zur Nabenseite hin verschlossen wird. Hierbei wird das ringförmige Bauteil über jede seiner beiden Stirnseiten mit den Kolbengrundkörper verschweißt, was die Herstellung des aus dem Stand der Technik bekannten Kolbens sehr zeit- und arbeitsaufwendig gestaltet.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, den Herstellungsprozess eines mit einem Kühlkanal ausgestatteten Kolbens zu vereinfachen, zu beschleunigen und damit zu verbilligen.
  • Gelöst wird das Problem mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruches. Hierbei ergibt sich eine schnell und einfach herstellbare Schraubverbindung zwischen einem Kolbengrundkörper und einem Ringelement, die durch die mechanische Spannung, unter die ein elastisch ausgebildeter Vorsprung das Ringelement setzt, große Festigkeit erhält.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1
    ein Schnittbild eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor bestehend aus zwei Hälften, die zwei um 90° versetzte Längsschnitte des Kolbens dar- stellen,
    Fig. 2
    einen Querschnitt des Kolbens entlang der Linie A-A in Fig. 1 und
    Fig. 3
    eine Ausgestaltung der unteren Stirnfläche eines mit dem Kolbengrund- körper verschraubten Ringelementes.
  • Fig. 1 zeigt einen Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor in einem Schnittbild, das aus zwei Hälften besteht, von denen die linke Hälfte einen Schnitt des Kolbens 1 entlang einer Längsachse 2 einer Nabenbohrung 3 und die rechte Hälfte einen um 90° dazu versetzten Längsschnitt des Kolbens 1 darstellt. Der Kolben 1 besteht aus einem Kolbengrundkörper 4, mit dem über ein kolbenbodenseitiges Gewinde 5 ein Ringelement 6 verschraubt ist, das einen Feuersteg 7 und eine Ringpartie 8 des Kolbens 1 trägt. Der Kolbengrundkörper 4 und das Ringelement 6 sind aus Stahl hergestellt.
  • Der Kolbengrundkörper 4 ist einstückig ausgebildet und weist im Bereich des Kolbenbodens 9 eine Verbrennungsmulde 10 auf. Über je eine Nabenabstützung 11, 11' sind an den Kolbenboden 9 zwei Bolzennaben 12, 12' mit je einer Nabenbohrung 3, 3' angeformt, deren Stirnflächen 16 gegenüber dem Ringelement 6 in Richtung Kolbenlängsachse 17 zurückgesetzt angeordnet sind. Die Bolzennaben 12, 12' sind über Schaftelemente 13, 13' miteinander verbunden. Zwischen den Schaftelementen 13, 13' und dem das Ringelement 6 tragenden, oberen Bereich des Kolbens 1 weist der Kolbengrundkörper 4 Ausnehmungen 18 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich der Schaftelemente 13, 13' des Kolbengrundkörpers 4 teilweise umlaufend angeordnet sind. Als Träger des Ringelementes 6 kann auch ein Kolbengrundkörper 4 verwendet werden, bei dem die Stirnflächen 16 der Bolzennaben 12, 12' gegenüber der Ringpartie 8 nicht zurückgesetzt angeordnet sind. Hierbei ist die Ausnehmung 18 über den gesamten Umfang des Kolbens teils zwischen den Schaftelementen 13, 13' und dem Ringelement 6 und teils zwischen den Bolzennaben 12, 12' und dem Ringelement 6 umlaufend angeordnet.
  • Der Kolbengrundkörper 4 bildet im Bereich des Kolbenbodens 9 gemeinsam mit dem Ringelement 6 einen ringförmigen Kühlkanal 14, der teils in den Kolbengrundkörper 4 und teils in das Ringelement 6 eingearbeitet ist. In Richtung Bolzennabe 12 wird der Kühlkanal 14 von einem Vorsprung 15 des Kolbengrundkörpers 4 abgedeckt, der tellerfederartig ausgebildet ist und ausgehend vom Kolbengrundkörper 4 in Richtung Kolbenboden 9 geneigt angeordnet ist. Zu erkennen ist in Fig. 1 auch eine Ablauföffnung 20 des Kühlkanals 14.
  • Fig. 2 stellt einen Schnitt quer durch den Kolben 1 entlang der Linie A-A in Fig. 1 dar, in dem die den Bolzennaben 12, 12' zugewandte Seite des Kolbenbodens 9 in Unteransicht zu sehen ist. Fig. 2 zeigt eine Zulauföffnung 19 und die Ablauföffnung 20 des bei der gewählten Darstellungsform nicht erkennbaren Kühlkanals 14 für zum Kühlen des Kolbens 1 vorgesehene Kühlflüssigkeit. Schraffiert sind die Schaftelementen 13, 13' und die damit verbundenen Bolzennaben 12, 12' dargestellt. Zu erkennen sind in Fig. 2 zudem der Vorsprung 15, der im Bereich der zurückgesetzten Stirnflächen 16 der Bolzennaben 12, 12' in Unteransicht sichtbar ist, und die untere Stirnfläche 21 des Ringelementes 6.
  • Bei der Herstellung des Kolbens 1 kann zum Zweck der verbesserten Abdichtung der Schraubverbindung zunächst das Gewinde 5 mit einem keramischen Dichtstoff versehen werden, bevor das Ringelement 6 über das Gewinde 5 auf den vorgefertigten Kolbengrundkörper 4 geschraubt wird. Hierbei kommt die untere Stirnfläche 21 des Ringelementes 6 in Kontakt mit der Oberfläche 25 des Vorsprunges 15, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel eben, d.h., plateauartig ausgebildet ist, die aber auch dach-, bzw. tellerförmig ausgebildet sein kann oder eine ballige Form haben kann. Der Vorsprung 15 ist so dünnwandig ausgebildet, dass er beim Aufschrauben des Ringelementes 6 elastisch nachgibt, wenn dieses einen Druck auf den Vorsprung 15 ausübt. Nach dem Aufschrauben des Ringelementes 6 setzt der Vorsprung 15 das Ringelement 6 somit unter mechanische Spannung, die zur Verbesserung der Festigkeit der Schraubverbindung zwischen dem Ringelement 6 und dem bodenseitigen Bereich des Kolbengrundkörpers 4 beiträgt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Fig. 3 die untere Stirnfläche 21 des Ringelementes 6 mit einer Ausnehmung 24 versehen, die auf ihrer Innenseite eine radial ausgerichtete Fläche 22 und daran anschließend auf ihrer Außenseite eine axial ausgerichtete Fläche 23 aufweist. Hierbei ist die axial liegende Fläche 23 in die untere Stirnfläche 21 des Ringelementes 6 in radialer Richtung soweit eingedreht, dass sich, wie in Fig. 3 dargestellt ist, zwischen einer axial ausgerichteten, äußeren, oberen Begrenzungsfläche 26 des Vorsprunges 15 und der axial ausgerichteten Fläche 23 der Ausnehmung 24 ein Radialspiel 27 ergibt, wenn beim Aufschrauben des Ringelementes 6 auf den Kolben 1 die radial ausgerichtete Fläche 22 der unteren Stirnfläche 21 des Ringelementes 6 in ersten Kontakt mit der Oberfläche 25 des Vorsprunges 15 kommt. Die radiale Weite dieses Radialspieles beträgt hierbei zwischen 0 µm und 300 µm.
  • Die elastische Nachgiebigkeit des Vorsprunges 15 führt bei weitergehendem Aufschrauben des Ringelementes 6 dazu, dass sich der obere Bereich des Vorsprunges 15 so lange in Richtung des Pfeiles 28 bewegt, bis die äußere Begrenzungsfläche 26 des Vorsprunges 15 an die axial ausgerichtete Fläche 23 der Ausnehmung 24 in Anschlag kommt. Dies trägt zu einer Verbesserung der Festigkeit der Schraubverbindung und der Steifigkeit des oberen Kolbenbereiches bei.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kolben
    2
    Längsachse der Nabenbohrungen
    3
    Nabenbohrung
    4
    Kolbengrundkörper
    5
    Gewinde
    6
    Ringelement
    7
    Feuersteg
    8
    Ringpartie
    9
    Kolbenboden
    10
    Verbrennungsmulde
    11, 11'
    Nabenabstützungen
    12, 12'
    Bolzennaben
    13, 13'
    Schaftelement
    14
    Kühlkanal
    15
    Vorsprung
    16
    Stirnfläche
    17
    Kolbenlängsachse
    18
    Ausnehmung
    19
    Zulauföffnung
    20
    Ablauföffnung
    21
    untere Stirnfläche des Ringelementes 6
    22
    radial ausgerichtete Fläche der Ausnehmung 24
    23
    axial ausgerichtete Fläche der Ausnehmung 24
    24
    Ausnehmung
    25
    Oberfläche des Vorsprunges 15
    26
    äußere, obere Begrenzungsfläche des Vorsprunges 15
    27
    Radialspiel
    28
    Pfeil

Claims (2)

  1. Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor
    - mit einem Kolbengrundkörper (4) aus geschmiedetem Stahl, der zwei über je eine Nabenabstützung (11, 11') mit dem Kolbenboden (9) verbundene Bolzennaben (12, 12') aufweist, die über zwei am Kolbenboden (9) angeformte Schaftelemente (13, 13') miteinander verbunden sind, und
    - mit einem Ringelement (6), das den radial außen liegenden Teil des Kolbenbodens (9), den Feuersteg (7), zumindest einen Teil der Ringpartie (8) und mit dem Kolbengrundkörper (4) einen ringförmigen Kühlkanal (14) bildet,
    wobei die außen liegenden Stirnflächen (16) der Bolzennaben (12, 12') gegenüber der Mantelfläche des Kolbenzylinders insoweit zurückgesetzt sind und zwischen den Schaftelementen (13, 13') und dem das Ringelement (6) tragenden, oberen Bereich des Kolbens (1) Ausnehmungen (18) derart eingeformt sind, dass sich ein umlaufender Vorsprung (15) ergibt, der gemeinsam mit dem Ringelement (6) eine radial äußere und axial untere Begrenzung des Kühlkanals (14) bildet,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass das Ringelement (6) mit dem Kolbengrundkörper (4) verschraubt ist, und
    - dass der Vorsprung (15) in Form eines elastisch nachgiebigen Tragrings, bzw. einer Tellerfeder ausgebildet ist, die beim Aufschrauben des Ringelementes (6) verformbar ist.
  2. Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Bolzennaben (12, 12') zugewandte Stirnfläche (21) des Ringelementes (6) eine nach innen gerichtete Ausnehmung (24) mit einer inneren, radial ausgerichteten Fläche (22) und einer sich daran anschließenden, axial in Richtung der Bolzennaben (12, 12') ausgerichteten Fläche (23) aufweist, und dass dem Kolbenboden (9) zugewandte Begrenzungsflächen (25, 26) des Vorsprunges (15) nach dem Aufschrauben des Ringelementes (6) an den Flächen (22, 23) der Ausnehmung (24) anliegen.
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EP1642017A1 EP1642017A1 (de) 2006-04-05
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EP (1) EP1642017B1 (de)
JP (1) JP4365409B2 (de)
KR (1) KR101142238B1 (de)
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BR (1) BRPI0411090B1 (de)
DE (1) DE10325914B4 (de)
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