EP2011986A2 - Einteiliger Kühlkanalkolben mit zwei miteinander verschraubten Kolbenteilen - Google Patents

Einteiliger Kühlkanalkolben mit zwei miteinander verschraubten Kolbenteilen Download PDF

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EP2011986A2
EP2011986A2 EP08008004A EP08008004A EP2011986A2 EP 2011986 A2 EP2011986 A2 EP 2011986A2 EP 08008004 A EP08008004 A EP 08008004A EP 08008004 A EP08008004 A EP 08008004A EP 2011986 A2 EP2011986 A2 EP 2011986A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
skirt part
inner shaft
piston skirt
region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08008004A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2011986A3 (de
Inventor
Volker Gniesmer
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KS Kolbenschmidt GmbH filed Critical KS Kolbenschmidt GmbH
Publication of EP2011986A2 publication Critical patent/EP2011986A2/de
Publication of EP2011986A3 publication Critical patent/EP2011986A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/0023—Multi-part pistons the parts being bolted or screwed together
    • 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 
    • F02F3/16—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

Definitions

  • the invention relates to a piston of an internal combustion engine, comprising a piston head forming a first and a second piston member forming a piston shaft, wherein the first piston member has a downwardly open free space behind a ring field and the two matched piston components form the one - piece piston, according to the features of Preamble of claim 1.
  • Such pistons are known in the art. Basically, the production of a cooling channel piston of two parts, which are joined together inextricably, the advantage that the free space lying behind the ring field of the assembly is easily accessible and the free area, which later forms the cooling channel of the cooling channel piston, in terms of its geometry such as height and Width can be introduced by machining in the desired geometry. Subsequently, the joining of the two piston components, for example by means of a welding process, as it is the friction welding process. Before or after the joining of the two piston components, the downwardly open open area is still closed and at least one inlet and at least one drain opening are introduced in order to realize the cooling channel.
  • cooling channel piston already has improved strength values, so that it is suitable for the realization of the required combustion pressures and combustion temperatures.
  • the supports of the two piston components against each other are still not optimal, so that it still comes to deformations of the piston during operation in the internal combustion engine, which limit the allowable combustion pressures and temperatures, so that the desired pollutant emissions and fuel consumption for the operation of the internal combustion engine is not realized can be.
  • the invention is therefore based on the object to provide a finished one-piece cooling channel piston of an internal combustion engine, which has increased strength values over known cooling channel pistons and which can be manufactured without much effort and mounted from at least two parts.
  • the piston main part which has the piston crown in its upper region (always relative to the piston stroke axis), can be made of steel in a forging process in the desired geometry.
  • steel or a corresponding alloy is a cost-effective material with the required material properties, wherein a material structure is achieved by the forging process, which has compared to a casting process significantly higher strength values.
  • the inner shaft part arranged below the piston crown has a diameter recessed relative to the outer diameter in the area of the annular field, the region into which the clearance is to be machined is very easily accessible from below the piston crown, so that the clearance which later becomes the cooling channel forms, in the desired geometry, in particular width and depth, can be introduced, since it is very accessible.
  • the cylindrical piston skirt part is produced, the outer diameter of which corresponds approximately to the outer diameter in the region of the cattle field of the piston main part.
  • the finished piston is supported completely or at least partially during operation in the cylinder of the internal combustion engine on the cylinder surfaces. So that the piston skirt part can be arranged on the piston main part, this is arranged coaxially over the inner shaft part of the piston main part.
  • the inner shaft part is provided with an external thread and the piston skirt part in the associated area after assembly arranged internal thread, wherein the threads form a screw of the piston body and piston skirt part, when the piston skirt part was screwed onto the inner shaft part.
  • the threads can be provided in the circumferential direction viewed continuously or interrupted from each other.
  • the external thread of the inner shaft part can be present next to the bolt holes (and thus in sections), while the Internal thread of the piston skirt part seen in the radial circumference is completely continuous.
  • the free area is covered with a closure element, the piston skirt part fixing the closure element on the piston main part after the piston skirt part has been screwed onto the inner shaft part.
  • This can, but need not be additional joining measures with which the closure element is fixed to the piston body or the piston skirt part, be present.
  • FIGS. 1 and 2 are shown a total of four different embodiments of a cooling channel piston of an internal combustion engine, which initially have the basic structure described below.
  • a piston body 1 made of forged steel with a one- or multi-part closure element 2 is followed by a piston skirt part 3, wherein in the FIGS. 1 and 2 in each case, to the right and left of a piston stroke axis 4, the sections through the various exemplary embodiments of the cooling channel piston are shown, which are described below. It should also be noted that, although in the figures only in each case to the left or right of the piston stroke axis 4, a section is partially shown, the entire cooling channel piston is largely formed symmetrically according to the section.
  • FIG. 1 left of the piston stroke axis 4, shows the nearly finished cooling channel piston with piston main part 1, closure element 2 and piston skirt part 3.
  • the piston body 1 has a ring field 11 with unspecified annular grooves, this region 11 is also referred to as the piston head. Furthermore, but not necessarily, a combustion chamber trough 12 may be present, wherein a clearance 13 has been introduced with the production of the piston main part 1 radially behind the ring field 11. If this free area 13 has been closed by the closure element 2 and at least one inlet and at least one drain opening have been introduced into the closure element 2 and / or into the piston main part 1, this free area 13 forms a cooling channel. Looking at the FIG. 1 facing down is an inner shaft member 14 is present, the outer diameter is reset relative to the outer diameter in the region of the ring field 11. This inner shaft part 14, which is attached downward to the piston crown, has a bolt bore 15 in a piston hub 16.
  • FIG. 1 Left view, showndekanalkolbens, is the following:
  • This can be done for example by punctual or circumferential welding.
  • a combustion bowl trough 5 or combustion chamber floor, if no combustion bowl is present
  • the closure element 2 comes with its radially outwardly facing circumferential edge on the inside of the free area 13 on the side of the ring field 11 to the plant, so there is formed a further investment point A2.
  • the closure element 2 can be attached only at the contact point A1 or only at the contact point A2 or at both contact points A1, A2, with the same or different joining methods.
  • the inner shaft part 14 Approximately at the level of the pin bore 15, the inner shaft part 14 has an external thread, wherein the piston skirt part 3 has an associated internal thread. These threads, which form a screw V1 in the assembled state, are shown in dashed lines.
  • This abovementioned installation is marked as Annex A3.
  • Annex A3 it can come after the screwing to a press fit between the upper edge of the piston skirt part 3 and the lower edge of the ring field 11 in the region of the contact point A3.
  • a screw V2 may be provided in this area, wherein the downward projection on the lower edge of the ring field 11 has an external thread and the upper inwardly facing portion of the piston skirt part 3 has an internal thread, so that with screwing the piston skirt part 3 also the inner shaft part 14, the two areas of the screw V1 and V2 are screwed together.
  • both threads (each individually) must preferably be introduced in the same processing step, since otherwise the two regions V1, V2 may not match.
  • the externally accessible attachment point A3 can additionally or alternatively also be joined (in particular soldered or welded).
  • the second, in FIG. 1 , right, illustrated embodiment differs from the first embodiment in that the piston skirt part 3, more precisely its upper edge, the closure element in the region of the abutment point A2 on the piston main part 1, more precisely at the lower edge of the ring field 11, determines after the piston skirt part 3 on the inner shaft member 14 has been screwed.
  • the inner shaft member 14 also has a skirt wall portion (preferably with continuous thread).
  • Embodiment shown to the left of the Kolbenhubachse 4 is characterized in that the closure element 2 is added in the region of the first abutment point A1 to the piston main body 1 in the manner already described (alternatively or additionally also at the abutment point A2), while the outward pointing outer circumferential edge of the closure element 2 at an L-shaped shoulder on the ring field 11, which faces down, comes to rest and there by pressing a likewise with a Paragraph provided upper edge of the piston skirt part 3 is fixed.
  • the closure element 2 is pressed against the lower edge of the ring field 11, thereby achieving a very good stiffening with simultaneous tightness of the free area 13.
  • the closure element 2 is formed by a projection 17 on the piston body 1.
  • the piston main body 1 including the part forming the annular field 11
  • the closure member 2 are integrally formed.
  • a corresponding extension is formed, which forms the closure element.
  • the piston main part 1 and the piston skirt part 3 in the region of a joint 6 are separated from each other before assembly, wherein after screwing the piston skirt part 3 on the inner shaft portion 14 of the piston main body 1, the two involved piston components in the area the connection point 6 (or 6 ') come to press-fit to the plant.
  • the two involved piston components in the area the connection point 6 (or 6 ') come to press-fit to the plant.
  • the part of the piston main part 1, which forms the ring field 11 is a separate part and the connection point 6 'joined (preferably welded) is.
  • FIGS. 1 and 2 is as a means of security against rotation schematically indicated a dowel pin 18.
  • a dowel pin 18 After the piston skirt part 3 has been screwed onto the inner shaft part 14, at least one bore, which extends over the piston skirt part 3 and the inner shaft part 14, is introduced at a suitable point. Subsequently, the dowel pin 18 is inserted into this bore captive (eg due to a spring effect, a weld, a bond, a press fit or the like).
  • FIGS. 1 and 2 are shown in the Figures 3 and 4 a cross section through the common parts of the cooling channel piston according to the embodiments, as shown in the FIGS. 1 and 2 shown are shown. Recognizable is the piston skirt part 3, through which a pin axis 7 runs. Also shown are the screw connections V1, with which the piston skirt part 3 is screwed onto the piston main part 1, more precisely onto the inner shaft part 14.
  • the closure element 2 is preferably in two parts and consists of two mutually different parts or two equal halves. But more than two parts can also be considered, however, a simpler installation and stability in a two-part closure element 2 is given.
  • This has the advantage that it can be mounted independently of the diameter of the piston main part 1 or the piston skirt part 3 or the outer diameter of the inner shaft part 14. However, if the diameter ratios are such that it is possible, for example, to move a one-piece closure element 2 over the inner shaft part 14 in order to close the free area 13, a one-piece closure element 2 can also be used.
  • a one-piece closure element 2 in such a design can be thought of as having a separation point in its radial course, so that it can be expanded to achieve a diameter with which it moves, for example, over the inner shaft part 14 or also the piston main part 1 and then can be deformed back to its original diameter to close the free area 13.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine, aufweisend ein erstes einen Kolbenboden bildendes und ein zweites einen Kolbenschaft bildendes Kolbenbauteil, wobei das erste Kolbenbauteil einen hinter einem Ringfeld liegenden nach unten offenen Freibereich aufweist und die beiden zusammengebrachten Kolbenbauteile den einteiligen Kolben bilden, der dadurch gekennzeichnet ist, dass
- das erste Kolbenbauteil als Kolbenhauptteil (1) mit einem Ringfeld (11) und dem hinter dem Ringfeld (11) angeordneten Freibereich (13) sowie einem darunter angeordneten Innenschaftteil (14), dessen Durchmesser gegenüber dem Außendurchmesser im Bereich des Ringfeldes (11) zurückgesetzt ist, das eine Bolzenbohrung (15) in einer Kolbennabe (16) aufweist, ausgebildet ist,
- das zweite Kolbenbauteil als ein zylindrisches Kolbenschaftteil (3), dessen Außendurchmesser dem Außendurchmesser im Bereich des Ringfeldes (11) entspricht, ausgebildet ist,
- das Kolbenschaftteil (3) koaxial über dem Innenschaftteil (14) angeordnet ist,
- das Innenschaftteil (14) ein Außengewinde und das Kolbenschaftteil (3) im zugehörigen Bereich ein Innengewinde aufweist, wobei die Gewinde eine Verschraubung bilden, wenn das Kolbenschaftteil (3) auf das Innenschaftteil (14) aufgeschraubt wurde,
- zumindest ein ein- oder mehrteiliges Verschlusselement (2) vorgesehen ist, mit dem der Freibereich (13) verschlossen ist, bevor oder nachdem das Kolbenschaftteil (3) auf das Innenschaftteil (14) aufgeschraubt wurde, insbesondere wobei das Kolbenschaftteil (3) das Verschlusselement (2) an dem Kolbenhauptteil (1) festlegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine, aufweisend ein erstes einen Kolbenboden bildendes und ein zweites einen Kolbenschaft bildendes Kolbenbauteil, wobei das erste Kolbenbauteil einen hinter einem Ringfeld liegenden nach unten offenen Freibereich aufweist und die beiden zusammengebrachten Kolbenbauteile den einteiligen Kolben bilden, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
  • Solche Kolben sind im Stand der Technik bekannt. Grundsätzlich hat die Herstellung eines Kühlkanalkolbens aus zwei Teilen, die unlösbar miteinander zusammengefügt werden, den Vorteil, dass der hinter dem Ringfeld liegende Freibereich von dem Zusammenfügen gut zugänglich ist und der Freibereich, der später den Kühlkanal des Kühlkanalkolbens bildet, hinsichtlich seiner Geometrie wie Höhe und Breite durch spanabhebende Bearbeitung in der gewünschten Geometrie eingebracht werden kann. Anschließend erfolgt das Zusammenfügen der beiden Kolbenbauteile, beispielsweise mittels eines Schweißverfahrens, wie es das Reibschweißverfahren darstellt. Vor oder nach dem Zusammenfügen der beider Kolbenbauteile wird der nach unten offene Freibereich noch verschlossen und zumindest eine Zulauf- und zumindest eine Ablauföffnung eingebracht, um den Kühlkanal zu realisieren.
  • Ein solcher Kühlkanalkolben weist zwar schon verbesserte Festigkeitswerte auf, sodass er zur Realisierung der erforderlichen Verbrennungsdrücke und Verbrennungstemperaturen geeignet ist. Allerdings sind die Abstützungen der beiden Kolbenbauteile gegeneinander noch nicht optimal, sodass es nach wie vor zu Verformungen des Kolbens während des Betriebes in der Brennkraftmaschine kommt, die die zulässigen Verbrennungsdrücke und Temperaturen begrenzen, sodass die gewünschten Schadstoffemissionen und Verbrauchswerte für den Betrieb der Brennkraftmaschine nicht realisiert werden können.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen fertigen einteiligen Kühlkanalkolben einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, der gegenüber bekannten Kühlkanalkolben erhöhte Festigkeitswerte aufweist und der ohne großen Aufwand hergestellt und aus zumindest zwei Teilen montiert werden kann.
  • Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
    • das erste Kolbenbauteil als Kolbenhauptteil mit einem Ringfeld und dem hinter dem Ringfeld angeordneten Freibereich sowie einem darunter angeordneten Innenschaftteil, dessen Durchmesser gegenüber dem Außendurchmesser im Bereich des Ringfeldes zurückgesetzt ist, dass eine Bolzenbohrung in einer Kolbennabe aufweist, ausgebildet ist,
    • das zweite Kolbenbauteil als ein zylindrisches Kolbenschaftteil, dessen Außendurchmesser dem Außendurchmesser im Bereich des Ringfeldes entspricht, ausgebildet ist,
    • das Kolbenschaftteil koaxial über dem Innenschaftteil angeordnet ist,
    • das Innenschaftteil ein Außengewinde und das Kolbenschaftteil im zugehörigen Bereich ein Innengewinde aufweist, wobei die Gewinde eine Verschraubung bilden, wenn das Kolbenschaftteil auf das Innenschaftteil aufgeschraubt wurde,
    • zumindest ein Verschlusselement vorgesehen ist, mit dem der Freibereich verschlossen ist, bevor oder nachdem das Kolbenschaftteil auf das Innenschaftteil aufgeschraubt wurde, insbesondere wobei das Kolbenschaftteil das Verschlusselement an dem Kolbenhauptteil festlegt.
  • Die Kombination der vorstehend genannten Merkmale hat dabei folgende Vorteile. Das Kolbenhauptteil, das in seinem oberen Bereich (immer bezogen auf die Kolbenhubachse) den Kolbenboden aufweist, kann aus Stahl in einem Schmiedeverfahren in der gewünschten Geometrie gefertigt werden. Dabei ist Stahl oder eine entsprechende Legierung ein kostengünstiger Werkstoff mit den erforderlichen Werkstoffeigenschaften, wobei durch das Schmiedeverfahren ein Werkstoffgefüge erzielt wird, das gegenüber einem Gießverfahren deutlich höhere Festigkeitswerte aufweist. Da das unterhalb des Kolbenbodens angeordnete Innenschaftteil einen gegenüber dem Außendurchmesser im Bereich des Ringfeldes zurückgesetzten Durchmesser aufweist, ist von unterhalb des Kolbenbodens derjenige Bereich, in den der Freibereich durch spanabhebende Bearbeitung eingebracht werden soll, sehr gut zugänglich, sodass der Freibereich, der später den Kühlkanal bildet, in der gewünschten Geometrie, insbesondere Breite und Tiefe, eingebracht werden kann, da er sehr gut zugänglich ist.
  • Unabhängig von dem Kolbenhauptteil wird das zylindrische Kolbenschaftteil gefertigt, dessen Außendurchmesser in etwa dem Außendurchmesser im Bereich des Rindfeldes des Kolbenhauptteiles entspricht. Mit diesem zylindrischen Kolbenschaftteil stützt sich der fertige Kolben vollständig oder zumindest teilweise während des Betriebes im Zylinder der Brennkraftmaschine an den Zylinderlaufflächen ab. Damit das Kolbenschaftteil an dem Kolbenhauptteil angeordnet werden kann, wird dieses koaxial über dem Innenschaftteil des Kolbenhauptteiles angeordnet.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass das Innenschaftteil mit einem Außengewinde und das Kolbenschaftteil im nach der Montage zugehörigen Bereich angeordneten Innengewinde versehen wird, wobei die Gewinde eine Verschraubung von Kolbenhauptteil und Kolbenschaftteil bilden, wenn das Kolbenschaftteil auf das Innenschaftteil aufgeschraubt wurde. Die Gewinde können in Umfangsrichtung gesehen durchgehend oder voneinander unterbrochen vorgesehen sein. So können beispielsweise das Außengewinde des Innenschaftteiles neben den Bolzenbohrungen vorhanden sein (und somit abschnittsweise), während das Innengewinde des Kolbenschaftteiles im radialen Umfang gesehen vollständig durchgehend ist.
  • Schließlich ist noch erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Freibereich mit einem Verschlusselement abgedeckt wird, wobei das Kolbenschaftteil das Verschlusselement an dem Kolbenhauptteil festlegt, nachdem das Kolbenschaftteil auf das Innenschaftteil aufgeschraubt wurde. Dadurch können, müssen aber nicht zusätzliche Fügemaßnahmen, mit denen das Verschlusselement an dem Kolbenhauptteil oder dem Kolbenschaftteil festgelegt wird, vorhanden sein.
  • Aufgrund der vorstehend genannten Geometrien des Kolbens lässt sich dieser aus zwei Kolbenbauteilen herstellen, die separat voneinander hinsichtlich ihrer erforderlichen Geometrien optimal gefertigt werden können. Das Zusammenfügen der beiden separat voneinander gefertigten Kolbenbauteile kann durch einen Schraubvorgang schnell und unkompliziert erfolgen, sodass aufwendige Schweißverfahren entfallen können. Dadurch ist bei der Serienproduktion solcher Kolben auch eine hohe Energieeinsparung gegeben.
  • Um einen betriebsfertigen Kühlkanalkolben zu realisieren ist es noch erforderlich, dass die beiden Bauteile so miteinander verbunden werden, dass eine Relativbewegung zwischen ihnen während des Betriebes in der Brennkraftmaschine nicht mehr gegeben ist. Das bedeutet, dass die beiden miteinander verschraubten Kolbenbauteile gegen nachträgliches Lösen mittels einer entsprechenden Verdrehsicherung zu sichern sind, was beispielsweise durch gegenseitiges Anschweißen, durch Passstifte, durch Verkleben oder über eine Bolzensicherung erfolgen kann, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist.
  • Verschiedene Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Kolben für Brennkraftmaschinen, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, sind im Folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1:
    ein erstes und ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    Figur 2:
    ein drittes und ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    Figuren 3 und 4:
    Querschnitte durch zwei der Ausführungsbeispiele.
  • In den Figuren 1 und 2 sind insgesamt vier verschiedene Ausführungsbeispiele eines Kühlkanalkolbens einer Brennkraftmaschine gezeigt, die zunächst den im Folgenden beschriebenen Grundaufbau aufweisen.
  • Ein Kolbenhauptteil 1 aus geschmiedeten Stahl mit einem ein- oder mehrteiligen Verschlusselement 2 schließt sich ein Kolbenschaftteil 3 an, wobei in den Figuren 1 und 2 jeweils rechts und links von einer Kolbenhubachse 4 die Schnitte durch die verschiedenen Ausführungsbeispiele des Kühlkanalkolbens dargestellt sind, die im Folgenden beschrieben werden. Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass, obwohl in den Figuren nur jeweils links oder rechts von der Kolbenhubachse 4 ein Schnitt teilweise dargestellt ist, der gesamte Kühlkanalkolben weitestgehend dem Schnitt entsprechend symmetrisch ausgebildet ist.
  • Figur 1, links von der Kolbenhubachse 4, zeigt den nahezu fertigen Kühlkanalkolben mit Kolbenhauptteil 1, Verschlusselement 2 sowie Kolbenschaftteil 3.
  • Das Kolbenhauptteil 1 weist ein Ringfeld 11 mit nicht näher bezeichneten Ringnuten auf, wobei dieser Bereich 11 auch als Kolbenboden bezeichnet wird. Weiterhin kann, muss aber nicht, eine Brennraummulde 12 vorhanden sein, wobei radial umlaufend hinter dem Ringfeld 11 ein Freibereich 13 mit der Herstellung des Kolbenhauptteiles 1 eingebracht worden ist. Wenn dieser Freibereich 13 von dem Verschlusselement 2 verschlossen wurde und zumindest eine Zulauf- und zumindest eine Ablauföffnung in das Verschlusselement 2 und/oder in das Kolbenhauptteil 1 eingebracht worden sind, bildet dieser Freibereich 13 einen Kühlkanal. Bei Betrachtung der Figur 1 nach unten weisend ist ein Innenschaftteil 14 vorhanden, dessen Außendurchmesser gegenüber dem Außendurchmesser im Bereich des Ringfeldes 11 zurückgesetzt ist. Dieses nach unten an den Kolbenboden angehangene Innenschaftteil 14 weist eine Bolzenbohrung 15 in einer Kolbennabe 16 auf.
  • Der Herstellungs- und Montageprozess des in Figur 1, linke Darstellung, gezeigten Kühlkanalkolbens, ist dabei der Folgende:
  • Nachdem das Kolbenhauptteil 1 mit seinen entsprechenden Geometrien, insbesondere dem Innenschaftteil 14 und separat davon das Kolbenschaftteil 3 hergestellt worden sind, wird das einteilige, in diesem Fall zumindest das zweiteilige Verschlusselement 2 (zwei gleiche oder voneinander verschiedene Teile) an dem Kolbenhauptteil 1 an einer Anlagestelle A1 angefügt. Dies kann beispielsweise durch punkt- oder umlaufendes Schweißen erfolgen. Zur Erzielung des größtmöglichen Kühlkanalvolumens wird dazu das Verschlusselement an der tiefsten Stelle eines Brennraummuldenbodens 5 (bzw. Brennraumboden, falls keine Brennraummulde vorhanden ist) angefügt. Dabei kommt das Verschlusselement 2 mit seiner radial nach außen weisenden umlaufenden Kante an der Innenseite des Freibereiches 13 auf der Seite des Ringfeldes 11 zur Anlage, sodass dort eine weitere Anlagestelle A2 gebildet ist. Für eine bessere Anlage ist in diesem Bereich der Anlagestelle A2 etwa unterhalb der dritten Ringnut ein Absatz vorhanden, der mit Einbringung des Freibereiches 13 ebenfalls durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden kann. Somit kann das Verschlusselement 2 nur an der Anlagestelle A1 oder nur an der Anlagestelle A2 oder an beiden Anlagestellen A1, A2 angefügt sein, mit gleichen oder unterschiedlichen Fügeverfahren.
  • Etwa auf Höhe der Bolzenbohrung 15 weist das Innenschaftteil 14 ein Außengewinde auf, wobei auch das Kolbenschaftteil 3 ein zugehöriges Innengewinde aufweist. Diese Gewinde, die im montierten Zustand eine Verschraubung V1 bilden, sind gestrichelt dargestellt. Dabei wird das separate Kolbenschaftteil 3 von (bei Betrachtung der Figur 1) unten über die Verschraubung V1 auf das Innenschaftteil 14 aufgeschraubt und der Schraubvorgang so lange durchgeführt, bis die Oberkante des Kolbenschaftteiles 3 an der zugehörigen Unterkante des Ringfeldes 11 zur Anlage kommt. Diese vorstehend genannte Anlage ist als Anlagestelle A3 gekennzeichnet. Hier kann es nach dem Schraubvorgang zu einer Presspassung zwischen der Oberkante des Kolbenschaftteiles 3 und der Unterkante des Ringfeldes 11 im Bereich der Anlagestelle A3 kommen. Ergänzend oder alternativ dazu kann in diesem Bereich auch eine Verschraubung V2 vorgesehen sein, wobei der nach unten stehende Fortsatz an der Unterkante des Ringfeldes 11 ein Außengewinde und der obere nach innen weisende Bereich des Kolbenschaftteiles 3 ein Innengewinde aufweist, sodass mit Aufschrauben des Kolbenschaftteiles 3 auch das Innenschaftteil 14 die beiden Bereiche der Verschraubung V1 und V2 miteinander verschraubt werden. Dadurch ist eine sehr steife Abstützung des Ringfeldes 11 an dem Kolbenschaftteil 3 bzw. umgekehrt gegeben. Für den Fall zweier Verschraubungen V1 und V2 müssen beide Gewinde (jedes für sich) vorzugsweise im gleichen Bearbeitungsschritt eingebracht werden, da die beiden Bereiche V1, V2 ansonsten möglicherweise nicht zusammenpassen. Die von aussen zugängliche Anlagestelle A3 kann ergänzend oder alternativ auch gefügt (insbesondere verlötet oder verschweisst) werden.
  • Das zweite, in Figur 1, rechts, dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Kolbenschaftteil 3, genauer gesagt dessen Oberkante, das Verschlusselement im Bereich der Anlagestelle A2 an dem Kolbenhauptteil 1, genauer an der Unterkante des Ringfeldes 11, festlegt, nachdem das Kolbenschaftteil 3 auf das Innenschaftteil 14 aufgeschraubt wurde. Weiterhin hat bei diesem Ausführungsbeispiel das Innenschaftteil 14 ebenfalls einen Schaftwandabschnitt (mit vorzugsweise durchgängigem Gewinde).
  • Das weitere in Figur 2, links von der Kolbenhubachse 4 dargestellte Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement 2 im Bereich der ersten Anlagestelle A1 an dem Kolbenhauptteil 1 in der schon beschriebenen Art und Weise angefügt ist (alternativ oder ergänzend auch an der Anlagestelle A2), während die nach außen weisende äußere umlaufende Kante des Verschlusselementes 2 an einem L-förmigen Absatz an dem Ringfeld 11, der nach unten weist, zur Anlage kommt und dort durch Pressung einer ebenfalls mit einem Absatz versehenen Oberkante des Kolbenschaftteiles 3 festgelegt wird. Durch den nach oben weisenden Fortsatz des Kolbenschaftteiles 3 wird das Verschlusselement 2 an die Unterkante des Ringfeldes 11 gepresst und dadurch eine sehr gute Versteifung bei gleichzeitiger Dichtheit des Freibereiches 13 erzielt.
  • Bei dem vierten Ausführungsbeispiel, dass in Figur 2, rechts, dargestellt ist, wird das Verschlusselement 2 von einem Fortsatz 17 an dem Kolbenhauptteil 1 gebildet. Das bedeutet in diesem Fall, dass das Kolbenhauptteil 1 (einschließlich des Teiles, das das Ringfeld 11 bildet) und das Verschlusselement 2 einstückig ausgebildet sind. Alternativ oder ergänzend dazu ist es denkbar, dass auch an der Oberkante des Kolbenschaftteiles 3 ein entsprechender Fortsatz ausgebildet ist, der das Verschlusselement bildet. In diesem Fall sind das Kolbenhauptteil 1 und das Kolbenschaftteil 3 im Bereich einer Verbindungsstelle 6 (alternative Stelle ist 6' gekennzeichnet) vor der Montage voneinander getrennt, wobei nach dem Aufschrauben des Kolbenschaftteiles 3 an dem Innenschaftteil 14 des Kolbenhauptteiles 1 die beiden beteiligten Kolbenbauteile im Bereich der Verbindungsstelle 6 (bzw. 6') unter Presspassung zur Anlage kommen. Ergänzend dazu kann im Bereich dieser Verbindungsstelle 6 bzw. 6' auch gelötet, geschweißt oder geklebt werden. Es ist auch denkbar, dass das Teil des Kolbenhauptteiles 1, das das Ringfeld 11 bildet, ein separates Teil ist und die Verbindungsstelle 6' gefügt (vorzugsweise geschweisst) wird.
  • In den Figuren 1 und 2 ist als Mittel zur Verdrehsicherheit noch schematisch ein Passstift 18 angedeutet. Nachdem das Kolbenschaftteil 3 auf das Innenschaftteil 14 aufgeschraubt wurde, wird an geeigneter Stelle zumindest eine Bohrung eingebracht, die sich über das Kolbenschaftteil 3 und das Innenschaftteil 14 erstreckt. Anschließend wird der Passstift 18 in diese Bohrung unverlierbar (z.B. aufgrund einer Federwirkung, einer Verschweissung, einer Verklebung, einer Presspassung oder dergleichen) eingesetzt.
  • In den Figuren 3 und 4 ist ein Querschnitt durch die gemeinsamen Teile des Kühlkanalkolbens gemäß den Ausführungsbeispielen, wie sie in den Figuren 1 und 2 gezeigt sind, gezeigt. Erkennbar ist das Kolbenschaftteil 3, durch welches eine Bolzenachse 7 läuft. Ebenfalls gezeigt sind die Verschraubungen V1, mit denen das Kolbenschaftteil 3 auf das Kolbenhauptteil 1, genauer auf das Innenschaftteil 14, aufgeschraubt wird.
  • In Figur 4 ist schließlich gezeigt, dass das aufgeschraubte Kolbenschaftteil 3 noch mit einer Bolzenöffnung 8 versehen worden ist, damit die Bolzenbohrung 15 den Kolbenbolzen aufnehmen kann. Neben den auf jeden Fall vorhandenen Verschraubungen V1 sind hier noch die optional möglichen Verschraubungen V2 (siehe Figur 1, linke Darstellung) gezeigt.
  • Das Verschlusselement 2 ist vorzugsweise zweiteilig und besteht aus zwei voneinander verschiedenen Teilen oder zwei gleichen Hälften. Mehr als zwei Teile können aber auch in Betracht kommen, jedoch ist eine einfachere Montage und Stabilität bei einem zweiteiligen Verschlusselement 2 gegeben. Dies hat den Vorteil, dass es unabhängig von dem Durchmesser des Kolbenhauptteiles 1 bzw. des Kolbenschaftteiles 3 oder dem Außendurchmesser des Innenschaftteiles 14 montiert werden kann. Sind jedoch die Durchmesserverhältnisse derart, dass es beispielsweise möglich ist, ein einteiliges Verschlusselement 2 über das Innenschaftteil 14 zu bewegen, um den Freibereich 13 zu schließen, kann auch ein einteiliges Verschlusselement 2 zur Anwendung kommen. Außerdem kann an ein einteiliges Verschlusselement 2 in einer derartigen Ausführung gedacht werden, dass es in seinem radialen Verlauf eine Trennstelle aufweist, sodass es aufgeweitet werden kann, um einen Durchmesser zu erzielen, mit dem es beispielsweise über das Innenschaftteil 14 oder auch das Kolbenhauptteil 1 bewegt und anschließend wieder auf seinen ursprünglichen Durchmesser zurückverformt werden kann, um den Freibereich 13 zu schließen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kolbenhauptteil
    2
    Verschlusselement
    3
    Kolbenschaftteil
    4
    Kolbenhubachse
    5
    Brennraummuldenboden
    6
    Verbindungsstelle
    7
    Bolzenachse
    8
    Bolzenöffnung
    11
    Ringfeld
    12
    Brennraummulde
    13
    Freibereich
    14
    Innenschaftteil
    15
    Bolzenbohrung
    16
    Kolbennabe
    17
    Fortsatz
    18
    Passstift
    A1, A2, A3, A4, A5
    Anlagestelle
    V1, V2
    Verschraubung (Gewinde)

Claims (10)

  1. Kolben einer Brennkraftmaschine, aufweisend ein erstes einen Kolbenboden bildendes und ein zweites einen Kolbenschaft bildendes Kolbenbauteil, wobei das erste Kolbenbauteil einen hinter einem Ringfeld liegenden nach unten offenen Freibereich aufweist und die beiden zusammengebrachten Kolbenbauteile den einteiligen Kolben bilden, dadurch gekennzeichnet, dass
    - das erste Kolbenbauteil als Kolbenhauptteil (1) mit einem Ringfeld (11) und dem hinter dem Ringfeld (11) angeordneten Freibereich (13) sowie einem darunter angeordneten Innenschaftteil (14), dessen Durchmesser gegenüber dem Außendurchmesser im Bereich des Ringfeldes (11) zurückgesetzt ist, das eine Bolzenbohrung (15) in einer Kolbennabe (16) aufweist, ausgebildet ist,
    - das zweite Kolbenbauteil als ein zylindrisches Kolbenschaftteil (3), dessen Außendurchmesser dem Außendurchmesser im Bereich des Ringfeldes (11) entspricht, ausgebildet ist,
    - das Kolbenschaftteil (3) koaxial über dem Innenschaftteil (14) angeordnet ist,
    - das Innenschaftteil (14) ein Außengewinde und das Kolbenschaftteil (3) im zugehörigen Bereich ein Innengewinde aufweist, wobei die Gewinde eine Verschraubung bilden, wenn das Kolbenschaftteil (3) auf das Innenschaftteil (14) aufgeschraubt wurde,
    - zumindest ein Verschlusselement (2) vorgesehen ist, mit dem der Freibereich (13) verschlossen ist, bevor oder nachdem das Kolbenschaftteil (3) auf das Innenschaftteil (14) aufgeschraubt wurde, insbesondere wobei das Kolbenschaftteil (3) das Verschlusselement (2) an dem Kolbenhauptteil (1) festlegt.
  2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (2) an dem Kolbenhauptteil (1) oder an dem Kolbenschaftteil (3) angefügt ist, bevor das Kolbenschaftteil (3) auf das Innenschaftteil (14) aufgeschraubt wurde.
  3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (2) einteilig oder mehrteilig, vorzugsweise zweiteilig, ausgebildet ist.
  4. Kolben nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (2) von dem Kolbenhauptteil (1) und/oder dem Kolbenschaftteil (3) gebildet ist.
  5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Oberkante des Kolbenschaftteiles (3) ein Innengewinde und im Bereich der freien nach unten weisenden Unterkante des Ringfeldes (11) ein Außengewinde vorgesehen ist, die eine Verschraubung (V2) bilden, nachdem das Kolbenschaftteil (3) auf das Innenschaftteil (14) aufgeschraubt wurde.
  6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der freien nach unten weisenden Unterkante des Ringfeldes (11) zumindest ein Absatz vorgesehen ist, der eine Anlagestelle für die Oberkante des Kolbenschaftteiles (3) und/oder das Verschlusselement (2) bildet.
  7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben im Kolbenbodenbereich eine Verbindungsstelle (6, 6') aufweist, an der der nach oben weisende Endbereich des Kolbenschaftteiles (3) an dem Kolbenhauptteil (1) anliegt, nachdem das Kolbenschaftteil (3) auf das Innenschaftteil (14) aufgeschraubt wurde.
  8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Verdrehsicherung an dem Kolbenhauptteil (1) und/oder dem Kolbenschaftteil (3) vorgesehen sind, die eine Relativbewegung zwischen Kolbenhauptteil (1) und Kolbenschaftteil (3) verhindern, nachdem das Kolbenschaftteil (3) auf das Innenschaftteil (14) aufgeschraubt wurde.
  9. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenschaftteil (3) zumindest eine Bolzenöffnung (8), vorzugsweise zwei symmetrisch angeordnete Bolzenöffnungen (8), aufweist.
  10. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenhauptteil (1) und das Kolbenschaftteil (3) jeweils zumindest ein Anschlagelement aufweisen, wobei die Anschlagelemente zur Anlage kommen, nachdem das Kolbenschaftteil (3) auf das Innenschaftteil (14) aufgeschraubt wurde.
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