EP2027381A2 - Mehrteiliger gekühlter kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Mehrteiliger gekühlter kolben für einen verbrennungsmotor

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EP2027381A2
EP2027381A2 EP07785519A EP07785519A EP2027381A2 EP 2027381 A2 EP2027381 A2 EP 2027381A2 EP 07785519 A EP07785519 A EP 07785519A EP 07785519 A EP07785519 A EP 07785519A EP 2027381 A2 EP2027381 A2 EP 2027381A2
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EP
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piston
piston part
threaded bolt
combustion engine
internal combustion
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    • F02F3/00—Pistons 
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    • 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 multi-part piston for an internal combustion engine according to the preamble of claim.
  • the published patent application DE 102 57 022 A1 discloses a multi-part cooled piston for an internal combustion engine, which consists of a piston upper part and a piston lower part.
  • a threaded bolt is arranged, and in the upper region of the piston lower part a threaded bore is introduced, so that the two piston parts on the threaded bolt and the threaded bore are screwed together.
  • the upper portion of the piston lower part is in this case formed so thin-walled that it deforms plate spring-like when screwing piston upper part and piston lower part, so that on the threaded bolt and the threaded bore a bias is applied, which consolidates and secures the screw connection formed thereby.
  • the disadvantage here is that in the deformation of the upper portion of the piston bottom near the threaded hole voltage-related cracks can occur, which solve the screw and damage to the piston and thus the engine, in which the piston is installed, can lead.
  • the invention is based on the problem to avoid the mentioned disadvantage of the prior art.
  • the problem is solved with the standing in the characterizing part of claim characteristics.
  • a multi-part cooled piston 1 which consists of a piston upper part 2 with a combustion bowl 3 and an annular wall 4 with ring portion 5 and a piston base 6, a box-shaped piston shaft 7 and two associated pin bosses 8, each with a pin bore 9 has for receiving a piston pin, not shown in the figure.
  • the upper piston part 2 and the lower piston part 6 delimit an outer annular cooling channel 10 and an inner cooling channel 11 arranged concentrically therewith, wherein the outer cooling channel 10 has at least one inflow opening 12 for introducing cooling oil and is connected to the inner cooling channel 11 via at least one overflow channel 13 ,
  • the overflow channel 13 may be formed as a bore.
  • the inner cooling channel 11 has at least one drain hole 14, via which the cooling oil can escape from the inner cooling channel 11.
  • the upper piston part 2 and the lower piston part 6 can be made of steel.
  • the piston upper part 2 supports, on the one hand, an annular support surface 15 arranged on its underside on an upper support surface 16 of an annular support rib 17 of the piston lower part 6 and, on the other hand, a cross-sectional surface 18 located on the underside of the annular wall 4 on an upper cross-sectional surface 19 of an annular one Supporting web 20 of the piston lower part 6.
  • the support surfaces 15 and 16 form an inner, planar and horizontally arranged, or roof or plate-shaped support 21 and the cross-sectional surfaces 18 and 19 to the inner support 21 coaxially arranged and horizontally lying, or also roof-mounted. or dish-shaped outer pad 22.
  • the support web 20 is viewed in section as a radially inwardly and upwardly directed step, so that the piston upper part 2 via a in the inside the lower end of the annular wall 4 introduced and complementary to the supporting web 20 shaped recess 23 can be centered relative to the piston lower part 6 by the recess 23 of the annular wall 4 of the piston upper part 2 is pushed onto the support web 20 of the piston lower part 6.
  • the inner diameter of the recess 23 it is necessary for the inner diameter of the recess 23 to be larger by a specific tolerance than the outer diameter of the cylindrical end face 24 of the support web 20, so that trouble-free mounting of the piston upper part 2 on the piston lower part 6 is ensured.
  • the underside of the upper piston part 2 has a centrally located and coaxial with the piston axis 25 blind hole 26 with internal thread 28.
  • the region 31 between the annular support rib 17 of the piston lower part 6, which defines the inner cooling channel 11 together with the piston upper part 2, is formed relatively thin-walled and is provided in its center with a coaxial with the piston axis 25 and upwardly directed threaded bolt 29, the upper End 27 has an external thread 30 which fits into the internal thread 28 of the blind hole 26.
  • the upper piston part 2 is centered over the recess 23 and the support web 20 relative to the lower piston part 6 and then rotated about the piston axis 25, wherein the blind hole 26 is screwed onto the threaded bolt 29.
  • the elasticity of the relatively thin-walled region 31 causes it to deform like a disk spring when the upper and lower piston parts are screwed together, ie, the inner center of the region 31 provided with the threaded bolt 29 bulges in the direction of the piston upper part 2.
  • the tensile stress exerted on the unthreaded shank 32 of the threaded bolt 29 during assembly leads to an elastic extension of the shank 29.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein mehrteiliger, gekühlter Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, der aus einem Kolbenoberteil (2) und aus einem Kolbenunterteil (6) besteht. Das Kolbenoberteil (2) bildet mit dem Kolbenunterteil (6) einen inneren ringförmigen Kühlkanal (11), der von einem oberen Bereich (31 ) des Kolbenunterteils (6) abgedeckt wird. Dieser Bereich (31) ist derart dünnwandig ausgebildet, dass er tellerfederartig verformbar ist. Eine einfache und schnelle Montage des Kolbenoberteils (2) auf das Kolbenunterteil (6) und eine feste und sichere Schraubverbindung zwischen den beide Kolbenteilen ergeben sich dadurch, dass das Kolbenoberteil (2) auf seiner Unterseite mit einer mittig und koaxial zur Kolbenachse (25) angeordneten Sacklochbohrung (26) mit Innengewinde (28) versehen ist, und dass der obere Bereich (31 ) des Kolbenunterteils (6) einen mittig und koaxial zur Kolbenachse (25) angeordneten und nach oben gerichteten Gewindebolzen (29) mit Außengewinde (30) aufweist, wobei das Innengewinde (28) auf das Außengewinde (30) passt, sodass das Kolbenoberteil (2) mit dem Kolbenunterteil (6) über die Sacklochbohrung (26) und den Gewindebolzen verschraubbar sind.

Description

Mehrteiliger gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.
Aus der Offenlegungsschrift DE 102 57 022 A1 ist ein mehrteiliger gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil besteht. Auf der Unterseite des Kolbenoberteils ist ein Gewindebolzen angeordnet, und in den oberen Bereich des Kolbenunterteils ist eine Gewindebohrung eingebracht, sodass die beiden Kolbenteile über den Gewindebolzen und die Gewindebohrung miteinander verschraubbar sind. Der obere Bereich des Kolbenunterteils ist hierbei derart dünnwandig ausgebildet, dass er sich beim Zusammenschrauben von Kolbenoberteil und Kolbenunterteil tellerfederartig verformt, sodass auf den Gewindebolzen und die Gewindebohrung eine Vorspannung ausgeübt wird, die die hierdurch gebildete Schraubverbindung festigt und sichert. Nachteilig ist hierbei, dass bei der Verformung des oberen Bereiches des Kolbenunterteils nahe der Gewindebohrung spannungsbedingte Risse auftreten können, die die Schraubverbindung lösen und zu einer Beschädigung des Kolbens und damit des Motors, in den der Kolben eingebaut ist, führen können.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, den erwähnten Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden. Gelöst wird die Aufgabe mit den im Kennzeichen des Patentanspruches stehenden Merkmalen.
Dadurch, dass an den dünnwandigen und tellerfederartig verformbaren Bereich des Kolbenunterteils ein Gewindebolzen angeformt ist, werden bei der Montage des Kolbens und bei der damit einhergehenden Verformung dieses Bereiches in Richtung Kolbenboden die dabei entstehenden Zugumfangsspannungen verringert, wodurch spannungsbedingte Risse in diesem Bereich weitgehend vermieden werden. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Sie zeigt ein aus zwei Hälften bestehendes Schnittbild des erfindungsgemäßen Kolbens, wobei die linke Hälfte einen Halbschnitt des Kolbens in Richtung des Kolbenbolzens und die rechte Hälfte einen Halbschnitt des Kolbens in Druck- Gegendruck-Richtung darstellen.
In der Figur ist ein mehrteiliger gekühlter Kolben 1 dargestellt, der aus einem Kolbenoberteil 2 mit einer Verbrennungsmulde 3 und mit einer Ringwand 4 mit Ringpartie 5 und aus einem Kolbenunterteil 6 besteht, das einen kastenförmigen Kolbenschaft 7 und zwei damit verbundene Bolzennaben 8 mit je einer Bolzenbohrung 9 zur Aufnahme eines in der Figur nicht dargestellten Kolbenbolzens aufweist. Das Kolbenoberteil 2 und das Kolbenunterteil 6 begrenzen einen äußeren ringförmigen Kühlkanal 10 und einen konzentrisch dazu angeordneten, inneren Kühlkanal 11 , wobei der äußere Kühlkanal 10 mindestens eine Zuflussöffnung 12 zum Einleiten von Kühlöl aufweist und über mindestens einen Überlaufkanal 13 mit dem inneren Kühlkanal 11 verbunden ist. Der Überlaufkanal 13 kann als Bohrung ausgebildet sein. Der innere Kühlkanal 11 weist mindestens eine Ablaufbohrung 14 auf, über die das Kühlöl aus dem inneren Kühlkanal 11 austreten kann. Hergestellt werden können das Kolbenoberteil 2 und das Kolbenunterteil 6 aus Stahl.
Das Kolbenoberteil 2 lagert zum einen über eine auf dessen Unterseite angeordnete, ringförmige Auflagefläche 15 auf einer oberen Auflagefläche 16 einer ringförmigen Tragrippe 17 des Kolbenunterteils 6 und zum anderen über eine sich auf der Unterseite der Ringwand 4 befindliche Querschnittsfläche 18 auf einer oberen Querschnittsfläche 19 eines ringförmigen Tragsteges 20 des Kolbenunterteiles 6. Hierbei bilden die Auflageflächen 15 und 16 eine innere, ebene und horizontal angeordnete, beziehungsweise dach- oder tellerförmig ausgebildete Auflage 21 und die Querschnittsflächen 18 und 19 eine zur inneren Auflage 21 koaxial angeordnete und horizontal liegende, beziehungsweise ebenfalls dach- oder tellerförmig ausgebildete, äußere Auflage 22.
Der Tragsteg 20 ist im Schnitt betrachtet als eine nach radial innen und aufwärts gerichtete Stufe ausgebildet, sodass das Kolbenoberteil 2 über eine in die Innenseite des unteren Endes der Ringwand 4 eingebrachte und komplementär zum Tragsteg 20 geformte Ausnehmung 23 gegenüber dem Kolbenunterteil 6 zentriert werden kann, indem die Ausnehmung 23 der Ringwand 4 des Kolbenoberteils 2 auf den Tragsteg 20 des Kolbenunterteils 6 geschoben wird. Hierbei ist es erforderlich, dass der Innendurchmesser der Ausnehmung 23 um ein bestimmtes Toleranzmaß größer ist als der Außendurchmesser der zylinderförmigen Stirnseite 24 des Tragsteges 20, damit eine problemlose Montage des Kolbenoberteils 2 auf das Kolbenunterteil 6 gewährleistet ist.
Die Unterseite des Kolbenoberteils 2 weist eine mittig und koaxial zur Kolbenachse 25 angeordnete Sacklochbohrung 26 mit Innengewinde 28 auf. Der Bereich 31 zwischen der ringförmigen Tragrippe 17 des Kolbenunterteils 6, der gemeinsam mit dem Kolbenoberteil 2 den inneren Kühlkanal 11 begrenzt, ist relativ dünnwandig ausgebildet und ist in seiner Mitte mit einem koaxial zur Kolbenachse 25 angeordneten und nach oben gerichteten Gewindebolzen 29 versehen, dessen oberes Ende 27 ein Außengewinde 30 aufweist, das in das Innengewinde 28 der Sacklochbohrung 26 passt.
Bei der Montage des Kolbens 1 wird das Kolbenoberteil 2 über die Ausnehmung 23 und den Tragsteg 20 gegenüber dem Kolbenunterteil 6 zentriert und dann um die Kolbenachse 25 gedreht, wobei die Sacklochbohrung 26 auf den Gewindebolzen 29 aufgeschraubt wird. Hierbei bewirkt die Elastizität des relativ dünnwandigen Bereiches 31 , dass dieser sich beim Zusammenschrauben von Kolbenober- und -unterteil wie eine Tellerfeder verformt, d.h., dass sich das innere, mit dem Gewindebolzen 29 versehene Zentrum des Bereiches 31 in Richtung Kolbenoberteil 2 aufwölbt. Zusätzlich führt die bei der Montage auf den gewindelosen Schaft 32 des Gewindebolzens 29 ausgeübte Zugspannung zu einer elastischen Verlängerung des Schaftes 29. Diese Verformungen sowohl des Bereiches 31 als auch des Schaftes 32 des Gewindebolzen 29 üben auf die Schraubverbindung (28, 30) eine Vorspannung aus, die insbesondere im Motorbetrieb eine feste Schraubverbindung zwischen dem Kolbenoberteil 2 und dem Kolbenunterteil 6 gewährleistet. Bezugszeichenliste
1 Kolben
2 Kolbenoberteil
3 Verbrennungsmulde
4 Ringwand
5 Ringpartie
6 Kolbenunterteil
7 Kolbenschaft
8 Bolzennabe
9 Bolzenbohrung
10 äußerer Kühlkanal
11 innerer Kühlkanal
12 Zuflussöffnung
13 Überlaufkanal, Bohrung
14 Ablaufbohrung
15 Auflagefläche des Kolbenoberteils 2
16 Auflagefläche des Kolbenunterteils 6
17 Tragrippe
18 Querschnittsfläche des Kolbenoberteils 2
19 Querschnittsfläche des Kolbenunterteils 6
20 Tragsteg
21 innere Auflage
22 äußere Auflage
23 Ausnehmung der Ringwand 4
24 Stirnseite des Tragsteges 20
25 Kolbenachse
26 Sacklochbohrung
27 Ende des Gewindebolzens 29
28 Innengewinde der Sacklochbohrung 26
29 Gewindebolzen
30 Außengewinde des Gewindebolzens 29
31 Bereich zwischen der Tragrippe 17
32 Schaft des Gewindebolzens 29

Claims

Patentanspruch
1. Mehrteiliger, gekühlter Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor bestehend aus einem Kolbenoberteil (2), das eine Ringwand (4) mit Ringpartie (5) aufweist, und aus einem Kolbenunterteil (6), das einen kastenförmigen Kolbenschaft (7) mit zwei Bolzennaben (8) aufweist, wobei das Kolbenunterteil (6) mit dem Kolbenoberteil (2) einen äußeren, ringförmigen (10) und zudem einen konzentrisch dazu angeordneten, inneren ringförmigen Kühlkanal (11) bildet, und wobei der innere Kühlkanal (11 ) von einem oberen Bereich (31) des Kolbenunterteils (6) abgedeckt wird, der derart dünnwandig ausgebildet ist, dass er tellerfederartig verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in die Unterseite des Kolbenoberteils (2) eine mittig und koaxial zur Kolbenachse (25) angeordnete Sacklochbohrung (26) mit Innengewinde (28) eingebracht ist, und dass der obere Bereich (31) des Kolbenunterteils (6) einen mittig und koaxial zur Kolbenachse (25) angeordneten und nach oben gerichteten Gewindebolzen (29) mit Außengewinde (30) aufweist, wobei das Innengewinde (28) auf das Außengewinde (30) passt, sodass das Kolbenoberteil (2) über die Sacklochbohrung (26) und über den Gewindebolzen (29) mit dem Kolbenunterteil (6) verschraubbar ist.
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