EP2329125A2 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor

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EP2329125A2
EP2329125A2 EP09736093A EP09736093A EP2329125A2 EP 2329125 A2 EP2329125 A2 EP 2329125A2 EP 09736093 A EP09736093 A EP 09736093A EP 09736093 A EP09736093 A EP 09736093A EP 2329125 A2 EP2329125 A2 EP 2329125A2
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piston
pressure
walls
box walls
shaft
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Thomas Hettich
Michael Marquardt
Peter Kleinle
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Mahle International GmbH
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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 
    • F02F3/0076—Pistons  the inside of the pistons being provided with ribs or fins

Definitions

  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine with a piston crown, with a land, with a circumferential ring portion, which has annular grooves, and with a piston skirt, which has two disposed on the pressure side and the counter-pressure side shaft walls and two walls connecting the shaft walls together, wherein the box walls are provided with pin bores having pin bosses, and wherein the arranged on the pressure side of the skirt wall viewed in the circumferential direction of the piston is shorter than the arranged on the counter-pressure side skirt wall.
  • the pressure-side box walls are rectilinear and oblique, wherein the distance between the box walls in the region of the pin bosses is greater than in the region of the pressure-side skirt wall.
  • the thickness of the pressure-side box walls, starting from the pin boss towards shaft wall increase linearly, and can decrease the thickness of the box walls, starting from the piston bottom facing away, free edges towards the piston crown, thereby further reducing the stress of the high claimed, piston-facing away region of the pressure and counter-pressure side shaft-box wall connection results.
  • the wall thicknesses In order to stress the structure homogeneously in the lower area of the shaft-box wall connection, the wall thicknesses must be designed according to the load. This ensures at the same time that on the strength side unnecessary stiffness disappears and weight can be saved. Therefore, the box wall thickness, starting from the hub in the direction of the shaft wall, increases continuously, while the shaft wall thickness, starting from the end facing away from the piston bottom, decreases in the direction of the piston crown. Furthermore, the increase in thickness of the box wall is realized in that the inner contour of the box wall is made obliquely than its outer contour. As a positive side effect from this one obtains a slight increase in the box wall inclination.
  • the above-described shaft-box wall connection according to the invention is usually carried out on the pressure side. If the counter-pressure side should be loaded higher than the pressure side due to a restricted crank drive, the design principle is applied on the counterpressure side. The lower loaded side of the shaft-box wall connection is then carried out as that which is referred to in German Patent Application 10 2007 020 447.9 as a counter-pressure side. ,
  • Figure 1 shows an embodiment of the piston according to the invention in section A-A in Figure 2 and Figure 2 and 3 shows a piston according to Figure 1 in a bottom view in the direction of
  • Figures 1 to 3 show an embodiment of the piston 10 according to the invention, which is particularly suitable for use in high-pressure gasoline engines.
  • the piston 10 has a piston bottom 11 and a peripheral land 12 and a circumferential ring portion 13 with annular grooves 14.
  • the piston 10 On the side facing away from the piston crown, the piston 10 has a piston shaft 15 which consists of a shaft wall 16 on the pressure side (DS) and a shaft wall 17 on the counter-pressure side (GDS), wherein the shaft walls 16 and 17 are connected via box walls 18 and 19 with each other.
  • the box walls 18, 19 each have a pin boss 21, each with a hub bore 20.
  • the skirt wall 16 on the pressure side (DS) viewed in the circumferential direction is shorter than the skirt wall 17 on the counter-pressure side (GDS).
  • the shaft walls 16,17 are formed asymmetrically.
  • the pressure side box walls 18 are rectilinear and inclined.
  • the skew is described by the angle ⁇ , which may be greater than or equal to zero. This results in the fact that the distance of the box walls 18 from one another in the region of the pin bosses 21 is greater than in the region of the pressure-side skirt 16.
  • the thickness "d" of the pressure-side box walls 18, starting from the pin boss 21, increases linearly in the direction of the skirt wall 16, as can be seen from FIG.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden (11), mit einem Feuersteg (12), mit einer umlaufenden Ringpartie (13), die Ringnuten (14) aufweist, und mit einem Kolbenschaft (15), der zwei auf der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwände (16, 17) und zwei die Schaftwände (16, 17) miteinander verbindende Kastenwände (18, 19) aufweist, wobei die Kastenwände 18,19 mit Nabenbohrungen 22 aufweisenden Bolzennaben 21 versehen sind, und wobei die auf der Druckseite (DS) angeordnete Schaftwand (16) in Umfangsrichtung des Kolbens (10) betrachtet kürzer ist als die auf der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwand (17) ist. Zur Reduzierung der Beanspruchung des Kolbens verlaufen die druckseitigen Kastenwände (18) geradlinig und schräg, wobei der Abstand der Kastenwände (18) im Bereich der Bolzennaben (21) größer ist als im Bereich der druckseitigen Schaftwand (16).

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden, mit einem Feuersteg, mit einer umlaufenden Ringpartie, die Ringnuten aufweist, und mit einem Kolbenschaft, der zwei auf der Druckseite und der Gegendruckseite angeordnete Schaftwände und zwei die Schaftwände miteinander verbindende Kastenwände aufweist, wobei die Kastenwände mit Nabenbohrungen aufweisenden Bolzennaben versehen sind, und wobei die auf der Druckseite angeordnete Schaftwand in Umfangsrichtung des Kolbens betrachtet kürzer ist als die auf der Gegendruckseite angeordnete Schaftwand.
Bei einem Kolben der eingangs genannten Art bewirkt die Schrägstellung eines Pleuels unter Zünddruck eine Seitenkraftbelastung, die über die Kastenwände und den Schaft an die Zylinderwand abgegeben wird. Außerdem führt der Zünddruck in Kombination mit einer Desachsierung beziehungsweise Exzentrizität der Nabenbohrungen zu einem Kippmoment, das die Seitenkraftbelastung erhöht. Beide Mechanismen verursachen eine hohe Beanspruchung des Kolbens im unteren Bereich nahe dem freien, kolbenbodenabgewandten Rand der Schaft-Kastenwand-Anbindung. Bei ungeschränkten Kurbeltrieben findet man die höchste Beanspruchung beim oder kurz nach dem Zünddruckmaximum auf der Druckseite des Kolbens. Die Schaft- Kastenwand-Anbindung auf der Gegendruckseite des Kolbens ist hierbei vergleichsweise niedrig belastet. Bei Kurbeltrieben, die zur Druckseite geschränkt sind, erhöht sich demgegenüber die Beanspruchung der gegend rückseitigen Schaft-Kastenwand- Anbindung.
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Beanspruchung des hoch beanspruchten, kolbenbodenabgewandten Bereichs der druck- und gegend rückseitigen Schaft-Kastenwand-Anbindung zu reduzieren. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass die druckseitigen Kastenwände geradlinig und schräg verlaufen, wobei der Abstand der Kastenwände im Bereich der Bolzennaben größer ist als im Bereich der druckseitigen Schaftwand.
In vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung kann die Dicke der druckseitigen Kastenwände ausgehend von der Bolzennabe in Richtung Schaftwand linear zunehmen, und kann die Dicke der Kastenwände ausgehend von deren kolbenbodenabgewand- ten, freien Rändern in Richtung Kolbenboden abnehmen, wodurch sich eine weitere Reduzierung der Beanspruchung des hoch beanspruchten, kolbenbodenabgewand- ten Bereichs der druck- und gegendruckseitigen Schaft-Kastenwand-Anbindung ergibt.
Wie die Seitenkraftbelastung von der Schaft-Kastenwand-Anbindung abgetragen wird, kann anhand eines einfachen Balkenmodells erläutert werden, wobei die Schaft- und Kastenwand als flächige Tragstrukturen dargestellt sind. Die Seitenkraftbelastung wird hierbei konzentriert nahe dem freien Rand der Schaft-Kastenwand- Anbindung eingeleitet.
Dabei hat sich gezeigt, dass ideal gerade Kastenwände mit möglichst großer Schrägstellung, die an der Nabenaußenkante angebunden sind, bei realistischer Wahl des Lastangriffspunktes der Seitenkraftresultierenden am geringsten beansprucht werden. Hierbei ist die Schrägstellung der Kastenwände hauptsächlich durch die Schaftwandbreite begrenzt, die groß genug sein muss, um den Kolben über den Schaft sicher führen zu können. Deshalb sind die Kastenwände im Bereich ihres unteren Randes geradlinig ausgestaltet und schräg gestellt. Um eine große Schrägstellung zu erzielen, sind die Kastenwände an der Nabenaußenkante angebunden.
Um die Struktur im unteren Bereich der Schaft-Kastenwand-Anbindung homogen zu beanspruchen, müssen die Wanddicken entsprechend der Belastung ausgelegt werden. Damit ist gleichzeitig gewährleistet, dass festig keitsseitig unnötige Steifigkeiten verschwinden und Gewicht eingespart werden kann. Deshalb nimmt die Kastenwanddicke ausgehend von der Nabe in Richtung Schaftwand kontinuierlich zu, während die Schaftwanddicke ausgehend vom kolbenboden- abgewandten Ende in Richtung Kolbenboden abnimmt. Ferner wird die Dickenzunahme der Kastenwand dadurch realisiert, dass die Innenkontur der Kastenwand schräger gestellt wird als ihre Außenkontur. Als positiven Nebeneffekt hieraus erhält man eine leichte Zunahme der Kastenwandschrägstellung.
Da die Schaft-Kastenwand-Anbindung lediglich in ihrem unteren Bereich eine hohe Seitenkraftbelastung erfährt, wird ihre Dicke nur bis zur Nabenbohrungsmitte reduziert, um das Kolbengewicht gering zu halten.
Die oben beschriebene, erfindungsgemäße Schaft-Kastenwand-Anbindung ist in der Regel druckseitig auszuführen. Falls durch einen geschränkten Kurbeltrieb die Gegendruckseite höher belastet sein sollte als die Druckseite, wird das Konstruktionsprinzip gegendruckseitig angewendet. Die niedriger belastete Seite der Schaft- Kastenwand-Anbindung wird dann so ausgeführt wie diejenige, die in der Deutschen Patentanmeldung 10 2007 020 447.9 als Gegendruckseite bezeichnet wird..
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Abbildungen näher erläutert. Es zeigen
Abbildung 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt A-A in Abbildung 2 und Abbildung 2 und 3 einen Kolben gemäß Abbildung 1 in Unteransicht in Richtung des
Pfeils B in Abbildung 1 um einige Winkelgrade gekippt
Die Abbildungen 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolbens 10, der insbesondere zum Einsatz in hoch belasteten Ottomotoren geeignet ist. Der Kolben 10 weist einen Kolbenboden 11 sowie einen umlaufenden Feuersteg 12 und eine umlaufende Ringpartie 13 mit Ringnuten 14 auf.
Auf der kolbenbodenabgewandten Seite weist der Kolben 10 einen Kolbenschaft 15 auf, der aus einer Schaftwand 16 auf der Druckseite (DS) und einer Schaftwand 17 auf der Gegendruckseite (GDS) besteht, wobei die Schaftwände 16 und 17 über Kastenwänden 18 und 19 miteinander verbunden sind. Die Kastenwände 18, 19 weisen jeweils eine Bolzennabe 21 mit je einer Nabenbohrung 20 auf.
Hierbei ist die Schaftwand 16 auf der Druckseite (DS) in Umfangsrichtung betrachtet kürzer ausgebildet als die Schaftwand 17 auf der Gegendruckseite ( GDS). Somit sind die Schaftwände 16,17 asymmetrisch ausgebildet.
Aus Abbildung 2 ist ersichtlich, dass die druckseitigen Kastenwände 18 geradlinig ausgebildet und schräg gestellt sind. Die Schrägstellung wird durch den Winkel α beschrieben, der größer oder gleich null sein kann. Hierbei ergibt sich somit, dass der Abstand der Kastenwände 18 voneinander im Bereich der Bolzennaben 21 größer ist als im Bereich der druckseitigen Schaftwand 16.
Darüberhinaus nimmt die Dicke "d" der druckseitigen Kastenwände 18 ausgehend von der Bolzennabe 21 in Richtung Schaftwand 16 linear zu, wie aus Abbildung 2 ersichtlich ist. Weiterhin nimmt die Dicke "b" der Kastenwände 18, 19 ausgehend von deren kolbenbodenabgewandten, freien Rändern in Richtung Kolbenboden 11 ab, wie sich aus Abbildung 1 ergibt.
Bezugszeichenliste
10 Kolben
11 Kolbenboden
12 Feuersteg
13 Ringpartie
14 Ringnut
15 Kolbenschaft
16 druckseitige Schaftwand
17 gegend rückseitige Schaftwand
18 Druckseitige Kastenwand
19 gegend rückseitige Kastenwand
20 Nabenbohrung
21 Bolzennabe

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenboden (11 ), mit einem Feuersteg (12), mit einer umlaufenden Ringpartie (13), die Ringnuten (14) aufweist, und mit einem Kolbenschaft (15), der zwei auf der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwände (16,17) und zwei die Schaftwände (16, 17) miteinander verbindende Kastenwände (18,19) aufweist, wobei die Kastenwände (18,19) mit Nabenbohrungen (22) aufweisenden Bolzennaben (21) versehen sind, und wobei die auf der Druckseite (DS) angeordnete Schaftwand (16) in Umfangsrichtung des Kolbens (10) betrachtet kürzer ist als die auf der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwand (17) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die druckseitigen Kastenwände (18) geradlinig und schräg verlaufen, wobei der Abstand der Kastenwände (18) im Bereich der Bolzennaben (21) größer ist als im Bereich der druckseitigen Schaftwand (16).
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der druckseitigen Kastenwände (18) ausgehend von der Bolzennabe (21 ) in Richtung Schaftwand (16) linear zunimmt.
3. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kastenwände (18, 19) ausgehend von deren kolbenbodenabgewandten, freien Rändern in Richtung Kolbenboden (11 ) abnimmt.
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