EP2329125B1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

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EP2329125B1
EP2329125B1 EP09736093.7A EP09736093A EP2329125B1 EP 2329125 B1 EP2329125 B1 EP 2329125B1 EP 09736093 A EP09736093 A EP 09736093A EP 2329125 B1 EP2329125 B1 EP 2329125B1
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EP
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piston
walls
skirt
thrust face
box walls
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Thomas Hettich
Michael Marquardt
Peter Kleinle
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Mahle International GmbH
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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 arranged on the pressure side and the counter-pressure side shaft walls and two walls connecting the skirt 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.
  • a piston of the type mentioned causes the inclination of a connecting rod under ignition pressure a side force load, which is delivered via the box walls and the shaft to the cylinder wall.
  • the ignition pressure in combination with a Ausachstechnik or eccentricity of the hub bores leads to a tilting moment, which increases the lateral force load.
  • Both mechanisms cause a high stress of the piston in the lower region near the free, kolbenteilabgewandten edge of the shaft-box wall connection.
  • the highest stress is found at or shortly after the ignition pressure maximum on the pressure side of the piston.
  • the shaft-box wall connection on the counter-pressure side of the piston is in this case loaded comparatively low.
  • crank mechanisms which are confined to the pressure side, on the other hand increases the stress of the counter-pressure side shaft-box wall connection.
  • a piston is in the document GB 130 411 A shown. Accordingly, it is an object of the present invention to reduce the stress on the highly stressed, piston bottom facing away region of the pressure and counterpressure side shaft-box wall connection.
  • 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. Furthermore, the thickness of the box walls decreases starting from their piston bottom facing away, free edges in the direction of the piston head.
  • the thickness of the pressure-side box walls starting from the pin boss in the direction of shaft wall increase linearly, resulting in a further reduction of the stress of the highly stressed, piston bottom facing away region of the pressure and counter pressure side shaft-box wall connection.
  • 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 unnecessary rigidity disappears and weight can be saved on the strength side.
  • the box wall thickness increases continuously, while the shaft wall thickness, starting from the end remote 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 described in the German patent application 10 2007 020 447.9 is called back pressure side.
  • 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 thickness "d" of the pressure-side box walls 18, starting from the pin boss 21 toward the skirt wall 16, increases linearly as viewed Figure 2 is apparent.
  • the thickness "b" of the box walls 18, 19, starting from their piston bottom facing away, free edges in the direction of the piston head 11 from, as is apparent from illustration 1 results.

Description

  • 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 gegendruckseitigen Schaft-Kastenwand-Anbindung. Ein derartiger Kolben wird im Dokument GB 130 411 A gezeigt. Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Beanspruchung des hoch beanspruchten, kolbenbodenabgewandten Bereichs der druck- und gegendruckseitigen 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. Weiterhin nimmt die Dicke der Kastenwände ausgehend von deren kolbenbodenabgewandten, freien Rändern in Richtung Kolbenboden ab.
  • In vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung kann die Dicke der druckseitigen Kastenwände ausgehend von der Bolzennabe in Richtung Schaftwand linear zunehmen, wodurch sich eine weitere Reduzierung der Beanspruchung des hoch beanspruchten, kolbenbodenabgewandten 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 festigkeitsseitig 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 kolbenbodenabgewandten 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 grö-ßer 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
    gegendruckseitige Schaftwand
    18
    Druckseitige Kastenwand
    19
    gegendruckseitige Kastenwand
    20
    Nabenbohrung
    21
    Bolzennabe

Claims (2)

  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 als die auf der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwand (17) ist und 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), dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Kastenwände (18 , 19) ausgehend von deren kolbenbodenabgewandten, freien Rändern in Richtung Kolbenboden (11) abnimmt.
  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.
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