EP3334918B1

EP3334918B1 - Kolben für eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP3334918B1
Application number: EP16757179.3A
Authority: EP
Inventors: Klaus Lormes
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2024-12-18
Anticipated expiration: 2036-08-11
Also published as: WO2017025608A1; PL3334918T3; DE102016114957A1; US10823109B2; CN108026860A; US20180306139A1; EP3334918A1; JP2018525562A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Ein Kolben für Brennkraftmaschinen ist aus der gattungsbildenden DE 197 40 065 A1 bekannt. Bei diesem Kolben sind die Naben in Bolzenachsrichtung derart zurückgesetzt, dass der äußere Nabenabstand 60% bis 65% des Kolbendurchmessers oder weniger beträgt. Die Nabenaußenflächen, die die beiden Gleitflächen miteinander verbinden, haben über die Höhe der Gleitflächen betrachtet einen gradlinigen (linearen) Verlauf. Bei diesem Kolben sind die Nabenaußenflächen (auch Kastenwände genannt) nicht grundsätzlich eben, sondern auch gekrümmt, und zwar sowohl in Schnitten parallel als auch senkrecht zu der Kolbenachse. Dabei ist jedoch der Krümmungssinn der Fläche in Schnitten senkrecht zur Kolbenachse immer für die gesamte Fläche der Kastenwand gleichbleibend. Dadurch ergibt sich bei nach oben (in Richtung des Kolbenbodens) geringer werdendem Abstand der Kastenwände eine nach oben abnehmende Breite der tragenden Gleitfläche.
Die DE 197 40 065 A1 offenbart somit einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit einem dachförmigen Kolbenboden mit einer Brennraummulde, wobei die Naben in Bolzenachsenrichtung derart zurückgesetzt sind, wobei der äußere Nabenabstand 60% bis 65% des Kolbendurchmessers oder weniger beträgt, und wobei oberhalb der Außenflächen der zurückgesetzten Naben ein in Umfangsrichtung einen Winkel zwischen 45° und 60° einschließender offener Hohlraum vorgesehen ist, der sich in Richtung auf den Kolbenboden in den Bereich hinter dem Ringfeld hinein erstreckt, und wobei die Nabeninnenflächen trapezförmig oder stufenförmig abgesetzt ausgebildet sind, und die Schaftlänge 40% bis 45% des Kolbendurchmessers) beträgt.
Weiterhin ist ein Kolben aus der DE 101 45 589 A1 bekannt. Dieser weist einen Kolbenboden auf, der aus einem Ringfeld mit mehreren Ringnuten und gegebenenfalls einer Brennraummulde besteht. In Bewegungsrichtung des Kolbens ist unterhalb des Kolbenbodens ein Kolbenschaft angeordnet, wobei dieser Kolbenschaft aus zwei den Kolben im Betrieb in der Brennkraftmaschine tragenden Schaftwandabschnitten besteht, die der Führung des Kolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine dienen. Die Schaftwandabschnitte sind über zurückliegende Verbindungswände miteinander verbunden, wobei die Verbindungswände keine Verbindung zu der Lauffläche des Zylinders haben.
Bei dem Kolben dieser DE 101 45 589 A1 weisen die Verbindungswände einen gewölbten Verlauf auf, der konvex, konkav oder aus einer Kombination von diesen Wölbungen bestehen kann. Weiterhin ist bei diesem bekannten Kolben im Bereich der Verbindungswände der untere Rand des Ringfeldes über diesen überstehend ausgebildet (Überstand) und dort zumindest teilweise ausgehöhlt, so dass ein Freiraum zwecks Gewichteinsparung entsteht.
Die US 2002/0178909 A1 beschreibt einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, der einen Boden, ein Paar von Kolbenbolzenvorsprüngen, die jeweils in den Boden integriert sind und einander jeweils gegenüberliegen, und ein Paar von Schaftwänden aufweist, die jeweils in den Boden integriert sind und einander jeweils gegenüberliegen, wobei sich ein unteres Ende des Paares von Schaftwänden auf der Oberseite eines unteren Endes des Paares von Kolbenbolzenvorsprüngen befindet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Kolben für eine Brennkraftmaschine unter Reduzierung der Kolbenmasse und verbesserter Spannungsverteilung im Kastenbereich des Kolbens herzustellen.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kolben auf seiner Druckseite einen Kastenwandabstand der Kastenwände zwischen 35% und 51% des Kolbendurchmessers aufweist und/oder dass der Kolben auf seiner Gegendruckseite einen Kastenwandabstand der Kastenwände zwischen 26% und 39% des Kolbendurchmessers aufweist.
Druckseite wird jene Kolben- oder Zylinderseite genannt, auf der sich der Kolben während der Verbrennung abstützt. Die Druckseite liegt entgegengesetzt zur Drehrichtung der Kurbelwelle. Gegendruckseite ist die der Druckseite gegenüberliegende Kolben- oder Zylinderseite. Durch die erfindungsgemäß gestaltete Schaftabstützung wird eine homogenere Spannungsverteilung innerhalb des Kolbens erzielt. Es können somit noch größere Ringfeldhinterschnitte vorgenommen werden. Die Masse des Kolbens ist deutlich reduziert, hält aber gleichzeitig den Anforderungen aktueller Brennkraftmaschinen mit höchsten thermischen und mechanischen Belastungen stand.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kolben auf seiner Druckseite einen Kastenwandabstand der Kastenwände zwischen 40% und 51%, bevorzugt zwischen 46% und 49% des Kolbendurchmessers aufweist. Auch ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kolben auf seiner Gegendruckseite einen Kastenwandabstand der Kastenwände zwischen 30% und 39%, bevorzugt zwischen 34% und 37% des Kolbendurchmessers aufweist. Hierdurch rücken die Kastenwände näher aneinander heran, wodurch dies zu einer weiteren Materialeinsparung führt. Geringere Schaftflächen auf Druckseite und Gegendruckseite des Kolbens führen zur Reduzierung der Reibung.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Abstand zwischen einer oberen Kante eines Feuerstegs und einem Scheitelpunkt eines Freiraums quer zu einer Bolzenbohrungsachse des Kolbens kleiner ist als die Ausdehnung des Feuerstegs. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Abstand zwischen der oberen Kante des Feuerstegs und dem Scheitelpunkt des Freiraums parallel zur Bolzenbohrungsachse kleiner ist, als die Ausdehnung des Feuerstegs. Die stärkeren Hinterschnitte in den Gewichtstaschen des Ringfeldes ermöglichen den Einsatz einer optimierten Gießwerkzeugtechnologie.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Abstand zwischen der oberen Kante des Feuerstegs und dem Scheitelpunkt des Freiraums quer zur Bolzenbohrungsachse des Kolbens und/oder ein Abstand zwischen der oberen Kante des Feuerstegs und dem Scheitelpunkt des Freiraums parallel zur Bolzenbohrungsachse zwischen 50% und 95%, bevorzugt zwischen 65% und 90%, kleiner sind als die Ausdehnung des Feuerstegs. Erzielt werden hierdurch eine Materialeinsparung und eine Reduktion der Kolbenmasse.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine radiale Tiefe einer Aushebenut ein Maß von größer oder gleich 2 Millimetern (mm), bevorzugt größer oder gleich 3 mm, insbesondere größer oder gleich 4 mm aufweist. Durch eine möglichst große radiale Tiefe der Aushebenut erfolgt eine Reduzierung der Kolbenmasse in diesem Bereich.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Abstand zwischen einer Mittellinie der Kastenwand auf der Druckseite und einer Mittellinie des Kolbens quer zur Bolzenbohrungsachse größer ist als ein Abstand zwischen einer Mittellinie der Kastenwand auf der Druckseite und der Mittellinie des Kolbens quer zur Bolzenbohrungsachse am Umfang des Kolbens. Durch die erfindungsgemäß gestalteten Kastenwände wurde eine Reduzierung der Auszugschräge für die Gießwerkzeugeinsätze realisiert. Dies wiederum ermöglicht eine Vergrößerung der Freiräume hinter dem Ringfeld, was zu einer Reduzierung der Kolbenmasse führt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Abstand zwischen einer Mittellinie der Kastenwand auf der Gegendruckseite und Mittellinie des Kolbens quer zur Bolzenbohrungsachse geringer ist als der Abstand zwischen Mittellinie der Kastenwand auf der Druckseite und der Mittellinie des Kolbens quer zur Bolzenbohrungsachse. Durch die erfindungsgemäß gestalteten Kastenwände wurde eine Reduzierung der Auszugschräge für die Gießwerkzeugeinsätze realisiert. Dies wiederum ermöglicht eine Vergrößerung der Freiräume hinter dem Ringfeld, was zu einer Reduzierung der Kolbenmasse führt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Abstand zwischen Mittellinie der Kastenwand auf der Gegendruckseite und Mittellinie des Kolbens quer zur Bolzenbohrungsachse am Umfang des Kolbens geringer ist als der Abstand zwischen Mittellinie der Kastenwand auf der Gegendruckseite und Mittellinie des Kolbens quer zur Bolzenbohrungsachse. Durch die erfindungsgemäß gestalteten Kastenwände wurde eine Reduzierung der Auszugschräge für die Gießwerkzeugeinsätze realisiert. Dies wiederum ermöglicht eine Vergrößerung der Freiräume hinter dem Ringfeld, was zu einer Reduzierung der Kolbenmasse führt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Position eines Schnittpunktes zwischen dem Abstand zwischen Mittellinie der Kastenwand auf der Druckseite und der Mittellinie des Kolbens quer zur Bolzenbohrungsachse und der Mittellinie der Kastenwand 10% bis 35%, bevorzugt 15% bis 30%, insbesondere 20% bis 25% des Kolbendurchmessers beträgt. Die gewölbte Nabe in Verbindung mit der neu gestalteten Schaftanbindung ermöglicht es, durch die daraus entstehende Bodenabstützung, Spannungen in der Brennraummulde bei hoch aufgeladenen Direkteinspritzer-Brennkraftmaschinen zu minimieren.
In die Kastenkontur vollintegrierte Nabenstirnflächen. Gegenüber dem Stand der Technik wird eine Massenreduzierung um etwa 15% aufgrund homogener Kastenwandgestaltung wird eine verbesserte Spannungsverteilung erzielt.
Durch den Einsatz geeigneter Kolbenlegierungen, insbesondere der Kolbenlegierung KS 309 der Anmelderin, und der konsequenten Adaption des Kolbendesigns auf die daraus resultierenden materialspezifischen Vorteile, konnte die Wandstärke des Kolbenbodens bis zu 30% reduziert werden. Hierdurch wird eine Reduzierung der Masse des Kolbens erreicht.
Die grundlegende Idee wird im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Figuren anhand von dargestellten Ausführungsbeispielen im Folgenden beschrieben.
Es zeigen

Fig. 1: eine Ansicht eines Kolbens gemäß dem Stand der Technik DE 10 2005 041 002 A1 ,
Fig. 2: eine Schnittansicht eines Kolbens gemäß dem Stand der Technik DE 10 2005 041 002 A1 ,
Fig. 3: eine Schnittansicht von unten eines erfindungsgemäßen Kolbens,
Fig. 4: eine weitere Schnittansicht von unten des Kolbens gemäß Figur 3,
Fig. 5: eine weitere Schnittansicht von unten des Kolbens gemäß Figur 3,
Fig. 6: eine seitliche Schnittansicht (Gegendruckseite) des Kolbens gemäß Figur 3 sowie zum Vergleich den Umriss eines Kolbens gemäß Fig. 2,
Fig. 7: eine seitliche Schnittansicht (Druckseite) des Kolbens gemäß Figur 3 sowie zum Vergleich den Umriss eines Kolbens gemäß Fig. 2,
Fig. 8: eine seitliche Schnittansicht (Gegendruckseite) des Kolbens gemäß Figur 3,
Fig. 9: eine seitliche Schnittansicht (Gegendruckseite) des Kolbens gemäß Figur 2,
Fig. 10: eine Unteransicht des Kolbens gemäß Figur 3,
Fig. 11: eine Schnittansicht des Kolbens gemäß Figur 3 quer zur Bolzenbohrungsachse,
Fig. 12: eine Schnittansicht des Kolbens gemäß Figur 3 außerhalb der Bolzenbohrungsachse, und
Fig. 13: eine Schnittansicht eines Kolbens gemäß Figur 3 längs der Bolzenbohrungsachse.

Die Figur 1 zeigt eine Ansicht eines Kolbens 101 gemäß dem Stand der Technik DE 10 2005 041 002 A1 , die Figur 2 zeigt eine Schnittansicht des Kolbens 101. Ein derartiger Kolben 101 besteht aus einem Kolbenschaft 102 mit anhängendem Kolbenboden 103, wobei Kolbenschaft 102 und Kolbenboden 103 einteilig ausgebildet sind oder aus zwei Teilen bestehen, die nach ihrer Fertigung zusammengefügt werden. Der Kolben 101 bewegt sich während des Betriebs der Brennkraftmaschine in einem nicht dargestellten Zylinder entlang einer Kolbenhubachse 111. Weiterhin weist der Kolben 101 ein Ringfeld 104 mit im Regelfall drei Ringnuten 109 auf. Der Kolbenschaft 102 besteht aus den Kolben 111 tragenden Schaftwandabschnitten 105, wobei die Schaftwandabschnitte 105 durch zurückliegende Verbindungswände 106 miteinander verbunden sind. Die Verbindungswände 106 haben einen gewölbten Verlauf, wobei bezüglich des gewölbten Verlaufes der Verbindungswände 106 verschieden ausgestaltet sein können. Die zurückliegenden Verbindungswände 106 weisen weiterhin eine Bolzenbohrung 107 zur Aufnahme eines Bolzens zur Verbindung des Kolbens 111 mit einem nicht dargestellten Pleuel auf. Der Kolbenboden 103 weist eine optionale Brennraummulde 110 auf. Weiterhin ist gezeigt, dass im Bereich des Kolbenbodens 3 zurückliegend hinter dem Ringfeld 104 und oberhalb der Bolzenbohrung 107 ein Freiraum 121 vorhanden ist.
In der Darstellung der Figur 1 ist eine Drainageöffnung 126 gezeigt. Die Drainageöffnung 126 ist im Bereich der Ringnut 109 angeordnet, so dass sich eine Verbindung von der Ringnut 109 in den Freiraum 121 ergibt, wenn die Ringnut 109 in den Kolbenrohling eingebracht wird. Der Bereich der Drainageöffnung 126 hinter der Ringnut 109, also im Bereich des Freiraumes 121, kann Tassenförmig ausgebildet sein. Bei Einsatz insbesondere eines dreiteiligen Ölrings in der Ringnut 109 kann über die Drainageöffnung 126 Öl von der Oberfläche des Kolbens 101 beziehungsweise der Zylinderlauffläche in Richtung des Innenbereiches des Kolbens 101 abgeführt werden. Zu diesem Zweck befinden sich die Drainageöffnung 126, bei der insbesondere jeweils eine Drainageöffnung rechts und links von der Bolzenbohrung 107, insbesondere symmetrisch, angeordnet ist, im Bereich der zurückliegenden Verbindungswände 106, da hier für das abgeführte Öl ausreichend Platz zur Verfügung steht.
Die Figuren 3 bis 13 zeigen verschiedene Ansichten eines Ausführungsbeispiels eines Kolbens 1 einer Brennkraftmaschine, der als Leichtbaukolben ausgestaltet sein kann, aber nicht muss. Handelt es sich um einen Leichtbaukolben, wird zunächst ein Kolbenrohling aus einem Leichtbauwerkstoff, insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, gegossen und dann beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung endbearbeitet. Die Grundkonstruktion eines solchen Kolbens 1 besteht aus einem Kolbenschaft 2 mit anhängendem Kolbenboden 3, wobei Kolbenschaft 2 und Kolbenboden 3 einteilig ausgebildet sind oder aus zwei Teilen bestehen, die nach ihrer Herstellung zusammen gefügt werden. Der Kolben 1 bewegt sich während des Betriebs der Brennkraftmaschine in einem nicht dargestellten Zylinder entlang einer Kolbenhubachse 11. Weiterhin weist der Kolben 1 ein Ringfeld 4 mit im Regelfall drei Ringnuten auf.
Der Kolbenschaft 2 besteht aus den Kolben 1 tragenden Schaftwandabschnitten 5, wobei die Schaftwand abschnitte 5 durch zurückliegende Verbindungswände 6 miteinander verbunden sind. Die Verbindungswände 6 haben einen gewölbten Verlauf, wobei bezüglich des gewölbten Verlaufes der Verbindungswände 6 verschieden ausgestaltet sein können. Auf diesen gewölbten Verlauf (konkav und/oder konvex von einem Schaftwandabschnitt zu dem anderen Schaftwandabschnitt und/oder in ihrem Verlauf in Kolbenhubsachse 11 wird verwiesen, da dieser Verlauf hinsichtlich Masseneinsparung bei gleichzeitiger Beibehaltung der erforderlichen Festigkeit besonders wichtig ist. Die zurückliegenden Verbindungswände 6 weisen weiterhin eine Bolzenbohrung 7 zur Aufnahme eines Bolzens zur Verbindung des Kolbens 1 mit einem nicht dargestellten Pleuel auf. Innerhalb der Bolzenbohrung 7 ist eine Bolzenbohrungsachse 8 dargestellt. Der Kolbenboden 3 weist eine optionale Brennraummulde 10 auf. Weiterhin ist gezeigt, dass im Bereich des Kolbenbodens 3 zurückliegend hinter dem Ringfeld 4 und oberhalb der Bolzenbohrung 7 ein Freiraum 21 vorhanden ist.
Die Figur 3 zeigt eine Schnittansicht von unten eines erfindungsgemäßen Kolbens 1. Eine Wölbung 24 der Kastenwand 14 in einem unteren Scheitel 18 ist gegenläufig zu einer Wölbung 26 von inneren Nabenstirnflächen 17 und der Kastenwand 14 in einem oberen Scheitel 19. In der Figur 3 oben ist die Druckseite 12 des Kolbens 1 gezeigt und unten die Gegendruckseite 13. Der Verlauf und/oder die Erstreckung der Wölbung 24 hat darüber hinaus noch den Vorteil, dass ein Freiraum 21 im Innenbereich des Kolbens 1 geschaffen wird, der für den Spielbedarf eines nicht dargestellten Trapezpleuels, über das der Kolben 1 mit der ebenfalls nicht dargestellten Kurbelwelle verbindbar ist, erforderlich ist.
R1 kennzeichnet den Radius der Kastenwand 14 oberhalb der Bolzenbohrung 7. Mit R2 ist der Radius der Kastenwand 14 auf der Druckseite 12 des Kolbens 1 bezeichnet. R3 wiederum steht für den Radius der Kastenwand 14 auf der Gegendruckseite 13 des Kolbens 1.
Die Figur 4 zeigt eine weitere Schnittansicht von unten des Kolbens 1 gemäß Figur 3. Abgebildet ist die Position der Kastenwand 14 im unteren Scheitel 18. Eingezeichnet ist die Mittellinie 15 der Kastenwand 14 auf der Druckseite 12 des Kolbens 1 sowie die Mittellinie 16 der Kastenwand 14 auf der Gegendruckseite 13.
Die Figur 5 zeigt noch eine weitere Schnittansicht von unten des Kolbens 1 gemäß Figur 3, hier ist die Position der Kastenwand 14 im unteren Scheitel 18 dargestellt.
Mit "A" ist Abstand zwischen Mittellinie 15 der Kastenwand 14 auf der Druckseite 12 und der Mittellinie 25 des Kolbens 1 quer zur Bolzenbohrungsachse 8 bezeichnet. "B" kennzeichnet den Abstand zwischen Mittellinie 15 der Kastenwand 14 auf der Druckseite 12 und Mittellinie 25 des Kolbens 1 quer zur Bolzenbohrungsachse 8 am Umfang des Kolbens 1. "C" steht für den Abstand zwischen Mittellinie 16 der Kastenwand 14 auf der Gegendruckseite 13 und Mittellinie 25 des Kolbens quer zur Bolzenbohrungsachse 8. Mit "D" ist der Abstand zwischen Mittellinie 16 der Kastenwand 14 auf der Gegendruckseite 13 und Mittellinie 25 des Kolbens 1 quer zur Bolzenbohrungsachse 8 am Umfang des Kolbens 1.
Positionen der Schnittpunkte mit den geltenden Bedingungen

Position Schnittpunkt A: 20% bis 25% des Kolbendurchmessers 20

Position Schnittpunkt B: B < A

Position Schnittpunkt C: C < A

Position Schnittpunkt D: D < C
Die Figur 6 zeigt eine seitliche Schnittansicht (Gegendruckseite 13) des Kolbens 1 gemäß Figur 3 sowie zum Vergleich den Umriss eines Kolbens 101 gemäß Fig. 2, zur Darstellung der Position der Kastenwand 14. Die Figur 7 zeigt eine seitliche Schnittansicht (Druckseite 12) des Kolbens 1 gemäß Figur 3 sowie zum Vergleich den Umriss eines Kolbens 101 gemäß Fig. 2, zur Darstellung der Position der Kastenwand 14. Der Kolben 1 weist Freiräume 21 hinter dem Ringfeld 4 auf. Die Kastenwände 14 stehen enger als bei bisher üblichen Leichtbaukolben wie sie aus der DE 10 2005 041 002 A1 bekannt sind.
Mit "X1" ist ein Abstand zwischen den Kastenwänden auf der Gegendruckseite gemäß DE 10 2005 041 002 A1 bezeichnet. "X2" kennzeichnet den Abstand zwischen den Kastenwänden auf der Gegendruckseite gemäß dem Ausführungsbeispiel aus Figur 3. "Y1" bildet den Abstand zwischen den Kastenwänden auf der Druckseite gemäß DE 10 2005 041 002 A1 ab. "Y2" wiederum stellt den Abstand zwischen den Kastenwänden auf der Druckseite gemäß Ausführungsbeispiel aus Figur 3 dar.
Es gelten folgende Bedingungen: $X2 > X2 und Y1 > Y2$
Die Figur 8 zeigt eine seitliche Schnittansicht (Druckseite 12) des Kolbens 1 gemäß Figur 3 und die Figur 9 zeigt eine seitliche Schnittansicht (Druckseite 12) des Kolbens 1 gemäß Figur 3, deutlich zu erkennen ist die Position der Kastenwand 14. Durch die neu gestalteten Kastenwände 14 wird eine Reduzierung einer Auszugschräge 22 für die Gießwerkzeugeinsätze realisiert. Dies wiederum ermöglicht eine Vergrößerung der Freiräume 21 gegenüber Leichtbaukolben, wie sie aus der DE 10 2005 041 002 A1 bekannt sind, welches zu einer weiteren Massenreduzierung führt.
"W1" bezeichnet den Winkel der Auszugschräge 22 auf der Druckseite 12 des Kolbens 1. Mit "W2" ist der Winkel der Auszugschräge 22 auf der Gegendruckseite 13 des Kolbens 1 gekennzeichnet.
Es gilt die Bedingung: $W1 > W2$
In der Figur 10 ist eine Unteransicht des Kolbens 1 gemäß Figur 3 abgebildet. Der Kolben 1 weist geringere Schaftflächen im Bereich der Schaftwand abschnitte 5 auf der Druckseite 12 sowie auf der Gegendruckseite 13 zur Reduzierung der Reibung auf. Bei Kolben für Brennkraftmaschinen mit Kurbelwellenversatz ist ein Ausgleichen der Schaftflächen entsprechend den resultierenden Seitenkräften vorzunehmen. Dargestellt ist ein Kastenwandabstand 27 auf der Druckseite 12 sowie ein Kastenwandabstand 28 auf der Gegendruckseite 13. Weiterhin ist der Kolbendurchmesser 20 eingezeichnet.
Die Druckseite 12 weist einen Abstand der Schaftflächen bzw. Kastenwandabstand 27 zwischen 46% und 51% des Kolbendurchmessers 20 auf. Auf der Gegendruckseite 13 liegt ein Abstand der Schaftflächen bzw. ein Kastenwandabstand 28 zwischen 34% und 39% des Kolbendurchmessers 20 vor.
Aus dem Stand der Technik DE 10 2005 041 002 A1 sind Abstände der Schaftflächen auf der Druckseite zwischen 52% und 57% bekannt und auf der Gegendruckseite zwischen 40% und 45% des Kolbendurchmessers 20. Somit wurde eine deutliche Reduzierung der Schaftflächen erzielt.
Die Figur 11 zeigt eine Schnittansicht des Kolbens 1 gemäß Figur 3 quer zur Bolzenbohrungsachse 8 und die Figur 12 zeigt eine Schnittansicht des Kolbens 1 gemäß Figur 3 außerhalb der Bolzenbohrungsachse 8, aufgezeigt werden hier die Merkmale zur Massenreduzierung des Kolbens 1. Dargestellt ist ein Feuersteg 29, welcher an seiner größten Ausdehnung in Richtung des Kolbenbodens 3 einen Scheitelpunkt 30 ausbildet.
"X" beschreibt den Abstand zwischen der oberen Kante des Feuerstegs 29 und dem Scheitelpunkt 30 des Freiraums 21 quer zur Bolzenbohrungsachse 8. "Y" wiederum bildet den Abstand zwischen der oberen Kante des Feuerstegs 29 und dem Scheitelpunkt 30 des Freiraums 21 parallel zur Bolzenbohrungsachse 8 ab. "FS" stellt das Maß des Feuerstegs 29 dar. Das Maß X und/oder das Maß Y sind kleiner als das Maß FS, bevorzugt zwischen 65% und 90%.
Es gelten die Bedingungen $FS > X und FS > Y$
Die Figur 13 zeigt eine Schnittansicht eines Kolbens 1 gemäß Figur 3 längs der Bolzenbohrungsachse 8, erkennbar ist ein weiteres Merkmal zur Massenreduzierung. Die radiale Tiefe einer Aushebenut 23 weist das Maß Z mit einem Wert von größer oder gleich 4 mm auf.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: Kolben
2: Kolbenschaft
3: Kolbenboden
4: Ringfeld
5: Schaftwandabschnitt
6: Verbindungswand
7: Bolzenbohrung
8: Bolzenbohrungsachse
9: Ringnut
10: Brennraummulde
11: Kolbenhubachse
12: Druckseite
13: Gegendruckseite
14: Kastenwand
15: Mittellinie der Kastenwand auf der Druckseite
16: Mittellinie der Kastenwand auf der Gegendruckseite
17: Nabenstirnfläche
18: unterer Scheitel
19: oberer Scheitel
20: Kolbendurchmesser
21: Freiraum
22: Auszugschräge
23: Aushebenut
24: Wölbung der Kastenwand im unteren Scheitel
25: Mittellinie des Kolbens quer zur Bolzenbohrungsachse
26: Wölbung der Kastenwand im oberen Scheitel
27: Kastenwandabstand auf der Druckseite
28: Kastenwandabstand auf der Gegendruckseite
29: Feuersteg
30: Scheitelpunkt
101: Kolben aus dem Stand der Technik
102: Kolbenschaft
103: Kolbenboden
104: Ringfeld
105: Schaftwandabschnitt
106: Verbindungswand
107: Bolzenbohrung
109: Ringnut
110: Brennraummulde
111: Kolbenhubachse
121: Freiraum
126: Drainageöffnung

R1: Radius der Kastenwand oberhalb der Bolzenbohrung des Kolbens
R2: Radius der Kastenwand auf der Druckseite des Kolbens
R3: Radius der Kastenwand auf der Gegendruckseite des Kolbens
A: Abstand zwischen Mittellinie der Kastenwand auf der Druckseite und Mittellinie des Kolbens quer zur Bolzenbohrungsachse
B: Abstand zwischen Mittellinie der Kastenwand auf der Druckseite und Mittellinie des Kolbens quer zur Bolzenbohrungsachse am Umfang des Kolbens
C: Abstand zwischen Mittellinie der Kastenwand auf der Gegendruckseite und Mittellinie des Kolbens quer zur Bolzenbohrungsachse
D: Abstand zwischen Mittellinie der Kastenwand auf der Gegendruckseite und Mittellinie des Kolbens quer zur Bolzenbohrungsachse am Umfang des Kolbens
X1: Abstand zwischen den Kastenwänden auf der Gegendruckseite gemäß DE 10 2005 041 002 A1
X2: Abstand zwischen den Kastenwänden auf der Gegendruckseite gemäß Ausführungsbeispiel
Y1: Abstand zwischen den Kastenwänden auf der Druckseite gemäß DE 10 2005 041 002 A1
Y2: Abstand zwischen den Kastenwänden auf der Druckseite gemäß Ausführungsbeispiel
W1: Winkel der Auszugschräge auf der Druckseite des Kolbens
W2: Winkel der Auszugschräge auf der Gegendruckseite des Kolbens
X: Abstand zwischen der oberen Kante des Feuerstegs und dem Scheitelpunkt des Freiraums quer zur Bolzenbohrungsachse
Y: Abstand zwischen der oberen Kante des Feuerstegs und dem Scheitelpunkt des Freiraums parallel zur Bolzenbohrungsachse
Z: Radiale Tiefe der Aushebenut
FS: Ausdehnung des Feuerstegs

Claims

Kolben (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenschaft (2) und einem ein Ringfeld (4) aufweisenden daran angeordneten Kolbenboden (3), wobei der Kolbenschaft (2) tragende Schaftwandabschnitte (5) und zurückliegende Kastenwände (14) aufweist, die die Schaftwandabschnitte (5) miteinander verbinden und einen gewölbten Verlauf sowie eine Bolzenbohrung (7) aufweisen, wobei unterhalb des Ringfeldes (4) im Bereich der Bolzenbohrung (7) ein hinterschnittener Freiraum (21) im Bereich des Kolbenbodens (3) vorhanden ist, wobei der Kolben (1) eine Druckseite (12) und eine Gegendruckseite (13) aufweist, wobei der Kolben (1) auf seiner Druckseite (12) einen Kastenwandabstand (27) der Kastenwände (14) zwischen 35% und 51% des Kolbendurchmessers (20) aufweist und/oder dass der Kolben (1) auf seiner Gegendruckseite (13) einen Kastenwandabstand (28) der Kastenwände (14) zwischen 26% und 39% des Kolbendurchmessers (20) aufweist, wobei der Kastenwandabstand (27) der Druckseite (12) gemessen ist zwischen den Mittellinien (15) der gegenüberliegenden Kastenwände (14) auf der Druckseite (12) beim Durchtritt der jeweiligen Mittellinien (15) durch den Schaftwandabschnitt (5) auf der Druckseite (12), wobei weiterhin der Kastenwandabstand (28) der Gegendruckseite (13) gemessen ist zwischen den Mittellinien (16) der gegenüberliegenden Kastenwände (14) auf der Gegendruckseite (13) beim Durchtritt der jeweiligen Mittellinien (16) durch den Schaftwandabschnitt (5) auf der Gegendruckseite (13), wobei die Kastenwandabstände (27, 28) in einer Unteransicht auf den Kolben (1) gemessen sind, und wobei ein Abstand (X) zwischen einer oberen Kante eines Feuerstegs (29) und einem Scheitelpunkt (30) des Freiraums (21) quer zu einer Bolzenbohrungsachse (8) des Kolbens (1) kleiner ist als eine Ausdehnung (FS) des Feuerstegs (29).
Kolben (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) auf seiner Druckseite (12) einen Kastenwandabstand (27) der Kastenwände (14) zwischen 40% und 51%, bevorzugt zwischen 46% und 49% des Kolbendurchmessers (20) aufweist.
Kolben (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) auf seiner Gegendruckseite (13) einen Kastenwandabstand (28) der Kastenwände (14) zwischen 30% und 39%, bevorzugt zwischen 34% und 37% des Kolbendurchmessers (20) aufweist.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (Y) zwischen der oberen Kante des Feuerstegs (29) und dem Scheitelpunkt (30) des Freiraums (21) parallel zur Bolzenbohrungsachse (8) kleiner ist, als die Ausdehnung (FS) des Feuerstegs (29).
Kolben (1) nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (X) zwischen der oberen Kante des Feuerstegs (29) und dem Scheitelpunkt (30) des Freiraums (21) quer zur Bolzenbohrungsachse (8) des Kolbens (1) und/oder der Abstand (Y) zwischen der oberen Kante des Feuerstegs (29) und dem Scheitelpunkt (30) des Freiraums (21) parallel zur Bolzenbohrungsachse (8) zwischen 50% und 95%, bevorzugt zwischen 65% und 90%, kleiner sind als die Ausdehnung (FS) des Feuerstegs (29).
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Tiefe (Z) einer Aushebenut (23) ein Maß von größer oder gleich 2 mm, bevorzugt größer oder gleich 3 mm, insbesondere größer oder gleich 4 mm aufweist.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (A) zwischen der Mittellinie (15) der Kastenwand (14) auf der Druckseite (12) und einer Mittellinie (25) des Kolbens (1) quer zur Bolzenbohrungsachse (8) größer ist als ein Abstand (B) zwischen einer Mittellinie (15) der Kastenwand (14) auf der Druckseite (12) und der Mittellinie (25) des Kolbens (1) quer zur Bolzenbohrungsachse (8) am Umfang des Kolbens (1).
Kolben (1) nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (C) zwischen einer Mittellinie (16) der Kastenwand (14) auf der Gegendruckseite (13) und der Mittellinie (25) des Kolbens (1) quer zur Bolzenbohrungsachse (8) geringer ist als der Abstand (A) zwischen der Mittellinie (15) der Kastenwand (14) auf der Druckseite (12) und der Mittellinie (25) des Kolbens (1) quer zur Bolzenbohrungsachse (8).
Kolben (1) nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (D) zwischen der Mittellinie (16) der Kastenwand (14) auf der Gegendruckseite (13) und der Mittellinie (25) des Kolbens (1) quer zur Bolzenbohrungsachse (8) am Umfang des Kolbens (1) geringer ist als der Abstand (C) zwischen der Mittellinie (16) der Kastenwand (14) auf der Gegendruckseite (13) und der Mittellinie (25) des Kolbens (1 ) quer zur Bolzenbohrungsachse (8).
Kolben (1) nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Position eines Schnittpunktes zwischen dem Abstand (A) zwischen der Mittellinie (15) der Kastenwand (14) auf der Druckseite (12) und der Mittellinie (25) des Kolbens (1) quer zur Bolzenbohrungsachse (8) und der Mittellinie (15) der Kastenwand (14) 10% bis 35%, bevorzugt 15% bis 30%, insbesondere 20% bis 25% des Kolbendurchmessers (20) beträgt.