EP3551869A1 - Gewichtsoptimierter stahlkolben - Google Patents

Gewichtsoptimierter stahlkolben

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Publication number
EP3551869A1
EP3551869A1 EP17816622.9A EP17816622A EP3551869A1 EP 3551869 A1 EP3551869 A1 EP 3551869A1 EP 17816622 A EP17816622 A EP 17816622A EP 3551869 A1 EP3551869 A1 EP 3551869A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
wall sections
shaft wall
supporting shaft
rib
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Withdrawn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
EP17816622.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Albert Haberl
Thorsten Thomassen
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 EP3551869A1 publication Critical patent/EP3551869A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/005—Pistons; Trunk pistons; Plungers obtained by assembling several pieces

Definitions

  • the invention relates to a piston of an internal combustion engine, comprising an upper part with piston hubs and supporting shaft wall sections attached thereto, according to the features of the preamble of claim 1.
  • Pistons for internal combustion engines either have a cylindrical completely circumferential piston shaft which is arranged (appended) below an upper part of the piston. Or there are pistons in the so-called box design, wherein such piston-carrying shaft wall sections have, so that their piston shaft only partially present and not completely cylindrical is trained.
  • the supporting shaft wall sections are connected in their free-standing edge regions via connecting walls which extend in the direction of the piston bosses with these.
  • connecting walls it is necessary for the connecting walls to extend starting from each pin boss in the direction of the side areas of the supporting shaft wall sections.
  • the supporting shaft wall sections are arranged freestanding on the upper part without a connection to the piston hubs and that, starting from the lower side of the upper part, a rib extends in the direction of the inner side of the supporting shaft wall sections.
  • the known connecting walls which are present between the pin bosses and the side edges of the supporting shaft wall sections, replaced by only one rib, which forms a connection between the upper part of the piston, in particular the underside of the upper part, and the inside of the supporting shaft wall sections.
  • the weight of the piston is significantly reduced while realizing the connection of the supporting shaft wall sections to the upper part.
  • the design of the rib in particular its course, the shape and thickness of which is dependent on the support of the supporting shaft wall sections and thus to be chosen so that for the respective application of the piston in the internal combustion engine on the one hand, the required support of the supporting shaft wall sections and on the other the required flexibility of the supporting shaft wall sections is given during the movement of the piston in the cylinder of the internal combustion engine.
  • the piston according to the invention can be produced by the customary known production methods, for example in a casting method, but forging methods are also conceivable.
  • the piston with the free-standing arranged on the upper part supporting shaft wall sections, the pin bosses and the upper part is produced in one piece by one of the said methods.
  • the course of the rib is basically adapted to the load requirements variable in height, preferably extending to at most the lower end of the piston.
  • the rib extends to the lower edge of the supporting shaft wall sections. While it is in principle conceivable not to guide the rib to the lower edge and to let it run out in the course of the tegenden stem wall sections (with respect to the Kolbenhubachse), the course of the rib is up to the lower edge of the skirt wall sections of particular advantage to erforderli - To realize arrangement and support of the supporting shaft wall sections on the upper part of the piston.
  • the rib extends centrally in the inner region of the piston. This means that the rib passes through the piston stroke axis.
  • the supporting shaft wall sections are completely free-standing and connected only via the rib on the upper part. While it is fundamentally conceivable that the load-bearing shaft wall sections are arranged and connected directly to the underside of the upper part, it is also conceivable to form the load-bearing shaft wall sections completely free-standing and to connect only via the rib to the upper part, in particular its lower side.
  • Such an embodiment lends itself when the upper part with its appending pin bosses and possibly also the rib is produced integrally in a suitable method and the supporting shaft wall sections are realized separately from it. If this is done, the supporting shaft wall sections are added as individual parts to the rib without connection, in particular without joint connection, to the underside of the upper part only on the rib. This reduces the weight of the Reduce the piston further, because the surface of the supporting shaft wall sections must be formed only as large as it is required to support the piston in the cylinder internal combustion engine.
  • the load-bearing shaft wall sections have a recess. By such a recess can also reduce the weight of the piston, without the area required to support the piston in the cylinder internal combustion engine is reduced adversely. In a particularly advantageous manner, the indentation runs parallel to the piston stroke axis, although other orientations are conceivable.
  • FIGS. 1 to 4 show a first exemplary embodiment of a piston 1 of an internal combustion engine.
  • the piston 1 has an upper part 2 with piston hubs 3 attached thereto, in each of which a bolt bore 4 is located, and supporting shaft wall sections 5.
  • the supporting shaft wall sections 5 are arranged free-standing on three sides on the upper part 2, wherein the fourth side has a direct connection (integral or attached) to the upper part 2, in particular its lower side.
  • the supporting shaft wall sections 5 are supported by a rib 6 extending from the underside of the upper part 2 in the direction of the inside of the supporting shaft wall sections 5. This rib 6 is formed centrally symmetrically and extends through the piston stroke axis.
  • the piston 1 shown in Figures 1 to 4 may have a cooling channel 7, as well as a combustion bowl 8, but need not. If a cooling channel 7 is present, it is closed in a manner known per se on its underside and has an inlet and an outlet opening in order to introduce a cooling medium into the cooling channel 7, to circulate there and to discharge it from the cooling channel 7 again. In the event that the cooling channel 7 is interrupted by the rib 6, it is conceivable that two cooling channel parts, in particular cooling channel halves, are formed or that a transfer opening is provided in the rib 6.
  • the cooling channel 7 shown in particular in Figure 3 does not necessarily serve as a cooling channel, but can also be easily available as a free space for further weight reduction in the upper part 2.
  • FIGS 6 to 7 show a similar embodiment of a piston 1, wherein the same elements are provided in these figures with the same reference numerals, as already in Figures 1 to 4.
  • the supporting shaft wall sections 5 have a recess 9. This recess 9 is parallel to the Kolbenhubachse, but may also have a different orientation.
  • This embodiment is particularly useful when not only the weight of the piston 1 is to be further reduced, but also if, for example, the upper part 2 and the rib 6 are made in one piece in a suitable method and the supporting shaft wall sections 5 as separate components thereof and then the supporting shaft wall sections 5 are arranged on the rib 6 by means of a suitable method (such as, for example, welding, soldering, gluing or the like) and are intended to be fixed inseparably.

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Abstract

Kolben (1) einer Brennkraftmaschine, aufweisend ein Oberteil (2) mit daran anhängenden Kolbennaben (3) und tragenden Schaftwandabschnitten (5), wobei die tragenden Schaftwandabschnitte (5) freistehend an dem Oberteil (2) ohne eine Anbindung an die Kolbennaben (3) angeordnet sind und dass ausgehend von der Unterseite des Oberteiles (2) in Richtung der Innenseite der tragenden Schaftwandabschnitte (5) eine Rippe (6) verläuft.

Description

Gewichtsoptimierter Stählkolben
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine, aufweisend ein Oberteil mit daran anhängenden Kolbennaben und tragenden Schaftwandabschnitten, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Kolben für Brennkraftmaschinen weisen entweder einen zylinderförmigen vollständig umlaufenden Kolbenschaft auf, der unterhalb eines Oberteiles des Kolbens angeordnet (angehangen) ist Oder es gibt Kolben im sogenannten Kastendesign, wobei sol- che Kolben tragende Schaftwandabschnitte aufweisen, sodass deren Kolbenschaft nur abschnittsweise vorhanden und nicht vollständig zylinderförmig ausgebildet ist. Die tragenden Schaftwandabschnitte sind in ihren freistehenden Randbereichen über Verbindungswände, die sich in Richtung der Kolbennaben erstrecken, mit diesen verbunden. Hierdurch wird eine erforderliche Abstützung der tragenden Schaftwand- abschnitte während des Betriebes des Kolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine erzielt. Hierzu ist es erforderlich, dass sich die Verbindungswände von jeder Bolzennabe ausgehend in Richtung der Seitenbereiche der tragenden Schaftwandabschnitte erstrecken. Durch diese insgesamt vierfache Ausführung der Verbindungswände erhöht sich das Material des Kolbens, um die erforderliche Abstützung der tragenden Schaftwandabschnitte an dem Oberteil zu erzielen. Ein Beispiel für ein solches Kastendesign eines Kolbens ist aus der DE 101 45 589 bekannt. Mit diesem Design des bekannten Kolbens wird zwar bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung die erforderliche Schaftwandsteifigkeit bei gleichzeitig erforderlicher Nachgiebigkeit der tragenden Schaftwandabschnitte erzielt. Allerdings ist ein solcher Kolben noch nicht zufrieden- stellend hinsichtlich seines Gewichtes. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden und der hinsichtlich seines Gewichtes, insbesondere hinsichtlich einer Gewichts- reduzierung, weiter optimiert ist.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die tragenden Schaftwandabschnitte freiste- hend an dem Oberteil ohne eine Anbindung an die Kolbennaben angeordnet sind und dass ausgehend von der Unterseite des Oberteiles in Richtung der Innenseite der tragenden Schaftwandabschnitte eine Rippe verläuft. Nach der Erfindung werden somit die bekannten Verbindungswände, die zwischen den Bolzennaben und den Seitenrändern der tragenden Schaftwandabschnitte vorhanden sind, ersetzt durch nur noch eine Rippe, die eine Verbindung darstellt zwischen dem Oberteil des Kolbens, insbesondere der Unterseite des Oberteiles, und der Innenseite der tragenden Schaftwandabschnitte. Dadurch wird das Gewicht des Kolbens deutlich reduziert und gleichzeitig die Anbindung der tragenden Schaftwandabschnitte an das Oberteil realisiert. Die Ausgestaltung der Rippe, insbesondere deren Verlauf, deren Form und deren Dicke ist abhängig von der Abstützung der tragenden Schaftwandabschnitte und somit so zu wählen, dass für den jeweiligen Einsatzzweck des Kolbens in der Brennkraftmaschine zum Einen die erforderliche Abstützung der tragenden Schaftwandabschnitte erfolgt und zum Anderen die erforderliche Nachgiebigkeit der tragenden Schaftwandabschnitte während der Bewegung des Kolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine gegeben ist.
Der erfindungsgemäße Kolben lässt sich nach den üblichen bekannten Herstellungsverfahren herstellen, beispielsweise in einem Gießverfahren, wobei jedoch auch Schmiedeverfahren denkbar sind. In besonders vorteilhafter Weise wird der Kolben mit den freistehend an dem Oberteil angeordneten tragenden Schaftwandabschnitten, den Bolzennaben und dem Oberteil einstückig nach einem der genannten Verfahren hergestellt. Es ist auch denkbar, die einzelnen Elemente (wie Schaftwandabschnitte, Bolzennaben, Oberteil und dergleichen) als Einzelteile herzustellen und diese durch ein Fügeverfahren unlösbar miteinander zu verbinden. Insbesondere kann daran gedacht werden, dass Oberteil einstückig mit den anhängenden Kolbennaben in einem geeigneten Verfahren herzustellen und separat davon die Rippe und die tragenden Schaftwandabschnitte herzustellen, die danach mittels eines geeigneten Fügeverfahrens an dem vorbereiteten Oberteil des Kolbens mit seinen Bolzen naben angefügt werden.
Der Verlauf der Rippe ist grundsätzlich den Belastungsanforderungen angepasst in der Höhe variabel, vorzugsweise bis maximal an das untere Kolbenende verlaufend. In Weiterbildung der Erfindung verläuft die Rippe bis an die Unterkante der tragenden Schaftwandabschnitte. Während es grundsätzlich denkbar ist, die Rippe nicht bis an die Unterkante zu führen und im Verlauf der teigenden Schaftwandabschnitte (mit Bezug auf die Kolbenhubachse) auslaufen zu lassen, ist der Verlauf der Rippe bis an die Unterkante der Schaftwandabschnitte von besonderem Vorteil, um die erforderli- che Anordnung und AbStützung der tragenden Schaftwandabschnitte an dem Oberteil des Kolbens zu realisieren.
In Weiterbildung der Erfindung verläuft die Rippe mittig in dem Innenbereich des Kolbens. Das bedeutet, dass die Rippe durch die Kolbenhubachse verläuft. Dies hat den Vorteil, dass dadurch der Kolben spiegelsymmetrisch ausgestaltet werden kann und sich dadurch das angewendete Herstellungsverfahren vereinfachen lässt in Weiterbildung der Erfindung sind die tragenden Schaftwandabschnitte vollständig freistehend ausgebildet und nur über die Rippe an dem Oberteil angebunden. Wäh- rend es grundsätzlich denkbar ist, dass die tragenden Schaftwandabschnitte direkt an der Unterseite des Oberteiles angeordnet und angebunden sind, ist es auch denkbar, die tragenden Schaftwand abschnitte vollständig freistehend auszubilden und nur über die Rippe an dem Oberteil, insbesondere dessen Unterseite, anzubinden. Eine solche Ausführung bietet sich an, wenn das Oberteil mit seinen anhängen- den Bolzennaben und ggf. auch der Rippe in einem geeigneten Verfahren einstückig hergestellt werden und die tragenden Schaftwandabschnitte separat davon realisiert werden. Ist dies erfolgt, werden die tragenden Schaftwandabschnitte als Einzelteile an der Rippe ohne Verbindung, insbesondere ohne Fügeverbindung, an die Unterseite des Oberteiles nur an der Rippe angefügt. Dadurch lässt sich das Gewicht des Kolbens weiter reduzieren, weil die Fläche der tragenden Schaftwandabschnitte nur so groß ausgebildet werden muss, wie es zur Abstützung des Kolbens im Zylinder Brennkraftmaschine erforderlich ist. In Weiterbildung der Erfindung weisen die tragenden Schaftwandabschnitte eine Einbuchtung auf. Durch eine solche Einbuchtung lässt sich ebenfalls das Gewicht des Kolbens reduzieren, ohne dass die Fläche, die zur Abstützung des Kolbens im Zylinder Brennkraftmaschine erforderlich ist, in nachteiliger Weise reduziert wird. In besonders vorteilhafter Weise verläuft die Einbuchtung parallel zu der Kolben- hubachse, wobei jedoch auch andere Ausrichtungen denkbar sind.
Ausführungsbeispiele eines Kolbens nach der Erfindung werden im Folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert. In den Figuren 1 bis 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kolbens 1 einer Brennkraftmaschine gezeigt. Der Kolben 1 weist ein Oberteil 2 mit daran anhängenden Kolbennaben 3, in denen sich jeweils eine Bolzenbohrung 4 befindet, und tragende Schaftwandabschnitte 5 auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die tragenden Schaftwandabschnitte 5 an drei Seiten freistehend an dem Oberteil 2 angeord- net, wobei die vierte Seite eine direkte Verbindung {einstückig oder angefügt) zu dem Oberteil 2, insbesondere dessen Unterseite, aufweist. Die tragenden Schaftwandabschnitte 5 werden abgestützt von einer ausgehend von der Unterseite des Oberteiles 2 in Richtung der Innenseite der tragenden Schaftwandabschnitte 5 verlaufenden Rippe 6. Diese Rippe 6 ist mittig symmetrisch ausgebildet und verläuft durch die Kol- benhubachse.
Der in den Figuren 1 bis 4 gezeigt Kolben 1 kann einen Kühlkanal 7 aufweisen, genauso wie eine Brennraummulde 8, muss es aber nicht. Ist ein Kühlkanal 7 vorhanden, wird dieser in an sich bekannter Weise an seiner Unterseite verschlossen und weist eine Zulauf- und eine Ablauföffnung auf, um ein Kühlmedium in den Kühlkanal 7 einzubringen, dort zirkulieren zu lassen und aus dem Kühlkanal 7 wieder abzuführen. Für den Fall, dass der Kühlkanal 7 von der Rippe 6 unterbrochen wird, ist es denkbar, dass zwei Kühlkanalteile, insbesondere Kühlkanalhälften, ausgebildet sind oder dass eine Übertrittsöffnung in der Rippe 6 vorgesehen wird. Der insbesondere in der Figur 3 dargestellte Kühlkanal 7 muss nicht unbedingt als Kühlkanal dienen, sondern kann auch einfach als Freiraum zur weiteren Gewichtsreduzierung in de Oberteil 2 vorhanden sein.
Die Figuren 6 bis 7 zeigen ein ähnliches Ausführungsbeispiel eines Kolbens 1 , wobei gleiche Elemente in diesen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind, wie schon in den Figuren 1 bis 4. Hierbei ist insbesondere dargestellt, dass die tragenden Schaftwandabschnitte 5 eine Einbuchtung 9 aufweisen. Diese Einbuchtung 9 verläuft parallel zu der Kolbenhubachse, kann jedoch auch eine andere Ausrichtung aufweisen.
Während in den vorangegangenen Figuren dargestellt und beschrieben worden ist, dass die tragenden Schaftwandabschnitte 5 mit drei Seiten freistehend an dem Oberteil 2 über die vierte Seite angeordnet sind, ist in den Figuren 8 bis 10 dargestellt, dass die tragenden Schaftwandabschnitte 5 vollständig freistehend nur über die Rippe 6 an der Unterseite des Oberteiles 2 angeordnet sind. Das bedeutet, dass die tragenden Schaftwandabschnitte 5 vier frei Seiten aufweisen und nur über ihre Innen- seite und den Verlauf der Rippe mit dem Oberteil 2, insbesondere an dessen Unterseite, angebunden sind. Diese Ausgestaltung bietet sich insbesondere dann an, wenn nicht nur das Gewicht des Kolbens 1 weiter reduziert werden soll, sondern wenn auch beispielsweise das Oberteil 2 und die Rippe 6 einstückig in einem geeigneten Verfahren und die tragenden Schaftwandabschnitte 5 als separate Bauteile davon hergestellt werden und anschließend die tragenden Schaftwandabschnitte 5 über ein geeignetes Verfahren (wie z.B. Schweißen, Löten, Kleben oder dergleichen) an der Rippe 6 angeordnet und unlösbar befestigt werden sollen. BezugszeiGhenliste
1. Kolben
2. Oberteil
3. Kolben nabe
4. Bolzenbohrung
5. Tragender Schaftwandabschnitt
6. Rippe
7. Kühlkanal
8. Brennraummulde
9. Einbuchtung

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Kolben (1) einer Brennkraftmaschine, aufweisend ein Oberteil (2) mit daran anhängenden Kolbennaben (3) und tragenden Schaftwandabschnitten (5), dadurch gekennzeichnet, dass die tragenden Schaftwandabschnitte (5) freistehend an dem Oberteil (2) ohne eine Anbindung an die Koibennaben (3) angeordnet sind und dass ausgehend von der Unterseite des Oberteiles (2) in Richtung der Innenseite der tragenden Schaftwand abschnitte (5) eine Rippe (6) verläuft.
2. Kolben (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (6) bis an die Unterkante der tragenden Schaftwandabschnitte (5) verläuft.
3. Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (6) mittig in dem Innenbereich des Kolbens (1) verläuft.
4. Kolben (1) nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die tragenden Schaftwandabschnitte (5) vollständig freistehend ausgebildet und nur über die die Rippe (6) an dem Oberteil (2) angebunden sind.
5. Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die tragenden Schaftwandabschnitte (5) eine Einbuchtung (9) aufweisen.
6. Kolben (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbuchtung (9) der tragenden Schaftwandabschnitte (5) parallel zu einer Kolbenhubachse ausgerichtet ist.
EP17816622.9A 2016-12-06 2017-12-06 Gewichtsoptimierter stahlkolben Withdrawn EP3551869A1 (de)

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DE102016123573 2016-12-06
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