ES2232357T3 - Piston para un motor de combustion interna. - Google Patents
Piston para un motor de combustion interna.Info
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Abstract
Pistón (1) para un motor de combustión interna, que presenta un cuerpo de pistón (2) dotado de un agujero de bulón (4) y un campo anular (3) adyacente al mismo, extendiéndose dos almas (7) desde el agujero de bulón (4) en la superficie exterior del pistón (1) en dirección al campo anular (3) y formando las almas (7) una ventana de bulón (9), y estando dispuesto un cubo exterior (5) al menos en parte en torno al agujero de bulón (4), caracterizado porque el cuerpo (2) del pistón está dispuesto sin interrupción por debajo del campo anular (3) y el cubo exterior (5), junto con las almas (7) y un canto inferior (8) del campo anular (3), forma la ventana de bulón (9), y la superficie de la ventana de bulón (9) está situada en posición más baja que una superficie de ventana (6) dispuesta en torno al cubo exterior (5).
Description
Pistón para un motor de combustión interna.
La invención concierne a un pistón, especialmente
un pistón para un motor de combustión interna, según las
características del preámbulo de la reivindicación 1.
Los pistones, especialmente para motores de
combustión interna, son en general conocidos. Un pistón de esta
clase consiste en un cuerpo de pistón y un campo anular adyacente
al cuerpo de pistón, estando vuelto el lado superior del campo
anular hacia la cámara de combustión del motor de combustión
interna. En el cuerpo del pistón se encuentra un agujero de bulón
destinado a recibir un bulón por medio del cual el pistón está
unido con la biela.
Un pistón de esta clase está sometido en
funcionamiento no sólo a altas solicitaciones térmicas, sino
también a fuertes solicitaciones de presión que son generadas por
la combustión y la presión de gas resultante de ella. Debido a
dilataciones y recalcados producidos por la presión de encendido se
originan tensiones de tracción y de compresión en la cabeza del
pistón, haciendo esta presión de encendido que la cabeza del pistón
se abombe o se hunda. Este efecto es reforzado aún durante el
funcionamiento del pistón por el hecho de que a través de la biela
y el bulón actúan grandes fuerzas sobre la cabeza del pistón desde
el otro lado de este último.
Para mejorar la combustión y el comportamiento de
los gases de escape de motores de combustión interna, los pistones
modernos tienen concavidades con destalonado construidas en forma
geométricamente complicada en la cabeza del pistón, de modo que las
tensiones de tracción y de compresión mencionadas no sólo actúan
sobre una cabeza de pistón plana, sino también sobre la estructura
compleja de la concavidad. Así, se producen también de manera
desventajosa tensiones de tracción y de compresión en la zona del
borde de la concavidad, con lo que se origina muy rápidamente una
fragmentación del pistón debido a las fuerzas aplicadas en la zona
del borde de la concavidad. Esto tiene efectos fatales sobre el
motor de combustión interna, ya que éste resulta destruido sin
previo aviso.
Se han adoptado ya medidas para reducir las
tensiones de tracción o las tensiones de compresión en la zona de
la cabeza del pistón. Así, por ejemplo, el diámetro del bulón del
pistón o la longitud de este bulón influye sobre las tensiones de
tracción aplicadas o sobre las tensiones de compresión aplicadas.
Sin embargo, estas medidas adolecen del importante inconveniente,
de que, en caso de que se modifique un tamaño geométrico del
pistón, se reducen las tensiones de tracción, pero al mismo tiempo
se aumentan las tensiones de compresión, o bien se invierte el
proceso, es decir que se reducen las tensiones de compresión
mientras vuelven a aumentar las tensiones de tracción. Debido a
esta aumento no deseado de la tensión de tracción o de la tensión
de compresión durante el funcionamiento del pistón se pueden
producir nuevamente destrozos en el pistón, por lo que estas
medidas adoptadas no son satisfactorias.
Se conoce ya por los documentos DE 876 338 B y DE
539 906 A un pistón que presenta un cuerpo de pistón dotado de un
agujero de bulón y un campo anular adyacente al mismo. En este
pistón están previstos en la zona interior varios resaltos
longitudinalmente extendidos en torno al agujero del bulón. En la
zona interior está dispuesto aquí un resalto exactamente sobre el
eje del agujero del bulón en la dirección de la cabeza del pistón,
con lo que la zona de la cabeza del pistón es solicitada durante el
funcionamiento del pistón con tensiones de compresión muy altas.
Esto quiere decir que la evolución de la presión en la zona de la
cabeza del pistón experimenta en el centro una desviación muy
fuerte. En el pistón conocido esta desviación muy fuerte de la
evolución de la presión no tiene importancia alguna, ya que la zona
de la cabeza del pistón no presenta ninguna concavidad y, por
tanto, es de construcción muy robusta y pesada. Con la disposición
de un resalto que está situado sobre el eje del agujero de bulón
que se extiende en la dirección de la zona de la cabeza del pistón
se presentan en esta zona, en la que se encuentra la concavidad en
pistones modernos, unas cargas muy fuertes que conducen a un
debilitamiento o una destrucción del pistón.
Se conoce por el documento
GB-A-405071 un pistón para un motor
de combustión interna que presenta un cuerpo de pistón dotado de un
agujero de bulón y un campo anular adyacente al mismo, en donde,
partiendo del agujero de bulón, se extienden sobre la superficie
exterior del pistón dos almas en dirección al campo anular y las
almas forman una ventana de bulón, y un cubo exterior está
dispuesto al menos en parte en torno al agujero de bulón. En este
pistón conocido la cabeza del pistón dotada del campo anular y el
cuerpo del pistón están unidos entre sí a través de dos almas,
estando presente entre la cabeza y el cuerpo del pistón un rebajo
que se extienden radialmente en torno a las almas y que, a las
presiones de combustión de los modernos motores de combustión
interna, conduce a una deformación no deseada de la cabeza del
pistón a fin de observar las prescripciones establecidas de
protección del medio ambiente.
Por tanto, la invención se basa en el problema de
mejorar un pistón, especialmente un pistón para un motor de
combustión interna, de tal manera que se eviten destrozos y se
aminoren las tensiones dentro del pistón.
Este problema se resuelve con las características
de la reivindicación 1.
Partiendo del agujero de bulón, se han previsto
en la superficie exterior del pistón unas almas que se extienden
en dirección al campo anular, formando las almas una ventana de
bulón. Se proporciona así una aplicación de fuerza muy alta, de
modo que las fuerzas que se introducen en la zona de la cabeza del
pistón (fuerzas de presión de gas) se pueden apoyar sobre la biela
a través de las almas y el agujero de bulón, y viceversa. Resulta
de esto, como se ha comprobado, una reducción importante y
simultánea de las tensiones de tracción y de compresión, de modo
que en la zona de la cabeza del pistón es sensiblemente más
uniforme la distribución de estas tensiones y se evitan destrozos
con eficacia. Particularmente en el caso de una concavidad de
forma compleja en la zona de la cabeza del pistón, se evita que la
zona del borde de la concavidad sea debilitada por las fuerzas
introducidas y se puedan producir así destrozos. Es importante que
al menos dos almas se extiendan desde el agujero de bulón en
dirección al campo anular, de modo que se ajuste así una evolución
de la fuerza aproximadamente de forma ondulada en la zona de la
cabeza del pistón y se evite con ello una deformación en arco de la
cabeza del pistón en torno al bulón que tenga como consecuencia una
alta tensión de tracción.
Otra ventaja de las almas según la invención
reside en que éstas se pueden prever ya en el molde de fundición
del pistón, de modo que el apuntalamiento deliberado de las fuerzas
y la reducción importante de las tensiones de tracción y de
compresión pueden ser logrados a un coste extraordinariamente bajo.
Además, se suprime una mecanización posterior del pistón con
respecto a las almas cuando éstas están integradas ya en el molde
de fundición. Asimismo, la aplicación de las almas según la
invención es independiente del material con el que se fabrique el
pistón.
Además, al menos en parte en torno al agujero de
bulón está dispuesto un cubo exterior que forma la ventana de bulón
junto con las almas y el canto inferior del campo anular. Mediante
el cubo exterior dispuesto en torno al agujero de bulón se refuerza
este agujero de bulón, pero al mismo tiempo se ahorra material en
torno al cubo exterior, con lo que esto conduce a una eficaz
reducción del peso del pistón. Junto con el canto inferior del
campo anular y las almas, una zona parcial del cubo exterior abraza
a la ventana de bulón, de modo que, con un apuntamiento de fuerzas
muy bueno, se ahorra al mismo tiempo material para aumentar así la
reducción del peso, puesto que, cuando la zona de la ventana de
bulón está llena también de material, de modo que una zona parcial
del cubo exterior, junto con las almas y la ventana de bulón
rellena, daría como resultado una zona de una sola superficie, no
sólo se incrementaría el peso del pistón, sino que se perdería
también el apuntalamiento de las fuerzas, ya que las fuerzas pueden
actuar nuevamente a través de esta zona de una sola superficie
sobre la cabeza del pistón a lo largo de una ancha zona, con lo que
se produciría nuevamente de manera desventajosa una deformación en
arco de la zona de la cabeza del pistón, la cual es evitada
eficazmente con las almas y la ventana del bulón.
En un perfeccionamiento de la invención la
superficie de las almas está dispuesta en posición paralela,
inclinada o bombeada con respecto a la superficie del pistón. Se
sobrentiende de por sí que la superficie de las almas está
retranqueada al menos en una medida extraordinariamente reducida
con respecto a la superficie (superficie de deslizamiento) del
pistón. Esto puede tener lugar de tal manera que la superficie de
las almas esté retranqueada en paralelo con respecto a la
superficie de deslizamiento del pistón, siendo imaginable también
una superficie inclinada o bombeada con respecto a la superficie de
deslizamiento del pistón. Una inclinación preferida, pero no
forzosamente necesaria, puede verse en una orientación tal que la
superficie de las almas, en la zona del agujero de bulón o del cubo
exterior del agujero de bulón, esté situada más atrás de la
superficie de deslizamiento del pistón que la superficie de las
almas situadas en la zona del canto inferior del campo anular. Se
podría pensar también en realizar la superficie de las almas en
forma de garganta hueca, de modo que, conservando una estabilidad
suficiente, se reduzca aún más el peso.
En un perfeccionamiento de la invención las almas
discurren paralelas una a otra desde el agujero de bulón en
dirección al campo anular. Las almas pueden estar dispuestas aquí
dentro del diámetro del agujero del bulón, unirse tangencialmente al
perímetro exterior del agujero del bulón o bien estar dispuestas
fuera del diámetro del agujero del bulón. De manera especialmente
ventajosa, las almas están dispuestas en posición aproximadamente
tangencial al perímetro exterior del agujero del bulón para lograr
así un apuntalamiento de fuerzas especialmente óptimo.
En un perfeccionamiento de la invención las almas
discurren oblicuamente una respecto de otra desde el agujero del
bulón en dirección al campo anular. Las almas discurren aquí
aproximadamente en forma de V, siendo imaginables ejecuciones en
las que las almas pueden discurrir en su prolongación a través del
eje del agujero del bulón o fuera del eje.
En un perfeccionamiento de la invención las almas
son de construcción recta y/o de forma de arco. Según la
configuración geométrica del bulón, puede ser ventajoso que, para
lograr un apuntalamiento de fuerzas óptimo, las almas estén
configuradas en forma recta o en forma de arco. Por tanto, están
disponibles varias posibilidades para configurar las almas con
miras a un apuntalamiento de fuerzas óptimo y una reducción óptima
de las tensiones de tracción y de compresión.
En un perfeccionamiento de la invención la
superficie de la ventaja del bulón está situada en posición más
baja que una superficie de ventana en torno al cubo exterior del
agujero del bulón. De este modo, conservando al mismo tiempo el
apuntalamiento óptimo de las fuerzas, se puede reducir aún más el
peso del pistón, pudiendo verse una ventaja adicional en que este
posicionamiento más bajo de la ventana del bulón puede tenerse ya
en cuenta en el molde de fundición para el pistón y, por tanto, no
conduce a mayores costes para la fabricación del pistón. Aparte del
ahorro de peso, se proporciona también la ventaja del ahorro de
material y, por tanto, una reducción de costes, haciéndose esto
perceptible en forma positiva precisamente en una producción en
serie con grandes números de unidades (
\abreexcla{3}
final de cinta !!!).
En lo que sigue se explican y se describen con
ayuda de las figuras diferentes formas de ejecución del pistón
según la invención, a las cuales, sin embargo, no se limita esta
última, así como evoluciones de tensiones en la zona de la cabeza
del pistón según el estado de la técnica y del pistón según la
invención.
Muestran:
La figura 1, un pistón construido según la
invención,
La figura 2, un pistón construido según la
invención en otra forma de ejecución,
Las figuras 3 y 4, pistones según el estado de la
técnica y combaduras, así como evoluciones de tensiones en la zona
de la cabeza del pistón, y
La figura 5, un pistón según la invención y las
combaduras y la evolución de las tensiones en la zona de la cabeza
del pistón.
La figura 1 muestra un pistón 1 construido según
la invención, que presenta un cuerpo de pistón 2 y un campo anular
3 adyacente a dicho cuerpo de pistón 2. En la zona del cuerpo 2 del
pistón está presente de manera en sí conocida un agujero de bulón 4
destinado a recibir un bulón con el cual se une el pistón 1 a
través de una biela no mostrada. En la forma de ejecución mostrada
en la figura 1 está dispuesto en torno al agujero de bulón 4 un
cubo exterior 5, de modo que por medio del cubo exterior 5 y la
superficie de ventana 6 existente alrededor del mismo, que está
situada en posición más baja, se logran tanto un refuerzo del
agujero 4 del bulón como también un ahorro de peso. Si esta
superficie de ventana 6 situada en posición más baja estuviera
presente también en la zona comprendida entre el cubo exterior 5 y
el canto inferior del campo anular 3, se produciría así un
debilitamiento del pistón 1 que conduciría de manera desventajosa a
las tensiones ya descritas en la zona de la cabeza del pistón
(véase a este respecto también la figura 3).
Por tanto, según la invención, se han previsto
unas almas 7 que se extienden desde el cubo exterior 5 en
dirección al campo anular 3. Mediante al zona parcial del cubo
exterior 5, las dos almas 7, que discurren aquí oblicuamente, y el
canto inferior del campo anular 3, designado con el número de
referencia 8, se genera una ventana de bulón 9, con lo que se logra
el apuntalamiento de fuerzas óptimo ya descrito, acompañado de un
ahorro de peso. La superficie en la profundidad de la ventana del
bulón 9 puede estar situada al mismo nivel que la superficie de
ventana 6; es imaginable también que la superficie de la ventana de
bulón 9 esté dispuesta en posición más baja con respecto a la
superficie de ventana 6 para ahorrar más material. Según la
construcción y la ejecución geométrica del pistón 1, es imaginable
también que la ventana de bulón 9 se extienda sobre el bulón hasta
alcanzar el centro del pistón 1.
En la figura 1 se muestra que las dos almas 7
discurren oblicuamente una respecto de otra. Para el apuntalamiento
de fuerzas óptimo es necesario que las almas 7 se apliquen
tangencialmente al diámetro interior del agujero de bulón 4 o estén
dispuestas más allá en dirección al eje central del agujero de bulón
4. Es imaginable también ciertamente una disposición oblicua de
las almas 7 fuera del agujero de bulón 4 o tangencialmente a este
agujero de bulón 4, pero entonces la acción del apuntalamiento de
fuerzas no es tan óptima como cuando las almas 7 están dispuestas
dentro del agujero de bulón 4. Asimismo, los ejes longitudinales de
las almas 7 pueden cortar, pero no tienen que hacerlo, el eje
central del agujero de bulón 4.
En la figura 2 se muestra en forma fragmentaria
el pistón 1 ya mostrado en la figura 1, habiéndose representado
aquí que las almas 7 discurren paralelas una a otra. En esta forma
de ejecución las almas 7 discurren aproximadamente tangenciales al
agujero de bulón 4, siendo imaginable también que las almas 7
puedan discurrir paralelas una a otra por dentro del agujero de
bulón 4 o por fuera del mismo.
Con respecto a las almas 7, tanto discurriendo
oblicuamente como discurriente en paralelo, cabe mencionar aún que
éstas, según la configuración geométrica del pistón 1, no sólo
tienen que discurrir desde el agujero de bulón 4 (o desde el cubo
exterior 5) en dirección al canto inferior 8 del campo anular 3,
sino que es imaginable también que estas almas puedan extenderse
desde el agujero de bulón 4 en dirección al canto inferior del
cuerpo 2 del pistón (es decir, el extremo alejado del campo anular
3). Asimismo, cabe mencionar aún que la ventana de bulón 9 no tiene
que estar formado planoparalela o paralela a la superficie de
deslizamiento del pistón 1, sino que puede ser reforzada por
acumulación de material (transición redondeada) precisamente en la
zona de transición a las almas 7 o al canto inferior 8 o al cubo
exterior 5. Resulta así también un mejor apuntalamiento de las
fuerzas. Mientras que hasta ahora se han mostrado disposiciones
simétricas de las almas 7, son posibles también, según la geometría
del pistón, disposiciones asimétricas de las almas 7 y
eventualmente, según la evolución de las fuerzas, se preferirán
estas últimas disposiciones.
En las figuras 3 y 4 se muestran ejecuciones de
pistones en las que tiene lugar de manera desventajosa una
deformación de la zona de la cabeza del pistón.
En la forma de ejecución mostrada en la figura 3
se encuentra a la derecha y a la izquierda y en la zona
comprendida entre el agujero de bulón y el canto inferior del campo
anular (que se ha representado aquí en forma simplificada) una zona
continua que está provista del número de referencia 10 y que se ha
representado en forma rayada. Debido a esta zona continua 10 se
produce la evolución de tensiones 11 mostrada por encima del pistón
1, correspondiendo esta evolución de las tensiones dibujada con
línea de trazos al bombeado desventajoso de la zona de la cabeza el
pistón 1. Debido a esta evolución 11 de las tensiones y a las
tensiones resultantes de ella en la zona de la cabeza del pistón se
producen las desventajosas deformaciones expuestas ya al principio,
especialmente de zonas de borde de cavidad, que pueden conducir a
una destrucción de todo el pistón.
La figura 4 muestra otra medida con la cual se
puede influir sobre la evolución de las tensiones. Partiendo del
cubo exterior 5 del agujero de bulón 4, se ha previsto aquí una
ancha zona que se ha representado en forma rayada y que lleva el
número de referencia 12. Esta zona ancha conduce ciertamente, como
puede apreciarse en la evolución 13 de las tensiones, a un
aplanamiento de la curva de evolución y, por tanto, a una reducción
del bombeado de la zona de la cabeza del pistón, no siendo aún
satisfactorios este aplanamiento y esta reducción del bombeado.
Estos siguen siendo sin ser suficientes, particularmente en
pistones que presentan concavidades de forma compleja en la zona de
la cabeza del pistón, ya que la zona de la cabeza del pistón
construida en forma compleja requiere en parte bordes de concavidad
bastante delgados que son destruidos siempre por la evolución 13
en la ejecución del pistón según la figura 4.
En la figura 5 se muestra el pistón 1 construido
según la invención, poniéndose claramente de manifiesto con ayuda
de la línea de trazos de la evolución 14 de las tensiones que esta
evolución 14 es ahora de forma aproximadamente ondulada, pero en
conjunto se ha reducido netamente la deformación de la zona de la
cabeza del pistón, lo que resulta inequívocamente de las amplitudes
de esta evolución 14 de forma ondulada. Por tanto, debido a la
favorable introducción de fuerzas y al favorable apuntalamiento de
fuerzas se reducen netamente al mismo tiempo las tensiones de
tracción y de compresión en las zonas del borde de la concavidad de
la zona de la cabeza del pistón de forma compleja y se evitan
destrozos.
Claims (6)
1. Pistón (1) para un motor de combustión
interna, que presenta un cuerpo de pistón (2) dotado de un agujero
de bulón (4) y un campo anular (3) adyacente al mismo,
extendiéndose dos almas (7) desde el agujero de bulón (4) en la
superficie exterior del pistón (1) en dirección al campo anular (3)
y formando las almas (7) una ventana de bulón (9), y estando
dispuesto un cubo exterior (5) al menos en parte en torno al
agujero de bulón (4), caracterizado porque el cuerpo (2) del
pistón está dispuesto sin interrupción por debajo del campo anular
(3) y el cubo exterior (5), junto con las almas (7) y un canto
inferior (8) del campo anular (3), forma la ventana de bulón (9), y
la superficie de la ventana de bulón (9) está situada en posición
más baja que una superficie de ventana (6) dispuesta en torno al
cubo exterior (5).
2. Pistón (1) según la reivindicación 1,
caracterizado porque la superficie de las almas (7) está
dispuesta en posición paralela, inclinada o bombeada con respecto a
la superficie del pistón (1).
3. Pistón (1) según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque las almas (7) discurren
paralelas una a otra desde el agujero de bulón (4) en dirección al
campo anular (3).
4. Pistón (1) según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque las almas (7) discurren
oblicuamente una respecto de otra desde el agujero de bulón (4) en
dirección al campo anular (3).
5. Pistón (1) según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque las almas (7) están
construidas en forma recta y/o en forma de arco en dirección
longitudinal.
6. Pistón (1) según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque la zona de transición
entre la ventana de bulón (8) y el cubo exterior (5) y/o las almas
(7) y/o el canto inferior (8) del campo anular (3) está
reforzada.
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