Zweiteiliger Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft einen zweiteiligen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach den Oberbegriffen des Hauptanspruches und der Nebenansprüche 5, 8 und 9.
Aus der Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2005 021 427.4 ist ein zweiteiliger, aus einem Oberteil und einem Unterteil bestehender Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt. Das Oberteil bildet den . Kolbenboden und weist auf der dem Kolbenboden abgewandten Unterseite einen koaxial zur Kolbenachse liegenden, zylindrischen Bolzen mit einem Außengewinde auf. Das Unterteil weist ein oberes, dünnwandiges und elastisch nachgiebiges Bodenteil auf, an dessen zentralen Bereich eine in Richtung des Kolbenbodens weisende Hülse mit einer derart dünnen Wandung angeformt ist, dass diese Hülse die Funktion einer Dehnhülse hat. In diese Dehnhülse ist eine koaxial zur Kolbenachse liegende Öffnung eingeformt, in die der Bolzen eingeführt wird, sodass das Oberteil mit dem Unterteil mittels einer auf den Bolzen aufgeschraubten Mutter verbunden werden kann, wobei die elastische Nachgiebigkeit des oberen Bodenteils und die Dehnbarkeit der Dehnhülse die Schraubverbindung unter Vorspannung setzt und dieser dadurch eine große Sicherheit verleiht.
Nachteilig ist, dass die Herstellung des oberen Bodenteils des Unterteils mit der angeformten Dehnhülse sehr aufwändig ist. Hierbei ist unabhängig davon, ob das Unterteil gegossen oder geschmiedet wird, eine langwierige Bearbeitung des zentralen Bereiches des oberen Bodenteils und insbesondere der Dehnhülse unter Anwendung eines spanabhebenden Bearbeitungsverfahrens erforderlich, wobei darauf zu achten ist, dass enge Toleranzbereiche eingehalten werden, damit der zen-
trale Bereich des oberen Bodenteils und die Dehnhülse die gewünschten Elastizitätseigenschaften erhalten.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, die Herstellung eines zweiteiligen Kolbens, dessen Oberteil und dessen Unterteil über eine Dehnhülse miteinander verbunden sind, zu vereinfachen und zu verbilligen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den in den Kennzeichen des Hauptanspruches und der Nebenansprüche stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass eine separate Dehnhülse einfacher und preisgünstiger herstellbar ist, als ein zur Dehnhülse umfunktionierter, zentraler Bereich des oberen Bodenteils, und dass der hierzu verwendete Werkstoff hochwertiger als derjenige Werkstoff sein kann, aus dem das obere Bodenteil des Unterteils besteht.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen zweiteiligen Kolben, dessen beide Teile über eine Dehnhülse miteinander verbunden sind,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Kolben gemäß Fig. 1 , der den durchgängigen Kühlölkanal erkennen lässt,
Fig. 3 eine Draufsicht der zum Verschrauben der beiden Teile des Kolbens verwendeten Mutter,
Fig. 4 einen Schnitt durch die Mutter gemäß Fig. 3,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung der Mutter gemäß den Figuren 3 und 4,
Fig. 6 eine Ausgestaltung des Kolbens gemäß der Erfindung, wobei zum Verschrauben der beiden Kolbenteile eine Sechskantschraube verwendet wird,
Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung des Bereiches A aus Fig.6,
Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der Verschraubung der beiden Kolbenteile unter Verwendung einer Dehnhülse und
Fig. 9 einen Darstellung entsprechend Fig. 8 mit der Sechskantmutter im Schnitt.
In Fig. 1 ist ein zweiteiliger, gekühlter Kolben 1 dargestellt, der aus einem Oberteil 2 und einem Unterteil 3 besteht. Das Oberteil 2 und das Unterteil 3 können aus Aluminium, Stahl oder aus Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG-Gusseisen gemäß DIN 1693) gefertigt sein. Ein Kolbenboden 4 begrenzt die axiale Oberseite des Oberteils 2, dessen radial innerer Bereich eine Verbrennungsmulde 5 aufweist. An den Außenrand des Kolbenbodens 4 ist eine Ringwand 6 angeformt, deren Außenfläche kolben- bodenseitig einen Feuersteg 7 bildet, woran sich schaftseitig eine Ringpartie 8 mit Ringnuten zur Aufnahme von in der Figur nicht dargestellten Kolbenringen anschließt.
An der dem Kolbenboden 4 abgewandten Unterseite des Unterteils 3 sind zwei Bolzennaben 9, 9' mit je einer Bolzenbohrung 10, 10' angeordnet. Die Bolzennaben 9, 9' sind über Schaftelemente 13 miteinander verbunden.
Das Oberteil 2 und das Unterteil 3 des Kolbens 1 stehen über eine innere Auflage 14 und über eine konzentrisch dazu angeordnete, äußere Auflage 15 miteinander in Verbindung. Das Oberteil 2 und das Unterteil 3 weisen je ein Sackloch 16 und 17 auf, die bei entsprechender Position von Ober- und Unterteil 2, 3 einander gegenüberliegen. Ein in die beiden Sacklöcher 16, 17 eingeführter Fixierstift 11 sorgt dafür, dass das Oberteil 2 und das Unterteil 3 immer die gleiche Drehposition zueinander einnehmen.
Vom Oberteil 2 und vom Unterteil 3 des Kolbens 1 wird ein im kolbenbodenseitigen Randbereich des Kolbens 1 angeordneter, äußerer Kühlkanal 22 gebildet, dessen radial äußere Begrenzung von der Ringwand 6, dessen radial innere Begrenzung teils von einem an der Oberseite des Unterteils 3 angeordneten Unterteilfuß 18 und teils vom Kolbenboden 4, und dessen axial untere Begrenzung vom Unterteil 3 des Kolbens 1 gebildet werden. Über mindestens einen Ölzuführkanal 52 (Fig. 2) wird Kühlöl in den Kühlkanal 22 eingeleitet.
Der Kolben 1 weist einen weiteren, koaxial zur Kolbenachse 12 angeordneten, ringförmigen, inneren Kühlkanal 24 auf, der einen geringeren radialen Durchmesser als der äußere Kϋhlkanal 22 hat, und der in radialer Richtung gesehen innerhalb des äußeren Kühlkanals 22 angeordnet ist. Axial oben wird der innere Kühlkanals 24 vom Kolbenboden 4, radial außen von dem Unterteilfuß 18, axial unten von einem oberen Bodenteil 25 des Unterteils 3 und radial innen von einem Bolzen 31 begrenzt, wobei das Bodenteil 25 des Unterteils 3 radial innen eine Öffnung 27 aufweist.
Der Bolzen 31 ist zylindrisch ausgebildet und koaxial zur Kolbenachse 12 auf der Unterseite des Kolbenbodens 4 angeformt, wobei die Mantelfläche des Bolzens 31 einen kolbenbodenabgewandten Endbereich mit einem Außengewinde 32 (Fig. 2) aufweist, das dem Innengewinde einer Sechskantmutter 29 entspricht, sodass die Sechskantmutter 29 auf das Außengewinde 32 aufschraubbar ist.
Mittels der Sechskantmutter 29 wird über eine zwischen der oberen Stirnfläche 23 der Sechskantmutter 29 und dem oberen Bodenteil 25 des Unterteiles 3 angeordneten Dehnhülse 26 das Oberteil 2 mit dem Unterteil 3 verschraubt. Die Dehnhülse 26 weist zu diesem Zweck an ihrem kolbenbodenzugewandten Ende einen nach innen gerichteten Kragen 28 und an ihrem kolbenbodenabgewandten Ende eine radial außen angeordnete, in kolbenbodenabgewandte Richtung sich nach radial außen konisch erweiternde Kontaktfläche 19 auf.
Beim Zusammenschrauben von Oberteil 2 und Unterteil 3 wird zunächst der Fixierstift 11 in das im oberen Bodenteil 25 des Unterteiles 3 angeordnete Sackloch 17 eingeführt. Anschießend werden das Oberteil 2 und das Unterteil 3 koaxial zueinander ausgerichtet. Hierzu weist der kolbenbodenseitige Rand des Unterteils 3 einen Tragsteg 46 auf, der im Schnitt die Form einer nach radial innen und axial in Richtung des Kolbenbodens 4 gerichteten Stufe hat. Zudem ist in die Innenseite der unteren Stirnseite der Ringwand 6 eine zylinderförmige Ausnehmung 47 eingeformt, deren Innenform komplementär zur Außenform des Tragsteges 46 ausgebildet ist. Eine koaxiale Ausrichtung von Oberteil 2 und Unterteil 3 ist damit dadurch erreichbar,
dass der Tragsteg 46 in die Ausnehmung 47 zunächst zumindest teilweise eingeführt wird. Hierbei ist noch erforderlich, das Oberteil 2 so lange um die Kolbenachse 12 zu drehen, bis das Sackloch 16 über dem Fixierstift zu liegen kommt, wonach der Tragsteg 46 vollständig in die Ausnehmung 47 und zudem der Fixierstift 11 in das Sackloch 16 eingeführt werden können.
Anschließend werden die Dehnhülse 26 durch die Öffnung 27 geschoben und die Sechskantmutter 29 auf das Außengewinde 32 des Bolzens 31 geschraubt. Hierbei gelangen die Sechskantmutter 29 über ihre obere Stirnfläche 23 an eine kolben- bodenabgewandte Innenfläche 20 des Kragens 28 und die Kontaktfläche 19 der Dehnhülse 26 an eine auf der radialen Innenseite der Öffnung 27 angeordnete, nach unten konisch sich öffnende Fläche 21 zur Anlage. Hierbei ist die Konizität der Fläche 21 zumindest näherungsweise gleich der Konizität der Kontaktfläche 19. Daraufhin wird die Sechskantmutter 29 mit einem derartigen Drehmoment festgeschraubt, dass wegen des Druckes der Sechskantmutter 29 auf die Innenfläche 20 des Kragens 28 und wegen der hierdurch auf die Dehnhülse 26 ausgeübten Zugspannung die Dehnhülse 26 eine Dehnung erfährt, die eine dauernde Vorspannung auf die Schraubverbindung ausübt, wodurch dieser Schraubverbindung eine große Sicherheit verliehen wird. Darüber hinaus erfährt hierbei der Bolzen 31 eine Dehnung und der radial innere Teil des Kolbenbodens 4 eine tellerfederartige Verformung in Richtung Bolzennaben 9, 9'. Zudem ist die Dehnhülse 26 aus einem hochwertigen Stahlwerkstoff gefertigt, was zur Sicherheit der Schraubverbindung zwischen Oberteil 2 und Unterteil 3 des Kolbens 1 beiträgt.
Hierbei kann in einer in den Figuren nicht dargestellten Ausgestaltung der Erfindung die Kontaktfläche 19 auf der kolbenbodenabgewandten Seite der Dehnhülse 26 auch kugelig oder ballig ausgebildet sein, wobei die hiermit in Kontakt stehende Fläche 21 des oberen Bodenteils 25 des Kolbenunterteils 3 eine hierzu komplementäre Form aufweisen kann.
Wie in Fig. 2 gut erkennbar ist, begrenzt der Kragen 28 eine kreisrunde Öffnung 30, deren radialer Durchmesser größer ist als der radiale Durchmesser des Bolzens 31 , sodass sich zwischen Bolzen 31 und Kragen 28 ein ringförmiger Spalt 33 ergibt. Die Sechskantmutter 29 weist in ihrer oberen Stirnfläche 23 radial angeordnete Nuten 34 und 34' auf, die radial innen in den Spalt 33 münden. Der radiale Innendurchmesser der Dehnhülse 26 ist größer als der radiale Außendurchmesser der Sechskantmutter 29, sodass sich zwischen Sechskantmutter 29 und Dehnhülse 26 ein zylinderförmiger und im Schnitt ringförmiger Zwischenraum 35 ergibt, dessen kolbenbodenabge- wandtes Ende in den Kolbeninnenraum 36 mündet, und dessen kolbenbodenzuge- wandtes Ende mit den Nuten 34, 34' in Verbindung steht. Darüber hinaus ist der äußere Kühlkanal 22 mit dem inneren Kühlkanal 24 über radial angeordnete Überlaufkanäle 37, 37' verbunden.
Wie durch die Linie 38 angedeutet ist, ergibt sich hierdurch ein durchgängiger Ölka- nal, wobei zunächst über den Ölzuführkanal 52 Kühlöl in den äußeren Kühlkanal 22 eingeleitet wird, das über die Überlaufkanäle 37, 37' in den inneren Kühlkanal 24 fließt und über den Spalt 33, über die Nuten 34, 34' und über den Zwischenraum 35 in den Kolbeninnenraum 36 zurückfließt.
Die Fig. 3 zeigt eine Draufsicht, Fig. 4 ein Schnittbild und Fig. 5 eine perspektivische Darstellung der bei der Verschraubung des Oberteils 2 mit dem Unterteil 3 verwendeten Sechskantmutter 29. In Fig. 3 ist eine beispielhafte Anordnung der Nuten 34 bis 34'" dargestellt, wobei 4 Nuten 34 bis 34'" mit radial liegenden Längsachsen 48, 48', 48" und 4811' gleichmäßig über den Umfang der Stirnfläche 23 verteilt sind, sodass die Längsachsenpaare 48-48", 48"-48', 48'- 48'" und 48'"- 48 je einen Winkel von 90° einschließen.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Sechskantmutter 29 entlang der Linie DD in Fig. 3 mit einer Darstellung des U-förmigen Querschnitts der Nuten am Beispiel der Nut 34' und mit einer Draufsicht auf die Flanken der Nuten 34" und 34'".
Eine perspektivische Darstellung der Sechskantmutter 29 ist in Fig. 5 dargestellt, die insbesondere die Nuten 34, 34' und 34" erkennen lässt.
Die Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gemäß den Figuren 6 und 7 unterscheidet sich von der in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Ausgestaltung der Erfindung insbesondere dadurch, dass das Oberteil 2' und das Unterteil 3' des Kolbens 1 ' mittels einer Sechskantschraube 39 miteinander verbunden sind, wobei zwischen dem Kopf 40 der Sechskantschraube 39 und dem Kragen 28' der Dehnhülse 26' ein in axialer Richtung kurzes, rohrförmiges Zwischenstück 41 mit einer oder mehreren durchgehenden, radial liegenden Bohrungen 42, 42' angeordnet ist, über die das Öl vom Spalt 33' zwischen dem Kragen 28' der Dehnhülse 26' und dem Schaft der Schraube
39 in den Zwischenraum 35' zwischen der Dehnhülse 26' und dem Schraubenkopf
40 fließen kann. Von hier aus gelangt das Öl in den Kolbeninnenraum 36'.
Fig. 7 ist eine vergrößerte Darstellung des Bereiches A aus Fig. 6.
In Fig. 8 ist im Teilschnitt und in Fig. 9 ist im Vollschnitt eine Ausgestaltung eines Kobens 1 " mit einer Dehnhülse 26" dargestellt, die am kolbenbodenzugewandten Ende den nach radial innen gerichteten Kragen 28 und am kolbenbodenabgewandten Ende einen nach radial außen gerichteten Kragen 44 aufweist. Kolbenbodenseitig ist auf dem Kragen 44 eine radial ausgerichtete Kontaktfläche 19' angeordnet. Zudem ist an der Innenwand der Öffnung 27' im oberen Bodenteil 25' des Kolbenunterteils 3" eine in kolbenbodenabgewandte Richtung nach radial innen konisch zulaufende und elastisch nachgiebig ausgebildete Auskragung 45 angeformt, die auf ihrer kolbenbodenabgewandten Seite eine ebenfalls radial ausgerichtete Fläche 21 ' aufweist.
Beim Verschrauben des Kolbenoberteiles 2" mit dem Kolbenunterteil 3" gelangt die Kontaktfläche 19' zur Anlage an die Fläche 21 ', wobei sich nicht nur eine Längendehnung der Dehnhülse 26" und des Bolzens 31 und eine tellerfederartige Verformung des mittleren Bereiches des Kolbenbodens 4' in Richtung Kolbenschaft sondern auch eine tellerfederartige Verformung der Auskragung 45 in Richtung Kolben-
boden 4' ergibt. Die Verformungen der letztgenannten Kolbenelemente führen zu einer auf die Schraubverbindung wirkenden Vorspannung, die dieser Verbindung eine große Sicherheit verleiht.
Bezuαszeicheniiste
1 , 1 ', 1 " Kolben
2, 2', 2" Oberteil r
3, 3', 3" Unterteil
4, 4',4" Kolbenboden
5 Verbrennungsmulde
6 Ringwand
7 Feuersteg
8 Ringpartie
9, 9', 9" , 9'" Bolzennabe
10, 10', 10", 10'" Bolzenbohrung
11 Fixierstift
12 Kolbenachse
13, 13' Schaftelement
14 innere Auflage
15 äußere Auflage
16, 17 Sackloch
18 Unterteilfuß
19, 19' Kontaktfläche
20 Innenfläche des Kragens 28
21 , 21 ', 21 " Fläche
22, 22' äußerer Kühlkanal
23 obere Stirnfläche der Sechskantmutter 29
24, 24' innerer Kühlkanal
25, 25' , 25" oberes Bodenteil des Unterteiles 3
26, 26', 26" Dehnhülse
27, 27' , 27" Öffnung
28, 28' Kragen
29 Sechskantmutter
Öffnung des Kragens 28 Bolzen Außengewinde , 33' Spalt zwischen dem Kragen 28 und dem Bolzen 31 , 34', 34", 34'" Nuten der Sechskantmutter 29 Zwischenraum zwischen der Sechskantmutter 29 und der Dehnhülse 26 ' dritter Zwischenraum zwischen dem Kopf 40 der Sechskantschraube 39 und der Dehnhülse 26' , 36' Kolbeninnenraum , 37', 37" Überlaufkanal Linie Sechskantschraube Kopf der Sechskantschraube 39 Zwischenstück , 42' Bohrung im Zwischenstück 41 Dehnhülse Kragen Auskragung Tragsteg Ausnehmung , 48', 48", 48'" Längsachsen der Nuten 34, 34', 34", 34'" Sacklochbohrung obere Stirnfläche des Zwischenstückes 41 Auflagefläche des Kopfes 40 der Sechskantschraube 39 , 52' Ölzuführkanal erster Zwischenraum zwischen dem Schaft der Sechskantmutter 29 und dem Zwischenstück 41 zweiter Zwischenraum zwischen dem Zwischenstück 41 und der Dehnhülse 26'