WO2008131739A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

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WO2008131739A1
WO2008131739A1 PCT/DE2008/000709 DE2008000709W WO2008131739A1 WO 2008131739 A1 WO2008131739 A1 WO 2008131739A1 DE 2008000709 W DE2008000709 W DE 2008000709W WO 2008131739 A1 WO2008131739 A1 WO 2008131739A1
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WO
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piston
wall
walls
piston according
box
Prior art date
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PCT/DE2008/000709
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Braig
Rainer Fischer
Peter Kemnitz
Peter Kleinle
Original Assignee
Mahle International Gmbh
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Publication date
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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 
    • 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 
    • F02F3/02—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • 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 
    • F02F3/02—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • F02F3/027—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion the skirt wall having cavities
    • 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
    • F16J1/04—Resilient guiding parts, e.g. skirts, particularly for trunk pistons

Definitions

  • the present invention relates to a piston for an internal combustion engine, having a piston crown, a land and a ring grooves having circumferential annular portion and a piston skirt, the two disposed on the pressure side and the counter-pressure side of the piston shaft walls and two recessed against the ring portion, the shaft walls connecting box walls has, wherein the box walls are provided with hub bores having pin bosses.
  • a generic piston is known as MAHLE Ecoform®. Pistons of this design are also referred to as box piston. In typical box pistons, two walls of the piston skirt are set back from the outer contour of the piston. The recessed, slightly longer walls are referred to as box walls, the other two, slightly narrower, not reset walls are the shaft walls and have the actual running surface of the piston skirt. The pin bosses are integrated with the hub bores in the box walls. The box walls and the pin bosses are connected to the bottom of the piston crown with this.
  • the object of the present invention is therefore to significantly reduce these voltages.
  • the solution of the problem consists in a piston having the features of claim 1. According to the invention it is provided that the arranged on the pressure side of the skirt wall in the circumferential direction of the piston is shorter than the arranged on the counter-pressure side skirt wall.
  • a pressure side and a counter-pressure side is distinguished because whenever, when the ignition in the combustion chamber, the resulting gas pressure acts on the piston head, the piston is pushed or tilted by the inclined connecting rod to the side, with the result that one of the two shaft walls with its tread is pressed against the inner wall of the cylinder bore.
  • This skirt wall is referred to as arranged on the pressure side skirt wall.
  • a preferred embodiment of the present invention provides that the distance between those box wall sections which connect the pin bosses to the skirt wall arranged on the counterpressure side is smaller in the region of the pin bosses than in the region of the skirt wall.
  • the connection of the box-wall sections to the shaft wall arranged on the counterpressure side can be arcuate, straight, S-shaped, U-shaped, convex or concave.
  • the distance between those box wall sections that the pin bosses with the arranged on the pressure side of the shaft wall connect, in the area of the pin bosses is equal to or greater than in the area of the shaft wall.
  • the respective box wall sections either run parallel to one another or run towards each other from the pin bosses to the skirt wall. This also further reduces the risk of crack formation in the box walls and possibly in the shaft walls.
  • the arranged on the pressure side of the shaft wall may be formed thinner in its central region than in their box walls associated edge regions. This may, for example, go so far that the shaft wall arranged on the pressure side is formed in its central region by up to 50% thinner than in its edge regions assigned to the box walls. Thus, a significant weight saving is achieved, which is accompanied by a significant reduction of the moving mass of the piston according to the invention.
  • At least the skirt wall arranged on the pressure side can have a greater curvature than the ring part, at least in the region of its outer circumferential surface. it may be more oval than the ring part. Also by this measure, the elasticity of the piston according to the invention can be increased in the region of the piston skirt.
  • the box walls may include an acute angle in the direction of their attachment to the underside of the piston crown.
  • each box wall with the longitudinal axis of the piston forms an angle of 5 ° to 30 °.
  • a larger volume of Hochg screenung can be achieved, ie in the mold for the piston according to the invention larger cores can be used than before, which extend particularly far in the direction of the underside of the piston crown.
  • This causes the piston crown of the piston according to the invention can be made significantly thinner than before.
  • a considerable weight reduction for example. Up to 10% to 15% compared to the prior art can be achieved.
  • the thickness of the box walls 18, 19 can be additionally reduced by up to 100% in comparison with the pistons known in the prior art, which again involves a considerable weight saving.
  • a particularly preferred embodiment of the piston according to the invention provides that the box walls in their lower region in the direction of their free lower edges have a uniform or downward -in direction ⁇ lraum- steadily increasing wall thickness.
  • the box walls can steadily increase toward the shaft walls This means that the previously customary federal government or the usual thickening on the underside of the box walls is dispensable. Under the load during operation, a more even and more harmonious stress distribution was observed both in the box walls and in the shank walls. With this preferred embodiment, the risk of crack formation in the box walls or in the shaft walls can thus be further reduced.
  • a further preferred embodiment of the piston according to the invention is characterized in that ribs are provided which laterally delimit the hub bores and which extend from the lower region of the annular part to at least the upper edge of the hub bore.
  • the ribs may in this case extend to the horizontal center axis of the hub bore.
  • the ribs also preferably run straight or arcuate, so that the formation of steps that could promote an uneven stress distribution is avoided.
  • the piston according to the invention may be made of a light metal alloy, preferably an aluminum alloy. Particularly suitable is, for example, an aluminum-based alloy of the type MAHLE ® M124, M138, M142, M145 and M174 +.
  • the piston according to the invention is particularly suitable for use in high-pressure gasoline engines.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the piston according to the invention in section along the line I - 1 in Figure 2;
  • Figure 2 shows the piston of Figure 1 in a view in the direction of arrow P in Figure 1, tilted by a few degrees.
  • FIG. 3 shows the piston according to FIG. 1 in a side view on a shaft wall
  • Fig. 4 shows the piston according to Figure 1 in section along the line IV - IV in Figure 2 together with a schematically indicated wall of a cylinder bore.
  • FIGS 1 and 2 show an embodiment of a piston 10 according to the invention, which is preferably suitable for use in gasoline engines.
  • the piston 10 has in known manner a provided with a combustion bowl 11 a piston head 11 and a peripheral land 12 and a revolving ring portion 13 with annular grooves 14.
  • the piston 10 also has a piston shaft 15 which is connected to the underside 11 b of the piston head 11.
  • the piston shaft 15 in turn has two on the pressure side (DS) and the counter-pressure side (GDS) of the piston 10 arranged shaft walls 16, 17 and two opposite the ring section 13 set back, the Shaft walls 16, 17 connecting box walls 18, 19 on.
  • the outer circumferential surface of each skirt wall 16, 17 constitutes a running surface of the piston skirt 15.
  • Each skirt wall 18, 19 has a pin boss 21 provided with a hub bore 22.
  • each box wall 18, 19 is divided into respectively two box wall sections 18a, 18b and 19a, 19b.
  • the piston 10 is made in the embodiment of one of the aluminum-based MAHLE ® alloy of the type M124, M138, M142, M145 to M174 + .
  • the skirt wall 16 arranged on the pressure side (DS) is shorter in the circumferential direction of the piston 10 than the skirt wall 17 arranged on the counter-pressure side (GDS).
  • the skirt walls 16, 17 are designed asymmetrically in an inventive manner are.
  • the box wall sections 18a, 19a which connect the pin bosses 21 to the skirt wall 16 arranged on the pressure side (DS), run parallel to one another. But you can also run towards each other, i. the distance of the box wall sections 18a, 19a may be greater in the region of the pin bosses 21 than in the region of the skirt wall 16 (not shown).
  • the shaft wall 16 may be sickle-shaped, as indicated by dash-dotted lines in FIG. That is, the skirt wall 16 is thinner in cross section in its central region than in its peripheral regions which merge into the box wall sections 18a, 19a.
  • This Querterrorismreduzi für can be up to 50% based on the cross section of the edge areas.
  • the change in the thickness of the skirt wall 16 is continuous from its central region to its edge regions, ie, there are no steps that could possibly cause an uneven stress distribution in the skirt wall 16.
  • the box wall sections 18b, 19b, which connect the pin bosses 21 to the skirt wall 17 arranged on the counter-pressure side (GDS), extend from the pin bosses 21 to the skirt wall 17 in an approximately trapezoidal outward direction.
  • connection of the box wall sections 18b, 19b to the skirt wall 17 arranged on the counterpressure side (GDS) can be arcuate, as shown in FIG.
  • this connection is straight, S-shaped, U-shaped, convex or concave.
  • the box walls 18, 19 extend in the region of their connection to the underside 11b of the piston head 11 at a distance which approximately corresponds to the distance between the inner pin groove edges in the center line.
  • FIG. 1 further shows that the box walls 18, 19 form an acute angle ( ⁇ ) in the direction of their connection to the underside 11b of the piston bottom 11.
  • each box wall 18, 19, as shown in Figure 1 with the longitudinal axis (A) of the piston 10 form an angle (ß) of 5 ° to 30 °.
  • the box walls 18, 19 have a uniform wall thickness (d) in their lower region in the direction of their free lower edges.
  • d wall thickness
  • the previously required in box piston usually at the lower edges of the box walls 18, 19 federal government or a corresponding thickening omitted.
  • the tilting moment of the piston 10 according to the invention is further reduced.
  • box walls 18, 19 leading from the piston hubs 21 and leading to the shaft walls 16, 17 have a linearly increasing wall thickness.
  • ribs 23 are provided on the piston 10 according to the invention, which laterally delimit the hub bores 22 and which extend from the lower region of the ring section 13 preferably to the horizontal central axis B of the hub bore 22. From a further exemplary embodiment (dashed representation), it can also be seen from FIG. 3 that the ribs 23 can also extend as far as the nadir of the hub bores 22. As a result, an additional stiffening of the piston is achieved.
  • the ribs 23 extend, as Figure 3 can be seen, arcuate, but they can also run straight.
  • FIG. 3 further shows that the shaft walls 16, 17 can be designed in various ways, for example with a parallel contour and running down in an arc, or trapezoidal, as indicated by dashed lines.
  • Figure 4 shows a hint of the piston 10 according to the invention in cooperation with the wall 32 of a cylinder bore 31.
  • the arrow K the transverse force is symbolized, which acts on the piston 10 when the gas pressure generated during ignition in the combustion chamber above the piston head 11 to tilt of the piston 10 leads.
  • a significantly thinner box wall thickness can be achieved by means of its load-adapted structure and the risk of crack formation, in particular in the area of the pin bosses 21 and in the area of the box walls 18, 19 and the shaft walls 16, 17, is significantly reduced.
  • the weight of the piston 10 and thus its moving mass compared to the prior art can be significantly reduced.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenboden (11), einem umlaufenden Feuersteg (12) und einer Ringnuten (14) aufweisenden umlaufenden Ringpartie (13) sowie mit einem Kolbenschaft (15), der zwei auf der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) des Kolbens (10) angeordnete Schaftwände (16, 17) und zwei gegenüber der Ringpartie (13) zurückgesetzte, die Schaftwände (16, 17) verbindende Kastenwände (18, 19) aufweist, wobei die Kastenwände (18, 19) mit Nabenbohrungen (22) aufweisenden Bolzennaben (21) versehen sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die auf der Druckseite (DS) angeordnete Schaftwand (16) in Umfangsrichtung des Kolbens (10) kürzer ist als die auf der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwand (17).

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenboden, einem Feuersteg und einer Ringnuten aufweisenden umlaufenden Ringpartie sowie mit einem Kolbenschaft, der zwei auf der Druckseite und der Gegendruckseite des Kolbens angeordnete Schaftwände und zwei gegenüber der Ringpartie zurückgesetzte, die Schaftwände verbindende Kastenwände aufweist, wobei die Kastenwände mit Nabenbohrungen aufweisenden Bolzennaben versehen sind.
Ein gattungsgemäßer Kolben ist unter der Bezeichnung MAHLE Ecoform® bekannt. Kolben dieser Bauweise werden auch als Kastenkolben bezeichnet. Bei typischen Kastenkolben sind zwei Wände des Kolbenschaftes gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens zurückgesetzt. Die zurückgesetzten, etwas längeren Wände werden als Kastenwände bezeichnet, die beiden anderen, etwas schmäleren, nicht zurückgesetzten Wände sind die Schaftwände und weisen die eigentliche Lauffläche des Kolbenschaftes auf. In die Kastenwände sind die Bolzennaben mit den Nabenbohrungen integriert. Die Kastenwände und die Bolzennaben sind an der Unterseite des Kolbenbodens mit diesem verbunden.
Bei derartigen Kolben tritt häufig das Problem auf, dass die beim Betrieb einwirkende Spannung im Bolzennabenbereich und im Bereich der Anbindung der Kastenwände an die Unterseite des Kolbenbodens so groß ist, dass im Bereich der Bolzennaben und an der Kolbenbodenunterseite Risse auftreten können, die sich im Extremfall durch den gesamten Kolbenboden erstrecken können und auch die Schaftwände in Mitleidenschaft ziehen können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, diese Spannungen deutlich zu reduzieren. Als Nebeneffekt ist es außerdem immer erwünscht, einen Kolben leichter zu machen, d.h. das Kolbengewicht und damit die zu bewegende Masse zu reduzieren.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die auf der Druckseite angeordnete Schaftwand im Umfangsrichtung des Kolbens kürzer ist als die auf der Gegendruckseite angeordnete Schaftwand.
Eine Druckseite und eine Gegendruckseite wird deswegen unterschieden, weil immer dann, wenn bei der Zündung im Brennraum der entstehende Gasdruck auf den Kolbenboden wirkt, der Kolben durch das schrägstehende Pleuel zur Seite gedrückt oder gekippt wird, mit der Folge, dass eine der beiden Schaftwände mit ihrer Lauffläche gegen die innere Wandung der Zylinderbohrung gedrückt wird. Diese Schaftwand wird als auf der Druckseite angeordnete Schaftwand bezeichnet.
Für den Fachmann überraschend wurde nun experimentell festgestellt, dass bei einer solchen erfindungsgemäßen Konstruktion kaum noch Risse im Bereich der Bolzennaben bzw. im Bereich der Abstützungen der Kastenwände an der Unterseite des Kolbenbodens auftreten.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Abstand derjenigen Kastenwandabschnitte, die die Bolzennaben mit der an der Gegendruckseite angeordneten Schaftwand verbinden, im Bereich der Bolzennaben kleiner ist als im Bereich der Schaftwand. Dabei kann die Anbindung der Kastenwandabschnitte an die an der Gegendruckseite angeordnete Schaftwand bogenförmig, gerade, S-förmig, U-förmig, konvex oder konkav ausgebildet sein. Mit dieser vorteilhaften Ausführungsform wird die Gefahr von Rissbildungen in den Kastenwänden und ggf. in den Schaftwänden weiter verringert.
Demgegenüber ist es von Vorteil, wenn der Abstand derjenigen Kastenwandabschnitte, die die Bolzennaben mit der an der Druckseite angeordneten Schaftwand verbinden, im Bereich der Bolzennaben gleich oder größer ist als im Bereich der Schaftwand. Das bedeutet, dass die betreffenden Kastenwandabschnitte von den Bolzennaben zur Schaftwand hin entweder parallel zueinander verlaufen oder aufeinander zu verlaufen. Auch dadurch wird die Gefahr von Rissbildungen in den Kastenwänden und ggf. in den Schaftwänden weiter verringert.
Die an der Druckseite angeordnete Schaftwand kann in ihrem mittigen Bereich dünner ausgebildet sein als in ihren den Kastenwänden zugeordneten Randbereichen. Dies kann bspw. soweit gehen, dass die an der Druckseite angeordnete Schaftwand in ihrem mittigen Bereich um bis zu 50% dünner ausgebildet ist als in ihren den Kastenwänden zugeordneten Randbereichen. Damit wird eine erhebliche Gewichtsersparnis erzielt, womit eine erhebliche Reduzierung der bewegten Masse des erfindungsgemäßen Kolbens einhergeht.
Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Zunahme der Dicke der Schaftwand von ihrem mittigen Bereich zu ihren äußeren Bereichen stetig verläuft. Dadurch werden die Spannungsbelastungen gleichmäßig auf die Schaftwand verteilt.
Zumindest die auf der Druckseite angeordnete Schaftwand kann zumindest im Bereich ihrer Außenmantelfläche eine stärkere Krümmung aufweisen als die Ringpartie, d.h. sie kann eine größere Ovalität aufweisen als die Ringpartie. Auch durch diese Maßnahme kann die Elastizität des erfindungsgemäßen Kolbens im Bereich des Kolbenschaftes erhöht werden.
Eine zusätzliche vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Kastenwände im Bereich ihrer Anbindung an der Unterseite des Kolbenbodens in einem Abstand zueinander verlaufen, der annährend dem Abstand der inneren Bolzennabenkanten im Nabenzenit entspricht. Diesbezügliche Versuche haben ergeben, dass damit die strukturelle Steifigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens noch weiter verbessert wird.
Ferner können die Kastenwände in Richtung ihrer Anbindung an der Unterseite des Kolbenbodens einen spitzen Winkel einschließen. Eine bevorzugte Weiterbildung dieses Merkmals besteht darin, dass jede Kastenwand mit der Längsachse des Kolbens einen Winkel von 5° bis 30° bildet. Damit kann ein größeres Volumen der Hochgießung erzielt werden, d.h. in die Gießform für den erfindungsgemäßen Kolben können größere Kerne als bisher eingesetzt werden, die sich besonders weit in Richtung der Unterseite des Kolbenbodens erstrecken. Dies bewirkt, dass der Kolbenboden des erfindungsgemäßen Kolbens deutlich dünner als bisher ausgebildet werden kann. Damit kann eine beachtliche Gewichtsreduzierung, bspw. um bis zu 10 % bis 15 % gegenüber dem Stand der Technik erzielt werden. Schließlich kann die Dicke der Kastenwände 18, 19 im Vergleich zu den im Stand der Technik bekannten Kolben zusätzlich um bis zu 100% verringert werden, womit nochmals eine ganz erhebliche Gewichtsersparnis einhergeht.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens sieht vor, dass die Kastenwände in ihrem untern Bereich in Richtung ihrer freien Unterkanten eine gleichmäßige oder eine nach unten -in Richtung Ölraum- stetig zunehmende Wanddicke aufweisen. Außerdem können die Kastenwände zu den Schaftwänden hin stetig zunehmen Das bedeutet, dass der bisher übliche Bund bzw. die bisher übliche Verdickung an der Unterseite der Kastenwände verzichtbar ist. Dabei wurde unter der Belastung im Betrieb eine gleichmäßigere und harmonischere Spannungsverteilung sowohl in den Kastenwänden als auch in den Schaftwänden beobachtet. Mit dieser bevorzugten Ausgestaltung kann somit die Gefahr von Rissbildungen in den Kastenwänden bzw. in den Schaftwänden noch weiter verringert werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens zeichnet sich dadurch aus, dass Rippen vorgesehen sind, welche die Nabenbohrungen seitlich begrenzen und welche sich vom unteren Bereich der Ringpartie bis mindestens zur Oberkante der Nabenbohrung erstrecken. Dadurch wird trotz der erfindungsgemäß erzielten höheren Elastizität bzw. Gewichtsreduzierung eine besonders vorteilhafte Versteifung der Struktur des erfindungsgemäßen Kolbens im Nabenbereich erzielt. Die Rippen können sich hierbei bis zur horizontalen Mittelachse der Nabenbohrung erstrecken. Die Rippen verlaufen ferner bevorzugt gerade oder bogenförmig, so dass die Ausbildung von Stufen, die eine ungleichmäßige Spannungsverteilung fördern könnten, vermieden wird. Der erfindungsgemäße Kolben kann aus einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung, hergestellt sein. Besonders geeignet ist bspw. eine auf Aluminium basierende MAHLE ® Legierung vom Typ M124, M138, M142, M145 bis M174+.
Der erfindungsgemäße Kolben ist insbesondere zum Einsatz in hoch belasteten Ottomotoren geeignet.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt entlang der Linie I - 1 in Figur 2;
Fig. 2 den Kolben gemäß Figur 1 in einer Ansicht in Richtung des Pfeils P in Figur 1 , um einige Winkelgrade gekippt;
Fig. 3 den Kolben gemäß Figur 1 in einer Seitenansicht auf eine Schaftwand;
Fig. 4 den Kolben gemäß Figur 1 im Schnitt entlang der Linie IV - IV in Figur 2 zusammen mit einer schematisch angedeuteten Wandung einer Zylinderbohrung.
Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10, der vorzugsweise für den Einsatz in Ottomotoren geeignet ist. Der Kolben 10 weist in an sich bekannter Weise einen mit einer Verbrennungsmulde 11a versehenen Kolbenboden 11 sowie einen umlaufenden Feuersteg 12 und eine umlaufende Ringpartie 13 mit Ringnuten 14 auf.
Der Kolben 10 weist ferner einen Kolbenschaft 15 auf, der an der Unterseite 11b des Kolbenbodens 11 angebunden ist. Der Kolbenschaft 15 wiederum weist zwei auf der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) des Kolbens 10 angeordnete Schaftwände 16, 17 und zwei gegenüber der Ringpartie 13 zurückgesetzte, die Schaftwände 16, 17 verbindende Kastenwände 18, 19 auf. Die Außenumfangsfläche jeder Schaftwand 16, 17 stellt eine Lauffläche des Kolbenschaftes 15 dar. Jede Kastenwand 18, 19 weist eine mit einer Nabenbohrung 22 versehene Bolzennabe 21 auf. Dadurch wird jede Kastenwand 18, 19 in jeweils zwei Kastenwandabschnitte 18a, 18b bzw. 19a, 19b unterteilt. Der Kolben 10 ist im Ausführungsbeispiel aus einer der Aluminium basierenden MAHLE ® Legierung vom Typ M124, M138, M142, M145 bis M174+ hergestellt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die auf der Druckseite (DS) angeordnete Schaftwand 16 in Umfangsrichtung des Kolbens 10 kürzer ist als die auf der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwand 17. Das bedeutet, dass die Schaftwände 16, 17 in erfinderischer Art und Weise asymmetrisch ausgebildet sind. Dadurch wird in für den Fachmann überraschender Weise die Rissbildung insbesondere im Bereich der Bolzennaben 21 und im Bereich des Kolbenbodens 11 verringert, welche experimentell festgestellt werden konnte.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Kastenwandabschnitte 18a, 19a, welche die Bolzennaben 21 mit der auf der Druckseite (DS) angeordneten Schaftwand 16 verbinden, parallel zueinander. Sie können aber auch aufeinander zu verlaufen, d.h. der Abstand der Kastenwandabschnitte 18a, 19a kann im Bereich der Bolzennaben 21 größer sein als im Bereich der Schaftwand 16 (nicht dargestellt).
Die Schaftwand 16 kann sichelförmig ausgebildet sein, wie es in Figur 2 strichpunktiert angedeutet ist. Das heißt, dass die Schaftwand 16 in ihrem mittigen Bereich im Querschnitt dünner ausgebildet ist als in ihren Randbereichen, welche in die Kastenwandabschnitte 18a, 19a übergehen. Diese Querschnittreduzierung kann bis zu 50% bezogen auf den Querschnitt der Randbereiche betragen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft die Änderung der Dicke der Schaftwand 16 von ihrem mittigen Bereich zu ihren Randbereichen stetig, d.h. es sind keine Stufen vorhanden, die eventuell eine ungleichmäßige Spannungsverteilung in der Schaftwand 16 hervorrufen könnten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Kastenwandabschnitte 18b, 19b, welche die Bolzennaben 21 mit der an der Gegendruckseite (GDS) angeordneten Schaftwand 17 verbinden, von den Bolzennaben 21 zur Schaftwand 17 in etwa trapezförmig nach außen. Die Anbindung der Kastenwandabschnitte 18b, 19b an die an der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwand 17 kann wie in Figur 2 dargestellt bogenförmig ausgebildet sein. Es sind aber auch Ausgestaltungen denkbar, bei denen diese Anbindung gerade, S-förmig, U-förmig, konvex oder konkav ausgebildet ist.
Aus Figur 2 ist ferner zu ersehen, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel die Kastenwände 18, 19 im Bereich ihrer Anbindung an der Unterseite 11b des Kolbenbodens 11 in einem Abstand zueinander verlaufen, der annährend dem Abstand der inneren Bolzennabenkanten im Nabenzenit entspricht. Dadurch wird die strukturelle Steifigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens 10 erhöht und damit die Gefahr von Rissbildungen weiter verringert.
Figur 1 zeigt ferner, dass die Kastenwände 18, 19 in Richtung ihrer Anbindung an der Unterseite 11b des Kolbenbodens 11 einen spitzen Winkel (α) einschließen. Dabei kann jede Kastenwand 18, 19, wie aus Figur 1 ersichtlich, mit der Längsachse (A) des Kolbens 10 einen Winkel (ß) von 5° bis 30° einschließen. Dadurch kann nicht nur eine bessere Hochgießung erzielt, sondern auch eine weitere Verringerung der Dicke der Kastenwände 18, 19 um bis zu 100% gegenüber den im Stand der Technik bekannten Kolben erreicht werden.
Schließlich kann der Figur 1 entnommen werden, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel die Kastenwände 18, 19 in ihrem untern Bereich in Richtung ihrer freien Unterkanten eine gleichmäßige Wanddicke (d) aufweisen. Mit anderen Worten kann der bisher bei Kastenkolben üblicherweise an den Unterkanten der Kastenwände 18, 19 erforderliche Bund bzw. eine entsprechende Verdickung entfallen. Dadurch wird nicht nur eine weitere Gewichtsreduzierung erzielt, sondern auch das Kippmoment des erfindungsgemäßen Kolbens 10 noch weiter reduziert. Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels in gestrichelter Darstellung nach Figur 1 können die Kas- tenwände 18, 19 in ihrer Wanddicke ab circa Nabenbohrungsmitte bis zu ihrem unteren Ende - in Richtung ihrer freien Unterkanten -linear stetig zunehmen.
Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die von den Kolbennaben 21 ausgehenden, zu den Schaftwänden 16, 17 führenden Kastenwände 18, 19 eine linear stetig zunehmende Wandstärke aufweisen.
Aus Figur 3 ist zu entnehmen, dass am erfindungsgemäßen Kolben 10 Rippen 23 vorgesehen sind, welche die Nabenbohrungen 22 seitlich begrenzen und welche sich vom unteren Bereich der Ringpartie 13 vorzugsweise bis zur horizontalen Mittelachse B der Nabenbohrung 22 erstrecken. Aus Figur 3 ist ferner aus einem weiteren Ausführungsbeispiel (gestrichelte Darstellung) ersichtlich, dass die Rippen 23 sich auch bis zum Nadir der Nabenbohrungen 22 erstrecken können. Dadurch wird eine zusätzliche Versteifung des Kolbens erzielt. Die Rippen 23 verlaufen, wie Figur 3 zu entnehmen ist, bogenförmig, sie können aber auch gerade verlaufen.
Figur 3 zeigt ferner, dass die Schaftwände 16, 17 auf verschiedene Weise ausgestaltet sein können, bspw. mit paralleler Kontur und im Bogen nach unten auslaufend, oder trapezförmig, wie es gestrichelt angedeutet ist.
Figur 4 zeigt andeutungsweise den erfindungsgemäßen Kolben 10 im Zusammenwirken mit der Wandung 32 einer Zylinderbohrung 31. Mit dem Pfeil K ist die Querkraft symbolisiert, die auf den Kolben 10 einwirkt, wenn der bei der Zündung im Verbrennungsraum oberhalb des Kolbenbodens 11 erzeugte Gasdruck zu einem Kippen des Kolbens 10 führt. Für den erfindungsgemäßen Kolben 10 wurde hierbei festgestellt, dass durch seine belastungsangepasste Struktur eine deutliche dünnere Kastenwanddicke realisierbar ist und die Gefahr von Rissbildungen insbesondere im Bereich der Bolzennaben 21 sowie im Bereich der Kastenwände 18,19 und der Schaftwände 16, 17 deutlich reduziert wird. Außerdem kann das Gewicht des Kolbens 10 und damit seine bewegte Masse gegenüber dem Stand der Technik maßgeblich reduziert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenboden (11), einem Feuersteg (12) und einer Ringnuten (14) aufweisenden umlaufenden Ringpartie (13) sowie mit einem Kolbenschaft (15), der zwei auf der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) des Kolbens (10) angeordnete Schaftwände (16, 17) und zwei gegenüber der Ringpartie (13) zurückgesetzte, die Schaftwände (16, 17) verbindende Kastenwände (18, 19) aufweist, wobei die Kastenwände (18, 19) mit Nabenbohrungen (22) aufweisenden Bolzennaben (21) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Druckseite (DS) angeordnete Schaftwand (16) in Umfangsrichtung des Kolbens (10) kürzer ist als die auf der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwand (17).
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand derjenigen Kastenwandabschnitte (18b, 19b), die die Bolzennaben (21) mit der an der Gegendruckseite (GDS) angeordneten Schaftwand (17) verbinden, im Bereich der Bolzennaben (21) kleiner ist als im Bereich der Schaftwand (17).
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung der Kastenwandabschnitte (18b, 19b) an die an der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwand (17) bogenförmig, gerade, S-förmig, U-förmig, konvex oder konkav ausgebildet ist.
4. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand derjenigen Kastenwandabschnitte (18a, 19a), die die Bolzennaben (21) mit der an der Druckseite (DS) angeordneten Schaftwand (16) verbinden, im Bereich der Bolzennaben (21 ) gleich oder größer ist als im Bereich der Schaftwand (16).
5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Druckseite (DS) angeordnete Schaftwand (16) in ihrem mittigen Bereich dünner ausgebildet ist als in ihren den Kastenwänden (18, 19) zugeordneten Randbereichen.
6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Druckseite (DS) angeordnete Schaftwand (16) in ihrem mittigen Bereich bis zu 50% dünner ausgebildet ist als in ihren den Kastenwänden (18, 19) zugeordneten Randbereichen.
7. Kolben nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunahme der Dicke der Schaftwand (16) von ihrem mittigen Bereich zu ihren Randbereichen stetig verläuft.
8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die auf der Druckseite (DS) angeordnete Schaftwand (16) zumindest im Bereich ihrer Außenmantelfläche eine stärkere Krümmung aufweist als die Ringpartie (13).
9. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kastenwände (18, 19) im Bereich ihrer Anbindung an der Unterseite (11 b) des Kolbenbodens (11 ) in einem Abstand zueinander verlaufen, der annährend dem Abstand der inneren Bolzennabenkanten im Nabenzenit entspricht.
10. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kastenwände (18, 19) in Richtung ihrer Anbindung an der Unterseite (11b) des Kolbenbodens (11) einen spitzen Winkel (α) einschließen.
11. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kastenwand (18, 19) mit der Längsachse (A) des Kolbens (10) einen Winkel (ß) von 5° bis 30° bildet.
12. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kastenwände (18, 19) in ihrem unteren Bereich in Richtung ihrer freien Unterkanten eine gleichmäßige Wanddicke (d) aufweisen oder dass die Wanddicke der Kastenwände (18c) in Richtung ihrer freien Unterkanten linear stetig zunehmen.
13. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Kolbennaben (21) ausgehenden, zu den Schaftwänden (16, 17) führenden Kastenwände (18, 19) eine zunehmende Wandstärke aufweisen.
14. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rippen (23) vorgesehen sind, welche die Nabenbohrungen (22) seitlich begrenzen und welche sich vom unteren Bereich der Ringpartie (13) vorzugsweise bis zur horizontalen Mittelachse (B) der Nabenbohrung (22) erstrecken.
15. Kolben nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippen (23) bis zum Nadir der Nabenbohrung (22) erstrecken.
16. Kolben nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (23) gerade oder bogenförmig verlaufen.
17. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (10) aus einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung, hergestellt ist.
18. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, nämlich Kolben (10) für einen Ottomotor.
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