WO2015055578A1 - Kolben für eine brennkraftmaschine und dessen herstellungsverfahren - Google Patents

Kolben für eine brennkraftmaschine und dessen herstellungsverfahren Download PDF

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box
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Robert KÜHNEL
Gerson HARTWIG
Andreas Rehl
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Ks Kolbenschmidt Gmbh
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    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping

Definitions

  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine and a manufacturing method according to the features of the respective preambles of the independent claims.
  • DE 10 2009 059 056 A1 relates to a piston for an internal combustion engine, having a piston crown, a circumferential land and a ring groove having annular peripheral part and a piston skirt, which has two skirt walls and two recessed against the ring part, the shaft walls connecting box walls, that in the region of the box walls in each case a freestanding underside of the ring portion is formed, wherein the box walls are provided with hub bores having pin bosses. It is envisaged that at least one support element is arranged between each freestanding underside of the ring section and the box wall assigned to it. These support elements form an elaborate in the production oblique support of the shaft in the hub.
  • DE 10 2007 018 932 A1 relates to a piston of an internal combustion engine having a piston ring having a ring field, to which a piston skirt enclosing a piston inner space adjoins with two supporting shaft wall sections and two bolt hubs. Each pin hub including a pin boss is connected via a hub support with a hub body.
  • DE 10 2007 018 932 A1 is thus an example of existing piston geometries, which have a retracted in Bolzenachsplatz shaft in the manner of a box piston. In this design, a large wall thickness and thus a high material usage is required to ensure a low deformation caused by the operating loads. In such known box piston design, the problem occurs that during operation of the internal combustion engine by the gas pressure and the ignition pressure so large forces acting on the piston that deformation may occur on the piston.
  • a particular disadvantage here is that the ring field only in the region of the shaft walls
  • the object of the invention is to simplify the production of a piston and to reduce the mass of the piston with increased stability.
  • the solution according to the invention is that a piston of an internal combustion engine with a piston ring having an annular field, to which a piston skirt enclosing an inner mold, with two opposing box walls recessed with respect to the outer contour of the piston and with two opposite the outer contour of the piston non-recessed stem walls, the box walls receiving hubs, the piston skirt having stem supports connected to the hub, the width of the box wall being an intersection between the pin axis and the curvature and tangent continuity of the box wall.
  • the shaft support has a concave shape with respect to the plane which is located by a piston stroke axis and perpendicular to the bolt axis.
  • the direction of the shaft support is described by the points of intersection a2i, a3i, a2a, a3a, the points a2 /, a2a being the points of intersection between the curvature and tangent continuation of the box wall with the height of the pin axis located outer hub radius r and the points a3i, a3a is the intersections between the curvature and tangentenstetigen continuation of the box wall and the tangentenstetigen continuation of an inner mold.
  • the shaft support for the pressure and counter-pressure side is identical or is varied for the respective side of the piston in the ratios a2i I a3i and a2a I a3a.
  • the width b of the box wall is defined as follows:
  • a method for producing a piston for internal combustion engines wherein the piston is manufactured by casting or forging process.
  • the piston is produced by casting or forging.
  • the shaping of the piston according to the invention enables a simplified production in the casting or forging process.
  • a piston for an internal combustion engine which has a piston shaft with hubs for receiving the piston connecting the piston with the connecting rod piston pin and shaft supports, which are connected to the hub.
  • the shank support has a concave shape with respect to the plane through the piston stroke axis and perpendicular to the bolt axis.
  • the shaft support is identical for the pressure and counter-pressure side or can be varied for the respective piston side.
  • FIG. 1 shows a section through a piston according to the invention.
  • FIG. 1 shows a piston 1 according to the invention.
  • This piston 1 has a piston shaft 2 with a shaft support 3.
  • the recessed walls are referred to as box walls 4, the other two non-recessed walls are referred to as shaft walls 13 and have the actual running surface of the piston skirt 2 on.
  • hubs 6 are integrated with hub bores.
  • the box walls 4 and the shaft walls 13 are connected to the underside of a Koibêt 11.
  • the box wall 4 has a width b, a diameter d and a wall thickness s. Furthermore, the piston 1 has a box wall arch 5. In addition, the hubs 6 will pass from a pin axis 7.
  • the shaft support 3 has a concave shape with respect to the plane passing through a piston stroke axis 8 and perpendicular to the pin axis 7. With r the outer hub radius is designated.
  • A describes the axial distance in Boizenraum the Sich ceremoniessringnut 9 and a1 describes the axial distance of the beginning of the supporting length in the direction of the bolt axis. 7
  • the points a2a and a2i form intersections between the curvature and tangent continuation of the box wall 4 with the located at the height of the pin axis 7 outer hub radius r.
  • the points a3a and a3i form intersections between the curvature and tangent continuation of the box wall 4 and the tangent-shaped continuation of the inner mold 10.
  • the inner mold 10 forms a part of the underside of the piston head 11 from.
  • a circumferential ring field 12 is arranged on the outer circumference of the piston head 1 1, a circumferential ring field 12 is arranged.
  • the ring field 12 experiences in particular by the shaft walls 13 a support.
  • the piston 1 has the following features.
  • the width b of the box wall 4 is equal to the intersection of the box wall arch 5 with the pin axis. 7
  • the direction of the shaft support 3 is described by the points a2i, a3i, a2a and a3a, wherein the points a2i and a2a, the intersections between the curvature and tangentenstetigen continuation of the box wall 4 is located at the height of the pin axis 7 outer hub radius r and the Points a3i and a3a are the points of intersection between the continuation of the box wall 4 in the direction of curvature and tangents and the tangential continuation of an inner mold 10.
  • the shaft support 3 is identical for the pressure and counter-pressure side or can be varied for the respective piston side in the ratios a2i I a3i and a2a I a3a.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) einer Brennkraftmaschine mit einem ein Ringfeld (12) aufweisenden Kolbenboden (11), an den sich ein eine Innenform (10) umschließender Kolbenschaft (2), mit zwei einander gegenüber liegenden, gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens (1) zurückgesetzten Kastenwänden (4) und mit zwei gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens (1) nicht zurückgesetzten Schaftwände (13) anschließt, wobei die Kastenwände (4) Naben (6) aufnehmen, wobei der Kolbenschaft (2) Schaftabstützungen (3) aufweist, die mit der Nabe (6) verbunden sind, wobei die Breite (b) der Kastenwand (4) ein Schnittpunkt zwischen der Bolzenachse (7) und der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand (4) ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für Brennkraftmaschinen.

Description

Kolben für eine Brennkraftmaschine und dessen Hersteilungsverfahren
B E S C H R E I B U N G
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine und ein Herstellungsverfahren gemäß den Merkmalen der jeweiligen Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche.
Die DE 10 2009 059 056 A1 betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenboden, einem umlaufenden Feuersteg und einer Ringnuten aufweisenden umlaufenden Ringpartie sowie mit einem Kolbenschaft, der zwei Schaftwände und zwei gegenüber der Ringpartie zurückgesetzte, die Schaftwände verbindende Kastenwände aufweist, derart, dass im Bereich der Kastenwände jeweils eine freistehende Unterseite der Ringpartie gebildet ist, wobei die Kastenwände mit Nabenbohrungen aufweisenden Bolzennaben versehen sind. Es ist vorgesehen, dass zwischen jeder freistehenden Unterseite der Ringpartie und der ihr zugeordneten Kastenwand mindestens ein Stützelement angeordnet ist. Diese Stützelemente bilden eine in der Herstellung aufwendige schräge Abstützung des Schafts in der Nabe aus.
Die DE 10 2007 018 932 A1 betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Ringfeld aufweisenden Kolbenboden, an dem sich ein einen Kolbeninnenraum umschließender Kolbenschaft mit zwei tragenden Schaftwandabschnitten und zwei Bolzennaben anschließt. Jede eine Nabenbohrung einschließende Bolzennabe ist über eine Nabenabstützung mit einem Nabengrundkörper verbunden. Die DE 10 2007 018 932 A1 ist somit ein Beispiel für bestehende Kolbengeometrien, welche einen in Bolzenachsrichtung zurückgenommenen Schaft nach Art eines Kastenkolbens aufweisen. Bei dieser Bauform ist eine große Wandstärke und damit ein hoher Materialeinsatz erforderlich, um eine geringe Deformation durch die im Betrieb entstehenden Belastungen zu gewährleisten. Bei diesen bekannten Kastenkolben dergestalt tritt das Problem auf, dass im Betrieb der Brennkraftmaschine durch den Gasdruck und den Zünddruck so große Kräfte auf den Kolben einwirken, dass Deformationen am Kolben auftreten können. Besonders nachteilig ist hierbei, dass das Ringfeld nur im Bereich der Schaftwände
unterstützt ist, im Bereich der Kastenwände jedoch eine freistehende, überhängende Unterseite vorhanden ist. Dies hat zur Folge, dass das Ringfeld im Bereich der Kastenwände deutlich in Richtung des Kurbelgehäuses deformiert werden kann. Das Ringfeld im Bereich der Schaftwände wird dagegen infolge der steifen Konstruktion der Kastenwände und der Schaftwände nur geringfügig deformiert. Es liegt daher ein Steifigkeitssprung in dem Bereich vor, in dem die Kastenwände in die Schaftwände übergehen. Dadurch und durch das bei der Deformation des Ringfeldes im Bereich der Kastenwände auftretenden Biegemoments treten Spannungen auf, durch die der Kastenkolben übermäßig belastet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung eines Kolbens zu vereinfachen und die Masse des Kolbens bei erhöhter Stabilität zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass ein Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem ein Ringfeld aufweisenden Kolbenboden, an den sich ein eine Innenform umschließender Kolbenschaft, mit zwei einander gegenüber liegenden, gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens zurückgesetzten Kastenwänden und mit zwei gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens nicht zurückgesetzten Schaftwände anschließt, wobei die Kastenwände Naben aufnehmen, wobei der Kolbenschaft Schaftabstützungen aufweist, die mit der Nabe verbunden sind, wobei die Breite der Kastenwand ein Schnittpunkt zwischen der Bolzenachse und der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand ist.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass durch das Vorsehen der Breite der Kastenwand als Schnittpunkt zwischen der Bolzenachse und der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand Material und damit Kolbenmasse, eingespart werden kann. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Kastenwände kann die aterialstärke der Kastenwände sowie der Schaftwände gegenüber bisher bekannten Kolben dieser Bauform bei gesteigerter Stabilität verringert werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaftabstützung eine konkave Form, in Bezug auf die durch eine Kolbenhubachse und senkrecht zur Bolzenachse stehende Ebene, aufweist.
Durch die konkave Formgebung der Schaftwandabstützung wird eine höhere Stabilität erzielt. Der gesamte Kolben, insbesondere im Bereich eines überkragenden Ringfeldes, wird somit formstabiler.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Richtung der Schaftabstützung durch die Schnittpunkte a2i, a3i, a2a, a3a beschrieben wird, wobei die Punkte a2/, a2a die Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand mit dem auf Höhe der Bolzenachse befindlichen äußeren Nabenradius r ist und die Punkte a3i, a3a die Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand und der tangentenstetigen Weiterführung einer Innenform ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass folgende geometrischen Eigenschaften gelten:
Das Verhältnis von a2i zu a3i beträgt 1 ,05 bis 1 ,5 (a2/7 a3i = 1 ,05 bis 1 ,5)
und
das Verhältnis von a2a zu a3a beträgt 1 ,05 bis 1 ,5 (a2a / a3a = 1 ,05 bis 1 ,5).
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaftabstützung für die Druck- und Gegendruckseite identisch auszuführen ist oder für die jeweilige Seite des Kolbens in den Verhältnissen a2i I a3i und a2a I a3a variiert wird. in einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Breite b der Kastenwand wie folgt definiert ist:
b = ((a1+A))/2 ± 15 % dk Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschinen, wobei der Kolben im Gieß- oder Schmiedeverfahren hergesteilt wird.
Erfindungsgemäß wird der Kolben im Gieß- oder Schmiedeverfahren hergestellt. Die erfindungsgemäße Formgebung des Kolbens ermöglicht eine vereinfachte Herstellung im Gieß- oder Schmiedeverfahren.
Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß ein Kolben für eine Brennkraftmaschine vorgesehen, welcher einen Kolbenschaft mit Naben zur Aufnahme des den Kolben mit dem Pleuel verbindenden Kolbenbolzens sowie Schaftabstützungen, die mit der Nabe verbunden sind, aufweist.
Aufgabe ist es, eine struktur-, gewichts- und reibungsoptimierte Gestaltung der Kolbenschaftabstützung an die Kolbennabe zu erreichen. Hierbei weist die Schaftabstützung eine konkave Form in Bezug, auf die durch die Kolbenhubachse und senkrecht zur Bolzenachse stehenden Ebene auf.
Die Schaftabstützung ist für die Druck- und Gegendruckseite identisch auszuführen oder kann für die jeweilige Kolbenseite variiert werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgend beschriebenen Figur weiter verdeutlicht.
Figur 1 : zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben.
Die Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kolben 1. Dieser Kolben 1 weist einen Kolbenschaft 2 mit einer Schaftabstützung 3 auf.
Bei dem Kolben 1 sind zwei einander gegenüber liegende Wände des Koibenschaftes 2 gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens 1 zurückgesetzt, vorgesehen. Die zurückgesetzten Wände werden als Kastenwände 4 bezeichnet, die beiden anderen nicht zurückgesetzten Wände werden als Schaftwände 13 bezeichnet und weisen die eigentliche Lauffläche des Kolbenschaftes 2 auf. in die Kastenwände 4 sind Naben 6 mit Nabenbohrungen integriert. Die Kastenwände 4 und die Schaftwände 13 sind mit der Unterseite eines Koibenbodens 11 verbunden.
Die Kastenwand 4 weist eine Breite b, einen Durchmesser d sowie eine Wandstärke s auf. Weiterhin weist der Kolben 1 einen Kastenwandbogen 5 auf. Zudem werden die Naben 6 von einer Bolzenachse 7 durchtreten. Die Schaftabstützung 3 weist eine konkave Form in Bezug auf die durch eine Kolbenhubachse 8 und senkrecht zur Bolzenachse 7 stehenden Ebene auf. Mit r ist der äußere Nabenradius bezeichnet. A beschreibt den axialen Abstand in Boizenrichtung der Sicherungsringnut 9 und a1 beschreibt den axialen Abstand des Beginns der tragenden Länge in Richtung der Bolzenachse 7.
Die Punkte a2a und a2i bilden Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand 4 mit dem auf der Höhe der Bolzenachse 7 befindlichen äußeren Nabenradius r. Die Punkte a3a und a3i bilden Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand 4 und der tangentenförmigen Weiterführung der Innenform 10. Die Innenform 10 bildet einen Teil der Unterseite des Kolbenbodens 11 aus. Am äußeren Umfang des Kolbenbodens 1 1 ist ein umlaufendes Ringfeld 12 angeordnet. Das Ringfeld 12 erfährt insbesondere durch die Schaftwände 13 eine Unterstützung.
Der Kolben 1 weist folgende Merkmale auf.
Die Breite b der Kastenwand 4 ist der Schnittpunkt zwischen der Bolzenachse 7 und der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand 4 und wird wie folgt definiert: bKastenwand = ((a1 +A))/2 ± 15 % flfc wobei dk den Kolbendurchmesser, A den axialen Abstand in Bolzenrichtung der Sicherungsringnut 9 und a1 den axialen Abstand des Beginns der tragenden Länge in Richtung der Bolzenachse 7 beschreibt. Die Breite b der Kastenwand 4 ist gleich dem Schnittpunkt des Kastenwandbogens 5 mit der Bolzenachse 7.
Die Richtung der Schaftabstützung 3 wird durch die Punkte a2i, a3i, a2a und a3a beschrieben, wobei die Punkte a2i und a2a die Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand 4 mit dem auf Höhe der Bolzenachse 7 befindlichen äußeren Nabenradius r ist und die Punkte a3i und a3a die Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand 4 und der tangentenstetigen Weiterführung einer Innenform 10 ist.
Es gelten folgende geometrischen Eigenschaften: a2i l a3i = 1 ,05 ... 1 ,5 und
a2a l a3a = 1 ,05 ...1 ,5
Hierbei gilt ein min. Radius von Rm/„ > 0,9 dk
Jegliche Radiuskombinationen (Splines, verlaufende Radien, Kombinationen aus Geraden und Radien) in dem zuvor genannten Bereich sind in der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
Die Schaftabstützung 3 ist für die Druck- und Gegendruckseite identisch auszuführen oder kann für die jeweilige Kolbenseite in den Verhältnissen a2i I a3i und a2a I a3a variiert werden.
Bezugs- und Formelzeichenliste
1 Kolben
2 Kolbenschaft
3 Schaftabstützung
4 Kastenwand
5 Kastenwandbogen
6 Nabe
7 Bolzenachse
8 Kolbenhubachse
9 Sicherungsnut
10 Innenform
11 Kolbenboden
12 Ringfeld
13 Schaftwand
A axialer Abstand der Sicherungsringnut in Bolzenachsrichtung a1 axialer Abstand des Beginns der tragenden Länge in
Bolzenachsrichtung
a2a Schnittpunkt zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen
Weiterführung der Kastenwand mit dem auf Bolzenachshöhe befindlichen äußeren Nabenradius
a2i Schnittpunkt zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen
Weiterführung der Kastenwand mit dem auf Bolzenachshöhe befindlichen äußeren Nabenradius
a3a Schnittpunkt zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen
Weiterführung der Kastenwand und der tangentenförmigen
Weiterführung der Innenform
a3i Schnittpunkt zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen
Weiterführung der Kastenwand und der tangentenförmigen
Weiterführung der Innenform
b Breite der Kastenwand
d Durchmesser der Kastenwand
dk Kolbendurchmesser Äußerer Nabenradius
Wandstärke
Radius

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1 .
Kolben (1 ) einer Brennkraftmaschine mit einem ein Ringfeld (12) aufweisenden Kolbenboden (1 1 ), an den sich ein eine Innenform (10) umschließender Kolbenschaft
(2) , mit zwei einander gegenüber liegenden, gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens (1 ) zurückgesetzten Kastenwänden (4) und mit zwei gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens (1 ) nicht zurückgesetzten Schaftwände (13) anschließt, wobei die Kastenwände (4) Naben (6) aufnehmen, wobei der Kolbenschaft (2) Schaftabstützungen (3) aufweist, die mit der Nabe (6) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der Kastenwand (4) ein Schnittpunkt zwischen der Bolzenachse (7) und der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand (4) ist.
2.
Kolben (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftabstützung
(3) eine konkave Form, in Bezug auf die durch eine Kolbenhubachse (8) und senkrecht zur Bolzenachse (7) stehende Ebene, aufweist.
3.
Kolben (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Schaftabstützung (3) durch die Schnittpunkte (a2i, a3i, a2a, a3ä) beschrieben wird, wobei die Punkte (a2i, a2ä) die Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen Weiterführung der Kastenwand (4) mit dem auf Höhe der Bolzenachse (7) befindlichen äußeren Nabenradius (r) ist und die Punkte {a3i, a3ä) die Schnittpunkte zwischen der krümmungs- und tangentenstetigen
Weiterführung der Kastenwand (4) und der tangentenstetigen Weiterführung einer Innenform (10) ist.
4.
Kolben (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass folgende geometrischen Eigenschaften gelten:
a2i/ a3i = 1 ,05 bis 1 ,5
und
a2a I a3a = \ ,05 bis 1 ,5.
5.
Kolben (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaftabstützung (3) für die Druck- und Gegendruckseite identisch auszuführen ist oder für die jeweilige Seite des Kolbens (1 ) in den Verhältnissen a2i I a3i und a2a I a3a variiert wird.
6.
Kolben (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der Kastenwand (4) wie folgt definiert ist:
b = ((a1 +A))/2 ± 15 % dk
7.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1 ) für Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1 ) im Gieß- oder Schmiedeverfahren hergestellt wird.
PCT/EP2014/071881 2013-10-14 2014-10-13 Kolben für eine brennkraftmaschine und dessen herstellungsverfahren WO2015055578A1 (de)

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