WO2017060449A1

WO2017060449A1 - KOLBEN MIT AUßENVERSCHRAUBUNG

Info

Publication number: WO2017060449A1
Application number: PCT/EP2016/074033
Authority: WO
Inventors: Matthias Laqua; Alexander SCHÄFER; Wolfgang Köhler; Dieter Krämer
Original assignee: Ks Kolbenschmidt Gmbh
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2017-04-13
Also published as: US11492996B2; JP6698832B2; CN108138692A; US20200191089A1; DE102016119064A1; US20180355818A1; EP3359793A1; CN108138692B; JP2018529884A

Abstract

Kolben (11) einer Brennkraftmaschine, gebildet aus einem Unterteil (12) und einem Oberteil (13), aufweisend einen Kolbenboden, wobei das Unterteil (12) und das Oberteil (13) durch Kraft- und/oder Formschluss zu dem Kolben (11) gefügt sind, wobei zwischen dem Unterteil (12) und dem Oberteil (13) ein Außengewinde (1, 17) angeordnet ist.

Description

KOLBEN MIT AUßENVERSCHRAUBUNG

B E S C H R E I B U N G

Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs.

Kolben, insbesondere Großkolben, die ein Oberteil und ein Unterteil aufweisen und die mittels einer Schraubverbindung miteinander verbunden sind, sind bekannt. Bei diesen bekannten Großkolben ist zwischen Oberteil und Unterteil eine flächige Auflage gegeben, auf der sich das Oberteil auf dem Unterteil abstützt, wenn die Schraubverbindung, beispielsweise ausgeführt als Dehnschraube ausgeführt, verbunden ist. In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass es während des Betriebes insbesondere von Großkolben zu Verspannungen in Folge sich ändernder Temperaturen und Drücke kommen kann, so dass eine solche Schraubverbindung, vor allen Dingen zentral im Bereich der Kolbenhubachse ausgeführt, von Nachteil ist. Um diesem Nachteil zu begegnen, ist schon daran gedacht worden, nicht nur eine Schraubverbindung, sondern mehrere Schraubverbindungen konzentrisch um die Kolbenhubachse herum anzuordnen. Dies bedeutet jedoch einen erhöhten Bearbeitungsaufwand sowohl des Kolbenunterteiles als auch des Kolbenoberteiles. Außerdem müssen mehrere Schrauben vorgehalten und montiert werden, so dass dadurch der Montageaufwand erhöht ist. Außerdem besteht die Gefahr, dass eine der mehreren Schrauben bei der Montage vergessen wird. Weiterhin erhöht sich der Kostenaufwand in Folge nicht nur der Bearbeitung, sondern auch der Vorhaltung mehrerer Schrauben. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben zu schaffen, mit dem die Herstell kosten und die Teilevielfalt reduziert werden können und der im Betrieb in der Brennkraftmaschine einwandfrei funktioniert.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist zwischen dem Unterteil und dem Oberteil des Kolbens ein Außengewinde angeordnet, mit dem diese beiden Teile durch Verschrauben miteinander verbunden werden. Dieses Außengewinde ist konzentrisch um die Kolbenhubachse herum an den beiden Teilen des Kolbens vorhanden, so dass diese durch Verschrauben miteinander verbunden werden, um einen betriebsfertigen Kolben, insbesondere einen Großkolben, zu realisieren. Der Begriff„Außengewinde" ist dabei so zu verstehen, dass die einander korrespondierenden Bereiche von Oberteil und Unterteil, die miteinander verschraubt werden sollen, einander korrespondierende Gewinde aufweisen. Der Begriff „Außengewinde" soll darüber hinaus klarstellen, dass es sich nicht um ein Gewinde oder eine Schraubverbindung im Bereich der Kolbenhubachse handelt, sondern dass dieses Gewinde zur Verschraubung von Oberteil und Unterteil konzentrisch um die Kolbenhubachse ausgebildet und angeordnet ist.

In Weiterbildung der Erfindung sind mindestens zwei AbStützungen zwischen dem Unterteil und dem Oberteil vorgesehen. Das bedeutet, dass, nicht nur wie im Stand der Technik bekannt, eine Auflagefläche des Unterteiles mit einer Auflagefläche des Oberteiles korrespondiert, sondern dass zumindest zwei voneinander getrennte Auflageflächen jeweils an dem Unterteil und jeweils an dem Oberteil vorgesehen sind. Dadurch können die Bereiche von Oberteil und Unterteil, die sich im Betrieb des Kolbens aufeinander abstützen sollen, optimal aufeinander abgestimmt werden. Diese zumindest zwei flächigen Abstützbereiche können so gestaltet sein, dass zumindest eine der einander zugewandten Abstützbereiche vollflächig aufeinander aufliegen (sowohl im statischen Zustand des Kolbens als auch während des Betriebes), wobei in diesem Fall auch alle Abstützflächen aufeinander anliegen können. Alternativ dazu ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass mindestens im Bereich einer Abstützung zwischen Oberteil und Unterteil ein Spalt zumindest im statischen Zustand vorliegt. Das bedeutet, dass eine Hauptabstützung und eine Nebenabstützung gegeben ist, wobei die Hauptabstützung im statischen Zustand des Kolbens (das heißt vor dem Einbau in die Brennkraftmaschine oder im Stillstand der Brennkraftmaschine) das Oberteil mit der Hauptabstützung auf dem Unterteil sich abstützen lässt und eine Nebenabstützung vorhanden ist, die im statischen Zustand (wiederum im nicht eingebauten Zustand des Kolbens beziehungsweise im Stillstand der Brennkraftmaschine) einen Spalt zwischen dem Oberteil und dem Unterteil realisiert. Erst wenn die Brennkraftmaschine in Betrieb genommen wird, schließt sich der Spalt aufgrund der Temperatur- und der Zünddruckbelastung, so dass dadurch vorher vorhandene Toleranzen ausgeglichen werden. Außerdem ist es dadurch in besonders vorteilhafter Weise möglich, der Verformung des Kolbens während des Betriebes im Zylinder der Brennkraftmaschine entgegenzuwirken, um Beschädigungen des Kolbens in Folge von Verspannungen, die ohne einen solchen Spalt die Folge wären, wirksam zu vermeiden.

In Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine Mutter zur Aufrechterhaltung der Vorspannung zwischen dem Unterteil und dem Oberteil des Kolbens während des Betriebes der Brennkraftmaschine vorgesehen. Diese Mutter kann in einer weiteren Ausgestaltung durch eine Tellerfeder unterstützt werden. Im Zusammenspiel mit der Mutter und optional der Tellerfeder entsteht eine dritte Abstützung, wenn die Mutter gegen die Tellerfeder angezogen wird. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die Mutter und optional die Tellerfeder nicht die Aufgabe und Wirkung haben, das Oberteil mit dem Unterteil zu verbinden, da hierfür das Außengewinde eingesetzt wird. Die Mutter und optional die Tellerfeder haben vielmehr die Wirkung, dass die Vorspannung, insbesondere unter Ausbildung des Spaltes beispielsweise der zweiten Abstützung (Nebenabstützung) auch während des Betriebes der Brennkraftmaschine (Motorlauf) erhalten wird. In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Außengewinde gebildet ist von einem umlaufenden Steg des Oberteiles und einem korrespondierenden umlaufenden Steg des Unterteiles. Die einander zugewandten Gewindebereiche des Oberteiles und des Unterteiles können allgemein mit Herstellung von diesen beiden Teilen eingebracht werden. Alternativ dazu können sie nachträglich nach deren Herstellung eingebracht werden. Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung des Oberteiles mit einem umlaufenden, das heißt nach unten hin offenen umlaufenden Steg, der ein Innengewinde, das heißt ein in Richtung der Kolbenhubachse weisendes Gewinde, trägt. Über diesen Bereich kann das Oberteil auf ein korrespondierendes Außengewinde, das heißt, ein Gewinde, welches von der Kolbenhubachse nach Hause weg weist, aufgeschraubt werden. Diese beiden Bereiche des Oberteiles (umlaufender Steg) und des Unterteiles (ebenfalls umlaufender Steg) sind bei separater Herstellung dieser beiden Teile sehr gut zu erreichen, so dass sich eine nachträgliche Ausformung der zugehörigen Gewinde anbietet.

Nachdem die beiden Teile hergestellt und mit dem Gewinde versehen sind (mit Herstellung) bzw. nachträglich mit dem Gewinde versehen worden sind, können beide Teile miteinander verschraubt werden, wobei der Schraubvorgang dann beendet ist, wenn das Oberteil mit seiner zugehörigen zumindest einen Abstützfläche auf der zugehörigen Abstützfläche des Unterteiles zur Anlage kommt. Danach kann der Schraubvorgang beendet sein. Es ist auch denkbar, eine Verdrehsicherung vorzusehen. Eine Verdrehsicherung kann beispielsweise eine Schraube, ein Stift, ein Niet oder dergleichen sein, der die beiden Teile des Kolbens an einer Relativbewegung zueinander hindert. Es kann alternativ oder ergänzend dazu auch daran gedacht werden, die beiden Teile nach Beendigung des Schraubvorganges miteinander stoffschlüssig, zum Beispiel durch Verschweißen, Verlöten, Verkleben oder dergleichen, dauerhaft miteinander zu verbinden.

Verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Kolbens werden im Folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Figur 1 :

Eine Schnittansicht eines Kolbens entlang seiner Bolzenachse, Figur 2:

Eine Schnittansicht des Kolbens gemäß Figur 1 quer zu seiner Bolzenachse, Figur 3:

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbens quer zu seiner Bolzenachse und Figur 4:

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbens.

Die Figuren 1 und 2 zeigen einen Kolben 1 1 in zwei verschiedenen Ansichten, wobei der Kolben 1 1 gebildet ist durch ein Unterteil 12 und ein Oberteil 13. Diese beiden Teile 12, 13 werden auf geeignete Art und Weise (z. B. durch schmieden, gießen oder dergleichen) hergestellt. Die Materialien können gleich oder unterschiedlich sein. Das Unterteil 12 weist an sich bekannte Elemente wie z. B. tragende Schaftwandabschnitte, Bolzennarben, Bolzenbohrungen und dergleichen auf. Das Oberteil 13, welches genauso wie das Unterteil 12 eine Kolbenhubachse 14 umfasst, weist an sich bekannte Elemente wie ein Ringfeld, optional eine Brennraummulde und optional einen Kühlkanal 15 auf. Der Kühlkanal 15 ist bei dem Ausführungsbeispiel vorhanden, kann aber auch entfallen.

Aufgrund der Geometrien von Unterteil 12 und Oberteil 13 werden diese konzentrisch um die Kolbenhubachse 14 herum mittels eines Außengewindes 1 miteinander verbunden. Außerdem ist eine Hauptabstützung 2, eine Nebenabstützung 4 sowie optional eine dritte Abstützung 3 vorgesehen. Über das Außengewinde 1 werden das Oberteil 13 und das Unterteil 12 miteinander verschraubt. Die Hauptbelastung bei der Verbindung dieser beiden Teile trägt somit dieses Außengewinde 1 . Dieses Gewinde dient also dem eigentlichen Halten (verbinden) von Oberteil 13 zu Unterteil 12. Nach der Montage entsteht zumindest die Hauptabstützung 2, die auf jeden Fall erforderlich ist. Zusätzlich entsteht eine Nebenabstützung 4, die im statischen Zustand die zugehörigen Flächen der beiden Teile 12, 13 nach Beendigung des Schraubvorganges entweder anliegen lässt oder einen Spalt bildet. Von besonderem Vorteil ist die Ausbildung eines Spaltes im Bereich dieser Nebenabstützung, wenn die beiden Teile 12, 13 fertig miteinander verschraubt sind. Über diesen Spalt können Verformungen des Kolbens während des Betriebes der Brennkraftmaschine einerseits ausgeglichen werden, wobei andererseits dieser Spalt nur im statischen Zustand vorhanden ist. Während des Betriebes des Kolbens in der Brennkraftmaschine verringert sich der Spalt in Folge von Temperaturerhöhungen und/oder Verformungen des Kolbens, so dass im Bereich der Nebenabstützung 4 die zugehörigen Bereiche des Unterteiles 12 und des Oberteiles 13 ebenfalls wie die Bereiche der Hauptabstützung 2 zur Anlage kommen, so dass damit wirksam eine Stabilität des Kolbens während des Betriebes der Brennkraftmaschine erzielt wird, gleichzeitig aber auch Verspannungen und somit Beschädigungen, wie z. B. Risse, vermieden werden.

Bei dem Kolben 1 1 des Ausführungsbeispiels in den Figuren 1 und 2 ist noch eine Mutter 5 im Bereich der Kolbenhubachse 14 angeordnet, die mit einer Tellerfeder 6 zusammenwirken kann, aber nicht muss. Dadurch entsteht die dritte Abstützung 3, wenn die Mutter 5 gegen die Tellerfeder 6 angezogen wird. Die Mutter 5 und die Tellerfeder 6 haben allerdings nicht die Aufgabe, das Oberteil 13 mit dem Unterteil 12 zu verbinden, sondern vielmehr die Vorspannung auch während des Betriebes des Kolbens 1 1 in der Brennkraftmaschine zu erhalten. Hierzu wird vorgeschlagen, die Wirkung der Mutter 5 durch die Wirkung der Tellerfeder 6 zu erhöhen, wobei gegebenenfalls die Tellerfeder 6 auch entfallen kann. Weiterhin ist das Unterteil 12 in einem Bereich 7 so ausgeführt, dass beim Anzug der Mutter 5 der Bereich 7 gegen das Oberteil 13 gezogen (gedrückt) wird. Dadurch ergibt sich eine weitere Vorspannung zwischen dem Oberteil 13 und dem Unterteil 12. Die Tellerfeder 6 kann entfallen, wenn sich herausstellt, dass die Vorspannung alleine von dem Bereich 7 aufgebracht werden kann. Das Gewinde der Mutter 5 ist wie dargestellt an einer angeschmiedeten Verlängerung 8 des Oberteiles 13 angebracht. Dieses dient nur zur Erläuterung, da die Verlängerung 8 des Oberteiles 13 auch durch eine Schraube ersetzt werden kann. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 und 2 bildet das Oberteil 13 einen umlaufenden Steg 20 und korrespondierend dazu bildet das Unterteil 12 einen umlaufenden Steg 21 zur Ausbildung des Außengewindes 1 . Der umlaufende Steg 20 ist wie dargestellt im Querschnitt in etwa rechteckförmig und relativ dünn, wohingegen der umlaufende Steg 21 des Unterteiles 12 massiv durch das Unterteil 12 ausgebildet ist. Andere Formgebungen des Oberteiles 13 und des Unterteiles 12 zur Bildung des Außengewindes 1 sind selbstverständlich denkbar. In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kolbens 1 1 gezeigt, wobei ersichtlich ist, dass der ringförmige umlaufende Kühlkanal 15 nach oben gerichtete Erweiterungsbohrungen 16 aufweisen kann. Um die Kühlwirkung zu erhöhen, sind mehrere über den Umfang verteilte Erweiterungsbohrungen ausgehend von dem Kühlkanal 15, in das Oberteil 13 eingebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist mit 17 ebenfalls ein Außengewinde (analog zu dem Außengewinde 1 bei dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel) bezeichnet, wobei auch hier bei diesem Kolben 1 1 gemäß Figur 3 die zumindest eine Hauptabstützung 2 und die Nebenabstützung 4 (optional die dritte Abstützung 3) vorhanden sind. Auch die einander korrespondierenden Stege 20, 21 sind wiederum vorhanden.

Abweichend von dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1/2 weist der Kolben 1 1 gemäß Figur 3 einen Innenbereich 18 ohne Mutter 5, ohne Tellerfeder 6 und ohne Verlängerung 8 auf. Außerdem hat dieser Kolben 1 1 keine Brennraummulde, wobei diese gegebenenfalls jedoch vorhanden sein kann. Der Innenbereich 18 ist Oberhalb der Bolzenbohrung ausgeformt und kann ebenfalls zu Kühlzwecken verwendet werden.

Figur 4 zeigt ausschnittsweise den Kolben 1 1 , etwa entsprechend dem Kolben 1 1 gemäß Figur 3, wobei noch eine Verdrehsicherung 19 zwischen Unterteil 12 und Oberteil 13 vorgesehen ist. Diese Verdrehsicherung 19 kann ein Stift, eine Schraube, ein federbelasteter Stift zum Eingriff in eine Ausnehmung des gegenüberliegenden Teiles oder dergleichen sein. Hierbei handelt es sich um eine kraft- bzw. formschlüssige Verdrehsicherung 19. Alternativ oder ergänzend dazu können die beiden Teile 12, 13 auch stoffschlüssig wie z. B. verlöten, verschweißen, verkleben oder dergleichen daran gehindert werden, sich im Betrieb in der Brennkraftmaschine gegeneinander zu verdrehen.

Hinsichtlich der Fertigung ist noch folgendes zu erwähnen. Das Oberteil 13 und das Unterteil 12 können auf einer Gegenspindelmaschine gefertigt werden. Nach der Bearbeitung des Außengewindes 1 , 17 (das heißt der korrespondierenden Gewindebereiche an dem Unterteil 12 und dem Oberteil 13) und optional der Innenkontur (z. B. des Innenbereiches 18) werden die beiden Teile 12, 13 zusammengeschraubt. Die Feinbearbeitung, das heißt, das Laufspiel, erfolgt somit im zusammengebauten Zustand, so dass keine Koaxialität zwischen dem Oberteil 13 und dem Unterteil 12 entsteht. Zusätzlich kann noch ein Einpass 9 an der geschmiedeten Verlängerung 8 und dem Unterteil 12 angebracht werden, so dass im Betrieb des Kolbens 1 1 in der Brennkraftmaschine die Relativbewegung zwischen Oberteil und Unterteil so gering wie möglich oder gar nicht mehr gegeben ist. Hierzu kann, muss aber nicht die Verdrehsicherung 19 herangezogen werden.

Allgemein ist nochmals zu erwähnen, dass mindestens im Bereich einer Abstützung ein Spalt zwischen Unterteil und Oberteil im statischen Zustand vorliegen kann. Es wird eine einfache und effektive Kolbenverbindung geschaffen, ohne Schweißen. Es erfolgt eine einfache und sichere Verbindung von Unterteil und Oberteil ohne Schweißen oder Klammern. Unterteil und Oberteil werden somit lösbar durch Kraft- und/oder Formschluss zu einem Kolben gefügt. Sofern die Schraubverbindung zwischen Unterteil und Oberteil vorgespannt ausgeführt ist, handelt es sich um eine kraftschlüssige Verbindung. Sofern die Schraubverbindung zwischen Unterteil und Oberteil nicht vorgespannt ausgeführt ist, handelt es sich um eine formschlüssige Verbindung. Mischformen zwischen Kraft- und Formschluss können bei der Verbindung von Unterteil und Oberteil zu einem Kolben ebenfalls vorliegen. BEZUGSZEICH EN LISTE

1 Außengewinde

2 Hauptabstützung

3 Dritte Abstützung

4 Nebenabstützung

5 Mutter

6 Tellerfeder

7 Bereich

8 Verlängerung

9 Einpass

11 Kolben

12 Unterteil

13 Oberteil

14 Kolbenhubachse

15 Kühlkanal

16 Erweiterungsbohrung

17 Außengewinde

18 Innenbereich

19 Verdrehsicherung

20 umlaufender Steg

21 umlaufender Steg

Claims

Kolben mit Außenverschraubung PATENTANSPRÜCH E

1.

Kolben (11) einer Brennkraftmaschine, gebildet aus einem Unterteil (12) und einem Oberteil (13), aufweisend einen Kolbenboden, wobei das Unterteil (12) und das Oberteil (13) durch Kraft- und/oder Formschluss zu dem Kolben (11) gefügt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Unterteil (12) und dem Oberteil (13) ein Außengewinde (1 , 17) angeordnet ist.

2.

Kolben (11) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Abstützungen (2, 3, 4) zwischen dem Unterteil (12) und dem Oberteil (13) vorgesehen sind.

3.

Kolben (11) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens im Bereich einer Abstützung (2, 4) ein Spalt zwischen dem Unterteil (12) und dem Oberteil (13) im statischen Zustand vorliegt.

4.

Kolben (11) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Mutter (5) zur Aufrechterhaltung der Vorspannung zwischen dem Unterteil (12) und dem Oberteil (13) des Kolbens (11) während des Betriebs der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.

5.

Kolben (1 1 ) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mutter (5) und eine Tellerfeder (6) zur Aufrechterhaltung der Vorspannung zwischen dem Unterteil (12) und dem Oberteil (13) während des Betriebs der Brennkraftmaschine vorgesehen sind.

6.

Kolben (1 1 ) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengewinde (1 , 17) gebildet ist von einem umlaufenden Steg (20) des Oberteiles (13) und einem korrespondierenden umlaufenden Steg (21 ) des Unterteiles (12).