DE10101605A1 - Kolben für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Kolben (1) mit einem Kolbenschaft (2), einem oberen, den Kolbenboden (3) bildenden, im Wesentlichen zylindrischen Bereich, Bolzennaben (7, 7'), die in Richtung der Bolzenachse (9) zurückgesetzt sind, zwei radial bezüglich der Bolzenachse (9) gegenüberliegenden Kolbenschaftabschnitten (4, 5), die symmetrisch und im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind, vier die Kolbenschaftabschnitte mit den Bolzennaben verbindenden Verbindungswänden (6, 6', 6'', 6'''), deren unteres Ende über die Nabenbohrung hinaus geht, die aber nicht über die Kolbenschaftabschnitte (4, 5) hinaus reichen, wobei die Kolbenschaftabschnitte (4, 5) als tragende Kolbenschaftabschnitte ausgebildet sind, wobei die Verbindungswände (6, 6', 6'', 6''') bogenförmig unter einem Radius (R) mit der Bolzennabe (7, 7') und den Kolbenschaftabschnitten (4, 5) verbunden sind, wobei die Bogenform dem Verlauf der Kolbenschaftabschnitte (4, 5) folgt und der Mittelpunkt (M) des durch den Radius (R) gebildeten Kreisabschnittes im Inneren des Kolbens angeordnet ist und dass die Wandstärke der Verbindungswände (6, 6', 6'', 6'''), von den Bolzennaben (7, 7') beginnend, in Richtung der Kolbenschaftabschnitte (4, 5) kontinuierlich abnimmt und dass die Verbindungswände in die äußeren Endbereiche (10, 10', 10'', 10''') der Bolzennaben (7, 7') auslaufen.

Description

Die Erfindung beschreibt einen Kolben mit einem Kolbenschaft, einem oberen, den Kolbenboden bildenden, im wesentlichen zylindrischen Bereich, Bolzennaben, die in Richtung der Bolzenachse zurückgesetzt sind, zwei radial bezüglich der Bolzenachse gegenüberliegenden Kolbenschaftabschnitten, die symmetrisch und im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind, vier die Kolbenschaftabschnitte mit den Bolzennaben verbindende Verbindungswände, deren unteres Ende über die Nabenbohrung hinaus geht, die aber nicht über die Kolbenschaftabschnitte hinaus reichen, wobei die Kolbenschaftabschnitte als tragende Kolbenschaftabschnitte ausgebildet sind.

An die Systemkomponenten in Motoren und Verdichtern werden immer größere Anforderungen gestellt. Dabei soll der Energieeinsatz minimiert und die Leistung optimiert werden. Diese Leistungssteigerungen führen zwangsläufig zu veränderten Betriebsbedingungen und stellen somit immer höhere Anforderungen an die konstruktive Auslegung der Systemkomponenten. Insbesondere eine unzureichende Dimensionierung des Kolbens führt zum Ausfall des Gesamtsystems und ist meist mit erheblichem Kostenaufwand verbunden. Ein Ansatz zur Leistungssteigerung ist die Gewichtsreduzierung des Kolbens. Aus diesem Grund wird der Kolben im Nabenbereich verjüngt ausgebildet.

Auf den Kolben wirken, ausgehend von den oberen und unteren Totpunkten, Zug-, Druck und Massenkräfte, die, bedingt durch die Anordnung in einem Zylinder und der Befestigung an einen exzentrisch gelagerten Pleuel, von Querkräften überlagert werden. Hierbei fallen den einzelnen Kolbenbereichen unterschiedliche Aufgaben zu. Der Kolbenschaft hat die Aufgabe, den Kolben im Zylinder zu führen und die durch die Schräglage des Pleuels entstehenden Querkräfte an die Zylinderwand weiterzugeben. Um eine gute Führung des Kolbens im Zylinder zu erreichen, soll der Kolbenschaft möglichst lang sein. Ein langer Kolbenschaft ist aber u. a. aus Gewichtsgründen unerwünscht.

Um den hohen Zug- und Druckkräften in der Kompressions- bzw. Verbrennungsphase gerecht zu werden, muß der Kolbenkopf eine hohe Festigkeit aufweisen. Aus thermischen und werkstoffspezifischen Gründen, wie z. B. Wärmedehnung, Dauerschwingfestigkeit, muß der Kolbenschaft elastisch sein, um den Verformungen des Systems zu folgen. Bei der Gestaltung des Kolbens muß daher eine optimale Steifigkeit bei geringstem Materialaufwand erreicht werden.

Um diesen dynamischen und leistungsorientierten Anforderungen gerecht zu werden, wurden Kolben entwickelt, wie sie zum Beispiel aus der Offenlegungschrift DE 199 18 328 bekannt sind. Die Schrift offenbart einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, der leistungsorientiert mit zurückgelegten Bolzennaben ausgeführt ist. Durch die Verjüngung des Kolbens im Bereich der Bolzennaben wird der Kolben leichter, und die Massenkräfte werden reduziert. Eine weitere Anpassung an die gestellten Anforderungen ist die kontinuierliche Verringerung der Wandstärke des Kolbenschaftes von den zug- und druckseitigen Kolbenschaftabschnitten hin zur Bolzenbohrung. Diese konstruktive Maßnahme soll dem Kolben ermöglichen, die Querkräfte elastisch aufzunehmen. Nachteilig an der hier offenbarten Art der Kolbenausführung sind die Hinterschneidungen, im Bereich zwischen dem zug- und druckseitigem Kolbenschaft und dem Übergang der Verjüngung zur Kolbennabe, die als Kerben dynamische Belastungen erhöhen. Gleichzeitig verkleinert sich die Wandstärke zur Nabenbohrung hin, das heißt, die Kolbenwand hat im Übergang zwischen zug- und druckseitigem Kolbenschaft und verjüngtem Kolbenschaft ihre größte Dicke. In diesem Bereich sollte der Kolben aber möglichst elastisch sein, um den aus der Dynamik des Systems herrührenden Verformungen entsprechen zu können.

Eine weitere Ausführungsform eines Kolbens ist aus der amerikanischen Patentschrift US 5,076,225 bekannt. Der in diesem Patent dargelegte Kolben ist in einer, dem Fachmann unter Figur-Acht-Form bekannten Geometrie ausgebildet. Die hier dargestellte Ausführung verzichtet auf Hinterschneidungen die als Kerben wirken, reduziert aber den zug- und druckseitigen Kolbenschaftbereich in der Wanddicke. Der so ausgebildete Kolben ist in der Lage, den elastischen Verformungen des dynamischen Systems zu folgen. Die verschiedenen Ausführungsformen zeigen eindeutig das Bestreben, den Bewegungen der zug- und druckbelasteten Kolbenschaftbereiche zu folgen und dem Kolben trotzdem eine hohe Steifigkeit zu geben. Ein Nachteil bei den vorliegenden Ausführungen ist, dass alle Kolben Hinterschneidungen besitzen, die ein Gießen in mehrteiligen Formen erforderlich machen.

Der Hinweis auf eine kontinuierliche Verringerung der Wandstärke des Kolbenschaftes zur gezielten Einleitung der Querkräfte in die Nabe oder auf den Versatz der Nabenbohrung wird nicht gegeben.

Eine diese Merkmale beinhaltende Druckschrift ist die deutsche Offenlegungsschrift DE 197 08 252. Offenbart wird ein Kolben für einen Verbrennungsmotor mit zug- und druckseitigen Kolbenschaftabschnitten und zur Nabenbohrung hin verjüngenden, durchgängigen Verbindungswände. Die Wandstärke verringert sich kontinuierlich im Bereich des zug- und druckseitigen Kolbenschaftabschnitte, ist aber im Bereich der Verbindungswände von identischer Dicke. In den Bereichen mit identischer Dicke ist der Kolben praktisch als starr anzusehen. Aus diesem Grund kann sich der Kolben nicht gleichmäßig verformen, so dass an den starr verbundenen Kolbenschaftbereichen Bruchstellen absehbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zum Stand der Technik gehörigen Nachteile zu überwinden und einen Kolben zu entwickeln, der den heutigen, dynamischen und leistungsorientierten Anforderungen in einem Verdichter oder in einer Verbrennungskraftmaschine entspricht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dokumentiert.

Der erfindungsgemäße Gedanke überwindet die vorgenannten technischen Nachteile dadurch, dass die Verbindungswände bogenförmig unter einem Radius R mit der Bolzennabe und den Kolbenschaftabschnitten verbunden sind, wobei die Bogenform dem Verlauf der Kolbenschaftabschnitte folgt und der Mittelpunkt des durch den Radius R gebildeten Kreisabschnittes im inneren des Kolbens angeordnet ist und dass die Wandstärke der Verbindungswände von den Bolzennaben beginnend in Richtung der Kolbenschaftabschnitte kontinuierlich abnimmt und dass die Verbindungswände in die äußeren Endbereiche der Bolzennaben auslaufen.

Durch die kontinuierliche Abnahme der Wandstärke wurde ein Kolbenschaft mit hoher Steifigkeit entwickelt, der keine bevorzugte Bruchstelle erkennen läßt. Neben einer gegebenen Elastizität ermöglicht der bogenförmige Übergang vom Kolbenschaft zur Nabe einen optimalen Kraftfluß.

Zur Bestimmung der Steifigkeiten eines Kolbens bezogen auf die Querkräfte wird der sogenannte Querpulser eingesetzt. Im Querpulser wird die Steifigkeit und Festigkeit des Kolbenschaftes untersucht. Dabei wird der Schaft üblicherweise über Halbschalen in Pleuelschwingebene schwellend belastet. Um eine Aussage über die Steifigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens machen zu können, wurden vergleichende Versuche durchgeführt. Dabei wurde der Kolben nicht schwellend sondern statisch belastet. Für die Versuche wurden drei unterschiedliche Kolben ausgewählt:
Der erste Kolben besaß einen zylindrischen Kolbenschaft, wobei der Kolbenschaft zu den Nabenbohrungen hin ausgefräst war, und zwar so weit, dass der Kolbenbolzen seitlich eingeschoben werden konnte.

Der zweite Kolben war in Anlehnung an die amerikanische Patentschrift US 5,076,225 als Acht-Form-Kolben ausgebildet.

Neben diesen beiden Kolben wurde der erfindungsgemäße Kolben der Belastung des Querpulsers unterworfen. Die Belastung erfolgte über zwei im Durchmesser um 0,5 mm größere Halbschalen auf die Schaftmitte. Die Meßstelle befand sich 5 mm vom offenen Kolbenschaftende in Laufrichtung. Das folgende Diagramm zeigt die elastische Verformung in [µm] des Kolbens, bezogen auf eine statische Belastung in [N].

Diagramm

Kolbenverformung unter statischer Belastung

Das Diagramm zeigt deutlich die um bis zu 32% höhere Steifigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens gegenüber der des Figur-Acht-Form-Kolbens aus der amerikanischen Patentschrift US 5,076,225.

Neben der besonderen Formgebung des Kolbenschaftes wird erfindungsgemäß eine Deachsierung der Kolbenbolzenachse genannt. Die Deachsierung der Bolzenbohrung in Richtung Druckseite beeinflusst die Kolbenquerbewegung und ist ein wirksames Mittel, um Laufgeräusche des Kolbens und Kavitation an der Zylinderbüchse zu verhüten. Andererseits kann durch die Deachsierung auch eine thermische Entlastung der Ringzone bewirkt werden.

Der erfindungsgemäße Kolben ist anhand eines Ausführungsbeispiels in einer prinzipiellen Zeichnung dargestellt und wird im weiteren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 zeigt die Seitenansicht mit einem Schnitt auf einen erfindungsgemäßen Kolben.

Fig. 2 zeigt die Unterseite des erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt I-I'.

In Fig. 1 ist ein Kolben 1 mit einem Kolbenschaft 2 und einem Kolbenkopf 3 zu sehen. Die Fig. 2 zeigt die symmetrischen, druck- und zugseitigen Kolbenschaftabschnitte 4, 5, mit den Verbindungswänden 6, 6', 6", 6''' zu den Bolzennaben 7, 7'. Die Verbindungswände 6, 6', 6", 6''' bilden einen durch den Radius R erzeugten Kreisabschnitt, dessen Mittelpunkt M im inneren des Kolbens 1 liegt. Dabei liegt der äußerste Punkt 8, 8', 8", 8''' der Kreisabschnitte, bezogen auf die Bolzenachse, 9 stets weiter außen als die Endbereiche 10, 10', 10", 10''' der Bolzennaben 7, 7'. Die Wandstärke der Kolbenschaftabschnitte 6, 6', 6", 6''' nimmt von den Bolzennaben 7, 7' ausgehend zu den Kolbenschaftabschnitten 4, 5 kontinuierlich ab, wobei die äußeren Oberflächen der Verbindungswände 6, 6', 6", 6''' in die Endbereiche 10, 10', 10", 10''' der Bolzennaben 7, 7' auslaufen.

Claims (6)

1. Kolben (1) mit einem Kolbenschaft (2), einem oberen, den Kolbenboden (3) bildenden, im wesentlichen zylindrischen Bereich, Bolzennaben (7, 7'), die in Richtung der Bolzenachse (9) zurückgesetzt sind, zwei radial bezüglich der Bolzenachse (9) gegenüberliegenden Kolbenschaftabschnitten (4, 5), die symmetrisch und im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind, vier die Kolbenschaftabschnitte mit den Bolzennaben verbindende Verbindungswände (6, 6', 6", 6'''), deren unteres Ende über die Nabenbohrung hinaus geht, die aber nicht über die Kolbenschaftabschnitte (4, 5) hinaus reichen, wobei die Kolbenschaftabschnitte (4, 5) als tragende Kolbenschaftabschnitte ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungswände (6, 6', 6", 6''') bogenförmig unter einem Radius (R) mit der Bolzennabe (7, 7') und den Kolbenschaftabschnitten (4, 5) verbunden sind, wobei die Bogenform dem Verlauf der Kolbenschaftabschnitte (4, 5) folgt und der Mittelpunkt (M) des durch den Radius (R) gebildeten Kreisabschnittes im inneren des Kolbens angeordnet ist und dass die Wandstärke der Verbindungswände (6, 6', 6", 6''') von den Bolzennaben (7, 7') beginnend in Richtung der Kolbenschaftabschnitte (4, 5) kontinuierlich abnimmt und dass die Verbindungswände in die äußeren Endbereiche (10, 10', 10", 10''') der Bolzennaben (7, 7') auslaufen.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzenachse um 0,1 bis 1,5 mm in Richtung eines Kolbenschaftabschnittes (4, 5) verschoben angeordnet ist.

3. Kolben nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus dem Radius (R) der Bogenform und dem Kolbendurchmesser zwischen 1/10 und 1/2,5 liegt.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus dem Radius (R) der Bogenform und dem Kolbendurchmesser vorzugsweise 1/5 ist.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) mit einem einteiligen Kern gegossen ist.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die äußersten Punkte (8, 8', 8", 8''') der Verbindungswände (6, 6', 6", 6'''), bezogen auf die Bolzenachse (9), stets weiter außen, als die Endbereiche (10, 10', 10", 10''') der Bolzennaben (7, 7') angeordnet sind.