DE10101605B4 - Piston for internal combustion engines - Google Patents
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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 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 und die Wandstärke der Verbindungswände (6, 6', 6'', 6''') von den Bolzennaben (7, 7') beginnend in Richtung der Kolbenschaftabschnitte (4, 5) kontinuierlich abnimmt, wobei die Verbindungswände in die äußeren Endbereiche (10, 10', 10'', 10''') der Bolzennaben (7, 7') auslaufen und die Verbindungswände (6, 6', 6'', 6''') bogenförmig unter einem Radius R mit der Bolzennabe (7, 7') und den Kolbenschaftabschnitten (4, 5) verbunden sind, dadurch...piston (1) with a piston skirt (2), an upper, the piston crown (3) forming, substantially cylindrical area, pin bosses (7, 7 '), which are set back in the direction of the pin axis (9), two radially in terms of the bolt axis (9) opposite piston shaft sections (4, 5) formed symmetrical and substantially cylindrical are four connecting the piston skirt sections with the pin bosses connecting walls (6, 6 ', 6' ', 6' '') whose lower end beyond the hub bore addition but not over the piston skirt sections (4, 5) extend out, the piston skirt sections (4, 5) are designed as bearing piston skirt sections and the wall thickness the connecting walls (6, 6 ', 6' ', 6' '') of the pin bosses (7, 7 ') starting in the direction the piston skirt sections (4, 5) decreases continuously, wherein the connecting walls in the outer end areas (10, 10 ', 10' ', 10' '') of the pin bosses (7, 7 ') leak and the connecting walls (6, 6 ', 6' ', 6' '') arcuate at a radius R with the pin boss (7, 7 ') and the piston skirt portions (4, 5) are connected, thereby ...
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 und wobei die Wandstärke der Verbindungswände von den Bolzennaben beginnend in Richtung der Kolbenschaftabschnitte kontinuierlich abnimmt, wobei die Verbindungswände in die äußeren Endbereiche der Bolzennaben auslaufen und wobei die Verbindungswände 1-bogenförmig unter einem Radius mit der Bolzennabe und den Kolbenschaftabschnitten verbunden sind.The The invention describes a piston with a piston skirt, a upper, the piston crown forming, substantially cylindrical Area, pin bosses that are reset in the direction of the pin axis, two radially relative the bolt axis opposite Piston shaft sections which are symmetrical and substantially cylindrical are formed, four the piston skirt sections with the pin bosses connecting connecting walls their lower end over the hub bore goes out, but not over the piston skirt sections range, wherein the piston skirt sections as a bearing piston stem sections are formed and wherein the wall thickness of the connecting walls of the pin bosses starting in the direction of the piston skirt sections decreases continuously, with the connecting walls in the outer end portions of the pin bosses leak and wherein the connecting walls 1-arcuately below a radius the bolt hub and the piston skirt sections are connected.
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.At The system components in motors and compressors are becoming ever more demanding posed. The energy use is minimized and the performance be optimized. These increases in performance inevitably lead to changed Operating conditions and thus place ever higher demands on the constructive Design of system components. In particular, an insufficient Dimensioning of the piston leads to the failure of the entire system and is usually at considerable cost connected. One approach to increasing performance is weight reduction of the piston. For this reason, the piston is tapered in the hub area.
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.On act on the piston, starting from the top and bottom dead centers, Tensile, pressure and mass forces, which, due to the arrangement in a cylinder and the attachment to an eccentrically mounted connecting rod, superimposed by lateral forces become. Here are the individual piston areas different tasks to. The piston stem has the task to the piston in the cylinder too to lead and by the tilt of the connecting rod resulting transverse forces pass on to the cylinder wall. To have a good leadership of To reach piston in the cylinder, the piston shaft should possible To be long. A long piston butt u. a. undesirable for weight reasons.
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.Around the high tensile and compressive forces in the compression or combustion phase, the piston head must have a high strength. Made of thermal and material-specific Establish, such as B. thermal expansion, Fatigue strength, the must Piston shaft be elastic to the deformations of the system too consequences. In the design of the piston therefore optimum rigidity be achieved with the least cost of materials.
Um
diesen dynamischen und leistungsorientierten Anforderungen gerecht
zu werden, wurden Kolben entwickelt, wie sie zum Beispiel aus der
Offenlegungschrift
Eine
weitere Ausführungsform
eines Kolbens ist aus der amerikanischen Patentschrift
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..Of the Indication of a continuous reduction in the wall thickness of the Piston shaft for targeted introduction of the transverse forces in the Hub or on the offset of the hub bore is not given ..
Eine
diese Merkmale beinhaltende Druckschrift ist die deutsche Offenlegungsschrift
Aus
der
Bei
der
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.Of the Invention is the object of the prior art related Overcome disadvantages and to develop a piston of today, dynamic and performance oriented requirements in a compressor or in an internal combustion engine corresponds.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Patentanspruch 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dokumentiert. These Task is achieved by solved the patent claim 1, advantageous developments of the invention are documented in the subclaims.
Der erfindungsgemäße Gedanke überwindet die vorgenannten technischen Nachteile dadurch, dass der Kolben symmetrische, druck- und zugseitige Kolbenschaftabschnitte besitzt, 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 äußersten Punkte der Verbindungswände, bezogen auf die Bolzenachse stets weiter außen, als die Endbereiche der Bolzennaben angeordnet sind. 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.Of the inventive idea overcomes the aforementioned technical disadvantages in that the piston has symmetrical, compression and tension piston side piston sections, wherein the arc shape follows the course of the piston skirt sections and the center of the circle section formed by the radius R. is located inside the piston and that the outermost Points of the connecting walls, always further outward relative to the pin axis than the end regions of the Bolts hubs are arranged. Due to the continuous decrease in the Wall thickness was a piston stem with high rigidity developed the no indicates preferred break point. In addition to a given elasticity allows the arcuate transition from Piston shaft to the hub an optimal power flow.
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 einem zylindrischen Kolbenschaft wobei der Kolbenschaft zu den Nabenbohrungen hin ausgefräßt war und zwar so weit, dass der Kolbenbolzen seitlich eingeschoben werden konnte.to Determination of the stiffnesses of a piston relative to the shear forces the so-called transverse pulser used. In the transverse pulser becomes the rigidity and strength of the piston skirt examined. The shaft is usually about half shells loaded swelling in the connecting rod swing plane. To make a statement about the Rigidity of the piston according to the invention to be able to do comparative tests were carried out. This was the piston not swelling but statically loaded. For the experiments were three different pistons selected: The first piston had one cylindrical piston stem wherein the piston stem to the hub bores was gnawed out and so far that the piston pin is inserted laterally could.
Der
zweite Kolben war in Anlehnung an die amerikanische Patentschrift
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 Meßstelie 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].Next These two pistons, the piston of the invention was the burden of Subjected to transverse pulsers. The load was over two in diameter 0.5 mm larger half shells on the shaft center. The measuring stance was 5 mm from the open. Piston end in the direction of travel. The following diagram shows the elastic deformation in [μm] of the piston related to a static load in [N].
Diagramm: Kolbenverformung unter statischer Belastung Diagram: Piston deformation under static load
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
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.Next the special shape of the piston skirt according to the invention is a Deachsierung the Called piston pin axis. The Deachsierung of the pin bore in Direction of the pressure side influences the piston traverse movement and is on effective means for running noise to prevent the piston and cavitation on the cylinder liner: on the other hand By Deachsierung also a thermal relief of the ring zone be effected.
Der erfindungsgemäße Kolben ist anhand eines Ausführungsbeispiels in einer prinzipiellen Zeichnung dargestellt und wird im weiteren näher erläutert. Es zeigt:Of the piston according to the invention is based on an embodiment shown in a schematic drawing and will be further explained in more detail. It shows:
In
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