DE10257022A1

DE10257022A1 - Mehrteiliger gekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10257022A1
Application number: DE10257022A
Authority: DE
Inventors: Rainer Scharp; Dieter Messmer
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2004-06-17
Also published as: KR20050084180A; EP1583896B1; RU2005121255A; KR101067577B1; HK1084169A1; JP4414894B2; BR0310142B1; US6729291B1; DE50303408D1; CN100339584C; JP2006509152A; CN1714232A; BR0317030A; WO2004053319A1; RU2313679C2; EP1583896A1

Abstract

Es wird ein mehrteiliger, gekühlter Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenoberteil (2) und einem Kolbenunterteil (6) vorgeschlagen, die über einen am Kolbenoberteil (2) angeordneten Gewindebolzen (26) und eine in das Kolbenunterteil (6) eingearbeitete Gewindebohrung (29) zusammengeschraubt werden. Die Gewindebohrung (29) ist in einem Bereich (31) des Kolbenunterteils (6) angeordnet, der derart dünnwandig ausgebildet ist, dass er sich beim Zusammenschrauben tellerfederartig verformt, sodass zur Sicherung der Montageverbindung keine weiteren Sicherungsmittel, wie beispielsweise eine Kontermutter erforderlich sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen gekühlten Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Aus der Europäischen Patentanmeldung 0 604 223 A1 ist ein Kolben bekannt, der in einem Dieselmotor verwendet wird, und der aus einem Kolbenoberteil und einem Kolbenunterteil besteht. Über einen am Kolbenoberteil mittig angebrachten Gewindebolzen und über eine in das Kolbenunterteil eingearbeitete Gewindebohrung wird bei der Montage des Kolbens das Kolbenoberteil auf das Kolbenunterteil geschraubt. Um hierbei eine dauerhafte Montageverbindung zu erreichen, ist es erforderlich, die Schraubverbindung mittels einer Kontermutter zu sichern. Nachteilig ist hierbei, dass bei der Montage des Kolbens nur ein kurzes Stück des Gewindebolzens zwischen den Bolzennaben in Erscheinung tritt, sodass es schwer ist, hierauf eine Kontermutter zu schrauben.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, das Ober- und das Unterteil eines mehrteiligen, gekühlten Kolbens derart zu gestalten, dass eine einfache Montage des Kolbenoberteiles auf das Kolbenunterteil ohne die zusätzliche Verwendung einer Kontermutter oder sonstiger Sicherungsmittel möglich ist.

Gelöst wird die Aufgabe mit den im Kennzeichen des Patentanspruches stehenden Merkmalen. Hierdurch wird erreicht, dass sich beim Aufschrauben des Kolbenoberteils auf das Kolbenunterteil der dünnwandige, mit der Gewindebohrung versehene Bereich des Kolbenunterteiles tellerfederartig aufwölbt, sodass hierdurch nach der Montage des Kolbens auf den Gewindebolzen eine Zugspannung ausgeübt wird, die eine dauerhafte Montageverbindung zwischen Kolbenober- und Kolbenunterteil mit sich bringt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung , beschrieben. Sie zeigt ein Schnittbild des erfindungsgemäßen Kolbens, dessen linke Hälfte einen Halbschnitt des Kolbens in Bolzenrichtung und dessen rechte Hälfte einen Halbschnitt des Kolbens in Druck-Gegendruck-Richtung darstellt.
In der Figur ist ein mehrteiliger gekühlter Kolben 1 dargestellt, der aus einem Kolbenoberteil 2, das eine Verbrennungsmulde 3 und eine Ringwand 4 mit einer Ringpartie 5 aufweist, und aus einem Kolbenunterteil 6 besteht, das einen kastenförmigen Kolbenschaft 7 und zwei damit verbundene Bolzennaben 8 mit je einer Bolzenbohrung 9 zur Aufnahme eines in der Figur nicht dargestellten Kolbenbolzens umfasst. Das Kolbenoberteil 2 und das Kolbenunterteil 6 begrenzen einen äußeren ringförmigen Kühlkanal 10 und einen konzentrisch dazu angeordneten, inneren Kühlkanal 11, wobei der äußere Kühlkanal 10 mindestens eine Zuflussöffnung 12 zum Einleiten von Kühlöl aufweist und über mindestens einen Überlaufkanal 13 mit dem inneren Kühlkanal 11 verbunden ist. Dieser Überlaufkanal 13 kann als Bohrung ausgebildet sein. Beispielsweise können hierbei zwei einander gegenüberliegende Überlaufkanäle 13 vorgesehen sein. Der innere Kühlkanal 11 weist mindestens eine Ablaufbohrung 14 auf, über die das Kühlöl aus dem inneren Kühlkanal 11 austreten kann.
Das Kolbenoberteil 2 ist hierbei zum einen über eine ringförmige Auflagefläche 15, die auf der der Verbrennungsmulde 3 abgewandten Seite des Kolbenoberteiles 2 angeordnet ist, auf einer oberen Auflagefläche 16 einer ringförmigen Tragrippe 17 des Kolbenunterteils 6 und zum anderen über eine sich auf der Unterseite der Ringwand 4 befindende Querschnittsfläche 18 auf einer oberen Querschnittsfläche 19 eines ringförmigen Tragsteges 20 des Kolbenunterteiles 6 gelagert. Hierbei bilden die Auflageflächen 15 und 16 eine innere, ebene und horizontal angeordnete, bzw. dach- oder tellerförmig ausgebildete Auflage 21 und die Querschnittsflächen 18 und 19 eine zur inneren Auflage 21 koaxial und horizontal angeordnete, bzw. ebenfalls dach- oder tellerförmig ausgebildete, äußere Auflage 22.
Der Tragsteg 20 ist stufenförmig ausgebildet, sodass das Kolbenoberteil 2 über eine in die Innenseite des unteren Teiles der Ringwand 4 eingearbeitete, zylinderförmige Ausnehmung 23 dadurch zentriert werden kann, dass beim Zusammenbau von Kolbenober- und -unterteil die Innenwand der zylinderförmigen Ausnehmung 23 mit der zylinderförmigen Stirnseite 24 des Tragsteges 20 in Kontakt kommt, wobei erforderlich ist, dass der Innendurchmesser der zylinderförmigen Ausnehmung 23 um ein solches Toleranzmaß größer ist als der Außendurchmesser der zylinderförmigen Stirnseite 24 des Tragsteges 20, dass eine problemlose Montage des Oberteils 2 auf das Unterteil 6 gewährleistet ist.
Auf der der Verbrennungsmulde 3 abgewandten Seite weist das Kolbenoberteil 2 einen mittig und koaxial zur Längsachse 25 des Kolbens 1 angeordneten Bolzen 26 auf, dessen Ende 27 mit einem Gewinde 28 versehen ist. Der Bereich 31 zwischen der ringförmigen Tragrippe 17 des Kolbenunterteils 6, der gemeinsam mit dem Kolbenoberteil 2 den inneren Kühlkanal 11 begrenzt, ist relativ dünnwandig ausgebildet und ist in seiner Mitte mit einer koaxial zur Längsachse 25 des Kolbens 1 angeordneten Bohrung 29 versehen, die ein auf das Gewinde 28 des Bolzens 26 passendes Innengewinde 30 aufweist.
Dies ermöglicht, dass bei der Montage des Kolbens 1 lediglich der Gewindebolzen 26 des Kolbenoberteils 2 in die Gewindebohrung 29 des Bereiches 31 eingeschraubt werden muss. Hierbei bewirkt die Elastizität des relativ dünnwandigen Bereiches 31, dass dieser sich beim Zusammenschrauben von Kolbenober- und -unterteil wie eine Tellerfeder verformt und sich das innere, mit der Gewindebohrung 29 versehene Zentrum des Bereiches 31 in Richtung Kolbenoberteil 2 aufwölbt. Zusätzlich verlängert sich bei der Montage der gewindelose Dehnschaft des Gewindebolzens 26, wodurch eine weitere Verbesserung der Sicherheit des Sitzes des Kolbenoberteiles 2 auf dem Kolbenunterteil 6 erreicht wird. Hierbei werden sowohl die Auflageflächen 15 und 16 der inneren Auflage 21 als auch die Querschnittsflächen 18 und 19 der äußeren Auflage 22 aufeinandergepresst, wodurch der innere und der äußere Kühlkanal 10 und 11 abgedichtet werden. Die Festigkeit der Montage von Kolbenober- und -unterteil wird damit so weit vergrößert, dass eine zusätzliche Mutter, bzw. Kontermutter zum Erreichen einer dauerhaften Montageverbindung nicht erforderlich ist. Versuche haben gezeigt, dass unter allen denkbaren Betriebsbedingungen eine ausreichende Vorspannung der beiden Teile des Kolbens gewährleistet ist.
Das Kolbenoberteil 2 kann aus einem oxidationsbeständigen und/oder warmfesten Werkstoff bestehen. Zum Einsatz kommen typischerweise Stähle mit Chromgehalten ≥ 4% aus den Werkstoffgruppen der chemisch beständigen Stähle gem. DIN EN 10027-2 (Stahlgruppen-Nummern 1.4x xx1, wie nichtrostende, hochwarmfeste oder hitzebeständige Stähle, sowie aus der Werkstoffgruppe der legierten Werkzeugstähle, wie legierte Warmarbeitsstähle.
Das Kolbenunterteil 6 besteht aus einem ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stahl oder Vergütungsstahl, wobei typischerweise die Stahlgüten 38MnVS6 oder 42CrMo4 eingesetzt werden (nach dem deutschen Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 101).

1: Kolben
2: Kolbenoberteil
3: Verbrennungsmulde
4: Ringwand
5: Ringpartie
6: Kolbenunterteil
7: Kolbenschaft
8: Bolzennabe
9: Bolzenbohrung
10: äußerer Kühlkanal
11: innerer Kühllanal
12: Zuflussöffnung
13: Überlaufkanal, Bohrung
14: Ablaufbohrung
15: Auflagefläche des Kolbenoberteils 2
16: Auflagefläche des Kolbenunterteils 6
17: Tragrippe
18: Querschnittsfläche des Kolbenoberteils 2
19: Querschnittsfläche des Kolbenunterteils 6
20: Tragsteg
21: innere Auflage
22: äußere Auflage
23: Ausnehmung der Ringwand 4
24: Stirnseite des Tragsteges 20
25: Längsachse des Kolbens 1
26: Bolzen, Gewindebolzen
27: Ende des Bolzens 26
28: Gewinde
29: Bohrung, Gewindebohrung
30: Innengewinde der Bohrung 29
31: Bereich zwischen der Tragrippe 17

Claims

Mehrteiliger, gekühlter Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor bestehend aus einem Kolbenoberteil (2) mit einer Ringwand (4) und einer Ringpartie (5) und aus einem Kolbenunterteil (6), das mit dem Kolbenoberteil (2) einen äußeren, ringförmigen (10) und zudem einen konzentrisch dazu angeordneten, inneren ringförmigen Kühlkanal (11) bildet, und das einen kastenförmigen Kolbenschaft (7) mit zwei damit verbundene Bolzennaben (8) umfasst, wobei das Kolbenoberteil (21 auf der dem Kolbenunterteil (6) zugewandten Seite einen koaxial zur Längsachse (25) des Kolbens (1) angeordneten Gewindebolzen (26) und das Kolbenunterteil (6) auf der dem Kolbenoberteil (2) zugewandten Seite eine koaxial zur Kolbenlängsachse (25) angeordnete Gewindebohrung (29) mit einem auf das Gewinde (28) des Gewindebolzens (26) passenden Innengewinde (30) aufweist, und wobei der Gewindebolzen (26) und die Gewindebohrung (29) derart angeordnet sind, dass zur Montage des Kolbenoberteils (2) mit dem Kolbenunterteil (6) der Gewindebolzen (26) in die Gewindebohrung (29) einschraubbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindebolzen (26) eine innere Begrenzung des inneren Kühlkanals (11) bildet, und dass ein den inneren Kühlkanal (11) abdeckender Bereich (31) des Kolbenunterteils (6) die Gewindebohrung (29) auffweist und derart dünnwandig ausgebildet ist, dass er tellerfederartig verformbar ist.