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EP1642017A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor

Info

Publication number
EP1642017A1
EP1642017A1 EP04738618A EP04738618A EP1642017A1 EP 1642017 A1 EP1642017 A1 EP 1642017A1 EP 04738618 A EP04738618 A EP 04738618A EP 04738618 A EP04738618 A EP 04738618A EP 1642017 A1 EP1642017 A1 EP 1642017A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
ring element
projection
base body
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP04738618A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1642017B1 (de
Inventor
Rainer Scharp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle GmbH
Original Assignee
Mahle GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mahle GmbH filed Critical Mahle GmbH
Publication of EP1642017A1 publication Critical patent/EP1642017A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1642017B1 publication Critical patent/EP1642017B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/0023—Multi-part pistons the parts being bolted or screwed together
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston
    • F02F3/22—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston the fluid being liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F2003/0007—Monolithic pistons; One piece constructions; Casting of pistons

Definitions

  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • a piston for an internal combustion engine which consists of a piston base body with pin bosses and with a box-shaped shaft.
  • a ring-shaped component is welded to the bottom area of the piston base body, in the outside of which part of the ring section is incorporated, and the upper part of which is designed as a top land.
  • the component forms, together with the part of the piston base body on the piston crown side, an annular cooling channel, which is closed by a peripheral wall formed on the piston base body on the hub side.
  • the annular component is welded to the piston base body via each of its two end faces, which makes the production of the piston known from the prior art very time-consuming and labor-intensive.
  • the invention is based on the problem of simplifying, accelerating and thus making the manufacturing process of a piston equipped with a cooling duct less expensive.
  • a useful embodiment of the invention is the subject of the dependent claim. This results in a quick and easy to produce screw connection between a piston body and a ring element, which is given great strength by the mechanical tension under which an elastically designed projection places the ring element.
  • 1 is a sectional view of a piston for an internal combustion engine consisting of two halves, which represent two longitudinal sections of the piston offset by 90 °,
  • Fig. 2 shows a cross section of the piston along the line A-A in Fig. 1 and Fig. 3 shows an embodiment of the lower end face of an annular element screwed to the piston body.
  • Fig. 1 shows a piston 1 for an internal combustion engine in a sectional view, which consists of two halves, of which the left half is a section of the piston 1 along a longitudinal axis 2 of a hub bore 3 and the right half is a longitudinal section of the piston offset by 90 ° thereto 1.
  • the piston 1 consists of a piston base body 4, to which a ring element 6 is screwed via a piston 5-side thread 5 and which carries a top land 7 and a ring section 8 of the piston 1.
  • the piston body 4 and the ring element 6 are made of steel.
  • the piston base body 4 is formed in one piece and has a combustion bowl 10 in the region of the piston head 9.
  • Two pin hubs 12, 12 ', each with a hub bore 3, 3', are formed on the piston head 9 via a hub support 11, 11 ', the end faces 16 of which are set back in relation to the ring element 6 in the direction of the longitudinal axis 17 of the piston.
  • the pin bosses 12, 12 ' are connected to one another via shaft elements 13, 13'.
  • the piston base body 4 has recesses 18 which, in the present exemplary embodiment, are arranged all around in the region of the shaft elements 13, 13' of the piston base body 4.
  • a piston base body 4 can also be used as the carrier of the ring element 6, in which the end faces 16 of the pin bosses 12, 12 'are not set back in relation to the ring section 8.
  • the recess 18 is partially between the entire circumference of the piston Shaft elements 13, 13 'and the ring element 6 and partially arranged circumferentially between the pin bosses 12, 12' and the ring element 6.
  • the piston base body 4 forms, together with the ring element 6, an annular cooling channel 14, which is partly incorporated into the piston base body 4 and partly into the ring element 6.
  • the cooling channel 14 is covered by a projection 15 of the piston base body 4, which is designed in the manner of a plate spring and, starting from the piston base body 4, is inclined in the direction of the piston head 9.
  • An outlet opening 20 of the cooling duct 14 can also be seen in FIG. 1.
  • FIG. 2 shows a section across the piston 1 along the line A-A in FIG. 1, in which the side of the piston head 9 facing the pin bosses 12, 12 'can be seen in a bottom view.
  • 2 shows an inlet opening 19 and the outlet opening 20 of the cooling channel 14, which is not recognizable in the selected form of representation, for cooling liquid provided for cooling the piston 1.
  • the shaft elements 13, 13 'and the bolt hubs 12, 12' connected to them are hatched. 2 also shows the projection 15, which is visible from below in the area of the recessed end faces 16 of the pin bosses 12, 12 ', and the lower end face 21 of the ring element 6.
  • the thread 5 can first be provided with a ceramic sealant before the ring element 6 is screwed onto the prefabricated piston base body 4 via the thread 5.
  • the lower end face 21 of the ring element 6 comes into contact with the surface 25 of the projection 15, which in the present exemplary embodiment is flat, that is to say is plateau-like, but which can also be roof-shaped or plate-shaped or can have a spherical shape.
  • the projection 15 is so thin-walled that it yields elastically when the ring element 6 is screwed on, when it exerts pressure on the projection 15. After unscrewing the ring element 6, the projection 15 puts the ring element 6 under mechanical tension, which improves the activity of the screw connection between the ring element 6 and the bottom region of the piston body 4 contributes.
  • the lower end face 21 of the ring element 6 is provided with a recess 24 which has a radially aligned surface 22 on its inside and then an axially aligned surface 23 on its outside.
  • the axially lying surface 23 is screwed into the lower end face 21 of the ring element 6 in the radial direction to such an extent that, as shown in FIG.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, der aus einem Kolbengrundkörper (4) und aus einem damit verschraubten Ringelement (6) besteht, das mit dem Kolbengrundkörper (4) einen ringförmigen Kühlkanal (14) bildet, der in Richtung der Bolzennaben (12, 12') von einem Vorsprung (15) des Kolbengrundkörpers (4) verschlossen ist. Der Vorsprung (15) ist in Form einer elastisch nachgiebigen Tellerfeder ausgebildet ist, die beim Aufschrauben des Ringelementes (6) verformt wird und damit zur Festigkeit der Schraubverbindung-beiträgt.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der Offenlegungsschrift DE 198 46 152 A1 ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor bekannt, der aus einem Kolbengrundkörper mit Bolzennaben und mit einem kastenförmigen Schaft besteht. An den Bodenbereich des Kolbengrundkörpers ist ein ringförmiges Bauteil angeschweißt, in dessen Außenseite ein Teil der Ringpartie eingearbeitet ist, und dessen Oberteil als Feuersteg ausgebildet ist. Das Bauteil bildet gemeinsam mit dem kolbenbodenseitigen Teil des Kolbengrundkörpers einen ringförmigen Kühlkanal, der von einer an den Kolbengrundkörper angeformten, umlaufenden Wand zur Nabenseite hin verschlossen wird. Hierbei wird das ringförmige Bauteil über jede seiner beiden Stirnseiten mit den Kolbengrundkörper verschweißt, was die Herstellung des aus dem Stand der Technik bekannten Kolbens sehr zeit- und arbeitsaufwendig gestaltet.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, den Herstellungspro- zess eines mit einem Kühlkanal ausgestatteten Kolbens zu vereinfachen, zu beschleunigen und damit zu verbilligen.
Gelöst wird das Problem mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruches. Hierbei ergibt sich eine schnell und einfach herstellbare Schraubverbindung zwischen einem Kolbengrundkörper und einem Ringelement, die durch die mechanische Spannung, unter die ein elastisch ausgebildeter Vorsprung das Ringelement setzt, große Festigkeit erhält. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein Schnittbild eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor bestehend aus zwei Hälften, die zwei um 90° versetzte Längsschnitte des Kolbens darstellen,
Fig. 2 einen Querschnitt des Kolbens entlang der Linie A-A in Fig. 1 und Fig. 3 eine Ausgestaltung der unteren Stirnfläche eines mit dem Kolbengrundkörper verschraubten Ringelementes.
Fig. 1 zeigt einen Kolben 1 für einen Verbrennungsmotor in einem Schnittbild, das aus zwei Hälften besteht, von denen die linke Hälfte einen Schnitt des Kolbens 1 entlang einer Längsachse 2 einer Nabenbohrung 3 und die rechte Hälfte einen um 90° dazu versetzten Längsschnitt des Kolbens 1 darstellt. Der Kolben 1 besteht aus einem Kolbengrundkörper 4, mit dem über ein kolbenbodenseitiges Gewinde 5 ein Ringelement 6 verschraubt ist, das einen Feuersteg 7 und eine Ringpartie 8 des Kolbens 1 trägt. Der Kolbengrundkörper 4 und das Ringelement 6 sind aus Stahl hergestellt.
Der Kolbengrundkörper 4 ist einstückig ausgebildet und weist im Bereich des Kolbenbodens 9 eine Verbrennungsmulde 10 auf. Über je eine Nabenabstützung 11 , 11' sind an den Kolbenboden 9 zwei Bolzennaben 12, 12' mit je einer Nabenbohrung 3, 3' angeformt, deren Stirnflächen 16 gegenüber dem Ringelement 6 in Richtung Kolbenlängsachse 17 zurückgesetzt angeordnet sind. Die Bolzennaben 12, 12' sind über Schaftelemente 13, 13' miteinander verbunden. Zwischen den Schaftelementen 13, 13' und dem das Ringelement 6 tragenden, oberen Bereich des Kolbens 1 weist der Kolbengrundkörper 4 Ausnehmungen 18 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich der Schaftelemente 13, 13' des Kolbengrundkörpers 4 teilweise umlaufend angeordnet sind. Als Träger des Ringelementes 6 kann auch ein Kolbengrundkörper 4 verwendet werden, bei dem die Stirnflächen 16 der Bolzennaben 12, 12' gegenüber der Ringpartie 8 nicht zurückgesetzt angeordnet sind. Hierbei ist die Ausnehmung 18 über den gesamten Umfang des Kolbens teils zwischen den Schaftelementen 13, 13' und dem Ringelement 6 und teils zwischen den Bolzennaben 12, 12' und dem Ringelement 6 umlaufend angeordnet.
Der Kolbengrundkörper 4 bildet im Bereich des Kolbenbodens 9 gemeinsam mit dem Ringelement 6 einen ringförmigen Kühlkanal 14, der teils in den Kolbengrundkörper 4 und teils in das Ringelement 6 eingearbeitet ist. In Richtung Bolzennabe 12 wird der Kühlkanal 14 von einem Vorsprung 15 des Kolbengrundkörpers 4 abgedeckt, der tellerfederartig ausgebildet ist und ausgehend vom Kolbengrundkörper 4 in Richtung Kolbenboden 9 geneigt angeordnet ist. Zu erkennen ist in Fig. 1 auch eine Ablauföffnung 20 des Kühlkanals 14.
Fig. 2 stellt einen Schnitt quer durch den Kolben 1 entlang der Linie A-A in Fig. 1 dar, in dem die den Bolzennaben 12, 12' zugewandte Seite des Kolbenbodens 9 in Unteransicht zu sehen ist. Fig. 2 zeigt eine Zulauföffnung 19 und die Ablauföffnung 20 des bei der gewählten Darstellungsform nicht erkennbaren Kühlkanals 14 für zum Kühlen des Kolbens 1 vorgesehene Kühlflüssigkeit. Schraffiert sind die Schaftelementen 13, 13' und die damit verbundenen Bolzennaben 12, 12' dargestellt. Zu erkennen sind in Fig. 2 zudem der Vorsprung 15, der im Bereich der zurückgesetzten Stirnflächen 16 der Bolzennaben 12, 12' in Unteransicht sichtbar ist, und die untere Stirnfläche 21 des Ringelementes 6.
Bei der Herstellung des Kolbens 1 kann zum Zweck der verbesserten Abdichtung der Schraubverbindung zunächst das Gewinde 5 mit einem keramischen Dichtstoff versehen werden, bevor das Ringelement 6 über das Gewinde 5 auf den vorgefertigten Kolbengrundkörper 4 geschraubt wird. Hierbei kommt die untere Stirnfläche 21 des Ringelementes 6 in Kontakt mit der Oberfläche 25 des Vorsprunges 15, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel eben, d.h., plateauartig ausgebildet ist, die aber auch dach-, bzw. tellerförmig ausgebildet sein kann oder eine ballige Form haben kann. Der Vorsprung 15 ist so dünnwandig ausgebildet, dass er beim Aufschrauben des Ringelementes 6 elastisch nachgibt, wenn dieses einen Druck auf den Vorsprung 15 ausübt. Nach dem Aufschrauben des Ringelementes 6 setzt der Vorsprung 15 das Ringelement 6 somit unter mechanische Spannung, die zur Verbesserung der Fes- tigkeit der Schraubverbindung zwischen dem Ringelement 6 und dem bodenseitigen Bereich des Kolbengrundkörpers 4 beiträgt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Fig. 3 die untere Stirnfläche 21 des Ringelementes 6 mit einer Ausnehmung 24 versehen, die auf ihrer Innenseite eine radial ausgerichtete Fläche 22 und daran anschließend auf ihrer Außenseite eine axial ausgerichtete Fläche 23 aufweist. Hierbei ist die axial liegende Fläche 23 in die untere Stirnfläche 21 des Ringelementes 6 in radialer Richtung soweit eingedreht, dass sich, wie in Fig. 3 dargestellt ist, zwischen einer axial ausgerichteten, äußeren, oberen Begrenzungsfläche 26 des Vorsprunges 15 und der axial ausgerichteten Fläche 23 der Ausnehmung 24 ein Radialspiel 27 ergibt, wenn beim Aufschrauben des Ringelementes 6 auf den Kolben 1 die radial ausgerichtete Fläche 22 der unteren Stirnfläche 21 des Ringelementes 6 in ersten Kontakt mit der Oberfläche 25 des Vorsprunges 15 kommt. Die radiale Weite dieses Radialspieles beträgt hierbei zwischen 0 μm und 300 μm.
Die elastische Nachgiebigkeit des Vorsprunges 15 führt bei weitergehendem Aufschrauben des Ringelementes 6 dazu, dass sich der obere Bereich des Vorsprunges 15 so lange in Richtung des Pfeiles 28 bewegt, bis die äußere Begrenzungsfläche 26 des Vorsprunges 15 an die axial ausgerichtete Fläche 23 der Ausnehmung 24 in Anschlag kommt. Dies trägt zu einer Verbesserung der Festigkeit der Schraubverbindung und der Steifigkeit des oberen Kolbenbereiches bei.
Bezugszeichenliste
1 Kolben
2 Längsachse der Nabenbohrungen
3 Nabenbohrung Kolbengrundkörper
5 Gewinde Ringelement
7 Feuersteg Ringpartie Kolbenboden
10 Verbrennungsmulde
11 , 11' Nabenabstützungen
12, 12' Bolzennaben
13, 13' Schaftelement 4 Kühlkanal 5 Vorsprung 6 Stirnfläche 7 Kolbenlängsachse 8 Ausnehmung 9 Zulauföffnung 0 Ablauföffnung 1 untere Stirnfläche des Ringelementes 6 2 radial ausgerichtete Fläche der Ausnehmung 24 3 axial ausgerichtete Fläche der Ausnehmung 24 4 Ausnehmung 5 Oberfläche des Vorsprunges 15 6 äußere, obere Begrenzungsfläche des Vorsprunges 15 7 Radialspiel 8 Pfeil

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor
- mit einem Kolbengrundkörper (4) aus geschmiedetem Stahl, der zwei über je eine Nabenabstützung (11 , 11') mit dem Kolbenboden (9) verbundene BoI- ■ zennaben (12, 12') aufweist, die über zwei am Kolbenboden (9) angeformte Schaftelemente (13, 13') miteinander verbunden sind, und
- mit einem Ringelement (6), das den radial außen liegenden Teil des Kolbenbodens (9), den Feuersteg (7), zumindest einen Teil der Ringpartie (8) und mit dem Kolbengrundkörper (4) einen ringförmigen Kühlkanal (14) bildet, wobei die außen liegenden Stirnflächen (16) der Bolzennaben (12, 12') gegenüber der Mantelfläche des Kolbenzylinders insoweit zurückgesetzt sind und zwischen den Schaftelementen (13, 13') und dem das Ringelement (6) tragenden, oberen Bereich des Kolbens (1 ) Ausnehmungen (18) derart eingeformt sind, dass sich ein umlaufender Vorsprung (15) ergibt, der gemeinsam mit dem Ringelement (6) eine radial äußere und axial untere Begrenzung des Kühlkanals (14) bildet, dadurch gekennzeichnet,
- dass das Ringelement (6) mit dem Kolbengrundkörper (4) verschraubt ist, und
- dass der Vorsprung (15) in Form eines elastisch nachgiebigen Tragrings, bzw. einer Tellerfeder ausgebildet ist, die beim Aufschrauben des Ringelementes (6) verformbar ist.
2. Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die den Bolzennaben (12, 12') zugewandte Stirnfläche (21) des Ringelementes (6) eine nach innen gerichtete Ausnehmung (24) mit einer inneren, radial ausgerichteten Fläche (22) und einer sich daran anschließenden, axial in Richtung der Bolzennaben (12, 12') ausgerichteten Fläche (23) aufweist, und dass dem Kolbenboden (9) zugewandte Begrenzungsflächen (25, 26) des Vorsprunges (15) nach dem Aufschrauben des Ringelementes (6) an den Flächen (22, 23) der Ausnehmung (24) anliegen.
EP04738618A 2003-06-07 2004-06-07 Kolben für einen verbrennungsmotor Expired - Lifetime EP1642017B1 (de)

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PCT/DE2004/001164 WO2004111420A1 (de) 2003-06-07 2004-06-07 Kolben für einen verbrennungsmotor

Publications (2)

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EP1642017A1 true EP1642017A1 (de) 2006-04-05
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US (1) US6938537B2 (de)
EP (1) EP1642017B1 (de)
JP (1) JP4365409B2 (de)
KR (1) KR101142238B1 (de)
CN (1) CN100412345C (de)
BR (1) BRPI0411090B1 (de)
DE (1) DE10325914B4 (de)
HK (1) HK1088941A1 (de)
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