DE102004027974A1

DE102004027974A1 - Gebauter Kolben und Verfahren zur Vermeidung von Beschädigungen in Kontakt zueinander stehender Flächen des Oberteiles und des Unterteiles des Kolbens

Info

Publication number: DE102004027974A1
Application number: DE200410027974
Authority: DE
Inventors: Jochen Kortas
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2005-12-29
Also published as: WO2005121537A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Vermeidung von Beschädigungen in Kontakt zueinander stehender Flächen (16, 17) eines Oberteiles (4) und eines damit verbundenen Unterteiles (2) eines gebauten Kolbens (1), bei dem in zumindest eine der Flächen (16, 17) Nuten (19) eingeformt sind, die als Schmiernuten genutzt werden, die über einen Überlaufkanal (13) und über Bohrungen (18) mit dem Kühlkanal (6) verbunden sind, und die vom Kühlkanal (6) mit Öl versorgt werden. Das Öl gelangt hierbei von den Schmiernuten (19) zwischen die während des Motorbetriebes sich periodisch, kurzfristig voneinander trennenden Flächen (16, 17) und vermeidet damit Mikroverschweißungen zwischen diesen Flächen (16, 17), die zu deren Beschädigung führen würden.

Description

Die Erfindung betrifft einen gebauten Kolben und ein Verfahren zur Vermeidung von Beschädigungen in Kontakt zueinander stehender Flächen des Oberteiles und des Unterteiles des Kolbens nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Das Problem, dass wegen der während des Motorbetriebes auf einen gebauten Kolbens einwirkenden Kräfte im Bereich der gegenseitigen Abstützflächen des Oberteiles und des Unterteiles des Kolbens Kaltschweißstellen entstehen, die wegen der Relativbewegungen der Kolbenteile im Motorbetrieb zu einer Beschädigung der Abstützflächen führen, ist aus der Patentschrift DE 41 29 746 C2 bekannt. Als Lösung dieses Problemes wird angegeben, zumindest eine der beiden Abstützflächen mittels umlaufender und gegebenenfalls zusätzlich axial angeordneten Nuten derart zu profilieren, dass die Stege zwischen den Nuten elastisch nachgiebig werden, sodass sich die einwirkenden Kräfte gleichmäßig auf die gesamte Abstützfläche verteilen, was die Entstehung der Kaltschweißstellen vermeiden soll. Nachteilig ist, dass hierbei die Entstehung von Kaltschweißstellen nur verhindert wird, wenn die auf den Kolben einwirkenden Kräfte eine bestimmte Größe nicht überschreiten, sodass das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Vermeidung von Beschädigungen in Kontakt zueinander stehender Flächen des Oberteils und des Unterteils bei den mechanisch hochbelasteten, gebauten Kolben moderner Motore nicht anwendbar ist.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, den angegebenen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden.

Gelöst wird das Problem mit den in den Kennzeichen des Hauptanspruches und der Nebenansprüche stehenden Merkmalen. Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruches.

Hierbei wird Öl in die Nuten eingeleitet, das sich über die gesamte Abstützfläche verteilt und dadurch auch bei höher belasteten Kolben die Bildung von Kaltschweißstellen und Mikroverschweißungen verhindert, die bei den relativ zueinander stattfindenden Bewegungen der Kolbenteile zu einer Beschädigung der Abstützflächen führen würden.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

1 einen ausschnittsweise dargestellten Längsschnitt durch einen aus einem Oberteil und einem Unterteil bestehenden Kolben entlang der Linie DD in 3,

2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes A aus 1,

3 einen Schnitt durch das Unterteil des in 1 dargestellten Kolbens entlang der Linie CC in 1,

4 eine Draufsicht auf die kolbenbodenseitige Auflagefläche des Unterteiles des in 1 gezeigten Kolbens,

5 einen ausschnittsweise dargestellten Längsschnitt durch eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen und aus einem Ober- und einem Unterteil bestehenden Kolbens entlang der Linie BB in 6 und

6 eine Draufsicht auf die kolbenbodenseitige Auflagefläche des Unterteiles des in 5 dargestellten Kolbens.

1 zeigt einen ausschnittsweise im Längsschnitt entlang der abgeknickten Linie DD in 3 dargestellten Kolben 1, der aus einem Unterteil 2 und einem mittels einer Dehnschraube 3 damit verbundenen Oberteil 4 besteht. Nahe dem Kolbenboden 5 weist der Kolben 1 einen umlaufenden und radial außen liegenden Kühlkanal 6 auf, der teils in das Oberteil 4 und teils in das Unterteil 2 des Kolbens 1 eingeformt ist. Der in des Oberteil 4 eingeformte, kolbenbodenseitige Bereich des Kühlkanals 6 wird vom Kolbenboden 5, radial außen von einer Ringwand 7 für eine auf der radialen Außenseite des Kolbens 1 angeordnete Ringpartie 8, und radial innen von einem an den Kolbenboden 5 angeformten Oberteilfuß 9 begrenzt. Der in das Unterteil 2 des Kolbens 1 eingeformte, schaftseitige Bereich des Kühlkanals 6 wird radial außen von einer Schaftabstützung 10 und radial innen von einem Auflagenfuß 11 begrenzt.

In die schaftseitige Stirnfläche der Ringwand 7 ist radial innen eine stufenförmige Ausnehmung 21 eingebracht, die im Querschnitt eine zu einem Bund 22 komplementäre Form hat, der auf der kolbenbodenseitigen Stirnfläche der Schaftabstützung 10 angeordnet ist, sodass beim Zusammenbau des Kolbens 1 das Oberteil 4 über die Ausnehmung 21 und den Bund 22 gegenüber dem Unterteil 2 zentrierbar ist.

Zentral weist der Kolben 1 in seinem kolbenbodenseitigen Bereich einen Sammelraum 12 für Kühlöl auf, der vom Kolbenboden 5 und radial außen teils von dem Oberteilfuß 9 und teils von der Nabenabstützung 11 begrenzt ist. Mittels in radialer Richtung in dem Auflagenfuß 11 angeordneter und über den Umfang verteilter Überlaufkanäle 13 ist der Sammelraum 12 mit dem Kühlkanal 6 verbunden. Schaftseitig ist der Sammelraum 12 über weitere in radialer Richtung liegende Ablaufkanäle 14 mit dem schaftseitigen Kolbeninnenraum 15 verbunden.

2, eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes A aus 1, zeigt im Querschnitt den schaftseitigen Bereich des Oberteilfußes 9, der über seine schaftseitige Stirnfläche 16 mit der kolbenbodenseitigen Auflagefläche 17 des Auflagenfußes 11 in Kontakt steht. Dargestellt ist einer der in dem Auflagenfuß 11 eingebrachten Überlaufkanäle 13, die den Kühlkanal 6 mit dem Sammelraum 12 verbinden. Diese Überlaufkanäle 13 sind, wie in 2 beispielhaft gezeigt ist, über in axialer Richtung angeordnete Bohrungen 18 mit flachen, im Querschnitt linsen förmigen Schmiernuten 19 verbunden, die in die Auflagefläche 17 eingeformt sind und eine Tiefe von 10 μm bis 500 μm aufweisen.

3, ein Querschnitt durch den Kolben 1 entlang der Linie CC in 1, zeigt mehrere über den Umfang des Auflagenfußes 11 verteilte, in radialer Richtung liegende Überlaufkanäle 13 mit den in diese Kanäle mündenden Bohrungen 18.

Gemäß 4, einer Draufsicht auf die kolbenbodenseitige Auflagefläche 17 des Unterteiles 2 des Kolbens 1, sind die Schmiernuten 19 kreisförmig ausgebildet und koaxial angeordnet. Zu erkennen sind auch die in die Schmiernuten 19 einmündenden Bohrungen 18.

Über in den Figuren nicht dargestellte Zuflussöffnungen gelangt Kühlöl in den Kühlkanal 6, fließt über die Überlaufkanäle 13 in den Sammelraum 12 und gelangt von dort über die Ablaufkanäle 14 wieder in den Kolbeninnenraum 15. Während sich das Kühlöl hierbei in den Überlaufkanälen 13 befindet, wird ein Teil hiervon wegen der schnellen Hin- und Herbewegungen des Kolbens 1 während des Motorbetriebes über die Bohrungen 18 in die Schmiernuten 19 befördert, worin es sich wegen des Kapillareffektes über den gesamten zirkularen Umfang der Schmiernuten 19 ausbreitet.

Während des Motorbetriebes ist es unvermeidbar, dass die Stirnfläche 16 des Oberteilfußes 9 und die Auflagefläche 17 des Auflagenfußes 11 wegen der von den Verbrennungsgasen auf den Kolben 1 ausgeübten Kraft mit großem Druck aufeinander gepresst werden, wodurch sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kolben zwischen der Stirnfläche 16 und der Auflagefläche 17 Mikroverschweißungen ergeben. Anschließend werden wegen der bei den schnellen Hin- und Herbewegungen des Kolbens 1 auf das Oberteil 4 wirkenden Massenkräfte die Stirnfläche 16 und die Auflagefläche 17 kurzzeitig voneinander getrennt, wodurch die Mikroverschweißungen aufbrechen und zu einem erhöhten Verschleiß der Stirnfläche 16 und der Auflagefläche 17 führen. Das in den Schmier nuten 19 des Kolbens 1 gemäß der vorliegenden Erfindung befindliche Öl verhindert dies, indem immer dann, wenn sich die Stirnfläche 16 und die Auflagefläche 17 voneinander trennen, Öl von den Schmiernuten 19 zwischen diese beiden Flächen 16, 17 gelangt, das die Flächen 16, 17 schmiert und damit die Mirkoverschweißungen verhindert.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befinden sich die Schmiernuten 19 auf der Auflagefläche 17 des Auflagenfußes 11. Sie können aber auch in die Stirnfläche 16 des Oberteilfußes 9 oder in beide Flächen 16 und 17 eingeformt sein.

Gemäß einem in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in der Auflagefläche 17' des Auflagenfußes 11' sowohl zum Sammelraum 12' als auch zum Kühlkanal 6' hin offene, radial angeordnete Schmiernuten 20 mit einer solchen Tiefe vorgesehen, dass sie als Überlaufkanäle zwischen dem Kühlkanal 6' und dem Sammelraum 12' verwendbar sind. 6, eine Draufsicht auf die kolbenbodenseitige Auflagefläche 17' des Kolbenunterteiles 2', zeigt die radial ausgerichteten und gleichmäßig über den Umfang der Auflagefläche 17' verteilten Schmiernuten 20.

Hierbei wird das Öl wegen der schnellen Hin- und Herbewegungen des Kolbens 1 während des Motorbetriebes aus dem Kühlkanal 6' in die Schmiernuten 20 befördert, von wo aus es zwischen die Auflagefläche 17' des Auflagenfußes 11' und die Stirnfläche 16' des Oberteilfußes 9' gelangt, wenn die Flächen 16' und 17' während des Motorbetriebes kurzfristig voneinander getrennt werden, um hierdurch Mikroverschweißungen dieser Flächen 16' und 17' und damit deren Verschleiß zu vermeiden. Diese Trennung kann abhängig von der Motordrehzahl und vom auf den Kolben 1 wirkenden Zünddruck die gesamten Flächen 16' und 17' oder nur Teile dieser Flächen 16', 17' betreffen.

A: Ausschnitt
1: Kolben
2, 2': Unterteil des Kolbens 1
3: Dehnschraube
4: Oberteil des Kolbens 1
5: Kolbenboden
6, 6': Kühlkanal
7: Ringwand
8: Ringpartie
9, 9': Oberteilfuß
10: Schaftabstützung
11, 11': Auflagenfuß
12, 12': Sammelraum
13: Überlaufkanal
14: Ablaufkanal
15: Kolbeninnenraum
16, 16': Stirnfläche, Fläche
17, 17': Auflagefläche, Fläche
18: Bohrung
19: Nut, Schmiernut
20: Nut, Schmiernut, Überlaufkanal
21: Ausnehmung
22: Bund

Claims

Gebauter Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, – bestehend aus einem Oberteil (4) und einem Unterteil (2, 2'), die mittels einer Dehnschraube (3) miteinander verbunden sind und über einander zugewandte Flächen (16, 16', 17, 17') in Kontakt zueinander stehen, – mit einem radial außen und nahe dem Kolbenboden (5) angeordeten, umlaufenden Kühlkanal (6, 6'), – mit einem kolbenbodenseitig im Bereich innerhalb des Kühlkanals (6, 6') liegenden und schaftseitig offenen Innenraum (151 und – mit radial angeordneten Nuten (201 und/oder kreisförmigen und koaxial angeordneten Nuten (19), die in zumindest eine der Flächen (16, 16', 17, 17') eingeformt sind, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kühlkanal (6) über mindestens einen Überlaufkanal (13) mit dem Innenraum (15) des Kolbens (1) verbunden ist, und – dass der mindestens eine Überlaufkanal (13) über im Wesentlichen axial ausgerichtete Bohrungen (18) mit den Nuten (19) verbunden ist.
Gebauter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (19) eine Tiefe von 10 μm bis 500 μm aufweist.
Gebauter Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, – bestehend aus einem Oberteil (4) und einem Unterteil (2, 2'), die mittels einer Dehnschraube (3) miteinander verbunden sind und über einander zugewandte Flächen (16, 16', 17, 17') in Kontakt zueinander stehen, – mit einem radial außen und nahe dem Kolbenboden (5) angeordeten, umlaufenden Kühlkanal (6, 6'), – mit einem kolbenbodenseitig im Bereich innerhalb des Kühlkanals (6, 6') liegenden und schaftseitig offenen Innenraum (15) und – mit radial angeordneten Nuten (20) und/oder kreisförmigen und koaxial angeordneten Nuten (19), die in zumindest eine der Flächen (16, 16', 17, 17') eingeformt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (6') mit dem Innenraum (15) des Kolbens (1) über mindestens einen Überlaufkanal (20) verbunden ist, der als in zumindest eine der Flächen (16', 17') eingeformte Nut (20) ausgebildet ist.
Verfahren zur Vermeidung von Beschädigungen in Kontakt zueinander stehender Flächen (16, 16', 17, 17') eines Oberteiles (4) und eines mittels einer Dehnschraube (3) damit verbundenen Unterteiles (2, 2') eines gebauten Kolbens (1) für einen Verbrennungsmotor – mit einem radial außen und nahe dem Kolbenboden (5) angeordneten, umlaufenden Kühlkanal (6, 6'), – mit einem kolbenbodenseitig im Bereich innerhalb des Kühlkanals (6, 6') liegenden und schaftseitig offenen Innenraum (15) und – mit radial angeordneten Nuten (20) und/oder mit kreisförmigen und koaxial angeordneten Nuten (19), die in zumindest eine der Flächen (16, 16', 17, 17') eingeformt sind, dadurch gekennzeichnet, – dass die Nuten (19, 20) als Schmiernuten genutzt, mit dem Kühlkanal (6, 6') verbunden und vom Kühlkanal (6, 6') mit Öl versorgt werden, und – dass das Öl von den Schmiernuten (19, 20) zwischen die während des Motorbetriebes sich periodisch, kurzfristig und zumindest teilweise voneinander trennenden Flächen (16, 16', 17, 17') gelangt.