DE102004029877A1

DE102004029877A1 - Gebauter Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102004029877A1
Application number: DE102004029877A
Authority: DE
Inventors: Rainer Scharp; Peter Kemnitz
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 2004-06-19
Filing date: 2004-06-19
Publication date: 2006-01-05
Also published as: US7464684B2; JP2008503676A; US20080011262A1; JP4809335B2; EP1761698A1; WO2005124136A1; CN101018941A; KR20070043784A; CN101018941B

Abstract

Vorgeschlagen wird ein gebauter Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, der aus einem Oberteil (4) und einem Unterteil (5) besteht, die mittels einer aus einer oberen (37) und einer unteren Hälfte (38) bestehenden Innensechskantschraube (6) miteinander verbunden sind. Die obere Hälfte (37) der Innensechskantschraube (6) weist ein Außengewinde (39) auf, das gleichläufig mit dem Außengewinde (40) der unteren Schraubenhälfte (38) ausgebildet ist und das einen größeren Steigungswinkel als das Außengewinde (40) der unteren Schraubenhälfte (38) aufweist, wobei der sich aus der Differenz der Steigungswinkel der beiden Außengewinde (39, 40) ergebende resultierende Steigungswinkel sehr gering ist und zu einer großen Festigkeit der Schraubverbindung beiträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen gebauten Kolben für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE Auslegeschrift 22 12 922 ist ein gebauter Kolben bekannt, der aus einem Oberteil und einem Unterteil besteht. Die beiden Kolbenteile sind mittels einer Innensechskantschraube miteinander verbunden, die aus einem Bolzenkopf und einem Bolzenschaft besteht, wobei der Bolzenkopf ein zum Bolzenschaft gegenläufiges Außengewinde aufweist. Da allgemein die Festigkeit einer Schraubenverbindung um so größer ist, je geringer der Steigungswinkel des Schraubengewindes ist, und sich der diesbezüglich ausschlaggebende Steigungswinkel bei der aus obigem Stand der Technik bekannten Schraubverbindung aus der Summe der Steigungswinkel der beiden gegenläufigen Außengewinde ergibt, weist diese Schraubverbindung eine sehr geringe Festigkeit auf.

Diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden, d.h., eine dauerhaft feste Schraubverbindung zwischen dem Oberteil und dem Unterteil eines gebauten Kolbens zu schaffen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen, wobei eine Innensechskantschraube mit einem aus zwei Hälften bestehenden Gewinde verwendet wird, die gleichläufig ausgebildet sind und unterschiedliche Steigungswinkel aufweisen, sodass der hierbei für die Festigkeit der Schraubverbindung ausschlaggebende Steigungswinkel aus der Differenz der Steigungswinkel der beiden Gewindehälften berechenbar ist, die sehr gering ist, sodass sich hierdurch eine relativ große Festigkeit der Schraubverbindung ergibt.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruches, wobei ein Bereich um eine Durchgangsbohrung mit Gewinde derart dünnwandig ausgebildet ist, dass er tellerfederartig elastisch ist und sich beim Einschrauben der Innensechskantschraube in die Durchgangsbohrung insoweit verformt, dass dadurch auf die Schraubverbindung eine deren Festigkeit erhöhende Vorspannung erzeugt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung beschrieben. Sie zeigt einen aus einem Oberteil und einem Unterteil bestehenden, gebauten Kolben in einem aus zwei Hälften bestehenden Schnittbild, das zwei um 90° versetzte Längsschnitte des Kolbens zeigt.
Die Figur zeigt einen gebauten Kolben 1 in einem Schnittbild, dessen linke Hälfte einen Schnitt durch den Kolben 1 entlang einer Längsachse 2 einer Nabenbohrung 3 und dessen rechte Hälfte einen um 90° dazu versetzten Schnitt durch den Kolben 1 zeigt. Der Kolben 1 besteht aus einem Oberteil 4 und einem Unterteil 5, die mittels einer mittig angeordneten Innensechskantschraube 6 so miteinander verbunden sind, dass der Innensechskant 42 der Innensechskantschraube 6 auf der Kolbeninnenseite zu liegen kommt.
Hergestellt werden das Oberteil 4 und das Unterteil 5 des Kolbens 1 bevorzugterweise aus geschmiedetem Stahl. Es ist aber auch denkbar, das Oberteil 4 aus Stahl und das Unterteil 5 aus Aluminium beziehungsweise das Oberteil 4 aus geschiedetem Aluminium und das Unterteil aus gegossenem Aluminium herzustellen.
Das zylinderförmige Oberteil 4 bildet den Kolbenboden 7, in den eine rotationssymmetrische Verbrennungsmulde 8 eingeformt ist. Die radial außen liegende Mantelfläche des Oberteiles 4 ist als Ringpartie 9 ausgebildet, die drei Ringnuten 10, 11 und 12 zur Aufnahme von in der Figur nicht dargestellten Kolbenringen aufweist. Die dem Kolbenboden 7 abgewandte Unterseite des Oberteils 4 weist radial außen eine umlaufende Ausnehmung 13 auf, die gemeinsam mit einer entsprechenden, kolbenbodenseitigen Ausnehmung 14 des Unterteils 5 einen ringförmigen, äußeren Kühlkanal 15 bildet, der radial außen von einer an den Kolbenboden 7 angeformten Ringwand 29 begrenzt wird.
Radial innen ist der äußere Kühlkanal 15 zum Teil von einem auf der Unterseite des Oberteils 4 angeordneten Ringflansch 16 und zum Teil von einer auf der Oberseite des Unterteils 5 angeordneten Ringrippe 17 begrenzt, wobei das Oberteil 4 und das Unterteil 5 des Kolbens 1 über den Ringflansch 16 und die Ringrippe 17 aufeinander aufliegen. Hierbei weisen der Ringflansch 16 eine erste Auflageflächen 18 und die Ringrippe 17 eine zweite Auflagefläche 19 auf, über welche Auflageflächen 18, 19 der Ringflansch 16 und die Ringrippe 17 in Kontakt zueinander stehen.
Radial innerhalb des Ringflansches 16 ist das Oberteil 4 auf seiner Unterseite mit einer weiteren, umlaufenden Ausnehmung 20 versehen, die mit einer entsprechenden, in die Oberseite des Unterteiles 5 eingeformten, weiteren Ausnehmung 21 einen inneren, ringförmigen Kühlkanal 22 bildet. Hierbei ist der äußere Kühlkanal 15 über eine Ölzulauföffnung 23 mit dem Kolbeninnenraum 24 und über einen Ölkanal 25 mit dem inneren Kühlkanal 22 verbunden. Über eine Ölablauföffnung 26 ist der innere Kühlkanal 22 mit dem Kolbeninnenraum 24 verbunden. Zum Kühlen des Kolbens 1 wird Öl über eine in der Figur nicht dargestellte Ölzulauföffnung in den äußeren Kühlkanal 15 eingespritzt, gelangt nach einiger Zeit über den Ölkanal 25 in den inneren Kühlkanal 22 und läuft über die Ölablauföffnungen 23 und 26 wieder zurück in den Kolbeninnenraum 24.
Das Unterteil 5 des Kolbens 1 besteht aus zwei einander gegenüberliegenden, im Schnitt trapezförmigen Bolzennaben 27, 27' mit je einer Bolzenbohrung, 3, 3', die in einem derartigen Abstand zueinander angeordnet sind, dass dazwischen das Oberteil eines (in der Figur nicht dargestellten) Pleuels Platz findet. Weiterhin weist das Unterteil 5 die Bolzennaben 27, 27' miteinander verbindende Schaftelemente 41, 41' auf. Kolbenbodenseitig weist das Unterteil 5 radial außen einen umlaufenen im Schnitt rechteckförmigen Kragen 28 auf, der in eine auf der kolbenbodenabgewandten Stirnseite der Ringwand 29 radial innen angeordneten Ausnehmung 30 passt, sodass bei der Montage des Kolbens 1 das Unterteil 5 über den Kragen 28 und die Ausnehmung 30 geführt und relativ zum Oberteil 4 zentriert wird.
Auf der kolbenbodenseitigen Oberfläche des Unterteils 5 schließt sich nach radial innen an den Kragen 28 die Ausnehmung 14, die mit der Ausnehmung 13 des Oberteiles 4 den äußeren Kühlkanal 15 bildet, die Ringrippe 17 und die weitere Ausnehmung 21 an, die mit der weiteren Ausnehmung 20 des Oberteiles 4 den inneren Kühlkanal 22 bildet. Hierbei ist die Ausnehmung 21 so weit in das Kolbenunterteil 5 eingearbeitet, dass ein dünnwandiger Bereich 43 zwischen Kolbeninnenraum 24 und Ausnehmung 21 entsteht, der tellerfederart elastisch ausgebildet ist.
Koaxial zur Längsachse 31 des Kolbens 1 ist in die Unterseite des Kolbenbodens 7 eine Sacklochbohrung 32 mit Innengewinde 33 und in die Oberseite des Unterteils 5, d.h., in den elastisch nachgiebigen Bereich 43 eine Durchgangsbohrung 34 mit einem zum Innengewinde 33 gleichläufigen Gewinde 35 eingearbeitet, wobei der Steigungswinkel des Innengewindes 33 größer ist als der Steigungswinkel des Gewindes 35. Zudem ist der Innendurchmesser der Sacklochbohrung 32 um 1/2 mm bis 1 mm kleiner als der Innendurchmesser der Durchgangsbohrung 34.
Mit Hilfe der aus einer oberen 37 und einer unteren Hälften 38 bestehenden Innensechskantschraube 6 wird das Oberteil 4 mit dem Unterteil 5 verschraubt, wobei die obere Schraubenhälfte 37 einen solchen Durchmesser und ein solches Außengewinde 39 aufweist, dass sie in die Sacklochbohrung 32 einschraubbar ist, und die untere Schraubenhälfte 38 einen solchen Durchmesser und ein solches Außengewinde aufweist, dass sie in die Durchgangsbohrung 34 einschraubbar ist.
Demzufolge ist der Durchmesser der oberen Schraubenhälfte 37 um 1/2 mm bis 1 mm kleiner als derjenige der unteren Schraubenhälfte 38, und weist das Außengewinde 39 der oberen Schraubenhälfte 37 einen größeren Steigungswinkel auf als dasjenige der unteren Schraubenhälfte 38.
Beim Verschrauben des Oberteils 4 mit dem Unterteil 5 des Kolbens 1, wird die Innensechskantschraube 6 über das Außengewinde 40 ihrer unteren Hälfte 38 zunächst von unten ein solches Stück in die Durchgangsbohrung 34 eingeschraubt, dass die obere Hälfte 37 der Innensechkantschraube 6 aus der Durchgangsbohrung 34 herausragt. Anschließend wird das Oberteil 4 auf das Unterteil 5 so aufgesetzt, dass Ober- und Unterteil des Kolbens 1 in einer bestimmten Stellung zueinander angeordnet sind, und dass das Außengewinde 39 der oberen Hälfte 37 der Innensechskantschraube 6 in Berührkontakt zur Sacklochbohrung 32 des Oberteils 4 kommt. Eine weitere Drehung der Innensechskantschraube 6 bewirkt wegen des größeren Steigungswinkels des Außengewindes 39 der oberen Hälfte 37 der Schraube 6 gegenüber dem Steigungswinel des Außengewindes 40 der unteren Hälfte 38 der Schraube 6, dass die 1. Auflagefläche 18 des Oberteils 4 eher in Anlage an die 2. Auflagefläche 19 des Unterteils 5 gelangt, als das Außengewinde 40 der unteren Hälfte 38 der Schraube 6 vollständig in das Gewinde 35 der Durchgangsbohrung 34 eingeschraubt ist.
Hierbei sind Ober- und Unterteil des Kolbens 1 im Bereich nahe den Bohrungen 32 und 34 so ausgebildet, dass sich hier ohne Schraubzwang eine Lücke zwischen Ober- und Unterteil ergibt. Wird beim Zusammenschrauben von Ober- und Unterteil das auf die Schraube 6 ausgeübte Drehmoment erhöht, nachdem die Flächen 18 und 19 in Kontakt zueinander getreten sind, ergibt sich hierdurch eine Verformung des tellerfederartigen Bereiches 43, die zu einer Verkleinerung der Lücke zwischen Kolbenober- und -unterteil und zu einer vom verformten Bereich 43 auf die Schraubverbindung ausgeübten Vorspannung führt, die einer Verfestigung der erfindungsgemäßen Schraubverbindung mit sich bringt.
Eine weitere Verbesserung der Festigkeit der Schraubverbindung ergibt sich dadurch, dass die das Lösen einer Schraubverbindung verhindernde Selbsthemmung einer Schraube um so größer ist, je geringer der Steigungswinkel des Schraubengewindes ist. Der bei der erfindungsgemäßen Schraubverbindung diesbezüglich ausschlaggebende Steigungswinkel ist aus der Differenz der Steigungswinkel zwischen dem Innengewinde 33 der Sacklochbohrung 32 und dem Gewinde 35 der Durchgangsbohrung 34, beziehungsweise zwischen dem Außengewinde 39 der obereren Hälfte 37 und dem Außengewinde 40 der unteren Hälfte 38 der Innensechskantschraube 6 berechenbar. Diese Differenz ist sehr gering, was die weitere Verbesserung der Festigkeit der erfindungsgemäßen Schraubverbindung bewirkt.

1: Kolben
2: Längsachse
3, 3': Nabenbohrung
4: Oberteil
5: Unterteil
6: Innensechskantschraube
7: Kolbenboden
8: Verbrennungsmulde
9: Ringpartie
10, 11, 12: Ringnut
13, 14: Ausnehmung
15: äußerer Kühlkanal
16: Ringflansch
17: Ringrippe
18: 1. Auflagefläche
19: 2. Auflagefläche
20, 21: Ausnehmung
22: innerer Kühlkanal
23: Ölablauföffnung
24: Kolbeninnenraum
25: Ölkanal
26: Ölablauföffnung
27, 27': Bolzennabe
28: Kragen
29: Ringwand
30: Ausnehmung
31: Längsachse des Kolbens 1
32: Sacklochbohrung
33: Innengewinde der Sacklochbohrung 32
34: Durchgangsbohrung
35: Gewinde der Durchgangsbohrung 34
37: obere Hälfte der Innensechskantschraube 6
38: untere Hälfte der Innensechskantschraube 6
39: Außengewinde der oberen Hälfte 37 der Innensechskantschraube 6
40: Außengewinde der unteren Hälfte 38 der Innensechskantschraube 6
41, 41': Schaftelement
42: Innensechskant
43: tellerfederartiger Bereich zwischen der weiteren Ausnehmung 21 und
: dem Kolbeninnenraum 24

Claims

Gebauter Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor – bestehend aus einem den Kolbenboden (7) bildenden Oberteil (4), – mit einer auf der kolbenbodenabgewandten Unterseite angeordneten und drehsymmetrisch zur Kolbenlängsachse (31) umlaufenden Ausnehmung (20), und – mit einer auf der Unterseite und koaxial zur Kolbenlängsachse (31) angeordneten Sacklochbohrung (32) mit Innengewinder (33), und – bestehend weiterhin aus einem Unterteil (5), – mit zwei auf der Unterseite im Abstand zueinander angeordneten Bolzennaben (27, 27') mit je einer Nabenbohrung (3, 3'), – mit die Bolzennaben (27, 27') miteinander verbindenden Schaftelementen (41, 41'), – mit einer auf der Oberseite angeordneten und drehsymmetrisch zur Kolbenlängsachse (31) umlaufenden Ausnehmung (21), die mit der Ausnehmung (20) des Oberteils (4) einen inneren Kühlkanal (22) bildet, und – mit einer auf der Oberseite und koaxial zur Kolbenlängsachse (31) angeordneten Durchgangsbohrung (34) mit Gewinde (35), wobei das Oberteil (4) und das Unterteil (5) mittels einer Innensechskantschraube (6) miteinander verbunden sind, die aus einer oberen Hälfte (37) und eine unteren Hälfte (38) mit je einem derart ausgebildeten Außengewinde (39, 40) besteht, dass das Außengewinde (39) der oberen Schraubenhälfte (37) in die Sacklochbohrung (32) und das Außengewinde (40) der unteren Schraubenhälfte (38) in die Durchgangsbohrung (34) einschraubbar sind, und dass der Durchmesser des Außengewindes (39) der oberen Schraubenhälfte (37) um ein solches Maß kleiner als der Durchmesser des Außengewindes (40) der unteren Schraubenhälfte (38) ist, dass die obere Schraubenhälfte (37) ungehindert durch die Durchgangsbohrung (40) hindurchschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, – dass das Außengewinde (39) der oberen Schraubenhälfte (37) gleichläufig mit dem Außengewinde (401 der unteren Schraubenhälfte (38) ausgebildet ist, und – dass das Außengewinde (39) der oberen Schraubenhälfte (37) einen größeren Steigungswinkel aufweist als das Außengewinde (40) der unteren Schraubenhälfte (38).
Gebauter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenunterteil (51 im Bereich (43) der Ausnehmung (21) derart dünnwandig ausgebildet ist, dass der Bereich (43) in der Art einer Tellerfeder elastisch nachgiebig ist.