DE102007018932A1

DE102007018932A1 - Belastungsoptimierter Innenraum eines Kolbens

Info

Publication number: DE102007018932A1
Application number: DE102007018932A
Authority: DE
Inventors: Volker Gniesmer
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2007-04-21
Filing date: 2007-04-21
Publication date: 2008-10-23
Also published as: US20100101527A1; WO2008128611A1; EP2140126A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (1) einer Brennkraftmaschine mit einem Ringfeld (8) aufweisenden Kolbenboden (2), an dem sich ein einen Kolbeninnenraum (16) umschließender Kolbenschaft (3) mit zwei tragenden Schaftwandabschnitten (11) und zwei Bolzennaben (12) anschließt. Jede eine Nabenbohrung (13) einschließende Bolzennabe (12) ist über eine Nabenabstützung (14) mit einem Nabengrundkörper (15) verbunden, der zur Versteifung Verrippungen (17) aufweist, die weitestgehend in Richtung der Nabenbohrungen (13) ausgerichtet die Bolzennaben (12) durchgängig verbinden. Die gekrümmt oder gewölbt gestalteten Verrippungen (17) berücksichtigen dabei einen Schwenkbereich eines Pleuels.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem ein Ringfeld umfassenden Kolbenboden, an den sich ein Kolbenschaft anschließt, der zwei diametral gegenüberliegende tragende Schaftwandabschnitte und zwei dazu versetzte Bolzennaben bildet, die gemeinsam einen Kolbeninnenraum umschließen. Jede Bolzennabe schließt zur Aufnahme eines Kolbenbolzens eine Nabenbohrung ein und ist über Nabenabstützungen mit einem Nabengrundkörper verbunden, der zur Versteifung Verrippungen umfasst, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Flöherbelastete Brennkraftmaschinen mit gesteigerten spezifischen Leistungen und reduziertem Kraftstoffverbrauch verlangen geringe oszillierende Massen und damit gewichtsoptimierte Kolben, ohne Einschränkung der Lebensdauer. Zur Erzielung einer ausreichenden Dauerfestigkeit ist es bekannt, derartige Kolben mit Versteifungsrippen zu versehen. Vorzugsweise sind die zur Erreichung einer gesteigerten Bauteilfestigkeit des Kolbens bestimmten Versteifungsrippen gleichmäßig dimensioniert ausgelegt. Die bekannten Verrippungen sind in dem Kolbeninnenraum beabstandet zu der Umfangsfläche des Kolbenschafts und damit rotationssymmetrisch zu einer Vertikalachse des Kolbens angeordnet. Es hat sich gezeigt, dass derartig positionierte Versteifungsrippen mit einer annähernd gleichbleibenden Wandstärke oder Dicke für höherbelastete Kolben keine ausreichende Bauteilsteifigkeit bewirken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, mit gezielten kostengünstig darstellbaren Maßnahmen die Formsteifigkeit des Kolbens zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kolbeninnenraum weitestgehend in Richtung der Nabenbohrungen ausgerichtete Verrippungen einschließt, die einstückig mit dem Nabengrundkörper bzw. dem Kolbenboden verbunden sind und die eine durchgängige Verbindung zwischen den Bolzennaben herstellen. Die eine wirksame Versteifung des Kolbens bildenden Verrippungen sind von einer Bolzenachse abgewandt gekrümmt bzw. als Brückenform gestaltet. Die Dimensionierung, die Höhe, die Rippenstärke sowie der Verlauf der Verrippungen erfolgt erfindungsgemäß so, dass diese einen Pleuelfreigang aufweisen und damit einen Schwenkbereich eines Pleuelkopfes berücksichtigen.
Die erfindungsgemäßen, die Bolzennaben verbindenden Verrippungen optimieren die Krafteinleitung bzw. Kraftumlenkung innerhalb des Kolbens von dem Kolbenboden in die Bolzennaben. Das konstruktive Konzept gemäß der Erfindung ist einfach umsetzbar und kostengünstig darstellbar und bildet mittels eines lokalen, relativ kleinen Steifigkeitsabschnitts zwischen den Bolzennaben einen vorteilhaft belastungsoptimierten Kolbeninnenraum, der gleichzeitig zu einer verbesserten Formsteifigkeit des Kolbens führt. Diese Maßnahmen eignen sich insbesondere für einen gewichtsoptimiert ausgelegten Kolben, um eine verbesserte Bauteilfestigkeit zu erreichen. Vorteilhaft kann mit der erfindungsgemäßen Verrippung die Lebensdauer des Kolbens gesteigert und gleichzeitig die Anzahl der Schadensfälle verringert werden. Die Versteifungsmaßnahmen sind sowohl auf aus Stahl geschmiedete oder geschweißte Kolben als auch auf Gusskolben übertragbar. Der gemäß der Erfindung ausgebildete Kolben eignet sich bevorzugt zur Anwendung in leistungsgesteigerten, mechanisch hoch belasteten Brennkraftmaschinen, insbesondere Diesel-Brennkraftmaschinen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 15.
Eine bevorzugte erfindungsgemäße Gestaltungsform für einen geschweißten Kühlkanalkolben sieht eine Lageübereinstimmung zwischen den Verrippungen und einer Kühlkanäle trennenden Wandung des Kolbenbodens vor, die über einen Fügesteg an einem Fügesteg des Nabengrundkörpers abgestützt ist. Damit stellt sich eine vorteilhaft verbesserte Einleitung der Kraft von dem Kolbenboden ausgehend über die Fügestege und den Verrippungen in die Bolzennaben ein.
Weiterhin ist gemäß der Erfindung vorgesehen, die Verrippungen auf der von dem Kolbenboden abgewandten Seite bogenförmig zu gestalten. Dabei stellt sich von den Bolzennaben beginnend eine Bauhöhe der Verrippungen ein, die zu einer Scheitellinie der Verrippungen kontinuierlich abnimmt. Diese ebenfalls eine Brückenform bildende Kontur kann vorteilhaft an einen Spannungsverlauf angepasst werden, der sich aufgrund der eingeleiteten Kraft in den Kolben einstellt. Ergänzend oder alternativ ist erfindungsgemäß außerdem vorgesehen, dass die Verrippungen von der Scheitellinie ausgehend, sich jeweils in Richtung der Bolzennabe verstärken oder verdicken.
Ein weiteres Konzept der Erfindung umfasst eine annähernd oval gestaltete Zone oder Ausnehmung im Bereich des Kolbenbodens, wobei zur Darstellung dieser Lösung die erfindungsgemäßen Verrippungen die Bolzennaben bogenförmig verbinden und damit die Ausnehmung begrenzen. Der Verlauf sowie die Bauhöhe der Verrippungen berücksichtigt den Schwenkbereich des Pleuelkopfes.
Die Erfindung schließt eine vielfältige geometrische Gestaltung der Verrippungen ein, die ausschließlich unter dem Aspekt einer optimalen Festigkeit der Kolbeninnenform ausgewählt werden kann. Dazu bietet sich eine Verrippung mit einem gerundeten, insbesondere halbrundartigen Querschnittsprofil an. Weiterhin kann die Verrippung unterschiedlich verlaufende Außenkonturen aufweisen. Insbesondere eignet sich eine konvex oder konkav verlaufende Außenkontur der Verrippung. Ebenso kann eine geradlinig ausgerichtete Außenkontur vorgesehen werden. Bevorzugt verläuft die Außenkontur abweichend zu der Innenkontur der Verrippung, beispielsweise bedingt durch unterschiedliche Krümmungsradien oder einer weitestgehend geradlinigen oder konkav verlaufenden Außenkontur, die einem gerundeten Verlauf der inneren Kontur zugeordnet ist.
Zur Erzielung annähernd spannungsfreier Übergänge zwischen den Verrippungen und den Bolzennaben bzw. den Nabenabstützungen sind gemäß der Erfindung gerundete Übergangszonen bzw. gerundete Übergänge vorgesehen. Die sich dabei einstellenden Radien zwischen der Außenkontur und der Innenkontur einerseits und der Bolzennabe andererseits sind gleich, voneinander abweichend ausgelegt oder verlaufen entgegengesetzt.
Eine konvex, nach außen gerundet ausgebildete Kontur der Verrippung verläuft erfindungsgemäß zwischen den Bolzennaben bevorzugt in einem Radius „R", der ≥ 50% eines Radius „h" des Kolbens entspricht. Die zugehörige Innenkontur der Verrippung verläuft vorteilhaft in einem Radius „r", der ≥ 20% des Kolbenradius entspricht. Die Verrippung ist weiterhin so ausgeführt, dass sich ein Abstandsmaß „c" zwischen der Achse „x-x" und der Scheitellinie der Innenkontur, welches sich von dem Radius „r" unterscheidet, vorzugsweise übertrifft das Maß „c" den Radius „r". Die weitere Auslegung der Verrippung sieht außerdem vor, dass der den Außenradius definierende Radius „R" sich von dem Maß „d" unterscheidet, welches sich zwischen der Achse „x-x" und Scheitellinie der Scheitellinie der Außenkontur einstellt.
Für einen reibgeschweißten Kolben kann die erfindungsgemäße Verrippung so angeordnet werden, dass zumindest bereichsweise eine Lageübereinstimmung zwischen der Verrippung und einem mittels einer Reibschweißung verbundenen Fügestege besteht, über den ein Kolbenoberteil und ein Kolbenuntereil bzw. ein Nabengrundkörper abgestützt sind. Damit kann die Verrippung zumindest bereichsweise eine Verdickung der Reibschweißung zu einer vorteilhaften Verdickung des Reibschweißbereichs genutzt werden kann.
Zur Verdeutlichung der Erfindung werden nachfolgend Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen:
1: einen Kolben im Längsschnitt mit einer erfindungsgemäßen Verrippung zwischen den Bolzennaben,
2: einen gegenüber der 1 um 90° gedrehten Kolben im Längsschnitt,
3: den Kolben gemäß den 1 und 2 in einer Ansicht auf den Kolbenboden,
4: einen hälftig abgebildeten Kolben in einer Ansicht auf den Kolbenboden, wobei die Verrippung eine konvex verlaufende Außenkontur aufweist, und
5: eine der 4 vergleichbare Kolbenansicht, bei der die Verrippung eine geradlinig verlaufende Außenkontur aufweist.
Der in 1 abgebildete Kolben 1 ist als ein Kühlkanalkolben gestaltet, der als Kolbenoberteil einen Kolbenboden 2 und als Kolbenunterteil einen Kolbenschaft 3 umfasst, wobei diese Bauteile über Fügestege 4a, 4b abgestützt sind. Zur Schaffung einer Baueinheit sind zumindest die Fügestege 4a, 4b reibgeschweißt und damit stoffschlüssig zusammengefügt, wobei sich beidseitig der Fügestege 4a, 4b Schweißwülste 5a, 5b bilden. Der Kolbenboden 2 weist stirnseitig eine Brennraumulde 6 auf sowie außenseitig einen Feuersteg 7, an dem sich zur Aufnahme von nicht dargestellten Kolbenringen ein Ringfeld 8 anschließt. Beabstandet zu dem Ringfeld 8 sind in dem Kolben 1 ein erster radial umlaufender Kühlkanal 9 sowie ein zentraler Kühlkanal 10 integriert, die im Betriebszustand gemeinsam von einem Kühlmittel beaufschlagt werden. Der sich unmittelbar an das Ringfeld 4 anschließende Kolbenschaft 3 schließt zwei diametral sich gegenüberliegende Schaftwandabschnitte 11 ein sowie versetzt dazu zwei Bolzennaben 12 mit integrierten Nabenbohrungen 13. Die Nabenbohrungen 13 sind zur Aufnahme eines in 1 nicht abgebildeten Kolbenbolzens bestimmt, mit dem ein Pleuel an dem Kolben 1 angelenkt ist. Übereinstimmend sind die Bolzennaben 12 über Nabenabstützungen 14 unmittelbar mit einem Nabengrundkörper 15 verbunden, der eine Zwischenebene zu dem Kolbenboden 2 bildet. Als zusätzliche, die Bauteilfestigkeit des Kolbens 1 verbessernde Maßnahme sind die Bolzennaben 12 über zwei bogenförmig verlaufende, dem Nabengrundkörper 15 zugeordnete Verrippungen 17 verbunden. Diese in dem Kolbeninnenraum 16 positionierte Verrippungen 17 bewirken eine verbesserte Krafteinleitung ausgehend dem Kolbenboden 2 über die Fügestege 4a, 4b, den Nabengrundkörper 15, den Verrippungen 17 und die Bolzennaben 12 in den Kolbenbolzen und von dort in das Pleuel. Gleichzeitig verbessert diese Maßnahme die Bauteilfestigkeit des Kolbens 1, da die Verrippungen 17 eine wirksame, sich positiv auf die Gefügespannungen auswirkende Verbindung zwischen den Bolzennaben 12 herstellt. Der gerundete Verlauf der Verrippung 17 erstreckt sich von einer mittigen Scheitellinie 18 ausgehend, beidseitig bogenförmig zu den Bolzennaben 12. Dabei stellt sich ein Abstandsmaß „a" zwischen einer Bolzenachse 19 der Nabenbohrung 13 und der Verrippung 17 im Bereich der Scheitellinie 18 ein, das ein Maß „b" zwischen der Bolzenachse 19 und den Übergängen der Verrippung 17 in die Bolzennaben 12 übertrifft.
Die 2 zeigt den Kolben 1 gemäß 1 in einer um 90° verdrehten Schnittansicht, in der die zwei gegenüberliegend versetzt zueinander angeordneten Verrippungen 17 dargestellt sind. Die unmittelbar dem Nabengrundkörper 15 zugeordneten Verrippungen 17 weisen ein abgeflachtes, annähernd halbrundartig gestaltetes Querschnittsprofil auf, wobei sich gerundete Übergänge zu dem Nabengrundkörper 15 einstellen. Dabei besteht eine weitestgehende Lageübereinstimmung zwischen den Verrippungen 17 und den durch kreisringförmig gestaltete Wandungen des Kolbenbodens 2 und des Nabengrundkörpers 15 gebildeten Fügestegen 4a, 4b. Dadurch bildet sich eine lokale Versteifung des Kolbens 1 in einer Zone zwischen den Bolzennaben 12. Alle weiteren Einzelheiten und Bauteile des Kolbens 1 entsprechen dem in 1 dargestellten und zuvor erläuterten Kolben 1.
In 3 ist der Kolben 1 in einer Ansicht auf den Kolbeninnenraum 16 abgebildet. Diese Darstellung verdeutlicht die Erstreckung der Verrippungen 17 an dem Nabengrundkörper 15 in einer anderen Ansicht. Danach weisen die Verrippungen 17 eine radial nach außen gerichtete konvexe Wölbung auf. Jede Verrippung 17 weitet sich begrenzt von der Scheitellinie 18 ausgehend, in Richtung der Bolzennaben 12 aus. Entsprechend sind die Radien „r, R" für eine Innenkontur 20 und eine Außenkontur 21 der Verrippungen 17 unterschiedlichen Mittelpunkten auf einer Achse „y-y" zugeordnet. Die Lage der Verrippungen 17 wird durch Abstandsmaße „c" und „d" definiert, die sich von der Achse „x-x" zu der Scheitellinie 18 der Innenkontur 20 bzw. der Außenkontur 21 einstellen und die einem Teilmaß von dem Kolbenradius „s" entsprechen. Der die Innenkontur (20) der Verrippung (17) bestimmende Radius „r" entspricht ≥ 20% und der die Außenkontur (21) bestimmende Radius „R" entspricht ≥ 50% von dem Kolbenradius (s). Die Auslegung sieht außerdem vor, dass sich sowohl das Abstandsmaß „c" von dem Radius „r" als auch das Abstandsmaß „d" von dem Radius „R" unterscheidet. Weiterhin bildet die Verrippung 17 gerundete, dem Verlauf der gewölbten Außenkontur 21 entgegengerichtet gekrümmte Übergangszonen 22, die eine optimale Anbindung und folglich idealen Übergang der Verrippung 17 an die Bolzennaben 12 ermöglichen.
Die 4 und 5 zeigen alternativ zu 3 gestaltete Verrippungen. Gemäß 4 schließt die Verrippung 23 eine konkav verlaufende Außenkontur 24 ein, der eine den weiteren Ausführungsbeispielen vergleichbar verlaufende Innenkontur 20 zugeordnet ist. Dadurch stellt sich eine stärkere Einschnürung der Verrippung im Bereich der Scheitellinie 18 ein. Eine weitere erfindungsgemäß ausgebildete Variante zeigt die 5, nach der die Verrippung 25 eine geradlinig verlaufende Außenkontur 26 aufweist in Verbindung mit einer Innenkontur 20 gemäß 1.

1: Kolben
2: Kolbenboden
3: Kolbenschaft
4a: Fügesteg
4b: Fügesteg
5a: Schweißwulst
5b: Schweißwulst
6: Brennraummulde
7: Feuersteg
8: Ringfeld
9: Kühlkanal
10: Kühlkanal
11: Schaftwandabschnitt
12: Bolzennabe
13: Nabenbohrung
14: Nabenabstützung
15: Nabengrundkörper
16: Kolbeninnenraum
17: Verrippung
18: Scheitellinie
19: Bolzenachse
20: Innenkontur
21: Außenkontur
22: Übergangszone
23: Verrippung
24: Außenkontur
25: Verrippung
26: Außenkontur
a: Abstandsmaß zwischen der Bolzenachse (19) und der Scheitellinie (18) der Verrippung (17), gemäß 1;
b: Abstandsmaß zwischen der Bolzenachse (19) und der Anbindung Verrippung (17) an der Bolzennabe (12), gemäß 1;
c: Abstandsmaß zwischen der Achse „x-x" und der Scheitellinie (18) der Innenkontur (20) der Verrippung (17), gemäß 3;
d: Abstandsmaß zwischen der Achse „x-x" und der Scheitellinie (18) der Außenkontur (21) der Verrippung (17), gemäß 3;
r: Radius der Innenkontur (20) der Verrippung (17), gemäß 3;
R: Radius der Außenkontur (21) der Verrippung (17), gemäß 3;
S: Radius des Kolbens (1), gemäß 3

Claims

Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem ein Ringfeld (8) aufweisenden Kolbenboden (2), an den sich ein einen Kolbeninnenraum (16) umschließender Kolbenschaft (3) mit zwei tragenden Schaftwandabschnitten (11) und zwei Bolzennaben (12) anschließt, wobei jede Bolzennabe (12) eine Nabenbohrung (13) umfasst und über eine Nabenabstützung (14) mit einem Nabengrundkörper (15) verbunden ist, der zur Versteifung zumindest eine Verrippung (17, 23, 25) einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Nabengrundkörper (15) weitestgehend in Richtung der Nabenbohrungen (13) ausgerichtete, die Bolzennaben (12) durchgängig verbindende Verrippungen (17, 23, 25) aufweist, die von einer Bolzenachse (19) abgewandt gekrümmt oder gewölbt gestaltet sind und dabei einen Schwenkbereich eines Pleuelkopfes berücksichtigend verlaufen.
Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Verrippung (17, 23, 25) übereinstimmt mit Fügestegen (4a, 4b), über die eine kreisringförmig verlaufende Wandung des Kolbenbodens (2) an dem Nabengrundkörper (15) abgestützt ist.
Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrippung (17, 23, 25) von einer Bolzenachse (19) ausgehend, einen bogenförmig nach außen gerichteten Verlauf aufweist.
Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrippungen (17, 23, 25) von einer Scheitellinie (18) ausgehend sich jeweils in Richtung der Bolzennabe (12) verstärken oder aufweiten.
Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrippungen (17, 23, 25) zwischen den Bolzennaben (12) eine annähernd oval gestaltete Ausnehmung oder Zone für das Pleuelauge an dem Nabengrundkörper (15) begrenzen.
Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenkontur (21, 24) der Verrippung (17, 23) konvex oder konkav verläuft.
Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkonturen (26) der beabstandet angeordneten Verrippungen (25) gerade ausgerichtet sind und annähernd parallel zueinander verlaufen.
Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsrippe (17) ein weitestgehend halbrundes Querschnittsprofil aufweist.
Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur (21) der Verrippung (17) unter Bildung von gerundeten Übergangszonen (22) in die Nabenabstützung (14) oder die Bolzennaben (12) übergehen.
Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur (20) der Verrippung (17, 23, 25) gerundet in die Bolzennabe (12) oder die Nabenabstützung (14) übergeht.
Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenkontur (20) der Verrippung (17) in einem Radius „r" von ≥ 20% eines Kolbenradius (s) und eine Außenkontur (21) der Verrippung (17) in einem Radius „R" von ≥ 50% des Kolbenradius (s) verläuft.
Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Innenkontur (20) von einem Abstandsmaß „c" zwischen einer Achse „x-x" und einer Scheitellinie (18) der Innenkontur (20) bestimmt ist, das den Radius „r" übertrifft.
Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Außenkontur (21) von einem Abstandsmaß „d" zwischen einer Achse „x-x" und einer Scheitellinie (18) der Außenkontur (21) bestimmt ist, wobei der Radius „R" das Maß „d" übertrifft.
Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bereichsweise eine Lageübereinstimmung zwischen der Verrippung (17, 23, 25) und den Fügestegen (4a, 4b) besteht, die mittels einer Reibschweißung verbunden sind.
Kolben einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrippung (17, 23, 25) zumindest bereichsweise zu einer Verdickung der Reibschweißung führt.