DE102008002618B4 - Piston with load concentration hydro channel - Google Patents
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Abstract
Kolben für eine Verbrennungsmaschine, wobei der Kolben Bolzenbohrungen (2) zum Aufnehmen eines Kolbenbolzens aufweist, wobei wenigstens eine Bolzenbohrung (2) eine Innenoberfläche (2') mit einer Nut (10) aufweist, die sich im Wesentlichen in einer Längsrichtung der Bolzenbohrung (2) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut einen Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung aufweist, wobei ein Grund der Nut breiter als der Eingang der Nut ist.Piston for an internal combustion engine, the piston having bolt holes (2) for receiving a piston pin, wherein at least one pin bore (2) has an inner surface (2 ') with a groove (10) extending substantially in a longitudinal direction of the pin bore (2 ), characterized in that the groove has a cross-section perpendicular to the extension direction, wherein a bottom of the groove is wider than the entrance of the groove.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Verbrennungsmaschine, der eine Bolzenbohrung zum Aufnehmen eines Kolbenbolzens aufweist, wobei die Bolzenbohrung eine innere Oberfläche mit einer Nut aufweist, die sich im Wesentlichen in einer Längsrichtung der Bohrung erstreckt.The The invention relates to a piston for an internal combustion engine, having a pin bore for receiving a piston pin, wherein the pin bore has an inner surface with a groove, which extends substantially in a longitudinal direction of the bore.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Kolben, die in Verbrennungsmaschinen verwendet werden, sind hohen Drücken und Belastungen ausgesetzt. Strukturelle Defekte, wie beispielsweise Crack- bzw. Rissbildung aufgrund von Materialermüdung, haben ihre Ursache in den obigen anspruchsvollen Arbeitsbedingungen.Piston, which are used in internal combustion engines are high pressures and Exposed to stress. Structural defects, such as Cracking or cracking due to material fatigue, have their cause in the above demanding working conditions.
Zur
Erklärung
ist in
Demnach ist es wünschenswert, die Belastungs- und Spannungsverteilung und Haltbarkeit des Kolbens zu steuern. Gegenwärtig angewendete Gestaltungsmerkmale zum Modifizieren der Bolzenbohrungs-Kontaktoberfläche des Kolbens, für Haltbarkeitszwecke der Komponenten, enthalten das Profilieren der gesamten Bohrungsoberfläche mit einer Anzahl von verschiedenen konischen, parabolischen und ovalen Formen. Ausgesparte Bögen, Teilbögen und Kegel, die insgesamt als Seitenaussparungsmerkmale bekannt sind, welche die gesamte oder eine Teillänge entlang der horizontalen Bohrungsoberfläche umgeben, werden auch zur Veränderung der Haltbarkeit der Kolbenkomponenten verwendet.Therefore it is desirable the stress and stress distribution and durability of the piston to control. Currently applied design features for modifying the pin bore contact surface of the Piston, for Durability of the components, include profiling the entire bore surface with a number of different conical, parabolic and oval shapes. Recessed bows, Partial sheets and Cones, collectively known as side-by-side features, which the whole or a part length along the horizontal bore surface surrounded, will also change the Durability of the piston components used.
Profile, die in den Bohrungsbereich eingebracht werden, sind in Umfangsrichtung ausgeprägt, während Seitenaussparungen partielle Schnitte bzw. Ausnehmungen sind, die normalerweise in der radialen Tiefe nicht größer als 1 mm von dem primären Bohrungsradius sind. Im Allgemeinen sind die Seitenaussparungsmerkmale außerhalb des fundamentalen Bohrungsbereichs des Kolbens und Bolzens geschnitten, ungefähr +/–30 Grad von der oberen Totpunkt-Position der Bolzenbohrung.profiles which are introduced into the bore area, are in the circumferential direction pronounced while side recesses partial cuts or recesses that are normally in the radial depth is not greater than 1 mm from the primary bore radius are. In general, the page cut features are outside cut the fundamental bore area of the piston and pin, approximately +/- 30 Degrees from the top dead center position of the pin hole.
Die Verringerung der Belastungen und die Verbesserung der Haltbarkeit der Kolben ist ein wichtiges Forschungsgebiet. Kolbendesigns und Materialien werden beispielsweise hinsichtlich der Belastungsverteilung und Riss- bzw. Crackbildung getestet und analysiert. Zum Verstehen der Probleme, die mit der Materialermüdung zusammenhängen, die zu strukturellen Defekten, wie beispielsweise einer Zugrissfortpflanzung (fast fracture) führt, zusammenhängen, ist es wünschenswert, die lokale Belastungskonzentration und Verteilung zu steuern. Beschleunigte Ermüdungstests zur Validierung von Technologie können zusätzliche, kostenintensive Modellformen und Werkzeuge benötigen.The Reducing stress and improving durability the piston is an important field of research. Piston designs and Materials, for example, in terms of load distribution and Crack formation tested and analyzed. To understand the problems associated with material fatigue, the to structural defects, such as a tear propagation (almost fracture) leads, related, it is desirable to control the local stress concentration and distribution. accelerated fatigue tests For validation of technology can be additional, costly model forms and tools are needed.
Die
Die
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Steuerung einer Belastungs- oder Spannungsverteilung eines Kolbens zu verbessern.It It is an object of the invention to provide control of a load or to improve the stress distribution of a piston.
Die Aufgabe wird mit einem Kolben nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen.The Task is solved with a piston according to claim 1. The dependent claims relate to preferred embodiments.
Der Kolben weist eine Bolzenbohrung mit einer Innenoberfläche auf, die als ein Lager für einen Kolbenbolzen dient. Der Kolben der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche der Bolzenbohrung eine Nut mit einem Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung aufweist, wobei ein Grund bzw. Boden der Nut breiter als der Eingang der Nut ist. Das Erzeugen der gewünschten Haltbarkeit des Kolbens mittels Einbringen der obigen Nut ist ein Vorteil der Erfindung, da keine besonderen und zusätzlichen Formwerkzeuge benötigt werden. Probleme, die mit einer Zugrissfortpflanzung (fast fracture) verbunden sind, können in Ermüdungstests unter Verwendung der erfinderischen Nut besser gesteuert werden. Als ein weiterer Vorteil stellt die Nut, die als ein Kühlöl-Transportkanal wirkt, eine verbesserte Schmierung des Kolbenbolzens aufgrund des Kanaldesigns (von der Kontaktoberfläche abgesetzt) bereit. Die Nut kann hinsichtlich der Größe und Gestalt variieren, um die gewünschte Belastungskonzentration für einen beschleunigten Ermüdungstest zu erzeugen. Eine solche Steuerung der lokalen Belastungskonzentration ermöglicht die Anwendung einer besseren, konsistenteren „designed by analysis”-Philosophie.Of the Piston has a pin bore with an inner surface, which as a warehouse for a piston pin is used. The piston of the invention is characterized that the inner surface the bolt hole a groove with a cross section perpendicular to the extension direction wherein a bottom of the groove is wider than the entrance the groove is. Generating the desired durability of the piston By incorporating the above groove is an advantage of the invention, there are no special and additional Molds needed become. Problems associated with a tensile fracture propagation (fast fracture) are, can in fatigue tests be better controlled using the innovative groove. As a further advantage, the groove acting as a cooling oil transport channel acts, improved lubrication of the piston pin due to Channel designs (deposed from the contact surface) ready. The Groove can vary in size and shape to the desired Stress concentration for an accelerated fatigue test to create. Such control of local stress concentration allows the application of a better, more consistent "designed by analysis" philosophy.
Vorzugsweise ist die Nut eine sogenannte „tear drop”-Nut. Die „tear drop”-Nut umfasst einen offenen, im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, wobei der offene Bogen des Kreisquerschnitts kleiner als der geschlossene Bogen ist. Der obige Querschnitt ist entlang der Ebene senkrecht zur Längsrichtung, d. h. der axialen Richtung, der Bolzenbohrung genommen. Der geschlossene Bogen bezieht sich auf ein Segment der kreisförmigen Kontur, die durch die Schnittstelle zwischen der kreisförmigen Nut und der festen Struktur des Kolbens definiert ist. Unter der Annahme, dass ein verbleibendes Segment das obige Segment so schließt, dass eine geschlossene kreisförmige Kontur ausgebildet wird, wird das verbleibende Segment als offener Bogen bezeichnet.Preferably, the groove is a so-called "tear drop" groove. The "tear drop" groove comprises an open, substantially circular cross-section, wherein the open arc of the circular cross-section is smaller than the closed arc. The above cross section is taken along the plane perpendicular to the longitudinal direction, ie the axial direction, of the pin bore. The closed arc refers to a segment of the circular contour defined by the interface between the circular groove and the fixed structure of the piston. Assuming that a remaining segment closes the above segment so as to form a closed circular contour, the remaining segment is referred to as an open arc.
Vorzugsweise ist der Querschnitt der Nut aus dem obigen kreisförmigen Querschnitt, der sich auf einem rechteckförmigen Querschnitt befindet, so ausgebildet, dass der rechteckige Querschnitt die innere Oberfläche der Bohrungswand öffnet. Der Einlaufkanal, der als die rechteckige Nut bestimmt ist, vermeidet das Auftreten von Splitterabschnitten zwischen der Innenoberfläche der Bolzenbohrung und der Belastungskonzentrations-Kreisnut. Der Splitter vermeidende rechteckige Abschnitt muss nicht notwendigerweise mit dem obigen kreisförmigen Abschnitt kombiniert werden und kann genauso gut einen Eingangsbereich für irgendeine andere Nut gemäß der Erfindung ausbilden. Die „tear drop”-Nut wird einfach eingebracht. In Abhängigkeit der Kolbengröße liegt der rechteckförmige Querschnitt vorzugsweise in der Größenordnung von 2 bis 5 mm. Der Durchmesser des kreisförmigen Abschnitts beträgt vorzugsweise 3 bis 10 mm.Preferably is the cross section of the groove from the above circular cross section, which is on a rectangular Cross-section is located, so formed that the rectangular cross-section the inner surface the bore wall opens. The inlet channel, which is intended as the rectangular groove avoids the occurrence of splinter sections between the inner surface of the Bolt hole and stress concentration circular groove. The splinter avoiding rectangular section does not necessarily match the above circular Section can be combined and can just as well an entrance area for any another groove according to the invention form. The "tear drop "nut will simply introduced. Dependent on the piston size is the rectangular one Cross section preferably in the order of 2 to 5 mm. Of the Diameter of the circular Section is preferably 3 to 10 mm.
Vorzugsweise weist der Kolben zwei gegenüberliegende Bolzenbohrungen auf, wobei beide davon mit einer „tear drop”-Nut vorgesehen sind, um die Erzeugung einer asymmetrischen Belastungsverteilung zu vermeiden. Die beiden Bolzenbohrungen sind vorzugsweise in einem abgeflachten zylindrischen Kolbenschaft ausgebildet, der an einem Ende in einer Längsrichtung des Schafts integral mit einem zylindrischen Kolbenkopf verbunden ist.Preferably the piston has two opposite ones Bolt holes, both of which are provided with a "tear drop" groove, to avoid the generation of an asymmetric load distribution. The two pin bores are preferably flattened cylindrical piston stem formed at one end in one longitudinal direction of the shaft integrally connected to a cylindrical piston head is.
Vorzugsweise erstreckt sich die Nut entlang der gesamten longitudinalen Länge der Bolzenbohrung, um die Erzeugung einer asymmetrischen Belastungsverteilung zu vermeiden und/oder die Reproduzierbarkeit der Nut zu verbessern.Preferably the groove extends along the entire longitudinal length of the Bolt hole to produce an asymmetric load distribution to avoid and / or to improve the reproducibility of the groove.
Vorzugsweise verläuft die Nut durch den Bereich des primären Defekts der Bolzenbohrung, um Probleme, die mit der Zugrissfortpflanzung (fast fracture) in Bereichen intensiver Spannung des Kolbens bei beschleunigten Ermüdungstests zusammenhängen, zu steuern. Zu diesem Zweck ist die Nut vorzugsweise durch den oberen Totpunkt der Bolzenbohrung angeordnet.Preferably extends the groove through the area of the primary defect of the pin bore, to problems associated with train fracture propagation (fast fracture) in Areas of intense tension of the piston during accelerated fatigue tests related, to control. For this purpose, the groove is preferably through the upper Dead center of the bolt hole arranged.
Vorzugsweise ist der Kolben aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt. Die Absicht der Verbesserung der Haltbarkeit eines Kolbens steht mit der Absicht der Gewichtsverringerung, die hinsichtlich der Energieeffizienz wünschenswert ist, im Widerspruch. Für einen Kompromiss zwischen beiden ist die Erfindung im Besonderen für Fahrzeugaluminiumkolben wichtig und geeignet.Preferably the piston is made of aluminum or an aluminum alloy. The intention of improving the durability of a piston stands with the intention of weight reduction, in terms of energy efficiency desirable is, in contradiction. For a compromise between the two is the invention in particular for vehicle aluminum pistons important and suitable.
Aus der Sicht der Herstellung kann die „tear drop”-Nut vorzugsweise zusammenfallend mit einer dritten Ringnut des Kolbens oder, in einigen Designs, vierten Boden-/Schaftfurche geschnitten werden.Out From the point of view of manufacture, the "tear drop" groove may preferably coincide with a third annular groove of the piston or, in some designs, fourth Soil / Schaftfurche be cut.
Der „tear drop”-Schnitt ist vorzugsweise ein direkter tiefer Schnitt, der durch den primären Defektbereich von beispielsweise Fahrzeugaluminiumkolben-Bolzenbohrungen gefertigt ist.The "tear drop" cut is preferably a direct deep cut through the primary defect area made of, for example, vehicle aluminum piston pin bores is.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten AusführungsformDetailed description the preferred embodiment
Jede
Bolzenbohrung
Obwohl die beschriebene Ausführungsform eine sogenannte „tear drop”-Nut verwendet, sind Änderungen des Nuten-Designs möglich. Der Querschnitt der Nut senkrecht zur Erstreckungsrichtung könnte beispielsweise von einem perfekt kreisförmigen Querschnitt abweichen. Die Nut könnte einen ellipsoidförmigen oder ovalen Querschnitt oder einen anders gearteten, abgeflachten kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Die Ausrichtung kann beispielsweise entweder vertikal oder horizontal zur Kolbenbodenrichtung sein.Even though the embodiment described a so-called "tear drop 'groove used are changes of the groove design possible. The cross section of the groove perpendicular to the extension direction could, for example from a perfectly circular Deviate cross section. The groove could an ellipsoidal or oval cross section or a different type, flattened circular Have cross-section. The alignment can be either be vertical or horizontal to the piston bottom direction.
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