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Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine, aufweisend ein Oberteil mit daran anhängenden Kolbennaben und tragenden Schaftwandabschnitten, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
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Kolben für Brennkraftmaschinen weisen entweder einen zylinderförmigen vollständig umlaufenden Kolbenschaft auf, der unterhalb eines Oberteiles des Kolbens angeordnet (angehangen) ist. Oder es gibt Kolben im sogenannten Kastendesign, wobei solche Kolben tragende Schaftwandabschnitte aufweisen, sodass deren Kolbenschaft nur abschnittsweise vorhanden und nicht vollständig zylinderförmig ausgebildet ist. Die tragenden Schaftwandabschnitte sind in ihren freistehenden Randbereichen über Verbindungswände, die sich in Richtung der Kolbennaben erstrecken, mit diesen verbunden. Hierdurch wird eine erforderliche Abstützung der tragenden Schaftwandabschnitte während des Betriebes des Kolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine erzielt. Hierzu ist es erforderlich, dass sich die Verbindungswände von jeder Bolzennabe ausgehend in Richtung der Seitenbereiche der tragenden Schaftwandabschnitte erstrecken. Durch diese insgesamt vierfache Ausführung der Verbindungswände erhöht sich das Material des Kolbens, um die erforderliche Abstützung der tragenden Schaftwandabschnitte an dem Oberteil zu erzielen. Ein Beispiel für ein solches Kastendesign eines Kolbens ist aus der
DE 101 45 589 bekannt. Mit diesem Design des bekannten Kolbens wird zwar bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung die erforderliche Schaftwandsteifigkeit bei gleichzeitig erforderlicher Nachgiebigkeit der tragenden Schaftwandabschnitte erzielt. Allerdings ist ein solcher Kolben noch nicht zufriedenstellend hinsichtlich seines Gewichtes.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden und der hinsichtlich seines Gewichtes, insbesondere hinsichtlich einer Gewichtsreduzierung, weiter optimiert ist.
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Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die tragenden Schaftwandabschnitte freistehend an dem Oberteil ohne eine Anbindung an die Kolbennaben angeordnet sind und dass ausgehend von der Unterseite des Oberteiles in Richtung der Innenseite der tragenden Schaftwandabschnitte eine Rippe verläuft. Nach der Erfindung werden somit die bekannten Verbindungswände, die zwischen den Bolzennaben und den Seitenrändern der tragenden Schaftwandabschnitte vorhanden sind, ersetzt durch nur noch eine Rippe, die eine Verbindung darstellt zwischen dem Oberteil des Kolbens, insbesondere der Unterseite des Oberteiles, und der Innenseite der tragenden Schaftwandabschnitte. Dadurch wird das Gewicht des Kolbens deutlich reduziert und gleichzeitig die Anbindung der tragenden Schaftwandabschnitte an das Oberteil realisiert. Die Ausgestaltung der Rippe, insbesondere deren Verlauf, deren Form und deren Dicke ist abhängig von der Abstützung der tragenden Schaftwandabschnitte und somit so zu wählen, dass für den jeweiligen Einsatzzweck des Kolbens in der Brennkraftmaschine zum Einen die erforderliche Abstützung der tragenden Schaftwandabschnitte erfolgt und zum Anderen die erforderliche Nachgiebigkeit der tragenden Schaftwandabschnitte während der Bewegung des Kolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine gegeben ist.
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Der erfindungsgemäße Kolben lässt sich nach den üblichen bekannten Herstellungsverfahren herstellen, beispielsweise in einem Gießverfahren, wobei jedoch auch Schmiedeverfahren denkbar sind. In besonders vorteilhafter Weise wird der Kolben mit den freistehend an dem Oberteil angeordneten tragenden Schaftwandabschnitten, den Bolzennaben und dem Oberteil einstückig nach einem der genannten Verfahren hergestellt. Es ist auch denkbar, die einzelnen Elemente (wie Schaftwandabschnitte, Bolzennaben, Oberteil und dergleichen) als Einzelteile herzustellen und diese durch ein Fügeverfahren unlösbar miteinander zu verbinden. Insbesondere kann daran gedacht werden, dass Oberteil einstückig mit den anhängenden Kolbennaben in einem geeigneten Verfahren herzustellen und separat davon die Rippe und die tragenden Schaftwandabschnitte herzustellen, die danach mittels eines geeigneten Fügeverfahrens an dem vorbereiteten Oberteil des Kolbens mit seinen Bolzennaben angefügt werden.
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Der Verlauf der Rippe ist grundsätzlich den Belastungsanforderungen angepasst in der Höhe variabel, vorzugsweise bis maximal an das untere Kolbenende verlaufend.
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In Weiterbildung der Erfindung verläuft die Rippe bis an die Unterkante der tragenden Schaftwandabschnitte. Während es grundsätzlich denkbar ist, die Rippe nicht bis an die Unterkante zu führen und im Verlauf der teigenden Schaftwandabschnitte (mit Bezug auf die Kolbenhubachse) auslaufen zu lassen, ist der Verlauf der Rippe bis an die Unterkante der Schaftwandabschnitte von besonderem Vorteil, um die erforderliche Anordnung und Abstützung der tragenden Schaftwandabschnitte an dem Oberteil des Kolbens zu realisieren.
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In Weiterbildung der Erfindung verläuft die Rippe mittig in dem Innenbereich des Kolbens. Das bedeutet, dass die Rippe durch die Kolbenhubachse verläuft. Dies hat den Vorteil, dass dadurch der Kolben spiegelsymmetrisch ausgestaltet werden kann und sich dadurch das angewendete Herstellungsverfahren vereinfachen lässt.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die tragenden Schaftwandabschnitte vollständig freistehend ausgebildet und nur über die Rippe an dem Oberteil angebunden. Während es grundsätzlich denkbar ist, dass die tragenden Schaftwandabschnitte direkt an der Unterseite des Oberteiles angeordnet und angebunden sind, ist es auch denkbar, die tragenden Schaftwandabschnitte vollständig freistehend auszubilden und nur über die Rippe an dem Oberteil, insbesondere dessen Unterseite, anzubinden. Eine solche Ausführung bietet sich an, wenn das Oberteil mit seinen anhängenden Bolzennaben und ggf. auch der Rippe in einem geeigneten Verfahren einstückig hergestellt werden und die tragenden Schaftwandabschnitte separat davon realisiert werden. Ist dies erfolgt, werden die tragenden Schaftwandabschnitte als Einzelteile an der Rippe ohne Verbindung, insbesondere ohne Fügeverbindung, an die Unterseite des Oberteiles nur an der Rippe angefügt. Dadurch lässt sich das Gewicht des Kolbens weiter reduzieren, weil die Fläche der tragenden Schaftwandabschnitte nur so groß ausgebildet werden muss, wie es zur Abstützung des Kolbens im Zylinder Brennkraftmaschine erforderlich ist.
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In Weiterbildung der Erfindung weisen die tragenden Schaftwandabschnitte eine Einbuchtung auf. Durch eine solche Einbuchtung lässt sich ebenfalls das Gewicht des Kolbens reduzieren, ohne dass die Fläche, die zur Abstützung des Kolbens im Zylinder Brennkraftmaschine erforderlich ist, in nachteiliger Weise reduziert wird. In besonders vorteilhafter Weise verläuft die Einbuchtung parallel zu der Kolbenhubachse, wobei jedoch auch andere Ausrichtungen denkbar sind.
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Ausführungsbeispiele eines Kolbens nach der Erfindung werden im Folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
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In den 1 bis 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kolbens 1 einer Brennkraftmaschine gezeigt. Der Kolben 1 weist ein Oberteil 2 mit daran anhängenden Kolbennaben 3, in denen sich jeweils eine Bolzenbohrung 4 befindet, und tragende Schaftwandabschnitte 5 auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die tragenden Schaftwandabschnitte 5 an drei Seiten freistehend an dem Oberteil 2 angeordnet, wobei die vierte Seite eine direkte Verbindung (einstückig oder angefügt) zu dem Oberteil 2, insbesondere dessen Unterseite, aufweist. Die tragenden Schaftwandabschnitte 5 werden abgestützt von einer ausgehend von der Unterseite des Oberteiles 2 in Richtung der Innenseite der tragenden Schaftwandabschnitte 5 verlaufenden Rippe 6. Diese Rippe 6 ist mittig symmetrisch ausgebildet und verläuft durch die Kolbenhubachse.
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Der in den 1 bis 4 gezeigt Kolben 1 kann einen Kühlkanal 7 aufweisen, genauso wie eine Brennraummulde 8, muss es aber nicht. Ist ein Kühlkanal 7 vorhanden, wird dieser in an sich bekannter Weise an seiner Unterseite verschlossen und weist eine Zulauf- und eine Ablauföffnung auf, um ein Kühlmedium in den Kühlkanal 7 einzubringen, dort zirkulieren zu lassen und aus dem Kühlkanal 7 wieder abzuführen. Für den Fall, dass der Kühlkanal 7 von der Rippe 6 unterbrochen wird, ist es denkbar, dass zwei Kühlkanalteile, insbesondere Kühlkanalhälften, ausgebildet sind oder dass eine Übertrittsöffnung in der Rippe 6 vorgesehen wird.
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Der insbesondere in der 3 dargestellte Kühlkanal 7 muss nicht unbedingt als Kühlkanal dienen, sondern kann auch einfach als Freiraum zur weiteren Gewichtsreduzierung in de Oberteil 2 vorhanden sein.
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Die 6 bis 7 zeigen ein ähnliches Ausführungsbeispiel eines Kolbens 1, wobei gleiche Elemente in diesen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind, wie schon in den 1 bis 4.
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Hierbei ist insbesondere dargestellt, dass die tragenden Schaftwandabschnitte 5 eine Einbuchtung 9 aufweisen. Diese Einbuchtung 9 verläuft parallel zu der Kolbenhubachse, kann jedoch auch eine andere Ausrichtung aufweisen.
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Während in den vorangegangenen Figuren dargestellt und beschrieben worden ist, dass die tragenden Schaftwandabschnitte 5 mit drei Seiten freistehend an dem Oberteil 2 über die vierte Seite angeordnet sind, ist in den 8 bis 10 dargestellt, dass die tragenden Schaftwandabschnitte 5 vollständig freistehend nur über die Rippe 6 an der Unterseite des Oberteiles 2 angeordnet sind. Das bedeutet, dass die tragenden Schaftwandabschnitte 5 vier frei Seiten aufweisen und nur über ihre Innenseite und den Verlauf der Rippe mit dem Oberteil 2, insbesondere an dessen Unterseite, angebunden sind. Diese Ausgestaltung bietet sich insbesondere dann an, wenn nicht nur das Gewicht des Kolbens 1 weiter reduziert werden soll, sondern wenn auch beispielsweise das Oberteil 2 und die Rippe 6 einstückig in einem geeigneten Verfahren und die tragenden Schaftwandabschnitte 5 als separate Bauteile davon hergestellt werden und anschließend die tragenden Schaftwandabschnitte 5 über ein geeignetes Verfahren (wie z.B. Schweißen, Löten, Kleben oder dergleichen) an der Rippe 6 angeordnet und unlösbar befestigt werden sollen.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Kolben
- 2.
- Oberteil
- 3.
- Kolbennabe
- 4.
- Bolzenbohrung
- 5.
- Tragender Schaftwandabschnitt
- 6.
- Rippe
- 7.
- Kühlkanal
- 8.
- Brennraummulde
- 9.
- Einbuchtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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