-
Die Erfindung betrifft einen Kolben einer Brennkraftmaschine mit einem Oberteil und einem Unterteil, wobei das Oberteil zumindest ein Ringfeld aufweist und das Unterteil gebildet ist von gegenüberliegenden Bolzenbohrungen und Kolbenschäften, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
-
Kolben von Brennkraftmaschinen, die im betriebsfertigen Zustand einstückig ausgebildet sind und bei ihrer Herstellung einstückig sind oder aus zwei oder mehr Teilen gebildet werden können, sind bekannt. Unabhängig davon, ob ein Kolbenrohling zur Herstellung eines betriebsfertigen Kolbens einstückig oder aus mehreren Teilen hergestellt worden ist, weisen solche Kolben ein Oberteil auf, welches ein Ringfeld umfasst. Gegebenenfalls können auch eine Brennraummulde und andere Elemente des Kolbens in diesem Bereich des Oberteiles vorgesehen werden. An dem Oberteil angehangen ist in an sich bekannter Weise der Kolbenschaftbereich, der beispielsweise durchgehend zylinderförmig oder aus sich gegenüberliegenden Kolbenschäften (tragende Schaftwandabschnitte) besteht. Im Bereich des Unterteils sind auch sich gegenüberliegende Bolzenbohrungen vorhanden, die entweder den Kolbenschaft oder Verbindungswände, die die tragenden Schaftwandabschnitte verbinden, durchdringen.
-
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen bekannten Kolben hinsichtlich seiner Betriebseigenschaften beim Einsatz in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine zu verbessern.
-
Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen dem Oberteil und zumindest einem Kolbenschaft ein Schlitz angeordnet ist. Obwohl der Kolbenschaft mit dem Oberteil verbunden bleibt, kann er mittels des Schlitzes von dem Oberteil teilentkoppelt werden und somit kann in vorteilhafter Weise die Steifigkeit des Kolbenschaftes abhängig von der Geometrie des Schlitzes gezielt herabgesetzt werden. Außerdem führt ein solcher Schlitz zu einer Reduzierung der Reibung des Kolbenschaftes und auch zu einer deutlichen Geräuschherabsetzung.
-
Grundsätzlich ist die Ausgestaltung der Höhe und der Breite des Schlitzes abhängig von den auftretenden Seitenkräften, der Kolbengesamthöhe sowie der Schaftlänge. Um hier eine optimale Auslegung gewährleisten zu können, ist es notwendig, einen Bemessungsspielraum (%-Bereich) in Bezug zum Kolbendurchmesser zur Verfügung zu haben. Beispielsweise kann dieser %-Bereich durch FEA Berechnungen festgelegt werden.
-
In Weiterbildung der Erfindung ist der Schlitz zwischen der untersten Ringnut des Ringfeldes und der Oberkante des Kolbenschaftes, mit der der Kolbenschaft in das Oberteil übergeht, angeordnet. Ist der Schlitz an dieser Stelle angeordnet, wird eine besonders gute Teilentkoppelung der Steifigkeit des Schaftes von dem Oberteil des Kolbens erzielt.
-
In Weiterbildung der Erfindung weist der Schlitz eine mittlere Breite B1 und der Kolbenschaft eine mittlere Breite B2 auf, wobei B2 < B1 ist. Beispielsweise weist der Schlitz eine mittlere Breite B1 von 70% bis 90% der mittleren Breite B2 des Kolbenschaftes auf.
-
In Weiterbildung der Erfindung weist der Schlitz eine mittlere Breite B1 und der Kolbenschaft eine mittlere Breite B2 auf, wobei B2 > B1 ist.
-
Bezüglich der vorstehend aufgeführten verschiedenen Bereiche ist auszuführen, dass es insbesondere aufgrund der Anordnung von Kühlöldüsen dazu führen kann, dass die Kastenwände (Verbindungswände zwischen den tragenden Schaftwandabschnitten) an Kolben breiter und somit auch die Schaftflächen größer gestaltet werden, als dies für die auftretenden Seitenkräfte notwendig ist. Hierbei ist eine Flexibilität beziehungsweise Aufweitung des %-Bereich notwendig, um auf diese besonderen geometrischen Bedingungen eingehen zu können.
-
Unter der mittleren Breite des Schlitzes bzw. des Kolbenschaftes ist zu verstehen, dass die jeweilige Breite entweder durch die Draufsicht auf den zylinderförmigen Bereich, in dem sich Schlitz und Kolbenschaft befinden, bestimmt wird (zweidimensionale Ansicht) oder dass die mittlere Breite dem Teilumfang im Verlauf des Schlitzes bzw. des Kolbenschaftes entspricht.
-
In Weiterbildung der Erfindung weist der Schlitz eine Höhe auf, die 0,25% bis 3,5% des Außendurchmessers des Kolbens beträgt.
-
Alternativ ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Schlitz eine Höhe aufweist, die 3,5% bis 5% des Außendurchmessers beträgt.
-
Die Höhe des Schlitzes, aber auch die Breite des Schlitzes sind abhängig von einem kostenoptimalem Fertigungsverfahren zu wählen. Je nachdem, welches Fertigungsverfahren in einer Fertigungslinie Integriert ist oder integriert werden kann, muss dies in der Schlitzgestaltung berücksichtigt werden. Zum Beispiel können durch die Bearbeitung mit einem Sägeblatt kleine Schlitzhöhen (< 0,5 mm) wirtschaftlicher umgesetzt werden als zum Beispiel durch Fräsen. Wiederum ist zum Beispiel durch Fräsen ein größerer Gestaltungsfreiraum der Schlitzgeometrie (Höhe und/oder Breite und/oder Geometrie) gegeben. Die Schlitzgestaltung ist so auszulegen, dass ein guter Kompromiss zwischen Schaftentkopplung und ausreichender Bauteilfestigkeit umgesetzt werden kann.
-
In Weiterbildung der Erfindung sind die Endbereiche des Schlitzes parallel zu einer Querachse des Kolbens ausgerichtet. Alternativ dazu sind die Endbereiche des Schlitzes in einem Winkel α zu einer Querachse des Kolbens ausgerichtet. Damit stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung, wie die Endbereiche des Schlitzes ausgerichtet sind, die je nach Herstellungsweise des Kolbens bevorzugt angewendet werden können. Die Querachse des Kolbens ist eine Achse, die senkrecht auf einer Bolzenbohrungsachse steht.
-
In Weiterbildung der Erfindung sind die Endbereiche des Schlitzes von einer Bohrung gebildet. Dadurch werden scharfe Übergänge, die zu Rissen während des Betriebes des Kolbens im Zylinder der Brennkraftmaschine auftreten können, wirksam vermieden. Ein gerundeter Endbereich des Schlitzes kann auch durch Fräsen, genauso wie die Einbringung des gesamten Schlitzes in den Kolben, realisiert werden.
-
In Weiterbildung der Erfindung ist der Durchmesser der Bohrung kleiner oder gleich oder größer als die Höhe des Schlitzes. Damit stehen mehrere Möglichkeiten für die Geometrie der Bohrung zur Verfügung, um nicht nur Rissbildungen zu vermeiden, sondern auch Durchtrittsöffnungen für den Transport von Öl zu realisieren, insbesondere dann, wenn der Durchmesser der Bohrung größer oder deutlich größer ist als die Höhe des Schlitzes.
-
Zwei Ausführungsbeispiele eines Kolbens nach der Erfindung sind in den Figuren gezeigt und werden im Folgenden näher beschrieben.
-
In den 1 bis 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens und in den 5 bis 7 ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt.
-
Beide Ausführungsbeispiele basieren auf der gleichen Geometrie des Kolbens 1, wobei sich die Unterschiede auf die Ausführungen des erfindungsgemäßen Schlitzes beziehen, was noch im Detail beschrieben wird.
-
Der Kolben 1 besteht aus Bereichen eines Oberteiles 2 und eines Unterteiles 3. Unabhängig davon, ob Oberteil 2 und Unterteil 3 separat voneinander hergestellt und anschließend gefügt wurden oder ein einstückiges Teil bilden, ist in dem Oberteil 2 ein Ringfeld (hier mit drei Ringnuten) vorhanden. Das Unterteil 3 weist in an sich bekannter Weise gegenüberliegende Bolzenbohrungen 4 und ebenfalls gegenüberliegende Kolbenschäfte 5 auf. Der in den 1 bis 7 gezeigte Kolben 1 ist ein Kolben im Kastendesign, wobei die beiden gegenüberliegenden Kolbenschäfte 5 (tragende Schaftwandabschnitte) über nicht näher bezeichnete Verbindungswände miteinander verbunden sind und wobei in jeder Verbindungswand jeweils die Bolzenbohrung 4, die von einer Bolzennabe umgeben wird, angeordnet ist.
-
Unabhängig von der Bauform des Kolbens 1 ist zwischen dem Oberteil 2 und dem Unterteil 3 ein Schlitz 6 in den Kolben 1 eingebracht. Vorzugsweise erstreckt sich der Schlitz 6 ausgehend von einer Kolbenhubachse im weiteren Verlauf in dem Kolbenschaft 5 in Richtung jeweils einer Bolzenbohrung 4 in gleicher Längserstreckung, wobei auch eine asymmetrische Anordnung des Schlitzes 6 bezüglich der Kolbenhubachse 7 denkbar ist. Mittels des Schlitzes 6 erfolgt in vorteilhafter Weise eine Teilentkoppelung des Kolbenschaftes 5 von dem Oberteil 2 zur Herabsetzung der Steifigkeit des Schaftbereiches des Kolbens 1.
-
Mit Blick auf die 4 ist erkennbar, dass durch die Bolzenbohrung 4 eine Bolzenbohrungsachse 8 verläuft und eine Querachse 9 senkrecht auf der Bolzenbohrungsachse 8 steht.
-
Der Schlitz 6 ist nicht nur in die Oberfläche des Kolbens 1 eingebracht, sondern durchdringt den Bereich, beispielsweise den Übergangsbereich, der Oberkante des Kolbenschaftes 5, mit der er in den unteren Bereich des Oberteiles 2 übergeht, vollständig bis hinein in einen Innenbereich 10 des Kolbens 1, wobei sich dieser Innenbereich 10 hinter dem Kolbenschaft und zwischen den beiden die Kolbenschäfte 5 verbindende Verbindungswände hineinreicht.
-
In 3 ist dargestellt, dass der Schlitz 6 eine Breite B1 und der Kolbenschaft 5 eine Breite B2 aufweist. Diese beiden mittleren Breiten können zum Beispiel dadurch bestimmt werden, dass der an sich dreidimensionale betriebsbereite Kolben 1 in dieser Weise zweidimensional betrachtet und entsprechend dieser Betrachtungsweise die beiden Breiten B1 und B2 bestimmt werden. Sie können alternativ aber auch durch eine Messung des Teilumfanges an dem betriebsbereiten Kolben 1 dreidimensional bestimmt werden.
-
In 4 ist erkennbar, dass der zumindest eine Endbereich, vorzugsweise beide Endbereiche, des Schlitzes 6 in einem Winkel α in Bezug auf die Querachse 9 ausgerichtet sind. Hierzu sind auch andere Verläufe denkbar, wie zum Beispiel ein paralleler Verlauf des Endbereiches in Bezug auf die Querachse 9.
-
In den 5 bis 7 ist prinzipiell das gleiche Design des Kolbens 1 gezeigt, wie in den 1 bis 4. Der einzige Unterscheid besteht darin, dass ein Endbereich des Schlitzes 6, hier beide Endbereiche, mi einer Bohrung 11 abgeschlossen ist. In 5 ist erkennbar, dass der Durchmesser der Bohrung 11 größer ist als die Höhe des Schlitzes 6. Allerdings ist es auch denkbar, dass der Durchmesser der Bohrung 11 der Höhe des Schlitzes 6 entspricht oder auch kleiner ist.
-
In 7 ist wieder erkennbar, dass der Schlitz 6 zur Entkoppelung des Kolbenschaftes 5 von dem Oberteil 2 den oberen Bereich des Kolbenschaftes 5 bis in den Innenbereich 10 durchdringt. Ebenfalls ist in 7 erkennbar, dass die Längsachse der Bohrung 11 angestellt sein kann zu der Querachse 9, wobei auch andere Verläufe (wie zum Beispiel parallel zu der Querachse) denkbar sind.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kolben
- 2
- Oberteil
- 3
- Unterteil
- 4
- Bolzenbohrung
- 5
- Kolbenschaft
- 6
- Schlitz
- 7
- Kolbenhubachse
- 8
- Bolzenbohrungsachse
- 9
- Querachse
- 10
- Innenbereich
- 11
- Bohrung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009032916 A1 [0003]