DE10101605A1 - Piston for IC engine has curved connection walls between bolt hubs and piston shaft sections, with continuously decreasing thickness of walls - Google Patents

Abstract

The piston has four curved connection walls (6,6',6'',6''') between bolt hubs (7,7') and piston shaft sections (4,5). The wall curve follows the shape of the shaft sections, and the center (M) of the circular section formed by the radius (R) is located inside the piston. The thickness of the connections walls decreases continuously from the bolt hubs to the piston shaft sections, and the walls end in the outer end areas (10) of the bolt hubs. The piston is cast with a one-part core.

Description

Die Erfindung beschreibt einen Kolben mit einem Kolbenschaft, einem oberen, den Kolbenboden bildenden, im wesentlichen zylindrischen Bereich, Bolzennaben, die in Richtung der Bolzenachse zurückgesetzt sind, zwei radial bezüglich der Bolzenachse gegenüberliegenden Kolbenschaftabschnitten, die symmetrisch und im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind, vier die Kolbenschaftabschnitte mit den Bolzennaben verbindende Verbindungswände, deren unteres Ende über die Nabenbohrung hinaus geht, die aber nicht über die Kolbenschaftabschnitte hinaus reichen, wobei die Kolbenschaftabschnitte als tragende Kolbenschaftabschnitte ausgebildet sind.The invention describes a piston with a piston skirt, an upper, the Piston plate forming, essentially cylindrical area, pin bosses, which in Direction of the pin axis are reset, two radially with respect to the pin axis opposite piston skirt sections that are symmetrical and essentially are cylindrical, four the piston skirt sections with the pin bosses connecting connecting walls, the lower end of which extends beyond the hub bore goes, but do not extend beyond the piston skirt sections, the Piston shaft sections are designed as load-bearing piston shaft sections.

An die Systemkomponenten in Motoren und Verdichtern werden immer größere Anforderungen gestellt. Dabei soll der Energieeinsatz minimiert und die Leistung optimiert werden. Diese Leistungssteigerungen führen zwangsläufig zu veränderten Betriebsbedingungen und stellen somit immer höhere Anforderungen an die konstruktive Auslegung der Systemkomponenten. Insbesondere eine unzureichende Dimensionierung des Kolbens führt zum Ausfall des Gesamtsystems und ist meist mit erheblichem Kostenaufwand verbunden. Ein Ansatz zur Leistungssteigerung ist die Gewichtsreduzierung des Kolbens. Aus diesem Grund wird der Kolben im Nabenbereich verjüngt ausgebildet.The system components in motors and compressors are getting bigger and bigger Requirements. The aim is to minimize energy consumption and performance be optimized. These increases in performance inevitably lead to changes Operating conditions and therefore place ever increasing demands on the constructive design of the system components. In particular an inadequate one Dimensioning of the piston leads to failure of the entire system and is usually with considerable expense. One approach to increasing performance is that Weight reduction of the piston. For this reason, the piston in the Tapered hub area.

Auf den Kolben wirken, ausgehend von den oberen und unteren Totpunkten, Zug-, Druck und Massenkräfte, die, bedingt durch die Anordnung in einem Zylinder und der Befestigung an einen exzentrisch gelagerten Pleuel, von Querkräften überlagert werden. Hierbei fallen den einzelnen Kolbenbereichen unterschiedliche Aufgaben zu. Der Kolbenschaft hat die Aufgabe, den Kolben im Zylinder zu führen und die durch die Schräglage des Pleuels entstehenden Querkräfte an die Zylinderwand weiterzugeben. Um eine gute Führung des Kolbens im Zylinder zu erreichen, soll der Kolbenschaft möglichst lang sein. Ein langer Kolbenschaft ist aber u. a. aus Gewichtsgründen unerwünscht. Starting from the top and bottom dead centers, tensile, Pressure and inertial forces caused by the arrangement in a cylinder and the Attachment to an eccentrically mounted connecting rod, overlaid by transverse forces. The individual piston areas have different tasks. The The purpose of the piston skirt is to guide the piston in the cylinder and through it Pass the transverse forces on the cylinder wall. In order to achieve good guidance of the piston in the cylinder, the piston shaft should be as long as possible. A long piston skirt is u. a. for weight reasons undesirable.  

Um den hohen Zug- und Druckkräften in der Kompressions- bzw. Verbrennungsphase gerecht zu werden, muß der Kolbenkopf eine hohe Festigkeit aufweisen. Aus thermischen und werkstoffspezifischen Gründen, wie z. B. Wärmedehnung, Dauerschwingfestigkeit, muß der Kolbenschaft elastisch sein, um den Verformungen des Systems zu folgen. Bei der Gestaltung des Kolbens muß daher eine optimale Steifigkeit bei geringstem Materialaufwand erreicht werden.The high tensile and compressive forces in the compression or combustion phase to meet, the piston head must have a high strength. Out thermal and material-specific reasons such. B. thermal expansion, Fatigue strength, the piston skirt must be elastic to withstand the deformations to follow the system. When designing the piston must therefore be optimal Stiffness can be achieved with the least amount of material.

Um diesen dynamischen und leistungsorientierten Anforderungen gerecht zu werden, wurden Kolben entwickelt, wie sie zum Beispiel aus der Offenlegungschrift DE 199 18 328 bekannt sind. Die Schrift offenbart einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, der leistungsorientiert mit zurückgelegten Bolzennaben ausgeführt ist. Durch die Verjüngung des Kolbens im Bereich der Bolzennaben wird der Kolben leichter, und die Massenkräfte werden reduziert. Eine weitere Anpassung an die gestellten Anforderungen ist die kontinuierliche Verringerung der Wandstärke des Kolbenschaftes von den zug- und druckseitigen Kolbenschaftabschnitten hin zur Bolzenbohrung. Diese konstruktive Maßnahme soll dem Kolben ermöglichen, die Querkräfte elastisch aufzunehmen. Nachteilig an der hier offenbarten Art der Kolbenausführung sind die Hinterschneidungen, im Bereich zwischen dem zug- und druckseitigem Kolbenschaft und dem Übergang der Verjüngung zur Kolbennabe, die als Kerben dynamische Belastungen erhöhen. Gleichzeitig verkleinert sich die Wandstärke zur Nabenbohrung hin, das heißt, die Kolbenwand hat im Übergang zwischen zug- und druckseitigem Kolbenschaft und verjüngtem Kolbenschaft ihre größte Dicke. In diesem Bereich sollte der Kolben aber möglichst elastisch sein, um den aus der Dynamik des Systems herrührenden Verformungen entsprechen zu können.To meet these dynamic and performance-oriented requirements, pistons have been developed, such as those described in DE 199 18 328 are known. The document discloses a piston for one Internal combustion engine, the performance-oriented with covered pin hubs is executed. Due to the tapering of the piston in the area of the pin bosses, the Pistons become lighter and the mass forces are reduced. Another adjustment to the The requirements are the continuous reduction of the wall thickness of the Piston shaft from the pull and pressure side piston shaft sections to Pin bore. This design measure is intended to enable the piston to Absorb shear forces elastically. A disadvantage of the type of disclosed here Piston design are the undercuts in the area between the pull and pressure side piston skirt and the transition of the taper to the piston hub, which as Notches increase dynamic loads. At the same time, the wall thickness is reduced towards the hub bore, that is, the piston wall has in the transition between pull and pressure-side piston skirt and tapered piston skirt their greatest thickness. In this However, the area of the piston should be as elastic as possible, so that the System-related deformations.

Eine weitere Ausführungsform eines Kolbens ist aus der amerikanischen Patentschrift US 5,076,225 bekannt. Der in diesem Patent dargelegte Kolben ist in einer, dem Fachmann unter Figur-Acht-Form bekannten Geometrie ausgebildet. Die hier dargestellte Ausführung verzichtet auf Hinterschneidungen die als Kerben wirken, reduziert aber den zug- und druckseitigen Kolbenschaftbereich in der Wanddicke. Der so ausgebildete Kolben ist in der Lage, den elastischen Verformungen des dynamischen Systems zu folgen. Die verschiedenen Ausführungsformen zeigen eindeutig das Bestreben, den Bewegungen der zug- und druckbelasteten Kolbenschaftbereiche zu folgen und dem Kolben trotzdem eine hohe Steifigkeit zu geben. Ein Nachteil bei den vorliegenden Ausführungen ist, dass alle Kolben Hinterschneidungen besitzen, die ein Gießen in mehrteiligen Formen erforderlich machen.Another embodiment of a piston is from the American patent US 5,076,225 known. The piston set forth in this patent is in one that Geometry known to those skilled in the art under figure eight shape. This one shown version dispenses with undercuts which act as notches, but reduces the piston shaft area on the tension and pressure side in the wall thickness. The The piston thus designed is able to withstand the elastic deformations of the dynamic System to follow. The different embodiments clearly show that  Strive to accommodate the movements of the piston skirt areas under tension and compression follow and still give the piston high rigidity. A disadvantage with the The present version is that all pistons have undercuts that have a Require pouring in multi-part molds.

Der Hinweis auf eine kontinuierliche Verringerung der Wandstärke des Kolbenschaftes zur gezielten Einleitung der Querkräfte in die Nabe oder auf den Versatz der Nabenbohrung wird nicht gegeben.The reference to a continuous reduction in the wall thickness of the piston skirt for the targeted introduction of the transverse forces into the hub or on the offset of the Hub bore is not given.

Eine diese Merkmale beinhaltende Druckschrift ist die deutsche Offenlegungsschrift DE 197 08 252. Offenbart wird ein Kolben für einen Verbrennungsmotor mit zug- und druckseitigen Kolbenschaftabschnitten und zur Nabenbohrung hin verjüngenden, durchgängigen Verbindungswände. Die Wandstärke verringert sich kontinuierlich im Bereich des zug- und druckseitigen Kolbenschaftabschnitte, ist aber im Bereich der Verbindungswände von identischer Dicke. In den Bereichen mit identischer Dicke ist der Kolben praktisch als starr anzusehen. Aus diesem Grund kann sich der Kolben nicht gleichmäßig verformen, so dass an den starr verbundenen Kolbenschaftbereichen Bruchstellen absehbar sind.A document containing these features is the German published application DE 197 08 252. A piston is disclosed for an internal combustion engine with train and piston shaft sections on the pressure side and tapering towards the hub bore, continuous connecting walls. The wall thickness decreases continuously in Area of the tension and compression side piston skirt sections, but is in the area of Connecting walls of identical thickness. In areas of identical thickness the piston is practically rigid. Because of this, the piston cannot deform evenly so that on the rigidly connected piston skirt areas Fractures are foreseeable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zum Stand der Technik gehörigen Nachteile zu überwinden und einen Kolben zu entwickeln, der den heutigen, dynamischen und leistungsorientierten Anforderungen in einem Verdichter oder in einer Verbrennungskraftmaschine entspricht.The invention is based on the object belonging to the prior art To overcome disadvantages and to develop a piston that dynamic and performance-oriented requirements in a compressor or in a Internal combustion engine corresponds.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dokumentiert.This object is achieved by the characterizing part of the Claim 1 solved; advantageous developments of the invention are in the Sub-claims documented.

Der erfindungsgemäße Gedanke überwindet die vorgenannten technischen Nachteile dadurch, dass die Verbindungswände bogenförmig unter einem Radius R mit der Bolzennabe und den Kolbenschaftabschnitten verbunden sind, wobei die Bogenform dem Verlauf der Kolbenschaftabschnitte folgt und der Mittelpunkt des durch den Radius R gebildeten Kreisabschnittes im inneren des Kolbens angeordnet ist und dass die Wandstärke der Verbindungswände von den Bolzennaben beginnend in Richtung der Kolbenschaftabschnitte kontinuierlich abnimmt und dass die Verbindungswände in die äußeren Endbereiche der Bolzennaben auslaufen.The inventive idea overcomes the aforementioned technical disadvantages in that the connecting walls arcuate with a radius R with the Bolt hub and the piston skirt sections are connected, the arc shape follows the course of the piston skirt sections and the center of the through the radius R formed circular section is arranged inside the piston and that the Wall thickness of the connecting walls starting from the pin hubs in the direction of  Piston skirt sections continuously decreases and that the connecting walls in the outer end areas of the pin bosses run out.

Durch die kontinuierliche Abnahme der Wandstärke wurde ein Kolbenschaft mit hoher Steifigkeit entwickelt, der keine bevorzugte Bruchstelle erkennen läßt. Neben einer gegebenen Elastizität ermöglicht der bogenförmige Übergang vom Kolbenschaft zur Nabe einen optimalen Kraftfluß.Due to the continuous decrease in the wall thickness, a piston skirt with a large Stiffness developed that shows no preferred break point. In addition to one Given the elasticity, the arcuate transition from the piston skirt to Hub an optimal power flow.

Zur Bestimmung der Steifigkeiten eines Kolbens bezogen auf die Querkräfte wird der sogenannte Querpulser eingesetzt. Im Querpulser wird die Steifigkeit und Festigkeit des Kolbenschaftes untersucht. Dabei wird der Schaft üblicherweise über Halbschalen in Pleuelschwingebene schwellend belastet. Um eine Aussage über die Steifigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens machen zu können, wurden vergleichende Versuche durchgeführt. Dabei wurde der Kolben nicht schwellend sondern statisch belastet. Für die Versuche wurden drei unterschiedliche Kolben ausgewählt:
Der erste Kolben besaß einen zylindrischen Kolbenschaft, wobei der Kolbenschaft zu den Nabenbohrungen hin ausgefräst war, und zwar so weit, dass der Kolbenbolzen seitlich eingeschoben werden konnte.The so-called cross pulser is used to determine the stiffness of a piston in relation to the transverse forces. The stiffness and strength of the piston skirt are examined in the cross pulser. The shaft is usually swelled by half shells in the connecting rod oscillation plane. Comparative tests were carried out in order to be able to make a statement about the rigidity of the piston according to the invention. The piston was not subjected to swelling but static loads. Three different pistons were selected for the tests:
The first piston had a cylindrical piston shaft, the piston shaft being milled out towards the hub bores, to the extent that the piston pin could be inserted laterally.

Der zweite Kolben war in Anlehnung an die amerikanische Patentschrift US 5,076,225 als Acht-Form-Kolben ausgebildet.The second piston was based on the American patent US 5,076,225 designed as an eight-shape piston.

Neben diesen beiden Kolben wurde der erfindungsgemäße Kolben der Belastung des Querpulsers unterworfen. Die Belastung erfolgte über zwei im Durchmesser um 0,5 mm größere Halbschalen auf die Schaftmitte. Die Meßstelle befand sich 5 mm vom offenen Kolbenschaftende in Laufrichtung. Das folgende Diagramm zeigt die elastische Verformung in [µm] des Kolbens, bezogen auf eine statische Belastung in [N]. In addition to these two pistons, the piston according to the invention was subjected to the load of Subpulsers subjected. The load was on two 0.5 mm in diameter larger half-shells on the middle of the shaft. The measuring point was 5 mm from the open Piston end in the running direction. The following diagram shows the elastic Deformation in [µm] of the piston, based on a static load in [N].  

Diagramm diagram

Kolbenverformung unter statischer Belastung Piston deformation under static load

Das Diagramm zeigt deutlich die um bis zu 32% höhere Steifigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens gegenüber der des Figur-Acht-Form-Kolbens aus der amerikanischen Patentschrift US 5,076,225.The diagram clearly shows the rigidity of the Piston according to the invention compared to that of the figure-eight-shape piston from the U.S. Patent No. 5,076,225.

Neben der besonderen Formgebung des Kolbenschaftes wird erfindungsgemäß eine Deachsierung der Kolbenbolzenachse genannt. Die Deachsierung der Bolzenbohrung in Richtung Druckseite beeinflusst die Kolbenquerbewegung und ist ein wirksames Mittel, um Laufgeräusche des Kolbens und Kavitation an der Zylinderbüchse zu verhüten. Andererseits kann durch die Deachsierung auch eine thermische Entlastung der Ringzone bewirkt werden.In addition to the special shape of the piston skirt, according to the invention, a Adjustment of the piston pin axis called. The alignment of the bolt hole in Towards the pressure side influences the piston cross movement and is an effective means to prevent piston running noise and cavitation on the cylinder liner. On the other hand, a thermal relief of the Ring zone can be effected.

Der erfindungsgemäße Kolben ist anhand eines Ausführungsbeispiels in einer prinzipiellen Zeichnung dargestellt und wird im weiteren näher erläutert. Es zeigt:The piston according to the invention is based on an embodiment in a basic drawing shown and will be explained in more detail below. It shows:

Fig. 1 zeigt die Seitenansicht mit einem Schnitt auf einen erfindungsgemäßen Kolben. Fig. 1 shows the side view with a section on a piston according to the invention.

Fig. 2 zeigt die Unterseite des erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt I-I'. Fig. 2 shows the underside of the piston according to the invention in section I-I '.

In Fig. 1 ist ein Kolben 1 mit einem Kolbenschaft 2 und einem Kolbenkopf 3 zu sehen. Die Fig. 2 zeigt die symmetrischen, druck- und zugseitigen Kolbenschaftabschnitte 4, 5, mit den Verbindungswänden 6, 6', 6", 6''' zu den Bolzennaben 7, 7'. Die Verbindungswände 6, 6', 6", 6''' bilden einen durch den Radius R erzeugten Kreisabschnitt, dessen Mittelpunkt M im inneren des Kolbens 1 liegt. Dabei liegt der äußerste Punkt 8, 8', 8", 8''' der Kreisabschnitte, bezogen auf die Bolzenachse, 9 stets weiter außen als die Endbereiche 10, 10', 10", 10''' der Bolzennaben 7, 7'. Die Wandstärke der Kolbenschaftabschnitte 6, 6', 6", 6''' nimmt von den Bolzennaben 7, 7' ausgehend zu den Kolbenschaftabschnitten 4, 5 kontinuierlich ab, wobei die äußeren Oberflächen der Verbindungswände 6, 6', 6", 6''' in die Endbereiche 10, 10', 10", 10''' der Bolzennaben 7, 7' auslaufen.In Fig. 1, a piston 1 with a piston skirt 2 and a piston head 3 is to be seen. Fig. 2 shows the symmetrical, pressure and tension-side piston shaft portions 4, 5, with the connecting walls 6, 6 ', 6 ", 6' '' to the pin bosses 7, 7 '. The connecting walls 6, 6', 6", 6 '''form a circular segment generated by the radius R, the center M of which lies in the interior of the piston 1 . The outermost point 8 , 8 ', 8 ", 8 "' of the circular sections, based on the pin axis 9, is always further out than the end regions 10 , 10 ', 10 ", 10 ""of the pin bosses 7 , 7 '. , The wall thickness of the piston skirt sections 6 , 6 ', 6 ", 6 "''decreases continuously from the pin bosses 7 , 7 ' to the piston skirt sections 4 , 5 , the outer surfaces of the connecting walls 6 , 6 ', 6 ", 6 ''' into the end regions 10 , 10 ', 10 ", 10 ''' of the pin bosses 7 , 7 '.

Claims (6)

1. Kolben (1) mit einem Kolbenschaft (2), einem oberen, den Kolbenboden (3) bildenden, im wesentlichen zylindrischen Bereich, Bolzennaben (7, 7'), die in Richtung der Bolzenachse (9) zurückgesetzt sind, zwei radial bezüglich der Bolzenachse (9) gegenüberliegenden Kolbenschaftabschnitten (4, 5), die symmetrisch und im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind, vier die Kolbenschaftabschnitte mit den Bolzennaben verbindende Verbindungswände (6, 6', 6", 6'''), deren unteres Ende über die Nabenbohrung hinaus geht, die aber nicht über die Kolbenschaftabschnitte (4, 5) hinaus reichen, wobei die Kolbenschaftabschnitte (4, 5) als tragende Kolbenschaftabschnitte ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungswände (6, 6', 6", 6''') bogenförmig unter einem Radius (R) mit der Bolzennabe (7, 7') und den Kolbenschaftabschnitten (4, 5) verbunden sind, wobei die Bogenform dem Verlauf der Kolbenschaftabschnitte (4, 5) folgt und der Mittelpunkt (M) des durch den Radius (R) gebildeten Kreisabschnittes im inneren des Kolbens angeordnet ist und dass die Wandstärke der Verbindungswände (6, 6', 6", 6''') von den Bolzennaben (7, 7') beginnend in Richtung der Kolbenschaftabschnitte (4, 5) kontinuierlich abnimmt und dass die Verbindungswände in die äußeren Endbereiche (10, 10', 10", 10''') der Bolzennaben (7, 7') auslaufen.1. Piston ( 1 ) with a piston skirt ( 2 ), an upper, the piston head ( 3 ) forming, essentially cylindrical area, pin bosses ( 7 , 7 '), which are set back in the direction of the pin axis ( 9 ), two radially with respect the pin shaft ( 9 ) opposite piston shaft sections ( 4 , 5 ), which are symmetrical and substantially cylindrical, four connecting the piston shaft sections with the pin bosses connecting walls ( 6 , 6 ', 6 ", 6 "''), the lower end of which Hub bore goes out, but does not extend beyond the piston skirt sections ( 4 , 5 ), the piston skirt sections ( 4 , 5 ) being designed as load-bearing piston skirt sections, characterized in that the connecting walls ( 6 , 6 ', 6 ", 6 ''') are connected in an arc shape at a radius (R) to the pin boss ( 7 , 7 ') and the piston skirt sections ( 4 , 5 ), the arc shape following the course of the piston skirt sections ( 4 , 5 ) and the center Point (M) of the circular section formed by the radius (R) is arranged in the interior of the piston and that the wall thickness of the connecting walls ( 6 , 6 ', 6 ", 6 ''') starting from the pin bosses ( 7 , 7 ') in Direction of the piston skirt sections ( 4 , 5 ) decreases continuously and that the connecting walls run into the outer end regions ( 10 , 10 ', 10 ", 10 "") of the pin bosses ( 7 , 7 '). 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzenachse um 0,1 bis 1,5 mm in Richtung eines Kolbenschaftabschnittes (4, 5) verschoben angeordnet ist.2. Piston according to claim 1, characterized in that the pin axis is displaced by 0.1 to 1.5 mm in the direction of a piston skirt portion ( 4 , 5 ). 3. Kolben nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus dem Radius (R) der Bogenform und dem Kolbendurchmesser zwischen 1/10 und 1/2,5 liegt.3. Piston according to one of claims 1 and 2, characterized in that the Relationship between the radius (R) of the arc shape and the piston diameter is between 1/10 and 1 / 2.5. 4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis aus dem Radius (R) der Bogenform und dem Kolbendurchmesser vorzugsweise 1/5 ist. 4. Piston according to one of claims 1 to 3, characterized in that the Relationship between the radius (R) of the arc shape and the piston diameter is preferably 1/5.   5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) mit einem einteiligen Kern gegossen ist.5. Piston according to one of claims 1 to 4, characterized in that the piston ( 1 ) is cast with a one-piece core. 6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die äußersten Punkte (8, 8', 8", 8''') der Verbindungswände (6, 6', 6", 6'''), bezogen auf die Bolzenachse (9), stets weiter außen, als die Endbereiche (10, 10', 10", 10''') der Bolzennaben (7, 7') angeordnet sind.6. Piston according to one of claims 1 to 5, characterized in that the outermost points ( 8 , 8 ', 8 ", 8 ''') of the connecting walls ( 6 , 6 ', 6 ", 6 ''') related on the pin axis ( 9 ), always further outside than the end regions ( 10 , 10 ', 10 ", 10 "") of the pin hubs ( 7 , 7 ') are arranged.