DE102004019010A1 - Two-part spring disk for automotive piston exerts different forces around the circumference - Google Patents

Two-part spring disk for automotive piston exerts different forces around the circumference Download PDF

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Abstract

An automotive piston engine has a piston with a crown surrounded by a number of rings over an annular cooling void (6) closed to the lower cylinder by a circular disk spring (1) that is retained by a shoulder on the piston core. The circular disk spring consists of two semi-circular sections exerting different spring forces at different points on their respective circumference.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlkanalabdeckung für einen Kolben eines Verbrennungsmotors mit einem im Kolbenkopf auf Höhe des Kolbenringbandes ringförmig umlaufenden, in Richtung Kolbenschaft hin offenem Kühlkanal, der durch eine zweigeteilte, sich an im Kühlkanal angeordnete radial innere und äußere Auflager abstützende, kreisförmige Tellerfeder abgedeckt ist, wobei der Kolbenschaft mit am Kolbenkopf angehängten Kolbennaben verbunden ist.The The invention relates to a cooling channel cover for one Piston of an internal combustion engine with one in the piston head at the level of the piston ring band annular circumferential, in the direction of the piston skirt open cooling channel, by a two-part, arranged in the cooling channel radially inner and outer supports supporting, circular Disc spring is covered, the piston shaft with the piston head attached Piston hubs is connected.

Aus der Offenlegungsschrift DE 36 43 039 A1 ist ein mehrteiliger gekühlter Kolben mit einen im Randbereich des Kolbenbodens angeordneten Kühlkanal bekannt, der mit einem im Wesentlichen tellerfederartig ausgebildeten zweiteiligen Blechring abgedeckt ist. Die Befestigung des Blechringes erfolgt durch Umbördeln eines aus der Stirnfläche der Ringwand des Kolbenkopfteiles herausragenden Kragens bzw. durch einzelne in die Ringwand greifende Schrauben oder durch Schweißen bzw. Löten.From the publication DE 36 43 039 A1 is a multi-part cooled piston with a arranged in the edge region of the piston crown cooling channel is known, which is covered with a substantially plate spring-like design two-piece sheet metal ring. The attachment of the sheet metal ring is carried out by crimping a protruding from the end face of the annular wall of the piston head part collar or by individual cross in the annular wall screws or by welding or soldering.

Des Weiteren sind Kolben aus den Offenlegungsschriften DD 252 638 A1 und DE 41 34 530 A1 bekannt, bei denen ein zur Abdeckung des nach unten offenen ringförmig umlaufenden Kühlkanals dienendes Wandteils als offener Blechring ausgebildet ist, der unter Ausnutzung seiner elastischen Verformung nach dem Seeger-Ring-Prinzip, d.h. unter Vorspannung in radialer Richtung, in einer Nut am Innenumfang der Kolbenringzone bzw. am Außenumfang der Brennraumwandung liegt.Furthermore, pistons from the published patent applications DD 252 638 A1 and DE 41 34 530 A1 in which a serving to cover the downwardly open annular cooling channel wall portion is formed as an open sheet metal ring, taking advantage of its elastic deformation according to the Seeger ring principle, ie under bias in the radial direction, in a groove on the inner circumference of the piston ring zone or on the outer circumference of the combustion chamber wall is located.

Aus der DE 197 20 958 A1 ist ein mehrteiliger gekühlter Kolben bekannt, bei dem der Kühlkanal durch einen geschlitzten Blechring, der durch Eindrehen in jeweils der Ringwand und Ringrippe des Kolbens eingebrachte Gewinde erfolgt, verschlossen wird.From the DE 197 20 958 A1 is a multi-part cooled piston is known in which the cooling channel is closed by a slotted sheet metal ring, which is introduced by screwing into each of the annular wall and annular rib of the piston threaded.

Weiterhin sind aus der EP 0 561 817 B1 und EP 0 799 373 B1 einteilige Kühlkanalkolben mit einem im Randbereich des Kolbenbodens angeordneten Kühlkanal bekannt, der ebenfalls mit tellerfederartig ausgebildete bzw. tellerfederartig und mit einem Kragen versehene Abdeckringe verschlossen ist.Furthermore, from the EP 0 561 817 B1 and EP 0 799 373 B1 one-piece cooling channel piston with a arranged in the edge region of the piston crown cooling channel, which is also closed with plate spring-like formed or dish spring-like and provided with a collar cover rings.

Schließlich ist aus der DE 42 08 037 C2 ein mehrteiliger Kolben mit Kühlkanal bekannt, bei dem der unten offenen Kühlkanal durch eine auf ihrem Umfang mindestens zweigeteilte radial fixierte gespannte Tellerfeder, die radial innen und außen an axial entgegengesetzten Seiten frei an Auflagern anliegt, abgedeckt ist.Finally, out of the DE 42 08 037 C2 a multi-part piston with cooling channel known in which the bottom open cooling channel is covered by a on its circumference at least two-part radially fixed tensioned plate spring, which bears radially on the inside and outside on axially opposite sides freely on supports.

Nachteilig bei den vorgenannten zweigeteilten Ausführungsformen ist, dass einerseits der kreisförmige Abdeckring bzw. Tellerfeder trotz seiner vorgespannten Einbaulage im Motorbetrieb wegen der Verformung des Kolbens infolge des einwirkenden Druckes der Verbrennungsgase, aber auch wegen der Hin- und Herbewegung des Kolbens und der Massenkraftbelastung des Kühlöls, eine Relativbewegung gegenüber seiner Kolbenauflage ausführt. Anderseits liegen zweigeteilte kreisförmige Tellerfedern umfangsseitig in Einbaulage nicht gleichmäßig mit ihren Stirnflächen an ihrem kreisförmigen Auflager des Kolbens an. Die Tellerfeder bewirkt somit umfangseitig unterschiedliche axiale und radiale Flächenpressungen und Vertormungen an Ihrem Auflager, so dass unter dem Einfluss der vorgenannten Verformungen und Relativbewegung ein erhöhter Verschleiß entsteht, bis letztlich beide Teile der Tellerfeder aus ihrem Auflager herausfallen und den Kolben beschädigen können.adversely in the aforementioned two-part embodiments is that on the one hand the circular one Cover ring or disc spring despite its preloaded installation position in engine operation due to the deformation of the piston due to the applied pressure the combustion gases, but also because of the float's movement Piston and the mass load of the cooling oil, a relative movement relative to his Performs piston support. On the other hand, lie divided into two parts Disc springs circumferentially in installation position not evenly with their faces at her circular Support of the piston. The diaphragm spring thus causes peripherally different axial and radial surface pressures and deformations at your support, so that under the influence of the aforementioned deformations and relative movement an increased wear arises until finally both parts of the disc spring fall out of their support and damage the piston can.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, die erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.Of these, Based on the problem underlying the invention, the disadvantages mentioned of the prior art.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruches.Is solved the task by the features of the main claim.

Vorteilhaft wird dadurch eine zweigeteilte Tellerfeder geschaffen, deren umfangsseitig erzeugte Flächenpressung annährend gleich groß ist, wodurch eine Verringerung des Tellerfederverschleißes erzielt wird.Advantageous This creates a two-part plate spring whose circumference generated surface pressure approximately is the same size whereby a reduction of the diaphragm spring wear achieved becomes.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments The invention are the subject of the dependent claims.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigenOne embodiment The invention will be described below with reference to the drawings. It demonstrate

1 einen Kolben mit einem Kühlkanal im Halblängsschnitt, verschlossen mit einer erfindungsgemäßen zweigeteilter Tellerfeder; 1 a piston with a cooling channel in the semi-longitudinal section, closed with a two-part plate spring according to the invention;

2 eine vergrößerte Darstellung des Bildausschnits A gemäß 1; 2 an enlarged view of the Bildausschnits A according to 1 ;

3 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Tellerfeder in einer ersten Ausführungsform; 3 a plan view of the disc spring according to the invention in a first embodiment;

4 eine Seitensicht der Tellerfeder gemäß 2; 4 a side view of the diaphragm spring according to 2 ;

5 eine Draufsicht auf die Tellerfeder einer zweiten Ausführungsform; 5 a plan view of the plate spring of a second embodiment;

6 eine Draufsicht auf die Tellerfeder einer dritten Ausführungsform; 6 a plan view of the plate spring of a third embodiment;

1 zeigt einen einteilig ausgebildeten Kolben 10 für einen Verbrennungsmotor in einem aus zwei Hälften bestehenden Schnittbild, von denen die linke Hälfte einen Schnitt des Kolbens 10 entlang der Kolbenachse und die rechte Hälfte einen um 90° dazu versetzten Längsschnitt des Kolbens darstellt. 1 shows a one-piece piston 10 for an internal combustion engine in a two-half sectional view, of which the left half is a section of the piston 10 along the piston axis and the right half represents a 90 ° offset to this longitudinal section of the piston.

Der aus Stahl hergestellte Kolben 10 und weist einen Kolbenkopf mit einem Kolbenringband 7 und einen Kolbenboden 2 mit Brennraummulde 5 auf, wobei der Kolbenschaft mit am Kolbenkopf angehängten Kolbenaben 13 verbunden ist. Wie aus 2 ersichtlich, ist im Kolbenkopf auf Höhe des Kolbenringbandes 7 ein ringförmig umlaufender zu den Kolbennaben hin offener Kühlkanal 6 angeordnet, dessen radial äußere Begrenzung und radial innere Begrenzung von der an den Kolbenboden 4 angeformten Ringwand 3 und einer vom Kolbenboden ausgehender Ringrippe 4 bestimmt wird, an der die Kolbennaben 13 angehängt sind. Der Kühlkanal 6 wird mittels einer Kühlkanalabdeckung, die aus einer zweigeteilten Tellerfeder 1 – mit den Teilen 1a und 1b – besteht, verschlossen.The piston made of steel 10 and has a piston head with a piston ring band 7 and a piston bottom 2 with combustion bowl 5 on, wherein the piston skirt with attached to the piston head piston hubs 13 connected is. How out 2 can be seen, is in the piston head at the height of the piston ring band 7 an annular circumferential to the piston hub open towards cooling channel 6 arranged, the radially outer boundary and radially inner boundary of the at the piston crown 4 molded ring wall 3 and an outgoing from the piston crown annular rib 4 is determined at the piston hubs 13 are attached. The cooling channel 6 is by means of a cooling channel cover, which consists of a two-part plate spring 1 - with the parts 1a and 1b - exists, closed.

Die auf ihrem Umfang geteilte Tellerfeder 6, die mit ihren jeweiligen Stoßenden 1c und 1d einen Spalt bilden oder aneinander liegen können, liegt mit ihren äußeren Rand 8 in einem als Ausnehmung gebildeten Auflager 9 in der Stirnseite 14 der Ringwand 3 und mit ihren inneren Rand 11 an einem an der Ringrippe 4 angebrach ten als umlaufender Absatz ausgebildeten Auflager 12 unter einer axialen Vorspannung an.The plate spring split on its circumference 6 that with their respective butt ends 1c and 1d form a gap or may lie against each other, lies with their outer edge 8th in a support formed as a recess 9 in the front side 14 the ring wall 3 and with their inner edge 11 at one at the ring rib 4 mounted as a peripheral paragraph trained support 12 under an axial bias.

Zur Erzeugung einer entlang des Umfanges der Tellerfeder unterschiedlich nach radial außen wirkenden Federkraft weisen die Federteile 1a und 1b über ihren Umfang verschiedene Federhöhen H auf. Beginnend von ihrem ersten Stoßende 1c steigt die Federhöhe kontinuierlich auf einen Maximalwert an und fällt danach kontinuierlich bis zum Erreichen des zweiten Stoßendes 1d auf seinen Ausgangswert zurück. Die maximale Höhe wird ca. in der Mitte zwischen beiden Stoßenden erreicht, wie aus den 3 und 4 ersichtlich ist.To produce a along the circumference of the plate spring differently radially outwardly acting spring force, the spring parts 1a and 1b on its circumference different spring heights H. Starting from her first butt 1c the spring height increases continuously to a maximum value and then falls continuously until reaching the second butt end 1d back to its original value. The maximum height is reached approximately in the middle between both butt ends, as from the 3 and 4 is apparent.

In einer weiteren Ausführungsform gemäß 5 werden die Federteile 1a und 1b derart geformt, dass die Federbreite B2 zwischen den Stoßenden 1c und 1d ungleich der Federbreite B1 an den Stoßenden ist. Die Federhöhe ist dabei umfangsseitig gleich groß.In a further embodiment according to 5 become the spring parts 1a and 1b shaped such that the spring width B 2 between the butt ends 1c and 1d unequal to the spring width B 1 at the butt ends. The spring height is circumferentially the same size.

In einer weiteren Ausführung gemäß 6 wird zum Erreichen einer ortsabhängig unterschiedlichen Federkraft weisen die Ränder der Tellerfeder am Innendurchmesser und Außendurchmesser der Tellerfeder 1 umfangsseitig an mehreren Stellen Aussparungen 17 auf. in einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform kann die Außenkontur der Tellerfeder 1 oval geformt sein, wobei die Innenkontur kreisförmig ausgebildet ist.In a further embodiment according to 6 is to achieve a location-dependent different spring force, the edges of the plate spring on the inner diameter and outer diameter of the plate spring 1 Circumferential at several points recesses 17 on. in a further embodiment, not shown, the outer contour of the plate spring 1 be oval shaped, wherein the inner contour is circular.

Zur Montage jeder Hälfte 1a und 1b der Tellerfeder 1 wird diese an der Stirnseite 14 der Ringwand 3 mit ihrem äußeren Rand 8 von unten aufgelegt, axial nach oben gedrückt, wobei sie axial vorgespannt wird, und anschließend radial nach innen geschoben, sodass sie einerseits mit ihrem inneren Rand 11 auf dem Auflager 12 zu liegen kommt und andererseits mit ihrem äußeren Rand 8 in das Auflager 9 der Ringwand 3 einschnappt. Infolge der erfindungsgemäßen Federausführung liegt die Tellerfeder unter der axialen Vorspannung umfangsseitig mit einer annährend konstanten Flächenpressung an den Auflagern 9 und 12 an.For mounting each half 1a and 1b the plate spring 1 this will be on the front side 14 the ring wall 3 with its outer edge 8th placed from below, pressed axially upward, wherein it is biased axially, and then pushed radially inward, so that on the one hand with its inner edge 11 on the support 12 comes to rest and on the other hand with its outer edge 8th in the support 9 the ring wall 3 snaps. As a result of the spring embodiment according to the invention, the plate spring is under the axial bias circumferentially with an approximately constant surface pressure at the supports 9 and 12 at.

Die Zu- bzw. Abfuhr von Kühlöl kann auf an sich bekannter Weise dadurch erfolgen, dass entsprechende Bohrungen 15a bzw. 15b in der Tellerfeder 1 vorgesehen sind, oder die Stoßfugen der beiden Federteile 1a, 1b entsprechend groß ausgeführt werden. Als Verdrehsicherung der Tellerfederteile 1a und 1b dienen eine oder zwei Ausformungen 16, die umfangsseitig gegenüberliegend angeordnet sein können und in nicht dargestellte im Kühlkanal angeordnete Nasen eingreifen.The supply and removal of cooling oil can be done in a conventional manner characterized in that corresponding holes 15a respectively. 15b in the plate spring 1 are provided, or the butt joints of the two spring parts 1a . 1b be made correspondingly large. To prevent rotation of the disc spring parts 1a and 1b serve one or two formations 16 , which may be arranged circumferentially opposite and engage in not shown arranged in the cooling channel lugs.

11
TellerfederBelleville spring
1a1a
erstes Tellerfederteilfirst Belleville spring part
1b1b
zweites Tellerfederteilsecond Belleville spring part
1c1c
erstes Stoßende der Tellerfederfirst Thrust the plate spring
1d1d
zweites Stoßende der Tellerfedersecond Thrust the plate spring
22
Kolbenbodenpiston crown
33
Ringwandring wall
44
Ringrippeannular rib
55
BrennraummuldeCombustion bowl
66
Kühlkanalcooling channel
7a7a
KühlöleinlassCooling oil inlet
7b7b
Kühlölauslassoil outlet
88th
äußerer Tellerfederrandouter plate spring edge
99
Auflager/AusnehmungSupport / recess
1010
Kolbenpiston
1111
innerer Tellerfederrandinternal Belleville spring edge
1212
Auflager/AbsatzSupport / sales
1313
Kolbennabenpin bosses
1414
Stirnseitefront
15a, b15a, b
Kühlölein- und -auslassCooling oil and outlet
1717
Aussparungrecess
1616
Verdrehsicherungtwist
HH
TellerfederhöheDisc spring height
B1,2 B 1,2
TellerfederbreiteBelleville spring width

Claims (9)

Kühlkanalabdeckung (1) für einen Kolben (10) eines Verbrennungsmotors, mit einem im Kolbenkopf auf Höhe des Kolbenringbandes (7) ringförmig umlaufenden, in Richtung Kolbenschaft hin offenen Kühlkanal (6), der durch eine zweigeteilte, sich an im Kühlkanal angeordnete radial innere und äußere Auflager (9, 12) abstützende, kreisförmige Tellerfeder (1) abgedeckt ist, wobei der Kolbenschaft mit am Kolbenkopf angehängten Kolbennaben (13) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die kreisförmige Tellerfeder (1) derart ausgebildet ist, dass sie im entspannten Zustand umfangsseitig eine unterschiedliche ortsabhängige nach radial außen wirkende Federkraft aufweist, wodurch die Tellerfeder unter axialer Vorspannung umfangsseitig mit einer konstanten Flächenpressung an den radial inneren und äußeren im Kühlkanal angeordneten Auflagern (9, 12) anliegt.Cooling channel cover ( 1 ) for a piston ( 10 ) of an internal combustion engine, with one in the piston head at the level of the piston ring band ( 7 ) annularly circulating, in the direction of the piston skirt open towards cooling channel ( 6 ), which by a two-part, arranged in the cooling channel radially inner and outer supports ( 9 . 12 ) supporting, circular disc spring ( 1 ), wherein the piston skirt with piston bosses attached to the piston head ( 13 ), characterized in that the circular disc spring ( 1 ) is designed such that it has a different location-dependent radially outwardly acting spring force in the relaxed state circumferentially, whereby the plate spring under axial bias circumferentially with a constant surface pressure at the radially inner and outer arranged in the cooling channel supports ( 9 . 12 ) is present. Kühlkanalabdeckung für einen Kolben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Tellerfederteil (1a,b) im entspannten Zustand umfangsseitig eine derartige Federhöhe (H) aufweist, dass ein Minimum an ihrem ersten Stoßende (1c) und zweiten Stoßende (1d) erreicht ist, wobei die maximale Federhöhe (H) mittig zwischen beiden Stoßenden angeordnet ist.Cooling channel cover for a piston of an internal combustion engine according to claim 1, characterized in that each disc spring part ( 1a, b ) in the relaxed state has such a spring height (H) on the circumference that a minimum at its first butt end ( 1c ) and second butt end ( 1d ) is reached, wherein the maximum spring height (H) is arranged centrally between the two butt ends. Kühlkanalabdeckung für einen Kolben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Federhöhe zwischen seinem Minimum- Maximum- Minimum kontinuierlich steigend und fallend erfolgt.Cooling channel cover for one Piston of an internal combustion engine according to claim 2, characterized in that that the course of the spring height between its minimum-maximum minimum continuously increasing and falling. Kühlkanalabdeckung für einen Kolben (10) eines Verbrennungsmotors, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Tellerfederteil (1a, 1b) im entspannten Zustand umfangsseitig eine derartige Federbreite (B) aufweist, dass die Federbreite (B1 ) an den Stoßenden (1c, 1d) ungleich der Federbreite (B2) zwischen den Stoßenden (1c, 1d) ist.Cooling duct cover for a piston ( 10 ) of an internal combustion engine, according to claim 1, characterized in that each disc spring part ( 1a . 1b ) in the relaxed state has such a spring width (B) on the circumference that the spring width (B 1 ) at the butt ends ( 1c . 1d ) not equal to the spring width (B 2 ) between the butt ends ( 1c . 1d ). Kühlkanalabdeckung für einen Kolben (10) eines Verbrennungsmotors, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federhöhe (H) beider Tellerfederteile (1a,b) über ihren Umfang konstant ist.Cooling duct cover for a piston ( 10 ) of an internal combustion engine, according to claim 4, characterized in that the spring height (H) of both disc spring parts ( 1a, b ) is constant over its circumference. Kühlkanalabdeckung für einen Kolben (10) eines Verbrennungsmotors, nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Federhöhe (H) beider Tellerfederteile (1a, b) über ihren Umfang einen Verlauf nach Anspruch 2 aufweist.Cooling duct cover for a piston ( 10 ) of an internal combustion engine, according to claim 5, characterized in that the spring height (H) of both disc spring parts ( 1a , b) has over its circumference a course according to claim 2. Kühlkanalabdeckung für einen Kolben (10) eines Verbrennungsmotors, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfeder an seinem äußeren und inneren Umfangsrand radiale Aussparungen 17 aufweist.Cooling duct cover for a piston ( 10 ) of an internal combustion engine, according to claim 1, characterized in that the plate spring at its outer and inner peripheral edge radial recesses 17 having. Kühlkanalabdeckung für einen Kolben (10) eines Verbrennungsmotors, nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Federhöhe (H) beider Tellerfederteile (1a, 1b) über ihren Umfang konstant ist oder einen Verlauf nach Anspruch 2 aufweist.Cooling duct cover for a piston ( 10 ) of an internal combustion engine, according to claim 7, characterized in that the spring height (H) of both disc spring parts ( 1a . 1b ) is constant over its circumference or has a course according to claim 2. Kühlkanalabdeckung für einen Kolben (10) eines Verbrennungsmotors, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Tellerfeder eine oval geformte Außenkontur und eine kreisförmig ausgebildete Innenkontur aufweist.Cooling duct cover for a piston ( 10 ) of an internal combustion engine, according to claim 1, characterized in that the plate spring has an oval-shaped outer contour and a circular inner contour.
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