DE19918328A1 - Kolben für einen Motor mit innerer Verbrennung - Google Patents
Kolben für einen Motor mit innerer VerbrennungInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen hin- und hergehenden Kolben für einen Motor mit innerer Verbrennung, der einen Kolbenmantel mit einem hauptschubseitigen Mantelbereich 20 und einem nebenschubseitigen Mantelbereich 22 aufweist. Eine vorstehende Umfangsbreite des nebenschubseitigen Mantelbereichs 22 ist größer als eine vorstehende Umfangsbreite des hauptschubseitigen Mantelbereichs 20. Zusätzlich ist der Kolbenmantel derartig ausgelegt, daß die minimale Stärke bzw. Dicke des nebenschubseitigen Mantelbereichs 22 kleiner als die minimale Stärke bzw. Dicke des hauptschubseitigen Mantelbereichs 20 ist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen eines hin- und
hergehenden Kolbens bzw. Hubkolbens eines Motors mit inne
rer Verbrennung, welcher bei Fahrzeugen verwendet wird.
Bei in Fahrzeugmotoren mit innerer Verbrennung verwendeten
Hubkolben dient der Kolben während der Hin- und Her-Bewegung
des Kolbens zur Übertragung eines Verbrennungsdrucks über ei
nen Kolbenbolzen und eine Verbindungsstange auf einen Kur
belbolzen und überführt somit den Verbrennungsdruck in eine
Rotationskraft (Drehmoment) einer Motorkurbelwelle. Im Betrieb
wird der Kolbenboden oder Kolbenkopf extrem heißen Verbren
nungsgasen ausgesetzt, wohingegen der Kolbenmantel die ver
gleichsweise kalte Zylinderwand berührt. Dies führt zu einem
Temperaturgradienten vom oberen zum unteren Teil des Kolbens.
Im allgemeinen ist die Temperatur des der Verbrennungskammer
ausgesetzten Kolbenoberteils höher als die des Kolbenunter
teils. Somit gibt es einen Unterschied einer thermischen Ex
pansion vom Oberteil zum Unterteil. Zusätzlich bewegt sich der
Kolben während des Motorbetriebes bei hohen Geschwindigkeiten
auf und ab.
Von verschiedenen Motorteilen ist der Kolben immer sehr harten
bzw. schwierigen Bedingungen ausgesetzt, nämlich thermischen
Belastungen und mechanischen Belastungen. Der Kolben muß eine
zufriedenstellende Haltbarkeit aufweisen, um unter diesen har
ten Bedingungen bestehen zu können, während er seine Funktion
ausführt und sanft bzw. glatt an der Zylinderwand gleitet.
Während des Betriebes des Motors wirkt die resultierende Kraft
auf den Kolben, welche durch das Produkt des Verbren
nungsdrucks, welcher auf den Kolbenboden ausgeübt wird, und
der Trägheitskraft des hin- und hergehenden Motorteils erhal
ten wird. Bei schräggestellter Verbindungsstange ist die re
sultierende Kraft in eine Kraftkomponente, welche in Richtung
der Verbindungsstange wirkt, und eine Kraftkomponente (soge
nannter Seitenschub bzw. Seitendruck oder Hauptdruck) unter
teilt, welche in einer Schubrichtung senkrecht zur Wirkrich
tung der resultierenden Kraft wirkt. Um den Seitenschub, wel
cher auf die Zylinderwand oder die Zylinderbohrung wirkt, ver
teilend zu übertragen, ist der Kolben an beiden Seiten der
Kolbenbolzennabenbereiche mit einem Kolbenmantel gebildet. Je
größer die Umfangsbreite des Kolbenmantels ist, desto größer
ist der Kontaktflächenbereich (oder die Schubfläche) des Kol
benmantels. Mit größerer Schubfläche des Mantels kann der Sei
tenschub wirksam verteilt werden, wodurch hohe lokale Bela
stungen vermieden werden, welche auf die Zylinderwand wirken.
Je größer jedoch der Mantelflächenbereich oder die Umfangs
breite des Mantels ist, desto größer sind Reibungsverluste
während der Hin- und Her-Bewegung des Kolbens, was somit zu
einem Leistungsverlust des Motors mit innerer Verbrennung
führt.
Um diese beiden entgegengesetzten Anforderungen auszugleichen,
d. h. erhöhten Reibungsverlust und gute Verteilung des Seiten
schubs, wurden verschiedene asymmetrische Kolbenmantelstruktu
ren entwickelt und vorgeschlagen, bei denen zwei Seiten (eine
Hauptschubseite und eine Nebenschubseite) des Kolbenmantels
asymmetrisch bezüglich der Kolbenbolzennabenbereiche ausge
staltet sind. Ein derartiger leichtgewichtiger Kolben mit ei
nem asymmetrischen Mantel wurde in der japanischen Gebrauchs
muster-Anmeldung Nr. 64-3054 und im US-Patent Nr. 4,274,372
offenbart. Bei den herkömmlichen Kolbengestaltungen mit einem
asymmetrischen Mantel, wie in der japanischen Gebrauchsmuster-
Anmeldung Nr. 64-3054 und dem US-Patent Nr. 4,274,372 offen
bart, ist ein Mantelflächenbereich an der Hauptschubseite, an
welcher ein vergleichsweise großer Seitenschub wirkt, wenn
sich der Kolben während des Arbeitshubs nach unten bewegt,
derart ausgelegt, daß er größer als ein Mantelflächenbereich
einer Nebenschubseite ist, auf die ein vergleichsweise kleiner
Seitenschub wirkt, wenn sich der Kolben während des Verdich
tungshubs nach oben bewegt, so daß die Seitenschubkraft wirk
sam verteilt wird, während gleichzeitig ein Reibverlust ver
ringert wird. Wie allgemein bekannt ist, würden die Unter
schiede in der thermischen Expansion zwischen dem Zylinder und
dem Kolben während des Betriebes, welche durch Variationen der
Temperatur verursacht werden, den Sitz zwischen der Zylinder
wand und dem Kolbenmantel derart ändern, daß er entweder zu
lose oder zu fest wäre. Wenn der Sitz zu fest ist, kann ein
hoher Kontaktflächendruck zwischen der Zylinderwand und dem
Kolbenmantel infolge der thermischen Expansion auftreten, was
zu einem Verschleiß führt. Um den ungewünschten Zylinderwand
verschleiß oder Mantelverschleiß zu verringern und verschieden
Anforderungen zu erfüllen, nämlich eine erhöhte Flexibilität
des Mantels in Schubrichtung zur thermischen Expansionssteue
rung, ausreichender Haltbarkeit (bis zu einem Ausmaß, bei dem
eine bleibende Durchbiegung unter größtem Seitenschub nicht
auftritt) und geringer Möglichkeit der Deformation durch ther
mische oder mechanische Wirkungen, wird die vorher erwähnte
Kolbengestaltung mit einem asymmetrischen Mantel oft verwen
det.
In Fig. 11 ist eine Unteransicht eines Kolbens 10 mit einem
asymmetrischen Mantel gemäß dem Stand der Technik gezeigt,
welcher in der japanischen Gebrauchsmuster-Anmeldung Nr. 64-3054
offenbart ist. Wie in Fig. 11 gezeigt, weist der haupt
schubseitige Mantel 20 eine größere Bereite in Umfangsrichtung
auf, als der nebenschubseitige Mantel 22. Der Kolben 10 ist
einstückig mit zwei diametral gegenüberliegenden Verbindungs
wandbereichen 24, 24 gebildet, welche jeweils einen Seitenrand
des hauptschubseitigen Mantels 20 und einen Seitenrand des ne
benschubseitigen Mantels 22 über den damit verbundenen Kolben
bolzennabenbereich 18 verbinden. Jeder der Verbindungswandbe
reiche 24, 24 ist in einer im wesentlichen kreisbogenförmigen
Form gebildet, so daß jeder Verbindungswandbereich sich radial
nach außen erstreckt. Der Kurvenradius R jedes der Verbin
dungswandbereiche 24, 24 ist derart ausgelegt, daß er größer
als der Radius des Kolbens 10 ist. Zusätzlich ist der Kurven
mittelpunkt C jedes der Verbindungswandbereiche 24, 24 etwas
zur Hauptschubseite versetzt (vgl. die in Fig. 11 dargestellte
Exzentrizität E). Mit den Verbindungswandbereichen 24 und 24,
welche sich als Ganzes radial nach außen erstrecken, kann die
Steifigkeit des Kolbens (in radialer Richtung) verringert wer
den. Daher kann, selbst wenn sich der Kolben in einem Festsitz
zwischen der Seitenwand und der Zylinderwand befindet, die
Seitenwand des Kolbens sich wirksam infolge der ausreichenden
Flexibilität jedes der Verbindungswandbereiche 24, 24 wölben,
wodurch verhindert wird, daß der Kontaktflächendruck zwischen
der Zylinderwand und der Kolbenmantelfläche übermäßig an
steigt. Dies verringert ungewünschten Zylinderwandverschleiß
oder Mantelverschleiß. In Fig. 11 bezeichnet das Bezugszeichen
14 einen Kolbenbodenbereich und das Bezugszeichen 26 bezeich
net einen Versteifungsrippenbereich. Jedoch ist bei dem vorher
beschriebenen Kolbenmantelaufbau der Winkel am Schnittpunkt
zwischen dem nebenschubseitigen Mantel 22 und jedem der Ver
bindungswandbereiche 24, 24 ein stumpfer Winkel. Des weiteren
ist im Vergleich mit dem hauptschubseitigen Mantel 20 die
Breite in Umfangsrichtung des nebenschubseitigen Mantels 22
kurz. Somit bleibt die Steifigkeit des nebenschubseitigen Man
tels 22 hoch. Andererseits tragen beide radial nach außen ge
richteten Verbindungswandbereiche 24 und 24 zur Verringerung
der Haltbarkeit in Radialrichtung des Kolbens bei. Die Kolben
bolzennabenbereiche 18, 18 sind im Mittelbereich der jeweili
gen Verbindungswandbereiche 24, 24 angeordnet. Jeder der Bol
zennabenbereiche weist eine vergleichsweise hohe Steifigkeit
auf. Es ist daher nicht möglich, eine ausreichende Durchbie
gung bzw. Wölbung der Verbindungswandbereiche herbeizuführen.
Reibungswiderstand, welcher am Kolben auftritt, ist allgemein
unterteilt in (i) eine Reibungskraft, welche zwischen der Zy
linderwand und der hauptschubseitigen Mantelfläche bei Ex
pansion oder beim Arbeitshub erzeugt wird, welche durch eine
relativ große Schubkraft verursacht wird, die infolge des Ver
brennungsdrucks auftritt, und (ii) eine Reibungskraft, welche
zwischen Lagerflächen der Zylinderwand und des Kolbens während
des Ansaug-, Verdichtungs- und Ausstoßhubs erzeugt wird, wel
che durch eine Trägheitskraft der hin- und herbewegten Teile
und thermischer Expansion mit geringer Wirkung des Verbren
nungsdrucks oder ohne bereitstellende Wirkung des Ver
brennungsdrucks verursacht wird. Insbesondere wird der Motor
betrieb durch den auf den Kolben bei vergleichsweise geringen
Motordrehzahlen ausgeübten Reibwiderstand in großer Weise be
einflußt, und somit ist die Größenordnung der Schubkraft, wel
che sich von der Trägheitskraft basierend auf der Hin- und
Her-Bewegung des Kolbens ergibt, unwesentlich im Vergleich mit
der Größenordnung der Schubkraft, welche während des Arbeits
hubs auftritt. Der größte Teil des Reibwiderstands, welcher
sich am Kolben während des Ansaug-, Verdichtungs- und Ausstoß
hubs ergibt, kann als eine Reibkraft angesehen werden, welche
zwischen Lagerflächen der Zylinderwand und des Kolbens infolge
thermischer Expansion erzeugt wird.
Durch verschiedene Studien und Untersuchungen haben die Erfin
der der vorliegenden Erfindung analysiert, daß der Gleitwider
stand des Kolbens infolge von Reibwiderstand zwischen Lager
flächen der Zylinderwand und des Kolbenmantels auftritt und
zusätzlich der Reibwiderstand oder die Reibkraft als ein Äqui
valent zu Scherbelastungen oder Scherkräften betrachtet werden
kann, welche in Schmieröl existieren, das viskosem Scheren
ausgesetzt wird, und zwischen der Zylinderwand und dem Kolben
mantel vorherrscht, wenn die Seitenschubkraft in Schubrichtung
senkrecht zur Kolbenbolzenrichtung wirkt. Um den Reibwider
stand wirksam zu verringern, ist es wünschenswert, ein Mittel
zur Verringerung einer Normalkomponente der Reaktion der Druck
empfangenden Gleitfläche der Kolbenseitenwand (oder der Kol
benmantelfläche), mit anderen Worten eine Seitenschubkraft,
bereitzustellen und ebenfalls ein Mittel zur Verringerung des
Flächenbereichs der Druck empfangenden Gleitfläche des Kolben
mantels für einen verringerten Reibungskoeffizienten bereitzu
stellen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Kolben für ei
nen Motor mit innerer Verbrennung zu schaffen, welcher die
vorher erwähnten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Diese Aufgabe wird durch einen Kolben mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegen
stand der Unteransprüche.
Vorteilhaft ist der Kolben für einen Motor mit innerer Ver
brennung in der Lage, die Reibkräfte während der vier Hübe des
Motors zu verringern, den Kraftstoffverbrauch zu verringern
und die Motorleistung zu verbessern, indem ein Reibungskoeffi
zient zwischen der Zylinderwand und dem Kolben (d. h. einem
verringerten, Druck aufnehmenden Gleitflächenbereich des Kol
benmantels) aus der Sichtweise eines Reibungswiderstands (oder
eines vergleichsweise großen Seitenschubs) verringert wird,
welcher sich an der Hauptschubseite beim Arbeitshub ergibt,
und indem eine Reibungskraft verringert wird, welche sich zwi
schen Lagerflächen der Zylinderwand und dem Kolbenmantel in
folge thermischer Expansion bzw. Volumenausdehnung aus der
Sichtweise eines Reibungswiderstands ergibt, welcher sich an
der Hauptschubseite und an der Nebenschubseite beim Ansaug-,
Verdichtungs- und Ausstoßhub ergibt.
Erfindungsgemäß umfaßt somit ein Kolben für einen Motor mit
innerer Verbrennung einen Kolbenbodenbereich und ein Paar von
Kolbenbolzennabenbereichen, welche jeweils einstückig mit dem
Kolbenbodenbereich gebildet sind und eine Kolbenbolzenöffnung
aufweisen. Weiter umfaßt der Kolben einen Kolbenmantel, wel
cher in der Lage ist, sich im Gleitkontakt mit einer Zylinder
wand zu befinden und einen hauptschubseitigen Mantelbereich
und einen neben- bzw. gegenschubseitigen Mantelbereich auf
weist, und eine Vielzahl von netzförmigen Schürzenbereichen,
die jeweils einen Seitenrand eines hauptschubseitigen Mantel
bereichs und eines nebenschubseitigen Mantelbereichs und einen
der Kolbenbolzennabenbereiche verbinden. Dabei ist eine vor
stehende Breite in Umfangsrichtung bzw. Umfangsbreite des ne
benschubseitigen Mantelbereichs größer als eine vorstehende
Breite in Umfangsrichtung des hauptschubseitigen Mantel
bereichs und eine minimale Dicke des nebenschubseitigen Man
telbereichs ist kleiner als eine minimale Dicke des haupt
schubseitigen Mantelbereichs.
Vorzugsweise ist der nebenschubseitige Mantelbereich derart
ausgelegt, daß er eine Ungleichung W/D ≧ 30,8 × (T/D) + 0,15
erfüllt, wobei W die vorstehende Breite in Umfangsrichtung des
nebenschubseitigen Mantelbereichs bezeichnet, D eine Zylinder
bohrung bezeichnet und T die minimale Dicke des nebenschub
seitigen Mantelbereichs bezeichnet.
Vorteilhaft können jeder der hauptschubseitigen Mantelbereiche
und der nebenschubseitigen Mantelbereiche ein Paar Verstei
fungsrippenbereiche aufweisen, welche einstückig an einer In
nenwand von ihnen gebildet sind, und welche kontinuierlich mit
damit verbundenen, netzartigen Schürzenbereichen der Vielzahl
der Schürzenbereiche verlaufen. Das Paar der Versteifungsrip
penbereiche ist voneinander durch eine vorbestimmte, vorste
hende Breite in Umfangsrichtung in einer Richtung parallel zu
einer Axiallinie der Kolbenbolzenöffnung beabstandet.
Bevorzugt ist das Paar der Versteifungsrippenbereiche des ne
benschubseitigen Mantelbereichs bezüglich der Axiallinie der
Kolbenbolzenöffnung an einem niederen Niveau angeordnet als
das Paar der Versteifungsrippenbereiche des hauptschubseitigen
Mantelbereichs und die vorbestimmte Breite in Umfangsrichtung
zwischen dem Paar der Versteifungsrippenbereiche des neben
schubseitigen Mantelbereichs ist größer als die vorbestimmte
Breite in Umfangsrichtung zwischen dem Paar der Ver
steifungsrippenbereiche des hauptschubseitigen Mantelbereichs.
Vorzugsweise weist jedes Paar der Versteifungsrippenbereiche
des hauptschubseitigen Mantelbereichs und des Paars der Ver
steifungsrippenbereiche des nebenschubseitigen Mantelbereichs
eine im Querschnitt in Axialrichtung des Kolbens im wesent
lichen trapez- bzw. trapezoidförmige Form auf und eine Dicke
jedes des Paars der Versteifungsrippenbereiche des hauptschub
seitigen Mantelbereichs und des Paars der Versteifungsrippen
bereiche des nebenschubseitigen Mantelbereichs verringert sich
allmählich bzw. nach und nach in Richtung ihres innersten En
des in einer Umfangsrichtung des Kolbens.
Weiter kann der Kolben einen Schlitz aufweisen, welcher im
hinteren Bereich einer untersten Kolbenringnut der Vielzahl
der Kolbenringnuten gebildet ist und an einer Seite des Kol
bens entsprechend dem nebenschubseitigen Mantelbereich ange
ordnet ist, so daß der Schlitz eine Seitenwand des Kolbens
durchdringt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Er
findung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der
Zeichnung ist:
Fig. 1 eine Unteransicht, welche ein erstes Ausführungs
beispiel eines Kolbens für einen Motor mit innerer
Verbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ein Längsquerschnitt des Kolbens des in Fig. 1 gezeig
ten ersten Ausführungsbeispiels;
Fig. 3 eine Unteransicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines Kolbens für einen Motor mit innerer Verbrennung
gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein Längsquerschnitt des Kolbens des in Fig. 3 darge
stellten zweiten Ausführungsbeispiels;
Fig. 5 ein seitlicher Querschnitt entlang der Linie A-A in
Fig. 4;
Fig. 6A eine Innenansicht des Kolbens entlang der Richtung des
Pfeils B in Fig. 5;
Fig. 6B eine Innenansicht des Kolbens entlang der Richtung des
Pfeils C in Fig. 5;
Fig. 7A eine Seitenansicht des Kolbens des zweiten Ausfüh
rungsbeispiels aus Sicht der Hauptschubseite;
Fig. 7B eine Seitenansicht des Kolbens des zweiten Ausfüh
rungsbeispiels aus Sicht der Nebenschubseite;
Fig. 8 eine Seitenansicht eines Kolbens eines dritten Ausfüh
rungsbeispiels;
Fig. 9 eine erläuternde Ansicht, welche das Verhalten des
Kolbens gemäß der vorliegenden Erfindung beim Lei
stungshub zeigt;
Fig. 10 eine erläuternde Ansicht, welche das Verhalten des
Kolbens der vorliegenden Erfindung beim Ansaug-, Ver
dichtungs- und Ausstoßhub zeigt; und
Fig. 11 eine Unteransicht eines Kolbens mit einem asymmetri
schen Mantelaufbau gemäß dem Stand der Technik.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen und insbesondere auf die Fig.
1 und 2 ist ein Kolben 10 des ersten Ausführungsbeispiels ge
zeigt, welcher in einer im wesentlichen umgekehrten becher
förmigen Form gebildet ist. Der Kolben 10 des ersten Ausfüh
rungsbeispiels umfaßt einen Kolbenbodenbereich oder einen Kol
benkopfbereich 14, welcher eine obere Fläche des Kolbens bil
det, ein Paar von Kolbenbolzennabenbereichen 18, 18, einen
hauptschubseitigen Mantelbereich 20, einen nebenschubseitigen
Mantelbereich 22 und netzförmige Schürzenbereiche 24a und 24b.
Die Kolbenbolzennabenbereiche 18, 18 sind an der Unterseite
des Kolbenbodenbereichs 14 angeordnet und einstückig mit dem
Kolbenbodenbereich gebildet, so daß die Bolzennabenbereiche
18, 18 voneinander in Axialrichtung eines Kolbenbolzens (nicht
gezeigt) beabstandet sind. Jeder der Kolbenbolzennabenbereiche
18, 18 weist eine Kolbenbolzenbohrung oder eine Kolbenbolzen
öffnung 16 auf, in welche der Kolbenbolzen lose eingepaßt ist.
Der hauptschubseitige Mantelbereich 20 und der nebenschub
seitige Mantelbereich 22 sind einstückig mit dem Kolbenboden
bereich 14 gebildet, so daß sich der hauptschubseitige Mantel
bereich 20 und der nebenschubseitige Mantelbereich 22 einander
in Schubrichtung senkrecht zur Kolbenbolzenrichtung gegenüber
liegen. Beide Seitenränder des hauptschubseitigen Mantel
bereichs 20 sind durch die Kolbenbolzennabenbereiche 18, 18
über die netzförmigen Schürzenbereiche 24a verlängert, wohin
gegen beide Seitenränder des nebenschubseitigen Mantelbereichs
22 durch die Kolbenbolzennabenbereiche 18, 18 über die netz
förmigen Schürzenbereiche 24b verlängert sind.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Kolbenbodenbereich
14, die Kolbenbolzennabenbereiche 18, 18, der hauptschubseiti
ge Mantelbereich 20, der nebenschubseitige Mantelbereich 22
und die Vielzahl der netzförmigen Schürzenbereiche 24a und 24b
einstückig mittels metallischem Formen oder Gesenkformen her
gestellt. Der hauptschubseitige Mantelbereich 20 und der ne
benschubseitige Mantelbereich 22 weisen jeweils eine im we
sentlichen gleiche Biegung wie der Außenumfang des Kolbenkopfs
14 (oder die Seitenwand des oberen Bereichs des Kolbens) auf.
Das heißt, der hauptschubseitige Mantelbereich 20 und der ne
benschubseitige Mantelbereich 22 ist jeweils in einer ovalför
migen Form mit einer vorbestimmten Unrundheit bzw. Ovalform
gebildet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Dicke T des nebenschub
seitigen Mantelbereichs 22 derart dimensioniert, daß sie dün
ner als die Dicke S des hauptschubseitigen Mantelbereichs 20
ist, und daß die Umfangsbreite W des nebenschubseitigen Man
telbereichs 22 derart dimensioniert ist, daß sie größer als
die Umfangsbreite V des hauptschubseitigen Mantelbereichs 20
ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Dimensionsbezie
hung des nebenschubseitigen Mantelbereichs 22, insbesondere
die Beziehung zwischen einem Verhältnis W/D und einem Verhält
nis T/D, durch die nachfolgende Ungleichung (1) definiert:
W/D ≧ 30,8 × (T/D) + 0,15 (1),
wobei W eine vorstehende Umfangsbreite des nebenschubseitigen
Mantelbereichs 22 ist, D eine Zylinderbohrung ist und T die
minimale Wandstärke des nebenschubseitigen Mantelbereichs 22
ist.
Andererseits sind die Umfangsbreite V und die Dicke S des
hauptschubseitigen Mantelbereichs 20 derart bestimmt oder
festgelegt, daß eine übermäßige Deformation des hauptschub
seitigen Mantelbereichs 20 niemals auftritt, wenn eine große
Schubkraft auf die Hauptschubfläche infolge einer Verbren
nungsdruckbelastung, welche während des Arbeitshubs (oder des
Expansionshubs) erzeugt wird, wie in Fig. 9 gezeigt. Wie oben
beschrieben ist der hauptschubseitige Mantelbereich 20 so ge
bildet, daß er vergleichsweise dick (in der Wandstärke) und
schmal (in der Umfangsbreite) ist, wodurch eine übermäßige
Vergrößerung des Druck aufnehmenden Gleitflächenbereichs des
hauptschubseitigen Mantelbereichs 20 gegen die Zylinderwand
oder die Zylinderbohrung 11 verhindert wird. Der den verrin
gernden Druck aufnehmende Gleitflächenbereich des hauptschub
seitigen Mantelbereichs 20 ermöglicht, daß ein Ölfilm zwischen
der Zylinderwand und der Mantelfläche des hauptschubseitigen
Mantelbereichs 20 aufgebaut wird und in einer vorbestimmten
Filmdicke aufrecht erhalten wird. Mit anderen Worten sind die
Form und die Dimensionen (die vergleichsweise verringerte vor
stehende Umfangsbreite V und die vergleichsweise vergrößerte
Dicke S) des hauptschubseitigen Mantelbereichs 20 derart be
stimmt, daß ein hydrodynamischer Ölfilm zwischen der Zylin
derwand und der Mantelfläche des hauptschubseitigen Mantel
bereichs 20 aufrecht erhalten wird, und das Auftreten einer
Rand- bzw. Grenzschmierung verhindert wird (welche einer
Schmierbedingung, nämlich einer Kombination eines Metall-zu-
Metall-Flächenkontakts und einer Schmierölfilmscherung ent
spricht). Der oben beschriebene Aufbau des hauptschubseitigen
Mantelbereichs 20 trägt zu einer Verringerung des Reibungswi
derstands bei.
Im Vergleich mit dem hauptschubseitigen Mantelbereich 20 ist
die vorstehende Umfangsbreite W des nebenschubseitigen Mantel
bereichs 22 derart dimensioniert, daß sie etwas breiter ist,
und zusätzlich ist die Wandstärke T des nebenschubseitigen
Mantelbereichs 22 derart dimensioniert, daß sie etwas dünner
ist. Das heißt, die Steifigkeit des nebenschubseitigen Mantel
bereichs 22 ist mit Absicht verringert, um eine größere Flexi
bilität bereitzustellen. Wie deutlich in Fig. 10 gezeigt,
tritt die Reaktion (der Nebenschub bzw. der geringere Schub)
der Druck empfangenden Gleitfläche des nebenschubseitigen Man
telbereichs 22, welcher an der Zylinderwand oder der Zylinder
bohrung 11 anlagert, während des Einlaß-, Verdichtungs- und
Auslaßhubs auf. Die Eingangsquelle bzw. der Ursprung des Ne
benschubs ist eine Schubkraft, welche aus einer Trägheitskraft
des hin- und hergehenden Kolbens und des Kolbenbolzens und ei
ner Schubkraft resultiert, welche aus der thermischen Expansi
on des Kolbenmantelbereichs resultiert. Wie oben beschrieben
bildet aus den vorher erwähnten zwei Arten von Schubkräften
die letztere Schubkraft (welche infolge der thermischen Expan
sion auftritt) eine große Mehrheit des Reibwiderstands, wel
cher sich auf den Kolben während des Ansaug-, Verdichtungs- und
Ausstoßhubs ergibt. Durch die vorhandene Erhöhung einer
Schubkraft, welche infolge der thermischen Expansion des Kol
benmantelbereichs auftritt, ist es möglich, ein übermäßiges
Ansteigen der Schubkraft, welche sich auf den nebenschubseiti
gen Mantelbereich 22 ergibt, mittels einer leichten Deforma
tion des nebenschubseitigen Mantelbereichs 22 einer in richti
ger Weise verringerten Steifigkeit (d. h. einer in richtiger
Weise vergrößerten Flexibilität) zu verhindern oder zu unter
drücken.
Die Tatsache, daß die Schubkraft, welche infolge der thermi
schen Expansion auftritt, den größeren Teil des Reib
widerstands bildet, welcher sich am Kolben während des An
saug-, Verdichtungs- und Ausstoßhubs ergibt, kann durch die
Tatsachen erhärtet werden, daß eine Schubkraftkomponente, ent
stehend aus der Trägheitskraft basierend auf dem hin- und her
bewegten Kolben und dem Kolbenbolzen innerhalb eines prakti
schen Motordrehzahlbereichs (geringen Motordrehzahlbereichs)
unwesentlich klein ist, wobei der sich am Kolben ergebende
Reibwiderstand in Betracht gezogen werden muß, und daß die Re
aktion des Ölfilms bei einem Kurbelwinkel von ungefähr 90°
nach dem oberen Totpunkt (T.D.C. (top dead center)) maximal
wird, d. h. zu einem Zeitpunkt, an dem die Kolbengeschwindig
keit (eine Geschwindigkeit der Hin- und Her-Bewegung des Kol
bens) maximal wird (siehe Fig. 10). Dies ist deshalb so, da
die Scherkraft, welche im Schmieröl existiert, das einem vis
kosem Scheren unterliegt und zwischen der Zylinderwand und dem
Kolbenmantel vorherrscht, maximal wird, wenn die Geschwindig
keit des hin- und hergehenden Kolbens maximal wird, unter der
Annahme, daß eine Last, welche auf die Druck empfangende
Gleitfläche der Kolbenmantelfläche wirkt, auf einen konstanten
Wert fixiert ist, und somit die Reibkraft notwendigerweise zum
Zeitpunkt der maximalen Geschwindigkeit des gleitenden Kolbens
maximal wird. Je kleiner die Schubkraft ist (oder die Seiten
schubkraft) desto kleiner ist die sich auf den Kolben erge
bende Reibkraft, da der Reibwiderstand oder die Reibkraft des
Kolbens im wesentlichen durch Multiplikation der Schubkraft
mit einem Reibungskoeffizienten erhalten wird.
Mit dem Kolbenmantelaufbau dieses Ausführungsbeispiels ist es
vorteilhaft, die Reibkraft oder den Reibwiderstand zu verrin
gern, welcher sich auf den Kolben ergibt, indem das Ansteigen
der Seitenschubkraft, welche durch thermische Expansion des
Kolbens beim Einlaß-, Verdichtungs- und Ausstoßhub erzeugt
wird, mittels einer in richtiger Weise verringerten Steifig
keit des nebenschubseitigen Mantelbereichs 22 unterdrückt
wird, da die in richtiger Weise erhöhte Flexibilität des ne
benschubseitigen Mantelbereichs 22 eine glatte bzw. sanfte
Hin- und Her-Bewegung des Kolbens ermöglicht, wie auch eine
ausreichende Expansionssteuerung des unteren Bereichs des Kol
bens. Die Deformierbarkeit des nebenschubseitigen Mantelbe
reichs 22 wird abhängig von der Wandstärke T des Mantelbe
reichs 22, der Umfangsbreite des Mantelbereichs 22, welche
sich von einem der netzförmigen Schürzenbereiche 24b zum ande
ren erstreckt, und der Axiallänge des Mantelbereichs 22 be
stimmt. Von diesen Faktoren, nämlich der Wandstärke T, der Um
fangsbreite und der Axiallänge ist das Ansteigen der Axiallän
ge des Mantelbereichs wirksam, um die sich auf den Kolben er
gebende Reibkraft zu verringern.
Eine übermäßige Verringerung der Axiallänge des Mantelbereichs
zerstört jedoch das Verhalten oder die Hin- und Her-Bewegung
des Kolbens während des Motorbetriebes. Tatsächlich ist eine
übermäßig verringerte Axiallänge des Mantelbereichs unvorteil
haft oder nicht wünschenswert, um eine Verringerung des Kol
benschlaggeräuschs zu erreichen. Daher muß die Axiallänge des
Mantelbereichs auf eine richtige Axiallänge ausgehend von ei
ner Kolbenschlaggeräusch-Verringerungsperformance festgelegt
werden. Bei der Sicherstellung einer zufriedenstellenden De
formierbarkeit des nebenschubseitigen Mantelbereichs 22 wird,
wenn sowohl auf die Wanddicke als auch die Umfangsbreite des
Mantelbereichs abgestellt wird, je dünner die Wandstärke des
Mantelbereichs wird, desto einfacher ist der Mantelbereich de
formierbar oder wölbbar. Auch ist es nicht möglich, die Dicke
bzw. Stärke des Mantelbereichs unter eine untere Grenze zu
verringern, welche durch die vorhandenen Herstellungstechniken
im Falle eines großen Kolbendurchmessers bestimmt oder be
schränkt werden. Andererseits dient der netzförmige Schürzen
bereich als ein Stützbereich zum Abstützen des Mantelbereichs,
wenn eine Last auf den Mantelbereich ausgeübt wird, und somit
müssen die Schürzenbereiche dickwandig ausgestaltet sein, um
einen Mantelstützbereich mit einer ausreichenden mechanischen
Stärke bereitzustellen. Hinsichtlich der Dicke des Mantelbe
reichs ist ein tatsächlicher Abschnitt, an welchem der Mantel
bereich 22 dünnwandig ausgebildet sein kann, durch die Schür
zenbereiche 24b beschränkt. Aus den obigen Gründen ist es bei
einer Verringerung der Steifigkeit des Mantelbereichs notwen
dig, eine vorbestimmte Mantelbreite (oder eine vorbestimmte
Umfangsbreite des Mantelbereichs 22) vorzusehen und sicherzu
stellen.
In Übereinstimmung mit Meßergebnissen der Reibkräfte während
des Motorlaufs ist während des Entzündens eines Luft-Brenn
stoffgemisches der Verringerungseffekt der Reibkraft sehr
klein, wenn die Steifigkeit des nebenschubseitigen Mantel
bereichs 22 auf einen kleinen Grad verringert ist, was von den
Erfindern der vorliegenden Erfindung experimentell abgesichert
wurde. Die Erfinder haben jedoch herausgefunden, daß es
möglich ist, einen beachtlichen Verringerungseffekt der Reib
kraft zu erhalten, wenn die Steifigkeit des nebenschubseitigen
Mantelbereichs 22 auf ein Niveau fällt bzw. verringert wird,
welches durch die vorher beschriebene Ungleichung (1) defi
niert ist, welche für die spezifische Dimensionsbeziehung des
nebenschubseitigen Mantelbereichs 22 bezeichnend ist.
In den Fig. 3, 4, 5, 6A, 6B, 7A und 7B ist ein zweites Ausfüh
rungsbeispiel eines Kolbens gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Der Kolben des zweiten Ausführungsbeispiels in
den Fig. 3 bis 7B ist ähnlich zu dem Kolben des ersten Ausfüh
rungsbeispiels in den Fig. 1 und 2, mit Ausnahme, daß Verstei
fungsrippenbereiche oder Verstärkungsrippenbereiche 25 und 26
zusätzlich an den inneren Umfangswandflächen der jeweiligen
Mantelbereiche 20 und 22 vorgesehen sind. Daher werden die
gleichen Bezugszeichen, welche zur Bezeichnung von Elementen
im Kolben des ersten Ausführungsbeispiels in den Fig. 1 und 2
verwendet wurden, auf die entsprechenden Elemente im zweiten
Ausführungsbeispiel in Fig. 3 bis 7B verwendet, um eine Ver
gleichbarkeit der ersten und zweiten Ausführungsbeispiele zu
gewährleisten.
Beim Kolben des zweiten Ausführungsbeispiels ist ein Paar von
hauptschubseitigen Versteifungsrippenbereichen 25, 25 ein
stückig an der inneren Umfangswand des hauptschubseitigen Man
telbereichs 20 derart gebildet, daß die relativ dickwandigen
Enden der hauptschubseitigen Versteifungsrippenbereiche 25, 25
mit den jeweiligen netzförmigen Schürzenbereichen 24a, 24a
kontinuierlich bzw. ineinander übergehend gebildet sind. In
gleicher Weise ist ein Paar von nebenschubseitigen Verstei
fungsrippenbereichen 26, 26 einstückig an der inneren Umfangs
wand des nebenschubseitigen Mantelbereichs 22 derart gebildet,
daß die relativ dickwandigen Enden der nebenschubseitigen Ver
steifungsrippenbereiche 26, 26 kontinuierlich mit den jeweili
gen netzförmigen Schürzenbereichen 24b, 24b gebildet sind. Die
beiden hauptschubseitigen Versteifungsrippenbereiche 25, 25
sind voneinander durch einen vorbestimmten, vorstehenden Um
fangsabstand oder eine Breite P in einer Richtung parallel zu
einer Axiallinie Z der Kolbenbolzenöffnung 16 beabstandet. Da
gegen sind die beiden nebenschubseitigen Versteifungsrippenbe
reiche 26, 26 voneinander durch einen vorbestimmten, vorste
henden Umfangsabstand oder eine Breite Q in einer Richtung
parallel zur Axiallinie Z der Kolbenbolzenöffnung 16 beabstan
det. Zusätzlich sind die beiden nebenschubseitigen Verstei
fungsrippenbereiche 25, 25 bezüglich einer Ebene XY, welche
die Axiallinie X des Kolbens und die Linie Y, welche senkrecht
zur Axiallinie Z der Kolbenbolzenöffnung 16 ist, beinhaltet,
symmetrisch ausgebildet (siehe Fig. 3, 5, 6A und 6B).
In Fig. 4 bezeichnet Y1 eine Mittellinie jedes hauptschub
seitigen Versteifungsrippenbereichs 25, 25 in Umfangsrichtung,
während Y2 eine Mittellinie jedes nebenschubseitigen Verstei
fungsrippenbereichs 26, 26 bezeichnet. Wie in Fig. 4 gezeigt,
sind die nebenschubseitigen Versteifungsrippenbereiche 26, 26
auf einem niedereren Niveau angeordnet als die hauptschub
seitigen Versteifungsrippenbereiche 25, 25 bezüglich der
Axiallinie Z der Kolbenbolzenöffnung 16 (vgl. den Unterschied
der Niveaus der beiden Linien Y1 und Y2, wie in Fig. 4 ge
zeigt).
Des weiteren sind beim Kolbenaufbau des zweiten Ausführungs
beispiels die nebenschubseitigen Versteifungsrippenbereiche
25, 25 und die hauptschubseitigen Versteifungsrippenbereiche
26, 26 derart ausgelegt, daß der Umfangsabstand Q zwischen den
nebenschubseitigen Versteifungsrippenbereichen 26, 26 größer
als der Umfangsabstand P zwischen den hauptschubseitigen Ver
steifungsrippenbereichen 25, 25 ist. Jeder der Versteifungs
rippenbereiche 25 und 26 weist eine im Längsquerschnitt ent
lang der Axialrichtung des Kolbens 10 im wesentlichen trape
zoidförmige Form auf. Die flache obere Fläche (entsprechend
einer oberen Basis des Trapezoiden) des hauptschubseitigen
Versteifungsrippenbereichs 25 ist derart ausgelegt, daß die
Dicke der flachen oberen Fläche sich nach und nach in Richtung
des innersten Endes 25a des hauptschubseitigen Versteifungs
rippenbereichs 25 verringert. Das innerste Ende 25a jedes
hauptschubseitigen Versteifungsrippenbereichs 25, 25 ist in
einer kreisbogenförmigen Form gebildet und mit der Innenwand
fläche des hauptschubseitigen Mantelbereichs 20 in einer glat
ten kontinuierlichen Weise verbunden. In gleicher Weise ist
die flache obere Fläche des nebenschubseitigen Versteifungs
rippenbereichs 26 derart ausgelegt, daß die Dicke der flachen
oberen Fläche sich nach und nach in Richtung des innersten En
des 26a des nebenschubseitigen Versteifungsrippenbereichs 26
verringert. Das innerste Ende 26a jedes nebenschubseitigen
Versteifungsrippenbereichs 26, 26 ist in einer kreisbogenför
migen Form gebildet und mit der Innenwand des nebenschubseiti
gen Mantelbereichs 22 in glatter, kontinuierlicher Weise ver
bunden.
Bei dem vorher erläuterten Kolbenaufbau gemäß dem zweiten Aus
führungsbeispiel ist, betreffend den hauptschubseitigen Man
telbereich 20, welcher eine vergleichsweise hohe Steifigkeit
benötigt, der hauptschubseitigen Versteifungsrippenbereich 25
an einem niedereren Niveau angeordnet als die Ebene YZ, welche
die Axiallinie Z der Kolbenbolzenöffnung 16 und die Linie Y,
welche senkrecht zur Axiallinie Z ist, beinhaltet, und an ei
nem höheren Niveau angeordnet als der nebenschubseitige Ver
steifungsrippenbereich 26. Somit ist die Steifigkeit eines
Teils des hauptschubseitigen Mantelbereichs 20 nahe der Ebene
YZ relativ verstärkt, wodurch unerwünschte Deformation oder
Wölbung des hauptschubseitigen Mantelbereichs 20 verhindert
wird. Dies verhindert wirksam eine übermäßige Verlängerung des
Druck empfangenden Gleitflächenbereichs des hauptschubseitigen
Mantelbereichs 20 während des Motorbetriebes. Andererseits,
betreffend die nebenschubseitige Mantelfläche 22, welche eine
vergleichsweise geringe Steifigkeit benötigt, ist der neben
schubseitige Versteifungsrippenbereich 26 an einem niedereren
Niveau als die Ebene YZ angeordnet und an einem niedereren Ni
veau als der hauptschubseitige Versteifungsrippenbereich 25
angeordnet. Überdies sind die innersten Enden 26a, 26a der ne
benschubseitigen Versteifungsrippenbereiche 26, 26 voneinander
um den Umfangsabstand Q beabstandet, welcher größer als der
Umfangsabstand P zwischen den innersten Enden 25a, 25a der
hauptschubseitigen Versteifungsrippenbereiche 25, 25 ist. Da
her ist der Mantelbereich der minimalen Wandstärke T in brei
tem Umfang unterhalb der Ebene YZ vorhanden (insbesondere in
einer etwas tieferen Zone als im Vergleich mit der Ebene YZ,
welche die Axiallinie Z der Kolbenbolzenöffnung 16 enthält)
und somit ist die Steifigkeit eines Teils des neben
schubseitigen Mantelbereichs 22 nahe der Ebene YZ relativ ver
ringert. Dies stellt eine ausreichende Deformation oder einfa
che Wölbung des nebenschubseitigen Mantelbereichs 22 während
des Motorbetriebes (oder der Hin- und Her-Bewegung des Kol
bens) sicher.
Wie in Fig. 10 gezeigt, ist ein Punkt der maximalen Reaktion
bzw. Rückwirkung des Schmierölfilms, welche infolge der ther
mischen Expansion auftritt, in einer leicht tieferen Position
oder Zone als die Ebene YZ vorhanden, welche die Axiallinie Z
der Kolbenbolzenöffnung 16 enthält. Wie oben beschrieben ist
die in richtiger Weise verringerte Steifigkeit (oder die in
geeigneter Weise erhöhte Flexibilität) des nebenschubseitigen
Mantelbereichs 22 sehr wirksam, um das Ansteigen einer seitli
chen Schubkraft, welche sich am nebenschubseitigen Mantel
bereich 22 ergibt, zu unterdrücken.
In Fig. 8 ist ein drittes Ausführungsbeispiels eines Kolbens
gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Zusätzlich zu
dem beschriebenen Kolbenaufbau der ersten und zweiten Ausfüh
rungsbeispiele umfaßt der Kolben des dritten Ausführungs
beispiels weiter einen Schlitz 14b (oder eine Aussparung). Wie
in Fig. 8 gezeigt, weist der Kolben 10 eine Vielzahl von Kol
benringnuten auf. Der Schlitz 14b ist an der Rückseite oder am
Boden der untersten Kolbenringnut 14a der Vielzahl der Kolben
ringnuten gebildet, welche in der Umgebung des Kolbenbodenbe
reichs 14 des Kolbens 10 gebildet sind, und an einer Seite des
Kolbens entsprechend dem nebenschubseitigen Mantelbereich 22
angeordnet. Das Vorsehen des Schlitzes 14b, welcher die Sei
tenwand des Kolbens durchdringt, ist wirksam, um die Steifig
keit des nebenschubseitigen Mantelbereichs 22 weiter zu ver
ringern, mit anderen Worten, um weiter die Flexibilität des
Mantelbereichs 22 zu erhöhen, um eine größere Reduktions
wirkung einer Reibungskraft sicherzustellen, welche zwischen
Lagerflächen der Zylinderwand und der Seitenwand des Kolbens
auftritt. Ebenfalls kann die Wirkung der thermischen Expansion
und des Seitenschubes durch die vergrößerte Flexibilität des
nebenschubseitigen Mantelbereichs 22 verringert werden und als
Ergebnis kann das Verhalten des Kolbens stabilisiert werden
und ein Kolbenschlaggeräusch ist wirksam verringert. Üblicher
weise ist ein Ölsteuerring in die unterste Kolbenringnut 14a
eingefügt. Somit dient der an der Rückseite der untersten
Ringnut 14a gebildete Schlitz 14b ebenfalls als ein Ölrück
führschlitz. Weiter kann das Gesamtgewicht des Kolbens 19 et
was durch die Bildung des Schlitzes 14b verringert werden.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich wurde, ist
gemäß dem Kolbenaufbau der vorliegenden Erfindung die vorste
hende Umfangsbreite des nebenschubseitigen Mantelbereichs so
dimensioniert, daß sie breiter als die des hauptschubseitigen
Mantelbereichs ist. Zusätzlich ist die minimale Dicke bzw.
Stärke des nebenschubseitigen Mantelbereichs so dimensioniert,
daß sie dünner als die des hauptschubseitigen Mantelbereichs
ist. Somit kann am hauptschubseitigen Mantelbereich der Druck
empfangende Flächenbereich infolge einer höheren Steifigkeit
als der nebenschubseitigen Mantelbereich relativ verringert
werden. Somit kann eine wirksame Verringerung einer Reibungs
kraft erreicht werden, welche durch die Hauptseitenschubkraft
verursacht wird, die eine große Mehrheit des Reibwiderstands
bildet, welcher sich am Kolben während des Arbeitshubs ergibt.
Im Gegensatz dazu stellt am nebenschubseitigen Mantelbereich
die in richtiger Weise erhöhte Flexibilität eine richtige,
einfache Deformation der Nebenschubseite sicher, wodurch eine
wirksame Verringerung einer Schubkraft erreicht wird, welche
infolge der thermischen Expansion auftritt, wobei die Schub
kraft eine große Mehrheit des Reibwiderstands bildet, welcher
sich am Kolben während des Einlaß-, Verdichtungs- und Ausstoß
hubs ergibt. Als Konsequenz kann der zwischen den Lagerflächen
der Zylinderwand und der Seitenwand des Kolbens erzeugte Reib
widerstand wirksam für alle vier Schübe verringert werden, wo
durch der Kraftstoffverbrauch verringert und die Motorleistung
erhöht wird.
Weiterhin ist der nebenschubseitige Mantelbereich derart aus
gelegt, daß er die Ungleichung W/D ≧ 30,8 × (T/D) + 0,15 er
füllt, wobei W eine vorstehende Umfangsbreite des nebenschub
seitigen Mantelbereichs ist, D eine Zylinderbohrung ist und T
die minimale Wandstärke des nebenschubseitigen Mantelbereichs
bezeichnet. Es ist möglich, eine bessere Verringerungswirkung
des Reibwiderstands (der Schubkraft), welcher infolge der
thermischen Expansion beim Einlaß-, Verdichtungs- und Auslaß
hub auftritt, indem die Steifigkeit des nebenschubseitigen
Mantelbereichs auf ein Steifigkeitslevel gesenkt wird, welches
durch die vorher erwähnte Ungleichung definiert ist. Überdies
ist beim vorher beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel der
Umfangsabstand oder die Breite Q der innersten Enden des Paars
der inneren Versteifungsrippenbereiche des nebenschubseitigen
Mantelbereichs derart ausgelegt, daß er größer als der Um
fangsabstand oder die Breite P der innersten Enden eines Paars
der inneren Versteifungsrippenbereiche der hauptschubseitigen
Mantelbereiche ist. Zusätzlich ist die Position der Bildung
des nebenschubseitigen Versteifungsrippenpaars 26, 26 tiefer
als das des hauptschubseitigen Versteifungsrippenpaars 25, 25
bezüglich der Ebene YZ, welche die Axiallinie Z der Kolbenbol
zenöffnung enthält. Daher kann, selbst wenn die Notwendigkeit
der Bildung von Versteifungs- oder Verstärkungsrippen an der
Innenwand des Kolbens zur Sicherstellung von mechanischer und
thermischer Festigkeit besteht, der rippenförmige Kolben des
zweiten Ausführungsbeispiels die gleichen Wirkungen wie der
Kolben des ersten Ausführungsbeispiels bereitstellen, während
eine Deformation des Kolbens verhindert wird. Zusätzlich weist
jeder der Versteifungsrippenbereiche, welche im Inneren des
Kolbens gebildet sind, eine im wesentlichen trapezoidförmige
Form im Querschnitt entlang der Axialrichtung des Kolbens auf.
Die Dicke der flachen oberen Fläche des hauptschubseitigen
Versteifungsrippenbereichs ist in Richtung des innersten Endes
des hauptschubseitigen Versteifungsrippenbereichs nach und
nach verringert oder dünnwandig gebildet, wohingegen die Dicke
der flachen oberen Fläche des nebenschubseitigen Versteifungs
rippenbereichs in Richtung des innersten Endes des nebenschub
seitigen Versteifungsrippenbereichs nach und nach verringert
ist. Dies erleichtert die Herstellung des Kolbens.
Zusammenfassend wurde insoweit ein hin- und herbewegbarer Kol
ben eines Motors mit innerer Verbrennung beschrieben, der ei
nen Kolbenmantel mit einem hauptschubseitigen Mantelbereich 20
und einem nebenschubseitigen Mantelbereich 22 aufweist. Eine
vorstehende Umfangsbreite des nebenschubseitigen Mantel
bereichs 22 ist größer als eine vorstehende Umfangsbreite des
hauptschubseitigen Mantelbereichs 20. Zusätzlich ist der Kol
benmantel derartig ausgelegt, daß die minimale Stärke bzw.
Dicke des nebenschubseitigen Mantelbereichs 22 kleiner als die
minimale Stärke bzw. Dicke des hauptschubseitigen Mantel
bereichs 20 ist.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß
der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken
und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen
der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen
möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente
zu verlassen.
Claims (5)
1. Kolben für einen Motor mit innerer Verbrennung mit:
einem Kolbenbodenbereich (14);
einem Paar von Kolbenbolzennabenbereichen (18), welche je weils einstückig mit dem Kolbenbodenbereich (14) gebildet sind und eine Kolbenbolzenöffnung (16) aufweisen;
einem Kolbenmantel, welcher für einen Gleitkontakt mit ei ner Zylinderwand (11) geeignet ist und einen haupt schubseitigen Mantelbereich (20) und einen nebenschub seitigen Mantelbereich (22) aufweist; und
einer Vielzahl von netzförmigen Schürzenbereichen (24a, 24b), die jeweils einen Seitenrand des hauptschubseitigen Mantelbereichs (20) und des nebenschubseitigen Mantel bereichs (22) mit jeweils einem der Kolbenbolzennabenbe reiche (18) verbinden;
wobei eine vorstehende Umfangsbreite (W) des nebenschub seitigen Mantelbereichs (22) größer als eine vorstehende Umfangsbreite (V) des hauptschubseitigen Mantelbereichs (20) ist, und eine minimale Stärke (T) des nebenschub seitigen Mantelbereichs (22) kleiner als eine minimale Stärke (S) des hauptschubseitigen Mantelbereichs (20) ist.
einem Kolbenbodenbereich (14);
einem Paar von Kolbenbolzennabenbereichen (18), welche je weils einstückig mit dem Kolbenbodenbereich (14) gebildet sind und eine Kolbenbolzenöffnung (16) aufweisen;
einem Kolbenmantel, welcher für einen Gleitkontakt mit ei ner Zylinderwand (11) geeignet ist und einen haupt schubseitigen Mantelbereich (20) und einen nebenschub seitigen Mantelbereich (22) aufweist; und
einer Vielzahl von netzförmigen Schürzenbereichen (24a, 24b), die jeweils einen Seitenrand des hauptschubseitigen Mantelbereichs (20) und des nebenschubseitigen Mantel bereichs (22) mit jeweils einem der Kolbenbolzennabenbe reiche (18) verbinden;
wobei eine vorstehende Umfangsbreite (W) des nebenschub seitigen Mantelbereichs (22) größer als eine vorstehende Umfangsbreite (V) des hauptschubseitigen Mantelbereichs (20) ist, und eine minimale Stärke (T) des nebenschub seitigen Mantelbereichs (22) kleiner als eine minimale Stärke (S) des hauptschubseitigen Mantelbereichs (20) ist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
nebenschubseitige Mantelbereich (22) derart ausgelegt ist,
daß er eine Ungleichung W/D ≧ 30,8 × (T/D) + 0,15 erfüllt,
wobei W die vorstehende Umfangsbreite des nebenschubseiti
gen Mantelbereichs ist, D eine Zylinderbohrung ist und T
die minimale Stärke des nebenschubseitigen Mantelbereichs
ist.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der hauptschubseitige Mantelbereich (20) und der neben
schubseitige Mantelbereich (22) jeweils ein Paar von Ver
steifungsrippenbereichen (25, 25; 26, 26) aufweisen, wel
che einstückig an ihrer Innenwand gebildet sind und konti
nuierlich mit zugeordneten netzförmigen Schürzenbereichen
der Vielzahl der netzförmigen Schürzenbereiche (24a, 24b)
verlaufen, wobei das Paar der Versteifungsrippenbereiche
voneinander durch eine vorbestimmte, vorstehende Umfangs
breite (P; Q) in einer Richtung parallel zu einer
Axialachse (Z) der Kolbenbolzenöffnung (16) beabstandet
ist, und wobei das Paar der Versteifungsrippenbereiche
(26, 26) des nebenschubseitigen Mantelbereichs (22) bezüg
lich der Axialachse (Z) der Kolbenbolzenöffnung (16) an
einem niedereren Niveau angeordnet ist als das Paar der
Versteifungsrippenbereiche (25, 25) des hauptschubseitigen
Mantelbereichs (20), und wobei die vorbestimmte Umfangs
breite (Q) zwischen dem Paar der Versteifungsrippenberei
che (26, 26) des nebenschubseitigen Mantelbereichs (22)
größer ist als die vorbestimmte Umfangsbreite (P) zwischen
dem Paar der Versteifungsrippenbereiche (25, 25) des
hauptschubseitigen Mantelbereichs (20).
4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Paar der Versteifungsrippenbereiche (25, 25) des haupt
schubseitigen Mantelbereichs (20) und das Paar der Ver
steifungsrippenbereiche (26, 26) des nebenschubseitigen
Mantelbereichs (22) eine im Querschnitt entlang einer
Axialrichtung des Kolbens im wesentlichen trapezoidförmige
Form aufweist, und wobei sich eine Dicke des Paars der
Versteifungsrippenbereiche (25, 25) des hauptschubseitigen
Mantelbereichs (20) und des Paars der Versteifungsrippen
bereiche (26, 26) des nebenschubseitigen Mantelbereichs
(22) jeweils in Richtung ihres innersten Endes in einer
Umfangsrichtung des Kolbens allmählich verringert.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kolbenbodenbereich (14) eine Vielzahl
von Kolbenringnuten aufweist, welche in der Umgebung des
Kolbenbodenbereichs (14) gebildet sind und die weiter ei
nen Schlitz (14b) umfassen, welcher in der Rückseite einer
untersten Kolbenringnut (14a) der Vielzahl der Kol
benringnuten gebildet ist und an einer Seite des Kolbens
entsprechend dem nebenschubseitigen Mantelbereich (22) an
geordnet ist, so daß der Schlitz (14b) eine Seitenwand des
Kolbens durchdringt.
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Legal Events
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Owner name: HITACHI, LTD., TOKIO/TOKYO, JP |
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