DE3840841A1

DE3840841A1 - Leichtmetallkolben fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3840841A1
Application number: DE3840841A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl Ing Dr Mielke
Original assignee: Kolbenschmidt AG
Current assignee: Kolbenschmidt AG
Priority date: 1988-12-03
Filing date: 1988-12-03
Publication date: 1990-06-07
Also published as: US5074264A; JPH02277949A

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit für hohe Belastungen ausgelegter Kolbenbolzenlagerung mit im Kolbenschaft integrierten, eine elastische Blockabstützung kleiner Dehnlänge aufweisenden Bolzennaben, mit einer Breite des Pleuelkopfs von 15 bis 50%, mit einem Durchmesser des Kolbenbolzens von 20 bis 45% und einer Länge des Kolbenbolzens von 50 bis 85% des Kolbendurchmessers.

Die auf einen Kolben für Brennkraftmaschinen einwirkenden Kräfte werden vom Kolbenboden über die Bolzennaben in den Kolbenbolzen und damit über das Pleuel in die Kurbelwelle eingeleitet. Die Bolzennaben zählen zu den am höchsten beanspruchten Abschnitten des Kolbens, so daß damit ihre Gestaltung zusammen mit der Dimensionierung des Kolbenbolzens von maßgebender Bedeutung für die Belastbarkeit des Kolbens ist. Der Kolbenbolzen ist schwimmend gelagert, wenn er sich sowohl im Pleuelkopf als auch in den Bolzennaben drehen kann. Die axiale Fixierung des schwimmenden Kolbenbolzens übernehmen in entsprechenden Nuten am Außenrand der Bohrungen der Bolzennaben eingesetzte Sicherungsringe. Bei einer anderen Konstruktion der Bolzenlagerung ist der Kolbenbolzen mittels Schrumpfsitz im Pleuelkopf fixiert. Dabei kann auf die Lagerbuchse im Pleuelkopf sowie die Sicherungsringe in den Bolzennaben verzichtet werden.

Bei Leichtmetallkolben sind im allgemeinen die Bolzennaben im Kolbenschaft integriert mit einer Ausnahme, bei der die Bolzennaben an Rippen hängend den Kolbenboden freistehend abstützen und mit dem Kolbenschaft seitlich über dünne Rippen verbunden sind. In Verbindung mit einer schmalen Pleuelkopfbreite und entsprechend kurzer Länge des Kolbenbolzens bietet diese Bolzennabenanordnung beim mäßig belasteten Leichtmetallkolben Gewichtsvorteile.

Zur kraftflußgerechten Abstützung des Kolbenbodens bestehen verschiedene Bolzennabenformen, die unter bestimmten Randbedingungen gewichtsoptimale Lösungen darstellen. Für hohe Zünddruckbelastungen sind Leichtmetallkolben für Diesel- und Ottomotoren vorgesehen, bei denen die im Kolbenschaft integrierten Bolzennaben über eine unelastische Blockabstützung kleiner Dehnlänge von 10 bis 15% des Kolbendurchmessers den Kolbenboden abstützen. Sehr hoch belastete Dieselkolben besitzen als Variante der Blockabstützung eine sogenannte Trapezabstützung, bei der die blockartige Abstützung und die dem Pleuelkopf zugekehrten Stirnseiten der Bolzennaben unter einem Winkel von 8 bis 15° nach außen geneigt ausgebildet sind; angepaßt an eine derartige Konstruktion ist der Pleuelkopf abgeschrägt gestaltet. Durch teilweise Überdeckung der Lagerflächen wird durch diese Gestaltung die Biegebeanspruchung im Kolben und Kolbenbolzen herabgesetzt und die Belastbarkeit um bis zu 15% erhöht.

Das Streben nach verbrauchsgünstigen Brennkraftmaschinen hat aufgabengemäß zu der Anforderung geführt, bei Leichtmetallkolben mit für hohe Belastungen ausgelegter Kolbenbolzenlagerung mit im Kolbenschaft integrierten, eine unelastische Blockabstützung kleiner Dehnlänge aufweisenden Bolzennaben eine Gewichtsreduzierung herbeizuführen, durch die ggf. eine weitere sekundäre Gewichtsreduzierung der Brennkraftmaschine möglich ist und damit ein niedrigeres Fahrzeuggewicht zu weiteren Verbrauchseinsparungen führt. Die übrigen mechanischen Eigenschaften dürfen jedoch nicht beeinträchtigt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt in der Weise, daß bei dem eingangs beschriebenen Leichtmetallkolben erfindungsgemäß die dem Pleuelkopf zugekehrten Stirnseiten der Bolzennaben unterhalb der beidseitig der die Bolzenachsrichtung und die Kolbenachse umfassenden Ebene liegenden, einen Winkel von < 180° einschließenden Segmente der oberen Nabenscheitelbereiche nach außen zu zurückgesetzt sind.

Im Rahmen der konkreten Ausführungsform beträgt der Winkel der Segmente oberen Nabenscheitelbereiche 70 bis 150°, vorzugsweise 76 bis 96°.

Neben einem Gewichtsvorteil von 5 bis 15%, verglichen mit einem herkömmlichen Leichtmetallkolben mit Blockabstützung bzw. Trapezabstützung, weist der erfindungsgemäß gestaltete Leichtmetallkolben die gleiche Belastbarkeit seiner Bolzennaben auf wie das beispielsweise bei Bolzennaben mit Öltaschen der Fall ist, bei denen durch großflächige Aussparungen im Seitenbereich der Bolzennabenbohrungen nicht nur die Schmierung verbessert, sondern auch die Umfangsspannungen in den Bolzennaben verringert werden und somit eine erhöhte Sicherheit gegen Bolzennabenspaltbruch gegeben ist.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Bolzennaben unterhalb der Segmente der oberen Nabenscheitelbereiche je nach Belastungsfall jeweils um 5 bis 80% der Auflagelänge des Kolbenbolzens in den Bolzennaben nach außen zu zurückgesetzt.

Um den Druckspannungsverlauf an der erfindungsgemäß ausgebildeten Bolzennabenabstützung unter Gaskraft möglichst günstig zu gestalten, ist der Übergangsbereich von den nach außen zu zurückgesetzten Abschnitten der Bolzennaben zu den Bolzennabenabschnitten im oberen Nabenscheitelbereich mit einem Radius von 1,5 bis 12 mm verrundet.

Der gemäß der Erfindung gestaltete Leichtmetallkolben ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Leichtmetallkolben entlang der die Kolbenachse und die Richtung der Kolbenbolzenachse einschließenden Ebene,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Leichtmetallkolben in der Ebene der Ölringnut,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Leichtmetallkolben entlang der die Kolbenachse und die senkrecht auf der Richtung der Kolbenbolzenachse stehenden Achse umfassenden Ebene.

Bei dem aus Kolbenkopf (1) und Kolbenschaft (2) bestehenden einteiligen Leichtmetallkolben (3) in Kastenkolbenbauart ist der Kolbenschaftmantel (4) im Bereich beidseitig der die Kolbenachse und die Richtung der Kolbenbolzenachse einschließenden Ebene ausgespart und der Kolbenschaftmantel (4) in Richtung der Kolbenbolzenachse nach innen zu versetzt. Die in den Kolbenschaft (2) integrierten Bolzennaben (5) sind über eine unelastische Blockabstützung (6) mit einer Dehnlänge von 14% des Kolbendurchmessers mit dem Kolbenboden (7) verbunden. Unterhalb der einen Winkel von 75° einschließenden, beidseitig der die Kolbenachsrichtung und die Kolbenachse umfassenden Ebene liegenden Segmente der oberen Nabenscheitelbereiche (8) von sind die Bolzennaben (5) um 40% der Auflagelänge des Kolbenbolzens, bezogen auf einen herkömmlichen Leichtmetallkolben mit Blockabstützung der Bolzennaben, nach außen zu zurückgesetzt. Die Übergangsbereiche (9) zwischen den nach außen zu zurückgesetzten Segmenten der Bolzennaben (5) und den Segmenten der Bolzennaben (5) in den oberen Nabenscheitelbereichen (8) sind mit einem Radius von 12 mm verrundet.

Claims

1. Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit für hohe Belastungen ausgelegter Kolbenbolzenlagerung mit im Kolbenschaft integrierten, eine unelastische Blockabstützung kleiner Dehnlänge aufweisenden Bolzennaben, mit einer Breite des Pleuelkopfs von 15 bis 50% des Kolbendurchmessers, mit einem Durchmesser des Kolbenbolzens von 20 bis 45% des Kolbendurchmessers sowie mit einer Länge des Kolbenbolzens von 50 bis 85% des Kolbendurchmessers, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Pleuelkopf zugekehrten Stirnseiten der Bolzennaben (5) unterhalb der beidseitig der die Bolzenachsrichtung und die Kolbenachse umfassenden Ebene liegenden, einen Winkel von < 180° einschließenden Segmente der oberen Nabenscheitelbereiche (8) nach außen zu zurückgesetzt sind.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente der oberen Nabenscheitelbereiche (8) einen Winkel von 70 bis 150°, vorzugsweise 76 bis 96°, aufweisen.

3. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bolzennaben (5) unterhalb der Segmente der oberen Nabenscheitelbereiche (8) jeweils um 5 bis 80% der Auflagelänge des Kolbenbolzens in den Bolzennaben zurückgesetzt sind.