DE4016507A1

DE4016507A1 - Kolbenanordnung fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4016507A1
Application number: DE4016507A
Authority: DE
Inventors: Naohiro Iwaya
Original assignee: Atsugi Unisia Corp
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1989-05-22
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1990-11-29
Also published as: JPH02149852U; JP2561798Y2; DE4016507C2; US5063893A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Kolbenanordnung für eine Brennkraftmaschine und insbesondere eine verbesserte Rippenversteifung, um einer Kolbenwand bzw. dem Kolbenmantel die erforderliche Steifigkeit zu verleihen.

Wie allgemein bekannt ist, weist eine Kolbenanordnung nach dem Stand der Technik eine gleichmäßig breite Rippenversteifung oder -verstärkung auf, die sich rund um die innere Umfangsfläche einer Kolbenwand bzw. eines Kolbenmantels in einer Ebene rechtwinklig zur Achse des Kolbens erstreckt. Die Rippenversteifung befindet sich an einer unteren Stelle des Kolbenmantels und benachbart dem Boden einer Bolzennabe, in die ein Kolbenbolzen eingesetzt wird, um eine Pleuelstange zu verbinden. Der Kolben enthält außerdem einen Gleitabschnitt, der sich unterhalb der Rippenverstärkung erstreckt, um das Geräusch oder den Verschleiß infolge der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens während der Verbrennung zu vermindern.

Da sich bei der herkömmlichen Kolbenanordnung die gleichmäßig breite Rippenversteifung in bezug auf den Kolbenhub horizontal erstreckt, muß der Gleitabschnitt unter dem Kolbenmantel bzw. der Kolbenwand angeordnet werden, um den Seitendruck zu absorbieren, der während der Verbrennung auf den Kolben einwirkt, um das Geräusch und die Schwingungen zu vermindern. Es ist deutlich, daß sich durch diesen Aufbau der Kolben verlängert und sein Gewicht erhöht und somit eine solche Anordnung für Hochleistungsmotoren, die hohe Drehzahlen besitzen, ungeeignet ist. Außerdem erhöht sich die Breite der Rippenverstärkung, um dem Kolbenmantel eine ausreichende Steifigkeit zu verleihen, wodurch die Gefahr der Überhitzung des Kolbens besteht.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kolbenanordnung zu schaffen, die einen verhältnismäßig kleinen Steifigkeitsabschnitt enthält, ohne daß die erforderliche mechanische Festigkeit eines Kolbenrandes bzw. Kolbenmantels oder der Kolbenwand vermindert ist, um einen kleinen Kolben mit geringem Gewicht zu schaffen.

Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist zur Lösung dieser Aufgaben erfindungsgemäß eine Kolbenanordnung für eine Brennkraftmaschine vorgesehen, die aufweist einen Kolbenkörper, der einen hohlen Mantelabschnitt aufweist, Kolbenbolzen-Nabenabschnitte, die in dem Mantelabschnitt vorgesehen sind, in die ein Kolbenbolzen eingesetzt wird, um den Kolbenkörper mit einer Pleuelstange zu verbinden, wobei die Kolbenbolzen- Nabenabschnitte eine gemeinsame Längsachse besitzen, und ein Rippenabschnitt vorgesehen ist, der von einer Innenwandung des Mantel- bzw. Wandabschnittes vorspringt, um die Steifigkeit des Mantelabschnittes zu verstärken bzw. zu versteifen, wobei der Rippenabschnitt sich von einem ersten Bereich, der zumindest im Schnittpunkt zwischen der Kolbenachse, die rechtwinklig die Längsachse der Kolbenbolzennabe schneidet, die Innenwand der Kolbenwand bzw. des Kolbenrandabschnittes schneidet, zu einem zweiten Bereich erstreckt, der zumindest einen Bodenabschnitt des Kolbenbolzen-Nabenabschnittes enthält.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Kolbenanordnung für eine Brennkraftmaschine erfindungsgemäß vorgesehen, die aufweist einen Kolbenkörper mit einem hohlen Kolbenmantelabschnitt, Kolbenbolzen-Nabenabschnitten, die einen hohlen Rand oder Wandabschnitt enthalten, wobei die Kolbenbolzen- Nabenabschnitte in dem hohlen Mantelabschnitt vorgesehen sind in die ein Kolbenbolzen eingesetzt wird, um den Kolbenkörper mit einer Pleuelstange zu verbinden, wobei die Kolbenbolzen-Nabenabschnitte diametral einander gegenüberliegen und ein gebogener Rippenabschnitt von einer Innenwand des Kolbenrand- oder Wandabschnittes vorspringt, um eine Versteifung des Wand- oder Mantelabschnittes zu bilden, wobei sich der gekrümmte Rippenabschnitt entlang der Innenwandung des Kolbenmantelabschnittes erstreckt, um Bereiche erhöhter Steifigkeit zu bilden, um den Seitendruck aufzunehmen, der auf dem Kolbenkörper während der Verbrennung an beiden Seiten des Kolbenbolzen-Nabenabschnittes wirkt.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Diese dienen lediglich der Erläuterung und dem besseren Verständnis der Erfindung, ohne diese auf die Ausführungsbeispiele zu begrenzen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung, die eine Kolbenanordnung nach der Erfindung zeigt (Vorderansicht),

Fig. 2 eine Seiten-Schnittdarstellung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles einer Kolbenanordnung nach der Erfindung (Vorderansicht),

Fig. 4 eine Seiten-Schnittdarstellung nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Querschnittsdarstellung eines dritten Ausführungsbeispieles einer Kolbenanordnung (Vorderansicht),

Fig. 6 eine Seiten-Schnittdarstellung nach Fig. 5,

Fig. 7 eine Querschnittsdarstellung eines vierten Ausführungsbeispieles einer Kolbenanordnung (Vorderansicht),

Fig. 8 eine Seiten-Schnittdarstellung nach Fig. 7.

Bezug nehmend nunmehr auf die Zeichnungen, in denen das gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in den verschiedenen Darstellungen und Ansichten bezeichnen, insbesondere bezug nehmend zunächst auf die Fig. 1 und 2, ist in diesen ein Kolben für eine Brennkraftmaschine nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Kolben 11 ist ein sogenannter Gleit-Mantelkolben und enthält allgemein einen oberen Ringstegabschnitt 12 und einen hohlen zylindrischen Kolbenmantelabschnitt bzw. -wandabschnitt 13, der eine dicke Wandung besitzt und die integral einstückig miteinander ausgebildet sind. Rippen 14 erstrecken sich von einer Innenwand hinter einem Kolbenkopf nach unten und zwei Kolbenbolzen-Nabenabschnitte 15 sind in Verbindung mit den Rippen ausgebildet. Die Kolbenbolzen-Nabenabschnitte sind einander diametral gegenüberliegend angeordnet, um einen Kolbenbolzen (nicht gezeigt) aufzunehmen, um den Kolben mit einer Pleuelstange 20 zu verbinden. Jede Kolbenbolzennabe 15 ist gegenüber der Mittellinie oder Achse Y des Kolbens 11 versetzt, so daß die Mittelpunkte der Kolbenbolzennaben 15 gegenüber der Achse um einen Abstand d versetzt sind, um die Positionierung des Kolbens am oberen Totpunkt geringfügig zu verschieben.

Der Kolben 11 enthält außerdem gekrümmte Rippenversteifungselemente 16, wie sie durch die unterbrochenen Linien in den Zeichnungen angegeben sind, wobei jede dieser gekrümmten Rippenversteifungen von einer Innenwandung des Kolbenmantelabschnittes bzw. des Kolbenrandabschnittes 13 in bzw. um eine vorgegebene Höhe vorspringen. Jede Rippenverstärkung 16 erstreckt sich vom Bereich oder der Nähe eines Bodens 15 a der Rippenverbindung oder dem Kolbenbolzen-Nabenabschnitt 15 entlang der Innenwandung des Kolbenmantels, so daß der obere Abschnitt der Rippenverstärkung 16 am Schnittpunkt angeordnet ist, wo die Horizontalachse H, die rechtwinklig die Längsachse der Kolbenbolzennabe schneidet, einen Schnittpunkt bildet mit der Innenwandung des Kolbenrand- oder Wandabschnittes 13. Mantelverlängerungsabschnitte 13 a sind an beiden Seiten der Kolbenbolzennaben 15 unterhalb des Kolbenmantels 13 vorgesehen.

Die Erzeugung des Seitendruckes, der auf den Kolben 11 während der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens einwirkt, führt dazu, daß sich eine Kontaktfläche des Kolbenmantels mit einer Zylinderwand konstant bzw. beständig ändert, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Der Seitendruck ist das Produkt aus Verbrennungsdruck, der auf den Kolbenkopf wirkt, und Trägheitskraft der hin- und herbewegten Teile. Bei der vorerwähnten Kolbenausbildung berührt dann, wenn ein verhältnismäßig kleiner Seitendruck auf den Kolben 11 einwirkt, ein Abschnitt des Kolbenmantels 13 unterhalb der Rippenverstärkung 16 mit verhältnismäßig niedriger Steifigkeit in einer Richtung rechtwinklig zur Mittellinie der Kolbenbolzennabe 15 die Zylinderwand, um den Stoß, der auf den Kolben infolge des Seitendruckes einwirkt, zu absorbieren, wobei die Kontaktfläche geringfügig deformiert wird. Wenn der Seitendruck größer wird, erstreckt sich die Kontaktfläche des Kolbenmantels mit der Zylinderwand über einen Abschnitt verhältnismäßig hoher Steifigkeit. Andererseits wird dann, wenn der Seitendruck niedriger wird, die Fläche konstanter Steifigkeit vermindert. Daher berührt, wie in Fig. 2 gezeigt ist, dann, wenn der Seitendruck verhältnismäßig klein ist, der Abschnitt 30 (bezeichnet durch eine unterbrochene Linie) des Kolbenmantels 13 unterhalb der Rippenverstärkung 16, der eine verhältnismäßig niedrige Steifigkeit aufweist, die Zylinderwand. Wenn der Seitendruck größer wird, vergrößert sich die Kontaktfläche über den Abschnitt 31 mit höherer Steifigkeit.

Somit ist ein Teil des Kolbenmantels bzw. der Kolbenwand einschließlich des Verlängerungsabschnittes 13 A unterhalb der Rippenversteifung 16 als ein Belastungsabsorptionsglied, wie es durch einen Gleitabschnitt einer herkömmlichen Kolbenanordnung ausgebildet wird, wirksam. Es ist deutlich, daß die Verlängerung des sich nach unten erstreckenden Abschnittes 13 A unnötig ist und somit ein verkürzter Kolbenmantel bzw. eine verkürze Kolbenwand erhalten wird.

Bezug nehmend auf die Fig. 3 und 4 ist in diesen ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kolbenanordnung nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein Kolben 11 ist so gestaltet, daß der Erstreckungs- und Verlängerungsabschnitt 13 A des Kolbenmantels 13 aus dem ersten Ausführungsbeispiel weggelassen ist, um das Kolbengewicht zu vermindern und die Kolbenlänge weiter zu verkürzen, wobei dies möglich ist, da eine nach oben gekrümmte Rippenversteifung einen Stoßabsorptionsbereich des Kolbenmantels unterhalb der Rippenversteifung schafft, vergleichbar zu dem Gleitabschnitt der herkömmlichen Kolbenanordnung. Durch diesen Aufbau wird eine flache Oberfläche eines Bodens des Kolbens 11 geschaffen. Dennoch kann ein verhältnismäßig breiter Bereich mit niedrigerer Steifigkeit ausgebildet werden.

Bezug nehmend auf die Fig. 5 und 6 ist in diesen ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kolbenanordnung gezeigt. Bei diesem Aufbau ist jede Rippenversteifung 16 so gestaltet, daß sie sich gerade von einem Abschnitt benachbart einem Boden 15 A eines Kolbenbolzen-Nabenab schnittes 15 entlang einer Innenwandung des Kolbenmantels 13 erstreckt und anschließend horizontal abgewinkelt ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die Rippenverstärkung 16 mit einer Mehrzahl von geraden Segmenten bzw. Abschnitten 16 A, 16 B versehen ist. Außerdem kann, ähnlich wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, der Verlängerungs- oder Erstreckungsabschnitt 13 A des Kolbenmantels 13 weggelassen werden, um einen flachen Boden des Kolbens zu bilden. Es ist deutlich, daß die gleiche Wirkung wie diejenige der oben erwähnten Kolbenanordnung, die eine gekrümmte Rippenversteifung 16 enthält, erhalten werden kann.

Bezug nehmend auf die Fig. 7 und 8 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer Kolbenanordnung nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel für einen Fall, bei dem der Kolben durch drei separate Gesenke oder Formen gebildet wird. Vier separate Rippenverstärkungen 16 sind vorgesehen, die keinen gekrümmten oder flachen oberen Abschnitt ähnlich wie die bei dem obigen Ausführungsbeispiel infolge der Gießherstellung unter Verwendung separater Formen bzw. Gesenke enthalten. Dies führt jedoch in der Praxis zu keinerlei Schwierigkeiten und es werden die gleichen Vorteile, wie oben bereits erläutert, erhalten.

Wie aus der obigen Beschreibung deutlich ist, wird durch die Kolbenanordnung nach der vorliegenden Erfindung ein Abschnitt mit verhältnismäßig niedriger Steifigkeit mit einer verbesserten Festigkeit des Kolbenmantels versehen, um die Kolbenwand bzw. den Kolbenmantel zu verkürzen und somit das Gewicht und die Gesamtlänge des Kolbens zu vermindern und gleichzeitig eine Überhitzung desselben zu vermeiden. Im Ergebnis des verminderten Gewichtes der Drehöffnungen (rotation ports) wird die Erzeugung von Schwingungen verhindert. Außerdem ist dann, wenn eine auf den Kolben einwirkende Seitenkraft klein ist, ein Abschnitt, wo der Zylinder gegen die Kolbenwandung über Schmieröl auf diesen einwirkt, auf den engen und mit verhältnismäßig niedriger Steifigkeit versehenen Abschnitt begrenzt, so daß ein Verschleiß desselben stark vermindert wird.

Obwohl spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert wurde, ist deutlich, daß die Erfindung nicht auf diese speziellen, dargestellten Ausführungsformen begrenzt ist und daß verschiedenartige Abweichungen und Modifikationen durchgeführt werden können und für den Fachmann offensichtlich sind, ohne daß das Wesen der Erfindung, wie es insbesondere in den beigefügten Ansprüchen umrissen ist, verlassen wird. Zum Beispiel ist in jedem der obigen Ausführungsbeispiele die Wanddicke in radialer Richtung des Kolbens und die Breite der Rippenversteifungen nicht stets gleichmäßig und kann verändert werden. Die unteren Enden der Rippenversteifungen 16, wie oben erwähnt, können in der Nähe der jeweiligen Bodenabschnitte 15 A der Kolbenbolzen-Nabenabschnitte 15 jeweils angeordnet sein, alternativ können sie auch jeweils integral einstückig mit dem Boden des Kolbenbolzen-Nabenabschnittes verbunden sein.

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, wobei der Kolben einen Kolbenkörper besitzt, der einen oberen Ringstegbereich und einen Mantelbereich besitzt, wobei Kolbenbolzen-Nabenabschnitte in dem Mantelabschnitt ausgebildet sind, in die ein Kolbenbolzen eingesetzt wird, um den Kolbenbolzen mit einer Pleuelstange zu verbinden und wobei ein Rippenabschnitt von einer Innenwandung des Mantelabschnittes vorspringt. Der Rippenabschnitt erstreckt sich von einem ersten Bereich, welcher den Schnittpunkt einer Horizontalachse, die rechtwinklig die Längsachse des Kolbenbolzen-Nabenab schnittes kreuzt, die Innenwandung des Kolbenmantels schneidet, bis zu zweiten Bereichen, welche die Bodenabschnitte der Kolbenbolzen-Nabenabschnitte enthält.

Claims

1. Kolbenanordnung für eine Brennkraftmaschine mit:
einem Kolbenkörper, der einen hohlen Mantelabschnitt besitzt,
Kolbenbolzen-Nabenabschnitte, die in dem Mantelabschnitt vorgesehen sind, in die ein Kolbenbolzen eingesetzt wird, um den Kolbenkörper mit einer Pleuelstange zu verbinden, wobei die Kolbenbolzen-Nabenabschnitte eine gemeinsame Längsachse besitzen,
gekennzeichnet durch
einen Rippenabschnitt (16), der von einer Innenwandung des Mantelabschnittes (13) vorspringt, um die Steifigkeit des Mantelabschnittes (13) zu verstärken,
wobei der Rippenabschnitt (16) sich von einem ersten Bereich, der zumindest den Schnittpunkt enthält, wo eine Horizontalachse (H), die rechtwinklig die Längsachse des Kolbenbolzen-Nabenabschnittes (15) schneidet, eine Innenwandung des Kolbenmantels (13) kreuzt, zu einem zweiten Bereich erstreckt, der zumindest einen Bodenabschnitt (15 A) des Kolbenbolzen-Nabenabschnittes (15) enthält.

2. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rippenabschnitt (16) entlang der Innenwandung des Mantelabschnittes (13) gekrümmt ist.

3. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Kolbenmantel-Verlängerungsabschnitte (13 A), von denen jeder sich unterhalb eines Bodenbereiches des Mantelabschnittes (13) erstreckt.

4. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelabschnitt (13) einen flachen Boden besitzt.

5. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Treppenabschnitt (16) zwei separate Abschnitte enthält, von denen jeder ein erstes, ein zweites und ein drittes gerades Segment aufweist, wobei sich das erste Segment (16 A) entlang der Innenwandung des Mantelabschnittes (13) in einer Ebene erstreckt, welche die Längsachse des Kolbenbolzen-Naben abschnittes (15) enthält, und die zweiten und dritten Abschnitte (16 B), sich jeweils von den Enden des ersten Segmentes (16 A) zu dem zweiten Bereich erstrecken.

6. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rippenabschnitt (16) vier separate Abschnitte enthält, von denen jeder sich von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich erstreckt.

7. Kolbenanordnung für eine Brennkraftmaschine, mit:
einem Kolbenkörper, der einen hohlen Mantelabschnitt enthält,
Kolbenbolzen-Nabenabschnitte, die in dem Mantelabschnitt ausgebildet sind, in die ein Kolbenbolzen eingesetzt wird, um den Kolbenkörper mit einer Pleuelstange zu verbinden, wobei die Kolbenbolzen-Nabenabschnitte einander diametral gegenüberliegen,
gekennzeichnet durch
einen gekrümmten Rippenabschnitt (16), der von einer Innenwandung des Mantelabschnittes (13) vorspringt, um eine Versteifung für den Mantelabschnitt (13) zu bilden, wobei der gekrümmte Rippenabschnitt (16) sich entlang der Innenwandung des Mantelabschnittes (13) erstreckt, um Abschnitte zu bilden, die eine verhältnismäßig hohe Steifigkeit besitzen, um den Seitendruck, der auf den Kolbenkörper (11) während der Verbrennung an beiden Seiten des Kolbenbolzen-Nabenabschnittes (15) einwirkt, zu absorbieren.

8. Kolbenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rippenabschnitt (16) entlang der Innenwandung des Mantelabschnittes (13) gekrümmt ist.

9. Kolbenanordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Kolbenmantel-Verlängerungsabschnitte (13 A), die sich jeweils unterhalb eines Bodens des Mantelabschnittes (13) erstrecken.

10. Kolbenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelabschnitt (13) einen flachen Boden besitzt.

11. Kolbenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rippenabschnitt (16) zwei separate Abschnitte (16 A, 16 B) enthält, von denen jeder ein erstes, zweites und drittes gerades Segment besitzt, wobei das erste Segment (16 A) sich entlang der Innenwandung des Mantelabschnittes in einer Ebene, die die Längsachse des Kolbenbolzen-Nabenabschnittes (15) enthält, erstreckt und die zweiten und dritten Abschnitte (16 B) sich von den Enden des ersten Segmentes (16 A) jeweils zu den zweiten Bereichen erstrecken.

12. Kolbenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rippenabschnitt (16) vier separate Abschnitte enthält, von denen sich jeder von dem ersten Abschnitt zu dem zweiten Abschnitt erstreckt.