DE4123029A1 - Kolben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der US-PS 20 33 226 ist ein aus Einzelteilen zusammenge­ bauter Kolben bekannt, dessen Kolbenschaft und Kolbenboden aus Blech besteht und der im Inneren parallel zur Kolbenlängsachse verlaufende radiale Verstärkungsrippen aufweist.

Diese Verstärkungsrippen sind aufgrund ihrer Anordnung und Gestaltung weder in der Lage, die auf den Kolben wir­ kenden Kräfte aufzunehmen und auf den Kolbenbolzen zu über­ tragen noch eine genügende Formstabilität des Kolbens zu sichern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für Hub­ kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen zu schaffen, der neben einem geringen Gewicht eine sehr hohe Festigkeit und Formstabilität aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen kenn­ zeichnen.

Mit der Erfindung wird die Herstellung eines leichten Kolbens ermöglicht, der infolge des erfindungsgemäßen Aufbaues höchste Festigkeitsanforderungen erfüllt. Der erfindungsgemäße Kolben kann entsprechend des gewünschten Temperaturverhaltens in vor­ teilhafter Weise in einer ungekühlten oder in einer gekühlten Ausführung hergestellt werden.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in zwei Ausführungen schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine ungekühlte Ausführung eines erfindungsgemäßen Kol­ bens in einem Längsschnitt,

Fig. 2 die pleuelseitige Ansicht des Kolbens nach Fig. 1, in Höhe der Kolbenbolzenbohrung teilweise geschnitten,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Randbereich des Stützkörpers im Kolbeninneren,

Fig. 4 eine gekühlte Ausführung eines erfindungsgemäßen Kol­ bens in einem Längsschnitt,

Fig. 5 die pleuelseitige Ansicht des Kolbens nach Fig. 4, in Höhe der Kolbenbolzenbohrung teilweise geschnitten.

Mit dem Bezugszeichen 1 ist ein erfindungsgemäßer Kolben in einer ungekühlten Ausführung entsprechend den Darstellungen in Fig. 1 und 2 bezeichnet.

Die äußere Form wird durch einen Kolbenmantel 2 und einen Kol­ benboden 3 gebildet. Diese Teile sind aus Stahl mittels ge­ eigneter Verfahren wie Drehen, Schmieden, Drücken o. ä. ge­ trennt hergestellt und etwa im Bereich der Kolbenringzone mit einer geeigneten Überlappung 4 zu einem Kolbenhüllkörper 5 zu­ sammengefügt. Der Kolbenboden 3 kann flach gestaltet oder mit Ausformungen z. B. einer Brennraummulde 6 oder Ventiltaschen versehen sein.

Im weiteren besteht der Kolben 1 aus einem wabenartigen Stütz­ körper 7, der das im wesentlichen zylinderförmige Innere des Kolbenhüllkörpers 5 bis auf die erforderlichen Aussparungen für den Kolbenbolzen und das Pleuelauge vollständig ausfüllt. Die­ ser Stützkörper 7, von dem in Fig. 3 ein Teilausschnitt aus dem Randbereich vergrößert dargestellt ist, besteht in seinem Kern­ bereich 8 aus einer Vielzahl von parallel zueinander und zur Kolbenlängsachse 9 sowie quer zur Kolbenbolzenlängsachse 10 angeordneter Stegbleche 11. Der parallele Abstand zwischen den einzelnen Stegblechen 11 wird durch zick-zack-förmig gewellte Versteifungsbleche 12 gebildet, deren parallel zueinander ver­ laufende Biegekanten 13 ebenfalls in Richtung der Kolbenlängs­ achse 9 verlaufend angeordnet sind und jeweils einen annähernd rechten Winkel einschließen. Die Versteifungsbleche 12 sind derart angeordnet, daß sich die jeweils beidseitig an ein Steg­ blech 11 anstoßenden Biegekanten 13 gegenüberliegen, so daß innerhalb des Kernbereiches 8 eine Vielzahl von durchgehenden, geradlinig und parallel zueinander verlaufende Verstrebungen 14 entstehen. Diese Verstrebungen 14 sind in einem Winkel von an­ nähernd 45° zu den Stegblechen 11 angeordnet und verlaufen in zwei um einen Winkel von annähernd 90° zueinander versetzten Richtungen, so daß ein Quasi-Karosystem entsteht.

Die Stegbleche 11 und die Versteifungsbleche 12 werden zu­ nächst in der beschriebenen Anordnung zusammengelegt und gehef­ tet, wobei der dabei entstehende wabenartige Körper mit Übermaß gefertigt wird, aus dem ein oder mehrere Kernbereichsstücke herausgearbeitet werden können. Mittels eines geeigneten Ver­ fahrens, vorzugsweise Senk- oder Drahterosionsverfahren, wird anschließend eine exakte zylindrische und kolbenbodenseitig an­ gepaßte Form des Kernbereiches 8 hergestellt. Dieser so bear­ beitete Kernbereich 8 wird von einer Blechhülse 15 umschlossen, deren Außenseite mit einer Übergangsschicht 16 mit der Breite "a" aus zick-zack-förmig gewelltem Blech ummantelt ist. Die Biegekanten 13 der Übergangsschicht 16 verlaufen ebenfalls parallel zur Kolbenlängsachse 9.

Sämtliche Bleche des Stützkörpers 7 bestehen aus einem vorzugs­ weise bis zu 0,5 mm dicken Stahlblech, von denen die Ver­ steifungsbleche 12 beidseitig mit einem Hartlot beschichtet sind.

Quer zur Kolbenlängsachse 9 wird im rechten Winkel zu den Steg­ blechen 11 vorzugsweise durch Senkerosionsverfahren eine den Stützkörper 7 durchragende Durchführung eingearbeitet, in die eine Kolbenbolzenbuchse 17 aus Stahl annähernd spielfrei ein­ gebracht wird. Diese Kolbenbolzenbuchse 17 durchragt den Stütz­ körper 7 beidseitig bis in die Übergangsschicht 16, ragt jedoch nicht über diese hinaus, so daß die zylindrische Außenkontur des Stützkörpers 7 erhalten bleibt. Danach wird der komplette, durch Heftungen zusammengehaltene Stützkörper 7 von der Pleuel­ seite in den Innenraum des Kolbenhüllkörpers 5 eingeführt, so daß die Außenkonturen des Stützkörpers 7 allseitig an den Innenwandungen des Kolbenhüllkörpers 5 anliegen. Der Kolbenroh­ ling wird nun unter Luftabschluß auf eine Temperatur aufge­ heizt, bei der sich das Hartlot verflüssigt und dadurch alle aneinander angrenzenden Bauteile des Kolbens 1 miteinander ver­ lötet werden.

Neben der vorteilhaften Beschichtung der Versteifungsbleche 12 mit einer Hartlotschicht sind andere Arten der Zuführung des Lotes in das Kolbeninnere möglich, z. B. durch die Anordnung von Hartlotdepots oder durch Tauchlöten.

Es wird ein Hartlot verwendet, dessen Temperaturbeständigkeit so hoch liegt, daß die maximal auftretenden Betriebstemperatu­ ren des Kolbens, insbesondere des Kolbenbodens 3 keine Gefähr­ dung der Lötverbindungen darstellen. Nach der Verlötung der Einzelteile des formsteifen Stützkörpers 7 in sich, mit dem Kolbenmantel 2, dem Kolbenboden 3 sowie der Überlappung 4 ist ein außerordentlich steifer, dennoch relativ leichter Kolben 1 entstanden, der aufgrund der Ausrichtung der Haltebleche 11 quer zur Kolbenbolzenlängsachse 10, insbesondere in Richtung der größten Querbeanspruchung während des Betriebes maximal belastbar ist.

Zur Fertigstellung wird mittels geeigneter Verfahren, vorzugs­ weise durch Senkerosionsverfahren, von der pleuelseitigen Stirnfläche des Kolbens 1 ein zur Aufnahme des Pleuelauges ge­ eigneter, mittiger Hohlraum 18 eingearbeitet. Dieser Hohlraum 18 teilt die Kolbenbolzenbuchse 17 in zwei symmetrisch zuein­ ander angeordnete Teile. Bei diesem Bearbeitungsschritt erfolgt gleichzeitig die abschließende Bearbeitung der verbleibenden pleuelseitigen Stirnfläche.

Im weiteren werden die Durchbrüche der Kolbenbolzenbohrung 19 durch den Kolbenmantel 2 hergestellt und die Kolbenbolzen­ bohrung 19 sowie die Außenkontur des Kolbenschaftes 2 mittels geeigneter Verfahren fertig bearbeitet.

In der Darstellung nach Fig. 4 und 5 ist ein erfindungsgemäßer Kolben 20 in einer kühlbaren Ausführung dargestellt. Die Küh­ lung erfolgt durch Kühlmittel (bei Brennkraftmaschinen vor­ nehmlich durch Motorenöl), welches mittels entsprechender Düsen nach oben durch die Übergangsschicht 21 gespritzt wird, wobei der vom Kühlmittel angespritzte Abschnitt der Übergangsschicht 21 auf einer Seite des Kolbens 20 quer zur Kolbenbolzenlängs­ achse 22 angeordnet ist. Zur leichteren Durchströmung der im wesentlichen dreieckigen, parallel zur Kolbenlängsachse ver­ laufenden Kanäle 23 kann die Breite "a" der Übergangsschicht 21 gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 und 2 vergrößert werden.

Der Kolbenboden 24 ist in der gekühlten Ausführung doppelwandig ausgeführt, wobei zwischen dem brennraumseitigen Wandteil 25 und dem inneren Wandteil 26 durchströmbare Räume angeordnet sind.

Entsprechend der jeweiligen konkreten Gestalt des Kolbenbodens 24 können diese durchströmbaren Räume unterschiedlich ausge­ bildet sein, wobei diese jedoch in Querrichtung, d. h. quer zur Kolbenbolzenlängsachse 22 durchströmbar ausgebildet sind. Im Ausführungsbeispiel, in dem ein Kolben 20 mit einer in den Kolbenboden 24 eingelassenen Brennraummulde 27 beschrieben wird, werden die quer durchströmbaren Räume zwischen den Wand­ teilen 25, 26 im äußeren Bereich, der ringförmig um die Brenn­ raummulde 27 angeordnet ist, durch im wesentlichen in Quer­ richtung angeordnete Stützrippen 28 unterteilt. Diese Stützrip­ pen 28 bilden durch ihre Anordnung Kanäle 29, deren äußerer Abschluß an die Kanäle 23 der Übergangsschicht 21 anschließt. Mindestens ein Teil der Kanäle 29 mündet in den in axialer Richtung verlaufenden Bereich zwischen den Wandteilen 25, 26, der durch radial verlaufende Stege 30 in einzelne in Kolben­ längsrichtung verlaufende durchströmbare Segmente 31 unterteilt ist. Im weiteren sind im mittigen flachen Bereich der Brenn­ raummulde 27 die Wandteile 25, 26 durch eine Vielzahl von Noppen 32 miteinander verbunden. Durch diese Anordnung kann das auf einer Seite des Kolbens 20 in die Kanäle 23 eingespritzte Kühl­ mittel mindestens teilweise die Räume zwischen den Wandteilen 25, 26 des Kolbenbodens 24 in Querrichtung durchströmen und kühlen. Nach dem Durchgang durch die Räume fließt das aufge­ heizte Kühlmittel durch die Kanäle 23 in der Übergangsschicht 21 auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens 20 nach unten ab.

Die Stützrippen 28, Stege 30 und Noppen 32 sind so angeordnet, daß sie neben der Führung des Kühlmittels das brennraumseitige Wandteil 25 und das innere Wandteil 26 gegeneinander abstützen und so einen formsteifen Kolbenboden 24 bilden. Im weiteren wird durch die Anordnung der Stützrippen 28, Stege 30 und Nop­ pen 32 die wirksame Kühlfläche zwischen den Wandteilen 25, 26 wesentlich vergrößert.

Die Herstellungsweise des gekühlten Kolbens 20 unterscheidet sich im Wesen nicht von der des ungekühlten Kolbens 1. Das bei dieser Ausführung zusätzliche innere Wandteil 26 des Kolbenbodens 24 wird wie die anderen Teile mittels geeigneter Verfahren vorgefertigt. Die Stützrippen 28, Stege 30 und Noppen 32 können entweder an das brennraumseitigen Wandteil 25 oder an das inneren Wandteil 26 angeformt sein. Nach dem Zusammenbau werden die Wandteile 25, 26 des Kolbenbodens 24 miteinander und mit den weiteren Bauteilen des Kolbens 20 bei entsprechender Temperatur unter Ausschluß von Sauerstoff durch Aufschmelzen des Lotes miteinander verbunden. Die Fertigstellung erfolgt wie bei dem ungekühlten Kolben 1.

Eine von der beschriebenen Herstellungsweise abweichende Art der Herstellung eines erfindungsgemäßen Kolbens mittels eines geeigneten Gießverfahrens ist ebenfalls denkbar.

Claims (12)

1. Kolben für eine Hubkolbenmaschine mit einem aus Kolbenboden und Kolbenmantel bestehenden relativ dünnwandigen Kolbenhüll­ körper, mit im Inneren des Kolbenhüllkörpers angeordneten La­ gerbuchsen zur Aufnahme eines Kolbenbolzens und mit im Inneren des Kolbenhüllkörpers befestigten Bauteilen zur Verstärkung des Kolbenhüllkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Kolbenhüllkörpers (5) von einem aus Blechen wabenartig zusammengefügten Stützkörper (7) ausgefüllt ist, in dem ein zentrischer, zur Pleuelseite offener und der Gestalt des Pleuelauges entsprechender Hohlraum (18) angeordnet ist, an den beidseitig die Kolbenbolzenbuchsen (17) angrenzen, die im Stützkörper (7) quer zu einer Kolbenlängsachse (9) eingelassen sind.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (7) aus einer Vielzahl von in Richtung der Kolbenlängsachse (9) parallel zueinander ausgerichteter Steg­ bleche (11) besteht, zwischen denen gewellt verlaufende Ver­ steifungsbleche (12) angeordnet sind, deren jeweilige Biege­ kanten (13) mit den Halteblechen (11) verbunden sind.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegbleche (11) quer zur Kolbenbolzenlängsachse (10) verlaufen.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zueinander verlaufenden Biegekanten (12) der Versteifungsbleche (11) derartig angeordnet sind, daß sich die beidseitig an ein Stegblech (10) anstoßenden Biegekanten (12) jeweils gegenüberliegen und eine Vielzahl geradlinig durch­ gehender und parallel zueinander angeordneter Verstrebungen (13) bilden.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegekanten (12) jeweils annähernd rechte Winkel ein­ schließen, wobei die Verstrebungen (14) in einem Winkel von annähernd 45° zu den Stegblechen (11) angeordnet und in zwei um einen Winkel von annähernd 90° zueinander versetzten Richtungen verlaufen.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegekanten (12) in Richtung der Kolbenlängsachse (9) verlaufen.

7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (7) von einer Blechhülse (15) umschlossen ist, deren Außenseite mit einer die Verbindung zum Kolbenschaft (2) herstellenden Übergangsschicht (16, 21) aus in radialer Richtung gewellt verlaufenden Blech ummantelt ist, dessen Bie­ gekanten (13) parallel zur Kolbenlängsachse (9) verlaufen.

8. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche des Stützkörpers (6) und der Übergangsschicht (16, 21) aus einem bis zu 0,5 mm dicken Stahlblech bestehen.

9. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche des Stützkörpers (6) und der Übergangsschicht (16, 21) miteinander, mit den Kolbenbolzenbuchsen (17) und dem Kolbenhüllkörper (5) durch Hartlötungen verbunden sind.

10. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (24) doppelwandig ausgebildet ist, zwischen dessen brennraumseitigen Wandteil (25) und dem inneren Wandteil (26) durchströmbare Kühlräume vorgesehen sind.

11. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an den Wandteilen (25 oder 26) in die Kühlräume ragende und die Wandteile (25, 26) gegeneinander versteifende Bauteile an­ gebracht sind, die im wesentlichen quer zur Kolbenbolzenlängs­ achse (22) verlaufende, durchströmbare Kanäle (29) bilden.

12. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (29) beidseitig mit den parallel zur Kolben­ längsachse (9) senkrecht verlaufenden nach unten offenen Kanä­ len (23) der Übergangsschicht (21) in Verbindung stehen.