DE4141279A1 - Leichtmetallkolben fuer verbrennungsmotoren mit speziell geformten nabenbohrungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Aufweitungen der zylindrischen Bohrungsfläche nach radial außen in Richtung der Druck- und Gegendruck­ richtung sind vielfach aus Nabenfestigkeitsgründen heraus erforderlich. Solche Erweiterungen führen je­ doch zu einer Erhöhung des durch das Anschlagen des Kolbenbolzens in der Nabenbohrung im Motorbetrieb be­ wirkten Geräusches. Für eine Minimierung des durch den Kolbenbolzen insoweit bewirkten Betriebsgeräu­ sches ist ein möglichst geringes Kolbenbolzenspiel innerhalb der Nabenbohrungen des Kolbens optimal. Ein solches minimales Spiel, das insbesondere eine zylin­ drische Ausbildung der Nabenbohrung bei einem zylin­ drischen Kolbenbolzen voraussetzt, ist jedoch aus Gründen der erforderlichen Nabenfestigkeit in der Praxis häufig nicht realisierbar. Hinzu kommt, daß das Kolbenbolzenspiel innerhalb der Nabenbohrungen von dem kalten Motorzustand abhängig ist, da bei ei­ nem Bolzen aus Stahl und einem Kolben aus Leichtme­ tall das Kolbenbolzenspiel im Kaltzustand am gering­ sten ist.

Das von dem Kolbenbolzen ausgehende Laufgeräusch er­ klärt sich daraus, daß beim Anlagewechsel des Kolben­ bolzens in Richtung der Kolbenachse Aufschlagimpulse entstehen, die über Bolzen, Pleuel und Kurbelwelle auf die Lager übertragen werden. Konkret läßt sich die Kolbenbolzenlaufgeräuschentstehung wie folgt er­ klären.

Kurz vor der Geräuschentstehung liegt der Kolbenbol­ zen an der Unterseite der Naben des Kolbens aufgrund des relativ hohen Unterdrucks bei geschlossener Dros­ selklappe in der Luftansauganlage und der nach oben gerichteten Massenkraft an. Etwa 20-50 Grad der Kurbelwelle vor dem Zündtotpunkt wechselt der Kolben­ bolzen seine Anlage zur Nabenoberseite hin, wobei der dabei entstehende Aufschlagimpuls zu hörbaren Störge­ räuschen führt.

Hiervon ausgehend beschäftigt sich die Erfindung mit dem Problem, das im Motorbetrieb vom Anlagewechsel des Kolbenbolzens ausgehende Geräusch zu vermindern.

Eine Lösung dieses Problemes zeigt ein Kolben mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 auf.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung dieser Lösung ist Ge­ genstand des Anspruchs 2.

Zum Verständnis der Wirkung der erfindungsgemäßen Lö­ sung ist es wichtig zu wissen, daß der Kolbenbolzen in dem Bereich von etwa 20-50 Winkelgrad vor dem Zündtotpunkt jeweils betriebsbedingt an der zur Ge­ gendruckseite liegenden Hälfte der Nabenbohrung mit leichtem Druck anliegt. Ist dies der Fall, dann kann der bei dem Anlagewechsel in Richtung der Kolbenachse erfolgende Anlagewechsel des Kolbenbolzens durch eine Führung des Kolbenbolzens innerhalb der Nabenbohrung in Richtung einer Aufschlagimpulsverminderung beein­ flußt werden. Insoweit hat sich eine möglichst zylin­ drische Form der Nabenbohrung in dem Anlagebereich auf der Gegendruckseite der Nabenbohrung als äußerst wirksam gezeigt.

In bezug auf eine Aufschlagimpulsverminderung wäre daher der beste Weg, die zur Gegendruckseite des Kol­ bens liegende Nabenbohrungshälfte über die gesamte Länge der Nabenbohrung zylindrisch verlaufen zu las­ sen und die in Druck-Gegendruckrichtung notwendige Nabenbohrungsaufweitung ganz in die zur Druckseite des Kolbens liegende Nabenbohrungshälfte zu legen. In der Praxis ist dies leider nicht immer möglich. Die aus Gründen einer Einhaltung der notwendigen Nabenfe­ stigkeit erforderliche Nabenbohrungsaufweitung in Druck-Gegendruckrichtung ist erforderlich, weil sich der Kolbenbolzen in dieser Richtung durch eine im Mo­ torbetrieb durch Gaskräfte einstellende Abplattung horizontal erweitert. Sind die Nabenbohrungen bezüg­ lich ihrer Form nicht so ausgelegt, daß der Kolben­ bolzen sich entsprechend ohne Widerstand durch das Nabenbohrungsmaterial abplatten kann, kann es am Na­ benbohrungsumfang zu Nabenrissen kommen. Diese Risse liegen insbesondere in bezug auf die Kolbenbolzenach­ se am radial inneren Ende der Nabenbohrung. Der Grund hierfür ist, daß die Kolbenbolzenabplattung in diesem Bereich größer als an dem radial außen liegenden Ende der Nabenbohrungen ist.

Da es zur Verminderung des Aufschlagimpulses des Kol­ benbolzens durch geschickte Führung in der auf der Gegendruckseite des Kolbens liegenden Nabenbohrungs­ hälfte in der Regel ausreicht, daß die angestrebte kreisbogenförmige Führungsfläche lediglich über eine Teillänge der Nabenbohrungen gegeben ist, wird dieser Teilbereich in bezug auf die Kolbenachse möglichst weit nach radial außen gelegt, wenn eine durchgehend zylindrische Form über die gesamte Länge der Naben­ bohrungen aus Nabenfestigkeitsgründen nicht möglich ist. Insofern bietet sich dann die Lösung nach Pa­ tentanspruch 2 an.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen in Längsrichtung aufgeschnit­ tenen Kolben in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2-4 Ausschnitte aus der in Fig. 1 unge­ schnittenen Nabenbohrung.

Mit DS und GDS ist die Druck- und Gegendruckseite des betreffenden Kolbens angegeben.

Die schematisch dargestellten Nabenbohrungs-Innenfor­ men beziehen sich jeweils auf die in Fig. 1 hinten liegende ungeschnittene Nabenbohrung.

In Fig. 2 verläuft die Nabenbohrung über ihre gesamte Länge auf der zur Gegendruckseite des Kolbens liegen­ den Hälfte zylindrisch, während sie auf der Gegen­ hälfte eine durchgehend ovale Form aufweist.

In den Fig. 2-4 sind die zylindrischen Bereiche der Nabenbohrung mit A und die ovalen Bereiche jeweils mit B markiert.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist ein zylindrischer Bereich der auf der Gegendruckseite des Kolbens lie­ genden Hälfte der Nabenbohrung lediglich radial außen in bezug auf die Kolbenlängsachse vorgesehen. In al­ len übrigen Bereichen ist die Nabenbohrung oval aus­ gebildet, wobei der Ovalitätsgrad über die Länge der Nabenbohrung wechseln kann. Auf der zur Gegendruck­ seite gelegenen Hälfte der Nabenbohrung geht der ova­ le in den zylindrischen Bereich stetig über.

Eine weitere Variante besteht nach Fig. 4 darin, daß die Nabenbohrung auf der zur Druckseite des Kolbens gelegenen Hälfte durchgehend zylindrisch ausgebildet ist, während bei der Gegenhälfte radial innen zur Kolbenlängsachse eine ovale Form vorgesehen ist, die in bezug auf die Kolbenlängsachse nach radial außen zum Nabenbohrungsende hin wiederum in eine zylindri­ sche Form übergeht.

Denkbar sind noch eine Vielzahl weiterer Nabenboh­ rungsinnenformen, wobei es nach der Erfindung im Prinzip immer nur darauf ankommt, daß auf der zur Ge­ gendruckseite gelegenen Hälfte der Nabenbohrung zu­ mindest ein in Längsrichtung der Nabenbohrung befind­ licher Bereich vorgesehen ist, der möglichst nahe an einer zylindrischen Form liegt, während notwendige Ovalitäten weitgehendst auf der anderen Nabenboh­ rungshälfte anzubringen sind. Ferner ist es wichtig, daß in Fällen, in denen die auf der Gegendruckseite gelegene Hälfte aus Nabenfestigkeitsgründen nicht über die gesamte Länge zylindrisch oder zumindest na­ hezu zylindrisch ausgebildet werden kann, die erfor­ derlichen Nabenbohrungsovalformen zumindest weitge­ hend auf der zur Druckseite des Kolbens gelegenen Na­ benbohrungshälfte zu liegen kommen. Der Kolbenbolzen ist insbesondere aus Eisen oder Stahl.

Claims (2)

1. Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren mit Nabenbohrungen, die in Druck-Gegendruckrichtung des Kolbens von einer Zylinderfläche nach radial außen überragende Aufweitungen (Ovalformen) be­ sitzen und in denen ein Kolbenbolzen schwimmend gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zur Gegendruckseite (GDS) des Kolbens liegenden Hälfte der Nabenbohrung zumindest ein sich über eine Teillänge der Bohrung erstrecken­ der Bereich vorgesehen ist, der geringer von der Zylinderfläche abweicht als der auf der anderen Nabenbohrungshälfte gegenüberliegende Bereich, wobei dieser auf der Gegendruckseite (GDS) lie­ gende Teilbereich wenigstens teilweise zylin­ drisch sein kann.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der auf der Gegendruckseite (GDS) liegenden Nabenhälfte, der am wenigsten oder gar nicht von einer zylindrischen Form abweicht, in bezug auf die Kolbenachse am radial äußeren Ende der Nabenbohrung liegt.