DE4141279C5

DE4141279C5 - Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren mit speziell geformten Nabenbohrungen

Info

Publication number: DE4141279C5
Application number: DE4141279A
Authority: DE
Inventors: Hugo Gabele; Herbert Schelling; Michael Tunsch
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 1991-12-14
Filing date: 1991-12-14
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2011-12-15
Also published as: DE4141279A1; DE4141279C2

Abstract

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

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aufweitungen der zylindrischen Bohrungsfläche nach radial außen in Richtung der Druck- und Gegendruckrichtung, wie aus der DE-OS 16 50 206 und DE-AS 21 52 462 bekannt, sind vielfach aus Nabenfestigkeitsgründen heraus erforderlich. Solche Erweiterungen führen jedoch zu einer Erhöhung des durch das Anschlagen des Kolbenbolzens in der Nabenbohrung im Motorbetrieb bewirkten Geräusches. Für eine Minimierung des durch den Kolbenbolzen insoweit bewirkten Betriebsgeräusches ist ein möglichst geringes Kolbenbolzenspiel innerhalb der Nabenbohrungen des Kolbens optimal. Ein solches minimales Spiel, das insbesondere eine zylindrische Ausbildung der Nabenbohrung bei einem zylindrischen 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 einem Bolzen aus Stahl und einem Kolben aus Leichtmetall das Kolbenbolzenspiel im Kaltzustand am geringsten ist.
Das von dem Kolbenbolzen ausgehende Laufgeräusch erklärt sich daraus, daß beim Anlagewechsel des Kolbenbolzens in Richtung der Kolbenachse Aufschlagimpulse entstehen, die über Bolzen, Pleuel und Kurbelwelle auf die Lager übertragen werden. Konkret läßt sich die Kolbenbolzenlaufgeräuschentsteheng wie folgt erklären.
Kurz vor der Geräuschentstehung liegt der Kolbenbolzen an der Unterseite der Naben des Kolbens aufgrund des relativ hohen Unterdrucks bei geschlossener Drosselklappe in der Luftansauganlage und der nach oben gerichteten Massenkraft an. Etwa 20-50 Grad der Kurbelwelle vor dem Zündtotpunkt wechselt der Kolbenbolzen seine Anlage zur Nabenoberseite hin, wobei der dabei entstehende Aufschlagimpuls zu hörbaren Störgeräuschen 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.
Zum Verständnis der Wirkung der erfindungsgemäßen Lösung ist es wichtig zu wissen, daß der Kolbenbolzen in dem Bereich von etwa 20-50 Winkelgrad vor dem Zündtotpunkt jeweils betriebsbedingt an der zur Gegendruckseite 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 beeinflußt werden. Insoweit hat sich eine möglichst zylindrische 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 Kolbens liegende Nabenbohrungshälfte über die gesamte Länge der Nabenbohrung zylindrisch verlaufen zu lassen 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 Nabenfestigkeit erforderliche Nabenbohrungsaufweitung in Druck-Gegendruckrichtung ist erforderlich, weil sich der Kolbenbolzen in dieser Richtung durch eine im Motorbetrieb durch Gaskräfte einstellende Abplattung horizontal erweitert. Sind die Nabenbohrungen bezüglich ihrer Form nicht so ausgelegt, daß der Kolbenbolzen sich entsprechend ohne Widerstand durch das Nabenbohrungsmaterial abplatten kann, kann es am Nabenbohrungsumfang zu Nabenrissen kommen. Diese Risse liegen insbesondere in bezug auf die Kolbenbolzenachse 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 Kolbenbolzens durch geschickte Führung in der auf der Gegendruckseite des Kolbens liegenden Nabenbohrungshälfte in der Regel ausreicht, daß die angestrebte kreisbo genförmige Führungsfläche lediglich über eine Teillänge der Nabenbohrungen gegeben ist, wird dieser Teilbereich in bezug auf die Kolbenachse möglichst weit nach radial außen gelegt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigen:
1 einen in Längsrichtung aufgeschnittenen Kolben in perspektivischer Darstellung und
2 einen Ausschnitt aus der in 1 ungeschnittenen Nabenbohrung.
Mit DS und GDS ist die Druck- und Gegendruckseite des betreffenden Kolbens angegeben.
Die schematisch dargestellte Nabenbohrungs-Innenform bezieht sich auf die in 1 hinten liegende ungeschnittene Nabenbohrung.
In 2 ist der zylindrische Bereich der Nabenbohrung mit A und die ovalen Bereiche mit B markiert.
Bei der Ausführung nach 2 ist ein zylindrischer Bereich der auf der Gegendruckseite des Kolbens liegenden Hälfte der Nabenbohrung lediglich radial außen in bezug auf die Kolbenlängsachse vorgesehen. In allen übrigen Bereichen ist die Nabenbohrung oval ausgebildet, wobei der Ovalitätsgrad über die Länge der Nabenbohrung wechseln kann. Auf der zur Gegendruckseite gelegenen Hälfte der Nabenbohrung geht der ovale in den zylindrischen Bereich stetig über.
Denkbar sind eine Vielzahl weiterer Nabenbohrungsinnenformen, wobei es nach der Erfindung im Prinzip immer nur darauf ankommt, daß auf der zur Gegendruckseite gelegenen Hälfte der Nabenbohrung zumindest ein in Längsrichtung der Nabenbohrung befindlicher Bereich vorgesehen ist, der möglichst nahe an einer zylindrischen Form liegt, während notwendige Ovalitäten weitgehendst auf der anderen Nabenbohrungshälfte 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 nahezu zylindrisch ausgebildet werden kann, die erfor derlichen Nabenbohrungsovalformen zumindest weitgehend auf der zur Druckseite des Kolbens gelegenen Nabenbohrungshälfte zu liegen kommen. Der Kolbenbolzen ist insbesondere aus Eisen oder Stahl.

Claims

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