Gebauter Kolben und Verfahren zur Vermeidung von Beschädigungen in Kontakt zueinander stehender Flächen des Oberteiles und des Unterteiles des Kolbens Built piston and method for avoiding damage to surfaces of the upper part and the lower part of the piston in contact with one another
Die Erfindung betrifft einen gebauten Kolben und ein Verfahren zur Vermeidung von Beschädigungen in Kontakt zueinander stehender Flachen des Oberteiles und des Unterteiles des Kolbens nach dem Oberbegriff des Anspruches 1The invention relates to a built-in piston and a method for avoiding damage to the surfaces of the upper part and the lower part of the piston that are in contact with one another according to the preamble of claim 1
Das Problem, dass wegen der wahrend des Motorbetπebes auf einen gebauten Kolbens einwirkenden Kräfte im Bereich der gegenseitigen Abstutzflachen des Oberteiles und des Unterteiles des Kolbens Kaltschweißstellen entstehen, die wegen der Relativbewegungen der Kolbenteile im Motorbetrieb zu einer Beschädigung der Abstutzflachen fuhren, ist aus der Patentschrift DE 41 29 746 C2 bekannt Als Losung dieses Problemes wird angegeben, zumindest eine der beiden Abstutzflachen mittels umlaufender und gegebenenfalls zusätzlich axial angeordneten Nuten derart zu profilieren, dass die Stege zwischen den Nuten elastisch nachgiebig werden, sodass sich die einwirkenden Kräfte gleichmäßig auf die gesamte Abstutzflache verteilen, was die Entstehung der Kaltschweißstellen vermeiden soll Nachteilig ist, dass hierbei die Entstehung von Kaltschweißstellen nur verhindert wird, wenn die auf den Kolben einwirkenden Kräfte eine bestimmte Große nicht überschreiten, sodass das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Vermeidung von Beschädigungen in Kontakt zueinander stehender Flachen des Oberteils und des Unterteils bei den mechanisch hochbelasteten, gebauten Kolben moderner Motore nicht anwendbar istThe problem that, due to the forces acting on a built-in piston during engine operation, cold welds occur in the area of the mutual support surfaces of the upper part and the lower part of the piston, which lead to damage to the support surfaces due to the relative movements of the piston parts during engine operation, is known from the patent DE 41 29 746 C2 known As a solution to this problem, it is stated that at least one of the two support surfaces should be profiled by means of circumferential and possibly additionally axially arranged grooves in such a way that the webs between the grooves become elastically flexible, so that the forces acting are distributed evenly over the entire support surface What should avoid the formation of cold welds A disadvantage is that the formation of cold welds is only prevented if the forces acting on the piston do not exceed a certain size, so that is from the prior art Known methods for avoiding damage to surfaces of the upper part and the lower part in contact with one another cannot be used in the mechanically highly loaded, built pistons of modern engines
Hiervon ausgehend egt der Erfindung das Problem zugrunde, den angegebenen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden
Gelost wird das Problem mit den in den Kennzeichen des Hauptanspruches und der Nebenanspruche stehenden Merkmalen Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des UnteranspruchesProceeding from this, the invention is based on the problem of avoiding the stated disadvantage of the prior art The problem is solved with the features in the characterizing part of the main claim and the secondary claims. A practical embodiment of the invention is the subject of the subclaim
Hierbei wird 01 in die Nuten eingeleitet, das sich über die gesamte Abstutzflache verteilt und dadurch auch bei hoher belasteten Kolben die Bildung von Kaltschweißstellen und Mikroverschweißungen verhindert, die bei den relativ zueinander stattfindenden Bewegungen der Kolbenteile zu einer Beschädigung der Abstutzflachen fuhren wurdenHere 01 is introduced into the grooves, which is distributed over the entire support surface and thereby prevents the formation of cold welds and micro-welds even with highly loaded pistons, which would damage the support surfaces during the movements of the piston parts relative to each other
Einige Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand derSome exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the
Zeichnungen beschrieben Es zeigenDrawings described
Fig 1 einen ausschnittsweise dargestellten Längsschnitt durch einen aus einem Oberteil und einem Unterteil bestehenden Kolben entlang der Linie DD in Fig 3,1 shows a partial longitudinal section through a piston consisting of an upper part and a lower part along the line DD in FIG. 3,
Fig 2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes A aus Fig 1 ,2 is an enlarged view of section A from FIG. 1,
Fig 3 einen Schnitt durch das Unterteil des in Fig 1 dargestellten Kolbens entlang der Linie CC in Fig 1 ,3 shows a section through the lower part of the piston shown in FIG. 1 along the line CC in FIG. 1,
Fig 4 eine Draufsicht auf die kolbenbodenseitige Auflageflache des Unterteiles des in Fig 1 gezeigten Kolbens,4 shows a top view of the piston-side bearing surface of the lower part of the piston shown in FIG. 1,
Fig 5 einen ausschnittsweise dargestellten Längsschnitt durch eine Ausgestaltung des erfindungsgemaßen und aus einem Ober- und einem Unterteil bestehenden Kolbens entlang der Linie BB in Fig 6 und5 shows a partial longitudinal section through an embodiment of the piston according to the invention and consisting of an upper and a lower part along the line BB in FIGS. 6 and
Fig 6 eine Draufsicht auf die kolbenbodenseitige Auflageflache des Unterteiles des in Fig 5 dargestellten KolbensFig. 6 is a plan view of the piston bottom-side support surface of the lower part of the piston shown in Fig. 5
Fig 1 zeigt einen ausschnittsweise im Längsschnitt entlang der abgeknickten Linie DD in Fig 3 dargestellten Kolben 1 , der aus einem Unterteil 2 und einem mittels einer Dehnschraube 3 damit verbundenen Oberteil 4 besteht Nahe dem Kolbenboden 5 weist der Kolben 1 einen umlaufenden und radial außen liegenden Kuhlkanal 6 auf, der teils in das Oberteil 4 und teils in das Unterteil 2 des Kolbens
1 eingeformt ist Der in des Oberteil 4 eingeformte, kolbenbodenseitige Bereich des Kuhlkanals 6 wird vom Kolbenboden 5, radial außen von einer Ringwand 7 für eine auf der radialen Außenseite des Kolbens 1 angeordnete Ringpartie 8, und radial innen von einem an den Kolbenboden 5 angeformten Oberteilfuß 9 begrenzt Der in das Unterteil 2 des Kolbens 1 eingeformte, schaftseitige Bereich des Kuhlkanals 6 wird radial außen von einer Schaftabstutzung 10 und radial innen von einem Auflagenfuß 1 1 begrenztFig. 1 shows a detail in longitudinal section along the bent line DD in Fig. 3 piston 1, which consists of a lower part 2 and an upper part 4 connected to it by means of an expansion screw 3 6 on, partly in the upper part 4 and partly in the lower part 2 of the piston 1 is formed in the upper part 4, the piston crown-side area of the cooling channel 6 is from the piston crown 5, radially on the outside by an annular wall 7 for an annular part 8 arranged on the radial outside of the piston 1, and radially on the inside by an upper part formed on the piston crown 5 9 limited The shaft-side region of the cooling channel 6 molded into the lower part 2 of the piston 1 is delimited radially on the outside by a shaft support 10 and radially on the inside by a support foot 11
In die schaftseitige Stirnflache der Ringwand 7 ist radial innen eine stufenförmige Ausnehmung 21 eingebracht, die im Querschnitt eine zu einem Bund 22 komplementäre Form hat, der auf der kolbenbodenseitigen Stirnflache der Schaftabstutzung 10 angeordnet ist, sodass beim Zusammenbau des Kolbens 1 das Oberteil 4 über die Ausnehmung 21 und den Bund 22 gegenüber dem Unterteil 2 zentrierbar istIn the shaft-side end face of the annular wall 7, a step-shaped recess 21 is made radially on the inside, which in cross section has a shape that is complementary to a collar 22, which is arranged on the piston-side end face of the shaft support 10, so that when the piston 1 is assembled, the upper part 4 is over the Recess 21 and the collar 22 can be centered relative to the lower part 2
Zentral weist der Kolben 1 in seinem kolbenbodenseitigen Bereich einen Sammelraum 12 für Kuhlol auf, der vom Kolbenboden 5 und radial außen teils von dem Oberteilfuß 9 und teils von der Nabenabstutzung 1 1 begrenzt ist Mittels in radialer Richtung in dem Auflagenfuß 1 1 angeordneter und über den Umfang verteilter Uberlaufkanale 13 ist der Sammelraum 12 mit dem Kuhlkanal 6 verbunden Schaftseitig ist der Sammelraum 12 über weitere in radialer Richtung liegende Ablauf kanale 14 mit dem schaftseitigen Kolbeninnenraum 15 verbundenCentrally, the piston 1 in its piston crown-side area has a collecting space 12 for Kuhlol, which is delimited by the piston crown 5 and radially on the outside partly by the upper part foot 9 and partly by the hub support 11 by means arranged in the radial direction in the support foot 11 and via the Scope of distributed overflow channels 13, the collecting chamber 12 is connected to the cooling channel 6. On the shaft side, the collecting chamber 12 is connected to the piston-side piston interior 15 via further outlet channels 14 lying in the radial direction
Fig 2, eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes A aus Fig 1 , zeigt im Querschnitt den schaftseitigen Bereich des Oberteilfußes 9, der über seine schaftseitige Stirnflache 16 mit der kolbenbodenseitigen Auflageflache 17 des Auflagen- fußes 11 in Kontakt steht Dargestellt ist einer der in dem Auflagenfuß 11 eingebrachten Uberlaufkanale 13, die den Kuhlkanal 6 mit dem Sammelraum 12 verbinden Diese Uberlaufkanale 13 sind, wie in Fig 2 beispielhaft gezeigt ist, über in axialer Richtung angeordnete Bohrungen 18 mit flachen, im Querschnitt linsen-
formigen Schmiernuten 19 verbunden, die in die Auflageflache 17 eingeformt sind und eine Tiefe von 10 μm bis 500 μm aufweisenFIG. 2, an enlarged illustration of the detail A from FIG. 1, shows in cross section the region of the upper part 9 on the shaft side, which is in contact with the bearing surface 17 on the piston base side 17 of the supporting foot 11 via its end surface 16 on the piston side. One is shown in the supporting foot 11 introduced overflow channels 13 which connect the cooling channel 6 to the collecting space 12 These overflow channels 13 are, as shown by way of example in FIG. 2, via bores 18 arranged in the axial direction with flat cross-sectionally Shaped lubrication grooves 19 connected, which are molded into the support surface 17 and have a depth of 10 microns to 500 microns
Fig 3, ein Querschnitt durch den Kolben 1 entlang der Linie CC in Fig 1 , zeigt mehrere über den Umfang des Auflagenfußes 11 verteilte, in radialer Richtung liegende Uberlaufkanale 13 mit den in diese Kanäle mundenden Bohrungen 183, a cross section through the piston 1 along the line CC in FIG. 1, shows a plurality of overflow channels 13, which are distributed over the circumference of the support foot 11 and are located in the radial direction, with the bores 18 opening into these channels
Gemäß Fig 4, einer Draufsicht auf die kolbenbodenseitige Auflageflache 17 des Unterteiles 2 des Kolbens 1 , sind die Schmiernuten 19 kreisförmig ausgebildet und koaxial angeordnet Zu erkennen sind auch die in die Schmiernuten 19 einmundenden Bohrungen 18According to FIG. 4, a top view of the bearing surface 17 on the piston bottom side of the lower part 2 of the piston 1, the lubrication grooves 19 are circular and are arranged coaxially. The bores 18 embedding into the lubrication grooves 19 can also be seen
Über in den Figuren nicht dargestellte Zuflussoffnungen gelangt Kuhlol in den Kuhlkanal 6, fließt über die Uberlaufkanale 13 in den Sammelraum 12 und gelangt von dort über die Ablaufkanale 14 wieder in den Kolbeninnenraum 15 Wahrend sich das Kuhlol hierbei in den Uberlaufkanalen 13 befindet, wird ein Teil hiervon wegen der schnellen Hin- und Herbewegungen des Kolbens 1 wahrend des Motorbetriebes über die Bohrungen 18 in die Schmiernuten 19 befordert, worin es sich wegen des Kapillareffektes über den gesamten zirkulären Umfang der Schmiernuten 19 ausbreitetVia inflow openings (not shown in the figures), Kuhlol enters the cooling channel 6, flows via the overflow channels 13 into the collecting space 12 and from there via the outlet channels 14 back into the piston interior 15. While the Kuhlol is in the overflow channels 13, part becomes this is due to the rapid reciprocating movements of the piston 1 during engine operation via the bores 18 into the lubrication grooves 19, in which it spreads over the entire circular circumference of the lubrication grooves 19 due to the capillary effect
Wahrend des Motorbetriebes ist es unvermeidbar, dass die Stirnflache 16 des Oberteilfußes 9 und die Auflageflache 17 des Auflagenfußes 1 1 wegen der von den Verbrennungsgasen auf den Kolben 1 ausgeübten Kraft mit großem Druck aufeinander gepresst werden, wodurch sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kolben zwischen der Stirnflache 16 und der Auflageflache 17 Mikroverschweißungen ergeben Anschließend werden wegen der bei den schnellen Hin- und Herbewegungen des Kolbens 1 auf das Oberteil 4 wirkenden Massenhafte die Stirnflache 16 und die Auflageflache 17 kurzzeitig voneinander getrennt, wodurch die Mikroverschweißungen aufbrechen und zu einem erhöhten Verschleiß der Stirnflache 16 und der Auflageflache 17 fuhren Das in den Schmier-
nuten 19 des Kolbens 1 gemäß der vorliegenden Erfindung befindliche Ol verhindert dies, indem immer dann, wenn sich die Stirnflache 16 und die Auflageflache 17 voneinander trennen, Ol von den Schmiernuten 19 zwischen diese beiden Flachen 16, 17 gelangt, das die Flachen 16, 17 schmiert und damit die Mirkover- schweißungen verhindertDuring engine operation, it is unavoidable that the end face 16 of the upper part foot 9 and the contact surface 17 of the contact foot 11 are pressed against one another with great pressure because of the force exerted by the combustion gases on the piston 1, as a result of which those known from the prior art are known Pistons between the end face 16 and the support surface 17 result in micro-welds. Because of the masses acting on the upper part 4 during the rapid reciprocating movements of the piston 1, the end face 16 and the support surface 17 are briefly separated from one another, whereby the micro-welds break open and increase Wear of the end face 16 and the bearing surface 17 cause the lubricating Grooves 19 of the piston 1 according to the present invention prevent this by always getting oil from the lubricating grooves 19 between these two surfaces 16, 17 when the end face 16 and the support surface 17 separate from one another, which causes the surfaces 16, 17 lubricates and thus prevents the micro welds
Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel befinden sich die Schmiernuten 19 auf der Auflageflache 17 des Auflagenfußes 11 Sie können aber auch in die Stirnflache 16 des Oberteilfußes 9 oder in beide Flachen 16 und 17 eingeformt seinIn the present exemplary embodiment, the lubrication grooves 19 are located on the support surface 17 of the support foot 11, but they can also be molded into the end surface 16 of the upper foot 9 or in both surfaces 16 and 17
Gemäß einem in den Fig 5 und 6 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung sind in der Auflageflache 17' des Auflagenfußes 1 1 ' sowohl zum Sammelraum 12' als auch zum Kuhlkanal 6' hin offene, radial angeordnete Schmiernuten 20 mit einer solchen Tiefe vorgesehen, dass sie als Uberlaufkanale zwischen dem Kuhlkanal 6' und dem Sammelraum 12' verwendbar sind Fig 6, eine Draufsicht auf die kolbenbodenseitige Auflageflache 17' des Kolbenunterteiles 2', zeigt die radial ausgerichteten und gleichmäßig über den Umfang der Auflageflache 17' verteilten Schmiernuten 20According to an exemplary embodiment of the invention shown in FIGS. 5 and 6, radially arranged lubrication grooves 20 are provided in the support surface 17 'of the support foot 11' to the collecting space 12 'as well as to the cooling channel 6' with a depth such that they are as Overflow channels between the cooling channel 6 'and the collecting space 12' can be used FIG. 6, a top view of the piston-side bearing surface 17 'of the piston lower part 2', shows the radially aligned lubrication grooves 20 which are evenly distributed over the circumference of the bearing surface 17 '
Hierbei wird das Ol wegen der schnellen Hin- und Herbewegungen des Kolbens 1 wahrend des Motorbetriebes aus dem Kuhlkanal 6' in die Schmiernuten 20 befordert, von wo aus es zwischen die Auflageflache 17' des Auflagenfußes 1 1 ' und die Stirnflache 16' des Oberteilfußes 9' gelangt, wenn die Flachen 16' und 17' wahrend des Motorbetriebes kurzfristig voneinander getrennt werden, um hierdurch Mikroverschweißungen dieser Flachen 16' und 17' und damit deren Verschleiß zu vermeiden Diese Trennung kann abhangig von der Motordrehzahl und vom auf den Kolben 1 wirkenden Zunddruck die gesamten Flachen 16' und 17' oder nur Teile dieser Flachen 16', 17' betreffen
BezugszeichenlisteDue to the rapid reciprocating movements of the piston 1, the oil is conveyed from the cooling channel 6 'into the lubrication grooves 20 during engine operation, from where it lies between the support surface 17' of the support foot 1 1 'and the end surface 16' of the upper part foot 9 'arrives when the surfaces 16' and 17 'are briefly separated from one another during engine operation in order to avoid micro-welding of these surfaces 16' and 17 'and thus their wear. This separation can depend on the engine speed and the ignition pressure acting on the piston 1 concern the entire surfaces 16 'and 17' or only parts of these surfaces 16 ', 17' LIST OF REFERENCE NUMBERS
A AusschnittA neckline
1 Kolben1 piston
2, 2' Unterteil des Kolbens 12, 2 'lower part of the piston 1
3 Dehnschraube3 expansion screw
4 Oberteil des Kolbens 14 upper part of the piston 1
5 Kolbenboden 6, 6' Kühlkanal5 piston crown 6, 6 'cooling channel
7 Ringwand7 ring wall
8 Ringpartie 9, 9' Oberteilfuß8 ring section 9, 9 'upper part foot
10 Schaftabstützung10 shaft support
1 1 , 1 1 ' Auflagenfuß1 1, 1 1 'support foot
12, 12' Sammelraum12, 12 'collecting space
13 Überlaufkanal13 overflow channel
14 Ablauf kanal14 drain channel
15 Kolbeninnenraum 16, 16' Stirnfläche, Fläche 17, 17' Auflagefläche, Fläche15 piston interior 16, 16 'end face, surface 17, 17' contact surface, surface
18 Bohrung18 hole
19 Nut, Schmiernut19 groove, lubrication groove
20 Nut, Schmiernut, Überlaufkanal20 groove, lubrication groove, overflow channel
21 Ausnehmung21 recess
22 Bund
22 fret