Optimierte Nabenabstützung

B E S C H R E I B U N G

Die Erfindung betrifft einen Kolben, zusammengebaut aus einem einen Kühlkanal aufweisenden Oberteil und einem eine Bolzenbohrung aufweisendes Unterteil, wobei das Oberteil und das Unterteil einander zugewandte Auflageflächen aufweisen und die beiden Teile mittels zumindest einer Schraubverbindung zusammengehalten werden, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 .

Solche gebauten Kolben, auch als Großkolben bezeichnet, sind bekannt. Ein Oberteil eines solchen Kolbens wird separat von einem Unterteil des Kolbens ihm gleichen oder unterschiedlichen Verfahren sowie aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien hergestellt und die beiden Teile über ihre einander zugewandten Auflageflächen zusammengebracht, wobei die dauerhafte Verbindung beider Teile mittels zumindest einer Schraubverbindung erfolgt.

Diese Kolben werden eingesetzt in Brennkraftmaschinen beispielsweise für Lokomotiven, Schiffe und dergleichen und weisen gegenüber Kolben beispielswiese für Brennkraftmaschinen von Personenkraftwagen sehr große Dimensionen auf. Dementsprechend hoch ist nicht nur die Belastung, sondern aufgrund der Größe des Kolbens auch das Gewicht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Kolben, insbesondere einen Großkolben, für Brennkraftmaschinen bereitzustellen, bei dem unter Beibehaltung der erforderlichen Festigkeit zur Erzielung der Anforderungen in der Brennkraftmaschine das Gewicht reduziert ist.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Unterteil ausgehend von seinem Innenbereich oberhalb eines Scheitelpunktes der Bolzenbohrung eine in Richtung eines Außenumfanges gerichtete Ausnehmung und ausgehend von einem Außenbereich zumindest einen ebenfalls in Richtung des Außenumfanges weisenden Steg oberhalb der Bolzenbohrung aufweist. Nach der Erfindung wird bei diesem Kolben in seinem Innenbereich gezielt an einer besonderen Stelle Material weggenommen, um Gewicht zu sparen. Diese Wegnahme von Material erfolgt an solchen Stellen, an denen die Belastungen des Kolbens im Betrieb der Brennkraftmaschine infolge der Verbrennungsdrücke herabgesetzt ist. Insbesondere erfolgt die Wegnahme von Material in dem Innenbereich des Kolbens bei Kolben, bei denen das Oberteil eine Auflagefläche für das Unterteil und das Unterteil eine korrespondierende Auflagefläche für das Oberteil aufweist. Es ist allerdings auch denkbar, dass mehr als eine, insbesondere umlaufende Auflagefläche vorhanden ist. Da das Unterteil infolge der Verformung des Oberteiles aufgrund der Verbrennungsdrücke durch die Ausnehmung (Wegnahme von Material) geschwächt wird, ist es nach der Erfindung weiterhin vorgesehen, dass ebenfalls in Richtung des Außenumfanges oberhalb der Bolzenbohrung ein Steg vorgesehen ist. Dieser parallel zu der Kolbenhubachse verlaufende zumindest eine Steg stützt die Unterseite des Oberteiles direkt ab. Alternativ dazu ist vorgesehen, dass Unterteil an seiner oberen Kante einen umlaufenden Steg aufweist, zu dem der oberhalb des Scheitelpunktes der Bolzenbohrung angeordnete Steg senkrecht dazu angeordnet ist.

Nach der Erfindung wird somit das Gewicht durch Reduzierung des Materials durch Realisierung der Ausnehmung in dem Innenbereich des Unterteiles des Kolbens reduziert und gleichzeitig die Festigkeit durch einen Steg auf der Außenseite oberhalb der Bolzenbohrung gesteigert.

In Weiterbildung der Erfindung ist ein einziger Steg oberhalb des Scheitelpunktes der Bolzenbohrung vorgesehen. Während es alternativ dazu denkbar ist, beispielweise auch zwei parallel zueinander verlaufende und beabstandete Stege vorzusehen, ist ein einziger Steg von besonderem Vorteil, weil er zum Einen die erforderliche Abstützung des Oberteiles genau in dem Bereich, in dem seine größte Verformung erfolgt, gewährleistet und außerdem das zusätzliche Gewicht gegenüber einem Kolben ohne einen solchen Steg nicht erhöht, um die Gewichtsreduzierung durch die Ausnehmung in dem Innenbereich des Unterteiles des Kolbens zu erzielen.

In Weiterbildung der Erfindung ist neben den zumindest einen Steg zumindest eine Ausnehmung in dem Unterteil eingebracht. Eine solche weitere Ausnehmung hat den Vorteil, dass an solchen Stellen um die Bolzenbohrung herum (Bolzennabe) Material weggenommen wird, durch die die Festigkeit des Unterteiles nicht oder nicht wesentlich geschwächt wird. Durch die Kombination von Steg und Ausnehmung neben dem Steg kann somit unter Beibehaltung der erforderlichen Festigkeit weiter Material reduziert werden.

In Weiterbildung der Erfindung geht die Ausnehmung in dem Innenbereich des Kolbens über einen gerundeten Bereich in den Innenbereich des Unterteiles über. Dadurch werden scharfkantige Übergänge von dem Innenbereich in die Ausnehmung wirksam vermieden, sodass dadurch auch Rissbildungen in diesen Bereichen im Betrieb des Kolbens in der Brennkraftmaschine wirksam vermieden werden.

In Weiterbildung der Erfindung weist das Oberteil oberhalb der Ausnehmung in seinem Inneberich eine Durchtrittsöffnung in Richtung eines Innerhalb des Oberteiles liegenden Innenbereiches auf. Durch diese Durchtrittsöffnung kann beispielsweise Kühlöl in diesen Innenbereich innerhalb des Oberteiles eingespritzt werden. Außerdem ist es denkbar, dass von dem Kühlkanal aus eine Verbindung zu diesem Innenbereich innerhalb des Oberteiles geschaffen ist, um einen Austausch von Kühlöl zwischen dem hinter einem Ringfeld liegenden umlaufenden ringförmigen Kühlkanal und dem Innenbereich innerhalb des Oberteiles zu schaffen. Auch hier ist es von Vorteil, wenn die Ausnehmung in dem Innenbereich des Unterteiles in diese Durchtrittsöffnung vorzugsweise gerundet übergeht, um weiterhin Material zu sparen und Rissbildungen zu vermeiden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert und weiter beschrieben. In den Figuren 1 bis 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Kolbens 1 in verschiedenen Ansichten und Darstellungen (Strichdarstellung und dreidimensionale Darstellung) gezeigt. Der Kolben 1 weist ein Oberteil 2 und ein Unterteil 3 auf. Das Oberteil 2 ist in an sich bekannter Weise gestaltet und weist mindestens ein Ringfeld (hier mit drei Ringnuten) auf, genauso wie beispielsweise eine Brennraummulde, Ventiltaschen und dergleichen. Durch den Zusammenbau des Oberteiles 2 mit dem Unterteil 3 wird ein Kühlkanal 4 geschaffen, wozu die beiden Teile 2, 3 entsprechende ringförmige nach unten bzw. oben offene Ausnehmungen aufweisen. Mit 5 ist ein Innenbereich bezeichnet, der ebenfalls durch den Zusammenbau der beiden Teile 2, 3 entsteht.

Das Unterteil 3 weist eine Bolzenbohrung 6 (mit darumliegender Bolzennabe, nicht näher bezeichnet) auf. Durch die nicht näher bezeichnete Bolzenachse der Bolzenbohrung 6 verläuft eine Kolbenhubachse 7, wobei mit 8 ein obenliegender Scheitelpunkt der Bolzenbohrung 6 bezeichnet ist. Weiterhin weist das Unterteil 3 eine in Richtung des Innenbereiches 5 gerichtete Durchtrittsöffnung 9 auf, genauso wie einen Kolbenschaft und weitere, an sich bekannte Elemente zur Realisierung der Funktion des Unterteiles 3 des Kolbens 1 .

Nach der Erfindung weist das Unterteil 3 in seinem Innenbereich eine Ausnehmung 10 auf, die oberhalb des Scheitelpunktes 8 der Bolzenbohrung 6 angeordnet ist. Wie in den Figuren 1 bis 4 sehr gut erkennbar ist, geht die Ausnehmung 10 ausgehend von dem Innenbereich des Unterteiles 3 in Richtung des Außenumfanges des Kolbens 1 aus, ohne eine Öffnung in Richtung des Außenumfanges zu schaffen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren 1 bis 6 weist die Ausnehmung 10die in vorteilhafter Weise gezeigte Formgebung auf, wobei die Randbereiche der Ausnehmung 10 über einen gerundeten Übergang 1 1 in den Innenbereich des Unterteiles 3 übergehen.

Mit Bezug auf Figur 4 ist noch darauf hinzuweisen, dass das Oberteil 2 mittels einer Schraubverbindung 12 mit dem Unterteil 3 verbunden (verschraubt) ist. Die Schraubverbindung 12 in Figur 4 ist der Vollständigkeit halber nur angedeutet, sodass zwar nicht gezeigt, aber vorhanden ist, eine Durchtrittsöffnung in dem Unterteil 3 für eine Schraube, die durch diese Öffnung von unten durchgeführt wird und in ein entsprechendes Gewinde in dem Oberteil 2 eingeschraubt wird. Diese Schraubverbindung 12 ist über den Umfang verteilt mehrfach, mindestens zweifach vorhanden.

In Figur 5 ist ein mit der Ausnehmung 10 korrespondierender Steg 13 erkennbar, der ebenfalls oberhalb des Scheitelpunktes 8 der Bolzenbohrung +6 angeordnet ist. Dieser Steg 13 hebt sich von der Oberfläche der Bolzennabe um die Bolzenbohrung 6 herum ab. Zur weiteren Gewichtsreduzierung ist neben dem Steg 13 (entweder nur rechts oder nur links davon oder beidseitig) eine Ausnehmung 14 vorgesehen. Zur Vermeidung von Rissbildungen geht der Steg 13 wiederum gerundet in den Grund der Ausnehmung 14 bzw. in die entsprechenden Bereiche der Bolzennabe über. Das obere Ende des Steges 13 kann sich entweder direkt auf der Unterseite des Oberteiles 2 abstützen, wobei in Figur 5 erkennbar ist, dass das Unterteil 3 an seinem oberen Ende zwischen den beiden seitenkanten des Kolbenschaftes einen bogenförmigen Stegabschnitt aufweist, der von dem Steg 13 unterstützt wird. Durch diesen bogenförmigen Stegabschnitt zwischen den beiden Seitenkanten der Kolbenschäfte erfolgt eine verbesserte Krafteinleitung und Kraftverteilung des Oberteiles 2 in das Unterteil 3 über den zumindest eine Steg 13.

In den Figuren 7 bis 9 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für die Form der Ausnehmung 10 gezeigt. Sehr gut ist dabei auch die Lage der Ausnehmung 10 in dem Unterteil 3 erkennbar. Insbesondere wird auf Figur 8 hingewiesen, aus der erkennbar ist, dass sich die Ausnehmung 10 von dem Innenbereich der Unterteiles 3 in Richtung des Außenumfanges des Kolbens 1 (bei Betrachtung der Figur 8 das rechte Ende des schraffierten Bereiches) erstreckt.

Eine weitere Ausgestaltung der Ausnehmung 10 ist in den Figuren 10 bis 12 gezeigt. Hier ist vor allen Dingen erkennbar, dass die Ausnehmung 10 über einen gerundeten Übergang 1 1 in den Innenbereich des Unterteiles 3 übergeht. Selbstverständlich sind auch andere Formen der Ausnehmung 10, als wie sie beispielsweise in den Figuren 7 und 10 gezeigt sind, denkbar. Ebenso kann ein gerundeter Übergang 1 1 auch bei der Ausnehmung 10 gemäß Figur 7 bis 9 vorgesehen werden. In den Figuren 13 und 14 ist das Zusammenspiel der Ausnehmung 10 und des Steges 13 sehr gut erkennbar. Insbesondere mit Blick auf Figur 13 wird deutlich, dass das Unterteil 3 ausgehend von seinem Innenbereich oberhalb des Scheitelpunktes 8 der Bolzenbohrung 6 die in Richtung eines Außenumfanges 15 gerichtete Ausnehmung 10 und ausgehend von einem Außenbereich (oberer Bereich der Bolzennabe) zumindest den ebenfalls in Richtung des Außenumfanges 15 weisenden Steg 13 oberhalb der Bolzenbohrung 6 aufweist. Ebenso ist sehr gut erkennbar, dass um den Steg herum 13 jeweils wieder eine Ausnehmung 14 vorgesehen ist.

Figur 14 zeigt noch einmal das Unterteil 3 in einer dreidimensionalen Darstellung, wobei in dem oberen Teil dieser Figur 14 sehr gut erkennbar ist, dass das Unterteil 3 einen Absatz aufweist, der eine Auflagefläche für das Oberteil 2 bildet. Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass aufgrund der rotationssymmetrischen Gestaltung des Kolbens 1 die Ausnehmung 10 und der damit korrelierende Steg 13 nach der Erfindung (wie beispielsweise in Figur 13 dargestellt) jeweils spiegelbildlich auf beiden Seiten der Kolbenhubachse 7, d.h. zu jeder Bolzenbohrung 6, vorhanden ist. Das bedeutet, dass unter dem Begriff „Bolzenbohrung" jeweils eine Bohrung in dem Unterteil 3 verstanden wird, in die jeweils ein Ende eines Kolbenbolzens angeordnet wird und der Zwischenbereich das kleine Pleuelauge aufnimmt.

Bezugszeichenliste

1 . Kolben

2. Oberteil

3. Unterteil

4. Kühlkanal

5. Innenbereich

6. Bolzenbohrung

7. Kolbenhubachse

8. Scheitelpunkt

9. Durchtrittsöffnung

10. Ausnehmung

1 1 . Gerundeter Übergang

12. Schraubverbindung 3. Steg

14. Ausnehmung

15. Außenumfang