Kolben für einen Verbrennungsmotor

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenboden, einem Feuersteg und einer Ringnuten aufweisenden umlaufenden Ringpartie sowie mit einem Kolbenschaft, der zwei auf der Druckseite und der Gegendruckseite des Kolbens angeordnete Schaftwände und zwei gegenüber der Ringpartie zurückgesetzte, die Schaftwände verbindende Kastenwände aufweist, wobei die Kastenwände mit Nabenbohrungen aufweisenden Bolzennaben versehen sind.

Ein gattungsgemäßer Kolben ist unter der Bezeichnung MAHLE Ecoform® bekannt. Kolben dieser Bauweise werden auch als Kastenkolben bezeichnet. Bei typischen Kastenkolben sind zwei Wände des Kolbenschaftes gegenüber der äußeren Kontur des Kolbens zurückgesetzt. Die zurückgesetzten, etwas längeren Wände werden als Kastenwände bezeichnet, die beiden anderen, etwas schmäleren, nicht zurückgesetzten Wände sind die Schaftwände und weisen die eigentliche Lauffläche des Kolbenschaftes auf. In die Kastenwände sind die Bolzennaben mit den Nabenbohrungen integriert. Die Kastenwände und die Bolzennaben sind an der Unterseite des Kolbenbodens mit diesem verbunden.

Bei derartigen Kolben tritt häufig das Problem auf, dass die beim Betrieb einwirkende Spannung im Bolzennabenbereich und im Bereich der Anbindung der Kastenwände an die Unterseite des Kolbenbodens so groß ist, dass im Bereich der Bolzennaben und an der Kolbenbodenunterseite Risse auftreten können, die sich im Extremfall durch den gesamten Kolbenboden erstrecken können und auch die Schaftwände in Mitleidenschaft ziehen können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, diese Spannungen deutlich zu reduzieren. Als Nebeneffekt ist es außerdem immer erwünscht, einen

Kolben leichter zu machen, d.h. das Kolbengewicht und damit die zu bewegende Masse zu reduzieren.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Kolben mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die auf der Druckseite angeordnete Schaftwand im Umfangsrichtung des Kolbens kürzer ist als die auf der Gegendruckseite angeordnete Schaftwand.

Eine Druckseite und eine Gegendruckseite wird deswegen unterschieden, weil immer dann, wenn bei der Zündung im Brennraum der entstehende Gasdruck auf den Kolbenboden wirkt, der Kolben durch das schrägstehende Pleuel zur Seite gedrückt oder gekippt wird, mit der Folge, dass eine der beiden Schaftwände mit ihrer Lauffläche gegen die innere Wandung der Zylinderbohrung gedrückt wird. Diese Schaftwand wird als auf der Druckseite angeordnete Schaftwand bezeichnet.

Für den Fachmann überraschend wurde nun experimentell festgestellt, dass bei einer solchen erfindungsgemäßen Konstruktion kaum noch Risse im Bereich der Bolzennaben bzw. im Bereich der Abstützungen der Kastenwände an der Unterseite des Kolbenbodens auftreten.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Abstand derjenigen Kastenwandabschnitte, die die Bolzennaben mit der an der Gegendruckseite angeordneten Schaftwand verbinden, im Bereich der Bolzennaben kleiner ist als im Bereich der Schaftwand. Dabei kann die Anbindung der Kastenwandabschnitte an die an der Gegendruckseite angeordnete Schaftwand bogenförmig, gerade, S-förmig, U-förmig, konvex oder konkav ausgebildet sein. Mit dieser vorteilhaften Ausführungsform wird die Gefahr von Rissbildungen in den Kastenwänden und ggf. in den Schaftwänden weiter verringert.

Demgegenüber ist es von Vorteil, wenn der Abstand derjenigen Kastenwandabschnitte, die die Bolzennaben mit der an der Druckseite angeordneten Schaftwand

verbinden, im Bereich der Bolzennaben gleich oder größer ist als im Bereich der Schaftwand. Das bedeutet, dass die betreffenden Kastenwandabschnitte von den Bolzennaben zur Schaftwand hin entweder parallel zueinander verlaufen oder aufeinander zu verlaufen. Auch dadurch wird die Gefahr von Rissbildungen in den Kastenwänden und ggf. in den Schaftwänden weiter verringert.

Die an der Druckseite angeordnete Schaftwand kann in ihrem mittigen Bereich dünner ausgebildet sein als in ihren den Kastenwänden zugeordneten Randbereichen. Dies kann bspw. soweit gehen, dass die an der Druckseite angeordnete Schaftwand in ihrem mittigen Bereich um bis zu 50% dünner ausgebildet ist als in ihren den Kastenwänden zugeordneten Randbereichen. Damit wird eine erhebliche Gewichtsersparnis erzielt, womit eine erhebliche Reduzierung der bewegten Masse des erfindungsgemäßen Kolbens einhergeht.

Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Zunahme der Dicke der Schaftwand von ihrem mittigen Bereich zu ihren äußeren Bereichen stetig verläuft. Dadurch werden die Spannungsbelastungen gleichmäßig auf die Schaftwand verteilt.

Zumindest die auf der Druckseite angeordnete Schaftwand kann zumindest im Bereich ihrer Außenmantelfläche eine stärkere Krümmung aufweisen als die Ringpartie, d.h. sie kann eine größere Ovalität aufweisen als die Ringpartie. Auch durch diese Maßnahme kann die Elastizität des erfindungsgemäßen Kolbens im Bereich des Kolbenschaftes erhöht werden.

Eine zusätzliche vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Kastenwände im Bereich ihrer Anbindung an der Unterseite des Kolbenbodens in einem Abstand zueinander verlaufen, der annährend dem Abstand der inneren Bolzennabenkanten im Nabenzenit entspricht. Diesbezügliche Versuche haben ergeben, dass damit die strukturelle Steifigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens noch weiter verbessert wird.

Ferner können die Kastenwände in Richtung ihrer Anbindung an der Unterseite des Kolbenbodens einen spitzen Winkel einschließen. Eine bevorzugte Weiterbildung

dieses Merkmals besteht darin, dass jede Kastenwand mit der Längsachse des Kolbens einen Winkel von 5° bis 30° bildet. Damit kann ein größeres Volumen der Hochgießung erzielt werden, d.h. in die Gießform für den erfindungsgemäßen Kolben können größere Kerne als bisher eingesetzt werden, die sich besonders weit in Richtung der Unterseite des Kolbenbodens erstrecken. Dies bewirkt, dass der Kolbenboden des erfindungsgemäßen Kolbens deutlich dünner als bisher ausgebildet werden kann. Damit kann eine beachtliche Gewichtsreduzierung, bspw. um bis zu 10 % bis 15 % gegenüber dem Stand der Technik erzielt werden. Schließlich kann die Dicke der Kastenwände 18, 19 im Vergleich zu den im Stand der Technik bekannten Kolben zusätzlich um bis zu 100% verringert werden, womit nochmals eine ganz erhebliche Gewichtsersparnis einhergeht.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens sieht vor, dass die Kastenwände in ihrem untern Bereich in Richtung ihrer freien Unterkanten eine gleichmäßige oder eine nach unten -in Richtung ölraum- stetig zunehmende Wanddicke aufweisen. Außerdem können die Kastenwände zu den Schaftwänden hin stetig zunehmen Das bedeutet, dass der bisher übliche Bund bzw. die bisher übliche Verdickung an der Unterseite der Kastenwände verzichtbar ist. Dabei wurde unter der Belastung im Betrieb eine gleichmäßigere und harmonischere Spannungsverteilung sowohl in den Kastenwänden als auch in den Schaftwänden beobachtet. Mit dieser bevorzugten Ausgestaltung kann somit die Gefahr von Rissbildungen in den Kastenwänden bzw. in den Schaftwänden noch weiter verringert werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens zeichnet sich dadurch aus, dass Rippen vorgesehen sind, welche die Nabenbohrungen seitlich begrenzen und welche sich vom unteren Bereich der Ringpartie bis mindestens zur Oberkante der Nabenbohrung erstrecken. Dadurch wird trotz der erfindungsgemäß erzielten höheren Elastizität bzw. Gewichtsreduzierung eine besonders vorteilhafte Versteifung der Struktur des erfindungsgemäßen Kolbens im Nabenbereich erzielt. Die Rippen können sich hierbei bis zur horizontalen Mittelachse der Nabenbohrung erstrecken. Die Rippen verlaufen ferner bevorzugt gerade oder bogenförmig, so dass die Ausbildung von Stufen, die eine ungleichmäßige Spannungsverteilung fördern könnten, vermieden wird.

Der erfindungsgemäße Kolben kann aus einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung, hergestellt sein. Besonders geeignet ist bspw. eine auf Aluminium basierende MAHLE ^® Legierung vom Typ M124, M138, M142, M145 bis M174 ⁺ .

Der erfindungsgemäße Kolben ist insbesondere zum Einsatz in hoch belasteten Ottomotoren geeignet.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt entlang der Linie I - 1 in Figur 2;

Fig. 2 den Kolben gemäß Figur 1 in einer Ansicht in Richtung des Pfeils P in Figur 1 , um einige Winkelgrade gekippt;

Fig. 3 den Kolben gemäß Figur 1 in einer Seitenansicht auf eine Schaftwand;

Fig. 4 den Kolben gemäß Figur 1 im Schnitt entlang der Linie IV - IV in Figur 2 zusammen mit einer schematisch angedeuteten Wandung einer Zylinderbohrung.

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10, der vorzugsweise für den Einsatz in Ottomotoren geeignet ist. Der Kolben 10 weist in an sich bekannter Weise einen mit einer Verbrennungsmulde 11a versehenen Kolbenboden 11 sowie einen umlaufenden Feuersteg 12 und eine umlaufende Ringpartie 13 mit Ringnuten 14 auf.

Der Kolben 10 weist ferner einen Kolbenschaft 15 auf, der an der Unterseite 11b des Kolbenbodens 11 angebunden ist. Der Kolbenschaft 15 wiederum weist zwei auf der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) des Kolbens 10 angeordnete Schaftwände 16, 17 und zwei gegenüber der Ringpartie 13 zurückgesetzte, die

Schaftwände 16, 17 verbindende Kastenwände 18, 19 auf. Die Außenumfangsfläche jeder Schaftwand 16, 17 stellt eine Lauffläche des Kolbenschaftes 15 dar. Jede Kastenwand 18, 19 weist eine mit einer Nabenbohrung 22 versehene Bolzennabe 21 auf. Dadurch wird jede Kastenwand 18, 19 in jeweils zwei Kastenwandabschnitte 18a, 18b bzw. 19a, 19b unterteilt. Der Kolben 10 ist im Ausführungsbeispiel aus einer der Aluminium basierenden MAHLE ^® Legierung vom Typ M124, M138, M142, M145 bis M174 ⁺ hergestellt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die auf der Druckseite (DS) angeordnete Schaftwand 16 in Umfangsrichtung des Kolbens 10 kürzer ist als die auf der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwand 17. Das bedeutet, dass die Schaftwände 16, 17 in erfinderischer Art und Weise asymmetrisch ausgebildet sind. Dadurch wird in für den Fachmann überraschender Weise die Rissbildung insbesondere im Bereich der Bolzennaben 21 und im Bereich des Kolbenbodens 11 verringert, welche experimentell festgestellt werden konnte.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Kastenwandabschnitte 18a, 19a, welche die Bolzennaben 21 mit der auf der Druckseite (DS) angeordneten Schaftwand 16 verbinden, parallel zueinander. Sie können aber auch aufeinander zu verlaufen, d.h. der Abstand der Kastenwandabschnitte 18a, 19a kann im Bereich der Bolzennaben 21 größer sein als im Bereich der Schaftwand 16 (nicht dargestellt).

Die Schaftwand 16 kann sichelförmig ausgebildet sein, wie es in Figur 2 strichpunktiert angedeutet ist. Das heißt, dass die Schaftwand 16 in ihrem mittigen Bereich im Querschnitt dünner ausgebildet ist als in ihren Randbereichen, welche in die Kastenwandabschnitte 18a, 19a übergehen. Diese Querschnittreduzierung kann bis zu 50% bezogen auf den Querschnitt der Randbereiche betragen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft die änderung der Dicke der Schaftwand 16 von ihrem mittigen Bereich zu ihren Randbereichen stetig, d.h. es sind keine Stufen vorhanden, die eventuell eine ungleichmäßige Spannungsverteilung in der Schaftwand 16 hervorrufen könnten.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Kastenwandabschnitte 18b, 19b, welche die Bolzennaben 21 mit der an der Gegendruckseite (GDS) angeordneten Schaftwand 17 verbinden, von den Bolzennaben 21 zur Schaftwand 17 in etwa trapezförmig nach außen. Die Anbindung der Kastenwandabschnitte 18b, 19b an die an der Gegendruckseite (GDS) angeordnete Schaftwand 17 kann wie in Figur 2 dargestellt bogenförmig ausgebildet sein. Es sind aber auch Ausgestaltungen denkbar, bei denen diese Anbindung gerade, S-förmig, U-förmig, konvex oder konkav ausgebildet ist.

Aus Figur 2 ist ferner zu ersehen, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel die Kastenwände 18, 19 im Bereich ihrer Anbindung an der Unterseite 11b des Kolbenbodens 11 in einem Abstand zueinander verlaufen, der annährend dem Abstand der inneren Bolzennabenkanten im Nabenzenit entspricht. Dadurch wird die strukturelle Steifigkeit des erfindungsgemäßen Kolbens 10 erhöht und damit die Gefahr von Rissbildungen weiter verringert.

Figur 1 zeigt ferner, dass die Kastenwände 18, 19 in Richtung ihrer Anbindung an der Unterseite 11b des Kolbenbodens 11 einen spitzen Winkel (α) einschließen. Dabei kann jede Kastenwand 18, 19, wie aus Figur 1 ersichtlich, mit der Längsachse (A) des Kolbens 10 einen Winkel (ß) von 5° bis 30° einschließen. Dadurch kann nicht nur eine bessere Hochgießung erzielt, sondern auch eine weitere Verringerung der Dicke der Kastenwände 18, 19 um bis zu 100% gegenüber den im Stand der Technik bekannten Kolben erreicht werden.

Schließlich kann der Figur 1 entnommen werden, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel die Kastenwände 18, 19 in ihrem untern Bereich in Richtung ihrer freien Unterkanten eine gleichmäßige Wanddicke (d) aufweisen. Mit anderen Worten kann der bisher bei Kastenkolben üblicherweise an den Unterkanten der Kastenwände 18, 19 erforderliche Bund bzw. eine entsprechende Verdickung entfallen. Dadurch wird nicht nur eine weitere Gewichtsreduzierung erzielt, sondern auch das Kippmoment des erfindungsgemäßen Kolbens 10 noch weiter reduziert. Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels in gestrichelter Darstellung nach Figur 1 können die Kas-

tenwände 18, 19 in ihrer Wanddicke ab circa Nabenbohrungsmitte bis zu ihrem unteren Ende - in Richtung ihrer freien Unterkanten -linear stetig zunehmen.

Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die von den Kolbennaben 21 ausgehenden, zu den Schaftwänden 16, 17 führenden Kastenwände 18, 19 eine linear stetig zunehmende Wandstärke aufweisen.

Aus Figur 3 ist zu entnehmen, dass am erfindungsgemäßen Kolben 10 Rippen 23 vorgesehen sind, welche die Nabenbohrungen 22 seitlich begrenzen und welche sich vom unteren Bereich der Ringpartie 13 vorzugsweise bis zur horizontalen Mittelachse B der Nabenbohrung 22 erstrecken. Aus Figur 3 ist ferner aus einem weiteren Ausführungsbeispiel (gestrichelte Darstellung) ersichtlich, dass die Rippen 23 sich auch bis zum Nadir der Nabenbohrungen 22 erstrecken können. Dadurch wird eine zusätzliche Versteifung des Kolbens erzielt. Die Rippen 23 verlaufen, wie Figur 3 zu entnehmen ist, bogenförmig, sie können aber auch gerade verlaufen.

Figur 3 zeigt ferner, dass die Schaftwände 16, 17 auf verschiedene Weise ausgestaltet sein können, bspw. mit paralleler Kontur und im Bogen nach unten auslaufend, oder trapezförmig, wie es gestrichelt angedeutet ist.

Figur 4 zeigt andeutungsweise den erfindungsgemäßen Kolben 10 im Zusammenwirken mit der Wandung 32 einer Zylinderbohrung 31. Mit dem Pfeil K ist die Querkraft symbolisiert, die auf den Kolben 10 einwirkt, wenn der bei der Zündung im Verbrennungsraum oberhalb des Kolbenbodens 11 erzeugte Gasdruck zu einem Kippen des Kolbens 10 führt. Für den erfindungsgemäßen Kolben 10 wurde hierbei festgestellt, dass durch seine belastungsangepasste Struktur eine deutliche dünnere Kastenwanddicke realisierbar ist und die Gefahr von Rissbildungen insbesondere im Bereich der Bolzennaben 21 sowie im Bereich der Kastenwände 18,19 und der Schaftwände 16, 17 deutlich reduziert wird. Außerdem kann das Gewicht des Kolbens 10 und damit seine bewegte Masse gegenüber dem Stand der Technik maßgeblich reduziert werden.