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90441 Nürnberg

Kolben für einen. Verbrennungsmotor Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen

Verbrennungsmotor ,

Moderne Kolben für Verbrennungsmotoren weisen üblicherweise zwei Schaftwände auf, die Abschnitten einer

Zylindermantelfläche entsprechen und zur Anlage an eine

Zylinderbohrung oder -laufbuchse vorgesehen sind. Die beiden Schaftwände sind üblicherweise durch Verbindungswände verbunden, welche die Kolbenbolzennaben tragen. Die

Schaftwände sind durch hohe Seitenkräfte belastet, so dass sie entsprechend steif sein müssen. Gleichzeitig ist es eine stets vorgegebene Anforderung an Kolben für

Verbrennungsmotoren, dass sie möglichst wenig Gewicht aufweisen .

Stand der Technik

Als Vorbenutzungsgegenstände sind Kolben bekannt, bei denen die Wanddicke der Schaftwände zu deren Mitte hin {in

Umfangsrichtung) abnimmt oder konstant ist.

Ferner ist es beispielsweise aus der DE 44 14 678 AI bekannt, in der Mitte der Schaftwände eine Rippe vorzusehen.

Eine ähnliche Gestaltung ist aus der JP 2012/136972 A bekannt, bei der die Wanddicke der Schaftwände zu den seitlichen Bereichen hin ergänzend zunehmen kann, sich die in Umfangsrichtung mittige Rippe jedoch in Richtung des

Kolbenbodens, an dem der Kolben den Verbrennungsraum

begrenzt, verbreitert.

Darstellung der Krfi ndung

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zur

Verfügung zu stellen, der im Hinblick auf die Steifigkeit der Schaftwand verbessert ist und/oder eine Gewichtseinsparung ermöglicht .

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch den im Patentanspruch 1 beschriebenen Kolben.

Demzufolge weist dieser zumindest eine Schaftwand auf, deren Dicke in einem in Umfangsrichtung mittleren Bereich und in zumindest einem, bevorzugt beiden seitlichen Bereich (en) größer ist als zwischen dem mittleren Bereich und dem

jeweiligen seitlichen Bereich. Ferner ist die Kontur

zumindest einer Schaftwand in einem Schnitt senkrecht zur Kolbenachse an der Innenseite krümmungsstetig, und die

Wanddickenverteilung ist in Richtung der Kolbenachse im

Wesentlichen konstant.

Unter dem "seitlichen Bereich" werden diejenigen Bereiche der betrachteten Schaftwand verstanden, an denen die Schaftwand mit der jeweiligen Verbindungswand verbunden ist. Mit anderen Worten, wenn man die jeweilige Verbindungswand gedanklich bis zur Schaftaußensei te verlängert, vergrößert sich die

Wanddicke der Schaftwand bereits vor Erreichen dieser verlängerten Verbindungswand. Unter „krümmungsstetig" wird verstanden, dass die 2. Ableitung der Kontur der Schaftwand in einem Schnitt senkrecht zur Kolbenachse stetig, d.h. ohne Sprünge verläuft, was beispielsweise mit einer Darstellung durch Spline-Kurven erreicht werden kann. Beispielsweise kann der mittlere Bereich der betrachteten Schaftwand an der

Kolbeninnenseite konvex gekrümmt sein und krümmungsstetig in eine konkave Krümmung übergehen, die über eine jeweilige Stelle mit geringster Wanddicke zu den seitlichen Bereichen mit ansteigender landdicke verläuft.

Die Tatsache, dass die Wanddickenverteilung in Richtung der Kolbenachse im Wesentlichen konstant ist, äußert sich darin, dass sich die Bereiche größerer Wanddicke, beispielsweise in der Mitte und an den Seiten, in Richtung der Kolbenachse in Umfangsrichtung nicht verbreitern, dass mit anderen Worten jeder Schnitt senkrecht zur Kolbenachse an unterschiedlichen Stellen entlang der Kolbenachse im Wesentlichen die gleiche Wanddickenverteilung und/oder die gleichen Steilen minimaler und/oder maximaler landdicke zeigt und die Wanddicke

allenfalls insgesamt zunimmt.

Es konnte festgestellt werden, dass durch die

erfindungsgemäße Wanddickenverteilung bei gleichbleibender Steifigkeit eine Gewichtseinsparung von bis zu 25% an der betrachteten Schaftwand oder, bei gleichem Gewicht, eine um 25% höhere Steifigkeit erreichbar ist, Zugrunde liegt hierbei nicht der Gedanke, an der Kolbeninnenseite im mittleren Bereich eine Rippe "aufzusetzen", sondern die Überlegung, die Schaftwand in einem Schnitt senkrecht zur Kolbenachse als Biegebalken mit einer etwa mittig angreifenden Einzellast oder einer konstanten Flachenlast zu betrachten, für den eine konstante Spanungsverteilung zu ermitteln ist. Diese

Überlegungen führen zu der vorangehend beschriebenen

Wanddickenverteilung entlang des Umfangs sowie zu den nachfolgend beschriebenen bevorzugten Haßnahmen . Bei

Belastung im mittleren Bereich wird in diesem mittleren Bereich die Außenseite der Schaftwand auf Druck, und die Innenseite auf Zug belastet, während dies in den seitlichen Bereichen umgekehrt ist. Hier wird die Außenseite auf Zug und die Innenseite auf Druck belastet. Beispielsweise hat es sich vor diesem Hintergrund als günstig herausgestellt, die Stellen minimaler Wanddicke zwischen 10% und 30% sowie zwischen 70% und 90 ^· % der Breite der Schaftwand in Umfangsrichtung vorzusehen.

Ebenso kann, um möglichst umfangreich Gewicht einzusparen, die Wanddicke an der Steile minimaler Wanddicke 40% bis 80% der in der Mitte vorliegenden Wanddicke betragen.

Wie bereits erwähnt, ist die Wanddicke in Richtung der

Kolbenachse im Wesentlichen konstant oder nimmt zum

Kolbenboden hin zu.

Die oben angedeuteten Überlegungen im Hinblick auf einen Biegebalken führen ferner dazu, dass die Kolbeninnenseite in dem mittleren Bereich eine konvexe Krümmung aufweist, und/oder dass die seitlichen Bereiche und/oder die Stellen minimaler Wanddicke an der Kolbeninnenseite konkav gekrümmt sind. Insofern, kann von einer doppeltkonvexen Schaftwand in dem mittleren Bereich gesprochen werden. Der Krümmungsradius der konvexen Innenseite kann vergleichsweise groß sein. Er kann insbesondere auch unendlich groß werden, so dass sich eine ebene Fläche ergibt. Ebenso kann die Kolbeninnenseite auch in dem mittleren Bereich konkav gekrümmt sein.

Der erfindungsgemäße Kolben ist bevorzugt aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder Stahl ausgebildet und eignet sich als Diesel- und Ottomotorkolben gleichermaßen.

In vorteilhafter Weise kann der erfindungsgemäße Kolben problemlos gegossen werden oder geschmiedet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird ein Äusführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert . Die Figur zeigt eine perspektivische ünteransicht einer

Schaftwand des erfindungsgemäßen Kolbens.

Wie in der Figur zu erkennen ist, ist die Schaftwand 10 zum einen an der Außenseite zur Anlage an einer Zylinderbohrung oder -laufbuchse konvex gekrümmt. Erfindungsgemäß ist die Wanddicke der Schaftwand 10 in einem mittleren Bereich vergrößert. Diese vergrößerte Wa.ndd.icke ist bei der gezeigten Aus ftlhrungsform in Form einer an der Kolbeninnenseite zu erkennenden konvexen Krümmung 12 ausgebildet. Zu beiden seitlichen. Bereichen hin, an denen die Schaftwand 10 mit der jeweiligen Verbindungswand 14 verbunden ist, nimmt die

Wanddicke ebenfalls zu, so dass sich in dem gezeigten Fall etwa bei der Hälfte zwischen dem mittleren Bereich, und dem seitlichen Rand eine Stelle 16 geringster Wanddicke ergibt. Hier, sowie an dem Übergang zu der jeweiligen Verbindungswand 14 stellt sich die Kolbeninnenseite konkav gekrümmt dar, wobei der Übergang von der konvexen Krümmung im mittleren Bereich krümmungsstetig, d.h. ohne Sprünge in der 2.

Ableitung ausgebildet ist.

An dem in der Figur zu erkennenden unteren, d.h. vom

Kolbenboden maximal weit entfernten Ende der Schaftwand weist diese zusätzlich eine Stufe auf. Mit anderen Worten ist die Schaftwand an der Außenseite in Richtung der Kolbenachse über etwa die Hälfte ihrer Wanddicke einige Millimeter länger als an der Innenseite. Die genannte Stufe dient zur Aufnahme des Kolbens bei der Bearbeitung.