Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen

Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Der Oberbegriff wird durch den Kolben der DE 10 2008 002 536 A1 gebildet.

Stand der Technik

In Verbrennungsmotoren wird periodisch am Ende eines

Verdichtungstakts und zu Beginn eines Expansionstakts ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet und verbrannt. Bei

Hubkolbenmotoren geschieht dies in einem Brennraum, der zu einem Kurbelgehäuse hin von einem Kolben begrenzt wird, der sich in einem Zylinder auf und ab bewegt. Der Kolben ist über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden. Zur Kopplung des Kolbens mit dem Pleuel dient wiederum ein Kolbenbolzen, der in einer im Kolben ausgebildeten Bolzennabe aufgenommen ist.

In den letzten Jahren ist bei Motoren ein verstärkter Trend zur Direkteinspritzung in Verbindung mit Turboaufladung aufgetreten. Diese Entwicklung bringt für die

Kolbenentwicklung neue Herausforderungen mit sich,

insbesondere im Hinblick auf die stetig steigenden Zünddrücke zusammen mit der immer späteren Schwerpunktlage der

Verbrennung, die sich in hohen Seitenkraftbelastungen für den Kolbenschaft äußern. Aufgrund der gesteigerten Belastungen reichen konventionelle Kolbenkonzepte immer seltener aus, um die Anforderungen, insbesondere im Hinblick auf die

geforderte Haltbarkeit, zu erfüllen. Um die gesteigerten Belastungen zu beherrschen offenbart DE 10 2009 032 379 A1 einen Kolben mit druckseitigen

Kastenwänden, die geradlinig und derart schräg verlaufen, dass der Abstand der Kastenwände im Bereich der Bolzennaben größer ist als im Bereich der druckseitigen Schaftwand. Dies soll die Schaft-Kastenwand-Anbindung verbessern.

EP 0 913 566 A2 beschreibt einen gekühlten Kolben für

Verbrennungsmotoren, bei dem ein Kühlkanal innerhalb des Kolbens ausgebildet ist, der sich durch eine Eintrittsstelle auszeichnet, die außerhalb des Kolbenschafts liegt. Dadurch wird eine verbesserte Kühlung erreicht.

DE 10 2008 002 536 A1, welche bereits als Oberbegriff zitiert wurde, beschreibt einen Kolben, der sich auf der Druckseite durch Verbindungswände, die weitgehend gerade sind und auf der Gegendruckseite durch gekrümmte Wände auszeichnet. Dies verringert die Geräuschbildung und trägt zur höheren

Belastbarkeit bee .

Aus der DE 40 19 968 C2 geht ein Kolben hervor, dessen sogenanntes Kolbenmantelteil an der Außenseite zumindest bereichsweise eine elliptische Form aufweist.

Auch sind unter dem Begriff „Slipperkolben" oder „Slipper Skirt" Kolben mit Schaft- und Kastenwänden bekannt geworden, die bei geringem Gewicht eine hohe Belastbarkeit

gewährleisten sollen.

Bei hoch belasteten Kolben tritt eine Tendenz zu

Kastenwandrissen im Bereich der Anbindung der Kastenwand zum Kolbenschaft auf. Diese Risse werden durch ein Biegemoment hervorgerufen, das bei der Umformung des Kolbenschafts unter Zünddruck auftritt und im Bereich des Übergangs Kolbenschaft zu Kastenwand wirkt. Herkömmliche Methoden, insbesondere der Versuch eines mehr oder weniger großen Übergangsradius zwischen Kastenwand und Seitenwand, haben dieses Problem nicht zufriedenstellend lösen können.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Kolben mit reduzierter Bildung von Kastenwandrissen im Bereich der Anbindung des Kolbenschafts an die Kastenwand zu schaffen.

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

Demzufolge ist ein Kolben zum Einsatz in Verbrennungsmotoren vorgesehen, wobei der Kolben einen Schaftwände und

Kastenwände umfassenden Kolbenschaft aufweist, wobei die Schaftwände und Kastenwände eine Ausnehmung begrenzen, wobei mindestens eine Schaftwand für eine Benutzung an der

Druckseite des Kolbens im Einbauzustand vorgesehen ist, und welcher sich dadurch auszeichnet, dass in einem Bereich dieser Schaftwand die Ausnehmung im Wesentlichen in Form einer Parabel, eines Ellipsenabschnitts oder einer Katenoide begrenzt ist, wobei diese Parabel, dieser Ellipsenabschnitt oder diese Katenoide in einer Ebene liegen, die im

Wesentlichen parallel zum Kolbenboden ist. Mit anderen Worten gilt die beschriebene Form der Ausnehmung in zumindest einem Schnitt mit einer Schnittebene senkrecht zur Kolbenachse.

Insbesondere die Form der Katenoide, also die Form, die eine frei hängende Kette oder ein frei hängendes Seil unter

Schwerkrafteinfluss annimmt, hat den Vorteil, dass bei ihrer Benutzung als eine Stützlinie die Seitenkraftbelastung im Idealfall nur über Normalkräfte abgetragen wird, d.h. es entsteht kein Biegemoment. Aber auch einfacher herzustellende Formen als die Katenoide können verschiedene Lastzustände kompensieren. Denn es hat sich gezeigt, dass es zweckmäßig ist, keine Horizontalkomponente durch die angreifende

Normalkraft aufkommen zu lassen. In der Praxis wird dies näherungsweise durch die Verwendung eines Ellipsenabschnitts oder einer Parabel realisiert . Ein Vorteil dieser Gestaltung ist, dass die Übertragbarkeit hoher Kolbenseitenkräfte bei nur moderater Gewichtszunahme realisiert wird.

Die Symmetrieachse der Katenoide oder der Parabel oder die Hauptachse der Ellipse liegt vorzugsweise entlang einer Geraden, die von der zugehörigen Schaftwand, bevorzugt deren Mitte entlang der Umfangserstreckung, ausgeht. Anders gesagt liegt der Scheitelpunkt der Katenoide oder Parabel oder einer der Hauptscheitel der Ellipse an der jeweiligen zugehörigen Schaftwand und bevorzugt an deren Mitte entlang der

Umfangsrichtung ,

Außerdem wird bevorzugt, dass die Symmetrieachse bzw. die Hauptachse zwischen den beiden Kastenwänden verläuft. Ihre Richtung ist dabei vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu den Kastenwänden und/oder senkrecht zu einer Geraden durch die Mittelpunkte etwaiger Kolbennaben. Insbesondere erstreckt sich im Fall der Ellipse die Nebenachse bevorzugt zwischen den Kastenwänden und in einem Bereich zwischen einer

Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der Kolbennaben und einem Schaftwandabschnitt. Dementsprechend kann die betrachtete Ellipse beispielsweise von dem

Schaftwandabschnitt zu dem Bereich zwischen den Kolbennaben reichen. Somit entspricht die Länge der Nebenachse der

Ellipse im Wesentlichen dem Abstand zwischen den

Kastenwänden, und die Hauptachse der Ellipse entspricht im Wesentlichen dem halben Kolbendurchmesser. Bevorzugt verläuft die Nebenachse der Ellipse parallel zur Bolzenachse, also der Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der Kolbennaben.

Hierbei und im Rest der Anmeldung verstehen wir unter den Schaftwänden denjenigen Teil des äußeren Umfangs eines

Kolbens, der bei Gebrauch an den Zylinderwänden eines

Verbrennungsmotors anliegt und demgemäß im Wesentlichen zylindrisch ist. Die Kastenwände sind die demgegenüber zurückgesetzten Teile des äußeren Umfangs des Kolbens.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen

Patentansprüchen 2-13 beschrieben.

Es ist ferner bevorzugt, dass sich der Bereich in der

Richtung senkrecht zum Kolbenboden über einen Abschnitt erstreckt, der den dem Kolbenboden gegenüberliegenden Rand des Kolbenschafts miteinschließt. Dies hat den Vorteil, dass der Rand des Kolbens, der zu den am stärksten belasteten Teilen gehört, von der erfindungsgemäßen Gestaltung

profitiert und daher insbesondere hier Brüche und

Materialschwächungen vermieden werden.

Außerdem ist bevorzugt, dass sich der zumindest eine Bereich in der Richtung senkrecht zum Kolbenboden über einen

Abschnitt erstreckt, welcher mit dem Kolbenboden abschließt. Hierdurch werden Übergänge zwischen Ausnehmungsabschnitten mit der Form gemäß der Erfindung und anderen ohne diese Form vermieden, was potentielle Spannungen zwischen diesen

Bereichen vermeidet. Dies hat außerdem den Vorteil, dass die Stabilität des Kolbens weiter erhöht wird da nun eine größere Fläche des Kolbens versteift wird.

Weiterhin ist bevorzugt, dass sich der Bereich der

Ausnehmung, der die genannte geometrische Form aufweist, über zumindest die gesamte Breite der Schaftwand erstreckt. Dies hat den Vorteil, dass auch hier die Steifigkeit der

Schaftwand weiter erhöht wird. Außerdem werden auch hier Übergänge zwischen Ausnehmungswandabschnitten mit der geometrischen Form und solchen ohne diese Gestaltung

vermieden, weshalb auch hier Spannungen, die zur

Maferialschwächung beitragen könnten, vermieden werden.

Ferner ist bevorzugt, dass sich der Teilbereich der

Ausnehmung, der die genannte geometrische Form aufweist, über eine oder alle Kastenwände des Kolbens erstreckt. Auch hier ist der Vorteil, dass die Steifigkeit und Festigkeit der Schaftwand weiter erhöht wird als dies bei den vorigen bevorzugten Ausführungsformen der Fall war. Solche Bereiche können z.B. mindestens jeweils 10%, 20%, 50% oder 100% der Umfangserstreckung der jeweiligen Kastenwand sein.

Ferner ermöglicht es diese Gestaltung, die Kastenwände vom Zentrum des Kolbens aus gesehen radial „innen" an den

Bolzennaben anzuordnen. Während in anderen Kolben die

Bolzennaben zum Großteil innerhalb der Kastenwände liegen, ist dies bei dem erfindungsgemäßen Kolben vorzugsweise anders. Dies hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße

Stützlinie nicht unterbrochen wird. Der Kolben zeichnet sich somit durch eine nochmals gesteigerte Festigkeit aus.

Außerdem führt dies zu einer Versteifung der Blockabstüt zung .

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass alle Bolzennaben eine wie oben beschriebene Gestaltung aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass sich nunmehr beide Seiten des Kolbens symmetrisch verhalten und daher die Last von beiden Seiten in etwa gleich getragen wird, was sich in einem verringerten Verschleiß äußert.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass die Schaftwand an der Druckseite von der Geraden, die der Scheitellinie der geometrischen Figur der Ausnehmung an der Außenwand nächstliegend gegenüberliegt, ausgehend in

zumindest einer Umfangsrichtung eine zunehmende Dicke

aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die stärkeren

Belastungen an den Seiten des Kolbens durch mehr Material getragen werden. Dadurch wird der Kolben belastbarer.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass die Schaftwand an der Druckseite von der Geraden, die der Scheitellinie der geometrischen Figur an der Außenwand nächstliegend gegenüberliegt, ausgehend in beiden Umfangsrichtungen eine zunehmende Dicke aufweist. Dies hat den Vorteil, dass sich nunmehr beide Seiten der Schaftwand gleich verhalten und somit Spannungen und ein Verschleiß der weniger stark ausgebildeten Seite vermieden werden.

Ferner wird bevorzugt, dass die beiden letztgenannten

Gestaltungsformen auch an der Gegendruckseite vorhanden sind. Auch wenn diese Seite weniger Druck ausgesetzt ist, ist es doch sinnvoll, auch hier Verschleiß und Spannungen zu

vermeiden, weshalb sich diese Ausführungsformen in einem verringerten Verschleiß äußern.

Weiterhin ist bevorzugt, dass in dem Kolben die Schaftwände an dem Übergang zu den Kastenwänden dicker als diese sind. Dies hat den Vorteil, dass man materialsparend arbeiten kann da die Schaftwände die Teile des Kolbens sind, die starken Belastungen ausgesetzt sind, während die Kastenwände

vergleichsweise wenig belastet werden.

Ferner ist ein Kolben bevorzugt, bei dem die Dicke einer, bevorzugt aller, Kastenwände zunimmt, wenn man sich von der Linie, die auf der Ausnehmungsoberflache liegt und der

Mittelachse des Kolbens am nächsten ist, zu dem Schaftwänden hin bewegt. Dies hat den Vorteil, dass dadurch der Übergang zu den Schaftwänden kontinuierlicher gestaltet werden kann da somit ein Übergang zwischen Wänden mit sehr unterschiedlichen Dicken vermieden werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens in der Druntersicht .

Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens wird nun mit Bezug auf Figur 1 beschrieben.

Der darin dargestellte Kolben 10 weist Kolbennaben 18, die in einem Kolbenschaft 24 ausgebildet sind, zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) auf. Der Kolbenschaft 24 beinhaltet zwei Schaftwände 12, 14 und zwei Kastenwände 16, die eine Ausnehmung 20 umschließen. Im Einbauzustand geht der Kolbenbolzen (nicht dargestellt) durch die Kolbennaben 18, die in den Kastenwänden 16 ausgebildet sind, und die

Ausnehmung 20 hindurch.

Die Schaftwände 12, 14 sind, abhängig davon, ob sie für eine Benutzung an der Druckseite DS oder der Gegendruckseite GDS vorgesehen sind, unterschiedlich ausgebildet: Die Innenseite 22 der Schaftwand 12 an der Druckseite ist als eine Parabel ausgeprägt, wobei diese Parabel vom Rand der Schaftwand bis zum Kolbenboden durchgehend ausgebildet ist, während die Innenseite der Schaftwand 14 an der Gegendruckseite nicht auf diese Art ausgebildet ist.

Hierbei liegt diese Parabel so, dass ihr Scheitel entlang der Umfangsrichtung in der Mitte der zugehörigen Schaftwand 14 liegt. Außerdem erstreckt sich die Symmetrieachse der Parabel senkrecht zur Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der Kolbennaben 18.

Ferner befinden sich die Kastenwände 16 „innen" an den

Bolzennaben 18, d.h. sie erstrecken sich von der Mittelachse des Kolbens gesehen über die äußere Oberfläche der

zugehörigen Kastenwand 16 nach außen über diese hinaus.

Außerdem sind in dem dargestellten Kolben die Schaftwände 12, 14 an ihrer Schnittstelle mit den Kastenwänden 16 breiter als diese, und die Schnittstelle zeichnet sich ferner durch einen Übergang zwischen Kastenwand und Schaftwand aus, an dem die äußere Oberfläche an dem Übergang einen Vorsprung nach außen aufweist. Der Vorsprung ergibt sich daraus, dass die Schaftwand im Wesentlichen der Form des Kolbens folgt während die Kastenwand zumindest an den Schnittstellen zwischen Kastenwand und Schaftwand in etwa senkrecht auf dieser

Oberfläche steht. Ferner wird die Schaftwand 12, 14 dicker, wenn man sich von der Geraden entfernt, die, im Fall der Druckseite, dem Scheitelpunkt der geometrischen Figur oder, im Fall der Gegendruckseite, der diametral gegenüberliegenden Linie GDS entfernt.