DE19603589A1 - Pendelschaftkolben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Pendelschaftkolben, insbesondere für Dieselmotoren mit hoher Aufladung, mit einem den Kolbenboden, die Ringpartie und den Feuersteg bildenden Oberteil und einem den Kolbenschaft bildenden Unterteil, die über einen Kolbenbolzen gelenkig miteinander verbunden sind, der in Bolzenaugen eines zum Oberteil gehörigen Bolzenstuhls und in der Bolzennabe des Unterteils gelagert ist.

Aufgrund zunehmender Motorleistungen und der damit einhergehenden thermischen Höchstbeanspruchung des Kolbens, insbesondere des Kolbenbodens, der Ringpartie und des Feuerstegs, sind bereits Pendelschaftkolben mit einem einteilig geschmiedeten Stahl-Oberteil bekannt geworden. Ein geschmiedetes Stahl-Oberteil zeichnet sich gegenüber einem gegossenen Stahl-Oberteil zwar durch höhere Festigkeitswerte aus, es ist jedoch extrem aufwendig in der Herstellung. So lassen sich Hinterschneidungen nicht unmittelbar herstellen, sondern müssen nachträglich gefräst oder gedreht werden.

Dies ist oftmals nicht möglich, da der Bolzenstuhl, der mit seiner lappenartigen Ausbildung selbst sehr schwierig auszuformen ist, den Zugang für Bearbeitungswerkzeuge stark einschränkt. Ein weiterer Nachteil von bekannten Pendelschaftkolben mit einem einteilig geschmiedeten Stahl-Oberteil ist darin zu sehen, daß die Bolzenaugen im Bolzenstuhl in einem weiteren Bearbeitungsschritt gebohrt werden müssen und daß zur Lagerung des stets aus Stahl bestehenden Kolbenbolzens eine Büchse verwendet werden muß, die in die Bolzenaugen eingepaßt werden muß, da ein Stahlbolzen nicht gegen eine ebenfalls aus Stahl bestehende Gegenlagerfläche "läuft". Bei höchstbelasteten Kolben verbietet sich jedoch die Verwendung von Gußeisen­ werkstoffen im Bereich des Oberteils, da diese bei den insbesondere am Muldenrand auftretenden hohen Temperaturen keine hinreichenden Festigkeitswerte aufweisen.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, ein Stahl-Oberteil zweiteilig auszubilden und diese beiden Teile anschließend zu verschweißen. Dies hat sich bei der Herstellung jedoch als extrem kostenintensiv erwiesen, und es wird ebenfalls eine Lagerbüchse für den Kolbenbolzen im Bolzenstuhl benötigt. Der Gedanke wurde nicht weiterverfolgt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Pendelschaftkolben der eingangs erwähnten Art im Hinblick auf eine wirtschaftlichere Herstellbarkeit zu verbessern, wobei sich der Kolben hinsichtlich Belastbarkeit und Störungsanfälligkeit als bekannten Kolben wenigstens gleichwertig erweisen soll.

Diese Aufgabe wird bei einem Pendelschaftkolben der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Bolzenstuhl als separat hergestelltes Zwischenbauteil lösbar am Oberteil montiert ist.

Das den Kolbenboden, die Ringpartie und den Feuersteg bildende Oberteil des erfindungsgemäßen Pendelschaftkolbens läßt sich sehr gut bearbeiten, da die Zugänglichkeit für Bearbeitungswerkzeuge nicht durch den Bolzenstuhl eingeschränkt ist. Das Oberteil läßt sich auch sehr vorteilhaft aus Stahl, insbesondere aus dem unter der Bezeichnung 42 Cr Mo 4 V bekannten Vergütungsstahl schmieden. Eventuell erforderliche Hinterschneidungen können dann anschließend in einer Drehbearbeitung eingeschnitten werden, oder es können Bohrungen vorgesehen werden.

Die Erfindung bietet den weiteren Vorteil, daß das den Kolbenboden, die Ringpartie und den Feuersteg bildende Oberteil, das im allgemeinen bei extremer Belastung einem schnelleren Verschleiß unterliegt als das Zwischenbauteil, gegen ein neues Oberteil ausgetauscht werden kann. Infolge der Montierbarkeit der beiden Teile ist es möglich, einen geschlossenen Kühlraum oder Kühlkanal zu gestalten, der bei einer Überholung des Kolbens zugänglich ist und gereinigt werden kann.

Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Zwischenbauteil aus einem Gußeisenwerkstoff, insbesondere aus Gußeisen mit Kugelgraphit (GGG), gefertigt. Bei einem solchen Gußeisen-Bolzenstuhl kann der aus Stahl bestehende Kolbenbolzen unmittelbar gegen die Gußeisenoberflächen der Bolzenaugen laufen; die Verwendung einer Lagerbüchse ist nicht erforderlich.

Vorteilhafterweise sind das den Kolbenboden, die Ringpartie und den Feuersteg bildende Oberteil und das Zwischenbauteil über ringscheibenförmige Auflageflächen aufeinander abgestützt und miteinander verschraubt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pendelschaftkolbens ist zwischen dem Kolbenboden und dem Zwischenbauteil ein zentraler Kühlraum vorgesehen. Nach einem weiteren Erfindungsgedanken bildet das Zwischenbauteil einen radial nach innen erstreckten und eine Ölaustrittsöffnung definierenden Bodenabschnitt dieses zentralen Kühlraums. Der Bodenabschnitt kann von außen nach innen leicht gegen die Horizontale aufwärts geneigt sein. Er ist vorzugsweise der Innenseite eines die ringscheibenförmigen Auflageflächen bildenden Abstützbundes angeformt.

Durch die zweiteilige Ausbildung des Oberteils kann in vorteilhafterweise ein ringförmig erstreckter Kühlkanal definiert bzw. begrenzt werden, wobei der Kühlkanal durch Drehbearbeitung des den Kolbenboden, die Ringpartie und den Feuersteg bildenden Oberteils hergestellt werden kann.

Das Zwischenbauteil bildet vorteilhafterweise einen Boden bzw. begrenzt den Kühlkanal von unten her. Es weist hierfür einen eine ringförmige, gerundete Nut bildenden und nach oben gezogenen Randbereich auf. Ein Kühlkanal-Pendelschaftkolben der vorstehend erwähnten Art läßt sich für höchste thermische Beanspruchung auslegen, indem vom Inneren des Kühlkanals ausgehende und sich bis hinter den Feuersteg erstreckende Kühlbohrungen in dem Oberteil vorgesehen werden, welche entweder parallel zur Kolbenachse oder leicht schräg hierzu nach außen geneigt angeordnet werden können.

Der vorstehend erwähnte nach oben gezogene Randbereich des Zwischenteils kann in Weiterbildung der Erfindung von besonderer Bedeutung eine äußere Auflage- bzw. Abstützfläche für das Oberteil bilden. Durch diese neben der inneren Abstützung weitere Abstützung im Außenbereich wird der Kolbenboden in den äußeren Bereichen der Verbrennungsmulde entlastet, so daß die Möglichkeit besteht, an Stelle der Kühlbohrungen den Kühlkanal bis hinter den Feuersteg nach oben zu erweitern, ohne daß die Gefahr von Kolbenbodenbrüchen bei starker Beanspruchung besteht. Der Pendelschaftkolben kann auch derart ausgebildet werden, daß eine Außenabstützung in der beschriebenen Weise erst bei erhöhten thermischen Belastungen erfolgt, während im kalten Zustand ein Spalt zwischen den erwähnten äußeren Abstützflächen des Zwischenteils und des unteren Bereichs der Ringpartie des Oberteils des Kolbens gebildet ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten zeichnerischen Darstellung und der nachfolgenden Beschreibung dreier vorteilhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Pendelschaftkolbens.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 zwei zueinander senkrechte Schnittansichten entlang der Kolbenachse einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pendelschaftkolbens, wobei in der Darstellung links die Kolbenbolzenachse in der Schnittebene und in der Darstellung rechts senkrecht zur Schnittebene verläuft;

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pendelschaftkolbens mit Kühlkanalbohrungen; und

Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pendelschaftkolbens mit Innen- und Außenabstützung von Oberteil und Zwischenbauteil.

Ein in der Fig. 1 dargestellter und insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichneter Pendelschaftkolben umfaßt ein den Kolbenboden 4 bildendes Oberteil 6, ein den Bolzenstuhl 8 bildendes Zwischenbauteil 10 sowie ein den Kolbenschaft 12 bildendes Unterteil 14. Das Oberteil 6 und das diesem zuzuordnende Zwischenbauteil 10 sind, wie aus der Darstellung rechts zu ersehen ist, über DIN-Schrauben 16 miteinander verschraubt, und die so erhaltene Baueinheit ist über einen nicht dargestellten Kolbenbolzen gelenkig mit dem Unterteil 14 verbunden, wobei in dem Zwischenbauteil 10 bzw. in dem Bolzenstuhl 8 Bolzenaugen 18 für die Lagerung des Kolbenbolzens ausgebildet sind. Das Oberteil 6 besteht vorzugsweise aus geschmiedetem Stahl und ist aus einem Stahlscheibenrohling hergestellt. Das Zwischenbauteil 10 besteht, vorzugsweise aus einem Gußeisenwerkstoff, wie Kugelgraphit-Gußeisen (GGG). Die Verwendung von Lagerbüchsen für den Kolbenbolzen ist nicht erforderlich, da die Stahloberfläche des Kolbenbolzens gut gegenüber Gußeisen "läuft". Das Unterteil 14 kann aus einer Aluminium-Legierung oder auch aus einem Gußeisenwerkstoff bestehen. Das Zwischenbauteil 10 weist einen quer zur Kolbenachse verlaufenden ringscheibenförmigen Abstützbund 20 auf, gegen den das Oberteil 6 mit einer komplementären Abstützfläche 22 aufliegt und über die erwähnten Schrauben 16 verschraubt ist. Die Abstützfläche 22 geht nach innen zu in einen um 90° abgewinkelten Ringbund 24 über, der in den Abstützbund 20 eingreift und zum Zentrieren des Oberteils 6 bezüglich des Zwischenbauteils 10 dient.

Der Kolbenboden 4 des Oberteils 6 begrenzt einen zentralen Kühlraum 26, der sich von dem Oberteil 6 aus nach unten öffnet und daher leicht herzustellen ist. Dieser Kühlraum 26 wird desweiteren von einem radial nach innen erstreckten Bodenabschnitt 28 des Zwischenbauteils 10 begrenzt, wodurch eine zentrale Ölaustrittsöffnung 29 zum Kurbelgehäuse hin definiert ist. Der Bodenabschnitt 28 des Zwischenbauteils ist an die Innenseite des Abstützbunds 20 angeformt. An seiner Außenseite geht der Abstützbund 20 in einen nach oben geschwungenen Randbereich 30 über, der bei Draufsicht auf das Zwischenbauteil in Kolbenachsenrichtung eine Ringnut bildet, welche den Boden für einen äußeren Kühlkanal 32 bildet. Der Kühlkanal 32 erstreckt sich in Form einer ebenfalls ringförmigen Ausnehmung in dem Oberteil 6, die durch Drehbearbeitung hergestellt wurde, bis hinter den Feuersteg 34 nach oben. Es kann daher eine sehr effektive Kühlung des Kolbenbodens 4 und des Feuerstegs 34 sowie der Ringpartie 36 erreicht werden. Der Kühlkanal 32 ist bis auf einen sehr schmalen in Horizontalrichtung verlaufenden Spalt 38 zwischen dem Oberteil 6 und dem Zwischenbauteil 10 geschlossen. Die Ölzuführung erfolgt über eine Bohrung 40, die vom Bolzenauge 18 zum Kühlkanal 32 führt. Der zentrale Kühlraum 26 muß nicht wie bei bekannten Pendelschaftkolben durch einen eigenen direkten Kühlmittelzuführungskanal versorgt werden, sondern es ist aufgrund der weitgehenden Abdichtung des Kühlkanals 32 ausreichend, eine Überströmbohrung 42 zwischen dem Kühlkanal 32 und dem zentralen Kühlraum 26 im Oberteil 6 vorzusehen.

Die in der Fig. 2 in zwei Ansichten dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pendelschaftkolbens unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform dadurch, daß anstelle eines durchgehend ringförmigen, bis hinter den Feuersteg nach oben erweiterten Kühlkanals in Kolbenachsenrichtung verlaufende Kühlbohrungen 44 von einer Innenseite 45 des Kühlkanals 46, angebracht sind. Durch die zwischen den Kühlbohrungen 44 verbleibenden, mehr oder weniger starken Stege, wird der Kolbenboden 48 des Oberteils 50 versteift, so daß nicht die Gefahr von Kolbenbodenbrüchen im äußeren Bereich der Brennraummulde besteht.

Schließlich zeigt Fig. 3 zwei den Fig. 1 und 2 entsprechende Darstellungen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Pendelschaftkolbens, der sich von dem in Fig. 1 gezeigten Pendelschaftkolben dadurch unterscheidet, daß eine innere und eine äußere Abstützung von Oberteil 52 und Zwischenbauteil 54 erfolgt. Die innere Abstützung ist wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 beschrieben ausgebildet, und die äußere Abstützung erfolgt zwischen dem freien Ende 56 des nach oben verlaufenden und den Kühlkanal 58 begrenzenden Randbereichs 60 des Zwischenbauteils 54 und dem vom Feuersteg 62 abgewandten unteren Ende 63 der Ringpartie 64. Hierdurch ist der Kolbenboden 66 im äußeren Bereich 67 der Verbrennungsmulde 68 auch bei höchsten thermischen Belastungen entlastet. Einer Versteifung durch die Anordnung von Kühlbohrungen und dazwischen befindlichen Stegen bedarf es nicht, sondern der Kühlkanal 58 kann bis hinter die Ringpartie 64 und den Feuersteg 62 erstreckt werden.

Claims (14)

1. Pendelschaftkolben, insbesondere für Dieselmotoren mit hoher Aufladung, mit einem den Kolbenboden (4), die Ringpartie (36) und den Feuersteg (34) bildenden Oberteil (6) und einem den Kolbenschaft (12) bildenden Unterteil (14), die über einen Kolbenbolzen gelenkig miteinander verbunden sind, der in Bolzenaugen (18) eines zum Oberteil (6) gehörigen Bolzenstuhls (8) und in der Bolzennabe des Unterteils (14) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzenstuhl (8) als separat hergestelltes Zwischenbauteil (10) lösbar am Oberteil (6) montiert ist.

2. Pendelschaftkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenbauteil (10) aus einem Gußeisenwerkstoff, insbesondere aus Gußeisen mit Kugelgraphit (GGG), gefertigt ist.

3. Pendelschaftkolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Stahl bestehende Kolbenbolzen unmittelbar gegen Gußeisenoberflächen der Bolzenaugen (18) läuft.

4. Pendelschaftkolben nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kolbenboden (4), die Ringpartie (36) und den Feuersteg (34) bildende Oberteil (6) aus Stahl gefertigt ist.

5. Pendelschaftkolben nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kolbenboden (4), die Ringpartie (36) und den Feuersteg (34) bildende Oberteil (6) gepreßt bzw. geschmiedet ist.

6. Pendelschaftkolben nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kolbenboden (4), die Ringpartie (36) und den Feuersteg (34) bildende Oberteil (6) und das Zwischenbauteil (10) über ringscheibenförmige Auflageflächen (20, 22) aufeinander abgestützt und miteinander verschraubt sind.

7. Pendelschaftkolben nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kolbenboden (4) und dem Zwischenbauteil (10) ein zentraler Kühlraum (26) vorgesehen ist.

8. Pendelschaftkolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenbauteil (10) einen radial nach innen erstreckten und eine Ölaustrittsöffnung definierenden Bodenabschnitt (28) des Kühlraums (26) bildet.

9. Pendelschaftkolben nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kolbenboden (4), die Ringpartie (36) und den Feuersteg (34) bildende Oberteil (6) und das Zwischenbauteil (10) einen ringförmig erstreckten Kühlkanal (32) definieren bzw. begrenzen.

10. Pendelschaftkolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (32) durch Drehbearbeitung des Oberteils (6) hergestellt ist.

11. Pendelschaftkolben nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenbauteil (10) einen eine ringförmige Nut bildenden und nach oben gezogenen Randbereich (30, 60) aufweist, welcher einen unteren Teil des Kühlkanals (32, 46, 58) begrenzt.

12. Pendelschaftkolben nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß vom Inneren des Kühlkanals (46) ausgehende und sich bis hinter den Feuersteg erstreckende Kühlbohrungen (44) vorgesehen sind.

13. Pendelschaftkolben nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (56) des Randbereichs (60) eine äußere Auflage- bzw. Abstützfläche für das Oberteil (52) bildet.

14. Pendelschaftkolben nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (32, 58) derart nach oben erstreckt ist, daß er mit einem ringförmigen Abschnitt im Bereich hinter dem Feuersteg (34, 62) verläuft.