EP1920152B1 - Piston en deux parties pour moteur a combustion interne - Google Patents

Piston en deux parties pour moteur a combustion interne Download PDF

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EP1920152B1
EP1920152B1 EP06791334.3A EP06791334A EP1920152B1 EP 1920152 B1 EP1920152 B1 EP 1920152B1 EP 06791334 A EP06791334 A EP 06791334A EP 1920152 B1 EP1920152 B1 EP 1920152B1
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EP
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piston
head
disposed
facing away
resilient sleeve
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EP06791334.3A
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Dieter Messmer
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Mahle International GmbH
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Mahle International GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/0023—Multi-part pistons the parts being bolted or screwed together
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 

Definitions

  • the invention relates to a two-part piston for .einen internal combustion engine according to the preambles of the main claim and the dependent claims 5, 8 and 9.
  • a two-part consisting of an upper part and a lower part piston for an internal combustion engine is known.
  • the upper part forms the piston crown and, on the underside facing away from the piston crown, has a cylindrical bolt with an external thread lying coaxially with the piston axis.
  • the lower part has an upper, thin-walled and elastically yielding base part, at the central region of which a sleeve pointing in the direction of the piston head is formed with such a thin wall that this sleeve has the function of an expansion sleeve.
  • the disadvantage is that the production of the upper bottom part of the lower part with the molded-on expansion sleeve is very complicated. Regardless of whether the lower part is cast or forged, a lengthy machining of the central region of the upper bottom part and in particular of the expansion sleeve using a machining process is required, it being important to ensure that narrow tolerance ranges are met, so that the central Area of the upper bottom part and the expansion sleeve obtained the desired elasticity properties.
  • US 3,465,651 describes a two-part piston whose upper part has, on its underside facing away from the combustion chamber, a central bolt which extends through an opening formed in the lower part.
  • the end portion of the bolt is provided with a thread on which a hex nut is screwed, which is supported under pressure on washers on a shoulder of the base.
  • the thin-walled piston crown of the upper part is bent toward the lower part and brought into contact with bearing surfaces provided for this purpose.
  • a disadvantage proves that the elasticity properties of areas of the cast or forged piston parts are used for the bias between the upper and lower part, in particular, which have relatively large tolerances, would be required to avoid a high processing cost.
  • JP 6065361 U describes a similar two-piece piston.
  • DE 3719469 A1 describes a two-part piston with low compression height, the upper part in the combustion chamber facing away from the bottom has a central threaded bore into which a hexagon screw is screwed. This extends through an opening in the piston lower part and is supported on its head via a plurality of disc springs on a radially inwardly facing projection of a sleeve, which is screwed tightly into the piston lower part.
  • the object of the invention is to simplify and reduce the cost of producing a two-part piston whose upper part and its lower part are connected to one another via an expansion sleeve.
  • This object is achieved by a piston having the features of claim 1 or 5 in two complementary embodiments.
  • claim 1 is directed to an embodiment with a hexagon nut on a piston pin belonging to the threaded bolt
  • claim 5 has a complementary design with a threaded hole in the piston upper part of the object, in which a hexagonal screw is screwed.
  • Fig. 1 is a two-part, cooled piston 1 shown, which consists of an upper part 2 and a lower part 3.
  • the upper part 2 and the lower part 3 may be made of aluminum, steel or cast iron with nodular graphite (GGG cast iron according to DIN 1693).
  • a piston head 4 bounds the axial top side of the upper part 2, the radially inner region of which has a combustion bowl 5.
  • an annular wall 6 is integrally formed, the outer surface piston crown side forms a top land 7, which is followed by a shaft ring side 8 with annular grooves for receiving piston rings, not shown in the figure.
  • pin bosses 9, 9 'each having a pin bore 10, 10' are arranged.
  • the upper part 2 and the lower part 3 of the piston 1 are connected via an inner support 14 and via a concentrically arranged outer support 15 with each other.
  • the upper part 2 and the lower part 3 each have a blind hole 16 and 17, which lie opposite each other with a corresponding position of the upper and lower parts 2, 3.
  • An inserted into the two blind holes 16, 17 fixing pin 11 ensures that the upper part 2 and the lower part 3 always assume the same rotational position to each other.
  • an outer cooling channel 22 is arranged in the piston bottom side edge region of the piston 1 is formed, the radially outer boundary of the annular wall 6, the radially inner boundary part of a arranged on the upper side of the lower part 3 submersible 18th and partly formed by the piston head 4, and the axially lower boundary of the lower part 3 of the piston 1.
  • Via at least one oil feed channel 52 (FIG. Fig. 2 ) Cooling oil is introduced into the cooling channel 22.
  • the piston 1 has a further, coaxially to the piston axis 12 arranged, annular, inner cooling channel 24, which has a smaller radial diameter than the outer cooling channel 22, and which, viewed in the radial direction, is disposed within the outer cooling channel 22.
  • Axially above the inner cooling channel 24 is bounded by the piston head 4, radially outward of the Unterteilfuß 18, axially below by an upper bottom portion 25 of the lower part 3 and radially inwardly by a bolt 31, wherein the bottom part 25 of the lower part 3 has an opening 27 radially inside ,
  • the bolt 31 is cylindrical and coaxial with the piston axis 12 formed on the underside of the piston head 4, wherein the lateral surface of the bolt 31 has a piston bottom facing away end portion with an external thread 32 (FIGS. Fig. 2 ), which corresponds to the internal thread of a hex nut 29, so that the hex nut 29 can be screwed onto the external thread 32.
  • the upper part 2 is screwed to the lower part 3 via an expansion sleeve 26 arranged between the upper end face 23 of the hexagonal nut 29 and the upper bottom part 25 of the lower part 3.
  • the expansion sleeve 26 has for this purpose at its end facing away from the piston head an inwardly directed collar 28 and at its end remote from the piston bottom a radially outwardly disposed, in kolbenêtabgewandte direction radially outwardly conically widening contact surface 19.
  • the fixing pin 11 When screwing together upper part 2 and lower part 3, the fixing pin 11 is first inserted into the blind hole 17 arranged in the upper bottom part 25 of the lower part 3. Anschmanend the upper part 2 and the lower part 3 are aligned coaxially with each other.
  • the piston bottom side edge of the lower part 3 on a support web 46 which has the shape of a radially inward and axially directed in the direction of the piston head 4 stage in section.
  • a cylindrical recess 47 is formed in the inside of the lower end face of the annular wall 6, whose inner shape is complementary to the outer shape of the support web 46.
  • a coaxial alignment of upper part 2 and lower part 3 is thereby achievable, that the support bar 46 is initially inserted at least partially into the recess 47. In this case, it is still necessary to rotate the upper part 2 about the piston axis 12 until the blind hole 16 comes to lie above the fixing pin, after which the support web 46 can be completely inserted into the recess 47 and also the fixing pin 11 into the blind hole 16.
  • the expansion sleeve 26 are pushed through the opening 27 and the hex nut 29 screwed onto the external thread 32 of the bolt 31.
  • the hexagonal nut 29 reach over its upper end face 23 against a piston bottom facing away from the inner surface 20 of the collar 28 and the contact surface 19 of the expansion sleeve 26 to a arranged on the radially inner side of the opening 27, conically downwardly opening surface 21 to the plant.
  • the conicity of the surface 21 is at least approximately equal to the taper of the contact surface 19.
  • the hex nut 29 is screwed with such a torque that due to the pressure of the hex nut 29 on the inner surface 20 of the collar 28 and because of the thereby exerted on the expansion sleeve 26
  • Tensile stress the expansion sleeve 26 undergoes an expansion, which exerts a permanent bias on the screw, whereby this screw is given a great deal of security.
  • the bolt 31 undergoes an expansion and the radially inner part of the piston head 4 a plate spring-like deformation in the direction of pin bosses 9, 9 '.
  • the expansion sleeve 26 is made of a high-grade steel material, which contributes to the safety of the screw connection between upper part 2 and lower part 3 of the piston 1.
  • the contact surface 19 on the piston bottom side facing away from the expansion sleeve 26 may also be spherical or spherical, wherein the hereby in contact surface 21 of the upper bottom part 25 of the piston lower part 3 may have a complementary shape for this purpose ,
  • the collar 28 defines a circular opening 30 whose radial diameter is greater than the radial diameter of the bolt 31, so that between pin 31 and collar 28, an annular gap 33 results.
  • the hexagonal nut 29 has in its upper end face 23 radially arranged grooves 34 and 34 ', which open radially inward into the gap 33.
  • the radial inner diameter of the expansion sleeve 26 is greater than the radial outer diameter of the hex nut 29, so that between hex nut 29 and expansion sleeve 26, a cylindrical and annular cross-section space 35 results, the piston bottom facing away from the end of the piston interior 36, and its piston bottom facing end with the grooves 34, 34 'is in communication.
  • the outer cooling channel 22 is connected to the inner cooling channel 24 via radially arranged overflow channels 37, 37 '.
  • the Fig. 3 shows a plan view, Fig. 4 a sectional view and Fig. 5 a perspective view of the hex nut 29 used in the screwing of the upper part 2 with the lower part 3.
  • Fig. 3 an exemplary arrangement of the grooves 34 to 34 "'shown, with 4 grooves 34 to 34'" with radially extending longitudinal axes 48, 48 ', 48 “and 48"' are evenly distributed over the circumference of the end face 23, so that the longitudinal axis pairs 48th -48 ", 48" -48 ', 48'- 48 "' and 48"'- 48 each enclose an angle of 90 °.
  • Fig..4 shows a section through the hex nut 29 along the line DD in Fig. 3 with a representation of the U-shaped cross section of the grooves on the example of the groove 34 'and with a plan view of the flanks of the grooves 34 "and 34'".
  • FIG Fig. 5 A perspective view of the hex nut 29 is shown in FIG Fig. 5 represented, in particular, the grooves 34, 34 'and 34 "recognize.
  • FIGS. 6 and 7 The embodiment of the present invention according to the FIGS. 6 and 7 is different from the one in the Fig. 1 to 5 shown embodiment of the invention, in particular, characterized in that the upper part 2 'and the lower part 3' of the piston 1 'are connected to each other by means of a hexagon screw 39, wherein between the head 40 of the hex screw 39 and the collar 28' of the expansion sleeve 26 'in the axial direction short, tubular intermediate piece 41 with one or more continuous, radially extending bores 42, 42 'is arranged, via which the oil from the gap 33' between the collar 28 'of the expansion sleeve 26' and the shank of the screw 39 in the intermediate space 35 'between the expansion sleeve 26 'and the screw head 40 can flow. From here, the oil enters the piston interior 36 '.
  • Fig. 7 is an enlarged view of the area A from Fig. 6 .
  • Fig. 8 is in partial section and in Fig. 9 is in full section an embodiment of a Kobens 1 "with an expansion sleeve 26" shown, the radially inwardly directed collar 28 and the piston bottom facing away from the end facing away from the piston skirt has a radially outwardly directed collar 44.
  • a radially aligned contact surface 19 ' is arranged on the collar 44.
  • the inner wall of the opening 27 'in the upper bottom part 25' of the piston lower part 3 "formed in a piston bottom facing away from radially inwardly tapered and elastically yielding projection 45 formed on its side facing away from the piston bottom also a radially oriented surface 21 '.

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Claims (9)

  1. Piston en deux parties (1, 1") pour un moteur à combustion
    - avec une partie supérieure (2, 2") formant un fond de piston (4, 4')
    - dans lequel un axe cylindrique (31) à filet extérieur (32) s'étendant coaxialement par rapport à l'axe de piston (12) est formé du côté inférieur de la partie supérieure (2, 2") opposé au fond de piston (4, 4'), et
    - avec une partie inférieure (3, 3") comportant, dans son côté inférieur, des moyeux d'axe (9, 9') avec des perçages d'axe (10, 10') et des éléments d'arbre (13) reliant entre eux les moyeux d'axe (9, 9'),
    - dans lequel la partie inférieure (3, 3', 3") comporte une partie de fond supérieure (25, 25') avec une ouverture (27, 27') s'étendant coaxialement par rapport à l'axe de piston (12), dans laquelle est introduit l'axe (31) par lequel la partie supérieure (2, 2") est vissée avec la partie inférieure (3, 3") au moyen d'un écrou hexagonal (29) vissé sur l'axe (31),
    caractérisé en ce que
    - le côté intérieur radial de l'ouverture (27) comporte une surface annulaire (21) agencée côté arbre, plus éloignée du fond de piston (4) que la surface frontale supérieure (23) de l'écrou hexagonal (29), et
    - en ce qu'une douille de dilatation (26) est agencée entre la surface frontale (23) et la surface (21), laquelle comporte d'une part un collet (28) orienté radialement vers l'intérieur, de son côté tourné vers le fond de piston, avec une surface intérieure (20) orientée radialement et agencée sur le côté de celui-ci qui est détourné du fond de piston, sur laquelle s'applique la surface frontale (23) de l'écrou hexagonal (29), et laquelle comporte d'autre part, dans sa région détournée du fond de piston, une surface de contact (19) tournée vers le fond de piston, qui s'applique sur la surface (21).
  2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de contact (19) dans la région de la douille de dilatation (26) qui est détournée du fond de piston et la surface (21) du côté radial intérieur de l'ouverture (27) sont formées de manière à s'élargir de façon conique vers l'extérieur dans la direction opposée au fond de piston.
  3. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de contact (19) dans la région de la douille de dilatation (26) qui est détournée du fond de piston est conçue de manière sphérique.
  4. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de contact (19) dans la région de la douille de dilatation (26) qui est détournée du fond de piston est conçue de façon bombée.
  5. Piston avec la caractéristique du préambule de la revendication 1,
    - dans lequel le piston (1, 1 ") comporte un canal de refroidissement extérieur (22) annulaire dans sa région de bord du côté du fond de piston, lequel est relié à l'espace intérieur de piston (36) par le biais d'au moins un canal d'alimentation en huile (52),
    - dans lequel le piston (1, 1") comporte, à l'intérieur du canal de refroidissement extérieur (22), un canal de refroidissement intérieur (24) annulaire, délimité radialement à l'intérieur par l'axe (31) et agencé coaxialement à l'axe de piston (12), lequel est relié au canal de refroidissement extérieur (22) par le biais d'au moins un canal de trop-plein (37, 37'), et
    - dans lequel une fente annulaire (33) se trouve entre le collet (28) de la douille de dilatation (26) et l'axe (31),
    caractérisé en ce que
    - dans sa surface frontale supérieure (23), l'écrou hexagonal (29) comporte au moins une rainure (34, 34', 34", 34"') agencée radialement, débouchant radialement à l'intérieur de la fente (33),
    - en ce qu'il est prévu un espace intermédiaire (35) entre l'écrou hexagonal (29) et la douille de dilatation (26), dont l'extrémité côté fond de piston est reliée à l'au moins une rainure (34, 34', 34", 34"'),
    - en ce que l'extrémité de l'espace intermédiaire (35) qui est opposée au fond de piston débouche dans l'espace intérieur de piston (36), et
    - en ce qu'un canal d'huile continu est formé à partir du canal d'alimentation en huile (52), par le canal de refroidissement extérieur (22), par l'au moins un canal de trop-plein (37, 37'), par le canal de refroidissement intérieur (24), par la fente (33) entre le collet (28) et l'axe (31), par l'au moins une rainure (34, 34', 34", 34"') dans la surface frontale (23) de l'écrou hexagonal (29) et par l'espace intermédiaire (35) entre l'écrou hexagonal (29) et l'axe (31).
  6. Piston selon la revendication 5, caractérisé en ce que dans sa surface frontale supérieure (23), l'écrou hexagonal (29) comporte 4 rainures (34, 34', 34", 34'") agencées radialement et réparties de façon homogène sur le pourtour.
  7. Piston selon la revendication 1, 5 ou 6, caractérisé en ce qu'un collet (44) orienté radialement vers l'extérieur et comportant une surface de contact (19') orientée radialement du côté du fond de piston est agencé à l'extrémité de la douille de dilatation (26') qui est détournée du fond de piston (4), et en ce qu'une saillie élastiquement souple s'amincissant radialement vers l'intérieur de façon conique dans la direction opposée au fond de piston est formée sur la paroi intérieure de l'ouverture (27'), laquelle comporte, de son côté opposé au fond de piston, une surface (21') orientée radialement, sur laquelle s'applique la surface de contact (19').
  8. Piston en deux parties (1') pour un moteur à combustion
    - avec une partie supérieure (2') formant un fond de piston (4"),
    - dans lequel un alésage borgne (49) à filet intérieur s'étendant coaxialement par rapport à l'axe de piston (12) est formé du côté inférieur de la partie supérieure (2') opposé au fond de piston (4"), et
    - avec une partie inférieure (3') comportant, dans son côté inférieur, des moyeux d'axe (9", 9"') avec des perçages d'axe (10", 10"') et des éléments d'arbre (13') reliant entre eux les moyeux d'axe (9", 9"'),
    - dans lequel la partie inférieure (3') comporte une partie de fond supérieure (25') avec une ouverture (27') s'étendant coaxialement par rapport à l'axe de piston (12), par laquelle la partie supérieure (2') est vissée avec la partie inférieure (3') au moyen d'une vis hexagonale (39) vissée vissé dans l'alésage borgne (49),
    caractérisé en ce que
    - le côté intérieur radial de l'ouverture (27') comporte une surface annulaire (21') agencée côté arbre,
    - en ce que du côté radialement extérieur, la tête (40) de la vis hexagonale (39) comporte une surface d'appui (51) du côté du fond de piston,
    - en ce qu'une pièce intermédiaire tubulaire (41) avec une surface frontale supérieure (50) est agencée sur la surface d'appui (51), sachant que la surface frontale (50) est plus proche du fond de piston (4") que la surface (21"), et
    - en ce qu'une douille de dilatation (26') est agencée entre la surface frontale (50) de la pièce intermédiaire (41) et la surface (21"), laquelle comporte d'une part un collet (28') orienté radialement vers l'intérieur, de son côté opposé au fond de piston, avec une surface intérieure (20) orientée radialement et agencée sur le côté de celui-ci qui est détourné du fond de piston et s'appliquant sur la surface frontale (50), et laquelle comporte d'autre part, dans sa région opposée au fond de piston, une surface de contact (19) tournée vers le fond de piston, qui s'applique sur la surface (21').
  9. Piston avec les caractéristiques du préambule de la revendication 8,
    - dans lequel le piston (1') comporte un canal de refroidissement extérieur (22') annulaire dans sa région de bord côté fond de piston, lequel est relié à l'espace intérieur de piston (36') par le biais d'au moins un canal d'alimentation en huile (52'),
    - dans lequel le piston (1') comporte, à l'intérieur du canal de refroidissement extérieur (22'), un canal de refroidissement intérieur (24') annulaire, délimité radialement à l'intérieur par la vis hexagonale (39) et agencé coaxialement à l'axe de piston (12), lequel est relié au canal de refroidissement extérieur (22') par le biais d'au moins un canal de trop-plein (37"), et
    - dans lequel une fente annulaire (33') se trouve entre le collet (28') de la douille de dilatation (26') et la vis hexagonale (39),
    caractérisé en ce que
    - une pièce intermédiaire (41) tubulaire est agencée entre la tête (40) de la vis hexagonale (39) et le collet (28'),
    - dans lequel le diamètre intérieur radial de la pièce intermédiaire (41) est supérieur au diamètre extérieur radialement de l'arbre de la vis hexagonale (39), de manière à former un premier espace intermédiaire (53),
    - dans lequel le diamètre extérieur radial de la pièce intermédiaire (41) est inférieur au diamètre intérieur radial de la douille de dilatation (26'), de manière à former un deuxième espace intermédiaire (54), et
    - dans lequel la pièce intermédiaire (41) comporte au moins un perçage (42, 42') radial continu pour relier le premier espace intermédiaire (53) au deuxième espace intermédiaire (54),
    - en ce que le diamètre radial de la tête (40) de la vis hexagonale (39) est inférieur au diamètre intérieur radial de la douille de dilatation (26'), de manière à former un troisième espace intermédiaire (35') entre la tête (40) et la douille de dilatation (26'), et
    - en ce qu'un canal d'huile continu est formé à partir du canal d'alimentation en huile (52'), par le canal de refroidissement extérieur (22'), par l'au moins un canal de trop-plein (37'), par le canal de refroidissement intérieur (24'), par la fente (33'), par le premier espace intermédiaire (53), par l'au moins un perçage (42, 42') dans la pièce intermédiaire (41), par le deuxième espace intermédiaire (54) et par le troisième espace intermédiaire (35').
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