DE10035032C2 - Verfahren zur Herstellung eines Pleuels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Pleuels mit einem Pleuelauge aus einem Halbzeug, bei welchem Verfahren zumindest eine Öffnung eines Halbzeuges, die später den Lagersitz desjenigen Pleuelauges bildet, an dem das Pleuel an der Kurbelwelle angeordnet wird, mit einer Lagerschicht ver­ sehen wird, bei welchem Verfahren ferner das Pleuelauge unter Ausbildung eines Lagerdeckels entlang einer Trennfläche in min­ destens zwei Teile getrennt wird und bei welchem Verfahren das Pleuelauge nach der Aufbringung der Lagerschicht innenseitig bearbeitet wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der gattungsbildend zugrundegelegten DE 197 31 625 A1 als bekannt hervorgeht.

Aus der DE 197 31 625 A1 ist ein Pleuel bekannt, das aus einem vorgeformten Halbzeug hergestellt wird. Das Halbzeug weist im Bereich des Pleuelauges, das zur Befestigung des Pleuels an der Kurbelwelle vorgesehen ist, eine Öffnung - im folgenden Lager­ sitz genannt - auf, die zur innenseitigen Beschichtung mit ei­ ner umlaufseitig geschlossenen Lagerschicht vorgesehen ist. Die Lagerschicht wird bevorzugt mit einer Schichtdicke zwischen 200 µm und 1800 µm aufgetragen, wobei die fertig bearbeitete Lager­ schicht eine Schichtdicke zwischen 150 µm und 800 µm aufweist. Die Lagerschicht wird bevorzugt aus einem Metall bzw. einer Me­ tall-Legierung hergestellt, wobei sie zusätzlich noch Trocken­ schmierstoffe - auch als zusätzliche Beschichtung - beinhalten kann. Die Beschichtung des Lagersitzes erfolgt mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Plasmasprit­ zen. Bevor der beschichtete Lagersitz auf Endmaß bearbeitet wird, wird von dem Pleuel im Bereich des Lagersitzes ein Lagerdeckel, vorzugsweise durch Brechen (Cracken) entlang einer Trennfläche abgetrennt. Das Brechen der Lagerschicht kann ge­ meinsam mit dem Brechen des Restmaterials aber auch getrennt davon erfolgen.

Aus der DE 43 03 592 A1 ist ein Pleuel und Verfahren zur Her­ stellung dieses Pleuels bekannt, das ebenfalls innerhalb eines Pleuelauges eine Lagerschicht aufweist. Hierbei wird das Pleuel zusammen mit der Lagerschicht gebrochen, damit die zusammenge­ setzte Lagerschicht an ihrer Stoßstelle möglichst keine Unter­ brechung aufweist. Des weiteren sind in dieser Schrift ver­ schiedene Materialien für die Lagerschicht und für das Halb­ zeug, aus dem das Pleuel gefertigt wird, erwähnt.

Trotz der Vorzüge der vorbekannten Pleuel kommt es im Betrieb immer noch zu Lagerschäden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Pleuels unter Verzicht von Lagerschalen dahingehend wei­ terzuentwickeln, daß die Anzahl von Lagerschäden verringert ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren mit den Ver­ fahrensschritten gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Durch das erfin­ dungsgemäße Verfahren zur Ausbildung eines Pleuels und/oder des Halbzeugs bleibt die Haftung der Lagerschicht im Bereich der Trennfläche auch beim Brechen des Pleuelauges bestehen, so daß in diesem Bereich die Wahrscheinlichkeit einer Ablösung der La­ gerschicht gegenüber dem bisherigen Stand der Technik zumindest verringert ist und die Funktionsfähigkeit der Lagerschicht er­ halten bleibt. Dadurch wird insbesondere die Lebensdauer einer Pleuel/Kurbelwellen-Paarung erhöht. In besonderer Weise wird durch das erfindungsgemäße Vorgehen bei der Erfindung gleich­ zeitig im Bereich der Trennfläche eine Öltasche gebildet.

Sinnvolle Ausgestaltungen sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand der nachfol­ genden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Ansicht eines Pleuels,

Fig. 2 die Einzelheit II gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht eines Pleuels mit einer Trennflächenerhe­ bung,

Fig. 4 die Einzelheit IV gemäß Fig. 3,

Fig. 5 eine Ansicht eines Pleuels mit einer gegenüber Fig. 3 andersgearteten Trennflächenerhebung,

Fig. 6 die Einzelheit VI gemäß Fig. 5,

In Fig. 1 ist ein Pleuel 1 mit einem kleinen Pleuelauge 2 und einem großen Pleuelauge 3 dargestellt, die durch einen Schaft 7 miteinander verbunden sind. Das große Pleuelauge 3 selbst weist einen geteilten Lagersitz auf, dessen Lauffläche 5 mit einer Lagerschicht 4 versehen ist. Die Lauffläche 5 der Lagerschicht 4 des Lagersitzes des großen Pleuelauges 3 bildet die Gleitla­ gerung des Pleuels 1 an der nicht dargestellten Kurbelwelle.

In Fig. 1 ist das Pleuel 1 in einem Zustand dargestellt, bei dem die Lagerschicht 4 zwar schon aufgebracht, die Trennung des Lagerdeckels 6 vom Restpleuel 7 - also die Ausbildung des zwei­ teiligen Lagersitzes des großen Pleuelauge 3 - aber noch nicht erfolgt ist. Zur Abtrennung des Lagerdeckels 6 von dem Rest­ pleuel 7 weist das große Pleuelauge 3 im Bereich der Trennflä­ che 8 eine Trenn- oder Anrißkerbe 9 auf, die ein gezieltes Bruchtrennen ("Cracken") ermöglicht.

Anstelle der vorteilhaften Bruchtrennung kann bei diesem Pleuel 1 sowie bei den anhand der Fig. 3 bis 6 nachfolgend noch Be­ schriebenen der Lagerdeckel 6 auch in herkömmlicher Weise wie (bspw. Sägen, Laser- oder Elektronenstrahlschneiden usw.) vom Restpleuel abgetrennt werden.

Das in Fig. 1 dargestellte Pleuel 1 wird aus einem sinterge­ schmiedeten Halbzeug hergestellt, für welches ein Grünling vor dem Sintern mit einer Anrißkerbe 9 versehen wurde. Wie insbe­ sondere in Fig. 2 dargestellt ist, bleibt die Anrißkerbe 9 beim Sinterschmieden weitgehend erhalten, wobei sie allerdings weitgehend auch verschlossen wird. Gegebenenfalls kann die An­ rißkerbe 9 des großen Pleuelauges 3 mit dem Material der Lager­ schicht 4 ausgefüllt sein.

Die Anrißkerbe 9 ermöglicht eine gezielte Bruchtrennung entlang der Trennfläche 8 zwischen dem Lagerdeckel 6 und dem Restpleuel 7. Wie ebenfalls aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist nach der Freilegung der Anrißkerbe 9 vor dem Cracken des Pleuels entlang der gestrichelten Linie 9' oberhalb der Abrißkerbe 9 keine La­ gerschicht 4 mehr angeordnet.

Die durch die Bruchtrennung erzeugten Oberflächen der Trennflä­ che 8 des Lagerdeckels 6 bzw. des RestPleuels 7 weisen eine große und unregelmäßige Oberflächenstruktur auf, so daß dieser Lagerdeckel 6 nur auf das dazugehörige Restpleuel 7 paßt. Ein Versatz dieser beiden Teile ist damit zumindest nahezu ausge­ schlossen. Der Lagerdeckel 6 wird in bekannter Weise mit Schrauben (nicht dargestellt) am Restpleuel 7 befestigt.

Zur Herstellung des Pleuels nach Fig. 1 wird bevorzugt wie folgt vorgegangen. Zuerst wird ein Halbzeug mit zwei Öffnungen hergestellt, wobei die Öffnungen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen. Des weiteren wird das Halbzeug bereits mit einer An­ rißkerbe 9 versehen. Die größere der beiden Öffnungen ist zur späteren Anordnung des Pleuels 1 an der Kurbelwelle vorgesehen, während die kleinere Öffnung später den Kolbenbolzen eines Kol­ bens einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Motors eines Kraftfahrzeuges, aufnimmt.

Auf beiden Öffnungen wird, ggf. nach einer gewissen Aufarbei­ tung des vorzugsweise aus Stahl und/oder einer Leichtmetall- Legierung, insbesondere einer Aluminium- und/oder Magnesium- Legierung, geschmiedeten Halbzeugs, noch Material aufgetragen. Dieses Material bildet zumindest beim großen Pleuelauge 3 die Lagerschicht 4.

Damit der Auftrag in sinnvoller Weise erfolgen kann, weisen beide Öffnungen gegenüber dem Endmaß ein Übermaß des jeweiligen Durchmessers auf. Nach dem Auftrag des Materials entsprechend ein Untermaß, damit noch eine genaue Bearbeitung auf Endmaß vorgenommen werden kann.

Bevor nun das Pleuel 1 in Lagerdeckel 6 und Restpleuel 7 ge­ trennt wird, wird das Material der Lagerschicht 4 im Bereich der Trennfläche 8 entlang der gestrichelten Linie 9' entfernt. Das Material der Lagerschicht 4 im Bereich der Trennfläche 8 wird bevorzugt thermisch, insbesondere mit einem Laser und/oder einem Elektronenstrahl entfernt.

Zweckmäßigerweise wird mit der Entfernung der Lagerschicht 4 gleichzeitig auch die Teilentfernung des Restmaterials der La­ gerschicht 4 aus der Anrißkerbe 9 vorgenommen und die Anrißker­ be freigelegt oder ggf. neu oder weiter ausgeformt. Die Freile­ gung erfolgt vorzugsweise in einem Arbeitsgang mit der Entfer­ nung der Lagerschicht 4 im Bereich der Trennfläche 8.

Da die Lagerschicht 4 erfindungsgemäß im Bereich der Trennflä­ che 8 insbesondere vollständig entfernt ist, kann die Oberflä­ che der Trennfläche 8 keinerlei Material mehr der Lagerschicht 4 aufweisen. Bei einer Trennung der beiden Teile voneinander ist somit auch die Kontaktfläche zwischen der Lagerschicht 4 und dem Grundmaterial des Pleuels 1 nicht mehr belastet, wo­ durch im Bereich der Trennfläche 8 die Gefahr zumindest einer mikroskopischen Ablösung und/oder Verringerung der Haftung von Material der Lagerschicht 4 vermieden wird. Eine Verringerung der Haftung des Materials der Lagerschicht 4 aber führt im Be­ trieb zu einer Ablösung von Material der Lagerschicht 4 und da­ mit zu einem Lagerschaden an der (der) Pleuel/Kurbelwellen- Paarung.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Material der Lager­ schicht 4 und/oder die Anrißkerbe 9 derart ausgeführt wird, daß der beim Zusammenfügen des RestPleuels 7 und des Lagerdeckels 6 verbleibende Hohlraum als Öltasche zur Lagerschmierung verwen­ det werden kann.

Als Restmaterial des Pleuels 1 oder zur Herstellung des Halb­ zeugs kann insbesondere ein geschmiedeter Stahl oder Gußeisen oder ein Leichtmetall bzw. eine Leichtmetall-Legierung verwen­ det werden. Genauere Angaben für mögliche Restmaterialien kön­ nen der eingangs gewürdigten DE 43 03 592 A1 entnommen werden.

Mögliche Materialien für die Lagerschicht 4 sind gleichfalls den beiden eingangs gewürdigten Schriften entnehmbar. Vorzugs­ weise werden bei zu erwartenden Zünddrücken bis zu 100 bar Al- Legierungen, insbesondere AlSn(17-25)Cu(0,3-2)Mn(0-1) und/oder AlZn(3-6)Si(2-6)Cu1Pb1 und bei Zünddrücken über 100 bar Cu- Legierungen, insbesondere CuZn(20-35)Si(0.3-2) und/oder CuAl(7-­ 12)Ni(1-5) und/oder CuSn(2-8)Si(0.3-2) verwendet.

Bei den Cu-Legierungen ist es zweckmäßig, die Lagerschicht 4 zusätzlich noch mit einer Einlaufschicht auf metallischer und/oder keramischen Basis zu versehen.

Der Auftrag der Lagerschicht erfolgt vorzugsweise mittels eines thermischen Spritzverfahren, insbesondere mit einem Plasma- oder einem Lichtbogendrahtspritzverfahren.

Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird bei den nachfol­ genden Ausführungsbeispielen nur noch auf deren Unterschiede zu dem eben erläuterten Ausführungsbeispiel eingegangen.

In Fig. 3 ein Pleuel 1 dargestellt, das ebenso wie dasjenige nach Fig. 5 eine Trennflächenerhebung 10 aufweist. Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, ist unterhalb der Trennflächenerhebung 10 eine Vertiefung angeordnet, die vorzugsweise der späteren Trenn- oder Abrißkerbe 9 entspricht.

Die Trennflächenerhebung 10 ist aus einem Material, das sich von dem Material des restlichen Halbzeuges und ebenso von dem Material der später aufzubringenden Lagerschicht 4 unterschei­ det. Des weiteren ist die Trennflächenerhebung 10 wurzelseitig in die die Anrißkerbe 9 ausbildende Vertiefung eingelassen.

Zur Herstellung des Pleuels 1 gemäß Fig. 3 wird zunächst das der Kurbelwelle zugewiesenen große Pleuelauge 3 mit der Lager­ schicht 4 versehen. Bei diesem Arbeitsgang wird auch die Trenn­ flächenerhebung 10 mit dem Material der Lagerschicht 4 be­ schichtet.

Bei der Bearbeitung der Lagerschicht 4 auf Endmaß wird die La­ gerschicht 4 im Bereich der radial nach innen abragenden Trenn­ flächenerhebung 10 vollständig abgetragen. Damit liegt das Ma­ terial der Trennflächenerhebung 10 sowohl seitlich, also in axialer Richtung, als auch in radialer Richtung frei.

Anschließend kann die Trennflächenerhebung 10 selektiv entfernt werden. Die selektive Entfernung erfolgt insbesondere auf naß­ chemischem Wege, wie es bspw. bei der Herstellung von Halblei­ terbauteilen bekannt ist. Um auf naßchemischem Wege ein gutes Ergebnis zu erreichen, wird das Material der Trennflächenerhe­ bung 10 derart gewählt, daß es mit einer Flüssigkeit entfernt werden kann, die das Material des Halbzeugs und der Lager­ schicht 4 allenfalls geringfügig angreift.

Bei einer naß- und/oder trockenchemischen Entfernung der Trenn­ flächenerhebung 10 ist es sinnvoll, die Bereiche, die außerhalb der Trennflächenerhebung 10 angeordnet sind, mit einer Passi­ vierungsschicht zu versehen, die sie vor dem Zutritt der Flüs­ sigkeit schützt.

In besonderer Ausgestaltung kann die Trennflächenerhebung 10 derart ausgestaltet sein, daß nach deren Entfernung zumindest im Bereich der Lagerschicht 4 eine Öltasche verbleibt.

In Fig. 5 ist ein Pleuel 1 mit einer weiteren Trennflächener­ hebung 10 dargestellt. Die in Fig. 6 vergrößert dargestellte Trennflächenerhebung 10 ist im Bereich der späteren Trennfläche 8 des Lagerdeckels 6 vom Restpleuel 7 angeordnet.

Die Trennflächenerhebung 10 besteht bei diesem Ausführungsbei­ spiel aus dem gleichen Material wie das Halbzeug. Sie weist ei­ ne radiale Erstreckung auf, die größer oder gleich der Schicht­ dicke der nachträglich umfangsseitig des Lagersitzes aufge­ brachten Lagerschicht 4 ist. Die Axialerstreckung der Trennflä­ chenerhebung 10 entspricht in etwa der Axialerstreckung des La­ gersitzes des großen Pleuelauges 3.

Zur Herstellung eines Pleuels 1 gemäß Fig. 5 wird hier zu­ nächst das der Kurbelwelle zugewiesenen große Pleuelauge 3, das bereits die Trennflächenerhebung 10 aufweist, mit der Lager­ schicht 4 versehen. Bei diesem Arbeitsgang wird die Trennflä­ chenerhebung 10 mit dem Material der Lagerschicht 4 beschich­ tet. Bei der Bearbeitung der Lagerschicht 4 auf Endmaß wird die Lagerschicht 4 im Bereich der radial nach innen, also zum Mit­ telpunkt des großen Pleuelauges 3 hin gerichteten, abragenden Trennflächenerhebung 10 vollständig abgetragen.

Bei der Bearbeitung der Lagerschicht 4 auf Endmaß wird bei ei­ ner Trennflächenerhebung 10, deren radiale Erstreckung größer als die Schichtdicke der Lagerschicht 4 ist, gleichzeitig auch das überschüssige Material der Trennflächenerhebung 10 ent­ fernt. Danach wird die Trennflächenerhebung 10 unter Ausbildung einer aus Fig. 2 bekannten Anrißkerbe 9 entfernt und zuletzt der Lagerdeckel 6 abgetrennt.

Die Abtrennung kann mittels eines bekannten Trennverfahrens wie Sägen, Laser, Elektronenstrahl usw. vorgenommen werden. Insbesondere ist es sinnvoll, eine Bruchtrennung, also das sogenann­ te Cracken des großen Pleuelauges 3 vorzunehmen.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung eines Pleuels mit einem Pleuelauge aus einem Halbzeug, bei welchem Verfahren zumindest eine Öff­ nung eines Halbzeuges, die später den Lagersitz desjenigen Pleuelauges bildet, an dem das Pleuel an der Kurbelwelle ange­ ordnet wird, mit einer Lagerschicht versehen wird, bei welchem Verfahren das Pleuelauge unter Ausbildung eines Lagerdeckels entlang einer Trennfläche in mindestens zwei Teile getrennt wird und bei welchem Verfahren das Pleuelauge nach der Aufbrin­ gung der Lagerschicht innenseitig bearbeitet wird, zur Herstel­ lung eines Pleuels, dadurch gekennzeichnet, daß das große Pleuelauge (3) mit einer sich radial zum Mittel­ punkt des Pleuelauges (3) erstreckender Trennflächenerhebung (10) versehen wird, daß vor dem Trennen des Pleuelauges (3) in Lagerdeckel (6) und Restpleuel (7) die Trennflächenerhebung (10) und/oder die Lagerschicht (4) im Bereich der Trennflächen­ erhebung (10) zumindest teilweise entfernt wird und daß mit der Entfernung der Trennflächenerhebung (10) und/oder der Lager­ schicht (4) eine Anrißkerbe (9) in das Halbzeug des Pleuels (1) eingebracht bzw. freigelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschicht (4) und/oder die Trennflächenerhebung (10) im Bereich der Trennfläche (8) thermisch entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Trennen des Pleuelauges im Bereich der Trennfläche (8) das unterhalb der Lagerschicht (4) angeordnete Material - im folgenden vereinfachend Restmaterial genannt - zumindest teilweise entfernt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Restmaterial eingekerbt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Lagerschicht (4) und die Einbringung der Anrißkerbe (9) in einem Arbeitsgang vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Lagerschicht (4) und die Einbringung der Anrißkerbe (9) gleichzeitig vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschicht (4) vor dem Trennen des großen Pleuelauges (3) im Bereich der Trennfläche (8) vorwiegend spanend auf ihre Endabmessung bearbeitet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschicht (4) nach dem Trennen des großen Pleuelau­ ges (3) im Bereich der Trennfläche (8) vorwiegend spanend auf ihre Endabmessung bearbeitet wird, nachdem der Lagerdeckel (6) und das Restpleuel (7) wieder zusammengesetzt sind.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug aus einem Stahl geschmiedet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug aus einem Gußwerkstoff gegossen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug aus Leichtmetall hergestellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug aus einer Al- und/oder einer Mg-Legierung her­ gestellt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der achsparallel zum Pleuelauge (3) ausgerichte­ ten Trennfläche (8) des Halbzeugs eine Materialverjüngung als Anrißkerbe (9) eingebracht ist und daß die Anrißkerbe (9) mit einer Trennflächenerhebung (10) befüllt versehen wird, welche zusätzlich noch von der Fläche des Lagersitzes in Richtung des Mittelpunktes des Pleuelauges (3) erhebend ausgeformt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennflächenerhebung (10) mit einer über dem Lagersitz gemessenen lichten Höhe ausgebildet wird, die gleich oder grö­ ßer als die radial gemessene Schichtdicke der Lagerschicht (4) ist.