DE102005057754A1

DE102005057754A1 - Kolben für Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102005057754A1
Application number: DE102005057754A
Authority: DE
Inventors: Masamune Wako Tabata; Naoko Wako Sato; Takashi Wako Shiraishi; Yasunori Wako Murakami
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2025-12-03
Also published as: CN1782358B; US20060117947A1; DE102005057754B4; JP2006161563A; US7287459B2; CN1782358A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben (1) einen Mantelabschnitt (1a) aufweist, umfassend: eine auf einer Oberfläche (21) des Mantelabschnitts (1a) gebildete harzhaltige Beschichtungslage (2) und eine Mehrzahl von Konkavitäten, die in der harzhaltigen Beschichtungslage (2) regelmäßig angeordnet sind. Die Konkavitäten sind nicht-beschichtete Bereiche, in denen die harzhaltige Beschichtungslage (2) nicht gebildet ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Es wird die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-349689, eingereicht am 2. Dezember 2004, beansprucht, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor und insbesondere ein Verfahren zum Bilden einer harzhaltigen Beschichtungslage auf einer Mantelabschnittsfläche, um den Reibungswiderstand des Kolbens zu verringern.

Beschreibung des zugehörigen Fachgebiets

Es ist bekannt, dass eine Oberflächenbehandlung einer Gleitfläche eines Kolbens eines Verbrennungsmotors die Kraftstoffeffizienz verbessert und ein Kolbenfresser und eine abnormale Geräuschentwicklung verhindern kann. Es ist zum Beispiel eine Oberflächenbehandlung vorgeschlagen worden, bei der durch Sandstrahlen oder Kugelstrahlen winzige Konkavitäten auf einer Außenwand eines Mantelabschnitts bereitgestellt werden (siehe z.B. JP S52-16451 U). Die JP S52-16451 U offenbart, dass Schmieröl in diesen winzigen Konkavitäten gehalten wird und kaum abfließt, so dass ein Kolbenfresser der Zylinderauskleidung und des Kolbens verhindert werden kann.

Als eine ähnliche Oberflächenbehandlung wie bei der JP S52-16451 U, ist ein Kolben für einen Zweitakt-Benzinmotor vorgeschlagen worden, bei dem eine Anzahl von Konkavitäten durch Druckgussverarbeitung, Sandstrahlen, Kugelstrahlen usw. in einer Außenumfangsfläche des Mantelabschnitts geformt sind (siehe z.B. JP S57-193941 U). Die JP S57-193941 U offenbart, dass, da durch das Bereitstellen von Konkavitäten auf dem Mantelabschnitt des Kolbens ausreichend Schmieröl zu dem dem Hochtemperaturgas ausgesetzten oberen Abschnitt der Zylinder-Innenwandoberfläche zugeführt wird, die Schmierleistung über die gesamte Gleitfläche zwischen dem Kolben und dem Zylinder verbessert wird.

Es ist ebenfalls ein Kolben offenbart worden, bei dem ein vorstehender Abschnitt, der sich entlang der Umfangsrichtung erstreckt, an dem Mantelabschnitt der Seitenfläche des Kolbenkörpers vorgesehen ist, und ferner winzige Einbuchtungen (Konkavitäten) an der Oberfläche dieses vorstehenden Abschnitts vorgesehen sind (siehe z. B. WO 01/02712 A1). Diese winzigen Einbuchtungen werden durch Kugelstrahlen in der geeigneten Größe gebildet. Gemäß der WO 01/02712 A1 wird das Schmieröl nicht nur in jeweiligen winzigen Einbuchtungen gehalten, sondern wird auch einfach von einem Wölbungsabschnitt, der an Konkavitäten gebildet ist, zu der Gleitfläche zugeführt. Nachdem demgemäß ein erstes Abtragen beendet ist und sich der Kolben an die Hülse anpasst, wird das Schmieröl zu der Gleitfläche zugeführt, um einen Ölfilm zu bilden, so dass nicht nur die Schmierung der Gleitfläche ermöglicht wird, sondern auch eine abnormale Geräuschentwicklung verhindert wird.

Ferner ist ein Gleitabschnittselement offenbart, an dem eine Beschichtungslage gebildet ist, nachdem Streifen auf der Oberfläche des Grundmaterials für das Gleitabschnittselement gebildet sind, so dass die Oberflächenrauigkeit desselben, mit der 10-Punkt-Durchschnitts-Rauigkeitsmessung gemessen (siehe z. B. JP 2004-149622 A), 8 μm Rz bis 18 μm Rz wird. Insbesondere ist die Beschichtungslage aus einem trockenen Beschichtungsfilm-Schmiermittel zusammengesetzt, welches wenigstens einen Typ eines Beschichtungsfilm-Modifikators enthält, der aus Polyamidimidharz, Epoxidsilan und Epoxidharz ausgewählt ist, und wenigstens einen Typ von harten Partikeln, die aus Silikonnitrid und Aluminiumoxid ausgewählt sind. Gemäß der JP 2004-149622 A kann, da durch die voranstehend genannte Beschichtungslage ein Abriebswiderstand und eine enge Berührung des Gleitabschnittselements verbessert werden, während der Reibungskoeffizient des Gleitabschnittselements verringert wird, die Erfindung der JP 2004-149622 A bei Kolben angewendet werden.

Wie oben beschrieben, werden bei der JP S52-16451 U, der JP S57-193941 U und der WO 01/02712 A1 winzige Konkavitäten durch mechanische Verarbeitung, wie beispielsweise Sandstrahlen, Kugelstrahlen und Druckguss, an der Gleitfläche des aus Metall hergestellten Mantelabschnitts bereitgestellt, um als ein Ölreservoir verwendet zu werden, von dem aus Öl zu der Gleitfläche geschmiert wird, um die Reibung des Mantelabschnitts zu verringern. In dem Gleitbereich des Mantelabschnits wird allerdings bei einem als Festkontaktbereich bezeichneten schlechten Ölschmierungszustand, der Reibungsverringerungseffekt durch das Schmieröl nicht erzielt. Die Oberflächenbehandlung gemäß dieser Dokumente war also auf die Verringerung des Reibungswiderstands an dem Mantelabschnitt begrenzt.

In der JP 2004-149622 A wird ein Reibungswiderstand in dem festen Kontaktbereich verringert, indem der Mantelabschnitt mit einem trockenen Beschichtungsfilm-Schmiermittel beschichtet wird. Auf der Gleitfläche des Mantelabschnitts werden durch eine Schneidverarbeitung vor der Beschichtung regelmäßig angeordnete Streifen erzeugt und dienen als das Ölreservoir, um zur Verringerung des Reibungswiderstands den Öl-Kreislaufbereich zu erweitern, was als der komplexe Schmierbereich im Mantelabschnitt bezeichnet wird. Die JP 2004-149622 A bearbeitet allerdings, wenn die Beschichtungslage gebildet wird, die Gleitfläche des Grundmaterials im Voraus durch die üblichen mechanischen Bearbeitungen, wie beispielsweise Schleifen und Drehen, zu einer gewünschten Oberflächenrauigkeit, bildet ferner regelmäßig angeordnete Streifen durch eine Schneidverarbeitung, bringt anschließend die Beschichtungslage auf und härtet diese durch eine Reaktion bei hohen Temperaturen derart aus, dass die Beschichtungslage mit dem trockenen Beschichtungsfilm-Schmiermittel gebildet wird. Das heisst, obwohl zu erwarten ist, dass die JP 2004-149622 A verglichen mit den voranstehend erwähnten drei Dokumenten den Reibungswiderstand des Mantelabschnitts wirksamer verringern kann, umfasst sie bei der Oberflächenbehandlung des Mantelabschnitts zwei Verfahren, mechanische und chemische (Beschichten) Oberflächenbehandlungen. Daher gibt es eine starke Nachfrage nach einem Oberflächenbehandlungsverfahren das die Verringerung des Reibungswiderstands des Mantelabschnitts einfacher ermöglicht.

Überblick über die Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme entwickelt worden und es ist ihre Aufgabe, einen Kolben für den Verbrennungsmotor bereitzustellen, der Oberflächenbehandlungsverfahren zum Verringern des Reibungswiderstands des Mantelabschnitts vereinfachen kann und gleichzeitig den Reibungswiderstand sowohl in dem Festkontaktbereich bei einem schlechten Ölschmierungszustand als auch in dem komplexen Schmierbereich bei Ölzirkulation verringern kann.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben in der Hoffnung, die oben beschriebenen Probleme zu lösen, aktiv Untersuchungen durchgeführt. Als ein Ergebnis haben sie herausgefunden, dass die obigen Probleme durch Bilden einer harzhaltigen Beschichtungslage auf der Oberfläche des Mantelabschnitts, und ferner durch Bereitstellen der regelmäßig angeordneten Konkavitäten auf dieser harzhaltigen Beschichtungslage, um ihren Reibungswiderstand in dem Festkontaktbereich zu verringern, gelöst werden können, wodurch sie zu dieser Erfindung gelangt sind.

Insbesondere stellt diese Erfindung einen Kolben für einen Verbrennungsmotor bereit, wobei der Kolben einen Mantelabschnitt aufweist, umfassend:
eine harzhaltige Beschichtungslage, die auf einer Oberfläche des Mantelabschnitts gebildet ist; und
eine Mehrzahl von Konkavitäten, welche in der harzhaltigen Beschichtungslage regelmäßig angeordnet sind.

Der erfindungsgemäße Kolben, der in dem Verbrennungsmotor verwendet werden soll, weist eine harzhaltige Beschichtungslage auf, welche auf der Oberfläche des Mantelabschnitts gebildet ist. Die harzhaltige Beschichtungslage ist mit einer Anzahl von regelmäßig angeordneten Konkavitäten versehen.

Der Verbrennungsmotor kann ein Zweitakt-Benzinmotor oder ein Viertakt-Benzinmotor sein. Jeder Kolben des Verbrennungsmotors wird üblicherweise von drei Kolbenringen gehalten und führt im Zylinder eine Hin- und Herbewegung aus. Im Allgemeinen ist ein aus Aluminiumlegierung hergestellter Kolbenkörper zylinderförmig gebildet und besteht aus einem Erhebungsabschnitt und einem Mantelabschnitt. Der Erhebungsabschnitt weist eine obere Fläche auf, um die Kolbenringe zu halten. Von dem Kolbenkörper weist eine Außenumfangsfläche des Mantelabschnitts (auch als Hülse bezeichnet) während des Gleitens die größte, eine Zylinder-Innenwand berührende Fläche auf.

Daher kann die Oberfläche des Mantelabschnitts die Außenumfangsfläche des Mantelabschnitts und einen beim Gleiten mit der Zylinder-Innenwand in Berührung stehenden Abschnitt bedecken. Die Bildung einer harzhaltigen Beschichtungslage auf der Oberfläche des Mantelabschnitts kann die Bildung einer harzhaltigen Beschichtungslage über die gesamte Außenumfangsfläche des Mantelabschnitts oder die Bildung einer harzhaltigen Beschichtungslage auf der Umfangsfläche des Mantelabschnitts außer in einer Umgebung einer Stiftöffnung zum Einführen eines Stifts, der einen Zylinder mit einer Pleuelstange verbindet, sein. Dies liegt daran, dass üblicherweise die Umgebung der Stiftöffnung eine Seitenwand wird, welche durch Abschneiden der Außenumfangsfläche des Mantelabschnitts gebildet ist. Wenn dies die Gelegenheit erfordert, können die Flächenausdehnung und die Position der harzhaltigen Beschichtungslage begrenzt werden.

Auf der Oberfläche des Mantelabschnitts kann bei dem erfindungsgemäßen Kolben eine harzhaltige Beschichtungslage eines einzelnen Harzes, welches einen niedrigen Reibungswiderstand und eine hohe Thermostabilität aufweist, oder eines Kompositharzes, welches das oben erwähnten einzelne Harz umfasst und ein festes Schmiermittel enthält, um es zu ermöglichen, den Reibungswiderstand des Festkontaktbereichs des Mantelabschnitts zu verringern. Entweder das einzelne Harz oder das Kompositharz können geeignet ausgewählt werden.

Der erfindungsgemäße Kolben ist ferner mit einer Mehrzahl von regelmäßig angeordneten Konkavitäten in der harzhaltigen Beschichtungslage versehen. Zum Beispiel können an dem Mantelabschnitt Konkavitäten durch ein übliches Verfahren gebildet werden, das in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-149622 offenbart ist. Kurz ausgedrückt wird der Kolbenkörper entfettet, gespült, vorgewärmt und durch einen Spritzüberzug oder ein Siebdruckverfahren an der Gleitfläche des Mantelabschnitts mit einer Lackierung versehen, welche zu einer harzhaltigen Beschichtungslage wird. Anschließend wird diese Lackierung durch eine Hochtemperaturreaktion ausgehärtet, um die harzhaltige Beschichtungslage zu bilden.

Wenn daher die Konkavitäten auf der Oberfläche des Mantelabschnitts vorher mit einer Maske bedeckt werden, werden sie durch den Spritzüberzug gebildet. Wenn alternativ die Konkavitäten auf der Siebdruckplatte als ein Abdecklack nachgezeichnet werden, können sie durch das Siebdruckverfahren gebildet werden. Die Konkavitäten können auch als ein von der harzhaltigen Beschichtungslage umgebener Bereich bezeichnet werden. Zusätzlich können die Konkavitäten von der harzhaltigen Beschichtungslage umgeben sein und die harzhaltige Beschichtungslage kann ebenfalls an der Basis der Konkavitäten gebildet sein, oder die Konkavitäten sind auf der Mantelabschnitts-Oberfläche regelmäßig angeordnet und die harzhaltige Beschichtungslage kann an der Oberfläche einschließlich der Mantelabschnitts- Konkavitäten gebildet sein. An der Basis der von der harzhaltigen Beschichtungslage umgebenen Konkavitäten liegt allerdings vorzugsweise die Mantelabschnitts-Oberfläche frei.

Als Konkavitäten dieser Erfindung können solche angesehen werden, die auf der Mantelabschnitts-Oberfläche als ein vorbestimmter Bereich gebildet sind und im Wesentlichen von der harzhaltigen Beschichtungslage derart umgeben sind, dass sie ein vorbestimmtes Volumen aufweisen. Formen von Konkavitäten, welche von der harzhaltigen Beschichtungslage umgeben sind und auf der Mantelabschnitts-Oberfläche gebildet sind, können beispielsweise Kreise oder Ellipsen sein, Quadrate oder Rechtecke, Dreiecke oder jede andere Form, die geschlossene Bereiche aufweist. Ferner schließt diese Erfindung nicht notwendigerweise das Vorhandensein unterschiedlicher Formen von Konkavitäten aus, aber die Konkavitäten weisen vorzugsweise die gleiche Form auf.

Da die regelmäßige Anordnung von Konkavitäten in der harzhaltigen Beschichtungslage eine Ausführungsform der geeigneten Anordnung ist und eine ungeordnet gesprenkelte Anordnung in der harzhaltigen Beschichtungslage im Hinblick auf die unten beschriebene Funktion von Konkavitäten als nicht bevorzugt angesehen wird, sind sie vorzugsweise in einem regelmäßigen Muster in der harzhaltigen Beschichtungslage angeordnet.

Insbesondere sind kreisförmige oder rechteckige Konkavitäten wahrscheinlich in einem Gittermuster angeordnet. Das Gittermuster kann in diesem Fall rechteckig oder rhombisch sein. Kreisförmig oder rechteckig gebildete Konkavitäten können jeweils mit gleichen Abständen in der Gleitrichtung des Mantelabschnitts und in der dazu senkrechten Umfangsrichtung angeordnet sein, und ebenfalls mit unterschiedlichen Abständen in der Gleitrichtung des Mantelabschnitts und in der oben erwähnten Umfangsrichtung.

Wie oben beschrieben, weisen Konkavitäten gemäß der vorliegenden Erfindung ein bestimmtes Volumen auf und haben eine Öl-Haltefunktion. Eine Mehrzahl von Konkavitäten dieser Erfindung kann als ein sogenanntes Ölreservoir wirken, um den Reibungswiderstand des komplexen Schmierbereichs des Mantelabschnitts zu verringern. Ferner kann diese Erfindung den Reibungswiderstand des komplexen Schmierbereichs rein durch eine chemische Beschichtungsbehandlung verringern, ohne dass eine herkömmliche mechanische Oberflächenbehandlung angewendet werden müsste, um den Reibungswiderstand des gesamten Mantelabschnitts zu verringern.

Vorzugsweise können bei dem erfindungsgemäßen Kolben die Konkavitäten nicht-beschichtete Bereiche sein, in denen die harzhaltige Beschichtungslage nicht gebildet ist.

Wie oben beschrieben, können Konkavitäten durch Masken oder durch Abdecklack gebildet werden. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Konkavitäten, deren Bodenflächen eine harzhaltige Beschichtungslage sein kann, ist der Boden dieser Konkavitäten die Mantelabschnitts-Oberfläche. Das heisst, die harzhaltige Beschichtungslage gemäß der Erfindung kann in mehreren Lagen gebildet sein, während gemäß diesem Merkmal die harzhaltige Beschichtungslage in einer einzigen Lage gebildet ist, um das Beschichtungsverfahren zu vereinfachen.

Ferner können vorzugsweise bei einem erfindungsgemäßen Kolben, wenn S eine Länge der Konkavitäten in einer Gleitrichtung des Mantelabschnitts ist, und L eine Länge der Konkavitäten in einer Umfangsrichtung senkrecht zu der Gleitrichtung ist, die Längen in einer Beziehung von S=L oder S<L eingestellt sein.

Bei dem Kolben gemäß diesem Merkmal sind, wenn S die Länge der Konkavitäten in einer Gleitrichtung des Mantelabschnitts ist, und L die Länge der Konkavitäten in einer Umfangsrichtung senkrecht zu der Gleitrichtung ist, die Längen in einer Beziehung von S=L oder S<L eingestellt.

Als ein Ergebnis aktiv durchgeführter Experimente haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung bestätigt, dass es wirksam ist, die Konkavitäten mit einer Beziehung von entweder S = L oder S < L einzustellen. Wenn Konkavitäten mit einer Beziehung von S > L eingestellt werden, wird es schwierig, einen ausreichenden Öldruck an den Konkavitäten sicherzustellen, wenn der Mantelabschnitt gleitet, so dass kaum ein Ölfilm auf der Gleitfläche des Mantelabschnitts gebildet wird, was dazu führt, dass eine wirksame Verringerung des Reibungswiderstands in dem komplexen Schmierbereich schwierig wird.

Die Form der Konkavitäten, die mit einer Beziehung von S = L eingestellt sind, ist ein Kreis oder ein Quadrat. Wenn die Form von Konkavitäten, die mit einer Beziehung von S < L eingestellt sind, elliptisch ist, wird durch Anordnen der Hauptachse der Ellipse parallel zur Außenumfangsrichtung des Mantelabschnitts und der Nebenachse der Ellipse senkrecht zur Hauptachse parallel zur Gleitrichtung des Mantelabschnitts der Öldruck in den Konkavitäten sichergestellt, um bei der Verringerung des Reibungswiderstands in dem komplexen Schmierbereich des Mantelabschnitts wirksam zu sein.

Hierbei können S und L nicht weniger als 5 μm und nicht mehr als 4 mm betragen.

Bei dem Kolben gemäß diesem Merkmal sind die Länge S der Konkavitäten in der Gleitrichtung des Mantelabschnitts und die Länge L der Konkavitäten in der Umfangsrichtung des Mantelabschnitts im Bereich von 5 μm bis 4 mm eingestellt.

Wenn zum Beispiel die Form der Konkavitäten ein Kreis ist und der Durchmesser der kreisförmigen Konkavitäten nicht mehr als 5 μm beträgt, fließt das Öl aufgrund seiner intrinsischen Viskosität kaum in diese winzigen Konkavitäten zu fließen, so dass die Öl-Haltefunktion an den Konkavitäten verringert ist und es schwierig wird, die Reibung in dem komplexen Schmierbereich zu verringern.

Wenn andererseits der Durchmesser der oben erwähnten kreisförmigen Konkavitäten nicht weniger als 4 mm beträgt, fließt das in den Konkavitäten gehaltenen Öl durch Oberflächendruck aus, so dass auf der Oberfläche der harzhaltigen Beschichtungslage kaum ein Ölfilm gebildet wird. Demgemäß wird dieser kaum beim Verringern der Reibung in dem komplexen Schmierbereich wirksam.

Vorzugsweise kann bei einem erfindungsgemäßen Kolben eine Tiefe der Konkavitäten nicht weniger als 5 μm und nicht mehr als 30 μm betragen.

Bei dem Kolben gemäß diesem Merkmal wird die an der Mantelabschnitts-Oberfläche gebildete harzhaltige Beschichtungslage in dem Bereich einer Filmdicke von 5 μm bis 30 μm hergestellt.

Wenn die harzhaltige Beschichtungslage gemäß diesem Merkmal eine Filmdicke von 5 μm oder weniger aufweist, sind die von der harzhaltigen Beschichtungslage umgebenen Konkavitäten flach, und das Öl-Rückhaltungsvolumen und die -Leistungsfähigkeit der Konkavitäten wird klein, was zu einer Schwierigkeit beim Bilden des Ölfilms auf der Oberfläche der harzhaltigen Beschichtungslage führt, und wobei es schwierig wird, die Reibung in dem komplexen Schmierbereich wirksam zu verringern.

Wenn andererseits die Filmdicke der harzhaltigen Beschichtungslage gemäß dieser Erfindung 30 μm oder mehr beträgt, werden von der harzhaltigen Beschichtungslage umgebene Konkavitäten tief bis zu ihrem Boden, so dass eine große Ölmenge in den Konkavitäten erforderlich ist, wodurch es schwierig wird, die Reibung in der Gleitumgebung des Mantelabschnitts bei einem nicht sehr guten Ölschmierungszustand zu verringern.

Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Kolben vorzugsweise vorgesehen sein, dass, wenn PL ein kürzester Abstand zwischen den benachbarten Konkavitäten in der Umfangsrichtung ist, PL in einem Bereich von 0,5 × S bis 2 × S liegt.

Bei dem Kolben gemäß diesem Merkmal ist, wenn PL ein kürzester Abstand zwischen den benachbarten Konkavitäten in der Umfangsrichtung ist, dieses PL in dem Bereich von 0,5 × S bis 2 × S eingestellt.

Wenn der kürzeste Filmabstand PL zwischen benachbarten Konkavitäten in der Umfangsrichtung 0,5 × S oder weniger beträgt, wird die Festigkeit der harzhaltigen Beschichtungslage, welche die Beschichtungswand bilden wird, nicht ausreichend, so dass vorhergesagt wird, dass die harzhaltige Beschichtungslage durch die darauf wirkenden Scherkräfte zerstört wird. Wenn andererseits der kürzeste Filmabstand PL 2 × S oder mehr beträgt, wird die Wahrscheinlichkeit von Festkontakt hoch, was der Verringerung des Reibungswiderstands des gesamten Mantelabschnitts nicht zuträglich ist.

Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Kolben vorzugsweise vorgesen sein, dass, wenn PS ein kürzester Abstand zwischen den benachbarten Konkavitäten in der Gleitrichtung ist, PS in einem Bereich von 0,5 × S bis 2 × S liegt.

Bei dem Kolben gemäß diesem Merkmal ist, wenn PS ein kürzester Abstand zwischen den benachbarten Konkavitäten in der Gleitrichtung ist, dieses PS in dem Bereich von 0,5 × S bis 2 × S eingestellt.

Wenn der kürzeste Filmabstand PS 0,5 × S oder weniger beträgt, wird die Festigkeit der harzhaltigen Beschichtungslage, welche die Beschichtungswand bilden wird, nicht ausreichend, so dass vorhergesagt wird, dass die harzhaltige Beschichtungslage durch die darauf wirkenden Scherkräfte zerstört wird. Wenn andererseits der kürzeste Filmabstand PS 2 × S oder mehr beträgt, wird die Wahrscheinlichkeit von Festkontakt hoch, was der Verringerung des Reibungswiderstands des gesamten Mantelabschnitts nicht zuträglich ist.

Bei einem Kolben mit einem beliebigen der voranstehenden Merkmale kann das Harz wenigstens ein Typ sein, der aus einer Gruppe umfassend Polyamidharz, Polyphenylensulfid, Epoxidharz, Phenolharz, Silikonharz, Polyamidimidharz, Polyimidharz und Polytetrafluorethylenharz ausgewählt ist.

Bei einem Kolben gemäß diesem Merkmal ist das Harz wenigstens ein Typ, der aus einer Gruppe umfassend Polyamidharz (PA), Polyphenylensulfid (PPS), Epoxidharz, Phenolharz, Silikonharz, Polyamidimidharz (PAI), Polyimidharz (PI) und Polytetrafluorethylenharz (PTFE) ausgewählt ist. Diese Harze weisen einen niedrigen Reibungswiderstand und hohe Thermostabilitätseigenschaften auf.

Bei einem Kolben gemäß einem der voranstehenden Merkmale kann die harzhaltige Beschichtungslage wenigstens einen Typ von anorganischem festen Schmiermittel enthalten, das aus einer Gruppe umfassend Übergangsmetallsulfide, Graphit, hexagonales Bornitrid, synthetisches Mika und Talk ausgewählt ist.

Bei einem Kolben gemäß diesem Merkmal enthält die harzhaltige Beschichtungslage wenigstens einen Typ von anorganischem festen Schmiermittel, das aus einer Gruppe umfassend Übergangsmetallsulfide, Graphit, hexagonales Bornitrid, synthetisches Mika und Talk ausgewählt ist. Übergangsmetallsulfide umfassen beispielsweise Molybdändisulfid (MoS₂) oder Wolframdisulfid (WS₂).

Bei einem Kolben gemäß einem der voranstehenden Merkmale kann die harzhaltige Beschichtungslage ein organisches festes Schmiermittel enthalten, das Fluorokarbonharze umfasst.

Bei dem Kolben gemäß diesem Merkmal enthält die harzhaltige Beschichtungslage ein organisches festes Schmiermittel, das Fluorokarbonharze umfasst. Die organischen festen Schmiermittel, die Fluorokarbonharze umfassen, sind beispielsweise Polytetrafluoroethylen (PTFE) und Tetrafluoroethylen-Perfluoroalkylvinylether (PFA).

Der Kolben dieser Erfindung ist ein Kolben, der bei dem Verbrennungsmotor verwendet werden soll, und auf dessen Mantelabschnitts-Oberfläche eine harzhaltige Beschichtungslage gebildet ist. In der harzhaltigen Beschichtungslage sind eine Mehrzahl von regelmäßig angeordneten Konkavitäten derart vorgesehen, dass der Reibungswiderstand sowohl im Festkontaktbereich bei einem schlechten Schmierzustand als auch im komplexen Schmierbereich bei Ölzirkulation verringert werden kann.

Ferner kann der Kolben dieser Erfindung den Reibungswiderstand in dem komplexen Schmierbereich rein durch eine chemische Beschichtungsbehandlung ohne das Anwenden einer herkömmlichen mechanischen Oberflächenbehandlung an dem Mantelabschnitt verringern, so dass der Reibungswiderstand des gesamten Mantelabschnitts verringert werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Vorderansicht, die eine Ausführungsform eines Kolbens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt und eine teilweise geschnittene Beschichtungslage darstellt.
2 ist eine vergrößerte Teilansicht der Mantelabschnittsfläche gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine geschnittene Teilansicht des Mantelabschnitts gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Längsschnittansicht eines relevanten Abschnitts des Mantelabschnitts und Hülsenabschnitts gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5A und 5B sind Draufsichten der Anordnung einer Anzahl von Konkavitäten gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6A und 6B sind Draufsichten der Anordnung einer Anzahl von Konkavitäten gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7A und 7B sind Draufsichten der Anordnung einer Anzahl von Konkavi täten gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist ein Graph, der Werte des Reibungskoeffizienten μ des herkömmlichen Mantelabschnitts und des Mantelabschnitts gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vergleicht.
9 ist ein schematisches Diagramm des Aufbaus einer Testeinrichtung zum Messen der Werte des Reibungskoeffizienten μ des Mantelabschnitts gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen die beste Form der Ausführung der vorliegenden Erfindung erläutert.
1 ist eine Vorderansicht, die eine Ausführungsform eines Kolbens gemäß dieser Erfindung zeigt. 1 bildet eine teilweise geschnittene Beschichtungslage ab. 2 ist eine vergrößerte Teilansicht der Mantelabschnittsfläche gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform. 3 ist eine geschnittene Teilansicht der Mantelabschnittsfläche gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A (in Pfeilrichtung) von 2. 4 ist eine Längsschnittansicht eines relevanten Abschnitts des Mantelabschnitts und der Hülse gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform.
5 ist eine Draufsicht der Anordnung einer Anzahl von Konkavitäten gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform. 5A bildet ein Anordnungsbeispiel von kreisförmigen Konkavitäten ab und 5B zeigt ein anderes Anordnungsbeispiel der kreisförmigen Konkavitäten von 5A. 6 ist eine Draufsicht der Anordnung einer Anzahl von Konkavitäten gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform. 6A bildet ein Anordnungsbeispiel von rechteckigen Konkavitäten ab und 6B zeigt ein anderes Anordnungsbeispiel der rechteckigen Konkavitäten von 6A. 7 ist eine Draufsicht der Anordnung einer Anzahl von Konkavitäten gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform. 7A zeigt ein unter schiedliches Anordnungsbeispiel von rechteckigen Konkavitäten von 6A. 7B ist ein Anordnungsbeispiel von gleichseitigen dreieckigen Konkavitäten.
8 ist ein Graph, der die Werte der Reibungskoeffizienten μ des herkömmlichen Mantelabschnitts und des Mantelabschnitts gemäß dieser Erfindung vergleicht. 9 ist ein schematisches Diagramm des Aufbaus einer Testeinrichtung zum Messen der Werte des Reibungskoeffizienten μ des Mantelabschnitts gemäß dieser Erfindung.
Zuerst wird der Aufbau eines Kolbens eines Verbrennungsmotors gemäß dieser Erfindung erläutert. Der Kolben in 1 wird üblicherweise von drei Kolbenringen (nicht gezeigt) gehalten, um die Hin- und Herbewegung im Zylinder durchzuführen. Der aus Aluminiumlegierung hergestellte Kolbenkörper 10 ist zylinderförmig ausgebildet und besteht aus einem Mantelabschnitt 1a und einem Erhebungsabschnitt 1b. Der Erhebungsabschnitt 1b weist eine obere Kolbenfläche auf, um die Kolbenringe zu halten. Ferner ist die äußere Umfangsfläche 11 des Mantelabschnitts 1a des Kolbenkörpers 10 ein Abschnitt, der beim Gleiten die größte mit der Hülse 3 (siehe 4) in Berührung stehende Fläche aufweist.
Daher kann die Oberfläche 21 des Mantelabschnitts 1a eine Fläche sein, die die äußere Umfangsfläche 11 des Mantelabschnitts 1a bedeckt, und ein Abschnitt, der beim Gleiten die Zylinder-Innenwand berührt. Hierbei zeigt der Pfeil X in der Figur die Gleitrichtung des Mantelabschnitts 1a an.
Wie in 1 gezeigt, ist eine harzhaltige Beschichtungslage 2 an der Oberfläche des Mantelabschnitts 1a gebildet. Die Oberfläche des Mantelabschnitts 1a ist im Wesentlichen eben und glatt, und eine Anzahl von Konkavitäten, welche von der harzhaltigen Beschichtungslage 2 umgeben sind, sind darauf regelmäßig angeordnet.
In 1 kann die harzhaltige Beschichtungslage 2 über den gesamten Be reich der äußeren Umfangsfläche 11 des Mantelabschnitts 1a oder an der äußeren Umfangsfläche 11 des Mantelabschnitts 1a mit Ausnahme der Umgebung der Stiftöffnung zum Einführen des Stifts zur Verbindung des Zylinders mit der Pleuelstange gebildet sein. Dies liegt daran, dass üblicherweise die Umgebung der Stiftöffnung eine Seitenwand ist, die durch Abschneiden der äußeren Umfangsfläche 11 des Mantelabschnitts 1a gebildet ist. Wenn es die Gelegenheit erfordert, können die Flächenausdehnung und die Position der harzhaltigen Beschichtungslage 2 begrenzt werden.
Daher ist bei dem Kolben 1 die Oberfläche 21 des Mantelabschnitts 1a im Wesentlichen flach und eben, so dass eine aus einem einzigen Harz hergestellte harzhaltige Beschichtungslage, welche einen niedrigen Reibungswiderstand und eine hohe Thermostabilität aufweist, an der Oberfläche 21 des Mantelabschnitts 1a gebildet werden kann, und eine aus einem Kompositharz, das in dem oben erwähnten einzelnen Kunstharz ein festes Schmiermittel enthält, hergestellte harzhaltige Beschichtungslage kann an der Oberfläche 21 des Mantelabschnitts 1a gebildet werden. Daher kann der Reibungswiderstand des Festkontaktbereichs des Mantelabschnitts verringert werden. In diesem Fall kann das einzelne Harz oder das Kompositharz geeignet ausgewählt werden.
Bei dem Kolben 1 gemäß dieser Erfindung sind eine Anzahl von Konkavitäten (z. B. elliptische Konkavitäten 2a in 2), welche von der harzhaltigen Beschichtungslage 2 umgeben sind, auf der Beschichtungslage 2 regelmäßig angeordnet. Die Konkavitäten 2a können zum Beispiel als ein als eine vorbestimmte Fläche auf der Oberfläche 21 des Mantelabschnitts 1a ausgebildeter Abschnitt angesehen werden, und sind tatsächlich derart von der harzhaltigen Beschichtungslage 2 umgeben, dass sie ein vorbestimmtes Volumen aufweisen (siehe 3).
Weiterhin kann die Form der von der harzhaltigen Beschichtungslage 2 umgebenen und auf der Oberfläche 21 ausgebildeten Konkavitäten zum Bei spiel kreisförmig (kreisförmige Konkavitäten 2b) sein, wie in 5 gezeigt, oder elliptisch (elliptische Konkavitäten 2a), wie in 2 gezeigt. Ferner kann die Form der Konkavitäten quadratisch, rechteckig (rechteckige Konkavitäten 2c), wie in 6 und 7 gezeigt, dreieckig (dreieckige Konkavitäten 2d), wie in 7B gezeigt, oder von jeder anderen Form sein, welche einen geschlossenen Bereich umfasst.
2 und 5 bis 7 zeigen beispielhaft geeignete Anordnungen von Konkavitäten 2a bis 2d. Zum Beispiel sind in 2 elliptische Konkavitäten 2a in einem rechteckigen Gitter angeordnet. Weiterhin sind in 5A kreisförmige Konkavitäten 2b in einem rechteckigen Gitter angeordnet. In 5B sind kreisförmige Konkavitäten 2b in einem rhombischen Gitter angeordnet, das heisst an vier Ecken einer rechteckigen Form und an einer Kreuzung von diagonalen Linien, welche die Ecken verbinden. In 6A sind rechteckige Konkavitäten 2c in einem rechteckigen Gitter angeordnet. In 6B sind rechteckige Konkavitäten 2c in einem rhombischen Gitter angeordnet, das heisst an vier Ecken einer rechteckigen Form und an einer Kreuzung von diagonalen Linien, welche die Ecken verbinden.
In 7A sind rechteckige Konkavitäten 2c auf eine Art entlang des rhombischen Gitters angeordnet. In 7B sind dreieckige Konkavitäten 2d in einem rhombischen Gitter angeordnet. Ferner können kreisförmige oder rechteckige Konkavitäten jeweils mit gleichen Abständen in der Gleitrichtung X des Mantelabschnitts 1a und der Umfangsrichtung senkrecht zur Gleitrichtung X angeordnet sein, oder mit unterschiedlichen Abständen in der Gleitrichtung des Mantelabschnitts 1a und der oben beschriebenen Umfangsrichtung.
Wie in 4 gezeigt, weisen die Konkavitäten 2a beispielsweise ein bestimmtes Volumen auf, das mit der Öl-Haltefunktion abzustimmen ist. Eine Mehrzahl von Konkavitäten kann als ein sogenanntes Ölreservoir wirken. Diese Konkavitäten 2a als das Ölreservoir können den Reibungswiderstand des komplexen Schmierbereichs des Mantelabschnitts 1a verringern. Ferner kann die vorliegende Erfindung den Reibungswiderstand des komplexen Schmierbereichs rein durch eine chemische Beschichtungsbehandlung verringern, ohne dass, wie üblich, der Mantelabschnitt einer mechanischen Oberflächenbehandlung unterzogen wird. Daher kann der Reibungswiderstand an dem gesamten Mantelabschnitt verringert werden.
Ferner haben die Erfinder aktiv Experimente durchgeführt und als ein Ergebnis herausgefunden, dass mehrere Bedingungen für die Größe der Konkavitäten, die Abstände zwischen benachbarten Konkavitäten, die Dicke des Beschichtungsfilms und dergleichen existieren, um diese Erfindung wirksamer zu machen. Die erste Bedingung ist, die Beziehung von S=L oder S<L einzustellen, wobei S die Länge der Konkavitäten in der Gleitrichtung ist und L die Länge in der Umfangsrichtung senkrecht zur Gleitrichtung ist.
Die Erfinder haben bestätigt, dass es wirksam ist, Konkavitäten dieser Erfindung mit einer Beziehung von S=L oder S<L einzustellen. Wenn die Konkavitäten mit einer Beziehung von S>L eingestellt sind, wird es schwierig, einen ausreichenden Öldruck in den Konkavitäten sicherzustellen, während der Mantelabschnitt gleitet, so dass kaum ein Ölfilm auf der Oberfläche 21 (Gleitfläche) desselben gebildet wird (siehe 4), und es wird schwierig, die Reibung in dem komplexen Schmierbereich wirksam zu verringern.
Zum Beispiel ist die Form der Konkavitäten, die mit der Beziehung S=L eingestellt sind, ein Kreis (siehe 5) oder ein Quadrat. Wenn die Form der Konkavitäten mit einer Beziehung von S<L elliptisch ist (siehe 2), kann durch Anordnen der Hauptachse der Ellipse parallel zu der Außenumfangsrichtung des Mantelabschnitts 1a und der Nebenachse der Ellipse senkrecht zur oben erwähnten Hauptachse parallel zur Gleitrichtung des Mantelabschnitts 1a der Öldruck in den Konkavitäten sichergestellt werden und wird zum Verringern der Reibung in dem komplexen Schmierbereich des Mantelabschnitts wirksam.
Die zweite Bedingung ist es, die Länge S der Konkavitäten in der Gleitrich tung des Mantelabschnitts 1a und die Länge L der Konkavitäten in der Umfangsrichtung des Mantelabschnitts 1a im Bereich von 5 μm bis 4 mm einzustellen.
Wenn zum Beispiel die Form der Konkavitäten ein Kreis ist (siehe 5) und der Durchmesser der kreisförmigen Konkavitäten 2b nicht mehr als 5 μm beträgt, wird es für das Öl E aufgrund seiner Viskosität schwierig, in diese winzigen Konkavitäten zu fließen, so dass die Öl-Haltefunktion der Konkavitäten verringert ist. Demgemäß wird es schwierig, die reibungsverringernde Wirkung des Öls in dem komplexen Schmierbereich zu erreichen. Wenn andererseits der Durchmesser nicht-beschichteter kreisförmiger Konkavitäten 2b nicht weniger als 4 mm beträgt, fließt das in den Konkavitäten 2b gehaltenen Öl E (siehe 4) durch Oberflächendruck aus, so dass es schwierig wird, auf der Beschichtungslage einen Ölfilm zu bilden. Demgemäß wird es schwierig, die reibungsverringernde Wirkung des Öls in dem komplexen Schmierbereich zu erreichen.
Die dritte Bedingung ist es, die harzhaltige Beschichtungslage 2 so zu bilden, dass sie eine Filmdicke h im Bereich von 5 μm bis 30 μm aufweist (siehe 3). Wenn die Filmdicke h der harzhaltigen Beschichtungslage 2 5 μm oder weniger beträgt, ist beispielsweise die Tiefe der gebildeten Konkavitäten 2a (siehe 3) flach, so dass der die Leistungsfähigkeit und der Betrag der Öl-Rückhaltung an den Konkavitäten 2a klein wird und es schwierig wird, auf der Oberfläche der harzhaltigen Beschichtungslage 2 einen Ölfilm zu bilden. Daher wird in dem komplexen Schmierbereich kaum eine reibungsverringernde Wirkung erreicht.
Wenn andererseits die Filmdicke h der harzhaltigen Beschichtungslage 2 30 μm oder mehr beträgt (siehe 3), ist beispielsweise die Tiefe der gebildeten Konkavitäten 2a (siehe 3) groß und eine große Ölmenge ist in den Konkavitäten 2a erforderlich, so dass die reibungsverringernde Wirkung des Öls in der Gleitumgebung des Mantelabschnitts 1a bei einem nicht sehr guten Schmierzustand des Öls E kaum erreicht wird.
Die vierte Bedingung ist, wenn PL der kürzeste Filmabstand zwischen benachbarten Konkavitäten in der Umfangsrichtung senkrecht zur Gleitrichtung X ist, PL im Bereich von 0,5 × S bis 2 × S (siehe 2) einzustellen. Wenn der kürzeste Filmabstand PL 0,5 × S oder weniger beträgt, wird die Festigkeit der harzhaltigen Beschichtungslage 2, welche die Beschichtungswand bildet, nicht ausreichend, so dass vorhergesagt wird, dass die harzhaltige Beschichtungslage 2 durch die darauf wirkenden Scherkräfte zerstört wird. Wenn andererseits der kürzeste Filmabstand PL 2 × S oder mehr beträgt, wird die Wahrscheinlichkeit von Festkontakt hoch, was der Verringerung des Reibungswiderstands des gesamten Mantelabschnitts nicht zuträglich ist.
Die fünfte Bedingung ist, wenn PS der kürzeste Filmabstand zwischen benachbarten Konkavitäten in der Gleitrichtung X des Mantelabschnitts 1a ist, PS im Bereich von 0,5 × S bis 2 × S (siehe 2) einzustellen. Wenn der kürzeste Filmabstand PS 0,5 × S oder weniger beträgt, wird die Festigkeit der harzhaltigen Beschichtungslage 2, welche die Beschichtungswand bildet, nicht ausreichend, so dass vorhergesagt wird, dass die harzhaltige Beschichtungslage 2 durch die darauf wirkenden Scherkräfte zerstört wird. Wenn andererseits der kürzeste Filmabstand PS 2 × S oder mehr beträgt, wird die Wahrscheinlichkeit von Festkontakt hoch, was der Verringerung des Reibungswiderstands des gesamten Mantelabschnitts nicht zuträglich ist.
Harze, welche die Matrix der bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Beschichtungslage bilden, sind beispielsweise Polyamidharz (PA), Polyphenylensulfid (PPS), Epoxidharz, Phenolharz, Silikonharz, Polyamidimidharz (PAI), Polyimidharz (PI) und Polytetrafluorethylenharz (PTFE). Diese Harze werden besonders bevorzugt, da sie einen niedrigen Reibungswiderstand und eine hohe Thermostabilität aufweisen. Sie können Kompositharze sein, welche zwei oder mehr aus den voranstehenden Harzen ausgewählte Harztypen umfassen. Hierbei werden als "Kompositharze" diejenigen bezeichnet, welche mit Verfahren einschließlich Harzmischen, Polymer-Legierungsbildung, Kopolymerisation und dergleichen hergestellt sind.
Ferner kann die oben beschriebene Beschichtungslage neben den voranstehend genannten Harzen ein anorganisches festes Schmiermittel enthalten. Als Beispiele von anorganischen festen Schmiermitteln werden Füller, wie beispielsweise Übergangsmetall-Sulfide einschließlich Molybdändisulfid (MoS₂) und Wolframdisulfid (WS₂), Graphit, hexagonales Bornitrid, synthetisches Mika und Talk genannt. Diese können einzeln oder als Kombination von zwei oder mehr Typen daraus verwendet werden.
Die oben beschriebene Beschichtungslage kann, neben den oben erwähnten Harzen, ein organisches Schmiermittel enthalten. Beispiele von organischen Schmiermitteln sind Füller, welche Fluorocarbonharze umfassen, wie beispielsweise Polytetrafluoroethylen (PTFE) und Tetrafluoroethylen-Perfluoroalkylvinylether (PFA). Diese können einzeln oder als Kombination von zwei oder mehr Typen daraus verwendet werden.
Unter diesen wird besonders eine Beschichtungslage bevorzugt, welche durch Kombination von MoS₂ und PTFE mit PAI als dem Grundmaterial hergestellt ist, da sie einen niedrigen Reibungswiderstand und eine hohe Thermostabilität aufweist.
Beispiele
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben. Als eine Testeinrichtung zum Messen des Reibungskoefflzientenwerts μ der Beschichtungslage gemäß dieser Erfindung wird eine Niedriggeschwindigkeits-Reibungsvorrichtung (LVFA, "low velocity friction apparatus"), welche als "JASO M349-95" bezeichnet wird, verwendet. Wie in dem schematischen Diagramm des Aufbaus einer LVFA gezeigt, wurden mehrere Typen des in Tabelle 1 unten gezeigten Beschichtungsfilms C auf dem aus Aluminiumlegierung hergestellten Teststück B gebildet.
Während das mit diesen Beschichtungsfilmen C beschichtete Teststück B mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 6 m/s gedreht wurde, wurde das Motoröl E dem Beschichtungsfilm C kontinuierlich tropfend zugeführt, auf welchen mit einem vorbestimmten Oberflächendruck P eine Platte gedrückt wurde, um den Wert des Reibungskoeffizienten μ zu messen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Musterangaben in Tabelle 1 geben die Form und Größe von Konkavitäten sowie Abstände zwischen benachbarten Konkavitäten usw. an.
Bei den Beispielen 1 bis 4, 7 und 8 von Tabelle 1 wurde ein Polyamidimid-Kompositharz umfassend PAI (40%), MoS₂ (30%) und PTFE (30%) verwendet. Weiterhin wurde bei den Beispielen 5, 6 und 9 von Tabelle 1 ein einziges Harz umfassend Phenolharz verwendet.
Die in Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse stützen die oben beschriebenen Bedingungen. Beispielsweise stützt ein Vergleich von Beispielen 1 und 2 und von Beispielen 3 und 4 den Grund, warum die Längen L und S der konkavitäten im Bereich von 5 μm bis 4 mm eingestellt sind.
Zusätzlich ist 8 ein Graph, der die Ergebnisse von μ-Wert-Messungen zeigt, wobei der Oberflächendruck P bei Beispiel 1 aus Tabelle 1 und bei einem herkömmlichen Produkt ohne auf dem in 9 gezeigten Teststück B vorgesehenen Beschichtungsfilm C von 0,5 MPa bis 1,0 MPa variiert wird. In 8 repräsentiert der gemusterte rechte Balken das Ergebnis bei Beispiel 1 und der linke weiße Balken zeigt das Ergebnis bei dem herkömmlichen Produkt.
Wie in 8 gezeigt, wird bewiesen, dass der Kolbenmantel dieser Erfindung selbst bei einem niedrigen Oberflächendruck von etwa 0,5 MPa einen niedrigeren μ-Wert verglichen mit dem herkömmlichen Produkt zeigt, und seinen μ-Wert selbst bei einem so hohen Oberflächendruck wie etwa 1,0 MPa nicht ändert.
Da die Gleitumgebung des Kolbens mit einer Fluktuation von niedrigen zu hohen Oberflächendrücken begleitet wird, sollten μ-Werte vorzugsweise nicht nur bei einem bestimmten Oberflächendruck, sondern auch in einem breiten Bereich von Oberflächendruck-Bedingungen niedrig sein. Bei dem Kolbenmantel dieser Erfindung wird der μ-Wert nicht nur bei dem niedrigen Oberflächendruck verringert, sondern dieser niedrige μ-Wert wird in dem breiten Bereich von Oberflächendruck-Bedingungen beibehalten. Daher kann ein Motor, der den Kolbenmantel dieser Erfindung verwendet, die Kraftstoffeffizienz verbessern.
Die Erfindung betrifft einen Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben (1) einen Mantelabschnitt (1a) aufweist, umfassend: eine auf einer Oberfläche (21) des Mantelabschnitts (1a) gebildete harzhaltige Beschichtungslage (2) und eine Mehrzahl von Konkavitäten, die in der harzhaltigen Beschichtungslage (2) regelmäßig angeordnet sind. Die Konkavitäten sind nicht-beschichtete Bereiche, in denen die harzhaltige Beschichtungslage (2) nicht gebildet ist.

Claims

Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, wobei der Kolben (1) einen Mantelabschnitt (1a) aufweist, umfassend: eine harzhaltige Beschichtungslage (2), die auf einer Oberfläche (21) des Mantelabschnitts (1a) gebildet ist; und eine Mehrzahl von Konkavitäten (2a, 2b, 2c, 2d), welche in der harzhaltigen Beschichtungslage (2) regelmäßig angeordnet sind.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konkavitäten (2a, 2b, 2c, 2d) nicht-beschichtete Bereiche sind, in denen die harzhaltige Beschichtungslage (2) nicht gebildet ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn S eine Länge der Konkavitäten (2a, 2b, 2c, 2d) in einer Gleitrichtung (X) des Mantelabschnitts (1a) ist, und L eine Länge der Konkavitäten (2a, 2b, 2c, 2d) in einer Umfangsrichtung senkrecht zu der Gleitrichtung (X) ist, die Längen in einer Beziehung von S=L oder S<L eingestellt sind.
Kolben (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass S und L nicht weniger als 5 μm und nicht mehr als 4 mm betragen.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefe der Konkavitäten (2a, 2b, 2c, 2d) nicht weniger als 5 um und nicht mehr als 30 μm beträgt.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn PL ein kürzester Abstand zwischen den benachbarten Konkavitäten (2a, 2b, 2c, 2d) in der Umfangsrichtung ist, PL in einem Bereich von 0,5 × S bis 2 × S liegt.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeich net, dass, wenn PS ein kürzester Abstand zwischen den benachbarten Konkavitäten (2a, 2b, 2c, 2d) in der Gleitrichtung (X) ist, PS in einem Bereich von 0,5 × S bis 2 × S liegt.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz wenigstens ein Typ ist, der aus einer Gruppe umfassend Polyamidharz, Polyphenylensulfid, Epoxidharz, Phenolharz, Silikonharz, Polyamid-Imid-Harz, Polyimidharz und Polytetrafluorethylenharz ausgewählt ist.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die harzhaltige Beschichtungslage (2) wenigstens einen Typ von anorganischem festen Schmiermittel enthält, das aus einer Gruppe umfassend Übergangsmetall-Sulfide, Graphit, hexagonales Bornitrid, synthetisches Mika und Talk ausgewählt ist.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die harzhaltige Beschichtungslage (2) ein organisches festes Schmiermittel enthält, das Fluorokarbonharz umfasst.