DE102006008910A1 - Kolbenbolzen mit Gleitschichten für Pleuelaugen in Verbrennungsmotoren - Google Patents

Kolbenbolzen mit Gleitschichten für Pleuelaugen in Verbrennungsmotoren Download PDF

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Abstract

Kolbenbolzen für ein Pleuel in Hubkolben-Verbrennungsmaschinen, wobei der Kolbenbolzen zumindest im Bereich der Lauffläche eine thermisch gespritzte Gleitschicht aus einem metallischen Lagerwerkstoff oder Gleitlagerwerkstoff trägt, sowie Hubkolben-Verbrennungsmaschine mit einem Pleuel mit kleinem und mit großem Pleuelauge, wobei zumindest die Lauffläche eines Kolbenbolzens aus einer thermisch gespritzten Gleitschicht eines metallischen Lagerwerkstoffs gebildet ist, der eine geringere Härte aufweist als die Lauffläche des korrespondierenden Pleuelauges, und Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Kolbenbolzens mit den Schritten Fließpressen oder Drehen eines Kolbenbolzenrohlings, Einbringen einer Ausnehmung im Bereich der späteren Lauffläche, Aufrauen der Oberfläche im Bereich der Ausnehmung, Auftragen einer Beschichtung eines Lagerwerkstoffs durch ein thermisches Spritzverfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft Kolbenbolzen für ein Pleuel in Hubkolben-Verbrennungsmaschinen und die Ausgestaltung der Reibpaarung aus den Laufflächen eines Kolbenbolzens und dem korrespondierenden Pleuelauge in Verbrennungsmaschinen sowie Herstellungsverfahren von mit Gleitschichten ausgestatteten Kolbenbolzen, gemäß den Gegenständen der Ansprüche 1, 6 und 10.
  • Mit der Entwicklung neuer Generationen von Kraftfahrzeugmotoren, steigen die Anforderungen an die im Antriebsaggregat verwendeten Werkstoffe zunehmend an. Die verfügbaren Lager der Antriebsaggregate, insbesondere die Pleuellager sind den sich daraus ergebenden hohen mechanischen Belastungen, insbesondere unter dem Langzeitaspekt, nicht mehr gewachsen. Die Fertigung geeigneter Pleuellager ist in der Regel ein aufwändiger Prozess.
  • Aus der DE 198 22 934 C2 oder der DE 198 22 901 C2 ist ein Verfahren zum außenseitigen und haftenden Aufbringen einer Schmierstoffschicht auf eine freiliegende und tribologisch beanspruchte Oberfläche eines Gegenstandes bekannt, wobei die Schmierstoffschicht zumindest unter Beanspruchungsbedingungen Borsäure (H3BO3) aufweist. Die Schmierstoffschicht kann auch für Pleuel oder Kolbenbolzen angewendet werden. Die DE 198 22 932 C1 beschreibt derartige Beschichtungen, bei denen die Oberfläche eines Pleuels beschichtet wird.
  • Schmierstoffbeschichtungen haben im Allgemeinen den Nachteil, dass sie über die Betriebsdauer abgetragen werden und ihre Wirksamkeit verlieren.
  • Bei der Herstellung von Pleueln in Verbrennungsmotoren ist es üblich, die Pleuelaugen mit Gleitlagern zu versehen. Dabei wird das Pleuelauge in der Regel mit einer eingesetzten Lagerschale versehen. Neuerdings wird versucht die Schale durch Gleitbeschichtungen auf die Pleuelinnenseite zu ersetzen.
  • Aus der DE 197 31 625 A1 sind Verfahren bekannt, die Lagerschicht direkt durch thermisches Spritzen eines Lagerwerkstoffes auf das Pleuelauge durchzuführen.
  • Gleitlager werden heutzutage häufig durch Al/Cu-Legierungen, häufig mit Sn-, oder Zn-Legierungsbestandteilen, gebildet. Aus der DE 100 35 032 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Pleuels mit einer Lagerschicht bekannt, wobei die Lagerschicht vorzugsweise mittels thermischer Spritzverfahren, insbesondere Plasmaspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen aufgebracht wird und bevorzugt aus Al/Cu- Legierungen oder Cu/(Zn, Al, Sn)-Legierungen besteht.
  • Aus der DE 198 24 308 C1 ist eine Gleitlagerschale mit einer durch Elektronenstrahlbedampfung aufgebrachten Gleitschicht bekannt, die durch einen Verbundwerkstoff aus einer Matrixphase, vorzugsweise aus Aluminium und einer dispergierten Phase, vorzugsweise aus Sn, Pb, Bi und/oder Sb besteht.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte und kostengünstige Reibpaarung für Pleuel und darin gelagertem Bolzen bereitzustellen, sowie ein geeignetes Herstellungsverfahren aufzuzeigen.
    •
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kolbenbolzen für ein Pleuel in Hubkolben-Verbrennungsmaschinen bei dem der Kolbenbolzen zumindest im Bereich der Lauffläche eine thermisch gespritzte Gleitschicht aus einem metallischen Lagerwerkstoff oder Gleitlagerwerkstoff trägt, mit den Merkmalen des Anspruchs 1,
    sowie durch eine Hubkolben-Verbrennungsmaschine mit zumindest einer Reibpaarung aus Pleuelauge und Kolbenbolzen wobei die Lauffläche dieses Kolbenbolzens aus einer thermisch gespritzten Gleitschicht eines metallischen Lagerwerkstoffs gebildet ist, der eine geringere Härte aufweist als die Lauffläche des korrespondierenden Pleuelauges, mit den Merkmalen des Anspruchs 6,
    sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenbolzens für ein Pleuel in Hubkolben-Verbrennungsmaschinen, umfassend die Schritte Fließpressen oder Drehen eines Kolbenbolzenrohlings, Einbringen einer Ausnehmung im Bereich der späteren Lauffläche, Aufrauen der Oberfläche im Bereich der Ausnehmung, Auftragen einer Beschichtung eines Lagerwerkstoffs durch ein thermisches Spritzverfahren, mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
  • Im ersten Aspekt der Erfindung ist somit vorgesehen, dass der Kolbenbolzen mit einer Gleitschicht ausgestattet ist. Dabei handelt es sich erfindungsgemäß um eine zumindest im Bereich der Lauffläche aufgetragene thermisch gespritzte Gleitschicht aus einem metallischen Lagerwerkstoff oder Gleitlagerwerkstoff.
  • Die Schicht auf dem Kolbenbolzens ist so ausgestaltet, dass sie eine gesonderte Gleitschicht beziehungsweise gesonderte Gleitlagerschalen im korrespondierenden Pleuelauge nicht mehr zwingend erforderlich macht. Durch den Entfall der Lagerbuchse entsteht zusätzlicher Bauraum in der Verbindung zwischen Pleuel und Kolbenbolzen. Der Bauraum kann genutzt werden, um die Bauteilfestigkeit/steifigkeit des Pleuels und/oder des Kolbenbolzens zu erhöhen. Ist die Steigerung der Bauteilefestigkeit oder -steifigkeit nicht erforderlich, führt die eingesparte Lagerbuchse unmittelbar zur Verringerung der bewegten Massen im Kurbeltrieb.
  • Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die aufwändige Innenbeschichtung der Gleitfläche des Pleuels oder des Einbaus einer Gleitlagerschale in das Pleuelauge unterbleiben können. Vielmehr wird die wesentlich einfacher zu bearbeitende Außenfläche des Kolbenbolzens mit der in der Reibpaarung erforderlichen Gleitschicht versehen.
  • Als Gleitschicht können sehr unterschiedliche metallische Werkstoffe eingesetzt werden, die erfindungsgemäß als thermisch gespritzte Schichten aufgetragen sind. Zu den erfindungsgemäß bevorzugten Verfahren zur Herstellung thermisch gespritzter Schichten zählen das Lichtbogendrahtspritzen, Plasmaspritzen, oder das Flamm- oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Die thermischen Spritzverfahren zeichnen sich durch eine gute Haftung zum Untergrund, eine hohe Auftragsrate und eine hohe Variabilität der abscheidbaren Schichtzusammensetzung aus.
  • Während früher häufig Pb-haltige Legierungen auf Cu-Basis als Gleitlagerwerkstoffe angewendet wurden, werden diese heutzutage aus Gründen des Umweltschutzes zunehmend durch Pb-freie Legierungen ersetzt. Gattungsgemäße Gleitlagermetalle beziehungsweise Gleitlagerwerkstoffe werden heutzutage häufig durch Al/Cu-Legierungen, insbesondere mit Sn-, oder Zn-Legierungsbestandteilen, gebildet.
  • Zu den geeigneten metallischen Lagerwerkstoffen oder Gleitlagerwerkstoffen zählen die meisten der üblichen Gleitlagerwerkstoffe, die sich durch thermisches Spritzen als Schichten abscheiden lassen.
  • Die härteren metallischen Lagerwerkstoffe sind insbesondere ausgewählt aus einer der folgenden Legierungstypen: Messing, beispielsweise CuZn3lSil, Al-Bronze, beispielsweise CuAl14,8Fe4,5Mn2Co2, Al/Cu-Legierung, Bronze auf Zn-Basis und/oder Bronze auf Sn-Basis. Im Prinzip sind auch die Bronzen auf Pb-Basis geeignet.
  • Die weicheren metallischen Lagerwerkstoffe sind insbesondere ausgewählt aus einer der folgenden Legierungstypen: Bronze, beispielsweise CuSn6Ag1, Weißmetall auf Zn-Basis, Al/Sn-Legierung und/oder Rotguss. Im Prinzip sind auch Weißmetall auf Pb-Basis, Bronze auf Pb-Basis, Bronze auf Pb/Sn-Basis und/oder Pb/Sn-Legierung geeignet.
  • Zu den erfindungsgemäß geeigneten Gleitlagerwerkstoffen zählen auch die ausgeführten metallischen Lagerwerkstoffe mit Anteilen an nichtmetallischen, insbesondere keramischen Zusätzen. Diese können beispielsweise aus Kohlenstoff (Graphit), Bornitrid, Molybdänsulfid oder anderen Festschmierstoffen bestehen.
  • Besonders bevorzugt ist der thermisch abgeschiedene metallische Lagerwerkstoff aus einer Cu/Sn- oder einer Cu/Zn-Legierung gebildet ist.
  • Ein weiterer bevorzugter metallischer Lagerwerkstoff wird aus einer Al/Cu/Bi-Legierung gebildet. Eine besonders geeignete Legierungszusammensetzung ist hier eine Sn- und Pb-freie Al/Cu-Legierung mit Bi-Anteilen im Bereich von 10 bis 40 Gew.% und 0,1 bis 5 Gew.% Cu.
  • Bevorzugt weist der Kolbenbolzen im Bereich der Lauffläche eine Kammerung auf, die durch den Gleitlagerwerkstoff aufgefüllt ist. Dies hat den Vorteil, dass der vergleichsweise weiche Gleitlagerwerkstoff auf den Seiten durch das harte und feste Material des Kolbenbolzens begrenzt wird. Der Kolbenbolzen wird in der Regel aus Stahl oder gehärtetem Stahl gebildet.
  • Durch die Lokale Beschichtung wird das tribologische System Kolben zu Kolbenbolzen nicht verändert.
  • Je nach Ausgestaltung der Reibpaarung kann es auch zweckmäßig sein, dass die gesamte zylindrische Oberfläche des Kolbenbolzens mit Gleitlagerwerkstoff beschichtet ist.
  • Die Dicke der thermisch gespritzten Gleitschicht ist vergleichbar mit den üblichen Abmessungen für Gleitschichten oder Gleitlagerschalen in Pleuelaugen. Bevorzugt liegt die Dicke der Gleitschicht bei 1 bis 10% des Durchmessers des Kolbenbolzens.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Hubkolben-Verbrennungsmaschine mit zumindest einer Reibpaarung aus Pleuelauge und einem mit thermisch gespritzter Gleitschicht versehenen Kolbenbolzen. Bei dieser Ausgestaltung ist es von besonderer Bedeutung, dass die metallischen Lagerwerkstoffe beziehungsweise Gleitlagerwerkstoffe dabei eine geringere Härte aufweisen als die Lauffläche des korrespondierenden Pleuelauges. Der Kolbenbolzen stellt somit den weicheren Reibpartner der Reibpaarung.
  • Während die thermische Spritzschicht des Kolbenbolzens aus den eingangs aufgeführten metallischen Lagerwerkstoffen oder Gleitlagerwerkstoffen besteht, weist die korrespondierende Lauffläche des Pleuels bevorzugt eine Oberfläche aus Stahl oder gehärtetem Stahl auf.
  • Bei einem Pleuel des Verbrennungsmotors können die Laufflächen der zwei Pleuelaugen dabei gleich oder unterschiedlich ausgestaltet sein.
  • In einer ersten Ausgestaltung weist das kleine Pleuelauge keine spezielle Gleitschicht und keine Lagerschalen auf, wobei der korrespondierende Kolbenbolzen des kleinen Pleuelauges die thermisch gespritzte Gleitschicht besitzt. Das große Pleuelauge weist dagegen eine Gleitlagerbeschichtung oder Lagerschalen auf. Beim korrespondierenden Kolbenbolzen wird somit bevorzugt auf eine thermisch gespritzte Gleitschicht verzichtet. Da es häufig aus konstruktiven Gründen bei der Montage des Pleuels an die Kurbelwelle erforderlich ist, das große Pleuelauge zu öffnen (kracken), ist in diesem Fall die Aufbringung einer Gleitschicht oder von Lagerschalen im Großen Pleuelauge weniger aufwändig als im kleinen Pleuelauge.
  • In einer weiteren Ausgestaltung weisen kleines und großes Pleuelauge keine spezielle Gleitschicht und keine Lagerschalen auf, wobei beide korrespondierenden Kolbenbolzen eine thermisch gespritzte Gleitschicht besitzen. Der zum großen Pleuelauge korrespondierende Kolbenbolzen ist im Verbrennungsmotor als Hubzapfen der Kurbelwelle ausgebildet. Die Gleitschichten können sich hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Ausgestaltung unterscheiden. Das thermische Spritzverfahren erlaubt es ebenfalls den geometrisch anspruchsvolleren Kolbenbolzen des großen Pleuelauges gezielt und auf die Lauffläche beschränkt zu beschichten. In bevorzugter Ausgestaltung weisen somit alle Laufflächen der Pleuelaugen, welche zu den mit Gleitschicht versehenen Kolbenbolzen korrespondieren weder Lagerschale noch Gleitbeschichtung auf.
  • Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung betrifft ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von Kolbenbolzen für ein Pleuel in Hubkolben-Verbrennungsmaschinen.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines Kolbenbolzens für ein Pleuel in Hubkolben-Verbrennungsmaschinen, sieht zumindest die folgenden wesentlichen Schritte vor:
    • a) Fließpressen oder Drehen eines Kolbenbolzenrohlings
    • b) Einbringen einer Ausnehmung im Bereich der späteren Lauffläche (Kammerung)
    • c) Aufrauen der Oberfläche im Bereich der Ausnehmung
    • d) Auftragen einer Beschichtung eines Lagerwerkstoffs durch ein thermisches Spritzverfahren.
  • In bevorzugter Ausgestaltung wird für den Kolbenbolzen ein Stahlbolzen verwendet und dieser zwischen den Schritten b) und c) oder den Schritten c) und d) einer Härtebehandlung unterzogen. Besonders bevorzugt wird die Ausnehmung im Bereich der Lauffläche beziehungsweise die Kammerung sowie die Aufrauung der Oberfläche im ungehärteten Stahl eingebracht. Die Ausnehmung im Bereich der Lauffläche wird bevorzugt bis in eine Tiefe von 1 bis 10% des Durchmessers des Kolbenbolzens eingebracht wird.
  • Ja nach Art der Oberflächenbehandlung, insbesondere der Feinheit der Oberflächenkonturen, kann es aber auch von Vorteil sein, zunächst das Härten durchzuführen und erst danach die Oberfläche aufzurauen. Hierdurch kann verhindert werden, dass sich die Oberflächenstruktur durch die Wärmebehandlung gegebenenfalls nachteilig verändert, beispielsweise verzundert oder auch Kühlmedium des Abschreckprozesses (beispielsweise Öl) in den mikroskopischen Ausnehmungen und Vertiefungen haften bleibt.
  • Zu den besonders geeigneten Verfahren, die Oberfläche aufzurauen gehören Strahlverfahren, insbesondere das Hochdruckwasserstrahlen (HDWS) mit und ohne Abrasivpartikeln (abrasiv-HDWS). Vorteilhaft ist die abwechselnde Behandlung mit abrasiv-HDWS und HDWS.
  • Daneben können auch elektrochemische Verfahren, wie beispielsweise das ECM-Verfahren (electochemical machining) erfolgreich eingesetzt werden, um insbesondere sehr regelmäßige Oberflächenstrukturen beziehungsweise – ausnehmungen zu erzeugen.
  • In der Regel ist es erforderlich, nach dem thermischen Spritzen (Schritt d) eine glättende oder spanabhebende Nachbehandlung durchzuführen. Dies ist zumindest für die Lauffläche von Vorteil, da hierdurch die erforderliche Passgenauigkeit in der Reibpaarung erreicht werden kann.
  • Zu den besonders geeigneten thermischen Spritzverfahren zählen das Lichtbogendrahtspritzen (LDS), Plasmaspritzen, oder das Flamm- oder das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Diese Verfahren zeichnen sich durch hohe Auftragsraten aus. Die Abscheidung von zum Teil schmelzflüssigem Material sorgt für eine gute Haftung auf dem aufgerauten Untergrund. Vergleichsweise dünne Schichten können auch durch Sputterverfahren kostengünstig hergestellt werden.
  • Nach der Oberflächenbeschichtung und erforderlichenfalls durchgeführten glättenden Nachbehandlung der Oberfläche des beschichteten Kolbenbolzens wird dieser bevorzugt in ein Pleuelauge eines Hubkolben-Verbrennungsmotors eingesetzt, das keine Gleitbeschichtung der korrespondierenden Lauffläche aufweist. Hierbei handelt es sich besonders bevorzugt um das kleine Pleuelauge.
    •

Claims (17)

  1. Kolbenbolzen für ein Pleuel in Hubkolben-Verbrennungsmaschinen dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenbolzen zumindest im Bereich der Lauffläche eine thermisch gespritzte Gleitschicht aus einem metallischen Lagerwerkstoff oder Gleitlagerwerkstoff trägt.
  2. Kolbenbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Lagerwerkstoff aus einer Cu/Sn- oder einer Cu/Zn-Legierung gebildet ist.
  3. Kolbenbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Lagerwerkstoff aus einer Al/Cu/Bi-Legierung gebildet ist.
  4. Kolbenbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte zylindrische Oberfläche des Kolbenbolzens mit Gleitlagerwerkstoff beschichtet ist.
  5. Kolbenbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Gleitschicht bei 1 bis 10% des Durchmessers des Kolbenbolzens liegt.
  6. Hubkolben-Verbrennungsmaschine mit einem Pleuel mit kleinem und mit großem Pleuelauge, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Lauffläche eines Kolbenbolzens aus einer thermisch gespritzten Gleitschicht eines metallischen Lagerwerkstoffs gebildet ist, der eine geringere Härte aufweist als die Lauffläche des korrespondierenden Pleuelauges.
  7. Hubkolben-Verbrennungsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Lauffläche des zum kleineren Pleuelauge korrespondierenden Kolbenbolzen die Gleitschicht aufweist.
  8. Hubkolben-Verbrennungsmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächen der Pleuelaugen, welche zu den mit Gleitschicht versehenen Kolbenbolzen korrespondieren, keine Lagerschale oder Gleitbeschichtung aufweisen.
  9. Hubkolben-Verbrennungsmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche des Kolbenbolzens ausgewählt ist aus einem der Legierungstypen Messing, Al-Bronze, Al/Cu-Legierung, Al/Cu/Bi-Legierung oder Bronze und dass die Lauffläche des korrespondierenden Pleuelauges aus Stahl oder gehärtetem Stahl besteht.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Kolbenbolzens für ein Pleuel in Hubkolben-Verbrennungsmaschinen, umfassend die folgenden Schritte: a) Fließpressen oder Drehen eines Kolbenbolzenrohlings b) Einbringen einer Ausnehmung im Bereich der späteren Lauffläche c) Aufrauen der Oberfläche im Bereich der Ausnehmung d) Auftragen einer Beschichtung eines Lagerwerkstoffs durch ein thermisches Spritzverfahren.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlbolzen verwendet wird und zwischen den Schritten b) und c) oder c) und d) eine Härtebehandlung des Stahlbolzens erfolgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung im Bereich der Lauffläche bis in eine Tiefe von 1 bis 10% des Durchmessers des Kolbenbolzens eingebracht wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt d) zumindest über den Bereich der späteren Lauffläche eine glättende oder spanabhebende Nachbehandlung durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Spritzverfahren das Lichtbogendrahtspritzen, Plasmaspritzen, oder das Flamm- oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen durchgeführt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufrauen der Oberfläche im Schritt c) das Hochdruckwasserstrahlen und/oder Hochdruckwasserstrahlen mit Abrasivpartikeln angewendet wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der beschichtete Kolbenbolzen in ein Pleuelauge eines Hubkolben-Verbrennungsmotors eingesetzt wird, das keine Gleitbeschichtung der korrespondierenden Lauffläche aufweist.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der beschichtete Kolbenbolzen in ein Pleuelauge eines Hubkolben-Verbrennungsmotors eingesetzt wird, dessen korrespondierende Lauffläche aus gehärtetem Stahl besteht.
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