DE102012112723B4

DE102012112723B4 - Kolben für eine Brennkraftmaschine sowie Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens

Info

Publication number: DE102012112723B4
Application number: DE102012112723.9A
Authority: DE
Inventors: Joachim Kloss
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2023-04-27
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: DE102012112723A1

Abstract

Kolben (2) für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenkörper (4) aus Aluminium (26), der mindestens eine Ringnut (6), in der ein Kolbenring angeordnet ist, und ein Kolbenhemd (12) aufweist, das zumindest teilweise eine Eisenbeschichtung (28) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Gleitschichtaussparung (18) in der Eisenbeschichtung (28) vorgesehen ist, die mit einer Graphitbeschichtung (32) gefüllt ist, wobei an mindestens zwei, gegenüberliegenden Flächenmittelpunkten des Kolbenhemdes (12) eine kreisförmige Aussparung (20) vorgesehen ist, von der aus sich jeweils zwei, um 180° versetzt angeordnete schenkelförmige Aussparungen (22, 24) erstrecken, derart, dass an gegenüberliegenden Laufflächen (14, 16) des Kolbenhemdes (12) jeweils die Gleitschichtaussparung (18) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenkörper aus Aluminium, der mindestens eine Ringnut, in der ein Kolbenring angeordnet ist, und ein Kolbenhemd aufweist, das zumindest teilweise eine Eisenbeschichtung besitzt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens.
Derartige Kolben weisen deutliche Vorteile hinsichtlich ihrer Gewichtsoptimierung auf. Hierbei ist es bekannt, den Kolbenkörper und dabei insbesondere das Kolbenhemd zur Verbesserung des Gleitverhaltens mit einer Graphitschicht zu versehen, die durch Spritzen oder durch Siebdruck aufgebracht werden kann. Eine derartige Graphitbeschichtung weist hierbei insbesondere den Vorteil auf, dass sie gute Notlaufeigenschaften besitzt. Insbesondere für Kolben, die in einer Kolbenlaufbahn aus einer übereutektischen Legierung, beispielsweise eine mit Silizium beschichtete Aluminiumlaufbahn, angeordnet sind, ist es bekannt, den Kolben mit einer Eisenschicht zu versehen, um eine besonders verschleißfeste Oberfläche zu gewährleisten. Eine derartige Ausbildung eines Kolbens wird beispielsweise in der Beschreibungseinleitung der DE 10 2010 047 279 A1 genannt. Zudem sind aus dem druckschriftlichen Stand der Technik gemäß der DE 10 34 922 A und der WO 2007/ 073 910 A1 Kolben bekannt, die über ihren Umfang Gleitschichtaussparungen aufweisen, die mit einer Graphitbeschichtung gefüllt sind.
Es hat sich jedoch nun gezeigt, dass ein gattungsgemäßer Kolben insbesondere beim Kaltstart aufgrund einer unzureichenden Schmierfilmdicke eine Verklemmneigung aufweisen kann, was einen Ausfall der Brennkraftmaschine zur Folge hat.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den oben genannten Nachteil auf einfache und kostengünstige Weise zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mindestens eine Gleitschichtaussparung in der Eisenbeschichtung vorgesehen ist, die mit einer Graphitbeschichtung gefüllt ist, wobei an mindestens zwei, gegenüberliegenden Flächenmittelpunkten des Kolbenhemdes eine kreisförmige Aussparung vorgesehen ist, von der aus sich jeweils zwei, um 180° versetzt angeordnete schenkelförmige Aussparungen erstrecken, derart, dass an gegenüberliegenden Laufflächen des Kolbenhemdes jeweils die Gleitschichtaussparung vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, auf besonders einfache und kostengünstige Art und Weise einen Kolben zu schaffen, der hinsichtlich seiner Lauffläche ein erhöhtes Verschleißverhalten besitzt, jedoch gleichzeitig auch ein verbessertes Gleitverhalten aufweist, wobei das verbesserte Gleitverhalten für Notlaufsituationen, insbesondere beim Kaltstart, vorteilhaft ist. Um weiter Gewicht bei einem Kolben einzusparen, haben sich Kolben mit komplexer Geometrie durchgesetzt, wobei insbesondere im Bereich der Pleuellager Material eingespart wird. Dies hat zur Folge, dass das Kolbenhemd eines derartigen Kolbens zwei voneinander getrennte, gegenüberliegende Laufflächen aufweist, deren Lauffläche mit der erfindungsgemäßen Lösung wesentlich verbessert werden. Durch diese besondere Anordnung ist gewährleistet, dass die Notlaufeigenschaften an den Punkten, nämlich an den Flächenmittelpunkten des Kolbenhemdes, wo die Ölbenetzung am schlechtesten zustande kommt, eine Graphitbeschichtung aufweisen. Durch die Anordnung der schenkelförmigen Aussparungen wird bei einer oszillierenden Bewegung des Kolbens eine besonders große Fläche der jeweiligen Zylinderlaufbahn abgedeckt.
In besonders vorteilhafter Weise ist es vorteilhaft, wenn sich die schenkelförmigen Aussparungen unter einem Winkel von ca. 45° zur Horizontalen erstrecken. Um eine Oxidbildung der Eisenbeschichtung zu verhindern, kann die Eisenbeschichtung eine Zinnbeschichtung aufweisen.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens gelöst, wobei in einem ersten Schritt der Kolbenkörper hergestellt wird, in einem zweiten Schritt Masken für die Aussparungen vorgesehen werden, in einem dritten Schritt eine Eisenbeschichtung aufgebracht wird, in einem vierten Schritt eine Zinnbeschichtung auf die Eisenbeschichtung aufgebracht wird und in einem fünften Schritt die Masken entfernt werden und in den Aussparungen eine Graphitbeschichtung aufgebracht wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert, hierbei zeigt:

1 eine perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens,
2 eine Seitenansicht des Kolbens aus 1, und
3 eine Teilschnittansicht gemäß dem Schnitt A-A aus 2.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kolbens 2 zum Einsatz in einer Zylinderlaufbahn einer nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine. Ein Kolbenkörper 4 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Ringnut 6 auf, in der ein nicht weiter dargestellter Kolbenring auf bekannte Weise einsetzbar ist. Der Kolbenkörper 4 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwecks Gewichtseinsparung im Bereich von beiden Pleuellagern 8 eine komplexe Geometrie 10 auf, derart, dass lediglich ein Kolbenhemd 12 mit zwei Laufflächen 14, 16 ausgebildet ist.
Wie 3 deutlich zu entnehmen ist, ist der Kolbenkörper 4 aus Aluminium (26) gefertigt, wobei die Laufflächen 14, 16 außerhalb einer Aussparung 18 eine Eisenbeschichtung 28 mit einer Zinnbeschichtung 30 aufweisen. Erfindungsgemäß ist eine Gleitschichtaussparung 18 vorgesehen, die mit einer Graphitbeschichtung ausgefüllt ist und so der Verbesserung des Gleitverhaltens des Kolbens 2 dient.
2 zeigt eine Seitenansicht des Kolbens 2 aus 1. Deutlich zu erkennen ist hier die Gleitschichtaussparung 18, die sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus mehreren, unterschiedliche Geometrien aufweisende Aussparungen 20, 22, 24 zusammensetzt. Mit dem Bezugszeichen 20 ist hierbei eine kreisförmige Aussparung, die sich im Flächenmittelpunkt des Kolbenhemdes 12 befindet, dargestellt. Hier kommt eine Ölbenetzung während der Bewegung in der Zylinderlaufbahn am schlechtesten zustande, wodurch insbesondere hier gute Notlaufeigenschaften gefragt sind. Von dieser kreisförmigen Aussparung erstrecken sich jeweils zwei schenkelförmige Aussparungen 22, 24. Beide schenkelförmigen Aussparungen 22, 24 weisen dabei einen Winkel α von ca. 45° zur Horizontalen auf. Hierdurch ist gewährleistet, dass bei einer oszillierenden Bewegung des Kolbens 2 in der Zylinderlaufbahn eine möglichst große Fläche der Zylinderlaufbahn überstrichen wird. Natürlich ist es auch denkbar, andere geometrische Formen für die Aussparungen vorzusehen. Insbesondere können sich auch die schenkelförmigen Aussparungen 22, 24 parallel zur Horizontalen erstrecken.
3 zeigt in einer Teilschnittansicht den Aufbau des Kolbens 2. Der Kolbenkörper 4 besteht hierbei auf bekannte Weise im Wesentlichen aus Aluminium 26, das mit einer Eisenbeschichtung 28 und einer Zinnbeschichtung 30 versehen ist. Die Gleitschichtaussparung 18, von der hier die Aussparung 20 im Schnitt dargestellt ist, ist mit einer Graphitbeschichtung 32 ausgefüllt, so dass sich eine homogene Lauffläche für den Kolben 2 ergibt.
Die Herstellung eines derartigen Kolbens 2 erfolgt dabei zunächst dadurch, dass in einem ersten Schritt der Kolbenkörper 4 aus Aluminium (26) hergestellt wird, in einem zweiten Schritt nicht weiter dargestellte Masken für die Aussparungen 20, 22, 24, die die Gleitschichtaussparung (18) ergeben, vorgesehen werden, in einem dritten Schritt die Eisenbeschichtung 28 aufgebracht wird, in einem vierten Schritt die Zinnbeschichtung 30 auf die Eisenbeschichtung 28 aufgebracht wird und in einem fünften Schritt die Masken entfernt werden und in den Aussparungen 20, 22, 24 die Graphitbeschichtung 22 aufgebracht wird.

Claims

Kolben (2) für eine Brennkraftmaschine mit einem Kolbenkörper (4) aus Aluminium (26), der mindestens eine Ringnut (6), in der ein Kolbenring angeordnet ist, und ein Kolbenhemd (12) aufweist, das zumindest teilweise eine Eisenbeschichtung (28) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Gleitschichtaussparung (18) in der Eisenbeschichtung (28) vorgesehen ist, die mit einer Graphitbeschichtung (32) gefüllt ist, wobei an mindestens zwei, gegenüberliegenden Flächenmittelpunkten des Kolbenhemdes (12) eine kreisförmige Aussparung (20) vorgesehen ist, von der aus sich jeweils zwei, um 180° versetzt angeordnete schenkelförmige Aussparungen (22, 24) erstrecken, derart, dass an gegenüberliegenden Laufflächen (14, 16) des Kolbenhemdes (12) jeweils die Gleitschichtaussparung (18) vorgesehen ist.
Kolben (2) für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die schenkelförmigen Aussparungen (22, 24) unter einem Winkel von ca. 45° zur Horizontalen erstrecken.
Kolben (2) für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenbeschichtung (28) eine Zinnbeschichtung (30) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (2) nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt der Kolbenkörper (4) hergestellt wird, in einem zweiten Schritt Masken für die Aussparungen (20, 22, 24) vorgesehen werden, in einem dritten Schritt eine Eisenbeschichtung (28) aufgebracht wird, in einem vierten Schritt eine Zinnbeschichtung (30) auf die Eisenbeschichtung (28) aufgebracht wird und in einem fünften Schritt die Masken entfernt werden und in den Aussparungen (18, 20, 22, 24) eine Graphitbeschichtung (32) aufgebracht wird.