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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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In Verbrennungsmotoren geht ein erheblicher Anteil der zur Verfügung stehenden Energie durch Reibung verloren. Hierbei entfallen etwa 10 Prozent auf die Reibung zwischen Kolbenschaft und Zylinder. Für die Verringerung der gesamten Energieverluste ist es deshalb wünschenswert, die Reibung am Kolbenschaft möglichst gering zu halten.
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STAND DER TECHNIK
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Diesbezüglich sind zum einen Beschichtungen des Kolbenschafts bekannt. Zum anderen wurde in der Vergangenheit versucht, durch eine Verkleinerung der Kontaktfläche zwischen Kolben und Zylinder die Reibung zu senken. Darüber hinaus ist es bekannt, durch eine Strukturierung des Kolbenschafts für eine günstige Verteilung des Motoröls zu sorgen. Beispielsweise betrifft die
EP 1 840 419 A1 einen Kolben mit einer bogenförmigen Mikro-Riffelung. Aus der
US 7,415,961 B1 gehen Nuten am Kolbenschaft hervor, die mit Ölzuflüssen kombiniert sind, die zum Kolbeninnenraum geöffnet sind.
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Die
EP 1 971 707 B1 betrifft einen Kolben mit Schaftwänden, die mit einer ersten Beschichtung versehen sind, die bereichsweise in in Richtung der Kolbenachse verlaufenden Wellen mit einer zweiten Beschichtung abgedeckt ist. Schließlich betrifft die
US 5,195,478 A einen Kolben mit Nuten an den Schaftwänden, die sich weitgehend über die gesamten Schaftwände erstrecken.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Reibung zwischen Kolben und Zylinder weiter zu verringern.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den im Patentanspruch 1 beschriebenen Kolben.
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Dieser weist an den Schaftwänden auf der Druck- und/oder Gegendruckseite zumindest eine gekrümmte, abgeschlossene Nut und/oder zumindest eine nutförmige Aussparung in einem erhabenen Bereich auf, die bevorzugt ebenfalls gekrümmt ist. Hierbei ist ein in Richtung der Kolbenachse mittlerer Bereich von beispielsweise ±10 % um die Mitte der Schaftwand (in Richtung der Kolbenachse) von Nuten und/oder nutförmigen Aussparungen frei.
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Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, das an den Schaftwänden vorhandene Öl zu den Bereichen mit besonders hoher Druckbelastung zu leiten. Dementsprechend ist es erfindungsgemäß nicht erforderlich, für einen Ölzulauf, sei es von dem Kolbeninnenraum oder einer Ölringnut, zu sorgen. Vielmehr ist die erfindungsgemäß vorgesehene Nut als abgeschlossen zu bezeichnen, da sie weder im Verlauf ihres Bodens noch an einem ihrer Enden, noch an einer sonstigen Stelle einen Zulauf für Öl aufweist. Vielmehr sammeln die Kanten zwischen den Nutflanken und der Oberfläche der Schaftwand gewissermaßen das Öl, und die Nut ist derart gestaltet, dass sie das gesammelte Öl zu den besonders druckbelasteten Bereichen des Schafts leitet. Hierfür hat sich die gekrümmte Form als günstig erwiesen. Bevorzugt liegt ein Scheitel der gekrümmten Nut oder nutförmigen Aussparung in etwa an der (in Umfangsrichtung) Mitte der Schaftwand. Entsprechend der vorangehend beschriebenen Wirkung ist die Nut dementsprechend makroskopisch angelegt und fungiert als Ölleitung und nicht als Riffelung zum Zurückhalten des Öls, wie dies im Stand der Technik vorgesehen wurde. Dementsprechend ist auch keine Riffelung mit zahlreichen mikroskopischen Nuten vorgesehen, sondern allenfalls einige wenige, bevorzugt lediglich vier Nuten, jedoch mindestens zwei Nuten.
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Dies gilt in gleicher Weise für die ergänzende oder alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Maßnahme als nutförmige Aussparung in einem erhabenen Bereich. Bei dem erhabenen Bereich kann es sich beispielsweise um eine aufgedruckte oder in sonstiger Weise aufgebrachte Beschichtung handeln, die nut-, schlitz- oder rillenförmig ausgespart, mit anderen Worten in einer Nut-, Schlitz- oder Rillenform nicht auf die Schaftwand aufgebracht ist, um denselben Effekt zu erreichen, der vorangehend für die in der Schaftwand ausgebildete Nut, die ebenfalls als Schlitz, Rille oder Kanal bezeichnet werden kann, beschrieben wurde. Ein Unterschied zu der Nut besteht für die nutförmige Aussparung darin, dass sie an zumindest einem Ende nicht in die (höher gelegene) Schaftwand übergehen kann, sondern insofern offen ist, als an ihrem Ende die Beschichtung endet. Folglich besteht hier von der erhabenen Beschichtung in Richtung der Kolbenachse zu dem Niveau der Schaftwand eine Stufe, und die bezüglich der Beschichtung tieferliegende nutförmige Aussparung geht auf gleichbleibenden Niveau in die Schaftwand über. Insofern kann hier Öl in die nutförmige Aussparung fließen, es handelt sich jedoch nicht um einen Zulauf seitens der Kolbeninnenseite oder einer Ölringnut.
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Beiden beschriebenen Ausführungsformen liegt der Grundgedanke zugrunde, Öl in definierter Art und Weise von Schaftbereichen mit niedrigerer Druckbelastung zu höher belasteten Stellen zu leiten. Hierzu wird in der Praxis ein Tragbild des Kolbens ausgewertet, oder die Druckbelastung wird simuliert. Hierbei wird bevorzugt, dass die Nuten oder nutförmigen Aussparungen an die stark druckbelasteten Bereiche, beispielsweise die Mitte der Schaftwände in Richtung der Kolbenachse heranreichen, diese jedoch nicht durchschneiden. Mit anderen Worten sind die erfindungsgemäßen Nuten und nutförmigen Aussparungen in Bereichen mit niedriger Druckbelastung ausgebildet. Hierdurch kann ein erhöhter Verschleiß in diesem Bereich vermieden werden. Die Erfindung ist auf Otto- und Dieselkolben sowie Stahl- und Aluminiumkolben in gleicher Weise anwendbar.
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Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den weiteren Ansprüchen.
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Zur Optimierung der Ölverteilung wird eine Erstreckung der Nut und/oder der nutförmigen Aussparung über mindestens 80 Prozent der Schaftwandbreite in Umfangsrichtung als vorteilhaft erachtet.
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Darüber hinaus wird derzeit bevorzugt, die Nut und/oder nutförmigen Aussparungen auf der Druck- und Gegendruckseite unterschiedlich auszubilden. Der Grund dafür liegt darin, dass die beiden Seiten deutlich unterschiedlich druckbelastet werden und während der stärksten Druckbelastung eine andere Bewegungsrichtung aufweisen, und somit durch die genannte Maßnahme das jeweilige Tragverhalten und die Druckbelastung in besonderer Weise berücksichtigt werden können.
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Beispielsweise wird für die Druckseite eine nach unten gekrümmte, mit anderen Worten „wannenförmige“ Nut bevorzugt, die alternativ oder zusätzlich in einem oberen Drittel der Schaftwand ausgebildet ist. Die Anordnung im oberen Drittel hat den Vorteil, dass diese Nut im Hinblick auf die Sammlung des Öls während der Kolbenaufwärtsbewegung aktiviert wird, und das Öl wird dort hingeleitet, wo die Druckseite besonderer Druckbelastung unterliegt. Die nach unten gekrümmte Form leitet das Öl in vorteilhafter Weise zu der umfangreich belasteten Mitte der Schaftwand.
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Für die Gegendruckseite wird derzeit eine Krümmung nach oben und/oder die Ausbildung der Nut und/oder der nutförmigen Aussparung in einer unteren Hälfte bevorzugt. Eine derartige Nut oder nutförmige Aussparung entfaltet dementsprechend bei der Kolbenabwärtsbewegung ihre Wirkung im Hinblick auf die Sammlung des Öls und leitet dieses in vorteilhafter Weise zur Mitte der Schaftwand.
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Bei ersten Versuchen hat sich ferner für zumindest eine Schaftwand zumindest eine seitliche, vorzugsweise in einem von der gekrümmten Nut oder nutförmigen Aussparung in Richtung der Kolbenachse entfernten Bereich als vorteilhaft erwiesen, die bei maximal etwa 12 Grad, auf der Druckseite bei maximal etwa 18 Grad von der Mittellinie (in Umfangsrichtung) der Schaftwand endet. Hierdurch wird Öl ergänzend von seitlichen Bereichen zu stark druckbelasteten Bereichen in der Mitte geleitet. Das Enden der Nuten seitlich von der besonders belasteten Mitte hat den Vorteil, dass nicht die Gefahr besteht, dass Öl von dort weggeleitet wird. Wenn sich jedoch stark belastete Bereiche außermittig befinden, sind die Nuten entsprechend angepasst gestaltet, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert.
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Derzeit wird bevorzugt, zumindest eine seitliche Nut weitgehend gerade und/oder schräg zur Bolzenebene auszubilden. Besonders günstige Eigenschaften werden für zumindest eine Nut oder nutförmige Aussparung erwartet, die von einer Ecke der Schaftwand bzw. eines daran vorgesehenen erhabenen Bereichs ausgeht.
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In besonderen Anwendungsfällen kann es jedoch vorteilhaft sein, zumindest eine seitliche Nut gekrümmt und insbesondere halbkreisförmig auszubilden. Dies bietet Vorteile bei Schaftwänden von Kolben, die an Schaftseiten ausgeprägte Druckbelastungen aufweisen, so dass es günstig ist, Öl gezielt in diese Bereiche zu leiten. Insgesamt kann sich hierdurch eine wellenförmige Form der Nuten oder nutförmigen Aussparungen ergeben.
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Für die Breite zumindest einer Nut und/oder nutförmigen Aussparung wird aus technischen Gründen bevorzugt, dass diese 0,4 mm oder mehr und/oder 2 mm oder weniger, bevorzugt 0,6 mm oder mehr und/oder 1,2 mm oder weniger, insbesondere 0,8 bis 1 mm beträgt.
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Um die Strömung des Öls aus der Nut oder nutförmigen Aussparung zu besonders belasteten Schaftwandbereichen zu begünstigen, wird derzeit bevorzugt, zumindest eine Nut oder nutförmige Aussparung zur Mitte der Schaftwände hin flacher zu gestalten. Mit anderen Worten verringert sich beispielsweise die Tiefe der Nut zur Mitte der Schaftwände hin.
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Schließlich wird eine günstige Strömung des Öls zu den besonders belasteten Bereichen der Schaftwände erwartet, wenn der Übergang zwischen der Nut und/oder nutförmigen Aussparung zur Schaftwand hin gerundet, angefast oder in ähnlicher Weise nicht „kantig“ ausgeführt ist. Hierdurch kann ferner ein Abreißen des Ölfilms verhindert werden.
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Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt zum anderen durch das im Anspruch 12 beschriebene Verfahren, bei dem die Schaftwand auf der Druck- und/oder Gegendruckseite mit zumindest einer gekrümmten Nut und/oder nutförmigen Aussparung mit einem oder mehreren der oben genannten Merkmale versehen wird. Insbesondere sind sämtliche vorangehend oder nachfolgend mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Kolben genannten Merkmale auf das nachfolgend beschriebene Verfahren anwendbar und umgekehrt.
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Eine Nut kann vor, beim oder nach dem Beschichten ausgebildet werden, zum Beispiel vor dem Beschichten durch Electrochemical Machining (ECM). Wenn nachfolgend eine Beschichtung erfolgt, wird die ausgebildete Nut oder Rinne auf der Schaftoberfläche in vorteilhafter Weise nachgebildet.
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Beim Beschichten kann die Nut und/oder nutförmige Aussparung in vorteilhafter Weise dadurch ausgebildet werden, dass die Schaftwand bereichsweise, beispielsweise durch ein geeignetes Drucksieb, abgedeckt wird, so dass in den abgedeckten Bereichen keine Beschichtung, beispielsweise durch Bedrucken erfolgt, und hier eine Nut und/oder nutförmige Aussparung in den aufgrund der Beschichtung erhabenen Bereichen vorgesehen wird.
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Nach dem Beschichten kann die erfindungsgemäße Struktur durch bereichsweise Entfernung der Beschichtung, beispielsweise mittels Laser erfolgen. Für ein derartiges Verfahren gilt ebenso wie für das oben erwähnte ECM der Vorteil, dass, anders als beim Bearbeiten durch Drehen, beliebig gebogene, schräge oder wellenförmigen Nutformen ausgebildet werden können.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachfolgend wird eine in den Zeichnungen beispielhaft gezeigte Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Abwicklung der Mantelfläche eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbens; und
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In der 1 ist anhand der Abwicklung der Kolbenmantelfläche zum einen das Kolbenbolzenauge 10, und zum anderen eine Beschichtung 12 bzw. 14 auf der Gegendruck- bzw. Druckseite zu erkennen. Die Beschichtung 12, 14 endet einige Millimeter vom oberen und unteren Rand der jeweiligen Schaftwand. Ferner endet die Beschichtung einige Millimeter seitlich von den seitlichen Enden der Schaftwände, die in der schematischen 1 nicht zu erkennen sind. Es sei jedoch erwähnt, dass die Schaftwände an ihren seitlichen Enden in Verbindungswände übergehen, welche die Schaftwände verbinden und in denen die Bolzenaugen 10 ausgebildet sind. Die rechteckigen Bereiche mit abgerundeten Ecken zeigen die Beschichtung 12, 14 an, und die hierdurch verlaufenden Linien, auf der Gegendruckseite (in der 1 links) im unteren Bereich nach oben gekrümmt und im oberen Bereich seitlich schräg nach unten, und auf der Druckseite (rechts) im oberen Bereich nach unten gekrümmt und im unteren Bereich seitlich schräg nach oben zeigen nutförmige Aussparungen in der Beschichtung an, die erfindungsgemäß gestaltet sind. In diesem Beispiel erfolgt die maximale Druckbelastung auf der Gegendruckseite bei der Abwärtsbewegung des Kolbens etwas oberhalb des Scheitels der gekrümmten Nut 16, so dass das Öl durch die Nut 16 in vorteilhafter Weise zu dem besonders belasteten Bereich geleitet wird. Dies gilt in gleicher Weise für die beiden seitlichen Nuten 18, die jedoch nicht zur Mitte der Schaftwand reichen, weil sich bei Untersuchungen zu dieser Ausführungsform ergeben hat, dass der Bereich starker Belastung bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens seitlich jeweils nach unten reicht, wie durch den mit Strichlinien eingetragenen Bereich 22 angedeutet.
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Wenn die Mitte 20 der Schaftwand als Null Grad angenommen wird, enden die seitlichen Nuten 18 in dem gezeigten Fall bei etwa 13 Grad zu beiden Seiten. Bei diesem Kolbenbeispiel mit einer Höhe der Schaftwände von etwa 36 Millimeter und einer Breite des beschichteten Bereichs 12 auf der Gegendruckseite von etwa 34 Millimeter wird derzeit ferner bevorzugt, dass sich der Scheitel der gekrümmten Nut 16 auf einer maximalen Höhe von etwa 12 Millimeter, und die inneren (unteren) Endpunkte der seitlichen Nuten 18 auf einer Höhe von mindestens etwa 26 Millimeter befinden. Auf der Druckseite enden die seitlichen Nuten 18 bei maximal etwa 18 Grad von der Schaftwandmitte, und auf einer Höhe von maximal etwa 6,5 Millimeter. Der Scheitel der gekrümmten Nut 14 liegt auf einer Höhe von mindestens etwa 27,5 Millimeter.
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Für andere Kolben und deren spezifische Druckbelastungen und Abmessungen der Schaftwände können die Positionen der Nuten oder nutförmigen Aussparungen entsprechend proportional und/oder unter Berücksichtigung der Belastungssimulation angepasst werden, die in der oben beschriebenen Weise Einfluss auf die Position der Nuten und nutförmigen Aussparungen hat. Beispielsweise ist eine Ausführungsform denkbar, bei der die seitlichen Nuten 18 gemäß 1 zu einer insgesamt gekrümmten Nut verbunden sind, so dass sich hier gewissermaßen die gekrümmte Nut 16, an einer horizontalen Linie gespiegelt, wiederfindet. Eine derartige Gestaltung wird beispielsweise bevorzugt, wenn der stark belastete Bereich 22 nicht die seitlich nach unten reichenden Erstreckungen aufweist, sondern etwa in der Mitte der Schaftwand konzentriert ist.
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In 2 ist schematisch eine Ausführungsform gezeigt, bei der es zwei stark belastete Bereiche 22, in etwa in beiden seitlichen Hälften der Schaftwand, gibt. In diesem Fall haben sich insgesamt vier gekrümmte, bevorzugt halbkreisförmige Nuten, jeweils zwei in der jeweiligen seitlichen Hälfte der Schaftwand, und mit zueinander gerichteten Scheiteln, als günstig erwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1840419 A1 [0003]
- US 7415961 B1 [0003]
- EP 1971707 B1 [0004]
- US 5195478 A [0004]
