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Die Erfindung betrifft einen - insbesondere mehrteiligen - Hubkolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Dichtungsteil und einem - insbesondere separat hergestellten - Führungsteil sowie Verfahren zur Herstellung solcher Hubkolben.
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Aus
AT 004 790 U1 ist ein mehrteiliger Hubkolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt, der einen Dichtungsteil mit Ringnuten für Kolbenringe und einen Führungsteil aufweist, welcher vorzugsweise durch einen Kolbenbolzen mit dem Dichtungsteil verbunden sein soll. Das Dichtungsteil und das Führungsteil bestehen vorzugsweise aus unterschiedlichen Werkstoffen, wobei das Führungsteil insbesondere als dünnwandiges, im Wesentlichen zylindrisches Rohr aus Stahl ausgebildet sein soll. Es wird zwar erwähnt, dass durch eine Beschichtung der äußeren Mantelfläche des Dichtungsteils und/oder des Führungsteils oder ähnliche Maßnahmen die äußere Mantelfläche des Dichtungsteils und/oder des Führungsteils konditioniert werden kann. In Bezug auf die in dem Dokument beschriebenen Kurbelgehäuse mit einer Lauffläche aus Aluminium oder Magnesium heißt es jedoch, dass ein Führungsteil aus Stahl einen sehr guten Laufpartner darstelle und eine Beschichtung daher nicht unbedingt erforderlich sei.
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Aus
DE 29 37 107 A1 ist ein mehrteiliger Hubkolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt, der einen als Kopfteil bezeichneten Dichtungsteil und ein als Schaftteil bezeichnetes Führungsteil aufweist, wobei der Kopfteil und der Schaftteil als getrennte Bauteile hergestellt und mechanisch miteinander verbunden sein sollen. Dabei sollen insbesondere der Dichtungsteil aus Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und der Schaftteil aus einer Eisenlegierung, z.B. aus Stahl, bestehen. Der Schaftteil soll ferner rohrförmig gestaltet sein, und insbesondere sollen zumindest seine für die Bewegung im Zylinder ausgebildeten Gleitflächen zylindrisch sein, beispielsweise indem der Schaftteil aus einem entsprechend zugeschnittenen und gebogenen Materialstreifen hergestellt und an der Längsnaht sicher verbunden ist. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, das Schaftteil aus einem Stahlstreifenstück herzustellen, auf das eine Schicht aus Gleitwerkstoff aufgebracht ist, die nach dem Zuschneiden, Biegen und sicheren Verbinden des Stahlstreifens auf der äußeren Zylindermantelfläche liegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mehrteiligen Hubkolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Hubkolbens für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, mittels welchen die Reibung zwischen Führungsteil des Hubkolbens und Zylinderlauffläche der Hubkolbenbrennkraftmaschine während des Betriebs der Hubkolbenbrennkraftmaschine verringert ist, wobei die Herstellungskosten gering gehalten werden sollen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßer Hubkolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine umfasst einen Dichtungsteil und ein separat hergestelltes Führungsteil, wobei das Dichtungsteil und das Führungsteil mittels eines Kolbenbolzens miteinander verbunden sind und wobei das Führungsteil mindestens zwei kreisbogenförmige, radial nach außen gerichtete Führungsflächen aufweist. Dabei sind die kreisbogenförmigen Führungsflächen mit einer mittels Dünnschichttechnik erzeugten Beschichtung versehen. Bei dem Dichtungsteil handelt es sich insbesondere um ein zylindrisches Element, das radial außenseitig ein oder mehrere Ringnuten für Kolbenringe aufweist. Die separate Ausbildung des Dichtungsteils und des Führungsteils ermöglichen es, die mittels Dünnschichttechnik erzeugte Beschichtung relativ einfach und kostengünstig an dem Führungsteil insbesondere nur im Bereich der kreisbogenförmigen Führungsflächen aufzubringen, insbesondere wenn das Führungsteil erst nach dem Aufbringen der Beschichtung an dem Dichtungsteil befestigt wird. Es wird noch einmal explizit darauf hingewiesen, dass vorzugsweise nur die kreisbogenförmigen Führungsflächen mit einer mittels Dünnschichttechnik erzeugten Beschichtung versehen sind, wohingegen die übrigen Abschnitte des Führungsteils eine andere Oberflächenqualität aufweisen, insbesondere unbeschichtet sind. Ein erfindungsgemäßer Hubkolben kann relativ einfach und kostengünstig hergestellt werden, insbesondere wenn sich die Beschichtung nur auf die Führungsflächen erstreckt. Darüber hinaus ist das Bauteilgewicht eines erfindungsgemäßen Hubkolbens relativ gering, da das Dichtungsteil aus einem Leichtmetall herstellbar ist, insbesondere aus Aluminium, wohingegen nur das Führungsteil aus einem hochfesten Werkstoff hergestellt sein muss, um einfach und kostengünstig eine Beschichtung mittels Dünnschichttechnik aufbringen zu können. Damit werden zeit- und kostenintensive Arbeitsschritte obsolet, die erforderlich sind, wenn eine Beschichtung mittels einer Dünnschichttechnik auf eine Oberfläche aus einem Leichtmetall aufgebracht werden soll. Dies sind insbesondere das Aufbringen einer zusätzlichen Schicht, insbesondere einer Nickelschicht sowie das anschließende Polieren einer solchen Schicht.
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Unter einer Dünnschichttechnik im Sinne der Erfindung werden insbesondere Schichten verstanden, welche mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) und/oder mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) durchgeführt werden, insbesondere in einer Unterdruckatmosphäre bzw. vakuumbasiert oder nahezu vakuumbasiert. Dazu zählen insbesondere Verdampfungsverfahren, wie thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, Laserstrahlverdampfen, Lichtbogenverdampfen und Molekularstrahlepitaxie, Sputtern, lonenplattieren und das sogenannte „lonized Cluster Beam Deposition (ICB-Technik). Die Dicke derartiger Beschichtungen liegt in den meisten Fällen im Bereich von wenigen Mikrometern bis zu wenigen Nanometern, insbesondere zwischen 50 |jm und 50 nm.
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In einer bevorzugten praktischen Ausführungsform sind die kreisbogenförmigen Führungsflächen mit einer DLC-Schicht versehen, d.h. mit einer Diamond-like-Carbon-Schicht. Es hat sich gezeigt, dass sowohl das Aufbringen einer solchen DLC-Schicht als auch das Reibungsverhalten von Hubkolben mit derartigen DLC-Schichten im Bereich der kreisbogenförmigen Führungsflächen zu besonders guten Ergebnissen führen.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens erstrecken sich die kreisbogenförmigen Führungsflächen jeweils über einen Bogenabschnitt von maximal 90°. Weiter bevorzugt sind Führungsflächen, die sich jeweils über einen Bogenabschnitt von maximal 80°, weiter bevorzugt maximal 70° und besonders bevorzugt maximal 60° oder maximal 50° erstrecken.
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In Bezug auf die konstruktive Gestaltung erfindungsgemäßer Hubkolben wird insbesondere auf Gestaltungen verwiesen, bei welchen zwei kreisbogenförmige Führungsflächen vorgesehen sind, die gemeinsam mit sich außenseitig anschließenden, sekantenartigen Verbindungs-Wandabschnitten eine geschlossene Struktur bilden. Damit sind alle Strukturen gemeint, die einen geschlossenen Ring aufweisen, wobei der Ring nicht kreisförmig sein muss, sondern sich lediglich über einen vollständigen Umfang ohne Unterbrechungen erstrecken muss.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens ist das Führungsteil aus einem hochfesten Werkstoff mit einem Elastizitätsmodul von mindestens 100.000 N/mm2 hergestellt und/oder das Führungsteil ist zumindest in dem Bereich der Führungsflächen von dem Dichtungsteil thermisch entkoppelt. Die Verwendung von hochfesten Werkstoffen mit einem Elastizitätsmodul von mindestens 100.000 N/mm2 hat den Vorteil, dass zum Aufbringen einer Beschichtung mittels Dünnschichttechnik lediglich geringe Vorarbeiten erforderlich sind, insbesondere nur ein relativ einfaches Polieren der Führungsflächen. Dadurch kann das Aufbringen einer Beschichtung mittels Dünnschichttechnik zu relativ geringen Kosten durchgeführt werden. Unter thermisch entkoppelten Führungsflächen ist zu verstehen, dass die Führungsflächen in axialer Richtung des Hubkolbens keine direkte Verbindung zu dem Dichtungsteil aufweisen. Dadurch wird vermieden, dass sich Wärme, die vom Bereich des Brennraums über den Dichtungsteil in den Hubkolben eingebracht wird, nicht unmittelbar von dem Dichtungsteil auf das Führungsteil überträgt.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens ist an dem Führungsteil im Bereich der Führungsflächen mindestens ein Blechstreifen mit einer mittels Dünnschichttechnik erzeugten Beschichtung angeordnet. Diese Gestaltung hat den Vorteil, dass das Aufbringen der Beschichtung mittels Dünnschichttechnik besonders einfach und kostengünstig erfolgen kann, bevor die Blechstreifen mit dem Führungsteil verbunden werden. Ferner ist es in diesem Fall möglich, einen langgestreckten Blechstreifen in einem ersten Verfahrensschritt zu beschichten und anschließend diesen Blechstreifen in viele Teilstücke zu schneiden, um die Teilstücke jeweils als Blechstreifen für Führungsflächen an Hubkolben zu verwenden. So können die Herstellungskosten weiter gesenkt werden.
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Die Positionierung eines Blechstreifens an einem erfindungsgemäßen Hubkolben kann besonders präzise und sicher erfolgen, wenn der mindestens eine Blechstreifen in einer zumindest teilweise an den Blechstreifen angepassten Ausnehmung angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Blechstreifen in seiner Höhe und/oder in seiner Breite an entsprechende Ausnehmungen an dem Führungsteil angepasst ist.
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Eine besonders einfache und gleichzeitig sichere Montage von Blechstreifen an dem Führungsteil ergibt sich, wenn der mindestens eine Blechstreifen mit einem oder mehreren Fixiermitteln an dem Führungsteil befestigt ist. In diesem Fall kann der Blechstreifen bedarfsweise auch wieder relativ einfach von dem Führungsteil gelöst werden. Insbesondere wird in Bezug auf ein geeignetes Fixiermittel auf Sicherungsstifte verwiesen, die mittels Übergangspassung oder Presspassung zur kraftschlüssigen Fixierung von Blechstreifen an dem Führungsteil dienen können. Insbesondere sind je Blechstreifen ein oder mehrere Sicherungsstifte als Fixiermittel vorgesehen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Hubkolbens für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Dichtungsteil und einem separat hergestellten Führungsteil, wobei der Dichtungsteil und das Führungsteil mittels eines Kolbenbolzens miteinander verbunden sind und wobei das Führungsteil mindestens zwei kreisbogenförmige, radial nach außen gerichtete Führungsflächen aufweist. Dabei werden vor der Befestigung des Führungsteils an dem Dichtungsteil zumindest die Führungsflächen des Führungsteils mittels einer Dünnschichttechnik mit einer Beschichtung versehen. Auf die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Hubkolben bereits beschriebenen Vorteile wird hiermit noch einmal verwiesen.
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In einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Hubkolbens mit einem Dichtungsteil und einem Führungsteil, die nicht zwingend separat hergestellt sein müssen, aber separat hergestellt sein können, wird mindestens ein Blechstreifen mittels einer Dünnschichttechnik mit einer Beschichtung versehen, wobei anschließend der mindestens eine beschichtete Blechstreifen derart fest mit dem Führungsteil verbunden wird, dass die beschichtete Oberfläche des Blechstreifens zumindest Teil einer Führungsfläche ist. Auch in Bezug auf die Vorteile dieses Verfahrens wird noch einmal auf die vorstehende Verbindung mit dem korrespondierenden Hubkolben beschriebenen Vorteile verwiesen.
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Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens in einer isometrischen Darstellung in einer Explosionsdarstellung,
- 2 den Hubkolben aus 1 im montierten Zustand in einer isometrischen Darstellung in einer perspektivischen Ansicht von schräg unten,
- 3 den Hubkolben aus den 1 und 2 in einer isometrischen Darstellung in einer Seitenansicht,
- 4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens in einer isometrischen Darstellung in einer Explosionsdarstellung,
- 5 den Hubkolben aus 4 in einer isometrischen Darstellung im teilweise montierten Zustand in einer Ansicht von schräg unten, jedoch ohne Kolbenbolzen sowie
- 6 den Hubkolben aus den 4 und 5 in einer isometrischen Darstellung in einer Ansicht von unten.
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Im Folgenden werden sowohl für die erste Ausführungsform, welche in den 1 bis 3 dargestellt ist, als auch für die zweite Ausführungsform, welche in den 4 bis 6 dargestellt ist, die gleichen Bezugszeichen verwendet, sofern es sich um identische oder zumindest funktionsgleiche Elemente handelt.
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Wie aus den 1 bis 3 ersichtlich ist, besteht ein erfindungsgemäßer Hubkolben 10 im Wesentlichen aus drei einzelnen Elementen, nämlich einem Dichtungsteil 12, einem Führungsteil 14 und einem Kolbenbolzen 16. In der gezeigten Ausführungsform sind an dem Dichtungsteil 12 drei Ringnuten 18a, 18b, 18c zum Einsetzen von nicht dargestellten Kolbenringen ausgebildet. Die Ringnuten 18a, 18b, 18c sind an einem zylindrischen Grundkörper des Dichtungsteils 12 ausgebildet. Ausgehend von diesem zylindrischen Grundkörper erstrecken sich in axialer Richtung zwei Kolbenbolzenaufnahmen 20a, 20b mit Öffnungen 22a, 22b zur Aufnahme des Kolbenbolzens 16.
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Das Führungsteil 14 ist ringartig ausgebildet und umfasst zwei kreisbogenförmige Führungsflächen 24a, 24b und zwei sich zwischen den Führungsflächen 24, 24b erstreckende Verbindungs-Wandabschnitte 26a, 26b, die zusammen eine geschlossene Struktur bilden. In den Verbindungs-Wandabschnitten 26a, 26b sind ebenfalls Öffnungen 28a, 28b zur Durchführung des Kolbenbolzens 16 ausgebildet.
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In den in den Verbindungs-Wandabschnitten 26a, 26b ausgebildeten Öffnungen 28a, 28b ist jeweils eine ringförmige Nut 30a, 30b zum Einsetzen eines nicht dargestellten Sicherungsringes ausgebildet. Wenn der Kolbenbolzen 16 wie in den 2 und 3 gezeigt, angeordnet ist, kann der Kolbenbolzen 16 durch das Einsetzen von den nicht dargestellten Sicherungsringen in die ringförmigen Nuten 30a, 30b in axialer Richtung gesichert werden.
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Nur im Bereich der kreisbogenförmigen Führungsflächen 24a, 24b ist in der gezeigten ersten Ausführungsform in den 1 bis 3 jeweils eine Beschichtung 32a, 32b aufgebracht, hier in Form einer DLC-Schicht.
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In der gezeigten Ausführungsform ist das Dichtungsteil 12 aus einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt, insbesondere aus Aluminium. Das Führungsteil 14 hingegen ist aus einem hochfesten Werkstoff mit einem Elastizitätsmodul von mindestens 100.000 N/mm2 hergestellt, hier aus einem hochfesten Stahlwerkstoff. Dies hat den Vorteil, dass die DLC-Schicht ohne aufwendige Vorbehandlung ohne das Auftragen einer zusätzlichen Schicht aufgebracht werden kann. Es ist lediglich erforderlich, die Führungsflächen 24a, 26b bedarfsweise durch Polieren in einen Ausgangszustand zu verbringen, welcher das Aufbringen der DLC-Schicht ermöglicht. Insgesamt ergibt sich damit ein Hubkolben 10 mit einem relativ geringen Bauteilgewicht, der eine nur geringe Reibung zwischen den Führungsflächen 24a, 24b und einer nicht dargestellten Zylinderlaufbahn eines mit dem Hubkolben korrespondierenden Zylinders einer Hubkolbenbrennkraftmaschine aufweist.
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In den 4 bis 6 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubkolbens 10 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform kommen als zusätzliche Elemente zwei Blechstreifen 34a, 34b zum Einsatz. Diese Blechstreifen 34a ,34b werden in an dem Führungsteil 14 vorgesehene Aussparungen 36a, 36b positioniert, deren Höhe H an die Höhe h der Blechstreifen 34a, 34b angepasst ist. In jedem Blechstreifen 34a, 34b sind zwei kreisförmige Öffnungen 38 ausgebildet, die dazu dienen, die Blechstreifen 34a, 34b kraftschlüssig und/oder formschlüssig mittels geeigneter Fixierelemente 40 an dem Führungsteil 14 zu befestigen. Wie in 4 gut zu erkennen ist, sind an dem Führungsteil 14 korrespondierende Öffnungen 42 ausgebildet.
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Wie in 4 erkennbar ist, sind vorliegend als Fixiermittel 40 Bolzen vorgesehen, die mittels einer Presspassung oder Übergangspassung in die Öffnungen 38, 42 so weit eingeführt werden, dass die Fixierelemente 40 im montierten Zustand gegenüber der äußeren Oberfläche der Blechstreifen 34a, 34b vertieft angeordnet sind.
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Wie in 6 dargestellt ist, erstrecken sich die Blechstreifen 34a, 34b jeweils über einen Bogenabschnitt von maximal 60°. Ferner ist 6 gut erkennbar, dass die Verbindungs-Wandabschnitte 26a, 26b gegenüber der Außenkontur des Dichtungsteils 12 radial erkennbar nach innen versetzt sind. Ein Hubkolben 10 mit einem derart ausgebildeten Führungsteil 14 wird auch als Kastenkolben bezeichnet.
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Vorteilhaft an der Gestaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, wie in den 4 bis 6 dargestellt, ist, dass die Blechstreifen 34a, 34b mit einer mittels Dünnschichttechnik erzeugten Beschichtung versehen werden können, bevor diese gegenüber dem Führungsteil 14 fixiert und an diesem montiert werden. Dadurch kann sowohl das Dichtungsteil 12 als auch das Führungsteil 14 aus einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sein, insbesondere aus einem Aluminiumwerkstoff. Dadurch ergibt sich ein Hubkolben 10 mit einem besonders geringen Bauteilgewicht und einer besonders kostengünstig herstellbaren Beschichtung, die mittels Dünnschichttechnik erzeugt wurde.
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Die Dicke d der Blechstreifen 34a, 34b ist vorzugweise maximal 4 mm, als Wertebereiche besonders bevorzugt sind Dicken d zwischen 0,5 mm und 4 mm, wobei Dicken zwischen 2 mm und 3 mm besonders bevorzugt sind.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hubkolben
- 12
- Dichtungsteil
- 14
- Führungsteil
- 16
- Kolbenbolzen
- 18a-c
- Ringnut
- 20a,b
- Kolbenbolzenaufnahme
- 22a,b
- Öffnung (in Kolbenbolzenaufnahme)
- 24a,b
- Führungsflächen
- 26a,b
- Verbindungs-Wandabschnitte
- 28a,b
- Öffnung (in Verbindungs-Wandabschnitt)
- 30a,b
- ringförmige Nut
- 32a,b
- Beschichtung
- 34a,b
- Blechstreifen
- 36a,b
- Aussparung
- 38
- Öffnung (in Blechstreifen)
- 40
- Fixierelement
- 42
- Öffnung (in Führungsteil)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AT 004790 U1 [0002]
- DE 2937107 A1 [0003]
