DE3728847A1

DE3728847A1 - Piston arrangement

Info

Publication number: DE3728847A1
Application number: DE19873728847
Authority: DE
Inventors: Shigeaki Akao; Mitsuyoshi Kawamura; Takio Kojima
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1986-08-29
Filing date: 1987-08-28
Publication date: 1988-03-10
Also published as: JPS63119963U

Abstract

The invention relates to an improved piston arrangement for motor-vehicle engines, in which the piston and the connecting rod are connected by a ceramic gudgeon pin. According to the invention, the ceramic gudgeon pin has a surface roughness of at least Ra 0.1 mu m or less and the hardness of the supporting section of the eye of the connecting rod (12) is at least HRC40. The invention can be employed in internal combustion engines.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Kraftfahrzeugkolben und insbesondere eine verbesserte Kolbenbolzenanordnung aus Keramikmaterial für einen der artigen Kolben.The present invention relates generally to one Motor vehicle pistons and in particular an improved Piston pin assembly made of ceramic material for one of the like piston.

Es ist bekannt, Kolben entweder aus Gußeisen oder einer Aluminiumlegierung herzustellen und die Kolben mit Pleuelstangen aus Kohlenstoffstahl über einen jeweils zugehörigen Kolbenbolzen aus Kohlenstoffstahl zu verbin den.It is known to either cast iron or a piston Manufacture aluminum alloy and the pistons with Connecting rods made of carbon steel over each associated piston pin made of carbon steel the.

Bei Kolben aus Gußeisen beträgt die Oberflächenhärte H_RC = 60 und die Oberflächenrauhtiefe R _a = 0,15 µm. Andererseits ist das Pleuelauge der Pleuelstange, das die verschleißfördernde Stoßkraft vom Kolben aufnimmt, aufgekohlt, so daß die Oberflächenhärte H_RA = 75 - 85 ist oder dieses Auge ist alternativ hierzu mit einer Hülse aus Lagermetall versehen, die außerordentlich gute Schmiereigenschaften und eine Härte von HB 50 - 200 be sitzt. Um außerdem die Festigkeit der Pleuelstange (oberhalb einer Zugfestigkeit von 90 kP/mm²) aufrecht zuerhalten, sind diejenigen Abschnitte der Pleuelstange außerhalb des Lagerabschnittes mit einer Oberflächen härte von H_RC = 30 versehen.For cast iron pistons, the surface hardness is H _R C = 60 and the surface roughness R _a = 0.15 µm. On the other hand, the connecting rod eye of the connecting rod, which absorbs the wear-promoting impact force from the piston, is carburized so that the surface hardness H _R A = 75 - 85 or this eye is alternatively provided with a sleeve made of bearing metal, which has extremely good lubricating properties and a hardness of HB 50 - 200 seated. In order to maintain the strength of the connecting rod (above a tensile strength of 90 kP / mm²), those sections of the connecting rod outside the bearing section are provided with a surface hardness of H _R C = 30.

In neuerer Zeit ist zur Verringerung des Gewichts der bewegten Teile, zur Verringerung der Reibungsverluste und des Kraftstoffverbrauches des Motors vorgeschlagen worden, Kolbenbolzen aus keramischen Materialien, wie z. B. aus Siliconnitrit, Sialon, Siliconcarbon und dgl. herzustellen.In recent times, the weight reduction of moving parts, to reduce friction losses and the engine's fuel consumption been piston pins made of ceramic materials, such as. B. made of silicon nitrite, sialon, silicone carbon and the like. to manufacture.

Es ist jedoch für den Fall, daß nur der Kolbenbolzen aus keramischem Material besteht, der Nachteil aufgetreten, daß das Keramikmaterial eine außerordentlich hohe Härte hat, wodurch, wenn die durchschnittliche Rauhtiefe des Keramikkolbenbolzens die gleiche ist wie diejenige des häufiger benutzten Kolbenbolzens aus Kohlenstoffstahl, d. h. R _a = 0,15 µm, während des Motorlaufs die Kolben nabe, der Sicherungsring und ein Lagerabschnitt des Pleuelauges der Pleuelstange dazu neigen, einen be trächtlichen Verschleiß und/oder einer ähnlichen Zerstö rung unterworfen zu sein, da der Kolben, Sicherungs ringe, und das Pleuelauge der Pleuelstange aus einem Metall bestehen, die im Verhältnis zu dem Keramikkolben bolzen eine geringere Härte besitzen und großen Stoß kräften ausgesetzt sind.However, in the case where only the piston pin is made of ceramic material, there has been a disadvantage that the ceramic material has an extremely high hardness, whereby if the average roughness depth of the ceramic piston pin is the same as that of the more commonly used piston pin made of carbon steel, that is R _a = 0.15 µm, while the engine is running, the piston hub, the locking ring and a bearing section of the connecting rod eye of the connecting rod tend to be subjected to considerable wear and / or similar destruction because the piston, locking rings, and the connecting rod eye of the connecting rod consist of a metal, which have a lower hardness in relation to the ceramic piston and are exposed to large impact forces.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindungen, eine Kolbenanordnung zu schaffen, bei der Kolbenbolzen aus keramischem Material besteht und bei der die relative Härte innerhalb der Verbindung zwischen dem Keramik kolbenbolzen und den übrigen metallischen Teilen, wie Kolben, Sicherungsringe und Pleuelstange, keine nach teiligen Wirkungen auf die Lebensdauer der Kolbenan ordnung hat.It is therefore an object of the present inventions to To create the piston assembly when the piston pin is out ceramic material and in which the relative Hardness within the connection between the ceramics piston pin and the other metallic parts, such as Pistons, circlips and connecting rod, none after partial effects on the life of the piston has order.

Diese Aufgabe wird im wesentlichen erfindungsgemäß durch eine Kolbenanordnung gelöst, in der die Oberflächenrau higkeit des Kolbenbolzens, der den metallischen Kolben mit der Pleuelstange verbindet, auf oder über eine be stimmte Grenze hinaus verbessert ist. Außerdem ist die Härte des Auges der Pleuelstange zumindest auf ein be stimmtes Niveau erhöht. This task is essentially accomplished according to the invention solved a piston assembly in which the surface roughness ability of the piston pin that holds the metallic piston connects to the connecting rod, on or over a be agreed border is improved. Besides, that is Hardness of the connecting rod eye at least on one be right level increased.

Im einzelnen ist die erfindungsgemäße Kolbenanordnung charakterisiert durch: einen Kolben, der aus Metall besteht und eine Einrichtung zur Aufnahme eines Kolben bolzens aufweist, einen Kolbenbolzen, der in die Kolben bolzenaufnahmeeinrichtung eingesetzt ist und der aus einem keramischen Material besteht, sowie eine durch schnittliche Oberflächenrauhigkeit R _a von 0,1 oder weniger aufweist, und eine Pleuelstange, die mit ihrem Pleuelkopf oder Pleuelauge durch den Kolbenbolzen mit dem Kolben verbunden ist.In particular, the piston arrangement according to the invention is characterized by: a piston which is made of metal and has a device for receiving a piston pin, a piston pin which is inserted into the piston pin receiving device and which consists of a ceramic material, and an average surface roughness R _a of 0.1 or less, and a connecting rod which is connected to its connecting rod head or connecting rod eye through the piston pin with the piston.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungs beispieles und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:The invention is described below using an embodiment example and associated drawings explained in more detail. In these show:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Kolbenanordnung nach einem Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung mit einem Kolbenbol zen aus Keramikmaterial zur Verbindung von Pleuelstange und Kolben; Figure 1 is a longitudinal section of a piston assembly according to an embodiment of the prior invention with a Kolbenbol zen made of ceramic material for connecting the connecting rod and piston.

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Kolbenbol zens aus Keramikmaterial nach Fig. 1; und Fig. 2 is a sectional view of the Kolbenbol zens made of ceramic material according to Fig. 1; and

Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines herkömm lichen Kolbenbolzens aus Kohlenstoff stahl. Fig. 3 is a sectional view of a conventionally union piston pin made of carbon steel.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß dann, wenn die Oberflächenrauhigkeit des Keramik bolzens auf ein bestimmtes Niveau (z. B. R _a = 0,1 oder weniger) verbessert ist, der Verschleiß, der in der Kolbenlagerungsnabe, den Sicherungsringen etc. auftritt, auf ein Niveau oder unterhalb eines Niveaus verringert werden kann, das demjenigen Verschleißniveau entspricht, das auftritt, wenn Kolbenbolzen aus Kohlenstoffstahl verwendet werden, wie sie beispielsweise in Fig. 3 ge zeigt sind. Die vorliegende Erfindung basiert außerdem auf der Erkenntnis, daß dann, wenn die Härte des Pleuel auges der Pleuelstange auf ein bestimmtes Niveau erhöht wird, der Verschleiß, der auftritt, zumindest auf ein Verschleißniveau verringert werden kann, wie es auf tritt, wenn Kolbenbolzen aus Kohlenstoffstahl verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Oberflächenrauhtiefe des Keramikbolzens auf den vorerwähnten Wert verbessert bzw. verringert wird.The present invention is based on the finding that when the surface roughness of the ceramic bolt is improved to a certain level (e.g. R _a = 0.1 or less), the wear that occurs in the piston bearing hub, the circlips etc. occurs, can be reduced to a level or below a level which corresponds to the level of wear that occurs when piston pins made of carbon steel are used, as shown for example in Fig. 3 ge. The present invention is also based on the finding that if the hardness of the connecting rod eye of the connecting rod is increased to a certain level, the wear that occurs can at least be reduced to a level of wear such as occurs when piston pins are made of carbon steel can be used, provided that the surface roughness of the ceramic bolt is improved or reduced to the above-mentioned value.

Versuche wurden unter Verwendung eines Vierzylinder- Ottomotors durchgeführt, der einen Hubraum von 2000 cm³ aufwies, wobei die Kolben 10 aus Gußeisen hergestellt waren, die Pleuelstangen 12 aus Kohlenstoffstahl mit einer Härte H_RC von 60 und die Kolbenbolzen 14 aus Siliconnitrit-Keramik bestanden, wobei die Kolbenbolzen mit Sicherungsringen 17 lagefixiert waren. Die Abmessun gen der Kolbenbolzen betrugen: Länge 60 mm, Außendurch messer 18 mm, Innendurchmesser 12 mm. Die Axialbohrung der Kolbenbolzen 14 war stufenförmig abgesetzt und der jenige Teil, der im Bereich des Pleuelauges der Pleuel stange 12 vorgesehen war, hatte eine Länge von 26 mm und einen Innendurchmesser von 8 mm. Die durchschnittliche Oberflächenrauhtiefe der Oberfläche 14 a. 14 b der in den Versuchen verwendeten Kolbenbolzen betrug in einem Fall R _a = 0,05 µm, im übrigen R _a = 0,1 µm. Der Motor wurde über 100 h betrieben.Experiments were carried out using a four-cylinder gasoline engine with a displacement of 2000 cm 3, the pistons 10 being made of cast iron, the connecting rods 12 made of carbon steel with a hardness H _R C of 60 and the piston pins 14 consisting of silicon nitride ceramic, the piston pins were fixed in position with locking rings 17 . The dimensions of the piston pins were: length 60 mm, outside diameter 18 mm, inside diameter 12 mm. The axial bore of the piston pin 14 was stepped and the part that was provided in the area of the connecting rod eye of the connecting rod 12 had a length of 26 mm and an inner diameter of 8 mm. The average surface roughness of the surface 14 a . 14 b of the piston pins used in the tests was R _a = 0.05 µm in one case and R _a = 0.1 µm in the rest. The engine was operated for over 100 hours.

Nachfolgend wurde der Motor demontiert und der Ver schleiß, der in bezug auf die Kolbenbolzen 14 mit den vorerwähnten durchschnittlichen Rauhtiefen auftrat, wurde verglichen mit dem Verschleiß, der auftrat, wenn Keramikkolbenbolzen und Kolbenbolzen aus Kohlenstoff stahl mit einer durchschnittlichen Oberflächenrauhtiefe von R _a = 0,15 µm unter den gleichen Versuchsbedingungen verwendet wurde. Die Ergebnisse sind nachfolgend in Tabelle 1 gezeigt.Subsequently, the engine was disassembled and the wear that occurred with respect to the piston pins 14 with the above-mentioned average roughness depths was compared with the wear that occurred when ceramic piston pins and carbon piston pins with an average surface roughness of R _a = 0, 15 µm was used under the same experimental conditions. The results are shown in Table 1 below.

Tabelle 1 Table 1

Wie aus der vorerwähnten Tabelle ersichtlich ist, war der Verschleiß, der auftrat, wenn die Oberflächenrauhig keit der Keramikkolbenbolzen auf einen Rauhigkeitswert von R _a = 0,1 oder weniger verbessert wurde, vergleichbar mit denjenigen Verschleißwerten, die mit Kolbenbolzen 18 aus Kohlenstoffstahl zu beobachten waren oder sogar besser als diese herkömmlichen Verschleißwerte.As can be seen from the aforementioned table, the wear that occurred when the surface roughness of the ceramic piston pin was improved to a roughness value of R _a = 0.1 or less was comparable to the wear values that were observed with piston pin 18 made of carbon steel or even better than these conventional wear values.

Weitere Versuche wurden durchgeführt. In diesen Versu chen bestanden die Kolbenbolzen 14 aus Siliconnitrit- Keramik, die zylindrische Außenfläche des Kolbenbolzens wurde auf eine durchschnittliche Oberflächenrauhtiefe von R _a = 0,1 µm endbearbeitet und im Preßsitz in die Kolbennabe 20 eingepreßt, und die Pleuelstange 12 be stand aus Kohlenstoffstahl. Der Lagerabschnitt 22 des Pleuelauges war so ausgeführt, daß er eine Härte von H_RC 40 und H_RC 50 im zweiten Fall besaß. Diese Versuchsmo delle wurden in den gleichen Motor wie oben eingebaut, und der Motor wurde unter den gleichen Bedingungen für 100 h im Dauerbetrieb betrieben. Der Motor wurde an schließend zerlegt, und der Verschleiß, der aufgetreten war, wurde mit demjenigen der Vergleichsmodelle vergli chen, bei denen die Härte des Pleuelauges, das in Ver bindung mit einem Keramikkolbenbolzen verwendet wurde, auf H_RC 35 festgelegt war und ein Kolbenbolzen aus Kohlenstoffstahl mit einer Härte im Bereich des Pleuel auges von H_RC 80 verwendet worden war. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Tabelle 2 dargestellt.Further tests were carried out. Chen in these Versu passed the piston pin 14 from Siliconnitrit- ceramics, the cylindrical outer surface of the piston pin was finished microns to an average surface roughness of R _a = 0.1 and pressed in a press fit in the piston boss 20, and the connecting rod 12 be stood from carbon steel. The bearing section 22 of the connecting rod eye was designed so that it had a hardness of H _R C 40 and H _R C 50 in the second case. These experimental models were installed in the same engine as above, and the engine was operated under the same conditions for 100 h in continuous operation. The engine was then disassembled, and the wear that occurred was compared with that of the comparative models in which the hardness of the connecting rod eye, which was used in conjunction with a ceramic piston pin, was set to H _R C 35 and a piston pin made of carbon steel with a hardness in the area of the connecting rod eye of H _R C 80 had been used. The results of these tests are shown in Table 2.

Tabelle 2 Table 2

Wie aus obiger Tabelle ersichtlich ist, war der Ver schleiß dann, wenn die Härte des Lagerabschnittes des Pleuelauges auf H_RC 40 erhöht worden war, auf einen Verschleiß verringert, der auch im Stand der Technik beobachtet wurde, während für den Fall, daß die Härte weiter auf H_RC 50 erhöht wurde, im wesentlichen kein Verschleiß auftrat.As can be seen from the table above, when the hardness of the bearing section of the connecting rod eye had been increased to H _R C 40, the wear was reduced to wear that was also observed in the prior art, while in the event that the Hardness was further increased to H _R C 50, essentially no wear occurred.

Entsprechend kann die Oberflächenrauhtiefe des Keramik bolzens und die Härte des Pleuelauges der Pleuelstange jeweils entsprechend gesteuert werden, so daß es mög lich ist, die Verschleißeigenschaften in einer Weise zu verbessern, die die Verwendung von Keramikteilen im Rahmen der Kolbenanordnung ermöglicht und die Lebens dauer der Anordnung verlängert. Hierdurch wird selbst verständlich auch die Lebensdauer des gesamten Motors, in dem die Kolbenbolzen verwendet werden, verlängert, und es wird ebenso die Wirtschaftlichkeit bezüglich des Kraftstoffverbrauches des Motors verbessert.Accordingly, the surface roughness of the ceramic bolt and the hardness of the connecting rod eye of the connecting rod are controlled accordingly so that it is possible Lich, the wear properties in a way too improve the use of ceramic parts in the Frame of the piston arrangement enables and life duration of the order extended. This will itself understandable also the lifespan of the whole engine, in which the piston pins are used, extended and the economy of the Improved engine fuel consumption.

Um den Verschleiß zwischen einem keramischen Kolbenbol zen und den zugehörigen Metallkomponenten eines Kolbens und des Pleuelauges einer Pleuelstange zu verbessern, wird nach der vorliegenden Erfindung die Oberflächen rauhtiefe des Kolbenbolzens verringert, und zwar auf oder noch über eine bestimmte Grenze hinaus. Außerdem wird zusätzlich die Härte des Pleuelauges der Pleuel stange erhöht, zumindest auf ein bestimmtes Niveau.To prevent wear between a ceramic piston pin zen and the associated metal components of a piston and to improve the connecting rod eye of a connecting rod, according to the present invention, the surfaces roughness of the piston pin is reduced, namely or beyond a certain limit. Furthermore in addition, the conrod eye hardness of the conrod bar increased, at least to a certain level.

Claims

1. Piston assembly for motor vehicles with a metallic piston having a device for receiving a piston pin, a connecting rod connected to the piston with its connecting rod eye and a ceramic piston pin for connecting the piston and connecting rod, characterized in that the piston pin ( 14 ) consists of ceramic material with a surface roughness (R _a ) of 0.1 or less.

2. Piston arrangement according to claim 1, characterized in that the connecting rod eye of the connecting rod ( 12 ) has a hardness of at least H _R C 40.

3. Piston arrangement according to claim 1, characterized in that the piston pin ( 14 ) is hollow and an axial through bore of the piston pin ( 14 ) is provided with paragraphs, which section of the axial bore hole has a minimum inner diameter, in the region of the storage cut for the connecting rod eye of the connecting rod ( 12 ) is provided.