DE4113773C2 - Kolben für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für Verbrennungsmotoren mit einer auf mindestens einen Teilbereich der Umfangsfläche des Kolbens auf das Kolbengrundmaterial aufgebrachten Gleitbeschichtung an den Kolbenlaufflächen, die eine glatte Oberfläche aufweist. Außerdem besteht eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung darin, das Einbauspiel eines derartigen Kolbens im Zylinder eines Verbrennungsmotors festzulegen.

Es ist ein in der Literatur vielfach erörtertes Problem, daß die Optimierung von Kolben für Verbrennungsmotoren in Hinblick auf Reibungsverluste, Laufgeräusche, Ölverbrauch und Freßsicherheit immer nur zu Kompromißlösungen führen kann. So sind die Reibleistungsverluste direkt proportional zur Größe der tragenden Schaftflächen, d. h. des ständig auf Scherung beanspruchten Schmierfilmes zwischen Kolbenschaft und Zylinderwand. Jedoch findet eine zur Herabsetzung der Reibleistungsverluste sinnvolle Reduzierung der tragenden Schaftfläche, z. B. durch Aussparungen, ihre Grenze darin, daß die von den Seitenkräften auf die Schaftwand ausgeübte Flächenpressung umso größer ist, je kleiner die tragende Wandfläche ist, und die Flächenpressung einen dem maximalen Ölfilmdruck entsprechenden Grenzwert nicht überschreiten darf, wenn ein Durchdrücken des Schmierfilmes und damit eine direkte Metallberührung, d. h. ein Fressen, der gegeneinander gleitenden Flächen vermieden werden soll.

Auch wäre es möglich, die Freßsicherheit durch groß bemessene Laufspiele zu erhöhen, was wiederum wegen der damit verbundenen erhöhten Laufgeräusche der Kolben und wegen des erhöhten Ölverbrauches unerwünschte Folgen hätte.

Im Stand der Technik, beispielsweise der DE-PS 20 63 651, werden enge Laufspiele dadurch ermöglicht, daß den Schaftflächen eine bestimmte Rauhigkeit oder Profilierung von etwa 1 bis 20 µm Tiefe gegeben wird, die im Normalbetrieb dem Ölfilm eine gute Haftung bietet und in extremen Notlaufsituationen, beispielsweise bei oft nur kurzzeitigem Schmiermittelmangel durch überhöhten Anpreßdruck, ein Wegquetschen der örtlich anlaufenden Rauhigkeitsspitzen in die Rauhigkeitstäler ermöglicht. Diese Maßnahme ist aber nur begrenzt wirksam und nicht ohne nachteilige Nebeneffekte. So haftet zwar der Schmierfilm im Normalbetrieb gut an der rauhen Schaftwand. In der Grenzsituation erhöhter Flächenpressung drücken jedoch die Rauhigkeitsspitzen den weitgehend reduzierten Schmierfilm örtlich leicht durch und kommen somit in direkten metallischen Kontakt zur Gegenwand. Hierdurch entstehen innerhalb kürzester Zeit örtlich durch Reibung sehr hohe Temperaturen, die an diesen Stellen eine starke Materialausdehnung und eine noch weiter gesteigerte Freßgefahr zur Folge haben. Deshalb erlauben diese im Stand der Technik beschriebenen Maßnahmen nur einen sehr kurzzeitigen direkten Stoffkontakt der gepaarten Gleitflächen.

Ferner sind im Stand der Technik auch Schaftflächenbeschichtungen mit Notlaufeigenschaften wie z. B. Blei, Zinn oder kunstharzgebundener Graphit bekannt. So ist in der DE 26 55 712 B2 ein laufflächenbeschichteter Kolben beschrieben, der beispielsweise mit Ringbändern aus Gleitlack beschichtet ist, wobei die Schichtdicke zwischen 1 und 5 µm beträgt. Hierdurch wird jedoch das übliche Rauhigkeitsprofil des Kolbenschaftes nur unwesentlich eingeebnet.

Demgegenüber liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Kolben für Verbrennungsmotoren mit Notlaufeigenschaften zu schaffen, bei dem auch bei nur geringen Restölmengen und bei hohen spezifischen Flächenpressungen ein Fressen verhindert ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch den erfindungsgemäßen Kolben sind die tragenden Schaftflächen auf einen Teilbereich begrenzt, der mit einer sehr glatten Oberfläche und guten Notlaufeigenschaften ausgestattet ist, wodurch entsprechend geringe Reibleistungsverluste erzielt werden. Eine glatte Oberfläche gewährt in optimaler Weise auch bei geringsten Restölmengen noch die Möglichkeit, daß ein geschlossener Schmierfilm erhalten bleibt, da keine Rauhigkeitsspitzen diesen Film durchstoßen. Darüber hinaus werden mit glatten Oberflächen in den tragenden Schaftflächenbereichen wesentlich höhere spezifische Flächenpressungen auf diesen Tragflächen ertragen, ehe es zum Durchdrücken des Ölfilms kommt. Durch die mit der Gleitbeschichtung versehenen Teilbereiche der Kolbentragflächen ist die dort zulässige Flächenpressung wegen der glatten Oberfläche besonders groß und die Gefahr des Fressens in Notlaufsituationen ist gering, da die Oberfläche des Kolbenschaftes bei direktem Kontakt mit der Zylinderwand selbst Schmierwirkung besitzt und im Falle einer örtlichen Erwärmung durch Reibkontakt im Vergleich zur ungeschützten Aluminiumoberfläche nur relativ geringe thermische Ausdehnung erfährt.

Des weiteren wird vorgeschlagen, bei einem mit einem derartigen Kolben ausgerüsteten Verbrennungsmotor ein Einbauspiel zwischen dem mindestens einen beschichteten Teilbereich der Kolbenlauffläche und der Zylinderwand vorzusehen, das in Druck-Gegendruckrichtung zwischen 10 und 35 µm beträgt. Hierdurch werden die eingangs genannten Anforderungen bestmöglich gelöst.

Nach vorteilhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können einer oder mehrere Teilbereiche an den Kolbenlaufflächen beschichtet sein, wobei die Schichtdicke der verschiedenen Teilbereiche unterschiedlich sein kann. Hierbei kann die Schichtdicke innerhalb eines Teilbereiches unterschiedlich groß sein.

Besonders gute Eigenschaften ergeben sich, wenn die beschichteten Teilbereiche in Form von im wesentlichen oberhalb und unterhalb der Bolzenachse befindlichen Streifen gebildet sind, die sich in Umfangsrichtung erstrecken.

Ferner können die beschichteten Teilbereiche je nach Anwendungsfall eine unterschiedliche äußere Begrenzung bzw. Kontur aufweisen.

Vorteilhafterweise besteht die Beschichtung der Teilbereiche aus einer Graphit-Kunstharzdispersion, wobei für diese Plättchen-Graphit mit einer Plättchengröße von 30 bis 50 µm, vorzugsweise 100% < 40 µm, und mit einem Gewichtsanteil von 40 bis 60%, bezogen auf die Trockenmasse, verwendet werden kann und das Kunstharz ein Duroplast sein kann.

Die Beschichtung der Kolben kann vorteilhafterweise im Tampondruckverfahren oder auch im Siebdruckverfahren erfolgen. Hierdurch können nach Zielvorgabe kontinuierlich zunehmende oder abnehmende Schichtdicken sowie Schichtdicken von mehr als 5 µm in einem Arbeitsgang aufgetragen werden.

In den beigefügten Zeichnungen sind besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Kolben dargestellt, die im folgenden näher beschrieben werden.

Es zeigen

Fig. 1 einen Kolben mit einer über die ganze Höhe des Laufflächenbereiches des Kolbenschaftes aufgebrachten Beschichtung in Seitenansicht und in drei verschiedenen Schnitten;

Fig. 2 einen Kolben mit einer Beschichtung des Schaftes an dessen oberen und unteren Rand ebenfalls in Seitenansicht und in drei verschiedenen Schnitten;

Fig. 3 einen Kolben mit einer Beschichtung des Feuerstegs des Kolbens in Seitenansicht und in zwei verschiedenen Schnitten;

Fig. 4 einen Kolben mit einer Beschichtung des Ringfeldes, ebenfalls in Seitenansicht und in zwei unterschiedlichen Schnitten;

Fig. 5 einen Kolben mit zwei streifenförmigen beschichteten Teilflächen in einer Vorder- und Seitenansicht sowie das Einbauspiel dieses Kolbens in der Pleuelschwingebene in einer nicht maßstäblichen Darstellung.

Der in Fig. 1 gezeigte Kolben hat an der Druckseite DS und an der Gegendruckseite GDS Teilbereiche 12 von Laufflächenbeschichtungen am Kolbenschaft mit unterschiedlicher Dicke, wobei die Dicke der Laufflächenbeschichtung zum unteren Rand des Kolbenschaftes hin kontinuierlich abnimmt.

Der Kolben nach Fig. 2 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß der mittlere Bereich der Schafthöhe beschichtungsfrei gehalten ist, daß sich also die Laufflächenbeschichtung mit den Teilbereichen 12 und 14 nur am oberen und unteren Rand des Kolbenschaftes befindet.

Der in Fig. 3 gezeigte Kolben besitzt eine um seinen ganzen Feuersteg mit unterschiedlicher Schichtdicke umlaufende Beschichtung als Teilbereich 12, während der Kolben nach Fig. 4 im Bereich des Feuersteges und der Ringstege mit einer umlaufenden Beschichtung als Teilbereiche 12 und 14 versehen ist, wobei sich die Schichtdicke des ersten und zweiten Ringsteges über den Kolbenumfang nur geringfügig ändert.

Der in Fig. 5 gezeigte Kolben weist jeweils auf der Druckseite und Gegendruckseite zwei beschichtete Teilbereiche 12, 14 in Form von zwei sich in Umfangsrichtung erstreckenden parallelen Streifen auf. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Diagramm, welches das Einbauspiel des Kolbens in einem Zylinder in der Pleuelschwingebene darstellt, ist zum besseren Vergleich die Schaftkontur 16 eines herkömmlichen Kolbens gestrichelt dargestellt. Wie deutlich zu sehen ist, sind die nicht beschichteten Bereiche der Kolbenlauffläche gegenüber der Schaftkontur 16 eines herkömmlichen Kolbens und insbesondere gegenüber der Zylinderwand 18 stark zurückgesetzt. Hierbei beträgt das Einbauspiel der nicht beschichteten Schaftflächen zwischen 50 und 90 µm, so daß diese Bereiche hinsichtlich Reibungsverlusten und Freßgefahr keine wesentliche Rolle mehr spielen.

Die Beschichtung der nicht zurückgesetzten Teilbereiche des in Fig. 5 gezeigten Kolbens hat eine Dicke von ca. 10 µm, wobei das Einbauspiel dieser beschichteten Bereiche zwischen 10 und 25 µm beträgt.

Allgemein sollte die Schichtdicke der beschichteten Teilbereiche die Schaftrauhigkeit um 2 bis 5 µm übersteigen, um mit Sicherheit eine vollständige Einebnung des Rauhigkeitsprofiles zu erreichen. Bei einer vorgegebenen Schaftrauhigkeit von z. B. 16±3 µm ist die Schichtdicke der Graphitierung also mit mindestens 22 µm zu wählen, vorzugsweise 30 µm. Auch können Schichtdicken bis 50 µm zweckmäßig sein. Das kleinste Einbauspiel der beschichteten Teilbereiche kann bis zu 10 µm betragen, wobei die übrige Schaftfläche demgegenüber mit deutlich größerem Spiel, z. B. 50 µm zurückgesetzt oder weitgehend ausgespart sein kann.

Neben den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen sind aber jegliche andere Beschichtungsarten und Schichtdickenverteilungen möglich, die aufgrund von Versuchen für einen bestimmten Motor als besonders vorteilhaft ermittelt werden. Alle diese Ausführungen lassen sich beispielsweise mit Hilfe des Siebdruckverfahrens serienmäßig exakt reproduzieren. Hierbei wird auf einem straff gespannten Sieb die Kolbenlaufflächenabwicklung derart abgebildet, daß auf diesem Sieb diejenigen Flächen mit Abdecklack od. dgl. abgedeckt werden, die den nicht zu beschichtenden Kolbenflächen entsprechen und diejenigen Flächen unabgedeckt gelassen werden, die den zu beschichtenden Kolbenflächen entsprechen, und daß dieses teilweise so abgedeckte Sieb unter Abrollung des Kolbens an der Siebfläche über die Kolbenoberfläche hinweggeführt wird, wobei die Beschichtungsmasse mit einem Rakel durch das Sieb hindurch auf die Kolbenoberfläche gedrückt wird. Das Abdecken des Siebes kann durch verschiedene Verfahren, wie z. B. Leim-, Auswasch- oder Fotofixierverfahren, geschehen.

Durch Wahl der Konsistenz der Beschichtungsmasse oder der Lochgrößen oder Rasterungen des Siebes besteht die Möglichkeit, sehr gleichmäßige, aber auch variable Schichtdicken im Bereich von 0 bis 50 µm oder sogar mehr auf die Kolbenoberfläche aufzubringen. Damit ist es möglich, auf dem Kolben in Umfangsrichtung und in Achsrichtung im wesentlichen gleichbleibende oder sich verändernde Schichtdicken sowie auch unbeschichtete Flächenbereiche in einem Arbeitsgang zu erzeugen, d. h. die Laufflächenbeschichtung kann exakt den erforderlichen Bedürfnissen angepaßt werden.

Dieses Beschichtungsverfahren erlaubt ein wesentlich rationelleres und kostengünstigeres Beschichten als mit den bisher bekannten Verfahren, wie z. B. Tauchen, Spritzen, Streichen oder Offset-Druck, da weder Abdeckungen noch Mehrfachaufträge zur Erzielung von unterschiedlichen Schichtdicken notwendig sind. Darüber hinaus ist durch dieses Verfahren wie auch durch das Tampondruckverfahren eine gute Reproduzierfähigkeit der Beschichtung hinsichtlich Schichtdicke und Flächenbegrenzung in einer industriellen Serienfertigung sichergestellt. Auch kann die Schichtdicke in bestimmten Flächenbereichen gezielt variiert werden. Es sei jedoch angemerkt, daß neben den beiden genannten Druckverfahren auch andere Druckverfahren anwendbar sind, sofern sie den Anforderungen an Reproduziergenauigkeit der Beschichtung und Produktionsgeschwindigkeit entsprechen.

Claims (26)

1. Kolben für Verbrennungsmotoren mit einer auf mindestens einen Teilbereich der Umfangsfläche des Kolbens auf das Kolbengrundmaterial aufgebrachten Gleitbeschichtung an den Kolbenlaufflächen, die eine glatte Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenlauffläche außerhalb des Teilbereichs (12, 14) zumindest in der Pleuelschwingebene gegenüber dem unter dem Gleitbeschichtung befindlichen Teilbereich (12, 14) im Grundmaterial in Richtung der Kolbenachse zurückgesetzt ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenlauffläche außerhalb des mindestens einen Teilbereichs (12, 14) gegenüber dem unter der Gleitbeschichtung befindlichen Teilbereich (12, 14) um 20-60 µm zurückgesetzt ist.

3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenlauffläche außerhalb des mindestens einen Teilbereichs (12, 14) an dem Rand des Teilbereichs (12, 14) gegenüber dem unter der Gleitbeschichtung befindlichen Teilbereich (12, 14) um 30 µm zurückgesetzt ist.

4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Teilbereiche (12, 14) mit jeweils unterschiedlicher Schichtdicke beschichtet sind.

5. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Teilbereich(e) (12, 14) am Kolbenschaft und/oder im Ring- oder Feuerstegbereich des Kolbens vorgesehen ist (sind).

6. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Teilbereiche (12, 14) in Form von im wesentlichen oberhalb und unterhalb der Bolzenachse befindlichen Streifen gebildet sind, die sich in Umfangsrichtung erstrecken.

7. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der oder die Teilbereich(e) (12, 14) im wesentlichen über die gesamte axiale Länge des Kolbenschaftes erstreckt (erstrecken).

8. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Kolbenumfangsrichtung gemessene Breite des Teilbereichs oder der Teilbereiche (12, 14) zum vom Kolbenkopf abgewandten unteren Rand des Kolbenschaftes hin zunimmt.

9. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Teilbereiche (12, 14) nur an dem vom Kolbenkopf abgewandten unteren Rand des Kolbenschaftes und nahe der untersten Ringnut vorgesehen sind.

10. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Umfang des Feuersteges und/oder der Ringstege des Kolbens mit der Gleitbeschichtung als Teilbereiche (12, 14) beschichtet ist.

11. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung des mindestens einen Teilbereichs (12, 14) eine Schichtdicke hat, die zu mindestens einem der Ränder des Teilbereichs hin abnimmt.

12. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Teilbereich (12, 14) über die gesamte Beschichtungsfläche hinweg eine gleichmäßige Schichtdicke mit einer Dickentoleranz von ±1 µm hat.

13. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Feuer- oder Ringstegbeschichtung an den Seiten der Kolbenbolzenbohrungen des Kolbens eine größere Schichtdicke hat als an den etwa um 90 Winkelgrad dazu versetzten beiden anderen Kolbenseiten.

14. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Beschichtung die Rauhigkeit des Kolbenschaftes um 2-5 µm übersteigt.

15. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den Kolbenschaft aufgebrachte Beschichtung eine Schichtdicke von 5 bis 30 µm hat.

16. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Beschichtung 30-50 µm beträgt.

17. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung an ihren Rändern eine Schichtdicke von 6 bis 15 µm und dazwischen eine maximale Schichtdicke von 6 bis 30 µm hat.

18. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Schichtdicke der auf den Kolbenschaft aufgebrachten Beschichtung auf Druck- und Gegendruckseite des Kolbens unterschiedlich ist.

19. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Feuer- oder Ringstegbeschichtung eine sich zwischen 15 und 60 µm verändernde Schichtdicke hat.

20. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Feuer- oder Ringstegbeschichtung eine minimale Schichtdicke von 15 bis 50 µm und eine maximale Schichtdicke von 25 bis 60 µm hat.

21. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einer Graphit-Kunstharzdispersion besteht.

22. Kolben nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß für die Graphit-Kunstharzdispersion Plättchen-Graphit mit einer Plättchengröße von 30-50 µm, vorzugsweise 100% < 40 µm, und mit einem Gewichtsanteil von 40- 60% verwendet wird, und daß das verwendete Kunstharz ein Duroplast ist.

23. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung im Tampondruckverfahren aufgebracht ist.

24. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung im Siebdruckverfahren aufgebracht ist.

25. Kolben, eingebaut im Zylinder eines Verbrennungsmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbauspiel zwischen dem mindestens einen beschichteten Teilbereich (12, 14) der Kolbenlauffläche und der Zylinderwand (18) in Druck-Gegendruckrichtung zwischen 10 und 35 µm beträgt.

26. Kolben, eingebaut im Zylinder eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbauspiel zwischen den nicht beschichteten Bereichen der Kolbenlauffläche und der Zylinderwand (18) in Druck-Gegendruckrichtung zwischen 50 und 90 µm beträgt.