DE4343439A1

DE4343439A1 - Hubkolbenanordnung

Info

Publication number: DE4343439A1
Application number: DE4343439A
Authority: DE
Inventors: Vemulapalli Durga Nageswar Rao; Daniel Michael Kabat; David Alan Yaeger
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1993-01-07
Filing date: 1993-12-20
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2013-12-21
Also published as: US5239955A; GB9325743D0; DE4343439C2; GB2274145A; GB2274145B; US5313919A

Description

Vorgeschichte der Erfindung Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf die Konstruktion von Hubkol ben und insbesondere auf eine verminderte Reibung aufweisen de Kolben- und Zylinderanordnungen mit nasser Schmierung.

Erläuterung des Standes der Technik

Bei Hubkolbenmotoren ist es üblich, das Schmieröl auf die Seiten (das Hemd) des Kolbens aufzuspritzen und Kolbenringe zur Trennung des Öls vom Brennraum zu verwenden. Abhängig von der Kolbengeschwindigkeit kann das Kolbenhemd beträcht lich lang und die Balligkeit so sein wie die bei mit niedri gen Geschwindigkeiten arbeitenden Dieselmotorkolben verwende ten tiefgezogenen Kolbenhemden. Im Stand der Technik wird vermutet, daß diese Hemden die durch den angelenkten Pleuel hervorgerufenen Sekundärbewegungen des Kolbens wirksamer her absetzen und einen im hydrodynamischen Schmierbereich (Strö mungsmittel, das an anderen Strömungsmittelschichten in ei nem Gradientenmuster vorbeigleitet) wirkenden Oberflächen film aus Schmieröl hervorrufen. Nach dem herkömmlichen Wis sen der Fachleute verringert eine Überarbeitung der Kolben hemden in einer Anordnung mit Ölschmierung die Reibungsverlu ste nicht wesentlich, da sich im hydrodynamischen Schmierbe reich die geringstmögliche Reibung ergibt und die vorhandene Balligkeit diese Schmierung begünstigt.

Unsere kürzlich ausgeführten Untersuchungen haben gezeigt, daß dies nicht zutrifft und daß die herkömmliche Konstruk tion der Kolbenhemden sehr stark zu den Reibungsverlusten beiträgt und daß der Ölfilm im Grenzbereich oder Bereich ge mischter Schmierung wirkt und nicht wesentlich im Bereich hy drodynamischer Schmierung, was zu den hohen Reibungsdaten führt.

Ohne volles Verständnis der Natur der Kolbenreibung hat man im Stand der Technik früher fluorinierten Kohlenstoff zum Herabsetzen der Reibung in einem Kolbensystem mit Ölführung (siehe US-PS 2 817 562 und 4 831 977) untersucht. Diese Ver wendung von fluoriniertem Kohlenstoff war wirtschaftlich nicht erfolgreich, da er die Bildung eines hydrodynamischen Filmes nicht begünstigt und die Reibung infolgedessen bei ho hen Motorgeschwindigkeiten hoch bleibt. Dies führt zu einer durch Verschleiß begrenzten Lebensdauer des Überzuges.

Bei Hubkolbenanordnungen, bei denen eine Schmierölversorgung im wesentlichen nicht vorhanden ist, sind auch Festschmier stoffe untersucht worden (siehe US-PS 3 896 950 und 4 872 432). Bei diesen Versuchen wurden Graphit und MoS₂ in Harzüberzügen zum Herabsetzen einer Massivkontaktreibung ver wendet. Die Änderungen, die bei diesen Festschmierstoffen bei Kolbenanordnungen mit Ölschmierung gemacht werden müs sen, sind jedoch nicht bekannt.

Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung

Bei einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine neue Kolbenkonstruktion mit einem Überzug aus einem Festschmier stoff - solid film lubricant (SFL) - aus Graphit und Molyb dändisulfid in einem Harz vorgesehen. Diese Konstruktion weist eins oder mehrere der folgenden Merkmale auf: (i) Aus lösen eines Betriebes des den Kolben umschließenden Schmier films in dem hydrodynamischen Bereich durch selektives Hin terschneiden der Kolbenanlagefläche zum Ausbilden von Ölre servoiren und durch Einstellen des Kolbenbohrungswandspaltes zum Begünstigen des hydrodynamischen Bereichs, (ii) Heranzie hen eines Ölfilms zum Ausfüllen des eingestellten Spaltes durch Auswählen des Harzes mit besonderen Eigenschaften und (iii) Erhöhen der Betriebstemperatur des Festschmierstoffes durch Kombinieren von Bornitrid und Molybdändisulfid in aus gewählten Anteilen.

Insbesondere weist die eine niedrige Reibung aufweisende Kol benkonstruktion zur Verwendung in einer Zylinderbohrungswand mit Ölführung die folgenden Merkmale auf: (a) Mittel zum Aus bilden einer im wesentlichen über den gesamten Querschnitt der Zylinderbohrung verlaufenden Kolbenkrone zur Gleitbewe gung in dieser, (b) ein von der Kolbenkrone herabhängendes, in Umfangsrichtung verlaufendes Kolbenhemd und (c) mit dem Inneren von mindestens einem von Hemd und Krone verbundene Mittel zum Übertragen der hin- und hergehenden Kraft, wobei das Hemd in einer radialen Richtung nach innen reliefartig ausgebildete Abschnitte aufweist und mindestens die nicht re liefartig ausgebildeten Abschnitte des Hemdes auf ihrer Au ßenseite einen Überzug aus Festschmierstoff aus Graphit, Mo lybdändisulfid, Bornitrid und einem Epoxydharz aufweisen, das eine polymere Grundlage hat, die dem Graphitanteil minde stens Wasserdampf oder Kohlenwasserstoff zuführt und zur Bil dung eines Ölfilms auf diesem beiträgt.

Ein anderer Gesichtspunkt dieser Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines eine niedrige Reibung aufweisenden Kol bens zur Verwendung in einer Zylinderbohrungswand mit Ölzu führung mit: (a) Ausbilden eines zylindrischen Kolbens mit einer Krone, von der Krone herabhängenden Seitenwänden und einer Struktur zum Abstützen mindestens der Krone um eine diametral verlaufende Bolzenachse, wobei die Seitenwände auf sich gegenüberliegenden Seiten der Bolzenachse sich an die Form der Bohrungswand anpassende, aber mit diesen einen ra dialen Spalt ausbildende Abschnitte aufweisen, (b) Hinter schneiden der Außenfläche der Seitenwände zum Begrenzen von radial freiliegenden Stegen zum Gleiten entlang der Bohrungs wand, (c) Einführen eines vorgegebenen Schemas von Oberflä chenrauheiten in die Stege, (d) gleichförmiges Aufsprühen ei nes Festschmierstoffüberzuges auf die Stege, wobei dieser Überzug Festschmierstoffe und ein abstützendes Harz auf weist, das eine Polymergrundlage enthält, die eine rasche Zu fuhr von mindestens Wasserdampf oder Kohlenwasserstoff zu den Festschmierstoffen bewirkt und zum Ausbilden eines Öl films auf ihm beiträgt, (e) Ausbilden von flachen Taschen an der Mündung der Oberflächenrauheiten und (f) Polieren der freiliegenden Festschmierstoffkristalle zum weiteren Herab setzen der Höhe des Überzuges an den Oberflächenrauheiten.

Ein noch anderer Gesichtspunkt dieser Erfindung ist ein Ver fahren zum Verwenden eines niedrige Reibung aufweisenden Kol bens in einer Zylinderbohrung mit Ölzuführung in einer Huban ordnung mit einer zentralen Achse der Hin- und Herbewegung mit: (a) Ausbilden eines eine niedrige Reibung aufweisenden Kolbens aus einem Zylinder mit einer Krone, herabhängenden Seitenwänden und einer Struktur zum Abstützen mindestens der Krone um eine diametral verlaufende Bolzenachse, wobei die Seitenwände auf sich gegenüberliegenden Seiten der Bolzenach se Abschnitte aufweisen, um sich an die Form der Bohrungs wand anzupassen, aber mit dieser einen radialen Spalt ein schließen, wobei die Seitenwände auf ihrer Außenseite zum Ausbilden von radial freiliegenden Stegen zur Gleitbewegung entlang der Bohrungswand reliefartig ausgebildet sind, die Stege ein vorgegebenes Schema von Oberflächenrauheiten auf weisen und sich ein Festschmierstoffüberzug auf den Stegen befindet, der aus Festschmierstoffen und einem abstützenden Harz besteht, das Harz eine Polymergrundlage aufweist zur schnellen Zuleitung von mindestens Wasserdampf oder Kohlen wasserstoff zu den Festschmierstoffen und zum Ausbilden ei nes Ölfilms auf ihm, (b) Montieren des Kolbens an einer Ver bindungsstange mit einem ein Ende der Stange mit dem Kolben verbindenden Bolzen zum Ausführen einer Hubbewegung in der Bohrung, wobei die Stange auf die mit der Achse nicht ausge richteten Kolbenseitenwände eine Kraft ausübt, (c) Betreiben der Hubanordnung zum Übertragen eines Teiles des Festschmier stoffüberzugs auf die Zylinderbohrungswand mindestens in den Gebieten eines Kolbenschlages, wobei der übertragene Überzug Mikrorauheiten zum Einfangen von Öl zum Zurückhalten eines Ölfilms während der Hin- und Herbewegung in einer Stärke auf weist, die ein Lambda von sechs oder größer erzeugt, und (d) Ausbilden von Ölreservoiren an den zurückgehaltenen Ölfilmen zum Wiederauffüllen von Öl in diesen Filmen während jedes Hubs des Kolbens.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten, eines Kolbens nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Ansicht eines in eine Ebene abgewickelten Kol benhemdes von Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines er findungsgemäßen Kolbens,

Fig. 4 eine Ansicht des in eine Ebene abgewickelten Kolben hemdes von Fig. 3,

Fig. 5 und Fig. 6 Darstellungen abgewickelter Kolbenhemden alternativer Konstruktionen eines Kolbenhandreliefs zum Ausbilden der Stege,

Fig. 7 eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß überzogenen Kolbens in der Betriebs lage gegenüber einer Zylinderbohrungswand mit Ölzu führung,

Fig. 8 und Fig. 9 je ein vergrößerter Schnitt entsprechend eingekreister Flächen in Fig. 4,

Fig. 10, 11 und 12 stark vergrößerte Mikroschnitte durch die Kolbenstegflächen und -überzüge einschließlich der Oberflächenrauheiten, wobei diese Darstellungen nacheinander den Wechsel im Überzug als Ergebnis des Aufbringens, Polierens und der Taschenbildung zeigen,

Fig. 13 eine aufgeschnittene Ansicht eines Verbrennungsmo tors mit der Darstellung der für die neue Anwendung des erfindungsgemäßen überzogenen Kolbens entschei denden Motorelemente,

Fig. 14, 16, 17, 18 und 19 Strichdiagramme mit der Darstel lung von sich auf die Reibung beziehenden Verhal tensdaten für Motoren und

Fig. 15 ein Stribeck-Schaubild mit der Darstellung der Rei bung in einem Schmiersystem.

Ins einzelne gehende Beschreibung und beste Anwendungsart

Ein typischer handelsüblicher Kolben 10. für einen Verbren nungsmotor wird in Fig. 1 gezeigt. Eine Krone 11 weist von ihr herabhängende Seitenwände 12 (im folgenden manchmal "Hemd") und eine Stützstruktur 13 zum Übertragen der Last von einer und auf eine Pleuelanordnung auf. Die Struktur 13 weist Wände 14 auf, die entlang einer quer zu der Hubachse 16 des Kolbens verlaufenden diametralen Achse 15 eine Bolzen öffnung umschließen. Kolbenringe 17 und 18 und ein Ölab streifring 19 umschließen den Umfang der Krone und wirken mit der Zylinderbohrungswand zum Zurückhalten von aufge spritztem Kurbelgehäuseöl 21 unter den Ringen, aber entlang der Außenfläche der Hemden 12 zusammen. Die Höhe oder axiale Länge 22 der Hemden erstreckt sich noch beträchtlich unter die Kolbenbolzenöffnung 14 zum Vergrößern der Schlag- oder Stoßfläche 23 des Kolbenhemdes 12 und um damit die Wirkung der Balligkeit des Kolbens in der Bohrungswand 20 zur erhoff ten Reibungssteuerung zu verbessern. Ein kleiner, aber gleichförmiger Ringspalt 24 wird zwischen dem Hemd und der Bohrungswand aufrechterhalten. Die Fläche 23 kann, wie es sich aus der Darstellung in Fig. 2 ergibt, beträchtlich groß sein. Fig. 2 zeigt das in eine Ebene abgewickelte Kolben hemd. Die Fläche 23 weist auf die Wand der Zylinderbohrung und liegt dieser gegenüber. Die Wand verläuft von der Ölring nut 25 zum Boden des Hemdes und um jede der Bolzenöffnungs stützflächen 26.

Im Gegensatz hierzu zeigt Fig. 3 den erfindungsgemäßen Kol ben mit einem kürzeren und in der Oberfläche reliefartig aus gebildeten Hemd 40. Der Kolben 29 weist eine Krone 28 und ei ne Stützstruktur 41 zum Übertragen von Lasten zu oder von ei ner Pleuelanordnung auf (die Struktur 41 weist von der Krone herabhängende Wände zum Ausbilden einer entlang der diametra len Achse 15 ausgerichteten Bolzenöffnung 14 auf). Die durch diese Erfindung mögliche kürzere Axiallänge 42 der Hemdwand 40 verläuft von der Ölringnut 43 bis etwas unter die Öffnung 14.

Diese Erfindung überzieht das Kolbenhemd mit einem neuarti gen Festschmierstoff 44 (siehe Fig. 8), der Öl anzieht und dieses angezogene Öl zum Aufrechterhalten von durch die Fest stoffbestandteile bewirkten Niedrigreibungseigenschaften ver wendet. Der Festschmierstoff wird auf dieser Oberfläche fest gehalten, poliert und zum Ausbilden von Taschen zur Wieder auffüllung mit dem Ölfilm mit Vertiefungen versehen. Zusätz lich wird das Kolbenhemd zum Ausbilden von Reliefflächen an den Stegen abgeändert, wobei die Stege den Festschmierstoff zum Herabsetzen der Berührungsfläche zwischen dem Kolben und der Bohrungswand herabsetzen.

Fig. 4 zeigt, wie das Kolbenhemd an den Flächen 30, 31, 32, 33 auf einer Seite des Kolbens reliefartig ausgebildet ist. Diese reliefartige Ausbildung kann durch mechanisches Bear beiten bis auf eine Tiefe 34 (siehe Fig. 9) von etwa 20 bis 30 µ oder durch Bearbeitung mit elektrischer Entladung vorge nommen werden. Der nicht reliefartig ausgebildete Abschnitt des Kolbenhemdes wird ein Steg oder wird zu Stegen 35 zur gleitenden Anlage entlang der Wand der Zylinderbohrung. Es ist erwünscht, wenn die Stege 35 aus Rändern oder Streifen 35a, 35b, 35c und 35d bestehen, die entlang des Umfanges der Hemdwand 23 verlaufen, und Ränder 35e und 35f oberhalb und unterhalb der Bolzenöffnungsflächen 30 und 33 verlaufen. Ein Rand oder eine Rippe 36 ist so ausgebildet, daß er/sie über das Zentralgebiet der Hemdwand, vorzugsweise als eine axial verlaufende Bisektrix, verlaufen. Die Breite dieser Ränder 35a, 35b, 35c und 35d kann im Bereich von 3 bis 10 mm (oder 1/8 bis 3/8 Zoll) liegen, wobei der Rand 36 eine Breite im Bereich von annähernd 5 bis 8 mm aufweist. Diese Ränder erge ben eine Gesamtstegfläche von mindestens einem Quadratzoll für einen Kolben mit vier Zoll Durchmesser und bis zu einer Stegfläche von zwei bis drei Quadratzoll für einen Kolben mit größerem Durchmesser.

Der Festschmierstoff (wie er in Fig. 8 gezeigt wird) wird nur auf solche Stege als Überzug 44 in einer Stärke 47 von 10 bis 35 µ aufgebracht. Der Überzug kann mit einer herkömm lichen Rollen/Seidensieb- oder Stempelkissentechnik aufge bracht werden. Der Überzug besteht aus Festschmierstoffen 45 (Graphit, MoS₂₁ BN) und einem Stützharz 46. Die Festschmier stoffbestandteile sind in dem Gesamtschmierstoff in einem Prozentsatz in der Menge von etwa 25 bis 58% für sowohl das Graphit als auch das Molybdänsulfid und etwa 7 bis 16% für das Bornitrid betriebsfähig vorhanden. Der Festschmierstoff führt zu einem zusammengesetzten Reibungskoeffizienten von 0,03 bis 0,06 für das Graphit, das für sich einen Reibungsko effizienten von 0,2 bis 0,6 aufweist, für Molybdändisulfid von 0,04 bis 0,06 und für Bornitrid von 0,02 bis 0,10. Die Gegenwart von sowohl Molybdändisulfid als auch Bornitrid in in etwa gleichen Anteilen in dem Schmierstoff führt zu einer Hochtemperaturverbesserung des Schmierstoffes bis zu Tempera turen von so hoch wie 370°C (700°F) (Molybdändisulfid allein bricht bei etwa 305°C (580°F) zu Pulver, aber in der Gegen wart von BN bricht es nicht herunter auf 370°C (700°F) und eine Oxidation des Schmierstoffes wird verhindert) wie auch zu einer vergrößerten Lastaufnahmefähigkeit.

Graphit erhöht seine Reibungseigenschaften bei Verdunstung des in der Makrostruktur des Graphits enthaltenen Wassers und der dort enthaltenen Kohlenwasserstoffe. Das hier verwen dete Harz wird erfinderisch ausgewählt, um (i) eine funktio nale, mit Wasser betriebsfähige Basis zu ergeben, während es zum Ergänzen des Kohlenwasserstoffs oder Wassers im Graphit bis zu einer Temperatur von mindestens 370°C (700°F) wirksam bleibt, und (ii) Öl zum Auftragen eines Ölfilms auf den Über zug von etwa ½ bis 5 µ anzuziehen. Das Harz ist in dem Über zug 44 in einer Menge von 20 bis 60 Volum-% vorhanden und wirkt als Bindung zwischen den Festschmierstoffpartikeln.

Beispiele von für diese Erfindung nutzbaren Harzen sind wie folgt: (a) Thermoplaste wie zum Beispiel Polyarylsulfon, Po lyphenylensulphid (RYTON der Phillips Petroleum Co.), (b) warmhärtbare Harze wie zum Beispiel herkömmliches Hochtempe ratur-Epoxydharz, zum Beispiel Bisphenol A mit einem Härte mittel aus Dicyandiamid und einem Dispersionsmittel aus 2,4,6-Tri(dimethylaminmethyl)phenol, (c) in Wärme aushärten de Polyimide oder Polyamidemide wie zum Beispiel handelsübli ches Torlon.

Bei Verwendung des oben genannten Festschmierstoffes und Har zes wurde der gesamte Reibungskoeffizient in einem System mit Ölzuführung gemessen mit einem Wert von 0,03 bis 0,06 im Grenz/Trockenschmierungsbereich. Die Menge der mit diesem Harz bewirkten Ölanziehung ist mit einer Stärke des Ölfilms im gehärteten Zustand von mindestens ½µ gemessen worden, und die Wasserauffüllung im Graphit ist mit mindestens 10 Gew.-% in Pulverform gemessen worden.

Alternative Ausführungen der Stege können die in den Fig. 5 und 6 gezeigte Form aufweisen. Der Vorteil dieser alterna tiven Ausführungsformen liegt in der Erhöhung der Größe und Lage der Ölreservoire während des Übergangsbereichs des Mo torbetriebes. Diese Reservoire sind für das Zurückhalten des Ölfilms zum Fördern der gemischten und hydrodynamischen Schmierung kritisch.

Herstellungsverfahren

Das Verfahren zur Herstellung eines Kolbens mit niedriger Reibung zur Verwendung in einer Zylinderbohrung 20 mit Ölzu führung umfaßt erstens das Ausbilden eines zylinderförmigen Kolbenkörpers 29 mit einer Krone 28, von der Krone 28 herab hängenden Hemdwänden 40 und einer Struktur 41 zum Abstützen mindestens der Krone um eine diametral verlaufende Bolzenach se 15. Gemäß der Darstellung in Fig. 7 weisen die Seitenwän de 40 auf den sich gegenüberliegenden Seiten der Bolzenachse 15 an die Form der Bohrungswand 20 angepaßte Abschnitte auf, die dazwischen aber einen Radialspalt 48 begrenzen. Wie auch in Fig. 9 gezeigt wird, ist die Außenseite der Hemdwand bei 34 zum Ausbilden von radial freiliegenden Stegen 35, 36 zum Gleiten entlang der Bohrungswand 20 hinterschnitten. Als nächstes wird ein vorgegebenes Schema von Oberflächenrauhei ten 49 (mit einer Tiefe 50) in die Stege 35, 36 eingeführt, wie es in Fig. 10 gezeigt wird. Als nächstes wird der Fest schmierstoffüberzug 44 (dessen Chemie vorstehend beschrieben wurde) auf die Stege und in die Oberflächenrauheiten ge sprüht, zum Beispiel mit einer thermischen Kanone 51, die ei nen Sprühstrahl 52 bis zu einer Stärke 47 für den Überzug 44 (siehe Fig. 7 und 8) ausstößt. Als nächstes wird der Fest schmierstoffüberzug bis auf eine herabgesetzte Stärke 53 (siehe Fig. 11) poliert unter Ausbildung von zähen Kristal len 54 mit niedriger Abscherung, die den Reibungskoeffizien ten vergrößern oder herabsetzen. Schließlich werden an den Mündungen 56 der Oberflächenrauheiten durch Bürsten oder an dere äquivalente Mittel (siehe Fig. 12) flache Taschen 55 ausgebildet.

Das Hinterschneiden kann mit Maschinenbearbeitung, vorzugs weise auf eine Tiefe von etwa 20 bis 30 µ zum Erzeugen von Stegen mit einer schwankenden Gesamtstegfläche von etwa 0,5 Quadratzoll bis 1,5 Quadratzoll erfolgen. Die Oberflächenrau heiten 49 werden vorzugsweise durch Ätzen des Stegsubstrats mit Säure (zum Beispiel verdünnter Flußsäure gefolgt von ver dünnter Salpetersäure HNO₃) eingeführt, wobei das Substrat vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung der Sorte 330 be steht. Die Oberflächenrauheiten liegen als Ergebnis dieser Säureätzung in regelloser Verteilung. Alternativ können die Oberflächenrauheiten auch mit einem mechanischen Mittel ein gebracht werden, wie zum Beispiel Aufblasen von Schrot mit niedrigem Druck (einem Druck von maximal 1,05 kg/cm² mit ei ner Schrotgröße von etwa -250 Mesh oder feiner) oder mit Ver wendung eines Rades aus hartem, rostfreiem Stahldraht (Bor sten mit einem Durchmesser von 0,102 mm² (0,004 Zoll)), je weils gefolgt von einem Ätzen wie vorstehend. Im Anschluß an dieses Drahtbürsten und Ätzen mit 10% Nital (Salpetersäure in Äthanol ist angebracht). Ein alternatives Verfahren zur Oberflächenbehandlung ist die Verwendung eines handelsübli chen Zinkphosphatüberzuges, wie er zum Beispiel für Eisen platten verwendet wird, zweckmäßig für eine Aluminiumlegie rung.

Das Anhaften des Festschmierstoffüberzuges 44 wird durch die kinetische Energie der thermischen Sprühtechnik, die den Festschmierstoff in den Oberflächenrauheiten einschließt, si chergestellt. Härten bei einer Temperatur von 120 bis 205°C führt zu einer nahezu vollständigen Quervernetzung. Ein be vorzugtes Verfahren ist das Auftragen des Überzuges auf das Teil bei 95 bis 120°C in Schichten von 2 bis 5 µ zum Aufbau der speziellen Stärke, gefolgt von einem Halten auf einer Temperatur von 120°C während 15 bis 45 Minuten und dann auf 205 bis 230°C während 15 bis 30 Minuten. Alternierend kann der Überzug bei Raumtemperatur auf das Teil aufgetragen, dann langsam auf 120°C (Raumtemperatur auf 120°C in 15 Minu ten) erhitzt und dann 15 bis 45 Minuten bei 120°C gehalten werden, gefolgt von einem Aufheizen auf 205 bis 230°C und ge halten während 15 bis 30 Minuten.

Das Polieren des Festschmierstoffüberzuges kann als Ergebnis der Verwendung eines Palierwerkzeuges oder als Ergebnis der tatsächlichen betrieblichen Verwendung des Kolbens an der Bohrungswand, die einen Übergang des Festschmierstoffes auf die Zylinderbohrungswand selbst bewirkt, erfolgen. Sobald sich die Übertragungslage 57 auf der Zylinderbohrungswand auf eine Stärke 58 (siehe Fig. 9) von etwa 0,1 bis 5 µ aufge baut hat (was abhängig von der Konstruktion von annähernd we nige Minuten bis zu wenige Stunden erfordert), erzeugt das Zusammenwirken des Kolbens und der Zylinderbohrungswand ei nen zähen Film 57 mit niedriger Abscherung und geringerer Reibung.

Wegen der Wahl des besonderen Festschmierstoffharzes begün stigt der Überzug eine schnelle Ölfilmbildung auf diesem. Der Überzug kann auch über ihn verlaufende Rinnen 66 (bis auf eine Tiefe 59 von etwa 30 bis 120 µ) aufweisen, die wäh rend der Hubbewegung des Kolbens (siehe Fig. 8) den Ölfilm einfangen. Wegen der erhöhten Affinität dieses neuen Überzu ges für Öl mag die Notwendigkeit für Rinnen (gerade oder schraubenförmig) nicht notwendig sein. Der polierte Fest schmierstoff kann eine sehr glatte Oberfläche (mit einer Oberflächengüte von annähernd 10 Mikrozoll) aufweisen.

Die Taschen 55 werden in den Mündungsgebieten 56 der Über zugsoberflächenrauheiten durch Bürsten mit Stahldraht oder einem Äquivalent zum Erreichen des Effektes der Bildung von Vertiefungen gebildet und dadurch entstehen Öltaschen, die mit der Ausbildung von getrennten Rinnen vergleichbar sind. Das Drahtbürsten ist wirksam, da es den weicheren Überzug an der polierten Oberfläche entfernt.

Anwendungsverfahren

Das Kolbensystem liegt als Teil der Gesamtmotorreibung, wie es die Daten in Fig. 14 zeigen, hoch. Der durch den Ventil trieb oder die Kurbelwelle und die Lager bedingte Reibungsan teil ist wesentlich kleiner. Die Motorreibung kann durch ein Verfahren der Verwendung eines eine niedrige Reibung aufwei senden Kolbens 10 in einer Zylinderbohrung 20 mit Ölzufuhr (Mittel 65) einer Hubkolbenanordnung 60 wesentlich herabge setzt werden. Das Verfahren umfaßt dabei: (a) Zurverfügung stellen eines eine niedrige Reibung aufweisenden Kolbens ge mäß dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren, (b) Anbrin gen dieses Kolbens an einem Pleuel 61 mit einem ein Ende des Pleuels mit dem Kolben verbindenden Bolzen 62 zum Bewirken einer Hubbewegung in der Bohrung, wobei der Pleuel 61 auf das mit der Achse 16 des Hubes nicht ausgerichtete Hemd eine Kraft ausübt, und (c) Betreiben der Hubanordnung zum Übertra gen eines Abschnittes 57 des Festschmierstoffüberzuges auf die Zylinderbohrungswand mindestens in den Gebieten des Kol benschlags. Der Überzug ist auf den Kolbenhemdwänden in ei ner Stärke 47 von lambda, (λ) größer als 6 vorhanden (wobei lambda das Verhältnis der Höhe der Ölfilmstärke 34 zu der Tiefe 50 der Oberflächenrauheiten 49 ist).

Jüngere Forschungen zeigen, daß der Kolbenschlag (eine unter einem Winkel einwirkende Hubkraft des Kolbenhemdes an der Zy linderbohrung als Folge der Gelenkbewegung des Pleuels) wäh rend der Kolbenbewegung (siehe Fig. 15) eine Grenz- bis Mischschmierung erzeugt. Dies ist unerwünscht, da der Rei bungskoeffizient im Grenzschmierbereich seinen höchsten Wert (über 0,14) und im Mischschmierbereich über 0,05 erreicht. Dies ist für nach dem Stand der Technik ausgebildete Kolben hemdanordnungen charakteristisch. Selbst mit einem einzigen Festschmierstoffüberzug auf nach dem Stand der Technik ausge bildeten Kolbenhemden wird der Schmierbereich nicht wesent lich in den hydrodynamischen verschoben. Die Erfindung er reicht einen Reibungskoeffizienten (zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrungswand), der bei oder unter 0,04 liegt. Dies bedeutet, daß das mit einem System mit Ölzuführung ar beitende Kolbenhemd in einem im wesentlichen hydrodynami schen Schmierbereich arbeitet mit einem unter Umständen klei neren Anteil im Mischschmierbereich (siehe das Stribeck-Dia gramm in Fig. 15, das ZN/P (absolute Viskosität gegenüber ei ner Einheitslast) als Funktion der Reibung aufzeichnet). Die se Herabsetzung des Reibungskoeffizienten ist bedeutsam, da der Anteil an Reibung, den das Kolbenhemd zu den gesamten Mo torreibungsverlusten beiträgt, beträchtlich ist, wie dies in Fig. 14 gezeigt wird. Der Beitrag an Reibung durch den Kol ben im gesamten System kann so hoch wie 50% oder höher lie gen.

Bei dieser Erfindung wird die neuartige Herabsetzung der Rei bung im wesentlichen als Folge des Anziehens eines Ölfilms und durch die Bildung der Ölnachfüllreservoire in der Kolben hemdwand bewirkt. Beide Merkmale führen zum Ersatz der Grenz- oder Mischschmierung durch die hydrodynamische Schmie rung. Die Kolbenherstellung wird hier in ihrer Neuheit durch die Festschmierstoff enthaltenden Oberflächenrauheiten ver bessert, wobei der Festschmierstoff zum Beispiel durch Bür sten Vertiefungen zum Ausbilden von Öltaschen zum Nachfüllen des angezogenen Ölfilmes erhält. Ein größeres Potential ei ner Herabsetzung der Reibung läßt sich in einem Verfahren der Verwendung eines solchen Kolbenerzeugnisses, hergestellt mit dieser Fertigungstechnik, in einer Hubanordnung verwirk lichen, bei der es eine weitere Verminderung in jedem Misch schmierbereich als Ergebnis des Überganges des Festschmier stoffes auf die Zylinderbohrungswand gibt. Dies sichert ei nen vollständigen hydrodynamischen Schmierbereich als Folge eines konstruierten größeren Spaltes und eines Ölquetsch films, der von einer dynamischen Zufuhr des Ölfilms sowohl zum Kolben als auch zur Bohrungswand durch eine Vielfalt von Ölreservoiren begleitet wird.

Dieses Anwendungsverfahren (i) vermindert die geringe Misch schmierbereichsaktivität durch Herabsetzen der Berührungsflä che (Stege) zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrungs wand, was einen polierten (mikroglatten), auf die Zylinder bohrungswand übertragenen Festschmierstoffüberzug als Ergeb nis der höheren Flächenbelastung an den Stegen begünstigt, (ii) stellt sicher, daß der größte Teil des Schmierbereiches hydrodynamisch ist durch Einführen eines künstlich größeren, mit Öl gefüllten Spaltes 48 zwischen dem Zylinder und der Zy linderbohrungswand (wobei dieser Spalt 48 im Bereich von 20 bis 30 µ (0,0008 bis 0,0012 Zoll) liegt und ein Wiederauffül len des Ölfilms sicherstellt.

Diese Erfindung übernimmt das Prinzip, daß, wenn λ (Verhält nis der Stärke h des angezogenen Ölfilms zu der Höhe der Oberflächenrauheiten oder λ = h/a) gleich oder unter 1,0 liegt, der Schmierbereich im Grenzgebiet liegt (Erreichen ei nes Reibungskoeffizienten von mehr als 0,15). Wenn λ gleich oder größer als 6 ist, ist der Schmierbereich hydrodynamisch und der Reibungskoeffizient kleiner als 0,05.

Der Spalt 48 zwischen dem Kolbenhemd und der Zylinderboh rungswand zum Erreichen einer Kolbenabstützung während des Hubs und auch zum Erreichen eines λ von 6 oder mehr sollte in der Größenordnung von 5 bis 25 µ liegen. Die Auffüllung des Ölfilms ergibt sich durch einen Überzug mit Taschen mit einer Tiefe im Bereich von 5 bis 30 µ in der Mündung der Oberflächenrauheiten, durch schraubenförmige oder schrägver laufende Rinnen mit einer Tiefe von 30 bis 60 µ und dadurch, daß die den Festschmierstoff stützenden Stege um eine Höhe von 15 bis 45 µ über die Hemdwand angehoben sind.

Die Fläche der Axialdruckoberflächen wird auf ein Minimum herabgesetzt, so daß die mit dem Festschmierstoffimprägnier te Oberfläche wesentlich höheren Lasten ausgesetzt wird. Bei jedem Geschwindigkeits/Lastzustand diktieren die Kolbensei tenlast und die maximale Kontaktkraft die Minimumfläche. Da dieser Festschmierstoff eine hohe Lastaufnahmefähigkeit und eine sehr geringe Abnutzung bei Lasten bis zu 6,895×10⁷ Pascal aufweist und die maximale Kolbenseitenlast ungefähr 90 kg beträgt, kann der der Schubbelastung ausgesetzte Ober flächenbereich so niedrig wie 650 mm² liegen. Bei Beibehal ten dieser Forderung für den der Schubbelastung ausgesetzten Oberflächenbereich sind die drei in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen für diesen Zweck konstruiert worden.

Der Sinn des hinterschnittenen Abschnittes liegt im Zurück halten des Öls, insbesondere während des Abwärtshubes des Kolbens, und zum Erzeugen eines pseudohydrodynamischen Quetschfilms mit einer Stärke von mindestens 20 bis 30 µ. Die volumetrische Wärmedehnung des Öls aufgrund der Ölerwär mung wäscht und schmiert die Druckflächen und setzt damit den Verschleiß herab. Dünne Rinnen werden auf den oberen und Seitenarmen der Stegmuster zum Entlasten des Öldruckes wie auch zum Auffüllen des hinterschnittenen Abschnittes mit Öl geschnitten.

Fig. 16 zeigt die für das Antriebsdrehmoment eines Motors (Reihenmotor mit vier Zylindern, 1,9 l) gesammelten Daten bei Verwendung von nichtüberzogenen und von erfindungsgemäß überzogenen Kolben bei verschiedenen Motorgeschwindigkeiten bei teilweiser Ölung (dies bedeutet einen nahezutrockenen Be trieb eines herkömmlichen Motors, wie er sich bei niedrigem Öldruck oder Ausfall der Pumpe ergibt). Fig. 16 zeigt, daß der überzogene Kolben um zweistellige Abnahmen im Antriebsmo ment überlegen ist. Fig. 17 zeigt weiter die Herabsetzung des Drehmomentes bei zusätzlichem Überziehen der Zylinderboh rung. Die Fig. 18 und 19 zeigen vergleichbare Strichdaten für ein Motor-Blow-by (dies bedeutet eine Leckage aus dem Brennraum in das Kurbelgehäuse) als Funktion der Motorge schwindigkeit mit überzogenen und nichtüberzogenen Kolben bei voller Ölung (dies bedeutet volle Schmierung im Motor). Man beachte, daß der Blow-up ansteigt, wenn die Zylinderboh rung wegen herabgesetzten Verschleißes auch überzogen ist. Wenn die Bohrung und der Kolben jedoch auf minimale Verfor mung entworfen sind, nehmen sowohl Reibung und Abnutzung als auch der Blow-by wegen eines stärker gleichförmigen Kontak tes und verbesserter Abdichtung ab. Bei einer Überzugsstärke im Bereich von 5 bis 35 µ auf dem Kolben und einem Freiraum vom Kolben zum Zylinder im Bereich von 5 bis 20 µ werden Ge räusche durch herkömmlichen Kolbenschlag fast vollständig ausgeschaltet.

Claims

1. Kolbenkonstruktion mit niedriger Reibung zur Verwendung in einer Zylinderbohrungswand mit Ölzuführung, gekenn zeichnet durch:

a) Mittel zur Ausbildung einer im wesentlichen über den gesamten Querschnitt der Zylinderbohrungswand verlau fenden und in dieser eine Gleitbewegung ausführenden Kolbenkrone,
b) eine in Umfangsrichtung verlaufende, von der Kolben krone herabhängende Hemdwand und
c) ein mit dem Innern mindestens der Hemdwand oder der Krone verbundenes, eine Hubkraft übertragendes Mit tel, wobei die Hemdwand in einer radialen Einwärts richtung reliefartig ausgebildete Abschnitte auf weist, mindestens die nicht reliefartig ausgebilde ten Abschnitte der Hemdwand auf ihrer Außenseite ei nen Überzug aus Festschmierstoff aus Graphit, Molyb dändisulfid, Bornitrid und einem Epoxydharz aufwei sen, das eine polymere Basis enthält, die für die Graphitkomponente einen Vorrat an Wasserdampf oder Kohlenwasserstoff ausbildet und dahingehend wirksam ist, daß ein Ölfilm auf den Überzug gezogen wird.

2. Kolbenkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Festschmierstoffe des Überzuges in Gewichts prozent des Gesamtfestschmierstoffes in Mengen wie folgt vorhanden sind: 29 bis 58% je für Graphit und Molybdän disulfid und 7 bis 16% für Bornitrid.

3. Kolbenkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der überzogene Kolben in einer Zylinderbohrung mit Ölzufuhr bei Temperaturen bis zu 400°C einen Rei bungskoeffizienten im Bereich von 0,02 bis 0,06 auf weist.

4. Kolbenkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die nicht reliefartig ausgebildete Kolbenhemd wand ein Schema von Stegen ausbildet, die für die Zylin derbohrungswand eine Berührungsfläche im Bereich von 1,6 bis 58 cm² bilden.

5. Kolbenkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Stege mindestens den Umfang des Hemdes um schließen.

6. Kolbenkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Überzug aus Festschmierstoff einen Ölfilm mit einer Stärke im Bereich von 0,5 bis 10 µ anzieht.

7. Kolbenkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Überzug aus Festschmierstoff ein Harz aus einem Thermoplasten oder einem warmhärtbaren Polyimid enthält.

8. Kolbenkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Überzug aus Festschmierstoff ein Harz aus einem Duroplasten, der mindestens (25 bis 40%) auf ein hohes Molekulargewicht quervernetzt ist, ein Härtungsmit tel aus Dicyanidimid in einer Menge von 2 bis 5% und ein Dispergiermittel aus 2,4,6-Tri(dimethlaminmethyl)phe nol in einer Menge von 0,3 bis 1,5% enthält.

9. Kolbenkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Überzug aus Festschmierstoff ein vorgegebe nes Schema von Rillen zur Zufuhr von Öl zwischen die re liefartig ausgebildeten Abschnitte der Kolbenhemdwand während des Hubes des Kolbens aufweist.

10. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens mit niedriger Rei bung zur Verwendung in einer Zylinderbohrungswand mit Öl zuführung, bestehend aus:

a) Ausbilden eines zylinderförmigen Kolbenkörpers mit einer Krone, von dieser herabhängenden Seitenwänden und einer Struktur zum Abstützen mindestens der Kro ne um eine diametral verlaufende Bolzenachse, wobei die Seitenwände Abschnitte auf sich gegenüberliegen den Seiten der Bolzenachse aufweisen, die an die Form der Bohrungswand angepaßt sind, mit dieser aber einen radialen Spalt ausbilden,
b) Hinterschneiden der Außenseite der Seitenwände zum Ausbilden von radial freiliegenden Stegen zum Glei ten entlang der Bohrungswand,
c) Einführen eines vorgegebenen Schemas von Oberflächen rauheiten in die Stege,
d) gleichförmiges Aufsprühen eines Überzuges aus einem Festschmierstoff auf die Stege, wobei der Überzug aus Festschmierstoffen und einem stützenden Harz be steht und das Harz eine polymere Basis aufweist, die einen Vorrat von mindestens Wasserdampf oder Kohlen wasserstoff für die Festschmierstoffe darstellt und einen Ölfilm auf diese anzieht,
e) Ausbilden von flachen Taschen an der Mündung der Oberflächenrauheiten und
f) Polieren der freiliegenden Festschmierstoffkristalle zum weiteren Herabsetzen der Höhe der Oberflächenrau heiten.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Hinterschneiden auf eine Tiefe im Bereich von 10 bis 45 µ erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Stege auf den Kolbenhemdwänden minde stens entlang des Umfangs der Hemdwand verläuft.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauheiten durch Anwendung von Säureätzung zum Herstellen eines regellosen Schemas aus Oberflächen rauheiten hergestellt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus einem Festschmierstoff mit einem Schema aus Mikrorillen ausgebildet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Taschen in dem Festschmierstoff an der Mündung der Oberflächenrauheiten durch Bürsten zum Entfernen des Festschmierstoffes und Ausbilden von Vertiefungen im Festschmierstoff an diesen Mündungen gebildet werden.

16. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Festschmierstoff durch thermisches Sprühen mit einer Auftrefftemperatur von mindestens 37°C auf den Stegen ab geschieden wird.

17. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Festschmierstoff aus einer organischen Basis besteht und durch Luftzerstäubung unter Verwendung einer Emul sion auf Lösemittel- oder Wasserbasis gefolgt von einem stufenweisen Aushärten abgeschieden wird.

18. Verfahren der Verwendung eines eine niedrige Reibung auf weisenden Kolbens in einer Zylinderbohrung mit Ölzufüh rung einer Hubanordnung, die eine Zentralachse der Hubbe wegung aufweist, gekennzeichnet durch:

a) Ausbilden eines eine niedrige Reibung aufweisenden Kolbens aus einem zylinderförmigen Körper mit einer Krone, herabhängenden Seitenwänden und einer Struk tur zum Abstützen von mindestens der Krone um eine diametral verlaufende Bolzenachse, wobei die Seiten wände Abschnitte auf sich gegenüberliegenden Seiten der Bolzenachse aufweisen, die an die Form der Boh rungswand angepaßt sind und mit diesen einen radia len Spalt einschließen, die Seitenwände weiter auf ihrer Außenseite zum Ausbilden von radial freiliegen den Stegen zum Erleichtern des Gleitens entlang der Bohrungswand reliefartig ausgebildet sind, die Stege ein vorgegebenes Schema von Oberflächenrauheiten und einen Überzug aus Festschmierstoff aufweisen, wobei der Überzug aus Festschmierstoffen und einem stützen den Harz besteht und das Harz eine polymere Basis aufweist, die einen Vorrat von adsorbiertem Wasser dampf oder einem Kohlenwasserstoff für die Fest schmierstoffe darstellt und einen Ölfilm auf diese anzieht,
b) Montieren des Kolbens auf einem Pleuel mit einem die sen mit dem Kolben verbindenden Bolzen zur gelenki gen Hubbewegung in der Bohrungswand, wobei der Pleu el auf die nicht mit der Achse ausgerichteten Seiten wände eine Kraft ausübt,
c) Betreiben der Hubanordnung zum Übertragen eines Teils des Überzuges aus dem Festschmierstoff auf die Zylinderbohrungswand mindestens in Gebieten des Kol benschlages zum Ausbilden eines übertragenen, Mikro oberflächenrauheiten aufweisenden Überzuges und Ein leiten von Öl auf den Kolbenüberzug und den übertra genen Überzug zu dessen Benetzen und Zurückhalten ei nes Ölfilms während des Hubes in einer Stärke, die ein Lambda von 6 oder mehr erzeugt, und
d) Ausbilden von Ölreservoiren an den zurückgehaltenen Ölfilmen zum Nachfüllen des Öls in dem Film während jedes Hubes des Kolbens.

19. Verfahren der Verwendung nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, daß die herabgesetzte Fläche der Stege zu einer erhöhten Belastung zum Unterstützen des Überganges des Festschmierstoffes auf die Zylinderbohrungswand führt.

20. Verfahren der Verwendung nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, daß der Übergang des Festschmierstoffes zu einem Überzug auf der Zylinderbohrungswand führt, der po liert ist und im Stärkebereich von 0,5 bis 5,0 µ mikro glatt ist.

21. Verfahren der Verwendung nach Anspruch 18, kennzeichnet, daß der Spalt zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrungswand im Bereich von 0 bis 60 µ liegt.

22. Verfahren der Verwendung nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, daß der Überzug aus dem Festschmierstoff auf den Stegen ein vorgegebenes Schema von Nuten zum Er leichtern der Zufuhr und des Verteilens des Öls zwischen den reliefartig ausgebildeten Abschnitten der Hemdwand aufweist.

23. Verfahren der Verwendung nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, daß der Übertragungsüberzug eine Stärke von 5 bis 20 µ, der Kolbenhemdüberzug eine Stärke von 5 bis 30 µ und der Kolbenbohrungsfreiraum 0 bis 40 µ zum Erreichen einer beträchtlichen Geräuschherabsetzung auf weist.