DE4343439C2 - Kolben für Hubkolben-Verbrennungsmotoren - Google Patents
Kolben für Hubkolben-VerbrennungsmotorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben für Hubkol
ben-Verbrennungsmotoren und ein Verfahren zu seiner Herstellung
gemäß den Obergbegriffen der Ansprüche 1 und 10.
Bei Hubkolbenmotoren ist es üblich, das Schmieröl auf den
Schaft des Kolbens aufzuspritzen und Kolbenringe zur Trennung
des Öls vom Brennraum zu verwenden. Abhängig von der Kolben
geschwindigkeit kann der Kolbenschaft beträchtlich lang und
die Balligkeit so sein wie die bei mit niedrigen Geschwindig
keiten arbeitenden Dieselmotorkolben verwendeten tiefgezoge
nen Kolbenschäften. Im Stand der Technik wird vermutet, daß
diese Schäfte die durch den angelenkten Pleuel hervorgerufe
nen Sekundärbewegungen des Kolbens wirksamer herabsetzen und
einem im hydrodynamischen Schmierbereich (Strömungsmittel,
das an anderen Strömungsmittelschichten in einem Gradientmu
ster vorbeigleitet) wirkenden Oberflächenfilm aus Schmieröl
hervorrufen. Nachdem herkömmlichen Wissen der Fachleute ver
ringert eine Überarbeitung der Kolbenschäfte in einer Anord
nung mit Ölschmierung die Reibungsverluste nicht wesentlich,
da sich im hydrodynamischen Schmierbereich die geringstmögli
che Reibung ergibt und die vorhandene Balligkeit diese
Schmierung begünstigt.
Untersuchungen haben gezeigt, daß dies nicht zutrifft und daß
die herkömmliche Konstruktion der Kolbenschäfte sehr stark zu
den Reibungsverlusten beiträgt und daß der Ölfilm im Grenzbe
reich oder Bereich, gemischter Schmierung wirkt und nicht im
wesentlichen im Bereich hydrodynamischer 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 2 817 562 und 4 831 977) untersucht. Diese Verwen
dung von fluoriniertem Kohlenstoff war wirtschaftlich nicht
erfolgreich, da er die Bildung eines hydrodynamischen Filmes
nicht begünstigt und die Reibung infolgedessen bei hohen Mo
torgeschwindigkeiten hoch bleibt. Dies führt zu einer durch
Verschleiß begrenzten Lebensdauer des Überzugs.
Bei Hubkolbenanordnungen, bei denen eine Schmierölversorgung
im wesentlichen nicht vorhanden ist, sind auch Festschmier
stoffe untersucht worden (siehe US 3 890 950 und 4 872 432).
Bei diesen Versuchen wurde Graphit und MoS2 in Harzüberzügen
zum Herabsetzen einer Massivkontaktreibung verwendet. Die Än
derungen, die bei diesen Festschmierstoffen bei Kolbenanord
nungen mit Ölschmierung gemacht werden müssen, sind jedoch
nicht bekannt.
Aus der DE 41 13 773 A1 ist ein Hubkolben für eine Brenn
kraftmaschine bekannt, der im Bereich des Kolbenschaftes mit
einer Beschichtung aus einer Graphit-Kunstharzdispersion ver
sehen ist. Diese vorbekannte Graphit-Kunstharzdispersion kann
Plättchen-Graphit mit einem Gewichtsanteil von 40-60% enthal
ten und versieht den Kolben mit Notlaufeigenschaften. Hier
durch wird ein Fressen auch bei nur geringen Restölmengen und
bei hohen spezifischen Flächenpressungen verhindert. Auf die
Laufeigenschaften des Kolbens im ölgeschmierten Zylinder bei
Normalbetrieb haben diese Maßnahmen keinen oder nur geringen
Einfluß.
Demgegenüber liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
darin, die Laufeigenschaften eines gattungsgemäßen Kolbens in
einem ölgeschmierten Zylinder, insbesondere bei hohen Ge
schwindigkeiten, zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1
und 10. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird eine au
ßerordentlich niedrige Reibung zwischen Kolbenschaft und öl
geschmiertem Zylinder erreicht, die insbesondere bei hohen
Geschwindigkeiten beibehalten wird, da durch die vorgeschla
gene Kombination von Bornitrit und Molybdändisulfid die Be
triebstemperatur des Festschmierstoffes erhöht wird. So weist
der mit dem vorgeschlagenen Festschmierstoff überzogene Kol
ben in dem Zylinder bei Temperaturen bis zu 400°C einen Rei
bungskoeffizienten im Bereich von 0,02 bis 0,06 auf, wobei
der Überzug aus Festschmierstoff einen Ölfilm mit einer Stär
ke im Bereich von 0,5 bis 10 µm anzieht. Außerdem wird durch
geeignete Dimensionierung der Überzugsstärke eine beträchtli
che Geräuschreduzierung erreicht.
Bei der Erfindung ist eine neue Kolbenkonstruktion mit einem
Überzug aus einem Festschmierstoff -solid film lubricant
(SFL)- aus Graphit und Molybdändisulfid in einem Harz vorge
sehen. Diese Konstruktion weist eins oder mehrere der folgen
den Merkmale auf: (i) Auslösen eines Betriebes des den Kolben
umschließenden Schmierfilms in dem hydrodynamischen Bereich
durch selektives Hinterschneiden der Kolbenanlagefläche zum
Bilden von Ölreservoiren und durch Einstellen des Kolbenboh
rungswandspaltes zum Begünstigen des hydrodynamischen Be
reichs, (ii) Heranziehen eines Ölfilms zum Ausfüllen des ein
gestellten Spaltes durch Auswählen des Harzes mit besonderen
Eigenschaften und (iii) Erhöhen der Betriebstemperatur des
Festschmierstoffes durch Kombinieren von Bornitrid und Mo
lybdändisulfid in ausgewählten Anteilen.
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
benschaftes von Fig. 1,
Fig. 3 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines er
findungsgemäßen Kolbens,
Fig. 4 eine Ansicht des in eine Ebene abgewickelten Kolben
schaftes von Fig. 3,
Fig. 5 und Fig. 6 Darstellungen abgewickelter Kolbenschäfte
alternativer Konstruktionen eines Kolbenschaftreli
efs zum Ausbilden der tragenden Flächen bzw. Stege,
Fig. 7 eine schematische perspektivische Darstellung eines
erfindungsgemäß überzogenen Kolbens in der Betriebs
lage gegenüber einer Zylinderwand mit Ölzuführung,
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 zei
gen,
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.
Ein typischer handelsüblicher Kolben 10 für einen Verbren
nungsmotor wird in Fig. 1 gezeigt. Der Kolben weist ein Kopf
teil 11, einen Kolbenschaft 12 und eine Kolbenbolzennabe 13
zum Übertragen der Last über einen Pleuel auf. Die Kolbenbol
zennabe 13 weist Wände 14 auf, die entlang einer quer zu der
Hubachse 16 des Kolbens verlaufenden diametralen Achse 15 ei
ne Bolzenöffnung umschließen. Kolbenringe 17 und 18 und ein
Ölabstreifring 19 umschließen den Umfang des Kopfteils und
wirken mit der Zylinderwand zum Zurückhalten von aufgespritz
tem Kurbelgehäuseöl 21 unter den Ringen, aber entlang der Au
ßenfläche des Schaftes 12 zusammen. Die Höhe oder axiale Län
ge 22 des Schaftes erstreckt sich noch beträchtlich unter die
Kolbenbolzenöffnung 14 zum Vergrößern der Schlag- oder Stoß
fläche 23 des Kolbenschaftes 12 und um damit die Wirkung der
Balligkeit des Kolbens in der Bohrungswand 20 zur erhofften
Reibungssteuerung zu verbessern. Ein kleiner, aber gleichför
miger Ringspalt 24 wird zwischen dem Schaft und der Bohrungs
wand aufrechterhalten. Die Fläche 23 kann, wie es sich aus
der Darstellung in Fig. 2 ergibt, beträchtlich groß sein.
Fig. 2 zeigt den in eine Ebene abgewickelten Kolbenschaft.
Die Fläche 23 weist auf die Wand der Zylinderbohrung und
liegt dieser gegenüber. Die Wand verläuft von der Ölringnut
25 zum Boden des Schaftes und um jede der Bolzenöffnungs
stützflächen 26.
Im Gegensatz hierzu zeigt Fig. 3 den erfindungsgemäßen Kolben
mit einem kürzeren und in der Oberfläche reliefartig ausge
bildeten Schaft 40. Der Kolben 29 weist ein Kopfteil 28 und
eine Kolbenbolzennabe 41 zum Übertragen von Lasten über ein
Pleuel auf (die Nabe 41 weist von dem Kopfteil herabhängende
Wände zum Ausbilden einer entlang der diametralen Achse 15
ausgerichteten Bolzenöffnung 14 auf). Die durch diese Erfin
dung mögliche kürzere Axiallänge 42 des Schaftes 40 verläuft
von der Ölringnut 43 bis etwas unter die Öffnung 14.
Diese Erfindung überzieht den Kolbenschaft 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 der Kolbenschaft 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 der Kolbenschaft 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 µm oder durch Bearbeitung mit elektrischer Entladung vorge
nommen werden. Der nicht reliefartig ausgebildete Abschnitt
des Kolbenschaftes wird ein Steg oder wird zu Stegen 35 zur
gleitenden Anlage entlang der Wand der Zylinderbohrung. Es
ist erwünscht, wenn die tragenden Flächen bzw. Stege 35 aus
Rändern oder Streifen 35a, 35b, 35c und 35d bestehen, die
entlang des Umfangs des Schaftes 23 verlaufen, und die Ränder
35e und 35f oberhalb und unterhalb der Bolzenöffnungsflächen
30 und 33 verlaufen. Ein Rand oder eine Rippe 36 ist so aus
gebildet, daß er/sie über das Zentralgebiet des Schaftes,
vorzugsweise als eine axial verlaufende Bisektrix, verlaufen.
Die Breite dieser Ränder 35a, 35b, 35c und 35d kann im Be
reich 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 ergeben eine Gesamtstegfläche von min
destens 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 µm aufgebracht. Der Überzug kann mit einer herkömm
lichen Rollen/Seidensieb- oder Stempelkissentechnik aufge
bracht werden. Der Überzug besteht aus Festschmierstoffen 45
(Graphit, MoS2, BN) und einem Stützharz 46. Die Festschmier
stoffbestandteile sind in dem Gesamtschmierstoff in einem
Prozenzsatz 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 1 /2 bis 5 µm anzuziehen. Das Harz ist in dem Über
zug 44 in einer Menge von 20 bis 60 Volumen-% 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 0,5 µm 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.
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 einem Kopfteil 28, einem von dem Kopf
teil 28 herabhängenden Schaft 40 und einer Kolbenbolzennabe
41 zum Abstützen mindestens des Kopfteils um eine diametral
verlaufende Bolzenachse 15. Gemäß der Darstellung in Fig. 7
weist der Schaft 40 auf den sich gegenüberliegenden Seiten
der Bolzenachse 15 an die Form der Bohrungswand 20 angepaßte
Abschnitte auf, die dazwischen aber einen Radialspalt 48 be
grenzen. Wie auch in Fig. 9 gezeigt wird, ist die Außenseite
des Schaftes 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 µm zum Erzeugen von
Stegen mit einer schwankenden Gesamtstegfläche von etwa 3,2 cm2 (0,5
Quadratzoll) bis etwa 9,7 cm2 (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 bar 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 mm (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 Polierwerkzeuges oder als Ergebnis der
tatsächlichen betrieblichen Verwendung des Kolbens an der
Bohrungswand, die einen Übergang des Festschmierstoffes auf
die Zylinderwand selbst bewirkt, erfolgen. Sobald sich die
Übertragungslage 57 auf der Zylinderwand auf eine Stärke 58
(siehe Fig. 9) von etwa 0,1 bis 5 µm aufgebaut hat, (was ab
hängig von der Konstruktion von annähernd wenige Minuten bis
zu wenige Stunden erfordert), erzeugt das Zusammenwirken des
Kolbens und der Zylinderwand einen zähen Film 57 mit niedri
ger 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 µm) 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 0,25 µm (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.
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) Zurverfü
gungstellen eines eine niedrige Reibung aufweisenden Kolbens
gemäß dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren, (b) An
bringen dieses Kolbens an einem Pleuel 61 mit einem ein Ende
des Pleuels mit dem Kolben verbindenden Bolzen 62 zum Bewir
ken einer Hubbewegung in der Bohrung, wobei der Pleuel 61 auf
den mit der Achse 16 des Hubes nicht ausgerichteten Schaft
eine Kraft ausübt, und (c) Betreiben der Hubanordnung zum
Übertragen eines Abschnittes 57 des Festschmierstoffüberzuges
auf die Zylinderwand mindestens in den Gebieten des Kolben
schlags. Der Überzug ist auf dem Kolbenschaft in einer 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 Kolbenschaftes an der
Zylinderbohrung als Folge der Gelenkbewegung des Pleuels)
während der Kolbenbewegung (siehe Fig. 15) eine Grenz- bis
Mischschmierung erzeugt. Dies ist erwünscht, da der Reibungs
koeffizient 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
schaftanordnungen charakteristisch. Selbst mit einem einzigen
Festschmierstoffüberzug auf nach dem Stand der Technik ausge
bildeten Kolbenschäften wird der Schmierbereich nicht wesent
lich in den hydrodynamischen verschoben. Die Erfindung er
reicht einen Reibungskoeffizienten (zwischen dem Kolben und
der Zylinderwand), der bei oder unter 0,04 liegt. Dies bedeu
tet, daß der mit einem System mit Ölzuführung arbeitende Kol
benschaft in einem im wesentlichen hydrodynamischen Schmier
bereich arbeitet mit einem unter Umständen kleineren Anteil
im Mischschmierbereich (siehe das Stribeck-Diagramm in Fig.
15, das ZN/P (absolute Viskosität gegenüber einer Einheits
last) als Funktion der Reibung aufgezeichnet). Diese Herab
setzung des Reibungskoeffizienten ist bedeutsam, da der An
teil der Reibung, den der Kolbenschaft zu den gesamten Motor
reibungsverlusten beiträgt, beträchtlich ist, wie dies in
Fig. 14 gezeigt wird. Der Beitrag an Reibung durch den Kolben
im gesamten System kann so hoch sein 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 dem Kolben
schaft bewirkt. Beide Merkmale führen zum Ersatz der Grenz-
oder Mischschmierung durch die hydrodynamische Schmierung.
Die Kolbenherstellung wird hier in ihrer Neuheit durch die
Festschmierstoff enthaltenden Oberflächenrauheiten verbes
sert, wobei der Festschmierstoff zum Beispiel durch Bürsten
Vertiefungen zum Ausbilden von Öltaschen zum Nachfüllen des
angezogenen Ölfilms erhält. Ein größeres Potential einer Her
absetzung der Reibung läßt sich in einem Verfahren der Ver
wendung eines solchen Kolbenerzeugnisses, hergestellt mit
dieser Fertigungstechnik, in einer Hubanordnung verwirkli
chen, bei der es eine weitere Verminderung in jedem Misch
schmierbereich als Ergebnis des Überganges des Festschmier
stoffes auf die Zylinderwand gibt. Dies sichert einen voll
ständigen hydrodynamischen Schmierbereich als Folge eines
konstruierten größeren Spaltes und eines Ölquetschfilms, der
von einer dynamischen Zufuhr des Ölfilms sowohl zum Kolben
als auch zur Bohrungswand durch eine Vielfalt von Ölreservoi
ren begleitet wird.
Dieses Anwendungsverfahren (i) vermindert die geringe Misch
schmierbereichsaktivität durch Herabsetzen der Berührungsflä
che (Stege) zwischen dem Kolben und der Zylinderwand, was ei
nen polierten (mikroglatten), auf die Zylinderwand übertrage
nen Festschmierstoffüberzug als Ergebnis der höheren Flächen
belastung 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 Zylinderwand (wobei dieser
Spalt 48 im Bereich von 20 bis 30 µm (0,0008 bis 0,0012 Zoll)
liegt und ein Wiederauffüllen 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 Kolbenschaft und der Zylinderwand
zum Erreichen einer Kolbenabstützung während des Hubs und
auch zum Erreichen eines λ von 6 oder mehr sollte in der Grö
ßenordnung von 5 bis 25 µm liegen. Die Auffüllung des Ölfilms
ergibt sich durch einen Überzug mit Taschen mit einer Tiefe
im Bereich von 5 bis 30 µm in der Mündung der Oberflächenrau
heiten, durch schraubenförmige oder schrägverlaufende Rinnen
mit einer Tiefe von 30 bis 60 µm und dadurch, daß die den
Festschmierstoff stützenden Stege um eine Höhe von 15 bis 45
µm über den Schaft angehoben sind.
Die Fläche der Axialdruckoberflächen wird auf ein Minimum
herabgesetzt, so daß die mit dem Festschmierstoff imprägnier
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 Drücken bis zu 6,895 × 107
Pascal aufweist und die maximale Kolbenseitenlast ungefähr
900 N 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 µm auf dem Kolben und einem Freiraum
vom Kolben zum Zylinder im Bereich von 5 bis 20 µm werden Ge
räusche durch herkömmlichen Kolbenschlag fast vollständig
ausgeschaltet.
Claims (15)
1. Kolben für Hubkolben-Verbrennungsmotoren, der in einem
ölgeschmierten Zylinder gleitet, mit einem Kolbenschaft,
der auf seiner Oberfläche reliefartig ausgebildete Ver
tiefungen und mindestens auf seinen im Zylinder gleiten
den Oberflächen-Abschnitten einen Überzug aus Graphit und
Epoxidharz enthaltendem Festschmierstoff aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Festschmierstoff auch Mo
lybdändisulfid und Bornitrid enthält, wobei das Epoxid
harz eine polymere Basis enthält, die für die Graphitkom
ponente einen Vorrat an Wasserdampf oder Kohlenwasser
stoff ausbildet und dahingehend wirksam ist, daß sich ein
Ölfilm auf dem Überzug (44) bildet, und wobei die Fest
schmierstoffe des Überzuges in Gewichtsprozenten des Ge
samtfestschmierstoffes in Mengen wie folgt vorhanden
sind: 29 bis 58% für Graphit und Molybdändisulfid und 7
bis 16% für Bornitrid.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
nicht reliefartig ausgebildeten im Zylinder gleitenden
Oberflächenabschnitte des Kolbenschaftes (12) stegförmig
ausgebildet sind und mit der Zylinderwand eine Berüh
rungsfläche im Bereich von 1,6 bis 58 cm2 bilden.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stege im wesentlichen axial verlaufen und über
den gesamten Umfang des Kolbenschaftes (12) verteilt
sind.
4. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Überzug (44) ein Harz aus einem
Thermoplasten oder einem warmhärtbaren Polyimid enthält.
5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Überzug (44) ein Harz aus einem
Duroplasten, der mindestens (25 bis 40%) auf ein hohes
Molekulargewicht quervernetzt ist, ein Härtungsmittel aus
Dicyanidimid in einer menge von 2 bis 5% und ein Dis
pergiermittel aus 2,4,6-Tri(dimethylaminomethyl)phenol in
einer Menge von 0,3 bis 1,5% enthält.
6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Überzug (44) Rillen (66) zur Öl
zufuhr in die reliefartig ausgebildeten Vertiefungen des
Kolbenschaftes (12) während des Kolbenhubes aufweist.
7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Überzug (44) aus Festschmierstoff
im Motorbetrieb auf die Zylinderwand (20) übertragbar
ist.
8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der maximale Außendurchmesser des
Überzugs (44) auf dem Kolbenschaft (12) ein Maß aufweist,
bei dem der Spalt zwischen dem Kolben und der Zylinder
wand im Bereich von 0 bis 60 µm liegt.
9. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der maximale Außendurchmesser des
Überzugs (44) auf dem Kolbenschaft nach der Übertragung
des Festschmierstoffes auf die Zylinderwand (20) in einer
Dicke von 5 bis 20 µm bei einer verbleibenden Restdicke
von 5 bis 30 µm auf dem Kolbenschaft ein Maß aufweist, bei
dem der Spalt zwischen dem Kolben und der Zylinderwand im
Bereich von 0 bis 40 µm liegt.
10. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
- a) Hinterschneiden der Oberfläche des Kolbenschaftes zum Ausbilden von radial freiliegenden im Zylinder glei tenden tragenden Oberflächenabschnitten,
- b) Einbringen von Rauheiten in die tragenden Oberflä chenabschnitte,
- c) gleichförmiges Aufsprühen des Überzuges aus Fest schmierstoff auf die tragenden Oberflächenabschnitte,
- d) Polieren der freiliegenden Festschmierstoffkristalle zum weiteren Herabsetzen der Oberflächenrauheiten und
- e) Ausbilden von flachen Taschen an der Oberfläche des Festschmierstoffes.
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 oder 11, dadurch gekennzeich
net, daß die oberflächenrauheiten durch Anwendung von
Säureätzung unregelmäßig ausgebildet werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Taschen an der Oberfläche des Fest
schmierstoffes durch Bürsten zum Entfernen des Fest
schmierstoffes und zum Ausbilden von Vertiefungen im
Festschmierstoff geformt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Festschmierstoff durch thermisches
Sprühen mit einer Auftrefftemperatur von mindestens 37°C
auf den tragenden Oberflächenabschnitten aufgetragen
wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Festschmierstoff durch Luftzerstäu
bung unter Verwendung einer Emulsion auf Lösemittel- oder
Wasserbasis gefolgt von einem stufenweisen Aushärten auf
getragen wird.
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