DE4343439C2

DE4343439C2 - Kolben für Hubkolben-Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE4343439C2
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: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2013-12-21
Also published as: DE4343439A1; GB2274145B; GB9325743D0; GB2274145A; US5313919A; US5239955A

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

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.