EP3589759A1 - Kolbenbolzen für verbrennungsmotoren, system, motor und verwendung eines solchen kolbenbolzens - Google Patents

Kolbenbolzen für verbrennungsmotoren, system, motor und verwendung eines solchen kolbenbolzens

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Publication number
EP3589759A1
EP3589759A1 EP18709988.2A EP18709988A EP3589759A1 EP 3589759 A1 EP3589759 A1 EP 3589759A1 EP 18709988 A EP18709988 A EP 18709988A EP 3589759 A1 EP3589759 A1 EP 3589759A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston pin
piston
gudgeon pin
ratio
internal combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP18709988.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Meske
Roland Böhm
Klaus Lades
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Federal Mogul Nuernberg GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Federal Mogul Nuernberg GmbH filed Critical Federal Mogul Nuernberg GmbH
Publication of EP3589759A1 publication Critical patent/EP3589759A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/10—Connection to driving members
    • F16J1/14—Connection to driving members with connecting-rods, i.e. pivotal connections
    • F16J1/16—Connection to driving members with connecting-rods, i.e. pivotal connections with gudgeon-pin; Gudgeon-pins
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/08—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes

Definitions

  • the present invention relates to a piston pin for internal combustion engines, a piston pin and piston system, an engine with a piston pin or with a system of piston pin and piston and the use of a piston pin or a system of piston pin and piston for engines, especially internal combustion engines.
  • piston pins for internal combustion engines are predominantly made of steels 16MnCr5 and 17Cr3, which are also subjected to case hardening.
  • the production of piston pins made of hardened steel is described generally in DE 950297 B, for example.
  • An object of the present invention is to provide a piston pin with reduced mass, while the functional properties of the piston pin should not be adversely affected.
  • the piston pin for internal combustion engines according to the invention consists of a case hardened steel and is characterized in that a ratio of a residual wall thickness of the piston pin to a total thickness of a case hardening layer is ⁇ 2 and further comprises a ratio of inner diameter and outer diameter of the piston pin> 60%.
  • the piston pin according to the invention is preferably the usual expert understanding following - a hollow cylindrical, elongate member which serves to fasten the piston and connecting rod and is guided by appropriately designed openings this. It also serves to realize the power transmission between pin bosses of the piston and the connecting rod. Accordingly, the piston pin according to the invention preferably consists exclusively of this hollow cylindrical, elongated component.
  • the piston pin can be described in cross section through an inner diameter and an outer diameter.
  • the differential amount of outer diameter and inner diameter divided by 2 further defines the wall thickness of the piston pin.
  • the piston pin of the present invention stands out from the prior art in that the difference between outer diameter and inner diameter is smaller than usual.
  • the inner diameter of the piston pin is more than 60% of the outer diameter, usually it is significantly less than 60%.
  • the present invention is not limited to any upper limit of this value.
  • inner diameters are also significantly greater than 60%.
  • the inner diameter is more than 60% up to and including 80%, whereby the 80% can be regarded as a technically reasonable but not limiting upper limit.
  • the piston pin according to the invention further consists of a case hardened steel, which - according to the normal understanding of the skilled person - means that the
  • Piston pin material must first be a suitable case-hardenable material, which can be subjected to the usual process steps of case hardening: carburizing, hardening / quenching and tempering and from which the piston pin according to the invention is produced by conventional manufacturing methods.
  • a defined ratio of a residual wall thickness of the piston pin ie non-case-hardened material and non-case-hardened piston pin thickness portion
  • a total thickness of a case hardening layer ie sum of the depths / thicknesses of the piston pin wall with case hardening
  • case hardening depth for bolts is in accordance with ISO 18669-1
  • case hardening is carried out directly on the hollow cylindrical piston pin, usually in the rough state, by conventional methods, which means that a case hardening layer can be applied from the outside as well as from the outside
  • the piston pin according to the invention thus preferably has an outer and inner case hardening, which is generated from the outer and inner surface of the piston pin .
  • the case hardening then extends from the piston pin outer and piston pin inside surfaces in the depth of the
  • the ratio of the cumulative thickness / depth extension of these case hardened layers compared to the portion of the total wall thickness described above that is substantially non-case hardened is then less than 2.
  • the case-hardened piston pin wall area or the case-hardened layer should have a certain minimum thickness overall.
  • the present invention is not limited to the retention of an uncured "core" of the piston pin wall.Also conceivable is a nearly or fully through hardened piston pin wall, which may result in particular with comparatively large inner diameters, ie, particularly thin-walled gudgeon pin according to the present invention
  • the invention is not limited to identical outside and inside case hardening depths of the piston pin wall or layer thicknesses of case hardening Adjusting specific loads on the outside and the inside of the piston pin and adjust if necessary different optionally also includes that the outside or inside of the piston pin is uncured.
  • the piston pin is not a hybrid (piston) bolt.
  • the piston pin according to the invention consists only of the hollow-cylindrical, sleeve-like component described here and not additionally, as usual with hybrid bolts, other (incorporated therein) components / components, for example, cores or inserts.
  • the piston pin according to the invention is preferably free of use, i. has no further component (insert) inserted in the hollow cylindrical bolt, and is furthermore preferably in one piece.
  • the piston pin described here in total can have at least one inner bevel or be provided with it. This achieves a further weight reduction.
  • a preferred lower limit for the thickness ratio is about 1.0. At least in concrete terms, the ranges from 1.0 to ⁇ 2.0, 1.0 to ⁇ 1.5 and 1.5 to are included
  • case hardened steel of the piston pin of the present invention is a case steel selected from the group consisting of: 18CrNi8, 18CrNiMo7-6, 20MnCr5 and 20MnCrS5.
  • the present invention further deviates from the prior art, wherein usually steel grades 17Cr3 and 16MnCr5 are used.
  • the piston pin according to the invention has a surface coating of DLC, ta-C or MoN. This can be provided as needed on all relevant surfaces of the piston pin, for example on the outside and / or inside.
  • the piston pin is advantageously provided e.g. Protected against wear in the piston hub and positively influenced tribological interactions between the system components of the piston group.
  • Another object of the present invention is to provide a system of piston pins and pistons.
  • the system according to the invention has the above-described piston pin in all its possible and preferred embodiments and a piston, wherein the piston has a piston hub with a transverse ovality, ie the diameter of the piston hub perpendicular to the cylinder axis is larger by a certain amount than the diameter in Direction of the cylinder axis.
  • the thus defined transverse ovality ideally corresponds to the ovalization of the piston pin under maximum ignition pressure.
  • the piston pin according to the invention can have a certain ovalization during operation due to its increased diameter ratio or its reduced wall thickness, but its bending behavior remains similar to conventional piston pins.
  • the ovalization can be understood as an elliptical deviation from a circular cross-section of the piston pin. This change in the cross-sectional shape of the piston pin is due to the durability of the interacting piston hub / piston pin bore through
  • the system according to the invention thus enables either a reduction of the overall system weight and the dynamic masses with the advantages derived therefrom or, while maintaining the overall system weight, a reinforcement of the piston, which i.a. the overall reliability of the system increases.
  • transverse ovality of the piston hub is> 0.1% of a piston hub diameter and is particularly advantageous in terms of operational stability of the piston hub in interaction with the piston pin according to the invention.
  • the piston pin has a reduced length.
  • the piston pin in its length of conventional Piston pin deviates.
  • the advantage of this is that with the shortening of the piston pin, a further reduction of the piston pin mass and thus also of the entire system of piston pin and piston is accompanied.
  • Another component of the present invention is an engine, in particular an internal combustion engine, having the piston pin or the system of piston pin and piston according to the present invention.
  • the final component of the present invention is still the use of the piston or the system according to the invention of piston pin and piston for and in engines, in particular internal combustion engines. Both for the engine itself, as well as for the aforementioned use, all the advantages of the piston pin described above and the system of piston pin and piston are realized and used.
  • a concrete weight-reduced piston pin for a diesel engine according to the present invention is thus made of 20MnCr5, has an outer diameter of about 30 mm, an inner diameter of about 19.5 mm, a length of about 68 mm and a weight of about 0.218 kg. This results in a diameter ratio of about 65% and a weight reduction to a piston pin, which has only a different inner diameter of about 16.8 mm, of about 11%.
  • the above piston type may have a piston pin outside case depth (500 HV) of about 1.08 mm and a piston pin inside case depth (500 HV) of about 1.06 mm. This then results in a ratio of residual wall thickness of the piston pin to the total thickness of the two-sided härte für of about 1.45. Furthermore, a surface hardness of the piston pin about 82 HRA and a core hardness of the piston pin, so in the western non-use hardened middle zone in the piston pin wall of about 43 HRC.
  • Another concrete weight-reduced piston pin for a gasoline engine according to the present invention is thus made of 20MnCr5, has an outer diameter of about 22 mm, an inner diameter of about 14.5 mm, a length of about 52 mm and a weight of about 0, 088 kg on. This results in a diameter ratio of about 66% and a weight reduction to a piston pin, which has only a different inner diameter of about 12 mm, of about 14.6%.
  • Two further concrete preferred embodiments of piston pin according to the invention are made of 20MnCr5 and each have an outer diameter of 20 mm and an inner diameter of 14.3 mm and a length of 54 mm.
  • the inner diameter of the piston is about 72% of the outer diameter.
  • a first of these piston pins has a piston bolt outside case depth (500 HV) of about 0.65 mm and a piston pin inside case depth (500 HV) of about 0.66 mm.
  • values of about 0.70 mm and about 0.72 mm result in this regard. This in turn results in ratios of residual wall thickness of the piston pin to the total thickness of the two-sided case hardening layer of about 1.18 or about 1.01.
  • the first piston pin also has a surface hardness of about 79 HRA and a core hardness of about 47 HRA. For the second piston pin these values are 80 HRA and 40 HRC.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf einen Kolbenbolzen für Verbrennungsmotoren, der aus einem einsatzgehärteten Stahl besteht und dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Verhältnis aus einer Restwanddicke des Kolbenbolzens zu einer Gesamtdicke einer Einsatzhärteschicht < 2 beträgt, und ein Verhältnis aus Innendurchmesser und Außendurchmesser des Kolbenbolzens > 60 % beträgt. Ferner ist die vorliegende Erfindung gerichtet auf ein System aus dem erfindungsgemäßen Kolbenbolzen und einem Kolben, wobei der Kolben eine Kolbennabe mit einer Querovalität aufweist, die zu einer Ovalisierung des Kolbenbolzens unter maximalem Zünddruck korrespondiert. Die Erfindung umfasst auch einen Motor, insbesondere Verbrennungsmotor, mit dem Kolbenbolzen oder dem System aus Kolbenbolzen und Kolben sowie eine Verwendung davon für Motoren, insbesondere Verbrennungsmotoren.

Description

KOLBENBOLZEN FÜR VERBRENNUNGSMOTOREN, SYSTEM, MOTOR UND
VERWENDUNG EINES SOLCHEN KOLBENBOLZENS
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenbolzen für Verbrennungsmotoren, ein System aus Kolbenbolzen und Kolben, einen Motor mit einem Kolbenbolzen oder mit einem System aus Kolbenbolzen und Kolben und die Verwendung eines Kolbenbolzens oder eines Systems aus Kolbenbolzen und Kolben für Motoren, insbesondere Verbrennungsmotoren.
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Vor dem Hintergrund andauernder Bemühungen, insbesondere Verbrennungsmotoren in vielerlei Hinsicht effizienter zu gestalten, werden verschiedenste Optimierungswege beschritten .
Einer davon ist die Optimierung des Systems Kolbenbolzen- Kolben. Bei Verbrennungsmotoren haben die oszillierenden Massen einen hohen Einfluss auf die benötigten Ausgleichsmassen und die Dynamik des Motors. Insbesondere bei Dreizylinder-Ottomotoren mit wenig Hubraum würde eine drastische Reduktion der oszillierenden Massen von Kolben und Kolbenbolzen einen Entfall der Ausgleichswelle ermöglichen, was zu einer wünschenswerten Kostenreduktion führt.
Daher ist eine Gewichtsreduktion im Kolbenbolzen-Kolben- System eine technisch relevante Aufgabenstellung. Bei der Verringerung der Gesamtmasse der Kolbengruppe wurde bisher allerdings der Fokus überwiegend auf die Optimierung des Kolbens gelegt und beispielsweise durch die Entwicklung und Anwendung leichterer Kolbenmaterialien adressiert. Da aber nun auch die Festigkeit von Kolben aus vergleichsweise leichten Aluminiummaterialien mittlerweile aufgrund stetiger Leistungssteigerungen bei gleichbleibenden Gewichtsvorgaben an einer Grenze angelangt ist, scheint es sinnvoll, sich dem Kolbenbolzen zuzuwenden.
Zurzeit werden Kolbenbolzen für Verbrennungsmotoren weit überwiegend aus den Stählen 16MnCr5 und 17Cr3 hergestellt, die ferner auch noch einer Einsatzhärtung unterzogen werden. Die Herstellung von Kolbenbolzen aus gehärtetem Stahl ist beispielsweise allgemein in der DE 950297 B beschrieben.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kolbenbolzen mit reduzierter Masse vorzusehen, wobei dabei die funktionalen Eigenschaften des Kolbenbolzens nicht negativ beeinflusst werden sollen.
Diese Aufgabe wird durch den Kolbenbolzen gemäß Anspruch 1 gelöst .
Der erfindungsgemäße Kolbenbolzen für Verbrennungsmotoren besteht aus einem einsatzgehärteten Stahl und ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis aus einer Restwanddicke des Kolbenbolzens zu einer Gesamtdicke einer Einsatzhärteschicht < 2 beträgt und ferner ein Verhältnis aus Innendurchmesser und Außendurchmesser des Kolbenbolzens > 60 % beträgt. Der erfindungsgemäße Kolbenbolzen ist bevorzugt dem üblichen fachmännischen Verständnis folgend - ein hohlzylindrisches, längliches Bauteil, das zur Befestigung von Kolben und Pleuelstange dient und dazu durch entsprechend ausgestaltete Öffnungen dieser geführt wird. Weiter dient es zur Realisierung der Kraftübertragung zwischen Bolzenaugen des Kolbens und des Pleuels. Demnach besteht der erfindungsgemäße Kolbenbolzen bevorzugt ausschließlich aus diesem hohlzylindrischen, länglichen Bauteil. Aus der hohlzylindrischen Ausführung ergibt es sich, dass der Kolbenbolzen im Querschnitt durch einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser beschrieben werden kann. Der Differenzbetrag aus Außendurchmesser und Innendurchmesser dividiert durch 2 definiert ferner die Wandstärke des Kolbenbolzens. Der Kolbenbolzen der vorliegenden Erfindung hebt sich u.a. dadurch vom Stand der Technik ab, dass die Differenz zwischen Außendurchmesser und Innendurchmesser kleiner ist als gewöhnlich. Der Innendurchmesser des Kolbenbolzens beträgt dabei mehr als 60 % des Außendurchmessers, üblicherweise sind es deutlich weniger als 60 %. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Obergrenze dieses Wertes beschränkt. Solange der Kolbenbolzen seine Funktionalität im Wesentlichen beibehält, sind auch Innendurchmesser deutlich größer als 60 % mit umfasst. Bevorzugt beträgt der Innendurchmesser mehr als 60 % bis zu einschließlich 80 %, wobei die 80 % als technisch sinnvolle jedoch nicht beschränkende Obergrenze angesehen werden kann. Damit ergibt sich eine geringere Wanddicke des Kolbenbolzens und somit eine entsprechende Materialeinsparung, die mithin zu einer Massereduzierung des Kolbenbolzens führt. Der erfindungsgemäße Kolbenbolzen besteht ferner aus einem einsatzgehärteten Stahl, was - dem normalen Verständnis des Fachmanns entsprechend - bedeutet, dass das
Kolbenbolzenmaterial zunächst ein geeignetes einsatzhärtbares Material sein muss, welches den üblichen Verfahrensschritten des Einsatzhärtens: Aufkohlen, Härten/Abschrecken und Anlassen unterzogen werden kann und aus dem der erfindungsgemäße Kolbenbolzen mit üblichen Fertigungsmethoden hergestellt wird. Bei dem Kolbenbolzen gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, dass ein definiertes Verhältnis aus einer Restwanddicke des Kolbenbolzens (d.h. nicht- einsatzgehärtes Material bzw. nicht-einsatzgehärteter Kolbenbolzendickenabschnitt) zu einer Gesamtdicke einer Einsatzhärteschicht (d.h. Summe der Tiefen/Dicken der Kolbenbolzenwand mit Einsatzhärtung) < 2 beträgt. Die Einsatzhärtetiefe für Bolzen ist dabei gemäß ISO 18669-1 („Internal combustion engines - Piston pins - General specifications" ) bestimmbar. Für die vorliegende Erfindung wird eine Einsatzhärtung direkt am hohlzylindrischen Kolbenbolzen, meist im ungeschliffenen Zustand, mit konventionellen Verfahren durchgeführt. Dies bedeutet, dass sich eine Einsatzhärteschicht sowohl von der Außenseite als auch der Innenseite des hohlzylindrischen Kolbenbolzens einstellt. Der erfindungsgemäße Kolbenbolzen weist somit bevorzugt eine außen- und innenseitige Einsatzhärtung auf, die von der außen- und innenseitigen Oberfläche des Kolbenbolzens ausgehend erzeugt wird. Die Einsatzhärtung erstreckt sich dann von den kolbenbolzenaußenseitigen und kolbenbolzeninnenseitigen Flächen in die Tiefe der Kolbenbolzenwand. Das Verhältnis der kumulierten Dicken- /Tiefenerstreckung dieser einsatzgehärteten Schichten im Vergleich zu dem Teil der oben beschriebenen Gesamtwanddicke, der im Wesentlichen nicht einsatzgehärtet ist, beträgt dann weniger als 2. Mit anderen Worten, der einsatzgehärtete Kolbenbolzenwandbereich bzw. die einsatzgehärtete Schicht sollte insgesamt eine gewisse Mindestdicke aufweisen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf das Verbleiben eines ungehärteten „Kerns" der Kolbenbolzenwand beschränkt. Denkbar ist auch eine fast oder vollständige durchgehärtete Kolbenbolzenwand, die sich insbesondere bei vergleichsweise besonders großen Innendurchmessern, d.h., besonders dünnwandigen Kolbenbolzen gemäß der vorliegenden Erfindung ergeben kann. Daraus folgt dann ein Verhältnis aus der Restwanddicke des Kolbenbolzens zu der Gesamtdicke einer Einsatzhärteschicht von nahezu 0. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf identische außenseitige und innenseitige Einsatzhärtetiefen der Kolbenbolzenwand bzw. Schichtdicken der Einsatzhärtung beschränkt. Denkbar ist hier, die Einsatzhärtetiefen bzw. Schichtdicken gezielt den spezifischen Belastungen an der Außenseite und der Innenseite des Kolbenbolzens anzupassen und ggf. unterschiedlich einzustellen. Optional mit umfasst ist dabei auch, dass die Außen- oder Innenseite des Kolbenbolzens ungehärtet ist. Insgesamt ergibt sich somit ein Kolbenbolzen mit signifikant reduzierter Masse ohne gleichzeitige Einbußen bei der Funktionalität und den Betriebseigenschaften. Grundsätzlich sind damit kostenneutrale Gewichtsreduktionen des Kolbenbolzens von 10 bis 20 % für Otto- und Dieselkolben möglich. Bei bestimmten Motorentypen kann ggf. auch auf den Einsatz von Ausgleichswellen etc. verzichtet werden.
Bevorzugt ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass der Kolbenbolzen kein Hybrid (kolben) bolzen ist. Dies bedeutet, dass der erfindungsgemäße Kolbenbolzen nur aus dem hier beschriebenen hohlzylindrischen, hülsenartigen Bauteil besteht und nicht zusätzlich, wie bei Hybridbolzen üblich, weitere (darin eingebrachte) Bauteile/Komponenten, zum Beispiel Kerne oder Einsätze aufweist. Der erfindungsgemäße Kolbenbolzen ist bevorzugt einsatzfrei, d.h. weist kein in den hohlzylindrischen Bolzen eingefügtes weiteres Bauteil (Einsatz) auf, und ist ferner bevorzugt einteilig. Die vorteilhaften Eigenschaften geringes Gewicht und hohe Festigkeit sowie die Funktionalität des Kolbenbolzens insgesamt werden somit allein durch die Ausgestaltung des hohlzylindrischen Bauteils, d.h., die beschriebene Materialwahl, Einsatzhärtung und Dimensionierung erzielt.
Optional kann der hier insgesamt beschriebene Kolbenbolzen zumindest eine Innenfase aufweisen bzw. mit dieser versehen werden. Damit wird eine weitere Gewichtsreduktion erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Kolbenbolzens beträgt das Verhältnis aus der Restwanddicke des Kolbenbolzens zu der Gesamtdicke der Einsatzhärteschicht
< 1,5. Eine bevorzugte Untergrenze für das Dickenverhältnis beträgt etwa 1,0. Mit umfasst sind dabei zumindest auch konkret die Bereiche 1,0 bis < 2,0, 1,0 bis < 1,5 und 1,5 bis
< 2,0. Insgesamt werden mit dieser Wahl die oben beschriebenen Effekte noch optimiert. Ferner ist es bevorzugt, dass der einsatzgehärtete Stahl des erfindungsgemäßen Kolbenbolzens ein Einsatzstahl ausgewählt aus der Gruppe aus: 18CrNi8, 18CrNiMo7-6, 20MnCr5 und 20MnCrS5 ist. Hier weicht die vorliegende Erfindung weiter vom Stand der Technik ab, worin üblicherweise die Stahlsorten 17Cr3 und 16MnCr5 verwendet werden. Der Einsatz von höherfesten Stahlwerkstoffen, wie beispielsweise 20MnCr5/ 20MnCrS5 (1.7147/1.7149), 18CrNi8 (1.5920) oder 18CrNiMo7-6 (1.6587) ermöglicht bei gleicher Betriebsfestigkeit die wesentlich dünnere Wandstärke des erfindungsgemäßen Kolbenbolzens und somit eine vorteilhafte Reduktion der bewegten Masse. Trotzdem können weiterhin die erprobten Herstellungsverfahren angewendet werden und diesbezügliche Verfahrensumstellungen und Zusatzinvestitionen sind nicht erforderlich .
Optional weist der erfindungsgemäße Kolbenbolzen eine Oberflächenbeschichtung aus DLC, ta-C oder MoN auf. Diese kann je nach Bedarf an sämtlichen relevanten Flächen des Kolbenbolzens vorgesehen werden, beispielsweise an dessen Außen- und/oder Innenseite. Damit wird der Kolbenbolzen in vorteilhafter Weise z.B. vor Verschleiß in der Kolbennabe geschützt und tribologische Wechselwirkungen zwischen den Systemkomponenten der Kolbengruppe positiv beeinflusst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System aus Kolbenbolzen und Kolben vorzusehen.
Diese Aufgabe wird durch das System aus einem Kolbenbolzen und einem Kolben gemäß Anspruch 9 gelöst.
Das erfindungsgemäße System weist den zuvor beschriebenen Kolbenbolzen in allen seinen möglichen und bevorzugten Ausführungsformen und einen Kolben auf, wobei der Kolben eine Kolbennabe mit einer Querovalität aufweist, d.h. der Durchmesser der Kolbennabe senkrecht zur Zylinderachse ist um einen bestimmten Betrag größer als der Durchmesser in Richtung der Zylinderachse. Die so definierte Querovalität korrespondiert idealerweise zu der Ovalisierung des Kolbenbolzens unter maximalem Zünddruck. Die zuvor beschriebenen, erfindungsgemäßen Maßnahmen zur
Massereduzierung des Kolbenbolzens können nicht vollständig isoliert betrachtet werden und haben Auswirkungen auf die mit dem Kolbenbolzen wechselwirkenden Bauteile, insbesondere den Kolben selbst. Zur vollen Entfaltung der damit in Verbindung stehenden technischen Vorteile ist ein Systemansatz gefragt, der eben auch wechselwirkende Bauteile mit einbezieht. Der erfindungsgemäße Kolbenbolzen kann durch dessen vergrößertes Durchmesserverhältnis bzw. dessen reduzierte Wandstärke im Betrieb eine gewisse Ovalisierung aufweisen, wobei aber dessen Biegeverhalten ähnlich zu konventionellen Kolbenbolzen bleibt. Die Ovalisierung kann verstanden werden, als elliptische Abweichung von einem kreisrunden Querschnitt des Kolbenbolzens. Dieser Veränderung der Querschnittsform des Kolbenbolzens wird im Hinblick auf die Betriebsfestigkeit der wechselwirkenden Kolbennabe/Kolbenbolzenbohrung durch
Bereitstellung einer korrespondierenden Querovalität dieser begegnet. Das erfindungsgemäße System ermöglicht somit entweder eine Reduzierung des Systemgesamtgewichts und der dynamischen Massen mit den daraus ableitbaren Vorteilen oder aber bei Beibehaltung des Systemgesamtgewichts eine Verstärkung des Kolbens, was u.a. die GesamtZuverlässigkeit des Systems erhöht.
Bevorzugt ist, dass die Querovalität der Kolbennabe > 0,1 % eines Kolbennabendurchmessers beträgt und ist besonders vorteilhaft hinsichtlich der Betriebsfestigkeit der Kolbennabe in Wechselwirkung mit dem erfindungsgemäßen Kolbenbolzen .
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems aus Kolbenbolzen und Kolben weist der Kolbenbolzen eine reduzierte Länge auf. Darunter ist zu verstehen, dass der Kolbenbolzen in seiner Länge von konventionellen Kolbenbolzen abweicht. Vorteilhaft daran ist, dass mit der Verkürzung des Kolbenbolzens eine weitere Reduzierung der Kolbenbolzenmasse und damit auch des Gesamtsystems aus Kolbenbolzen und Kolben einhergeht.
Weiterer Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist ein Motor, insbesondere ein Verbrennungsmotor, der den Kolbenbolzen oder das System aus Kolbenbolzen und Kolben gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Abschließender Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist noch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kolbens oder des erfindungsgemäßen Systems aus Kolbenbolzen und Kolben für und in Motoren, insbesondere Verbrennungsmotoren. Sowohl für den Motor selbst, wie auch für die vorgenannte Verwendung, werden alle zuvor beschriebenen Vorteile des Kolbenbolzens und des Systems aus Kolbenbolzen und Kolben realisiert und genutzt.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Nachfolgend werden kurz einig konkrete Ausführungsbeispiele, insbesondere des erfindungsgemäßen Kolbenbolzens beschrieben.
Ein konkreter gewichtsreduzierter Kolbenbolzen für einen Dieselmotor gemäß der vorliegenden Erfindung ist demnach aus 20MnCr5 gefertigt, weist einen Außendurchmesser von etwa 30 mm, einen Innendurchmesser von etwa 19,5 mm, eine Länge von etwa 68 mm und ein Gewicht von etwa 0,218 kg auf. Daraus ergeben sich ein Durchmesserverhältnis von etwa 65 % und eine Gewichtsreduktion zu einem Kolbenbolzen, der lediglich einen abweichenden Innendurchmesser von etwa 16,8 mm besitzt, von circa 11 %. Obiger Kolbentyp kann eine kolbenbolzenaußenseitige Einsatzhärtetiefe (500 HV) von etwa 1,08 mm und eine kolbenbolzeninnenseitige Einsatzhärtetiefe (500 HV) von etwa 1,06 mm aufweisen. Daraus ergibt sich dann ein Verhältnis von Restwandstärke des Kolbenbolzens zu der Gesamtdicke der beidseitigen Einsatzhärteschicht von etwa 1,45. Ferner beträgt eine Oberflächenhärte des Kolbenbolzens etwa 82 HRA und eine Kernhärte des Kolbenbolzens, also einer im westlichen nicht-einsatzgehärteten Mittelzone in der Kolbenbolzenwand von etwa 43 HRC .
Ein weiterer konkreter gewichtsreduzierter Kolbenbolzen für einen Benzinmotor gemäß der vorliegenden Erfindung ist demnach aus 20MnCr5 gefertigt, weist einen Außendurchmesser von etwa 22 mm, einen Innendurchmesser von etwa 14,5 mm, eine Länge von etwa 52 mm und ein Gewicht von etwa 0, 088 kg auf. Daraus ergeben sich ein Durchmesserverhältnis von etwa 66 % und eine Gewichtsreduktion zu einem Kolbenbolzen, der lediglich einen abweichenden Innendurchmesser von etwa 12 mm aufweist, von circa 14,6 %.
Zwei weitere konkrete bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Kolbenbolzen sind aus 20MnCr5 gefertigt und weisen jeweils einen Außendurchmesser von 20 mm und jeweils einen Innendurchmesser von 14,3 mm und eine Länge von 54 mm auf. Der Innendurchmesser des Kolbens beträgt dabei etwa 72 % des Außendurchmessers. Ein erster dieser Kolbenbolzen weist eine kolbenbolzenaußenseitige Einsatzhärtetiefe (500 HV) von etwa 0,65 mm und eine kolbenbolzeninnenseitige Einsatzhärtetiefe (500 HV) von etwa 0,66 mm auf. Beim zweiten Kolbenbolzen ergeben sich diesbezüglich Werte von etwa 0,70 mm und etwa 0,72 mm. Daraus ergeben sich wiederum Verhältnisse von Restwandstärke des Kolbenbolzens zur Gesamtdicke der beidseitigen Einsatzhärteschicht von etwa 1,18 bzw. etwa 1,01. Der erste Kolbenbolzen weist ferner eine Oberflächenhärte von etwa 79 HRA und eine Kernhärte von etwa 47 HRA auf. Beim zweiten Kolbenbolzen betragen diese Werte 80 HRA und 40 HRC.

Claims

Patentansprüche
1. Kolbenbolzen für Verbrennungsmotoren, der
aus einem einsatzgehärteten Stahl besteht und dadurch gekennzeichnet ist, dass
ein Verhältnis aus einer Restwanddicke des Kolbenbolzens zu einer Gesamtdicke einer Einsatzhärteschicht < 2 beträgt, und
ein Verhältnis aus Innendurchmesser und Außendurchmesser des Kolbenbolzens > 60 % beträgt.
2. Kolbenbolzen nach Anspruch 1, wobei
das Verhältnis aus der Restwanddicke des Kolbenbolzens zu der Gesamtdicke der Einsatzhärteschicht < 1,5 beträgt, und/oder
ein Minimalwert des Verhältnisses aus der Restwanddicke des Kolbenbolzens zu der Gesamtdicke der Einsatzhärteschicht etwa 1,0 beträgt.
3. Kolbenbolzen nach Anspruch 1 oder 2, wobei
das Verhältnis aus der Restwanddicke des Kolbenbolzens zu der Gesamtdicke der Einsatzhärteschicht im Bereich von 1,0 bis < 2,0, bevorzugt im Bereich von 1,0 bis < 1,5 liegt.
4. Kolbenbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der einsatzgehärtete Stahl ein Einsatzstahl ausgewählt aus der Gruppe aus: 18CrNi8, 18CrNiMo7-6, 20MnCr5 und 20MnCrS5 ist.
5. Kolbenbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der Kolbenbolzen eine Oberflächenbeschichtung aus DLC, ta-C oder MoN aufweist.
6. Kolbenbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
das Verhältnis aus Innendurchmesser und Außendurchmesser des Kolbenbolzens > 60 % bis 80 % beträgt.
7. Kolbenbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der Kolbenbolzen einsatzfrei oder einteilig ist und/oder zumindest eine Innenfase aufweist.
8. Kolbenbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
eine Kolbenbolzenwand von einer Innenseite und einer Außenseite des Kolbenbolzens her einsatzgehärtet ist und in der Kolbenbolzenwand ein ungehärteter Kern verbleibt.
9. System aus einem Kolbenbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Kolben, wobei
der Kolben eine Kolbennabe mit einer Querovalität aufweist, die zu einer Ovalisierung des Kolbenbolzens unter maximalem Zünddruck korrespondiert.
10. System nach Anspruch 9, wobei
die Querovalität der Kolbennabe > 0,1 % eines Kolbennabendurchmessers beträgt.
11. System nach Anspruch 9 oder 10, wobei
der Kolbenbolzen eine reduzierte Länge aufweist.
12. Motor, insbesondere Verbrennungsmotor, mit
dem Kolbenbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder dem System nach einem der Ansprüche 9 bis 11.
13. Verwendung des Kolbenbolzens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder des Systems nach einem der Ansprüche 9 bis 11 für Motoren, insbesondere Verbrennungsmotoren.
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