JP2008523325A - 内燃機関のためのコンロッドおよび該コンロッドの滑り支承面をコーティングするための方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関のためのコンロッド（１）であって、滑り支承面（４）が設けられた、ピストンピンを受容するための小さいコンロッドアイ（２）と、滑り支承面（５）が設けられた、カムシャフトを取り囲む大きいコンロッドアイ（３）とを有している形式のものにおいて、ピストンピン及びカムシャフトの食い込みおよび摩耗を効果的かつ安価に回避するために、回転噴霧により、滑り支承面（４，５）の少なくとも１つに、固体潤滑剤粒子を含有する熱硬化性の樹脂から成る自己潤滑式のコーティング層（９）を形成する。

Description

本発明は、内燃機関のためのコンロッドであって、滑り支承面が設けられた、ピストンピンを受容するための小さなコンロッドアイと、滑り支承面が設けられた、カムシャフトを取り囲む大きなコンロッドアイとを有している形式のもの、並びに、該コンロッドをコーティングするための方法に関する。

コンロッドアイの直接コーティング層を有するコンロッドは先行技術、例えばＤＥ１９７３１６２５号特許明細書やＥＰ０８６３３２２Ｂ１号特許明細書により公知である。コンロッド支承のために、コンロッド軸受シェルを省くことにより組み付けを簡単にすることが公知である。このために、支承個所に十分な潤滑を施すべき、金属、特にアルミニウムブロンズから成る支承層をプラズマスパッタリングで直接に大きなコンロッドアイに設ける。しかしながらコンロッドの組み付けのための寸法精度およびコーティング層の表面品質を維持するためには、依然として例えば、ホーニング加工または精密スピンドル加工による金属層の機械的な後加工が必要であり、これによりこのような形式のコンロッドのための製造の手間を著しく減じることはできない。実際、さらに、支承個所における摩耗に基づき、金属層は、十分な耐摩耗性および潤滑保護のために働かないことが示されている。従ってこのような構成ではコンロッド支承部の耐用期間は限られている。

ドイツ連邦共和国特許第１０２０３２８５０号明細書により、アルミニウムを主体とする粉体及び／又はその合金または、銅、錫、リチウム、マンガンのような金属のグループから成る焼結可能な粉体混合物が公知である。これらは圧粉体となるようにプレスされ、次いで後から圧縮され、焼結される。この場合、焼結層は、鋼または鋳物から成る構成部分の上に設けられる。しかしながら滑り特性の改善はこれにより得られず、構成部分の重量が減じられるだけである。

同様に、例えばドイツ連邦共和国特許第１０１２９５５９号明細書によりブシュのないコンロッドが公知である。これは滑り層として、小さなコンロッドアイの鉛青銅から成る直接コーティング層を有している。しかしながらこの場合、上述の欠点が生じる。何故ならば、滑り層として同様に金属層が使用されるからである。コーティングの後加工はさらに、騒音発生を最小にする、コンロッドとピストンピンの極めて狭い遊びのもとでも組み付けを保証するために寸法維持において大きな手間を要する。

構成部分の摩擦特性もしくは滑り特性を改善するために、ドイツ連邦共和国特許出願公開第３９３９７０４号明細書により、吹き付け後に、構成部分の表面上に種々異なる厚さの不均一な斑点状の分布を生ぜしめる層材料が公知である。厚さの厚い領域は、この場合、有利には、層材料に混合される充填材料粒子によって形成される。しかしながらこの場合の欠点は、乾燥させるための焼成過程により調節不能な不均一な層厚さの減少が生じ、これにより、例えば滑り軸受、ブシュ、または内燃機関のコンロッドの正確な軸受遊びの調節が保証されないことにある。

そこで本発明の課題は、組み付け遊びが極めて狭い場合でも長期の耐摩耗性が効果的かつ安価に得られるような滑り構成部分、特に内燃機関のためのコンロッドと、その滑り支承面をコーティングするための方法とを提供することである。

この課題は、本発明によれば、請求項１〜７の特徴部に記載の構成により解決される。

固体潤滑剤粒子を含有する熱硬化性の樹脂から成る、滑りラッカとして構成された自己潤滑式のコーティングを直接、コンロッドのコンロッドアイの滑り支承面上に設けることにより主に次のような利点が得られる。

十分な潤滑性および耐摩耗性を得るために、軸受ブシュは不要である。

滑りラッカの付着性を改善するための滑り支承面上に付着層を取り付ける必要はない。

例えばコーティング層の厚さ、極めて小さな層厚さ誤差、支承部遊びの調節等、並びに粗さ、波うち等の表面品質といった所望の寸法精度を得るために、被着された滑りラッカの表面を後加工する必要はない。

公知の金属支承層よりも改善された潤滑特性により改善された耐性が得られ、ひいてはコンロッド支承部の耐用期間が拡大される。

必要に応じて、含有される固体潤滑剤粒子はそれぞれ、グラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ヘキサ窒化ホウ素、またはＰＴＦＥの材料のいずれか１つの材料から成っているか、または２つの材料の混合物から成っていて、この場合、滑り支承面の硬化コーティング層は、コンロッド支承部の最適な潤滑を保証するために、５０〜６０重量％の固体潤滑剤粒子を有している。固体潤滑剤粒子はこのために、硬化された滑りラッカの層厚さが１０〜１５μｍである場合に、１〜３μｍの粒径を有している。層厚さ誤差は、この場合、最大で±１μｍであり、これにより極めて狭い組み付け遊びが得られる。

本発明の方法により、滑りラッカが有利には回転噴霧法によって、コンロッドの滑り支承面上に被着される。これにより比較的小さな直径を有するコンロッドアイのコーティングが可能である。

上述したようにこのように得られた層は、ほぼ一定の層厚さと、極めて良好な表面品質とを有している。同様に、コーティングしたい領域の深さは良好に制限可能である。このコーティング方法は、通常のコーティング形式に比較して極めて経済的である。

別の有利な構成は従属請求項に記載されている。

次に本発明の実施例を添付の図面につき詳しく説明する。

図１に示した、鋼から成るコンロッド１は、滑り支承面４を有する小さなコンロッドアイ２と、コンロッドシャフト８と、滑り支承面５を有する大きなコンロッドアイ３とを備えている。滑り支承面４，５には自己潤滑式のコーティング層９が示されていて、このコーティング層９は、熱硬化性の樹脂から成っており、この樹脂内には固体潤滑剤粒子、滑りラッカと言われるものが入っている。樹脂はポリアミドイミドであって、固体潤滑剤粒子はそれぞれ、グラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ヘキサ窒化ホウ素、またはＰＴＦＥのいずれか１つの材料から成っているか、または２つの材料の混合物から成っている。

本発明によるコーティング層をコンロッドの滑り支承面４及び５に形成するために、回転噴霧する装置１０が使用される。この装置１０は基体１１を有しており、この基体１１は、回転可能なノズル本体１３に移行している。このノズル本体１３には、軸受１２と、ノズル１４と、ノズル流出部１５とが設けられている。ノズル本体１３を回転させるために駆動装置２３が働く。基体１１はそれぞれ供給通路１７，１８を有しており、これらの供給通路１７，１８は滑りラッカのためのものと、圧縮空気のためのものとに規定されていて、調量及び混合のための混合室１９に通じている。混合室１９に接続された噴出通路２０は、衝突プレート１６に対して垂直に延びている。衝突プレート１６は、滑りラッカ噴射噴流２４を噴出するために０．５ｍｍの幅を有した環状のギャップ２２を形成するために、ノズル本体１３から間隔をおいて配置されている。

ノズル本体１３とノズル１４は駆動装置２３によって、１４０００〜１８０００回転／分の回転数の範囲で回転するので、環状ギャップの流出開口に生じる遠心力により、滑りラッカ・圧縮空気混合物が加速され、ディスク状の噴射噴流２４として半径方向に流出する。ノズル直径Ｄはこの場合、この直径が、コーティングしたいコンロッドアイの直径のほぼ半分の直径に相当するように選択されている。

この装置は、ノズル深さＴまで、コーティングしたいコンロッドアイ内に進入することができる。噴射噴流が軸方向で細いので、コーティングしたい面を軸方向で、ラッカ供給部の単なる開閉により厳密に制限することができる。ノズル直径は５〜２５ｍｍの範囲であって、５０ｍｍまでのノズル深さを有している。これにより、この装置によって、実際に全てのエンジンタイプのためのコンロッドの大小のコンロッドアイをコーティングすることができる。

実施例１
小さなコンロッドアイのコーティング：
コンロッド１を公知のように機械的に仕上げ加工する。小さなコンロッドアイ２を、Ｒｚ（平均粗さ）＜６．３μｍの粗さまで精密に穿孔する。コーティング前の孔直径はこの場合、ピストンピンが３０〜４０μｍの半径方向の遊びを有するように選択されている。この小さなコンロッドアイは、ボール状の成形孔を有することができる。その後コンロッドは、切り屑、粒子、加工オイル等が完全に取り除かれるようにクリーニングされる。

コーティングの準備のために、コンロッドアイの両側に、小さなコンロッドアイの外輪郭に適合しているカバーステンシル２１が取り付けられる。このステンシル２１はコンロッドの外面のコーティングを防止する。

極めて耐熱性のある基本樹脂、ポリアミドイミドから成る滑りラッカは、固体潤滑剤として、二硫化モリブデンと粒径１〜３μｍのグラファイトとから成る混合物を有している。滑りラッカの粘性は、液滴は形成されないが、十分な塗布が可能であるように調節されている。

１０〜２０ｍｍ／秒の送り速度で、ノズルはコンロッドアイ内にセンタリングされて導入され、これにより滑りラッカは５０〜８０℃に予め加熱されたコンロッド上に塗布される。滑りラッカは硬化状態で、５０〜６０重量％の固体潤滑剤を有する。次いでラッカ供給を行わずに、ノズルは戻される。全コーティング過程は５秒以下で行われる。

その後、層を熱的に炉内で硬化し、この場合、コンロッドを１０〜２０分間、２００℃の温度で保持しなければならない。このように得られた層は約１０μｍの厚さであり、この場合、層厚さの公差は±１μｍである。層の収縮の結果、滑り層の厚さが減少するにも関わらず、１０〜２０μｍの狭い直径方向のピン遊びが得られる。

同様に、通常は２つの半部から成っていて、コンロッドのコンロッドアイ内に挿入可能な軸受シェルまたはブシュの内側の滑り面、即ちピン面も製造される。

実施例２
潤滑油孔を有した小さなコンロッドアイにおけるコーティング：
コンロッドはほぼ実施例１の通り加工され、クリーニングされる。コンロッドアイ直径だけは、コーティング前の直径方向ピストンピン遊びが２０〜３０μｍのであるように設計される。

コーティングの準備のために、コンロッドアイの両側に、小さなコンロッドアイの外輪郭に適合されているカバーステンシル２１が取り付けられる。このカバーステンシル２１はコンロッドの外面のコーティングを防止する。

極めて耐熱性のある基本樹脂、ポリアミドイミドから成る滑りラッカは、固体潤滑剤として、粒径１〜３μｍのグラファイトを有している。滑りラッカの粘性は、液滴は形成はされないが、十分に塗布できるように調節されている。

小さなコンロッドアイ２の真ん中に設けられる潤滑油孔７には、滑りラッカを付与してはならない。この理由から、潤滑油をコンロッドアイとピストンピンとの間のギャップで良好に分配できるように、潤滑油孔の領域におけるコーティング層は、図３に示したように、半径方向環状の「潤滑溝」の形で切り欠かれている。同様に、コンロッドアイの軸に対して平行に延びる複数の潤滑溝またはこれらの組み合わせは、相応のマスクを使用することにより実現可能である。コーティングのためには装置１１が使用される。

ノズル１４は、一方のコンロッド側（Ａ）に置かれ、滑りラッカ供給なしに小さいコンロッドアイ２の深さＴ１まで挿入される。その後、領域（Ｃ）で滑りラッカが被着される。コンロッド側（Ｂ）上のカバーステンシル２１の領域ではラッカ供給が停止され、ノズルに残っている残留ラッカはステンシル上へと吹き付けられる。次いでノズル１４はラッカ供給なしに深さＴ２まで戻され、ここから領域（Ｄ）に滑りラッカが吹き付けられる。残留滑りラッカは、カバーステンシル７の領域におけるコンロッド側Ａで吹き付けられる。滑りラッカの塗布は５０〜８０℃に予熱されたコンロッドで行われる。

その後、層を炉内で熱的に硬化させる。この場合、コンロッドを１０〜２０分間２００℃の温度に維持しなければならない。このように得られた層は約１０μｍの厚さであり、この場合、層厚さの公差は±１μｍである。層の収縮により滑り層の厚さは減少するが、１０〜２０μｍの狭い直径方向のピン遊びが得られる。この狭い遊びは、ピンのがたつきによる騒音を回避するために特に有利である。このコーティング層は、狭い遊びにも関わらず摩耗が生じないことを保証する。さらに、コーティング層は、コンロッド孔とピストンピンとの間のギャップに入り込むことができる極めて小さく硬い粒子の埋め込みを可能にする。

同様に、通常、２つの半部から成り、コンロッドのコンロッドアイに挿入可能な軸受シェルまたはブシュの内側の滑り面、即ちピン側も製造することができる。

実施例３
リン酸塩処理されるコンロッドの小さなコンロッドアイにおけるコーティング：
コンロッドは実施例１と同様にコーティングされクリーニングされる。コーティング前のコンロッドアイ直径は、ピストンピンが３０〜４０μｍの直径方向の遊びを有するように選択される。

その後、コンロッド１の上半分がリン酸塩処理される。リン酸塩処理溶液としては、市販のリン酸塩浴、即ちGardobond G ４０９８（Chemetall社、Frankfurt）が使用される。このリン酸塩処理プロセスは約５μｍの厚さの鉄・マンガン・リン酸塩から成る層を形成する。この層は一方では、ラッカのための付着基層として働き、他方では、良好な滑り・分離特性を有していて、従って、滑りラッカ層とともに、小さなコンロッドアイにおけるピンの摩耗を防止するために働く。

コンロッドの上半部をリン酸塩処理するために、コンロッドを適当な個所で、半分だけリン酸塩溶液に浸す。

滑りラッカのコーティングと硬化とは実施例１と同様に行われる。滑りラッカの層厚さは、±１μｍの最大層厚さ公差のもとで同様に１０μｍである。これにより、直径方向のピンの遊びは、（コーティング後に）０．１〜１０μｍである。狭い遊びにもかかわらずコンロッド・ピン対は、二重のコーティングにより効果的に摩耗に対して保護される。

コーティング法の実行のためには、Sprimag社（Kirchmeim）の遠心式ガンＳ−５２０も適している。

コーティング層をコンロッドブシュを有したコンロッドまたは軸受シェルのためにも使用可能であることは本発明の範囲である。上記のように、大きなコンロッドアイもコーティングすることができる。

本発明によるコーティングされたコンロッドを示す図である。 図１のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 図２のコーティングされたコンロッドの別の実施例を示す図である。 コンロッドの滑り支承面にコーティング層を形成するための装置を示した図である。

符号の説明

１ コンロッド、 ２ 小さなコンロッドアイ、 ３ 大きなコンロッドアイ、 ４ 小さなコンロッドアイのための滑り支承面、 ５ 大きなコンロッドアイのための滑り支承面、 ６ コーティング、 ７ 潤滑油孔、 ８ コンロッドシャフト、 ９ コーティング、自己潤滑式（滑りラッカ）、 １０ 回転噴霧のための装置、 １１ 基体、 １２ ノズル本体のための軸受、 １３ ノズル本体、 １４ ノズル、 １５ ノズル流出部、 １６ 衝突プレート、 １７ 滑りラッカのための戻し通路、 １８ 圧縮空気のための戻り通路、 １９ 混合室、 ２０ 噴出通路、 ２１ ステンシル、 ２２ ギャップ、 ２３ 駆動装置、 ２４ 噴射流、 Ｄ ノズル直径、 Ｔ ノズル深さ、 Ｄａ ノズル軸線

Claims (17)

1. 内燃機関のためのコンロッド（１）であって、滑り支承面（４）が設けられた、ピストンピンを受容するための小さいコンロッドアイ（２）と、滑り支承面（５）が設けられた、カムシャフトを取り囲む大きいコンロッドアイ（３）とを有している形式のものにおいて、
   滑り支承面（４，５）の少なくとも１つが、固体潤滑剤粒子を含有する熱硬化性の樹脂から成る、コンロッド材料に直接結合される自己潤滑式のコーティング層（９）を有していることを特徴とする、内燃機関のためのコンロッド。
2. 前記樹脂がポリアミドイミドであって、固体潤滑剤粒子がそれぞれ、グラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ヘキサ窒化ホウ素、またはＰＴＦＥのいずれか１つの材料から成っているか、または２つの材料の混合物から成っている、請求項１記載のコンロッド。
3. 滑り支承面のコーティング層が５０〜６０％重量の固体潤滑剤粒子を有しており、固体潤滑剤粒子は１〜３μｍの粒径を有している、請求項２記載のコンロッド。
4. コーティング層の層厚さが１０〜１５μｍである、請求項１から３までのいずれか１項記載のコンロッド。
5. 前記層厚さが±１μｍの公差を有している、請求項４記載のコンロッド。
6. 小さなコンロッドアイの滑り面がコーティングされている、請求項１から５までのいずれか１項記載のコンロッド。
7. 特に内燃機関のコンロッドのためのコンロッドアイ（２，３）の滑り支承面（４，５）をコーティングするための方法であって、
   固体潤滑剤粒子を有する熱硬化性の樹脂から成る自己潤滑式のコーティング層（９）を回転噴霧によって直接的に、滑り支承面の少なくとも１つに形成することを特徴とする、コンロッドアイの滑り支承面をコーティングするための方法。
8. 樹脂がポリアミドイミドであって、固体潤滑剤粒子がそれぞれ、グラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ヘキサ窒化ホウ素、またはＰＴＦＥのいずれか１つの材料から成っているか、または２つの材料の混合物から成っており、個々の成分および樹脂から成る混合物を滑りラッカとして、コンロッドアイ（２，３）の滑り支承面（４，５）上に設ける、請求項７記載の方法。
9. 完全に脱脂され、クリーニングされ、切り屑および堆積物のない、表面粗さＲｚ（平均粗さ）＜６．３μｍのコンロッドアイの滑り支承面に滑りラッカを設ける、請求項８記載の方法。
10. 回転噴霧を、各コンロッドアイ（２，３）にセンタリングされて導入される回転するノズル（１４）によって、１０〜２０ｍｍ／秒の送り速度のもとで実行する、請求項７から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 滑りラッカの噴霧を、１４０００〜１８０００回転／分のノズルの回転速度で実行する、請求項１０記載の方法。
12. 滑りラッカを、滑り支承面（４，５）に対して垂直に噴霧する、請求項１１記載の方法。
13. 滑りラッカの回転噴霧前および回転噴霧中にコンロッド（１）を予熱し、回転噴霧の終了後にコンロッドを直接熱処理する、請求項７記載の方法。
14. コンロッドの予熱を、５０〜８０℃のコンロッド温度に達するまで行い、２００℃での熱処理を１０〜２０分行う、請求項１３記載の方法。
15. 滑りラッカの硬化後の層厚さ誤差が±１μｍである、請求項１４記載の方法。
16. 内燃機関の滑り支承層としての、コンロッドの少なくとも１つのコンロッドアイまたは滑り軸受の軸受シェルまたは軸受ブシュにおける、固体潤滑剤粒子を含有する熱硬化性樹脂から成るコーティング層の使用。
17. 樹脂がポリアミドイミドであって、固体潤滑剤粒子がそれぞれ、グラファイト、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、ヘキサ窒化ホウ素、またはＰＴＦＥのいずれか１つの材料から成っているか、または２つの材料の混合物から成っている、請求項１６記載のコーティング層の使用。

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