WO2006061013A1 - Kolben für einen verbrennungsmotor und verfahren zur beschichtung seiner nabenbohrungen - Google Patents

Kolben für einen verbrennungsmotor und verfahren zur beschichtung seiner nabenbohrungen Download PDF

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solid lubricant
hub
lubricating
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Kurt Maier
Reinhard Rose
Gunar Nagel
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Mahle International Gmbh
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Definitions

  • Piston for an internal combustion engine and method for coating it
  • the invention relates to a piston for an internal combustion engine, with hub bores having slide bearing surfaces for receiving a piston pin.
  • Pistons with a direct coating on the slide bearing surfaces of its hub bores are known in the prior art, for example from DE 41 11 368 C2 and DE 33 01 336 A1. It is disclosed that for the sliding bearing surfaces of the hub bores in a bush-free design, a bearing layer made of metal, in particular of nickel, is at least partially galvanically applied directly to the sliding surfaces, which is to ensure adequate lubrication of the bearing points. It is also known in the case of a piston upper part made of steel or iron that the slide bearing surfaces are phosphated at a surface roughness of Ra (mean roughness value) of 0.5 to 2.0 ⁇ m, the hub bores being designed as shaped bores. In both embodiments, the piston pin is not coated.
  • Ra mean roughness value
  • a coating material is known from DE 39 39 704 A1 which, after spraying, is intended to produce an irregular, patch-like distribution of different thicknesses on the component surface.
  • the regions with increased thickness are preferably formed by filler particles which are mixed in the layer material.
  • the embedded solid lubricant particles can each consist of one or a mixture of two of the materials graphite, molybdenum disulfide, tungsten disulfide, hexagonal boron nitride or PTFE, the hardened coating of the sliding bearing surface containing 50 to 60% by weight of the solid lubricant particles by one to ensure optimal lubrication of the piston pin hub bearing.
  • the solid lubricant particles have a particle size of 1 to 3 ⁇ m with a layer thickness of the hardened lubricating varnish of 10- 15 ⁇ m. The layer thickness tolerance is max. plus / minus 1 ⁇ m, which enables the tightest assembly play to be achieved.
  • the lubricating varnish is advantageously applied to the sliding bearing surfaces of the hub bores by means of a rotary atomization process, as a result of which hub bores with even smaller diameters can be coated.
  • the layers produced in this way have a uniform layer thickness and very good surface quality.
  • the depth of the area to be coated can also be clearly delineated.
  • the coating process is very economical compared to the usual types of coating.
  • FIG. 2 shows a hub bore area as a detail from the pistons according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a hub bore area with a lubrication bore as a cutout according to FIG. 2
  • Fig. 4 shows a device for applying a coating to the slide bearing surfaces of a hub bore
  • the piston 1 shown by way of example in FIG. 1 which can also be a Ferrothermkolben® or Monothermkolben® from MAHLE, Stuttgart, made of steel or a steel piston upper part or generally a light metal piston — has hubs 4 with hub bores 3 provided with a slide bearing surface 5, which are form-drilled and / or highly oval or transverse oval according to your requirements.
  • the surface roughness Ra (mean roughness value) can correspond to that specified in DE 41 11 368 A1, the Ra values generally being 0.63 ⁇ m for hub bore diameters smaller than 30 mm and Ra values of 0.8 for hub bore diameters between 30-60 mm ⁇ m can be achieved.
  • the hub bores 3 with the length A can be cylindrical cylindrical or cylindrical with low ovality and with or without widened bore end regions B, C.
  • the sliding bearing surfaces 5 show a self-lubricating coating 6, which is formed from a thermally hardened resin with solid lubricant particles embedded therein - referred to as sliding lacquer.
  • the resin is a polyamideimide and the solid lubricant particles each consist of one or a mixture of two of the materials graphite, molybdenum disulfide, tungsten disulfide, hexagonal bomitride or PTFE.
  • a device 10 for rotary atomization is used to apply the coating according to the invention to the slide bearing surfaces 5 of the hubs 4.
  • the device 10 has a base body 11 which merges into a rotatable nozzle body 13 which is provided with a bearing 12, a nozzle 14 and a nozzle outlet 15.
  • a drive 23 serves to rotate the nozzle body 13.
  • the base body 11 has feed channels 17 and 18, which are intended for the lubricating varnish and for compressed air and end in a mixing chamber 19 for metering and mixing.
  • An ejection channel 20 connected to the mixing chamber 19 leads perpendicularly to a baffle plate 16 which is arranged at a distance from the nozzle body 13 for the production of an annular gap 22 with a width of 0.5 mm for the ejection of the lubricating lacquer spray jet 24.
  • the nozzle body 13 with its nozzle 14 rotates by means of the drive 23 in the speed range from 14,000 to 18,000 revolutions per minute, so that the centrifugal forces occurring at the outlet opening of the annular gap accelerate the lubricating varnish / compressed air mixture and radially as a disc-shaped spray jet 24 exit.
  • the nozzle diameter D is chosen so that it corresponds approximately to half the diameter of the hub bore diameter of the plain bearing surface to be coated.
  • the device can be inserted into the connecting rod eye to be coated up to the nozzle depth T. Since the spray jet is narrow in the axial direction, the area to be coated can be sharply limited in the axial direction by simply opening and closing the paint supply.
  • the nozzle diameters are available in the range between 5 and 25 mm with nozzle depths of up to 50 mm, so that the device can be used to coat hub bores for pistons of all engine types.
  • the hub bore 3 is mechanically finished in a known manner and has one of the aforementioned surface roughnesses according to its diameter.
  • the hub bore diameter before coating is chosen such that the piston pin receives a diametrical clearance of 30-40 ⁇ m.
  • the piston with its hubs is cleaned so that chips, particles, processing oils and the like are completely removed.
  • 3 covering templates 21 are fitted on both sides of the hub bores, which are adapted to the outer contour of the hubs 4.
  • the templates 21 prevent a coating of the outside of the hubs.
  • the sliding varnish which is made of the very temperature-resistant basic resin polyamideimide, contains a mixture of molybdenum disulfide and graphite with a particle size of 1-3 ⁇ m as the solid lubricant.
  • the viscosity of the lubricating varnish is adjusted in such a way that no drop formation, but sufficient application is possible.
  • the nozzle With a feed rate of 10-20 mm / sec, the nozzle is centrally inserted into the hub bore 3, so that the bonded coating on the 50 to 80 0 C preheated piston is applied.
  • the hardened coating contains 50-60% by weight solid lubricants.
  • the nozzle is then retracted without paint supply. The entire coating process takes less than 5 seconds.
  • the layer is then cured thermally in an oven, the flask having to be kept at a temperature of 200 ° C. for between 10 and 20 minutes.
  • the layer obtained in this way is approximately 10 ⁇ m thick, a layer thickness tolerance of plus / minus 1 ⁇ m being achieved.
  • a tight diametrical bolt play is achieved, which is 10 - 20 ⁇ m. is.
  • the piston is processed and cleaned essentially according to embodiment 1.
  • 3 covering templates 21 are fitted on both sides of the hub bores, which are adapted to the outer contour of the hubs 4.
  • the templates 21 prevent a coating of the outside of the hubs.
  • the lubricating varnish which is made of the very temperature-resistant basic resin polyamide imide, contains graphite as a solid lubricant with a particle size of 1-3 ⁇ m.
  • the viscosity of the lubricating varnish is adjusted in such a way that no drop formation, but sufficient application is possible.
  • the cylindrical area of the hub bore is to be coated by the conductive varnish, the device 11 being used.
  • the nozzle 14 is attached to one side of the hub — moving from left to right in FIG. 3 — and without the supply of lubricating lacquer to the end of the region C of the hub bore 3 retracted and then the lubricating varnish applied until the beginning of the hub area B is reached. Then the paint supply is switched off, the nozzle is retracted and the paint residue remaining in the nozzle is sprayed onto the stencil.
  • the Applizierung of the lubricating varnish is done on the 50 to 80 0 C preheated flask.
  • the layer is then cured thermally in an oven, the flask 1 having to be kept at a temperature of 200 ° C. for between 10 and 20 minutes.
  • the layer obtained in this way is approximately 10 ⁇ m thick, with a layer thickness tolerance of plus / minus 1 ⁇ m being achieved.
  • a tight diametrical bolt play is achieved, which amounts to 10-20 ⁇ m. This close play is particularly advantageous in order to avoid noise caused by bolt ticking.
  • the coating ensures that, despite the tight play, no eater occurs.
  • the piston is processed and cleaned essentially according to embodiment 1.
  • additional bores 7 are provided in a known manner for supplying the piston pin with lubricating oil, which is not shown in FIG. 1.
  • cover templates 21 are fitted on both sides of the hub bores, which are adapted to the outer contour of the hubs 4.
  • the templates 21 prevent a coating of the outside of the hubs.
  • the lubricating varnish which is made of the very temperature-resistant basic resin polyamide imide, contains graphite as a solid lubricant with a particle size of 1-3 ⁇ m.
  • the viscosity of the lubricating varnish is adjusted in such a way that no drop formation, but sufficient application is possible.
  • the lubricating oil holes 7 made in the center of the hub holes 3 should not be added by the conductive varnish. For this reason, and so that the lubricating oil can be better distributed in the gap between the hub bore and the piston pin, the coating 6 is left out in the area of the lubricating oil bore in the form of a radially circumferential “lubrication groove”, as shown in FIG. 3.
  • one or more Lubrication grooves running parallel to the axis of the hub bores, or a combination thereof, can be implemented by using appropriate masks.
  • the nozzle 14 is attached to a piston side K1 and retracted to the depth T1 of the hub bore 3 without the supply of lubricating lacquer.
  • the lubricating varnish is then applied in area d.
  • the paint supply is switched off, and the paint residue remaining in the nozzle 14 is sprayed onto the cover template 21.
  • the nozzle 14 is moved back to the depth T2 without the supply of paint and from there the area e is sprayed with lubricating paint.
  • the lubricant residue is sprayed on the piston side K1 in the area of the cover template 21.
  • the Appliztechnik of the antifriction lacquer is made to the 50 to 8O 0 C preheated flask.
  • the layer is then cured thermally in an oven, the flask having to be kept at a temperature of 200 ° C. for between 10 and 20 minutes.
  • the layer obtained in this way is approximately 10 ⁇ m thick, a layer thickness tolerance of plus / minus 1 ⁇ m being achieved.
  • a tight diametrical bolt play is achieved, which amounts to 10 - 20 ⁇ m. This close play is particularly advantageous in order to avoid noise caused by bolt ticking.
  • the coating ensures that, despite the tight play, no eater occurs.
  • the piston is processed and cleaned essentially according to embodiment 1.
  • 3 covering templates 21 are fitted on both sides of the hub bores, which are adapted to the outer contour of the hubs 4.
  • the templates 21 prevent a coating of the outside of the hubs.
  • the lubricating varnish which is made of the very temperature-resistant basic resin polyamide imide, contains graphite as a solid lubricant with a particle size of 1-3 ⁇ m.
  • the viscosity of the lubricating varnish is adjusted in such a way that no drop formation, but sufficient application is possible.
  • the nozzle 14 With a feed rate of 10-20 mm / sec. the nozzle 14 is eccentrically inserted into the hub bore 3.
  • the eccentricity is a quarter of the nozzle diameter D, the axis of the nozzle being displaced in the direction of the hub bore time.
  • the lubricating varnish is applied to the 50 to 80 0 C preheated flask.
  • the hardened coating contains 50-60% by weight solid lubricants.
  • the nozzle is then retracted without paint supply. The entire coating process takes less than 5 seconds.
  • the layer is then cured thermally in an oven, the flask having to be kept at a temperature of 200 ° C. for between 10 and 20 minutes.
  • the coating 6 obtained in this way has a thickness of approximately 15 ⁇ m in the direction of the hub bore time and 5 ⁇ m in the direction of the hub bore nadir.
  • the coating thickness at the equator of the hub bore is approx. 10 ⁇ m. This means that a thicker layer is applied in the area of the highest mechanical stress, while a thin layer is applied in the area of the lowest mechanical stress.
  • a S-520 centrifuge from Sprimag, Kirchheim, is also suitable for carrying out the coating process.
  • the specified coating is also possible on already phosphated slide bearing surfaces of the hub bores 3, the layer thicknesses of the phosphate layer and coating 7 being coordinated with the respective installation play of the piston pin-hub bearing.
  • the piston pin is not coated. It is within the scope of the invention that the coating can also be used for pistons with hub bushings. The running surface of the bushing can be coated in the specified manner.

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Abstract

Bei einem Kolben (1) für einen Verbrennungsmotor, mit Gleitlagerflächen (5) aufweisenden Nabenbohrungen (3) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens, soll ein Festfressen und Verschleissen von Kolbenbolzen und Nabenbohrungen hochwirksam und kostengünstig dadurch vermieden werden, indem mittels Rotationszerstäubung eine selbstschmierende Beschichtung (6) aus einem thermisch ausgehärteten Harz mit darin eingelagerten Festschmierstoffpartikeln mindestens in einem Teilbereich (Tb) direkt auf die Gleitlagerflächen aufgebracht wird.

Description

Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Beschichtung seiner
Nabenbohrungen
Die Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit Gleitlagerflächen aufweisende Nabenbohrungen zur Aufnahme eines Kolbenbolzens.
Kolben mit Direktbeschichtung der Gleitlagerflächen seiner Nabenbohrungen sind im Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 41 11 368 C2 sowie DE 33 01 336 A1 , bekannt. Es wird offenbart, dass für die Gleitlagerflächen der Nabenbohrungen in buchsenfreier Ausführung eine Lagerschicht aus Metall, insbesondere aus Nickel, galvanisch wenigstens teilweise auf die Gleitflächen direkt aufgebracht wird, die für eine ausreichende Schmierung der Lagerstellen sorgen soll. Bekannt ist außerdem bei einem Kolbenoberteil aus Stahl oder Eisen, dass die Gleitlagerflächen bei einer Oberflächenrauhigkeit von Ra (Mittenrauwert) 0,5 bis 2,0 μm phosphatiert sind, wobei die Nabenbohrungen als Formbohrungen ausgeführt sind. In beiden Ausführungsformen ist der Kolbenbolzen nicht beschichtet.
Zur Einhaltung der Maßgenauigkeit für die Montage des Bolzens im Kolben ist jedoch nach wie vor meist eine mechanische Nachbearbeitung, beispielsweise durch Honen oder Feinspindeln, der Metallschicht notwendig, welche eine deutliche Reduzierung des Herstellungsaufwandes für derartige Kolbennabenbeschichtungen nicht zulässt. In der Praxis hat sich außerdem gezeigt, dass die Metallschichten für keine ausreichende Fress- und Schmiersicherheit infolge des Verschleißes in den Lagern sorgen können, so dass die Lebensdauer der Bolzen-Naben-Lager in derartiger Ausführungen begrenzt ist.
Die Nachbearbeitung der Beschichtung erfordert zudem einen großen Aufwand in der Maßhaltigkeit, um eine Montage auch bei engstem Spiel von Kolben und Kolbenbolzen, welches eine minimale Geräuschentwicklung gestattet, zu gewährleisten. Zur Verbesserung der Reib- bzw. Gleiteigenschaft eines Bauteils ist aus der DE 39 39 704 A1 ein Schichtwerkstoff bekannt, der nach dem Aufspritzen eine unregelmäßige, fleckenartige Verteilung unterschiedlicher Dicke auf der Bauteiloberfläche erzeugen soll. Die Bereiche mit erhöhter Dicke werden dabei bevorzugt durch Füllstoffteilchen gebildet, die in dem Schichtwerkstoff beigemischt sind. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass eine unkontrollierte ungleichmäßige Schichtdickenreduzierung durch einen Einbrennvorgang zur Trocknung erzeugt wird, durch die eine genaue Lagerspieleinstellung zwischen Kolbenbolzen und Kolbennabe eines Verbrennungsmotors nicht gewährleistet ist.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zur Beschichtung seiner Gleitlagerflächen anzugeben, mit dem hochwirksam und kostengünstig ein langfristiger Fress- und Verschleißschutz auch bei engstem Montagespiel erzielt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 5 gelöst.
Durch das direkte Auftragen einer als Gleitlack ausgeführten selbstschmierenden Beschichtung, die aus einem thermisch aushärtbaren Harz mit darin eingelagerten Festschmierstoffpartikeln besteht, auf die Gleitlagerflächen der Nabenbohrungen eines Kolbens werden im Wesentlichen folgende Vorteile erzielt:
- keine Lagerbuchsen erforderlich, um eine ausreichende Schmier- und Fresssicherheit zu erreichen;
- das Aufbringen einer Haftschicht auf die Gleitlagerflächen zur Verbesserung der Haftung des Gleitlackes ist nicht erforderlich;
- keine Nachbearbeitung der Oberfläche des aufgebrachten Gleitlackes zur Erzielung einer gewünschten Maßhaltigkeit, wie Schichtdicke der Beschichtung, Einstellung des Lagerspiels, usw., sowie der Oberflächengüte, wie Rauhigkeit, Welligkeit usw.;
- verbesserte Beständigkeit infolge verbesserter Schmiereigenschaften gegenüber den bekannten Metalllegierungsschichten und damit Erzielung einer größeren Lebensdauer des Kolben-Bolzen-Lagers. In Abhängigkeit der Anforderungen können die eingelagerten Festschmierstoffpartikel jeweils aus einem oder einer Mischung von zwei der Materialien Graphit, Molyb- dändisulfid, Wolframdisulfid, hexagonales Bornitrid oder PTFE bestehen, wobei die ausgehärtete Beschichtung der Gleitlagerfläche 50 bis 60 Gewichts- % der Festschmierstoffpartikel enthält, um eine optimale Schmierung des Kolbenbolzen- Naben-Lagers zu gewährleisten. Die Festschmierstoffpartikel weisen dazu eine Partikelgröße von 1 bis 3 μm bei einer Schichtdicke des ausgehärteten Gleitlacks von 10- 15 μm auf. Die Schichtdickentoleranz beträgt dabei max. plus/minus 1 μm, wodurch engste Montagespiele erreichbar sind.
Verfahrensmäßig wird der Gleitlack vorteilhaft durch ein Rotationszerstäubungsver- fahren auf die Gleitlagerflächen der Nabenbohrungen aufgetragen, wodurch eine Beschichtung von Nabenbohrungen mit auch kleineren Durchmessern erreichbar ist.
Die derart erzeugten Schichten weisen eine gleichmäßige Schichtdicke und sehr gute Oberflächengüte auf. Ebenso ist die Tiefe des zu beschichtenden Bereiches gut abgrenzbar. Das Beschichtungsverfahren ist gegenüber den üblichen Beschich- tungsarten sehr wirtschaftlich.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Kolben mit über den Kolbenbolzen angelenktem Kolbenschaft;
Fig. 2 einen Nabenbohrungsbereich als Ausschnitt aus den Kolben gemäß Fig.1 ;
Fig. 3 einen Nabenbohrungsbereich mit einer Schmierbohrung als Ausschnitt gemäß Fig. 2
Fig. 4 eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung auf die Gleitlagerflächen einer Nabenbohrung Der gemäß Figur 1 beispielhaft dargestellte Kolben 1 -der auch ein Ferrothermkol- ben® oder Monothermkolben® der Firma MAHLE, Stuttgart, aus Stahl oder ein Stahlkolbenoberteil oder im Allgemeinen ein Leichtmetallkolben sein kann- weist Naben 4 mit einer Gleitlagerfläche 5 versehene Nabenbohrungen 3 auf, die entsprechend ihren Anforderungen formgebohrt und /oder hochoval oder queroval ausgeführt sind. Die Oberflächenrauhigkeit Ra (Mittenrauwert) kann der in der DE 41 11 368 A1 angegebenen entsprechen, wobei im Allgemeinen für Nabenbohrungsdurchmesser kleiner 30 mm die Ra-Werte 0,63 μm betragen und für Nabenbohrungsdurchmesser zwischen 30-60 mm Ra-Werte von 0,8 μm erreicht werden. Die Nabenbohrungen 3 mit der Länge A können zylindrisch kreisrund oder zylindrisch mit geringer Ovalität sowie mit oder ohne aufgeweitete Bohrungsendbereiche B, C ausgebildet sein.
Die Gleitlagerflächen 5 zeigen eine selbstschmierende Beschichtung 6, die aus einem thermisch ausgehärteten Harz mit darin eingelagerten Festschmierstoffpartikel - als Gleitlack bezeichnet - gebildet sind. Das Harz ist ein Polyamidimid und die Festschmierstoffpartikel bestehen jeweils aus einem oder einer Mischung von zwei der Materialien Graphit, Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, hexagonales Bomitrid oder PTFE.
Zum Aufbringen der erfindungsgemäßen Beschichtung auf die Gleitlagerflächen 5 der Naben 4 dient eine Vorrichtung 10 zum Rotationszerstäuben. Die Vorrichtung 10 weist ein Grundkörper 11 auf, der in einen rotierbaren Düsenkörper 13, welcher mit einem Lager 12, einer Düse 14 sowie einem Düsenaustritt 15 versehen ist, übergeht. Zur Rotation des Düsenkörpers 13 dient ein Antrieb 23. Der Grundkörper 11 besitzt jeweils Zuführkanäle 17 und 18, die für den Gleitlack sowie für Druckluft bestimmt sind und in einer Mischkammer 19 zur Dosierung und Vermischung enden. Ein mit der Mischkammer 19 verbundener Auswurfkanal 20 führt senkrecht auf eine Prallplatte 16, die für die Erzeugung eines ringförmigen Spaltes 22 mit einer Breite von 0,5 mm für den Auswurf des Gleitlack- Sprühstrahls 24 beabstandet vom Düsenkörper 13 angeordnet ist. Der Düsenkörper 13 mit seiner Düse 14 rotiert mittels des Antriebs 23 im Drehzahlbereich von 14 000 bis 18 000 Umdrehungen pro Minute, so dass durch die an der Austrittsöffnung des ringförmigen Spaltes auftretenden Fliehkräfte das Gleitlack- Druckluft-Gemisch beschleunigt wird und als scheibenförmiger Spritzstrahl 24 radial austritt. Der Düsendurchmesser D wird dabei so gewählt, dass er etwa dem halben Durchmesser des Nabenbohrungsdurchmessers der zu beschichtenden Gleitlagerfläche entspricht. Die Vorrichtung kann bis zu der Düsentiefe T in das zu beschichtende Pleuelauge eingefahren werden. Da der Spritzstrahl in Achsrichtung schmal ist, kann die zu beschichtende Fläche in Achsrichtung durch einfaches Öffnen und Schließen der Lackzufuhr scharf begrenzt werden. Die Düsendurchmesser sind im Bereich zwischen 5 und 25 mm mit Düsentiefen bis zu 50 mm verfügbar, so dass mit der Vorrichtung Nabenbohrungen für Kolben aller Motortypen beschichtet werden können.
Ausführungsbeispiel 1 :
Komplette Beschichtung der Gleitlagerfläche der Nabenbohrung:
Die Nabenbohrung 3 wird in bekannter Weise mechanisch fertigbearbeitet und weist entsprechend ihrem Durchmesser eine der vorgenannten Oberflächenrauhigkeiten auf. Der Nabenbohrungsdurchmesser vor dem Beschichten wird dabei derart gewählt, dass der Kolbenbolzen ein diametrales Spiel von 30-40 μm erhält. Der Kolben mit seinen Naben ist so gereinigt, dass Späne, Partikel, Bearbeitungsöle und dergleichen vollständig entfernt sind.
Zur Vorbereitung der Beschichtung werden beiderseits der Nabenbohrungen 3 Abdeckschablonen 21 angebracht, die der Außenkontur der Naben 4 angepasst sind. Die Schablonen 21 verhindern eine Beschichtung der Außenseiten der Naben.
Der aus dem sehr temperaturbeständigen Grundharz Polyamidimid aufgebaute Gleitlack enthält als Festschmierstoff eine Mischung aus Molybdändisulfid und Graphit mit einer Partikelgröße von 1-3 μm. Die Viskosität des Gleitlacks ist derart eingestellt, dass keine Tropfenbildung, aber eine ausreichende Applizierung ermöglicht ist. Mit einem Vorschub von 10-20 mm/sec wird die Düse zentrisch in die Nabenbohrung 3 eingeführt, so dass der Gleitlack auf den 50 bis 80 0C vorgewärmten Kolben appliziert wird. Der Gleitlack enthält im ausgehärteten Zustand 50-60 Gew.- % Festschmierstoffe. Ohne Lackzufuhr wird die Düse anschließend zurückgefahren. Der ganze Beschichtungsvorgang erfolgt in weniger als 5 Sekunden.
Danach wird die Schicht thermisch in einem Ofen ausgehärtet, wobei der Kolben zwischeniO bis 20 Minuten lang auf einer Temperatur von 200 0C gehalten werden muss. Die so erhaltene Schicht ist ca. 10 μm dick, wobei eine Schichtdickentoleranz von plus/minus 1 μm erreicht wird. Trotz Dickenreduzierung der Gleitschicht infolge Schrumpfung der Schicht wird ein enges diametrales Bolzenspiel erreicht, welches 10 - 20 μm. beträgt.
Ausführungsbeispiel 2
Partielle Beschichtung der Gleitlagerfläche der Nabenbohrung:
Der Kolben wird im wesentlichen gemäß Ausführungsbeispiel 1 bearbeitet und gereinigt.
Zur Vorbereitung der Beschichtung werden beiderseits der Nabenbohrungen 3 Abdeckschablonen 21 angebracht, die der Außenkontur der Naben 4 angepasst sind. Die Schablonen 21 verhindern eine Beschichtung der Außenseiten der Naben.
Der aus dem sehr temperaturbeständigen Grundharz Polyamidimid aufgebaute Gleitlack enthält als Festschmierstoff Graphit mit einer Partikelgröße von 1-3 μm. Die Viskosität des Gleitlacks ist derart eingestellt, dass keine Tropfenbildung, aber eine ausreichende Applizierung ermöglicht ist.
Der zylindrische Bereich der Nabenbohrung soll durch den Geleitlack beschichtet werden, wobei die Vorrichtung 11 verwendet wird.
Die Düse 14 wird an einer Nabenseite angesetzt- in Fig. 3 von links nach rechts bewegend- und ohne Gleitlackzufuhr bis zum Ende des Bereiches C der Nabenbohrung 3 eingefahren und anschließend der Gleitlack bis zum Erreichen des Anfanges des Nabenbereiches B aufgetragen. Danach wird die Lackzufuhr abgestellt, die Düse zurückgefahren und der in der Düse verbleibende Lackrest auf die Schablone abgesprüht. Die Applizierung des Gleitlackes erfolgt auf den 50 bis 80 0C vorgewärmten Kolben.
Danach wird die Schicht thermisch in einem Ofen ausgehärtet, wobei der Kolben 1 zwischeniO bis 20 Minuten lang auf einer Temperatur von 200 0C gehalten werden muss. Die so erhaltene Schicht ist ca. 10 μm dick, wobei eine Schichtdickentoleranz von plus/minus 1 μm erreicht wird. Trotz Dickenreduzierung der Gleitschicht infolge Schrumpfung der Schicht wird ein enges diametrales Bolzenspiel erreicht, welches 10 - 20 μm beträgt. Dieses enge Spiel ist besonders vorteilhaft, um Geräusche durch Bolzentickern zu vermeiden. Die Beschichtung gewährleistet, dass trotz des engen Spiels keine Fresser auftreten.
Ausführungsbeispiel 3
Beschichtung der Gleitlagerflächen der Nabenbohrungen mit ausgesparten
Schmierrille:
Der Kolben wird im Wesentlichen gemäß Ausführungsbeispiel 1 bearbeitet und gereinigt. In den Naben 4 sind in bekannter Weise zusätzliche Bohrungen 7 zur Schmierölversorgung des Kolbenbolzens, der in Fig. 1 nicht dargestellt ist, eingebracht.
Zur Vorbereitung der Beschichtung werden beiderseits der Nabenbohrungen Abdeckschablonen 21 angebracht, die der Außenkontur der Naben 4 angepasst sind. Die Schablonen 21 verhindern eine Beschichtung der Außenseiten der Naben.
Der aus dem sehr temperaturbeständigen Grundharz Polyamidimid aufgebaute Gleitlack enthält als Festschmierstoff Graphit mit einer Partikelgröße von 1-3 μm. Die Viskosität des Gleitlacks ist derart eingestellt, dass keine Tropfenbildung, aber eine ausreichende Applizierung ermöglicht ist. Die mittig in den Nabenbohrungen 3 eingebrachten Schmierölbohrungen 7 sollen durch den Geleitlack nicht zugesetzt werden. Aus diesem Grund, und damit das Schmieröl sich besser in dem Spalt zwischen Nabenbohrung und Kolbenbolzen verteilen kann, wird die Beschichtung 6 im Bereich der Schmierölbohrung in Form einer radial umlaufenden „Schmierrille" ausgespart, entsprechend Darstellung nach Fig. 3. Ebenso sind eine oder mehrere parallel zur Achse der Nabenbohrungen verlaufende Schmierrillen oder auch eine Kombination davon, durch Verwendung entsprechender Masken realisierbar. Zur Beschichtung wird die Vorrichtung 11 verwendet.
Die Düse 14 wird an einer Kolbenseite K1 angesetzt und ohne Gleitlackzufuhr bis zur Tiefe T1 der Nabenbohrung 3 eingefahren. Danach wird der Gleitlack im Bereich d aufgetragen. Im Bereich der Abdeckschablone 21 auf der Kolbenseite K2 wird die Lackzufuhr abgestellt, und der in der Düse 14 verbleibende Lackrest wird auf die Abdeckschablone 21 abgesprüht. Anschließend wird die Düse 14 ohne Lackzufuhr bis zur Tiefe T2 zurück bewegt und von dort aus der Bereich e mit Gleitlack besprüht. Der Gleitlackrest wird auf der Kolbenseite K1 im Bereich der Abdeckschablone 21 abgesprüht. Die Applizierung des Gleitlackes erfolgt auf das 50 bis 8O0C vorgewärmten Kolben.
Danach wird die Schicht thermisch in einem Ofen ausgehärtet, wobei der Kolben zwischeniO bis 20 Minuten lang auf einer Temperatur von 200 0C gehalten werden muss. Die so erhaltene Schicht ist ca. 10 μm dick, wobei eine Schichtdickentoleranz von plus/minus 1 μm erreicht wird. Trotz Dickenreduzierung der Gleitschicht infolge Schrumpfung der Schicht wird ein enges diametrales Bolzenspiel erreicht, welches 10 - 20 μm beträgt. Dieses enge Spiel ist besonders vorteilhaft, um Geräusche durch Bolzentickern zu vermeiden. Die Beschichtung gewährleistet, dass trotz des engen Spiels keine Fresser auftreten.
Ausführungsbeispiel 4
Exzentrische Beschichtung der Gleitlagerflächen der Nabenbohrung:
Der Kolben wird im Wesentlichen gemäß Ausführungsbeispiel 1 bearbeitet und gereinigt. Zur Vorbereitung der Beschichtung werden beiderseits der Nabenbohrungen 3 Abdeckschablonen 21 angebracht, die der Außenkontur der Naben 4 angepasst sind. Die Schablonen 21 verhindern eine Beschichtung der Außenseiten der Naben.
Der aus dem sehr temperaturbeständigen Grundharz Polyamidimid aufgebaute Gleitlack enthält als Festschmierstoff Graphit mit einer Partikelgröße von 1-3 μm. Die Viskosität des Gleitlacks ist derart eingestellt, dass keine Tropfenbildung, aber eine ausreichende Applizierung ermöglicht ist.
Mit einem Vorschub von 10-20 mm/sec. wird die Düse 14 exzentrisch in die Nabenbohrung 3 eingeführt. Die Exzentrizität beträgt ein Viertel des Düsendurchmessers D, wobei die Achse der Düse in Richtung Nabenbohrungszenit verschoben ist. Der Gleitlack wird auf den 50 bis 80 0C vorgewärmten Kolben appliziert. Der Gleitlack enthält im ausgehärteten Zustand 50-60 Gew.- % Festschmierstoffe. Ohne Lackzufuhr wird die Düse anschließend zurückgefahren. Der ganze Beschichtungsvorgang erfolgt in weniger als 5 Sekunden.
Danach wird die Schicht thermisch in einem Ofen ausgehärtet, wobei der Kolben zwischeniO bis 20 Minuten lang auf einer Temperatur von 200 0C gehalten werden muss. Die so erhaltene Beschichtung 6 weist in Richtung Nabenbohrungszenit eine Dicke von ca. 15 μm auf und in Richtung Nabenbohrungsnadir von 5 μm auf. Am Ä- quator der Nabenbohrung beträgt die Beschichtungsdicke ca. 10 μm. Damit wird im Bereich der höchsten mechanischen Beanspruchung eine dickere Schicht aufgetragen, während im Bereich der geringsten mechanischen Belastung eine dünne Schicht appliziert wird.
Zur Durchführung des Beschichtungsverfahrens eignet sich auch ein Schleuderapparat S-520 der Firma Sprimag, Kirchheim. Die angegeben Beschichtung ist ebenso auf bereits phosphatierte Gleitlageroberflächen der Nabenbohrungen 3 möglich, wobei die Schichtdicken von Phosphatschicht und Beschichtung 7 auf das jeweilige Einbauspiel des Kolbenbolzen- Naben-Lagers abzustimmen ist. Der Kolbenbolzen ist dabei nicht beschichtet. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Beschichtung ebenso für Kolben mit Nabenbuchsen anwendbar ist. In angegebener Weise kann die Lauffläche der Buchse beschichtet werden.
Bezugszeichen
1 Kolben
2 Kolbenschaftteil
3 Nabenbohrung
4 Naben
5 Gleitlagerfläche der Nabenbohrungen
6 Beschichtung, selbstschmierend (Gleitlack)
7 Schmierölbohrung/Schmierölrille
10 Vorrichtung zum Rotationszerstäuben
11 Grundkörper
12 Lager für Düsenkörper
13 Düsenkörper
14 Düse
15 Düsenaustritt
16 Prallplatte
17 Zuführkanal für Gleitlack
18 Zuführkanal für Druckluft
19 Mischkammer
20 Auswurfkanal
21 Schablone
22 Spalt
23 Antrieb
24 Sprühstrahl
D Düsendurchmesser
T Düsentiefe
Da Düsenachse

Claims

Patentansprüche
1. Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor, mit Gleitlagerflächen (4) aufweisende Nabenbohrungen (3) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens; dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitlagerflächen (5) mindestens in einem Teilbereich eine direkt mit dem Kolbenmaterial verbundene selbstschmierende Beschichtung (6) aus einem thermisch ausgehärteten Harz mit darin eingelagerten Festschmierstoffpartikel aufweist.
2. Kolben nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein Polyami- dimid ist, und dass die Festschmierstoffpartikel jeweils aus einem oder einer Mischung von zwei der Materialien Graphit, Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, hexagonales Bornitrid oder PTFE bestehen.
3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Gleitlagerfläche 50 bis 60 Gewichts- % Festschmierstoffpartikel enthält, wobei die Festschmierstoffpartikel eine Partikelgröße von 1 bis 3 μm aufweisen.
4. Kolben nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Beschichtung 10-15 μm beträgt.
5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke eine Toleranz von +/- 1 μm beträgt.
6. Verfahren zur Beschichtung von Gleitlagerflächen ( 5) einer Nabenbohrung (3), insbesondere für einen Kolben (1) eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Rotationszerstäubung eine selbstschmierende Beschichtung (6) aus einem thermisch ausgehärteten Harz mit darin eingelagerten Festschmierstoffpartikel direkt auf die Gleitlagerflächen (5) aufgebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein PoIy- amidimid ist, und dass die Festschmierstoffpartikel jeweils aus einem oder einer Mischung von zwei der Materialien Graphit, Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, hexagonales Bornitrid oder PTFE gebildet sind, wobei die aus einzelnen Komponenten und dem Harz bestehende Mischung als Gleitlack auf die Gleitlagerflächen (5) der Nabenbohrung (3) aufgebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitlack auf vollständig entfettete, gereinigte und span- und ablagerungsfreie Gleitlagerflächen des Kolbens mit einer Oberflächenrauhigkeit von Ra (Mittenrauwert)< 0,63 μm aufgebracht wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationszerstäuben mittels einer zentrisch in die Nabenbohrung (3) eingeführten rotierenden Düse (14) bei einem Vorschub von 10-20 mm/sec. durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerstäuben des Gleitlackes bei einer Rotationsgeschwindigkeit der Düse von 14.000 bis 18.000 Umdrehungen pro Minute durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitlack senkrecht zur Gleitlagerfläche (5) aufgestäubt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) vor und während des Rotationszerstäuben des Gleitlacks vorgewärmt ist und dass nach Beendigung des Rotationszerstäubens der Kolben unmittelbar einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmung des Kolbens bis zum Erreichen einer Kolbentemperatur von 50 bis 80 0C erfolgt, wobei die Wärmebehandlung zwischen 10 bis 20 min bei einer Temperatur von 200 °C durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdickentoleranz nach dem Aushärten des Gleitlacks von plus/minus 1 μm erreicht wird.
15. Verwendung einer Beschichtung (6), die aus einem thermisch ausgehärtetem Harz mit eingelagerten Festsschmierstoffpartikeln gebildet ist, in Nabenbohrungen (3) eines Kolbens (1) als Gleitlagerschicht in einem Verbrennungsmotor.
16. Verwendung einer Beschichtung, nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein Polyamidimid ist, und dass die Festschmierstoffpartikel jeweils aus einem oder einer Mischung aus zwei der Materialien Graphit, Molyb- dändisulfid, Wolframdisulfid, hexagonales Bornitrid oder PTFE bestehen.
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