WO2007073720A1 - Pleuel für einen verbrennungsmotor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

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cylindrical inner
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Peter Kemnitz
Klaus Keller
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Mahle International Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a connecting rod for an internal combustion engine with a small connecting rod for receiving a piston pin and a large connecting rod for receiving a crank pin, wherein at least one connecting rod has at least one geometric deviation from a cylindrical inner contour.
  • the present invention further relates to a method for producing such a connecting rod.
  • the connecting rod connects the piston of an internal combustion engine with the crankshaft.
  • the small connecting rod eye absorbs the piston pin, while the large connecting rod eye encloses a crank pin.
  • the small and large connecting rod eye are provided with sliding bearing surfaces, for example. In the form of plain bearing layers.
  • the sliding bearing surfaces of these components are very heavily stressed mechanically.
  • the piston pin may bend during the oscillating movement of the piston due to the enormous forces acting on the piston.
  • the connecting rod eyes are heavily loaded. Therefore, ways are sought to relieve the connecting rod eyes. This happens, for example, by local geometric changes in the usually cylindrical connecting rod eye, which reduce the mechanical stress.
  • Such geometric changes can be, for example, relief pockets, oval, conical or spherical holes.
  • This principle is already known for hub bores, cf.
  • Such geometrical changes have hitherto been produced by a complex finishing of the connecting rod eyes.
  • connecting rods with sliding bearing surfaces having connecting rods are known.
  • the sliding bearing surfaces are with a Self-lubricating coating of a resin coated with embedded solid lubricant particles.
  • the object of the present invention is to provide a connecting rod in which at least one connecting rod can be provided in a particularly simple manner with local geometric deviations.
  • the solution consists in a connecting rod with the features of claim 1 and in a method with the features of claim 12.
  • at least one connecting rod is formed from a bore with a cylindrical inner contour that the bore with a coating comprising a resin It is provided embedded solid lubricant particles and that the coating forms the at least one geometric deviation from the cylindrical inner contour of the at least one connecting rod.
  • the method according to the invention is characterized in that a bore having a cylindrical inner contour is first produced and then a coating agent comprising a resin with solid lubricant particles incorporated therein is applied to the inner surface of this bore by means of a coating tool so that the resulting coating exhibits the at least one geometric deviation formed by the cylindrical inner contour of the at least one connecting rod eye.
  • connecting rod eyes with at least one geometric deviation from the cylindrical inner contour and with a self-lubricating coating of their inner surfaces in one and the same operation.
  • the complex and very complex machining of the metallic inner surfaces of the connecting rod eyes for introducing the at least one geometric deviation is eliminated.
  • no bushings or bearings are required more to achieve adequate lubrication and seizure safety of the connecting rod.
  • the coating can be done without prior application of an adhesive layer.
  • the desired dimensional stability of the connecting rod is achieved reliably.
  • the durability and thus the service life of the bearing of piston pin or crank pin significantly improved due to the improved lubricating properties over the previously known coatings of metal alloys.
  • the at least one geometric deviation can be embodied as at least one relief pocket and / or ovality (for example as high or transverse ovality) and / or as a shaped bore, as disclosed, for example, in WO 96/07841 A1 for hub bores.
  • At least one oil collecting space may be provided in the coating in order to further improve the lubrication of the storage.
  • the at least one oil collecting space can be designed as a channel extending in the direction of the longitudinal axis, as a channel which runs completely or partially around the direction of the longitudinal axis and / or as a pocket-shaped recess.
  • the minimum thickness of the coating depends on the requirements of the individual case and may, for example, be 5 ⁇ m to 15 ⁇ m.
  • the resin contained in the coating is a thermosetting resin, in particular a polyamide-imide resin, which is very temperature-resistant and can withstand the stresses to which the bearing is subjected during operation, particularly well.
  • the solid lubricant particles may in particular consist of a material selected from the group of materials comprising graphite, molybdenum sulfide, tungsten disulfide, hexagonal boron nitride and PTFE (polytetrafluoroethylene).
  • the solid lubricant particles advantageously consist only of one material. It is particularly advantageous if all solid lubricant particles consist of the same material or solid lubricant particles are mixed, which consist of two different materials, for example.
  • Solid lubricant particles made of graphite Solid lubricant particles are mixed from a metal sulfide. For a particularly effective lubrication, the solid lubricant particles have a particle size of 1 .mu.m to 3 .mu.m.
  • the at least one geometric deviation can be formed by varying the amount of the coating agent emitted by the coating tool and / or by varying the advance of the coating tool in the bore to be coated.
  • a possible alternative is to apply the coating agent in a uniform thickness and to form the at least one geometric deviation by a post-processing of the resulting coating. This is naturally much more complicated than to introduce the at least one geometric deviation directly during the coating process.
  • the result namely a connecting rod with connecting rods whose coating forms at least one geometric deviation from the cylindrical inner contour of the connecting rod, but is the same.
  • the coating agent is applied to inner surfaces of the bores with a surface roughness of Ra (average roughness) ⁇ 0.8 microns in order to achieve a particularly good adhesion.
  • the inner surfaces of the holes before and / or be pre-heated during the application of the coating agent, preferably up to a temperature of 50 0 C to 8O 0 C.
  • the coating agent can be applied, for example, by means of rotary atomizing from a rotating nozzle introduced into the bore. It has proven to be particularly practical to perform the rotary atomizing at a rotational speed of the nozzle of 14,000 to 18,000 revolutions per minute.
  • a preferred development of the method according to the invention is to use a thermally curable coating composition and the same immediate immediately after application of a heat treatment to undergo, preferably at a temperature of 200 0 C.
  • Fig. 1 is a front view of an embodiment of a connecting rod according to the invention
  • FIG. 2 shows a section along the line II - II in FIG. 1;
  • Fig. 3 is a schematic representation of a coating tool.
  • FIGs 1 and 2 show an embodiment of a connecting rod 10 according to the invention.
  • the connecting rod 10 is in a conventional manner, for example. Steel.
  • the connecting rod 10 has a connecting rod shaft 11, a small connecting rod eye 20 and a large connecting rod eye 30.
  • the small connecting rod eye 20 receives the piston pin of a piston (not shown), while the large connecting rod 30 receives a crank pin of a crankshaft (not shown).
  • the connecting rod eyes 20, 30 are shaped bores having a defined inner contour 21, 31 deviating from the cylindrical shape, as disclosed, for example, in WO 96/07841 A1 for hub bores.
  • This design is used to relieve the mechanical system of piston pin, connecting rod 10 and crank pin during operation to avoid the risk of cracks around the connecting rods 20, 30.
  • Other designs of connecting rods, which serve the same purpose, are, for example, with an ovality (highly and / or transversely oval) or with relief pockets provided holes (not shown). These designs are already known for hub bores.
  • both connecting rods 20, 30 are configured according to the invention such that they consist of a cylindrical bore 22 or 32 and a coating. tion 23 and 33 are composed.
  • the surface contour of the coating 23 or 33 is designed such that the desired inner contour 21 or 31 of the respective connecting-rod eye 20 or 30 deviating from the cylindrical shape results.
  • an ovality or a relief pocket can also be formed by the surface contour of the coating 23 or 33 (not shown).
  • the coating 23 or 33 consists essentially of a resin with embedded solid lubricant particles and is thus a self-lubricating coating.
  • the coating 23 or 33 is further provided with oil collecting spaces in the form of a in the direction of the longitudinal axis L of the respective connecting rod 20 and 30 extending channel 24 and 34, from which pockets 25 and 35 extend radially.
  • These oil collecting chambers serve to further improve the lubrication of the respective bearing of the piston pin or crank pin. They can of course be designed for any desired application in any shape and size and arranged arbitrarily to each other.
  • the cylindrical bore 22 or 32 is first introduced into the connecting rod shaft 11 and finished mechanically in a known manner.
  • the surface roughness Ra (average roughness value) may correspond to that specified in DE 41 11 368 A1, wherein generally for bore diameters smaller than 30 mm the Ra values are 0.63 ⁇ m or less and for bore diameters between 30 and 60 mm Ra values of 0 , 8 ⁇ m or less can be achieved.
  • the bore diameter is selected in the embodiment before coating such that the piston pin or the crank pin in the finished connecting rod 20 and 30 receives a diametrical clearance of 10 .mu.m to 40 .mu.m.
  • the cylindrical bore 22 or 32 should be cleaned so that chips, other particles, processing oils and the like are completely removed.
  • the inner surface of the cylindrical bore 22 and 32 may also be phosphated.
  • corresponding covering templates in the cylindrical bore 22 and 32, respectively are coated prior to coating in a manner known per se appropriate.
  • the cover templates prevent coating of the covered areas of the cylindrical bore 22 or 32.
  • the finished coating 23 or 33 can be post-processed and provided in this way with oil collection spaces.
  • the coating agent selected in the exemplary embodiment is formed from a thermosetting resin with solid lubricant particles incorporated therein from one or more of the materials graphite, molybdenum sulfide, tungsten disulfide, hexagonal boron nitride and PTFE.
  • the resin is a very temperature-resistant polyamide-imide
  • the solid lubricant is a mixture of molybdenum sulfide and graphite particles having a particle size of 1 .mu.m to 3 .mu.m.
  • the amount of solid lubricant is chosen in the exemplary embodiment so that the finished coating contains about 50 to 60 wt .-% solid lubricant particles.
  • the viscosity of the coating composition is adjusted in such a way that drop formation is avoided when sufficient application is made.
  • a device 40 for rotation onszerstäuben For applying the coating 23 or 33 on the inner surfaces of the cylindrical bore 22 and 32 is used in the embodiment, a device 40 for rotation onszerstäuben.
  • the device 40 has a main body 41, which is connected to a nozzle body 42.
  • the nozzle body 42 is rotatably mounted on the base body by means of a bearing 43.
  • the nozzle body 42 is provided with a nozzle 44 having an outlet opening 45.
  • the base body 41 has respective feed channels 46, 47 which are intended for the liquid coating material and for compressed air and terminate in a mixing chamber 48 for mixing and metering. From the mixing chamber 48, an outlet channel 49 extends through the nozzle body 42 and opens into the outlet opening 45.
  • a baffle plate 51 Perpendicular to the outlet opening 45, a baffle plate 51 is arranged so that between the baffle plate 51 and the nozzle body 42, an annular gap 52 having a width of the embodiment 0.5 mm is formed. Through the gap 52, the coating agent-air mixture in the form of a spray jet 53 exits radially and spaced from the nozzle body 42.
  • the nozzle body 42 is set in rotation and rotates in the embodiment in the speed range of 14,000 to 18,000 revolutions per Minute.
  • the coating agent / air mixture emerging from the outlet opening 45 is accelerated by the centrifugal forces occurring at the outlet opening 45 in such a way that it emerges radially as a disk-shaped spray jet 53. Since the spray jet 53 is narrow in the direction of the longitudinal axis L, the inner surface of the cylindrical bore 22 or 32 to be coated can be sharply delimited in the direction of the longitudinal axis L by simple supply control of the coating agent / air mixture.
  • nozzles 44 are available with a diameter in the range between 5 and 25 mm and with depths up to 50 mm, so that with the device 40 cylindrical bores 22, 32 can be coated for connecting rods of all engine types.
  • the diameter of the nozzle 44 is usually selected so that it corresponds approximately to half the diameter of the cylindrical bore 22 and 32 respectively
  • a spin apparatus S-520 from Sprimag, Kirchheim is also suitable.
  • the application of the coating agent-air mixture takes place in the exemplary embodiment on the preheated to 50 0 C to 80 0 C inner surface of the cylindrical bore 22 and 32.
  • the nozzle 44 is moved centrally from outside to inside in the cylindrical bore 22 and 32 respectively.
  • the geometric inner contour of the cylindrical contour deviation for example.
  • the form of holes shown in Figure 2 the feed of the nozzle 44, for example. In a range of 10 to 20 mm / s varies
  • the amount of out of the outlet opening 45 the nozzle 44 exiting coating agent-air mixture can be varied.
  • the device 40 operates computer-controlled. When the nozzle 44 has reached the end of the cylindrical bore 22 or 32, the device 40 is turned off and retracted.
  • covering templates for producing oil collecting spaces are provided in the cylindrical bore 22 or 32, the supply of the coating agent / air mixture is shut off upon reaching such a template, so that remnants of the spray jet are sprayed onto the covering template.
  • the end of Cover template is reached, the supply of the coating agent-air mixture is reached again.
  • the coating agent When the coating agent is applied, it is thermally cured by the connecting rod or the connecting rod 20 and 30 having the connecting rod component spent in an oven and is maintained in the embodiment for 10 to 20 minutes at a temperature of 200 0 C.
  • the finished coating 23 or 33 is in the embodiment at its thinnest point about 5 microns to 20 microns thick and the diametrical clearance of the piston pin or crank pin is about 10 microns to 20 microns. This close game is particularly advantageous to avoid noise.
  • the coating 23 or 33 also ensures that no eaters occur despite the tight game.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pleuel (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem kleinen Pleuelauge (20) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens und einem großen Pleuelauge (30) zur Aufnahme eines Kurbelzapfens, wobei mindestens ein Pleuelauge (20? 30) mindestens eine geometrische Abweichung von einer zylindrischen Innenkontur aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das mindestens eine Pleuelauge (20; 30) aus einer Bohrung (22; 32) mit zylindrischer Innenkontur gebildet ist, dass die Bohrung (22,- 32) mit einer Beschichtung (23; 33) umfassend ein Harz mit darin eingelagerten Festschmierstoffpartikeln versehen ist und dass die Beschichtung (23; 33) die mindestens eine geometrische Abweichung von der zylindrischen Innenkontur des mindestens einen Pleuelauges (20; 30) ausbildet. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Pleuels.

Description

Pleuel für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu seiner Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Pleuel für einen Verbrennungsmotor mit einem kleinen Pleuelauge zur Aufnahme eines Kolbenbolzens und einem großen Pleuelauge zur Aufnahme eines Kurbelzapfens, wobei mindestens ein Pleuelauge mindestens eine geometrische Abweichung von einer zylindrischen Innenkontur aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Pleuels.
Der Pleuel verbindet den Kolben eines Verbrennungsmotors mit der Kurbelwelle. Das kleine Pleuelauge nimmt hierbei den Kolbenbolzen auf, während das große Pleuelauge einen Kurbelzapfen umschließt. Das kleine und das große Pleuelauge sind mit Gleitlagerflächen versehen, bspw. in Form von Gleitlagerschichten. Die Gleitlagerflächen dieser Bauteile sind sehr stark mechanisch beansprucht. Insbesondere kann sich der Kolbenbolzen bei der oszillierenden Bewegung des Kolbens aufgrund der enormen auf den Kolben wirkenden Kräfte verbiegen. Dadurch werden auch die Pleuelaugen stark belastet. Daher wird nach Wegen gesucht, die Pleuelaugen zu entlasten. Dies geschieht bspw. durch örtliche geometrische Veränderungen im üblicherweise zylindrischen Pleuelauge, welche die mechanische Beanspruchung reduzieren. Derartige geometrische Veränderungen können bspw. Entlastungstaschen, ovale, konische oder ballige Bohrungen sein. Dieses Prinzip ist für Nabenbohrungen bereits bekannt, vgl. bspw. WO 96/07841 A1. Derartige geometrische Veränderungen werden bisher durch eine aufwendige Feinbearbeitung der Pleuelaugen hergestellt.
Aus der deutschen Patentanmeldung 10 2004 059 490.2 sind Pleuel mit Gleitlagerflächen aufweisenden Pleuelaugen bekannt. Die Gleitlagerflächen sind mit einer selbstschmierenden Beschichtung aus einem Harz mit darin eingelagerten Festschmierstoffpartikeln beschichtet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Pleuel bereitzustellen, bei dem mindestens ein Pleuelauge auf besonders einfache Weise mit örtlichen geometrischen Abweichungen versehen sein kann.
Die Lösung besteht in einem Pleuel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patenanspruchs 12. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens ein Pleuelauge aus einer Bohrung mit zylindrischer Innenkontur gebildet ist, dass die Bohrung mit einer Beschichtung umfassend ein Harz mit darin eingelagerten Festschmierstoffpartikeln versehen ist und dass die Beschichtung die mindestens eine geometrische Abweichung von der zylindrischen Innenkontur des mindestens einen Pleuelauges ausbildet. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst eine Bohrung mit zylindrischer Innenkontur hergestellt wird und dass anschließend auf die Innenfläche dieser Bohrung mittels eines Beschichtungswerkzeugs ein Beschichtungsmittel umfassend ein Harz mit darin eingelagerten Festschmierstoffpartikeln aufgebracht wird, so dass die resultierende Beschichtung die mindestens eine geometrische Abweichung von der zylindrischen Innenkontur des mindestens einen Pleuelauges ausbildet.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Pleuelaugen mit mindestens einer geometrischen Abweichung von der zylindrischen Innenkontur und mit einer selbstschmierenden Beschichtung ihrer Innenflächen in ein und demselben Arbeitsgang herzustellen. Dies bedeutet eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis. Die aufwändige und sehr komplexe spanabhebende Bearbeitung der metallischen Innenflächen der Pleuelaugen zum Einbringen der mindestens einen geometrischen Abweichung entfällt. Ferner sind keine Lagerbuchsen oder Lagerschalen mehr erforderlich, um eine ausreichende Schmier- und Fresssicherheit der Pleuelaugen zu erreichen. Die Beschichtung kann ohne vorheriges Aufbringen einer Haftschicht erfolgen. Die gewünschte Maßhaltigkeit der Pleuelaugen wird zuverlässig erzielt. Die Beständigkeit und damit die Lebensdauer der Lagerung von Kolbenbolzen bzw. Kurbelzapfen wer- den infolge der verbesserten Schmiereigenschaften gegenüber den bisher bekannten Beschichtungen aus Metalllegierungen erheblich verbessert.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die mindestens eine geometrische Abweichung kann als mindestens eine Entlastungstasche und/oder Ovalität (bspw. als Hoch- oder Querovalität) und/oder als Formbohrung ausgebildet sein, wie sie bspw. in der WO 96/07841 A1 für Nabenbohrungen offenbart ist.
In vorteilhafter Weise kann in der Beschichtung mindestens ein Ölsammelraum vorgesehen sein, um die Schmierung der Lagerung noch weiter zu verbessern. Der mindestens eine Ölsammelraum kann als in Richtung der Längsachse verlaufender Kanal, als radial zur Richtung der Längsachse ganz oder teilweise umlaufender Kanal und/oder als taschenförmige Ausnehmung ausgebildet sein.
Die Mindestdicke der Beschichtung hängt von den Anforderungen des Einzelfalls ab und kann bspw. 5 μm bis 15 μm betragen.
Vorzugsweise ist das in der Beschichtung enthaltene Harz ein thermisch ausgehärtetes Harz, insbesondere ein Polyamidimidharz, welches sehr temperaturbeständig ist und den Belastungen, welchen die Lagerung im Betrieb ausgesetzt ist, besonders gut standhalten kann.
Es hat sich erwiesen, dass ein Anteil von 50 Gew.-% bis 60 Gew.-% an Festschmierstoffpartikeln in der Beschichtung besonders vorteilhafte Schmiereigenschaften aufweist. Hierbei können die Festschmierstoffpartikel insbesondere aus einem Werkstoff bestehen, der aus der Werkstoffgruppe umfassend Grafit, Molybdänsulfid, Wolfram- disulfid, hexagonales Bornitrid und PTFE (Polytetrafluorethylen) ausgewählt ist. Dabei bestehen die Festschmierstoffpartikel vorteilhafterweise nur aus einem Werkstoff. Es ist dabei besonders günstig, wenn alle Festschmierstoffpartikel aus demselben Werkstoff bestehen oder Festschmierstoffpartikel gemischt werden, die aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, bspw. Festschmierstoffpartikel aus Grafit mit Festschmierstoffpartikeln aus einem Metallsulfid gemischt werden. Für eine besonders wirksame Schmierung weisen die Festschmierstoffpartikel eine Partikelgröße von 1 μm bis 3 μm auf.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die mindestens eine geometrische Abweichung durch Variation der Menge des vom Beschichtungswerkzeug abgegebenen Beschichtungsmittels und/oder durch Variation des Vorschubs des Beschich- tungswerkzeugs in der zu beschichtenden Bohrung ausgebildet werden.
Eine mögliche Alternative besteht selbstverständlich darin, das Beschichtungsmittel in einer gleichmäßigen Dicke aufzubringen und die mindestens eine geometrische Abweichung durch eine Nachbearbeitung der resultierenden Beschichtung auszubilden. Dies ist naturgemäß wesentlich aufwändiger, als die mindestens eine geometrische Abweichung unmittelbar während des Beschichtungsprozesses einzubringen. Das Resultat, nämlich ein Pleuel mit Pleuelaugen, deren Beschichtung die mindestens eine geometrische Abweichung von der zylindrischen Innenkontur der Pleuelaugen ausbildet, ist aber dasselbe.
Vorteilhafterweise wird das Beschichtungsmittel auf Innenflächen der Bohrungen mit einer Oberflächenrauhigkeit von Ra (Mittenrauwert) < 0,8 μm aufgebracht, um eine besonders gute Haftung zu erzielen. Um die Haftung des Beschichtungsmittels auf der Innenfläche der Bohrung noch weiter zu verbessern, kann die Innenflächen der Bohrungen vor und/oder während des Aufbringens des Beschichtungsmittels vorgewärmt werden, vorzugsweise bis zu einer Temperatur von 500C bis 8O0C.
Das Beschichtungsmittel kann bspw. mittels Rotationszerstäuben aus einer in die Bohrung eingeführten rotierenden Düse aufgebracht werden. Dabei hat es sich als besonders praktikabel erwiesen, das Rotationszerstäuben bei einer Rotationsgeschwindigkeit der Düse von 14.000 bis 18.000 Umdrehungen pro Minute durchzuführen.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, ein thermisch aushärtbares Beschichtungsmittel zu verwenden und dasselbe unmit- telbar nach Beendigung des Aufbringens einer Wärmebehandlung zu unterziehen, vorzugsweise bei einer Temperatur von 2000C.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
Fig. 1 eine Vorderansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pleuels;
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie Il - Il in Figur 1 ;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Beschichtungswerkzeugs.
Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pleuels 10. Der Pleuel 10 besteht in an sich bekannter Weise bspw. aus Stahl. Der Pleuel 10 weist einen Pleuelschaft 11, ein kleines Pleuelauge 20 und ein großes Pleuelauge 30 auf. Das kleine Pleuelauge 20 nimmt den Kolbenbolzen eines Kolbens auf (nicht dargestellt), während das große Pleuelauge 30 einen Kurbelzapfen einer Kurbelwelle aufnimmt (nicht dargestellt).
Die Pleuelaugen 20, 30 sind im Ausführungsbeispiel Formbohrungen mit einer definierten, von der Zylinderform abweichenden Innenkontur 21 , 31 , wie sie bspw. in der WO 96/07841 A1 für Nabenbohrungen offenbart ist. Diese Gestaltung dient der Entlastung des mechanischen Systems aus Kolbenbolzen, Pleuel 10 und Kurbelzapfen im Betrieb, um die Gefahr von Anrissen rund um die Pleuelaugen 20, 30 zu vermeiden. Andere Gestaltungen von Pleuelaugen, die demselben Zweck dienen, sind bspw. mit einer Ovalität (hoch- und/oder queroval) oder mit Entlastungstaschen versehene Bohrungen (nicht dargestellt). Diese Gestaltungen sind für Nabenbohrungen bereits bekannt.
Im Ausführungsbeispiel sind beide Pleuelaugen 20, 30 erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass sie aus einer zylinderförmigen Bohrung 22 bzw. 32 und einer Beschich- tung 23 bzw. 33 zusammengesetzt sind. Dabei ist die Oberflächenkontur der Be- schichtung 23 bzw. 33 so gestaltet, dass sich die gewünschte, von der Zylinderform abweichende Innenkontur 21 bzw. 31 des jeweiligen Pleuelauges 20 bzw. 30 ergibt. In vergleichbarer Weise kann auch eine Ovalität bzw. eine Entlastungstasche durch die Oberflächenkontur der Beschichtung 23 bzw. 33 gebildet sein (nicht dargestellt). Die Beschichtung 23 bzw. 33 besteht im Wesentlichen aus einem Harz mit darin eingelagerten Festschmierstoffpartikeln und ist somit eine selbstschmierende Beschichtung.
Im Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung 23 bzw. 33 ferner mit Ölsammelräumen in Form eines sich in Richtung der Längsachse L des jeweiligen Pleuelauges 20 bzw. 30 erstreckenden Kanals 24 bzw. 34 versehen, von dem aus sich Taschen 25 bzw. 35 radial erstrecken. Diese Ölsammelräume dienen dazu, die Schmierung der jeweiligen Lagerung von Kolbenbolzen bzw. Kurbelzapfen noch weiter zu verbessern. Sie können selbstverständlich für jede gewünschte Anwendung in beliebiger Form und Größe ausgebildet und beliebig zueinander angeordnet sein.
Zur Herstellung eines Pleuelauges 20, 30 wird zuerst die zylindrische Bohrung 22 bzw. 32 in den Pleuelschaft 11 eingebracht und in bekannter Weise mechanisch fertig bearbeitet. Die Oberflächenrauhigkeit Ra (Mittenrauwert) kann der in der DE 41 11 368 A1 angegebenen entsprechen, wobei im Allgemeinen für Bohrungsdurchmesser kleiner 30 mm die Ra-Werte 0,63 μm oder weniger betragen und für Bohrungsdurchmesser zwischen 30 und 60 mm Ra-Werte von 0,8 μm oder weniger erreicht werden. Der Bohrungsdurchmesser wird im Ausführungsbeispiel vor dem Beschichten derart gewählt, dass der Kolbenbolzen bzw. der Kurbelzapfen im fertigen Pleuelauge 20 bzw. 30 ein diametrales Spiel von 10 μm bis 40 μm erhält. Die zylindrische Bohrung 22 bzw. 32 sollte so gereinigt sein, dass Späne, sonstige Partikel, Bearbeitungsöle und dergleichen vollständig entfernt sind. Die Innenfläche der zylindrischen Bohrung 22 bzw. 32 kann auch phosphatiert sein.
Falls zusätzliche Ölsammelräume, bspw. in Form von Kanälen 24, 34 oder Taschen 25, 35 vorgesehen sein sollen, werden vor der Beschichtung in an sich bekannter Weise entsprechende Abdeckschablonen in der zylindrischen Bohrung 22 bzw. 32 angebracht. Die Abdeckschablonen verhindern eine Beschichtung der abgedeckten Bereiche der zylindrischen Bohrung 22 bzw. 32. Als Alternative kann die fertige Beschichtung 23 bzw. 33 nachbearbeitet und auf diese Weise mit Ölsammelräumen versehen werden.
Das im Ausführungsbeispiel gewählte Beschichtungsmittel ist aus einem thermisch aushärtbaren Harz mit darin eingelagerten Festschmierstoffpartikeln aus einem oder mehreren der Materialien Grafit, Molybdänsulfid, Wolframdisulfid, hexagonales Bornitrid und PTFE gebildet. Im Ausführungsbeispiel ist das Harz ein sehr temperaturbeständiges Polyamidimid, und der Festschmierstoff ist eine Mischung aus Molybdänsulfid- und Grafitpartikeln mit einer Partikelgröße von 1 μm bis 3 μm. Die Menge des Festschmierstoffes ist im Ausführungsbeispiel so gewählt, dass die fertige Beschichtung etwa 50 bis 60 Gew.-% Festschmierstoffpartikel enthält. Die Viskosität des Beschichtungsmittels ist derart eingestellt, dass bei ausreichender Applizierung eine Tropfenbildung vermieden wird.
Zum Aufbringen der Beschichtung 23 bzw. 33 auf die Innenflächen der zylindrischen Bohrung 22 bzw. 32 dient im Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung 40 zum Rotati- onszerstäuben. Die Vorrichtung 40 weist einen Grundkörper 41 auf, der mit einem Düsenkörper 42 verbunden ist. Der Düsenkörper 42 ist auf dem Grundkörper mittels eines Lagers 43 rotierbar gelagert. Der Düsenkörper 42 ist mit einer eine Austrittsöffnung 45 aufweisenden Düse 44. Der Grundkörper 41 besitzt jeweils Zuführkanäle 46, 47, die für das flüssige Beschichtungsmaterial sowie für Druckluft bestimmt sind und in eine Mischkammer 48 zur Vermischung und Dosierung enden. Von der Mischkammer 48 erstreckt sich ein Austrittskanal 49 durch den Düsenkörper 42 und mündet in die Austrittsöffnung 45. Senkrecht zur Austrittsöffnung 45 ist eine Prallplatte 51 angeordnet, so dass zwischen der Prallplatte 51 und dem Düsenkörper 42 ein ringförmigen Spalt 52 mit einer Breite von im Ausführungsbeispiel 0,5 mm entsteht. Durch den Spalt 52 tritt das Beschichtungsmittel-Luft-Gemisch in Form eines Sprühstrahls 53 radial und beabstandet vom Düsenkörper 42 aus.
Mittels eines Antriebs 54 wird der Düsenkörper 42 in Rotation versetzt und rotiert im Ausführungsbeispiel im Drehzahlbereich von 14.000 bis 18.000 Umdrehungen pro Minute. Das aus der Austrittsöffnung 45 austretende Beschichtungsmittel-Luft- Gemisch wird durch die an der Austrittsöffnung 45 auftretenden Fliehkräfte derart beschleunigt, dass es als scheibenförmiger Sprühstrahl 53 radial austritt. Da der Sprühstrahl 53 in Richtung der Längsachse L schmal ausgebildet ist, kann die zu beschichtende Innenfläche der zylindrischen Bohrung 22 bzw. 32 in Richtung der Längsachse L durch einfache Zufuhrkontrolle der Beschichtungsmittel-Luft-Mischung scharf begrenzt werden. Im Ausführungsbeispiel sind Düsen 44 mit einem Durchmesser im Bereich zwischen 5 und 25 mm und mit Tiefen bis zu 50 mm verfügbar, so dass mit der Vorrichtung 40 zylindrische Bohrungen 22, 32 für Pleuelaugen aller Motortypen beschichtet werden können. Der Durchmesser der Düse 44 wird in der Regel so gewählt, dass er etwa dem halben Durchmesser der zylindrischen Bohrung 22 bzw. 32 entspricht
Zur Durchführung des Beschichtungsverfahrens eignet sich auch ein Schleuderapparat S-520 der Firma Sprimag, Kirchheim.
Die Applizierung des Beschichtungsmittel-Luft-Gemischs erfolgt im Ausführungsbeispiel auf die auf 500C bis 800C vorgewärmte Innenfläche der zylindrischen Bohrung 22 bzw. 32. Die Düse 44 wird zentrisch von außen nach innen in die zylindrische Bohrung 22 bzw. 32 eingefahren. Zur Ausgestaltung der von der zylindrischen Innenkontur geometrischen Abweichung, bspw. der in Figur 2 dargestellten Formbohrungen, wird der Vorschub der Düse 44 bspw. in einem Bereich von 10 bis 20 mm/s variiert Zusätzlich oder als Alternative kann die Menge des aus der Austrittsöffnung 45 der Düse 44 austretenden Beschichtungsmittel-Luft-Gemischs variiert werden. Hierfür ist es zweckmäßig, dass die Vorrichtung 40 computergesteuert arbeitet. Wenn die Düse 44 das Ende der zylindrischen Bohrung 22 bzw. 32 erreicht hat, wird die Vorrichtung 40 ausgeschaltet und zurückgefahren.
Wenn in der zylindrischen Bohrung 22 bzw. 32 Abdeckschablonen zur Herstellung von Ölsammelräumen vorgesehen sind, wird die Zufuhr des Beschichtungsmittel- Luft-Gemischs beim Erreichen einer solchen Schablone abgeschaltet, so dass Reste des Sprühstrahls auf die Abdeckschablone gespritzt werden. Wenn das Ende der Abdeckschablone erreicht ist, wird die Zufuhr des Beschichtungsmittel-Luft- Gemischs wieder erreicht ist.
Wenn das Beschichtungsmittel aufgebracht ist, wird es thermisch ausgehärtet, indem der Pleuel bzw. der die beschichteten Pleuelaugen 20 bzw. 30 aufweisende Pleuelbestandteil in einen Ofen verbracht und darin im Ausführungsbeispiel zwischen 10 und 20 Minuten auf einer Temperatur von 2000C gehalten wird.
Die fertige Beschichtung 23 bzw. 33 ist im Ausführungsbeispiel an ihrer dünnsten Stelle etwa 5 μm bis 20 μm dick und das diametrale Spiel des Kolbenbolzens bzw. Kurbelzapfens beträgt etwa 10 μm bis 20 μm. Dieses enge Spiel ist besonders vorteilhaft, um Geräuschentwicklungen zu vermeiden. Die Beschichtung 23 bzw. 33 gewährleistet außerdem, dass trotz dem engen Spiel keine Fresser auftreten.

Claims

Patentansprüche
1. Pleuel (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem kleinen Pleuelauge (20) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens und einem großen Pleuelauge (30) zur Aufnahme eines Kurbelzapfens, wobei mindestens ein Pleuelauge (20; 30) mindestens eine geometrische Abweichung von einer zylindrischen Innenkontur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Pleuelauge (20; 30) aus einer Bohrung (22; 32) mit zylindrischer Innenkontur gebildet ist, dass die Bohrung (22; 32) mit einer Beschichtung (23; 33) umfassend ein Harz mit darin eingelagerten Festschmierstoffpartikeln versehen ist und dass die Beschichtung (23; 33) die mindestens eine geometrische Abweichung von der zylindrischen Innenkontur des mindestens einen Pleuelauges (20; 30) ausbildet.
2. Pleuel nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine geometrische Abweichung als mindestens eine Entlastungstasche und/oder Ovalität und/oder als Formbohrung ausgebildet ist.
3. Pleuel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschichtung (23; 33) mindestens ein Ölsammelraum (24; 34; 25; 35) vorgesehen ist.
4. Pleuel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ölsammelraum als in Richtung der Längsachse (L) verlaufender Kanal (24; 34) ausgebildet ist.
5. Pleuel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ölsammelraum als radial zur Richtung der Längsachse (L) ganz oder teilweise umlaufender Kanal ausgebildet ist.
6. Pleuel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ölsammelraum als taschenförmige Ausnehmung (25; 35) ausgebildet ist.
7. Pleuel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestdicke der Beschichtung (23; 33) 5 μm bis 20 μm beträgt.
8. Pleuel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz ein thermisch ausgehärtetes Harz, insbesondere ein Polyamidi- midharz, ist.
9. Pleuel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (23; 33) 50 Gew.-% bis 60 Gew.-% Festschmierstoffpartikel enthält.
10. Pleuel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festschmierstoffpartikel aus einem Werkstoff bestehen, der aus der Werkstoffgruppe umfassend Grafit, Molybdänsulfid, Wolframdisulfid, hexagona- les Bornitrid und PTFE (Polytetrafluorethylen) ausgewählt ist.
11. Pleuel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festschmierstoffpartikel eine Partikelgröße von 1 μm bis 3 μm aufweisen.
12. Verfahren zur Herstellung eines Pleuels (10) für einen Verbrennungsmotor, mit einem kleinen Pleuelauge (20) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens und einem großen Pleuelauge (30) zur Aufnahme eines Kurbelzapfens, wobei mindestens ein Pleuelauge (20; 30) mindestens eine geometrische Abweichung von einer zylindrischen Innenkontur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schaffung mindestens eines Pleuelauges (20; 30) zunächst eine Bohrung (22; 32) mit zylindrischer Innenkontur hergestellt wird und dass anschließend auf die Innenfläche' dieser Bohrung (22; 32) mittels eines Beschichtungswerkzeugs (40) ein Beschichtungsmittel umfassend ein Harz mit darin eingelagerten Festschmierstoffpartikeln aufgebracht wird, so dass die resultierende Beschichtung (23; 33) die mindestens eine geometrische Abweichung von der zylindrischen Innenkontur des mindestens einen Pleuelauges (20; 30) ausbildet.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine geometrische Abweichung durch Variation der Menge des vom Beschich- tungswerkzeug (40) abgegebenen Beschichtungsmittels und/oder durch Variation des Vorschubs des Beschichtungswerkzeugs (40) ausgebildet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmittel auf die Innenfläche der Bohrung (22; 32) mit einer O- berflächenrauhigkeit von Ra (Mittenrauwert) < 0,8 μm aufgebracht wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmittel mittels Rotationszerstäuben aus einer in die Bohrung (22; 32) eingeführten rotierenden Düse (44) aufgebracht wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationszerstäuben bei einer Rotationsgeschwindigkeit der Düse (44) von 14.000 bis 18.000 Umdrehungen pro Minute durchgeführt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche der Bohrung (22; 32) vor und/oder während des Aufbringens des Beschichtungsmittels vorgewärmt wird, vorzugsweise bis zu einer Temperatur von 500C bis 8O0C.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermisch aushärtbares Beschichtungsmittel verwendet wird, das unmittelbar nach Beendigung des Aufbringens einer Wärmebehandlung unerzogen wird, vorzugsweise bei einer Temperatur von 2000C.
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