BESCHREIBUNG

Technisches Gebiet

Die im Kolbenschaft vorgesehenen Bolzenbohrungen

gewährleisten die Verbindung zwischen dem Kolbenbolzen und dem Kolben. Der Kolbenbolzen steht über Reibflächen in den Bolzenbohrungen in Kontakt, wobei neben thermischen

Belastungen vor allem mechanische Gas- und Massenkräfte auf die Bolzenbohrungen wirken. Der Kolbenbolzen ist zur

Kraftübertragung schwimmend, d. h. mit einem Ölfilm in der Bolzenbohrung des Kolbens gelagert.

Immer wieder kommt es dort aufgrund der thermischen und mechanischen Belastungen zu Mischreibung, herbeigeführt durch ungenügende Schmierung zwischen Bolzen und Bolzenbohrung. Dies führt zu erhöhter Reibung und schlimmstenfalls zu einem Fressen zwischen Kolbenbolzen und Kolben, was letztendlich zum Ausfall des Motors führen kann.

Stand der Technik

Es wurden bisher verschiedene Maßnahmen unternommen, um die Belastungen an den Bolzenbohrungen herabzusetzen.

Beispielsweise ist aus der EP 0 740 750 Bl bekannt, einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit

Bolzenbohrungen auszustatten, die im Bereich des Zenits der Bolzenbohrungen in Richtung der Bolzenbohrungsachse

verlaufende Ausnehmungen aufweisen. Die Ausnehmungen werden spanlos durch Gießen, Roulieren oder dergleichen, sowie durch spanende Bearbeitung hergestellt. Die Aussparungen erstrecken sich von der Nute für die Kolbenbolzensicherung zum Kolbeninneren, über eine Länge von 10 bis 80 % der

Auflagelänge des Kolbenbolzens.

Eine Weiterentwicklung der EP 0 740 750 Bl ist die EP 1 232 349 Bl, die ein Aufrauen der Bolzenbohrungen im Bereich des Zenits mittels Laserstrahlen vorschlägt.

In den obigen Dokumenten wird zwar eine Verbesserung des Schmierverhältnisses in den Bolzenbohrungen angestrebt, dabei bleibt allerdings die spezifische Verteilung thermischer und mechanischer Belastungen entlang der Reiboberfläche der Bolzenbohrungen unberücksichtigt .

Beschreibung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die

Ausfallwahrscheinlichkeit eines Kolbens aufgrund von

Rissbildung oder dergleichen im Bereich der Bolzenbohrungen bei optimierten Schmierverhältnissen zu verringern.

Die Aufgabe wird mit einem Kolben nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 9 gelöst.

Erfindungsgemäß sind die Innenflächen einer oder beider

Bolzenbohrungen, also die Flächen, die bei bestimmungsgemäßen Gebrauch des Kolbens mit einem darin eingebrachten

Kolbenbolzen in Kontakt geraten, mit einer Mehrzahl von sacklochförmigen Vertiefungen vorgesehen. Durch das

Einbringen, bevorzugt mittels eines Lasers, solcher

Vertiefungen, werden öldepots geschaffen, welche die

Wahrscheinlichkeit der oben angesprochenen Mischreibung durch eine definierte und stetige Abgabe von Öl verringern.

Gleichzeitig beschädigen die Vertiefungen bzw. Sacklöcher die Reibfläche der Bolzenbohrungen nur lokal, so dass

Ausgangspunkte für eine Rissbildung im Vergleich zu einer flächigen Aufrauung oder im Vergleich zu ausgedehnten, rillenförmigen Vertiefungen reduziert werden. Aus diesem Grund wird die Ausfallwahrscheinlichkeit des Kolbens bei ausgezeichneter Schmierölversorgung verringert. Vorzugsweise sind die Sacklöcher als Mikro-Vertiefungen mit etwa 50 um Durchmesser und/oder Tiefe vorgesehen.

Es sei erwähnt, dass die Vertiefungen sowohl in dem

Kolbenmaterial selbst als auch in einer separat eingesetzten Buchse ausgebildet sein können. In beiden Ausführungsformen kann der erfindungsgemäße Kolben in vorteilhafter Weise sowohl mit einem „schwimmenden" Kolbenbolzen als auch einem sog. Klemmpleuelbolzen kombiniert werden. Unter einem „schwimmenden"' Bolzen wird verstanden, dass der Bolzen im Kolben und/oder Pleuel frei rotieren kann. Im Ausgangs- d. h. im kalten Zustand besteht sowohl zwischen dem Bolzen und dem Pleuel als auch zwischen dem Bolzen und dem Kolben ein sog. Kaltspiel, das sich in Folge der Erwärmung im Betrieb vergrößert. Durch das Spiel ist zu jeder Zeit eine

Drehbewegung des Bolzens möglich. Der sich einstellende hydraulische Zustand im Bereich der Lagerung des Bolzens ist weder rein hydrostatisch noch rein hydrodynamisch, sondern ist als Zwischenzustand zu beschreiben. Bei einer derartigen schwimmenden Lagerung erfolgt die axiale Sicherung des

Bolzens üblicherweise durch in den Kolben eingebrachte

Sicherungsringe. Unter einem Klemmpleuelbolzen wird

verstanden, dass der Bolzen im Pleuel thermisch gefügt ist und insoweit nicht frei rotieren kann. Zwischen dem Bolzen und dem Kolben besteht jedoch ein Spiel, lediglich auf die Sicherungsringe zur axialen Fixierung kann verzichtet werden. Auch bei dieser Ausführungsform dreht sich der Bolzen

bezüglich des Kolbens, so dass die mit der vorliegenden

Erfindung erreichte Schmierung in vorteilhafter Weise ebenso genutzt werden kann wie bei einer schwimmenden Lagerung.

Für eine weitere Reduzierung der Rissbildung sind mehrere oder alle Sacklöcher vorzugsweise mit einem

kreiszylindrischen Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung des Sacklochs ausgestattet. Im Bereich des Zenits der Bolzenöffnung sind die thermischen und mechanischen Belastungen bei bestimmungsgemäße Gebrauch des Kolbens am größten. Somit fallen die Tiefen der

Sacklöcher im Zenit der Bolzenbohrung bevorzugt kleiner aus, um die strukturelle Integrität des Kolbenmaterials im Bereich der hohen Belastungen nur wenig zu beeinträchtigen. Noch bevorzugter sind direkt im Bereich des Zenits keine

Sacklöcher vorhanden. Um der auftretenden

Belastungsverteilung gerecht zu werden, können die Tiefen der Bolzenbohrungen ausgehend vom unteren Bereich zum Zenit der Bohrung allmählich abnehmen. Mit dem Begriff „allmählich" ist auch eine stufenweise Abnahme umfasst, wobei die prozentuale oder absolute Abnahme der Tiefe vom unteren Bereich zum Zenit nicht linear erfolgen muss.

Neben einer Anpassung der Tiefe der Sacklöcher an die

Belastungsverteilung der Bolzenbohrungen kann alternativ oder zusätzlich eine Abnahme der Öffnungsquerschnitte vom unteren Bereich der Bohrung zum Zenit vorgesehen sein, so dass die Öffnungsquerschnitte (senkrecht zur Einbringrichtung der Sacklöcher) im Zenit der Bolzenbohrung kleiner ausfallen, bevorzugt gleich Null sind, oder vom unteren Bereich der Bolzenbohrung zum Zenit allmählich abnehmen.

Auch die Sacklochdichte kann zusätzlich oder alternativ zu den Sacklochtiefen und/oder Öffnungsquerschnitten auf diese Weise gesteuert werden. Als Sacklochdichte wird die Anzahl der Sacklöcher pro Flächeneinheit bezeichnet .

Neben einer erhöhten Belastung im Bereich des Zenits der Bolzenbohrungen ist auch eine Ungleichverteilung entlang der Bolzenachse feststellbar. Der bevorzugt zylindrische

Kolbenschaft weist eine Außenseite und eine einen Hohlraum bildende Innenseite auf. Die thermischen und mechanischen Belastungen an der Bolzenbohrung sind auf der Innenseite, in axialer Richtung der Bolzenbohrung, größer als auf der Außenseite. Somit ist nicht nur eine Anpassung der

Sacklochtiefen, Öffnungsquerschnitte und/oder Dichten in ümfangsrichtung der Bolzenbohrung bevorzugt, sondern auch entlang der axialen Richtung.

Somit fallen die Tiefen der Sacklöcher in axialer Richtung der Bolzenbohrung innen bevorzugt kleiner aus als außen, oder sie fallen in einem inneren Bereich gänzlich weg, wobei die Tiefen von außen nach innen bevorzugt allmählich abnehmen.

Zusätzlich oder alternativ können die Öffnungsquerschnitte von außen nach innen kleiner ausfallen, wobei die Abnahme bevorzugt allmählich stattfindet.

Zusätzlich oder alternativ kann die oben definierte

Sacklochdichte im in Kolbenbolzenrichtung inneren Bereich des Kolbenschafts kleiner ausfallen, wobei die Sacklochdichte von außen nach innen in axialer Richtung der Bolzenbohrung bevorzugt allmählich abnimmt.

Die sechs Steuerungsparameter, Sacklochtiefe,

Sacklochquerschnitt und Sacklochdichte entlang der

Umfangsrichtung der Bolzenbohrung, und Sacklochtiefe,

Sacklochquerschnitt und Sacklochdichte entlang der axialen Richtung des Bolzens können einzeln oder in einer beliebigen Kombination zur Anpassung an die gegebenen

Belastungsverhältnisse eingestellt werden. Indem die

Sacklöcher punktuell eingebracht werden, ist eine Anpassung oder Neueinstellung an die gegebenen Belastungsverhältnisse, ggf. unter Einbeziehung neuer Erkenntnisse, im Rahmen des Herstellungsverfahrens rasch, ohne eine grundlegende

Neuauslegung der Ölrückhalte- und Verteilungsstrukturen möglich .

Zum Einbringen der Sacklöcher wird bevorzugt ein Laser verwendet, mit dem eine Beschädigung des Materials, der die Sacklöcher umgebenden Bereiche, minimiert wird. Alternativ können Vertiefungen der obigen Art mittels

Elektronenstrahlbohren geschaffen werden. Durch die

Perforation mit dem Elektronenstrahl weisen die Bohrungen eine typische Form auf. Im Falle von Durchgangsöff ungen, die von der Erfindung nicht umfasst sind, ist die

Strahlaustrittsseite scharfkantig und gradfrei. Auf der Eintrittsseite gibt es einen leicht konischen Einlauf.

Das Bohren oder Lasern der Sacklöcher wird vorzugsweise mit hoher Oberflächengüte ausgeführt, wie es beispielsweise durch das Wendelbohren gewährleistet wird. Beim Wendelbohren wird die Laserstrahlung in eine Drehbewegung relativ zum Werkstück versetzt. Hierbei sind zum Materialabtrag aufgrund des geringen Abtragsvolumens pro Durchlauf mehrere Durchläufe über das Werkstück erforderlich. Auf der anderen Seite wird die Bildung einer Schmelzbasis aufgrund des geringen

Abtragsvolumens im Öff ungsgrund gering gehalten, wodurch eine hohe Oberflächengüte der Öffnungswandung erreicht wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt in einem Querschnitt einer

Bolzenbohrung deren thermische und mechanische Belastungsverteilung.

Figur 2 zeigt schematisch einen Kolben zur

Veranschaulichung der zu steuernden Öffnungsparameter .

Figuren 3a bis 3g zeigen Verteilungsgeometrien und

Größenänderungen der Sacklöcher.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Figur 1 ist ein Querschnitt durch einen Kolben, der entlang der axialen Richtung einer Bolzenbohrung 20 und axial entlang eines Kolbenschafts 11 genommen ist.

Der Kolben weist einen Kolbenkopf 10 mit Brennraummulde 12 und Nuten 13, 14, 15 für Kolbenringe auf. Ferner ist ein Kühlkanal 16 vorgesehen, durch den der Kolben in seinen hoch belasteten Bereichen gekühlt werden kann.

Die Bolzenbohrung 20 des Kolbenschafts 11 weist eine

Reibfläche 21 auf. Sacklöcher gemäß der Erfindung sind in der Figur 1 nicht gezeigt. Vielmehr stellt die Figur 1 die

Verteilung thermischer und mechanischer Belastungen beim bestimmungsgemäßen Gebrauch des Kolbens grafisch dar. Dabei zeigt der eingekringelte Bereich 30 einen Abschnitt besonders hoher thermischer und mechanischer Belastung. Dieser

Abschnitt 30 bildet sich um den Zenit 22 herum aus. Im unteren Bereich 23 der Bolzenbohrung 20, hingegen, ist das Kolbenmaterial geringeren Belastungen ausgesetzt. Ferner ist der Abschnitt besonders hoher Belastung 30 in der Figur 1 nach links verschoben, d. h. das Kolbenmaterial im Bereich der Bolzenbohrung 20 ist innen höheren Belastungen ausgesetzt als außen. Hierbei bezeichnet „außen" den

ümfangsbereich des Schafts 11 und „innen" den

hohlraumseitigen Bereich des Schafts 11.

Die Kolben zeigen in der Bolzenbohrung 20 bei

Zünddruckbelastung eine hohe mechanische Belastung auf. Damit es an den Schmiertaschen oder Sacklöchern nicht zu Rissen aufgrund einer unerlaubt hohen Spannungserhöhung führt, sollten die Schmiertaschen im Bereich erhöhter Spannung 30 weniger groß und/oder weniger tief und/oder weniger häufig ausgeführt werden. Wenn für die Festigkeit nötig und die Schmierung noch ausreichend, können diese im höchstbelasteten Bereich auch weggelassen werden. Die Schmiertaschen können bei Buchsen und buchsenlosen Kolben angewendet werden. Die Größe und/oder Tiefe der Sacklöcher sollte zum Zenit 22 hin kleiner und/oder weniger tief ausgeführt werden. Dies ist auch in Längsrichtung der Kolbenbohrung zu beachten. Um der in Fig. 1 gezeigten Belastungsverteilung gerecht zu werden, hat es sich somit als sinnvoll herausgestellt, die

erfindungsgemäßen Sacklöcher im Zenit 22 weniger stark auszuprägen als im unteren Bereich 23. Dies ist in der

Seitenansicht der Figur 2 schematisch mit einem Pfeil

dargestellt. In der Figur 2 sind Details aus der Figur 1 weggelassen.

In den Figuren 3a bis 3g sind Geometrien der Verteilung der Sacklöcher und Querschnittsänderungen derselben gezeigt, wie sie in die Reibfläche 21 der Bolzenbohrung 20 eingebracht werden können. Das Äugenmerk wird hierbei auf die

Sacklochdurchmesser und Anordnung der Sacklöcher gerichtet. Die Tiefe der Sacklöcher ist nicht gezeigt, kann jedoch alternativ oder zusätzlich variiert werden, wie es oben beschrieben wurde. Es sei allerdings bemerk, dass die Figuren 3a bis 3g schematischer Natur sind und lediglich beispielhaft mögliche Verteilungsgeometrien der Sacklöcher und Änderungen ihrer Durchmesser zeigen. Die Lage und Ausrichtung der gezeigten Reibflächen-Ausschnitte im Gesamtaufbau des Kolbens gehen daraus nur teilweise hervor.

In Figur 3a befinden sich im Bereich des Zenits und im hohlraumseitigen Bereich der Reibfläche keine Sacklöcher. In den Figuren 3a und 3b sind Sacklöcher beidseitig des Zenits ausgeführt, wobei deren Durchmesser in der Figur 3b in der Umfangsrichtung der Bolzenbohrung 20 vom Zenit 22 weg zunimmt. Die der Figur 3b ähnliche Figur 3c zeigt eine einseitige Anordnung. In der Figur 3d ist die Zunahme der Sacklochdurchmesser in Längsrichtung entlang der Bolzenachse dargestellt. In Figur 3e erstrecken sich die Sacklöcher in Umfangsrichtung, wobei im Zenit kein Sackloch vorgesehen ist. In Umfangsrichtung vom Zenit weg werden die Sacklöcher größer. In Figur 3f ist eine Linie entlang der Bolzenachse gezeigt. Eine linienförmige Geometrie, in der sich zwei

Linien von Sacklöchern kreuzen, ist in Figur 3g gezeigt.