VERWENDUNG EINES SOLCHEN KOLBENBOLZENS

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenbolzen für Verbrennungsmotoren, ein System aus Kolbenbolzen und Kolben, einen Motor mit einem Kolbenbolzen oder mit einem System aus Kolbenbolzen und Kolben und die Verwendung eines Kolbenbolzens oder eines Systems aus Kolbenbolzen und Kolben für Motoren, insbesondere Verbrennungsmotoren.

Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik

Vor dem Hintergrund andauernder Bemühungen, insbesondere Verbrennungsmotoren in vielerlei Hinsicht effizienter zu gestalten, werden verschiedenste Optimierungswege beschritten .

Einer davon ist die Optimierung des Systems Kolbenbolzen- Kolben. Bei Verbrennungsmotoren haben die oszillierenden Massen einen hohen Einfluss auf die benötigten Ausgleichsmassen und die Dynamik des Motors. Insbesondere bei Dreizylinder-Ottomotoren mit wenig Hubraum würde eine drastische Reduktion der oszillierenden Massen von Kolben und Kolbenbolzen einen Entfall der Ausgleichswelle ermöglichen, was zu einer wünschenswerten Kostenreduktion führt.

Daher ist eine Gewichtsreduktion im Kolbenbolzen-Kolben- System eine technisch relevante Aufgabenstellung. Bei der Verringerung der Gesamtmasse der Kolbengruppe wurde bisher allerdings der Fokus überwiegend auf die Optimierung des Kolbens gelegt und beispielsweise durch die Entwicklung und Anwendung leichterer Kolbenmaterialien adressiert. Da aber nun auch die Festigkeit von Kolben aus vergleichsweise leichten Aluminiummaterialien mittlerweile aufgrund stetiger Leistungssteigerungen bei gleichbleibenden Gewichtsvorgaben an einer Grenze angelangt ist, scheint es sinnvoll, sich dem Kolbenbolzen zuzuwenden.

Zurzeit werden Kolbenbolzen für Verbrennungsmotoren weit überwiegend aus den Stählen 16MnCr5 und 17Cr3 hergestellt, die ferner auch noch einer Einsatzhärtung unterzogen werden. Die Herstellung von Kolbenbolzen aus gehärtetem Stahl ist beispielsweise allgemein in der DE 950297 B beschrieben.

Darstellung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kolbenbolzen mit reduzierter Masse vorzusehen, wobei dabei die funktionalen Eigenschaften des Kolbenbolzens nicht negativ beeinflusst werden sollen.

Diese Aufgabe wird durch den Kolbenbolzen gemäß Anspruch 1 gelöst .

Der erfindungsgemäße Kolbenbolzen für Verbrennungsmotoren besteht aus einem einsatzgehärteten Stahl und ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis aus einer Restwanddicke des Kolbenbolzens zu einer Gesamtdicke einer Einsatzhärteschicht < 2 beträgt und ferner ein Verhältnis aus Innendurchmesser und Außendurchmesser des Kolbenbolzens > 60 % beträgt. Der erfindungsgemäße Kolbenbolzen ist bevorzugt dem üblichen fachmännischen Verständnis folgend - ein hohlzylindrisches, längliches Bauteil, das zur Befestigung von Kolben und Pleuelstange dient und dazu durch entsprechend ausgestaltete Öffnungen dieser geführt wird. Weiter dient es zur Realisierung der Kraftübertragung zwischen Bolzenaugen des Kolbens und des Pleuels. Demnach besteht der erfindungsgemäße Kolbenbolzen bevorzugt ausschließlich aus diesem hohlzylindrischen, länglichen Bauteil. Aus der hohlzylindrischen Ausführung ergibt es sich, dass der Kolbenbolzen im Querschnitt durch einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser beschrieben werden kann. Der Differenzbetrag aus Außendurchmesser und Innendurchmesser dividiert durch 2 definiert ferner die Wandstärke des Kolbenbolzens. Der Kolbenbolzen der vorliegenden Erfindung hebt sich u.a. dadurch vom Stand der Technik ab, dass die Differenz zwischen Außendurchmesser und Innendurchmesser kleiner ist als gewöhnlich. Der Innendurchmesser des Kolbenbolzens beträgt dabei mehr als 60 % des Außendurchmessers, üblicherweise sind es deutlich weniger als 60 %. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Obergrenze dieses Wertes beschränkt. Solange der Kolbenbolzen seine Funktionalität im Wesentlichen beibehält, sind auch Innendurchmesser deutlich größer als 60 % mit umfasst. Bevorzugt beträgt der Innendurchmesser mehr als 60 % bis zu einschließlich 80 %, wobei die 80 % als technisch sinnvolle jedoch nicht beschränkende Obergrenze angesehen werden kann. Damit ergibt sich eine geringere Wanddicke des Kolbenbolzens und somit eine entsprechende Materialeinsparung, die mithin zu einer Massereduzierung des Kolbenbolzens führt. Der erfindungsgemäße Kolbenbolzen besteht ferner aus einem einsatzgehärteten Stahl, was - dem normalen Verständnis des Fachmanns entsprechend - bedeutet, dass das

Kolbenbolzenmaterial zunächst ein geeignetes einsatzhärtbares Material sein muss, welches den üblichen Verfahrensschritten des Einsatzhärtens: Aufkohlen, Härten/Abschrecken und Anlassen unterzogen werden kann und aus dem der erfindungsgemäße Kolbenbolzen mit üblichen Fertigungsmethoden hergestellt wird. Bei dem Kolbenbolzen gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, dass ein definiertes Verhältnis aus einer Restwanddicke des Kolbenbolzens (d.h. nicht- einsatzgehärtes Material bzw. nicht-einsatzgehärteter Kolbenbolzendickenabschnitt) zu einer Gesamtdicke einer Einsatzhärteschicht (d.h. Summe der Tiefen/Dicken der Kolbenbolzenwand mit Einsatzhärtung) < 2 beträgt. Die Einsatzhärtetiefe für Bolzen ist dabei gemäß ISO 18669-1 („Internal combustion engines - Piston pins - General specifications" ) bestimmbar. Für die vorliegende Erfindung wird eine Einsatzhärtung direkt am hohlzylindrischen Kolbenbolzen, meist im ungeschliffenen Zustand, mit konventionellen Verfahren durchgeführt. Dies bedeutet, dass sich eine Einsatzhärteschicht sowohl von der Außenseite als auch der Innenseite des hohlzylindrischen Kolbenbolzens einstellt. Der erfindungsgemäße Kolbenbolzen weist somit bevorzugt eine außen- und innenseitige Einsatzhärtung auf, die von der außen- und innenseitigen Oberfläche des Kolbenbolzens ausgehend erzeugt wird. Die Einsatzhärtung erstreckt sich dann von den kolbenbolzenaußenseitigen und kolbenbolzeninnenseitigen Flächen in die Tiefe der Kolbenbolzenwand. Das Verhältnis der kumulierten Dicken- /Tiefenerstreckung dieser einsatzgehärteten Schichten im Vergleich zu dem Teil der oben beschriebenen Gesamtwanddicke, der im Wesentlichen nicht einsatzgehärtet ist, beträgt dann weniger als 2. Mit anderen Worten, der einsatzgehärtete Kolbenbolzenwandbereich bzw. die einsatzgehärtete Schicht sollte insgesamt eine gewisse Mindestdicke aufweisen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf das Verbleiben eines ungehärteten „Kerns" der Kolbenbolzenwand beschränkt. Denkbar ist auch eine fast oder vollständige durchgehärtete Kolbenbolzenwand, die sich insbesondere bei vergleichsweise besonders großen Innendurchmessern, d.h., besonders dünnwandigen Kolbenbolzen gemäß der vorliegenden Erfindung ergeben kann. Daraus folgt dann ein Verhältnis aus der Restwanddicke des Kolbenbolzens zu der Gesamtdicke einer Einsatzhärteschicht von nahezu 0. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf identische außenseitige und innenseitige Einsatzhärtetiefen der Kolbenbolzenwand bzw. Schichtdicken der Einsatzhärtung beschränkt. Denkbar ist hier, die Einsatzhärtetiefen bzw. Schichtdicken gezielt den spezifischen Belastungen an der Außenseite und der Innenseite des Kolbenbolzens anzupassen und ggf. unterschiedlich einzustellen. Optional mit umfasst ist dabei auch, dass die Außen- oder Innenseite des Kolbenbolzens ungehärtet ist. Insgesamt ergibt sich somit ein Kolbenbolzen mit signifikant reduzierter Masse ohne gleichzeitige Einbußen bei der Funktionalität und den Betriebseigenschaften. Grundsätzlich sind damit kostenneutrale Gewichtsreduktionen des Kolbenbolzens von 10 bis 20 % für Otto- und Dieselkolben möglich. Bei bestimmten Motorentypen kann ggf. auch auf den Einsatz von Ausgleichswellen etc. verzichtet werden.

Bevorzugt ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass der Kolbenbolzen kein Hybrid (kolben) bolzen ist. Dies bedeutet, dass der erfindungsgemäße Kolbenbolzen nur aus dem hier beschriebenen hohlzylindrischen, hülsenartigen Bauteil besteht und nicht zusätzlich, wie bei Hybridbolzen üblich, weitere (darin eingebrachte) Bauteile/Komponenten, zum Beispiel Kerne oder Einsätze aufweist. Der erfindungsgemäße Kolbenbolzen ist bevorzugt einsatzfrei, d.h. weist kein in den hohlzylindrischen Bolzen eingefügtes weiteres Bauteil (Einsatz) auf, und ist ferner bevorzugt einteilig. Die vorteilhaften Eigenschaften geringes Gewicht und hohe Festigkeit sowie die Funktionalität des Kolbenbolzens insgesamt werden somit allein durch die Ausgestaltung des hohlzylindrischen Bauteils, d.h., die beschriebene Materialwahl, Einsatzhärtung und Dimensionierung erzielt.

Optional kann der hier insgesamt beschriebene Kolbenbolzen zumindest eine Innenfase aufweisen bzw. mit dieser versehen werden. Damit wird eine weitere Gewichtsreduktion erreicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Kolbenbolzens beträgt das Verhältnis aus der Restwanddicke des Kolbenbolzens zu der Gesamtdicke der Einsatzhärteschicht

< 1,5. Eine bevorzugte Untergrenze für das Dickenverhältnis beträgt etwa 1,0. Mit umfasst sind dabei zumindest auch konkret die Bereiche 1,0 bis < 2,0, 1,0 bis < 1,5 und 1,5 bis

< 2,0. Insgesamt werden mit dieser Wahl die oben beschriebenen Effekte noch optimiert. Ferner ist es bevorzugt, dass der einsatzgehärtete Stahl des erfindungsgemäßen Kolbenbolzens ein Einsatzstahl ausgewählt aus der Gruppe aus: 18CrNi8, 18CrNiMo7-6, 20MnCr5 und 20MnCrS5 ist. Hier weicht die vorliegende Erfindung weiter vom Stand der Technik ab, worin üblicherweise die Stahlsorten 17Cr3 und 16MnCr5 verwendet werden. Der Einsatz von höherfesten Stahlwerkstoffen, wie beispielsweise 20MnCr5/ 20MnCrS5 (1.7147/1.7149), 18CrNi8 (1.5920) oder 18CrNiMo7-6 (1.6587) ermöglicht bei gleicher Betriebsfestigkeit die wesentlich dünnere Wandstärke des erfindungsgemäßen Kolbenbolzens und somit eine vorteilhafte Reduktion der bewegten Masse. Trotzdem können weiterhin die erprobten Herstellungsverfahren angewendet werden und diesbezügliche Verfahrensumstellungen und Zusatzinvestitionen sind nicht erforderlich .

Optional weist der erfindungsgemäße Kolbenbolzen eine Oberflächenbeschichtung aus DLC, ta-C oder MoN auf. Diese kann je nach Bedarf an sämtlichen relevanten Flächen des Kolbenbolzens vorgesehen werden, beispielsweise an dessen Außen- und/oder Innenseite. Damit wird der Kolbenbolzen in vorteilhafter Weise z.B. vor Verschleiß in der Kolbennabe geschützt und tribologische Wechselwirkungen zwischen den Systemkomponenten der Kolbengruppe positiv beeinflusst.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System aus Kolbenbolzen und Kolben vorzusehen.

Diese Aufgabe wird durch das System aus einem Kolbenbolzen und einem Kolben gemäß Anspruch 9 gelöst.

Das erfindungsgemäße System weist den zuvor beschriebenen Kolbenbolzen in allen seinen möglichen und bevorzugten Ausführungsformen und einen Kolben auf, wobei der Kolben eine Kolbennabe mit einer Querovalität aufweist, d.h. der Durchmesser der Kolbennabe senkrecht zur Zylinderachse ist um einen bestimmten Betrag größer als der Durchmesser in Richtung der Zylinderachse. Die so definierte Querovalität korrespondiert idealerweise zu der Ovalisierung des Kolbenbolzens unter maximalem Zünddruck. Die zuvor beschriebenen, erfindungsgemäßen Maßnahmen zur

Massereduzierung des Kolbenbolzens können nicht vollständig isoliert betrachtet werden und haben Auswirkungen auf die mit dem Kolbenbolzen wechselwirkenden Bauteile, insbesondere den Kolben selbst. Zur vollen Entfaltung der damit in Verbindung stehenden technischen Vorteile ist ein Systemansatz gefragt, der eben auch wechselwirkende Bauteile mit einbezieht. Der erfindungsgemäße Kolbenbolzen kann durch dessen vergrößertes Durchmesserverhältnis bzw. dessen reduzierte Wandstärke im Betrieb eine gewisse Ovalisierung aufweisen, wobei aber dessen Biegeverhalten ähnlich zu konventionellen Kolbenbolzen bleibt. Die Ovalisierung kann verstanden werden, als elliptische Abweichung von einem kreisrunden Querschnitt des Kolbenbolzens. Dieser Veränderung der Querschnittsform des Kolbenbolzens wird im Hinblick auf die Betriebsfestigkeit der wechselwirkenden Kolbennabe/Kolbenbolzenbohrung durch

Bereitstellung einer korrespondierenden Querovalität dieser begegnet. Das erfindungsgemäße System ermöglicht somit entweder eine Reduzierung des Systemgesamtgewichts und der dynamischen Massen mit den daraus ableitbaren Vorteilen oder aber bei Beibehaltung des Systemgesamtgewichts eine Verstärkung des Kolbens, was u.a. die GesamtZuverlässigkeit des Systems erhöht.

Bevorzugt ist, dass die Querovalität der Kolbennabe > 0,1 % eines Kolbennabendurchmessers beträgt und ist besonders vorteilhaft hinsichtlich der Betriebsfestigkeit der Kolbennabe in Wechselwirkung mit dem erfindungsgemäßen Kolbenbolzen .

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems aus Kolbenbolzen und Kolben weist der Kolbenbolzen eine reduzierte Länge auf. Darunter ist zu verstehen, dass der Kolbenbolzen in seiner Länge von konventionellen Kolbenbolzen abweicht. Vorteilhaft daran ist, dass mit der Verkürzung des Kolbenbolzens eine weitere Reduzierung der Kolbenbolzenmasse und damit auch des Gesamtsystems aus Kolbenbolzen und Kolben einhergeht.

Weiterer Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist ein Motor, insbesondere ein Verbrennungsmotor, der den Kolbenbolzen oder das System aus Kolbenbolzen und Kolben gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Abschließender Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist noch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kolbens oder des erfindungsgemäßen Systems aus Kolbenbolzen und Kolben für und in Motoren, insbesondere Verbrennungsmotoren. Sowohl für den Motor selbst, wie auch für die vorgenannte Verwendung, werden alle zuvor beschriebenen Vorteile des Kolbenbolzens und des Systems aus Kolbenbolzen und Kolben realisiert und genutzt.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Nachfolgend werden kurz einig konkrete Ausführungsbeispiele, insbesondere des erfindungsgemäßen Kolbenbolzens beschrieben.

Ein konkreter gewichtsreduzierter Kolbenbolzen für einen Dieselmotor gemäß der vorliegenden Erfindung ist demnach aus 20MnCr5 gefertigt, weist einen Außendurchmesser von etwa 30 mm, einen Innendurchmesser von etwa 19,5 mm, eine Länge von etwa 68 mm und ein Gewicht von etwa 0,218 kg auf. Daraus ergeben sich ein Durchmesserverhältnis von etwa 65 % und eine Gewichtsreduktion zu einem Kolbenbolzen, der lediglich einen abweichenden Innendurchmesser von etwa 16,8 mm besitzt, von circa 11 %. Obiger Kolbentyp kann eine kolbenbolzenaußenseitige Einsatzhärtetiefe (500 HV) von etwa 1,08 mm und eine kolbenbolzeninnenseitige Einsatzhärtetiefe (500 HV) von etwa 1,06 mm aufweisen. Daraus ergibt sich dann ein Verhältnis von Restwandstärke des Kolbenbolzens zu der Gesamtdicke der beidseitigen Einsatzhärteschicht von etwa 1,45. Ferner beträgt eine Oberflächenhärte des Kolbenbolzens etwa 82 HRA und eine Kernhärte des Kolbenbolzens, also einer im westlichen nicht-einsatzgehärteten Mittelzone in der Kolbenbolzenwand von etwa 43 HRC .

Ein weiterer konkreter gewichtsreduzierter Kolbenbolzen für einen Benzinmotor gemäß der vorliegenden Erfindung ist demnach aus 20MnCr5 gefertigt, weist einen Außendurchmesser von etwa 22 mm, einen Innendurchmesser von etwa 14,5 mm, eine Länge von etwa 52 mm und ein Gewicht von etwa 0, 088 kg auf. Daraus ergeben sich ein Durchmesserverhältnis von etwa 66 % und eine Gewichtsreduktion zu einem Kolbenbolzen, der lediglich einen abweichenden Innendurchmesser von etwa 12 mm aufweist, von circa 14,6 %.

Zwei weitere konkrete bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Kolbenbolzen sind aus 20MnCr5 gefertigt und weisen jeweils einen Außendurchmesser von 20 mm und jeweils einen Innendurchmesser von 14,3 mm und eine Länge von 54 mm auf. Der Innendurchmesser des Kolbens beträgt dabei etwa 72 % des Außendurchmessers. Ein erster dieser Kolbenbolzen weist eine kolbenbolzenaußenseitige Einsatzhärtetiefe (500 HV) von etwa 0,65 mm und eine kolbenbolzeninnenseitige Einsatzhärtetiefe (500 HV) von etwa 0,66 mm auf. Beim zweiten Kolbenbolzen ergeben sich diesbezüglich Werte von etwa 0,70 mm und etwa 0,72 mm. Daraus ergeben sich wiederum Verhältnisse von Restwandstärke des Kolbenbolzens zur Gesamtdicke der beidseitigen Einsatzhärteschicht von etwa 1,18 bzw. etwa 1,01. Der erste Kolbenbolzen weist ferner eine Oberflächenhärte von etwa 79 HRA und eine Kernhärte von etwa 47 HRA auf. Beim zweiten Kolbenbolzen betragen diese Werte 80 HRA und 40 HRC.