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 ⁰ C 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 ⁰ C 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 ⁰ C 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 ⁰ C 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 8O ⁰ C vorgewärmten Kolben.

Danach wird die Schicht thermisch in einem Ofen ausgehärtet, wobei der Kolben zwischeniO bis 20 Minuten lang auf einer Temperatur von 200 ⁰ C 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 ⁰ C 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 ⁰ C 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