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 50 ⁰ C bis 8O ⁰ C.

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 200 ⁰ C.

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 50 ⁰ C bis 80 ⁰ C 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 200 ⁰ C 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.