Kolbenbolzenbuchsen sind Buchsen, die im kleinen Pleuelauge von Pleuelstangen für Verbrennungsmotoren vorgesehen sind. Bei hochbe- lasteten Motoren ist das Problem aufgetreten, dass die Buchse insbe- sondere im mittleren Bereich (bezogen auf die Radialachse der Buch- se) beim Einlaufen des Motors zum Einfresse ! p neigt.

Kolbenbuchsen können massiv aus einem Werkstoff sein oder eine Träger-und eine Gleitschicht aufweisen. Wenn im folgenden von Gleit- schicht die Rede ist, wird damit auch der an der Innenfläche liegende Werkstoffabschnitt eine Massivkolbenbolzenbuchse gemeint.

In der Vergangenheit konzentrierte man sich eher auf das Problem der Krafteinlenkung und Spannungsverteilung im Bereich Kolben-Pleuel- Verbindung.

In der DE 30 36 062 C2 wird versucht, die Spannungsspitzen im oberen Bereich der Bolzennarben zu vermeiden, indem die Kante der Kolben- bolzenbohrung verrundet wird bzw. die Kolbenbolzenbohrung aufgewei- tet wird.

Gemäß der DE 41 33 586 A1 werden örtliche Überlastungen der Kol- benlagerbuchse verhindert, indem die an die Stirnseiten angrenzenden Endbereiche der Pleuelstangenbohrung, d. h. des kleinen Pleuelauges nachgiebig gestaltet werden. Dazu werden entweder Entlastungsnuten eingearbeitet oder die Wanddicke minimiert.

In der DE 198 28 847 A1 wird eine ausreichende Lebensdauer der Kol- benbolzenbuchse bei höheren Betriebskräften dadurch erreicht, dass im Übergangsbereich zwischen den Scheitellinien der Buchse Material- verringerungen, insbesondere Durchbrechungen vorgesehen werden.

Dadurch wird der Radialdruck auf den Bereich der Buchsenenden ver- lagert.

Gemäß der DE 100 29 950 A1 werden die Druckspitzen am äußeren Rand des Pleuelauges, die durch das Verbiegen des Bolzens bei Be- lastung hervorgerufen werden, dadurch aufgefangen, dass das Pleuel- auge als Formbohrung gestaltet ist, die von der zylindrischen Form ab- weicht und zwar derart, dass sie der Verformung des Kolbenbolzens folgt. Die Verwendung einer Buchse soll dadurch überflüssig werden.

Auch Entlastungsnuten, die aufwendig zu fertigen sind und daher teuer sind und die außerdem zu Ölverlust führen, werden überflüssig.

Auf eine Buchse zu verzichten hat aber auch Nachteile : Einerseits kann nur durch Einsatz einer Buchse eine optimale Reibpaarung zwischen Pleuel und Kolbenbolzen erreicht werden. Andererseits tragen die Buchsen auch dazu bei, die Fluchtung mit dem großen Pleuelauge auszurichten, in dem die Buchsen nach dem Einbau nachbearbeitet werden.

In der EP 0 716 240 B1 geht es darum, den Fresswiderstand eines Gleitlagers zu erhöhen. Dies wird dort durch eine definierte Oberflä- chenstruktur erreicht, die sich von der Lagerlegierungsschicht über die Zwischenschicht bis in die Deckschicht fortsetzt. Diese Berg-Tal- Struktur mit bestimmten Bedingungen an die Berghöhe, die Zwischen- schichtdicke und die Deckschichtdecke hat den Effekt, dass auch nach einem gewissen Abrieb Anteile der Deck-und Zwischenschicht zur Gleitoberfläche gehören und damit als Schmiermittel zur Verfügung stehen.

Gleitlager unterscheiden sich aber prinzipiell hinsichtlich Beanspru- chungsart und Schmierungsbedingungen von Buchsen. Die Gleitlager sind druckölgeschmiert und aufgrund der großen Relativgeschwindig- keiten zwischen Welle und Lager bildet sich meist ein hydrodynami- scher Schmierfilm aus. Im kleinen Pleuelauge hingegen kommt es zwi- schen Kolbenbolzen und Kolbenbolzenbuchse meist nur zu kleinen, oszillierenden Relativbewegungen, d. h. es kommt weitaus häufiger zu Mischreibungsbedingungen und dadurch zu Festkörperkontakt. Daher lassen sich die Erkenntnisse aus der EP 0 716 240 B1 nicht unmittelbar auf Buchsen, insbesondere Kolbenbolzenbuchsen übertragen.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe darin, eine Kolbenbolzen- buchse, die auch in hochbelasteten Motoren beim Einlaufen des Motors nicht zum Einfressen neigt, und ferner eine geeignetes Herstellungsver- fahren bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Kolbenbolzenbuchse gelöst, deren Gleitschichtoberfläche zumindest im Hauptlastbereich, gemessen über den Buchsenquerschnitt in axialer Richtung, folgende Parameterwerte aufweist : - in einer Tiefe von maximal 1, 800 um beträgt der Traganteil mi- nimal 99,0% ; - die Tiefe des Rauhigkeitskernprofils beträgt maximal 0, 30 um ; -der Materialanteil Mrl des Rauhigkeitskernprofils beträgt maxi- mal 8%.

Außerdem wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Gleitschicht der Kolbenbolzenbuchse durch ein Oberflächenbearbeitungsverfahren end- bearbeitet wird.

Bei der Entwicklung der erfindungsgemäßen Kolbenbolzenbuchse hat sich erstaunlicherweise herausgestellt, dass dem Problem nicht alleine durch eine Optimierung des Lagerwerkstoffes bezüglich Zusammenset- zung, Aufbau und Gefügestruktur beizukommen ist, sondern eine spezi- fisch gestaltete Oberflächentopographie zum Ziel führt. Stellt man Kol- benbolzenbuchsen mit der erfindungsgemäß definierten Oberflächen- struktur zur Verfügung, kann ein Fressen während der Einlaufphase wirkungsvoll verhindert werden.

Der Traganteil in einer gewissen Schnitttiefe lässt sich dadurch feststel- len, dass z. Bsp. im Rahmen der Messung eines Rauhigkeitprofils Schichten im Zehntel-, um-Bereich sukzessive abgetastet werden und nach jedem Tastschritt festgestellt wird, wie hoch der Anteil an Vollma- terial an der Gesamtoberfläche ist. Einen Traganteil von 100 % erhält man unterhalb des tiefsten Tals des Rauhigkeitsprofils. Es hat sich her- ausgestellt, daß ein Fressen während der Einlaufphase verhindert wird, wenn schon in geringer Schnittiefe der Traganteil möglichst hoch ist.

Ein weiterer Parameter zur Bestimmung der Güte der Gleitflächentopo- logie der Kolbenbolzenbuchse ist die Tiefe des Rauhigkeitsprofils, der sogenannte Rk-Wert. Trägt man die Schnitttiefe gegen den Materialan- teil (auch Traganteil genannt) auf, hat man in der Regel einen Kurven- verlauf, der zwischen einem steilen Abfall bei kleinen Traganteilen und einem steilen Abfall bei hohen Traganteilen einen breiten, flachen Ab- schnitt aufweist. Die genaue Bestimmung des Rk-Wertes ist in EN ISO 13565-2 beschrieben. Sehr gute Ergebnisse bezüglich des fressfreien Einlaufens erreicht man bei den erfindungsgemäßen Kolbenbolzen- buchsen, wenn der Rk-Wert der Gleitschicht im Hauptlastbereich ma- ximal 0,30 um beträgt.

Auch die Bestimmung des Materialanteils Mr1 des Rauhigkeitskernpro- fils, der in Prozent angegeben wird und durch die Schnittlinie bestimmt ist, die die herausragenden Spitzen von dem Rauhigkeitskernprofil ab- trennt, ist in EN ISO 13565-2 definiert. Mr1 sollte maximal 8% betragen.

Vorzugsweise sollte Mr1 maximal 7% betragen.

Besonders bevorzugt sind Kolbenbolzenbuchsen, deren Gleitschicht- oberfläche im Hauptlastbereich in einer Schnitttiefe von maximal 0,900 um einen Traganteil von minimal 99,0 % aufweisen. Dabei hat es sich von Vorteil erwiesen, wenn der Rk-Wert der Gleitschicht im Hauptlast- bereich maximal 0, 15 um beträgt.

Die erfindungsgemäßen Kolbenbolzenbuchsen können zusätzlich durch die Halbwertsbreite der Häufigkeitsverteilung des Rauhigkeitsprofils charakterisiert werden. Dazu wird die Häufigkeit von Bergen und Tälern der Gleitschichtoberfläche in Abhängigkeit von deren Höhenunterschied aufgetragen. Vorzugsweise beträgt die Breite der Verteilung bei halbem Maximum höchstens 0,20 um, besonders bevorzugt sind höchstens 0, 10 um.

Erfindungsgemäß wird die Oberflächencharakteristik der zuvor be- schriebenen Kolbenbolzenbuchsen dadurch hergestellt, dass sie durch Oberflächenbearbeitungsverfahren wie z. B. Hohnen, Reiben, Schleifen, Läppen, Kalibrieren, Polieren, Räumen, Feindrehen oder Erodieren auf das geforderte Oberflächenprofil endbearbeitet werden. Als besonders vorteilhaft hat sich das Plateauhohnen erwiesen, bei dem in mehreren Stufen die Oberfläche besonders eben gestaltet werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Kolbenbolzenbuchse eine Gleitschicht auf, die zumindest zuäußerst aus einer bleifreien Kupferlegierung besteht. Besonders bevorzugt sind die Systeme CuAI (Aluminiumbronze), CuZn (Messing) oder CuSnZn (Rotguß).

Die besonderen Vorteile der Gleitschichtoberfläche der erfindungsge- mäßen Kolbenbolzenbuchse hinsichtlich ihres Widerstandes gegen Ein- lauffressen können sowohl mit heterogen aufgebauten Gefügestruktu- ren als auch mit homogen aufgebauten Gefügestrukturen erreicht wer- den. Dies ist besonders wichtig, wenn bei den Lagerwerkstoffen aus Umwelt-bzw. Fertigungsgründen auf das Legierungselement Blei ver- zichtet werden muß. Durch die spezielle Oberflächenstruktur können die fehlenden besonderen tribologischen Eigenschaften des Bleis zu- mindest kompensiert werden, d. h. auch ohne Blei als Legierungsele- ment kommt es im Anwendungsfall zu keinem Einlauffressen.

Die Erfindung soll anhand der folgenden Diagramme und Abbildungen näher erklärt werden. Dazu zeigen : Figur 1 a das Rauhigkeitsprofil einer ersten Kolbenbolzenbuchse, Figur 1 b den Materialanteil bei verschiedenen Schnitttiefen einer ersten Kolbenbolzenbuchse, Figur 1 c die Häufigkeitsverteilung der Rauhigkeiten einer ersten Kolbenbolzenbuchse, Figur 2a das Rauhigkeitsprofil einer zweiten Kolbenbolzenbuchse, Figur 2b den Materialanteil bei verschiedenen Schnitttiefen einer zweiten Kolbenbolzenbuchse, Figur 2c die Häufigkeitsverteilung der Rauhigkeiten einer zweiten Kolbenbolzenbuchse, Figur 3a das Rauhigkeitsprofil einer herkömmlichen Kolbenbolzen- buchse, Figur 3b den Materialanteil bei verschiedenen Schnitttiefen einer herkömmlichen Kolbenbolzenbuchse, Figur 3c die Häufigkeitsverteilung der Rauhigkeiten einer her- kömmlichen Kolbenbolzenbuchse, Figur 4a eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Gleit- schichtoberfläche einer erfindungsgemäßen Kolbenbol- zenbuchse und Figur 4b eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Gleit- schichtoberfläche einer herkömmlichen Kolbenbolzen- buchse.

In Figur 1 a ist das Rauhigkeitsprofil einer ersten Kolbenbolzenbuchse dargestellt. Die Gleitfläche dieser ersten Kolbenbolzenbuchse wurde einer mechanischen Oberflächenglättung unterzogen. Die gesamte Taststrecke betrug 4,80 mm, die Gesamthöhe des Profils Rt (EN ISO 4287), liegt bei ca. 2 um. Die Oberfläche der Gleitschicht wurde suk- zessive in 0, 150 um Schnitttiefenschritten ausgemessen. Bei jeder Schnitttiefe wurde der Traganteil bestimmt. Außerdem wurden die Wer- te Rk und Mr1 bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammen- gefasst.

Wie in Tabelle 1 erkennbar, weist diese erste Kolbenbolzenbuchse bei einer Schnitttiefe von 1, 800 um einen Traganteil von 99,5 % auf. Au- ßerdem hat ihre Gleitschichtoberfläche einen Rk-Wert von 0, 26 um und einem Mr1-Wert von 5,9%.

In Figur 1 b ist die Schnitttiefe gegen den Traganteil aufgetragen. Aus dieser Verteilung ergibt gemäß EN ISO 13565-2 ein Rk-Wert von 0,26 um.

In Figur 1c ist die Häufigkeit der einzelnen Unebenheiten aufgetragen.

Diese Verteilung weist eine Halbwertsbreite von 0,18 um auf.

Die durch die Figuren 2a-c und Tabelle 2 beschriebene zweite erfin- dungsgemäße Kolbenbolzenbuchse wurde durch Plateauhohnen end- bearbeitet. Bei einer Schnitttiefe von nur 0, 45 um weist sie bereits einen Traganteil von 99,7 % auf. Ein Traganteil von 100 % wird bereits bei einer Schnitttiefe von 0, 75 um erreicht. Der Rk-Wert ist mit 0, 11, um viel geringer als bei der ersten Kolbenbolzenbuchse. Der Mrl-Wert ist mit 6,9 % hingegen höher. Die Halbwertsbreite der Häufigkeitsverteilung beträgt 0,08 um und ist damit weitaus geringer als bei der ersten Kol- benbuchse. Es hat sich gezeigt, daß diese zweite Kolbenbuchse auch für den Einsatz bei höchsten Lasten optimal geeignet ist.

Zum Vergleich sind in den Figuren 3a, b und c sowie in Tabelle 3 die Messwerte für eine herkömmliche Kolbenbolzenbuchse dargestellt. Bei einer Schnitttiefe von 0, 450 um beträgt der Traganteil erst 4,7 %, bei einer Schnittiefe von 0, 900 um 68,7 %, bei einer Schnitttiefe von 1,200 um 90,0 % und bei einer Schnitttiefe von 1, 800 um 96,2 %. Erst bei ei- ner Schnitttiefe von 2, 400 um wird die 99%-Grenze beim Traganteil ü- berschritten. Der Rk-Wert ist mit 0, 52 um doppelt so groß wie bei der ersten erfindungsgemäßen Kolbenbolzenbuchse. Der Mr1-Wert ist mit 9,9 % viel höher als bei beiden erfindungsgemäßen Kolbenbolzenbuch- sen. Die Halbwertsbreite der Rauhigkeits-Häufigkeitsverteilung ist mit 0, 66 um sogar mehr als 3-mal so groß wie bei der ersten erfindungs- gemäßen Kolbenbolzenbuchse.

In den Figuren 4a und 4b sind Rasterelektronenmikroskopaufnahmen einer erfindungsgemäßen Kolbenbolzenbuchse (Figur 4a) und einer herkömmlichen Kolbenbolzenbuchse (Figur 4b) dargestellt. Die Ober- fläche der Gleitschicht der erfindungsgemäßen Kolbenbolzenbuchse wurde durch Plateauhohnen endbearbeitet, so dass sich eine Oberflä- che sehr geringer Rauhigkeit mit hohem Traganteil schon in geringer Schnitttiefe ergibt. Die Oberfläche der Gleitschicht der herkömmlichen Kolbenbolzenbuchse hingegen wurde durch grobes Hohnen bearbeitet.

Dies führt zu einem ausgeprägtem Streifenmuster, das sehr große Rauhigkeiten aufweist. Diese führen insbesondere beim Einsatz der Kolbenbolzenbuchse in hochbelasteten Motoren zum Einfressen beim Einlaufvorgang.

Tabelle 1 : Rk = 0, 26 µm, Mr1 = 5,9 % Schnitttiefe Traganteil 0,150 µm 14,6% 0, 300 µm 64,6% 0, 450 µm 85,3% 0, 600 µm 91,4% 0, 750 µm 93,7% 0, 900 pm 95, 2% 1, 050µm 96,2% 1, 200 um 97, 0 % 1, 350 µm 97,8% 1, 500µm 98,5% 1, 650 um 99, 1 % 1, 800µm 99,5% 1, 950 µm 99,8% 2, 100 µm 100,0% 2, 250 um 100, 0 % 2, 400 µm 100,0% 2, 550 µm 100,0% 2, 700 um 100, 0 % 2, 850 µm 100,0% 3, 000 um 100, 0 % Tabelle 2 : Rk = 0, 11 µm, Mr1 = 6,9 % Schnitttiefe Traganteil 0, 150 µm 73,4% 0, 300 µm 99, 2% 0,450 pm 99, 7% 0, 600 µm 99,9% 0,750 µm 100,0% 0, 900 µm 100,0% 1, 050µm 100,0% 1, 200 um 100, 0 % 1, 350 µm 100,0% 1, 500 µm 100,0% 1, 650 µm 100,0% 1, 800 µm 100,0% 1, 950 pm 100, 0 % 2, 100 µm 100,0% 2, 250 µm 100,0% 2, 400 um 100, 0 % 2, 550 µm 100,0% 2, 700 pm100, 0% 2, 850 pm100, 0% 3, 000 pm100, 0% Tabelle 3 : Rk = 0,52 pm, Mr1 = 9,9 % Schnitttiefe Traganteil 0, 150 µm 0,4% 0, 300 µm 1,1% 0, 450 µm 4,7% 0, 600µm 17,8% 0, 750 µm 43,5% 0,900 pm68, 7% 1, 050µm 83,6% 1, 200 pm 90, 9% 1, 350 pm 93, 2 % 1,500 µm 94,3% 1, 650µm 95,3% 1,800 pm96, 2% 1,950 µm 96,8% 2, 100µm 97,7% 2, 250 µm 98,4% 2, 400 pm 99, 1 % 2, 550 µm 99,5% 2, 700 µm 99,7% 2, 850 µm 99,8% 3, 000 pm 99, 9%