DE102011113011A1

DE102011113011A1 - Pleuelstange für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zur Herstellung der Pleuelstange

Info

Publication number: DE102011113011A1
Application number: DE102011113011A
Authority: DE
Inventors: Oliver Methner; Manuel Michel; Matthias Münzberg
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2013-03-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem an oder in einem Pleuelfuß (2) angeordneten Pleuelauge (4) zur Verbindung mit einer Kurbelwelle, mit einem Lagerauge (7) zur Verbindung mit einem Kolben und mit einem das Pleuelauge (4) mit dem Lagerauge (7) verbindenden Pleuelschaft (3), wobei das Pleuelauge (4) an einer Teilungsebene (5) unter Bildung eines Pleuellagerdeckels (6) geteilt ist und an seiner Innenseite (8) eine thermische Spritzschicht als Oberflächenschicht (9) aufweist, wobei die Oberflächenschicht (9), insbesondere eine Lagermetalllegierungsschicht, mittels eines Spritzverfahrens auf eine Oberfläche des Bauteils aufbringbar ist. Erfindungsgemäß ist die Oberflächenschicht (9) als eine ein Pleuellager substituierende Lagermetalllegierungsschicht ausgebildet und durch eine klopfende oder hämmernde mechanische Nachbehandlung zumindest abschnittsweise derart nachverdichtet und aufgehärtet, dass die Oberflächenschicht (9) zumindest abschnittsweise unterschiedliche Härtegrade aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange (1) für eine Brennkraftmaschine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Pleuelstange gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.
Die DE 10 2009 020 674 B4 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils als Zylinderlaufbahn, Pleuel oder Lagerschale in einem Verbrennungsmotor, welches eine thermische Spritzschicht als Oberflächenschicht aufweist, bei welchem die Oberflächenschicht, insbesondere eine Lagermetalllegierungsschicht oder eine Verschleißschutzschicht, mittels eines Spritzverfahrens auf eine Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird und das Bauteil mit der Oberflächenschicht anschließend durch eine klopfende oder hämmernde Bearbeitung insbesondere mittels eines Schlag kopfes zur Nachverdichtung und Aufhärtung nachbehandelt wird, wobei die klopfende oder hämmernde Bearbeitung des Bauteils mit einem mittleren Energieeintrag oder einer mittleren Verformungsenergie oberhalb 100 kJ/m² erfolgt und dass die klopfende oder hämmernde Bearbeitung des Bauteils zu einer Oberfläche der Spritzschicht führt, die ein Muster aus nahe beabstandeten, aneinandergrenzenden und/oder sich teilweise überlagernden Vertiefungen aufweist, die eine Fläche im Bereich von 0,2 bis 10 mm² besitzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Pleuelstange für eine Brennkraftmaschine und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung der Pleuelstange anzugeben.
Hinsichtlich der Pleuelstange wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung der Pleuelstange wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der Pleuelstange für eine Brennkraftmaschine mit einem an oder in einem Pleuelfuß angeordneten Pleuelauge zur Verbindung mit einer Kurbelwelle, mit einem Lagerauge zur Verbindung mit einem Kolben und mit einem das Pleuelauge mit dem Lagerauge verbindenden Pleuelschaft, wobei das Pleuelauge an einer Teilungsebene unter Bildung eines Pleuellagerdeckels geteilt ist und an seiner Innenseite eine thermische Spritzschicht als Oberflächenschicht aufweist, wobei die Oberflächenschicht, insbesondere eine Lagermetalllegierungsschicht, mittels eines Spritzverfahrens auf eine Oberfläche des Bauteils aufbringbar ist, ist die Spritzschicht erfindungsgemäß als eine ein Pleuellager substituierende Lagermetalllegierungsschicht ausgebildet und durch eine klopfende oder hämmernde mechanische Nachbehandlung zumindest abschnittsweise derart nachverdichtet und aufgehärtet, dass die Oberflächenschicht zumindest abschnittsweise unterschiedliche Härtegrade aufweist. Besonders bevorzugt weist die Oberflächenschicht des Pleuelauges einen größeren Härtegrad, ein unterschiedliches Verdichtungsmuster, eine unterschiedliche Porosität und/oder eine größere Dichte auf als die Oberflächenschicht des Pleuellagerdeckels. Dadurch kann ein herkömmliches Pleuellager entfallen und eine das Pleuellager bildende Oberflächenschicht direkt auf ein Pleuelauge einer Pleuelstange aufgebracht werden, so dass eine Montage der Pleuelstange signifikant vereinfacht ist. Daraus resultieren vorteilhaft z. B. ein Bauraumgewinn, und eine Gewichtseinsparung.
Durch die unterschiedliche Bearbeitung und Ausbildung der Oberflächenschichten von Pleuelauge und Pleuellagerdeckel ist eine Anpassung der jeweiligen Oberflächenschichten an die unterschiedlichen Erfordernisse und Belastungen während des Betriebs der Brennkraftmaschine ermöglicht. Beispielsweise ist am Pleuelauge eine härtere und dichtere Oberflächenschicht zur verbesserten Kraftaufnahme erforderlich, während am Pleuellagerdeckel eine weichere und somit weniger dichte Oberflächenschicht erforderlich ist, welche eine besonders gute Einbettungsfähigkeit für Schmutzpartikel aufweist.
Dadurch ist eine Lebensdauer der Pleuelstange verlängerbar und eine Ausfallwahrscheinlichkeit ist reduziert.
Weiterhin kann durch den Entfall eines separaten Pleuellagers vorteilhafterweise ein Bauraumgewinn und eine Gewichtseinsparung erzielt werden.
Beim Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange für eine Brennkraftmaschine wird eine auf einem Pleuelauge und in einem Pleuellagerdeckel aufgebrachte und als Pleuellager ausgebildete Spritzschicht durch eine klopfende oder hämmernde mechanische Nachbehandlung zumindest abschnittsweise nachverdichtet und aufgehärtet. Dabei werden das Pleuelauge und der Pleuellagerdeckel bevorzugt gemeinsam in einem einzigen Arbeitsgang mechanisch nachbehandelt, wobei mit einem Bearbeitungswerkzeug postionsabhängig klopfende oder hämmernde Bewegungen unterschiedlicher Stärke, Frequenz und/oder Amplitude durchgeführt werden. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine kostengünstige und effiziente Serienproduktion.
Die Sicherheit bei einer Verwendung der Pleuelstange ist dadurch vergrößert, dass eine Ausfallwahrscheinlichkeit der Pleuelstange verringert ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 schematisch eine Pleuelstange mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Oberflächenschicht.
In 1 ist eine Pleuelstange 1 nach dem Stand der Technik dargestellt.
Die Pleuelstange 1 ist bei einem Kurbeltrieb einer Brennkraftmaschine die Verbindung zwischen einer Kurbelwelle oder einem Kurbelzapfen und einem sich in gerader Linie bewegenden Bauelement, beispielsweise einem Kolben. Die Pleuelstange 1 setzt die lineare Bewegung des Kolbens in die kreisförmige Bewegung der Kurbelwelle um (linear oszillierende Axialbewegung).
Die Pleuelstange 1 umfasst zumindest einen Pleuelfuß 2, ein Lagerauge 7 und einen Pleuelschaft 3.
Die Pleuelstange 1 ist mit einem an oder in dem Pleuelfuß 2 angeordneten Pleuelauge 4 zur Verbindung mit der Kurbelwelle, mit dem Lagerauge 7 zur Verbindung mit einem Kolben und mit dem das Pleuelauge 4 mit dem Lagerauge 7 verbindenden Pleuelschaft 3 versehen.
Das Pleuelauge 4 und der Pleuelfuß 2 sind an einer Teilungsebene 5 geteilt und ein Pleuellagerdeckel 6 ist üblicherweise mit zwei nicht dargestellten Verbindungsschrauben mit der Pleuelstange 1 verschraubt. Dazu sind beispielsweise in nicht dargestellter Weise zwei abschnittsweise mit einem Innengewinde versehene Sacklochbohrungen in der Pleuelstange 1 angeordnet, wobei die Innengewinde der Sacklochbohrungen mit den Außengewinden der Verbindungsschrauben korrespondieren.
Der demontierbare Pleuellagerdeckel 6 ist formschlüssig, beispielsweise mittels der Verbindungsschrauben, an der übrigen Pleuelstange 1 gehalten. Dazu sind im Pleuellagerdeckel 6 zumindest zwei, beispielsweise als Durchgangsbohrungen ausgeführte, nicht dargestellte Aussparungen eingebracht, deren Innendurchmesser korrespondierend zu einem Außendurchmesser der Verbindungsschrauben ausgebildet ist.
In der Pleuelstange 1 sind zumindest zwei Sacklochbohrungen derart angeordnet, dass der Pleuellagerdeckel 6 mit den Verbindungsschrauben montierbar ist. Die Sacklochbohrungen sind dabei zumindest abschnittsweise mit dem Innengewinde versehen.
An einer Innenseite 8 des Pleuelauges 4 und des Pleuellagerdeckels 6, welche in Richtung der Kurbelwelle weist, ist jeweils eine thermische Spritzschicht als Oberflächenschicht 9 aufgebracht. Dabei substituiert die Oberflächenschicht 9 ein herkömmliches Pleuellager und verringert derart die Bauelementeanzahl in der Brennkraftmaschine.
Die Oberflächenschicht 9 ist als herkömmliche thermische Spritzschicht ausgebildet und wird beispielsweise mittels Lichtbogendrahtspritzen auf der Innenseite 8 des Pleuelauges 4 und des Pleuellagerdeckels 6 stoffschlüssig aufgebracht.
Das Lichtbogenspritzen, bei dem elektrisch leitende Werkstoffe verspritzt werden, ermöglicht eine einfache, effiziente und prozesssichere Herstellung von thermischen Beschichtungen. Dabei wird zwischen zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen gleichen oder unterschiedlichen Materials ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt. Die Drahtspitzen werden bei einer Temperatur von rund 4000°C abgeschmolzen und mittels eines Zerstäubergases oder eines Zerstäubergasgemisches unter Bildung eines Partikelstrahls in Richtung der Werkstückoberfläche transportiert und dort angelagert. Durch die Verwendung von inerten Gasen, wie beispielsweise Stickstoff oder Argon statt Luft, als Zerstäubergas kann eine Oxidation der Materialien weitgehend reduziert werden. Typische Schichtdicken liegen im Bereich 0,2–20 mm (vor der Endbearbeitung). Durch Verwendung von Hohldrähten (Röhrchendrähte) mit carbidischen oder keramischen Füllungen ist es möglich, Hartstoffschichten herzustellen.
Mittels des Lichtbogenspritzens können Oberflächenschichten 9 erzeugt werden, deren Reibung und Gewicht signifikant reduziert sind. Die verfahrensbedingte Mikroporosität der eisenbasierten, nanokristallinen Oberflächenschichten 9 ermöglicht eine extrem glatte Honung, auch als die sogenannte Spiegel-Honung bezeichnet, und damit eine signifikante Reibungsreduktion von bis zu 50%. Daraus resultiert vorteilhafterweise eine Verbrauchsreduzierung und eine signifikante Funktionsoptimierungen der entsprechenden Bauelemente der Brennkraftmaschine.
Alternativ zur bevorzugten Aufbringung der Oberflächenschicht 9 mittels des Lichtbogenspritzens können allgemein bekannte Verfahren, beispielsweise das sogenannte Plasmaspritzen, das Flammspritzen oder das Kaltgasspritzverfahren, zur Erzeugung der Oberflächenschicht 9 verwendet werden. Diese, insbesondere thermischen, Spritzverfahren erhöhen die Verschleißbeständigkeit des Pleuelauges 4 und des Pleuellagerdeckels 6, jedoch weisen die erzeugten Oberflächenschichten 9 verfahrensbedingt eine Porosität auf. Durch die Porosität der Spritzschicht wird deren Festigkeit und Verschleißbeständigkeit deutlich gesenkt.
Um die Festigkeit und die Verschleißbeständigkeit der Oberflächenschicht 9 zu verbessern, wird selbige durch eine klopfende oder hämmernde mechanische Nachbehandlung zumindest abschnittsweise nachverdichtet und somit aufgehärtet. Die klopfende oder hämmernde mechanische Nachbehandlung ist hierbei periodisch ausgestaltet, was bedeutet, dass ein Bearbeitungswerkzeug periodisch angehoben wird und mit einer bestimmten Energie wieder auf die Oberflächenschicht 9 einschlägt oder wirkt. Die klopfende oder hämmernde Bearbeitung der Oberflächenschicht 9 wird dabei bevorzugt in mindestens zwei separaten Durchgängen durchgeführt, so dass sich eine besonders gute Reduktion der Porenanzahl der Oberflächenschicht 9 sowie besonders hohe Druckeigenspannungen in der Oberflächenschicht 9 ergeben.
Mittels des nicht dargestellten Bearbeitungswerkzeuges wird ein Klopfwerkzeug bevorzugt in Form einer Kugel periodisch auf und ab bewegt. Diese periodische Auf- und Abbewegung kann beispielsweise durch eine Exzenterlagerung oder auch einen elektromagnetischen Antrieb ausgestaltet sein. Neben den Exzenter- und elektromagnetischen Antrieben sind auch noch pneumatische Antriebe zur Betätigung des Klopfwerkzeugs geeignet.
Durch die klopfende oder hämmernde mechanische Nachbehandlung werden charakteristische Verdichtungsmuster, auch als Oberflächentopographie bezeichnet, auf der Oberflächenschicht 9 erzeugt. Die Oberflächenschicht 9 ist nicht mehr eben, sondern weist eine wellige Oberflächentopographie auf, welche durch eine Vielzahl von Vertiefungen geprägt ist. Die Vertiefungen entsprechen dabei den Abdrücken aus der hämmernden oder klopfenden Bearbeitung. In aller Regel lassen sich die einzelnen Abdrücke auch bei mehrmaliger oder überlagernder Nachbehandlung noch individuell erkennen.
Bevorzugt weist somit die Oberflächenschicht 9 ein Muster aus nahe beabstandeten, aneinandergrenzenden und/oder sich teilweise überlagernden Vertiefungen auf. Die Fläche der einzelnen Vertiefungen liegt dabei bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 10 mm². Die einzelnen Abdrücke können sich überlagern, so dass sich ein abgeflachtes Wellenprofil in der Oberflächenschicht 9 ergibt.
Die Vertiefungen entsprechen bevorzugt in ihrer Geometrie im Wesentlichen den Werkzeugspitzen der eingesetzten Klopf- oder Hammerwerkzeuge.
Das Verdichtungsmuster der Vertiefungen, bzw. Abdrücke, kann unterschiedlich ausgestaltet sein.
In einer ersten Ausgestaltung ist das Muster durch eine regelmäßige Abfolge von bahnenförmigen Vertiefungen ausgebildet. Die Bahnen weisen dabei besonders bevorzugt eine gemeinsame Vorzugsrichtung auf. Hiermit können die Bahnen beispielsweise parallel oder auch senkrecht zur später erfolgenden Gleit-, bzw. tribologischen Belastung der Oberflächenschicht 9 ausgerichtet werden. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn geschmierte Gleitpaarungen eingesetzt werden und die Vertiefungen als Schmierstofftaschen ausgebildet sind, die in etwa senkrecht zur Gleitrichtung verlaufen.
Ebenso ist auch eine ungeordnete Anordnung der Vertiefungen möglich. Hier ist das Verdichtungsmuster durch eine unregelmäßige oder stochastische Anordnung an Vertiefungen gebildet. Bevorzugt sind hier auch Fläche und Tiefe der einzelnen Vertiefungen unterschiedlich ausgebildet. Es hat sich gezeigt, dass gerade die stochastische Verteilung in geschmierten Gleitpaarungen besonders gute Ergebnisse liefert.
Das Verdichtungsmuster kann beispielsweise in Form von Öltaschen oder Riefen ausgestaltet werden. Derartige Öltaschen sind insbesondere bei ölgeschmierten Bauteilbereichen, wie dem Pleuelauge 4, vorteilhaft. Durch gezielte Einbringung von Öltaschen oder Riefen kann das Öl in diesen Vertiefungen gelagert werden, was als sogenannte Reservoirs bezeichnet wird. Das in diesen topografischen Vertiefungen gelagerte Öl kann bei dem Reibprozess zwischen der Oberflächenschicht 9 und der Kurbelwelle in vorteilhafter Weise bei Bedarf schmierend wirken.
Besonders bevorzugt weist die Oberflächenschicht 9 des Pleuelauges 4 einen größeren Härtegrad, ein unterschiedliches Verdichtungsmuster, eine unterschiedliche Porosität und/oder eine größere Dichte auf als die Oberflächenschicht 9 des Pleuellagerdeckels 6.
Durch die unterschiedliche Bearbeitung und Ausbildung der Oberflächenschichten 9 von Pleuelauge 4 und Pleuellagerdeckel 6 ist eine Anpassung der jeweiligen Oberflächenschichten 9 an die unterschiedlichen Erfordernisse und Belastungen während des Betriebs der Brennkraftmaschine ermöglicht. Beispielsweise ist am Pleuelauge 4 eine härtere und dichtere Oberflächenschicht 9 zur verbesserten Kraftaufnahme der vom Kolben in die Pleuelstange 1 eingeleitete Kraft erforderlich, während am Pleuellagerdeckel 6 eine weichere und somit weniger dichte Oberflächenschicht 9 erforderlich ist, welche eine besonders gute Einbettungsfähigkeit für Schmutzpartikel, welche eventuell im Schmiermittel zirkulieren, aufweist. Dies erhöht die Widerstandsfähigkeit der Oberflächenschichten 9, wodurch eine Lebensdauer der Pleuelstange 1 verlängerbar und eine Ausfallwahrscheinlichkeit signifikant reduziert ist.
In einer ersten Ausführungsvariante werden das Pleuelauge 4 und der Pleuellagerdeckel 6 getrennt mechanisch nachbehandelt.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante werden das Pleuelauge 4 und der Pleuellagerdeckel 6 gemeinsam mechanisch nachbehandelt, wobei mit dem Bearbeitungswerkzeug positionsabhängig klopfende oder hämmernde Bewegungen unterschiedlicher Stärke, Frequenz und/oder Amplitude durchgeführt werden, so dass Oberflächenschichten 9 abschnittsweise unterschiedliche Härtegrade, Verdichtungsmuster, Porositäten und/oder unterschiedliche Dichten aufweisen können.
Beispielsweise kann die klopfende oder hämmernde mechanische Nachbehandlung durch ein positionsabhängiges Klopfen mit einem herkömmlichen Außen- oder Innenklopfer erfolgen. In einer alternativen Ausführungsvariante kann ein Innenklopfer mit zwei unterschiedlich starken Klopfeinheiten für Pleuelauge 4 und Pleuellagerdeckel 6 verwendet werden. Dies ist beispielsweise mittels einer oszillierenden Pleuelbewegung um 180 Grad realisierbar, wobei die Klopfeinheit feststehend ausgebildet ist und jedes der beiden Klopfwerkzeuge eine separate Druckluftzufuhr aufweist. Alternativ kann eine rotierende Klopfeinheit verwendet werden, welche eine unterschiedliche Zufuhr der Druckluft je nach Position der Klopfwerkzeugs ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: Pleuelstange
2: Pleuelfuß
3: Pleuelschaft
4: Pleuelauge
5: Teilungsebene
6: Pleuellagerdeckel
7: Lagerauge
8: Innenseite
9: Oberflächenschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009020674 B4 [0002]

Claims

Pleuelstange (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem an oder in einem Pleuelfuß (2) angeordneten Pleuelauge (4) zur Verbindung mit einer Kurbelwelle, mit einem Lagerauge (7) zur Verbindung mit einem Kolben und mit einem das Pleuelauge (4) mit dem Lagerauge (7) verbindenden Pleuelschaft (3), wobei das Pleuelauge (4) an einer Teilungsebene (5) unter Bildung eines Pleuellagerdeckels (6) geteilt ist und an seiner Innenseite (8) eine thermische Spritzschicht als Oberflächenschicht (9) aufweist, wobei die Oberflächenschicht (9), insbesondere eine Lagermetalllegierungsschicht, mittels eines Spritzverfahrens auf eine Oberfläche des Bauteils aufbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (9) ausgebildet ist als eine ein Pleuellager substituierende Lagermetalllegierungsschicht und durch eine klopfende oder hämmernde mechanische Nachbehandlung zumindest abschnittsweise derart nachverdichtet und aufgehärtet ist, dass die Oberflächenschicht (9) zumindest abschnittsweise unterschiedliche Härtegrade aufweist.
Pleuelstange (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (9) des Pleuelauges (4) einen größeren Härtegrad, ein unterschiedliches Verdichtungsmuster, eine unterschiedliche Porosität und/oder eine größere Dichte aufweist als die Oberflächenschicht (9) des Pleuellagerdeckels (6).
Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange (1) für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf einem Pleuelauge (4) und einem Pleuellagerdeckel (6) aufgebrachte und als Pleuellager ausgebildete Oberflächenschicht (9) durch eine klopfende oder hämmernde mechanische Nachbehandlung nachverdichtet und aufgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (9) des Pleuelauges (4) und die Oberflächenschicht (9) des Pleuellagerdeckels (6) zumindest abschnittsweise derart nachverdichtet und aufgehärtet werden, dass die Oberflächenschicht (9) des Pleuelauges (4) einen größeren Härtegrad, ein unterschiedliches Verdichtungsmuster, eine unterschiedliche Porosität und/oder eine größere Dichte aufweist als die Oberflächenschicht (9) des Pleuellagerdeckels (6).
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuelauge (4) und der Pleuellagerdeckel (6) getrennt mechanisch nachbehandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuelauge (4) und der Pleuellagerdeckel (6) gemeinsam mechanisch nachbehandelt werden, wobei mit einem Bearbeitungswerkzeug postionsabhängig klopfende oder hämmernde Bewegungen unterschiedlicher Stärke, Frequenz und/oder Amplitude durchgeführt werden.