Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem von einer unteren Schaftkante begrenzten Kolbenschaft, wobei der Kolbenschaft eine seiner Druckseite zugeordnete Lauffläche und eine seiner Gegendruckseite zugeordnete Lauffläche aufweist und beiden Laufflächen jeweils eine Zone zugeordnet ist, die von der unteren Schaftkante ausgeht und im Betrieb des Verbrennungsmotors einer maximalen Belastung ausgesetzt ist.

Ein gattungsgemäßer Kolben ist in der DE 198 29 349 A1 offenbart. Sowohl im Bereich der Druckseite als auch im Bereich der Gegendruckseite des Kolbens ist eine Schmierstoffeinlage vorgesehen. Dadurch werden die aufgrund der Querkraft, die im Betrieb von der Auslenkung des Pleuels verursacht wird, besonders belasteten Bereiche der Laufflächen des Kolbens geschmiert.

Jedoch verliert auch eine derartige Schmierstoffeinlage nach einer gewissen Zeit ihre Wirkung, da die Beschichtung durch die im Betrieb des Verbrennungsmotors auftretenden Belastungen nach und nach abgetragen wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass die Schmierung der besonders belasteten Bereiche der Lauffläche über einen möglichst lange Betriebsdauer sichergestellt wird.

Die Lösung besteht darin, dass die Zone der der Druckseite zugeordneten Lauffläche und/oder die Zone der der Gegendruckseite zugeordneten Lauffläche mit einer Beschichtung versehen ist, die vertikal verlaufende Rillen aufweist.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Zonen der Lauffläche, die im Betrieb maximaler Belastung ausgesetzt sind, durch eine verstärkte Zufuhr von Schmieröl geschmiert werden. Diese verstärkte Zufuhr wird durch das Einbringen vertikaler Rillen in Zonen mit geringer Belastung erzwungen. Dies bewirkt, dass

BESTÄTIGUNGSKOPIE der so genannte Peklenik-Faktor in diesen Bereichen auf einen Wert größer als 1 erhöht wird. Dadurch wird der Fluss des Schmieröls in axialer Richtung der Lauffläche nicht behindert.

Der erfindungsgemäße Kolben taucht im Betrieb im Bereich seines unteren Totpunktes in einen Bereich mit erhöhtem Wandölfilm ein. Das Schmieröl dringt in die Rillen ein und wandert darin nach oben in Richtung Kolbenkopf. Auf diese Weise erfahren die Zonen der Lauffläche, die im Betrieb einer maximalen Belastung ausgesetzt sind, zuverlässig eine zusätzliche Schmierung mit Schmieröl. Da die Abnutzung der Schmiermittelschicht im Betrieb auf diese Weise stark reduziert wird, bleibt die Rillenstruktur über eine lange Betriebsdauer bestehen.

Im Rahmen dieser Erfindung werden unter dem Begriff „Rillen" alle Strukturen mit Erhöhungen und Vertiefungen verstanden. Die Form und der Querschnitt der Rillen können beliebig ausgestaltet sein. Wesentlich ist lediglich, dass mittels der erfindungsgemäßen Struktur der Zonen mit geringer Belastung der Peklenik-Faktor in diesem Bereich größer als 1 ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung besteht darin, dass der der Gegendruckseite zugeordneten Lauffläche in der Nachbarschaft des Kolbenkopfes eine weitere Zone zugeordnet ist, die im Betrieb des Verbrennungsmotors einer maximalen Belastung ausgesetzt ist, und dass diese Zone mit einer Beschichtung versehen ist, die horizontal verlaufende Rillen oder eine Kreuzschraffurmuster oder ein Lochrastermuster aufweist.

Der erfindungsgemäße Kolben wird im Betrieb in an sich bekannter Weise mit Schmieröl versorgt. Das Schmieröl fließt allerdings relativ rasch vom oberen Bereich der Lauffläche, d.h. dem Bereich in der Nähe des Kolbenkopfes, in Richtung der Schaftunterkante ab. Im diesem Bereich weist die Lauffläche auf der Gegendruckseite eine weitere Zone mit maximaler Belastung auf. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung dieser Zone mit horizontal verlaufenden Rillen, oder Kreuzschraffurmuster oder Lochrastermuster bewirkt, dass der Peklenik-Faktor in diesem Bereich einen Wert kleiner 1 annimmt. Dadurch wird der Fluss des Schmieröls in axialer Richtung der Lauffläche gehemmt. Das Schmieröl dringt in die Rillen oder vorgenannte Muster ein und verbleibt darin in Umfangsrichtung der Lauffläche. Auf diese Weise erfährt diese weitere Zone der Lauffläche im Bereich der Gegendruckseite, die im Betrieb einer maximalen Belastung ausgesetzt ist, zuverlässig eine zusätzliche Schmierung mit Schmieröl. Da die Abnutzung der Schmiermittelschicht im Betrieb auf diese Weise stark reduziert wird, bleibt die Rillenstruktur über eine lange Betriebsdauer bestehen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass mindestens eine der Beschich- tungen so bemessen ist, dass sie zusätzlich einen Bereich der Lauffläche überdeckt, der im Betrieb des Verbrennungsmotors einer erhöhten Belastung ausgesetzt ist. Diese erhöhte Belastung ist geringer als die maximale Belastung, aber höher als die Belastung in den verbleibenden Bereichen der Lauffläche. Damit werden nicht nur die Bereiche maximaler Belastung der Laufflächen, sondern auch bereits Bereiche höherer Belastung zusätzlich mit Schmieröl versorgt, was die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Kolbens weiter erhöht.

Die Rillen können insbesondere einen U-förmigen, V-förmigen, trapezförmigen oder rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Ihre Breite beträgt im optimalen Fall nicht mehr als 1 mm. Die Tiefe der Rillen kann der Dicke der Beschichtung entsprechen, aber auch geringer bemessen sein. Die Beschichtung kann aufgedruckt, aufgesprüht oder aufgerakelt sein. Die Rillen können auf beliebige Weise in die Beschichtung eingebracht sein, bspw. in an sich bekannter Weise durch mechanische Bearbeitung oder durch Bestrahlung, wie z. Bsp. mittels Laserstrahlen.

Die Beschichtung besteht vorzugsweise aus einem Festschmierstoff. Auch die Laufflächen außerhalb der Zonen weisen bevorzugt eine Beschichtung aus einem Festschmierstoff auf.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer Ansicht seiner Druckseite;

Figur 2 der Kolben gemäß Figur 1 in einer Ansicht seiner Gegendruckseite;

Figuren eine Darstellung von Oberflächenstrukturen mit einem Peklenik-Faktor γ mit den Werten: y > 1 (Figur 3a), γ = 1 (Figur 3b), γ < 1 (Figur 3c)

Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 kann ein einteiliger oder mehrteiliger Kolben sein, bspw. auch ein gebauter Kolben oder ein Pendelschaftkolben. Der Kolben 10 kann aus einem Stahlwerkstoff und/oder einem Leichtmetallwerkstoff hergestellt sein. Die Figuren 1 und 2 zeigen beispielhaft einen einteiligen Kolben 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbenkopf 11 mit einem Kolbenboden 12, einem umlaufenden Feuersteg 13 und einer Ringpartie 14 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Der Kolben 0 weist femer einen Kolbenschaft 15 mit Laufflächen 16, 17 auf. Der Kolbenschaft 15 ist von einer Schaftunterkante 18 begrenzt. Die Lauffläche 16 ist der Druckseite DS des Kolbens 10 zugeordnet (vgl. Figur 1 ), während die Lauffläche 17 der Gegendruckseite GDS des Kolbens 10 zugeordnet ist (vgl. Figur 2). Weitere an sich bekannte Strukturen des Kolbenschafts wie Nabe und Nabenbohrung sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Eigenschaften und Belastungsverteilungen von Druckseite und Gegendruckseite werden ausführlich in der EP 1 692 384 B1 beschrieben.

Die der Druckseite DS des Kolbens 10 zugeordnete Lauffläche 16 weist eine Zone 21 auf, die von der Schaftunterkante 18 ausgeht und im Betrieb einer geringen Belastung ausgesetzt ist. Die Zone 21 ist umgeben von einem Bereich 22, der im Betrieb einer erhöhten Belastung ausgesetzt ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Zone 21 mit einer Beschichtung 23 in Form von vertikal verlaufenden Rillen 24 versehen.

Die Beschichtung 23 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Festschmierstoff, bspw. Grafal ^® , Grafit, Molybdänsulfid, Polytetrafluorethylen (PTFE) und andere. Das Beschichten kann in an sich bekannter Weise insbesondere durch Aufdrucken, bspw. im Siebdruckverfahren, durch Aufsprühen oder Aufrakeln des Festschmierstoffs erfolgen. Die Rillen 24 können auf beliebige Weise in die Beschichtung 23 eingebracht werden. Die Beschichtung 23 kann gleichmäßig aufgetragen und die Rillen 24 können anschließend, durch mechanische Bearbeitung oder durch Bestrahlung bspw. mit Laserstrahlen, in die Beschichtung 23 eingebracht werden. Die Beschichtung 23 mit den Rillen 24 kann aber auch in einem Arbeitsschritt, bspw. durch Aufbringen des Festschmierstoffs mit Hilfe einer Schablone, auf die Lauffläche 16 aufgebracht werden. Der Querschnitt der Rillen 24 kann beliebig gewählt werden. Die Tiefe der Rillen 24 entspricht maximal der Dicke der Beschichtung 23. Die Breite der Rillen 24 beträgt im optimalen Fall nicht mehr als 1 mm.

Die der Gegendruckseite GDS des Kolbens 10 zugeordnete Lauffläche 17 weist ebenfalls eine Zone 21' auf, die von der Schaftunterkante 18 ausgeht und im Betrieb einer geringen Belastung ausgesetzt ist. Die Zone 21' ist umgeben von einem Bereich 22', der im Betrieb einer erhöhten Belastung ausgesetzt ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Zone 21 ' mit einer Beschichtung 23' in Form von vertikal verlaufenden Rillen 24' versehen. Die Beschichtung 23' mit den Rillen 24' entspricht der Beschichtung 23 mit den Rillen 24, die auf der der Druckseite DS des Kolbens 10 zugeordneten Lauffläche aufgebracht ist. Daher wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung der Druckseite DS des Kolbens 10 verwiesen.

Die der Gegendruckseite GDS des Kolbens 10 zugeordnete Lauffläche 17 weist eine weitere Zone 25 auf, die in der Nähe des Kolbenkopfes 11 angeordnet und im Betrieb einer geringen Belastung ausgesetzt ist. Im Ausführungsbeispiei ist die Zone 25 mit einer Beschichtung 27 in Form von horizontal verlaufenden Rillen 28 versehen. Die Beschichtung 27 mit den Rillen 28 entspricht der Beschichtung 23 mit den Rillen 24, die auf der der Druckseite DS des Kolbens 10 zugeordneten Lauffläche aufgebracht ist. Daher wird diesbezüglich auf die obige Beschreibung der Druckseite DS des Kolbens 10 verwiesen.

Die Zonen 22 bzw. 22' der Laufflächen 16 bzw. 17 sind im Betrieb maximaler Belastung ausgesetzt und werden erfindungsgemäß durch eine verstärkte Zufuhr von Schmieröl geschmiert. Diese verstärkte Zufuhr wird durch das Einbringen der vertikalen Rillen 24 bzw. 24' in den Zonen 21 bzw. 21' erzwungen. Dies bewirkt, dass der so genannte Peklenik-Faktor in diesen Bereichen auf einen Wert größer als 1 erhöht wird. Der erfindungsgemäße Kolben 10 taucht im Betrieb im Bereich seines unteren Totpunktes in einen Bereich mit erhöhtem Wandölfilm ein. Das Schmieröl dringt in die Rillen 24, 24' ein und wandert darin aufgrund der Kapillarkräfte nach oben in Richtung Kolbenkopf 11. Auf diese Weise erfahren die Zonen 22 bzw. 22' der Laufflächen 16 bzw. 17, die im Betrieb einer maximalen Belastung ausgesetzt sind, zuverlässig eine zusätzliche Schmierung mit Schmieröl. Da die Abnutzung der Schmiermittelschicht im Betrieb auf diese Weise stark reduziert wird, bleibt die Rillenstruktur über eine lange Betriebsdauer bestehen.

Auch die Zone 25 der Lauffläche 17 ist im Betrieb einer maximalen Belastung ausgesetzt. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung dieser Zone 25 mit horizontal verlaufenden Rillen 28 bewirkt, dass der Peklenik-Faktor in diesem Bereich einen Wert kleiner 1 annimmt. Dadurch wird der Fluss des Schmieröls in axialer Richtung der Lauffläche 17 gehemmt. Das Schmieröl dringt in die Rillen 28 ein und verteilt sich darin in Um- fangsrichtung der Lauffläche 17. Auf diese Weise erfährt diese weitere Zone 25 der Lauffläche 17 im Bereich der Gegendruckseite, die im Betrieb einer maximalen Belastung ausgesetzt ist, zuverlässig eine zusätzliche Schmierung mit Schmieröl. Da die Abnutzung der Schmiermittelschicht im Betrieb auf diese Weise stark reduziert wird, bleibt die Rillenstruktur über eine lange Betriebsdauer bestehen.

Der Peklenik-Faktor γ ist das Verhältnis des Halbradius der in einer Oberfläche vorhandenen Rauigkeitsspitzen 29a, 29b, 29c in axialer Richtung zu ihrem Halbradius in Umfangsrichtung. Ein Wert größer 1 entspricht einer Ausrichtung elliptischer Rauigkeitsspitzen 29a in axialer Richtung der Lauffläche (vgl. Figur 3a), ein Wert kleiner 1 entspricht einer Ausrichtung elliptischer Rauigkeitsspitzen 29c in Umfangsrichtung der Lauffläche (vgl. Figur 3c) und ein Wert gleich 1 bedeutet, dass im Wesentlichen kugelförmige Rauigkeitsspitzen 29b vorliegen (vgl. Figur 3b; siehe hierzu auch„Benutzerhandbuch Spaltströmungssimulation", Version 2.0, Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen 2008, Seiten 13 bis 14). Der hydrodynamische Druck über einer Oberfläche mit einem Peklenik-Faktor γ > 1 ist gering, d.h. ein Fluid F kann vergleichsweise ungehindert strömen. Im Gegensatz hierzu ist der hydrodynamische Druck über einer Oberfläche mit einem Peklenik-Faktor γ < 1 hoch, d.h. das Fluid F wird in seiner Strömung gehemmt. Der hydrodynamische Druck über einer Oberfläche mit einem Peklenik-Faktor γ = 1 liegt zwischen diesen beiden Extremen.

Die verbleibenden Bereiche der Laufflächen 16, 17 außerhalb der Zonen 21 , 21 ', 25 bzw. der Bereiche 22, 22', sind im Ausführungsbeispiel ebenfalls mit einer Beschich- tung 31 aus einem Festschmierstoff, bspw. Grafal ^® , Grafit, Molybdänsulfid, Polytet- rafluorethylen (PTFE) und andere, versehen, wie es in den Figuren 1 und 2 gestrichelt angedeutet ist.