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Die Erfindung betrifft eine Laufbuchse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einem unteren Abschnitt und einem oberen Abschnitt, wobei die Laufbuche in einem Motorblock durch Eingießen fixiert wird.
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Aus der Praxis sind sogenannte nasse Laufbuchsen bekannt, die in einer Verbrennungsmaschine lösbar in beidendigen Umfangsdichtungen eingesetzt sind, und deren äußere Mantelfläche mit einem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors über wenigstens nahezu ihre gesamte Erstreckung in Kontakt steht. Diese Laufbuchsen sind zum häufigen Auswechseln aus dem Motorblock bestimmt, und insbesondere die Abdichtung gegen den Kühlkreislauf ist problematisch. Die aus der Praxis bekannten Laufbuchsen weisen eine zylindrische Form mit gleichmäßigem Innendurchmesser und gleichmäßigem Außendurchmesser auf, werden aus Grauguss hergestellt und sind in der Regel schon vor dem Einsetzen in den Motorblock im Innendurchmesser und Außendurchmesser auf Maß fein bearbeitet.
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Aus der Praxis sind ferner Zylinderlaufbuchsen bekannt, die in einen Motorblock eingegossen werden, wobei die Zylinderlaufbuchsen über ihre gesamte äußere Mantelfläche mit einer Schicht des Motorblock-Materials belegt werden. Während der untere Abschnitt der Laufbuchse in das Kurbelgehäuse des Motorblocks übergeht, ist im Bereich des oberen Abschnitts der Laufbuchse in dem Motorblockmaterial eine zum Kühlmittelkreislauf gehöriger Wassermantel ausgebildet, der die Kühlung des gesamten Motorblocks insbesondere in dem thermisch stark beanspruchten oberen Abschnitt der Laufbuchse ermöglichen soll. Da das Motorblockmaterial als Schmelze von Seiten des Kurbelgehäuses in die Form eindringt, kommt es insbesondere an dem oberen Abschnitt der Laufbuchse und hier wiederum insbesondere im Bereich des der Zylinderkopfdichtung zugewandten Endes zu Ablöseerscheinungen, da aufgrund des Temperatur- und Geschwindigkeitsverlustes der Schmelze des Motorblockmaterials eine mangelhafte Anbindung zwischen Umguss und Laufbuchse zu Stande kommt. Hierdurch kommt es immer wieder zu Ermüdungsbrüchen, und der Umguss löst sich ab und die Laufbuchse verformt sich unzulässig, bis es zur Rissbildung kommt. Ferner kommt es bei unsauberer Anhaftung der Schmelze zu ungleichmäßiger Abfuhr der in der Laufbuchse entstehenden thermischen Beanspruchung, wodurch die Laufbuchse insgesamt ungleichmäßig thermisch beansprucht wird. Da die für die Bildung des Wassermantels erforderlichen Kerne eine konische Form zum Herauslösen aus der erstarrten Masse aufweisen, ist darüber hinaus die Wandstärke des Motorblockmaterials in einem unteren Bereich des oberen Abschnitts relativ dickwandig, was zu relativ dicken Stegabständen zwischen benachbarten Zylindern führt und hierdurch bei gleicher Baugröße des Motors die Realisierung eines größeren Hubraums verhindert. Durch die Luftspalte zwischen Buchse und Umguss bei einer unzureichend angebundenen Laufbuchse gibt es starke Unterschiede im Wärmeübergangskoeffizienten und dadurch eine lokal stark ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Buchse mit negativen Auswirkungen auf die Verbrennung und die Belastung der umliegenden Bauteilkomponenten.
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DE 44 38 550 A1 und
DE 195 23 484 A1 beschreiben eine Zylinderlaufbuchse aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung, die in einen Motorblock über die gesamte Höhe ihrer Umfangsfläche eingegossen wird.
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DE 196 34 504 A1 zeigt ein Verfahren zum Beschichten einer Laufbuchse, um die Anhaftung an eine Schmelze beim Umgießen mit einem Motorblockmaterial zu verbessern.
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DE 195 32 244 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von dünnwandigen Rohren aus einem sprühkompaktierten, übereutektischen AlSi-Material mit Si-Primärteilchen mit verschiedenen Legierungszusammensetzungen.
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DE 697 23 525 T2 zeigt einen Motorblock mit einem oder mehreren Zylindern, der aus einer Leichtmetalllegierung durch ein Druckgussverfahren hergestellt wird. In dem Motorblock sind Zylinderlaufbuchsen vorgesehen, welche einen oberen Abschnitt mit einem größeren Außendurchmesser und einem unteren Abschnitt mit einem kleineren Außendurchmesser aufweisen. Für den Fall, dass mehrere Zylinder vorgesehen sind, besteht die gesamte Zylinderlaufbuchsenanordnung aus einem einstückigen, gegossenen Teil in einem Bereich zwischen den Laufbuchsen sind dabei Öffnungen für das Hindurchtreten von Kühlflüssigkeit vorgesehen. Die Zylinderlaufbuchsen weisen auf ihrer Außenseite Strukturierungen auf, mit welchen ein Hintergreifen des Motorblockmaterials in Hinterschneidungen aufweisende Strukturelemente erreicht werden soll, um eine bessere Anbindung der Zylinderlaufbuchsen aus einem eisenmetallischen Werkstoff an den Motorblock aus einem Leichtmetall zu erreichen. Ferner wird eine Gießform zur Herstellung der Zylinderlaufbuchsenanordnung beschrieben.
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DE 692 18 395 T2 und
DE 692 28 954 T2 beschreiben einen Zylinderblock und ein Herstellungsverfahren für einen Zylinderblock für Brennkraftmaschinen. Der beschriebene Zylinderblock umfasst vier Zylinder, welche in einer Reihe angeordnet sind. In dem Zylinderblock, der aus einer Leichtmetalllegierung besteht, ist eine Laufbuchsenanordnung vorgesehen, welche aus einem einstückigen Korpus besteht und durch ein Gießverfahren aus Grauguss hergestellt wird. Die jeweiligen Zylinderlaufbuchsen weisen eine Außenprofilierung auf, die rippenförmig ist, wobei insbesondere durch eine rippenförmige Auswölbung mit großem Außendurchmesser ein unterer Bereich und ein oberer Bereich der Zylinderlaufbuchse geschaffen wird, wobei der untere Bereich von Zylinderblockmaterial umgeben ist, während der obere Bereich von Zylinderblockmaterial freibleibt und einen Kühlmittelkanal begrenzt. Der Außendurchmesser im oberen Bereich und im unteren Bereich der Zylinderlaufbuchse ist im Wesentlichen konstant, so dass die Zylinderlaufbuchse insgesamt eine gleichmäßige Wandstärke aufweist, auf welcher lediglich Profilierungen aufgebracht sind.
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WO 97/41340 beschreibt ein Zylinderkurbelgehäuse aus einer Leichtmetalllegierung, das zwei Zylinder umfasst, in denen Kolben geführt sind.
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In das Zylinderkurbelgehäuse sind Zylinderlaufbuchsen, die vollständig aus Grauguss bestehen, eingesetzt. Die Zylinderlaufbuchsen sind in dem Zylinderkurbelgehäuse parallel zueinander angeordnet und weisen jeweils einen unteren Abschnitt und einen oberen Abschnitt auf, wobei der Außendurchmesser der Zylinderlaufbuchsen in dem oberen Bereich größer ist als in dem unteren Bereich. Der Innendurchmesser der Laufbuchsen ist jeweils über die gesamte Erstreckung der Zylinderlaufbuchse konstant. In einem Übergangsbereich zwischen dem unteren Abschnitt und dem oberen Abschnitt werden die Zylinderlaufbuchsen jeweils in einer kreisförmigen Öffnung einer Platine gehalten. Während eines Eingießvorgangs der Zylinderlaufbuchsen in das Zylinderkurbelgehäuse wird der untere Abschnitt der Zylinderlaufbuchsen von dem Kurbelgehäusematerial vollständig umgeben, während der obere Bereich der Zylinderlaufbuchsen durch die Platine von dem Gießmaterial freigehalten wird, wobei insbesondere durch in die Gießform einlegbare Kerne in dem oberen Bereich der Zylinderlaufbuchsen Wasserkanäle angeformt werden.
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DE 199 37 934 A1 beschreibt Zylinderlaufbuchsen für die Verwendung in einer Verbrennungskraftmaschine, welche aus einer Al-Si-Legierung durch ein thermisches Spritzverfahren hergestellt werden. Um eine verbesserte Anbindung der so geschaffenen Zylinderlaufbuchse an ein Motorblockmaterial zu ermöglichen, wird eine poröse Anbindeschicht auf die Außenoberfläche der Zylinderlaufbuchse aufgespritzt, welche vorzugsweise eine Dicke von 60 μm bis 800 μm aufweist und eine hohe Rauigkeit der Oberfläche erzeugt, was insgesamt zu einer besseren Anbindung des Motorblockmaterials aus einer Leichtmetalllegierung führen soll.
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DE 102 35 910 A1 beschreibt einen Verbund von Zylinderlaufbuchsen aus einer sprühkompaktierten Leichtmetalllegierung. Die Zylinderlaufbuchsen weisen über ihre axiale Erstreckung einen gleichmäßigen Außenradius auf, wobei jedoch an Seitenflächen der Zylinderlaufbuchsen Planflächen oder angeformte Kühlflüssigkeitskanäle vorgesehen sein können.
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DE 198 20 976 A1 beschreibt ein Herstellungsverfahren für Zylinderlaufbuchsen aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung, wobei zunächst durch Sprühkompaktieren Rohkörper hergestellt werden, die abschließend durch ein thixotropes Fließpressen zu Laufbuchsen geformt werden, welche eine über die gesamte axiale Erstreckung einheitliche Wanddicke aufweisen. Ferner wird beschrieben, dass die Laufbuchsen in weiteren Schritten noch beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung in ihrer Wandstärke reduziert werden können.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Laufbuchse nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die bessere Standeigenschaften aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Laufbuchse erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Laufbuchse weist einen unteren Abschnitt auf, der vorzugsweise zylindrisch ausgebildet ist und an dessen äußerer Mantelfläche der Motorblock durch Umgießen umfangsmäßig fixiert ist. Ferner weist die Laufbuchse einen oberen Abschnitt auf, der aus dem Material des Motorblocks vorsteht und wenigstens teilweise nicht vom Material des Motorblocks ummantelt ist. Es ist möglich, den Umfang des oberen Abschnitts abschnittsweise, beispielsweise in der Art von vertikalen Stegen, mit dem Material des Motorblocks zu verbinden, beispielsweise um die Stabilität zu erhöhen oder um das Anformen eines Kühlkanals zu erleichtern, beispielsweise vier von der Ummantelung des unteren Abschnitts vorstehende Stege. Bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung, bei der der obere Abschnitt der Laufbuchse frei von Motorblockmaterial ist, wodurch vorteilhaft die Laufbuchse über ihre Wandstärke im oberen Abschnitt selbst die Kühlung und Wärmeabfuhr bestimmt und mit ihrer Außenseite in Kontakt mit dem Kühlmittelkreislauf steht. Hierdurch kommt es bei Wahl einer gleichmäßigen Wandstärke für den oberen Abschnitt auch zu einer gleichmäßigen Wärmeabfuhr über die gesamte Höhe des oberen Abschnitts, die besonders temperaturbeansprucht wird. Ferner ist durch das Vorsehen eines einheitlichen Materials zwischen Zylinderlauffläche und Kühlmittel ein gleichmäßiger Temperaturgradient für die Wärmeleitung gegeben.
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Da das Kühlmittel an der Außenumfangsfläche des oberen Abschnitts der Laufbuchse unmittelbar entlangströmt, können die Laufbuchsen und damit die Zylindermittenabstände näher zusammengerückt werden, wodurch bei gleicher Leistung ein kürzerer Bauraum des Motors oder bei gleichem Bauraum des Motors ein größerer Hubraum jedes einzelnen Zylinders erzielbar ist.
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Vorzugsweise weist der obere Abschnitt der Laufbuchse einen größeren Außendurchmesser auf als der untere Abschnitt, so dass die Buchse insgesamt nicht mehr die klassische hohlzylindrische Gestalt mit gleichmäßigem Außen- und Innendurchmesser aufweist, sondern entweder konisch verläuft oder vorzugsweise einen gestuften Umfang hat. Die Stufe ist hierbei zweckmäßigerweise zwischen dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt angeordnet, wobei ein mehrfach gestufter Außenumfang ebenso möglich ist wie das Vorsehen von Vor- oder Rücksprüngen an der Außenmantelfläche. Hierdurch ist aber der obere Abschnitt in dem Bereich, in dem er aus dem Motorblockmaterial vorsteht, mit einer höheren Eigensteifigkeit ausgestattet und gegen Ausknicken und andere mechanischer Beanspruchungen besonders widerstandsfähig.
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Vorzugsweise ist der untere Abschnitt der Laufbuchse mit einer profilierten Außenfläche versehen, die die Haftung der erstarrten Schmelze, insbesondere bei mechanischer Beanspruchung, verbessert. Hierbei kann die Außenfläche durch mechanische Bearbeitung, beispielsweise durch Drehen, mit regelmäßigen oder unregelmäßigen Rillen und Flanken versehen sein, die von der Schmelze ausgefüllt bzw. umgeben werden und die vorzugsweise quer zur Achse der Laufbuchse verlaufen. Hierneben kann eine regelmäßige Profilierung in der Art eines Außengewindes oder einer Schuppenstruktur oder dergleichen vorgesehen sein. Es ist auch möglich, in einem aufwändigeren Bearbeitungsverfahren, beispielsweise Fräsen, Hobeln oder Stoßen, plattenförmige Vorsprünge und/oder Einsenkungen in die Mantelfläche des unteren Abschnitts der Laufbuchse anzuordnen, auch solche, die hinterschnitten sind in der Art eines Schwalbenschwanzes, so dass der Verbund zwischen erstarrter Schmelze des Motorblockmaterials und unterem Abschnitt der Laufbuchse besonders zuverlässig ist.
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Alternativ kann vorzugsweise eine die Haftung des Motorblocks verbessernde Beschichtung vorgesehen sein, beispielsweise durch Flammspritzen oder ein anderes Verfahren in einem ersten Schritt auf die Mantelfläche des unteren Abschnitts der Laufbuchse aufgetragen wird und die insbesondere ein gutes Anhaften der Schmelze ermöglicht. Hierbei kann die Mantelfläche des unteren Abschnitts der Laufbuchse ebenfalls zunächst mechanisch bearbeitet worden sein und es ist auch möglich, im Anschluss an die Beschichtung des unteren Abschnitts der Laufbuchse die vorerwähnten Vorsprünge und Einsenkungen am beschichteten Außenumfang der Laufbuchse vorzusehen. Besonders geeignet ist der Auftrag von AlSi12 im Wege des Flammspritzens. Durch Strahlen, z. B. mittels Korundstrahlen, kann eine hohe Oberflächenrauhigkeit erzielt werden, die die metallurgische Anbindung verbessert. Vorteilhaft wird nur der untere Abschnitt entsprechend bearbeitet.
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Vorzugsweise wird der untere Abschnitt der Laufbuchse gegenüber dem Hubweg des Kolbens, mit dem die Laufbuchse an ihrem Innenumfang eine Gleitpaarung bildet, verlängert, so dass die Laufbuchse insgesamt gegenüber einer konventionellen Laufbuchse eine größere Höhe aufweist. Dieser für den Kolbenhub im Prinzip nicht benötigte, verlängerte untere Abschnitt verbessert die Halterung der Laufbuchse in dem Motorblock und erleichtert insbesondere das Positionieren der Laufbuchse in der Gießform vor dem Einbringen der Schmelze.
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Vorzugsweise weisen die Flanken zumindest des oberen Abschnitts der Laufbuchse wenigstens eine Planfläche auf, die es vorteilhaft ermöglicht, benachbarte Laufbuchsen in dem selben Motorblock bezüglich ihrer Achsenmitte kompakter benachbart anzuordnen. Die Planfläche wird hierbei in Richtung auf die Planfläche einer benachbarten Laufbuchse orientiert, wobei zwischen den Planflächen zweckmäßigerweise Kühlmittel hindurch tritt, wobei der Zylindermittenabstand gleichwohl reduziert ist. Vorzugsweise ist die Planfläche parallel zu der Achse der Laufbuchse, es ist jedoch möglich, eine geringe Konizität vorzusehen, die für das Einbringen und Entfernen von Kernen von Vorteil sein kann.
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Zweckmäßigerweise wird der obere Abschnitt der Laufbuchse entsprechend der Länge des Kolbenhubs, multipliziert mit einem Faktor der zwischen 0,7 und 1,6, vorzugsweise zwischen 0,8 und 1,4, besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 1,2 und am besten bei ca. 1 liegt, ausgewählt. Dies bedeutet, dass wenigstens zwei Drittel der Länge des Kolbenhubs vorteilhaft in einem dickwandigen Bereich der Laufbuchse vorgesehen ist, und dementsprechend die Wärmeabfuhr in besonderer Weise gewährleistet ist.
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Der obere Abschnitt der Laufbuchse macht zwischen dem 0,9- und dem 2,7-fachen der Länge des unteren Abschnitts aus. Bei einer bevorzugten Laufbuchse liegt das Längenverhältnis zwischen 1,3 und 2,1, besonders bevorzugt ist ein Faktor von 1,5 bis 1,8.
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Vorzugsweise besteht der obere Abschnitt und der untere Abschnitt der Laufbuchse aus einem einstückigen Korpus, der mittels des bekannten Sprühkompaktier-Verfahrens hergestellt worden ist und eine anschließende Umformung, vorzugsweise einem Strangpressvorgang, unterworfen wurde. Damit ist eine besondere Stabilität und eine sehr geringe Porosität sowie eine besonders günstige Korngrößenverteilung gewährleistet. Hierbei wird für den Korpus zweckmäßigerweise eine Aluminium-Basis-Legierung oder eine Magnesium-Basis-Legierung vorgesehen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Laufbuchse mit einem unteren Abschnitt und einem oberen Abschnitt umfasst die Schritte
- (i) Herstellen eines Bolzen durch Sprühkompaktieren einer Aluminium-Basis-Legierung oder eine Magnesium-Basis-Legierung;
- (ii) Strangpressen des Bolzens zu einem zylindrischen Rohr, dessen Innendurchmesser dem Innendurchmesser der Laufbuchse entspricht;
- (iii) Oberflächenbearbeiten der Außenfläche des unteren Abschnitts zur Vorbereitung auf den Verguss mit einem Motorblock,
wobei durch das Strangpressen die Mantelfläche des oberen Abschnitts ihr Endmaß erreicht, wodurch vorteilhaft eine Oberflächenbearbeitung der Außenfläche des oberen Abschnitts nicht erforderlich ist. Bei höheren Ansprüchen an die Toleranzen bzgl. Innendurchmesser kann das Strangpressrohr auf den geforderten Innendurchmesser ausgedreht werden. Üblicherweise erfolgt dies aber erst nach dem Eingießen der Laufbuchse.
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Hierbei kommt dem erfindungsgemäßen Verfahren zugute, dass die gewöhnlich beim Strangpressen erreichten Toleranzen für die Außenfläche des oberen Abschnitts ausreichend sind und darüber hinaus eine Bearbeitung auch nicht unter dem Gesichtspunkt des besseren Verbundes mit der Schmelze des Motorblocks erforderlich ist. Da die erfindungsgemäß mit dem vorerwähnten Verfahren hergestellte Buchse gegenüber einer konventionellen Buchse dickwandig ist, entfällt vorteilhaft auch ein Verfahrensschritt, bei dem die bereits durch Strangpressen umgeformte Laufbuchse in einem weiteren Schritt, beispielsweise Rundkneten, nochmals in ihrer Wandstärke reduziert werden muss. Es versteht sich, dass gleichwohl ein Rundknet-Umformvorgang vorgesehen sein kann, um ein gewünschtes Maß zu erreichen.
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Zweckmäßigerweise wird eine Oberflächenbearbeitung der Außenfläche gewählt, die dazu führt, dass wenigstens ein Außendurchmesser des oberen Abschnitts größer ist als wenigstens ein Außendurchmesser des unteren Abschnitts, wobei vorzugsweise diese Bedingung für wenigstens die Hälfte jedes der beiden Abschnitte erfüllt ist und besonders bevorzugt für beide Abschnitte insgesamt. Es ist aber auch möglich, dass ein Randbereich des unteren Abschnitts im Bereich der unteren Stirnseite flanschartig ausgebildet ist, um die Verankerung in dem Motorblock zu verbessern, wobei in diesem Falle der Außendurchmesser ohne Berücksichtigung der flanschartigen Erweiterung zu bemessen ist.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstelllung eines Motorblocks mit eingegossener Laufbuchse umfasst die Schritte
- (i) Anordnen wenigstens einer Laufbuchse in einer Gussform;
- (ii) Einbringen des Motorblockmaterials in die Gussform;
- (iii) Entnehmen des erkalteten Verbunds aus der Gussform; und
- (iv) Endbearbeiten des Innenbereichs der Laufbuchse,
wobei während des Einbringens des Motorblockmaterials in die Gussform die Außenfläche eines oberen Abschnitts der Laufbuchse wenigstens teilweise durch einen entfernbaren Kern von Motorblockmaterial freigehalten wird.
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Hierdurch wird vorteilhaft der obere Abschnitt der Laufbuchse wenigstens teilweise und vorzugsweise insgesamt von der Schmelze des Motorblockmaterials bis zu deren Erstarren getrennt und eine Ummantelung verhindert. Hierdurch wird ein völlig neuartiger Motorblock geschaffen, der eingegossene Laufbuchsen umfasst, deren obere Abschnitte an ihrer äußeren Mantelfläche freiliegen, während sie an ihrem unteren Abschnitt eingegossen sind. Die Endbearbeitung des Innenbereichs umfasst zweckmäßigerweise das Aufbohren der Laufbuchsen, das alternativ auch durch Innenausdrehen oder Fräsen erfolgen kann, sowie die abschließende Feinbearbeitung auf das Maß der Kolben, beispielsweise mittels Innenrundschleifen oder Honen.
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Zweckmäßigerweise wird das Material, aus dem die Schmelze für den Motorblock besteht, ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Aluminium-Basis-Legierung, Magnesium-Basis-Legierung, und dergleichen.
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Vorzugsweise schließt die obere Stirnseite des oberen Abschnitts der Laufbuchse bündig mit dem Motorblock ab, so dass eine Kopfdichtung von oben auf den Motorblock aufgebracht werden kann und das Innere der Laufbuchse gegen den Kühlmittelkreislauf abdichtet, ohne dass es umfangsmäßiger Dichtungen für die Laufbuchse bedarf. Hierdurch können größere Toleranzen für den Außendurchmesser eingestellt werden, die eine Endbearbeitung auf Maß in der Regel überflüssig machen, auch wenn eine Endbearbeitung nicht schädlich ist. Auch hierbei kommt der größeren Wandstärke des oberen Abschnitts der Laufbuchse im Bereich ihrer dem unteren Abschnitt abgekehrten Stirnseite eine besondere, die Dichtigkeit gegenüber der Kopfdichtung verbessernde vorteilhafte Wirkung zu. Es ist aber möglich, neben der Kopfdichtung im Bereich des freien Endes der Laufbuchse weitere Dichtmittel vorzusehen, um die Dichtigkeit oder die Abdichtmöglichkeiten noch weiter zu verbessern.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung näher erläutert.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch eine in einem Motorblock eingegossene Laufbuchse gemäß dem Stand der Technik;
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2 zeigt einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laufbuchse, die in einem Motorblock eingesetzt ist.
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3 zeigt einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laufbuchse, die in einem Motorblock eingesetzt ist.
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4 zeigt einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laufbuchse, die in einem Motorblock eingesetzt ist.
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5 zeigt einen Längsschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laufbuchse, die in einem Motorblock eingesetzt ist.
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6a zeigt eine Draufsicht auf eine eingegossene Laufbuchse gemäß dem Stand der Technik.
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6b zeigt eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Laufbuchse.
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6c zeigt eine Draufsicht auf eine weitere bevorzugte Ausgestaltung erfindungsgemäßer Laufbuchsen.
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6d zeigt eine Draufsicht auf noch eine andere bevorzugte Ausgestaltung erfindungsgemäßer Laufbuchsen.
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Die in 1 gezeigte Laufbuchse 101 ist aus einem dünnwandigen zylindrischen Rohr gebildet, welches über seine gesamte Außenumfangsfläche von dem Material eines Motorblocks 102 umgeben ist, wobei auf der rechten Seite von 1 zwischen der Laufbuchse 101 und dem Motorblock 102 eine Beschichtung 103 zur Verbesserung der Anhaftung schematisch dargestellt ist. In dem Material des Motorblock 102 ist ein Wassermantel 104 ausgebildet, mit dem die Laufbuchse 101 in ihrem oberen Bereich gekühlt werden soll. In dem mit A bezeichneten Bereich kommt es aufgrund der häufig mangelhaften Anbindung zwischen Umguss und Buchse zu Ablöseerscheinungen, unzulässigen Verformungen oder Rissbildungen und damit vor dem Erreichen der gewünschten Standzeit zu einem Ermüdungsbruch, da die Schmelze auf dem Weg von dem Bereich A abgekehrten Kurbelwellenseite durch die gesamte Form deutlich an Temperatur und Geschwindigkeit verliert. Ein weiterer Nachteil ergibt sich in dem mit B bezeichneten Bereich, der relativ dickwandig ist, so dass er zu relativ dicken Stegabständen zwischen benachbarten Zylindern führt, wodurch bei gleicher Baugröße des Motors die Realisierung von mehr Hubraum verhindert ist. Insgesamt führt also die Ummantelung des oberen Abschnitts der Laufbuchse 101 sowohl wegen zu geringer Dicke im Bereich A zu Spannungen und Abplatzern als auch wegen zu hoher Dicke im Bereich B zu unnötig großen Motoren, wie auch in 6a gut zu erkennen ist.
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2 zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laufbuchse 1, die in einem Motorblock 2 eingegossen ist, wobei die Laufbuchse 1 einen unteren Abschnitt 11 und einen oberen Abschnitt 12 aufweist. Zwischen dem unteren Abschnitt 11 und dem oberen Abschnitt 12 ist eine konische Stufe 13 vorgesehen. Der Innendurchmesser der Laufbuchse 1 ist über ihre gesamte Erstreckung, also sowohl über den unteren Abschnitt 11 als auch den oberen Abschnitt 12, durchgehend konstant und dient zur umfangsmäßigen Führung eines Kolbens, der hier nicht dargestellt ist. Man erkennt, dass der Motorblock 2 den unteren Abschnitt 11 der Laufbuchse 1 vollständig umfangsmäßig umgibt, ferner ebenso die Stufe 13, nicht jedoch die äußere Umfangsfläche des oberen Abschnitts 12. Zwischen der Außenwandung des oberen Abschnitts 12 und dem Motorblock 2 ist ein Hohlraum 4, der für ein Kühlmittel vorgesehen ist, ausgebildet. Die obere Stirnseite der Laufbuchse 1 und des Motorblocks 2 sind bündig ausgebildet, so dass eine (nicht dargestellte) Kopfdichtung von oben normal zur Achse der Laufbuchse 1 zur Abdichtung des Innenraums der Laufbuchse 1 gegen den Hohlraum 4 aufgesetzt werden kann.
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Die in 2 dargestellte Laufbuchse wird als Hohlzylinder im Strangpressverfahren hergestellt und der Außenumfang im Bereich des unteren Abschnitts 11 spanabhebend in der Wandstärke reduziert, beispielsweise abgedreht. Der Außendurchmesser des unteren Abschnitts 11 ist gegenüber dem Außendurchmesser des oberen Abschnitts 12 um einige Millimeter, vorzugsweise 5 mm, reduziert, wobei die Wandstärke des oberen Abschnitts 12 vorzugsweise das 0,3- bis 3,5-fache der Wandstärke des unteren Abschnitts 11 ausmacht, wobei ein Faktor von 1,3 bis 2,5 besonders bevorzugt ist und sich für die praktische Einsatzfähigkeit ein Faktor von ca. 2 als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Die Länge des unteren Abschnitts 11 zu dem oberen Abschnitt 12 verhält sich in etwa wie 11:17, kann aber dem Einzelfall entsprechend anders ausgewählt sein
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Die Laufbuchse besteht aus einem sprühkompaktierten, übereutektischen AlSi-Material mit Si-Primärteilchen, wie es zum Beispiel aus der
DE 195 32 244 A1 bekannt ist und deren Offenbarungsgehalt hiermit in die vorliegende Anmeldung inkorporiert wird, vorliegend z. B. eine Legierung AlSi(17–35), der Dotierungsstoffe, z. B. Cu, Mg, Mn, und/oder Ni, zugegeben sein können.
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Der Motorblock besteht aus einer Aluminium-Druckguss-Legierung, wie sie im Stand der Technik des modernen Motorenbaus allgemein bekannt ist.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 unterscheidet sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel im Wesentlichen durch die mit 21 bezeichneten Vorsprünge in der Art einer Haifischflossenstruktur, während im Übrigen dieselben Bezugszeichen wie in 2 dieselben oder funktional vergleichbare Teile bezeichnen.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 dadurch, dass anstelle der Vorsprünge 21 eine Schicht 31 vorgesehen ist, die sich nicht nur über den unteren Abschnitt 11 sondern auch über die Stufe 13 erstreckt. Die Vermittlungsschicht 31 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine via Lichtbogendrahtspritzen aufgebrachte Schicht aus AlSi12. Auf der rechten Seite von 4 erkennt man, dass es alternativ möglich ist, den unteren Abschnitt vergleichbar der Ausgestaltung gemäß 3 vorzusehen, also mit Vorsprüngen 21 und ein weiteres Material, das vorzugsweise von dem Material der Laufbuchse 1 und/oder von dem Material des Motorblocks 2 verschieden ist, als Gussmaterial 32 derart auf die Außenumfangsfläche des oberen Abschnitts 12 aufzutragen, dass neben einer angedeuteten Stufe 13 ein dickwandigerer oberer Abschnitt 12 gebildet ist, beispielsweise doppelt so dick wie der untere Abschnitt 11 (gemessen an der Wandstärke). Als Gussmaterial 32 kommt zum Beispiel AlSi12 oder AlSi9Cu3 in Betracht, wobei dann das Gussmaterial 32 die Begrenzung des Wasserkanals 4 bildet.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 5 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 dadurch, dass der untere Abschnitt 11 der Laufbuchse 1 für einen besseren Halt verlängert ist. Hierdurch wird vorteilhaft das bei kurzen Buchsen auftretende komplette Wegschmelzen der unteren Kanten, wenn die Schmelze des Motorblockmaterials in die Form einfließt, verhindert, weil es hierdurch möglich ist, das Anströmen der außenliegenden Mantelfläche des unteren Abschnitts 11 von der Seite vorzusehen. Darüber hinaus wird die Steifigkeit des Verbunds verbessert.
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In 6b bis 6d sind bevorzugte Anordnungen von Laufbuchsen innerhalb eines Motorblocks dargestellt, wobei aufgrund der Darstellung als Draufsicht der obere Abschnitt 12 der Laufbuchse 1 zu erkennen ist. In der Ausführungsform gemäß 6b sind parallel zu der Achse der Laufbuchse 1 verlaufende Abflachungen 41 vorgesehen, die sich paarweise gegenüberstehen, wodurch es möglich ist, den Abstand der Laufbuchsen-Achsen zueinander zu reduzieren und insgesamt den Einbauraum des Motors zu verkleinern. Bei der Ausgestaltung gemäß 6c ist der Abstand der Zylinderachsen gleich geblieben und der Bereich der Abflachungen ist mit Abstandhaltestegen 51, die zugleich die Steifigkeit der Laufbuchsen 1 aufgrund der Verbindung miteinander erhöhen, gefüllt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6d ist eine gegenüber einer konventionellen Laufbuchse vergrößerte Wandstärke, die jedoch geringer ist als bei den Ausführungsbeispielen gemäß 6b oder 6c, dargestellt, so dass der Hubraum bei gleich bleibendem Zylinderachsenabstand vergrößert ist.
