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Die
Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse nach den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu deren Herstellung nach
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6.
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Aus
dem Stand der Technik ist, wie in
DE 42 38 525 C1 beschrieben, eine Zylinderlaufbuchse
mit einer Verschleißschutzschicht bekannt. Die den Zwickelverschleiß mindernde
Verschleißschutzschicht einer Zylinderlaufbuchse einer
Hubkolben-Brennkraftmaschine aus legiertem oder unlegiertem Grauguss
besteht aus einem Werkstoff mit einer extrem großen Verschleiß-
und Druckfestigkeit auch bei erhöhten Temperaturen. Die
Schutzschicht deckt einen Bereich der Lauffläche der Zylinderlaufbuchse
ab, der um eine halbe Kolbenringhöhe über der
oberen Flanke des obersten Kolbenrings bei der oberen Totpunktstellung
des Kolbens beginnt und sich um einen Betrag von 5% bis 15% des
Kolbendurchmessers in Richtung des Kurbelgehäuses erstreckt.
Die Schutzschicht verläuft fluchtend mit der restlichen
Lauffläche und weist eine Schichtdicke von 0,03 mm bis
0,5 mm und eine Oberflächenrauheit von 1 μm bis
6,3 μm auf.
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In
der
DE 199 41 564
A1 wird ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche
eines Bauteils mit einem durch thermisches Spritzen erzeugten Teilchenstrahl
beschrieben. Der Teilchenstrahl überstreicht die zu bearbeitende
Oberfläche des Bauteils wenigstens teilweise in einem vorbestimmten
Muster.
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Aus
der
DE 100 26 372
B4 ist ein Verfahren zum Laserbearbeiten einer Innenfläche
einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines
Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine
bekannt. Mittels eines Laserstrahls werden auf einem Grundwerkstoff
der Innenfläche Laserlegierungsbahnen bzw. Laserbeschichtungsbahnen
ausgebildet. Der Laserstrahl wird derart über einen zu
bearbeitenden Abschnitt der Innenfläche der zylinderförmigen
Bohrung geführt, dass wenigstens zwei separate, geschlossene,
in axialer Richtung bezüglich der Bohrung voneinander beabstandete
und in Umfangsrichtung innerhalb eines ringförmigen Zylindersegmentes
der zylinderförmigen Bohrung mit vorbestimmter axialer
Bahnhöhe verlaufende Laserlegierungs- oder Laserbeschichtungsbahnen
hergestellt werden. Die Bahnhöhe ist kleiner als eine axiale
Gesamthöhe des zu bearbeitenden Abschnittes der Innenfläche
der zylinderförmigen Bohrung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Zylinderlaufbuchse
und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Zylinderlaufbuchse
einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für einen Kolben mit
einem Kolbenring-System zur Abdichtung zwischen einem Arbeitsraum
und einem Kurbelgehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe
durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Eine
Zylinderlaufbuchse einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für
einen Kolben mit einem Kolbenring-System zur Abdichtung zwischen
einem Arbeitsraum und einem Kurbelgehäuse ist erfindungsgemäß in
Zwickelbereichen aus einer duktilen Matrix mit eingebetteten amorphen
oder teilamorphen Nanopartikeln gebildet.
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Zwickelbereiche
in einer Zylinderbohrung sind Bereiche eines oberen und eines unteren
Ringumkehrpunktes eines an einer Zylinderlauffläche der
Zylinderbohrung anliegenden Kolbenringes. Um das Kurbelgehäuse
und den Arbeitsraum gegeneinander abzudichten, liegt von dem Kolbenringsystem des
Kolbens zumindest ein Kolbenring an der Zylinderlauffläche
der Zylinderbohrung an bzw. wird nur durch einen dünnen Ölfilm,
auf welchem er gleitet, von der Zylinderlauffläche getrennt.
Der Kolbenring gleitet auf dem Ölfilm über die
Zylinderlauffläche. An einem oberen und unteren Totpunkt
des Kolbens bleibt in Folge einer Umkehrung einer linearen Bewegung
des Kolbens dieser jeweils kurz stehen. In diesen Momenten bleiben
auch die Kolbenringe in ihren jeweiligen Ringumkehrpunkten kurz
stehen, d. h. der an der Zylinderlauffläche anliegende
Kolbenring im Zwickelbereich. Da eine Gleitgeschwindigkeit des Kolbenrings
in diesen Umkehrpunkten bis auf Null abfällt, gleitet der
Kolbenring nicht mehr auf dem Ölfilm, sondern liegt an
der Zylinderlauffläche an, so dass in den Zwickelbereichen
Festkörperreibung zwischen dem Kolbenring und der Zylinderlauffläche vorliegt.
Dies führt zu einer erhöhten Reibleistung und
einem so genannten Zwickelverschleiß, d. h. einem erhöhten
Verschleiß der Zylinderlauffläche in den Zwickelbereichen.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung ist in den
Zwickelbereichen eine Funktionsschicht gebildet, durch welche aufgrund
der eingebetteten amorphen oder teilamorphen Nanopartikel eine Reibung deutlich
reduziert ist. Mittels der erfindungsgemäßen Lösung
ist in den Zwickelbereichen statt der Festkörperreibung
eine Annäherung an einen hydrodynamischen Schmierzustand
erreichbar, d. h. die Reibleistung in diesen Zwickelbereichen nähert
sich der geringen Reibleistung der anderen Bereiche der Zylinderlauffläche
an, in welchen der Kolben auf dem Ölfilm über
die Zylinderlauffläche gleitet, in welchen also Flüssigkeitsreibung
vorherrscht. Dies ist erzielbar durch die in der duktilen Matrix
eingebetteten Nanopartikel.
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Die
duktile, d. h. plastisch verformbare Matrix ist eine weiche Matrix,
beispielsweise aus einer Eisenbasislegierung. Daher sind in diese
Matrix harte Nanopartikel, beispielsweise Sinterpartikel und/oder gehärtete
Eisenpartikel und/oder Keramikpartikel derart einlagerbar, dass
sie teilweise in der Matrix eingebettet sind. Nicht eingebettete
Teile dieser Nanopartikel klappen bei Gleitbewegungen, d. h. wenn der
Kolbenring über diese hinweg gleitet, hin und her. Des
Weiteren kann zwischen diesen Nanopartikeln ein Ölfilm
auf der Zylinderlauffläche besser haften. Durch dieses
Hin- und Herklappen der nicht eingebetteten Teile der Nanopartikel
und zusätzlich noch durch eine höhere Ölmenge
an der Zylinderlauffläche in diesen Bereichen wird ein
Reibbeiwert, d. h. die Reibung und somit auch die Reibleistung in
den Zwickelbereichen deutlich reduziert ist. Daraus resultieren
eine Steigerung eines Wirkungsgrades der Hubkolben-Brennkraftmaschine
und eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Des Weiteren sind
eine thermische Belastung eines Zylinderkurbelgehäuses der
Hubkolben-Brennkraftmaschine und sowohl ein Zwickelverschleiß als
auch ein Kolbenringverschleiß reduziert.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 einen
Ausschnitt aus einer Hubkolben-Brennkraftmaschine im Bereich einer
Zylinderbohrung.
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1 zeigt
einen Ausschnitt aus einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer
durch thermisches Spritzen auf einem Grundmaterial 1 der
Hubkolben-Brennkraftmaschine aufgebrachten Zylinderlaufbuchse 2 in
einer Zylinderbohrung und mit einem Kolben 3 mit einem
Kolbenring-System zur Abdichtung eines Arbeitsraums gegenüber
einem Kurbelgehäuse, wobei das Kolbenring-System im hier
dargestellten Ausführungsbeispiel nur einen Kolbenring 4 umfasst.
Der Kolben 3 befindet sich nahe seinem oberen Totpunkt
in der Zylinderbohrung, noch in einer Aufwärtsbewegung.
Der Kolbenring 4 ist in einer Ringnut 5 des Kolbens 3 angeordnet
und dient im Wesentlichen dazu, ein Durchtreten von im Arbeitsraum
befindlichen, zeitweise unter hohem Druck stehenden Gasen zum Kurbelgehäuse
zu verhindern. Der Kolbenring 4 weist eine ballige Lauffläche
mit abgerundeten Übergängen zu einer Ringoberflanke und
einer Ringunterflanke auf, um auf einer mit einem Ölfilm
benetzten Zylinderlauffläche 6 gleiten zu können.
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Die
Zylinderbuchse 2 ist gebildet aus einer duktilen Matrix 7,
beispielsweise aus einer Eisenbasislegierung. Diese duktile Matrix 7 wird
in einem Verfahren zur Herstellung der Zylinderbuchse 2 beispielsweise
mittels Lichtbogendrahtspritzen erzeugt. Dabei wird ein Brenner
in die Zylinderbohrung eingefahren, in welchem zwischen zwei Elektroden
durch Anlegen einer Spannung ein Lichtbogen erzeugt wird. Zumindest
eine der beiden Elektroden ist ein drahtförmiger Spritzwerkstoff,
welcher durch den Lichtbogen aufgeschmolzen wird. Mittels eines
Zerstäubergases werden aufgeschmolzene Spritzpartikel auf
das Grundmaterial 1 der Hubkolben-Brennkraftmaschine in
der Zylinderbohrung aufgespritzt und durch gleichzeitige oder nacheinander
ablaufende Drehbewegungen und lineare Bewegungen des Brenners die
Matrix 7 der Zylinderlaufbuchse 2 hergestellt.
Die Matrix 7 zeichnet sich durch ihre poröse Struktur
aus, wodurch sich ein stabiler Ölfilm bilden kann, da diese
poröse Struktur ein Rückhaltevolumen für Öl
bildet. Gleitet der Kolbenring 4 über diesen Ölfilm,
besteht zwischen Kolbenring 4 und Ölfilm bzw. Ölfilm
und der Zylinderlauffläche 6 nur Flüssigkeitsreibung,
also eine sehr geringe Reibleistung.
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An
einem oberen und unteren Totpunkt des Kolbens 3 bleibt
in Folge einer Umkehrung einer linearen Bewegung des Kolbens 3 dieser
jeweils kurz stehen. In diesen Momenten bleibt auch der Kolbenring 4 in
seinem jeweiligen Ringumkehrpunkt, d. h. in einem Zwickelbereich,
kurz stehen. Da eine Gleitgeschwindigkeit des Kolbenrings 4 in
diesen Ringumkehrpunkten bis auf Null abfällt, gleitet
der Kolbenring 4 nicht mehr auf dem Ölfilm, der Ölfilm
reißt ab und der Kolbenring 4 liegt direkt an
der Zylinderlauffläche 6 an, so dass in den Zwickelbereichen
Festkörperreibung zwischen dem Kolbenring 4 und
der Zylinderlauffläche 6 vorliegt. Dies führt
zu einer erhöhten Reibleistung und einem so genannten Zwickelverschleiß,
d. h. einem erhöhten Verschleiß der Zylinderlauffläche 6 in
den Zwickelbereichen.
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Um
dies zu verhindern, werden im Verfahren zur Herstellung der Zylinderbuchse 2 beispielsweise durch
Kaltgasspritzen in den Zwickelbereichen amorphe oder teilamorphe
Nanopartikel 8 auf die duktile Matrix 7 aufgebracht,
wobei ein Kaltgasbrenner beispielsweise dem Lichtbogenbrenner nachlaufend
an einer gemeinsamen Vorrichtung angebracht ist. Beim Kaltgasspritzen
wird ein auf wenige hundert Grad Celsius aufgeheiztes Prozessgas
durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit
beschleunigt und in einen sich dadurch bildenden Gasstrahl die Nanopartikel 8 eingebracht.
Diese Nanopartikel 8, beispielsweise Sinterpartikel und/oder
gehärtete Eisenpartikel und/oder Keramikpartikel, werden
dadurch mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die relativ weiche und
duktile, d. h. plastisch verformbare Matrix 7 gespritzt,
wodurch sie teilweise in der Matrix 7 eingebettet werden.
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Durch
eine amorphe oder teilamorphe Struktur der Nanopartikel 8,
d. h. deren Atome weisen keine geordneten Strukturen, sondern ein
unregelmäßiges Muster auf, können die
Teile der Nanopartikel 8, welche nicht in der Matrix 7 eingebettet
sind, hin und her klappen, wenn der Kolbenring 4 darüber
hinweg gleitet, entsprechend einer jeweiligen Gleitbewegung des
Kolbenrings 4, wie dies auch in der Darstellung ersichtlich
ist. Hier dargestellt ist aus Gründen der Übersichtlichkeit
nur ein oberer Zwickelbereich der Zylinderbohrung, in einem unteren,
hier nicht dargestellten Zwickelbereich sind ebenfalls diese Nanopartikel 8 auf
die duktile Matrix 7 aufgebracht bzw. in dieser eingebettet,
so dass der Kolbenring 4 an einem unteren Ringumkehrpunkt
ebenfalls über diese Nanopartikel 8 gleitet.
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Dadurch
ist in den Zwickelbereichen statt der Festkörperreibung
eine Annäherung an einen hydrodynamischen Schmierzustand
erreichbar, d. h. die Reibleistung in diesen Zwickelbereichen nähert
sich der geringen Reibleistung der anderen Bereiche der Zylinderlauffläche 6 an,
in welchen der Kolben 3 auf dem Ölfilm über
die Zylinderlauffläche 6 gleitet, in welchen also
Flüssigkeitsreibung vorherrscht. Zusätzlich zum
Umklappen der Nanopartikel 8 wird durch diese Nanopartikel 8 auch
eine erhöhte Ölmenge an der Zylinderlauffläche 6 zurückgehalten,
wodurch die Reibung weiter verringert ist. Aus diesem Hin- und Herklappen
der nicht eingebetteten Teile der Nanopartikel 8 und zusätzlich
noch aus einer höhere Ölmenge an der Zylinderlauffläche 6 in
diesen Zwickelbereichen resultieren eine Steigerung eines Wirkungsgrades
der Hubkolben-Brennkraftmaschine und eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs.
Des Weiteren sind eine thermische Belastung eines Zylinderkurbelgehäuses
der Hubkolben-Brennkraftmaschine und sowohl ein Zwickelverschleiß als
auch ein Kolbenringverschleiß reduziert.
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- 1
- Grundmaterial
- 2
- Zylinderlaufbuchse
- 3
- Kolben
- 4
- Kolbenring
- 5
- Ringnut
- 6
- Zylinderlauffläche
- 7
- Matrix
- 8
- Nanopartikel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4238525
C1 [0002]
- - DE 19941564 A1 [0003]
- - DE 10026372 B4 [0004]