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Die
Erfindung betrifft eine Zylinderöffnung eines Hubkolbenmotors
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Moderne
Hochleistungsmotoren erfordern bei der Bearbeitung von Zylinderlaufflächen
eine hohe Oberflächengüte. Zur Bearbeitung von
Zylinderlaufflächen wird in der Serienproduktion in der
Regel das Bearbeitungsverfahren des Honens eingesetzt, wodurch eine
sehr gute Oberfläche erzielt werden kann. Durch das Honen
ist die Oberfläche zwar mit einer einheitlichen Rauhigkeit
versehen. In vielen Fällen ist es jedoch erforderlich,
besondere Vertiefungen im Mikrostrukturbereich bereit zu stellen,
in denen sich Schmierstoffe ansammeln können, die gezielt
den beweglichen Kolben schmieren.
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Es
gibt verschiedene Möglichkeiten, solche so genannten Schmierstofftaschen
einzubringen. Eine Möglichkeit besteht zum Beispiel in
der Anwendung des so genannten Laserhonens. Dieses Honverfahren
ist jedoch technisch sehr aufwändig und kann nicht in jeden
Serienprozess integriert werden.
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In
der
EP 1 321 229 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderöffnung durch
einen Honprozess beschrieben, bei dem die Zylinderlauffläche einen
Querschnitt erhält, der gezielt von der Kreisform abweicht.
Die
DE 10 2006
036151 A1 beschreibt das Oberflächenstrukturieren
von Zylinderlaufbahnen mittels Laser.
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Durch
die beschriebenen Standart – Honverfahren ist es möglich,
besonders ebene Oberflächen zu schaffen. Häufig
ist es jedoch erforderlich, dass der Kolben mit seinem Kolbenring
in der Zylinderbohrung an manchen Stellen enger oder weiter anliegt. Dies
ist deshalb nötig, da einerseits an verschiedenen Stellen
entweder mehr Öl zwischen der Zylinderlauffläche
und dem Kolbenring durchlaufen muss, andererseits ist an manchen
Stellen ein enges Anliegen des Kolbenrings notwendig, damit Schmutz
oder Partikel abgelöst werden können.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zylinderöffnung
für einen Hubkolbenmotor bereit zu stellen, die gegenüber
dem Stand der Technik weitere Freiheitsgrade bei der Gestaltung
der Zylinderlaufbahn aufweist.
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Die
Lösung der Aufgabe besteht in einer Zylinderbohrung bzw.
Zylinderöffnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen
und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen
Patentansprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Zylinderöffnung eines
Hubkolbenmotors weist eine fein bearbeitete Zylinderlauffläche
auf. Entlang dieser Zylinderlauffläche ist ein Kolben mit
einem Kolbenring geführt, der während des Motorbetriebes
auf und ab läuft. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus,
dass die Zylinderlauffläche zumindest bereichsweise Vertiefungsmuster
bzw. Makroformstrukturierungen aufweist. Diese Vertiefungsmuster
bzw. Makroformstrukturierungen können dabei im Bereich
einer bestimmten Höhenerstreckung der Zylinderöffnung
vorgesehen sein, beispielsweise zwischen den Umkehrungspunkten der Kolbenringe
des jeweiligen Kolbens. Gleichfalls können die Vertiefungsmuster
bzw. Makroformstrukturierungen auch nur partiell im Bereich der
der Zylinderlauffläche vorgesehen sein. Dabei ist es gegebenenfalls
denkbar, dass die Vertiefungsmuster bzw. Makroformstrukturierungen
insbesondere in Erstreckungsrichtung der Zylinderlauffläche
regelmäßig wieder kehrend ausgebildet sind.
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Die
Vertiefungsmuster der Zylinderlauffläche (auch Zylinderlaufbahn
genannt) sind dazu geeignet, als eine Art Führung für
die Auf- und Abbewegung des Kolbenringes zu dienen. Sie können
auch je nach Darstellung der Muster als makroskopisch angelegte
Schmierstofftaschen fungieren. Sie unterscheiden sich hierin von
den an sich bekannten mikroskopischen Schmierstofftaschen, bei denen
in mikroskopisch kleinen Vertiefungen in der Oberfläche Schmierstoff
(zum Beispiel Öl) gelagert ist.
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Bei
den Vertiefungsmustern handelt es sich um Muster, die eine makroskopisch
Ausdehnung in der Fläche aufweisen. Die Tiefe der Vertiefungsmuster
bzw. Makroformstrukturierungen liegt eher im mikroskopischen Bereich.
In einer üblichen Ausgestaltung der Erfin dung liegt die
Tiefe zwischen 5 μm und 1.000 μm. In einer weiteren
vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung beträgt
die Tiefe der Vertiefungsmuster bzw. Makroformstrukturierungen zwischen
5 μm und 500 μm. In einer weiteren bevorzugten
Ausgestaltungsform liegt die Tiefe der Vertiefungsmuster zwischen
5 μm und 50 μm.
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In
einer Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Zylinderlauffläche
ein umlaufendes sternförmiges Muster auf. Dabei weist es
ferner umlaufende Vertiefungen auf, die jeweils parallel zu einer
Bohrungsachse in der Zylinderlauffläche eine Vertiefungslinie
bilden. Derartige Vertiefungslinien können als „Führungsschienen” für
den Kolbenring bei seiner Auf- und Abbewegung dienen.
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In
einer alternativen Ausgestaltungsform weist die Zylinderlauffläche
entlang einer parallel zur Bohrungsachse auf der Zylinderlauffläche
verlaufende Linie alternierende Vertiefungen auf. Ein derartiges
Vertiefungsmuster sieht in etwa so aus als wenn Golfbälle übereinander
in die Zylinderlauffläche hineingedrückt worden
wären. Ein derartiges Vertiefungsmuster ist besonders dafür
geeignet, makroskopische Bereiche mit erhöhtem oder erniedrigtem Schmierstoffgehalt
zu bilden.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung sowie vorteilhafte
Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt durch eine Zylinderöffnung mit einem
Kolben und einem Kolbenring;
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2 eine
dreidimensionale Darstellung einer Zylinderöffnung mit
stark übertrieben bzw. vergrößert dargestellten
Vertiefungsmuster;
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3 eine
dreidimensionale Darstellung einer Zylinderöffnung mit
stark übertriebenen bzw. vergrößert dargestellten
golfballförmigen Vertiefungsmuster; und
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4 einen
Längsschnitt durch eine Zylinderöffnung während
eines Honprozesses mit einem Formhonwerkzeug.
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In 1 ist
ein Längsschnitt durch eine Zylinderöffnung 2 dargestellt.
Diese Zylinderbohrung bzw. Zylinderöffnung 2 ist
an ihren Seiten von den so genannten Kolbenstegen 6 begrenzt,
die die Grenze zu einer anliegenden, nicht dargestellten Zylinderöffnung
darstellen. Im Inneren der Zylinderöffnung 2 weist
diese eine Zylinderlauffläche 4 auf, in der ein Kolben 8 mit
einem Kolbenring 10 entlang der Bohrungsachse 12 auf
und ab bewegt wird bzw. führbar ist.
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Bei
der Auf- und Abbewegung des Kolbens 8 gleitet der Kolbenring 10 entlang
der Zylinderlauffläche 4, wobei dieser während
seiner höchsten Geschwindigkeit die Zylinderlauffläche 4 im
Idealfall nicht berührt. Lediglich in den Bereichen eines
oberen Umkehrpunktes 16 und eines unteren Umkehrpunktes 18 geht
die Geschwindigkeit des Kolben 8 und somit des Kolbenrings 10 auf
null zurück, wodurch es zu einer Berührung zwischen
dem Kolbenring 10 und der Zylinderlauffläche 4 kommt.
In diesen Bereichen 16 und 18 ist die tribologische
Belastung an der Zylinderlauffläche 4 am höchsten.
Es ist deshalb wünschenswert, insbesondere in diesen Bereichen 16 und 18 einen
besonders hohen Vorrat an Schmierstoff (Öl) bereit zu stellen.
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In 2 ist
ein sternförmiges Vertiefungsmuster 18 dargestellt.
Dabei verlaufen die Vertiefungen 22 entlang einer Vertiefungslinie 14,
die in der Zylinderlauffläche 4 parallel zur Öffnungsachse 12 verläuft.
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Die
Vertiefung 22 weist in den meisten Fällen eine
Tiefe zwischen etwa 100 μm und 500 μm auf. Wie
bereits dargelegt, ist die Vertiefung 22 der 2 zur
besseren Veranschaulichung stark übertrieben dargestellt.
Es handelt sich somit bei der Vertiefung 22 an sich um
eine mikroskopische Erscheinung, die jedoch in ihrer Ausdehnung
entlang der Zylinderlauffläche 4 über
deren gesamten Länge von oben nach unten verläuft.
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Grundsätzlich
wäre es auch möglich, die Vertiefung 22,
die entlang der Linie 14 verläuft nur im Bereich
eines oberen oder unteren Umkehrpunktes 40, 42 (vergleiche 1)
verlaufen zu lassen. Auch hierbei würde es sich in der
Längenausdehnung um eine makroskopische Erscheinung handeln,
die in der Größenordnung von etwa 10 mm liegen
würde.
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Derartige
Vertiefungslinien 14 gemäß 2 können
auch als so genannte Führungsschienen für den
Kolbenring 10 dienen. Das sternförmige Vertiefungsmuster 18 dient
da zu, dass der Kolbenring 10 teilweise näher an
der Oberfläche der Zylinderlauffläche 4 anliegt,
was beispielsweise dazu dienen kann Schmutzpartikel vom Kolbenring 10 abzustreifen.
Andererseits gibt es Bereiche, in denen der Kolbenring 10 eine
weitere Entfernung zur Oberfläche der Zylinderlauffläche 4 aufweist.
An diesen Stellen, also an den Vertiefungen 22 ist es möglich,
dass Schmierstoff zwischen der Zylinderlauffläche 4 und
dem Kolbenring 10 vorbeifließen kann. Aus diesem
Grund ist es auch zweckmäßig, dass dieses sternförmige
Vertiefungsmuster 18 insbesondere im Bereich eines oberen
Umkehrpunktes 40 des Kolbenringes, beziehungsweise im Bereich
eines unteren Umkehrpunktes 42 eingebracht ist. In diesen
Bereichen der Umkehrpunkte 40, 42 weist der Kolbenring 10 seine
geringste Geschwindigkeit bezüglich der Zylinderlauffläche
auf, weshalb in diesem Bereich die höchste Reibung auftritt.
Somit sollte gewährleistet sein, dass in diesen Bereichen 40, 42 die
größte Menge an Schmierstoff bereit steht.
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Ein ähnliches
Vertiefungsmuster 20 ist in 3 dargestellt.
Es handelt sich dabei um ein Muster, wobei entlang einer Linie 16 beziehungsweise 16' in
alternierender Reihenfolge punktuelle Vertiefungen 24 eingebracht
sind. Diese punktuellen Vertiefungen 24 liegen bevorzugt
in einer Form, die in einer Extremform einer Kugel entspricht (Golfballmuster) und
in einer anderen Extremform einem Stachel entspricht (Igelmuster).
Dabei hat natürlich auch dieser Stachel eine gewisse Rundung
und ist makroskopisch bezüglich seiner Ausdehnung auf der
Zylinderlauffläche 4 ausgestaltet. Die punktuellen
Vertiefungen erstrecken sich bevorzugt über eine Fläche
von 5 mm bis 30 mm Durchmesser und weisen eine Tiefe zwischen 5 μm
und 500 μm auf.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Vertiefungsmusters gemäß 3 laufen
zwei parallele Linien 16 und 16' auf der Zylinderlauffläche 14 parallel zur Öffnungssachse 12.
Die auf diesen Linien 16 und 16' alternierend
angeordneten Vertiefungen 24 sind auf diesen beiden Linien 16, 16' versetzt
angeordnet. Auch diese Struktur nach 3 weist
den Vorteil auf, dass sie in alternierender Reihenfolge Schmierstofftaschen
bildet, die makroskopisch Schmierstoff einlagern. Die anderen Bereiche,
die nicht vertieft sind, liegen wiederum näher im Laufbereich
des Kolbenrings 10 und dienen dazu, mögliche Ablagerungen
am Kolbenring 10 abzustreifen.
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Bei
den in 2 und 3 beschriebenen Vertiefungsmustern 18, 20 handelt
es sich um exemplarische Muster. Grundsätzlich sind auch
andere Muster wie beispielsweise eine wendelförmige Kontur
oder eine schraubenfederartige Kontur zweckmäßig.
Wie bereits beschrieben, muss das Vertiefungsmuster nicht notwendigerweise über
die gesamte Länge der Zylinderlauffläche 4 entlang
der Öffnungsachse 12 verlaufen. Es ist möglich,
die Vertiefungsmuster nur in tribologisch besonders beanspruchten Bereichen,
wie den bereits erwähnten oberen und unteren Umkehrpunkt
des Kolbenrings 10 darzustellen. Auch ist eine zu- oder
abnehmende Intensität (Amplitude) der Vertiefungsmuster
entlang der Zylinderöffnung 2 beziehungsweise
entlang ihres Umfangs denkbar.
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Zur
Darstellung der beschriebenen Vertiefungsmuster ist die Anwendung
eines so genannten Formhonverfahrens zweckmäßig.
Ein derartiges Formhonverfahren ist im Folgenden näher
beschrieben.
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Die 4 zeigt
eine Zylinderbohrung 2, die von Zylinderstegen 6 begrenzt
ist und eine Bohrungsachse 12 aufweist, und in die ein
Formhonwerkzeug 26 entlang der Bohrungsachse 12 eingeführt
wird. Das Formhonwerkzeug 26 rotiert entlang seiner nicht dargestellten
Mittelachse, und liegt dabei mit so genannten Honsteinen 28,
die auch als Honleisten bezeichnet werden, an der Zylinderlauffläche 4 an.
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Das
Formhonwerkzeug 26 ist in zwei Positionen dargestellt.
Zum einen in einer oberen Position, in der es in durchgezogener
Linie dargestellt ist. Hierbei kann das Formhonwerkzeug 26 an
der Zylinderlauffläche 4 mit unterschiedlichen
Drücken aufgebracht werden. Diese Drücke sind
in der 4 mit P1, P2 und P3 bezeichnet. Das Formhonwerkzeug 26 und
die dazugehörige Maschinensteuerung sind so ausgestaltet,
dass das Formhonwerkzeug 26 lokal unterschiedliche Drücke
P1 bis P3 aufbringen kann. Das Formhonwerkzeug 26 ist in
einer unteren Position gestrichelt dargestellt. Hier liegt es an
der Zylinderlauffläche 4 mit dem Druck P2 an.
Durch die unterschiedliche Druckbeaufschlagung ist es möglich, die
exemplarisch beschriebenen Vertiefungsmuster sowohl umlaufend als
auch axial darzustellen.
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Es
kann zweckmäßig sein, eine gezielte Abweichung
vom kreisförmigen Querschnitt der Zylinderbohrung 2 durch
ein Formhonverfahren einzustellen. Dies ist dann vorteilhaft, wenn
es zum Verzug der Zylinderbohrung 2 kommt. Dieser Verzug
kann beispielsweise bei der Montage des Motors auftreten, er kann
jedoch auch durch thermische Effekte, beispielsweise Überhitzung
des Motors herrühren. Bei der Konstruktion des Motors und
bei der Produktion können derartige Verzüge der
Zylinderbohrung 2 durch gezieltes Endbearbeiten mit dem
Formhonprozess ausgeglichen werden.
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Durch Überlagerung
des Formhonprozesses mit den beschriebenen Vertiefungsmustern kann
somit eine Zylinderlauffläche 4 geschaffen werden,
die sowohl den Anforderungen an die Tribologie, also an die Reibeigenschaften,
als auch an die mechanischen Eigenschaften bezüglich der
makroskopischen Abmessung der Zylinderöffnung 2 Rechnung trägt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1321229
A1 [0004]
- - DE 102006036151 A1 [0004]