DE102009010791B4

DE102009010791B4 - Zylinderbohrung eines Hubkolbenmotors

Info

Publication number: DE102009010791B4
Application number: DE102009010791.6A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing.(FH) Grüner Michael; Dr.rer.nat. Haug Tilmann; Dipl.-Ing. Wiens Andreas
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2019-07-18
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: DE102009010791A1

Abstract

Zylinderöffnung eines Hubkolbenmotors mit einer fein bearbeiteten Zylinderlauffläche (4), entlang derer ein Kolben (8) mit einem Kolbenring (10) führbar ist, wobei die Zylinderlauffläche (4) unterschiedliche Mikrostrukturierungen (14) aufweist und wobei die Zylinderlauffläche (4) im Bereich eines oberen Umkehrpunktes (16) und/oder eines unteren Umkehrpunktes (18) des Kolbens (8) eine tiefere Mikrostrukturierung (14) mit tieferen Strukturrillen (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlauffläche (4) in ihrem Querschnitt abwechselnd Bereiche mit tieferen Strukturrillen (20) und flacheren Strukturrillen (22) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinderöffnung eines Hubkolbenmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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 Schmierstoff ansammeln können, die gezielt den beweglichen Kolben schmieren.
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.
Die DE 695 05 467 T2 beschreibt eine Brennkraftmaschinen-Zylinderbohrungsoberfläche, welche drei unterschiedliche Abschnitte aufweist, von denen nur einer feingehont ist. Ein oberer Abschnitt und ein bodenseitiger Abschnitt der Zylinderbohrungsoberfläche sind beide grobgehont. Ein Mittelabschnitt, welcher zwischen dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt angeordnet ist, ist feingehont.
In dem europäischen Patent EP 1 321 229 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Öffnung durch einen Honprozess beschrieben, bei dem die Zylinderlauffläche einen Querschnitt erhält, der gezielt von der Kreisform abweicht. Die DE10 2006 036151 A1 beschreibt das Oberflächenstrukturieren von Zylinderlaufbahnen mittels Laser.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zylinderlauffläche eines Hubkolbenmotors bereit zu stellen, die gegenüber dem Stand der Technik besser an die tribologischen Anforderungen bei der Bewegung des Kolbens angepasst ist.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Zylinderöffnung eines Hubkolbenmotors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie in einem Verfahren zur Bearbeitung einer Zylinderlauffläche mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Zylinderöffnung eines Hubkolbenmotors weist eine fein bearbeitete Zylinderlauffläche auf. Hierbei ist der Begriff Zylinderlauffläche ein Synonym für den Begriff Zylinderlaufbahn. Entlang dieser Zylinderlauffläche bewegt sich ein Kolben mit einem Kolbenring. Die Zylinderöffnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Zylinderlauffläche unterschiedliche Mikrostrukturierungen bzw. Rauheiten aufweist. Diese unterschiedlichen Mikrostrukturierungen können sich beispielsweise in Erstreckungsrichtung oder aber in Umfangsrichtung der Zylinderlauffläche abwechseln.
Weiterhin ist vorgesehen, dass an tribologisch besonders beanspruchten Stellen der Zylinderlauffläche, an einem oberen Umkehrpunkt und/oder einem unteren Umkehrpunkt des Kolbens (oberer Totpunkt oder unterer Totpunkt) eine besonders raue Oberfläche, mit besonders tiefen Strukturrillen einzubringen, in denen sich besonders viel Schmierstoff ansammeln kann.
Zudem ist vorgesehen, dass die Mikrostrukturierung der Zylinderlauffläche in der Art ausgestaltet ist, dass sie entlang ihres Querschnittes abwechselnd tiefere und flachere Strukturrillen aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bearbeitung einer Zylinderlauffläche die eine innere Oberfläche einer Zylinderöffnung eines Hubkolbenmotors darstellt. Entlang dieser Zylinderlauffläche wird im Betrieb des Hubkolbenmotors ein Kolben mit einem Kolbenring geführt.
Zudem ist vorgesehen, dass die Zylinderlauffläche in einem Honprozess bearbeitet wird und ein Zustelldruck eines Honsteines (bzw. einer Honleiste) zur Erzeugung von unterschiedlichen Mikrostrukturierungen lokal erhöht wird, wobei durch die lokal gesteuerte Druckgraduierung des Honsteins die Tiefe von Strukturrillen lokal unterschiedlich gestaltet wird.
Es wird somit durch eine lokale Drucksteuerung eines Honwerkzeugs eine unterschiedliche Mikrostrukturierung in die Zylinderlauffläche eingebracht.
Gemäß der Erfindung wird diesem Honprozess ein weiterer Formhonprozess überlagert, in dem ein Querschnitt der Zylinderöffnung geschaffen wird, der entweder gezielt eine Kreisform darstellt oder gezielt von der Kreisform abweicht (verzerrt ist), um eventuelle Verformungen der Zylinderöffnung, die bei der Montage des Motors auftreten, zu neutralisieren.
Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale werden detailliert in den folgenden Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 einen Querschnitt durch eine Zylinderöffnung mit einem Kolben und einem Kolbenring;
2 einen Querschnitt durch eine Zylinderöffnung, die entlang ihres Umfanges unterschiedliche Mikrostrukturierungen aufweist (stark übertrieben dargestellt);
3 einen Längsschnitt entlang einer Zylinderlauffläche mit unterschiedlichen Mikrostrukturierungen; und
4 einen Längsschnitt durch eine Zylinderöffnung während eines Honprozesses mit einem Formhonwerkzeug.

In 1 ist ein Längsschnitt durch eine Zylinderöffnung 2 dargestellt. Diese Zylinderöffnung 2 ist an ihren Seiten von den so genannten Zylinderstegen 6 begrenzt, die die Grenze zu einer anliegenden, nicht dargestellten Zylinderöffnung 2 darstellen. Im Inneren der Zylinderöffnung 2 weist diese eine Zylinderlauffläche 4 auf, in der ein Kolben 8 mit einem Kolbenring 10 entlang der Öffnungsachse 12 auf und ab bewegt wird bzw. führbar ist.
Bei der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens 8 gleitet der Kolbenring 10 entlang der Zylinderlauffläche 4, wobei dieser während der 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 Kolbens 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.
Wie in 3 schematisch dargestellt ist, weist die Zylinderlauffläche 4 im Bereich des oberen Umkehrpunktes 16 und des unteren Umkehrpunktes 18 besonders tiefe Strukturrillen 20 auf. Eine gesamte Mikrostrukturierung 14, die tiefe Strukturrillen 20 und flache Strukturrillen 24 umfasst, ist in den 2 und 3 in stark übertriebener Form dargestellt. In dem Bereich der tiefen Strukturrillen 20 kann sich verständlicherweise mehr Öl ansammeln, als dies in den flachen Strukturrillen 22 der Fall ist. Somit steht in den Bereichen 16 und 18 dem Kolbenring 10 während seiner verlangsamten Geschwindigkeit und in seinem Umkehrpunkt mehr Schmierstoff zur Verfügung.
Entsprechend der 2 kann die Mikrostrukturierung 14 der Zylinderlauffläche 4 auch im Umfang verschiedenartig ausgestaltet sein. Auch hier können tiefe Strukturrillen von flachen Strukturrillen 22 abgewechselt werden. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Zylinderöffnung 2 einen gezielt von einer Kreisform abweichenden Querschnitt erhalten soll.
Eine gezielte Abweichung vom kreisförmigen Querschnitt der Zylinderöffnung 2 kann dann zweckmäßig sein, wenn es zum Verzug der Zylinderöffnung 2 kommt. Dieser Verzug kann beispielsweise bei der Montage des Motors auftreten, er kann jedoch auch durch thermische Effekte, beispielsweise Aufheizen des Motors herrühren. Bei der Konstruktion des Motors und bei der Produktion können derartige Verzüge der Zylinderöffnung 2 durch gezieltes Endbearbeiten in einem Formhonprozess ausgeglichen werden.
Ein derartiger Formhonprozess wird im Weiteren anhand der 4 schematisch beschrieben. Die 4 zeigt eine Zylinderöffnung 2, die von Zylinderstegen 6 begrenzt ist und in die ein Formhonwerkzeug 26 entlang der Öffnungsachse 12 eingeführt wird. Das Formhonwerkzeug rotiert entlang seiner nicht dargestellten Mittelachse, und liegt dabei mit so genannten Honsteinen 24, die auch als Honleisten bezeichnet werden, an der Zylinderlauffläche 4 an.
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 beziehungsweise P3 bezeichnet. Das Formhonwerkzeug 26 und die dazugehörige Maschinensteuerung sind so ausgestaltet, dass das Formhonwerkzeug 26 lokal unterschiedliche Drücke P1 bis P3 aufbringen kann. Durch unterschiedliche Drücke werden auch die Strukturrillen 20, 24 in unterschiedlicher Tiefe ausgestaltet.
Das Formhonwerkzeug 26 ist in einer unteren Position gestrichelt dargestellt. Hier liegt es an der Zylinderlauffläche 4 mit dem Druck P2 an. Nimmt man Bezug auf die 3 ist der Druck P1, mit dem das Formhonwerkzeug an der Zylinderlauffläche 4 anliegt, höher als der Druck P2. An der Stelle, wo der Druck P1 wirkt, werden tiefere Strukturrillen 20 erzeugt. An dem Ort, an dem der Druck P2 anliegt, werden flachere Strukturrillen 22 erzeugt.
Ebenfalls ist diese unterschiedliche Druckbeaufschlagung des Formhonwerkzeuges an der Zylinderlauffläche 4 auch in Bezug auf 2 zu lesen, wobei das Formhonwerkzeug 26 analog dazu in der oberen Position zu sehen ist. Der Druck P1 ist höher als der Druck P3. Auf diese Weise werden abwechselnd höhere und niedere Drücke in umlaufende Richtung auf die Zylinderlauffläche 4 aufgebracht. Dadurch kann die in der 2 dargestellte Mikrostrukturierung 14 mit abwechselnd tiefen Strukturrillen 20 und flachen Strukturrillen 24 erzeugt werden.
Nach einem Strukturierungsverfahren, wie es in den voran gegangenen Absätzen durch das angewendete Honverfahren beschrieben ist, kann ein weiteres Honverfahren angeschlossen werden. Hierbei handelt es sich um ein so genanntes Formhonverfahren. Durch dieses Formhonverfahren kann wie bereits beschrieben, eine gezielte Abweichung von einer Kreisform der Zylinderöffnung 2 erzielt werden. Durch Überlagerung des Formhonprozesses mit der beschriebenen Mikrostrukturierung 14 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.

Claims

Zylinderöffnung eines Hubkolbenmotors mit einer fein bearbeiteten Zylinderlauffläche (4), entlang derer ein Kolben (8) mit einem Kolbenring (10) führbar ist, wobei die Zylinderlauffläche (4) unterschiedliche Mikrostrukturierungen (14) aufweist und wobei die Zylinderlauffläche (4) im Bereich eines oberen Umkehrpunktes (16) und/oder eines unteren Umkehrpunktes (18) des Kolbens (8) eine tiefere Mikrostrukturierung (14) mit tieferen Strukturrillen (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlauffläche (4) in ihrem Querschnitt abwechselnd Bereiche mit tieferen Strukturrillen (20) und flacheren Strukturrillen (22) aufweist.
Verfahren zur Bearbeitung einer Zylinderlauffläche (4) einer Zylinderöffnung (2) eines Hubkolbenmotors, entlang derer ein Kolben (8) mit einem Kolbenring (10) geführt ist, wobei die Zylinderlauffläche (4) in einem Honprozess bearbeitet wird und ein Zustelldruck (P1, P2, P3) eines Honsteins (24) zur Erzeugung von unterschiedlichen Mikrostrukturierungen (14) lokal erhöht wird, wobei durch die lokal gesteuerte Druckgraduierung des Honsteins (24) die Tiefe von Strukturrillen (20, 22) lokal unterschiedlich gestaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung zur Darstellung unterschiedlich tiefer Mikrostrukturierungen (14) durch eine weitere Bearbeitung der Zylinderlauffläche in Form eines Formhonprozesses überlagert wird, in dem ein gezielter kreisförmiger Querschnitt oder ein gezielt von der Kreisform abweichender Querschnitt der Zylinderöffnung (2) eingestellt wird.