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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse mit integriertem Kühlkanal sowie ein Verfahren zur Herstellung der Zylinderlaufbuchse.
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Die Verwendung von Zylinderlaufbuchsen in Hubkolbenmotoren bietet viele Vorteile. Insbesondere bei Leichtmetall-Motorblöcken kann es vorteilhaft sein, die Kontaktflächen zum Kolben aus einem anderen, der Aufgabe besser angepassten Material vorzusehen. Durch die Verwendung einer Zylinderlaufbuchse kann der Einsatz dieses Materials gezielt, flexibel und sparsam erfolgen.
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Allerdings besteht das grundsätzliche Problem, dass an der Schnittstelle von Laufbuchse und Motorblock die Wärmeleitung schlechter sein kann als bei Motoren ohne Laufbuchsen. Durch die unterschiedlichen Materialien und/oder durch Lufteinschlüsse wird die Wärmeübertragung auf den Motorblock, in dem sich die Kühlmittelkanäle befinden, verschlechtert. Dies betrifft so genannte „trockene” bzw. eingegossene Laufbuchsen. Aber auch bei so genannten „nassen” Laufbuchsen, die zumindest teilweise von außen von Kühlmittel umströmt werden, kann es lokal zu erhöhten thermischen Belastungen kommen, die von dem umgebenden Kühlmittel nicht optimal abgeführt werden können.
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Daraus hat sich die Verwendung von Kühlmittelkanälen an solchen thermisch hoch belasteten Stellen der Laufbuchse ergeben. Solche Kühlmittelkanäle sind jedoch bisher vergleichsweise aufwendig in der Herstellung und schwierig in einer gewünschten Qualität, etwa hinsichtlich eines gleichmäßigen Querschnitts etc., zu fertigen.
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Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen mit einem Kühlmittelkanal sowie eine damit hergestellte Zylinderlaufbuchse bereitzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse bereitgestellt, umfassend:
- – Bereitstellen eines metallischen Zylinderlaufbuchsen-Grundkörpers;
- – Bilden einer Nut auf der Außenseite des Grundkörpers;
- – Abdecken der Nut mit einem Metallband; und
- – Beschichten des Metallbands und zumindest eines angrenzenden Bereichs des Grundkörpers mit einer Metall-Legierung, um einen formschlüssigen Verbund zwischen Grundkörper, Metallband und Beschichtung zu bilden, so dass die abgedeckte Nut einen geschlossenen Kanal definiert.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse bereitgestellt, umfassend:
- – Bereitstellen eines metallischen Zylinderlaufbuchsen-Grundkörpers;
- – Bilden einer Nut auf der Außenseite des Grundkörpers;
- – Ausfüllen der Nut mit einem Salzkern; und
- – Beschichten des Salzkerns und zumindest eines angrenzenden Bereichs des Grundkörpers mit einer Metall-Legierung, um einen formschlüssigen Verbund zwischen dem Grundkörper und der Beschichtung zu bilden, der die ausgefüllte Nut überdeckt.
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In den metallischen Zylinderlaufbuchsen-Grundkörper wird vorzugsweise im Bereich des oberen Totpunkts (OT) des im Einbauzustand in der Zylinderlaufbuchse laufenden Kolbens eine Nut gebildet. Je nach den Kühlungsanforderungen sind aber auch andere Positionen möglich. Dies kann durch bekannte zerspanende Bearbeitungsverfahren erfolgen. Die nach außen hin offene Nut wird dann durch ein Band abgedeckt, wobei in der Nut ein Kanal verbleibt, der zwischen den Nutwänden und dem Band definiert ist. Alternativ kann die Nut mittels eines Salzkerns ausgefüllt werden. In diesem Fall wird der Kanal durch die Form des ihn ausfüllenden Salzkerns definiert.
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Anschließend wird das Band bzw. der Salzkern in einer überdeckenden Weise beschichtet, d. h. zumindest das Band bzw. der Salzkern selbst sowie der daran angrenzende Bereich des Grundkörpers. Die zu bildende Zylinderlaufbuchse wird daher optional nur im Bereich des Kühlmittelkanals beschichtet, alternativ kann aber auch die gesamte Außenseite beschichtet werden. Dadurch wird eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und der Beschichtung erzielt, die bei Verwendung eines Metallbandes auch das Metallband mit einschließt/anbindet. Der Kanal wird dadurch fluiddicht abgeschlossen und kann – nach einer erforderlichen Öffnung, etwa in Form einer Zylinderstegbohrung oder -Schlitzung, zur Bildung von Ein- und Auslässen – als Kühlmittelkanal genutzt werden. Bei der alternativen Verwendung eines Salzkerns muss dieser vorher ausgewaschen werden, um den Kühlmittelkanal freizulegen. Dazu können die Ein- und Ausgänge für den späteren Kühlmittelfluss Verwendung finden, um ein Ausspülen des Salzkerns zu erzielen.
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Durch die Erfindung wird damit eine Zylinderlaufbuchse mit einem Kühlmittelkanal bereitgestellt. Die Laufbuchse kann als „trockene”, eingegossene oder „nasse” Laufbuchse verwendet werden. Je nach gebildetem Verlauf des Kühlmittelkanals kann die Laufbuchse vollständig, in einem Bereich von 360° entlang ihres Umfangs, gekühlt werden.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Position und Geometrie des Kühlkanals frei wählbar und sehr einfach zu implementieren sind. Das erfindungsgemäße Verfahren kann einfach in derzeitige Serienfertigungsprozesse integriert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter
- – Fixieren der Zylinderlaufbuchse in einem Motorblock.
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Dies betrifft die Verwendung der erfindungsgemäßen Laufbuchse als „nasse” Zylinderlaufbuchse.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Fixieren ein Eingießen in den Motorblock.
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Dies betrifft die Verwendung der erfindungsgemäßen Laufbuchse als „trockene”, eingegossene Zylinderlaufbuchse.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter
- – Öffnen des Kanals, um Ein- und Auslässe für einen Kühlmittelkanal zu bilden.
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Dies kann in Form einer Bohrung oder Schlitzung im Bereich der Zylinderstege erfolgen. Dadurch werden pro Laufbuchse mindestens je ein Einlass und ein Auslass eröffnet, um im Motorbetrieb Kühlmittel hindurchleiten zu können.
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Bei Verwendung eines Salzkerns umfasst das Verfahren gemäß einer Ausführungsform weiter
- – Auswaschen des Salzkerns, um den Kühlmittelkanal freizulegen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Beschichten eine der folgenden Methoden:
- – Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen;
- – Plasmaspritzen;
- – Laserspritzen;
- – Detonationsspritzen;
- – Kaltgasspritzen; und
- – Lichtbogenspritzen.
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Gemäß einer Ausführungsform besteht der Grundkörper aus Gusseisen mit lamellarem Graphit, GJL, Gusseisen mit vermicularem Graphit, GJV, Gusseisen mit Kugelgraphit, GJS, Aluminimum oder einer Al/St-Legierung. Das Metallband besteht aus Stahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Die Metall-Legierung der Beschichtung kann Aluminium, eine Aluminiumlegierung aber auch andere Beschichtungen wie z. B. Eisen (Fe) oder Fe-Legierungen oder auch insbesondere bei nassen Zylinderlaufbuchsen (ZLB) eine Chrom-Legierung zwecks Rostschutz oder eine NiCrAlY-Schicht zum Schutz vor Kavitation umfassen. Als Spritzschicht kommt weiterhin beispielsweise Aluminium-Silizium (AlSi) oder St 0,8 in Frage.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Grundkörper im Bereich der Nut eine erhöhte Wandstärke auf.
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Da die Nut bzw. der Kühlmittelkanal eine potenzielle Schwächung der Laufbuchse in deren Höhe darstellt, kann es sich anbieten, den Grundkörper der Laufbuchse mit einer im Bereich des zu bildenden Kühlmittelkanals erhöhten Wandstärke (vor Einbringen der Nut) zu versehen. Dadurch wird nach der Bildung des Kühlmittelkanals eine ausreichende Wandstärke auch in der Höhe der Nut bzw. des Kühlmittelkanals gewährleistet.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Nut einen im Wesentlichen U-förmigen, rechteckigen, trapezförmigen oder halbkreisförmigen Querschnitt auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Metallband einen nach außen gewölbten halbkreisförmigen Querschnitt auf oder ist im Wesentlichen flach und liegt glatt an der Nut an.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Nute eingedreht.
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Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Tiefe der Nut bis zu 70% der Wandstärke des Grundkörpers (ohne Nut). D. h. die verbleibende Wandstärke der Zylinderlaufbuchse im Bereich der Nut beträgt mindestens 30% der Wandstärke des an die Nut angrenzenden Bereichs.
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Gemäß einer Ausführungsform werden bis zu drei voneinander beabstandete Nuten für bis zu drei Kühlmittelkanäle gebildet. Bei der Beschichtung können die Nuten jeweils einzeln beschichtet werden, oder auch durch eine gemeinsame Beschichtung überdeckt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Zylinderlaufbuchse bereitgestellt, hergestellt nach einem Verfahren wie vorstehend beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung in einer 3D-Schnittansicht;
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung in einer 3D-Schnittansicht;
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4 zeigt die Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
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5 zeigt in einer Querschnitts-Aufsicht den Kühlmittelfluss bei einer Ausführungsform der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Im Folgenden wird die Erfindung in der Variante mit der Verwendung eines Metallbandes beschrieben werden. Die alternative Variante der Verwendung eines Salzkerns funktioniert analog dazu, wobei hier zusätzlich vor Verwendung der Zylinderlaufbuchse ein Auswaschen des Salzkerns zur Freilegung des Kühlmittelkanals erforderlich ist. Dies kann nach bekannten Methoden erfolgen und wird daher nicht beschrieben werden. In weiteren nicht explizit beschriebenen Varianten kann auch eine Kombination der Verwendung von Salzkern und Metallband benutzt werden. Hierbei wird nach dem Ausfüllen mit dem Salzkern das Metallband zusätzlich aufgelegt.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer Zylinderlaufbuchse gemäß der Erfindung im Querschnitt gezeigt. In einen im Wesentlichen kreiszylindrischen Grundkörper 2 ist eine Nut 4 eingebracht. Diese wird etwa durch spanabhebende Verfahren in dem Bereich geschaffen, in dem im Motorbetrieb die größte Wärmebelastung zu erwarten ist. Daher wird die Nut 4 bevorzugt in der Höhe vorgesehen, auf der sich im Einbauzustand der obere Totpunkt (OT) des in der Zylinderlaufbuchse laufenden Zylinders befindet.
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Die Nut 4 hat in diesem Ausführungsbeispiel einen im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt. Alternative Querschnitte sind ebenfalls möglich. Beispielsweise könnte eine Nut mit rechteckigem oder allgemein polygonalem Querschnitt die Kontaktfläche des Kühlmittels nach innen gegenüber einer runden Querschnittsform vergrößern.
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Im Bereich der Nut 4 besitzt der Grundkörper 2 eine (nach außen hin) erhöhte Wandstärke. Dieses optionale Merkmal kann genutzt werden, um auch in Höhe der Nut 4 eine Mindestwandstärke der Zylinderlaufbuchse sicherzustellen. Allgemein wird dadurch im Bereich der strukturellen Schwächung durch die Nut eine erhöhte Stabilität bereitgestellt.
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Die Nut 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch ein Metallband 6 mit im Wesentlichen halbrundem Querschnitt abgedeckt. Die Abdeckung ermöglicht es, die Außenseite der Zylinderlaufbuchse mit einer Beschichtung 8 zu versehen. Durch das Metallband 6 bleibt beim Beschichten die Nut offen.
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Die Beschichtung 8 überdeckt zumindest das Metallband 6 und den daran angrenzenden Bereich der Außenseite der Zylinderlaufbuchse, um einen fluiddichten und formschlüssigen Verbund zwischen Grundkörper 2, Metallband 6 und Beschichtung 8 zu bilden. Optional kann – wie in dem in 1 gezeigten Beispiel – auch die gesamte Außenseite der Zylinderlaufbuchse beschichtet werden.
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Die vollständige Zylinderlaufbuchse besitzt somit einen Kühlmittelkanal, der thermisch stark belastete Bereiche der Laufbuchse gut kühlen kann. In bevorzugten Ausführungsformen ist der Kühlmittelkanal vollständig umlaufend ausgebildet. In alternativen Ausführungsformen können aber auch – je nach gewünschter oder nötiger Ausbildung des Kühlmittelflusses – nicht um 360° umlaufende Kanäle bzw. Teilkanäle vorgesehen werden. Der Querschnitt des Kanals kann winkelabhängig unterschiedlich sein, beispielsweise breiter im Bereich der Zylinderstege und schmaler im Bereich dazwischen oder auch umgekehrt.
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Um den gebildeten Kühlmittelkanal nutzen zu können, ist die Schaffung von mindestens einem Ein- und einem Auslass nötig. Dies kann durch eine Bohrung oder Schlitzung etwa im Bereich der Zylinderstege erfolgen. Die Öffnung von Ein- und Auslässen kann bevorzugt nach dem Einsetzen der Zylinderlaufbuchse im Motor erfolgen, insbesondere bei eingegossenen Laufbuchsen, da somit beim Eingießen keine Vorkehrungen getroffen werden müssen, damit beim Einguss der Kühlmittelkanal offen bleibt.
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In 2 ist eine erfindungsgemäße Zylinderlaufbuchse gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer 3D-Schnittansicht gezeigt. Der Kühlmittelkanal bzw. die Nut 4 hat in dieser Variante einen kreisrunden Querschnitt.
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Eine alternative Ausführung ist in 3 gezeigt, bei welcher der Kühlmittelkanal bzw. die Nut 4 einen D-förmigen Querschnitt aufweist.
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4 zeigt in einer Teilquerschnittsansicht die wesentlichen Schritte bzw. Stufen eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In Schritt a) wird der Grundkörper 2 der herzustellenden Zylinderlaufbuchse bereitgestellt. In Schritt b) wird – etwa durch spanabhebende Verfahren – eine Nut 4 geschaffen, die den Kühlmittelkanal bilden soll. In Schritt c) wird die Nut 4 durch ein Metallband 6 abgedeckt. Dies muss zumindest so dichtend erfolgen, dass beim darauf folgenden Beschichtungsschritt die Nut 4 nicht durch eindringendes Beschichtungsmaterial im Querschnitt verringert oder sogar verschlossen wird. In Schritt d) erfolgt das Beschichten von zumindest dem Metallband und dem daran angrenzenden Bereich, um eine fluiddichte, formschlüssige Verbindung zwischen Beschichtung 8, Metallband 6 und Grundkörper 2 zu schaffen.
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5 zeigt eine Möglichkeit für den Kühlmittelfluss bei einer alternativen Ausführungsform. Der bzw. die Kühlmittelkanäle 4 können bevorzugt um 360° umlaufend ausgebildet sein, es ist aber auch möglich, sie nicht vollständig umlaufend auszulegen. Dabei verbleiben dann ein oder mehrere Stege 10 in den Kühlmittelkanälen 4, was bei der Bildung von Kühlmittelzugangs- bzw. Abflussöffnungen berücksichtigt werden muss. Die Stege können zwischen den Zylinderstegen angeordnet werden, d. h. z. B. 90° von den jeweiligen Zylinderstegen entfernt (nicht gezeigt), wo der Kühlungsbedarf verringert ist.
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Wie jedoch in 5 gezeigt, können die Stege 10 im Bereich der Zylinderstege angeordnet werden, um die Stabilität dort zu erhöhen, wobei die Breite der Stege 10 dem erhöhten Kühlungsbedarf in diesem Bereich Rechnung tragen muss, d. h. diese dürfen nicht zu breit ausfallen. Wie in 5 gezeigt und mittels Pfeilen angedeutet, kann der Kühlmittelfluss bei dieser Ausführungsform auf beiden Seiten der Zylinderlaufbuchsen in Gegenrichtung erfolgen (alternativ auch in gleicher Richtung), da die Stege eine entsprechende Lenkung des Kühlmittels ermöglichen. In analoger Weise sind auch andere Arten der Lenkung des Kühlmittelstroms durch die Stege 10 möglich.
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Es soll verstanden werden, dass die vorstehend genannten Verfahren und Ausführungsformen natürlich auch bei der Verwendung mehrerer Kühlmittelkanäle pro Laufbuchse entsprechend angewendet werden können. Bei erfindungsgemäßen Laufbuchsen ist die Anzahl der Kühlmittelkanäle daher nicht auf eins beschränkt. Alle vorstehend beschriebenen zum Teil optionalen Merkmale von einzelnen Ausführungsformen können auch in einer einzigen Ausführungsform kombiniert werden, sofern nicht anders angegeben.
