DE102012007264A1

DE102012007264A1 - Zylinderkurbelgehäuse und Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn in einem Zylinderkurbelgehäuse

Info

Publication number: DE102012007264A1
Application number: DE102012007264A
Authority: DE
Inventors: Klaus Geiger; Thomas Kreisl; Manuel Michel; Günter Rau; Dr.-Ing. Schweickert Stefan
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2013-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn (3) in einem Zylinderkurbelgehäuse (1) eines Verbrennungsmotors. Erfindungsgemäß wird eine Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses (1) im Bereich einer Zylinderbohrung (2) vorbehandelt, nach dem Vorbehandeln thermisch beschichtet und eine durch das thermische Beschichten erzeugte thermische Spritzschicht (4) wird nachbehandelt, wobei vor dem Vorbehandeln, während des Vorbehandelns und/oder nach dem Vorbehandeln, jedoch vor dem thermischen Beschichten, die Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses (1) im Bereich der Zylinderbohrung (2) derart formgebend bearbeitet wird, dass die noch unbeschichtete Zylinderbohrung (2) bereichsweise voneinander abweichende Durchmesserwerte (D11, D21) aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Zylinderkurbelgehäuse (1) eines Verbrennungsmotors.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn in einem Zylinderkurbelgehäuse nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Zylinderkurbelgehäuse nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 10 2009 024 227 A1 beschrieben, ein Zylinderkurbelgehäuse bekannt. Das Zylinderkurbelgehäuse weist eine Zylinderbohrung auf, die von einer Zylinderlaufbahn begrenzt ist. Ein Kolben mit einem Kolbenring ist in der Zylinderbohrung beweglich gelagert. Dabei ist der Kolbenring derart bemessen, dass bei einer Betriebstemperatur des Motors eine thermische Ausdehnung des Kolbenrings im Bereich des oberen Totpunktes und ein verjüngter Durchmesser der Zylinderbohrung sich in der Art addieren, dass der Kolbenring im oberen Totpunkt an der Zylinderlaufbahn spielfrei anliegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn in einem Zylinderkurbelgehäuse und ein verbessertes Zylinderkurbeigehäuse anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn in einem Zylinderkurbelgehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Zylinderkurbelgehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einem Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn in einem Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors wird erfindungsgemäß eine Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses im Bereich einer Zylinderbohrung vorbehandelt, nach dem Vorbehandeln thermisch beschichtet und eine durch das thermische Beschichten erzeugte thermische Spritzschicht wird nachbehandelt, wobei vor dem Vorbehandeln, während des Vorbehandelns und/oder nach dem Vorbehandeln, jedoch vor dem thermischen Beschichten, die Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses im Bereich der Zylinderbohrung derart formgebend bearbeitet wird, dass die noch unbeschichtete Zylinderbohrung bereichsweise voneinander abweichende Durchmesserwerte aufweist.
Durch die formgebende Bearbeitung bereits vor dem thermischen Beschichten weist die thermische Spritzschicht der gesamten fertiggestellten Zylinderlaufbahn eine gleichmäßige Schichtdicke auf. Dadurch weist die Zylinderbohrung auch nach der Fertigstellung der Zylinderlaufbahn bereichsweise voneinander abweichende Durchmesserwerte auf, da sich die Durchmesser durch die gleichmäßige Schichtdicke entsprechend gleichmäßig verringern, d. h. die durch die Formgebung erzeugte Grundform der Zylinderbohrung wird mit den durch das Aufbringen der thermischen Spritzschicht reduzierten Durchmesserwerten auch nach dem Beschichten beibehalten. Durch die auf diese Weise erzeugten bereichsweise voneinander abweichenden Durchmesserwerte der fertiggestellten Zylinderbohrung können in einem Betrieb des Verbrennungsmotors Reibleistungsverluste und ein Schadstoffausstoß, insbesondere ein Kohlenstoffdioxidausstoß reduziert werden.
Beispielsweise kann durch eine Zylinderbohrung, welche sich in Richtung eines oberen Totpunktes eines sich in der Zylinderbohrung bewegenden Kolbens konisch verjüngt, eine Kompression im Zylinder verbessert werden, da auf diese Weise ein Spiel zwischen einem Kolbenring, der Zylinderlaufbahn und dem Kolben verringert wird, wodurch ein so genannter Blow-By verhindert oder zumindest deutlich reduziert wird, d. h. ein Vorbeiströmen eines Treibstoff/Luft-Gemischs und/oder von Abgasen am Kolbenring vorbei in Richtung einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors. Zudem wird auf diese Weise ein Ölabstreifverhalten des Kolbenrings verbessert. Durch die gleichmäßige Schichtdickenverteilung der thermischen Spritzschicht sind dabei gute tribologische Eigenschaften der Zylinderlaufbahn über eine gesamte Längsausdehnung der Zylinderbohrung hinweg sichergestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Zylinderkurbelgehäuses,
2 schematisch einen ersten Verfahrensablauf,
3 schematisch einen zweiten Verfahrensablauf, und
4 schematisch einen dritten Verfahrensablauf.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Zylinderkurbelgehäuses 1 eines Verbrennungsmotors im Bereich einer Zylinderbohrung 2. Die Zylinderbohrung 2 weist eine Zylinderlaufbahn 3 auf. Diese Zylinderlaufbahn 3 wurde durch thermisches Beschichten einer Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses 1 im Bereich der Zylinderbohrung 2 erzeugt, d. h. es wurde auf dieser Innenoberfläche eine thermische Spritzschicht 4 aufgebracht.
Ein Verfahren zur Herstellung dieser Zylinderlaufbahn 3 wird im Folgenden anhand der 2 bis 4 näher erläutert, wobei diese Figuren drei verschiedene Ausführungsformen des Verfahrens zeigen, d. h. drei verschiedene Verfahrensabläufe. Die thermische Spritzschicht 4 wird dabei in allen drei Ausführungsformen des Verfahrens in einem Beschichtungsschritt B erzeugt.
Vor diesem Beschichtungsschritt B wird die Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses 1 im Bereich der Zylinderbohrung 2 zunächst in einem Vorbehandlungsschritt V vorbehandelt und in einem Formgebungsschritt F formgebend bearbeitet. Dabei erfolgt das formgebende Bearbeiten im in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel vor dem Vorbehandeln, im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel während des Vorbehandelns, d. h. in einem gemeinsamen Verfahrensschritt, und im in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel nach dem Vorbehandeln, jedoch noch vor dem Beschichtungsschritt B.
Neben den dargestellten Ausführungsbeispielen sind noch weitere Ausführungsformen des Verfahrens möglich, zum Beispiel erfolgt dann die formgebende Bearbeitung vor und während der Vorbehandlung oder während und nach der Vorbehandlung oder vor und nach der Vorbehandlung oder vor, während und nach der Vorbehandlung.
Entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch, dass diese formgebende Bearbeitung vor dem Beschichtungsschritt B abgeschlossen ist. Nach dem Beschichtungsschritt B schließt sich in allen drei dargestellten Verfahrensabläufen noch ein Nachbehandlungsschritt N an, in welchem die im Beschichtungsschritt B erzeugte thermische Spritzschicht 4 nachbehandelt wird.
Im Vorbehandlungsschritt V wird die Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses 1 im Bereich der Zylinderbohrung 2 chemisch, mechanisch und/oder thermisch vorbehandelt. Die chemische Vorbehandlung erfolgt beispielsweise durch Ätzen. Die mechanische Vorbehandlung kann beispielsweise durch Bestrahlen der Innenoberfläche, zum Beispiel mittels Hochdruckwasserstrahlen, Partikelstrahlen oder einer Mischung aus beiden erfolgen. Des Weiteren kann diese mechanische Vorbehandlung, alternativ oder zusätzlich, beispielsweise auch durch Fräsen, Drehen und/oder Honen erfolgen. Daneben sind auch weitere mechanische Vorbehandlungsverfahren möglich. Auch thermische Vorbehandlungsverfahren beispielsweise mittels Laserbestrahlung sind möglich. Vorteilhafterweise werden durch das Vorbehandeln Hinterschnitte in ein Material der Innenoberfläche eingebracht, so dass eine besonders gute Haftung der nachfolgend aufzubringenden thermischen Spritzschicht 4 ermöglicht wird.
Im Formgebungsschritt F wird die Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses 1 im Bereich der Zylinderbohrung 2 derart formgebend bearbeitet, dass die Zylinderbohrung 2 vor dem Beschichtungsschritt B bereichsweise voneinander abweichende Durchmesserwerte D11, D21 aufweist. Im hier dargestellten Beispiel wird die Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses 1 im Bereich der Zylinderbohrung 2 derart formgebend bearbeitet, dass die Zylinderbohrung 2 vor dem Beschichtungsschritt B an einem oberen Totpunkt OT eines sich im Betrieb des Verbrennungsmotors in der Zylinderbohrung 2 bewegenden Kolbens einen ersten Durchmesserwert D11 aufweist und an einem unteren Totpunkt UT des sich in der Zylinderbohrung 2 bewegenden Kolbens einen zweiten Durchmesserwert D21 aufweist, wobei der erste Durchmesserwert D11 kleiner ist als der zweite Durchmesserwert D21. Die Zylinderbohrung 2 weist dabei durch die formgebende Bearbeitung eine in Richtung des oberen Totpunktes OT sich konisch verjüngende Form auf. In anderen Ausführungsformen können auch andere Ausformungen erzeugt werden, beispielsweise auch Abstufungen oder eine Unrundbearbeitung der Innenoberfläche. Diese formgebende Bearbeitung kann beispielsweise vollständig oder zumindest teilweise durch ein Aufrauen der Innenoberfläche der Zylinderbohrung 2 erfolgen. Vorzugsweise erfolgt diese formgebende Bearbeitung mittels eines Honwerkzeugs, welches radial einstellbare Honleisten aufweist. Eine derartige Bearbeitung wird auch als Formhonen bezeichnet.
Im Beschichtungsschritt B wird die Innenoberfläche thermisch beschichtet, zum Beispiel mittels Lichtbogendrahtspritzen, Kaltgasspritzen, Flammspritzen und/oder PTWA (Plasma Transferred Wire Arc). Dabei wird die Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses 1 im Bereich der Zylinderbohrung 2 derart beschichtet, dass die thermische Spritzschicht 4 im gesamten Bereich der Zylinderbohrung 2 eine gleichmäßige Schichtdicke d aufweist. Diese gleichmäßige Schichtdicke d bleibt auch bis zur Fertigstellung der Zylinderlaufbahn 3 erhalten, da die formgebende Bearbeitung bereits vor dem thermischen Beschichten erfolgte. Dadurch wird die durch die formgebende Bearbeitung erzeugte Grundform der Zylinderbohrung 2 auch nach dem Beschichten beibehalten, lediglich mit durch die thermische Spritzschicht 4 entsprechend reduzierten Durchmessern. Dadurch ergeben sich entsprechend ein erster Durchmesserwert D12 nach dem Beschichten am oberen Totpunkt OT und ein zweiter Durchmesserwert D22 nach dem Beschichten am unteren Totpunkt UT. Die sich in Richtung des oberen Totpunktes OT konisch verjüngende Form der Zylinderbohrung 2 bleibt auch nach dem Beschichten erhalten, wie in 1 dargestellt.
Im abschließenden Nachbehandlungsschritt N wird die thermische Spritzschicht 4 durch Honen und/oder Feindrehen nachbearbeitet. Dabei wird die durch das formgebende Bearbeiten vorgegebene Form der Zylinderlaufbahn 3 nicht mehr verändert.
Durch die formgebende Bearbeitung bereits vor dem thermischen Beschichten weist die thermische Spritzschicht 4 der gesamten fertiggestellten Zylinderlaufbahn 3 die gleichmäßige Schichtdicke d auf. Dadurch weist die Zylinderbohrung 2 auch nach der Fertigstellung der Zylinderlaufbahn 3 bereichsweise voneinander abweichende Durchmesserwerte D12, D22 auf, da sich die Durchmesser durch die gleichmäßige Schichtdicke d entsprechend gleichmäßig verringern, d. h. die durch die Formgebung erzeugte Grundform der Zylinderbohrung 2 wird mit den durch das Aufbringen der thermischen Spritzschicht 4 reduzierten Durchmesserwerten D12, D22 auch nach dem Beschichten beibehalten. Durch die auf diese Weise erzeugten bereichsweise voneinander abweichenden Durchmesserwerte D12, D22 der fertiggestellten Zylinderbohrung 2, im hier dargestellten Beispiel durch die sich konisch verjüngende Zylinderbohrung 2 vom zweiten Durchmesserwert D22 am unteren Totpunkt UT zum ersten Durchmesserwert D12 am oberen Totpunkt OT, können in einem Betrieb des Verbrennungsmotors Reibleistungsverluste und ein Schadstoffausstoß, insbesondere ein Kohlenstoffdioxidausstoß reduziert werden. Insbesondere kann durch diese Ausformung der Zylinderbohrung 2 eine Kompression im Zylinder verbessert werden, da auf diese Weise ein Spiel zwischen einem Kolbenring, der Zylinderlaufbahn 3 und dem Kolben verringert wird, wodurch ein so genannter Blow-By verhindert oder zumindest deutlich reduziert wird, d. h. ein Vorbeiströmen eines Treibstoff/Luft-Gemischs und/oder von Abgasen am Kolbenring vorbei in Richtung einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors. Zudem wird auf diese Weise ein Ölabstreifverhalten des Kolbenrings verbessert. Durch die gleichmäßige Schichtdickenverteilung der thermischen Spritzschicht 4 sind dabei gute tribologische Eigenschaften der Zylinderlaufbahn 3 über eine gesamte Längsausdehnung der Zylinderbohrung 2 hinweg sichergestellt.
Es kann auch vorteilhaft sein nach dem thermischen Beschichten B eine formgebende Bearbeitung F (z. B. mittels Drehen oder Schrupphonen) durchzuführen, z. B. um Toleranzen der aufgetragenen thermischen Spritzschicht auszugleichen. Der Nachbehandlungsschritt N kann dabei sowohl nach als auch vor der Formgebung F erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009024227 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn (3) in einem Zylinderkurbelgehäuse (1) eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses (1) im Bereich einer Zylinderbohrung (2) vorbehandelt wird, nach dem Vorbehandeln thermisch beschichtet wird und eine durch das thermische Beschichten erzeugte thermische Spritzschicht (4) nachbehandelt wird, wobei vor dem Vorbehandeln, während des Vorbehandelns und/oder nach dem Vorbehandeln, jedoch vor dem thermischen Beschichten, die Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses (1) im Bereich der Zylinderbohrung (2) derart formgebend bearbeitet wird, dass die noch unbeschichtete Zylinderbohrung (2) bereichsweise voneinander abweichende Durchmesserwerte (D11, D21) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses (1) im Bereich der Zylinderbohrung (2) derart beschichtet wird, dass die thermische Spritzschicht (4) im gesamten Bereich der Zylinderbohrung (2) eine gleichmäßige Schichtdicke (d) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses (1) im Bereich der Zylinderbohrung (2) derart formgebend bearbeitet wird, dass die noch unbeschichtete Zylinderbohrung (2) an einem oberen Totpunkt (OT) eines sich in der Zylinderbohrung (2) bewegenden Kolbens einen ersten Durchmesserwert (D11) aufweist und an einem unteren Totpunkt (UT) des sich in der Zylinderbohrung (2) bewegenden Kolbens einen zweiten Durchmesserwert (D21) aufweist, wobei der erste Durchmesserwert (D11) kleiner ist als der zweite Durchmesserwert (D21).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses (1) im Bereich der Zylinderbohrung (2) derart formgebend bearbeitet wird, dass die Zylinderbohrung (2) eine in Richtung des oberen Totpunktes (OT) sich konisch verjüngende Form aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses (1) im Bereich der Zylinderbohrung (2) chemisch, mechanisch und/oder thermisch vorbehandelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche des Zylinderkurbelgehäuses (1) im Bereich der Zylinderbohrung (2) mittels Lichtbogendrahtspritzen, Kaltgasspritzen, Flammspritzen und/oder PTWA thermisch beschichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht (4) durch Honen und/oder Feindrehen nachbearbeitet wird.
Zylinderkurbelgehäuse (1) eines Verbrennungsmotors mit zumindest einer Zylinderbohrung (2), wobei die Zylinderbohrung (2) bereichsweise voneinander abweichende Durchmesserwerte (D11, D21) aufweist, gekennzeichnet durch eine thermische Spritzschicht (4) gleichmäßiger Dicke (d) auf einer Innenoberfläche der Zylinderbohrung (2).
Zylinderkurbelgehäuse (1) eines Verbrennungsmotors mit zumindest einer Zylinderbohrung (2) nach Anspruch 8 aufweisend eine mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellte Zylinderlaufbahn (3).