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Die Erfindung betrifft ein Kurbelgehäuse mit wenigstens einer Zylinderlauffläche nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum thermischen Beschichten von Zylinderlaufflächen in einem Kurbelgehäuse nach der im Oberbegriff von Anspruch 4 näher definierten Art.
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Kurbelgehäuse, welche im Bereich ihrer Zylinderlauffläche eine thermische Beschichtung zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften aufweisen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Derartige thermische Beschichtungen können beispielsweise mittels Plasmaspritzen, Lichtbogendrahtspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder dergleichen aufgebracht werden. Um eine gute Anhaftung der thermischen Beschichtung auf der Zylinderlauffläche zu gewährleisten, ist es dabei allgemein bekannt und üblich, dass die Zylinderlauffläche vor der thermischen Beschichtung aufgeraut wird.
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Ein geeignetes Verfahren zum Aufrauen von metallischen Oberflächen ist dazu beispielsweise aus der
DE 10 2006 004 769 A1 bekannt. Dieses Verfahren nutzt einen zweistufigen Prozess, bei dem zuerst eine materialabhebende Behandlung der Oberfläche erfolgt. Anschließend erfolgt ein Verformen bzw. Umformen dieser so vorbehandelten Oberfläche, um in dem Bereich, in dem zuvor das Material abgetragen worden ist, Hinterschnitte gegenüber der Oberfläche zu schaffen. Die Haftung der thermisch aufgespritzten Beschichtung wird hierdurch verbessert.
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Als weiteres Beispiel kann auf die
DE 601 31 096 T2 verwiesen werden. Das dort offenbarte Werkzeug bzw. Verfahren nutzt ein rotierendes in Axialrichtung verfahrbares Werkzeug mit einem Radialschneidkopf, welcher so in die zylindrische Bohrung hineinbewegt wird, dass der Radialschneidkopf eine spanabhebende Bearbeitung vornimmt. Danach wird der bei der Materialabnahme abgehobene Span über eine weitere Kante oder Fläche desselben Radialschneidkopfs abgebrochen. Durch die spanabhebende Bearbeitung mit dem nachfolgenden Brechen des abgehobenen Spans wird ebenfalls eine aufgeraute Oberfläche mit einer Vielzahl von Hinterschnitten erzielt.
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Eine auf diese Art aufgeraute Oberfläche eignet sich, um später einer auf diese Oberfläche aufgebrachten thermischen Beschichtung einen idealen Halt zu bieten. Sie wird vorzugsweise zur Bearbeitung von Zylinderbohrungen oder Bohrungen in Zylinderlaufbuchsen in Kurbelgehäusen beispielsweise für Brennkraftmaschinen eingesetzt.
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Die thermische Beschichtung, insbesondere wenn diese über Lichtbogendrahtspritzen aufgebracht wird, erfolgt dabei typischerweise über einen Brenner, welcher von der Zylinderkopftrennfläche in die Zylinderbohrung bzw. Zylinderlaufbuchse eingebracht wird und dabei das Beschichtungsmaterial auf die beispielsweise in der oben beschriebenen Art vorbereitete mechanisch aufgeraute Oberfläche aufträgt. Aufgrund der Notwendigkeit der Materialzufuhr beispielsweise beim Lichtbogendrahtspritzen über Drähte lässt sich bei dem vergleichsweise geringen Durchmesser von Zylinderbohrungen eine exakte Ausrichtung des Beschichtungsstrahls in einem Winkel von exakt 90° zur zentralen Achse der Zylinderbohrung typischerweise nicht erzielen. Im Allgemeinen wird der Strahl des Beschichtungsmaterials ein wenig vorlaufen, also in Richtung eines Kurbelwellenraumes gekippt sein. Dies kann zu einer verminderten Anhaftung führen, da das Beschichtungsmaterial vor allem im Bereich des ersten Kontakts zwischen Zylinderlauffläche und Beschichtungsmaterial in einem sehr spitzen Winkel auf die mechanisch aufgeraute Oberfläche auftrifft, und hierdurch eine Porenbildung zwischen dem Beschichtungsmaterial und der aufgerauten Oberfläche auftreten kann, welche die Anhaftung der Beschichtung nachteilig beeinflusst.
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Aus der
EP 1 225 324 A2 ist eine ähnliche Problematik bekannt. Um Abhilfe zu schaffen, wird dabei die Ausrichtung der Flächen der mechanischen Aufraustrukturen der Zylinderbohrung so vorgenommen, dass die Flächen im Wesentlichen senkrecht zum Beschichtungsstrahl stehen. Um eine entsprechend gute Anhaftung der thermischen Beschichtung auf einer so vorbereiteten Oberfläche zu erreichen, ist es dabei notwendig, dass zwei unabhängig voneinander stattfindende Bearbeitungsschritte koordiniert werden. Dies erfordert z. B. eine genaue Ausrichtung der beiden unabhängig voneinander in der Prozesskette nacheinander stattfindenden Bearbeitungsschritte. Diese Ausrichtung ist sehr aufwändig und komplex, sodass hierdurch keine prozesssichere Produktion möglich ist.
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Ein weiteres Problem bei der mechanischen Aufrauung durch zumindest teilweise spanabhebende Verfahren, welche von einer Schneide beispielsweise entlang von radialen oder spiralförmigen Bewegungsbahnen ausgebildet sind, besteht darin, dass die Oberfläche der thermischen Beschichtung typischerweise eine Mikrowelligkeit aufweist, welche vermutlich daher kommt, dass die aufgerauten Strukturen nicht mit um so viel mehr Beschichtungsmaterial versehen werden, dass ihre Tiefe gegenüber den dazwischenliegenden Bereichen gänzlich ausgeglichen wird.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Kurbelgehäuse mit einer Zylinderlauffläche und ein Verfahren zum thermischen Beschichten von Zylinderlaufflächen anzugeben, welches die oben genannten Nachteile vermeidet, und welches einfach und prozesssicher eine sehr gute Anhaftung der thermischen Beschichtung ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Kurbelgehäuse mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen hiervon ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum thermischen Beschichten mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Kurbelgehäuse ist so ausgebildet, dass die thermische Beschichtung durch thermisches Spritzen auf eine mechanisch aufgeraute Oberfläche aufgebracht ist. Dabei ist die Beschichtung in der Art aufgebracht, dass diese ausgehend von einer einem Kurbelwellenraum zugewandten Seite zu einer einer Zylinderkopftrennfläche zugewandten Seite aufgetragen ist. Durch diese gegenüber dem Stand der Technik umgekehrte Auftragsrichtung der thermischen Beschichtung wird eine Zylinderlauffläche in dem Kurbelgehäuse ermöglicht, welche eine außerordentlich gute Anhaftung der thermischen Beschichtung ermöglicht, da die Auftragsrichtung in Axialrichtung der Zylinderbohrung entgegen der typischerweise unvermeidbaren Ausrichtung des Beschichtungsstrahls und mit einer Bewegungsrichtung entgegen der üblicherweise vorhanden Absaugung ausgebildet ist. Hierdurch wird, ohne dass die mechanischen Aufraustrukturen, wie beim Stand der Technik, in einer gezielten Ausrichtung eingebracht werden müssen, dennoch eine sehr gute Beschichtung mit einer sehr guten Ausfüllung der Aufraustrukturen erzielt, da die zuerst auf die Aufraustrukturen auftreffenden Partikel des Beschichtungsstrahls in einem vergleichsweise stumpfen Winkel auf die mechanischen Aufraustrukturen auftreffen und erst die zuletzt auftreffenden Partikel, welche die thermische Beschichtungsschicht abschließen, gegebenenfalls in einem spitzeren Winkel auf die Oberfläche auftreffen. Die Ausbildung von eventuellen Poren im Bereich der Aufraustrukturen wir dadurch minimiert bzw. gänzlich verhindert, wodurch eine sehr gute Anhaftung der thermischen Beschichtung auf der mechanisch aufgerauten Oberfläche erzielt werden kann.
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In einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kurbelgehäuses ist es dabei ferner vorgesehen, dass die thermische Beschichtung parallel zum Verlauf von mechanischen Aufraustrukturen aufgebracht ist. Ein solches Aufbringen der thermischen Beschichtung parallel zum Verlauf der mechanischen Aufraustrukturen, also beispielsweise bei spiralförmig angebrachten Aufraustrukturen mittels einer spiralförmigen den Aufraustrukturen folgenden Bewegung ermöglicht ein sehr gezieltes Auffüllen der Aufraustrukturen mit dem Material der thermischen Beschichtung, sodass nach einer honenden Nachbearbeitung der thermischen Beschichtung eine Mikrowelligkeit der Oberfläche der thermischen Beschichtung ganz oder zumindest nahezu ausgeschlossen werden kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es analog dazu vorgesehen, dass die thermische Beschichtung ausgehend von einer einem Kurbelwellenraum zugewandten Seite der Zylinderlauffläche in Richtung einer einer Zylinderkopftrennfläche zugewandten Seite aufgebracht wird. Hierdurch werden die oben bereits beim erfindungsgemäßen Kurbelgehäuse beschriebenen Vorteile erzielt.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die thermische Beschichtung mittels Lichtbogendrahtspritzen erfolgt. Insbesondere beim Lichtbogendrahtspritzen ist aufgrund der Notwendigkeit der Zufuhr der Drähte als Materiallieferanten für die thermische Beschichtung ein Beschichtungsstrahl, welcher in einem nicht senkrechten Winkel zur Achse der Zylinderbohrung steht, typischerweise unvermeidlich. Insbesondere beim Lichtbogendrahtspritzen kommen die oben beschriebenen Vorteile daher besonders zum Tragen.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass die mechanischen Aufraustrukturen spiralförmig in die Zylinderlauffläche eingebracht werden. Dieses spiralförmige Einbringen der mechanischen Aufraustrukturen ist besonders einfach und effizient, da in einem durchlaufenden Schnitt, insbesondere mit einer nachfolgenden Umformung oder einem nachfolgenden Brechen des Spans, die notwendigen Aufraustrukturen geschaffen werden können.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es dabei vorgesehen, dass die thermische Beschichtung spiralförmig mit derselben Steigung wie die mechanischen Aufraustrukturen auf die Zylinderlauffläche aufgebracht wird. Eine solche spiralförmige Bewegung eines Werkzeugs zur thermischen Beschichtung, beispielsweise eines Brenners, ermöglicht dabei eine thermische Beschichtung, welche parallel zu den bestehenden mechanischen Aufraustrukturen aufgebracht wird. Diese werden dabei sehr gut mit dem Material der thermischen Beschichtung gefüllt, sodass die Gefahr von Mikrowelligkeiten deutlich reduziert wird.
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In einer alternativen Ausführungsform hiervon kann es außerdem vorgesehen sein, dass die thermische Beschichtung spiralförmig mit einer um einen ganzzahligen Faktor größeren Steigung als die mechanischen Aufraustrukturen auf die Zylinderlauffläche aufgebracht wird. Eine solche Steigung, welche um einen ganzzahligen Faktor größer als die Steigung beim Einbringen der mechanischen Aufraustrukturen ist, gewährleistet immer noch eine sehr gute Füllung der mechanischen Aufraustrukturen mit dem Material der thermischen Beschichtung. Gleichzeitig erlaubt sie durch die größere Steigung eine schnellere Bearbeitung, sodass die Bearbeitungszeit entsprechend verkürzt und die Herstellungskosten optimiert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kurbelgehäuses sowie des Verfahrens zum thermischen Beschichten des Kurbelgehäuses ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei zeigen:
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1 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung durch eine Zylinderbohrung während der Beschichtung;
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2 eine Ausschnittsvergrößerung gemäß II in 1;
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3 ein Schliffbild durch die Zylinderlauffläche beim Aufbau gemäß dem Stand der Technik; und
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4 eine Darstellung analog 3 beim Aufbau gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist schematisiert eine Zylinderbohrung 1 in einem in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Kurbelgehäuse zu erkennen. Eine Zylinderlauffläche 2 in der Zylinderbohrung 1 wird in der Darstellung der 1 über einen Brenner 3 mittels Lichtbogendrahtspritzen (LDS) mit einer thermischen Beschichtung versehen. Die Oberfläche der Zylinderlauffläche 2 ist davor durch ein mechanisches Verfahren aufgeraut worden, sodass mechanische Aufraustrukturen 4 in dem die Zylinderbohrung umgebenden Material 5 angeordnet sind. Dies ist in den Darstellungen der 3 und 4 zu erkennen. Die mechanischen Aufraustrukturen können beispielsweise durch ein schneidendes Verfahren spiralförmig in die Zylinderlauffläche 2 eingebracht sein, wobei zuerst geschnitten und anschließend der abgehobene Span beispielsweise umgeformt oder abgebrochen wird, um so im Bereich der mechanischen Aufraustrukturen 4 Hinterschnitte zu schaffen, welche die Anhaftung der mittels des Brenners 3 aufgebrachten thermischen Beschichtung 6 verbessern. Auch ein direktes Einbringen der Hinterschnitte in den Aufraustrukturen 4 durch eine oder mehrere nacheinander im Eingriff befindliche Schneiden ist im Prinzip denkbar.
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Nun ist es so, dass aufgrund der Notwendigkeit das Material für die thermische Beschichtung in Form von Drähten dem Brenner 3 zuzuführen, ein Beschichtungsstrahl 7 aus dem Brenner 3 nie genau senkrecht zur axialen Richtung der Zylinderbohrung 1 aus dem Brenner 3 austritt. Vielmehr kommt es zu einem nach unten abweichenden Austritt, welcher in der vergrößerten Darstellung der 2 zu erkennen ist. Die mit 8 bezeichnete Linie stellt dabei den Düsenmittelpunkt dar. Es ist zu erkennen, dass oberhalb des Düsenmittelpunktes 8 lediglich der mit a bezeichnete Bereich liegt, während unterhalb der mit b bezeichnete Bereich und im Anschluss mit c bezeichnete Bereich liegt. Die größte Menge an Materialauftrag findet dabei zwischen den Bereichen b und c, also deutlich unterhalb des Düsenmittelpunkts 8 statt. Hierdurch entsteht ein vergleichsweise spitzer Auftragswinkel für das Material der thermischen Beschichtung 6 im Bereich c.
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Um die Umgebung der Zylinderbohrung 1 vor Partikeln bzw. Overspray der thermischen Beschichtung 6 zu schützen, wird oberhalb einer Zylinderkopftrennfläche 9 typischerweise eine in etwa dem Durchmesser der Zylinderbohrung 1 aufweisende Maske 10 angeordnet. Am unteren Ende der Zylinderbohrung 1, welche typischerweise einen Honauslauf 11 aufweist, wird typischerweise eine Absaugung installiert, welche die Partikel in der Darstellung der 1 nach unten, also in Richtung des Kurbelwellenraums, welcher hier mit dem Bezugszeichen 12 prinzipmäßig angedeutet ist, absaugt. Bei der üblichen Art der Beschichtung, nämlich so, dass der Brenner 3 um seine eigene Achse 13 z. B. im Uhrzeigersinn rotierend von der Seite der Zylinderkopftrennfläche 9 her in die Zylinderbohrung 1 eingebracht wird, kommt es dann zu einem Auftreffen eines Großteils des Materials auf den Aufraustrukturen 4 in einem vergleichsweise spitzen Winkel, insbesondere beim Lichtbogendrahtspritzen aufgrund des vorauseilenden Beschichtungsstrahls 7. Dies führt letztlich zu einer verminderten Anhaftung, da sich, und dies ist in der Darstellung der 3 im Schliffbild zu erkennen, Poren zwischen der Oberfläche des Substrats 5 und der Beschichtung 6 ausbilden können. Die Anhaftung der Beschichtung 6 wird dadurch verringert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kurbelgehäuse wird die Zylinderlauffläche 2 der Zylinderbohrung 1 nun so beschichtet, dass der Start der Beschichtung im Bereich des unteren Totpunkts, also auf der dem Honauslauf 11 bzw. dem Kurbelwellenraum 12 zugewandten Seite beginnt und mit einem weiterhin um seine eigene Achse 13 rotierenden Brenner 3 in Richtung der Zylinderkopftrennfläche 9 erfolgt. Die Richtung der Beschichtung wird also gegenüber dem Stand der Technik umgekehrt. Die typischerweise nach unten in den Kurbelwellenraum 12 erfolgende Absaugung sowie der leicht nach unten gegenüber der rechtwinkligen Richtung geneigte Beschichtungsstrahl 7 ermöglichen dann eine sehr gute Beschichtung der Zylinderlauffläche 2, da der Materialauftrag durch den Beschichtungsstrahl 7 nun der Vorschubrichtung im Wesentlichen nacheilt. Dies bedeutet, dass die mechanischen Aufraustrukturen 4 zuerst von dem im Bereich a befindlichen Material des Beschichtungsstrahls 7 und damit in einem vergleichsweise stumpfen Winkel gegenüber dem Bereich c getroffen werden. Das Auffüllen der mechanischen Aufraustrukturen 4 und insbesondere ihrer Hinterschnitte wird somit verbessert. Hierdurch wird eine Porenbildung zwischen dem Substrat 5 und Beschichtung 6 verhindert. Es ergibt sich eine sehr gute Anhaftung der Beschichtung 6, welche in dem Schliffbild der 4 zu erkennen ist, welches eine annähernd porenfreie Verbindung zwischen der thermisch aufgebrachten Beschichtung 6 und dem Material 5 der Zylinderlauffläche 2 zeigt.
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Typischerweise wird, wie bereits erwähnt, die Aufraustruktur 4 durch eine kontinuierliche Bewegung, welche insbesondere spiralförmig über die Oberfläche der Zylinderbohrung angeordnet ist, eingebracht. Bei einer Beschichtung, welche unabhängig zu der Anordnung der mechanischen Aufraustrukturen erfolgt, kann es nun in der später noch fertig gehonten Oberfläche der thermischen Beschichtung 6 zu einer Welligkeit kommen, was voraussichtlich daher kommt, dass sich die gegenüber den umgebenden Bereichen tieferen Aufraustrukturen 4 in der thermischen Beschichtung 6 entsprechend abbilden und für eine Mikrowelligkeit im Bereich von einigen um sorgen.
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Um dies zu verhindern, kann es nun bei der hier dargestellten Beschichtung 6 der Zylinderlauffläche 2 vorgesehen sein, dass die Vorschubrichtung des Brenners 3 so ausgelegt wird, dass der Beschichtungsstrahl 7 der spiralförmig eingebrachten mechanischen Aufraustruktur 4 folgt. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Bewegung des Brenners 3 mit exakt der Steigung realisiert wird, welche auch beim Einbringen der mechanischen Aufraustrukturen 4 angewandt worden ist. Um die Prozesszeit zu optimieren kann auch das n-fache der Steigung eingesetzt werden, auch dies führt noch zu im Vergleich zum Stand der Technik guten Ergebnissen. Dadurch, dass die thermische Beschichtung 6 nun parallel zu den mechanischen Aufraustrukturen 4 aufgetragen wird, kommt es bei geeigneter Ausrichtung des Beschichtungsstrahls 7 nun immer dazu, dass ein Großteil der thermischen Beschichtung 6 innerhalb der mechanischen Aufraustrukturen 4 zu liegen kommt. Die Gefahr einer Welligkeit wird hierdurch deutlich reduziert, sodass bei einem parallel zum Verlauf der mechanischen Aufraustrukturen 4 verlaufenden Auftrag des Materials, welches thermisch aufgespritzt wird, eine sehr gleichmäßige Oberfläche ohne oder mit sehr stark verringerter Mikrowelligkeit erzielt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006004769 A1 [0003]
- DE 60131096 T2 [0004]
- EP 1225324 A2 [0007]
