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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrlagige Zylinderlaufbuchse, die verzugs- und spannungsoptimiert ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Zylinderlaufbuchse mit verschleißbeständiger Innenschicht.
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Bisher sind aus der
DE 196 05 946 C1 Zylinderlaufbuchsen mit einem mehrlagigen Aufbau bekannt.
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Es sind ebenfalls zweischichtige Zylinderlaufbuchsen bekannt, bei denen zwei Rohre aus unterschiedlichem Material einer eisenbasierten Verschleißschutzschicht und einer leichtmetallbasierten Deckschicht ineinander gesteckt und miteinander thermisch gefügt sind.
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Bei den bekannten Zylinderlaufbuchsen tritt ein Problem auf, wenn die unterschiedlichen Schichten der Zylinderlaufbuchse eine unterschiedliche Festigkeit und einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Bei einer thermischen Belastung können Biegespannungen auftreten, welche zu einem Verzug der Zylinderlaufbuchse oder einer teilweisen oder vollständigen Ablösung der Lagen voneinander führen können. Insbesondere können die Spannungen zu elastisch-plastischen Verformungen und im ungünstigsten Falle zu einem mechanischen Versagen der Schicht führen. Die größten Spannungen treten dabei an den axialen Enden einer Zylinderlaufbuchse auf. Weiterhin ist bekannt, dass dieser Effekt beim thermischen Fügen sogar noch verstärkt auftritt, bedingt dadurch, dass der Wärmeübergang vom Brennraum zu einem Kühlblech des Motors durch die Einschnürung behindert ist und eine noch höhere Temperatur eine noch höhere Spannung hervorrufen kann.
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Es ist daher wünschenswert, eine Zylinderlaufbuchse zur Verfügung zu haben, bei der die Spannungen zwischen einer verschleißbeständigen Innenschicht und einer Deckschicht nicht oder verringert auftreten.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Zylinderlaufbuchse bereitgestellt, die eine Deckschicht und eine verschleißbeständige Innenschicht umfasst, wobei letztere innen in der Zylinderlaufbuchse angeordnet ist. Die Dicke der verschleißbeständigen Innenschicht nimmt dabei an mindestens einem axialen Ende der Zylinderlaufbuchse ab oder ist in einem Bereich verringert. Da die Spannungen hauptsächlich im Bereich der Enden der Zylinderlaufbuchse auftreten, wird erfindungsgemäß die Dicke der verschleißbeständigen Innenschicht zum Ende der Zylinderlaufbuchse verringert. Durch eine Verringerung der Dicke der verschleißbeständigen Innenschicht verringert sich ein Bimetalleffekt an diesem Ende der Zylinderlaufbuche, da eine dünnere verschleißbeständige Innenschicht bei einer Temperaturänderung nur geringere Kräfte ausüben kann. Die verschleißbeständige Innenschicht kann ebenfalls, in einem Bereich von 1 bis 20 mm, bevorzugt 1 bis 5 mm vor mindestens einem axialen Ende der Zylinderlaufbuchse enden.
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Die Dicke der verschleißbeständigen Innenschicht kann an mindestens einem axialen Ende der Zylinderlaufbuchse in Richtung des Endes der Zylinderlaufbuchse abnehmend ausgeführt sein. Die Dicke der verschleißbeständigen Innenschicht kann an mindestens einem axialen Ende der Zylinderlaufbuchse nur in einem Bereich des Endes der Zylinderlaufbuchse verringert sein.
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Die Problematik der Spannung wird durch einen Bimetallaufbau zwischen der Deckschicht und der verschleißbeständigen Innenschicht hervorgerufen. Insgesamt zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, die Bimetalleffekte an den Enden einer mehrschichtigen Zylinderlaufbuchse zu minimieren, indem das Bimetall so verändert wird, dass der Bimetalleffekt abgeschwächt wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird das dadurch erreicht, dass eine der Schichten des Bimetalls in der Dicke bzw. Wandstärke verringert wird, sodass diese Schicht bei einer Temperaturänderung nur geringere Kräfte ausüben kann und somit nur geringere Spannungen aufbauen kann.
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In einer beispielhaften Ausführungsform nimmt die Dicke der verschleißbeständigen Innenschicht an beiden axialen Enden der Zylinderlaufbuchse ab. Durch diese Ausführungsform kann erreicht werden, dass sich die Zylinderlaufbuchse weder am Zylinderkopfende noch am Kurbelwellen-Ende einschnürt[b1].
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird die Dicke der verschleißbeständigen an oder vor mindestens einem axialen Enden der Zylinderlaufbuchse auf Null reduziert.
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Damit nimmt die Dicke der verschleißbeständigen Schicht am oder zum Ende der Zylinderlaufbuchse bis auf Null ab, was in einer Stufe oder durch ein Ausdünnen der verschleißbeständigen Innenschicht erreicht werden kann. Somit sind in diesen Ausführungsformen die Endfläche bzw. -flächen der Zylinderlaufbuchse nur aus dem Material der Deckschicht gebildet.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform endet die verschleißbeständige Innenschicht vor mindestens einem der axialen Enden der Zylinderlaufbuchse. In dieser Ausführungsform sind die Endstücke der Zylinderlaufbuchse (beispielsweise im Bereich einiger Millimeter) nur aus dem Material der Deckschicht gebildet, wodurch in diesem Bereich kein Bimetalleffekt auftritt, oder der Bimetalleffekt zwischen der Deckschicht und verschleißbeständigen Innenschicht verringert wird.
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In einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform endet die verschleißbeständige Innenschicht jeweils vor beiden axialen Enden der Zylinderlaufbuchse. Durch diese Ausführungsform kann erreicht werden, dass sich die Zylinderlaufbuchse weder am Zylinderkopf-Ende noch am Kurbelwellen-Ende verziehen kann.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform endet die verschleißbeständige Innenschicht in einem Bereich von 1 bis 20 mm, bevorzugt 1 bis 5 mm, vor mindestens einem und/oder beiden axialen Ende der Zylinderlaufbuchse.
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In einer weiteren zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform verringert sich die Dicke der verschleißbeständigen Innenschicht in einem Bereich von 1 bis 20 mm, bevorzugt 1 bis 5 mm, vor mindestens einem und/oder beiden axialen Ende der Zylinderlaufbuchse.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst die Zylinderlaufbuchse mindestens eine umlaufende Nut, die außen an und/oder innen in der Zylinderlaufbuchse angeordnet ist. Durch eine Nut kann das Bimetall unterbrochen werden, oder eine Dicke einer der Lagen soweit verringert werden, dass der Bimetalleffekt deutlich herabgesetzt ist. Mit einem stark verringerten Bimetalleffekt treten in der Zylinderlaufbuchse auch weniger starke Spannungen auf, die zu Verzügen und/oder Verformungen führen können.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich die mindestens eine umlaufende Nut bis in eine Tiefe von 1/3 bis 2/3 der radialen Wandstärke der Deckschicht bzw. der verschleißbeständigen Innenschicht. Weiter bevorzugt erstreckt sich mindestens eine umlaufende Nut bis in eine Tiefe von etwa 2/3 der radialen Wandstärke der Deckschicht bzw. der verschleißbeständigen Innenschicht. Durch die aus der Nut resultierende Dickenverringerung wird in diesem Bereich auch der Bimetalleffekt zwischen der Deckschicht und der verschleißbeständigen Innenschicht verringert.
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In einer anderen, weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die mindestens eine Nut (8) in einem Abstand zwischen 1 mm und 20 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 5 mm, von einem Ende der Zylinderlaufbuchse (2) angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht es, dass der Bimetalleffekt in dem kritischen Bereich drastisch verringert werden kann. In einem Bereich nahe dem oberen bzw. zylinderkopfseitigen Ende der Zylinderlaufbuchse sind oft keine Kompressions/Ölabstreif-Kolbenringe mehr angeordnet. Dadurch sind auch keine negativen Wechselwirkungen zwischen der Nut bzw. den Nuten und eventuellen Kolbenringen zu erwarten.
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In einer anderen, weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die mindestens eine Nut im Querschnitt eine Rundung mit einem Radius vom maximal 1 mm auf. Durch die Verwendung einer gerundeten Nut können Spannungsspitzen und eine Kerbwirkung am Grund der Nute vermieden werden.
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In einer weiteren, zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform verläuft die Nut in einer gekrümmten Bahn innen in der Zylinderlaufbuchse. Die Krümmung der Bahn betrifft dabei einen Verlauf der Nut in Axialrichtung, der von einer idealen Kreisbahn abweicht. In einer Ausführungsform kann die Nut in Form einer Sinuswelle innen an der Zylinderlaufbuchse verlaufen. Wenn die Amplitude einer Sinuswelle oder einer gekrümmten Bahn größer ist als die Breite der Nut, kann verhindert werden, dass ein Kolbenring oder ein Teil eines Ölabstreifrings in der Nut einrasten kann.
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In einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform endet die verschleißbeständige Innenschicht in einer gekrümmten Linie vor dem axialen Ende der Zylinderlaufbuchse. Die Krümmung der Linie betrifft dabei einen Verlauf der Linie in Axialrichtung, der von einer idealen Kreisbahn abweicht. In einer Ausführungsform kann die Linie der Form eines Kolbenhemds angepasst sein. Diese Ausführungsform kann mit den Nuten kombiniert werden. Diese Ausführungsform kann zudem mit Längs-Nuten kombiniert werden, die in Axialrichtung verlaufen und sich im Wesentlichen nur im Bereich der Amplitude der gekrümmten Linie erstrecken.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse ist weiterhin eine Außenschicht aufgebracht, die Spannungen zwischen der Deckschicht und der verschleißbeständigen Innenschicht entgegenwirkt. In dieser Ausführungsform wird der Bimetalleffekt zwischen der verschleißbeständigen Innenschicht und der Deckschicht durch einen entgegen gerichtetem Bimetalleffekt zwischen der Deckschicht und der Außenschicht aufgehoben. Dadurch wird ist es auch möglich, die Innenschicht in Umfangsrichtung nur teilweise aufzutragen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motorblock mit mindestens einer eingegossenen Zylinderlaufbuchse wie sie vorstehend beschrieben wurde, bereitgestellt. Bei einem solchen Motorblock treten die bekannten Probleme wie ein Verziehen der Zylinderlaufbuchsen weder bei der Herstellung noch im Betrieb des Motors auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor mit einem vorstehend beschriebenen Motorblock bereitgestellt.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von schematischen Figuren beschrieben.
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1 stellt eine zweilagige bzw. zweischichtige Zylinderlaufbuchse gemäß dem Stand der Technik in einer perspektivischen Teil-Schnittansicht dar.
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2 stellt eine erfindungsgemäße zweischichtige Zylinderlaufbuchse dar, dessen verschleißbeständige Innenschicht vor den axialen Enden der Zylinderlaufbuchse endet.
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3 stellt eine erfindungsgemäße zweischichtige Zylinderlaufbuchse dar, bei der sich die Dicke einer verschleißbeständigen Innenschicht an den axialen Enden der Zylinderlaufbuchse auf null reduziert.
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4 stellt eine erfindungsgemäße zweischichtige Zylinderlaufbuchse dar, bei der die Dicke einer verschleißbeständigen Innenschicht im Bereich eines axialen Endes der Zylinderlaufbuchse durch eine Nut verringert ist.
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5 stellt eine erfindungsgemäße zweischichtige Zylinderlaufbuchse mit mehreren Nuten dar.
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6 stellt eine erfindungsgemäße dreischichtige Zylinderlaufbuchse dar, wobei die innere und die äußere Lage vor dem in der Zeichnung unteren Ende der Zylinderlaufbuchse enden.
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Sowohl in den Figuren als auch in den Zeichnungen werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnlichen Komponenten oder Merkmale verwendet.
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1 stellt eine zweischichtige Zylinderlaufbuchse gemäß dem Stand der Technik in einer perspektivischen Teil-Schnittansicht dar. Die Zylinderlaufbuchse 1 des Stands der Technik umfasst eine verschleißfeste Innenschicht 6 sowie eine Deckschicht 4 aus einem anderen Material. Aus der Figur ergibt sich, dass die Zylinderlaufbuchse zu einem Bimetallstreifen äquivalent ist, der zu einem Rohr gebogen und verschweißt ist. Daraus ergibt sich, dass bei Temperaturänderungen Spannungen in der Zylinderlaufbuchse auftreten. Diese Spannungen wirken besonders stark an dem oberen (auch zylinderkopfseitigen) Ende und dem unteren (auch kurbelwellenseitigen) Ende der Zylinderlaufbuchse. Im mittleren Bereich wirken sich diese Kräfte nicht so stark aus, da sie mit den jeweiligen Kräften in angrenzenden Bereichen ausgeglichen werden können.
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Unter starker Erwärmung würden sich die Enden der Zylinderlaufbuchse tonnenförmig verformen, da das innere, verschleißfestere Material eine höhere Festigkeit und damit vermutlich einen geringeren Wärmeausdehnungs-Koeffizienten aufweist. Somit können an dieser Laufbuchse die in der Einleitung beschriebenen Probleme auftreten, die zu einem Versagen der Zylinderlaufbuchse, des Zylinders und damit eines ganzen Motors führen können.
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2 stellt eine erfindungsgemäße zweischichtige Zylinderlaufbuchse 2 dar, deren verschleißbeständige Innenschicht 6 in axialer Richtung vor den axialen Enden der Zylinderlaufbuchse 2 enden. Dabei steht die Deckschicht 4 auf beiden Seiten über die verschleißbeständige Innenschicht 6 die Strecke x vor. Es ist in der Zeichnung nur der untere Überstand dargestellt, da klar ist, dass der nicht mit einem Bezugszeichen versehene Überstand größer, kleiner oder gleich groß ausgeführt werden kann. Bevorzugt wird der obere Überstand größer ausgeführt, da er einer höheren thermischen Belastung unterliegt und damit einen stärkeren Bimetalleffekt zeigt. In dieser Ausführungsform werden die Enden der Zylinderlaufbuchse nicht durch ein Bimetall gebildet, sondern bestehen nur aus einem Material. Damit liegt an den axialen Enden der Zylinderlaufbuchse kein Bimetall vor und es tritt auch kein Bimetalleffekt an den Enden auf. Eventuelle Verformungen der Zylinderlaufbuchse werden hier durch den überstehenden Rand der Deckschicht 4 aufgefangen.
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3 stellt eine weitere erfindungsgemäße zweischichtige Zylinderlaufbuchse 2 dar, bei der sich die Dicke einer verschleißbeständigen Innenschicht 6 an den axialen Enden der Zylinderlaufbuchse 2 auf null reduziert. Durch diese Konstruktion wird der Bimetalleffekt nicht an einer Ecke oder Stufe, sondern allmählich in einem Übergangsbereich x bzw. y bis auf null verringert. Diese Bauform erfordert ein höheres Maß an Fertigungsgenauigkeit. Die Art und die Breite x bzw. y des Übergangs kann dabei an die in einem jeweiligen Motor vorliegenden Bedingungen angepasst werden. Art und Breite y des oberen Übergangsbereichs kann sich von der Art und Breite x des unteren Übergangsbereichs unterscheiden.
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4 stellt eine erfindungsgemäße zweischichtige Zylinderlaufbuchse dar, bei der die Dicke einer verschleißbeständigen Innenschicht im Bereich eines axialen Endes der Zylinderlaufbuchse durch eine Nut verringert ist. In dieser Ausführungsform ist die Zylinderlaufbuchse mit einer Innennut 8' und eine Außennut 8 versehen. Beide Nuten 8, 8' verringern die Materialstärke der jeweiligen Materialschicht gegenüber der Materialstärke der jeweils anderen Schicht. Durch die Nuten wird der Querschnitt der jeweiligen Schicht je nach Tiefe der Nut 8, 8' geschwächt, was wiederum den Bimetalleffekt verringert. In 4 ist die innere Nut 8' an der unteren Seite der Zylinderlaufbuchse angebracht, wodurch die Nut 8' nicht mit Kolbenringen in Konflikt geraten kann. Um einen Konflikt mit Kolbenringen zu vermeiden, die in der Nut einrasten können, ist die obere Nut 8 an der Außenseite der Zylinderlaufbuche angeordnet.
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5 stellt eine erfindungsgemäße zweischichtige Zylinderlaufbuchse mit mehreren Nuten dar.
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5 stellt eine erfindungsgemäße zweischichtige Zylinderlaufbuchse dar, bei der die Dicke einer verschleißbeständigen Innenschicht im Bereich eines axialen Endes der Zylinderlaufbuchse durch Nuten 8' 8'' verringert ist. In dieser Ausführungsform ist die Zylinderlaufbuchse mit zwei unteren Innennuten 8' versehen. Weiterhin umfasst die Zylinderlaufbuchse zwei Außennuten 8, jeweils eine obere und eine untere Außennut.
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Die Zylinderlaufbuchse 2 ist zudem mit einer oberen Innennut 8'' versehen, die in einer Wellenlinie verläuft bzw. auf der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse auf einer gekrümmten Bahn verläuft. Dadurch kann sich ein Kolbenring, der beim Einsetzen der Kolben in den Zylinder die Nut passiert, nicht mehr in der Nut einrasten, und stellt somit kein Einbauhindernis dar. Es ist ebenfalls möglich, eine unterbrochene Nut am unteren oder oberen Ende der Zylinderlaufbuchse anzuordnen, um jegliche Problemen mit Kolbenringen zu vermeiden. Die Kompressionsringe sitzen nicht ganz oben an einem Kolben, wodurch die Nut, falls sie in einem ausreichend geringen Abstand zu der Oberseite der Zylinderlaufbuchse angeordnet wird, nicht mit den Kompressionsringen in Kontakt tritt.
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Es ist hervorzuheben, dass die Nuten auch an einer oder beiden Enden einer Zylinderlaufbuchse eingesetzt werden können, wie in den 2 und 3 dargestellt.
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Die unteren inneren und äußeren Nuten 8, 8' können den Bimetalleffekt und somit die Spannungen an dem unteren Ende der Zylinderlaufbuchse erheblich verringern.
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6 stellt eine erfindungsgemäße dreischichtige Zylinderlaufbuchse 3 dar, wobei die innere und die äußere Lage vor dem in der Zeichnung unteren Ende der Zylinderlaufbuchse 3 enden. In 6 ist die verschleißbeständige Innenschicht 6 in Umfangsrichtung nur teilweise ausgeführt. Moderne Kolben mit einem nur teilweise ausgeführten Kolbenhemd benötigen nur in den dargestellten Abschnitten eine verschleißbeständige Innenschicht 6. In einer zweischichtigen Zylinderlaufbuchse würde nun am unteren Ende nicht nur eine rotationssymmetrische Verformung durch thermische Spannungen des Bimetalleffekts auftreten. Zusätzlich wird bei Wärmeeinwirkung durch die nicht rotationssymmetrischen Spannungen das untere Oval verformt. In der dargestellten Ausführungsform ist zusätzlich eine Außenschicht 10 auf der Deckschicht 6 aufgebracht. Die Außenschicht 10 ist dabei so bemessen (Materialdicke; Festigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient), dass sich die thermischen Spannungen aufheben. Diese Spannungskompensation kann nur funktionieren, wenn sich die verschleißbeständige Innenschicht 4 und die Außenschicht 10 jeweils in den gleichen Bereichen erstrecken.
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Es sollte klar sein, dass sich auch alle Kombinationen von Schichtverläufen in Axialrichtung und Umfangsrichtung kombinieren lassen sowie eine weitere Kombination mit Nuten 8, 8' und 8'' ebenfalls möglich ist. Diese sind nur aus Gründen der Klarheit nicht dargestellt.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen verzugs- und spannungsoptimierten Zylinderlaufbuchse zum Einfügen oder Eingießen in ein Zylinderkurbelgehäuse aus Eisen oder Leichtmetall bereitgestellt.
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Eine Zylinderlaufbuchse mit mindestens einer verschleißbeständigen Schicht (6) am Innendurchmesser und einer Deckschicht (4) am Außendurchmesser wird derart hergestellt, dass die Dicke der verschleißbeständigen Schicht (6) zum axialen Ende der Zylinderlaufbuchse gegen Null geht (siehe 2 und 3). Alle in den Zeichnungen dargestellten Zylinderlaufbuchsen können beispielsweise mittels thermischen Spritzens gemäß einem bekannten Verfahren hergestellt werden, indem die axiale Ausdehnung der Verschleißschutz-Schicht (6) geringer ist als die axiale Ausdehnung der Deckschicht (2).
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Dies kann etwa durch Variation des Verfahrweges der Spritzpistole oder die Verwendung geeigneter Abdeckungen bzw. Schablonen erzielt werden. Die axiale Länge des ohne Verschleißschutzschicht erzeugten Teils der Zylinderlaufbuchse an einem Ende oder an beiden Enden (Abmessungen x und y) beträgt 1 bis 20 mm, idealerweise 1 bis 5 mm.
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Es ist ebenfalls vorgesehen, ein Kombinationsverfahren einzusetzen, bei dem eine, mittels mechanischen oder thermischen Bearbeitungsverfahren bearbeitete verschleißbeständige Innenschicht durch thermisches Spritzen mit einer Außenschicht versehen wird. Ebenfalls ist es möglich, eine verschleißbeständige Innenschicht 6 mit einer Deckschicht zu umgießen.
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Je nach Ausführung kann eine derart hergestellte Buchse zum thermischen Fügen, zum Einpressen oder zum Eingießen in den Motorblock verwendet werden. Alternativ oder ergänzend zur gegen Dicke Null strebenden Verschleißschutzschicht können zum Spannungsabbau eine oder mehrere umlaufende Nuten (8, 8', 8'') in die Außen- oder Innenmantelfläche der Buchse eingebracht werden (siehe 4 und 5). Die Lage, Ausführung und Tiefe der Nut richtet sich nach den erwarteten Spannungszuständen in der Zylinderlaufbuchse. Eine Innen-Nut mit einer Tiefe von ca. 2/3 der radialen Wandstärke und bis zu 1 mm Radius mit einem axialen Abstand von 1 bis 20 mm von der Stirnfläche wird momentan für Kfz-Motore als ideal angesehen. Es können jedoch auch andere Abmessungen, Tiefen und Nutenformen verwendet werden. Die Nuten können sowohl spannend als auch mittels thermischer Bearbeitungsverfahren in die Oberflächen eingebracht werden. Gerade bei Verwendung von Lasergraviertechniken bieten sich auch geschwungene bzw. wellenförmige Nuten an. Weiterhin können mittels Lasergraviertechnik auch unterbrochene Nuten oder Punktmuster zur Verringerung der Wandstärke der verschleißbeständigen Innenschicht 4 verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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