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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche eines Maschinenelements und ein Kurbelgehäuse als Beispiel eines Maschinenelements, in dem mindestens ein Zylinder ausgebildet ist mit einer Zylinderlaufbahn, die eine entsprechend behandelte Oberfläche aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Zylinderlaufbuchse mit entsprechend behandelter Zylinderlauffläche.
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Mit Kurbelgehäuse wird regelmäßig der Motorblock eines Verbrennungsmotors bezeichnet. Somit umfasst das Kurbelgehäuse neben der Lagerung der Kurbelwelle auch die Zylinder, die in diesem ausgebildet sind. Zylinder sind wiederum die Maschinenelemente des Verbrennungsmotors, in denen die Verbrennung stattfindet und die Umwandlung in kinetische Energie, durch Bewegen eines Kolbens, der in dem Zylinder geführt ist, erfolgt. Der Kolben bewegt sich somit entlang einer Zylinderlaufbahn, die durch die Innenseite des Zylinders bzw. durch das Kurbelgehäuse im Bereich des Zylinders gebildet ist. Die Oberfläche der Innenseite stellt die Zylinderlauffläche dar. Dabei kann eine Zylinderlaufbuchse eingesetzt werden, die einen Einsatz in den Zylinder darstellt und dann die Lauffläche für den Kolben bildet. Die Zylinderlaufbuchse stellt dann die Zylinderlaufbahn dar. Die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse ist die Zylinderlauffläche.
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Bei der Bewegung des Kolbens entlang dessen Lauffläche kommt es zu Wechselwirkungen zwischen den beiden Maschinenelementen Kolben und Zylinderlaufbahn, insbesondere in Folge von Reibung, die berücksichtigt werden müssen.
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Als Tribologie wird die Wissenschaft von gegeneinander bewegten und aufeinander einwirkenden Oberflächen bezeichnet. Diese beschäftigt sich mit der wissenschaftlichen Beschreibung von Reibung, Verschleiß und Schmierung sowie der Entwicklung von Technologien zur Optimierung von Reibungsvorgängen, die auch als wechselwirkende Oberflächen in relativer Bewegung oder tribologisches System bezeichnet werden. Dabei untersucht die Tribologie die auftretenden Grenzflächenwirkungen bei Beanspruchung eines festen Körpers durch Kontakt und Bewegung gegen einen festen, flüssigen oder gasförmigen Widerpart sowie die daraus resultierenden tribologischen Schäden durch Oberflächenveränderungen und Materialverlust. Als Tribotechnik wird die technische Anwendung tribologischer Erkenntnisse bezeichnet.
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In der Tribotechnik wird versucht, bspw. bei bewegten Maschinenteilen die Reibung und den Verschleiß herabzusetzen. Insbesondere wird versucht, dies durch Maßnahmen bei der Konstruktion, der Fertigung, dem Betrieb und der Wartung zu erreichen. Ziel dabei ist grundsätzlich die Werterhaltung und insbesondere bei Maschinen die Vermeidung von Funktionsbeeinträchtigungen und die Verringerung des Energieverbrauchs.
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Kurbelgehäuse nach Anspruch 7 und eine Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Es wird ein Verfahren zum Bearbeiten zumindest eines Abschnitts einer Oberfläche eines Maschinenelements vorgestellt, bei dem eine Substanz auf die Oberfläche mittels eines Plasma-Spritzprozesses aufgebracht wird, wobei der Plasma-Spritzprozess derart gesteuert wird, dass sich eine definierte inhomogene Oberfläche ergibt. Es ist zu beachten, dass durch die Bearbeitung eine Beeinflussung der Oberfläche und sogar eine Beeinflussung einer Oberflächenschicht, die bspw. 150 μm dick ist, erfolgt. Durch den Plasma-Spritzprozess entstehen in der Oberflächenschicht Mikrostrukturen, insbesondere Mikrokammern, die Ölhaltevolumen darstellen. Es wird somit bei dem Verfahren eine Oberflächenschicht des Maschinenelements bearbeitet bzw. behandelt.
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Eine Substanz ist hierin ein chemischer Stoff, wie bspw. ein Pulver. Die Substanz kann auch in Form eines Drahts, typischerweise eines Metalldrahts, zugeführt werden.
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Es können dabei Abschnitte oder Bereiche der Oberfläche oder die gesamte Oberfläche bearbeitet werden. In jedem Fall erfolgt die Bearbeitung derart, dass eine definierte inhomogene Oberfläche entsteht.
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In einer weiteren Ausführung wird die Oberfläche nach dem Plasma-Spritzprozess zumindest abschnittsweise nachbearbeitet. Diese Nachbearbeitung kann ein Honen und/oder ein Feindrehen umfassen.
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Das vorgestellte Verfahren wird bspw. zum zumindest abschnittsweisen Bearbeiten einer Oberfläche bzw. einer Oberflächenschicht einer Zylinderlaufbahn eines Zylinders, der in einem Kurbelgehäuse ausgebildet ist, eingesetzt.
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Das Verfahren kann insbesondere auch zum Bearbeiten zumindest eines Abschnitts einer Innenseite einer Zylinderlaufbuchse eingesetzt werden. Es wird somit die Oberfläche der Innenseite, die hierin auch als Innenfläche bezeichnet wird, der Zylinderlaufbuchse bearbeitet, welche die Zylinderlauffläche darstellt.
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Es wird außerdem ein Kurbelgehäuse für einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinder mit einer Zylinderlaufbahn vorgestellt, deren Oberfläche mit einem Plasma-Spritzprozess, insbesondere gemäß einem vorstehend beschriebenen Verfahren, derart bearbeitet ist, dass die Zylinderlaufbahn eine definierte inhomogene Oberfläche aufweist.
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In einer Ausgestaltung weist der Zylinder eine Zylinderlaufbuchse auf, deren Innenfläche die Oberfläche der Zylinderlaufbahn darstellt. In diesem Fall ist die Innenseite und damit die Oberfläche bzw. die Oberflächenschicht der Innenseite zumindest abschnittsweise entsprechend bearbeitet.
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Es wird weiterhin eine Zylinderlaufbuchse mit einer Innenseite vorgestellt, die mit einem Plasma-Spritzprozess, insbesondere gemäß einem vorstehend erörterten Verfahren, derart bearbeitet ist, dass die Innenseite eine definierte inhomogene Oberfläche aufweist.
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In einer Ausgestaltung der Zylinderlaufbuchse ist deren Oberfläche an der Innenseite nach dem Plasma-Spritzprozess nachbearbeitet. So kann ein Feindrehprozess durchgeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Oberfläche der Innenseite gehont werden.
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Eine Zylinderlaufbuchse ist ein Einsatz in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Hubkolbenmotors, welche die Lauffläche für den Kolben darstellt. Zu beachten ist, dass Motorblöcke bspw. aus Aluminium- oder Eisenguss hergestellt werden. Der Kolben innerhalb des Zylinders läuft aber nicht immer direkt im Motorblockmaterial, da dieses Material die gestellten tribologischen Anforderungen in vielen Fällen nicht erfüllt. Aus diesem Grund wird oftmals eine Zylinderlaufbuchse eingebaut. Die innere Oberfläche der Zylinderlaufbuchse wird in den meisten Fällen nach dem Einbau nachgebohrt und feinbearbeitet.
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Als Werkstoffe für die Zylinderlaufbuchse kommt Gusseisen, Stahl oder eine Aluminiumlegierung in Betracht.
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Das vorgestellte Verfahren dient insbesondere zum Optimieren eines tribologischen Systems, d. h. einer Tribologiepaarung. Als Tribologiepaarung wird bspw. die Paarung Zylinderlaufbuchse/Kolben betrachtet.
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Mit Plasma-Spritzprozess bzw. Plasmaspritzen wird ein thermisches Spritzverfahren zum Beschichten eines metallischen Werkstücks mit einem festhaftenden Überzug aus Kunststoff, Keramik oder Metall bezeichnet. Beim Plasmaspritzen wird die aufzutragende Substanz, bspw. das aufzutragende, pulverförmige Material, mittels eines Fördergases in den Plasmastrahl eines Plasmabrenners, bspw. einer Plasmapistole, eingebracht, erhitzt, geschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf die Werkstückoberfläche gespritzt.
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Als Nachbearbeitungsschritt kann bspw. ein Honen oder Feindrehen vorgenommen werden. Als Honen oder Ziehschleifen wird in der Fertigungstechnik ein Verfahren zur Feinbearbeitung von metallischen Werkstückoberflächen bezeichnet, bei dem mittels feinkörniger Schleifkörper eine Verbesserung der Oberflächenqualität sowie der Maß- und Formgenauigkeit erreicht wird. Während der Bearbeitung findet zwischen Werkstück und Werkzeug eine oszillierende Bewegung und gleichzeitig eine Drehbewegung statt.
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Bei dem vorgestellten Verfahren wird somit eine Substanz, bspw. ein Pulver, durch einen Plasma-Spritzprozess auf die Laufbahn des Kolbens aufgebracht. Dieser Prozess ist sehr flexibel, insbesondere bei der Auswahl der Beschichtungsmaterialien. Durch die Zuführung, wie bspw. Pulverzuführung, des Spritzmaterials findet ein poröser Schichtaufbau statt. Das ggf. anschließende Honen legt aus dem Schichtaufbau Kammern frei. Es ergibt sich ein sehr glatter Aufbau mit kleinen Mikrokammern als Ölhaltevolumen.
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Durch die erfindungsgemäße Steuerung des Spritzprozess entstehen Porositäten bzw. Ölreservoirs an den hochbeanspruchten Bereichen der Lauffläche. Dort kann Reibung, Verschleiß und Ölverbrauch gesenkt werden.
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Bei einer Ausführung erfolgt eine Erstellung einer Zylinderlaufbahn mit lokal unterschiedlichen Porositäten, in Hub- und Umfangsrichtung, zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften des Systems. Ein Zylinder ist in einer Brennkraftmaschine das Maschinenelement, in dem der Energieumwandlungsprozess ausgeführt wird. Hierzu wird in dem Zylinder ein Kolben auf- und abbewegt. Die Innenfläche des Zylinders, entlang derer sich der Kolben bewegt, also mit welcher der Kolben in Kontakt steht, wird als Zylinderlauffläche bezeichnet. Die Innenseite des Zylinders, dessen Oberfläche die Zylinderlauffläche darstellt, wird als Zylinderlaufbahn bezeichnet.
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Weiterhin wird ein Plasma-Spritzprozess mit variabler Prozesssteuerung vorgestellt, bei der die Porosität lokal durch Prozessparameter geändert werden kann, um eine unterschiedliche Anzahl und Größe dieser Porositäten zu erhalten.
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Parameter des Prozesses sind bspw. die Substanz- bzw. Pulver- bzw. Partikeltemperatur, die Partikelgeschwindigkeit, der Spritzabstand und die Rotationsgeschwindigkeit des Brenners oder der zu beschichtenden Laufbahn.
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Die Dicke der behandelten Oberflächenschicht, die in der Regel porös ist, beträgt bei einer Ausführung etwa 150 μm. Die Dicke kann zwischen 50 und 200 μm variieren. Zu beachten ist, dass die Oberfläche bzw. die Oberflächenschicht in Hub- und Umfangsrichtung unterschiedlich ist. Es kann somit eine definierte inhomogene Oberfläche bzw. Oberflächenschicht entstehen. Diese Unterschiedlichkeit betrifft u. a. den Grad der Porosität. Werden durch die Bearbeitung Mikrostrukturen mit Poren geschaffen, so können die Anzahl und Größe der Poren variieren.
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Weitere Vorteile oder Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsformen und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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2 zeigt eine Zylinderlaufbahn nach einer Behandlung gemäß dem Stand der Technik.
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3 zeigt eine Zylinderlaufbahn nach einer Behandlung gemäß dem vorgestellten Verfahren
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4 zeigt Oberflächenprofile.
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1 zeigt eine Ausführung einer Anordnung 10 zur Durchführung eines atmosphärischen Plasma-Spritzprozesses (APS). Die Darstellung zeigt weiterhin ein Maschinenelement 12, auf dem mittels des Verfahrens eine Schicht 14 gebildet wird.
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Die Anordnung 10 umfasst eine Kathode 16, eine üblicherweise wassergekühlte Anode 18, eine Isolation 20 und eine Pulver-/Drahtzufuhr 22. In diesem Fall wird als Substanz ein Pulver zugeführt. Es kann aber auch ein Draht oder es können andere Materialien zugeführt werden. Ein Plasma Gas und Strom 24 wird zugeführt, ein erzeugter Plasmastrahl 26 wird auf das Werkstück 12 gerichtet.
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Als Material für das Pulver, welches zugeführt wird, kann bspw. Titanoxid oder Eisenoxid verwendet werden. Es sind aber auch andere Materialien geeignet.
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2 zeigt eine Zylinderlaufbahn 40, deren Oberfläche 42 an der Innenseite mit einem Plasmaspritzverfahren gemäß dem Stand der Technik behandel wurde. Dabei wurde das Verfahren derart durchgeführt, dass sich eine gleichmäßige Verteilung und Größe der Porositäten ergibt.
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3 zeigt eine weitere Zylinderlaufbahn 60, die gemäß dem vorgestellten Verfahren behandelt wurde und deren Oberfläche 62 an der Innenseite eine belastungsabhängige Anordnung von Porositäten in radialer und axialer Richtung zeigt.
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Ein erster Bereich 64 oberhalb des oberen Totpunkts beim ersten Kolbenring zeigt keine oder nur geringe Porositäten. Darunter befindet sich ein zweiter Bereich 66 mit geringen Porositäten. Ein dritter Bereich 68 zwischen oberen Totpunkt und unterem Totpunkt, der einen Abschnitt hoher Kolbengeschwindigkeiten darstellt, weist nur wenige bzw. kleine Porositäten auf. Ein vierter Bereich 70 unterhalb des unteren Totpunkts weist viele bzw. große Porositäten auf.
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Durch geeignete Einstellung der Prozessparameter wird erreicht, dass die Oberfläche 62 der Zylinderlaufbahn 60 inhomogen ist, d. h. dass die Zahl und/oder die Größe der Porositäten variiert. Dabei kann berücksichtigt werden, welche Kolbengeschwindigkeiten in welchen Bereichen vorliegen, d. h. mit welcher Geschwindigkeit der Kolben sich entlang der Zylinderlaufbahn 60 bewegt.
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Wird der Plasmaspritzprozess somit mit variabler Prozesssteuerung, bei der die Porosität lokal durch Prozessparameter geändert werden kann, durchgeführt, wird eine unterschiedliche Anzahl und/oder Größe der Porositäten erhalten. Mit Porosität wird eine eindimensionale Größe bezeichnet, die das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen eines Stoffes darstellt.
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Unter einem Totpunkt ist zu verstehen, dass bei einem Hebelmechanismus die verbindenden Gelenke und die einwirkenden Kraftvektoren auf einer Linie liegen. Bei einem Verbrennungsmotor werden als Totpunkte die Stellungen der Kurbelwelle bezeichnet, bei denen der Kolben keine Bewegung mehr in axialer Richtung ausführt. Dabei wird die Lage der Totpunkte durch die Geometrie von Kurbelwelle, Pleuel und Kolben eindeutig bestimmt. Es wird dabei zwischen dem oberen Totpunkt (OT), bei dem die Kolbenoberseite sich nahe am Zylinderkopf befindet, und dem unteren Totpunkt (UT), bei dem die Kolbenoberseite entfernt vom Zylinderkopf ist, unterschieden. Bei Viertaktmotoren unterscheidet man zusätzlich zwischen dem Ladungswechsel-OT und dem Zünd-OT. Der obere Totpunkt dient als Referenz für die Kurbelwellenlage. Eine Kurbelwellenlage von 0 Grad entspricht in der Regel der Stellung Zünd-OT. Der obere Totpunkt bezeichnet somit den höchsten Punkt, den der Kolben während seiner Auf- und Abbewegung im Zylinder einnimmt. Bei einem Verbrennungsmotor ist der obere Totpunkt beim Einstellen der Zündung von Bedeutung. Der obere Totpunkt ist die Phase vor dem Umkehrpunkt des Kolbens.
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4 zeigt unterschiedliche Oberflächenprofile. Ein erstes Oberflächenprofil 150 zeigt die Oberflächenbeschaffenheit einer herkömmlich gehonten Zylinderlaufbahn. Ein zweites Oberflächenprofil 152 zeigt eine ideale Oberflächenbeschaffenheit einer Zylinderlaufbahn, die mit dem vorgestellten Verfahren zumindest näherungsweise angestrebt wird.
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Bei dem ersten Oberflächenprofil zeigt ein erster Doppelpfeil 160 die Größe Rpk, ein zweiter Doppelpfeil 162 die Größe Rk und ein dritter Doppelpfeil 164 die Größe Rvk. Es gilt: Rpk = 0,2–0,8 μm (1) Rk = 0,5–1,5 μm (2) Rvk = 1,0–3,5 μm (3)
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Bei dem zweiten Oberflächenprofil 152 gilt:
Rpk -> 0
Rk -> 0
Rvk nach Anforderung
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Zu beachten ist, dass bei dem vorgestellten Verfahren die Anzahl und/oder Größe der Porositäten an die Belastungen der Zylinderlaufbahn angepasst und durch den Spritzprozess gesteuert wird bzw. werden.
