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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 wird. 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 bereitstellt. 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 11 und eine Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 12 vorgestellt. Ausführungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren dient zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Maschinenelements, bei dem mittels einer Mikrostrukturierung eine belastungsabhängige Anordnung von Mikrodruckkammern erzeugt wird und anschließend die Oberfläche mit einer Dünnschicht beschichtet wird.
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Die Mikrostrukturierung erfolgt bspw. mittels einer mechanischen Bearbeitung. Mikrodruckkammern sind Kammern, die ein Mittel, bspw. Öl, das als Schmiermittel dient, aufnehmen und speichern können. Die Dünnschicht ist so dünn, dass die Mikrokammern nicht abgedeckt werden. Auf diese Weise wird das Reibungsverhalten positiv beeinflusst. Der Ölverbrauch kann reduziert werden.
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Es erfolgt somit in Ausgestaltung eine mechanische Einbringung von Ölhaltevolumina bspw. in die Zylinderlaufbahn. Durch die richtige Einbringung der Ölhaltevolumina bzw. Ölreservoirs an den hochbeanspruchten Bereichen der Lauffläche können die Reibung, der Verschleiß und der Ölverbrauch gesenkt werden.
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In einer Ausführung wird als Dünnschicht eine DLC-Schicht (DLC: diamond like carbon) verwendet. Es handelt sich hierbei um eine amorphe Kohlenstoffschicht, die eine Reduzierung der Reibung und des Verschleißes bewirkt.
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In einer weiteren Ausführung wird die Oberfläche vor und/oder nach der Mikrostrukturierung und vor der Beschichtung mit der Dünnschicht zumindest abschnittsweise gehont oder feingedreht.
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Die belastungsabhängige Anordnung der Mikrodruckkammern kann in radialer und/oder in axialer Richtung erfolgen.
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In einer weiteren Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Erzeugung der Mikrostrukturen derart erfolgt, dass sich oberhalb des oberen Totpunkts keine oder nur geringe Mikrostrukturen ergeben. Außerdem kann die Erzeugung der Mikrostrukturen derart erfolgen, dass sich im Bereich des unteren Totpunkts viele und/oder große Mikrostrukturen ergeben. Weiterhin kann die Erzeugung der Mikrostrukturen derart erfolgen, dass sich zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt im Bereich einer hohen Kolbengeschwindigkeit wenige und/oder feine Mikrostrukturen ergeben.
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Es wird weiterhin ein Kurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine vorgestellt, in dem mindestens ein Zylinder mit einer Zylinderbahn vorgesehen ist, deren Oberfläche mit einem Verfahren der vorstehend beschriebenen Art behandelt ist, so dass eine belastungsabhängige Anordnung von Mikrodruckkammern erzeugt ist und die Oberfläche mit einer Dünnschicht beschichtet ist.
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Die beschriebene Zylinderlaufbuchse weist eine Lauffläche auf, die mit einem Verfahren, wie dieses vorstehend dargelegt ist, behandelt ist, so dass eine belastungsabhängige Anordnung von Mikrodruckkammern erzeugt ist und die Lauffläche mit einer Dünnschicht beschichtet ist.
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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. Mit dem Verfahren wird eine Reduzierung der Reibung und des Ölverbrauchs sowie eine Verringerung des Verschleißes erreicht.
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Bei einer Ausführung erfolgt eine Erstellung einer Zylinderlaufbahn, die nach dem Honen mit DLC beschichtet wird. Die Beschichtung verteilt sich gleichmäßig auf der bestehenden Honstruktur und gibt diese eins zu eins wieder. Die Oberflächenstruktur ändert sich folglich nicht. Durch die sehr geringen Reibkoeffizienten ist diese zur Reduzierung der Reibung äußerst gut geeignet. Die geringen Reibwerte minimieren den Verschleiß bspw. der Zylinderlaufbuchse zusätzlich.
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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 Verfahren zum Einbringen von Mikrostrukturen, insbesondere gemäß einem vorstehend beschriebenen Verfahren, derart bearbeitet ist, dass die Zylinderlaufbahneine belastungsabhängige Anordnung von Mikrodruckkammern 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 Verfahren zum Einbringen von Mikrostrukturen, insbesondere gemäß einem vorstehend erörterten Verfahren, derart bearbeitet ist, dass die Innenseite an vorab bestimmten Stellen Ölhaltevolumina aufweist.
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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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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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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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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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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 eine Zylinderlaufbuchse während der Bearbeitung.
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2 zeigt in einem Graphen unterschiedliche Reibungskräfte.
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3 zeigt ein beschichtetes Maschinenelement.
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4 zeigt eine Zylinderlaufbahn.
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In 1 ist eine Zylinderlaufbuchse 10 dargestellt, die in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine zur Anwendung kommt. Zu erkennen ist, dass ein Werkzeug 12 in die Zylinderlaufbuchse 10 eingeführt wird, um die Innenseite der Zylinderlaufbuchse 10 zu bearbeiten. Hierzu wird das Werkzeug 12 nahe an die Innenseite 14 der Zylinderlaufbuchse 10 herangeführt. Die Oberfläche der Innenseite 14 bildet die Lauffläche für den Kolben. Bei der Bearbeitung wird die Oberfläche bzw. eine Oberflächenschicht der Innenseite 14 der Zylinderlaufbuchse 10 behandelt, wobei mechanisch Ölhaltevolumina eingebracht werden. Anschließend erfolgt eine Beschichtung mit einer Dünnschicht.
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Ein erster Pfeil 16 zeigt die Bewegungsrichtung des Werkzeugs 12 bei dem Einführen. Ein Feld 18 zeigt einen Bereich der Oberfläche der Innenseite 14 an, der gerade bearbeitet wird. Während der Bearbeitung wird die Zylinderlaufbuchse 10 entsprechend einem zweiten Pfeil 20 gedreht, während gleichzeitig das Werkzeug 12 entsprechend einem dritten Pfeil 22 gedreht wird.
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2 zeigt in einem Graphen 50 unterschiedliche Reibungskräfte. Dabei ist an einer Abszisse 52 ein Kurbelwellenwinkel [°] und an einer Ordinate 54 die Reibungskraft [N] aufgetragen. Eine erste Kurve 56 zeigt den Verlauf der Reibungskraft bei einer unbeschichteten glatten Oberfläche. Eine zweite Kurve 58 zeigt den Verlauf der Reibungskraft bei einer Oberfläche, die mit DLC beschichtet ist.
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Die Darstellung verdeutlicht die Reduzierung der Reibung durch eine erfolgte Beschichtung. Dies wirkt sich vorteilhaft auf den Betrieb eines Tribosystems, wie bspw. Zylinderlaufbahn/Kolben, aus.
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In 3 ist ein Maschinenelement 70 aus einem Grundwerkstoff dargestellt, dessen Oberfläche mit einer Dünnschicht 72, in diesem Fall eine DLC-Schicht, beschichtet ist. Zwischen der Dünnschicht 72 und dem Maschinenelement 70 kann noch eine Haftschicht 74 vorgesehen sein, die eine gute Verbindung zwischen Oberfläche des Maschinenelements 70 und der Deckschicht 72 gewährleistet.
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Die Dünnschicht weist in Ausgestaltung eine Dicke zwischen 2 und 30 μm auf, wie dies durch einen Doppelpfeil 76 verdeutlicht ist. Bei dieser Beschichtung können die Strukturen der Oberfläche bzw. Strukturen in der Oberfläche bzw. der Oberflächenschicht des Maschinenelements 70 eins zu eins auf der Oberfläche der Beschichtung wiedergefunden werden.
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4 zeigt eine Zylinderlaufbahn 80, die entsprechend dem vorgestellten Verfahren bearbeitet ist. Diese Zylinderlaufbahn 80 weist eine Oberfläche 82 mit einer belastungsabhängigen Anordnung von Mikrodruckkammern 90 auf, die mittels Mikrostrukturierung eingebracht wurden. Zu beachten ist, dass die Mikrodruckkammern 90 hier stark vereinfacht, lediglich schematisch dargestellt sind.
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So ist ein erster Bereich 84 oberhalb des oberen Totpunkts vorgesehen, in dem keine oder nur geringe Mikrostrukturen vorgesehen sind. In einem zweiten Bereich 86 hoher Kolbengeschwindigkeiten sind nur wenige und/oder feine Mikrostrukturen vorgesehen. Schließlich sind in einem dritten Bereich 88 beim unteren Totpunkt viele und/oder große Mikrostrukturen vorgesehen.
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Nach Einbringen der Mikrostrukturen bzw. der Mikrostrukturierung auf bzw. in die Oberfläche 82 bzw. die Oberflächenschicht wird ggf. noch eine Haftschicht und abschließend eine Dünnschicht aufgebracht, durch die dann die Oberfläche bzw. die Oberflächenschicht der Zylinderlaufbahn 80 gegeben ist. Diese Schicht ist derart ausgeführt, dass die Mikrostrukturen und damit die Mikrodruckkammern 90 sich auf der Oberfläche der Beschichtung wiederfinden lassen.
