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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/126,807, die am 2. März 2015 eingereicht wurde.
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HINTERGRUND
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Diese Erfindung betrifft allgemein das Erreichen einer besseren Anhaftung zwischen einer Schutzschicht und einem Targetsubstrat und insbesondere das Erzeugen einer tribologisch geeigneten Oberfläche in Motorzylinderbohrungen, indem die Bohrungen auf eine solche Weise mechanisch aufgeraut werden, dass innere Spannungen in den Bohrungen und die daraus resultierende Rissbildung in einer anschließend aufgetragenen, thermisch gesprühten Schicht verringert werden.
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Die Zylinderwände und die Zylinderlaufbüchsen eines Verbrennungsmotors (ICE) werden derart hergestellt, dass sie Standards mit engen Toleranzen exakt entsprechen, und zwar als eine Möglichkeit, um einen effizienten Motorbetrieb zu fördern. Während zusätzliche Verbesserungen bezüglich des Wirkungsgrads auch durch heißere, vollständigere Verbrennungsprozesse realisiert werden können, schafft die erhöhte thermische Belastung, die auf die Wände und Laufbüchsen (die auch gemeinsam oder einzeln als Bohrungen bezeichnet werden) des Motorblocks ausgeübt wird, zusätzliche strukturelle Herausforderungen und damit verbundene Herausforderungen bezüglich der Haltbarkeit für leichgewichtige, effiziente Motorkonstruktionen.
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Es wurde gezeigt, dass thermische Sprühtechniken eine effektive Weise darstellen, um Schutzschichten – wie beispielsweise thermische Barriereschichten (TBCs), abnutzungsbeständige Schichten, Antikorrosionsschichten oder dergleichen – auf die Bohrungen aufzutragen. Die Anhaftung der Schutzschicht an einem Substrat ist eine sehr wichtige Metrik, um die Eignung der Schicht für eine spezielle Anwendung zu ermitteln (wie beispielsweise für die rauen Umgebungen, die in der Verbrennungskammer einer Verbrennungsmotor-Zylinderbohrung erzeugt werden). Herkömmliche Ansätze für eine verbesserte Schichtanhaftung an dem Substrat der Zylinderbohrung umfassen verschiedene Vorbehandlungsschritte zur Oberflächenaktivierung, die Ansätze wie beispielsweise Sandstrahlen mit Keramikpartikeln und Wasserstrahlen mit hohem Druck umfassen. Obgleich es effektiv ist, hinterlässt das Sandstrahlen Partikelreste, welche die nachfolgenden Schichtauftragungsschritte verunreinigen können, wenn keine teuren und zeitaufwändigen Reinigungsschritte ebenso verwendet werden. Das Wasserstrahlen benötigt, obgleich es mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit unerwünschte Nebenprodukte hinterlässt, große Mengen Wasser, und es erfordert ein komplexes Wasserbehandlungssystem für die Wiederverwertung des Wassers. Darüber hinaus ist es aufgrund des Vorhandenseins von Verunreinigungen oder Nebenprodukten im Wasser unerwünscht, sobald der Vorgang des Aufrauens abgeschlossen ist, das verbrauchte Wasser wieder zurück in die lokale Wasserumgebung zu bringen. Darüber hinaus weist der Ansatz des Wasserstrahlens mit hohem Druck hohe Investitionskosten auf.
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Eine neuere Entwicklung verspricht, Ergebnisse bei der Anhaftung von Schutzschichten ähnlich dem Sandstrahlen und dem Wasserstrahlen zu erreichen, aber ohne deren Nachteile. Eine mechanische Aufrauung/Verzahnung umfasst, dass geometrische Formen mit einer Schneidmaschine aus der Bohrungswand geschnitten werden, und zwar mittels eines oder mehreren von Abspanen, Pressen, Gleiten, Rollen und verwandten Schritten. Ein solches Aufrauen verändert die Topografie an der Substratoberfläche, um eine verzahnte Passung zwischen der Beschichtung und dem Substrat zu fördern. Bei einer solchen Ausführungsform werden trapezförmige oder schwalbenschwanzförmige Hinterschnitte in der aufgerauten Bohrungsoberfläche gebildet, um diese verzahnte Passung zu fördern. Ein Beispiel eines solchen Ansatzes kann in der US-Anmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2012/0317790 (nachstehen Veröffentlichung '790) gefunden werden, die durch Flores, Baumgartner und Rach eingereicht wurde, den Titel trägt TOOL AND METHOD FOR MECHANICAL ROUGHENING und deren Gesamtheit hierdurch durch Bezugnahme eingebunden ist.
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Ein signifikantes Problem der mechanischen Aufrauung besteht darin, dass große Beträge innerer Spannungen in dem Substrat erzeugt werden, insbesondere in dem Bereich, welcher der Oberfläche am nächsten liegt. Dies kann wiederum zu hohen Zugspannungen und gleichzeitigen Scherkräften zwischen dem Substrat und der anschließend aufgetragenen Beschichtung in der axialen und tangentialen Richtung der Bohrung führen, in welchen solche Spannungen und damit verbundene Kräfte eine Rissbildung bewirken, die insbesondere für das Leistungsverhalten und die Haltbarkeit thermischer Sprühschichten schädlich ist. Daher nehmen die vorliegenden Erfinder an, dass eine Notwendigkeit für einen Ansatz für eine Vorbehandlung einer Zylinderbohrung besteht, um eine Bindung mit höherer Integrität zwischen der mechanisch aufgerauten Bohrung und einer Schutzschicht, die in der Bohrung angeordnet ist, durch die Verringerung von Restspannungen in dem aufgerauten Bohrungssubstrat zu ermöglichen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einem ersten Aspekt umfasst ein Verfahren zum Behandeln einer Zylinderbohrung, die in einem aluminiumbasierten Motorblock gebildet ist, dass eine freiliegende Oberfläche der Bohrung durch mechanisches Aufrauen aktiviert wird und dass eine Restspannung, die in der aktivierten Oberfläche vorhanden ist, verringert wird. Ein solcher Spannungsabbaumechanismus trägt dazu bei, die Rissbildungstendenz einer Schutzschicht zu verringern, die auf die aktivierte Bohrungsoberfläche aufgetragen wird. Gemäß einer Form kann der Spannungsabbau verringerte Zugspannungen umfassen, während er gemäß einer anderen Form die Einführung von Kompressions-Restspannungen umfassen kann, um die Zugspannungen auszugleichen. Es kann eine Vielzahl von speziellen Ansätzen zum Spannungsabbau verwendet werden, einschließlich eines schwingungsinduzierten Spannungsabbaus (der hierin auch als Schwingungsspannungsabbau oder Vibrationsspannungsabbau (in beiden Fällen VSR) bezeichnet wird), eines Spannungsabbaus bei erhöhter Temperatur oder eines Spannungsabbaus bei verringerter Temperatur in der Form einer kryogenen Kühlung.
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Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Bilden einer Zylinderbohrung in einem aluminiumbasierten Motorblock offenbart. Das Verfahren umfasst, dass der Block gegossen wird, um darin eine oder mehrere Zylinderbohrungen zu definieren, dass eine freiliegende Oberfläche der Bohrung durch mechanisches Aufrauen aktiviert wird und dass eine Restspannung, die in der aktivierten Oberfläche vorhanden ist, verringert wird. Die Spannungsverringerung wird durch eines oder mehrere von dem VSR, der Anwendung einer erhöhten Temperatur oder der Anwendung einer kryogenen Temperatur erreicht.
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Gemäß einem anderen Aspekt wird ein aluminiumbasierter Motorblock offenbart. Der Block umfasst eine oder mehrere Zylinderbohrungen, die darin gebildet sind, wobei die Bohrung oder die Bohrungen eine freiliegende Oberfläche aufweist bzw. aufweisen (insbesondere die Oberfläche, die einem Kolben zugewandt ist, der zum Überqueren der Bohrung entlang ihrer axialen Abmessung ausgebildet ist), welche mit mechanisch aufgerauten Merkmalen gebildet ist. Es ist wichtig, dass die freiliegende Oberfläche einer Behandlung ausgesetzt wird, um den Auswirkungen einer beliebigen erhöhten Restspannung entgegenzuwirken, die durch das mechanische Aufrauen verursacht wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die nachfolgende ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann am besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Strukturen durch gleiche Bezugszeichen angegeben sind und in welchen die verschiedenen Komponenten der Zeichnungen nicht notwendigerweise skaliert dargestellt sind:
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1 zeigt isometrische Ansicht eines angenommenen Motorblocks mit vier Zylinderbohrungen, die darin gebildet sind, und mit einer schwingungsbasierten Einrichtung, die vorübergehend derart an diesem angebracht ist, dass die Zylinderbohrungen einer VSR-Behandlung ausgesetzt werden können, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt eine starke Vergrößerung einer Zylinderbohrung des Motors von 1, welche einem mechanischen Aufrauen ausgesetzt wurde, um schwalbenschwanzähnliche Hinterschnittmuster zu erzeugen;
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3A und 3B zeigen zwei unterschiedliche Vergrößerungen einer Rissbildung, die in einer thermisch gesprühten Schicht aufgetreten ist, welche auf eine mechanisch aufgeraute Zylinderbohrungsoberfläche aufgetragen wurde, gemäß dem Stand der Technik;
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4 zeigt ein mechanisches Aufrauungswerkzeug, das verwendet werden kann, um die Muster von 2 zu bilden;
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5 zeigt einen Schwingungsverlauf, der die Zeitdauer veranschaulicht, für welche eine Schwingung in einer Probe andauert, nachdem eine resonante Anregung aufhört;
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6 zeigt eine Umkehrung zu einer Nachschwingzeit, welche die Zeitdauer zwischen dem Start der Schwingungsanregung und der vollen Resonanzamplitude ist;
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7 zeigt die Auswirkungen des Abtastens mit zwei unterschiedlichen Abtastraten; und
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8 zeigt zwei Diagramme, welche die Werkstückbeschleunigung bzw. die Eingangsleistung der Schwingungseinrichtung für die VSR-Behandlung von 1 darstellen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Zuerst auf 1 Bezug nehmend, ist eine vereinfachte Ansicht eines Blocks 100 eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors mit vier Zylindern gezeigt. Der Block 100 umfasst Abschnitte für – unter anderem – das Kurbelgehäuse 110, das Kurbelwellenlager 120, das Nockenwellenlager 130 (in dem Fall von Motoren mit obenliegenden Ventilen und Pleuelstangen), Wasserkühlmäntel 140, ein Schwungradgehäuse 150 und Zylinderbohrungen 160. Diese Bohrungen 160 können eine legierte Oberflächenschicht (nicht gezeigt) aufweisen, die entweder einstückig mit dem Substrat jeder Bohrung 160 oder als ein separater Einsatz oder eine separate Hülse gebildet ist, der bzw. die bemessen ist, um sicher eingepasst zu werden. Gemäß einer Form kann eine solche Legierungsoberflächenschicht verwendet werden, um die Korrosionsbeständigkeit, die Abnutzungsbeständigkeit oder die thermische Beständigkeit der Bohrung 160 zu erhöhen. Tatsächlich wurde bei Motorkonfigurationen, bei denen der Block 100 aus einem leichtgewichtigen Material gegossen wird, wie beispielsweise aus Aluminium und seinen Legierungen (wie beispielsweise A380, A319 oder A356), die Hinzufügung solcher Oberflächenschichten herkömmlicherweise als notwendig erachtet, und zwar als eine Möglichkeit, um diesen zusätzliche thermische Beständigkeit und Abnutzungsbeständigkeit zu verleihen. Gemäß einer Form wird diese Legierungsoberflächenschicht aus einem schweren Gusseisen oder einem verwandten Material hergestellt. Die Zylinderbohrung 160 des Motorblocks 100 definiert eine umlaufende innere Wand 160A.
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Als Nächstes auf 2 bis 4 Bezug nehmend, führt die Verwendung eines mechanischen Aufrauungswerkzeugs, um geometrische Formen in der Nähe der Oberfläche der Bohrungswand zu erzeugen, zu unerwünschten Zugspannungen in der Bohrungsoberfläche, die wiederum dazu neigen, eine Rissbildung durch die anschließend aufgetragene Schutz-TBC oder verwandte Beschichtung und entlang deren Oberfläche zu erzeugen. Als eine allgemeine Regel ist es wünschenswert, die Restspannungen, die sich entwickeln, so nahe wie möglich bei Null zu halten; in dem Fall, dass sich Restspannungen entwickeln, die positiv sind (d. h. in ihrer Natur Zugspannungen sind), ist es bevorzugt, diese unterhalb ungefähr 200 MPa (d. h. ungefähr 30 ksi) zu halten; die vorliegende Erfindung verhindert die Neigung der Schicht zur Rissbildung, indem diese Zugspannungen in der Bohrungsoberfläche auf Niveaus bei solchen Werten oder unterhalb dieser verringert werden.
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Unter spezieller Bezugnahme auf 4 sind eine erste und eine zweite Komponente an einem mechanischen Aufrauungswerkzeug 200 (oberhalb der axialen Mittelachse CL gezeigt), 300 (unterhalb der axialen Mittelachse CL gezeigt) zum Erzeugen der mechanisch aufgerauten Oberfläche von 2 gezeigt. Eine erste und eine zweite Vorschubstange 210, 310 sind axial in ihren jeweiligen Basiskörpern 220, 320 geführt. Wenn die Vorschubstange 210 in der axialen Richtung des Basiskörpers 220 in der Richtung des zweiten Werkzeugs 200 bewegt wird, verschiebt ein rohrförmiger Konus 230 einen Vorschubstift 240 in radialer Richtung, welcher wiederum eine Biegehalterung 250 mit der Formschneidplatte 260 in einer radialen Richtung nach außen drückt, wodurch eine Vorschubbewegung des Werkzeugs 200 erzeugt wird. Die Position der Biegehalterung 250 ist durch eine axiale Einstellung bewegbar. Auf ähnliche Weise bildet die Vorschubstange 310 ein gewünschtes Schwalbenschwanzmuster 165 in der Wand der Bohrung 160 mittels einer Walze 330 aus dem Ausschnitt, der zuvor durch das Werkzeug 200 gebildet wurde. Es ist besonders vorteilhaft für Walze 330, in radialer Richtung auf eine positive Weise derart vorgeschoben zu werden, dass die Vorschubkraft unabhängig von der Zentrifugalkraft gesteuert werden kann, die auf die Walze 330 wirkt. Die Neigung der Walze 330 ist vorzugsweise derart eingestellt, dass diese rechtwinklig zu der Längsrichtung des Musters 165 verläuft, das in der Bohrung 160 gebildet wird. Somit rollt die Walze 330 ohne Gleitbewegung über das Muster 165. Zusätzliche Details, die mit dem Betrieb des mechanischen Aufrauungswerkzeugs 200, 300 verbunden sind, können in der Veröffentlichung '790 gefunden werden.
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Unter spezieller Bezugnahme auf 3A und 3B in Verbindung mit 2 sind Details gezeigt, die mit den mechanisch aufgerauten Mustern, die in der Oberfläche einer Zylinderbohrung 160 gebildet sind, und auch mit den Szenarien mit einer anschließend aufgetragenen Schicht 180 verbunden sind (wie beispielsweise einer TBC, einer abnutzungsbeständigen Schicht, einer Antikorrosionsschicht, einer Bindungsförderungsschicht oder dergleichen). Beispiele dieses letzten Schichttyps können in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit der Nummer 14/733,121 gefunden werden, die den Titel trägt TlO2 APPLICATION AS BONDCOAT FOR CYLINDER BORE THERMAL SPRAY, die dem gleichen Rechtsinhaber gehört wie die vorliegende Erfindung und deren Offenbarung hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingebunden ist. Es ist wichtig, dass die Verwendung der mechanischen Aufrauung, die in 2 gezeigt ist, eine Tendenz zum Erzeugen von Restspannungen (und auch einer damit verbundenen Rissbildung) sowohl in der Oberfläche einer Zylinderbohrung 160 als auch in einer anschließend aufgetragenen Schicht 180 aufweist.
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Im vorliegenden Zusammenhang sind Restspannungen in einem Körper solche, die nicht notwendig sind, um das Gleichgewicht zwischen dem Körper und seiner Umgebung aufrecht zu erhalten. Sie können anhand der Ursache (z. B. einer thermischen oder elastischen Fehlanpassung), anhand der Skala, über welche sie von selbst ins Gleichgewicht übergehen, oder anhand des Verfahrens kategorisiert werden, mit dem sie gemessen werden. Aus der Perspektive der Längenskala entstehen Restspannungen durch Fehlanpassungen zwischen unterschiedlichen Bereichen. In vielen Fällen überspannen diese Fehlanpassungen große Distanzen, wie beispielsweise solche, die durch eine nicht einheitliche plastische Verformung eines gebogenen Stabs verursacht werden. Sie können auch durch scharfe thermische Gradienten entstehen, wie beispielsweise durch solche, die während des Gießens, Schweißens oder während Wärmebehandlungsvorgängen erzeugt werden. Unabhängig von der mechanischen oder thermischen Ursache werden sogenannte Makrospannungen als solche vom Typ I bezeichnet, da sie kontinuierlich über große Distanzen variieren. Diese stehen im Gegensatz zu solchen Restspannungen, die über die Korngrößenskala (Spannungen vom Typ II oder intergranulare Spannungen) oder über die atomare Skala (Typ III) variieren. In diesen Fällen überspannen die Fehlanpassungsbereiche mikroskopische oder submikroskopische Abmessungen. Spannungen vom Typ II auf geringem Niveau existieren nahezu immer in polykristallinen Materialien (wie beispielsweise den meisten Metallen) einfach aufgrund der Tatsache, dass die elastischen und thermischen Eigenschaften in unterschiedlich ausgerichteten benachbarten Körnern unterschiedlich sind. Die signifikanteren Spannungen auf Korngrößenskala treten auf, wenn die Mikrostruktur unterschiedliche Phasen enthält oder wenn Phasenumwandlungen stattfinden. Die Kategorie des Typs III umfasst typischerweise Spannungen aufgrund der Kohärenz an Grenzflächen und aufgrund von Versetzungsspannungsfeldern. Die Restspannungen, die aufgrund von Fehlanpassungen entweder zwischen unterschiedlichen Bereichen oder zwischen unterschiedlichen Phasen in einem Material entstehen, legen die unterschiedlichen Typen der Makro-Restspannung und der Mikro-Restspannung fest. Insgesamt neigen Spannungen vom Typ II und Typ III dazu, durch die Plastizität in der Rissspitzenzone ausgewaschen zu werden, so dass nur Spannungen vom Typ I vom Standpunkt der Ermüdung aus betrachtet werden müssen. Dies gilt jedoch nicht für das Wachstum kurzer Risse, welches von der Mikrostruktur und von den Spannungen vom Typ II abhängt. Was insbesondere Zylinderbohrungen in gegossenen Aluminiumlegierungsblöcken betrifft, können diese Oberflächenspannungen – wenn sie unbehandelt bleiben – zu einer Rissbildung in den anschließend aufgetragenen Schichten 180 führen.
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Insbesondere umfasst eine Möglichkeit zum Verringern der Rissbildungstendenz in einer thermisch gesprühten (oder verwandten) Schicht 180 für eine Zylinderbohrung 160, welche mit mechanischem Aufrauen behandelt wurde, dass der VSR zum Abbauen der inneren Spannungen in den Bereichen der Bohrung 160 durch Ultaschallschwingungen des Zylinderblocks 100 verwendet wird, der die Bohrungen 160 enthält. Tatsächlich haben die vorliegenden Erfinder ermittelt, dass VSR alle drei Typen von Restspannungen verringert, die vorstehend erläutert wurden. Im Allgemeinen liefert der VSR kinetische Energie sowohl auf der Makroskala als auch auf der Mikroskala. Daher verändert er nicht nur die Spannungsverteilung auf der Makroskala in dem Werkstück, sondern auch die Mikrostruktur und die Substruktur, indem die Bewegung von Unterdefekten gefördert wird, wie beispielsweise von Versetzungen, Zwillingsfehlern und Stapelfehlern. Dies führt zu einer geringeren Dichte von Versetzungen, Zwillingsfehlern und Stapelfehlern nach dem VSR und zu geringeren Restspannungen aufgrund intergranularer Bereiche.
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Spezieller ist VSR ein nicht thermisches Spannungsabbauverfahren, das die eigene Resonanzfrequenz eines Werkstücks verwendet, um die Kraft zu verstärken, welche durch die induzierten Schwingungen erfahren wird. Unter erneuter Bezugnahme auf 1 sind eine oder mehrere mechanische Schwingungseinrichtungen 170 an dem Block 100 befestigt und ausgebildet, um in der Nähe (aber nicht bei) der Resonanzfrequenzen des Blocks 100 zu arbeiten. Ein bevorzugter Aufbau für eine VSR-Behandlung beinhaltet mehrere Schritte, umfassend, dass zuerst der Block 100 auf Lastkissen (nicht gezeigt) positioniert wird. Diese Kissen sollten aus einem weichen, aber elastischen Material hergestellt sein, typischerweise aus Urethan oder Neopren, und sie sollten entfernt von den Ecken des Blocks 100 angeordnet sein, so dass die Dämpfung des Werkstücks minimiert wird; dies fördert wiederum ein erhöhtes Resonanzansprechen auf die Schwingungen. Als zweites muss die Schwingungseinrichtung 170 sicher an dem Block 100 angebracht werden, wobei sie jedoch entfernt von den Ecken des Blocks 100 positioniert und derart ausgerichtet wird, dass ihre Kraftfeldausgabe rechtwinklig zu ihrer Drehachse oder Nutationsachse verläuft, um ihre Chancen zu maximieren, den Block 100 in Resonanz zu bringen; wie insbesondere in 1 gezeigt ist, werden zwei solche Schwingungseinrichtungen 170 verwendet und bezogen aufeinander auf entgegengesetzten Seiten des Blocks 100 angeordnet. Gemäß einer alternativen Form (nicht gezeigt) kann der Block 100 sicher an einen Schwingungstisch oder eine verwandte Halterung geklammert werden. Unabhängig von der Ausbildung der Schwingungseinrichtung 170 ist diese bevorzugt mit hochfesten Schrauben oder verwandten Verbindungsmitteln befestigt, um ein eng gekoppeltes Ansprechen in dem Block 100 zu unterstützen. Zusätzlich ist es bevorzugt, einen Schwingungsmesssensor (nicht gezeigt) an einer der Ecken des Blocks 100 und ausgerichtet mit der Kraftebene anzuordnen (d. h. mit einer Ebene rechtwinklig zur Rotationsachse oder Nutationsachse der Schwingungseinrichtung 170). Das Ungleichgewicht der Schwingungseinrichtung 170 sollte ausreichend sein, um die Resonanzen des Blocks 100 anzuregen, und zwar minimal auf ein Niveau von einigen g bezüglich der Beschleunigung. Als Drittes muss der Drehzahlbereich der Schwingungseinrichtung 170 in der Lage sein, die höchsten erwarteten Resonanzfrequenzen des Blocks 100 zu überschreiten. Gemäß einer Form wird eine maximale Drehzahlfähigkeit von mindestens 6000–8000 U/min empfohlen. Eine enge Motordrehzahlregelung (+/–0,25%) der Schwingungseinrichtung 170 ist als eine Möglichkeit bevorzugt, um die Fähigkeit zum Detektieren und Anregen geeigneter Resonanzbedingungen zu verbessern. Das Anregen einer Resonanz umfasst, dass die Drehzahl der Schwingungseinrichtung 170 mit dem Maximum der Resonanzspitze abgestimmt wird. Dies ist zunehmend herausfordernd, wenn die Starrheit des Blocks 100 zunimmt, welche bewirkt, dass Resonanzen sehr klein werden. Um solche Resonanzen aufzuzeichnen, ist es bevorzugt, eine langsame, automatisierte Abtastung über den Drehzahlbereich auszuführen und das Schwingungsansprechen des Blocks 100 aufzutragen. Sobald die aufgezeichnete(n) Resonanz(en) während der Abtastung erfasst ist bzw. sind, wird die Drehzahl der Schwingungseinrichtung 170 anschließend derart abgestimmt, dass das Ansprechen des Blocks 100 auf die ausgeübten Schwingungen überwacht wird. Eine Feinabstimmung der Drehzahl plus eine enge Drehzahlregelung verbessern die Fähigkeiten zur Abstimmung und Nachverfolgung der Resonanzspitzen. Darüber hinaus können quantifizierbare Maße für den Betrag der Restspannungsverringerungen durch direkte oder indirekte Mittel erreicht werden. Gemäß einem bevorzugten früheren Ansatz kann eine direkte Messung unter Verwendung von Röntgenbeugung ausgeführt werden.
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Als Nächstes auf 5 Bezug nehmend, muss die Abtastrate, die dem VSR zugeordnet ist, klein sein, und zwar nicht nur, da die Resonanzspitzen niedrig sind, sondern auch aufgrund der hohen Trägheit des Blocks 100; dies gilt insbesondere für Situationen, in denen der Block 100 mit einem massiven Objekt zusammenhängend ist, wie beispielsweise in dem Fall einer Bohrung, die Teil eines Zylinderblocks 100 ist. Es gibt eine signifikante zeitliche Verzögerung (die als Nachschwingzeit bezeichnet wird), welche durch diese hohe Trägheit des Blocks 100 in Ansprechen auf Schwingungen verursacht wird. Die Nachschwingzeit ist als die Zeitdauer definiert, für die ein Resonanzkörper weiterhin schwingt (wenn auch auf eine abklingende Weise), nachdem die Resonanzanregung gestoppt wird. Gemäß einer Form liegt der Wert für die Abtastrate, die für den Motorblock 100 verwendet wird, vorzugsweise zwischen ungefähr 10 U/min/s und 50 U/min/s, während die Drehzahl der Schwingungseinrichtung 170 für die Resonanz zwischen 2500 U/min und 5000 U/min liegt (was ungefähr 40 bis 80 Hz oder Zyklen pro Sekunde entspricht); solche Schwingungen können von einer ovalen Form, Rotationsschwingungen oder Hubschwingungen sein.
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Als Nächstes auf 6 Bezug nehmend, gibt es dann, wenn eine Schwingung die Anregungsursache für die Resonanz ist (anstelle eines singulären Anschlagereignisses, wie beispielsweise dann, wenn ein Hammer zum Anschlagen einer Glocke verwendet wird), eine Zeitdauer zwischen dem Beginn der Schwingungsanregung und dem Moment, zu dem eine volle Resonanzamplitude erreicht wird. Während dieser Zeit erfolgt der Aufbau oder das Wachstum der Amplitude (die Umkehrung des Abklingens), und daher wird dieses Phänomen als Umkehrung zur Nachschwingzeit (RRT) bezeichnet. Für große Metallstrukturen (wie beispielsweise den Motorblock 100), in denen ein Spannungsabbau mit Schwingungen erfolgt, können die Nachschwingzeit oder die Umkehrung zur Nachschwingzeit (die Zeitdauern sind die gleichen, unabhängig vom Anwachsen oder Abklingen der Amplitude) 20–40 Sekunden oder länger sein. Die Nachschwingzeit ist für das Erreichen einer vollen Resonanzamplitude wichtig.
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Ein Verfahren zum Finden der Resonanzen eines Blocks 100 während des VSR besteht darin, den Drehzahlbereich der Schwingungseinrichtung abzutasten und die Schwingungsamplitude aufzuzeichnen oder diese über der Drehzahl der Schwingungseinrichtung aufzutragen. Der Effekt der RRT, speziell der Zeitverzögerung zwischen dem Beginn der Resonanzschwingungen und dem Erreichen der vollständigen Resonanzamplitude, gibt vor, dass die Abtastrate, die zum Überstreichen des Drehzahlbereichs der Schwingungseinrichtung (der auch als der Schwingungsansprechbereich bezeichnet wird) verwendet wird, langsam ist, um eine genaue Aufzeichnung des Resonanzmusters durchzuführen. Eine zu schnelle Abtastung führt dazu, dass die Resonanzspitzen nicht vollständig dargestellt werden oder insgesamt verpasst werden, da der Block 100 keine ausreichende Zeit zur Verfügung hat, um die vollständige Amplitudenresonanz zu erreichen, bevor die Drehzahl der Schwingungseinrichtung (aufgrund der Abtastung) über die Resonanzfrequenz hinaus zunimmt.
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Als Nächstes auf 7 Bezug nehmend, sind die Ergebnisse zweier unterschiedlicher Abtastrasten gezeigt (10 U/min/Sekunde und 50 U/min/Sekunde). Es wurde gefunden, dass von diesen beiden die niedrigeren Abtastraten von ungefähr 10 U/min/Sekunde in der Praxis zu einer genauen Aufzeichnung von Resonanzspitzen für eine große Anzahl von Blöcken 100 führten. Die vorliegenden Erfinder haben ermittelt, dass es dann bevorzugt sein kann, wenn die Größe des Blocks 100 zunimmt, die Abtastrate zum vollständigen Erfassen genauer Resonanzdaten zu verringern. Das üblichste Ansprechverhalten auf eine Behandlung umfasst ein Spitzenwachstum (was typischerweise die größere Veränderung ist) und eine Spitzenverschiebung in die Richtung geringerer Drehzahlen (was typischerweise die geringere Veränderung ist, zumindest bezüglich des Prozentanteils). Typischerweise sind die Resonanzspitzen sehr klein, was dazu führt, dass eine beliebige Spitzenverschiebung die Schwingungsamplitude schnell verringert und dadurch die Rate des Spannungsabbaus schnell verringert, da eine Resonanzamplitude beim Spannungsabbau effektiver ist. Daher profitiert eine beliebige Spitzenverschiebung von einer Einstellung der Drehzahl der Schwingungseinrichtung 170 mit Feinabstimmung, um die Spitze bis zu ihrer endgültigen stabilen Position nachzuverfolgen.
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Als Nächstes auf 8 Bezug nehmend, ist jede dieser Weisen des Ansprechens (die oft ein Spitzenwachstum und eine Spitzenverschiebung kombinieren) mit einer Verringerung der Starrheit des Blocks 100 konsistent, wobei eine solche Starrheit mit dem Vorhandensein einer Restspannung verbunden ist. Beispielhaft ist eine Änderung eines üblichen Resonanzmusters gezeigt, die während des VSR auftritt, wobei die große Spitze um 47% wuchs, während gleichzeitig eine Verschiebung nach links um 28 U/min erfolgte, was eine Änderung von weniger als 0,75% ist. Gemäß dem vorliegenden Beispiel verfügte die Ausrüstung, die zum Ausführen dieses Spannungsabbaus verwendet wurde, über eine Drehzahlregelung der Schwingungseinrichtung 170 von +/–0,02% und über eine Feinabstimmung in Drehzahlinkrementen von 1 U/min, wodurch ermöglicht wurde, sogar eine geringfügige Verschiebung der Spitzen bis ihrer endgültigen stabilen Position genau nachzuverfolgen.
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Eine andere Möglichkeit zum Verringern der Rissbildungstendenz einer Beschichtung, welche mit Restspannungen nach dem Aufrauen verbunden ist, sind Mittel zur Temperaturerhöhung, wie beispielsweise eine Induktionsheizung, Plasmakanonen, Kanonen zum thermischen Sprühen und andere Mittel (die gemeinsam hierin als thermischer Spannungsabbau bezeichnet werden). Signifikanterweise ist es wichtig, eine Oberflächenoxidation der Zylinderbohrung 160 während einer beliebigen solchen Aufheizung zu vermeiden. Gemäß einer Form kann der Motorblock 100 in einer abgeschlossenen, kontrollierten Umgebung (nicht gezeigt) angeordnet werden, um sicherzustellen, dass ein reaktionsträges Gas verwendet werden kann, um die Oberfläche der Bohrung 160 während oder nach einer solchen Aufheizung gegenüber einer Oxidation zu schützen. Diese Aufheizungsprozesse werden über eine kurze Zeitdauer ausgeführt. Beispielsweise werden bei einer Induktionsheizung die Induktionsheizeinrichtungen in jeder der Zylinderbohrungen 160 angeordnet. Die Heizung wird nur für Sekunden oder Minuten eingeschaltet, um die Bohrungen aufzuheizen und die Restspannungen abzubauen. Die Aluminiumbohrungen können eine Temperatur zwischen 300°–500°C für eine kurze Zeitdauer (Sekunden oder Minuten) erreichen und anschließend langsam abkühlen. Wie vorstehend erwähnt wurde, kann die Verwendung eines reaktionsträgen Gases dazu beitragen, die Oberfläche der Bohrung 160 gegenüber Oxidation zu schützen. Die Behandlungsansätze mit Plasmakanonen und Kanonen zum thermischen Sprühen wurden zuvor in der US-Patentanmeldung mit der Nummer 14/535,404 beschrieben, die den Titel trägt SURFACE ACTIVATION BY PLASMA JETS FOR THERMAL SPRAY COATING ON CYLINDER BORES, die dem gleichen Rechtsinhaber gehört wie die vorliegende Erfindung und deren Offenbarung hierdurch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingebunden ist. Insbesondere können die Details, welche die Anpassung der Beschichtungsparameter beim thermischen Sprühen betreffen und dieser Anmeldung zugeordnet sind, dazu beitragen, die inneren Spannungen abzubauen; Beispiele umfassen eine Verlangsamung der Vorschubgeschwindigkeit beim Sprühen und auch das Ermöglichen mehrerer Durchläufe mit einer dünneren Beschichtung bei jedem Durchlauf.
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Ein noch weiterer Ansatz zum Spannungsabbau, der aufgrund des mechanischen Aufrauens der Zylinderbohrungen 160 erforderlich sein kann, umfasst die Verwendung des kryogenen Spannungsabbaus. Bei diesem Ansatz können Motorblöcke aus gegossenem Aluminium (wie beispielsweise der Block 100, der in 1 gezeigt ist), die durch geeignete Gussverfahren erzeugt werden (wie beispielsweise durch Sandguss, Hochdruckformguss oder dergleichen) extrem geringen Temperaturen ausgesetzt werden (beispielsweise in dem Bereich zwischen ungefähr –190°F (–123°C) und –310°F (–190°C)), wie beispielsweise durch die Verwendung eines Bades mit flüssigem Stickstoff. In einer kurzen Zeitdauer (ungefähr 30 Sekunden oder weniger), erreicht der Block 100 die gewünschte kryogene Temperatur, wonach er aus dem Bad entfernt wird und wonach anschließend ermöglicht wird, dass er zurück auf Raumtemperatur aufgewärmt wird, um eine kryogene Temperung zu bewirken. Normalerweise wird ermöglicht, dass ein solcher Block 100 in ruhiger Luft bis auf Raumtemperatur aufgeheizt wird, um keinen thermischen Schock zu erleiden; wenn die Zeit jedoch eine Beschränkung darstellt, kann ein beschleunigtes Heizprotokoll angewendet werden, das in Verbindung mit experimentellen Versuchen zum Ermitteln verwendet werden kann, dass der Komponente kein Schaden zugefügt wird. Während dieses Temperungsprozesses treten viele Änderungen in der Aluminiummikrostruktur auf. Einer der wichtigsten Vorteile ist eine Verringerung der Restspannungen, die den Gießprozessen und/oder maschinellen Nachbearbeitungsprozessen inhärent sind. Abgesehen von der Verringerung der Tendenz zur Rissbildung können zusätzliche Vorteile eine verlängerte Ermüdungslebensdauer, verbesserte thermische Eigenschaften, geringere Kriechspannungen und eine bessere Kontrolle der Abmessungen umfassen.
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Obgleich ein kryogener Spannungsabbau bei eisenbasierten Motorblocklegierungen verwendet wurde, ist den vorliegenden Erfindern keine Verwendung einer ähnlichen Behandlung bei aluminiumbasierten Blöcken, wie beispielsweise dem Block 100, bekannt. Während eisenbasierte Blöcke bei Temperaturen in der Nähe von 800°F (427°C) mit einer geringen Beschädigung an der Struktur einem Spannungsabbau unterzogen werden können, würde ein ähnlicher Block, der aus Aluminium hergestellt ist, signifikanterweise bei diesen Temperatur eine erhebliche Verzerrung erfahren, da sich diese Temperaturen in der Nähe der Schmelztemperatur von Aluminium bei ungefähr 1000°F (538°C) befinden. Tatsächlich ist ein kryogener Spannungsabbau sogar bei Eisenblöcken selten, da die Komplexitäten der kalten Temperung nicht gut verstanden sind. In dem Maß, in dem der Prozess verstanden ist, wird die Temperung, bei welcher ein Aluminiummotorblock solch extrem niedrigen Temperaturen ausgesetzt wird, ferner oft aus Angst vermieden, die Oberfläche der Zylinderbohrung oder den Motorblock zu beschädigen. Dies gilt insbesondere für Motorkonfigurationen, bei denen Eisenlaufbüchsen als Einsätze in den Bohrungen für die Abnutzungsbeständigkeit gebildet werden. Die Anordnung eines derart ausgebildeten Blocks in einer kryogenen Umgebung wäre aufgrund der Differenzen in der thermischen Ausdehnung zwischen der Bohrung und der Laufbüchse problematisch. Bei diesen Temperaturen schrumpft Aluminium mit der doppelten Rate von Eisen, was bedeutet, dass der viel größere Block Spannungen um die Laufbüchse herum erzeugen würde; dies könnte wiederum dazu führen, dass die Laufbüchse herausspringt oder verformt wird. Die vorliegenden Erfinder haben ermittelt, dass durch die Anwendung des Spannungsabbaus mit kryogener Temperung auf die Wände eines Aluminiumlegierungs-Motorblocks 100 ohne Laufbüchsen keine Probleme mit thermischer Fehlanpassung auftreten, die zu behandeln sind. Sobald der Block 100 dem vorstehend erläuterten Abbau von Gussspannungen und Spannungen aufgrund maschineller Bearbeitung ausgesetzt wurde, kann somit eine Schicht mittels thermischem Sprühen auf die Bohrung 160 oder andere Substrate, die eine solche Behandlung erfordern, aufgetragen werden.
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Im vorliegenden Zusammenhang ist der Begriff ”Bohrung” und seine Varianten derart zu verstehen, dass er sowohl die Wand des Motorblocks, die durch die Zylinderbohrung definiert ist, als auch die Wand einer Hülse, einer Laufbüchse oder eines verwandten Einsatzes umfasst, der darin angeordnet ist, um als ein Zwischenmedium zwischen der Motorwand und einem Hubkolben zu wirken. Somit wird angenommen, dass beide Varianten innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
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Es wird angemerkt, dass Begriffe wie ”vorzugsweise”, ”im Wesentlichen” und ”typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Umfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, essentiell oder sogar wichtig für die Struktur oder die Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Stattdessen sind diese Begriffe nur dazu gedacht, alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die bei einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder auch nicht.
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Zu Zwecken der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung wird angemerkt, dass Begriffe wie etwa ”im Wesentlichen” und ”ungefähr” sowie deren Varianten hierin verwendet werden, um den inhärenten Grad an Ungenauigkeit zu repräsentieren, der einem beliebigen quantitativen Vergleich, einem beliebigen Wert, einem beliebigen Messwert oder einer anderen Darstellung zugeschrieben werden kann. Der Begriff ”im Wesentlichen” wird hierin auch verwendet, um den Grad zu repräsentieren, um den eine quantitative Darstellung von der angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der Basisfunktion des vorliegenden Gegenstands führt.
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Nachdem die Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, wird dennoch offensichtlich werden, dass Modifikationen und Abweichungen möglich sind, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Insbesondere wird in Erwägung gezogen, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise auf die angegebenen bevorzugten Aspekte und die bespielhaften Ausführungsformen beschränkt ist, sondern durch die beigefügten Ansprüche festgelegt sein sollte.
