DE102016223772A1 - Method for machining a cylinder wall and cylinder crankcase with machined cylinder wall - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Zylinderwand (11) einer sich in einer Längsrichtung erstreckenden Zylinderbohrung (10) eines Verbrennungsmotors. Das Verfahren umfasst die Aktivierung der Zylinderwand (11) durch Einbringen einer Verankerungsstruktur (20), und das Aufbringen einer als Lauffläche dienenden Beschichtung (30) auf die aktivierte Zylinderwand (11), wobei die Beschichtung in die Verankerungsstruktur (20) eingreift. Die Beschichtung wird derart aufgebracht, dass eine Dicke (D) der Beschichtung in der Längsrichtung (L) gemäß der Verankerungsstruktur (20) und zusätzlich gemäß einem die Verankerungsstruktur überlagernden Dickenprofil (D1) variiert. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein gemäß diesem Verfahren hergestelltes Zylinderkurbelgehäuse.The present invention relates to a method for machining a cylinder wall (11) of a longitudinally extending cylinder bore (10) of an internal combustion engine. The method comprises activating the cylinder wall (11) by inserting an anchoring structure (20), and applying a coating (30) serving as a running surface to the activated cylinder wall (11), the coating engaging the anchoring structure (20). The coating is applied in such a way that a thickness (D) of the coating in the longitudinal direction (L) varies according to the anchoring structure (20) and additionally according to a thickness profile (D1) superimposed on the anchoring structure. The present invention further relates to a cylinder crankcase manufactured according to this method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Zylinderwand einer sich in einer Längsrichtung erstreckenden Zylinderbohrung eines Verbrennungsmotors, bei dem die Zylinderwand zunächst aktiviert wird und anschließend eine als Lauffläche dienende Beschichtung auf die aktivierte Zylinderwand aufgebracht wird. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bearbeiten einer Zylinderwand, wobei eine Verankerungsstruktur in die Zylinderwand eingebracht wird, in die die Beschichtung eingreifen kann und dadurch besonders gut an der Zylinderwand haftet. Die Erfindung betrifft ferner ein gemäß einem solchen Verfahren hergestelltes Zylinderkurbelgehäuse.The invention relates to a method for processing a cylinder wall of a cylinder bore extending in a longitudinal direction of an internal combustion engine, in which the cylinder wall is first activated and then a serving as a running surface coating is applied to the activated cylinder wall. In particular, the invention relates to a method for processing a cylinder wall, wherein an anchoring structure is introduced into the cylinder wall, in which the coating can engage and thereby adheres particularly well to the cylinder wall. The invention further relates to a cylinder crankcase produced according to such a method.
Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen werden aus Gewichtsgründen regelmäßig mit einem Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet. Problematisch daran ist jedoch, dass die Innenwände der von dem Zylinderkurbelgehäuse ausgebildeten Zylinder wegen der tribologischen Eigenschaften des Leichtmetalls, insbesondere der vergleichsweise schlechten Verschleißfestigkeit, nur unzureichend als Laufflächen für die Kolben geeignet sind.Internal combustion engines in motor vehicles are formed for weight reasons regularly with a cylinder crankcase made of light metal, in particular aluminum. The problem with this, however, is that the inner walls of the cylinders formed by the cylinder block due to the tribological properties of the light metal, in particular the relatively poor wear resistance, are insufficiently suitable as running surfaces for the pistons.
Aus diesem Grund werden in einigen Verbrennungsmotoren mit einem Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall Laufbuchsen, bspw. aus Grauguss, eingesetzt, wodurch die Vorteile des Leichtmetalls (geringes Gewicht) mit denjenigen des Graugusses (gute tribologische Eigenschaften) kombiniert werden können.For this reason, in some internal combustion engines with a cylinder crankcase made of light metal liners, eg. From gray cast iron, used, whereby the advantages of the light metal (light weight) with those of the gray cast iron (good tribological properties) can be combined.
Alternativ dazu ist es bekannt, die Zylinderwände der Zylinderbohrungen mit einer Beschichtung zu versehen, um die gewünschten tribologischen Eigenschaften für die Laufflächen zu realisieren. Die Beschichtung wird dabei regelmäßig durch Aufschmelzen eines Beschichtungswerkstoffes und Aufspritzen auf eine ggf. vorbehandelte Zylinderwand realisiert.Alternatively, it is known to provide the cylinder walls of the cylinder bores with a coating in order to realize the desired tribological properties for the treads. The coating is thereby realized regularly by melting a coating material and spraying onto a possibly pretreated cylinder wall.
Von besonderer Bedeutung bei der Beschichtung von Zylinderwänden ist die Realisierung einer guten Haftung der Beschichtung auf dem Grundwerkstoff, d.h. auf der Zylinderwand. Hierzu ist es bekannt, die Zylinderwand des Zylinderkurbelgehäuses vor dem Beschichten zu aktivieren, um die Kontaktfläche zwischen den Schichten zu erhöhen. Die Aktivierung kann zum Beispiel durch Aufrauhung der Zylinderwand, bspw. durch das Einbringen von Nuten oder anderen Vertiefungen, erfolgen. Die durch die Aktivierung in die Zylinderwand eingebrachten Vertiefungen zur Verbesserung der Haftung der Beschichtung werden hierin als Verankerungsstruktur bezeichnet.Of particular importance in the coating of cylinder walls is the realization of good adhesion of the coating to the base material, i. on the cylinder wall. For this purpose, it is known to activate the cylinder wall of the cylinder crankcase prior to coating in order to increase the contact area between the layers. The activation can be done, for example, by roughening the cylinder wall, for example by introducing grooves or other depressions. The depressions introduced by the activation into the cylinder wall for improving the adhesion of the coating are referred to herein as the anchoring structure.
Der aufgeschmolzene Beschichtungswerkstoff kann in die Vertiefungen der Verankerungsstruktur eingreifen und sich dadurch fest an der Zylinderwand verankern.The molten coating material can engage in the recesses of the anchoring structure and thereby firmly anchored to the cylinder wall.
Es sind verschiedene Methoden zum Einbringen einer Verankerungsstruktur in eine Zylinderwand bekannt.Various methods for introducing an anchoring structure into a cylinder wall are known.
So ist beispielsweise aus der Druckschrift
Alternative Verfahren zur Aktivierung von Zylinderwänden für eine nachfolgende Beschichtung sind das chemische sowie das elektrische Aufrauen, das Bürsten sowie das Haftgrundspritzen.Alternative methods of activating cylinder walls for a subsequent coating include chemical and electrical roughening, brushing and priming.
Die Beschichtung sollte dabei zum einen eine gute Verschleißfestigkeit und Langlebigkeit bieten und zum anderen ein geeignetes tribologisches Systems in Zusammenwirkung mit dem Kolben bereitstellen.The coating should on the one hand provide good wear resistance and durability and on the other hand provide a suitable tribological system in cooperation with the piston.
In Anbetracht dieser Schwierigkeit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine beschichtete Zylinderwand für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, die sowohl im Hinblick auf ihre Verschleißfestigkeit als auch im Hinblick auf die bereitgestellten Reibungseigenschaften besonders gute Ergebnisse erzielt.In view of this difficulty, the invention has for its object to provide a coated cylinder wall for an internal combustion engine and a method for their production, which achieves particularly good results both in terms of their wear resistance and in view of the provided friction properties.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen sowie durch ein Zylinderkurbelgehäuse mit dem Merkmal gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved by a method of o.g. Art solved with the features characterized in claim 1 and by a cylinder crankcase with the feature according to claim 13. Advantageous embodiments of the invention are described in the dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass die als Lauffläche dienende Beschichtung in einem vorgegebenen variierenden Dickenprofil auf der Zylinderwand aufgebracht wird. Dabei variiert die Dicke der Beschichtung gemäß der Verankerungsstruktur und zusätzlich in der Längsrichtung gemäß dem die Verankerungsstruktur überlagernden Dickenprofil.In the method according to the invention, it is provided that the coating serving as a running surface is applied in a predetermined varying thickness profile on the cylinder wall. In this case, the thickness of the coating varies according to the anchoring structure and additionally in the longitudinal direction according to the thickness profile superimposed on the anchoring structure.
Da die Beschichtung auf die Verankerungsstruktur aufgebracht wird und in die Verankerungsstruktur eingreift, variiert die Dicke der Beschichtung (jedenfalls nach Glättung der Beschichtungsoberfläche, bspw. durch Honen) gemäß dem Profil der Verankerungsstruktur. Mit anderen Worten greift die Beschichtung in die Vertiefungen der Verankerungsstruktur ein und verankert sich so an der Zylinderwand, so dass die Dicke der Beschichtung auf einer ersten (kleineren) Längenskala gemäß der Verankerungsstruktur variiert. Since the coating is applied to the anchoring structure and engages the anchoring structure, the thickness of the coating (at least after smoothing of the coating surface, for example by honing) varies according to the profile of the anchoring structure. In other words, the coating engages the recesses of the anchoring structure and thus anchors to the cylinder wall so that the thickness of the coating varies on a first (smaller) length scale according to the anchoring structure.
Erfindungsgemäß variiert die Dicke der Beschichtung jedoch zusätzlich gemäß einem Dickenprofil, das zumindest abschnittsweise in Längsrichtung der Zylinderbohrung variiert und das die Verankerungsstruktur überlagert. Mit anderen Worten stellt die Verankerungsstruktur ein „Mikroprofil“ dar, dem die Dicke der Beschichtung lokal folgt, und das Dickenprofil stellt ein „Makroprofil“ dar, dem die Dicke der Beschichtung auf einer zweiten (größeren) Längenskala folgt. Dabei variiert das Dickenprofil der Beschichtung vorzugsweise in der Längsrichtung der Zylinderbohrung, aber ist vorzugsweise in der Umfangsrichtung der Zylinderbohrung in senkrecht zur Längsrichtung verlaufenden Schnittebenen jeweils konstant. Bspw. ist die Verankerungsstruktur als eine Vielzahl von Verankerungselementen wie etwa Mikrovertiefungen oder Eingriffsnuten in der Zylinderwand ausgebildet. Die Variationen des Dickenprofils haben eine größere Abmessung als diese Verankerungselemente der Verankerungsstruktur und können jeweils mehrere Verankerungselemente übergreifen bzw. sich jeweils über mehrere Verankerungselemente erstrecken. Bspw. nimmt das Dickenprofil der Beschichtung in Längsrichtung der Zylinderbohrung zumindest abschnittsweise allmählich zu und/oder allmählich ab, und zwar über eine Abmessung, die sich über mehrere Verankerungselemente der Verankerungsstruktur erstreckt. Alternativ oder zusätzlich weist das Dickenprofil lokal einen oder mehrere Abschnitte größerer Beschichtungsdicke auf, die sich in Längsrichtung jeweils über mehrere Verankerungselemente hinweg erstrecken. In dem Abschnitt größerer Beschichtungsdicke des Dickenprofils kann die Dicke der Beschichtung im Mittel um mehr als 30%, vorzugsweise um mehr als 50%, insbesondere um mehr als 100% dicker sein als in anderen Abschnitten des Dickenprofils.According to the invention, however, the thickness of the coating additionally varies according to a thickness profile which varies at least in sections in the longitudinal direction of the cylinder bore and which superimposes the anchoring structure. In other words, the anchoring structure represents a "micro-profile" followed locally by the thickness of the coating, and the thickness profile represents a "macro-profile" followed by the thickness of the coating on a second (larger) length scale. In this case, the thickness profile of the coating preferably varies in the longitudinal direction of the cylinder bore, but is preferably constant in the circumferential direction of the cylinder bore in cutting planes running perpendicular to the longitudinal direction. For example. For example, the anchoring structure is formed as a plurality of anchoring elements such as micro-recesses or engagement grooves in the cylinder wall. The variations of the thickness profile have a larger dimension than these anchoring elements of the anchoring structure and can each overlap a plurality of anchoring elements or each extend over a plurality of anchoring elements. For example. At least in sections, the thickness profile of the coating in the longitudinal direction of the cylinder bore increases gradually and / or gradually, over a dimension that extends over a plurality of anchoring elements of the anchoring structure. Alternatively or additionally, the thickness profile locally has one or more sections of greater coating thickness, which extend in the longitudinal direction in each case over a plurality of anchoring elements. In the section of greater coating thickness of the thickness profile, the thickness of the coating may on average be more than 30%, preferably more than 50%, in particular more than 100% thicker than in other sections of the thickness profile.
Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass eine Beschichtung der Zylinderwand die Wirkung eines thermischen Isolators haben kann, durch den bei Betrieb des Verbrennungsmotors ein Wärmeabtransport in Richtung auf einen Hauptkörper des Zylinderkurbelgehäuses verlangsamt werden kann. Eine lokal dickere Beschichtung kann deshalb zu einem lokal variierenden Temperaturprofil bei Betrieb des Verbrennungsmotors führen. Die Lauffläche der Zylinderbohrung in einem dicken Beschichtungsabschnitt ist deshalb bei Betrieb des Verbrennungsmotors wärmer als die Lauffläche der Zylinderbohrung in einem dünneren Beschichtungsabschnitt. Ein dem Dickenprofil folgendes Temperaturprofil der Lauffläche in Längsrichtung der Zylinderbohrung bedingt aufgrund der damit verbundenen unterschiedlichen Öltemperaturen ein entsprechendes Reibungsprofil zwischen der Lauffläche und dem Kolben. Mit anderen Worten „gleitet“ der Kolben in einem dickeren Beschichtungsabschnitt aufgrund der höheren lokalen Öltemperatur besser als in einem dünneren Beschichtungsabschnitt.The invention is based on the recognition that a coating of the cylinder wall can have the effect of a thermal insulator, by means of which, during operation of the internal combustion engine, heat dissipation in the direction of a main body of the cylinder crankcase can be slowed down. A locally thicker coating can therefore lead to a locally varying temperature profile during operation of the internal combustion engine. Therefore, the running area of the cylinder bore in a thick coating portion is warmer than the running area of the cylinder bore in a thinner coating portion during operation of the internal combustion engine. A following the thickness profile of the tread profile of the tread in the longitudinal direction of the cylinder bore due to the associated different oil temperatures a corresponding friction profile between the tread and the piston. In other words, the piston in a thicker coating section "slides" better than in a thinner coating section due to the higher local oil temperature.
Durch das erfindungsgemäß bereitgestellte Dickenprofil der Beschichtung kann deshalb lokal Einfluss auf die Gleiteigenschaften des tribologischen Systems aus Kolben und Lauffläche genommen werden. Ist in einem bestimmten Bereich der Zylinderbohrung mehr oder weniger Wärmeübergang durch die Beschichtung in das Zylinderkurbelgehäuse sinnvoll, kann erfindungsgemäß das Dickenprofil der Beschichtung entsprechend lokal verkleinert oder vergrößert werden.Due to the thickness profile of the coating provided according to the invention, therefore, local influence on the sliding properties of the tribological system of piston and running surface can be taken. If, in a certain area of the cylinder bore, more or less heat transfer through the coating into the cylinder crankcase makes sense, the thickness profile of the coating can be locally reduced or enlarged in accordance with the invention.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist das Dickenprofil in Längsrichtung der Zylinderbohrung zumindest abschnittsweise (bspw. über einen Abschnitt von 5 mm oder mehr und 5 cm oder weniger in Längsrichtung) allmählich zunehmend ausgebildet, um die Gleitfähigkeit in Tiefenrichtung der Zylinderbohrung hin zum unteren Umkehrpunkt des Kolbens zumindest abschnittsweise zu erhöhen. Alternativ oder zusätzlich ist das Dickenprofil in Längsrichtung der Zylinderbohrung zumindest abschnittsweise (bspw. über einen Abschnitt von 5 mm oder mehr und 5 cm oder weniger in Längsrichtung) allmählich abnehmend ausgebildet, um die Gleitfähigkeit entgegen der Tiefenrichtung der Zylinderbohrung hin zum oberen Umkehrpunkt zumindest abschnittsweise zu erhöhen.According to a first embodiment, the thickness profile in the longitudinal direction of the cylinder bore is gradually increased at least in sections (for example over a section of 5 mm or more and 5 cm or less in the longitudinal direction) in order to at least increase the slidability in the depth direction of the cylinder bore towards the lower point of reversal of the piston to increase in sections. Alternatively or additionally, the thickness profile in the longitudinal direction of the cylinder bore is formed gradually decreasing at least in sections (for example over a section of 5 mm or more and 5 cm or less in the longitudinal direction) in order to at least partially increase the sliding against the depth direction of the cylinder bore towards the upper reversal point increase.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung weist das Dickenprofil zumindest eine lokale Verbreiterung auf. Im Bereich der lokalen Verbreiterung kann die Dicke der Beschichtung im Mittel um 30% oder mehr, vorzugsweise um 50% oder mehr, besonders bevorzugt um 100% oder mehr größer sein als in einem daran angrenzenden Bereich der Beschichtung.In some embodiments of the invention, the thickness profile has at least one local broadening. In the area of local broadening, the thickness of the coating may on average be 30% or more, preferably 50% or more, more preferably 100% or more, greater than in an adjacent area of the coating.
Vorzugsweise vergrößert sich die mittlere Dicke der Beschichtung im Bereich der zumindest einen lokalen Verbreiterung gegenüber einem daran angrenzenden Abschnitt der Beschichtung um 80 µm oder mehr und/oder 800 µm oder weniger, insbesondere um 150 µm oder mehr und/oder 400 µm oder weniger.The average thickness of the coating in the area of the at least one local broadening relative to an adjoining section of the coating preferably increases by 80 μm or more and / or 800 μm or less, in particular by 150 μm or more and / or 400 μm or less.
Die lokale Verbreiterung kann sich in der Längsrichtung der Zylinderbohrung über 3 mm oder mehr und/oder 80 mm oder weniger erstrecken, vorzugsweise über 8 mm und mehr und/oder 50 mm oder weniger, insbesondere über 15 mm oder mehr und/oder 30 mm oder weniger.The local broadening may extend in the longitudinal direction of the cylinder bore over 3 mm or more and / or 80 mm or less, preferably over 8 mm and more and / or 50 mm or less, in particular over 15 mm or more and / or 30 mm or less.
Zumindest eine lokale Verbreiterung des Dickenprofils kann in einer unteren Hälfte der Zylinderbohrung angeordnet sein, insbesondere in einem unteren Drittel der Zylinderbohrung, wobei sich die Verbreiterung in Längsrichtung über 15 mm oder mehr erstrecken kann. Hierdurch kann lokal Einfluss auf die Gleitfähigkeit des Kolbens in einem unteren Bereich der Zylinderbohrung, bspw. an einem unteren Umkehrpunkt, genommen werden. Mit anderen Worten kann die Gleitfähigkeit in einem unteren Bereich der Zylinderbohrung relativ zu der Gleitfähigkeit in einem anderen Bereich der Zylinderbohrung verändert werden. Bspw. kann es sinnvoll sein, eine hohe Gleitfähigkeit in einem Bereich der Zylinderbohrung bereitzustellen, in dem sich der Kolben mit einer langsameren Geschwindigkeit bewegt.At least one local broadening of the thickness profile can be arranged in a lower half of the cylinder bore, in particular in a lower third of the cylinder bore, wherein the widening in the longitudinal direction can extend over 15 mm or more. In this way, local influence on the slidability of the piston in a lower region of the cylinder bore, for example at a lower reversal point, can be taken. In other words, the slidability in a lower portion of the cylinder bore can be changed relative to the slidability in another portion of the cylinder bore. For example. For example, it may be useful to provide high lubricity in a region of the cylinder bore where the piston moves at a slower rate.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Dickenprofil gemäß einem in der Längsrichtung der Zylinderbohrung zu erhaltenden Reibungsprofil zwischen der Lauffläche und einem Kolben ausgebildet.In a particularly preferred embodiment of the invention, the thickness profile is formed according to a friction profile to be obtained in the longitudinal direction of the cylinder bore between the running surface and a piston.
Beispielsweise weist das Dickenprofil der Beschichtung eine lokale Verbreiterung mit einer erhöhten mittleren Beschichtungsdicke auf, um die Reibungskraft zwischen der Lauffläche der Zylinderbohrung und dem Kolben im Bereich der lokalen Verbreiterung lokal anzupassen, insbesondere zu verringern bzw. die Gleitfähigkeit zu erhöhen.For example, the thickness profile of the coating has a local broadening with an increased average coating thickness in order to locally adapt the friction force between the running surface of the cylinder bore and the piston in the area of the local broadening, in particular to reduce or increase the lubricity.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird erfindungsgemäß zusätzlich zu der Verankerungsstruktur ein sich in Längsrichtung erstreckendes Tiefenprofil in die Zylinderwand eingebracht. Das Tiefenprofil kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung vor der Aktivierung der Zylinderwand in die Zylinderwand eingebracht werden. Alternativ kann das Tiefenprofil gleichzeitig mit der Aktivierung der Zylinderwand in die Zylinderwand eingebracht werden.According to a preferred embodiment of the invention, a longitudinally extending depth profile is introduced into the cylinder wall in addition to the anchoring structure according to the invention. The depth profile may, in some embodiments of the invention, be introduced into the cylinder wall prior to activation of the cylinder wall. Alternatively, the depth profile can be introduced simultaneously with the activation of the cylinder wall in the cylinder wall.
Wie bereits oben erläutert, kann die Verankerungsstruktur durch Verankerungselemente in der Zylinderwand wie etwa Vertiefungen und/oder Eingriffsnuten ausgebildet sein und ein „Mikroprofil“ ausbilden.As already explained above, the anchoring structure can be formed by anchoring elements in the cylinder wall, such as depressions and / or engagement grooves, and form a "microprofile".
Das Tiefenprofil kann als ein sich in der Längsrichtung allmählich und/oder stufenförmig verändernder Durchmesser der Zylinderbohrung ausgebildet sein und ein „Makroprofil“ ausbilden, das die Verankerungsstruktur überlagert. Bspw. ist der Durchmesser der Zylinderwand in einem Verbreiterungsabschnitt vergrößert ausgebildet, wobei sich der Verbreiterungsabschnitt in der Längsrichtung über 3 mm oder mehr und/oder über 80 mm oder weniger erstrecken kann.The depth profile may be formed as a diameter of the cylinder bore which varies gradually and / or stepwise in the longitudinal direction and form a "macroprofile" which superimposes the anchoring structure. For example. For example, the diameter of the cylinder wall is made larger in a broadening portion, and the broadening portion may extend in the longitudinal direction over 3 mm or more and / or over 80 mm or less.
Der Durchmesser der Zylinderwand kann in dem Verbreiterungsabschnitt bspw. um 100 µm oder mehr, vorzugsweise um 160 µm oder mehr, insbesondere um 200 µm oder mehr, besonders bevorzugt um 500 µm oder mehr zunehmen.The diameter of the cylinder wall may, for example, increase by 100 μm or more, preferably by 160 μm or more, in particular by 200 μm or more, particularly preferably by 500 μm or more, in the widening section.
Vorzugsweise entspricht das in die Zylinderwand eingebrachte Tiefenprofil im Wesentlichen dem Dickenprofil der Beschichtung. Mit anderen Worten ist die Beschichtung in Abschnitten mit vergrößertem Durchmesser der Zylinderwand besonders dick, während die Beschichtung in Abschnitten mit kleinerem Durchmesser der Zylinderwand entsprechend dünner ist.The depth profile introduced into the cylinder wall preferably corresponds essentially to the thickness profile of the coating. In other words, the coating is particularly thick in sections of increased diameter of the cylinder wall, while the coating is correspondingly thinner in sections of smaller diameter of the cylinder wall.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht das Dickenprofil der Beschichtung dem Tiefenprofil der Zylinderwand, so dass sich (trotz lokal veränderlicher mittlerer Beschichtungsdicke) ein im Wesentlichen konstanter Durchmesser der beschichteten Zylinderbohrung über das Dickenprofil hinweg ergeben kann. Vorzugsweise weist die beschichtete Zylinderbohrung bzw. die Lauffläche über mehr als 50% ihrer Länge, vorzugsweise über mehr als 80% ihrer Länge, insbesondere über 95% oder mehr ihrer Länge einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser auf. In einigen Ausführungsformen beträgt die Länge der Zylinderbohrung in der Längsrichtung etwa 140 mm.In a particularly preferred embodiment of the invention, the thickness profile of the coating corresponds to the depth profile of the cylinder wall, so that (despite locally variable average coating thickness), a substantially constant diameter of the coated cylinder bore over the thickness profile can result. The coated cylinder bore or the running surface preferably has a substantially constant diameter over more than 50% of its length, preferably over more than 80% of its length, in particular over 95% or more of its length. In some embodiments, the length of the cylinder bore in the longitudinal direction is about 140 mm.
Das Tiefenprofil kann durch Bestrahlen der Zylinderwand mit einem Medium unter Hochdruck in die Zylinderwand eingebracht werden. Bspw. wird das Tiefenprofil durch Hochdruckwasserstrahlen in die Zylinderwand eingebracht.The depth profile can be introduced by irradiating the cylinder wall with a medium under high pressure in the cylinder wall. For example. The depth profile is introduced by high-pressure water jets in the cylinder wall.
Um ein Tiefenprofil mit einem in Längsrichtung variierendem Durchmesser der Zylinderwand zu erzeugen, kann beim Bestrahlen zumindest ein Bestrahlungsparameter gemäß dem Verlauf des Tiefenprofils variiert werden. Bspw. wird die Zylinderwand in einem Abschnitt des Tiefenprofils mit hoher Tiefe länger oder intensiver bestrahlt. Bspw. wird ein Bestrahlungswerkzeug mit variierender Geschwindigkeit durch die Zylinderbohrung bewegt, um die Tiefe der Zylinderwand bzw. den Durchmesser der zu beschichtenden Zylinderbohrung lokal unterschiedlich zu gestalten. In einigen Ausführungsformen werden ein Bestrahlungsdruck, eine Bestrahlungsintensität, eine Bestrahlungsdauer und/oder eine Bestrahlungsintensität gemäß dem zu erreichenden Verlauf des Tiefenprofils variiert.In order to produce a depth profile with a diameter of the cylinder wall varying in the longitudinal direction, at least one irradiation parameter can be varied according to the course of the depth profile during irradiation. For example. The cylindrical wall is irradiated in a section of the depth profile with high depth longer or more intense. For example. an irradiation tool is moved through the cylinder bore at a varying speed in order to make the depth of the cylinder wall or the diameter of the cylinder bore to be coated locally different. In some embodiments, an irradiation pressure, an irradiation intensity, an irradiation duration, and / or an irradiation intensity are varied according to the profile of the depth profile to be achieved.
Durch Bestrahlung der Zylinderwand mit einem Medium unter Hochdruck kann die Zylinderwand gleichzeitig auch aktiviert werden. Insbesondere kann die Bestrahlung dazu dienen, Mikrovertiefungen in die Zylinderwand einzubringen, in der sich die darauf aufzubringende Beschichtung gut verankern kann. Durch die Bestrahlung unter Hochdruck kann durch die Vielzahl an eingebrachten Mikrovertiefungen die Oberfläche der Zylinderwand erhöht werden, und gleichzeitig kann durch eine gesteigerte Dichte der Verzahnungseingriff zwischen der Zylinderwand und der Beschichtung realisiert werden. Ein weiterer Vorteil kann darin liegen, dass das Bestrahlen der Zylinderwand ein Reinigen, das bei konventionellem mechanischem Aufrauen regelmäßig erforderlich ist, überflüssig machen kann.By irradiating the cylinder wall with a medium under high pressure, the cylinder wall can also be activated at the same time. In particular, the irradiation can serve Insert micro-grooves in the cylinder wall, in which the coating applied to it can anchor well. Due to the high-pressure irradiation, the multiplicity of micro-recesses introduced can increase the surface area of the cylinder wall, and at the same time, by means of an increased density, the meshing engagement between the cylinder wall and the coating can be realized. A further advantage may be that the irradiation of the cylinder wall may render unnecessary the cleaning which is regularly required in conventional mechanical roughening.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird durch das Hochdruckbestrahlen der Zylinderwand gleichzeitig eine zahlreiche Mikrovertiefungen aufweisende Verankerungsstruktur und eine „makroskopische“ Tiefenstruktur in die Zylinderwand eingebracht, wobei sich Tiefenstruktur durch einen in Längsrichtung der Zylinderbohrung variierenden Durchmesser der Zylinderwand (vor deren Beschichtung) auszeichnet.According to one embodiment of the invention, high-pressure irradiation of the cylinder wall simultaneously introduces an anchoring structure having numerous microwells and a "macroscopic" depth structure, wherein the depth structure is characterized by a diameter of the cylinder wall (before its coating) that varies in the longitudinal direction of the cylinder bore.
Alternativ oder zusätzlich kann das Tiefenprofil durch mechanische Materialabtragung gemäß dem Verlauf des Tiefenprofils in die Zylinderwand eingebracht werden, bspw. durch eine spanabtragende Bearbeitung wie etwa eine Bohrung und/oder Fräsung zum Erhalt eines variierenden Bohrungsdurchmessers. In diesem Fall kann die Zylinderwand mit dem darin eingebrachten Tiefenprofil anschließend durch Einbringung der Verankerungsstruktur aktiviert werden.Alternatively or additionally, the depth profile can be introduced into the cylinder wall by mechanical material removal in accordance with the profile of the depth profile, for example by machining such as a bore and / or milling to obtain a varying bore diameter. In this case, the cylinder wall with the depth profile introduced therein can subsequently be activated by introducing the anchoring structure.
Wie bereits erläutert, kann die Verankerungsstruktur durch Bestrahlen der Zylinderwand mit einem Medium, insbesondere einer Flüssigkeit wie etwa Wasser, unter Hochdruck eingebracht werden, wobei durch die Hochdruckbestrahlung Mikrovertiefungen in die Zylinderwand eingebracht werden können. Das Bestrahlen kann mit einem Druck von 1500 bar oder weniger erfolgen, insbesondere mit einem Druck zwischen 500 bar und 1500 bar.As already explained, the anchoring structure can be introduced by irradiating the cylinder wall with a medium, in particular a liquid such as water, under high pressure, wherein micro-depressions can be introduced into the cylinder wall by the high-pressure irradiation. The irradiation can be carried out with a pressure of 1500 bar or less, in particular with a pressure between 500 bar and 1500 bar.
Alternativ oder zusätzlich kann die Verankerungsstruktur durch Einbringen von umlaufenden Nuten in die Zylinderwand spanend eingebracht werden. Beispielsweise wird zum Einbringen der Nuten ein ringförmiges Sägeblatt verwendet, das an seinem Umfang mit einer Vielzahl von Schneidezähnen versehen ist, wobei das Sägeblatt um seine Längsachse rotierend sowie auf einer Ringbahn bewegt werden kann. Die Ringbahn ist dabei typischerweise nicht kreisförmig; bspw. ist die Ringbahn sternförmig. Die Breite der Schneidezähne kann dabei der vorgesehenen Breite der Nuten entsprechen. Zur Beschleunigung kann eine Vielzahl von parallel angeordneten Sägeblättern verwendet werden, wobei vorzugsweise der Abstand zwischen benachbarten Sägeblättern ein Vielfaches der Breite von zwischen den Nuten ausgebildeten Stegen betragen kann.Alternatively or additionally, the anchoring structure can be introduced by introducing circumferential grooves into the cylinder wall by machining. For example, an annular saw blade is used to introduce the grooves, which is provided at its periphery with a plurality of cutting teeth, wherein the saw blade can be rotated about its longitudinal axis and on a circular path. The circular path is typically not circular; For example, the ring path is star-shaped. The width of the incisors can correspond to the intended width of the grooves. For acceleration, a plurality of saw blades arranged in parallel can be used, wherein preferably the distance between adjacent saw blades can be a multiple of the width of webs formed between the grooves.
Bei einigen Ausführungsformen werden die zwischen den Nuten ausgebildeten Stege umgeformt, um Hinterschnitte auszubilden. Durch die Hinterschnitte kann die Verankerung der Beschichtung in den Nuten verbessert werden. Die Stege werden bspw. mittels Rollierens umgeformt.In some embodiments, the lands formed between the grooves are reshaped to form undercuts. Through the undercuts, the anchoring of the coating in the grooves can be improved. The webs are formed, for example, by means of rolling.
Es kann dabei ein Umformwerkzeug, insbesondere ein Rollierwerkzeug, mit abschnittsweise radial erweiterbarem Durchmesser verwendet werden. Hierdurch können auch solche Stege umgeformt werden, die in einem Abschnitt mit lokal vergrößertem Durchmesser der Zylinderbohrung angeordnet sind.In this case, a forming tool, in particular a roller burnishing tool, can be used, with sections radially expandable diameter. In this way, such webs can be formed, which are arranged in a section with locally enlarged diameter of the cylinder bore.
Es ist auch denkbar, die hierdurch gebildete Nutstruktur anschließend noch unter Hochdruck zu bestrahlen, um Mikrovertiefungen in die Scheitel der Stege und/oder in die Nutböden einzubringen. Die Haftung der Beschichtung an der Zylinderwand kann hierdurch noch weiter verbessert werden.It is also conceivable to irradiate the groove structure formed thereby subsequently under high pressure in order to introduce micro-depressions into the vertexes of the webs and / or into the groove bottoms. The adhesion of the coating to the cylinder wall can thereby be further improved.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Beschichtung mittels eines thermischen Spritzprozesses auf die aktivierte Zylinderwand aufgebracht. Bspw. wird die Beschichtung mittels eines Plasmaspritzprozesses oder mittels Lichtbogendrahtspritzens aufgebracht.According to a preferred embodiment of the invention, the coating is applied to the activated cylinder wall by means of a thermal spraying process. For example. the coating is applied by means of a plasma spraying process or by means of arc wire spraying.
Um eine in der Längsrichtung gemäß dem Dickenprofil variierende Beschichtungsdicke zu erzielen, kann während der Beschichtung zumindest ein Beschichtungsparameter gemäß dem Verlauf des Dickenprofils variiert werden. Bspw. wird das Beschichtungswerkzeug abschnittsweise mit einer langsameren Geschwindigkeit durch die Zylinderbohrung gefahren, um lokal eine größere Beschichtungsdicke zu erzielen. Alternativ oder zusätzlich kann die Beschichtungsstärke und/oder die Beschichtungsintensität zeitweise beim Beschichten erhöht werden, um lokal eine größere Beschichtungsdicke zu erzielen. Gemäß einigen Ausführungsformen werden eine Beschichtungsgeschwindigkeit, eine Beschichtungsdauer und/oder eine Beschichtungsstärke beim Beschichten gemäß dem Verlauf des Dickenprofils variiert.In order to achieve a coating thickness which varies in the longitudinal direction according to the thickness profile, at least one coating parameter can be varied during the coating in accordance with the profile of the thickness profile. For example. The coating tool is driven in sections at a slower speed through the cylinder bore to locally achieve a greater coating thickness. Alternatively or additionally, the coating thickness and / or the coating intensity can be temporarily increased during coating in order to achieve a larger coating thickness locally. According to some embodiments, a coating speed, a coating duration, and / or a coating thickness in coating are varied according to the profile of the thickness profile.
Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die beschichtete Zylinderbohrung anschließend gehont. Vorzugsweise wird ein zylindrisches Honwerkzeug verwendet, so dass eine im Wesentlichen (oder nahezu exakt) zylindrische, beschichtete Zylinderbohrung erzeugt werden kann.According to some embodiments of the invention, the coated cylinder bore is subsequently honed. Preferably, a cylindrical honing tool is used so that a substantially (or nearly exactly) cylindrical, coated cylinder bore can be created.
Das Zylinderkurbelgehäuse bzw. die Zylinderwand sind vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung gebildet.The cylinder crankcase and the cylinder wall are preferably formed of an aluminum alloy.
Die Beschichtung ist vorzugsweise eine Legierung auf Eisenbasis, die im ausgehärteten Zustand einen besonders hohen Verschleißwiderstand bietet. The coating is preferably an iron-based alloy which offers a particularly high resistance to wear in the cured state.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Zylinderkurbelgehäuse mit zumindest einer sich in einer Längsrichtung erstreckenden Zylinderbohrung mit einer Zylinderwand. Eine Verankerungsstruktur ist in die Zylinderwand eingebracht, in die eine auf die Zylinderwand aufgebrachte Beschichtung eingreift, wobei die Beschichtung als Lauffläche dient.In another aspect, the invention relates to a cylinder crankcase having at least one longitudinally extending cylinder bore with a cylinder wall. An anchoring structure is introduced into the cylinder wall into which engages a coating applied to the cylinder wall, wherein the coating serves as a running surface.
Erfindungsgemäß variiert die Dicke der Beschichtung gemäß der Verankerungsstruktur und zusätzlich gemäß einem die Verankerungsstruktur übergreifenden Dickenprofil in der Längsrichtung der Zylinderbohrung.According to the invention, the thickness of the coating varies in accordance with the anchoring structure and additionally according to a thickness profile that overlaps the anchoring structure in the longitudinal direction of the cylinder bore.
Vorzugsweise variiert das Dickenprofil in der Längsrichtung zumindest abschnittsweise, aber ist in Umfangsrichtung bzgl. der Achse der Zylinderbohrung in Schnittebenen senkrecht zur Achse im Wesentlichen konstant.Preferably, the thickness profile in the longitudinal direction varies at least in sections, but is substantially constant in the circumferential direction with respect to the axis of the cylinder bore in sectional planes perpendicular to the axis.
Die Verankerungsstruktur kann durch in die Zylinderwand eingebrachte Verankerungselemente wie etwa Mikrovertiefungen und/oder Nuten gebildet sein, in die die Beschichtung eingreifen und sich dadurch an der Zylinderwand verankern kann.The anchoring structure can be formed by anchoring elements introduced into the cylinder wall, such as microwells and / or grooves, in which the coating can engage and thereby anchor itself to the cylinder wall.
Das Dickenprofil kann durch eine sich zumindest abschnittsweise allmählich oder stufenförmig in Längsrichtung der Zylinderbohrung ändernde mittlere Dicke der Beschichtung gekennzeichnet sind. Bspw. weist das Dickenprofil einen Verbreiterungsabschnitt auf, in dem die mittlere Dicke der Beschichtung um 30% oder mehr, vorzugsweise um 50% oder mehr, insbesondere um 100% oder mehr gegenüber einem angrenzenden Abschnitt der Beschichtung vergrößert ist. Der Verbreiterungsabschnitt kann in Längsrichtung eine Abmessung von 3 mm oder mehr und 80 mm oder weniger haben.The thickness profile can be characterized by a mean thickness of the coating that changes gradually or stepwise in the longitudinal direction of the cylinder bore, at least in sections. For example. For example, the thickness profile has a broadening portion in which the average thickness of the coating is increased by 30% or more, preferably by 50% or more, more preferably by 100% or more, from an adjacent portion of the coating. The broadening portion may have a dimension of 3 mm or more and 80 mm or less in the longitudinal direction.
Der Durchmesser der Zylinderwand kann vor der Beschichtung in Längsrichtung der Zylinderbohrung variierend ausgebildet sein. Mit anderem Worten kann ein sich in Längsrichtung der Zylinderbohrung erstreckendes Tiefenprofil in die Zylinderwand eingebracht sein. Bspw. weist das Tiefenprofil zumindest einen Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser der Zylinderwand auf.The diameter of the cylinder wall may be formed varying prior to coating in the longitudinal direction of the cylinder bore. In other words, a depth profile extending in the longitudinal direction of the cylinder bore can be introduced into the cylinder wall. For example. For example, the depth profile has at least a portion of increased diameter of the cylinder wall.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verläuft das Tiefenprofil der Zylinderwand im Wesentlichen gemäß dem Dickenprofil der Beschichtung. Auf diese Weise kann ermöglicht werden, dass sich ein im Wesentlichen konstanter Durchmesser der beschichteten Zylinderbohrung über das Dickenprofil hinweg ergibt.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the depth profile of the cylinder wall extends substantially in accordance with the thickness profile of the coating. In this way it can be made possible that a substantially constant diameter of the coated cylinder bore results across the thickness profile.
Das Dickenprofil kann eine lokale Verbreiterung mit einer vergrößerten Beschichtungsdicke aufweisen, um die Reibungskraft zwischen der Lauffläche und einem Kolben lokal zu anzupassen, insbesondere zu verringern.The thickness profile may have a local broadening with an increased coating thickness in order to locally adjust the friction force between the tread and a piston, in particular to reduce it.
Das Dickenprofil kann gemäß einem in der Längsrichtung zu erhaltenden Reibungsprofil zwischen der Lauffläche und einem Kolben verlaufen.The thickness profile may extend between the tread and a piston according to a friction profile to be obtained in the longitudinal direction.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
-
1 eine schematische Schnittdarstellung einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Zylinderwand (linke Seite) zusammen mit dem Dickenprofil (rechte Seite), -
2 eine schematische Schnittdarstellung einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Zylinderwand (linke Seite) zusammen mit dem Dickenprofil (rechte Seite), -
3 eine vergrößerte Schnittansicht einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Zylinderwand, -
4A und4B eine Mikroschliffdarstellung einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Zylinderwand vor dem Honen (4A ) und nach dem Honen (4B ), -
5 eine Mikroschliffdarstellung einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Zylinderwand; -
6 eine Mikroschliffdarstellung einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Zylinderwand; und -
7 ein Flussdiagramm, das die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht.
-
1 a schematic sectional view of a processed according to the inventive cylinder wall (left side) together with the thickness profile (right side), -
2 a schematic sectional view of a processed according to the inventive cylinder wall (left side) together with the thickness profile (right side), -
3 an enlarged sectional view of a processed according to the inventive cylinder wall, -
4A and4B a microsection of a processed according to the inventive cylinder wall before honing (4A ) and after honing (4B ) -
5 a microsection of a machined according to the inventive cylinder wall; -
6 a microsection of a machined according to the inventive cylinder wall; and -
7 a flow chart illustrating the steps of the method according to the invention.
Die Zylinderwand
Vor dem Beschichten mit einer Beschichtung
Wenn die Beschichtung
Wie in
In dem dargestellten Beispiel weist das Dickenprofil
Der Verbreiterungsabschnitt
Der Verbreiterungsabschnitt
In
Dabei kann das Tiefenprofil der Zylinderwand
Wenn das Tiefenprofil der Zylinderwand
Das Tiefenprofil kann durch Bestrahlen der Zylinderwand mit einem Medium unter Hochdruck in die Zylinderwand eingebracht werden, wobei ein Bestrahlungsparameter gemäß dem Tiefenprofil variiert werden kann. Gleichzeitig kann die Zylinderwand durch das Einbringen von Mikrovertiefungen durch das Bestrahlungsmedium aktiviert bzw. aufgeraut werden.The depth profile can be introduced by irradiating the cylinder wall with a medium under high pressure in the cylinder wall, wherein an irradiation parameter can be varied according to the depth profile. At the same time, the cylinder wall can be activated or roughened by the introduction of microwells through the irradiation medium.
Die Beschichtung
Nach Fertigstellung der Beschichtung kann die Oberfläche der Beschichtung gehont werden, bspw. um durch die Verankerungsstruktur bedingte Unebenheiten der Beschichtung zu entfernen, einen gewünschten Feinschliff in die Beschichtungsoberfläche einzubringen und/oder vorzugsweise einen zylindrischen Verlauf der beschichteten Zylinderbohrung bereitzustellen.After completion of the coating, the surface of the coating can be honed, for example, to remove unevenness of the coating caused by the anchoring structure, to introduce a desired fine grinding into the coating surface and / or preferably to provide a cylindrical profile of the coated cylinder bore.
Wesentliche Details der beschichteten Zylinderwand entsprechen der in
Der Verlauf des Dickenprofils
Das Tiefenprofil
Wesentliche Details der beschichteten Zylinderwand
So weist das Dickenprofil der Beschichtung
Aufgrund der dicken Beschichtung
Der Verbreiterungsabschnitt
Der Verlauf des Tiefenprofils der (unbeschichteten) Zylinderwand
Anders als bei der in
Die Zylinderwand
Der Verbreiterungsabschnitt
Es ist jeweils der Verbreitungsabschnitt
Deutlich ist der nahezu exakt zylindrische Verlauf der beschichteten Bohrung trotz variierender Beschichtungsdicke und variierender Tiefe der (unbeschichteten) Zylinderwand
Gezeigt ist eine aus umgeformten Stegen gebildete Verankerungsstruktur
Es ist der Verbreitungsabschnitt
Die Lauffflächen sind jeweils noch nicht gehont.The running surfaces are not yet honed.
In der (optionalen) Box
In Box
Die Verankerungsstruktur kann in Form von zahlreichen Verankerungselementen wie etwa Vertiefungen oder Nuten ausgebildet sein, in die die darauf aufzubringende Beschichtung eingreifen kann und in denen sie sich verankern kann. Die Variationen des Tiefenprofils erstrecken sich dabei in der Längsrichtung jeweils über mehrere Verankerungselemente der Verankerungsstruktur. The anchoring structure may be in the form of numerous anchoring elements, such as depressions or grooves, into which the coating to be applied thereto can engage and in which it can become anchored. The variations of the depth profile thereby extend in the longitudinal direction in each case over a plurality of anchoring elements of the anchoring structure.
Anschließend wird in Box
Die Lauffläche der Beschichtung kann anschließend gehont werden, bspw. um eine zylindrische beschichtete Zylinderbohrung bereitzustellen.The running surface of the coating can then be honed, for example to provide a cylindrical coated cylinder bore.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 55
- Kolbenpiston
- 66
- Laufflächetread
- 1010
- Zylinderbohrungbore
- 1111
- Zylinderwandcylinder wall
- 2020
- Verankerungsstrukturanchoring structure
- 3030
- Beschichtungcoating
- 4040
- Verbreitungsabschnittdissemination section
- 4141
- angrenzender Abschnittadjacent section
- 710,720,730710,720,730
- Boxenboxing
- DD
- Dicke der BeschichtungThickness of the coating
- D1D1
- Dickenprofilthickness profile
- LL
- Längsrichtunglongitudinal direction
- T1T1
- Tiefenprofildepth profile
- XX
- Durchmesser der ZylinderbohrungDiameter of the cylinder bore
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102009027200 B3 [0008]DE 102009027200 B3 [0008]
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-
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