DE102016225059A1

DE102016225059A1 - Verfahren zum Beschichten einer Zylinderwand und Einrichtung zum Beschichten einer Zylinderwand

Info

Publication number: DE102016225059A1
Application number: DE102016225059.0A
Authority: DE
Inventors: Anton Niedermayer; Wolfram Wagener
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Zylinderwand (11) einer sich in einer axialen Richtung (A) erstreckenden Zylinderbohrung (10). Das Verfahren umfasst: Aufbringen eines Beschichtungsgutes (20) auf der Zylinderwand (11) mittels einer in die Zylinderbohrung eingeführten Beschichtungsvorrichtung (30), während Prozesskomponenten an einem ersten Ende (12) der Zylinderbohrung abgesaugt werden, und Abtrennen eines Innenvolumens (40) der Zylinderbohrung von einer Umgebung (50) beim Aufbringen des Beschichtungsgutes. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zum Beschichten einer Zylinderwand (11) einer Zylinderbohrung (10), sowie eine beschichtete Zylinderbohrung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Zylinderwand einer Zylinderbohrung, insbesondere eines Zylinderkurbelgehäuses. Dabei wird mittels einer Beschichtungsvorrichtung ein Beschichtungsgut auf der Zylinderwand aufgebracht, während Prozesskomponenten aus einem Innenvolumen der Zylinderbohrung abgesaugt werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zum Beschichten einer Zylinderwand einer Zylinderbohrung, insbesondere eines Zylinderkurbelgehäuses eines Verbrennungsmotors. Ferner betrifft die Erfindung eine beschichtete Zylinderbohrung.
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.
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.
Alternativ dazu ist es bekannt, die Zylinderwände der Zylinderbohrungen mit einer Beschichtung zu versehen, um die gewünschten tribologischen Eigenschaften für die Laufflächen zu realisieren.
Es sind verschiedene Beschichtungsverfahren bekannt, wobei insbesondere thermische Beschichtungsverfahren zum Einsatz kommen können, bei denen der Beschichtungswerkstoff aufgeschmolzen und anschließend mit einer Beschichtungsvorrichtung - regelmäßig mittels eines Druckluft- oder sonstigen Gasstroms - zerstäubt und auf die zu beschichtende Oberfläche transportiert wird. Bekannte thermische Beschichtungsverfahren sind z.B. das Plasmabeschichten, das Flammspritzen und das Lichtbogendrahtspritzen.
Eine Beschichtungsvorrichtung kann dabei von einer Seite in die Zylinderbohrung eingefahren werden. Anschließend kann der Beschichtungswerkstoff in radialer Richtung von dem in der Zylinderbohrung angeordneten Teil der Beschichtungsvorrichtung auf die Zylinderwand aufgetragen werden.
Prozesskomponenten wie etwa Prozessgase und überschüssiger Beschichtungswerkstoff werden mittels einer Absaugvorrichtung aus der Zylinderbohrung abgesaugt. Beispielsweise wird beim Beschichten regelmäßig nur ein Teil des Beschichtungsguts im aufgeschmolzenen Zustand auf die Zylinderwand beschleunigt, bspw. zwischen 50% und 90% des Beschichtungsguts. Das überschüssige Beschichtungsgut kann den Prozess negativ beeinflussen und wird deshalb als abprallendes Overspray abgesaugt. Herkömmliche Absauganlagen sind als fest installierte, große und breite Rohre eingerichtet, die starr sind und nur einen Zylinder abdecken.
Es hat sich herausgestellt, dass die Absaugung von Prozesskomponenten aus der Zylinderbohrung mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist. Ferner ist die sich ergebende Beschichtungsstruktur nicht immer zufriedenstellend.
In Anbetracht dieser Schwierigkeiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Beschichten einer Zylinderwand bereitzustellen, das einen verringerten Aufwand erfordert und das zu einem verbesserten Beschichtungsergebnis führt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen sowie durch eine Einrichtung zum Beschichten einer Zylinderwand gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Beschichtungsvorrichtung in axialer Richtung in die Zylinderbohrung eingeführt, wobei die Beschichtungsvorrichtung zum Aufbringen des Beschichtungsguts auf die Zylinderwand eingerichtet ist. Während der Beschichtung der Zylinderwand werden Prozesskomponenten wie etwa Prozessgase und überschüssiges Beschichtungsgut an einem ersten Ende der Zylinderbohrung aus der Zylinderbohrung abgesaugt.
„Prozesskomponenten“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung können insbesondere in der Zylinderbohrung beim Beschichten vorhandene Gase wie etwa Prozessgase, Inertgase, Luft bzw. Druckluft oder in der Zylinderbohrung vorhandene Feststoffe und/oder Fluide wie etwa überschüssige Beschichtungskomponenten und überschüssiges Beschichtungsgut umfassen, das nicht als Beschichtung an der Zylinderwand anhaftet. Es ist vorteilhaft, solche Prozesskomponenten beim Beschichten aus der Zylinderbohrung abzusaugen, um eine Anlagerung von Beschichtungsgut an nicht dafür vorgesehenen Flächen zu vermeiden, und um geeignete Druckverhältnisse in der Zylinderbohrung herbeizuführen. Beispielsweise werden bei einigen Beschichtungsverfahren Gase wie etwa Prozessgase oder Inertgase unter Überdruck in die Zylinderbohrung eingebracht, deren Absaugung im Hinblick auf ein gutes Beschichtungsergebnis vorteilhaft ist.
Erfindungsgemäß wird beim Aufbringen des Beschichtungsguts ein Innenvolumen der Zylinderbohrung von einer Umgebung abgetrennt. Es wird erfindungsgemäß also eine abgeschlossene Kammer gebildet, die das Innenvolumen der Zylinderbohrung und ggf. angrenzende Raumbereiche auf beiden Seiten der Zylinderbohrung umfasst, wobei diese Kammer von der Umgebung abgetrennt ist. Unter der „Umgebung“ wird der unter Atmosphärendruck stehende Raumbereich außerhalb der Zylinderbohrung, also die Werkraumumgebung verstanden. Die das Innenvolumen der Zylinderbohrung aufweisende Kammer kann in einigen Ausführungsformen im Wesentlichen gasdicht von der Umgebung abgetrennt werden.
Vorzugsweise wird das Innenvolumen der Zylinderbohrung zumindest zeitweise während des Aufbringens des Beschichtungsgutes auf der Zylinderwand von der Umgebung abgetrennt. Insbesondere wird das Innenvolumen der Zylinderbohrung während der gesamten Beschichtungsdauer von der Umgebung abgetrennt.
Durch die Abtrennung des Innenvolumens der Zylinderbohrung von der Umgebung kann sichergestellt werden, dass die Prozesskomponenten über das erste Ende der Zylinderbohrung abgesaugt werden und nicht über das entgegengesetzte zweite Ende der Zylinderbohrung aus der Zylinderbohrung austreten und in die Umgebung vordringen. Ein einheitlicherer Absaugstrom in Richtung auf das erste Ende der Zylinderbohrung während der Beschichtung kann hierdurch sichergestellt werden, was zu einem einheitlicheren Beschichtungsergebnis in der Längsrichtung der Zylinderbohrung führt.
Vorzugsweise wird eine Absaugvorrichtung an das erste Ende der Zylinderbohrung angeschlossen, die die Prozesskomponenten aus dem Innenvolumen der Zylinderbohrung absaugt. Der Absaugstrom verläuft dann aus dem Innenvolumen durch das erste Ende der Zylinderbohrung in Richtung auf die Absaugvorrichtung. Beispielsweise wird eine Absaugvorrichtung an das erste Ende der Zylinderbohrung angeschlossen, die ein Absaugrohr umfasst, das an das erste Ende der Zylinderbohrung herangeführt wird. Eine absolute Gasdichtheit ist hierbei nicht notwendigerweise erforderlich. Vielmehr kann es ausreichend sein, dass ein Großteil der über das erste Ende aus der Zylinderbohrung austretenden Prozesskomponenten von der Absaugvorrichtung eingesaugt wird.
Das erste Ende kann ein in Schwererichtung unteres Ende der Zylinderbohrung sein. Der Absaugvorgang kann hierdurch vereinfacht werden.
Vorzugsweise wird die Beschichtungsvorrichtung in der axialen Richtung über das zweite Ende der Zylinderbohrung in die Zylinderbohrung eingeführt. Das zweite Ende ist das dem ersten Ende entgegengesetzte Ende der Zylinderbohrung, insbesondere das in Schwererichtung obere Ende der Zylinderbohrung.
Das Innenvolumen der Zylinderbohrung kann dadurch von der Umgebung abgetrennt werden, dass das zweite Ende der Zylinderbohrung mittels einer Abtrennung, insbesondere mittels eines Faltenbalgs, verschlossen wird.
Hierzu kann eine Abtrennung vorgesehen sein, die zum Verschließen des zweiten Endes der Zylinderbohrung ausgebildet ist, wenn die Beschichtungsvorrichtung über das zweite Ende teilweise in die Zylinderbohrung eingeführt ist. Bspw. kann die Abtrennung einen umlaufenden Spalt zwischen der Beschichtungsvorrichtung und der Zylinderwand an dem zweiten Ende der Zylinderbohrung abdecken und dadurch von der Umgebung abtrennen.
In einigen Ausführungsformen kann die Abtrennung an der Beschichtungsvorrichtung angebracht sein. Dabei ist während der Beschichtung ein vorderer Abschnitt der Beschichtungsvorrichtung, der Beschichtungsdüsen trägt, innerhalb des Innenvolumens der Zylinderbohrung angeordnet, und ein die Abtrennung tragender hinterer Abschnitt der Beschichtungsvorrichtung ist außerhalb der Zylinderbohrung angeordnet. Die Abtrennung umläuft die Beschichtungsvorrichtung vorzugsweise derart, dass sie das zweite Ende der Zylinderbohrung vorzugsweise im Wesentlichen dicht verschließt.
Vorzugsweise wird die Abtrennung beim Aufbringen des Beschichtungsgutes infolge eines durch das Absaugen erzeugten Unterdrucks im Innenvolumen der Zylinderbohrung an einen Rand der Zylinderbohrung herangezogen. Durch das Heranziehen der Abtrennung an den Rand der Zylinderbohrung, der das zweite Ende der Zylinderbohrung umläuft, kann das zweite Ende der Zylinderbohrung verschlossen werden.
Insbesondere kann das Verschließen selbsttätig erfolgen. Bspw. legt sich die Abtrennung beim Einführen der Beschichtungsvorrichtung in die Zylinderbohrung in Schwererichtung selbsttätig auf den Rand der Zylinderbohrung auf und wird beim Aktivieren der Absaugung an den Rand der Zylinderbohrung herangezogen.
In einigen Ausführungsformen variiert die axiale Abmessung der Abtrennung in Abhängigkeit von einer Einführtiefe der Beschichtungsvorrichtung in der Zylinderbohrung. Hierdurch ist es möglich, die Beschichtungsvorrichtung in axialer Richtung in die Zylinderbohrung einzufahren und/oder aus der Zylinderbohrung herauszufahren, wobei die Abtrennung gleichzeitig ihre axiale Abmessung verändern kann und dadurch das zweite Ende der Zylinderbohrung fortlaufend verschließt.
Insbesondere bewegt sich die Beschichtungsvorrichtung während des Aufbringens der Beschichtung in axialer Richtung, wobei sich gleichzeitig die axiale Abmessung der Abtrennung gemäß der Eindringtiefe der Beschichtungsvorrichtung in der Zylinderbohrung verändert.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abtrennung in der axialen Richtung expandierbar und/oder komprimierbar ausgebildet. Vorzugsweise ist die Abtrennung in Form eines flexiblen Balgs, insbesondere in Form eines Faltenbalgs oder nach Art einer Ziehharmonika ausgebildet.
Bei dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren wird die Beschichtungsvorrichtung vorzugsweise im Anschluss an das Aufbringen des Beschichtungsguts aus der Zylinderbohrung herausbewegt, bis die axiale Abmessung der Abtrennung gegenüber einer Ruheabmessung der Abtrennung expandiert ist, woraufhin die Absaugung beendet wird und die Abtrennung von einem Rand der Zylinderbohrung abspringt.
Mit anderen Worten löst sich die Abtrennung im Anschluss an die Beschichtung selbsttätig von dem Rand am zweiten Ende der Zylinderbohrung, wenn die Absaugung am ersten Ende der Zylinderbohrung beendet wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Beschichtungsvorrichtung vor dem Aufbringen des Beschichtungsguts in die Zylinderbohrung hineinbewegt, bis die axiale Abmessung der Abtrennung gegenüber einer Ruheabmessung der Abtrennung komprimiert ist und ein Auflagerand der Abtrennung an den Rand der Zylinderbohrung angedrückt wird. Bei einigen Ausführungsformen ist die axiale Abmessung der Abtrennung um 50% oder mehr, insbesondere um 70% oder mehr, gegenüber der Ruheabmessung verringert, wenn die Beschichtungsvorrichtung bis zu einer maximalen Eindringtiefe in die Zylinderbohrung eingefahren ist. Beispielsweise beträgt die Ruheabmessung der Abdeckung etwa 20 cm, und/oder die komprimierte Abmessung der Abdeckung beträgt zwischen 4 cm und 10 cm, insbesondere etwa 5 cm.
Die Abdeckung kann ein Vorspannelement wie etwa ein Federelement aufweisen, durch das die Abdeckung ausgehend von einem komprimierten Zustand und/oder ausgehend von einem expandierten Zustand in den unbelasteten Zustand gedrängt wird. Im komprimierten Zustand wird die Abtrennung dann aufgrund des Vorspannelements an den Rand der Zylinderbohrung angedrückt. Dies hat den Vorteil, dass ein Auflagerand der Abtrennung, der bereits unter mechanischer Druckkraft an den Rand der Zylinderbohrung angedrückt wird, bei Aktivierung der Absaugung zusätzlich selbsttätig an den Rand angesaugt wird. Ein aktives Verschließen des zweiten Endes der Zylinderbohrung vor dem Beginn der Beschichtung ist nicht erforderlich, da sich die Zylinderbohrung bei Aktivierung der Absaugung selbsttätig verschließen kann. Ferner kann eine im Wesentlichen gasdichte Auflage der Abtrennung an dem Rand der Zylinderbohrung sichergestellt werden.
Im Hinblick auf eine weitere Vereinfachung des Beschichtungsvorgangs hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass die Beschichtungsvorrichtung vor dem Aufbringen der Beschichtung ausgehend von dem zweiten Ende in Richtung auf das erste Ende in die Zylinderbohrung hineingeführt wird. Die Beschichtungsvorrichtung wird also zunächst bis zu einer Maximaltiefe in die Zylinderbohrung eingefahren. Das Einfahren der Beschichtungsvorrichtung bis zu einer Maximaltiefe kann zu einem selbsttätigen Verschließen des zweiten Endes der Zylinderbohrung durch die Abtrennung führen. Anschließend wird die Beschichtung auf der Zylinderwand aufgebracht, während gleichzeitig die Beschichtungsvorrichtung langsam wieder aus der Zylinderbohrung heraus bewegt wird. Das weitere Herausfahren der Beschichtungsvorrichtung aus der Zylinderbohrung nach dem Beschichten kann zu einem selbsttätigen Lösen der Abtrennung von dem Rand der Zylinderbohrung führen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Beschichtungsgut mit einer entlang der axialen Richtung verfahrbaren Beschichtungslanze bevorzugt mittels thermischen Spritzens auf der Zylinderwand aufgebracht. Beispielsweise ist die Beschichtungsvorrichtung eine Vorrichtung zum Plasmabeschichten, Kaltgasspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zum Beschichten einer Zylinderwand einer sich in einer axialen Richtung erstreckenden Zylinderbohrung, insbesondere eines Zylinderkurbelgehäuses, vorzugsweise eines Verbrennungsmotors.
Die Vorrichtung weist eine sich in der axialen Richtung erstreckende Beschichtungsvorrichtung auf, die ausgehend von einem zweiten Ende der Zylinderbohrung in der axialen Richtung in die Zylinderbohrung einführbar ist. Erfindungsgemäß ist an der Beschichtungsvorrichtung eine Abtrennung angeordnet, die zum Verschließen des zweiten Endes der Zylinderbohrung bei eingeführter Beschichtungsvorrichtung ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist die Abtrennung dazu eingerichtet, das zweite Ende der Zylinderbohrung im Wesentlichen gasdicht zu verschließen, wenn die Beschichtungsvorrichtung über das zweite Ende zumindest teilweise in die Zylinderbohrung eingeführt ist.
Eine absolute Gasdichtheit ist dabei nicht notwendigerweise erforderlich. Wenn beispielsweise weniger Absaugung aus der Zylinderbohrung benötigt wird, kann der Unterdruck in der Zylinderbohrung geändert werden, und die Abdichtung zwischen der Abtrennung und dem Rand der Zylinderbohrung kann sich dadurch verringern.
Dabei kann die Abtrennung einen Spalt zwischen der Beschichtungsvorrichtung und der Zylinderwand am zweiten Ende der Zylinderbohrung abdecken und dadurch den Innenraum der Zylinderbohrung von der Umgebung abtrennen. In einigen Ausführungsformen umläuft die Abtrennung die Beschichtungsvorrichtung. Beispielsweise ist die Abtrennung nach Art eines Manschettenteils ausgebildet, das einen hinteren Abschnitt der Beschichtungsvorrichtung umläuft.
Ein zuverlässiges Verschließen des zweiten Endes der Zylinderbohrung durch die Abtrennung kann dadurch sichergestellt werden, dass ein Befestigungsabschnitt der Abtrennung an der Beschichtungsvorrichtung angebracht ist. Der Befestigungsabschnitt kann ein hinterer Rand der Abtrennung sein, der umlaufend an der Beschichtungsvorrichtung fixiert sein kann. Ein Gasdurchlass zwischen dem hinteren Rand der Abtrennung und der Beschichtungsvorrichtung kann dadurch verhindert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Auflagerand der Abtrennung derart eingerichtet sein, dass er dichtend auf einen Rand der Zylinderbohrung aufsetzbar ist. Der Auflagerand kann ein vorderer Rand der Abtrennung sein. Der Auflagerand kann die Beschichtungsvorrichtung umlaufen und einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt haben. Der Durchmesser des Auflagerands dabei größer als der Durchmesser der Zylinderbohrung. Der Auflagerand kann dadurch umlaufend an den Rand der Zylinderbohrung angelegt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Abtrennung einen in der axialen Richtung expandierbaren und/oder komprimierbaren Körper auf. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Abtrennung das zweite Ende der Zylinderbohrung verschließt, auch wenn die Beschichtungsvorrichtung in axialer Richtung verfahren wird.
Im Hinblick auf einen verbesserten Bedienkomfort hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass die Abtrennung in Form eines in der axialen Richtung expandierbaren und komprimierbaren Balgs, insbesondere nach Art eines Faltenbalgs oder einer Ziehharmonika, ausgebildet ist. Insbesondere kann ein Balg komprimiert und expandiert werden, ohne seine radiale Abmessung zu verändern. Dies führt zu einer zuverlässigen und dichten Auflage des Auflagerands des Balgs an dem Rand der Zylinderbohrung, auch während einer axialen Bewegung der Beschichtungsvorrichtung.
Eine Zylinderbohrung ist bei einigen Ausführungsformen über eine axiale Länge zwischen 10 cm und 20 cm zu beschichten. Eine derartige Zylinderbohrung kann mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zuverlässig beschichtet werden, wenn die Abtrennung in einem unbelasteten Zustand eine Ruheabmessung zwischen 14 cm und 24 cm hat, auf eine zweite axiale Abmessung zwischen 4 cm und 10 cm komprimierbar ist, und/oder auf eine dritte axiale Abmessung zwischen 25 cm und 35 cm expandierbar ist. Die axiale Abmessung der Abdeckung kann in diesem Fall der Bewegung der Beschichtungsvorrichtung während des Beschichtungsvorgangs problemlos folgen.
Unter einer „Ruheabmessung“ der Abtrennung wird die axiale Abmessung der Abtrennung in einem unbelasteten Zustand verstanden. Die Abtrennung wird in einem unbelasteten Zustand weder durch eine äußere Kraft zusammengedrückt noch auseinandergezogen.
Vorzugsweise umfasst die Beschichtungsvorrichtung eine Beschichtungslanze. Die Beschichtungsvorrichtung kann eingerichtet sein zum thermischen Spritzen, insbesondere zum Plasmabeschichten, Kaltgasspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen.
Gemäß einigen Ausführungsformen weist die Einrichtung eine Absaugvorrichtung, insbesondere eine Vakuumpumpe, auf. Die Absaugvorrichtung ist vorzugsweise eingerichtet zum Absaugen von Prozesskomponenten aus einem Innenvolumen der Zylinderbohrung an dem ersten Ende der Zylinderbohrung, während das Innenvolumen der Zylinderbohrung von einer Umgebung abgetrennt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtete Zylinderbohrung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Zylinderkurbelgehäuse, bspw. eines Verbrennungsmotors, mit einer Mehrzahl von gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichteten Zylinderbohrungen.
Es ist anzumerken, dass das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren zu einer besonders vorteilhaften Beschichtungsstruktur führt, die sich von der Struktur herkömmlicher Beschichtungen unterscheidet. Aufgrund des Verschließens des zweiten Endes der Zylinderbohrung während des Beschichtens ergibt sich nämlich während des Beschichtungsvorgangs ein in Richtung auf das erste Ende der Zylinderbohrung gerichteter Absaugstrom. Vorzugsweise ist der Absaugstrom in der Schwererichtung nach unten gerichtet. Die einheitlich nach unten gerichtete Absaugung des Beschichtungsguts führt zu einer einheitlichen Beschichtungsstruktur auch in einem oberen Bereich der Zylinderbohrung. Insbesondere wird eine negative Beeinflussung der Beschichtungsstruktur durch nach oben abprallendes Overspray verringert oder verhindert.
Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die Zylinderwand vor dem Aufbringen der Beschichtung aktiviert, bspw. durch das Einbringen einer Verankerungsstruktur in der Zylinderwand, die der verbesserten Haftung der Beschichtung an der Zylinderwand dient.
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.
Der aufgeschmolzene Beschichtungswerkstoff kann in die Vertiefungen der Verankerungsstruktur eingreifen und sich dadurch fest an der Zylinderwand verankern.
Die Beschichtung sollte eine gute Verschleißfestigkeit und Langlebigkeit bieten und ferner ein geeignetes tribologisches Systems in Zusammenwirkung mit einem Kolben bereitstellen. Beispielsweise ist die Beschichtung eine Legierung auf Eisenbasis, die im ausgehärteten Zustand einen besonders hohen Verschleißwiderstand bietet.
Das Zylinderkurbelgehäuse bzw. die Zylinderwand sind vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung gebildet.
Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die beschichtete Zylinderbohrung nach dem Aufbringen der Beschichtung gehont.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in

1 eine schematische Schnittdarstellung einer Einrichtung zum Beschichten einer Zylinderwand gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung;
2A bis 2E mehrere Schritte eines Verfahrens zum Beschichten einer Zylinderwand gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung; und in
3 eine Darstellung einer Einrichtung zum Beschichten einer Zylinderwand gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.

1 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Einrichtung zum Beschichten einer Zylinderwand 11 einer Zylinderbohrung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Zylinderbohrung 10 kann in einem Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors angeordnet sein.
Die Zylinderbohrung 10 sowie eine Beschichtungsvorrichtung 30 zum Beschichten der Zylinderwand 11 erstrecken sich jeweils in einer axialen Richtung A. Die Zylinderbohrung 10 weist ein erstes Ende 12, insbesondere ein in Schwererichtung unteres Ende, und ein dem ersten Ende entgegengesetztes zweites Ende 14, insbesondere ein in Schwererichtung oberes Ende auf.
Ein vorderer Teil der Beschichtungsvorrichtung 30 ist in der axialen Richtung A ausgehend von dem zweiten Ende 14 der Zylinderbohrung in die Zylinderbohrung 10 einführbar. Der vordere Teil der Beschichtungsvorrichtung 30 trägt Beschichtungswerkzeuge, insbesondere Beschichtungsdüsen, zum Aufbringen eines Beschichtungsgutes 20 auf der Zylinderwand 11.
Von besonderer Bedeutung bei der Beschichtung von Zylinderwänden ist die Realisierung einer guten Haftung der Beschichtung auf dem Grundwerkstoff, d.h. auf der Zylinderwand 11. Hierzu kann die Zylinderwand 11 vor dem Aufbringen der Beschichtung aktiviert werden, bspw. durch Aufrauung und/oder Einbringung von Vertiefungen oder Nuten, in denen sich die Beschichtung verankern kann. Die durch die Aktivierung in die Zylinderwand eingebrachten Vertiefungen zur Verbesserung der Haftung der Beschichtung können auch als Verankerungsstruktur bezeichnet werden.
Während das Beschichtungsgut 20 auf der Zylinderwand 11 aufgebracht wird, können Beschichtungskomponenten 21 wie etwa Prozessgase oder überschüssiges Beschichtungsgut mittels einer Absaugvorrichtung 70 aus dem Innenvolumen der Zylinderbohrung 10 abgesaugt werden. Die Absaugvorrichtung 70 kann über ein Absaugrohr 72 an das erste Ende der Zylinderbohrung angeschlossen sein, insbesondere an das untere Ende der Zylinderbohrung. Hierdurch ergibt sich ein Absaugstrom ausgehend von dem Innenvolumen 40 der Zylinderbohrung in Richtung auf das erste Ende der Zylinderbohrung und weiter in Richtung auf die Absaugvorrichtung 70. Die Absaugvorrichtung 70 kann eine Vakuumpumpe umfassen.
Erfindungsgemäß wird das zweite Ende 14 der Zylinderbohrung 10 beim Beschichten geschlossen, insbesondere mittels einer Abtrennung 60, die das Innenvolumen 40 der Zylinderbohrung von einer Umgebung abtrennt. Wie in 1 dargestellt ist, kann die Abtrennung 60 einen hinteren Teil der Beschichtungsvorrichtung 30 umlaufen und dadurch den Spalt zwischen der Zylinderwand 11 und der Beschichtungsvorrichtung 30 am zweiten Ende 14 der Zylinderbohrung abdecken und gegenüber der Umgebung 50 verschließen.
Hierdurch kann eine gegenüber der Umgebung 50 abgetrennte Kammer gebildet werden, die das Innenvolumen 40 der Zylinderbohrung und Raumbereiche aufweisen kann, die an die Zylinderbohrung angrenzen. Hierdurch wird sichergestellt, dass der gesamte Absaugstrom unabhängig von der Position der verfahrbaren Beschichtungsvorrichtung 30 gleichgerichtet ist, insbesondere in Richtung auf das erste Ende 12 der Zylinderbohrung, an dem die Absaugvorrichtung 70 angeschlossen ist. Es kann eine einheitlichere Beschichtungsstruktur sichergestellt werden.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Abtrennung 60 als eine Trennwand zwischen der Umgebung 50 und der das Innenvolumen 40 der Zylinderbohrung 10 aufweisenden Beschichtungskammer ausgebildet.
2 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Einrichtung zum Beschichten einer Zylinderwand 11 einer Zylinderbohrung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Wesentliche Elemente der Einrichtung entsprechen der in 1 gezeigten Einrichtung, so dass auf die obigen Ausführungen verwiesen werden kann, die hier nicht wiederholt werden.
Die Einrichtung weist eine Abtrennung 60 auf, die in der axialen Richtung A expandierbar und/oder komprimierbar eingerichtet ist. Insbesondere ist die Abtrennung als Balg, bspw. als Faltenbalg 62, ausgebildet, der in der axialen Richtung A ausgehend von einer Ruheabmessung D1 zusammengedrückt und auseinandergezogen werden kann, ohne seine radiale Abmessung wesentlich zu ändern.
Die Abtrennung 60 kann in Form eines die Beschichtungsvorrichtung 30 umlaufenden Manschettenteils ausgebildet sein, das einen größeren Außendurchmesser haben kann als die Zylinderbohrung 10.
In 2A ist die als Faltenbalg 62 ausgebildete Abtrennung 60 in einem unbelasteten Zustand gezeigt, in dem sie ihre Ruheabmessung D1 einnimmt.
Ein Befestigungsabschnitt 65 der Abtrennung 60, insbesondere ein hinteres Ende der Abtrennung, ist an einem hinteren Teil der Beschichtungsvorrichtung 30 fixiert. An ihrem vorderen Ende weist die Abtrennung 60 einen Auflagerand 63 zur Auflage auf einem Rand 15 der Zylinderbohrung 10 auf. Zwischen dem Befestigungsabschnitt 65 und dem Auflagerand 63 kann sich ein flexibler Körper 66, insbesondere ein Faltenbalgkörper, der Abtrennung 60 erstrecken.
Der Körper 66 der Faltenbalgs 62 kann ein Vorspannteil aufweisen, das den Faltenbalg 62 aus einer expandierten Stellung und/oder aus einer komprimierten Stellung jeweils in den unbelasteten Zustand drängt, in dem der Faltenbalg seine Ruheabmessung D1 einnimmt.
Die 2A bis 2E zeigen verschiedene Schritte bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Beschichten der Zylinderbohrung 10.
Wie in 2A gezeigt ist, wird die Beschichtungsvorrichtung 30 in der axialen Richtung A ausgehend von dem zweiten Ende 14 in die unbeschichtete Zylinderbohrung eingeführt.
Wie in 2B gezeigt ist, wird die Beschichtungsvorrichtung 30 ausgehend von dem zweiten Ende 14 in Richtung auf das erste Ende 12 der Zylinderbohrung bis hin zu einer Maximaltiefe in die Zylinderbohrung eingeführt. Bei einigen Ausführungsformen wird hierbei noch keine Beschichtung auf der Zylinderwand 11 aufgebracht.
Beim Einführen der Beschichtungsvorrichtung legt sich der Auflagerand 63 der Abtrennung 60 umlaufend an den Rand 15 der Zylinderbohrung an und verschließt dadurch das zweite Ende 14 der Zylinderbohrung 10.
Die Beschichtungsvorrichtung 30 kann in die Zylinderbohrung 10 eingeführt werden, bis die Abtrennung 60 an den Rand 15 der Zylinderbohrung 10 angedrückt wird und dadurch komprimiert wird. In einigen Ausführungsformen wird die Abtrennung auf eine zweite axiale Abmessung D2 komprimiert, die 80% oder weniger, vorzugsweise 50% oder weniger, insbesondere 30% oder weniger der Ruheabmessung D1 betragen kann. Bspw. beträgt die axiale Abmessung der Abtrennung 60 weniger als 30% der Ruheabmessung D1, wenn die Beschichtungsvorrichtung 30 bis zu einer Maximaltiefe (siehe 2B) in die Zylinderbohrung 10 eingeführt ist.
An das erste Ende 12 der Zylinderbohrung kann eine Absaugvorrichtung 70, insbesondere eine Vakuumpumpe, angeschlossen werden. Durch die Aktivierung der Absaugvorrichtung und den dadurch im Innenvolumen 40 der Zylinderbohrung gebildeten Unterdruck wird die Abtrennung 60 zusätzlich an den Rand 15 der Zylinderbohrung herangezogen. Ein gasdichtes Verschließen des Spalts zwischen dem Auflagerand 63 der Abtrennung 60 und dem Rand 15 der Zylinderbohrung 10 ist möglich.
Wie in 2C gezeigt ist, wird die Zylinderwand 11 ausgehend von dem ersten Ende 12 der Zylinderbohrung in Richtung auf das zweite Ende 14 der Zylinderbohrung mit dem Beschichtungsgut 20 beschichtet. Beschichtungskomponenten 21 wie etwa Prozessgase, andere Gase und/oder überschüssiges Beschichtungsgut werden von der Absaugvorrichtung 70 abgesaugt.
Beim Bewegen der Beschichtungsvorrichtung 30 weg von dem ersten Ende 12 der Zylinderbohrung heraus aus der Zylinderbohrung expandiert die Abtrennung 60, wobei die Abtrennung 60 das zweite Ende 14 der Zylinderbohrung weiterhin verschließt. Insbesondere wird der Auflagerand 63 der Abtrennung 60 weiterhin an den Rand 15 der Zylinderbohrung herangezogen.
Aufgrund des gleichgerichteten Absaugstroms wird eine Beschichtung 25 mit einheitlicher Beschichtungsstruktur auf der Zylinderwand 11 aufgebracht.
Wie in 2D gezeigt ist, wird die Beschichtungsvorrichtung 30 nach Abschluss des Beschichtungsprozesses aus der Zylinderbohrung 10 herausbewegt. Solange die Absaugung durch die Absaugvorrichtung 70 aktiviert ist, kann das zweite Ende 14 der Zylinderbohrung 10 durch die Abtrennung 60 verschlossen bleiben. Bei einigen Ausführungsformen wird die Beschichtungsvorrichtung 30 aus der Zylinderbohrung herausbewegt, bis die axiale Abmessung D der Abtrennung gegenüber der Ruheabmessung D1 der Abtrennung 60 expandiert ist. In 2D hat die Abtrennung bspw. eine dritte axiale Abmessung D3, die 120% oder mehr der Ruheabmessung D1 betragen kann.
Wie in 2E gezeigt ist, springt die Abtrennung bei einer Deaktivierung der Absaugung selbsttätig von dem Rand 15 der Zylinderbohrung ab. Das Nachlassen des Unterdrucks im Innenvolumen 50 der Zylinderbohrung führt nämlich dazu, dass sich die Abtrennung 60 auf ihre Ruheabmessung D1 zusammenzieht. Hierzu kann die Abtrennung ein Vorspannelement aufweisen. Das Eingreifen von Werkspersonal ist nicht erforderlich.
Anschließend kann die Beschichtung 25 gehont werden.
3 ist eine Darstellung einer Einrichtung 100 zum Beschichten einer Zylinderwand 11 gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform. Die Einrichtung 100 weist eine Beschichtungsvorrichtung 30 mit einer Beschichtungslanze 110 auf, die sich in einer axialen Richtung A erstreckt. An einem hinteren Teil der Beschichtungsvorrichtung 30 ist eine flexible Abtrennung 60 in Form eines Faltenbalgs 62 fixiert.
Ein Befestigungsabschnitt 65 des Faltenbalgs 62 ist gasdicht mit der Beschichtungsvorrichtung 30 verbunden, und ein Auflagerand 63 des Faltenbalgs 62 ist zur umlaufenden Auflage auf einem Rand 15 der Zylinderbohrung 10 eingerichtet.
Bspw. ist der Auflagerand 63 des Faltenbalgs dadurch ausgebildet, dass ein umlaufender Ring, bspw. ein Gewichtsring aus Metall, an einem vorderen Abschnitt des Faltenbalgs 62 angebracht ist. Der Ring kann bei Unterdruck an den Rand 15 der Zylinderbohrung angesaugt werden. In einigen Ausführungsformen hat der Ring eine Dicke zwischen 0,5 mm und 2 mm und/oder eine Ringstärke zwischen 5 mm und 20 mm, insbesondere etwa 10 mm.
Die Abtrennung 60 kann aus einem temperaturbeständigen Material ausgebildet sein, insbesondere aus einer Keramikfaser.
Herrscht in der Zylinderbohrung Unterdruck, kann sich der Faltenbalg nach Art einer Ziehharmonika selbstabdichtend auf das Zylinderkurbelgehäuse aufsetzen. Zu Beschichtungsende zieht sich der Faltenbalg automatisch zusammen und selbsttätig vom Zylinderkurbelgehäuse ab. Ein Wechsel des Zylinderkurbelgehäuses wird damit freigegeben.
Die erfindungsgemäße Einrichtung bietet insbesondere die folgenden Vorteile: Sie kann sehr schnell an einer Zylinderbohrung angedockt werden, ist von einer kompakten Bauart, günstig, ist mehrspindler-tauglich, und die Absaugung im Zylinder ist individuell über den Unter-/Überdruck im Zylinder steuerbar.
Bezugszeichenliste

10: Zylinderbohrung
11: Zylinderwand
12: erstes Ende der Zylinderbohrung
14: zweites Ende der Zylinderbohrung
15: Rand der Zylinderbohrung
20: Beschichtungsgut
21: Prozesskomponenten
25: Beschichtung
30: Beschichtungsvorrichtung
40: Innenvolumen
50: Umgebung
60: Abtrennung
62: Faltenbalg
63: Auflagerand der Abtrennung
65: Befestigungsabschnitt der Abtrennung
66: Körper der Abtrennung
70: Absaugvorrichtung
72: Absaugrohr
100: Einrichtung zum Beschichten
110: Beschichtungslanze
A: axiale Richtung
D: axiale Abmessung der Abtrennung
D1: Ruheabmessung
D2: zweite axiale Abmessung
D3: dritte axiale Abmessung

Claims

Verfahren zum Beschichten einer Zylinderwand (11) einer sich in einer axialen Richtung (A) erstreckenden Zylinderbohrung (10), umfassend: Aufbringen eines Beschichtungsgutes (20) auf der Zylinderwand (11) mittels einer in die Zylinderbohrung (10) eingeführten Beschichtungsvorrichtung (30), während Prozesskomponenten (21) an einem ersten Ende (12) der Zylinderbohrung (10) abgesaugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbringen des Beschichtungsgutes ein Innenvolumen (40) der Zylinderbohrung (10) von einer Umgebung (50) abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsvorrichtung (30) in der axialen Richtung (A) ausgehend von einem dem ersten Ende (12) entgegengesetzten zweiten Ende (14) der Zylinderbohrung in die Zylinderbohrung (10) eingeführt wird, und das Innenvolumen (40) dadurch von der Umgebung (50) abgetrennt wird, dass das zweite Ende (14) der Zylinderbohrung mittels einer Abtrennung (60) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung (60) an der Beschichtungsvorrichtung (30) angebracht ist und infolge eines durch das Absaugen erzeugten Unterdrucks im Innenvolumen (40) der Zylinderbohrung an einen Rand (15) der Zylinderbohrung (10) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Abmessung (D) der Abtrennung (60) in Abhängigkeit von einer Einführtiefe der Beschichtungsvorrichtung (30) in der Zylinderbohrung variiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung (60) in der axialen Richtung (A) expandierbar und/oder komprimierbar ausgebildet ist, insbesondere in Form eines Faltenbalgs (62) gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsvorrichtung (30) im Anschluss an das Aufbringen des Beschichtungsguts (20) aus der Zylinderbohrung (10) herausbewegt wird, bis die axiale Abmessung (D) der Abtrennung gegenüber einer Ruheabmessung (D1) der Abtrennung expandiert ist, woraufhin das Absaugen beendet wird und die Abtrennung von dem Rand (15) der Zylinderbohrung (10) abspringt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsvorrichtung (30) vor dem Aufbringen des Beschichtungsguts in die Zylinderbohrung (10) hineinbewegt wird, bis die axiale Abmessung der Abtrennung gegenüber einer Ruheabmessung (D1) der Abtrennung (60) bevorzugt um 50% oder mehr komprimiert ist und ein Auflagerand (62) der Abtrennung an einen Rand (15) der Zylinderbohrung (10) angedrückt und/oder herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsvorrichtung vor dem Aufbringen der Beschichtung ausgehend von dem zweiten Ende (14) in Richtung auf das erste Ende (12) in die Zylinderbohrung (10) hineingeführt wird, und während des Aufbringens der Beschichtung zurück in Richtung auf das zweite Ende (14) bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsgut (20) mit einer entlang der axialen Richtung verfahrbaren Beschichtungslanze bevorzugt mittels thermischen Spritzens auf die Zylinderwand aufgebracht wird.
Einrichtung zum Beschichten einer Zylinderwand (11) einer sich in einer axialen Richtung (A) erstreckenden Zylinderbohrung (10), gekennzeichnet durch eine sich in der axialen Richtung (A) erstreckende Beschichtungsvorrichtung (30), die ausgehend von einem zweiten Ende (14) der Zylinderbohrung in der axialen Richtung (A) in die Zylinderbohrung (10) einführbar ist, eine an der Beschichtungsvorrichtung (30) angeordnete Abtrennung (60), die zum bevorzugt gasdichten Verschließen des zweiten Endes (14) der Zylinderbohrung (10) bei eingeführter Beschichtungsvorrichtung (30) ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Befestigungsabschnitt (65) der Abtrennung (60) an der Beschichtungsvorrichtung (30) angebracht ist und/oder ein Auflagerand (63) der Abtrennung (60) derart eingerichtet ist, dass er dichtend auf einen Rand (15) der Zylinderbohrung (10) aufsetzbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung (60) einen in der axialen Richtung expandierbaren und/oder komprimierbaren Körper (66) aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung in Form eines in der axialen Richtung expandierbaren und komprimierbaren Balgs, insbesondere nach Art eines Faltenbalgs (62) oder einer Ziehharmonika, ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung in einem unbelasteten Zustand eine Ruheabmessung (D1) zwischen 14 cm und 24 cm hat, auf eine zweite axiale Abmessung (D2) zwischen 4 cm und 10 cm komprimierbar ist, und/oder auf eine dritte axiale Abmessung (D3) zwischen 25 cm und 35 cm expandierbar ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsvorrichtung (30) zum thermischen Spritzen eingerichtet ist, insbesondere zum Plasmabeschichten, Kaltgasspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch eine Absaugvorrichtung (70), insbesondere eine Vakuumpumpe, eingerichtet zum Absaugen von Prozesskomponenten (21) aus einem Innenvolumen (40) der Zylinderbohrung an dem ersten Ende (12) der Zylinderbohrung, während das Innenvolumen (40) der Zylinderbohrung von einer Umgebung (50) gasdicht abgetrennt ist.
Beschichtete Zylinderbohrung, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.