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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht gemäß 35 USC 119 (e) die Priorität der am 27. April 2016 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung mit der lfd. Nr. 62/328,097, deren Offenbarung durch Bezugnahme hierin mit eingeschlossen ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse für Verbrennungsmotoren. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Zylinderlaufbuchse, die eine raue Außenfläche aufweist, welche während des Gießprozesses gebildet wird, wobei die Fläche Dornen unterschiedlicher Form und Struktur aufweist, um das Anhaften der Laufbuchse an den Motorblock zu erleichtern.
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2. Stand der Technik
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Bei Verbrennungsmotoren mit einem aus einer Gusseisenlegierung oder einer Aluminiumlegierung hergestellten Motorblock werden in der Regel Zylinderlaufbuchsen in die Zylinderbohrungen des Motorblocks eingesetzt. Die Laufbuchsen bestehen aus zylindrischen Rohrabschnitten, und ihre Innenflächen definieren den Verbrennungsraum der Brennkammer des Motors. Die Außenflächen werden oftmals behandelt, um der Außenfläche eine aufgeraute Struktur zu verleihen. Diese aufgeraute Struktur gewährleistet das Anhaften der Zylinderlaufbuchse an den Motorblock, wenn die Laufbuchse in den Motorblock gegossen wird.
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Einige Zylinderlaufbuchsen, wie zum Beispiel die im
US-Patent Nr. 7,171,935 von Komai gezeigte, sind so behandelt worden, dass die Außenfläche der Laufbuchse eine Reihe von Dornen aufweist, die sich von der Laufbuchse nach außen erstrecken. Andere Laufbuchsen, wie zum Beispiel gemäß
US-Patent Nr. 7,665,440 von Holtan et al. beschreiben Sandstrahlen der Außenfläche der Zylinderlaufbuchse derart, dass über die ganze Außenfläche hinweg Aushöhlungen gebildet werden. Die
DE 10 2009 0435 66 A1 von Bischofberger et al. beschreibt eine Zylinderlaufbuchse, die mit einer strukturierten Oberfläche gebildet wird, welche Rillen, Rippen, Wellen, Nocken, Pilze, Stachel oder eine Kombination davon aufweisen kann. Diese Struktur kann durch Entfernen von Material von der Laufbuchse oder durch eine Beschichtung erzeugt werden.
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Das
US-Patent Nr. 8,402,881 von Sato et al. offenbart eine Einsatzgießstruktur, die eine Raugussoberfläche mit Dornen mit bestimmten Durchmessern aufweist. Basierend auf den Abmessungen kann bestimmt werden, dass die Dornen eine mehr oder weniger zylindrische Form aufweisen.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse für Verbrennungsmotoren, die eine aufgeraute Außenfläche aufweist, welche besonders gute Haftungseigenschaften hat. Die Fläche ist mit Vorsprüngen oder Dornen mit verschiedenen Formen und Größen bedeckt, die durch Beschichten des Formwerkzeugs mit einer Beschichtung und dann Gießen der Zylinderlaufbuchse in dem Formwerkzeug erzeugt werden. Die Dornen sind allgemein konisch oder nadelförmig, wobei die Basen größer als die Spitzen sind.
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Die Beschichtung kann durch Bespritzen des Formwerkzeugs, das zum Gießen der Zylinderlaufbuchse verwendet wird, mit einem Beschichtungsmaterial während eines Schleudergussprozesses gebildet werden. Zunächst wird auf das Formwerkzeug eine Beschichtung gespritzt, während es sich dreht, so dass die Formwerkzeugfläche gleichmäßig beschichtet wird. Dann wird das Gussmaterial in das Formwerkzeug gegossen und erstarren gelassen. Das Formwerkzeug dreht sich während des Beschichtungs-, Gieß- und Erstarrungsprozesses.
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Die Beschichtung wird so hergestellt, dass Dornen mit einer bestimmten Form, einer bestimmten Größe und einem bestimmten Muster um den Zylinder herum angeordnet werden. Diese Dornen sind vorzugsweise in einer Dichte von zwischen 110 und 190 Dornen/cm2 und vorzugsweise ca. 120 und 125 Dornen/cm2, angeordnet. Die Dornen weisen vorzugsweise eine Oberfläche mit der rauen Struktur im Vergleich zu der zylindrischen Bodenfläche von 120–180% auf. Aufgrund der konischen Beschaffenheit der Dornen ist es auch möglich, die mit den Dornen bedeckte Oberfläche an bestimmten Höhen im Vergleich zu der zylindrischen Gesamtbodenfläche zu messen. Bei der vorliegenden Erfindung beträgt die durch die Dornen bei einer Höhe von 0,2 mm bedeckte Oberfläche ca. 50–90% der zylindrischen Bodenfläche. Diese Fläche bei einer Höhe von 0,4 mm liegt zwischen 20 und 45% der Fläche der zylindrischen Bodenfläche. Der Abstand zwischen den Dornen, wie an ihren Spitzen gemessen, liegt zwischen 0,09 und 1,52 mm, bei einem durchschnittlichen Abstand von 0,64 mm.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird. Es versteht sich jedoch, dass die Zeichnungen nur der Veranschaulichung dienen und nicht als eine Definition der Grenzen der Erfindung.
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In den Zeichnungen, in denen in sämtlichen Ansichten gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente zeigen, zeigen:
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1 eine Ansicht einer Zylinderlaufbuchse gemäß der Erfindung;
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2 einen Schnitt eines Zylinders gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 einen topographischen Querschnitt bei 0,2 mm von der zylindrischen Bodenfläche des Zylinders von 2;
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4 einen topographischen Querschnitt bei 0,44 mm von der zylindrischen Bodenfläche des Zylinders von 2;
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5 Radialquerschnitte des Zylinders von 2 in einem Abstand von 1 mm;
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6 einen Schnitt eines anderen Zylinders gemäß der vorliegenden Erfindung;
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7 einen topographischen Querschnitt bei 0,2 mm von der zylindrischen Bodenfläche des Zylinders von 6;
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8 einen topographischen Querschnitt bei 0,44 mm von der zylindrischen Bodenfläche des Zylinders von 6;
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9 Radialquerschnitte des Zylinders von 6 in einem Abstand von 1 mm;
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10 einen Schnitt eines Zylinders gemäß der vorliegenden Erfindung;
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11 einen topographischen Querschnitt bei 0,2 mm von der zylindrischen Bodenfläche des Zylinders von 10;
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12 einen topographischen Querschnitt bei 0,44 mm von der zylindrischen Bodenfläche des Zylinders von 10;
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13 Radialquerschnitte des Zylinders von 10 in einem Abstand von 1 mm;
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14 einen Schnitt eines Zylinders gemäß der vorliegenden Erfindung;
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15 einen topographischen Querschnitt bei 0,2 mm von der zylindrischen Bodenfläche des Zylinders von 14;
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16 einen topographischen Querschnitt bei 0,44 mm von der zylindrischen Bodenfläche des Zylinders von 14;
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17 Radialquerschnitte des Zylinders von 14 in einem Abstand von 1 mm;
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18 einen Schnitt eines Zylinders gemäß der vorliegenden Erfindung;
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19 einen topographischen Querschnitt bei 0,2 mm von der zylindrischen Bodenfläche des Zylinders von 18;
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20 einen topographischen Querschnitt bei, 0,44 mm von der zylindrischen Bodenfläche des Zylinders von 18;
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21 Radialquerschnitte des Zylinders von 18 in einem Abstand von 1 mm;
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20 einen topographischen Schnitt einer anderen Zylinderlaufbuchse, der an den Spitzen der Dornen gezeigt wird; und
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23 einen topographischen Schnitt einer anderen Zylinderlaufbuchse, der an den Spitzen der Dornen gezeigt wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie in 1 gezeigt, weist die Zylinderlaufbuchse 1 gemäß der Erfindung eine aufgeraute Fläche 2 auf, die aus Dornen mit allgemein konischer oder Nadelform gebildet wird, wobei eine Oberfläche der Basis der Dornen größer als eine Oberfläche an einem Mittelpunkt oder an einer Spitze der Dornen ist.
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Zur Bildung der Zylinderlaufbuchse 1 wird eine Beschichtung auf das zum Gießen der Zylinderlaufbuchse verwendete Formwerkzeug aufgetragen, so dass die Beschichtung ihre Struktur auf die gegossene Zylinderlaufbuchse aufprägt. Es wird Schleudergussverfahren zum Gießen der Laufbuchse verwendet, so dass die Außenseite der Laufbuchse mit Dornen mit einer bestimmten Größe, Form und Dichte geprägt wird. Die Dornen weisen allgemein eine Höhe von zwischen 0,1 und 1,1 mm und eine Dichte von zwischen 110 und 300 Dornen/cm2 auf. In einer Form weisen die Dornen eine Höhe von zwischen 0,25 und 0,85 mm und eine Dichte von zwischen 110 und 190 Dornen/cm2 auf. Die Dichte kann durch verschiedene Bearbeitungsschritte der Beschichtung und dadurch, wie sie auf das Formwerkzeug aufgetragen wird, eingestellt werden. Die Dichte der Dornen kann dahingehend eingestellt werden, der Bearbeitungs- und Formtechnik des Motorblocks Rechnung zu tragen, um eine ordnungsgemäße Anordnung und Verbindung zwischen der Laufbuchse und dem Motorblock zu gewährleisten. Wenn der Motorblock zum Beispiel unter Verwendung einer Druckgusstechnik geformt wird, kann die Laufbuchse eine höhere Dichte von Dornen aufweisen, die in einem Beispiel im Bereich von 160–200 Dornen/cm2 liegt.
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Andere Motorblockformtechniken, wie zum Beispiel Präzisionsschwerkraftsandguss oder Niederdrucksandguss der Laufbuchsendorngeometrie, können eine geringere Dichte von Dornen umfassen, die eine verstärkte Öffnung oder Beabstandung zwischen den Dornen gestattet, um den Strom des Motorblockmaterials in die Dornenstrukturen vor dem Aushärten des Materials um die Zylinderlaufbuchsen herum zu erleichtern. Bei den Niederdrucksandgusstechniken kann die Laufbuchse eine Dornendichte von 120–160 Dornen/cm2 aufweisen.
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Die 2–21 zeigen Schnitte der gegossenen Zylinderlaufbuchse gemäß der Erfindung sowie topographische Bilder der Schnitte der Laufbuchse bei 0,2 mm und 0,4 mm von der Basis und Querschnittsansichten der Dornen. Zum Beispiel zeigt 2 einen Schnitt der aufgerauten Fläche 2 mit einer rauen Oberflächenstruktur im Vergleich zu der zylindrischen Bodendurchmesserfläche von 125%. Wie in 3 gezeigt, zeigt der zylindrische Querschnitt bei einem radialen Abstand von 0,2 mm vom Bodendurchmesser, dass 73,2% der Fläche mit Dornen bedeckt ist. Die Dornen weisen eine nadelförmige oder kegelförmige Struktur auf, so dass an höheren Stellen entlang dem Dorn weniger des Zylinders bedeckt ist. Wie in 4 zu sehen, zeigt der zylindrische Querschnitt bei 0,4 mm von dem Zylinderbodendurchmesser eine Bedeckung von nur 23,1%. Radialquerschnitte der Dornen in Abständen von 1 mm über den Zylinder sind in 5 zu sehen. Die einzigartigen wurmförmigen oder kraterförmigen Dornen der vorliegenden Erfindung weisen auch ein vergrößertes Umfangsmaß im Vergleich zu einem kreisförmigen oder ovalen Dorn auf.
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Die 6–9 zeigen einen anderen Schnitt einer aufgerauten Fläche 2 einer Zylinderlaufbuchse gemäß der Erfindung. Dieser Schnitt weist eine Querschnittsoberfläche bei 0,2 mm, die 77,6 % der zylindrischen Bodenfläche (7) bedeckt, und eine Querschnittsoberfläche bei 0,4 mm, die 29, 8% der zylindrischen Bodenfläche (8) bedeckt, auf. Die Dornenkonfiguration an Radialquerschnitten ist in 9 zu sehen.
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Die 10–13 zeigen eine andere aufgeraute Fläche 2 eines Zylinderlaufbuchsenschnitts gemäß der Erfindung, wobei dieser eine Querschnittoberfläche bei 0,2 mm (11), die 76,2% der zylindrischen Bodenfläche bedeckt, und eine Querschnittsoberfläche bei 0,4 mm (12), die 21,0 % der zylindrischen Bodenfläche bedeckt, aufweist. Die Dornenkonfiguration an Radialquerschnitten ist in 13 zu sehen.
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Die 14–17 zeigen einen anderen Zylinderlaufbuchsenschnitt, wobei dieser eine Querschnittsoberfläche bei 0,2 mm (15), die 67,8% der zylindrischen Bodenfläche bedeckt, und eine Querschnittsoberfläche bei 0,4 mm (16), die 26,4% der zylindrischen Bodenfläche bedeckt, aufweist. Die Dornenkonfiguration an Radialquerschnitten ist in 17 zu sehen.
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Die 18–21 zeigen einen anderen Zylinderlaufbuchsenschnitt, wobei dieser eine Querschnittsoberfläche bei 0,2 mm (19), die 83,3% der zylindrischen Bodenfläche bedeckt, und eine Querschnittsoberfläche bei 0,4 mm (20), die 40,2% der zylindrischen Bodenfläche bedeckt, aufweist. Die Dornenkonfiguration an Radialquerschnitten ist in 21 zu sehen.
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Die Dornen sind so angeordnet, dass sie sich in einem definierten Abstand von vorzugsweise 0,09–1,52 mm befinden.
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Die 22–23 zeigen topographische Bilder der Dornen und Abstandsmaße zwischen Spitzen der Dornen in der Zylinderlaufbuchse gemäß der Erfindung in einem 2-mm2-Schnitt. Die Dornenmaße werden auch an der Spitze jedes Dorns gemessen.
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Tabelle 1 zeigt die Masse der Dornen in dem in
22 gezeigten Schnitt. Tabelle 1
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Die Dornen in der in 22 gezeigten Laufbuchse sind in einem Abstand von zwischen 0,11 und 1,52 mm angeordnet.
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Tabelle 2 zeigt die Dornenmaße und -dichte einer anderen Zylinderlaufbuchse gemäß der Erfindung in einem in
23 gezeigten Querschnitt. Tabelle 2
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Hier sind die Dornen in einem Abstand von zwischen 0,09 und 1,33 mm angeordnet.
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Tabelle 3 zeigt die Dornenmaße und -dichte einer anderen Zylinderlaufbuchse gemäß der Erfindung. Hier weisen die Dornen einen Abstand von zwischen 0,18 und 1,3 mm auf. Tabelle 3
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Tabelle 4 zeigt Sammeldaten für alle drei oben beschriebenen Schnitte. Die Dornen gemäß der Erfindung weisen einen Abstand von zwischen 0,09 und 1,52 mm bei einer mittleren Beabstandung von 0,59 mm, gemessen von der Spitze eines Dorns zu der Spitze eines benachbarten Dorns, auf. Tabelle 4
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Die Maße der Tabellen 1–4 definieren ferner die Dornengeometrie, und die Maße sind zur Bezugnahme zusammengefasst. Die Fläche bezieht sich auf die Dornenfläche, wie an der Spitze jedes Dorns gemessen. Es wird eine Analysesoftware zur Bestimmung der verschiedenen Geometrien der Dornen verwendet. Eine dieser Bestimmungen ist eine Basis zum Klassifizieren der Kreisförmigkeit des Dorns. Die Software kann die Kreisförmigkeit basierend auf einem Basisdiagramm bestimmen, oder sie kann anhand verschiedener Messungen, wie zum Beispiel der kurzen und langen Maße jedes Dorns, bestimmt werden. Die Software kann auch schnell den Dornenabstand zwischen den Dornen bestimmen. Die geringere Dornenanzahl und längliche Form der Dornen gestattet eine offenere Struktur und vergrößert den Abstand zwischen den Dornen. Der vergrößerte Abstand kann gestatten, dass das Gussmaterial des Motorblocks um die Zylinderlaufbuchse herum die Außenfläche berührt und jegliche Spalte auf ein Minimum reduziert, um die Wärmeübertragung zwischen der Laufbuchse und dem Motorblock zu verbessern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7171935 [0004]
- US 7665440 [0004]
- DE 102009043566 A1 [0004]
- US 8402881 [0005]
