DE102017215335A1

DE102017215335A1 - Zylinderbohrung mit kolbenkinematisch variabler Bohrungsoberfläche, sowie Verfahren zum Herstellen der Zylinderbohrung

Info

Publication number: DE102017215335A1
Application number: DE102017215335.0A
Authority: DE
Inventors: Rainer Lach; Franz Weber; Hans-Günter Grosch
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2017-09-01
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2037-09-02
Also published as: CN107869402B; CN107869402A; DE102017215335B4; US10605194B2; US20180087468A1; RU2017131744A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zylinderbohrung (1), aufweisend eine Bohrungsoberfläche (2), wobei in der Zylinderbohrung ein Kolben (3) alternierend hin- und herbewegbar ist, wobei der Kolben (3) eine Druckseite (8) und eine Gegendruckseite (9) aufweist. Gemäß der Erfindung weist die Bohrungsoberfläche (2) an ihren jeweils zur Druckseite (8) und zur Gegendruckseite (9) weisenden Oberflächenbereichen (11, 12) in einem jeweils gleichen axialen Höhenbereich unterschiedliche Rauigkeitswerte auf. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Zylinderbohrung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinderbohrung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, aufweisend eine Bohrungsoberfläche, wobei ein Kolben, der eine Druckseite und eine Gegendruckseite aufweist, in der Zylinderbohrung alternierend hin- und herbewegbar ist. Die Erfindung betrifft aber auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zylinderbohrungsoberfläche.
Die Eigenschaft der Bohrungsoberfläche der Zylinderbohrung, die bevorzugt mittels Honverfahren endbearbeitet wird, wird mittels Rauigkeitswerten, hauptsächlich mit Rpk, Rk und Rvk beschrieben, wobei die Werte in der DIN 4776 offenbart sind. Eine Darstellung dazu ist in 1 gezeigt.
Dabei sollte die Rauigkeit einen möglichst geringen Betrag aufweisen, um die Einlaufzeit des Verbrennungsmotors zu verkürzen, den Ölverbrauch zu reduzieren und die Emissionen aufgrund verbrannten Öls zu reduzieren, wobei auch die Reibung zwischen dem Kolben bzw. seinen Kolbenringen und der Bohrungsoberfläche, die auch als Laufbahn bezeichnet werden kann, reduziert wurde, was sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch und somit auf die CO2-Emissionen auswirkte.
Dabei sind die Rauigkeitswerte Rpk und Rk möglichst gering, wobei der Rauigkeitswert Rvk abhängig von der Widerstandsbeständigkeit, und somit von Robustheit und Zuverlässigkeit des Verbrennungsmotors gewählt wird, um die oben genannten Vorteile zu erreichen. Das bedeutet, dass der Rauigkeitswert Rvk hauptverantwortlich für die Menge des in den Tälern zurückbehaltenen Öls ist, um dieses tribologische System hinreichend zu schmieren. Der Betrag des Rvk-Wertes muss das Verhalten der Kontaktoberflächen über die gesamte Lebensdauer des Verbrennungsmotors berücksichtigen und garantieren, so dass über die gesamte Lebensdauer eine exakte Funktion bereitgestellt wird.
Von daher weisen heutige Verbrennungsmotoren an ihrer Bohrungsoberfläche beispielhaft folgende Rauigkeitswerte auf: R_pk = 0.0–0.35 µm/R_k = 0.2–0.9 µm/R_vk = 0.8–2.3 µm.
Diese Werte sollten über die gesamte Bohrungsoberfläche identisch sein. Jedoch hat sich gezeigt, dass während eines Kolbenstillstands, also im oberen und unteren Totpunkt das hydrodynamische Verhalten aufgehoben wird und eine Mischreibung auftritt. Es sind von daher Bestrebungen bekannt, den Rauigkeitswert entlang der Bohrungsoberfläche zu variieren. Im oberen und unteren Totpunktabschnitt sollte ein höherer Rauigkeitswert Rvk vorgesehen werden als in einem dazwischen angeordneten Zwischenabschnitt. Dies bewirkt eine höhere Ölspeicherung in der raueren Oberfläche, so dass die Mischreibung und damit der Verschleiß reduziert ist. In dem Zwischenabschnitt, in welchem der Kolben zur Bohrungsoberfläche die größte Relativgeschwindigkeit aufweist, dagegen kann der Rauigkeitswert Rvk aufgrund des hydrodynamischen Verhaltens reduziert werden.
Aus der DE 695 05 467 T2 ist ein Zylinder mit verschiedenen Oberflächenzuständen bekannt geworden, wobei die Zylinderbohrungsoberfläche gehont wurde. Die Zylinderbohrungsoberfläche der DE 695 05 467 T2 weist in Hochrichtung gesehen drei unterschiedliche Abschnitte auf, von denen nur einer feingehont ist. Ein oberer Abschnitt, also ein oberer Totpunktabschnitt, und ein unterer Abschnitt, also ein unterer Totpunktabschnitt der Zylinderbohrungsoberfläche, ist jeweils grobgehont. Ein dazwischen angeordneter Mittelabschnitt ist feingehont. Die erhaltenen tiefen Täler der grobgehonten Oberflächen ermöglichen, dass darin Schmiermittel festgehalten wird, wodurch der Verschleiß reduziert wird. Auf dem glattgehonten Mittelabschnitt an dem die Kolbengeschwindigkeit bezüglich der Zylinderbohrungsoberfläche relativ hoch ist, wird eine hydrodynamische Schmierung vorgesehen.
In der DE 103 60 148 A1 ist eine Zylinderlaufbahn und ein Verfahren zur Herstellung der Zylinderlaufbahn offenbart. Die Zylinderlaufbahn weist eine gehonte Lauffläche auf, wobei mehrere Teilbereiche der Lauffläche mit Mikrostrukturen versehen sind. Die, die Mikrostrukturen aufweisenden Teilbereiche sind um einen oberen und einen unteren Totpunkt eines in der Zylinderlaufbahn geführten Kolbens vorgesehen. Die Mikrostrukturen sind mittels Laserbearbeitung in die betreffenden Teilbereiche eingebracht.
Eine Gleitanordnung zwischen einem Kolbenring und einer Zylinderlauffläche ist in der DE 11 2014 003 421 T5 offenbart. Dabei beschreibt auch die DE 11 2014 003 421 T5 , dass der Rauwert in einem oberen Totpunktbereich und in einem unteren Totpunktbereich jeweils größer ist als in einem mittleren Abschnitt.
Die WO 2015/192943 A1 befasst sich mit einem Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche eines Maschinenelements, also z.B. mit einer Zylinderlaufbahn eines Zylinders in einem Kurbelgehäuse oder der Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse. Dabei wird eine Substanz auf die Oberfläche mittels eines Plasma-Spritzprozesses zumindest abschnittsweise aufgebracht, wobei der Plasma-Spritzprozess derart gesteuert wird, dass sich eine definierte inhomogene Oberfläche ergibt. Durch den Plasma-Spritzprozess entstehen in der Oberflächenschicht Mikrostrukturen also Mikrokammern, die Ölhaltevolumen darstellen. Diese so hergestellte Schicht kann gehont werden, so dass die Kammern freigelegt werden. Gemäß der Lehre der WO 2015/192943 A1 ergibt sich durch das Honen in allen Bereichen der Zylinderlaufbahn ein sehr glatter Aufbau mit kleinen Mikrokammern als Ölhaltevolumen. Eine definierte mechanische Bearbeitung mittels Honverfahren, um unterschiedliche Oberflächenrauigkeiten zu erzeigen wird in der WO 2015/192943 A1 nicht thematisiert. Zwar kann davon ausgegangen werden, dass der Kolben eine Druckseite und eine Gegendruckseite aufweist. Jedoch werden die unterschiedlichen Belastungen des Kolbens an der Druckseite und Gegendruckseite gar nicht erwähnt.
Die DE 10 2015 219 702 A1 betrifft eine Hubkolbenmaschine mit zumindest einem in einem Zylinder verlagerbaren Kolben, wobei der Zylinder eine Mantelinnenfläche aufweist, die in einem Mittelabschnitt eine erste Porosität und in zumindest einem Endabschnitt eine zweite Porosität aufweist, wobei die zweite Porosität größer als die erste Porosität ist. Die unterschiedlichen Porositäten können zum einen durch Materialabtragung mittels Laserbehandlung gebildet werden, was sich besonders eignen würde, wenn der Motor aus Grauguss gefertigt ist. Zum anderen können die unterschiedlichen Porositäten mittels Materialauftrag z.B. durch Plasmaverfahren gebildet werden. Eine weitere Bearbeitung wird in der DE 10 2015 219 702 A1 nicht angesprochen. Zwar kann davon ausgegangen werden, dass der Kolben eine Druckseite und eine Gegendruckseite aufweist. Jedoch werden die unterschiedlichen Belastungen des Kolbens an der Druckseite und Gegendruckseite auch in der DE 10 2015 219 702 A1 gar nicht erwähnt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zylinderbohrung zur Verfügung zu stellen, deren Bohrungsoberfläche hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften mit einfachen Mitteln verbessert ist. Mit der Erfindung soll auch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Zylinderbohrung vorgestellt werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Zylinderbohrung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der verfahrenstechnische Aspekt der Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst, wobei die jeweiligen Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Mit der Erfindung wird eine Zylinderbohrung aufgezeigt, welche eine Bohrungsoberfläche aufweist, in der ein Kolben hin- und herbewegbar ist, wobei der Kolben eine Druckseite und eine in Umfangsrichtung dazu beabstandete Gegendruckseite hat. Die Druckseite ist bevorzugt gegenüberliegend zur Gegendruckseite angeordnet. Erfindungsgemäß weist die Bohrungsoberfläche an ihren jeweils zur Druckseite und zur Gegendruckseite weisenden Oberflächenbereichen in einem jeweils gleichen Höhenbereich unterschiedliche Rauigkeitswerte auf.
Die Kinematik des Kurbeltriebs eines Verbrennungsmotors führt zu mehrfachen Anlagewechseln des Kolbens an der Bohrungsoberfläche. Die unter dem Verbrennungsdruck nach dem oberen Totpunkt an der Zylinderwand, also an der Bohrungsoberfläche zur Anlage kommende Schaftfläche des Kolbens wird als Druckseite bezeichnet. Die in Umfangsrichtung dazu beabstandete, insbesondere gegenüberliegende Seite wird als Gegendruckseite bezeichnet. Die Druckseite ist im Arbeitstakt stärker belastet als die Gegendruckseite. Als Rauigkeitswert ist bevorzugt der Wert Rvk gemeint.
Zielführend im Sinne der Erfindung ist daher, wenn der zur Druckseite weisende Oberflächenbereich, also der bezogen auf die Gegendruckseite stärker belastetet Bereich, einen größeren Rauigkeitswert aufweist als der zur Gegendruckseite weisende Oberflächenbereich der Bohrungsoberfläche in einem identischen Höhenbereich. In beispielhafter Ausgestaltung kann die Rauigkeit Rvk an der Gegendruckseite glatt sein, wobei die Rauigkeit Rvk an der Druckseite in dem gleichen Höhenbereich an der Druckseite rau ist.
Selbstverständlich liegt es im Bereich der Erfindung, wenn der Rauigkeitswert entlang der Bohrungsoberfläche, also in Hochrichtung gesehen, an dem zur Druckseite orientierten Oberflächenbereich und an dem zur Gegendruckseite orientierten Oberflächenbereich unterschiedlich ist. Zielführend ist daher vorgesehen, dass die Bohrungsoberfläche an ihrem zur Druckseite weisenden Oberflächenbereich im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens eine andere Rauigkeit aufweist als im Bereich des unteren Totpunktes. Zielführend ist auch, wenn die Bohrungsoberfläche an ihrem zur Gegendruckseite weisenden Oberflächenbereich im Bereich des oberen Totpunktes des Kolbens eine andere Rauigkeit aufweist als im Bereich des unteren Totpunktes. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der zur Druckseite weisende Oberflächenbereich im Bereich des oberen Totpunktes rauer ist als der zur Druckseite weisende Oberflächenbereich im Bereich des unteren Totpunktes. Ebenso ist bevorzugt, dass der zur Gegendruckseite weisende Oberflächenbereich im Bereich des oberen Totpunktes rauer ist als der zur Gegendruckseite weisende Oberflächenbereich im Bereich des unteren Totpunktes.
Zwischen dem oberen und dem unteren Totpunktbereich ist ein Zwischenbereich angeordnet, welcher einen bezogen auf den Oberflächenbereich des oberen und unteren Totpunktes unterschiedlichen Rauigkeitswert hat.
Zweckmäßig ist dabei, wenn der Zwischenbereich in drei Abschnitte aufgeteilt ist. Dabei ist ein oberer Übergangsbereich vorgesehen, der sich direkt an den oberen Totpunktbereich in Richtung zum unteren Totpunktbereich anschließt. An dem oberen Übergangsbereich schließt sich ein Mittelbereich an, an dem sich wiederum ein unterer Übergangsbereich anschließt, an dem sich der untere Totpunktbereich anschließt. Mit dieser vorteilhaften Aufteilung der Zylinderbohrung wird den unterschiedlichen Relativgeschwindigkeiten des Kolbens zur Bohrungsoberfläche Rechnung getragen. Im Mittelbereich hat der Kolben jeweils die größte Geschwindigkeit. In den Übergangsbereichen nimmt die Geschwindigkeit zu oder ab, je nachdem im welche Richtung sich der Kolben bewegt. Bewegt sich der Kolben in Richtung zum oberen oder unteren Totpunktbereich, nimmt die Geschwindigkeit kontinuierlich ab. Bewegt sich der Kolben von oberen oder unteren Totpunktbereich in Richtung zum Mittelbereich, nimmt die Geschwindigkeit kontinuierlich zu. Idealerweise herrscht die identische Relativgeschwindigkeit in den Übergangsbereichen, beispielsweise an gedachten Linien innerhalb der Bereiche vor. Im oberen und unteren Totpunktbereich nimmt die Geschwindigkeit in Richtung zum oberen oder unteren Totpunkt kontinuierlich bis auf Null ab und erhöht sich dann wieder kontinuierlich wenn der Kolben von dem oberen und unteren Totpunkt weg orientiert bewegt wird.
Mit der Erfindung werden die unterschiedlichen kinematischen Bedingungen in den genannten Bereichen beachtet, indem an dem zur Druckseite weisenden Oberflächenbereich der Bohrungsoberfläche im oberen Übergangsbereich ein größerer Rauigkeitswert vorgesehen wird als in dem Mittelabschnitt und in dem unteren Übergangsbereich, wobei der Oberflächenbereich im oberen Totpunktbereich rauer ist als im unteren Totpunktbereich. An dem zur Gegendruckseite weisenden Oberflächenbereich der Bohrungsoberfläche ist im oberen Übergangsbereich ebenso ein größerer Rauigkeitswert Rvk vorgesehen als in dem Mittelabschnitt und in dem unteren Übergangsbereich, wobei der Oberflächenbereich im oberen Totpunktbereich ebenfalls rauer ist als im unteren Totpunktbereich.
Im Mittelabschnitt und im unteren Übergangsbereich kann an dem zur Druckseite weisenden Oberflächenbereich der Zylinderbohrung, also der Bohrungsoberfläche ein identischer Rauigkeitswert vorgesehen werden, der aber geringer ist als im unteren Totpunktbereich. Im Mittelabschnitt und im unteren Übergangsbereich kann an dem zur Gegendruckseite weisenden Oberflächenbereich der Zylinderbohrung, also der Bohrungsoberfläche ein identischer Rauigkeitswert vorgesehen werden, der aber geringer ist als im unteren Totpunktbereich.
Zwischen dem jeweils zur Druckseite und dem zur Gegendruckseite weisenden Oberflächenbereich sind Zwischensektoren angeordnet, welche bezogen auf die Rauigkeitswerte in dem oberen und unteren Totpunktbereich idealer Weise unterschiedliche Rauigkeitswerte aufweisen. Die Rauigkeitswerte in den Zwischensektoren sind zielführend geringer als in dem jeweils zur Druckseite und Gegendruckseite weisenden Oberflächenbereich. So kann die Zylinderbohrung quasi in Quadranten aufgeteilt sein, von denen ein Quadrant den Oberflächenbereich der Druckseite und ein anderer, dazu gegenüberliegender Quadrant den Oberflächenbereich der Gegendruckseite repräsentiert. Die jeweils dazwischen angeordneten Quadranten repräsentieren den Oberflächenbereich, der jeweils als Kolbenaugenbereich bezeichnet werden kann.
Ist die Zylinderbohrung in die oben erwähnten Abschnitte, also Höhenbereiche unterteilt, weist der zur Druckseite weisende Oberflächenbereich in den jeweiligen Abschnitten, also Höhenbereichen einen größeren Rauigkeitswert auf als die betreffenden Oberflächenbereiche in den Zwischensektoren. Der an der jeweils in den betreffenden Abschnitten zur Gegendruckseite weisende Oberflächenbereich weist analog eine größere Rauigkeit auf als in den betreffenden Oberflächenbereichen der Zwischensektoren. Jedoch ist idealer Weise vorgesehen, dass die Rauigkeitswerte der Oberflächenbereiche in dem Mittelabschnitt und dem unteren Übergangsabschnitt sowohl an dem jeweils zur Gegendruckseite weisenden Oberflächenbereich als auch in den Zwischensektoren identisch sind, wobei die betreffenden Oberflächenbereiche der Druckseite in dem jeweils gleichen Höhenbereich rauer sind.
Mit der Erfindung wird so eine Zylinderbohrung zur Verfügung gestellt, bei welcher die Kolbengeschwindigkeit aber auch die Seitenkräfte beachtet werden, um die ideale, sich verändernde Rauigkeit an der Bohrungsoberfläche bezogen auf die Position in Umfangsrichtung als auch auf die Position in Hochrichtung, also in den zugeordneten Höhenbereichen einzustellen.
Innerhalb der Oberflächenbereiche in denen hohe Seitenkräfte (Druckseite, Gegendruckseite) herrschen, ist ein höherer Rauigkeitswert Rvk vorgesehen, wobei aber an der gleichen Seite (Druckseite, Gegendruckseite) im unteren Bereich (unterer Totpunktbereich) eine glattere Bohrungsoberfläche vorgesehen ist.
Mit der Erfindung wird neuerdings also eine unterschiedliche Rauigkeit in Umfangsrichtung der Zylinderbohrung vorgeschlagen. Zudem ist noch eine veränderliche Oberflächenrauigkeit in Hochrichtung vorgesehen sein. So ist eine spezielle Bohrungsoberfläche mit spezieller Rauigkeitsverteilung erreichbar. Die Rauigkeitseinstellung ist also eine Funktion der Kolbengeschwindigkeit und der herrschenden Seitenkräfte.
Anhand der Folgenden Gleichungen kann die Oberflächenrauigkeit entlang der Zylinderbohrungshöhe bezüglich konventioneller Kurbelantriebskinematik spezifiziert werden: Gleichung 1: Kolbenhub (TDC α = 0°)
Gleichung 2: Kolbengeschwindigkeit (TDC α = 0°)
Gleichung 3: Seitenkraft Kolben
Insofern ist die Oberflächenrauigkeit Rvk eine Funktion der drei Terme, wobei λ der Quotient aus r/l ist, mit r als Kurbelradius und l als Pleuellänge. ω ist der Betrag der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle.
Anhand der Folgenden Gleichungen kann die Oberflächenrauigkeit entlang der Zylinderbohrungshöhe für eine Kurbelantriebskinematik mit Kurbelwellenversatz spezifiziert werden: Gleichung 4: Kolbenhub (TDC α = 0°)
Gleichung 5: Kolbengeschwindigkeit (TDC α = 0°)
Gleichung 6: Seitenkraft Kolben
Insofern ist die Oberflächenrauigkeit Rvk ebenso eine Funktion der drei Terme, wobei λ der Quotient aus r/l ist, mit r als Kurbelradius und l als Pleuellänge. ω ist der Betrag der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle. µ ist der Quotient aus a/l, mit a als Kurbelwellenversatz und l als Pleuellänge. Fz ist die resultierende vertikale Kolbenkraft basierend auf Massen- und Gaskräften.
Hohe Kolbenseitenkräfte erfordern insbesondere in Bereichen mit geringer Kolbengeschwindigkeit einen dickeren Ölfilm, so dass der Rauigkeitswert Rvk erfindungsgemäß hier angehoben wird, um die Ölspeicherfähigkeit der Bohrungsoberfläche anzuheben, so dass Verschleiß und Reibung diesbezüglich verbessert, also reduziert wird. Geringere Kolbenseitenkräfte, insbesondere in Bereichen hoher Kolbengeschwindigkeiten dagegen erlauben eine glattere Bohrungsoberfläche, so dass der Rvk Rauigkeitswert gemäß der Erfindung reduziert werden kann, um Verschleiß zu vermeiden und die Vorteile bezüglich der Reibung auszunutzen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer vorgenannten Zylinderbohrung. Dabei wird die Zylinderbohrung zunächst in bekannter Art gefertigt, wobei zur Endbearbeitung bevorzugt ein Honverfahren eingesetzt wird. Natürlich können auch andere geeignet Endbearbeitungsmethoden eingesetzt werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Bohrungsoberfläche an einem zur Druckseite weisenden Oberflächenbereich mit einem Rauigkeitswert hergestellt wird, welcher zu einem Rauigkeitswert an dem zur Gegendruckseite weisenden Oberflächenbereich in einem zum druckseitig jeweils gleichen axialen Höhenbereich unterschiedlich ist.
Zielführend im Sinne der Erfindung ist, wenn der zur Druckseite weisende Oberflächenbereich mit einen größeren Rauigkeitswert hergestellt wird als der zur Gegendruckseite weisende Oberflächenbereich der Bohrungsoberfläche. In bevorzugter Ausgestaltung kann die Rauigkeit Rvk an der Gegendruckseite glatt sein, wobei die Rauigkeit Rvk an der Druckseite rau ist.
In weiter möglicher Ausgestaltung wird die Bohrungsoberfläche mit in Umfangsrichtung gesehen verschiedenen Rauigkeiten hergestellt, wobei der zur Druckseite weisende Oberflächenbereich mit einen größeren Rauigkeitswert hergestellt wird als der zur Gegendruckseite weisende Oberflächenbereich der Bohrungsoberfläche, und wobei der jeweilige Oberflächenbereich in Zwischensektoren mit einem dazu weiter verringerten Rauigkeitswert hergestellt wird.
Idealer Weise wird die Bohrungsoberfläche nicht nur in Umfangsrichtung sondern auch in Hochrichtung mit variablen Rauigkeitswerten hergestellt. Dazu kann die Zylinderbohrung entlang ihrer Hochachse in aufeinander folgende Abschnitte, also Höhenbereiche unterteilt werden, in denen je nach Oberflächenbereich variable Rauigkeitswerte erzeugt werden.
1 zeigt ein Rauigkeitsdiagramm nach DIN 4776 (Zurückgezogen). Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
2 in schematischer Ansicht eine Zylinderbohrung in welcher ein Kolben hin- und herbewegbar ist,
3 eine Aufsicht auf die Zylinderbohrung aus 1,
4 eine Aufsicht auf die Zylinderbohrung aus 1, in Quadranten aufgeteilt,
5 eine Schnittansicht durch die Zylinderbohrung aus 1 ausgeteilt in Abschnitte entlang der Hochrichtung der Zylinderbohrung, und
6 eine Aufsicht auf die Zylinderbohrung aufgeteilt in Quadranten für jeden der Abschnitte aus 5.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
2 zeigt ein Zylinderbohrung 1, die eine Bohrungsoberfläche 2 aufweist. In der Zylinderbohrung 1 ist ein Kolben 3 hin- und herbewegbar. Der Kolben 3 ist über ein Pleuel 4 mit einer Kurbelwelle 6, die gestrichelt dargestellt ist, verbunden. An dem Kolben 3 ist der Pleuel 4 mittels eines Bolzens 7 (3) befestigt. Kolbenringe sind nicht dargestellt.
Die Kurbelwelle 6 dreht sich beispielhaft im Uhrzeigersinn, was mittels des Rotationspfeiles angedeutet ist.
Der Kolben 3 weist eine Druckseite 8 und eine Gegendruckseite 9 auf, welche in Umfangsrichtung gesehen zueinander beabstandet sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Druckseite 8 auf der linken Seite der Zeichnungsebene dargestellt, wobei die Gegendruckseite 9 dazu gegenüberliegend angeordnet ist (2).
Die Zylinderbohrung 1 ist Bestandteil eines Verbrennungsmotors, also eines Hubkolbenmotors, welcher natürlich auch mehrere Zylinderbohrungen haben kann.
Die Bohrungsoberfläche 2 weist einen zur Druckseite 8 weisenden Oberflächenbereich 11 und einen zur Gegendruckseite 9 weisenden Oberflächenbereich 12 auf (3), wobei die Rauigkeit, beispielsweise der Rauigkeitswert Rvk an den genannten Oberflächenbereichen 11 und 12 im jeweils gleichen Höhenbereich jeweils unterschiedlich ist. In bevorzugter Ausgestaltung weist der zur Druckseite 8 weisende Oberflächenbereich 11 eine höhere Rauigkeit auf als der dazu gegenüberliegende Oberflächenbereich 12, welcher zur Gegendruckseite 9 orientiert ist. In 3 ist lediglich der Kolbenbolzen 7 dargestellt, wobei der Kolben weggelassen wurde.
In der Aufsicht nach 4 ist erkennbar, dass die Zylinderbohrung 1 beispielhaft in vier Quadranten Q1 bis Q4 aufgeteilt ist. Der Quadrant Q1 soll den zur Gegendruckseite 9 orientierten Oberflächenbereich 12 repräsentieren. Der Quadrant Q3 stellt demnach den zur Druckseite 8 orientierten Oberflächenbereich 11 dar. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 sind keine Quadranten vorgesehen, so dass die Oberflächenbereiche 11 und 12 dort größer sind als bei dem Ausführungsbeispiel nach 4. Insofern ergibt sich eine variablere Herstellmöglichkeit der Zylinderbohrung 1 bezüglich der möglichen unterschiedlichen Rauigkeitswerte in den Quadranten Q1 bis Q4. Die Quadranten Q2 und Q4 stellen die Oberflächenbereiche 13, 14 dar, welche als Zwischensektoren zwischen den Oberflächenbereichen 11 und 12 angeordnet sind. In der Ebene der Zwischensektoren liegt auch die Kolbenbolzenachse X, wie der 4 zu entnehmen ist.
Beispielhaft ist vorgesehen, dass die Oberflächenbereiche 11 bis 14 der jeweiligen Quadranten variable Rauigkeiten aufweisen. So ist idealer vorgesehen, dass der Oberflächenbereich 11 welcher zur Druckseite 8 orientiert ist eine größere Rauigkeit aufweist als der dazu gegenüberliegende Oberflächenbereich 12, der zur Gegendruckseite 9 weist. Die Oberflächenbereiche 13, 14 in den Zwischensektoren Q2 und Q4 weisen eine demgegenüber geringere Rauigkeit auf.
Beispielhaft kann in dem Quadranten Q1, also in dem Oberflächenbereich 12, der zur Gegendruckseite 9 weist, eine Rauigkeit Rvk vorgesehen werden, die als glatt bezeichnet werden kann. In dem Quadranten Q3, also in dem Oberflächenbereich 11, der zur Druckseite 8 weist, kann eine Rauigkeit Rvk vorgesehen werden, die als rau bezeichnet werden kann. In den Oberflächenbereichen der Zwischensektoren Q2 und Q4 kann eine Rauigkeit Rvk vorgesehen werden, die als sehr glatt bezeichnet werden kann. Folgende Rauigkeitswerte Rvk können beispielhaft zur Beschreibung sehr glatt, glatt, rau und sehr rau herangezogen werden.

sehr glatt: 0,8 μm < Rvk < 1,2 μm

glatt: 1,2 μm < Rvk < 1,6 μm

rau: 1,6 μm < Rvk < 2,0 μm

sehr rauh: 2,0 μm < Rvk < 2,4 μm
In einer weiter möglichen Ausgestaltung der Erfindung weist die Bohrungsoberfläche 2 eine veränderliche Oberflächenrauigkeit sowohl in Umfangsrichtung betrachtet als auch in Hochrichtung der Zylinderbohrung 1 gesehen auf. Dies ist beispielhaft in den 5 und 6 schematisch dargestellt.
Die Zylinderbohrung 1 ist in Hochrichtung gesehen in fünf Abschnitte 16, 17, 18, 19 und 21, also Höhenbereiche unterteilt. Beispielhaft sind in dem jeweiligen Abschnitt Linien H1 bis H5 angeordnet, an denen der Kolben 3 jeweils eine gleiche Relativgeschwindigkeit zur betreffenden Bohrungsoberfläche der Zylinderbohrung aufweist. Bei der Linie H1 befindet sich der Kolben 3 im oberen Totpunkt und weist eine Geschwindigkeit von Null auf. Hier befindet sich der Kolben 3 im oberen Totpunktbereich 16, und bewegt sich in Richtung zum daran anschließenden oberen Übergangsbereich 17, und wird in seiner Geschwindigkeit beschleunigt. Bei der Linie H2 weist der Kolben eine bestimmte Geschwindigkeit auf. Der Kolben 3 wird weiter bewegt und gelangt in den sich an den oberen Übergangsbereich 17 anschließenden Mittelbereich 18. Bei der Linie H3 weist der Kolben eine bestimmte Geschwindigkeit auf, wobei die Geschwindigkeit im Mittelbereich 18 am größten ist. Der Kolben 3 wir weiter bewegt und gelangt in den sich an den Mittelbereich 18 anschließenden unteren Übergangsbereich 19. Bei der Linie H4 weist der Kolben eine bestimmte Geschwindigkeit auf. Der Kolben 3 wir weiter bewegt und gelangt in den sich an den unteren Übergangsbereich 19 anschließenden unteren Totpunktbereich 21. Bei der Linie H5 weist der Kolben die Geschwindigkeit Null auf. Insofern kann der Kolben 3 im Bereich des unteren Übergangsbereiches 19 bereits in seiner Geschwindigkeit reduziert werden, wobei diese kontinuierlich bis zum unteren Totpunkt auf Null reduziert wird. Bewegt sich der Kolben 3 von dem unteren Totpunktbereich 21 in Richtung zum oberen Totpunktbereich 16 ist die Geschwindigkeit analog zunächst zunehmend um dann wieder abzunehmen. An den gedachten Linien H1 bis H5 herrscht jeweils die identische Geschwindigkeit, wobei die Bewegungsrichtung des Kolbens 3 unterschiedlich alternierend ist.
Diese unterschiedlichen kinematischen Zuständen beachtend weist die Bohrungsoberfläche 2 in den jeweiligen Abschnitten 16 bis 21, also in den jeweils gleichen Höhenbereichen angepasste Rauigkeiten in den vier Quadranten Q1 bis Q4 auf.
Bei der Linie H1, also im oberen Totpunktbereich 16, weist der Oberflächenbereich 11 der zur Druckseite 8 weist (Quadrant Q3) einen Rauigkeitswert auf, der als sehr rau bezeichnet werden kann. Im Quadranten Q1 weist der Oberflächenbereich 12 der zur Gegendruckseite 9 weist eine geringere Rauigkeit auf, die als rau bezeichnet werden kann. Die Oberflächenbereiche 13 und 14 im Quadranten Q1 und Q4 weisen ebenfalls eine geringere Rauigkeit auf, welche als sehr glatt bezeichnet werden kann.
Bei der Linie H2, also im oberen Übergangsbereich 17, weist der Oberflächenbereich 11 der zur Druckseite 8 weist (Quadrant Q3) einen Rauigkeitswert auf, der als rau bezeichnet werden kann. Im Quadranten Q1 weist der Oberflächenbereich 12 der zur Gegendruckseite 9 weist eine geringere Rauigkeit auf, die als glatt bezeichnet werden kann. Die Oberflächenbereiche 13 und 14 im Quadranten Q1 und Q4 weisen ebenfalls eine geringere Rauigkeit auf, welche als sehr glatt bezeichnet werden kann.
Bei der Linie H3, also im Mittelbereich 18, weist der Oberflächenbereich 11 der zur Druckseite 8 weist (Quadrant Q3) einen Rauigkeitswert auf, der als glatt bezeichnet werden kann. Im Quadranten Q1 weist der Oberflächenbereich 12 der zur Gegendruckseite 9 weist eine geringere Rauigkeit auf, die als sehr glatt bezeichnet werden kann. Die Oberflächenbereiche 13 und 14 im Quadranten Q1 und Q4 weisen eine Rauigkeit auf, welche als sehr glatt bezeichnet werden kann.
Bei der Linie H4, also im unteren Übergangsbereich 19, weist der Oberflächenbereich 11 der zur Druckseite 8 weist (Quadrant Q3) einen Rauigkeitswert auf, der als glatt bezeichnet werden kann. Im Quadranten Q1 weist der Oberflächenbereich 12 der zur Gegendruckseite 9 weist eine geringere Rauigkeit auf, die als sehr glatt bezeichnet werden kann. Die Oberflächenbereiche 13 und 14 im Quadranten Q1 und Q4 weisen eine Rauigkeit auf, welche als sehr glatt bezeichnet werden kann.
Bei der Linie H5, also im unteren Totpunktbereich 21, weist der Oberflächenbereich 11 der zur Druckseite 8 weist (Quadrant Q3) einen Rauigkeitswert auf, der als rau bezeichnet werden kann. Im Quadranten Q1 weist der Oberflächenbereich 12 der zur Gegendruckseite 9 weist eine geringere Rauigkeit auf, die als glatt bezeichnet werden kann. Die Oberflächenbereiche 13 und 14 im Quadranten Q1 und Q4 weisen eine Rauigkeit auf, welche als sehr glatt bezeichnet werden kann.
In den Quadranten Q2 und Q4 weist der jeweilige Oberflächenbereich in den fünf Abschnitten 16 bis 21 eine identische Rauigkeit auf, die als sehr glatt bezeichnet werden kann. In dem Mittelbereich 18 und in dem unteren Übergangsbereich 19 weisen die Oberflächenbereiche 11, welche zur Druckseite 8 orientiert sind, identische Rauigkeiten auf, die als glatt bezeichnet werden können. Demgegenüber weisen die die Oberflächenbereiche 12, welche zur Druckseite 9 orientiert sind, identische Rauigkeiten auf, die aber als sehr glatt bezeichnet werden können.
So weist die Bohrungsoberfläche 2 in Hochrichtung und in Umfangsrichtung variable Rauigkeitswerte auf.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderbohrung
2: Bohrungsoberfläche
3: Kolben
4: Pleuel
5
6: Kurbelwelle
7: Bolzen
8: Druckseite
9: Gegendruckseite
10
11: Oberflächenbereich zu 8
12: Oberflächenbereich zu 9
13: Oberflächenbereich Zwischensektor
14: Oberflächenbereich Zwischensektor
15
16: Oberer Totpunktbereich
17: Oberer Übergangsbereich
18: Mittelbereich
19: Unterer Übergangsbereich
20
21: Unterer Totpunktbereich
H1, H2, H3, H4, H5: Linien in 16 bis 21
Q1 bis Q4: Quadranten
X: Kolbenbolzenachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69505467 T2 [0007, 0007]
DE 10360148 A1 [0008]
DE 112014003421 T5 [0009, 0009]
WO 2015/192943 A1 [0010, 0010, 0010]
DE 102015219702 A1 [0011, 0011, 0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 4776 [0002]
DIN 4776 [0037]

Claims

Zylinderbohrung, aufweisend eine Bohrungsoberfläche (2), wobei in der Zylinderbohrung ein Kolben (3) alternierend hin- und herbewegbar ist, wobei der Kolben (3) eine Druckseite (8) und eine Gegendruckseite (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsoberfläche (2) an ihren jeweils zur Druckseite (8) und zur Gegendruckseite (9) weisenden Oberflächenbereichen (11, 12) in einem jeweils gleichen axialen Höhenbereich unterschiedliche Rauigkeitswerte aufweist.
Zylinderbohrung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsoberfläche (2) an ihrem zur Druckseite (8) weisenden Oberflächenbereich (11) einen größeren Rauigkeitswert aufweist als an ihrem zur Gegendruckseite (9) weisenden Oberflächenbereich (12).
Zylinderbohrung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauigkeitswert der Bohrungsoberfläche (2) an ihrem zur Druckseite (8) weisenden Oberflächenbereich (11) und an ihrem zur Gegendruckseite weisenden Oberflächenbereich (12) entlang der Bohrungsoberfläche (2) in Hochrichtung gesehen unterschiedlich ist.
Zylinderbohrung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauigkeitswert in einem oberen Totpunktbereich (16) an dem zur Druckseite (8) weisenden Oberflächenbereich (11) größer ist, als in einem unteren Totpunktbereich (21) des zur Druckseite (8) weisenden Oberflächenbereiches (11).
Zylinderbohrung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauigkeitswert in einem oberen Totpunktbereich (16) an dem zur Gegendruckseite (9) weisenden Oberflächenbereich (12) größer ist, als in einem unteren Totpunktbereich (21) des zur Gegendruckseite (9) weisenden Oberflächenbereiches (12).
Zylinderbohrung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsoberfläche (2) Zwischensektoren aufweist, die mit ihren Oberflächenbereichen (13, 14) zwischen dem zur Druckseite (8) weisenden Oberflächenbereich (11) und dem zur Gegendruckseite (9) weisenden Oberflächenbereich (12) angeordnet sind, wobei die Rauigkeitswerte der Oberflächenbereiche (13, 14) in den Zwischensektoren geringer sind als in anderen Oberflächenbereichen (11, 12).
Zylinderbohrung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsoberfläche (2) in Hochrichtung gesehen in aufeinander folgende Abschnitte (16, 17, 18, 19, 21) aufgeteilt ist, wobei die Rauigkeit in den Abschnitten (16, 17, 18, 19, 21) in dem zur Druckseite (8) weisenden Oberflächenbereich (11) zu der Rauigkeit in dem zur Gegendruckseite (9) weisenden Oberflächenbereich (12) jeweils unterschiedlich ist.
Zylinderbohrung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsoberfläche (2) in Hochrichtung gesehen einen oberen Totpunktbereich (16) aufweist, dessen Rauigkeit in dem zur Druckseite (8) weisenden Oberflächenbereich (11) größer ist als die Rauigkeit in dem zur Gegendruckseite (9) weisenden Oberflächenbereich (12).
Zylinderbohrung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsoberfläche (2) in Hochrichtung gesehen einen oberen Übergangsbereich (17) aufweist, dessen Rauigkeit in dem zur Druckseite (8) weisenden Oberflächenbereich (11) größer ist als die Rauigkeit in dem zur Gegendruckseite (9) weisenden Oberflächenbereich (12).
Zylinderbohrung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsoberfläche (2) in Hochrichtung gesehen einen Mittelbereich (18) aufweist, dessen Rauigkeit in dem zur Druckseite (8) weisenden Oberflächenbereich (11) größer ist als die Rauigkeit in dem zur Gegendruckseite (9) weisenden Oberflächenbereich (12).
Zylinderbohrung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsoberfläche (2) in Hochrichtung gesehen einen unteren Übergangsbereich (19) aufweist, dessen Rauigkeit in dem zur Druckseite (8) weisenden Oberflächenbereich (11) größer ist als die Rauigkeit in dem zur Gegendruckseite (9) weisenden Oberflächenbereich (12).
Zylinderbohrung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsoberfläche (2) in Hochrichtung gesehen den unteren Totpunktbereich (21) aufweist, dessen Rauigkeit in dem zur Druckseite (8) weisenden Oberflächenbereich (11) größer ist als dessen Rauigkeit in dem zur Gegendruckseite (9) weisenden Oberflächenbereich (12).
Verfahren zur Herstellung einer Zylinderbohrung (1) aufweisend eine Bohrungsoberfläche (2), wobei in der Zylinderbohrung (1) ein Kolben (3) alternierend hin- und herbewegbar ist, wobei der Kolben (3) eine Druckseite (8) und eine Gegendruckseite (9) aufweist, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsoberfläche (2) an einem zur Druckseite (8) weisenden Oberflächenbereich (11) mit einem Rauigkeitswert hergestellt wird, welcher zu einem Rauigkeitswert an dem zur Gegendruckseite (9) weisenden Oberflächenbereich (12) in einem zum druckseitig jeweils gleichen axialen Höhenbereich unterschiedlich ist.
Verfahren zur Herstellung einer Zylinderbohrung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsoberfläche (2) an dem zur Druckseite (8) weisenden Oberflächenbereich (11) mit einem größeren Rauigkeitswert hergestellt wird, als an dem zur Gegendruckseite (9) weisenden Oberflächenbereich (12).
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungsoberfläche (2) mit in Umfangsrichtung gesehen verschiedenen Rauigkeiten hergestellt, wobei der zur Druckseite (8) weisende Oberflächenbereich (11) mit einen größeren Rauigkeitswert hergestellt wird als der zur Gegendruckseite (9) weisende Oberflächenbereich (12) der Bohrungsoberfläche (2), und wobei der jeweilige Oberflächenbereich (13, 14) in Zwischensektoren mit einem dazu weiter verringerten Rauigkeitswert hergestellt wird.