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Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse für einen Kolbenmotor mit einer inneren Mantelfläche und einer äußeren Mantelfläche, wobei der Querschnitt der inneren Mantelfläche im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Kolbenmotor mit einer erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse.
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Verbrennungsmotoren, bei denen die Energie eines Kraftstoffes durch Verbrennung in kinetische Energie umgesetzt wird, weisen zum Antrieb Kolben auf, die in Zylindern geführt sind. An die Materialeigenschaften der Zylinder sind hierbei hohe Anforderungen gestellt, da beispielsweise eine möglichst reibungsarme Führung des Kolbens, eine hohe Verschleißfestigkeit und eine gute Wärmeableitung sichergestellt sein sollen. Um den hohen Anforderungen an die Materialeigenschaften gerecht zu werden, kommen Zylinderlaufbuchsen zur Verwendung, die aus einem anderen Material, beispielsweise einer anderen Metalllegierung, als der übrige Teil des Motorblocks hergestellt sind. Die Zylinderlaufbuchsen werden hierbei in den Motorblock eingesetzt oder auch in den Motorblock eingegossen.
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Insbesondere beim Eingießen der Zylinderlaufbuchsen in einen Motorblock, insbesondere in einem aus Aluminium bestehenden Motorblock, ist eine gute Anbindung der Zylinderlaufbuchse zu dem Motorblockmaterial von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise könnte eine Ablösung einer Zylinderlaufbuchse vom Motorblock zu einer Zerstörung des Motors führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Zylinderlaufbuchse für einen Kolbenmotor vorzuschlagen, bei der eine gute Anbindung der Zylinderlaufbuchse zu dem Motorblockmaterial ermöglicht ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Zylinderlaufbuchse nach dem Patentanspruch 1. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei einer Zylinderlaufbuchse für einen Kolbenmotor mit einer inneren Mantelfläche und einer äußeren Mantelfläche, wobei der Querschnitt der inneren Mantelfläche im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist, ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass die äußere Mantelfläche zumindest abschnittsweise eine strukturierte Oberfläche aufweist, und dass die strukturierte Oberfläche durch einzelne zumindest abschnittsweise pyramidenförmige Pyramidenstrukturen ausgebildet ist.
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Eine Zylinderlaufbuchse kann im Wesentlichen hohlzylinderförmig aufgebaut sein und beispielsweise aus Gusseisen bestehen. Die Zylinderlaufbuchse weist somit eine Innenwandung und eine Außenwandung auf, wobei die Innenwandung eine innere Mantelfläche und die Außenwandung eine äußere Mantelfläche darstellen. Der Querschnitt der Außenwandung sowie der Querschnitt der Innenwandung können rotationssymmetrisch, insbesondere kreisrund, ausgebildet sein und konzentrisch zueinander angeordnet sein. Die innere Mantelfläche bildet hierbei die Lauffläche für den zu führenden Kolben des Verbrennungsmotors. Die äußere Mantelfläche bildet die Kontaktfläche zu dem Motorblockmaterial. Die innere Mantelfläche kann hierbei an die für einen effizienten Kolbenlauf benötigten Gegebenheiten, insbesondere an die gewünschte Schmierstoffverteilung, angepasst sein. Die äußere Mantelfläche, also die Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse, die beim Umgießen mit dem Gießmaterial des Motorblocks in Berührung kommt, weist eine strukturierte Oberfläche auf. Die strukturierte Oberfläche besteht aus einzelnen, vorzugsweise nebeneinander angeordneten Strukturen. Insbesondere kann die gesamte äußere Mantelfläche mit Pyramidenstrukturen besetzt sein. Die einzelnen Strukturen sind hierbei zumindest abschnittsweise pyramidenförmig ausgebildet. Die Pyramidenstrukturen sind hierbei so ausgebildet, dass die Spitzen der Pyramiden sich von der äußeren Mantelfläche abheben, also von der äußeren Mantelfläche ausgehend nach außen gerichtet sind. Ein Motorblock, in dem eine erfindungsgemäße Zylinderlaufbuchse zur Verwendung kommt, kann beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Zum Gießen des Motorblocks können beispielsweise Schwerkraft- bzw. Niederdruckgussverfahren zur Verwendung kommen. Durch die strukturierte Oberfläche der äußeren Mantelfläche wird eine hohe Anbindung der beispielsweise aus Gusseisen bestehenden Zylinderlaufbuchse an das Motorblockmaterial, also beispielsweise an das Aluminium des Motorblocks, erreicht, da beim Umgießen entstehende Oxidschichten der Aluminiumschmelze permanent durch die pyramidenartigen Strukturen aufgerissen werden. Hierdurch wird die Anbindung der Metalle Gusseisen und Aluminium gefördert. Somit kann eine besonders sichere Verbindung der Zylinderlaufbuchsen mit dem Material des Motorblocks erreicht werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Pyramidenstrukturen jeweils eine quadratische oder jeweils eine rautenförmige Grundfläche auf. Die pyramidenartigen Strukturen können eine rautenförmige oder jeweils eine rechteckförmige, insbesondere quadratische, Grundfläche aufweisen. Bei den rautenförmigen Grundflächen sind die einander gegenüberliegenden Winkel sowie die einander gegenüberliegenden Seiten gleich groß bzw. gleich lang. Durch die rechteckigen bzw. rautenförmigen Grundflächen kann die gesamte Oberfläche der äußeren Mantelfläche durch die Pyramidenstrukturen ausgebildet bzw. besetzt sein. Insbesondere können die Pyramidenstrukturen rasterförmig nebeneinander angeordnet sein. Somit ist eine platzeffiziente Anordnung der Pyramidenstrukturen gegeben.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Grundflächen der Pyramidenstrukturen in einem Raster angeordnet und die einander entsprechenden Seiten der Grundflächen benachbarter Pyramidenstrukturen sind parallel zueinander angeordnet. Die einander entsprechenden Seiten der Grundflächen von benachbarten Pyramidenstrukturen sind parallel zueinander angeordnet. Beispielsweise können zwei Außenseiten der quadratischen Grundflächen zweier benachbarter Pyramidenstrukturen übereinander bzw. direkt nebeneinander liegen, während die parallel hierzu ausgerichteten Außenseiten der beiden Grundflächen ebenfalls parallel zueinander angeordnet sind. Somit ist eine vollständige Besetzung der äußeren Mantelfläche mit Pyramidenstrukturen ermöglicht.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Pyramidenstrukturen durch Pyramidenstümpfe ausgebildet. Die Pyramidenstrukturen können auch durch Pyramidenstümpfe ausgebildet sein. Hierbei weisen die Pyramidenstrukturen also anstelle einer Spitze eine abgeflachte Seite auf. Durch die Pyramidenstümpfe kann eine verbesserte Anbindung des Gussmaterials des Motorblocks an die Zylinderlaufbuchse erreicht werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt der Abstand zwischen den Spitzen zweier benachbarter Pyramidenstrukturen zwischen 0,5 mm und 4 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 3 mm. Insbesondere kann der Abstand zwischen den Spitzen zweier benachbarter Pyramidenstrukturen zwischen 1 mm und 3 mm betragen. Hierdurch kann ein optimaler Abstand der Pyramidenstrukturen zueinander erreicht sein, um ein Aufreißen einer beim Gießverfahren entstehenden Oxidschicht der Aluminiumschmelze des Motorblocks sicherzustellen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die Höhe der Pyramidenstrukturen zwischen 0,2 mm und 0,8 mm, insbesondere zwischen 0,25 mm und 0,75 mm. Die Höhe der Pyramidenstrukturen kann insbesondere zwischen 0,25 mm und 0,75 mm betragen, so dass eine gute Anbindung der Zylinderlaufbuchse an das Motorblockmaterial dadurch gegeben ist, dass eine beim Gießen des Motorblocks zwischenzeitlich entstehende Oxidschicht an den Pyramidenstrukturen aufgebrochen wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine der Diagonalen einer Grundfläche einer Pyramide parallel zur Symmetrielängsachse der Zylinderlaufbuchse angeordnet. Die Zylinderlaufbuchse ist im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet. Somit weist die Zylinderlaufbuchse eine Symmetrielängsachse auf, die durch die Mittelachse des Hohlzylinders gegeben ist. Die Pyramidenstrukturen weisen rautenförmige oder rechteckige Grundflächen auf, wobei die Ecken der Flächen durch Diagonalen miteinander verbunden sind. Eine der Diagonalen ist parallel zur Symmetrielängsachse der Zylinderlaufbuchse angeordnet. Somit sind beispielsweise Außenkanten einer quadratischen Grundfläche in einem Winkel von 45° zur Symmetrielängsachse der Zylinderlaufbuchse angeordnet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist bei einer rautenförmigen Grundfläche die kürzere Diagonale der Grundfläche parallel zur Symmetrielängsachse der Zylinderlaufbuchse angeordnet. Eine rautenförmige Grundfläche einer Pyramidenstruktur weist zwei Diagonale auf, die jeweils die einander gegenüberliegenden Ecken der Grundfläche miteinander verbinden. Bei einer rautenförmigen Grundfläche ist hierbei eine Diagonale kürzer als die andere Diagonale ausgebildet. Vorzugsweise sind die kürzeren Diagonalen der Grundflächen parallel zur Symmetrielängsachse der Zylinderlaufbuchse angeordnet.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind der Querschnitt der inneren Mantelfläche und der Querschnitt der äußeren Mantelfläche konzentrisch zueinander angeordnet. Zylinderlaufbuchsen können im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet sein, so dass der Querschnitt der inneren Mantelfläche sowie der Querschnitt der äußeren Mantelfläche jeweils kreisrund ausgebildet sind. Durch die hohlzylindrische Form sind der Querschnitt der äußeren Mantelfläche und der Querschnitt der inneren Mantelfläche konzentrisch zueinander angeordnet.
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Weiterhin betrifft die Erfindung einen Kolbenmotor mit einer erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse. In Kolbenmotoren werden Zylinderlaufbuchsen eingesetzt, um die hohen Anforderungen, die an die Lauffläche der Kolben gestellt werden, erfüllen zu können. Eine erfindungsgemäße Zylinderlaufbuchse weist eine strukturierte äußere Mantelfläche auf. Die strukturierte Mantelfläche besteht hierbei aus einzelnen pyramidenförmigen Strukturen, wobei die Pyramidenspitze, bzw. die abgeflachten Flächen bei Pyramidenstümpfen, von der äußeren Mantelfläche nach außen gerichtet sind. Durch die strukturierte Oberfläche ist eine besonders gute Anbindung des Materials der Zylinderlaufbuchse beispielsweise Gusseisen, an das Material des Motorblocks, beispielsweise Aluminium, gegeben, da beim Gießen des Motorblocks eine zwischenzeitlich entstehende Oxidschicht der Aluminiumschmelze von den pyramidenförmigen Pyramidenstrukturen der Zylinderlaufbuchse permanent aufgerissen wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen die schematischen Darstellungen in:
- 1a: eine Zylinderlaufbuchse mit einer durch Pyramidenstrukturen mit quadratischen Grundflächen ausgebildeten strukturierten Oberfläche;
- 1 b: eine Detailansicht der Pyramidenstrukturen mit quadratischen Grundflächen;
- 2a: eine Zylinderlaufbuchse mit einer strukturierten Oberfläche aus Pyramidenstrukturen mit rautenförmigen Grundflächen;
- 2b: eine Detailansicht der Pyramidenstrukturen mit rautenförmigen Grundflächen;
- 3a: eine Zylinderlaufbuchse mit einer strukturierten Oberfläche aus Pyramidenstumpfstrukturen mit quadratischen Grundflächen;
- 3b: eine Detailansicht der Pyramidenstumpfstrukturen mit quadratischen Grundflächen;
- 4a: eine Zylinderlaufbuchse mit einer strukturierten Oberfläche aus Pyramidenstumpfstrukturen mit rautenförmigen Grundflächen; und
- 4b: eine Detailansicht der Pyramidenstumpfstrukturen mit rautenförmigen Grundflächen;
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In 1a ist eine Zylinderlaufbuchse 1 mit einer inneren Mantelfläche 2 und einer äußeren Mantelfläche 3 dargestellt. Durch die innere Mantelfläche 2 ist hierbei eine Lauffläche für einen Kolben gebildet. Die äußere Mantelfläche 3 weist eine strukturierte Oberfläche auf, wobei die Strukturierung durch Pyramidenstrukturen 4 ausgebildet ist. Die Pyramidenstrukturen 4 weisen jeweils eine quadratische Grundfläche 5 auf. Jede quadratische Grundfläche 5 weist zwei Diagonalen 6, 7 auf, die die Eckpunkte der quadratischen Grundfläche 5 verbinden. Eine Diagonale 7 der quadratischen Grundfläche 5 ist parallel zur Symmetrielängsachse der Zylinderlaufbuchse 1 angeordnet.
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In 1b ist eine Detailansicht der strukturierten Oberfläche einer Zylinderlaufbuchse 1 dargestellt. Die Außenseiten der quadratischen Grundflächen 5 sind parallel zueinander angeordnet, so dass die Pyramidenstrukturen 4 in einem Raster angeordnet sind.
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In 2a ist eine Zylinderlaufbuchse 1 gemäß 1a dargestellt, bei der die Pyramidenstrukturen 4 jeweils eine rautenförmige Grundfläche 8 aufweisen. Die rautenförmigen Grundflächen 8 weisen Diagonalen 9,10 auf, die die Eckpunkte der Grundflächen 8 verbinden. Eine Diagonale 10 ist hierbei kürzer als die andere Diagonale 9 ausgebildet. Die kürzeren Diagonalen 10 sind parallel zur Symmetrielängsachse der Zylinderlaufbuchse 1 angeordnet.
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In 2b ist eine Detailansicht der Pyramidenstrukturen 4 mit rautenförmigen Grundflächen 8 dargestellt. Die Außenkanten der rautenförmigen Grundflächen 8 sind parallel zueinander dargestellt.
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In 3a ist eine Zylinderlaufbuchse 1 gemäß 1a mit Pyramidenstrukturen 4 dargestellt, wobei die Pyramidenstrukturen 4 durch Pyramidenstümpfe 12 ausgebildet sind. Die Pyramidenstümpfe 12 weisen anstatt einer Pyramidenspitze eine flache Ebene 11 auf.
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In 3b ist eine Detailansicht der strukturierten Oberfläche einer Zylinderlaufbuchse 1 mit durch Pyramidenstümpfe 12 ausgebildeten Pyramidenstrukturen 4, die die strukturierte Oberfläche der äußeren Mantelfläche 3 bilden, dargestellt.
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In 4a ist eine Zylinderlaufbuchse 1 gemäß 1a mit Pyramidenstrukturen 4 dargestellt, wobei die Pyramidenstrukturen 4 durch Pyramidenstümpfe 12 ausgebildet sind und wobei die Pyramidenstrukturen 4 jeweils eine rautenförmige Grundfläche 8 aufweisen. Die Pyramidenstümpfe weisen anstatt einer Pyramidenspitze eine flache Ebene 11 auf.
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In 4b ist eine Detailansicht der strukturierten Oberfläche einer Zylinderlaufbuchse 1 mit Pyramidenstümpfen 12 dargestellt, wobei die Pyramidenstümpfe rautenförmigen Grundflächen 8 aufweisen.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind in einer beliebigen Auswahl mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche kombinierbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle im Rahmen der Erfindung sinnvollen Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
