DE102022105774A1 - Method for machining a crankcase and crankcase - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Bearbeiten eines Kurbelgehäuses, umfassend die Schritte:- Bereitstellen eines Kurbelgehäuses, umfassend zumindest eine Zylinderbohrung, welche sich entlang einer Zylinderachse erstreckt;- Aufbringen einer Beschichtung auf die Zylinderbohrung entlang der Zylinderachse über ein thermisches Spritzverfahren;- Variieren der Spritzparameter beim Beschichten entlang der Zylinderachse zum Erzeugen einer Beschichtung, welche entlang der Zylinderachse unterschiedliche Eigenschaften aufweist.Method for machining a crankcase, comprising the steps: - Providing a crankcase comprising at least one cylinder bore which extends along a cylinder axis; - Applying a coating to the cylinder bore along the cylinder axis via a thermal spray process; - Varying the spray parameters when coating along the Cylinder axis for creating a coating that has different properties along the cylinder axis.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Kurbelgehäuses sowie ein Kurbelgehäuse.The present invention relates to a method for machining a crankcase and a crankcase.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Zylinderbohrungen von Kurbelgehäusen zum Erzeugen von Laufflächen zu beschichten. Hierzu werden oftmals thermische Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise das Lichtbogendrahtspritzen, verwendet. Eine Herausforderung, die sich hierbei stellt, besteht darin, sicherzustellen, dass die Beschichtung dauerhaft hält, also nicht abplatzt oder dergleichen. Hierzu wird die Oberfläche der Zylinderbohrung vor dem Aufbringen der Beschichtung in geeigneter Weise aktiviert, wobei hierunter insbesondere ein mechanisches Aufrauen zu verstehen ist. Die
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bearbeiten eines Kurbelgehäuses sowie ein Kurbelgehäuse anzugeben, wobei die bekannten Verfahren und Kurbelgehäuse weiter optimiert werden sollen, um die Effizienz im Betrieb zu steigern und die Kosten bei der Herstellung zu reduzieren.It is therefore an object of the present invention to provide a method for machining a crankcase and a crankcase, whereby the known methods and crankcases are to be further optimized in order to increase operational efficiency and reduce manufacturing costs.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Kurbelgehäuse gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und der beigefügten Figur.This object is achieved by a method according to claim 1 and by a crankcase according to
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Bearbeiten eines Kurbelgehäuses die Schritte:
- - Bereitstellen eines Kurbelgehäuses, umfassend zumindest eine Zylinderbohrung, welche sich entlang einer Zylinderachse erstreckt;
- - Aufbringen einer Beschichtung auf die Zylinderbohrung entlang der Zylinderachse über ein thermisches Spritzverfahren;
- - Variieren der Spritzparameter beim Beschichten entlang der Zylinderachse zum Erzeugen einer Beschichtung, welche entlang der Zylinderachse unterschiedliche Eigenschaften aufweist.
- - Providing a crankcase comprising at least one cylinder bore which extends along a cylinder axis;
- - Applying a coating to the cylinder bore along the cylinder axis via a thermal spray process;
- - Varying the spray parameters when coating along the cylinder axis to produce a coating that has different properties along the cylinder axis.
Es wurde gefunden, dass über ein bedarfs- oder belastungsgerechtes Beschichten viele Vorteile gewonnen werden können, sei es hinsichtlich der erreichbaren Effizienz im Betrieb, welche sich im Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors widerspiegelt oder auch hinsichtlich des benötigten Ressourceneinsatzes beim Beschichten. Erreicht wird, dies, indem die Spritz-/Prozessparameter beim Beschichten variiert werden. Dabei wird dem Umstand Rechnung getragen, dass der Kolben entlang der Zylinderachse ein Geschwindigkeitsprofil durchläuft, mit einer Maximalgeschwindigkeit zwischen den Kolbenumkehrpunkten und der Geschwindigkeit 0 im Bereich der Kolbenumkehrpunkte. Es wurde erkannt, dass die Zylinderlauffläche unterschiedlichen Belastungen und tribologischen Zuständen ausgesetzt ist und dass dies mit Vorteil die Ausbildung der Zylinderlauffläche beeinflussen sollte. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Verwendung thermischer Spritzverfahren, da über die Spritzparameter der Beschichtungsauftrag und damit die Ausbildung der Beschichtung/Zylinderlauffläche flexibel und schnell einstellbar sind.It has been found that many advantages can be gained by coating according to needs or load, be it in terms of the efficiency that can be achieved in operation, which is reflected in the fuel consumption of the internal combustion engine, or also in terms of the use of resources required during coating. This is achieved by varying the spray/process parameters during coating. This takes into account the fact that the piston runs through a speed profile along the cylinder axis, with a maximum speed between the piston reversal points and speed 0 in the area of the piston reversal points. It was recognized that the cylinder running surface is exposed to different loads and tribological conditions and that this should advantageously influence the design of the cylinder running surface. The use of thermal spraying processes is particularly advantageous in this context, since the coating application and thus the formation of the coating/cylinder running surface can be adjusted flexibly and quickly via the spraying parameters.
Die vorgenannten Eigenschaften, welche bevorzugt unterschiedlich ausgebildet sind, sind gemäß bevorzugter Ausführungsformen unter anderem die Härte und/oder die Porosität der Beschichtung.According to preferred embodiments, the aforementioned properties, which are preferably designed differently, include the hardness and/or the porosity of the coating.
Thermische Beschichtungsverfahren, auch „thermisches Spritzen“ genannt, sind Oberflächenbeschichtungsverfahren. Hierbei werden Zusatzwerkstoffe (auch: Spritzzusätze genannt) innerhalb oder außerhalb einer Wärmequellen, wie eines Spritzbrenners, ab-, an- oder aufgeschmolzen, in einem Gasstrom in Form von Spritzpartikeln beschleunigt und auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils geschleudert.Thermal coating processes, also called “thermal spraying”, are surface coating processes. Here, additional materials (also called spray additives) are melted, melted or melted inside or outside a heat source, such as a spray torch, accelerated in a gas stream in the form of spray particles and thrown onto the surface of the component to be coated.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Variieren der Spritzparameter derart, dass die Beschichtung im Bereich der Kolbenumkehrpunkte eine höhere Härte aufweist als dazwischen.
- - Vary the spraying parameters in such a way that the coating has a higher hardness in the area of the piston reversal points than in between.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren außerdem den Schritt:
- - Variieren der Spritzparameter derart, dass die Beschichtung im Bereich zwischen den Kolbenumkehrpunkten eine höhere Porosität aufweist als im Bereich der Kolbenumkehrpunkte.
- - Vary the spray parameters in such a way that the coating has a higher porosity in the area between the piston reversal points than in the area of the piston reversal points.
So wurde herausgefunden, dass es beispielsweise nicht nötig ist, dass die Beschichtung zwischen den Kolbenumkehrpunkten die gleiche Härte aufweist als an oder im Bereich der Kolbenumkehrpunkte. In ähnlicher Weise weist die Beschichtung entlang der Zylinderachse zweckmäßigerweise nicht die gleiche Porosität auf. Tatsächlich ist diese mit Vorteil zwischen den Kolbenumkehrpunkten größer als an oder im Bereich der Kolbenumkehrpunkte. Eine erhöhte Porosität im Bereich zwischen den Kolbenumkehrpunkten kann zur Sicherstellung eines ausreichenden Ölfilms eben dort dienen, wo die Kolbengeschwindigkeiten am höchsten sind, da die Porosität mit Vorteil kleinste Öltaschen formt.For example, it was found that it is not necessary for the coating between the piston reversal points to have the same hardness as at or in the area of the piston reversal points. Similarly, the coating conveniently does not have the same porosity along the cylinder axis. In fact, this is advantageously larger between the piston reversal points than at or in the area of the piston reversal points. Increased porosity in the area between the piston reversal points can serve to ensure a sufficient oil film precisely where the piston speeds are highest, since the porosity advantageously forms the smallest oil pockets.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Spritzverfahren vorliegend Lichtbogenspritzen (auch: Lichtbogendrahtspritzen). Hierbei wird zwischen mehreren, beispielsweise zwei, drei oder vier, drahtförmigen Spritzwerkstoffen gleicher oder unterschiedlicher Art ein Lichtbogen gezündet. Die Drahtspitzen werden bei einer Temperatur von rund 4000 °C abgeschmolzen und mittels eines Gasstroms auf die Werkstückoberfläche geblasen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als Drahtwerkstoff ein Eisenwerkstoff (FeC) verwendet. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich vorwiegend auf das Lichtbogendrahtspritzen. Dem Fachmann ist es allerdings möglich, auch andere Spritzverfahren, wie beispielsweise das Kaltgasspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Atmosphärisches Plasmaspritzen, wobei diese Aufzählung nicht abschließend zu verstehen ist, entlang der Zylinderachse mit unterschiedlichen Prozessparametern auszuführen, sodass das Lichtbogendrahtspritzen als ein Beispiel zu verstehen ist, bei welchem die Variation allerdings gut durchführbar ist.According to a preferred embodiment, the spraying process in the present case is arc spraying (also: arc wire spraying). Here, an arc is ignited between several, for example two, three or four, wire-shaped spray materials of the same or different types. The wire tips are melted at a temperature of around 4000 °C and blown onto the workpiece surface using a gas stream. According to a preferred embodiment, an iron material (FeC) is used as the wire material. The following statements relate primarily to arc wire spraying. However, it is possible for the person skilled in the art to also carry out other spraying processes, such as cold gas spraying, high-speed flame spraying or atmospheric plasma spraying, although this list is not intended to be exhaustive, along the cylinder axis with different process parameters, so that arc wire spraying is to be understood as an example in which However, the variation is easily feasible.
Die vorgenannten Prozessparameter, welche zweckmäßigerweise variiert/geändert werden können, sind allgemein bzw. beim Lichtbogendrahtspritzen insbesondere: der Druck des Gasstroms, der Volumenstrom des Gasstroms, die Leistung der Wärmequelle, insbesondere beispielsweise die elektrische Spannung und der elektrische Strom, sowie die Geschwindigkeit (m/s) der Zuführung des Spritzwerkstoffs, mit anderen Worten des Drahtvorschubs, wie beispielsweise des Drahtwerkstoffs beim Lichtbogendrahtspritzen.The aforementioned process parameters, which can expediently be varied/changed, are general or, in the case of arc wire spraying, in particular: the pressure of the gas stream, the volume flow of the gas stream, the power of the heat source, in particular, for example, the electrical voltage and the electrical current, as well as the speed (m /s) the supply of the spray material, in other words the wire feed, such as the wire material in arc wire spraying.
Es wurde gefunden, dass es besonders vorteilhaft ist, entlang der Zylinderachse mit unterschiedlichen Temperaturen und/oder Auftreffgeschwindigkeiten der Spritzpartikel zu beschichten um die gewünschten Eigenschaften der Beschichtung zu realisieren. Über die Temperatur/Auftreffgeschwindigkeit der Spritzpartikel können die vorgenannten Beschichtungseigenschaften mit Vorteil insbesondere auch gleichzeitig verändert werden.It was found that it is particularly advantageous to coat along the cylinder axis with different temperatures and/or impact speeds of the spray particles in order to achieve the desired properties of the coating. The aforementioned coating properties can advantageously be changed, particularly at the same time, via the temperature/impact speed of the spray particles.
Insbesondere können sowohl die Porosität und die Lamelligkeit wie auch die Härte der Beschichtung beeinflusst werden. Zweckmäßigerweise wird beim Beschichten entlang der Zylinderachse mit unterschiedlichen Parametersätzen gearbeitet.In particular, the porosity and lamellarity as well as the hardness of the coating can be influenced. When coating along the cylinder axis, different parameter sets are expediently used.
Gemäß einer Ausführungsform gibt es einen Parametersatz für oben (oberer Kolbenumkehrpunkt), dazwischen und unten (unterer Kolbenumkehrpunkt). Gemäß einer Ausführungsform können auch weniger oder mehr Parametersätze vorgesehen sein, um entlang der Zylinderachse die Eigenschaften der Beschichtung gezielt und bedarfsgerecht einzustellen.According to one embodiment, there is a set of parameters for top (upper piston reversal point), intermediate and bottom (lower piston reversal point). According to one embodiment, fewer or more parameter sets can also be provided in order to adjust the properties of the coating along the cylinder axis in a targeted and needs-based manner.
Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Beschichten im Bereich der Kolbenumkehrpunkte mit höherer Temperatur und/oder mit höheren Auftreffgeschwindigkeiten als dazwischen.
- - Coating in the area of the piston reversal points with higher temperatures and/or with higher impact speeds than in between.
Das Erhöhen der Temperatur (und/oder auch der Auftreffgeschwindigkeit) führt zu einer kompakteren, härteren Schicht. Entsprechend resultiert das Beschichten mit im Vergleich niedrigerer Temperatur/Auftreffgeschwindigkeit zu einer lockereren, poröseren Schicht.Increasing the temperature (and/or the impact speed) results in a more compact, harder layer. Accordingly, coating with a comparatively lower temperature/impact speed results in a looser, more porous layer.
Die Temperatur, wie auch die Geschwindigkeit der Spritzpartikel, kann über die Temperatur/Geschwindigkeit des Gasstroms variiert werden, welcher wiederum über den Druck und/oder den Volumenstrom beeinflussbar sind. Beim Lichtbogendrahtspritzen wird die Temperatur der Spritzpartikel zweckmäßigerweise über die Temperatur des Lichtbogens eingestellt.The temperature, as well as the speed of the spray particles, can be varied via the temperature/speed of the gas stream, which in turn can be influenced via the pressure and/or the volume flow. When arc wire spraying, the temperature of the spray particles is expediently set via the temperature of the arc.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Variieren der elektrischen Leistung, insbesondere der Stromstärke und/oder der Spannung, zum bedarfsgerechten Ändern der Temperatur der Spritzpartikel.
- - Varying the electrical power, in particular the current and/or the voltage, to change the temperature of the spray particles as needed.
Zweckmäßigerweise kann über die Variation der Stromstärke und/oder der Spannung die Variation der Temperatur der Spritzpartikel schnell und effizient bewirkt werden. Über einer Änderung der Temperatur der Spritzpartikel können die Härte, die Porosität sowie die Schichtdicke der Beschichtung bedarfsgerecht eingestellt werden.The variation in the temperature of the spray particles can expediently be brought about quickly and efficiently by varying the current intensity and/or the voltage. By changing the temperature of the spray particles, the hardness, porosity and layer thickness of the coating can be adjusted as required.
Beim Lichtbogendrahtspritzen wird beispielsweise über die Stromquelle bevorzugt die Stromstärke (oder auch die Spannung) variiert.When arc wire spraying, for example, the current intensity (or the voltage) is preferably varied via the power source.
Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Erhöhen der Stromstärke beim Beschichten im Bereich der Kolbenumkehrpunkte.
- - Increasing the current strength when coating in the area of the piston reversal points.
Zweckmäßigerweise kann über das Erhöhen der Stromstärke eine kompaktere, dichtere und härtere Beschichtung erzeugt werden. Entsprechend wird über ein Erniedrigen der Stromstärke im Bereich zwischen den Kolbenumkehrpunkten eine weniger harte, porösere Schicht erzeugt.A more compact, denser and harder coating can expediently be produced by increasing the current intensity. Accordingly, the current intensity in the area is reduced creates a less hard, more porous layer between the piston reversal points.
Eine Verringerung der Stromstärke bewirkt eine Veränderung des resultierenden Lichtbogens, wodurch sich die Auftrefftemperatur der Strahlpartikel ändert. Die Temperatur wird typischerweise bei einer Verringerung der Stromstärke geringer.Reducing the current intensity causes a change in the resulting arc, which changes the impact temperature of the jet particles. The temperature typically decreases as the current intensity decreases.
Bevorzugt werden die Parameter Stromstärke und Spannung nicht gleichzeitig geändert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird bei konstanter Spannung die Stromstärke geändert, oder umgekehrt. Gemäß einer Ausführungsform wird der Drahtvorschub dabei zweckmäßigerweise dabei konstant gehalten.The parameters current and voltage are preferably not changed at the same time. According to a preferred embodiment, the current intensity is changed at a constant voltage, or vice versa. According to one embodiment, the wire feed is expediently kept constant.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Variieren einer Geschwindigkeit des Gasstroms zum Beeinflussen eines Auftreffwinkels der Spritzpartikel.
- - Varying a speed of the gas flow to influence an impact angle of the spray particles.
Die Geschwindigkeit des Gasstroms kann über eine Variation des Drucks des Treibgases (beim Lichtbogendrahtspritzen beispielsweise Stickstoff) eingestellt werden. Niedrigere Geschwindigkeiten bedingen einen flacheren Auftreffwinkel der Spritzpartikel, welcher wiederum in einer höheren Porosität der Beschichtung resultiert. Höhere Geschwindigkeiten bedingen einen steileren Auftreffwinkel der Spritzpartikel, welcher in einer niedrigeren Porosität der Beschichtung resultiert.The speed of the gas flow can be adjusted by varying the pressure of the propellant gas (for example nitrogen in arc wire spraying). Lower speeds result in a flatter impact angle of the spray particles, which in turn results in a higher porosity of the coating. Higher speeds result in a steeper impact angle of the spray particles, which results in a lower porosity of the coating.
Gemäß einer Ausführungsform wird auch die Verfahrgeschwindigkeit des Beschichtungswerkzeugs entlang der Zylinderachse variiert. Dies kann beispielsweise benutzt werden, um entlang der Zylinderachse eine gleichmäßig dicke Schicht zu erzeugen. So geht typischerweise das Erzeugen der lockereren, poröseren Schicht auch damit einher, dass diese im Verhältnis dicker wird. Über ein Anpassen der Verfahrgeschwindigkeit kann die Dicke der Beschichtung entlang der Zylinderachse mit Vorteil angepasst werden. Gemäß einer Ausführungsform wird auch, zumindest bereichs- oder abschnittsweise, mehrfach beschichtet.According to one embodiment, the travel speed of the coating tool is also varied along the cylinder axis. This can be used, for example, to create a uniformly thick layer along the cylinder axis. The creation of the looser, more porous layer is typically accompanied by the fact that it becomes relatively thicker. By adjusting the travel speed, the thickness of the coating along the cylinder axis can be advantageously adjusted. According to one embodiment, coating is also carried out multiple times, at least in areas or sections.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren auch den Schritt:
- - Nacharbeiten der Beschichtung zum Einstellen eines Durchmessers, insbesondere also eines entlang der Zylinderachse gleichmäßigen Durchmessers.
- - Reworking the coating to set a diameter, in particular a diameter that is uniform along the cylinder axis.
Bei dieser, insbesondere mechanischen Nacharbeitung, wird entlang der Zylinderachse ein konstanter oder im Wesentlichen konstanter Durchmesser entlang der Zylinderachse eingestellt. In einem weiteren Arbeitsschritt erfolgt zweckmäßigerweise ein (Form-)Honen zum Finalisieren der Zylinderlauffläche.During this, in particular mechanical, reworking, a constant or essentially constant diameter is set along the cylinder axis. In a further step, (shape) honing is expediently carried out to finalize the cylinder surface.
Die Erfindung betrifft auch ein Kurbelgehäuse, insbesondere ein Kurbelgehäuse, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet wurde, umfassend zumindest eine Zylinderbohrung, wobei die Zylinderbohrung eine Beschichtung aufweist, welche über ein thermisches Spritzverfahren erzeugt ist, und wobei die Zylinderbohrung entlang der Zylinderachse unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Zweckmäßigerweise ist die Beschichtung bedarfsgerecht bzw. belastungsgerecht erzeugt.The invention also relates to a crankcase, in particular a crankcase which has been machined according to the method according to the invention, comprising at least one cylinder bore, the cylinder bore having a coating which is produced via a thermal spraying process, and the cylinder bore having different properties along the cylinder axis. The coating is expediently produced in accordance with needs or load.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Beschichtung im Bereich der Kolbenumkehrpunkte eine höhere Härte auf als dazwischen.According to a preferred embodiment, the coating has a higher hardness in the area of the piston reversal points than in between.
Zweckmäßigerweise weist die Beschichtung zwischen den Kolbenumkehrpunkten eine höhere Porosität auf als im Bereich der Kolbenumkehrpunkte.The coating expediently has a higher porosity between the piston reversal points than in the area of the piston reversal points.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile analog und entsprechend für das Kurbelgehäuse gelten, wie auch umgekehrt. Wie bereits erwähnt, wurde gefunden, dass über den Parameter „Temperatur“ zweckmäßigerweise die beiden vorgenannten Zielgrößen gleichzeitig eingestellt werden können. Die Erhöhung der Temperatur beim Beschichten bewirkt eine kompaktere, härtere Beschichtung, während eine Temperaturabsenkung im Vergleich dazu in einer aufgelockerten, poröseren Struktur resultiert. Zusätzlich oder alternativ kann auch mit einem unterschiedlichen Auftreffwinkel der Strahlpartikel gearbeitet werden, um die Eigenschaften der Beschichtung zu beeinflussen.It should be mentioned at this point that the advantages mentioned in connection with the process apply analogously and accordingly to the crankcase, and vice versa. As already mentioned, it was found that the two aforementioned target variables can expediently be set simultaneously using the “temperature” parameter. Increasing the temperature during coating results in a more compact, harder coating, while a decrease in temperature results in a looser, more porous structure. Additionally or alternatively, you can also work with a different impact angle of the jet particles in order to influence the properties of the coating.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des Verfahrens mit Bezug auf die beigefügte Figur.Further advantages and features result from the following description of an embodiment of the method with reference to the attached figure.
Es zeigt:
-
1 : eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Kurbelgehäuses zur Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Verfahrensablaufs.
-
1 : a schematic view of an embodiment of a crankcase to illustrate an embodiment of a process sequence.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010
- Kurbelgehäusecrankcase
- 1212
- ZylinderbohrungCylinder bore
- 2020
- BeschichtungCoating
- 3030
- KolbenumkehrpunktePiston reversal points
- 3232
- ZwischenbereichIntermediate area
- 4040
- Vorrichtung zum BeschichtenCoating device
- ZZ
- ZylinderachseCylinder axis
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Citations (5)
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- 2022-03-11 DE DE102022105774.7A patent/DE102022105774A1/en active Pending
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