DE10225744B4 - Zylinderlaufbuchse - Google Patents

Abstract

Aus Verbundmaterial bestehende Zylinderlaufbuchse 4' für Verbrennungskraftmaschinen, gebildet durch einen Formkörper 3 aus einem ersten, eine Lauffläche 3' beinhaltenden, inneren Material aus einer thermisch gespritzten Stahllegierung sowie einem zweiten Material in Form eines durch Gießen erzeugten Gußeisenkörpers 4, der die äußere Umfangsfläche des Formkörpers 3, mit diesem zumindest partiell eine werkstoffmäßige Verbindung 5 eingehend, umschließt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine aus einem Verbundmaterial bestehende Zylinderlaufbuchse für Verbrennungskraftmaschinen.
• Bei Verbrennungskraftmaschinen mit einem Motorblock aus Gußeisen oder einer Aluminiumlegierung ist es vielfach üblich, in die Zylinderbohrungen des Motorblocks Zylinderlaufbuchsen einzusetzen. Die Buchsen bestehen aus zylindrischen Rohrabschnitten und begrenzen im Motor mit ihren Innenflächen den Brennraum der Verbrennungskammer, wobei die Innenflächen gleichzeitig als Laufflächen für die Kolbenringe dienen. Entsprechend der hohen Verschleißbelastung werden als Laufbuchsen Werkstoffe, vielfach verschleißfeste Gußeisen- oder Stahllegierungen oder auch Sinterwerkstoffe eingesetzt. Die Laufflächen der Buchsen müssen zusätzlich aufwendig spannabhebend bearbeitet werden. Bedarfsweise sind die Laufflächen auch noch mit verschleißfesten Beschichtungen zu versehen.
• Der DE 196 05 946 C1 ist eine Zylinderlaufbuchse für Verbrennungskraftmaschinen und ihr Herstellungsverfahren zu entnehmen. Auf die Außenfläche eines als Formkörper dienenden Dorns wird eine erste Verschleißschicht und darauf eine Deckschicht aufgespritzt. Anschließend wird die so gebildete Zylinderlaufbuchse vom Dorn abgezogen. Zwischen Verschleißschicht und Deckschicht kann eine Bindezwischenschicht aufgespritzt werden. Durch dieses Herstellungsverfahren können Zylinderlaufbuchsen erzeugt werden, die bei hoher Verschleißfestigkeit einfach und kostengünstig mit dünner Wandstärke ausgebildet sind. Dieses an sich vorteilhafte Herstellungsverfahren, insbesondere von dünnwandigen Zylinderlaufbuchsen, bringt jedoch den Nachteil der schwierigen Bearbeitbarkeit der äußeren Umfangsfläche mit sich.
• In der DE 19 57 811 A1 wird eine Zylinderlaufbuchse für Brennkraftmaschinen beschrieben, die zur unmittelbaren äußeren Flüssigkeitskühlung bestimmt ist. Die Zylinderlaufbuchse besteht aus einem äußeren Trägerzylinder aus Stahl und einem eingesetzten, gegenüber dessen Wandstärke dünneren Laufbuchseneinsatz aus Grauguß. Der Laufbuchseneinsatz ist bundlos ausgebildet und in den Trägerzylinder eingepreßt. Diese Art der Erzeugung von Zylinderlaufbuchsen ist bezüglich der exakten Führung der zusammenzuführenden Elemente, auch im Hinblick auf einzuhaltende Toleranzen, problematisch.
• Im DE 18 99 649 U1 ist eine Zylinderlaufbuchse für Arbeits- und Kraftmaschinen beschrieben, bei welcher im Bereich der Lauffläche das Zylinderlaufbuchsenmaterial durch Materialeinlagen von unterschiedlicher Eigenschaft zum Grundmaterial ersetzt und mit diesem fest verbunden ist. Mindestens zwei Materiallagen mit unterschiedlichen Eigenschaften werden in Rohrform übereinander eingebracht, wobei eine Zwischenschicht hohe Dehnwerte aufweist und die Laufflächenschicht abrieb- und korrosionsfest sein soll. Auch hier ist ein aufwendiges Verfahren zur Erzeugung von Zylinderlaufbuchsen angesprochen.
• Aus der DE 101 44 662 A1 ist zu entnehmen, dass ein vorgefertigtes Zylinderlaufbuchsenmaterial auf einen Snadkern positionierbar ist, um mit einem Gieß-Metall umschlossen zu werden. Diese Laufbuchse besteht aber nicht aus zwei Materialien.
• Die DE 37 208 32 A1 offenbart eine Walze mit Gusseisen zu umschließen. Es wird keine Angabe über ein Sandgussverfahren gemacht. Eine Zylinderlaufbuchse wird ebenfalls nicht angesprochen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zylinderlaufbuchse zu konzipieren, welche unter Einbeziehung der Vorteile gemäß Stand der Technik DE 196 05 946 C1 auch eine optimalere Bearbeitung der Nichtlaufflächenbereiche mit sich bringt.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine aus Verbundmaterial bestehende Zylinderlaufbuchse für Verbrennungskraftmaschinen, gebildet durch einen Formkörper aus einem ersten, eine Lauffläche beinhaltenden inneren Material aus einer thermisch gespritzten Stahllegierung sowie einem zweiten Material in Form eines durch Gießen erzeugten Gußeisenkörpers, der die äußere Umfangsfläche des Formkörpers mit diesem zumindest partiell eine werkstoffmäßige Verbindung eingehend, umschließt.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse sind dem zugehörigen Unteransprüchen zu entnehmen.
• Unter Einbeziehung der im Stand der Technik gemäß DE-C 196 05 946 beschriebenen Vorteile wird somit eine aus Verbundmaterial bestehende Zylinderlaufbuchse gebildet, die auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten im Nichtlaufflächenbereich problemlos spanabhebend, z.B. durch Drehen oder Fräsen, bearbeitet werden kann.
• Der mit der inneren Lauffläche versehene Formkörper kann, wie im Stand der Technik gemäß DE-C 196 05 946 beschrieben, erzeugt werden, indem die Lauffläche dann lediglich durch ein oder mehrere Honbearbeitungen bearbeitet wird. Eine Reduzierung des Ölverbrauches kann beispielsweise durch glattere Honungen der Lauffläche oder durch andere tribologische Verbesserungen, bedingt durch Materialeigenschaften der einzusetzenden Werkstoffe, z.B. Mikrodruckkammern in Kombination mit einer sehr glatten Honung, herbeigeführt werden. Durch diese Maßnahme kann eine Risikominimierung bezüglich des Fressens bei glatten Oberflächen durch Ölhaltevolumina realisiert werden, bei gleichzeitiger Steigerung der Verschleißbeständigkeit der Lauffläche in Zusammenhang mit neuen Motoranforderungen (beispielsweise höhere Verbrennungsdrücke oder dergleichen). Einem Gedanken der Erfindung gemäß wird eine Sandform erstellt, die dem Negativ einer Zylinderlaufbuchse entspricht. Der Außendurchmesser des entstandenen Sandzylinders entspricht dem Innendurchmesser des vorgefertigten Formkörpers. Der Formkörper wird anschließend über den Sandzylinder gestülpt, so dass selbiger während des Gießvorganges durch das flüssige Metall umschlossen werden kann. Die Temperatur des flüssigen Metalls, vorteilhafterweise Gußeisen, reicht aus, um zumindest ein Aufschmelzen des Formkörperrandbereiches, über den Außenumfang des Formkörpers gesehen, zu erzielen.
• Die Höhe des Sandzylinders ist, einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, etwas höher als die Höhe des Formkörpers ausgebildet, so dass das flüssige Metall dann auch den Formkörper im Bereich dieses freien Endes umschließen und eine zumindest partielle werkstoffmäßige Verbindung damit eingehen kann. Dadurch wird eine zusätzlicher Verklammerung zwischen Formkörper und Gußkörper herbeigeführt. Die Bearbeitung der so fertiggestellten Zylinderlaufbuchse kann auf folgende An und Weise erfolgen:
  Außenbearbeitung bei Aufnahme der Zylinderlaufbuchse auf einen Dorn. Die Außenbearbeitung kann komplett relativ zur Innenbohrung durchgeführt werden, um so schon innen eine gute Toleranz zu realisieren, wobei in der Regel auf eine Innendrehbearbeitung verzichtet werden kann.
• Innenhonen (Schrupp- und Fertighonen, bedarfsweise in mehreren Honoperationen).
• Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben:
• 1 zeigt eine Sandform 1, wobei die Sandbereiche mit S angedeutet sind.
• Die Sandform 1 beinhaltet unter anderem einen Sandzylinder 2, der zur Aufnahme eines, nach dem Verfahren gemäß DE-C 196 05 946 erzeugten Formkörpers 3 dient. Der Formkörper 3 besteht in diesem Beispiel aus thermisch gespritztem Stahl. Der Außendurchmesser des Sandzylinders 2 entspricht dem Innendurchmesser des Formkörpers 3. Der Formkörper 3 wird nun über den Sandzylinder 2 gestülpt, so dass selbiger während eines Gießvorganges durch das flüssige Metall 4 umschlossen werden kann. Das flüssige Metall wird über einen Angußtrichter 8 zugefügt. Die Temperatur des durch Gußeisen gebildeten flüssigen Metalls 4 reicht aus, um zumindest ein Aufschmelzen des umlaufenden Randbereiches 5 des Formkörpers 3 herbeizuführen. Die Höhe des Sandzylinders 2 kann geringfügig größer ausgebildet sein als diejenige des Formkörpers 3, so dass das flüssige Metall 4 das freie Ende 6 des Formkörpers 3 ebenfalls umschließen kann. Durch diese Maßnahme wird eine zusätzliche Verklammerung mit dem Formkörper 3 erreicht. Durch das Verfahren wird eine Zylinderlaufbuchse 4' aus einem Verbundmaterial Stahl (innen) – Gußeisen (außen) gebildet, durch welchen eine hohe Elastizität der Zylinderlaufbuchse 4' und gute tribologische Eingenschaften der Lauffläche 3' erreicht werden kann. Im Anschluß an die Entformung der Zylinderlaufbuchse 4' kann bedarfsweise die Gußaußenoberfläche 7 spanend, z.B. durch Drehen, bearbeitet werden, während die Lauffläche 3' des Formkörpers 3 lediglich einer oder mehreren Honbearbeitungen unterzogen wird.
• Verschiedene mögliche Ausführungsformen der so gefertigten Zylinderlaufbuchse 4' werden in 2, 3 und 4 dargestellt. Hierbei kann der Formkörper 3 aus gespritztem Stahl über der gesamte Bohrungslänge oder aber auch nur in Teilbereichen innerhalb der Zylinderlaufbuchse 4' vorhanden sein.
• 5.2 zeigt Ausschnitte der Zylinderlaufbuchse 4' mit verschiedenen Ausführungsformen des gespritzten Formkörpers 3, wobei die Porosität des Materials über der Länge des gespritzten Formkörpers 3 durch gezielte Prozeßsteuerung des Spritzvorgangs beeinflußt werden kann, so dass insbesondere in Zwickelbereich 9 der Zylinderlaufbuchse 4' mehr Mikrodruckkammern eingestellt werden können als im übrigen Bereich 10 der Buchse.
• Die 5.1 zeigt einen einlagigen Formkörper 3 und die 5.3 zeigt einen mehrlagigen Formkörper 3, wobei die äußere Schicht 11 die Lauffläche 3' bildet und die innere Schicht 12 eine Verbindungsschicht 12 zur Zylinderlaufliuchse 4' darstellt.

Claims (4)

1. Aus Verbundmaterial bestehende Zylinderlaufbuchse 4' für Verbrennungskraftmaschinen, gebildet durch einen Formkörper 3 aus einem ersten, eine Lauffläche 3' beinhaltenden, inneren Material aus einer thermisch gespritzten Stahllegierung sowie einem zweiten Material in Form eines durch Gießen erzeugten Gußeisenkörpers 4, der die äußere Umfangsfläche des Formkörpers 3, mit diesem zumindest partiell eine werkstoffmäßige Verbindung 5 eingehend, umschließt.
2. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Gußeisenkörper 4 zumindest bis in den Bereich eines der freien Enden 6 des Formkörpers 3 erstreckt und selbiges stirnflächenseitig umschließt.
3. Zylinderlaufbuchse nach Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Porösität des Formkörpers 3 über der Höhe des Formkörpers 3 variert.
4. Zylinderlaufliuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper 3 mehrlagig ausgebildet ist.