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Die
Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine, mit
einem Zylinderbuchsenbund und einer äußeren zumindest abschnittsweise
zylindrischen Mantelfläche,
mit einem in die äußere Mantelfläche eingeformten
und als Ringnut ausgebildeten Kühlkanal
zur Kühlung
des Zylinderbuchsenbundes, wobei die Profillinie des Kühlkanals
in einem an den Zylinderbuchsenbund anschließenden Deckenbereich, einem
an die äußere Mantelfläche angrenzenden
Bodenbereich und einem Seitenbereich zwischen Decken- und Bodenbereich
gekrümmt
ist. Weiters betrifft die Erfindung ein Zylindergehäuse für die Aufnahme
dieser Zylinderlaufbuchse.
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Zylinderlaufbuchsen
mit einem als eingeformte Ringnut ausgebildeten Kühlkanal
zur Kühlung des
Zylinderbuchsenbundes sind aus der
DE 198 38 746 C2 und der US 5/596/954 A bekannt.
Auch die
DE 31 18 498
C2 beschreibt eine ölgekühlte Zylinderlaufbuchse
mit ähnlichem
Kühlkanal.
Der Kühlkanal weist
dabei einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, die Profillinie
ist im Wesentlichen parallel zur Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse
ausgebildet, wobei die Ecken im Boden- und Deckenbereich abgerundet
sind. Bekannte Kühlkanäle zur Kühlung des
Zylinderbuchsenbundes werden durch Einstichwerkzeuge mit relativ
kleinen Schneidradien aus den Bereichen der Ecken im Boden- oder
Deckenbereich ausgeführt.
Dies hat allerdings den Nachteil, dass an diesen Stellen hohe Spannungskonzentrationen
auftreten, welche im praktischen Betrieb bei hoch belasteten Dieselmotoren
oftmals zu Buchsenbrüchen
führen.
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Die
DE 25 39 478 A zeigt
einen Kühlkanal zur
Kühlung
des Zylinderbuchsenbundes, dessen Profillinie im Wesentlichen als
Halbkreis ausgebildet ist. Insbesondere bei dünnwandigen Zylinderlaufbuchsen
wird dadurch allerdings die Laufbuchse stark geschwächt, wenn
ein kühlwirksamer
Querschnitt des Kühlkanals
geformt wird.
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Aus
der US 5/402/754 A ist eine Zylinderlaufbuchse mit einem durch eine
seichte umlaufende Nut gebildeten Kühlkanal bekannt, dessen Profillinie
im Decken- und im Bodenbereich schwach gekrümmt ist. Ein Zylinderbuchsenbund
zur Auflage am Zylindergehäuse
ist nicht am zylinderkopfseitigen Ende, sondern im Bereich des kurbelraumseitigen
Endes angeordnet. Das Problem eines schwer zu kühlenden Büchsenbundes tritt hier somit
nicht auf.
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An
sich ist es bekannt, dass durch eiförmig gekrümmte Profillinien Spannungsspitzen
reduziert werden können.
Aus der AT 3/673 U1 ist ein Zylindergehäuse mit einer Zylinderlaufbuchse
pro Zylinder bekannt, welche von einem Kühlmantel umgeben ist. Der Kühlmantel
ist über
eine Übertrittsöffnung mit
eiförmiger
Pro fillinie mit einem Kühlkanal
verbunden. Dadurch können
Spitzenspannungen im Deckenbereich abgesenkt werden. Des weiteren
ist aus der
EP 0 182
323 B1 eine eiförmig
gekrümmte Übertrittsöffnung zwischen
dem Kühlmantel
und einer Übertrittsleitung
bekannt. Ferner ist aus der
DE 199 24 647 C2 eine Zylinderlaufbuchse
bekannt, wobei zwischen einem umlaufenden Bund und einer äußeren zylindrischen
Mantelfläche
eine Nut eingearbeitet ist, deren Profillinie zumindest zwei unterschiedlich
gekrümmte Abschnitte
aufweist, um mechanische Spannungsspitzen zu vermindern. Besondere
Maßnahmen
zur Kühlung
des Bundes sind nicht vorgesehen. Es ist aber nicht bekannt, einen
ringförmigen
Kühlkanal
mit einer Profillinie zu versehen, welche unterschiedlich gekrümmte Bereiche
aufweist.
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Die
DE 1 260 863 B beschreibt
eine wassergekühlte
Hubkolbenbrennkraftmaschine mit in das Maschinengestell eingesetzter
Zylinderlaufbuchse, wobei die Zylinderlaufbuchse oberhalb einer
zylindrischen Passung am zylinderkopfseitigen Ende einen Bund hat
und sowohl die Zylinderlaufbuchse, als auch das Maschinengestell
im Bereich der Auflagefläche
des Bundes, bzw. des Maschinengestells jeweils eine umlaufende Nut
aufweist. Die Nut ist dabei senkrecht zur Auflagefläche angeordnet
und entspricht in Bezug auf ihre Höhe und Breite etwa der Breite
der Auflagefläche.
Die Auflageflächen
von Zylinderlaufbuchse und Maschinengestell liegen zwischen den
Nuten und sind deckungsgleich. Diese Ausbildung soll die Aufgabe
lösen,
Kragenrisse bei Zylinderbuchsen zu vermeiden. Durch die beidseitig der
Auflagefläche
angeordneten Nuten wird erreicht, dass im Bereich der Auflagefläche nur
Druckspannungen in der Zylinderlaufbuchse auftreten. Durch die Anordnung
der Nuten wird die Formsteifigkeit der hohen Auflagestege herabgesetzt.
Dadurch werden gleichzeitig die Spannungen verringert und ausgeglichen,
die durch Unebenheiten der Auflageflächen beim Anziehen der Befestigungsschrauben
auftreten. Weiters wird eine annähernd
gleiche Flächenpressung
auf dem ganzen Umfang der Auflageflächen erreicht. Unterhalb der
Nut der Zylinderlaufbuchse ist eine zylindrische Passung zur radialen
Lagerung der Zylinderlaufbuchse vorgesehen. Oberhalb der Passung
weist das Maschinengestell eine zur Auflagefläche auslaufende Anfasung auf,
welche einerseits als Einpasshilfe für die Zylinderlaufbuchse in
das Maschinengestell dient und über
welche andererseits eine Angleichung der Auflagefläche des
Maschinengestells an die Auflagefläche der Zylinderlaufbuchse
durch Nachbearbeitung erfolgt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine optimale
Kühlung
im Bereich des Buchsenbundes und im Einlassbereich zu gewährleisten,
wobei Spannungskonzentrationen möglichst
klein gehalten werden sollen.
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Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, dass der Seitenbereich einen größeren Krümmungsradius
aufweist als der Bodenbereich und der Deckenbereich, und dass der
Krümmungsradius
des Deckenbereiches größer ist
als der Krümmungsradius
des Bodenbereiches, wobei der Mittelpunkt des Krümmungsradius des Deckenbereiches
auf der der Profillinie abgewandten Seite einer Verlängerung
der äußeren Mantelfläche liegt.
Es hat sich gezeigt, dass besonders niedrige Spannungen zu Folge
der Formung des Kühlkanals
entstehen, wenn der Krümmungsradius
des Bodenbereiches zwischen 0,5 bis 1 mal dem Krümmungsradius im Deckenbereich,
vorzugsweise 0,75 mal dem Krümmungsradius
im Deckenbereich beträgt.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante
ist vorgesehen, dass der Krümmungsmittelpunkt
der Profillinie im Bodenbereich innerhalb des Kühlkanals, insbesondere zwischen
der Profillinie und einer Verlängerung
der äußeren Mantelfläche liegt.
Dadurch, dass der Mittelpunkt des Krümmungsradius des Deckenbereiches
auf der der Profillinie abgewandten Seite einer Verlängerung
der äußeren Mantelfläche der
Zylinderlaufbuchse liegt, lässt
sich eine besonders gute Kühlung
des Zylinderbuchsenbundes erreichen.
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Um
die Spannungskonzentrationen möglichst
gering zu halten, hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn
die Profillinie im Seitenbereich einen Krümmungsradius aufweist, der
zwischen dem achtfachen bis zum fünfzehnfachen, vorzugsweise
das 11,5-fache des Krümmungsradius
des Deckenbereiches beträgt.
Die Profillinie weist somit annähernd eine
ovale Form auf.
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In
weiterer Ausführung
der Erfindung ist ein Zylindergehäuse zur Aufnahme der oben genannten Zylinderlaufbuchse
vorgesehen, welches eine Schulter mit einem normal zur Zylinderachse
ausgebildeten Auflagebereich für
den Zylinderbuchsenbund und einen zylindrischen Einpassbereich für die Zylinderlaufbuchse
aufweist, wobei der Kühlkanal,
zumindest abschnittsweise, über
die Höhe
mit zumindest annähernd
gleicher Breite ausgebildet ist, wobei zwischen der Auflagefläche und
dem Einpassbereich eine konzentrisch zur Zylinderachse umlaufende
Anfasung ausgebildet ist und wobei die Anfasung – im Profil betrachtet – parallel
zu einer Tangente der Profillinie des Kühlkanals im Übergangsbereich
zwischen dem Krümmungsradius
des Deckenbereiches und dem Krümmungsradius
des Seitenbereiches ist. Dies ermöglicht einen annähernd konstanten
Strömungsquerschnitt
im Bereich der Anfasung. Dadurch wird eine besonders gute Kühlung des
Zylinderbuchsenbundes erreicht. Die Anfasung kann sich dabei über einen
Teil der Höhe,
vorzugsweise einen Großteil
der Höhe,
besonders vorzugsweise über
die gesamte Höhe
des Kühlkanals
erstrecken. Insbesondere ist es zur Erreichung einer optimalen Kühlung von
Vorteil, wenn die Anfasung einen Winkel > 0, vorzugsweise zwischen 5° und 45°, besonders
vorzugsweise etwa 15° mit
der Zylinderachse aufspannt. Um einerseits eine ausreichende Kühlung zu
gewähr leisten,
und andererseits die Auflagefläche
für den
Zylinderbuchsenbund nicht zu sehr zu verkleinern, ist es günstig, wenn
der Abstand zwischen einer Verlängerung
des zylindrischen Einpassbereiches und der Schnittlinie der Anfasung
mit der Auflagefläche
maximal den halben Krümmungsradius
der Profillinie im Deckenbereich beträgt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert, Es zeigen
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1 einen
Querschnitt durch ein Zylindergehäuse mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Zylinderlaufbuchse
in einer ersten Ausführungsvariante
und
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2 das
Detail II aus 1,
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3 einen
Querschnitt durch ein Zylindergehäuse in einer zweiten Ausführungsvariante,
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4 das
Zylindergehäuse
in einem Schnitt gemäß der Linie
IV-IV in 3 und
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5 das
Detail V aus 3.
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Funktionsgleiche
Teile sind in den Ausführungen
mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In
einer Bohrung 2 des Zylindergehäuses 1 ist eine nasse
Zylinderlaufbuchse 3 eingesetzt. Die Zylinderlaufbuchse 3 weist
einen Zylinderbuchsenbund 4 auf. Zwischen der Zylinderlaufbuchse 3 und dem
Zylindergehäuse 1 sind
die Zylinderlaufbuchse 3 ringförmig umgebende erste und zweite
Kühlräume 5, 6 sowie
ein als Ringnut 21 in der Zylinderlaufbuchse 3 ausgebildeter
Kühlkanal
zur Kühlung
des Zylinderbuchsenbundes 4 angeordnet. In das Zylindergehäuse 1 ist
im Bereich einer Seitenwand 26 ein Verteilerkanal 8 und
ein Sammelkanal 9 eingeformt, welche im wesentlichen parallel
zu einer nicht weiter dargestellten Kurbelwellenachse verlaufen.
Der Sammelkanal 9 ist dabei über dem Verteilerkanal 8 angeordnet
und liegt somit der Zylinderkopfanschlussfläche 10 näher als
der Verteilerkanal 8. Verteilerkanal 8 und Sammelkanal 9 sind
durch eine Trennwand 11 voneinander getrennt, wobei die
Trennwand 11 die Deckfläche 12 des
Verteilerkanals 8 ausbildet.
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Von
der Deckfläche 12 des
Verteilerkanals 8 geht ein im Wesentlichen rohrbogenförmig gekrümmter Zuführkanal 13 aus
und mündet
in den ersten Kühlraum 5.
Auch der unterhalb des ersten Kühlraumes 5 angeordnete
zweite Kühlraum 6,
welcher mit dem ersten Kühlraum 5 durch
einen Ringspalt 14 strömungsverbunden
ist, ist über
eine Übertrittsöffnung 15 mit
dem Verteilerkanal 8 strömungsverbunden. Verteilerkanal 8,
Sammelkanal 9, Zuführkanal 13 und Übertrittsöffnung 15 befinden
sich auf einer Seite A einer die Zylinderachsen 16 beinhaltenden Motorlängsebene 17.
Die Zylinderkopfanschlussfläche 10 weist
auf der selben Seite A pro Zylinder zumindest eine zum Sammelkanal 9 führende Abflussöffnung 18 für aus dem
Zylinderkopf kommendes Kühlmedium
auf.
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Auf
der bezüglich
der Motorlängsebene 17 gegenüberliegenden
Seite B weist die Zylinderkopfanschlussfläche 10 eine Überströmöffnung 19 auf, welche über einen Überströmkanal 20 mit
dem ersten Kühlraum 5 verbunden
ist.
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Der
Kühlkanal 7 ist
auf der dem Verteilerkanal 8 und dem Sammelkanal 9 bezüglich der
Motorlängsebene 17 gegenüberliegenden
Seite B mit dem ersten Kühlraum 5 strömungsverbunden.
In der Ausführungsvariante
gemäß den 1 und 2 erfolgt die
Strömungsverbindung
durch einen Zuflusskanal 22. Dagegen ist die Strömungsverbindung
in der in den 3 bis 5 dargestellten
zweiten Ausführungsvariante
durch eine Nut 22a etwa parallel zur Zylinderachse 16 im
Einpassbereich 35 realisiert. Der Kühlkanal 7 ist auf
der Seite A über
einen Abflusskanal 23 mit dem Sammelkanal 9 verbunden. Zuflusskanal 22 und
Abflusskanal 23 sind somit im Wesentlichen diametral bezüglich der
Zylinderlaufbuchse 3 angeordnet. Auch die Mündungsöffnung 24 des
Zuführkanals 13 in
den ersten Kühlraum 5 und die
Austrittsöffnung 25 des Überströmkanals 20 aus dem
ersten Kühlraum 5 sind
im Wesentlichen diametral bezüglich
der Zylinderlaufbuchse 3 angeordnet.
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Die
Mündungsöffnungen 24 und
die Austrittsöffnungen 25 weisen
eine im Wesentlichen eiförmige
Gestalt auf, wodurch mechanische Spannungsspitzen in Folge der Dichtungspressung
vermieden werden. Sie erstrecken sich über die gesamte Höhe H des
ersten Kühlraums 5.
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Das
im Verteilerkanal 8 den jeweiligen Zylindern zugeführte Kühlmittel
strömt
pro Zylinder über einen
Zuführkanal 13 entsprechend
dem Pfeil S1 in den ersten Kühlraum 5.
Gleichzeitig strömt
eine geringere Strömung
entsprechend dem Pfeil S2 über die Übertrittsöffnung 15 in
den zweiten Kühlraum 6. Über den
Ringspalt 14 gelangt das Kühlmedium aus dem zweiten Kühlraum 6 in
den ersten Kühlraum 5.
Das Kühlmedium
umfließt
im ersten und zweiten Kühlraum 5, 6 die
Zylinderlaufbuchse 3 und gelangt über die Austrittsöffnung 25 auf
der gegenüberliegenden Seite
B in den Überströmkanal 20,
von welchem es in die Überströmöffnung 19 entsprechend
dem Pfeil S4 in den nicht weiter dargestellten
Zylinderkopf geleitet wird. Vom Überströmkanal 20 bzw.
vom ersten Kühlraum 5 zweigt
eine Nebenströmung
entsprechend dem Pfeil S5 ab und gelangt über den
Zuflusskanal 22 (1 und 2)
bzw. Nut 22a (3 bis 5) in den
Kühlkanal 7.
Durch den Kühlkanal 7 umströmt das Kühlmittel
entlang der Ringnut 21 die Zylinderlaufbuchse 3 im
Bereich des Zylinderbuchsenbundes 4 und verlässt den
Kühlkanal 7 über die
Abflussöffnung 23 entsprechend
dem Pfeil S6 in Richtung des Sammelkanals 9.
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Das über die Überströmöffnung 19 in
den Zylinderkopf entsprechend dem Pfeil S4 fließende Kühlmedium
durchquert den Zylinderkopf und fließt danach auf der gegenüberliegenden
Seite A, auf der sich Verteilerkanal 8 und Sammelkanal 9 befinden, zurück zum Zylinderkopf 1,
wobei das Kühlmedium durch
die Abflussöffnung 18 entsprechend
dem Pfeil S7 in den Sammelkanal 9 gelangt.
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Die
zwischen dem Zylinderbuchsenbund 4 und dem Einpassbereich 27 in
die äußere Mantelfläche 28 der
Zylinderlaufbuchse 3 eingeformte, den Kühlkanal 7 umgebende
Ringnut 21 weist eine Profillinie 29 auf, welche
sich aus mehreren, unterschiedlich gekrümmten Abschnitten zusammensetzt,
wie in den 2 und 5 dargestellt
ist. Im an den Zylinderbuchsenbund 4 anschließenden Deckenbereich 30 weist
die Profillinie 29 einen Radius R1 auf.
Im an den Einpassbereich 27 anschließenden Bodenbereich 31 weist
die Profillinie 29 einen Radius R3 auf. Zwischen
Deckenbereich 30 und Bodenbereich 31 ist ein Seitenbereich 32 ausgebildet,
in welchem die Profillinie 29 einen Krümmungsradius R2 aufweist. Der
Krümmungsradius
R1 im Deckenbereich 30 ist dabei
größer als
der Krümmungsradius
R3 im Bodenbereich 31. Im Ausführungsbeispiel
beträgt
der Krümmungsradius
R3 im Bodenbereich 31 das 0,55-fache
des Krümmungsradius
R1 im Deckenbereich 30. Der Radius
R2 im Seitenbereich 32 beträgt im Ausführungsbeispiel
das 11,5-fache des Radius R1 im Deckenbereich 30.
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Der
Mittelpunkt M3 des Krümmungsradius R3 der
Profillinie 29 im Bodenbereich 31 liegt innerhalb des
Kühlkanals 7,
also zwischen der Profillinie 29 und einer Verlängerung 28' der Mantelfläche 28 der
Zylinderlaufbuchse 3. Der Mittelpunkt M1 des
Krümmungsradius
R1 liegt bevorzugt bereits im Zylindergehäuse 1.
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Das
Zylindergehäuse 1 weist
eine Schulter 33 mit einer Auflagefläche 34 normal auf
die Zylinderachse 16 zur Aufnahme des Zylinderbuchsenbundes 4 auf.
Um eine gleichmäßige Durchströmung des Kühlkanales 7 zu
erreichen, ist dieser zumindest abschnittweise mit einer über die
Höhe gleichen
Breite B ausgeführt.
Im Übergang
zwischen dem Einpassbereich 35 des Zylindergehäuses 1 und
der Schulter 33 weist das Zylindergehäuse 1 eine Anfasung 36 auf.
Die Anfasung 36 kann sich auch über die gesamte Höhe c des
Kühlkanales 7 erstrecken,
wie durch die strichlierte Linie in 2 und 5 angedeutet ist.
Die Anfasung 36 ist im Ausführungsbeispiel im Übergangsbereich 38 zwischen
dem Krümmungsradius
R1 und dem Krümmungsradius
R2 parallel zu einer Tangente 37 auf
die Profillinie 29 und weist mit einer Parallelen 16' zur Zylinderachse 16 einen
Winkel α > 0 auf, der im Beispiel
etwa 15° beträgt. Der
Abstand a zwischen einer Verlängerung 35' des zylindrischen
Einpassbereiches 35 des Zylindergehäuses 1 und der Schnittlinie
S der Anfasung 36 mit der Auflagefläche 34 beträgt maximal
den halben Krümmungsradius
R1 der Profillinie 29 im Deckenbereich 30,
im Ausführungsbeispiel
etwa 0,8 mm. Der Mittelpunkt M2 liegt – in Projektion
auf die Auflagefläche 34 gesehen – zwischen
der Schnittlinie S und der Verlängerung 35' des Einpassbereiches 35.
Im Ausführungsbeispiel
beträgt
der Abstand b zwischen der Schnittlinie 5 und dem Mittelpunkt
M2 etwa 0,3 mm. Mit c ist die Höhe des Kühlkanals 7 bezeichnet.
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Durch
die aus mehreren Krümmungsradien R1, R2, R3 zusammengesetzte
Profillinie 29 werden die Spannungskonzentrationen zu Folge
der Herstellung der Ringnut 21 weitgehend reduziert. Der
Einstich und die Fertigung des abgerundeten Kühlmittelströmungsquerschnittes kann CNC-gesteuert
durchgeführt
werden. Durch die Anfasung 36 wird einerseits das Einsetzen
der Zylinderlaufbuchse 4 in das Zylindergehäuse 1 erleichtert
und andererseits eine optimale Kühlung
des Zylinderlaufbuchsenbundes 4 im Einpassbereich 35 gewährleistet.