-
Diese
Erfindung betrifft gusseiserne Zylinderbuchsen insbesondere zur
Verwendung in Motoren mit Aluminiumzylinderblöcken.
-
Es
ist in der Technik von gusseisernen Zylinderbuchsen, die zur Verwendung
in Aluminiumblockmotoren ausgebildet sind, bekannt, die Buchsen
als gusseiserne Hülsen
auszubilden, die jeweils einen zylindrischen Körper aufweisen, der an dem
oberen Bereich mit einem sich radial erstreckenden Flansch verbunden
ist. Nach dem Gießen
werden die Außendurchmesser
der Buchse präzise
auf die richtigen Abmessungen bearbeitet. Nachdem die Buchsen in Zylinderbohrungen
eines Motors über
Presspassung eingepasst worden sind, werden die Innendurchmesser
der Buchsen präzise
bearbeitet. Bei den zusammengebauten Motoren werden die Buchsen
durch die Haltekraft eines Zylinderkopfes und zugeordnete, mit der
Kopfdichtung in Eingriff stehende obere Flächen der Buchse, die Flansche
umfassen, an der Stelle gehalten. Alternativ dazu können die
Buchsen an den Außendurchmessern
grob bearbeitet und in den Aluminiumzylinderblöcken an der Stelle vergossen
werden.
-
Bei
einigen Anwendungen, wenn die Zylinderwand auf eine Dicke von weniger
als 2,5 mm bearbeitet wird, und insbesondere, wenn sie 2,0 mm oder
noch weniger dick ist, können
die Montage der Buchse sowie der Zusammenbau des Motors und die Betriebsbedingungen
in dem Motor unerwünschte Spannungsniveaus
in der Buchse erzeugen. Die größten Spannungen
treten im Allgemeinen an der Stelle einer bogenförmigen oder gerundeten Hohlkehle
an der Verbindungsstelle der Außenflä che des Zylinders
mit der unteren Fläche
des radialen Flansches auf. An diesem Punkt wird die Dicke der Zylinderwand
durch eine Hinterschneidung bzw. Vertiefung weiter verringert, die
an und/oder benachbart der Hohlkehle vorgesehen ist, um eine Bearbeitung der
Außenfläche der
Zylinderwand mit Raum für
ein Auslaufen des Werkzeugs benachbart der Hohlkehle zu ermöglichen.
-
Bei
der Antriebsstrangentwicklung wird die Motorleistungsfähigkeit
kontinuierlich gesteigert, während
Verringerungen in der Motormasse und der Packungsgröße vorgesehen
werden. Dies resultiert in erhöhten
Motorbetriebslasten, die auf die Zylinderbuchsen wirken. Es ist
somit erwünscht,
dünnwandige
Buchsen zu erzeugen, die so ausgebildet sind, um entweder die Spannungsniveaus
zu verringern und/oder die Festigkeit in dem Hohlkehlbereich zu
erhöhen
und damit einen verlängerten
verschleißfesten Betrieb
vorzusehen.
-
Aus
der
DE 10 39 550 B ist
ein Verfahren zum Warmbehandeln und Kaltverfestigen beim Herstellen
von mit Flansch versehenen Zylinderlaufbüchsen aus legiertem Gusseisen
bekannt. Die Laufbüchse
wird im Bereich des Flansches und der benachbarten Teile geglüht und dann
wieder auf Raumtemperatur abgekühlt.
Nach dem Glühen
wird die Laufbüchse
auf die gewünschten
Endmaße
fertig bearbeitet. In einem letzten Schritt wird die Oberfläche der
Laufbüchse
in einem dicht unterhalb des Laufbüchsenflansches gelegenen Teil
durch Kaltwalzen verfestigt.
-
Aus
der
DE 32 02 788 C2 ist
eine Zylinderlaufbüchse
bekannt, deren Oberfläche
wiederaufgeschmolzen und danach abgekühlt wird, um eine verbesserte
Korrosionsbeständigkeit
zu erreichen. Man erhält
durch die Oberflächenbehandlung
einen dreischichtigen Querschnitt mit einer äußeren Oberfläche aus
weiß erstarrtem
Gusseisen, einer thermisch beauf schlagten Zwischenschicht und einer
inneren Schicht aus dem praktisch unveränderten Grundwerkstoff aus
Gusseisen. Zum Wiederaufschmelzen der Oberfläche kann ein Elektronenbeschuss
unter Vakuum oder ein Laserstrahl verwendet werden.
-
Die
DE 24 42 352 C2 offenbart
eine Zylinderlaufbüchse
mit einem Bund an ihrem oberen Ende, der in einer dem Bund angepassten
Ausnehmung des Zylinderblockes liegt. In der oberen Hälfte des Bundes
ist eine Ringnut vorgesehen, die nach der Mantelfläche des
Bundes hin offen ist und dem Bund eine federnde Eigenschaft gibt,
so dass zur Abdichtung einfache Dichtringe verwendet werden können.
-
Die
DE 199 24 647 C2 offenbart
eine Zylinderbüchse
mit einem Bund und einer umlaufenden Nut im Übergangsbereich zwischen dem
Bund und der Mantelfläche,
wobei die Nut zumindest teilweise als Hinterschneidung des Bundes
ausgebildet ist und im Querschnitt eine zumindest Teilweise konkav
gekrümmte
Profillinie aufweist. Die Profillinie besitzt zumindest zwei unterschiedlich
gekrümmte
Abschnitte, um die durch mechanische Belastung auftretenden Spannungen
in der Zylinderbüchse
im Übergangsbereich
zwischen Bund und Mantelfläche
zu vermindern.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Festigkeit
in dem Hohlkehlbereich zu erhöhen,
ohne dass die Abmessungen oder die Verarbeitbarkeit der Buchse selbst
wesentlich abgewandelt werden müssen.
-
Die
vorliegende Erfindung sieht eine dünnwandige Buchse vor, in der
die Festigkeit der Buchse durch Laserhärten eines Abschnittes der
Buchsenwand und des Flansches benachbart der Hohlkehle an der Verbindungsstelle
der zylindrischen Wand mit dem radialen Flansch erhöht ist.
Die Laserenergie wird bevorzugt an oder benachbart der Stelle der Hohlkehle
aufgebracht, indem die Buchse um ihre Achse gedreht wird, wenn die
Laserenergie entlang des vollständigen
Umfangs des Hohlkehlabschnitts aufgebracht wird. Alternativ dazu
kann der Laserstrahl um den Umfang der stationären Buchse bewegt werden oder
kann auf eine beliebige andere geeignete Art und Weise aufgebracht
werden.
-
Die
Laserenergie verfestigt den Abschnitt der Buchsenwand und des Flansches
benachbart der Hohlkehle, indem die metallurgische Struktur des Gusseisens
durch Phasenübergänge abgewandelt wird,
wie in der Technik bekannt ist, um eine stärkere metallurgische Struktur
in dem behandelten Abschnitt zu erzeugen. Die Laserbehandlung kann
ein externes Abschrecken der behandelten Oberfläche nach der Lasererhitzung
umfassen. Jedoch kann die Behandlung auch ohne Abschrecken durchgeführt werden,
je nachdem wie es erwünscht
ist, um die besten Ergebnisse zu erzielen.
-
Bevorzugt
wird der Außendurchmesser
der Buchse vor dem Laserhärten
fertig bearbeitet. Die Tiefe der Laserhärtung kann je nach Bedarf variiert werden,
um die erforderliche Festigkeit an der Hohlkehlstelle zu erhalten.
Jedoch ist es vorzuziehen, dass die Tiefe des lasergehärteten Abschnittes
relativ klein gehalten wird, um eine übermäßige Verzerrung der bearbeiteten
Abmessungen der Buchse infolge der Laserbehandlung zu vermeiden.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
erstreckt sich das Laserhärtungsmuster
von der Hohlkehle in den Flansch und in nicht mehr als die Hälfte der
Dicke der benachbarten Buchsenwand. Bei einer alternativen Ausführungsform
erstreckt sich das gehärtete
Muster in mehr als die Hälfte
der Dicke der benachbarten Buchsenwand, um eine erhöhte Festigkeit
für den
Hohlkehlabschnitt vorzusehen. Bei einer dritten Ausführungsform
erstreckt sich der lasergehärtete
Abschnitt von der Hohlkehle durch die gesamte Dicke der Buchsenwand
benachbart zu der Hohlkehle. Während
dies eine erhöhte
Festigkeit vorsieht, kann eine Verzerrung des oberen Abschnittes der
Buchse eine zusätzliche
Bearbeitung der Buchsenbohrung und des Hohlkehlbereichs erforderlich machen.
Während
dies gemacht werden kann, ist es vorzuziehen, eine nachfolgen de
Bearbeitung zu vermeiden, da eine Bearbeitung von gehärteten Abschnitten
der Buchse eine erhöhte
Abnutzung der Schneidewerkzeuge bzw. Werkzeuge für spanende Formung bewirkt.
-
Bevorzugt
ist die Hohlkehle als eine Rundung ausgebildet. Die benachbarte
Hinterschneidung ist bevorzugt als ein sich verjüngender oder geringfügig konischer
Bereich ausgebildet, der die Hohlkehle mit einem zylindrischen Abschnitt
der Buchsenwand verbindet. Jedoch kann die Hohlkehle auch eine bogenförmige Form
besitzen, die sich von der einer Rundung unterscheidet, und die
Hinterschneidung kann sich von der konischen Form ebenfalls unterscheiden.
-
Es
ist bekannt, dass Zylinderbohrungsflächen lasergehärtet worden
sind, um eine Abnutzung und einen Abrieb der Zylinderoberfläche zu verringern.
Jedoch wird angenommen, dass eine Laserbehandlung einer Flanschhohlkehle
einer dünnwandigen
Buchse, um die Wand aus Gründen
der Beständigkeit
zu verfestigen, bisher noch nicht vorgeschlagen oder entwickelt
worden ist.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf
die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
-
1 eine
Querschnittsansicht durch die Zentralachse einer Zylinderbuchse
ist, die gemäß der Erfindung
ausgebildet ist;
-
2 eine
vergrößerte Ansicht
des in Kreis 2 von 1 gezeigten
Abschnittes ist, die einen lasergehärteten Abschnitt zeigt, der
sich in weniger als die Hälfte
der Dicke der benachbarten Buchsenwand erstreckt;
-
3 eine
Ansicht ähnlich
zu 2 ist, jedoch einen gehärteten Abschnitt zeigt, der
sich in mehr als die Hälfte
der Dicke der benachbarten Buchsenwand erstreckt; und
-
4 eine
Ansicht ähnlich
zu 3 ist, aber einen gehärteten Abschnitt zeigt, der
sich über
die gesamte Dicke der benachbarten Buchsenwand erstreckt.
-
In 1 bezeichnet
Bezugszeichen 10 allgemein eine gusseiserne Zylinderbuchse
oder -hülse mit
einem Gusskörper 12,
der einen sich radial erstreckenden oberen Flansch 14 und
eine allgemein zylindrische Wand 16 umfasst. Die Wand 16 erstreckt sich
von einem inneren Abschnitt des Flansches an einer Verbindungsstelle 18 zwischen
dem oberen Flansch 14 und einer zylindrischen Außenfläche 20 der
Wand 16 axial abwärts.
Die Innenfläche
der Buchse definiert eine Bohrung 22 die sich durch den oberen
Flansch 14 und die zylindrische Wand 16 erstreckt,
um im fertig gestellten Zustand eine geeignete Gleitfläche für Aluminiumkolben
in einem Motor zu bilden, der einen Aluminiumzylinderblock besitzt.
-
Beim
Zusammenbau wird die Buchse 10 in eine Aluminiumbohrung
eines zugeordneten Zylinderblockes, der nicht gezeigt ist, über Presspassung eingepasst,
so dass die zylindrische Wand 16 radial durch die Aluminiumbohrung
des Blockes gestützt wird.
Der Flansch 14 ist in einer ringförmigen Ausnehmung des Blockes
um das obere Ende der Aluminiumbohrung herum aufgenommen.
-
In 2 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines oberen Endabschnittes der Zylinderbuchse gezeigt, die in Kreis 2 von 1 gezeigt
ist. Die Innenfläche oder
Bohrung 22 der Buchse erstreckt sich axial zu dem oberen
Ende, an dem eine kleine Abschrägung 24 die
Bohrung mit oberen Fläche 26 des
Flansches 14 verbindet. Eine zylindrische Außenfläche 28 verbindet
die obere Fläche
abwärts
mit einer unteren Fläche 30 des
Flansches.
-
Die
untere Fläche 30 des
Flansches endet einwärts
an einer bogenförmigen
Hohlkehle 32, bevorzugt an einer Rundung, die an der Verbindungsstelle 18 des
Flansches 14 mit der zylindrischen Wand 16 angeordnet
ist. Die Hohlkehle 32 ist mit einer konischen oder winkelig
gestalteten Hinterschneidung 34 verbunden, die eine kurze
Entfernung weg von der Verbindungsstelle 18 in die zylindrische Außenfläche 20 der
zylindrischen Wand 16 übergeht. Die
Hohlkehle kann sich von einer Rundung unterscheiden, und die Hinterschneidung
muss nicht konisch sein.
-
Bei
beispielhaften Ausführungsformen
beträgt
die radiale Dicke der Wand 16 weniger als 2,5 mm und braucht
nicht größer als
etwa 2,0 mm sein. Die radiale Dicke an dem kleinsten Durchmesser
der Verbindungsstelle 18 ist geringfügig kleiner als die Dicke des
zylindrischen Wandabschnittes und ist somit kleiner als 2,0 mm für eine Wand
mit 2,0 mm.
-
Bei
Anbringung der Buchse 10 in einem Motor und während des
Betriebs des Motors kann der dünnste
Abschnitt der Zylinderwand an der Verbindung der Hinterschneidung 34 mit
der Hohlkehle 32 den höchsten
auf den Körper
der Zylinderbuchse aufgebrachten Spannungen ausgesetzt sein. Um
in diesem Bereich eine erhöhte
Festigkeit vorzusehen und eine Beständigkeit bei den höheren Spannungen
beizubehalten, wird der Hohlkehlbereich und das umgebende Gusseisenmaterial
als ein lasergehärteter
Abschnitt 38 ausgebildet. Der gehärtete Abschnitt erstreckt sich
im Allgemeinen aufwärts
in den unteren Abschnitt des Flansches und von der Hohlkehle und dem
Hinterschneidungsbereich an der Verbindungsstelle 18 einwärts.
-
Bei
der beispielhaften Ausführungsform
von 2 erstreckt sich der gehärtete Abschnitt der Buchse
um ein Maß radial
einwärts,
das geringfügig kleiner
als die Hälfte
der Dicke der benachbarten Buchsenwand ist. Dies erhöht die Festigkeit
des gehärteten
Buchsenbereiches, minimiert jedoch die Verzerrung von benachbarten
präzise
bearbeiteten Abschnitten der Buchse durch die Laserwärmebehandlung
selbst.
-
Es
kann eine beliebige geeignete Art und Weise zum Aufbringen von Laserenergie
auf den Hohlkehlbereich der Buchse verwendet werden. Jedoch besteht
eine geeignete Anordnung darin, die Buchse um ihre Achse 40 zu
drehen, während
eine Laserstrahlenergie an den Hohlkehlbereich auf eine kontinuierliche
Art und Weise aufgebracht wird, wenn sich die Buchse um 360° oder mehr
dreht. Der wärmebehandelte
Abschnitt der Buchse kann gegebenenfalls auf eine beliebige geeignete
Art und Weise abgeschreckt werden, wie beispielsweise durch Aufbringen
von Luft oder Flüssigkeit,
oder kann gegebenenfalls nicht abgeschreckt bleiben.
-
In 3 ist
eine alternative Ausführungsform einer
wärmebehandelten
Buchse 42 gezeigt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche
Teile oder Merkmale bezeichnen. Die Buchse 42 ist ähnlich zu
der Buchse 10 mit der Ausnahme, dass die Größe des lasergehärteten Abschnittes 44 so
erhöht
worden ist, dass er sich weiter in den Flansch und über mehr
als die Hälfte
der Dicke der zylindrischen Wand 16 erstreckt, sich jedoch
nicht an die Bohrung 22 der Zylinderbuchse erstreckt. Das
Merkmal dieser Konstruktion sieht einen Flansch sowie einen Hohlkehlbereich
mit weiter erhöhter
Festigkeit vor, erfordert aber auch zusätzliche Vorsicht, um eine unerwünschte Verzerrung
der Buchse während
des Laserhärtens
zu vermeiden, was eine zusätzliche
Bearbeitung der Buchse vor der Anbringung in dem Motorblock erfordern
kann.
-
In 4 ist
in einer Ansicht, die den 2 und 3 ähnlich ist,
eine dritte Ausführungsform
einer Buchse gezeigt, die in ihren Abmessungen ähnlich oder identisch zu den
Buchsen der 2 und 3 ist und
wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile oder Merkmale bezeichnen.
Die Buch se 46 unterscheidet sich von den Buchsen 10 und 44,
die vorher beschrieben wurden, darin, dass der lasergehärtete Abschnitt 48 so
weit vergrößert ist,
dass er sich über
einen großen
Abschnitt des Flansches aufwärts und
einwärts
durch die Buchsenwand zu der Bohrung 22 in der Nähe der Verbindungsstelle 18 des
Flansches und der Außenfläche 20 der
Buchse erstreckt.
-
Wie
oben beschrieben ist, ist es offensichtlich, dass die verschiedenen
Ausführungsformen
von gusseisernen Zylinderbuchsen, die variierende Grade an lokaler
Härtung
an und benachbart einer Hohlkehle zwischen einem radialen Flansch
und einer zylindrischen Wand aufweisen, eine Erhöhung der Festigkeit an der
am meisten beanspruchten Stelle des gusseisernen Buchsenmaterials
vorsehen, damit dieses die höheren
Spannungen an dieser Stelle aushalten kann, ohne dass die Gestaltung
und Größe der Buchse
selbst materiell geändert
werden muss. Demgemäß ist eine
widerstandsfähigere
Buchsenstruktur zum Betrieb in einem Motor unter vorbestimmten Zusammenbau-
und Betriebslasten mit erhöhter
Lebensdauer vorgesehen.
-
Zusammengefasst
ist eine gusseiserne Zylinderbuchse für einen Motor vorgesehen, die
einen Körper
mit einem radialen oberen Flansch und einer allgemein zylindrischen
Wand besitzt, die sich von einem inneren Abschnitt des Flansches
axial erstreckt. An einer Verbindungsstelle zwischen dem oberen Flansch
und einem Außenbereich
der zylindrischen Wand ist eine bogenförmige Hohlkehle ausgebildet. Um
die Verbindungsstelle an dünnwandigen
Buchsen, beispielsweise mit Wanddicken von weniger als 2,5 mm, zu
verfestigen, ist ein Abschnitt benachbart der Hohlkehle auf eine
gewählte
Tiefe der Wand lasergehärtet,
wodurch die Beständigkeit
gegenüber Spannungen
erhöht
wird, die in der Wand erzeugt werden, wenn die Buchse in einem Motor
angebracht und betrieben wird.