DE10338386B3

DE10338386B3 - Vorgefertigter Rohling eines ringförmigen oder hohlzylindrischen Bauteils zum Eingießen in ein gehäuseförmiges Bauteil einer Hubkolbenmaschine

Info

Publication number: DE10338386B3
Application number: DE10338386A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr. Betsch; Michael Dipl.-Ing. Dettenmaier; Daniel Dipl.-Ing. Dudok
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen vorgefertigten Rohling einer Zylinderlaufbüchse bzw. eines Ventilsitzringes zum Eingießen in ein Kurbelgehäuse bzw. in einen Zylinderkopf einer Hubkolbenmaschine. Der Rohling besteht aus einer im thermischen Spritzverfahren erzeugten, eisenbasierten, innenseitigen Lage und aus einer außenseitig aufgesprühten Verbindungslage aus einem aluminiumbasierten Werkstoff. Um einen Buchsenrohling im Hinblick auf einen möglichst geringen thermischen Verzug zu optimieren, sind die beiden temperaturabhängig sich stark unterschiedlich dehnenden Lagen unter erfindungsgemäßer Ausnutzung eines dadurch gegebenen, sog. Bimetall-Effektes im Sinne einer Minimierung des thermischen Verzuges sowohl in Axial- als auch in Umfangsrichtung bezüglich ihrer lokalen Lagendicke variiert und optimiert. Je stärker lokal die thermisch bedingte Krümmungsneigung ist, umso stärker muss eine der beiden Lagen im Vergleich zu der anderen Lage gemacht werden. Und zwar muss bei einer konkaven Krümmungsneigung der Wandung - vom Inneren der Zylinderlaufbüchse aus gesehen - der Eisenanteil zu Lasten des Aluminiumanteils erhöht werden und umgekehrt. Entsprechend ist auch ein Rohling für einen Ventilsitzring optimiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen vorgefertigten Rohling eines ringförmigen oder hohlzylindrischen Bauteils zum Eingießen in ein gehäuseförmiges Bauteil einer Hubkolbenmaschine nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Soweit ein hohlzylindrisches Bauteil, nämlich eine Zylinderlaufbüchse betroffen ist, geht ein solcher Rohling beispielsweise aus der DE 198 45 347 C1 als bekannt hervor.

Diese Druckschrift zeigt eine im thermischen Metallspritzverfahren hergestellte Zylinderlaufbuchse, die in ein Kurbelgehäuse einer Hubkolbenmaschine eingegossen werden soll. Bei dem dort beschriebenen Herstellungsverfahren für Zylinderlaufbuchsen wird fein zerstäubtes flüssiges Metall im Freiformverfahren auf einen langsam rotierenden Dorn als Träger aufgespritzt. Im Zusammenhang mit dort gewürdigten älteren Ausführungen derartiger Zylinderlaufbuchsen wird in der genannten Druckschrift erwähnt, dass solche in ein Leichtmetall-Kurbelgehäuse einzugießenden, aus einem aus Stahl, also einem eisenbasierten Werkstoff bestehende, gesprühte Zylinderlaufbuchsen mit dem umgossenen Leichtmetall dadurch innig verbunden werden, dass mittels eines während des Gießens innenseitig an die poröse Zylinderlaufbuchsen angelegtem Vakuums die umgebende Leichtmetallschmelze in die Poren der Zylinderlaufbuchsen eingesogen wird. Es wird ferner erwähnt, dass man zur besseren Anbindung der Stahlbuchsen an das umge bende Aluminium des Kurbelgehäuses die Zylinderlaufbuchsen aus mehreren stoffunterschiedlichen Schichten gebildet hat. Und zwar besteht eine Lage aus einem brandspursicheren Material auf der Laufseite, wogegen außenseitig eine Deckschicht aus einer Aluminiumlegierung aufgetragen ist. Zur Vermeidung von schrumpfungsbedingten Verzügen der einzugießenden, relativ dünnwandigen Zylinderlaufbuchsen sind diese gemäß der technischen Lehre der eingangs genannten Druckschrift auf der Außenseite mit axial verlaufenden Verdickungen nach Art von Versteifungsrippen versehen. Diese prismatischen Verdickungen können unterschiedliche. Querschnittsform, Anzahl und Anordnung aufweisen und können, nachdem zunächst eine stärkere Lage mit konstanter Wanddicke als tragende Basis bei konstanter Umlaufgeschwindigkeit des Dornes aufgesprüht worden ist, durch geeignete Steuerung der Umlaufgeschwindigkeit des Dornes während des weiteren Sprühauftrages des Werkstoffes aufgebaut werden. Als ein Ausführungsbeispiel wird u.a. eine Zylinderlaufbuchse mit kreisrundem Innenquerschnitt und ovalem Außenquerschnitt gezeigt, bei der die Wanddicke also an zwei diametral gegenüber liegenden Umfangsstellen besonders dickwandig und an zwei anderen, ebenfalls zueinander diametral, jedoch zu den Verdickungen um 90° versetzt liegenden Umfangsstellen besonders dünnwandig ausgebildet ist. Bei einem weiteren beispielsweise gezeigten Querschnitt einer Zylinderlaufbuchse ist dieses mit vier gleichmäßig über den Umfang verteilten Verdickungen versehen, die aufgrund einer allmählichen umfangsmäßigen Dickenzu- bzw. -abnahme sich gemeinsam zu einem Quadrat mit stark abgerundeten Ecken ergänzen.

Der Nachteil bei der bekannten Zylinderlaufbuchse besteht darin, dass sie trotz der außenseitig angeformten Versteifungswülste immer noch nicht optimal gegen Verzüge, insbesondere nicht gegen betriebsbedingte, thermisch hervorgerufene Verzüge und auch nicht gegen durch Montierungskräfte verursachte Verzüge der Zylinderlaufbuchsen geschützt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäß zugrunde gelegten ringförmigen bzw. hohlzylindrischen Rohlinge bezüglich eines möglichst geringen Verzuges, insbesondere bezüglich betriebsbedingter, thermisch hervorgerufener Verzüge zu optimieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Danach wird der Umstand, dass die beiden Einzellagen sich werkstoffbedingt mit zunehmender Temperatur stark unterschiedlich dehnen und dadurch ein sog. Bimetall-Effekt gegeben ist, im Sinne einer Minimierung eines thermisch hervorgerufenen Verzuges der eingegossenen Bauteile ausgenutzt, der sich normalerweise bei Betriebstemperatur der fertigen Hubkolbenmaschine einstellt. Die beiden Lagen aus dem eisenbasierten bzw. aluminiumbasierten Werkstoff sind in dieser Hinsicht gezielt sowohl in Umfangs- als auch in Axialrichtung bezüglich ihrer lokalen Lagendicke variiert und optimiert, so dass umfangsmäßige Ovalisierungen sowie axiale Taillierungen oder Tonnenbildungen aufgrund des genannten, lokal unterschiedlich stark bemessenen Bimetall-Effektes kompensiert werden. Damit wird bei Zylinderlaufbüchsen der Vorteil erreicht, dass das Kolbenspiel bei Betriebstemperatur besonders klein gehalten werden kann. Dies wiederum hat zur Folge, dass der Ölverbrauch reduziert und die Abgasqualität verbessert wird. Erfindungsgemäß optimierte Ventilsitzringe dichten in allen Temperaturbereichen besser ab als herkömmliche Ventilsitze, so dass mit einem geringeren Druckverlust im Arbeitsraum, mit einem höheren Wirkungsgrad und somit mit einem geringeren Kraftstoffverbrauch gerechnet werden kann.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

1 und 2 Quer- (1) bzw. Längsschnitt (2) durch ein Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine, die eingegossene Zylinderlaufbüchsen gemäß der Erfindung enthält,
3 eine Draufsicht auf das Kurbelgehäuse nach den 1 und 2 auf die Zylinderkopfseite,
4 und 5 je einen partiellen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Rohling einer Zylinderlaufbüchse entlang den Schnittlinien IV-IV bzw. V-V in den 6 bzw. 7, wobei der Schnitt nach 4 quer zur späteren Richtung der Zylinderreihe angeordnet ist,
6 und 7 je einen Querschnitt durch den Laufbüchsenrohling nach 4 bzw. 5 auf unterschiedlichen Axialpositionen entlang der Schnittlinien VI-VI bzw. VII-VII in den 4 bzw. 5,
8 einen in einen Zylinderkopf eingegossenen, im achsparallelen Querschnitt dargestellten Ventilsitzring, wobei eine Querschnittsdarstellung im Detail vergrößert heraus gezeichnet ist,
9 einen achssenkrechten Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines Ventilsitzringes als Rohling, d.h. in Einzeldarstellung entlang der Schnittlinie IX – IX in den 10 und 11,
10 und 11 zwei achsparallele Querschnitte durch den Ventilsitzring-Rohling nach 9 an zwei um 90° zueinander versetzt liegenden Umfangsstellen entlang der Schnittlinien X – X bzw. XI – IX in 9, und
12 und 13 zwei weitere Ausführungsbeispiele für eine umfangsmäßige Orientierungsmarke am unteren Ende des Rohlings einer Zylinderlaufbüchse.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen hohlzylindrischen, vorgefertigten Bauteilrohling 1 bzw. 2 oder einen vorgefertigten, ringförmigen Bauteilrohling 11, beide jeweils zum Eingießen in ein gehäuseartiges, höherrangiges, aus einer gießbaren Aluminiumlegierung bestehendes Bauteil einer Hubkolbenmaschine, nämlich zum Eingießen in ein Kurbelgehäuse 3 (hohlzylindrische Zylinderlaufbuchse) bzw. zum Eingießen in einen Zylinderkopf (ringförmiger Ventilsitzring). Die Bauteilrohlinge ihrerseits bestehen aus einer im thermischen Spritzverfahren erzeugten Lage 5 bzw. 5' aus einem eisenbasierten Werkstoff auf der innenliegenden Laufseite der Zylinderlaufbüchse bzw. der Sitzseite des Ventilsitzringes und aus einer außenseitig aufgesprühten Verbindungslage 6 bzw. 6' aus einem aluminiumbasierten Werkstoff.
Um die einzugießenden Bauteile bezüglich eines möglichst geringen Verzuges, insbesondere bezüglich betriebsbedingter, thermisch hervorgerufener Verzüge zu verbessern, sind erfindungsgemäß die beiden werkstoffbedingt sich temperaturabhängig stark unterschiedlich dehnenden Lagen 5, 5' und 6, 6' sowohl in Axial- als auch in Umfangsrichtung bezüglich ihrer lokalen Lagendicke S_e1, S_e2, S_e3, S_e4 bzw. s_a1, S_a2, S_a3, s_a4 bzw. r_e, r_a variiert und optimiert. Dabei wird erfindungsgemäß ein durch die Doppellagigkeit gegebener, sog. Bimetall-Effekt im Sinne einer Minimierung eines durch den Betrieb der fertigen Hubkolbenmaschine bedingten, thermisch hervorgerufenen Verzuges ausgenutzt.
Und zwar sind die beiden Lagen 5, 5' und 6, 6' bezüglich ihrer lokalen Lagendicke S_e1, S_e2, S_e3, S_e4 bzw. s_a1, S_a2, S_a3, s_a4 bzw. r_e, r_a gemäß der nachfolgend geschilderten Maßgabe variiert und optimiert, wobei von einer Versuchs-Hubkolbenmaschine bzw. einem Kurbelgehäuse oder Zylinderkopf mit konventionellen Zylinderlaufbüchsen bzw. Ventilsitzringen vergleichbarer Art und deren Verzugsneigung während des Betriebes ausgegangen wird. Das dabei verwendete Versuchs-Kurbelgehäuse bzw. der Versuchs-Zylinderkopf muss bezüglich aller Abmessungen, bezüglich der Kühlung und des sich bei Betrieb einstellenden Temperaturprofiles mit dem späteren Kurbelgehäuse 3 bzw. dem späteren Zylinderkopf übereinstimmen. Es muss also das Verzugsbild von Zylinderlaufbüchsen oder von Ventilsitzringen vergleichbarer Art, die aber noch nicht erfindungsgemäß ausgebildet sind, zuvor an einer nahezu identischen Versuchs-Hubkolbenmaschine ermittelt werden. Ausgehend von diesem Verzugsbild der konventionellen Zylinderlaufbuchsen bzw. der konventionellen Ventilsitzringe können dann Aussagen bezüglich der lokalen Lagenstärke der eisenbasierten bzw. der aluminiumbasierten Lage 5 bzw. 5' und 6 bzw. 6' gemacht werden.
Was die Variation der Lagen bezüglich der Umfangrichtung anbelangt, so lässt sich allgemein folgendes sagen: Je stärker an einer bestimmten Stelle ein Kreisquerschnitt einer in das Kurbelgehäuse bzw. den Zylinderkopf der Hubkolbenmaschine eingegossenen, konventionellen Zylinderlaufbüchse bzw. Ventilsitzringes sich aufgrund lokaler, betriebsbedingt hervorgerufener Erwärmung bezüglich der Umfangsrichtung abflacht, umso größer muss an der betreffenden Stelle der Anteil der außenseitigen, aluminiumbasierten Lage 6, 6' innerhalb der Gesamtwanddicke, d.h. innerhalb des Verhältnisses der beiden Einzellagen 5, 6 bzw. 5', 6' zueinander sein und umgekehrt. D.h. je stärker an einer bestimmten Stelle einer konventionellen Zylinderlaufbüchse bzw. eines Ventilsitzringes dieser) sich aufgrund lokaler, betriebsbedingt hervorgerufener Temperatur gegenüber dem Kreisquerschnitt krümmt, umso größer ist der Anteil der laufseitigen, eisenbasierten Lage 5, 5' innerhalb der Gesamtwanddicke zu bemessen.
Was die Axial- bzw. Mantellinienrichtung anbelangt, so muss bezüglich hohlzylindrischer Bauteile einerseits und ringförmiger Bauteile andererseits differenziert werden. In soweit kann hinsichtlich der hohlzylindrischen Zylinderlaufbüchsen bezüglich der axialen Variation der Lagen 5 bzw. 6 allgemein folgendes empfohlen werden: Je ausgeprägter an einer bestimm ten Stelle einer herkömmlichen, in das Kurbelgehäuse 3 der Hubkolbenmaschine eingegossenen Zylinderlaufbüchse deren lokale Neigung ist, dass sich eine Mantellinie der Zylinderlaufbüchse aufgrund lokaler, betriebsbedingt hervorgerufener Erwärmung nach innen im Sinne einer Taillierung, d.h. im Sinne eines von innen gesehen konvexen Mantellinienverlaufes krümmt, umso größer muss an der betreffenden Stelle der Anteil der außenseitigen, aluminiumbasierten Lage 6 innerhalb der Gesamtwanddicke, d.h. innerhalb des Verhältnisses der beiden Einzellagen 5, 6 zueinander sein und umgekehrt. D.h. je stärker eine Mantellinie einer konventionellen Zylinderlaufbüchse an einer bestimmten Stelle derselben sich aufgrund lokaler, betriebsbedingt hervorgerufener Temperatur nach außen im Sinne einer Tonnenbildung krümmen will, umso größer muss an der betreffenden Stelle der Anteil der laufseitigen, eisenbasierten Lage 5 innerhalb der Gesamtwanddicke sein.
Was die in einen Zylinderkopf 10 einzugießenden, ringförmigen Ventilsitzringe 11, 11' gemäß 9 bzw. gemäß 8 anbelangt, so können sich diese zwar auch in axialer Hinsicht verformen, jedoch anders als hohlzylindrische Teile. Und zwar können die Ventilsitzringe sich axial aus der Ringebene heraus verwölben, was selbstverständlich unerwünscht ist. Um einer axialen Verwölbung eines Ventilsitzringes entgegen wirken zu können, sind bei einem ringförmigen Ventilsitzrohling 11 die lokale Querschnittsfläche f_e1, f_e2 bzw. f_a1, f_a2 der beiden Lagen 5', 6' bezüglich ihrer axialen Profilierung nach folgender Maßgabe über den Umfang hinweg variiert und optimiert: Je ausgeprägter an einer bestimmten Umfangsstelle eines herkömmlichen, in den Zylinderkopf einer Hubkolbenmaschine eingegossenen Ventilsitzringes dessen lokale Neigung ist, sich aufgrund lokaler, betriebsbedingt hervorgerufener Erwärmung aus der Ringebene zu einer der beiden Axialseiten des Ventilsitzringes hin konvex zu verwölben, umso größer muss an der betreffenden Umfangsstelle die Querschnittsfläche f_a1, f_a2 der außenseitigen, aluminiumbasierten Lage 6' innerhalb des Gesamtquerschnittes, d.h. innerhalb des Verhältnisses der bei den Einzellagen 5', 6' zueinander sein und umso näher muss dort der Schwerpunkt der Querschnittsfläche f_a1, f_a2 dieser aluminiumbasierten Lage 6' in Richtung zu der genannten Axialseite des Ventilsitzringes (11) hin angenähert sein und umgekehrt. Dies ist in den 9 bis 11 veranschaulicht. Bei der umgekehrten Betrachtung bedeutet dies, dass je stärker ein konventioneller Ventilsitzring an einer bestimmten Umfangsstelle desselben sich aufgrund lokaler, betriebsbedingt hervorgerufener Temperatur zu der genannmten Axialseite hin konkav krümmen will, umso größer muss an der betreffenden Umfangsstelle die Querschnittsfläche f_e1, f_e2 der innenseitigen, eisenbasierten Lage 5' innerhalb des Gesamtquerschnitts sein und umso näher muss dort der Schwerpunkt der Querschnittsfläche f_e1, f_e2 dieser eisenbasierten Lage 5' in Richtung zu der genannten Axialseite des Ventilsitzringes 11 hin angenähert sein.
Es soll weiter unten noch einmal auf die Ventilsitzringe gesprochen werden; zunächst sollen nachfolgend auf spezielle Probleme bei den hohlzylindrischen Zylinderlaufbüchsen näher eingegangen werden.
Und zwar muss bei der erfindungsgemäßen Ausbildung von Zylinderlaufbüchsen zwischen endseitig innerhalb einer Zylinderreihe liegenden Zylinderlaufbüchsen 2 bzw. 2' einerseits und den innerhalb der endseitigen Zylinder, d.h. nicht endseitig liegenden Zylinderlaufbüchsen 1 bzw. 1' andererseits unterschieden werden, weil deren Temperaturprofil konstruktionsbedingt unterschiedlich ausfällt. Benachbart liegende Zylinderlaufbüchsen werden nämlich an den einander zugekehrten Umfangsstellen besonders warm, weil dort die Kühlung konstruktionsbedingt etwas beeinträchtig ist, wogegen die Zylinderlaufbüchsen an den übrigen Umfangsstellen besser gekühlt werden können und dementsprechend dort auch nicht so hohe Betriebstemperaturen erreichen. Bei den endseitigen Zylinderlaufbüchsen 2 bzw. 2' erwärmt sich demgemäß nur eine Umfangsstelle besonders stark, wogegen die nicht endseitig gelegenen Zylinderlaufbüchsen 1 bzw. 1' an zwei diametral liegenden Umfangsstellen besonders heiß werden. Von dieser starken Erwärmung ist im Übrigen vor allem der Bereich 7 nahe des oberen Totpunktes betroffen, weil dort die Gastemperaturen innerhalb der Arbeitsräume besonders hoch sind. Entsprechend dieses allgemeinen Temperaturprofils der Zylinderlaufbüchsen besteht die Neigung herkömmlicher Bimetall-Buchsen, sich an den heißen Umfangsstellen abzuflachen und an den quer dazu liegenden Umfangsstellen eine stärkere Krümmung anzunehmen, als der Kreisform im kalten Zustand entspricht, d.h. die nicht endseitigen Zylinder 1 bzw. 1' werden im betriebswarmen Zustand normalerweise oval und die endseitigen Zylinder 2 bzw. 2' nehmen eine einer D-Form angenäherte, einseitig abgeflachte Querschnittsform an.
Um diese Verzugsneigung aufgrund einer erfindungsgemäßen Optimierung der Zylinderlaufbuchse zu kompensieren wird bei einem nicht endseitig einzugießenden Büchsenrohling 1 die Lage 6 aus dem aluminiumbasierten Werkstoff an zwei diametral gegenüber liegend Umfangsstellen, die im Einbauzustand zu den benachbarten Zylinderlaufbuchsen 1', 2' hinweisen, zumindest im Bereich 7 nahe des oberen Totpunktes verstärkt. Die aluminiumbasierte Lage hat danach einen so hohen Anteil an der Gesamtwanddicke der Zylinderlaufbüchse, dass die lokale Temperaturdehnungskraft dieser Lage 6 bei Betriebstemperatur die entsprechende lokale Temperaturdehnungskraft der eisenbasierten Lage 5 übersteigt. An den beiden dazu etwa um 90° versetzt liegend Umfangsstellen ist umgekehrt die eisenbasierte Lage 5 zumindest im Bereich 7 nahe des oberen Totpunktes verstärkt und hat dort einen so hohen Anteil an der Gesamtwanddicke der Zylinderlaufbüchse, dass dort die lokale Temperaturdehnungskraft dieser Lage 5 bei Betriebstemperatur die entsprechende lokale Temperaturdehnungskraft der aluminiumbasierten Lage 6 übersteigt. Aufgrund dessen werden die sich normalerweise einstellenden, thermisch bedingten Verzüge durch einen sog. Bi-Metall-Effekt kompensiert. Der Zylinder behält auch bei dem sich betriebsbedingt einstellenden Temperaturprofil seine Kreisform bei.
Geringfügig anders, aber im Prinzip ähnlich ist bei den endseitig in einer Zylinderreihe gelegenen Zylinderlaufbüchse 2 bzw. 2' vorzugehen. D.h. bei endseitigen Büchsenrohlingen 2 ist die Lage 6 aus dem aluminiumbasierten Werkstoff an nur einer Umfangsstelle, die im Einbauzustand zu den benachbarten Zylinderlaufbuchse 1' hinweist, zumindest im Bereich 7 des oberen Totpunktes verstärkt und hat dort einen so hohen Anteil an der Gesamtwanddicke der Zylinderlaufbüchse, dass dort die lokale Temperaturdehnungskraft dieser Lage 6 bei Betriebstemperatur die entsprechende lokale Temperaturdehnungskraft der Lage 5 aus dem eisenbasierten Werkstoff übersteigt. An den übrigen Umfangsstellen ist die eisenbasierte Lage geringfügig gegenüber der aluminiumbasierten Lage 6 verstärkt, was die Temperaturdehnungskraft anlangt.
Die Profilierung der einzelnen Lagen 5 und 6 kann auch noch zu einem anderen, die Verzugsneigung günstig beeinflussenden Zweck herangezogen werden. Und zwar ist der obere, im Einbauzustand die Zylinderkopfdichtung 4 berührenden Rand der Zylinderlaufbüchse 1, 2 in sofern besonders gefährdet, als dort lokal die axiale Pressung derselben durch die Zylinderkopfdichtung besonders hoch ist, was zu elastischen Verzügen und sogar zu Setzungserscheinungen, d.h. zu bleibenden Verformungen führen kann. Um dem entgegen zu wirken, ist in Ausgestaltung der Erfindung die eisenbasierte Lage 5 am oberen Rand der Zylinderlaufbüchse 1, 2 auf einer kurzen Strecke am gesamten Umfang zu Lasten der aluminiumbasierten Lage 6 nach Art eines Flansches 8 verbreitert. Dadurch erhält die Zylinderlaufbüchse lokal eine besonders hohe Steifigkeit und kann die lokal erhöhte Flächenpressung verzugs- und setzungsfrei auch über längere Zeit ertragen.
Aus Gründen einer guten Handhabbarkeit der Bauteilrohlinge 1, 2 oder 11 während der Produktion ist deren Gesamtwanddicke an allen Umfangsstellen und an allen Axialpositionen zumindest annähernd konstant. Der innenseitig zylindrisch ausgebildete Rohlings 1, 2, 11 ist an allen Umfangsstellen und an allen Axialpositionen mit einer zumindest soweit annähernd konstanten Gesamtwanddicke ausgebildet, dass er auf einer gegenüber der Horizontalen um etwa 5° geneigten Ebene aus allen abgelegten Umfangsstellungen heraus schwerkraftbedingt ohne weiteres wegrollt. Dadurch können die Buchsenrohlinge problemlos magaziniert oder auf Förderrinnen axial oder rollend bewegt werden.
Die Bauteilrohlinge 1, 2, 11 sollen in ein Kurbelgehäuse 3 bzw. in einen Zylinderkopf 10 eingegossen werden, wofür sie aufgrund der Profilierung der einzelnen Lagen 5, 6 bzw. 5', 6' in einer stets gleichen Umfangsstellung in eine entsprechende Gießform eingesetzt werden müssen. Um dies sicherstellen zu können, ist zumindest an einer Umfangsstelle eine radial oder axial abstehende oder vertiefte Orientierungsmarke 9, 9', 9'' (4, 6, 7, 12, 13) oder 12, 12' (8 oder 9) vorgesehen, die mit einer entsprechenden mechanischen Gegenmarkierung an der Gießform zusammenpasst. Die Orientierungsmarke weist eine bei allen Büchsenrohlingen übereinstimmende relative Umfangslage gegenüber dem Profil der Einzellagen 5, 6 bzw. 5', 6' auf. In den 4, 6 und 7 ist eine radial abstehende Nase als Orientierungsmarke 9 dargestellt. Die 12 zeigt eine vom unteren Rand axial abstehende Nase als Orientierungsmarke 9', wogegen bei dem in 13 gezeigten Buchsenrohling die Orientierungsmarke 9'' in die untere Stirnseite der Buchse axial eingetieft ist. Bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel eines eingegossenen Ventilsitzringes 11' ist eine axial abstehende Orientierungsmarke 12' angedeutet, wogegen der in 9 dargestellte Ventilsitzring 11 mit einer radial nach innen abragenden Orientierungsmarke 12 versehen ist. Um eine sichere mechanische Ausrichtung der Buchsenrohlinge bei deren Weiterverarbeitung gewährleisten zu können, sollte die büchsenseitige Orientierungsmarke nach Höhe, Breite und Tiefe mindes tens etwa der halben Gesamtwanddicke des Büchsenrohlings entsprechen.
Die in vorteilhafter Weise mit erfindungsgemäß ausgebildeten Zylinderlaufbüchsen bei Betriebstemperatur erzielbare verzugsarme Zylinderform der Lauffläche ist kein Selbstzweck. Vielmehr kann dank der exakteren Zylinderform der betriebswarmen Laufbuchsen ein geringeres Spiel der in die Zylinderlaufbuchsen eingebauten Kolben zugelassen werden. Dieses geringere Kolbenspiel schließlich hat in vorteilhafter Weise zur Folge, dass die toten Zwickel des Kolbenarbeitsraumes absolut und in Relation zum Kompressionsendvolumen geringer als bei herkömmlichen Zylinderlaufbuchsen ausfallen. Die reduzierten Totraumanteile äußern sich bei der Verbrennung der Arbeitsladung zum einen in einer vollkommeneren Verbrennung und somit in einer besseren Kraftstoffausnutzung, also in einem geringeren spezifischen, d.h. leistungsbezogenen Kraftstoffbedarf und zum anderen in einer besseren Abgasqualität, d.h. in einer geringeren Schadstoffemission.
Die erfindungsgemäß in allen Temperaturbereichen erzielbare, höhere Formgenauigkeit des Ventilsitzringes äußert sich in einer besseren Dichtheit der Ventile. Diese wiederum hat zur Folge, dass mit einem geringeren Druckverlust im Arbeitsraum, mit einem höheren Wirkungsgrad und somit mit einem geringeren Kraftstoffverbrauch gerechnet werden kann.

Claims

Vorgefertigter Rohling eines ringförmigen oder hohlzylindrischen Bauteils, nämlich eines Ventilsitzringes oder einer Zylinderlaufbüchse, zum Eingießen in ein aus einer gießbaren Leichtmetalllegierung bestehendes Gehäuse, nämlich in einen Zylinderkopf oder in ein Kurbelgehäuse einer Hubkolbenmaschine, bestehend aus einer im thermischen Spritzverfahren erzeugten Lage aus einem eisenbasierten Werkstoff auf der Innenseite des ringförmigen bzw. hohlzylindrischen Bauteils und aus einer außenseitig aufgesprühten Verbindungslage aus einem aluminiumbasierten Werkstoff, wobei die Wandstärke zumindest einer der beiden Lagen lokale Verdickungen aufweist, die einem Bauteilverzug entgegenwirken, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden werkstoffbedingt sich temperaturabhängig stark unterschiedlich dehnenden Lagen (5, 6, 5', 6') unter Ausnutzung eines dadurch gegebenen, sog. Bimetall-Effektes im Sinne einer Minimierung eines durch den Betrieb der fertigen Hubkolbenmaschine bedingten, thermisch hervorgerufenen Verzuges bei einem ringförmigen Bauteil (11) zumindest in Umfangsrichtung und bei einem hohlzylindrischen Bauteil (1, 2) sowohl in Axial- als auch in Umfangsrichtung bezüglich ihrer lokalen Lagendicke (S_e1, S_e2, S_e3, S_e4 bzw. s_a1, S_a2, S_a3, s_a4 bzw. r_e, r_a bzw. f_e1 f_e2, f_a1, f_a2) variiert und optimiert sind.
Bauteilrohling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Lagendicke (S_e1, S_e2, S_e3, S_e4 bzw. s_a1, S_a2, S_a3, s_a4 bzw. r_e, r_a) der beiden Lagen (5, 6, 5', 6') bezüglich der umfangsmäßigen Profilierung nach folgender Maßgabe variiert und optimiert sind: Je stärker an einer bestimmten Umfangsstelle ein Kreisquerschnitt einer in das Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine eingegossenen, konventionellen Zylinderlaufbüchse oder ein in den Zylinderkopf eingegossener, konventioneller Ventilsitzring sich aufgrund lokaler, betriebsbedingt hervorgerufener Erwärmung bezüglich der Umfangsrichtung abflacht, umso größer muss an der betreffenden Stelle der Anteil der außenseitigen, aluminiumbasierten Lage (6, 6') innerhalb der Gesamtwanddicke, d.h. innerhalb des Verhältnisses der beiden Einzellagen (5, 6 bzw. 5', 6') zueinander sein und umgekehrt, d.h. je stärker an einer bestimmten Umfangsstelle einer konventionellen Zylinderlaufbüchse bzw. eines konventionellen Ventilsitzrings diese(r) sich aufgrund lokaler, betriebsbedingt hervorgerufener Temperatur gegenüber dem Kreisquerschnitt krümmt, umso größer ist der Anteil der innenseitigen, eisenbasierten Lage (5, 5') innerhalb der Gesamtwanddicke.
Bauteilrohling nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem hohlzylindrischen Laufbüchsenrohling (1, 2) die lokale Lagendicke (S_e1, S_e2, S_e3, S_e4 bzw. s_a1, S_a2, S_a3, s_a4) der beiden Lagen (5, 6) bezüglich ihrer axialen Profilierung nach folgender Maßgabe variiert und optimiert sind: je ausgeprägter an einer bestimmten, axialen Stelle einer herkömmlichen, in das Kurbelgehäuse (3) der Hubkolbenmaschine eingegossenen Zylinderlaufbüchse deren lokale Neigung ist, dass sich eine Mantellinie der Zylinderlaufbüchse aufgrund lokaler, betriebsbedingt hervorgerufener Erwärmung nach innen im Sinne einer Taillierung, d.h. im Sinne eines von innen gesehen konvexen Mantellinienver laufes krümmt, umso größer muss an der betreffenden, axialen Stelle der Anteil der außenseitigen, aluminiumbasierten Lage (6) innerhalb der Gesamtwanddicke, d.h. innerhalb des Verhältnisses der beiden Einzellagen (5, 6) zueinander sein und umgekehrt, d.h. je stärker eine Mantellinie einer konventionellen Zylinderlaufbüchse an einer bestimmten, axialen Stelle derselben sich aufgrund lokaler, betriebsbedingt hervorgerufener Temperatur nach außen im Sinne einer Tonnenbildung krümmen will, umso größer muss an der betreffenden, axialen Stelle der Anteil der laufseitigen, eisenbasierten Lage (5) innerhalb der Gesamtwanddicke sein.
Bauteilrohling nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem ringförmigen Ventilsitzrohling (11) die lokale Querschnittsfläche (f_e1, f_e2 bzw. f_a1, f_a2) der beiden Lagen (5', 6') eines bezüglich der axialen Profilierung nach folgender Maßgabe über den Umfang hinweg variiert und optimiert sind: je ausgeprägter an einer bestimmten Umfangsstelle eines herkömmlichen, in den Zylinderkopf einer Hubkolbenmaschine eingegossenen Ventilsitzring dessen lokale Neigung ist, sich aufgrund lokaler, betriebsbedingt hervorgerufener Erwärmung aus der Ringebene zu einer der beiden Axialseiten des Ventilsitzringes hin konvex zu verwölben, umso größer muss an der betreffenden Umfangsstelle die Querschnittsfläche (f_a1, f_a2) der außenseitigen, aluminiumbasierten Lage (6') innerhalb des Gesamtquerschnittes, d.h. innerhalb des Verhältnisses der beiden Einzellagen (5', 6') zueinander sein und/oder umso näher muss dort der Schwerpunkt der Querschnittsfläche (f_a1, f_a2) dieser aluminiumbasierten Lage (6') in Richtung zu der genannten Axialseite des Ventilsitzringes (11) hin angenähert sein und umgekehrt, d.h. je stärker ein konventioneller Ventilsitzring an einer bestimmten Umfangsstelle desselben sich aufgrund lokaler, betriebsbedingt hervorgerufener Temperatur zu der genannten Axialseite hin konkav krümmen will, umso größer muss an der betreffenden Umfangsstelle die Querschnittsfläche (f_e1, f_e2) der innenseitigen, eisenbasierten Lage (5') innerhalb des Gesamtquerschnitts sein und/oder umso näher muss dort der Schwerpunkt der Querschnittsfläche (f_e1, f_e2) dieser eisenbasierten Lage (5') in Richtung zu der genannten Axialseite des Ventilsitzringes (11) hin angenähert sein.
Bauteilrohling nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der Rohling (1) für eine nicht endseitig in einer Zylinderreihe gelegene Zylinderlaufbüchse (1') eines Kurbelgehäuses (3) vorgesehen ist, die Lage (6) aus dem aluminiumbasierten Werkstoff an zwei diametral gegenüber liegend Umfangsstellen, die im Einbauzustand zu den benachbarten Zylinderlaufbuchsen (1', 2') hinweisen, zumindest im Bereich (7) nahe des oberen Totpunktes einen so hohen Anteil an der Gesamtwanddicke der Zylinderlaufbüchse hat, dass die lokale Temperaturdehnungskraft bei Betriebstemperatur dieser Lage (6) die entsprechende lokale Temperaturdehnungskraft der Lage (5) aus dem eisenbasierten Werkstoff übersteigt.
Bauteilrohling nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Büchsenrohling (1) die Lage (5) aus dem eisenbasierten Werkstoff an zwei diametral gegenüber liegend Umfangsstellen, die etwa um 90° versetzt zu den beiden bereits genannten Umfangsstellen liegen, zumindest im Bereich (7) nahe des oberen Totpunktes einen so hohen Anteil an der Gesamtwanddicke der Zylinderlaufbüchse hat, dass dort die lokale Temperaturdehnungskraft bei Betriebstemperatur dieser Lage (5) die entsprechende lokale Temperaturdehnungskraft der Lage (6) aus dem aluminiumbasierten Werkstoff übersteigt.
Bauteilrohling nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Büchsenrohling (2) für den Fall, dass der Büchsenrohling (2) für eine endseitig in einer Zylinderreihe gelegene Zylinderlaufbüchse (2') eines Kurbelgehäuses (3) vorgesehen ist, die Lage (6) aus dem aluminiumbasierten Werkstoff an einer Umfangsstelle, die im Einbauzustand zu den benachbarten Zylinderlaufbuchse (1') hinweist, zumindest im Bereich (7) des oberen Totpunktes einen so hohen Anteil an der Gesamtwanddicke der Zylinderlaufbüchse hat, dass dort die lokale Temperaturdehnungskraft bei Betriebstemperatur dieser Lage (6) die entsprechende lokale Temperaturdehnungskraft der Lage (5) aus dem eisenbasierten Werkstoff übersteigt.
Bauteilrohling nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Büchsenrohling (1, 2) die Lage (5) aus dem eisenbasierten Werkstoff am oberen, im Einbauzustand die Zylinderkopfdichtung (4) berührenden Rand der Zylinderlaufbüchse (1, 2) auf einer axial kurzen Strecke am gesamten Umfang zu Lasten der Lage (6) aus dem aluminiumbasierten Werkstoff nach Art eines Flansch (8) verbreitert bzw. verdickt ist.
Bauteilrohling nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtwanddicke des ringförmigen bzw. zylindrischen Rohlings (1, 2, 11) an allen Umfangsstellen und an allen Axialpositionen zumindest annähernd konstant ist.
Bauteilrohling nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der innenseitig kreisrund bzw. zylindrisch ausgebildete Rohling (1, 2, 11) an allen Umfangsstellen und an allen Axialpositionen mit einer zumindest soweit annähernd konstanten Gesamtwanddicke ausgebildet ist, dass der Rohling (1, 2, 11) auf einer gegenüber der Horizontalen um etwa 5° geneigten Ebene aus allen abgelegten Umfangsstellungen heraus schwerkraftbedingt ohne weiteres wegrollt.
Bauteilrohling nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er (1, 2, 11) zumindest an einer Umfangsstelle mit einer nach außen oder nach innen radial abstehenden oder axial abstehenden oder vertieften Orientierungsmarke (9, 9', 9'', 12, 12') versehen ist, die eine bei allen Rohlingen (1, 2, 11) übereinstimmende relative Umfangslage gegenüber dem Profil der Einzellagen (5, 6, 5', 6') aufweist.