DE10360148A1

DE10360148A1 - Zylinderlaufbahn und Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn

Info

Publication number: DE10360148A1
Application number: DE2003160148
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dr.rer.nat. Füßer; Wolfgang Dipl.-Ing. Pellkofer; Harald Dipl.-Ing. Pfeffinger
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2003-12-20
Filing date: 2003-12-20
Publication date: 2005-07-21

Abstract

Es wird eine Zylinderlaufbahn (1) mit einer gehonten Lauffläche (2) in einen Zylinder sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Zylinderlaufbahn beschrieben. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist bei der Zylinderlaufbahn vorgesehen, dass mehrere Teilbereiche (4a, 4b) der Lauffläche (2) mit Mikrostrukturen (3) ausgebildet sind; für das Verfahren ist vorgesehen, dass die Lauffläche (82) auf der gesamten axialen Länge gehont wird und in mehrere Teilbereiche (4a, 4b) der Lauffläche (2) Mikrostrukturen (3) eingebracht werden. DOLLAR A Anwendung insbesondere in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbahn insbesondere für eine Brennkraftmaschine zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zylinderlaufbahn.

Aus der DE 39 41 381 A1 ist ein Zylinderblock für eine Brennkraftmaschine bekannt, welcher aus einer Leichtmetalllegierung hergestellt ist. In jede Kolbenlaufbahn des Zylinderblocks ist eine perforierte Hülse aus einem verschleißbeständigen, einen höheren Schmelzpunkt aufweisenden Material eingegossen, welche Laufflächenanteile bildet. Die Hülse ist aus einem dünnwandigen, durch Durchstellen perforierten Blech hergestellt, wobei die Durchstellungen eine von der Laufbahnkrümmung abweichende, Hinterschneidungen zum Grundmaterial bildende Ausrichtung haben und mit einer porösen, durch thermisches Metallspritzen aufgebrachten Schicht versehen sind.

Nachteilig an dem aus der DE 39 41 381 A1 bekannten Zylinderblock ist dabei, dass die Herstellung der Hülse mit den Durchstellungen aufwendig und kostenintensiv ist. Die Oberfläche der Lauffläche hat zwar ein hohes Ölrückhaltevolumen, jedoch wird das meiste Öl abgestreift und vorausgeschoben, sodass in der Folge eine Erhöhung der ölbedingten Schadstoffe und ein höherer Verschleiß der Laufbahnen auftritt.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Zylinderlaufbahn, welche beim Einsatz zum Beispiel in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eine Reduktion des Ölverbrauchs, eine Reduktion der Emission ölbedingter Schadstoffe wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Partikel und eine Reduktion des Verschleißes der Laufbahn der Zylinderlaufbuchse ermöglicht, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zylinderlaufbahn bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Zylinderlaufbahn mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Die Zylinderlaufbahn mit einer gehonten Lauffläche in einem Zylinder ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Teilbereiche der Lauffläche mit Mikrostrukturen versehen sind.

Die erfindungsgemäße Zylinderlaufbahn zeichnet sich somit durch eine Aufteilung der Lauffläche in mehrere Bereiche auf, wobei in bestimmten Bereichen vorgesehene Mikrostrukturen mit gehonten Laufflächenbereichen und damit auch deren jeweilige Vorteile kombiniert sind.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die mit der Mikrostruktur versehenen Teilbereiche um den oberen und den unteren Totpunkt eines in der Zylinderlaufbahn geführten Kolbens angeordnet. Es werden so die vorteilhaften Eigenschaften der Mikrostrukturen in den Bereichen um den oberen und den unteren Totpunkt zur Ausbildung eines stationären Ölfilms in diesen Bereichen und die vorteilhaften Eigenschaften der gehonten Lauffläche im mittleren Bereich zur Erzielung eines möglichst geringen Ölrückhaltevolumens in diesem Bereich kombiniert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Bereich zwischen den mit der Mikrostruktur versehenen Teilbereichen mit einer Spiegelhonung versehen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Mikrostrukturen mittels Laserbearbeitung in die Lauffläche eingebracht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst die Lauffläche der Zylinderlaufbahn auf ihrer gesamten axialen Länge gehont und dann in den Bereichen um die Totpunkte mit der Mikrostruktur versehen wird.

Hierbei kann zunächst die gesamte Lauffläche mit einer abschließenden Spiegelhonung bearbeitet werden, woraufhin die Mikrostrukturen in die mehreren Teilbereiche eingebracht werden. Alternativ ist es auch möglich, dass nach der Durchführung einer ersten und gegebenfalls einer zweiten Honstufe der gesamten Lauffläche die Mikrostrukturen in die mehreren Teilbereiche eingebracht werden und anschließend die gesamte Lauffläche einschließlich der Teilbereiche mit den Mikrostrukturen mit einer Spiegelhonung bearbeitet wird.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie der Zeichnung. Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Darin zeigt die einzige 1 eine schematische, teilgeschnittene perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Zylinderlaufbahn.
In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäß ausgestaltete Zylinderlaufbahn 1 in teilgeschnittener perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Zylinderlaufbahn 1 der Erfindung wird nachfolgend in der vorteilhaften Anwendung für einen Zylinder einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs näher erläutert.
Die Erfindung ist aber auch bei anderen Kolbenmaschinen wie zum Beispiel Hochdruckpumpen und dergleichen einsetzbar.
Die Zylinderlaufbahn 1 ist hohlzylindrisch geformt und so ausgebildet, dass sie in einen nicht näher dargestellten Zylinderblock einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann. In der Zylinderlaufbahn 1 ist ein ebenfalls nicht weiter dargestellter Kolben vorgesehen, welcher beweglich in der Zylinderlaufbahn 1 angeordnet ist. Der Kolben wird durch einen Pleuel ausgehend von der Drehung einer Kurbelwelle zwischen einem oberen Totpunkt (im Folgenden als OT bezeichnet) und einem unteren Totpunkt (im Folgenden als UT bezeichnet) geführt. Der Kolben verfügt über ein Kolbenringpaket, welches in Anlage an einer Lauffläche 2 der Zylinderlaufbahn 1 liegt und der Abdichtung des Brennraums gegenüber dem Rest der Brennkraftmaschine dient. Die Reibung zwischen den Kolbenringen und der Lauffläche 2 wird durch einen auf der Lauffläche 2 befindlichen Ölfilm reduziert. Damit der Ölfilm durch die Kolbenringe nicht abgestreift wird, ist eine Struktur in die Lauffläche 2 eingebracht, welche ein Ölrückhaltevolumen definiert. Öl steht somit auch nach dem Abstreifen durch die Kolbenringe zur Verfügung, sodass die Schmierung stets aufrecht erhalten werden kann.
Die genannte Struktur wird üblicher Weise mittels Honens durch ein Honwerkzeug kreuzartig auf der Lauffläche 2 aufgebracht. Die Honstruktur ist allerdings einerseits sehr unregelmäßig, sodass der Schmierungsgrad nicht überall gleich gut ist, andererseits bilden die einander kreuzenden Honspuren kommunizierende Strukturen, welche dazu führen, dass der Ölfilm durch die Kolbenringe entlang der Honriefen in der Lauffläche 2 vorweggeschoben werden. Die dadurch veränderten tribologischen Bedingungen steigern den Verschleiß insbesondere im Bereich der Totpunkte, wo die Kolbengeschwindigkeit kurzzeitig fast auf Null absinkt. Höhere thermomechanische Beanspruchungen verschärfen die Problematik weiter.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, in Teilbereichen 4a und 4b um die Totpunkte des Kolbens Mikrostrukturen 3 in die Lauffläche 2 der Zylinderlaufbahn 1 einzubringen, welche sicherstellen, dass eine stationäre Ölfilmausbildung in den kritischen Bereichen erfolgen kann, welche die tribologischen Randbedingungen verbessert. Die Strukturierung kann dabei beispielsweise mittels Laserbearbeitung erfolgen.
In einem Bereich 5 zwischen den Totpunkten sind derartige Strukturen zur Verbesserung der tribologischen Vorgänge von untergeordneter Bedeutung. Die Verbrennungstemperaturen bewirken jedoch ein Abdampfen des auf der Lauffläche 2 befindlichen Öls mit entsprechend steigendem Ölverbrauch und nachteiligen Auswirkungen auf Emissionsbestandteile wie Kohlenwasserstoffe und Partikel. Im mittleren Bereich 5 ist somit ein möglichst geringes Ölrückhaltevolumen anzustreben, was beispielsweise mittels Spiegelhonung oder Spindelverfahren erzielt werden kann.
Die Herstellung der gewünschten Oberflächenstruktur der Lauffläche 2 kann dabei entweder durch Honen, wie beispielsweise durch sogenannte „Diato-Spiegelhonungen", oder Spindeln und nachfolgendes Einbringen der Mikrostrukturen 3 durch Laserbearbeitung in den Teilbereichen 4a, 4b erfolgen. Alternativ werden die Mikrostrukturen 3 in den beiden Teilbereichen 4a, 4b nach einer ersten Honstufe eingebracht, und danach erfolgt eine abschließende Spiegelhonung der gesamten axialen Länge der Zylinderlaufbuchse einschließlich der Teilbereiche 4a und 4b, ohne dabei die Mikrostrukturen 3 zu entfernen.
Das Honen oder auch Spindeln erfolgt dabei bei beiden Varianten zweckmäßiger Weise entlang der gesamten axialen Länge der Zylinderlaufbahn 1, da dies den Herstellungsprozess wesentlich einfacher gestaltet, als wenn nur der Bereich 5 gehont oder gespindelt würde.

Claims

Zylinderlaufbahn (1) mit einer gehonten Lauffläche (2), dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Teilbereiche (4a, 4b) der Lauffläche (2) mit Mikrostrukturen (3) versehen sind.
Zylinderlaufbahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Mikrostrukturen (3) aufweisenden Teilbereiche (4a, 4b) um einen oberen und einen unteren Totpunkt eines in der Zylinderlaufbahn (1) geführten Kolbens vorgesehen sind.
Zylinderlaufbahn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Mikrostrukturen (3) ein Ölrückhaltevolumen definiert ist.
Zylinderlaufbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Teilbereichen (4a, 4b) mit den Mikrostrukturen (3) ein axial mittlerer Bereich (5) ohne Mikrostruktur (3) vorgesehen ist.
Zylinderlaufbahn nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der axial mittlere Bereich (5) mit einer Spiegelhonung versehen ist.
Zylinderlaufbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen (3) mittels Laserbearbeitung hergestellt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn (1) zum Einsetzen in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer gehonten Lauffläche (2), wobei in der Lauffläche (2) mehrere Teilbereichen (4a, 4b) mit Mikrostrukturen (3) versehen sind, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Honen der Lauffläche (2) auf gesamter axialer Länge, und – Einbringen der Mikrostrukturen (3) in den mehreren Teilbereichen (4) der Lauffläche (2).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die gesamte Lauffläche (2) mit einer abschließenden Spiegelhonung bearbeitet wird und dann die Mikrostrukturen (3) in die mehreren Teilbereiche (4a, 4b) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Durchführung einer ersten und gegebenenfalls zweiten Honstufe der gesamten Lauffläche (2) die Mikrostrukturen (3) in die mehreren Teilbereiche (4a, 4b) eingebracht werden und anschließend die gesamte Lauffläche einschließlich der Teilbereiche mit den Mikrostrukturen mit einer Spiegelhonung bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen (3) mittels Laserbearbeitung ind die mehreren Teilbereiche (4a, 4b) eingebracht werden.