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Die vorliegende Erfindung betrifft eine von einer Zylinderlaufbuchse und einem Kolbenring gebildete Gleitanordnung.
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Die Zylinderlaufbuchse weist eine Innenwand auf, die eine Veränderung der Rauheit der Kontaktfläche derart aufweist, dass unter Berücksichtigung der Hin- und Herbewegung eines Kolbens im Inneren der Laufbuchse der mittlere Abschnitt eine geringere Rauheit bietet als diejenige der zwei Begrenzungsabschnitte des Hubwegs des Zylinders. Der Kolbenring wiederum bietet eine mittels des physikalischen Dampfphasenabscheidungsverfahrens (PVD) abgeschiedene Keramikbeschichtung und diese Beschichtung stellt unter Einbeziehung der Eigenschaften der Kontaktfläche der Laufbuchse eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Verschleiß des Rings sicher.
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Beschreibung des Stands der Technik
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In einer Brennkraftmaschine tritt der größte Verschleiß der Kolbenringe aufgrund des erhöhten Anpressdrucks an den freien Endpunkten (Spitzen) oder in deren Umgebung auf.
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Insbesondere kann der Verschleiß der Spitzen des Rings bis zu drei Mal größer sein als derjenige in anderen Bereichen des Teils, wobei sich das Auftreten des Phänomens des stattfindenden Abplatzens und Abblättern der Beschichtung an diesem Punkt konzentriert.
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Unterschiedliche Techniken wurden entwickelt mit dem Ziel, diesen Verschleiß an den Endpunkten der Kolbenringe zu verringern, wobei jedoch die Grundlage bzw. der Schwerpunkt dieser Bemühungen allein auf dem Kolbenring liegt. Die verschiedenen für Zylinderlaufbuchsen entwickelten Techniken betreffen allgemein die Reduzierung der Reibung.
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Eine erste Entwicklung ist im Falle des Patents
DE 102006057111 der gleichen Anmelderin offenbart, die sich auf eine Zylinderlaufbuchse bezieht, wobei die Rauheit entlang der Länge im Sinne der Verlagerung des Kolbens im Inneren der Laufbuchse variiert. Insbesondere besitzt der an den maximalen Hubweg angrenzende Abschnitt des Kolbens in Richtung des Zylinderkopfes einen Bereich mit einer ersten Rauheit, und der mittlere Bereich der Laufbuchse, in Bezug auf den Laufweg des Kolbens, besitzt eine zweite Rauheit, wobei es nun so ist, dass der Rauwert an dem mittleren Abschnitt der Arbeitsoberfläche der Laufbuchse den Rauwert der Endpunkte übersteigt. Der Schwerpunkt dieses Dokuments liegt jedoch einzig auf der Ausgestaltung der Laufbuchse, ohne dass dies mit der Art des Rings, der innerhalb dieser Laufbuchse gleiten wird, in Zusammenhang gebracht wird, wobei der Verteilung von Tälern und Erhebungen (mittlere Rautiefe (Rz), Kernrautiefe (Rk), reduzierte Spitzenhöhe (Rpk)) an der Oberfläche der Laufbuchse nicht spezifiziert wurde.
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Die Patentschrift
DE 102009010791 offenbart eine Zylinderlaufbuchse, die mit einem Rauwert bereitgestellt ist, der an den Endpunkten in Bezug auf den Rauwert im mittleren Bereich höher ist. Jedoch führt das für das Erreichen dieser Strukturen verwendete Verfahren zum Auftreten von Ausnehmungen mit größerer oder kleinerer Tiefe (wobei die Tiefe dabei deutlich schwankt), wodurch die potentielle Wirksamkeit dieser Lösung als Schmierölansammlungstaschen vermindert wird. Der Schwerpunkt dieses Dokuments liegt jedoch ferner einzig auf der Ausgestaltung der Laufbuchse, ohne dass dies mit der Art des Rings, der innerhalb dieser Laufbuchse gleiten wird, in Zusammenhang gebracht wird.
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Die Patentschrift
DE 19605588 betrifft eine Zylinderlaufbuchse, deren Innenoberfläche an den Endpunkten höhere Rauwerte aufweist als im mittleren Abschnitt. Jedoch wird zur Erzielung dieses Ergebnisses das Honverfahren eingesetzt, welches einige technische Parameter besitzt, um die Oberfläche der Endpunktbereiche zu behandeln, wobei unterschiedliche Parameter im mittleren Bereich verwendet werden. Darüber hinaus liegt der Schwerpunkt dieses Dokuments jedoch einzig auf der Ausgestaltung der Laufbuchse, ohne dass dies mit der Art des Rings, der innerhalb dieser Laufbuchse gleiten wird, in Zusammenhang gebracht wird.
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Die Patentschrift
JP 2004/176556 definiert eine Zylinderlaufbuchse, bei der der Winkel zwischen den Ausnehmungen dergleichen variabel ist und am Endpunkt des Kolbenhubwegs größer ist (Winkel α) als am mittleren Abschnitt (Winkel γ). An den dazwischenliegenden Abschnitten, zwischen dem mittleren Abschnitt und jedem der Endpunkte, ist der Winkel (β) dazwischenliegend.
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Schließlich betrifft die Patentschrift
FR 2884889 eine Zylinderlaufbuchse, deren Gleitfläche drei Rauwerte besitzt, mit (i) einem ersten Wert S1, der in dem dem Zylinderkopf zugewandten Endpunktabschnitt, dem mittleren Abschnitt und dem gegenüberliegenden Endpunkt niedriger (weniger rau) ist, (ii) einem zweiten Rauwert S2 von mittlerer Rauheit, der zwischen dem dem Zylinderkopf zugewandten Endpunktabschnitt und dem mittleren Abschnitt eingesetzt wird, und letztlich (iii) einem dritten, höheren Rauwert S3, der zwischen dem mittleren Abschnitt und dem dem Zylinderkopf zugewandten Endpunktabschnitt gegenüberliegenden Endpunktabschnitt eingesetzt wird. Auch hierbei liegt der Schwerpunkt wiederum einzig auf der Ausgestaltung der Laufbuchse, ohne dass dies mit der Art des Rings, der innerhalb dieser Laufbuchse gleiten wird, in Zusammenhang gebracht wird.
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Mit der Zielsetzung, diesen Verschleiß zu reduzieren, hat die Anmelderin die vorliegende Gleitanordnung entwickelt, wobei die Zylinderlaufbuchse eine Innenwand aufweist, die eine Veränderung der Rauheit der Kontaktfläche derart aufweist, dass unter Berücksichtigung der Hin- und Herbewegung eines Kolbens im Inneren der Laufbuchse der mittlere Abschnitt eine Rauheit besitzt, die geringer ist als die der zwei Begrenzungsabschnitte des Hubwegs des Kolbens (oberer Totpunkt (TDC), und unterer Totpunkt (BDC)). Bei der vorliegenden Lösung ist, obgleich die Rauheit variiert, die Struktur der die Rauheit definierenden Ausnehmungen und Vorsprünge („Täler“ und „Erhebungen“) im Wesentlichen einheitlich, was eine ausführlichere Untersuchung und eine größere Effizienz der Ausnehmungen im Hinblick auf deren Funktionsweise als Ölspeicher gestattet.
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Was den Kolbenring anbelangt besitzt dieser eine mittels des physikalischen Dampfphasenabscheidungsverfahrens (PVD) aufgebrachte Keramikbeschichtung, und diese Beschichtung stellt zusammen genommen mit den Eigenschaften der Kontaktfläche der Laufbuchse eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Verschleiß sicher.
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Aufgaben der Erfindung
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe betrifft eine durch eine Zylinderlaufbuchse und einen Kolbenring gebildete Gleitanordnung, wobei die Zylinderlaufbuchse eine Innenwand aufweist, die eine Veränderung der Rauheit der Kontaktfläche derart aufweist, dass unter Berücksichtigung der Hin- und Herbewegung eines Kolbens im Inneren der Laufbuchse der mittlere Abschnitt eine geringere Rauheit besitzt als diejenige der zwei Abschnitte in der Nähe des Kolbenhubs (insbesondere in der Nähe des oberen Totpunkts, TDC), wodurch eine Verringerung des Verschleißes des Kolbenrings ermöglicht wird, der eine Keramikbeschichtung aufweist, die mittels des physikalischen Dampfabscheidungsverfahrens (PVD) aufgebracht wurde.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrifft eine von einer Zylinderlaufbuchse und einem Kolbenring gebildete Gleitanordnung, wobei die Zylinderlaufbuchse eine Innenwand besitzt, die eine Veränderung der Rauheit der Kontaktfläche derart aufweist, dass unter Berücksichtigung der Hin- und Herbewegung eines Kolbens im Inneren der Laufbuchse der mittlere Abschnitt eine geringere Rauheit besitzt als diejenige der zwei Begrenzungsabschnitte des Kolbenhubs (insbesondere in der Nähe des oberen Totpunkts, TDC), wobei das Vorhandensein der Struktur der tiefsten Ausnehmungen („Täler“) in dem Bereich in der Nähe des oberen Totpunkts dabei eine Verringerung des Verschleißes des Kolbenrings ermöglicht, welcher mit einer Keramikbeschichtung versehen ist, die mittels des PVD-Verfahrens aufgebracht wurde, insbesondere aufgrund des Abplatzens.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden gelöst durch eine Gleitanordnung zur Verwendung in einer Brennkraftmaschine, aufweisend eine Zylinderlaufbuchse und mindestens einen Kolbenring, wobei die Laufbuchse mit einem durchgehenden Hohlraum versehen ist, der eine Innenoberfläche definiert, die wiederum drei Abschnitte definiert, und zwar einen ersten Abschnitt in der Nähe der Begrenzung des Kolbenhubs, dem Zylinderkopf der Maschine zugewandt (in der Nähe des oberen Totpunkts, TDC), einen zweiten, mittleren Abschnitt, und einen dritten Abschnitt in der Nähe der Begrenzung des Kolbenhubs, der Kurbelwelle des Motors zugewandt (in der Nähe des oberen Totpunkts, TDC), wobei:
- (i) der TDC-Abschnitt der Laufbuchse eine Oberflächenausführung mit einem ersten Rauwert besitzt, der von einer Struktur der Ausnehmungen und Vorsprünge („Täler“ und „Erhebungen“) definiert wird; der mittlere Abschnitt der Laufbuchse eine Oberflächenausführung mit einem zweiten Rauwert besitzt, der von einer Struktur der Ausnehmungen und Vorsprünge („Täler“ und „Erhebungen“) definiert wird; der BDC-Abschnitt der Laufbuchse (1) eine Oberflächenausführung mit einem dritten Rauwert besitzt, der von einer Struktur der Ausnehmungen und Vorsprünge („Täler“ und „Erhebungen“) definiert wird, wobei der von dem mittleren Abschnitt bereitgestellte Rauwert deutlich niedriger ist als der Rauwert des TDC-Abschnitts, und eine Struktur der Ausnehmungen und Vorsprünge („Täler“ und „Erhebungen“) aufweist, welche diese Struktur im Wesentlichen einheitlich definieren; und
- (ii) der Kolbenring zumindest einen Teil derjenigen Kontaktfläche bietet, auf welche eine Keramikbeschichtung durch das physikalische Dampfabscheidungsverfahren aufgebracht ist.
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Zusammenfassende Beschreibung der Figuren
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Die vorliegende Erfindung wird untenstehend auf Grundlage einer in den Zeichnungen dargestellten beispielhaften Ausführungsform genauer erläutert.
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In den Figuren zeigt:
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1 eine Querschnittsansicht der Zylinderlaufbuchse, die einen Teil der erfindungsgemäßen Gleitanordnung bildet.
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2 eine schematische Ansicht der in 1 veranschaulichten Zylinderlaufbuchse, welche die schematische Darstellung der Rauheit der Gleitfläche entlang deren Längslänge zeigt.
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3 eine schematische Ansicht der in den 1 und 2 veranschaulichten Laufbuchse, welche die schematische Darstellung der Rauheit der Gleitfläche entlang deren Längslänge zeigt, und Schaubilder, welche den durchschnittlichen Rauwert an unterschiedlichen Abschnitten demonstriert.
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4 eine schematische Querschnittsansicht der Laufbuchse und des Kolbenrings, welche zu dem Gleitanordnungsgegenstand der vorliegenden Erfindung gehören, wobei der Ring in der Nut eines Kolbens installiert ist.
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5 eine vergrößerte, schematische Querschnittsansicht eines Teils der Zylinderlaufbuchse und des Kolbenrings, die einen Teil des Gleitanordnungsgegenstands der vorliegenden Erfindung bilden.
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6 ein Schaubild der Beziehung zwischen dem Reibungskoeffizienten µ und der Verlagerungsgeschwindigkeit des Kolbens/Rings auf der Oberfläche einer Zylinderlaufbuchse unter Berücksichtigung unterschiedlicher Honwinkel.
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7 ein Schaubild, das die als Funktion des Kurbelwellenwinkels variierende Dicke des Ölfilms darstellt, wobei eine Zylinderlaufbuchse mit einer hohen Rauheit (Plateau), niedrigen Rauheit (Gleiten) und der technologischen Gegenstand der vorliegenden Erfindung berücksichtigt sind, wobei eine Veränderung in der Rauheit der Kontaktfläche derart besteht, dass der mittlere Abschnitt eine Rauheit besitzt, die geringer ist als diejenige, die von dem oberen Begrenzungsabschnitt des Kolbenhubs (in der Nähe des oberen Totpunkts, TDC) bereitgestellt wird.
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8 ein Schaubild, welches die durch die Reibung verlorene Leistung variierend als Funktion des Kurbelwellenwinkels darstellt, wobei eine Zylinderlaufbuchse mit hoher Rauheit (Plateau), niedriger Rauheit (Gleiten) und dem technologischen Gegenstand der vorliegenden Erfindung berücksichtig sind, wobei es eine Veränderung in der Rauheit der Kontaktfläche derart gibt, dass der mittlere Abschnitt eine Rauheit besitzt, die geringer ist als diejenige, die von dem oberen Begrenzungsabschnitte des Hubwegs des Kolbens (in der Nähe des oberen Totpunkts, TDC) geboten wird.
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Detaillierte Figurenbeschreibung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitanordnung, die mit einer Zylinderlaufbuchse 1 und mit mindestens einem Kolbenring 10 versehen ist, von denen beide speziell entwickelt wurden, wobei die Zylinderlaufbuchse eine Innenwand definiert, die eine Veränderung der Rauheit der Kontaktfläche derart aufweist, dass unter Berücksichtigung der Hin- und Herbewegung des Rings im Inneren der Laufbuchse der mittlere Abschnitt eine geringere Rauheit besitzt als diejenige der zwei Abschnitte in der Nähe der Beschränkungen des Kolbenhubs (oberer Totpunkt, TDC, und unterer Totpunkt, BDC) Der Kolbenring besitzt eine Keramikbeschichtung R, die mittels des physikalischen Dampfabscheidungsverfahrens (PVD-Verfahren) aufgebracht wurde.
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Durch den Anordnungsgegenstand der vorliegenden Erfindung wird eine Reduzierung des Verschleißes an der Beschichtung des Kolbenrings durch das Vorhandensein von Ausnehmungen mit großem Volumen, einheitlich beabstandet, an der Lauffläche erreicht. Die Verringerung des Verschleißes verringert das Auftreten des Abplatzphänomens (Spalling).
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Um die Gleitanordnung, Ziel der vorliegenden Erfindung, genauer zu beschreiben, ist die Zylinderlaufbuchse 1 mit einem durchgehenden Hohlraum mit einer längsseitigen/axialen Länge C versehen, in deren Inneren der Kolbenring 10 positioniert ist. 4 veranschaulicht den Kolben mit dessen jeweiligen Ringen, wobei mindestens einer dieser Ringe der mit einer Keramikbeschichtung R versehene Ring 10 ist, die mittels physikalischer Dampfphasenabscheidung aufgebracht wurde. Der durchgehende Hohlraum definiert eine Innenoberfläche S.
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Der Kolbenring 10 kann in jeder benötigten oder gewünschten Weise ausgestaltet sein. Bevorzugt ist der Ring 10 ein erster Nutring, oder Kompressionsring, mit einer Metallbasis, jedoch ist es offensichtlich, dass er ebenfalls die Ausgestaltung eines zweiten Nutrings oder sogar eines Ölabstreifrings annehmen kann, wobei angemerkt sei, dass die resultierende Gleitanordnung ebenfalls im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche umfasst ist.
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In gleicher Weise kann das Grundmaterial des Rings 10 frei gewählt sein unter der Voraussetzung, dass es die Aufbringung einer Keramikbeschichtung R, wie beispielsweise Chromnitrid, Niobnitrid oder anderen, mittels des physikalischen Dampfabscheidungsverfahrens PVD ermöglicht.
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Die Laufbuchse 1 wiederum ist üblicherweise aus Eisenlegierungen, Gusseisen, oder Stahl hergestellt, jedoch ist es offensichtlich, dass sie aus jedem anderen benötigten oder wünschenswerten Material hergestellt werden kann (wie etwa Aluminiumlegierungen), wobei ebenfalls angemerkt sei, dass die resultierende Erfindung ebenfalls im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche umfasst ist. Analog kann die Laufbuchse 1 jedes benötigte oder wünschenswerte Format besitzen, vorausgesetzt es ist funktional.
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Die Oberfläche S definiert 3 Hauptabschnitte, die in den 2 und 3 deutlich erkennbar sind, wobei dort gezeigt sind: ein erster Abschnitt 2 entsprechend dem Bereich in der Nähe der Begrenzung des Kolbenhubs, der dem Zylinderkopf (oberer Totpunkt, TDC) zugewandt ist, nachfolgend als TDC-Abschnitt bezeichnet, ein zweiter, mittlerer Abschnitt 3, und ein dritter Abschnitt 4 entsprechend dem Bereich in der Nähe der Begrenzung des Kolbenhubs, jedoch gegenüberliegend (der Kurbelwelle der Maschine zugewandt, unterer Totpunkt, BDC), nachfolgend als BDC-Abschnitt bezeichnet.
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Es ist ferner offensichtlich, dass die Länge und die Fläche aufweisend jeden der Abschnitte 2, 3, 4 in Abhängigkeit des Durchmessers der Laufbuchse, des Hubwegs des Kolbens und der axialen Länge der Laufbuchse, neben anderen Variablen, beliebig variabel ist.
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Unabhängig von der Ausgestaltung der Laufbuchse 1, und unter Berücksichtigung der drei auf der Innenoberfläche S definierten Abschnitte 2, 3, 4, ist es zwingend erforderlich, dass diese derart gebildet sind, dass:
- (i) der TDC-Abschnitt (2) eine Oberflächenausführung mit einem ersten Rauwert besitzt, der von einer Struktur der Ausnehmungen und Vorsprünge („Täler“ und „Erhebungen“) definiert ist;
- (ii) der mittlere Abschnitt (3) eine Oberflächenausführung mit einem zweiten Rauwert besitzt, der von einer Struktur der Ausnehmungen und Vorsprünge („Täler“ und „Erhebungen“) definiert ist; und
- (iii) der BDC-Abschnitt (4) eine Oberflächenausführung mit einem dritten Rauwert besitzt, der von einer Struktur der Ausnehmungen und Vorsprünge („Täler“ und „Erhebungen“) definiert ist.
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Bevorzugt erhalten der TDC-Abschnitt 2, der mittlere Abschnitt 3 und der BDC-Abschnitt 4 die Oberflächenausführung derart, dass sie die jeweiligen ersten, zweiten und dritten Rauwerte durch das Honverfahren annehmen. Manche aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen wenden andere Oberflächenausführungsverfahren an, um verschiedene Raustandards in Längssicht der Laufbuchse zu erreichen, jedoch verwendet die vorliegende Erfindung Honen und steuert die Verfahrensveränderungen derart, dass deutlich unterschiedliche Rauwerte auf der gleichen Oberfläche S erhalten werden, wobei zusätzlich die Steuerung des Winkels der dieser Art des Verfahrens beiwohnenden inhärenten Nuten sichergestellt wird, was untenstehend noch erläutert werden wird.
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Es ist ferner eine wesentliche Bedingung für die Laufbuchse 1, dass der zweite Rauwert (dargestellt durch den mittleren Abschnitt 3) deutlich niedriger ist als der Rauwert des TDC-Abschnitts 2, mit dem Ziel der Sicherstellung der maximalen Leistung bezüglich der Betriebseffizienz des Motors und der Verringerung des Verschleißes der Ringe, insbesondere an den Spitzen. Bevorzugt, jedoch nicht obligatorisch, ist der Rauwert des BDC-Abschnitts 4 auch größer als der von dem mittleren Abschnitt 3 besessene Rauwert. Eine genauere Erläuterung des Grundes für die im Vergleich zu den anderen größere Effizienz der Laufbuchse 1, Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ist untenstehend angegeben.
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Eine weitere zwingend erforderliche Eigenschaft des Anordnungsgegenstands der vorliegenden Erfindung liegt in der Steuerung des Honverfahrens der Laufbuchse 1, Gegenstand der vorliegenden Erfindung, an den TDC-, mittleren, und BDC-Abschnitten 2, 3, 4, um sicherzustellen, dass die Struktur der Ausnehmungen und Vorsprünge („Täler“ und „Erhebungen“) an jedem dieser Abschnitte im Wesentlichen einheitlich über der gesamten Fläche, auf der sie verteilt ist, ist.
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Mit anderen Worten, bezüglich des jeweiligen Rauwerts an jedem der Abschnitte 2, 3, 4, weisen die mikroskopischen Ausnehmungen („Täler“) die gleiche durchschnittliche Tiefe bei geringer Standardabweichung auf, in gleicher Weise wie die Vorsprünge („Erhebungen“) die gleiche durchschnittliche Höhe bei gleich niedriger Standardabweichung aufweisen.
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Auf diese Weise wird sichergestellt, dass in Bezug auf die Ausnehmungen die davon bereitgestellte Tiefe und das Volumen ideal für die Speicherung von Schmieröl sind, und, dass in Bezug auf die Vorsprünge, die Vermeidung von sehr hohen Vorsprüngen erreicht wird, was die Einfahrdauer des Kolbens verlängert und zudem zu einem Anstieg des Kraftstoffverbrauchs und einem Temperaturanstieg führt, was beides nicht erwünscht ist.
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Eine weitere zwingend notwendige, von der Laufbuchse 1 breitgestellte Eigenschaft besteht darin, dass der von dem mittleren Abschnitt 3 bereitgestellte Rauwert deutlich niedriger ist als die Rauwerte der TDC- und BDC-Bereiche 2, 4.
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In dieser Hinsicht sei darauf hingewiesen, dass sich im Betrieb der Brennkraftmaschine die Lineargeschwindigkeit des Kolbens an den Endpunkten (Begrenzung des Hubwegs, entsprechend dem oberen Totpunkt TDC, und dem unteren Totpunkt BDC) verringert und im mittleren Abschnitt der Laufbuchse erhöht (auf halber Strecke des Hubwegs). Aus dieser Tatsache ergibt sich, dass die Belastungen, denen der Kolben P und der Ring 10 ausgesetzt sind, stark schwanken.
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In Situationen der Nähe zu der Begrenzung des Hubwegs (das bedeutet in der Nähe der TDC- und BDC-Abschnitte 2, 4 der Oberfläche S der Laufbuchse 1), ist die Lineargeschwindigkeit des Kolbens gering, unabhängig davon, ob er im Begriff ist, die Geschwindigkeit zu erhöhen oder zu verringern. In dieser Situation führt die niedrige Geschwindigkeit zu einem geringeren Verlust durch Reibung aufgrund der Tatsache, dass pro betrachteter Zeiteinheit die von dem Kolben durchlaufene Strecke kurz ist. Bei der Laufbuchse 1 führt der höhere Rauwert, zusätzlich zu der geringen Geschwindigkeit, die zu einem geringen Verschleiß führt, zum Vorhandensein von Vorsprüngen großer Höhe und Ausnehmungen großer Tiefe derart, dass das darin befindliche Öl deutlich zur Verhinderung von Ring/Oberflächenreibung beiträgt und dadurch zum Sicherstellen eines geringeren Verschleißes der Ringe, insbesondere an deren Spitzen. Mit anderen Worten erlaubt die im Wesentlichen einheitliche Struktur der Ausnehmungen und Vorsprünge, die den von dem zweiten Abschnitt 3 gebotenen zweiten Rauwert definiert, die Dimensionierung der Ausnehmungen auf eine effizientere Weise dahingehend, als Ölspeicher zu wirken.
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Ferner ist die Geschwindigkeit der Linearverlagerung des Kolbens in dem mittleren Abschnitt 3 der Laufbuchse 1 hoch, und gleichzeitig ist der Rauwert gering (aufgrund der Tatsache, dass der von dem zweiten Abschnitt 3 gebotene Rauwert deutlich niedriger ist als der von den TDC- und BDC-Abschnitten 2, 4 gebotene Rauwert). Diese Konfiguration verringert durch Reibung verursachte Motorverluste, wobei dies theoretisch im mittleren Abschnitt für einen gleichen Rauwert aufgrund der größeren von dem Kolben durchlaufenen Strecke pro Zeiteinheit stärker ausgeprägt ist.
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In dem mittleren Abschnitt 3 ist die Geschwindigkeit des Kolbens/der Ringe höher. Ein größerer hydrodynamischer Film wird erzeugt. Die auf den Kompressionsring wirkenden Kräfte der Gase sind geringer, weshalb ein kleinerer Ölspeicher benötigt wird. Zudem sind aufgrund der höheren Geschwindigkeiten die Reibungs-(Leistungs-)verluste höher.
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In diesem Bereich erzeugt die vorgeschlagene Lösung einer geringeren Rauheit kleinere Ölfilme und Reibungsverluste, ohne deutliche Auswirkung auf den Verschleiß.
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In bevorzugter, jedoch nicht obligatorischer Weise sind der von dem BDC-Abschnitt 4 gebotene Rauwert und der von dem TDC-Abschnitt 2 gebotene Rauwert im Wesentlichen gleich, jedoch können beide voneinander abweichen, vorausgesetzt, dass sie im Vergleich zum zweiten Rauwert niedriger sind, mit dem Ziel, dass die Laufbuchse 1 eine verbesserte Leistung bietet. In jedem Fall ist es ausreichend, dass der Rauwert an dem TDC-Abschnitt 2 größer ist als der Rauwert des mittleren Abschnitts 3.
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Die untenstehende Tabelle stellt drei mögliche Ausführungsformen für die Laufbuchse
1, Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dar, jeweils mit „Ausführungsform A“, „Ausführungsform B“ und „Ausführungsform C“ bezeichnet.
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Ausführungsform A besitzt die folgenden Werte, in Mikrometern:
- (i) Der Rauwert des TDC-Abschnitts 2 besitzt Werte von im Wesentlichen 0,10 bis 0,30 RpK, 0,80 bis 1,10 Rk und 2,1 bis 2,8 Rvk.
- (ii) Der Rauwert des mittleren Abschnitts 3 (in der Tabelle „mittig“ bezeichnet) besitzt Werte von im Wesentlichen bis zu 0,30 RpK, 0,15 bis 0,65 Rk und 1,1 bis 2,1 Rvk, und
- (iii) Der Rauwert des BDC-Abschnitts 4 besitzt Werte von im Wesentlichen 0,10 bis 0,30 RpK, 0,80 bis 1,10 Rk und 2,1 bis 2,8 Rvk.
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Ausführungsform B besitzt dagegen die folgenden Werte (in Mikrometern):
- (i) Der Rauwert des TDC-Abschnitts 2 besitzt Werte von im Wesentlichen bis zu 0,15 RpK, 0,80 bis 1,10 Rk und 2,1 bis 2,8 Rvk.
- (ii) Der Rauwert des mittleren Abschnitts 3 (in der Tabelle „mittig“ bezeichnet) besitzt Werte von im Wesentlichen bis zu 0,10 RpK, 0,10 bis 0,40 Rk und bis zu 1,0 Rvk.
- (iii) Der Rauwert des BDC-Abschnitts 4 besitzt Werte von im Wesentlichen bis zu 0,15 RpK, 0,80 bis 1,10 Rk und 2,1 bis 2,8 Rvk.
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Schließlich bietet die dritte Ausführungsform C die gleichen Werte wie Ausführungsform A oder B bezüglich der drei Rauwerte (ebenfalls in Mikrometern), jedoch gibt es Veränderungen des Winkels der Ausnehmungen (Kanäle), die durch das Honverfahren entstehen. Obgleich die einschlägige Literatur aufzeigt, dass größere Winkel eine erhöhte Reibung mit sich bringen, was in der Mitte des Hubwegs unerwünscht ist, zeigen die von der Anmelderin durchgeführten Computersimulationen, dass die Veränderung des Winkels entlang des Hubwegs im Hinblick auf den zusätzlichen Vorteil dessen mit dem kleineren Winkel (horizontaler) am TDC, eine größere Ölrückhaltung aufgrund der Tatsache existiert, dass die Ausnehmungen senkrecht zur Bewegung des Kolbens/Rings liegen. In der Mitte des Hubwegs erleichtert der größte (vertikalere) Winkel der Ausnehmungen den Ölfluß, was sowohl zur Reduzierung der Dicke dessen und der davon ausgehenden Reibung beiträgt.
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Um die Vorteile der vorliegenden Erfindung aufzuzeigen, hat die Anmelderin vergleichsweise eine Reihe von Untersuchungen durchgeführt, welche die Leistung einer Laufbuchse wie derjenigen der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit herkömmlichen Lösungen analysieren, wobei letztere eine Laufbuchse sind, bei der die gesamte Oberfläche S eine hohe Rauheit bietet (eine Lösung, die als Plateau bezeichnet wird), und eine Laufbuchse sind, bei der die gesamte Oberfläche S eine niedrige Rauheit bietet (eine Lösung, die als Gleiten bezeichnet wird).
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Die Untersuchungen betreffen einen Kompressionsring 10 und eine Zylinderlaufbuchse für einen Motor, der einen Zylinderdurchmesser von 70,9 mm, einen Kolbenhubweg von 75,6mm, eine Pleuelstange mit einer Länge von 144 mm aufweist, wobei eine konstante Drehung bei 2000 UpM unter Volllast berücksichtigt wird und ein Schmieröl der Spezifikation SAE 20W50 bei einer Temperatur von 200 °C verwendet wird.
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Die als Plateau (raueste) bezeichnete Lösung besitzt den Vorteil der Bildung eines dicken Films an der Oberfläche S, einhergehend mit einer größeren Reibung, während die als Gleiten bezeichnete Lösung eine deutlich geringere Reibung aufweist, jedoch einhergehend mit einem dünneren Ölfilm, nachteilhaft in Situationen grenzwertigen Schmierungen (Grenzschmierung).
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Die vorliegende Erfindung bietet die Vorteile der Plateau- und Gleitlösungen ohne deren jeweilige Nachteile, sie bringt also das Beste jeder dieser Lösungen zusammen. Die von der Anmelderin durchgeführten Untersuchungen haben gezeigt, dass die vorliegende Erfindung einen dicken Ölfilm an dem TDC-Abschnitt 2 sicherstellt, was zu einer Verringerung des Verschleißes an diesem Punkt führt, und gleichzeitig eine geringe Rauheit in dem mittleren Abschnitt, was geringere Reibungsverluste (durch Reibung verschwendete Leistung) sicherstellt.
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Insbesondere bietet die vorliegende Lösung verglichen mit der Plateau(rauesten)-Lösung eine Verringerung von 15 % Reibungsverlusten, was sehr nahe an der durch die Gleitlösung erzielten Verringerung (Verringerung von 21%) liegt, während sie gleichzeitig eine Filmdicke in dem TDC-Abschnitt 2 von 1,5 µm bietet, was im Wesentlichen der zweifachen Dicke der durch die Gleitlösung (0,7 µm) erzielten Dicke entspricht.
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Die Grafik aus 7 veranschaulicht die Ölfilmdicke variierend als Funktion des Kurbelwellenwinkels, wobei eine Zylinderlaufbuchse mit der hohen Plateaurauheit, der niedrigen Gleitrauheit und dem technologischen Gegenstand der vorliegenden Erfindung aufgetragen sind.
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Durch Analyse dieser Grafik ist deutlich erkennbar, dass der Ölfilm der Lösung der vorliegenden Erfindung praktisch identisch zu dem von der Plateaulösung bereitgestellten Ölfilm an den Umkehrpunkten des Kolbens (TDC 2 und BDC 3 Abschnitte) ist, welche in der Grafik durch die Kurbelwellenwinkelmarkierungen 0°, 180°, 360°, 540° und 720° dargestellt sind, während der Ölfilm in dem mittleren Abschnitt 3 stark verringert ist, in der Grafik von den Kurbelwellenwinkelmarkierungen 90°, 270 °, 450° und 630° dargestellt, als in der Gleitlösung.
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Die Grafik der 8 wiederum veranschaulicht die durch Reibung verlorene Leistung variierend als Funktion der Kurbelwelle, wobei eine Zylinderlaufbuchse mit der hohen Plateau-Rauheit, der niedrigen Gleit-Rauheit und dem technologischen Gegenstand der vorliegenden Erfindung aufgetragen sind. Hier ist deutlich erkennbar, dass die erfindungsgemäße Lösung deutlich geringe Werte für die durch Reibung verlorene Leistung bietet als die Plateaulösung, und Werte, die praktisch identisch zur Gleitlösung sind und lediglich in den TDC 2 und BDC 4 Abschnitten größer sind.
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Diese Ergebnisse bestätigen, dass der Lösungsgegenstand der vorliegenden Erfindung all die Vorteile der Plateau- und Gleitlösungen bietet, ohne jedoch die jeweiligen Nachteile mit sich zu bringen.
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Durch die vorliegende Gleitanordnung ergibt sich aufgrund der vorstehenden, durchgeführten Untersuchungen zusätzlich zu der Erhöhung der Lebensdauer der Beschichtung R des Kolbenrings eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs des damit ausgestatteten Motors von bis zu 1%.
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Vor dem Hintergrund der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sei darauf hingewiesen, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung andere mögliche Variationen abdeckt, der einzig durch den Inhalt der beigefügten Ansprüche beschränkt ist, in denen mögliche Entsprechungen enthalten sind.
