DE19743627C2 - Verfahren zur Herstellung einer Verengung der Zylinderbohrung einer Zylinderlaufbuchse - Google Patents

Abstract

Zur Herstellung einer Verengung (2) der Zylinderbohrung (3) einer Zylinderlaufbuchse (1) für Hubkolbenbrennkraftmaschinen wird mittels eines Kaltverfestigungsverfahrens durch lokales plastisches Umformen des Zylinderlaufbuchsenwerkstoffes durch die Gestalt des Walz- oder Presswerkzeuges der Materialfluss derart gesteuert, dass sich mindestens eine, den Zylinderbohrungsdurchmesser verkleinernde Aufwerfung bildet. Vorzugsweise das Walzen einer Umfangsnut (6, 7) ist ein ebenso einfaches wie kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer Verengung (2) der Zylinderbohrung (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verengung der Zylinderbohrung einer Zylinderlaufbuchse für Hubkolben-Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Beim Betrieb der Brennkraftmaschine lagert sich im Bereich des Feuerstegs des Kolbens bekanntlich Ölkohle ab. Dieser Ölkohlebelag schleift an der Zylinderlaufbuchsen- Lauffläche entlang und reibt die mindestens in dem Hubstreckenbereich gehohnte Lauffläche glatt. Dadurch verschlechtern sich die Haftmöglichkeit für Schmieröl, was wiederum zu Freßerscheinungen an der Lauffläche führt.

Um dieses unerwünschte Glattpolieren in dem von den Kolbenringen überstrichenen Laufflächenbereich zu vermindern, ist es bekannt, in dem Bereich der Laufbuchse, der dem Feuersteg des Kolbens in dessen oberen Totpunktlage gegenübersteht, eine Verengung der Zylinderbohrung auszubilden. An dieser überlicherweise stufenförmigen Verengung wird der sich am Kolbenstegbereich absetzende Ölkohlebelag bis auf den durch die Verengung gebildeten kleineren Durchmesser abgestreift. Folglich kommt der Ölkohlebelag nicht mehr mit dem nicht verengten Teil der Lauffläche in Berührung.

Zur Herstellung einer Verengung in der Zylinderbohrung der Laufbuchse sind zahlreiche Verfahren bekannt, welche in zwei Gruppen unterteilt werden können. So ist es bekannt, eine stufenförmige Verengung durch einen am kopfseitigen Ende der Zylinderlaufbuchse eingesetzten Kohleabstreifring zu bilden. Andererseits ist es bekannt, die Verengung der Zylinderbohrung entweder durch entsprechende konstruktive Gestaltung oder aber durch Nachbearbeitung werkstoffeinstückig in der Zylinderlaufbuchse auszubilden. Zu letzteren Herstellungsverfahren zählen die aufwendigen und kostenintensiven Beschichtungsprozesse wie z. B. Plasma-Spritzen. Ein anderes bekanntes Verfahren dieser Gruppe sieht vor, den kopfseitigen Laufflächenbereich der Zylinderlaufbuchse mittels Laserstrahlen zu härten, wobei die Zylinderbohrung durch die mit dieser Gefügeumwandlung verbundene Volumenvergrößerung in gewünschtem Maß verengt wird. Auch dieses Herstellungsverfahren ist fertigungstechnisch aufwendig und kostenintensiv.

Aus der DE-AS 19 02 502 ist neben der dort beschriebenen Bildung der Verengung durch einen ringförmigen Einsatz, angedeutet, die Verengung alternativ durch mechanisches Erzeugen vom Aufwerfungen zu bilden. Daraus sind allerdings weder die Form der Aufwerfungen noch das Vorgehen zu deren Herstellung zu entnehmen.

Das in der US 4 245 489 dargestellte Verfahren wird bei einer undichten Ventilführung verwendet. Ziel des Verfahrens ist die Dichtigkeit wieder herzustellen, indem die Ventilführungsbohrung auf den ursprünglichen Durchmesser gebracht wird. Hierzu wird in einem ersten Schritt in die Bohrung ein Gewinde geschnitten. Danach wird in einem zweiten Schritt über Honen der ursprüngliche Durchmesser hergestellt.

Das in der US 4 126 029 beschriebene Verfahren wird zur Herstellung der Kontur, also einer exakten Profilierung, eines Rotors für eine Gasturbine verwendet. Hierzu wird die Rohform des Rotors in einem zylindrischen Behälter eingebracht und in axialer Richtung über zwei Flansche begrenzt. Vor der eigentlichen Umformung wird die Anordnung auf eine vorgebbare Temperatur gebracht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein fertigungstechnisch einfaches und vergleichsweise kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer Verengung in der Zylinderbohrung zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 vor, daß die Verengung durch ein Kaltverfestigungsverfahren, mittels Walzen oder Pressen hergestellt wird, indem mindestens eine umlaufende, in sich geschlossene Nut ausgebildet wird, so daß sich als Folge zumindest eine umlaufende, den Durchmesser (D) der Zylinderbohrung verkleinernde Aufwerfung bildet.

Die Vorteile dieses Herstellungsprozesses bestehen in der Einfachheit der Vorgehensweise, welche lediglich einen Walz- oder Pressvorgang vorsieht und ohne hohen Kostenaufwand in den Fertigungsvorgang der Zylinderlaufbuchsen integriert werden kann. Gleichwohl können hierdurch die Vorteile bekannter Fertigungsverfahren weiterhin genutzt werden. So steht zum gleichmäßig guten Honen eine plattwandige Zylindermantelfläche mit ausreichendem Überlauf für das Honwerkzeug bereit und es werden beispielsweise durch einen thermischen Bearbeitungsvorgang bedingte Werkstoffveränderungen wie auch Maßungenauigkeiten vermieden. Zudem ist eine fertigungsbedingte Beschädigung der endbearbeiteten Lauffläche nahezu auszuschließen, da kein nachträglicher Materialabtrag mehr stattfindet und dieser sich ebenso wie nachträglich aufgespritztes Material nicht mehr in der Laufbuchse befindet. Im Vergleich zur Fertigung durch Plasmaspritzen und Laserhärten entfallen ein aufwendiges Abdecken bzw. Präparieren entsprechender Laufflächenbereiche.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Verengung durch Walzen oder Pressen von jeweils zwei umlaufenden Nuten auszubilden, deren gegenseitiger axialer Abstand im Hinblick auf die Gestalt und Anpresskraft des Walzenkörpers sowie die Duktilität des Zylinderbuchsenwerkstoffes derart festgelegt wird, daß die Aufwerfungen benachbarter Ränder ineinander fließen und so das verdrängte Material eine höhere Aufwerfung bildet. Ferner erhält die Aufwerfung dadurch einen symmetrischen Querschnitt, durch den wiederum sein Verschleißwiderstand erhöht wird.

Besonders ausgeprägt ist die überlagerte plastische Verformung zweier Aufwerfungen dann, wenn jeweils ein Paar benachbarter umlaufender Nuten gleichzeitig gewalzt werden. Aufgrund des Aufeinanderzufließen des Werkstoffes wird das Radialmaß der Aufwerfung vergrößert.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Aufwerfung eine Verengung des Zylinderbohrungs- Durchmessers von mindestens 0,1 mm bildet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, diese Aufwerfung durch Walzen mindestens einer umlaufenden Nut auszubilden, wobei das Walzwerkzeug einen Radius zwischen 0,5 und 3 mm aufweist.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, am kopfseitigen Ende, im Bereich der vorgesehenen Verengung, zunächst ein oder mehrere umlaufende Ausnehmungen vorzunehmen, deren Profil und Abmessungen so auf das jeweils verwendete Walz- bzw. Preßwerkzeug abgestimmt sind, daß die zur Lauffläche angrenzenden Ränder und Kanten bei der nachfolgenden Walz- oder Preßbearbeitung entsprechend verdrängt und dadurch die Verengungswülste bzw. Aufwerfungen ausgebildet werden. Grundsätzlich können die Ausnehmungen vor oder nach dem Laufflächenhonen gefertigt werden; zweckmäßig ist jedoch eine Fertigung vor dem Honen, um die oben angesprochenen Nachteile zu vermeiden. Durch die spanabhebende Vorbearbeitung wird die zum Kaltumformen erforderliche Anpreßkraft für das Werkzeug bedeutend verringert, da, bei entsprechender Abstimmung von Profil- und Werkzeugabmessungen, der Laufbuchsenwerkstoff nur in Flankenbereichen umgeformt werden muß. Andererseits können damit einer Materialpressung in radialer Richtung vorgebeugt und die Maßgenauigkeit der üblicherweise dünnwandigen Zylinderlaufbuchse gesichert werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Laufbuchsenausschnitt mit einer erfindungsgemäß hergestellten Verengung der Zylinderbohrung;

Fig. 2 einen kopfseitigen Laufbuchsenausschnitt vor und während der Bildung der Aufwerfung durch Walzen.

Fig. 1 zeigt starkt schematisiert im Längsschnitt einen Ausschnitt aus einer Zylinderlaufbuchse 1 mit einer erfindungsgemäß hergestellten stufenförmigen Verengung 2 der Zylinderbohrung 3. In der Zylinderbohrung 3 ist ein darin laufender Kolben 4 in seiner oberen Totpunktstellung dargestellt. Am kopfseitigen Ende der Zylinderlaufbuchse 1, dem Bereich, der dem Feuersteg 5 des Kolbens 4 gegenübersteht und nicht vom obersten Kolbenring 11 überstrichen wird, wurden erfindungsgemäß zwei umlaufende Nuten 6, 7 in die Lauffläche 8 der Zylinderlaufbuchse 1 eingewalzt. Die Nuten 6, 7 weisen ein kreisbogenförmiges Profil auf, dessen Radius R = 2 mm ist. Die Eindringtiefe 9 ist durch Versuche auf ein solches Maß festgelegt, daß sich bei gewähltem Radius von R = 2 mm beiderseits der Nutenränder je eine Aufwerfung 10 ergibt, welche mit einem Maß von 0,2 mm in die Zylinderbohrung 3 hineinragt. Der axiale Abstand 12 der umlaufenden Nuten 6 und 7 ist dabei so gewählt, daß die benachbarten Aufwerfungen 10 der Nuten 6 und 7 teilweise ineinander fließen und dadurch eine Verengung 2 von 0,25 mm bilden.

Das Vorgehen zur Herstellung der Verengung 2 der Zylinderbohrung 3 ist in Fig. 2 dargestellt.

In einem ersten Schritt werden in dem vorgesehenen kopfseitigen Bereich der Zylinderlaufbuchse 1 umlaufende Ausnehmungen 15, 15a ausgedreht, die im dargestellten Ausführungsbeispiel dreieckiges Profil 16 besitzen, jedoch auch rechteckig, abgerundet oder in anderer Weise profiliert sein können. Die Gestalt, wie auch die Abmessungen des Profils und die Wahl des verwendeten Walz- bzw. Preßwerkzeugs sind dabei miteinander gekoppelt. Das hier dargestellte Dreieck-Profil 16 der Ausnehmung 15 besitzt eine Profiltiefe 19, die gleich oder größer der Eindringtiefe 20 des kugelförmigen Walzkörpers 17 ist. Die Profil- bzw. Ausnehmungsbreite ist über den Profilöffnungswinkel α dagegen kleiner gewählt als der Durchmesser D des in die Nut 15 eingepressten Kugelsegments des kugelförmigen Walzkörpers 17.

In einem Zwischenschritt wird nun die Zylinderlauffläche gehont, bevor in Schritt 3, dem Walzen, der kugelförmige Walzenkörper 17a in die dreieckige Ausnehmung 15a eingepresst wird und darin umläuft. Durch die zuvor beschriebene Festlegung der Geometrie der Ausnehmung 15 und des Walzkörpers 17 ist in jedem Fall sicher gestellt, daß es im Flankenbereich der Ausnehmung 15a während dem Walzvorgang unter der Anpresskraft des kugelförmigen Walzenkörpers 17a zu einem seitlichen Fließen des Laufbuchsenwerkstoffes kommt, wodurch zur Zylinderlaufbuchsen-Lauffläche 8 hin die gewünschten Materialaufwerfungen 10 ausgebildet werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung einer Verengung (2) der Zylinderbohrung (3) einer Zylinderlaufbuchse (1) für Hubkolben-Brennkraftmaschinen durch mechanisches Erzeugen von Aufwerfungen, im Bereich, den der Feuersteg (5) des Kolbens (4) in der oberen Totpunktlage einnimmt, welche ein Entlangschleifen von am Feuersteg (5) abgelagerter Ölkohle entlang der Lauffläche (8) der Zylinderlaufbuchse (1) vermeidet, dadurch gekennzeichnet, daß die Verengung (2) durch ein Kaltverfestigungsverfahren, mittels Walzen und Pressen hergestellt wird, indem mindestens eine umlaufende, in sich geschlossene Nut (6, 7) ausgebildet wird, so daß sich als Folge zumindest eine umlaufende, den Durchmesser (D) der Zylinderbohrung (3) verkleinernde Aufwerfung (10) bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verengung (2) hergestellt wird, indem zwei umlaufende, in sich selber geschlossene Nuten (6, 7) ausgebildet werden, wobei über den axialen Abstand der Nuten (6, 7) definiert wird, inwieweit die Aufwerfungen (10) jeweils benachbarter Ränder ineinander fließen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Paar umlaufender Nuten (6, 7) gleichzeitig gewalzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Walzwerkzeug (17, 17a) einen Radius (R) zwischen 0,5 und 3 mm besitzt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor Durchführung des Kaltverfestigungsverfahrens, mittels Walzen oder Pressen eine oder mehrere profilierte umlaufende, in sich selber geschlossene, Ausnehmungen (15, 15a) in der Lauffläche (8) ausgebildet werden, wobei Gestalt und Abmessungen des Profils (16) der Ausnehmungen (15, 15a) und des Walz- oder Presswerkzeuges (17, 17a) in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt sind, um den Materialfluß zur Bildung der Aufwerfung (10) zu steuern.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Gestalt und Abmessungen des Profils (16) der Ausnehmungen (15, 15a) und des Walz- oder Presswerkzeugs derart aufeinander abgestimmt sind, daß in radialer Richtung die maximale Eindringtiefe (20) des Walz- oder Preßwerkzeuges (17, 17a) zur Bildung der Aufwerfung (10) gleich oder kleiner der Profiltiefe (19) ist.