DE19829584C2 - Verfahren zur Herstellung einer Verengung in einer Zylinderbohrung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verengung in einer Zylinderbohrung zur Vermei­ dung von Poliereffekten an einer aus Gußeisen herge­ stellten Zylinderlauffläche für Kolben von Brennkraft­ maschinen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE 42 29 092 C1 bekannt.

Im Bereich der Zylinderlaufflächen, den ein Feuersteg des Kolbens im oberen Totpunkt einnimmt, kommt es wäh­ rend des Befeuerungsbetriebs der Brennkraftmaschine zu einer Adhäsion von Verbrennungsrückständen. Die aus Ölkohle bestehenden Verbrennungsrückstände führen in Verbindung mit der Hubbewegung des Kolbens zu einer Polierung der Zylinderlauffläche. Durch diesen Polier­ effekt auf der Zylinderlauffläche können Bereiche extrem starker Glättung entstehen, in denen sich ver­ schlechterte Bedingungen für Schmierölhaftung und für die Abdichtung ergeben. Dadurch wird das Reibsystem zwischen Kolben, Öl und Zylinderlauffläche beeinträch­ tigt.

Es hat sich gezeigt, daß durch eine Verengung der Zy­ linderbohrung in dem Bereich, der dem Feuersteg des Kolbens im oberen Totpunkt gegenübersteht, diese Be­ schädigungen auf der Zylinderlauffläche vermieden wer­ den.

Zur Bildung einer Verengung in dem exponierten Bereich sind verschiedene Lösungsansätze bekannt.

Eine Verengung der Zylinderbohrung kann beispielsweise durch Ringeinsätze, Spritzschichten oder Auftrags­ schweißung erfolgen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Kolbenkrone relativ schnell die so hergestellte Verengung wegreibt. Der Verschleißwiderstand einer solchen Stufe ist gegenüber der harten Ölkohle am Feu­ ersteg des Kolbens zu gering.

Eine Erzeugung einer Verengung durch Umwandlung von Austenit in Martensit ist aus der eingangs erwähnten DE 42 29 092 C1 bekannt. Dabei wird innerhalb der Zy­ linderbohrung mit einem festgelegten und ausgedrehten Enddurchmesser eine Absorptionsschicht auf die Zylin­ derlauffläche in dem Bereich, der dem Feuersteg des Kolbens im oberen Totpunkt gegenübersteht, zur Senkung der Reflektion von Laserlicht gebracht. Dieser Bereich wird dann mit Laserstrahlen derart gehärtet, daß die Zylinderbohrung im gehärteten Bereich durch die mit der Umwandlung des Austenites in Martensit verbundenen Volumenvergrößerung im gewünschten Maß verengt wird. Die Laserhärtung wird dabei über die Parameter Strah­ lenenergie und Strahlbewegungsgeschwindigkeit über die speziellen Eigenschaften des zu behandelnden Materials und über die Absorptionsschicht gesteuert. Die thermi­ sche Energie des Laserstrahls wird an der Metallober­ fläche absorbiert, wobei das Material lokal erhitzt wird. Eine dünne Oberflächenschicht wird damit sekun­ denschnell auf eine Temperatur im Austenit-Gebiet er­ wärmt. Aufgrund der kurzzeitigen Austenitisierung und der bei Weiterführung des Laserstrahls raschen Abküh­ lung entsteht Martensit mit den bekannten günstigen mechanischen Eigenschaften.

Nachteilig bei dem in der DE 42 29 092 C1 beschriebe­ nen Verfahren sind die hierfür notwendigen hohen Inve­ stitionskosten für die notwendige Einrichtung. Darüber hinaus ist die prozesstechnische Beherrschung des Ver­ fahrens sehr aufwendig.

Aus der Praxis ist außerdem ein Verfahren zum Plasma- Aufspritzen eines Wulstes oder einer Abstreifschicht auf den für die Verengung vorgesehenen Bereich der Zylinderbohrung bekannt. Dabei muß allerdings der von den Kolbenringen bestrichene Bereich maskiert werden. Bekannt ist außerdem das Einstechen einer Ringnut in die Zylinderlauffläche. In diese Ringnut wird an­ schließend ein Abstreifring ähnlich einem Ölabstreif­ ring am Kolben eingelegt.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Verengung der Zylinderbohrung besteht aus einer Auftragsschweißung durch Auftragen einer dünnen Metalllage wie z. B. eine Metallfolie oder Metallpulverpaste. Die Metalllage wird anschließend mittels Laserstrahl eingeschmolzen.

Alle bisher aus dem Stand der Technik bekannten Ver­ fahren sind allerdings verfahrensmäßig und/oder bau­ lich aufwendig.

Zum weiteren Stand der Technik wird auf die DE 39 26 571 C1; Eckstein, Hans-Joachim: Technologie der Wärme­ behandlung von Stahl. 2., stark überarb. Aufl. Leip­ zig: VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1987, Seiten 151 bis 153 und 598 bis 599; und Induk­ tionshärtung mit Hochfrequenz. In: VDI-2., 1957, Nr. 12, Seiten 507 bis 510 verwiesen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Her­ stellung einer Verengung in der Zylinderbohrung durch Umwandlung von Austenit in Martensit zu schaffen, wo­ bei dies prozesstechnisch einfach durchzuführen und nur geringe Investitionskosten erfordern soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannte Verfahren und die in Anspruch 6 beschriebene Vorrichtung gelöst.

Dadurch, daß die Umwandlung von Austenit in Martensit durch induktive Randschichtenhärtung durchgeführt wird, ist es möglich, die Verengung der Zylinderlauf­ fläche prozesstechnisch einfach zu beherrschen. Die für die Durchführung des Verfahrens notwendigen Inve­ stitionskosten sind darüber hinaus gering.

Durch die verfahrensmäßige induktive Randschichtenhär­ tung wird die zu verengende Zylinderlauffläche schnell auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt. Dadurch wird lediglich die Randschicht der Zylinderlauffläche vor dem herkömmlichen Abschrecken auf die notwendige Härtetemperatur erhitzt. Die Zylinderlaufbuchse bzw. das Kurbelgehäuse behält damit seine ursprünglichen Eigenschaften bei. Die kurzzeitige Austenitisierung und die rasche Abkühlung läßt einen äußerst feinen Martensit mit günstigen mechanischen Eigenschaften entstehen. Durch das im Vergleich zum Ausgangsgefüge größere Volumen des martensitischen Gefüges erfolgt eine lokal begrenzte Reduzierung des Innendurchmessers der Zylinderbohrung im wärmebeeinflußten Bereich, ohne daß die Buchse spanend nachbearbeitet werden muß.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig be­ schriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer Zylinderlauffläche mit einer Teildarstellung eines Kolbens im Längs­ schnitt mit einer erfindungsgemäß hergestell­ ten Verengung;

Fig. 2 eine Darstellung eines Induktors mit Abstands­ haltern und einer Ringbrause, und

Fig. 3 eine vergrößerte Teildarstellung eines Induk­ tors mit Abstandshalter.

Fig. 1 zeigt eine Zylinderlaufbuchse 1, die einstückig mit dem Kurbelgehäuse oder als Einzelbauteil ausgebil­ det sein kann. Die Zylinderlaufbuchse 1 weist eine Zylinderbohrung 2 mit einem festgelegten, ausgedrehten bzw. gehonten Enddurchmesser und eine Zylinderlaufflä­ che 3 für Kolben 4 von Brennkraftmaschinen auf. An dem Kolben 4 sind in herkömmlicher Weise Kolbenringe 5 angeordnet.

Der Kolben 4 ist im oberen Totpunkt dargestellt. Ge­ genüber einem Feuersteg 6 des Kolbens 4 befindet sich ein Bereich 7 der Zylinderlauffläche 3, der durch das erfindungsgemäße Verfahren gehärtet wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren hat sich im Bereich 7 eine Verengung 8 der Zylinderbohrung 2 gebildet. Durch die Verengung 8 der Zylinderbohrung 2 wird eine Polierung der Zylinderlauffläche 3 vermieden.

Fig. 2 zeigt einen Induktor 9 und eine damit verbunde­ ne Ringbrause 10, die zur Bildung der Verengung 8 in die Zylinderbohrung 2 eingeführt und im Bereich 7 po­ sitioniert werden. Der Induktor 9 ist mit Abstandshal­ tern 11 aus Keramik, die über den Umfang des Induktors 9 radial überstehen, versehen. Durch die Abstandshal­ ter 11 wird ein konstanter Koppelabstand zwischen der Zylinderlauffläche 3 und dem Induktor 9 bzw. der Ring­ brause 10 erzielt. Der Induktor 9 weist außerdem Transformatorenbleche 12 zur Konzentration eines Ma­ gnetfeldes auf.

Nach der Positionierung des Induktors 9 im Bereich 7 wird mit einer Hochfrequenzspannung ein Magnetfeld erzeugt, das in der Zylinderlauffläche 3 im Bereich 7 einen Strom induziert, der zu einer schnellen Erwär­ mung der Zylinderlauffläche 3 führt. Nach ausreichen­ der Temperaturhaltezeit kann der erhitzte Bereich 7 durch die Ringbrause 10 beispielsweise mit einer Was­ ser-Polymer-Lösung abgeschreckt werden. Dadurch wird aus dem Austenit Martensit gebildet. Somit entsteht die Verengung 8 der Zylinderbohrung 2. Die erfindungs­ gemäße induktive Randschichtenhärtung kann über die Parameter des Induktors, z. B. die Stromfrequenz, die Leistung und die Heizzeit, gesteuert werden. Durch diese Parameter und die gezielte Abschreckung durch die Ringbrause 10 läßt sich im Zusammenhang mit den speziellen Materialeigenschaften der Zylinderlaufbuch­ se 1 bzw. der Zylinderlauffläche 3 die Dicke der zu verengenden Randschicht der Zylinderlauffläche 3 be­ stimmen. Dadurch läßt sich die Zylinderbohrung 2 im Bereich 7 um beispielsweise 60 µm verringern.

Das Verfahren zur Herstellung einer Verengung 8 kann durch die verschiedenen Parameter so eingestellt wer­ den, daß zur Bildung der Verengung 8 ein entsprechend großes Materialvolumen ohne Anschmelzung der Zylinder­ lauffläche 3 kurzzeitig umgewandelt wird.

Wie in Fig. 2 erkennbar, ist der Induktor 9 ringförmig ausgebildet und mit der Ringbrause 10 verbunden. Der Induktor 9 weist außerdem eine ringförmige Heizschlei­ fe 13 auf, die an ihrer Ober- und Unterseite und an ihrer auf die vertikale Achse der Zylinderbohrung ge­ richteten Seite von den Transformatorblechen 12 umge­ ben ist. Die Heizschleife 13 ist mit einer Zuleitung 14 zur Stromzuführung verbunden.

Die Ringbrause 10 weist an ihrer Oberseite einen mit­ tig angeordneten Zulauf 15 zur Zuführung der Wasser- Polymer-Lösung auf. Der Zulauf 15 ist über ein Befe­ stigungsglied 16 mit der Zuleitung 14 verbunden. Da­ durch erhalten die Zuleitung 14 und der Zulauf 15 eine entsprechende Stabilität und darüber hinaus wird der Induktor 9 auf einfache Weise mit der Ringbrause 10 verbunden.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Abstandshalter 11 durch jeweils eine Schraubverbindung 17 in einer Hal­ tevorrichtung 18 fixiert. Die Haltevorrichtung 18 ist dabei auf der Heizschleife 13 angeordnet. Hierfür ist eine Aussparung in den Transformatorblechen 12 vorge­ sehen. Durch die Schraubverbindung 17 können die Ab­ standshalter 11 in einfacher Weise ausgetauscht bzw. erneuert und eingestellt werden.

Die Stromfrequenz des Induktors 9 kann beispielsweise auf eine Hochfrequenzspannung zwischen 42 bis 48 kHz eingestellt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung einer Verengung in einer Zylinderbohrung zur Vermeidung von Poliereffekten an einer aus Gußeisen hergestellten Zylinderlauf­ fläche für Kolben von Brennkraftmaschinen in dem Bereich der Zylinderlauffläche, den ein Feuersteg des Kolbens im oberen Totpunkt einnimmt, wobei der Bereich derart gehärtet wird, daß die Zylinderboh­ rung in diesem Bereich durch die Umwandlung von Austenit in Martensit verengt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verengung (8) der Zylinderlauffläche (3) durch induktive Randschichtenhärtung durchgeführt wird, wobei ein Induktor (9) in die Zylinderbohrung (2) eingebracht und in dem zu verengenden Bereich (7) durch einstellbare Abstandshalter (11) positio­ niert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Randschichtenhärtung über die Para­ meter des Induktors (9), die Stromfrequenz, die Leistung und die Heizzeit, über die Abschreckung und über die speziellen Materialeigenschaften der Zylinderlauffläche (3) gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromfrequenz eine Hochfrequenzspannung zwi­ schen 42-48 kHz eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschreckung eine Ringbrause (10) verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ringbrause (10) eine Wasser-Polymer- Lösung auf den erhitzten Bereich (7) aufgebracht wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 5 mit einem Induktor und einer Ringbrause, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (9) an die Zylinderbohrung (2) ange­ paßt und mit der Ringbrause (10) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (9) eine Heizschleife (13) aufweist, die ringförmig angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (9) mit Transformatorenblechen (12) zur Konzentration eines Magnetfeldes ausgebildet ist, wobei die Transformatorenbleche (12) ober­ halb, unterhalb und auf der in Richtung der verti­ kalen Achse der Zylinderbohrung (2) gerichteten Seite der Heizschleife (13) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (11) radial über den Umfang des Induktors (9) überstehen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (11) aus Keramik gebildet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (11) jeweils mittels einer Schraubverbindung (17) in einer Haltevorrichtung (18), die an der Heizschleife (13) angeordnet ist, fixierbar und einstellbar sind.