DE19833646C1 - Zylinderlaufbahn einer Zylinderbohrung eines 2-Takt-Hubkolben-Verbrennungsmotors und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbahn einer Zylinderbohrung eines 2-Takt-Hubkolben-Verbrennungsmotors, welche mittels Honen mit einer Kreuzriefenstruktur ausgebildet ist, und ein Verfahren zu deren Herstellung. Um eine Schmierung des Kolbens in der Zylinderbohrung während des Motorbetriebs in jeder Bewegungsphase in einfacher Weise zu gewährleisten, wird eine Zylinderlaufbahn mit Ölschmiertaschen, die eine Tiefe von 15-20 mum, eine Breite von 40-50 mum und eine Länge von 2-3 mm aufweist, und die einen Abstand von etwa 1-3 mm zueinander besitzen, vorgeschlagen, die im Bereich des oberen Totpunktes eines in der Zylinderbohrung geführten Hubkolbens sowie im Bereich von in der Laufbahn befindlichen Einlaß-/Auslaßbohrungen ausgebildet sind und die Kreuzriefenstruktur dort überlagern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbahn einer Zylinderboh­ rung eines 2-Takt-Hubkolben-Verbrennungsmotors gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstel­ lung derselben gemäß Patentanspruch 5.

Eine gattungsgemäße Zylinderlaufbahn bzw. ein gattungsgemäßes Herstellungsverfahren ist aus der DE 196 01 158 C1 bekannt. Die dort beschriebene Zylinderbohrung ist zuerst feingedreht und anschließend gehont. Durch die Arbeitsweise des Honens entsteht eine Kreuzriefenstruktur in der Laufbahn, in der sich Schmieröl aus dem Ölsumpf bzw. von der Triebwerkslagerung abgeschleuder­ tes Schmieröl absetzen kann, welches vorteilhafterweise für ei­ ne Verminderung der Gleitreibung des Motorkolbens an der Lauf­ bahn sorgt. Bei der Hubbewegung zwischen oberem und unterem Totpunkt gleitet der Motorkolben in der Regel über einen hydro­ dynamischen Schmierfilm. Beim Überfahren der Einlaß-/Auslaßöff­ nungen (Bohrungen, Schlitze oder dgl.) in der Zylinderlaufbahn durch den Motorkolben reißt der Schmierfilm zwischen den Gleit­ partnern je nach Anordnung und Ausführung der Öffnungen parti­ ell mehr oder weniger stark ab. Dies erfolgt um so mehr, wenn zwecks guten Spül- und Füllungsverhaltens die Öffnungen rund um den Zylinderumfang verteilt angeordnet werden müssen. Nach Überfahren der Öffnungen gelingt es den Gleitpartnern Zylinder­ laufbahn - Kolben/Ringe nicht wieder sofort einen tragfähigen hydrodynamischen Schmierfilm aufzubauen, zumal der Schmierfilm wegen der offenen Riefenstruktur aus den Kontaktzonen verdrängt werden kann. Überlagert sich gleichzeitig infolge der Kolbense­ kundärbewegung ein Anlagewechsel des Kolbens, wird verstärkt Öl aus den Kotaktzonen verdrängt und in die Öffnungen gepreßt bzw. geschleudert.

Im Bereich des oberen Totpunktes sind die Gleitgeschwindigkei­ ten gering, im Umkehrpunkt sogar Null, und die Schmierfilmhöhen aufgrund der hohen thermischen Belastung besonders niedrig, so daß ein lokaler Kontakt einzelner Rauheitsprofile dominant wird und die Trag- und Reibungskräfte durch die Hertzsche Pressung zwischen Kolben und Laufbahn bestimmt werden. Dies macht sich beim 2-Takt-Motor verstärkt bemerkbar, da jeder Hub ein Ar­ beitshub ist. Da die Schmierstoffversorgung der Funktionsflä­ chen der Gleitpartner hier im wesentlichen durch die Mikros­ truktur der Oberflächen bestimmt wird und der Schmierstoff über die kanalartigen Kreuzriefen aufgrund deren offener Struktur aus der Kontaktzone verdrängt wird, kann es zu Schädigungen des Kolbens, der Kolbenringe und/oder der Laufbahn des Zylinders kommen. Schlimmstenfalls kann sich der Kolben im Zylinder durch adhäsives Versagen festsetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zylinderlaufbahn bzw. ein Verfahren zu deren Herstellung dahingehend weiterzuentwicklen, daß eine Schmierung des Kolbens in der Zylinderbohrung während des Motorbetriebs in jeder Bewegungsphase in einfacher Weise gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patent­ anspruchs 1 hinsichtlich der Zylinderlaufbahn und durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Patentanspruchs 5 hinsichtlich des Verfahrens ge­ löst.

Dank der Erfindung werden durch die Einrichtung der Ölschmier­ taschen nicht miteinander verbundene Ölfallen ausgebildet, aus denen das Schmieröl durch das Überstreichen des Motorkolben mit seinen Kolbenringen nicht verdrängt werden kann. Dies funktio­ niert nur sinnvoll mit den anspruchsgemäßen Abmessungen der Schmiertaschen. Es wird somit zur Schmierung der Kolbenbewegung während des Motorbetriebes immer und überall, besonders aber in den Bereichen der Totpunkte und der Einlaß-/Auslaßöffnungen Schmierstoff zwischen den Funktionsflächen, d. h. den Gleitflä­ chen von Zylinderlaufbahn und Kolben/Kolbenringen gehalten. Während des Anlagewechsels des Kolbens bewirken die als Mikro­ druckkammern fungierenden Ölschmiertaschen eine Dämpfung des Aufschlagimpulses. Damit werden etwaige Schädigungen der Lauf­ bahn und des Kolbens, insbesondere bei den hochbelasteten 2- Takt-Motoren, bei denen bei jedem Hub eine Verbrennung statt­ findet, aufgrund eines reibungsbedingten Verklemmens des Kol­ bens in der Zylinderbohrung verhindert.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden, im übrigen ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend näher erläuterte. Dabei zeigt:

Fig. 1 in einem seitlichen Längsschnitt eine Zylinderlaufbuchse mit erfindungsgemäßer Zylinderlaufbahn, und

Fig. 2 in einem vergrößerten Ausschnitt die Laufbahn aus Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Zylinderlaufbuchse 1 eines Hubkolben- Verbrennungsmotors dargestellt, in welcher ein Hubkolben ent­ lang einer Laufbahn 2 auf- und abbeweglich führbar ist. Obzwar die Zylinderlaufbuchse 1 für einen 2-Takt-Motor ausgeführt ist, ist deren erfindungsgemäße Ausbildung auch bei einem 4-Takt- Motor in gleicher Weise denkbar. Die Zylinderbohrung der Buchse 1 wird zunächst mit einem Bearbeitungsaufmaß für das anschlie­ ßende Honen feingedreht und dann auf Fertigmaß gehont. Hierzu wird zuerst die Zylinderbohrung unter Einstellung einer Rauhig­ keit R_z = 7-14 µm der Zylinderlaufbahn 2 vorgehont und danach mittels Laserhonen die Rauhigkeit der Zylinderlaufbahn 2 auf R_z = 2-5 µm eingestellt.

Das Laserhonen ist ein zusätzlicher Bearbeitungsvorgang zwi­ schen dem Vorhonen und dem unten genannten Mikroglätten. An­ stelle des Werkzeuges der konventionellen Honmaschine wie der Diamant- oder der Keramikschneide tritt hier der Laserstrahl. Der Laserstrahl wird in der Laserstrahlquelle erzeugt und mit dem Strahlführungssystem (Lichtleitfasern) bis zur Bearbei­ tungsstation geleitet. In der Bearbeitungsstation wird der Strahl durch die Strahlformeinrichtung (Fokussierlinsen und Spiegel) geformt, zylinderaxial an den Spindelkopf herangeführt und mittels Umlenkoptik über eine Austrittsdüse (Abstand zur Wand ca. 1 mm) auf die Werkstoffoberfläche fokussiert und dort absorbiert. Die dabei entstehende Prozeßwärme wird für den Ab­ tragvorgang genutzt, wobei die Abtragrate von der Laserstrah­ lintensität, den Werkstoffparametern wie Absorptionsvermögen und Temperaturleitfähigkeit sowie dem Arbeitsgas, welches eine Oxidation der bearbeiteten Oberfläche verhindert, bestimmt wird. Die Struktur der Oberfläche bzw. Rauhigkeit beeinflußt die Energiekopplung je nach Verhältnis der Rauhtiefe zur Wel­ lenlänge des Laserlichtes. Während des Bearbeitungsvorganges können verschiedene physikalische Prozesse wie Aufheizen, Schmelzen, Verdampfen und Ionisieren ablaufen. Im vorliegenden Anwendungsfall wird der Materialabtrag überwiegend über Ver­ dampfung gesteuert und die entstehende Schmelze über den Dampf­ druck ausgetrieben. Das optische Eindringverhalten bzw. der Transfer der optischen Energie in thermische Energie geschieht auf der Basis freier Leitungselektronen. Infolge der hohen Lei­ tungsfähigkeit der Gußeisens, aus dem der Zylinder beispiels­ weise besteht, ist ein hoher Absorptionseffekt gegeben. Das La­ serhonen hat zum Vorteil, daß hohe Präzision erreichbar ist, hohe Freiheitsgrade möglich sind, ein zerspanungsfreies Arbei­ ten besteht, kein Werkzeugverschleiß auftritt, keine Kühl- und Schmiermittel erforderlich sind, die gefiltert und entsorgt werden müssen, sowie eine im Vergleich zum konventionellen Ho­ nen verbesserte Grafitfreilegung (80% zu max. 40%).

Durch die Honbewegung, also der Arbeitsweise des Honwerkzeuges ergibt sich in der Zylinderlaufbahn 2 eine Kreuzriefenstruktur. Die Kreuzriefenstruktur stellt die tragende Grundstruktur dar, welche sich aufgrund der Feinheit der Oberfläche durch geringe Benetzbarkeit mit Öl und damit für geringe Ölverbauchswerte auszeichnet. Die Kreuzriefen 3 (Fig. 2) bilden Kanäle, in denen allerdings ein bestimmtes Quantum an Öl zur Schmierung des Kol­ bens geführt wird. Zur Vermeidung dessen, daß das Öl entlang der Riefen 3 beim Überstreichen der Zylinderlaufbahn 2 durch die Kolbenringe des Kolbens aufgrund der dabei entstehenden Verdrängungswirkung nach außen weicht und nicht mehr zurück­ fließt, sind im Bereich des oberen Totpunktes 4 des Kolbens, in dem normalerweise beim Rückhub des Kolbens nur noch eine sehr geringe Schmierung besteht und damit die Gefahr einer reibungs­ bedingten schädigenden Verklemmung des Kolbens in der Zylinder­ bohrung gegeben ist, in der Zylinderlaufbahn 2 Ölschmiertaschen 6 ausgebildet, die in vorteilhafter Weise eine Tiefe von 15- 20 µm, eine Breite von 40-50 µm und eine Länge von 2-3 mm aufwei­ sen und einen Abstand von etwa 1-3 mm zueinander besitzen. Um die Abdampfneigung des Öls aus den als Ölreservoirs dienenden Ölschmiertaschen 6 gering zu halten, werden diese so gestaltet, daß die Oberfläche zum Brennraum hin klein, die Tiefe aber ge­ nügend groß ist. Der Abstand zwischen den Taschen 6 darf nur so groß sein, daß die Zufuhr von Reibungsenergie des Kolbens an der Laufbahn rechtzeitig unterbrochen wird und die tragenden Gleitbereiche der Laufbahn 2 nach erhöhter Temperaturerhöhung wieder abkühlen können.

Die Anordnung der Ölschmiertaschen 6 ist derart, daß die Kreuzriefenstruktur überlagert wird. Dadurch, daß das Öl aus den kleinste Vorratskammern bildende Schmiertaschen 6 nicht verdrängt werden kann, ist immer in jedem so behandelten Be­ reich der Zylinderlaufbahn 2 eine ausreichende Schmierung des Kolbens in der Zylinderbohrung vorhanden. Je nach örtlichem Einsatzfall ist die Dichte der Taschenzahl pro Flächeneinheit sowie die Tiefe der Taschen 6 geeignet zu wählen. Besonders günstig ist die Ausbildung von Taschen 6a in den Kreuzriefen 3, wodurch die Taschen 6a quasi mikroskopische Ölfallen bilden, die gezielt immer wieder aus dem Ölsumpf über die kanalartigen Riefen 3 beschickt werden.

Die für den längsgespülten 2-Takt-Motor gezeigte Zylinderlauf­ bahn 2 weist zwischen dem Bereich des unteren Totpunktes 5 und dem des oberen Totpunktes 4 des Kolbens in zwei Ebenen gegen­ einander versetzte über den gesamten Umfang der Laufbahn 2 ver­ teilte Einlaß-/Auslaßbohrungen 7 auf. Beim Überfahren der Boh­ rungen 7 durch den Kolben wird der Schmierfilm abgestreift, so daß sich die gleichen Probleme wie im Bereich des oberen Tot­ punktes 4 ergeben - obwohl im Bereich des unteren Totpunktes 5 die verbrennungsbedingten Querkräfte fehlen, die zu der erwähn­ ten unzulässigen schädigenden Reibung führen können - . Daher werden dort, zwischen den Bohrungen 7, oberhalb und unterhalb der Bohrungen 7, gezielt Ölschmiertaschen 6 in die Zylinder­ laufbahn 2 eingebracht, so daß auch dort eine permanente Schmierung des Kolbens erreicht wird. Bei der Umkehrspülungs­ version des 2-Takt-Motors sind auch die Auslaßschlitze bzw. - bohrungen 7 sowie die Einlaßfenster im Bereich des unteren Tot­ punktes 5 angeordnet, so daß auch in diesem Fall in beiden Tot­ punktbereichen 4 und 5 die Ölschmiertaschen 6 anzuordnen sind.

Es sei hier noch einmal angemerkt, daß die Ölschmiertaschen 6 örtlich gezielt lediglich in den Bereichen des oberen und unte­ ren Totpunktes 4, 5 oder auf der ganzen vom Kolben während des Hubes überstrichenen Laufbahn 2 eingebracht werden können. Auch ist denkbar, die Ölschmiertaschen 6 zwar über die ganze Lauf­ bahn 2 zu verteilen, jedoch Konzentrationen in den Totpunktbe­ reichen und im Bereich der Einlaßbohrungen 7 vorzunehmen.

Die Einbringung der Ölschmiertaschen 6 kann durch Laserbestrah­ lung mit definierter Geometrie, Anordnung und Abmessungen er­ folgen, wobei es verfahrensökonomisch vorteilhaft ist, wenn zum Honen ein Laser verwendet wird, diesen auch zur Ausbildung der Ölschmiertaschen 6 zu benutzen. Die Erzeugung der Schmierta­ schen 6, bei der der Laser die Laufbahn 2 mit Pulsen be­ streicht, läuft dabei mit dem die Kreuzriefenstruktur erzeugen­ den Honvorgang gleichzeitig ab. Die Schmiertaschen 6 sind dabei aufgrund der Arbeitsweise des Honwerkzeuges wendelförmig über den Umfang der Zylinderlaufbahn 2 verteilt. Da aufgrund der La­ serimpulse ein Schmelzkranz am Rande der Taschen 6 erzeugt wird, muß die Laufbahn 2 in einem Finishing mittels Honen auf eine Rauhigkeit R_z = 1-2 µm mikrogeglättet werden. Alternativ ist auch denkbar, die Ölschmiertaschen 6 nachfolgend auf das Honen in die Zylinderlaufbahn 2 einzuätzen oder mit einer Prä­ gewalze einzuprägen.

Claims (10)

1. Zylinderlaufbahn einer Zylinderbohrung eines 2-Takt- Hubkolben-Verbrennungsmotors, welche mittels Honen mit einer Kreuzriefenstruktur ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbahn (2) Ölschmiertaschen (6) mit einer Tiefe von 15-20 µm, einer Breite von 40-50 µm und einer Länge von 2-3 mm aufweist, die einen Abstand von etwa 1-3 mm zueinander be­ sitzen und die im Bereich des oberen Totpunktes (4) eines in der Zylinderbohrung geführten Hubkolbens sowie im Bereich von in der Laufbahn (2) befindlichen Einlaß-/Auslaßbohrungen (7) ausgebildet sind und die Kreuzriefenstruktur dort überlagern.

2. Zylinderlaufbahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölschmiertaschen (6a) in den Kreuzriefen (3) ausgebil­ det sind.

3. Zylinderlaufbahn nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölschmiertaschen (6) wendelförmig über den Umfang der Zylinderlaufbahn (2) verteilt sind.

4. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn nach An­ spruch 1, wobei die Zylinderbohrung mit einem Bearbeitungsauf­ maß für das Honen zunächst feingedreht wird und danach auf Fer­ tigmaß gehont wird, so daß die Zylinderlaufbahn aufgrund der Arbeitsweise des Honwerkzeuges beim Honen eine Kreuzriefen­ struktur erhält, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zylinderlaufbahn (2) Ölschmiertaschen (6) mit einer Tiefe von 15-20 µm, einer Breite von 40-50 µm und einer Länge von 2-3 mm aufweist, die einen Abstand von etwa 1-3 mm zueinander be­ sitzen, im Bereich des oberen Totpunktes (4) eines in der Zy­ linderbohrung geführten Hubkolbens sowie im Bereich von in der Laufbahn (2) befindlichen Einlaß-/Auslaßbohrungen (7) einge­ bracht werden, derart, daß die Kreuzriefenstruktur überlagert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölschmiertaschen (6a) in die Kreuzriefen (3) einge­ bracht werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen der Ölschmiertaschen (6) durch Laserbestrah­ lung erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Honen mittels eines Lasers erfolgt, wobei gleichzeitig mit dem Honvorgang durch Laserpulse des Lasers die Ölschmierta­ schen (6) in der Zylinderlaufbahn (2) ausgebildet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölschmiertaschen (6) nachfolgend auf das Honen in die Zylinderlaufbahn (2) eingeprägt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölschmiertaschen (6) nachfolgend auf das Honen in die Zylinderlaufbahn (2) eingeätzt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst die Zylinderbohrung unter Einstellung einer Rauhig­ keit R_z = 7-14 µm der Zylinderlaufbahn (2) vorgehont wird, daß danach mittels Laserhonen die Rauhigkeit der Zylinderlaufbahn (2) auf R_z = 2-5 µm eingestellt wird, daß anschließend oder gleichzeitig während des Laserhonens die Zylinderlaufbahn (2) mittels Laser mit Ölschmiertaschen (6) strukturiert wird und daß schließlich die so erzeugte überlagerte Struktur der Zylin­ derlaufbahn (2) mittels Honen auf eine Rauhigkeit R_z = 1-2 µm mikrogeglättet wird.