DE19837301C2 - Zylinderlaufbuchse für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Zylinderlaufbuchsen für Verbrennungs­ motoren, insbesondere eine Zylinderlaufbuchse, bei der zum Einsetzen ein geringer Energieaufwand erforderlich ist und ein Verfahren zur Auskleidung einer Zylinderbohrung, dargelegt in den einteiligen Patentansprüchen 1 und 12.

Es ist aufgrund der Gewichtsvorteile heutzutage allgemein üblich, Zylinderblöcke für Verbrennungsmotoren aus Aluminium zu fertigen.

Aufgrund der Materialeigenschaften von Aluminium sind jedoch Zylinderlaufbuchsen aus Gußeisen oder Stahl erforderlich, die in die Zylinderbohrungen eingesetzt werden, um den in den Zylindern auftretenden thermischen Belastungen und Kräf­ ten standhalten zu können.

Zum Einsetzen der Buchsen sind - abhängig vom Material der Buchsen, der Buchsendicke sowie weiterer Faktoren - ver­ schiedene Verfahren bekannt.

Beispielsweise ist der Einsatz von dünnwandigen Buchsen im Hinblick auf die thermische Leitfähigkeit und eine Gewichts­ reduktion vorteilhaft. Üblicherweise werden derartige dünn­ wandige Buchsen mittels Verfahren eingesetzt, bei denen ent­ weder der Zylinderblock aufgeheizt wird, wodurch sich dieser ausdehnt und gleichzeitig die Buchse gekühlt wird, wodurch sich diese zusammenzieht, und dann die Buchse in den Zylin­ der eingesetzt wird, um eine Schrumpfpassung zu erzielen. Bei einem anderen Verfahren wird ein Materialflächengebilde oder Blech in die Form einer zylindrischen Buchse gebracht und die Buchse in die Zylinderbohrung mittels einer Preßpas­ sung über die gesamte Höhe der Zylinderbohrung eingesetzt, wie in der GB-PS 13 95 220 näher erläutert. Bei einer der dort offenbarten Ausführungsformen weist das Materialflä­ chengebilde die Form eines nicht rechteckigen Parallelo­ gramms mit einer ersten und einer zweiten schrägen Kante auf, wobei durch Aneinanderbringen der schrägen Kanten des Flächengebildes eine zylindrische Form entsteht. Die Kanten befinden dabei in vertikaler Richtung auf gleicher Höhe. Die so gebildete zylindrische Buchse hat einen Außendurchmesser, der etwa dem Innendurchmesser der Bohrung entspricht. Sie wird in die Bohrung eingesetzt und durch Anwendung eines ra­ dialen Druckes dort verpresst. Zur Erzielung eines ausrei­ chend festen Sitzes der Buchse in der Bohrung ohne Lücken oder Überlappungen im Stoßbereich der schrägen Kanten ist es gemäß der GB-PS 13 95 220 wichtig, daß eine vorgegebene Be­ ziehung zwischen der Dicke des Flächengebildes und dem Durchmesser der Bohrung eingehalten wird.

Bei den bekannten Einsetzmethoden treten verschiedene Pro­ bleme auf: Zum einen ist ein hoher Energieaufwand zur Durch­ führung des Einsetzvorganges erforderlich und die verwendba­ ren Materialien sind begrenzt. Bei dem beschriebenen Preß­ passungsverfahren ist sind hohe Kräfte aufzubringen, um die Preßpassung über die gesamte Zylinderbohrungshöhe zu erzwin­ gen, was zu einem hohen Energieverbrauch führt. Bei diesem Verfahren ist es weiterhin erforderlich, daß entweder eine interne Abstützung vorgesehen wird, oder daß die Stärke und das Material der Buchse derart gewählt sind, daß sich die Buchse beim Einsetzvorgang nicht verformt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einpreß-Zylinderlaufbuchse zu schaffen, bei der eine niedrigere Einsetzenergie erforderlich ist, in­ dem die Strecke reduziert wird, über die die erforderlichen Einsetzkräfte aufgebracht werden müssen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der einteiligen Patentansprüche 1 und 12 gelöst, soweit sie nicht im vorstehenden Text der Beschreibungseinleitung als bekannt herausgestellt sind.

Dabei wird eine neuartige Einpreß-Zylinderlaufbuchse für Verbren­ nungsmotoren geschaffen, bei der gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Flächengebilde in Form eines nicht rechtwink­ ligen Parallelogramms mit schrägen Kanten zu einer Zylinder­ laufbuchse geformt wird, indem die schrägen Kanten vertikal gegeneinander verschoben aneinandergebracht werden und da­ durch eine Zylinderlaufbuchse mit einem geringeren Durchmes­ ser als der Bohrungsdurchmesser geschaffen wird. Die Buchse wird dann in die Bohrung so eingesetzt, daß die hintere Kan­ te über die Oberseite der Bohrung hervorsteht. Dann wird ei­ ne im wesentlichen zu der Longitudinalachse der Zylinderboh­ rung parallel wirkende Kraft auf die hervorstehende Kante der Buchse aufgebracht. Aufgrund der Schiefheit der aneinan­ derstoßenden Kanten wird ein ineinandergreifender Berüh­ rungsbereich gebildet, wobei die Kanten zu einem zwangswei­ sen Aneinandergleiten gezwungen werden, wodurch sich der Durchmesser der Buchse notwendigerweise erhöht, bis ein fe­ ster Sitz in der Bohrung erreicht ist. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die schrägen Kanten des Bleches eine ineinandergreifende Gestaltung auf, vorzugsweise eines männ­ liches bzw. weibliches "v"-Muster, das sich selbstausrich­ tend verhält, wodurch Verklemmungen und Deformationen durch Fehlausrichtungen beim Einsetzvorgang vollständig vermieden werden können. Weiterhin kann die Buchse selbstsichernd aus­ gebildet werden, so daß die Buchse ihren zylindrisch ausge­ dehnten Zustand beibehält. Beispielsweise können die schrä­ gen Kanten des Bleches entweder durch das Vorsehen von Rastzähnen (ratchets), Vorsprüngen (tabs) oder Einkerbungen (indentations) selbstsichernd ausgebildet werden, oder da­ durch gesichert werden, daß der Zylinderkopf die Oberkante der Buchse überragt, wodurch eine Rückbewegung entlang des ineinandergreifenden Verbindungsbereichs verhindert wird.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß verschiedenste Buchsenmaterialien mit verschiedenen Dicken verwendet werden können, wodurch Buchsen mit verschiedensten Eigenschaften realisiert werden können.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in einer möglichen Reduzierung der Montagekosten dadurch, daß das Aufheizen des Zylinderblocks und die Kühlung entfallen können und die Energiekosten zur Erzielung eines Preßsitzes reduziert werden.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Buchse einfach herzustellen ist.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Büchse einfach repariert oder ausgetauscht werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen bei­ spielhaft näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines er­ findungsgemäßen Verbrennungsmotors,

Fig. 2 ein flaches, schräges Blech, das zur Fertigung ei­ ner erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse verwendet wird,

Fig. 3 bis 5 jeweils schematische Darstellungen des Einsetzvorganges bei einer Zylinderlaufbuchse gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 6 bis 10 jeweils alternative Ausführungsformen der erfindungs­ gemäßen Zylinderlaufbuchse.

In Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor 20 in einer typischen V- Konfiguration dargestellt. Der Verbrennungsmotor weist einen üblicherweise aus Aluminium gefertigten Zylinderblock 22 mit einer Mehrzahl von Zylinderbohrungen 30 auf, die - wie nach­ folgend näher beschrieben - gemäß der Erfindung ausgekleidet sind. In den Zylinderbohrungen 30 sind Kolben 28 vorgesehen, die rotatorisch mit einer Kurbelwelle 24 über Pleuel 23 ver­ bunden sind. Die Zylinderbohrungen 30 erstrecken sich zwi­ schen einem Zylinderkopf 32 und einem Zylindergrund 48. Die Kolben 28 bewegen sich in den Zylinderbohrungen 30, wobei Luft und Kraftstoff zur Verbrennung in einer durch Zylinder­ kopf 32 und Kolben 28 definierten Brennkammer 26 komprimiert werden, wie allgemein bekannt.

Wie aus den Fig. 2 bis 5 ersichtlich, ist gemäß der vorlie­ genden Erfindung die Zylinderbohrung 30 mit einer Buchse 37 versehen, die aus einem in Fig. 2 dargestellten Blech 36 ge­ bildet ist, das als nicht rechtwinkliges Parallelogramm mit den Ausmaßen D3 - festgelegt durch den Durchmesser D1 der Bohrung 30 (siehe Fig. 3) -, L - festgelegt durch die Tiefe L' der Bohrung 30 (vgl. Fig. 3) und t als Funktion der Nei­ gung des Materials, sich zu verklemmen, der Materialeigen­ schaften, der Motorbetriebsbedingungen und anderen Faktoren sowie θ als Funktion der gewünschten Preßpassung. Im vorlie­ genden Ausführungsbeispiel liegt θ zwischen 1° und 10° und beträgt vorzugsweise 7°.

Die Buchse 37 ist durch, zwei Zustände gekennzeichnet: Einen Einsetzzustand und einen Ausdehnungszustand. Im Einsetzzu­ stand ist das Blech 36 zu einer zylindrischen Buchse 37 zu­ sammengerollt (vgl. Fig. 3), die einen Durchmesser D2 auf­ weist, der geringer ist als der Durchmesser D1 der Bohrung 30. Die Buchse weist schräge Kanten 38 und 40 auf, die ver­ tikal gegeneinander verschoben sind und dadurch eine vordere vorstehende Kante 42 und eine hintere vorstehende Kante 44 bilden. Die schrägen Kanten 38 und 40 bilden einen ineinan­ dergreifenden Berührungsbereich 50. Die Zylinderlaufbuchse 37 wird anschließend mit der vorderen vorstehenden Kante 42 zuerst in die Zylinderbohrung 30 des Zylinderblocks 22 ein­ gesetzt, bis die vordere vorstehende Kante 42 beispielsweise den Bohrungsgrund 48 (vgl. Fig. 4) erreicht hat.

Im Ausdehnungszustand wird eine Kraft im wesentlichen paral­ lel zu der Longitudinalachse 49 der Zylinderbohrung 30 auf die hintere vorstehende Kante 44 aufgebracht, wodurch eine Verschiebebewegung im ineinandergreifenden Verbindungsbe­ reich der aneinanderstoßenden Kanten 38 und 40 erzeugt wird. Dadurch wird eine Ausdehnung des Durchmessers D2 der Buchse 37 (vgl. Fig. 5) solange erzwungen, bis D2 im wesentlichen dem Durchmesser D1 der Zylinderbohrung 30 entspricht und die Laufbuchse 37 unter einer gewünschten Preßpassungs-Spannung steht. Die Kante 41 ist dann bündig mit dem Vorsprung 48 und die Kante 39 liegt bündig mit der oberen Zylinderkante 43, so daß die Preßpassung gemäß Fig. 5 hergestellt ist. In ei­ ner bevorzugten Ausführungsform ist die Zylinderlaufbuchse 37 derart ausgerichtet, daß der ineinandergreifende Berüh­ rungsbereich 50 entweder auf der Nord- oder der Südseiten­ wand der Zylinderbohrung 30 liegt, wobei Norden und Süden - wie dargestellt - entlang der Longitudinalachse 51 der Kur­ belwelle 24 liegen.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die schrägen Kanten 38 und 40 ineinandergreifend gestaltet, z. B. dadurch, daß eine Kante eine im wesentlichen konkave Gestalt aufweist, wohingegen die eingreifende Kante eine im wesentlichen konvexe Gestalt aufweist, wie in Fig. 6a darge­ stellt, oder auch eine männliche bzw. weibliche "v"-Gestalt vorgesehen ist, wie in Fig. 6b dargestellt. Hierdurch rich­ ten sich die Kanten 38 und 40 selbständig gegeneinander aus, wodurch Verklemmungen und Deformationen beim Einsetzvorgang aufgrund von Fehlausrichtungen vermieden werden.

Die Laufbuchse 37 kann in der Bohrung 30 mittels sämtlicher bekannter Methoden gesichert werden, so z. B. Schweißen, Ein­ ziehen (swaging), Bindungsverfahren (bonding) etc. Insbe­ sondere können die schrägen Kanten 38' und 40' in einer zweiten alternativen Ausführungsform gemäß den Fig. 7a und 7b mit Rastzähnen 60 versehen sein, so daß ein Zahn 60a an der schrägen Kante 38' mit einem Zahn 60b der schrägen Kante 40' bei Vorliegen der Preßpassung sperrt, wodurch ein Siche­ rungsmechanismus für die Buchse 37' realisiert wird, durch den eine umgekehrte Bewegung entlang des ineinandergreifen­ den Berührungsbereichs 50' verhindert wird.

Bei einer dritten alternativen Ausführungsform gemäß den Fig. 8a und 8b sind die aneinanderstoßenden Kanten 38" und 40" der Zylinderlaufbuchse 37" mit einem Vorsprung 70 und einer Einkerbung 72 jeweils derart versehen, daß, wenn die Kanten 38" und 40" im voll ausgedehnten Zustand aneinan­ derstoßen - also wenn die Buchse 37'' ' in die Bohrung 30 ge­ mäß der vorliegenden Erfindung eingepaßt ist - der Vorsprung 70 in die Einkerbung 72 eingreift, wodurch ein Sicherungsme­ chanismus für die Buchse 37" geschaffen und hierdurch eine Bewegung entlang des ineinandergreifenden Berührungsberei­ ches 50" verhindert wird.

Bei einer vierten alternativen Ausführungsform der Erfindung überragt der Zylinderkopf 32 die Zylinderlaufbuchse 37, wie in Fig. 9 dargestellt, wodurch die Buchse 37 in ihrer Stel­ lung zwischen Bohrungsgrund 48 und Zylinderkopf 32 gesichert wird.

Bei einer fünften alternativen Ausführungsform kann die Kan­ te 39 abgeschrägt ausgebildet sein, wie in Fig. 10 darge­ stellt, wodurch der Einsetzvorgang für den Kolben 28 mit Kolbenringen (nicht dargestellt) erleichtert wird.

Claims (15)

1. Zylinderlaufbuchse (37) zum Einsetzen in eine Zylinder­ bohrung (30) eines Verbrennungsmotors (20), wobei die Bohrung (30) einen Durchmesser (D1) aufweist und eine longitudinale Achse (49) definiert und der Verbrennungs­ motor wenigstens einen Zylinderkopf (43), wenigstens ei­ nen Kolben (28), der sich innerhalb wenigstens eines Zy­ linders hin- und herbewegt und eine Kurbelwelle (24), die mit dem Zylinder rotatorisch verbunden ist, auf­ weist, wobei die Laufbuchse (37) aufweist
einen Einsetzzustand, bei dem
ein Materialflächengebilde (36) in Form eines nicht rechteckigen Parallelogramms mit einer ersten und ei­ ner zweiten schrägen Kante (38, 40) durch Aneinander­ bringen der schrägen Kanten (38, 40) des Flächenge­ bildes in eine zylindrische Form gebracht ist, wobei die Kanten (38, 40) zunächst vertikal gegeneinander verschoben sind, wodurch vorstehende vordere und hin­ tere Kanten (42, 44) und ein erster Durchmesser (D2), der kleiner als der Durchmesser (D1) der Bohrung (30) ist, so daß die Buchse (37) auf einfache Art und Wei­ se in die Bohrung (30) eingesetzt werden kann, ausge­ bildet sind; und
durch das Aneinanderstoßen der schrägen Kanten (38, 40) ein ineinandergreifender Berührungsbereich (50) ausgebildet ist; und
einen Ausdehnungszustand, bei dem die zylindrische Buchse (37) in die Bohrung (30) eingepaßt ist, eine der vorstehenden Kanten (42, 44) in eine Richtung im wesentlichen parallel zur Longi­ tudinalachse (49) der Zylinderbohrung (30) gedrückt wird, wodurch die schrägen aneinanderstoßenden Kanten (38, 40) im ineinandergreifenden Berührungsbereich (50) aneinander derart entlanggleiten, daß sich der erste Durchmesser (D2) im wesentlichen zum Durchmes­ ser (D1) der Bohrung (30) ausdehnt.

2. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Sicherung der Buchse (37) in der Boh­ rung (30), wenn sich die Buchse im Ausdehnungszustand befindet.

3. Zylinderlaufbuchse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die aneinanderstoßenden Kanten (38', 40') mit jeweils komplementären Rastzähnen (60a, 60b) ausgebildet sind, welche die Zylinderlaufbuchse (37') im Ausdehnungszustand sichern.

4. Zylinderlaufbuchse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die aneinanderstoßenden Kanten (38", 40") einen Vorsprung (70) und eine korrespondierende Einkerbung (72) aufweisen, so daß der Vorsprung in die Einkerbung im Ausdehnungszustand, wenn die Kanten anein­ anderstoßen, eingreift und die Zylinderlaufbuchse (37") sichert.

5. Zylinderlaufbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbuchse (37) im Ausdehnungszustand eine obere Kante aufweist, und daß der Zylinderkopf (32) die obere Kante der Laufbuchse (37) überragt, wenn die Laufbuchse (37) in der Zylinder­ bohrung (30) positioniert ist, wodurch die Zylinderlauf­ buchse im Ausdehnungszustand gesichert wird.

6. Zylinderlaufbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (24) des Mo­ tors eine longitudinale Achse (51) mit einer Nordrich­ tung an einem Stirnende und einer Südrichtung am anderen Stirnende definiert, und daß die Laufbuchse (37) in der Bohrung (30) derart angeordnet ist, daß der ineinander­ greifende Berührungsbereich (50) entweder an die Nord- oder die Südseite der Zylinderbohrungswand angrenzt.

7. Zylinderlaufbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das als nicht rechtwinkliges Parallelogramm ausgebildete Materialflächengebilde einen inneren spitzen Winkel (θ) zwischen 1° und 10° aufweist.

8. Zylinderlaufbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ge­ kennzeichnet durch eine obere Kante (39) im Ausdehnungs­ zustand, die nach außen radial abgeschrägt ausgebildet ist.

9. Zylinderlaufbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die aneinanderstoßenden Kanten (38, 40) Einrichtungen zum gegenseitigen Sperren der Kanten aufweisen, wodurch die Buchse (37) ihre zylindri­ sche Form beim Einsetzen in die Bohrung (30) beibehält.

10. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtungen zum gegenseitigen Sperren der Kanten (38, 40) eine erste aneinanderstoßende Kante (40) mit einer im wesentlichen konkaven Form und eine zweite aneinanderstoßende Kante (38) mit einer im wesentlichen konvexen Form aufweisen.

11. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung zum gegenseitigen Sperren der Kanten (38, 40) eine erste aneinanderstoßende Kante (38) mit einer im wesentlichen männlichen "v"-Form und eine zweite aneinanderstoßende Kante (40) mit einer im we­ sentlichen weiblichen "v"-Form aufweist.

12. Verfahren zur Auskleidung einer Zylinderbohrung (30) ei­ nes Verbrennungsmotors (20), wobei die Bohrung einen Durchmesser (D1) aufweist und eine longitudinale Achse (49) definiert und der Motor (20) wenigstens einen Zy­ linderkopf (32) mit einem sich in dem Zylinder hin- und herbewegenden Kolben (28) und eine mit dem Kolben rota­ torisch verbundene Kurbelwelle (24) aufweist, mit den Schritten:
Formen eines nicht rechtwinkligen, parallelogrammför­ migen Materialflächengebildes (36) mit schrägen Kanten (38, 40),
Formen des Bleches zu einer zylindrischen Buchse (37),
vertikales Verschieben der Kanten (38, 40) derart, daß die Buchse einen geringeren Durchmesser (D2) als der Durchmesser der Bohrung (D1) aufweist, wodurch gleich­ zeitig eine vordere vorstehende Kante (42) und eine hintere vorstehende Kante (44) definiert werden,
Einsetzen der Zylinderlaufbuchse (37) in die Bohrung (30) derart, daß die hintere Kante (44) die Zylinder­ bohrung (30) überragt, und
Aufbringen einer Kraft auf die vorstehende hintere Kante (44), wodurch die schrägen Kanten (38, 40) anein­ ander entlanggleiten und eine Ausdehnung der Laufbuchse (37) bewirken, bis deren Durchmesser (D2) im wesentli­ chen dem Durchmesser der Zylinderbohrung (D1) ent­ spricht, wodurch ein Ausdehnungszustand definiert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausbildens einer Einrichtung zur Sicherung der Buchse (37) im ausgedehnten Zustand an den aneinan­ derstoßenden Kanten (38, 40).

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kurbelwelle (24) des Motors (20) eine lon­ gitudinale Achse (51) mit einer Nordrichtung an einem Stirnende und einer Südrichtung am anderen Stirnende der Kurbelwelle definiert, und daß ein Schritt zur Ausrich­ tung der Buchse (37) in der Bohrung (30) derart vorgese­ hen ist, daß die aneinanderstoßenden Kanten (38, 40) entweder an die Nordseite oder die Südseite der Zylin­ derbohrungswand angrenzen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekenn­ zeichnet durch den Schritt des Sicherns der aneinander­ stoßenden Kanten (38, 40) gegeneinander, wodurch die Buchse (37) ihre zylindrische Form beim Einsetzen in die Bohrung (30) beibehält.