DE2037962A1 - Zylinderlaufbuchse fur Verbrennungs motoren - Google Patents

Description

PATENTANWXLtt &R.-JNG. H. FINCK6 DIPL-ING. H. BOHR O 0. JULI 1970

DIPL-ING. S. STAEGEK

Mappe 22313 - Dr₀ K,
Gase 787

Chromium Corporation -of-America Cleveland, Ohio, U.S.A.

Zylinderlaufbüchse für Verbrennungsmotoren

Priorität 3^Λ.7.1969 - U.S.A.

Erfindung besieht sich auf die Oberflächenbeschaffenheit von Laufbüchsenoberflächen der Zylinder von Verbrennungsmotoren. °ie bezieht sich insbesondere auf solche Laufbüchsen, ' beidenen zwei Teile mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit vorliegen, da nämlich die erhabenen Bereiche der Laufbüchsenoberfläche mit einem unterschiedlichen Rauhheitsgrad im Hiederdruckteil und im Hochdruckteil ausgerüstet sind«, Beispielsweise besitzt der Niederdruckteil der Oberfläche der Laufbüchse eine hohe Rauhigkeit, während die Rauhigkeit der Oberfläche im Hochdruckteil geringer ist.

Bei Verbrennungsmotoren hängt die Abnutzung der Zylinder weitgehend davon ab, was in der ersten Einlaufzeit der Zylinder-.büchse passiert, .,enn beispielsweise bei der Relativbewegung zwischen den Kolbenringen und der Oberfläche der Büchse diese Oberfläche nicht sauber geschmiert wird, dann nutzen die Ringe die Büchsenoberfläche sofort ab, Außerd?m haben die Oberflächen der sich relativ zueinander bewegenden Teile eine Neigung, einander anzupassen. Wenn diese Anpassung unter solchen Bedingungen stattfindet, daß eine ungleichmäßige Abnutzung der zylindrischen Form der Laufbüchse stattfindet, dann wird die Bohrung der

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Laufbücise unmittelbar beim ersten Lauf deformiert, und eine solche Deformation setzt sich durch die gesarate Lebensdauer der Laufbuchse fort.

Wenn die Abnutzung ungleichmäßig erfolgt und wenn eine übermäßige Abnutzung der Laufbüchse stattfindet, dann setzt aicb diese Abnutzung mit einer erhöhten Geschwindigkeit fort, wodurch die lebensdauer der Laufbuchse verringert wird.

Zusätzliche Schwierigkeiten treten im Hochdruckende des Zylinders auf, wo die Kolbenringe einem hohen .Druck ausgesetzt sind. Unter dem Einfluß des hohen Drucks haben die Rin&e eine Neigung zur Spreissung und zwar insbesondere dann, wenn die Oberflächen, auf denen sie sich bewegen, zu rauh sind.

enn im Hochdruckende des Zylinders versucht wird, dieses Spreizjngsproblem durch die Anwendung ausreichender Schmierung zu beseitigen, dann wird eine große Menge des Schmieröls der Verbrennungskammer des Zylinders ausgesetzt und verbrannt, was zur Folge hat, daß solche Zylinder einen großen ochmierölverbrauch haben, damit sie sauber arbeiten, Wenn dagegen eine unzureichende Menge Schmieröl in dem Moment verwendet wird, wenn die Kolbenringe dem hohen Druck ausgesetzt sind, dann sprei zen sich diese Kolbenringe und nutzen den Zylinder mit erhöhter Geschwindigkeit ab.

In der Technik ist es allgemein üblich, der Zylinderlaufbüehsenoberflache eine gewisse Porosität zu erteilen. -Die Poren halten eine beträchtliche Menge Schmieröl fest, sodaß die Relativbewegung zwischen den Kolbenringen und der Zylinderbüchsen.-oberfläche eine verbesserte Schmierung erfährt. Ξ,β besteht jedoch das bereits erwähnte Problem, daß, wenn die Porosität ausreicht» um eine ausreichende Schmierung zwischen den sich relativ zueinander bewegenden feilen zu gewährleisten, eine erhöhte Menge Schmieröl im Druckkammerteil des Zylinders verbrannt wird, wobei dann eine große Menge Schmieröl für ein

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aaubfres irUBiteri erforderlich ist und die Äosten des Betriebs erhöht werden« außerdem sind bei einer solchen porösen Oberfläche, welche die gvünachte Schmierung ergibt, die Oberflächeneigenschi f ten derart, daß eine raschere Abnutzung auftritt, einfach des-.alb, weil die Kolbenringe rascher abgenutzt

sich

werden und ^ine anfängliche ^nspassung zwischen den relativ zueinander bewegenden Oberflächen stattfindet, welche mit einem leichten .i'inkel zur vertikalen nchse der Zylinderbohrung erfolgt, wodurch eine AnfangBdeformierung der Zylinderbohrung eintritt, die die Abnutzung des Zylinders beschleunigt« Wenn dagegen eine verhältnismäßig glatte Oberfläche mit einer geringen lorositüt verwendet wird, dann wird sehr wenig Jchrnieröl auf der ZyIinderlaufbüchsenoberflache in der Nähe des Niederdruckendes zurückgehalten, weshalb die xNeigung besteht, daß der Zylinder heiß läuft, weil nicht ausreichend Cl im Niederdruckteil des Zylinders vorliegt, um die Hinge während dieses Teils der Bewegung des Kolbens zu kühlen und um die Hitae abzuführen, die sie am Hochdruckende des Zylinders aufnehmen. Weiterhin besteht bei einer solchen glatten Oberfläche die Neigung, daß die sich relativ zueinander bewegenden Teile während der ersten Betriebszeit nicht aufeinander einlaufen, sTduß eine übermäßige Abnutzung der Zylinderlaufbüchse die Folge ist. Dies hat wiederum einen erhöhten Schmierölverbrauch zur Folge.

Ss besteht also das Problem, daß eine bestimmte Porosität einer Zylinder^aufbüche einerseits für gewisse Zwecke der Laufbüchse verbesserte Eigenschaften erteilt, während sie gleichzeitig gewisse Nachteile besitzt. In der Vergangenheit wurde der Porositätsgrad von Zylinderlaufbüchsen derart ausgewählt, daß ein Kompromiß zwischen den erwünschten .tirkungen einer Laufbuchse mit niedriger Porosität und den Wirkungen einer laufbuchse mit hoher Porosität geschlossen wurde. Solche Kompromisse haben aber zur Folge, daß eine Zylinderlaufbuchse gewisse unerwünschte Eigenschaften aufweist, welche

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die Lebensdauer der Laufbuchse beeinflussen,

"8 sind bereits viele Versuche gemacht worden, den obigen Schwierigkeiten beizukommen, indem der Laufbüchsenoberfläche die unterschiedlichsten Porositätagrade und Karbenoberflächen verliehen wurden, welche einerseits den für eine verbesserte Schmierölrückhaltung erforderlichen Porositätsgrad liefern und andererseits die mit der hohen Porosität verknüpften Schwierigkeiten beseitigen sollten. Beispielsweise wurden verchromte Laufbüchsenoberflachen dadurch hergestellt, daß zunächst ein I'etallsubstrnt verchromt und hierauf die verchromte Oberfläche durch chemische oder mechanische Littel mit Warben versehen wurde, um genarbte Oberflächen herzustellen, deren Narben zur Rückhaltung des Schmiermittels dienten. Weiterhin wurden Versuche gemacht, das Reaktionsprodukt einer chemischen Ätzung von solchen Oberflächen als jchraierfilm auf der geätzten Oberfläche au verwenden.

eiterhin wurde versucht, das Lletallsubstrat des Zylinders vor der Verchroraung sandzustrahlen und hierauf zu verchromen um eine verminderte Reibung zwischen dieser Oberfläche und den anderen darüber laufenden Oberflächen zu schaffen» Welche Form die fertige genarbte Oberfläche auch immer hatte, der rorositätsgrad der Oberfläche brachte nach wie vor immer noch .Schwierigkeiten mit sich; bei einer verhältnismäßig glatten Oberfläche wurden zwar die oben erwähnten Vorteile aber gleichzeitig auch Nachteile erhalten, während mit einer verhältnismäßig porösen Oberfläche zwar gewisse Vorteile wie ülrückhaltung erzielt wurden aber dabei auch eine erhöhte Abnutzung der Zylinderlaufbuchse auftrat.

£a wurden auc"· Versuche gemacht, die Probleme zu korrigieren oder zu kompensieren, die auftreten, wenn verhältnismäßig glatte und wenig poröse Oberflächen verwendet werden, indem eine genarbte verchromte Laufbücheenoberfläche bei solchen

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Zylindern geschaffen wurde. Hierauf wurden dann die -zwischen' den einzelnen Narben vorhandenen erhabenen Stellen der Oberfläche sandgestrahlt, um auf den verhältnismäßig glatten Oberflächen der- erhabenen Stellen kleine Rauhigkeiten zu schaffen, welche für das gewünschte Einlaufen der Kolbenringoberfl'ächen sorgen, um dadurch die anfängliche Einlaufabnutzung von verhältnismäßig glatten Zylinderbüchsen zu beseitigen. Jedoch können auch hierbei gewisse Schwierigkeiten auftreten, weil die verhältnismäßig glatte Oberfläche nach wie vor eine verhältnismäßig geringe ölrückhaltungskapazität aufweist, was zur Folge hat, daß eine solche Zylinderbüchse während ihrer Lebensdauer einen verhältnismäßig hohen Schmierölverbrauch besitzt_o

Schließlich wurden auch Versuche unternommen, einen Kompromiß zwischen dem doppelten, oben erwähnten Erfordernissen für Zylinderauskleidungen zu schaffen, indem im Hochdruckverbrennungsbereich der Zylinderbuchse ein höherer Porositätsgrad vorgesehen wurde als im Niederdruckbereich der Laufbuchse» Hierbei werden gewisse Vorteile erzielt, da eine hohe Ölrückhaltung im Hochdruckbereich erzielt wird, wodurch die Neigung zu einer Abnutzung der Kolbenringe verringert wird, während sie über die Oberfläche des Hochdruckbereichs der Zylinderbüchse gleiten. Außerdem besteht bei einer solchen Anordnung eine verringerte ölrückhaltung im Niederdruckbereich, wodurch der Ölverbrauch in diesem Bereich verringert ist. Jedoch können | auch bei einer solchen Anordnung gewisse Nachteile auftreten, da nämlich nach einer gewissen G-ebrauchszeit ein hoher Ölverbrauch im oder in der Nähe des Hochdruckteils und Verbrennungebereichs des Zylinders auftritt, weil nämlich das Öl im Hochdruckteil des Zylinders verbrannt wird.' Außerdem besteht wegen der hohen Temperaturentwicklung im Hochdruckteil des Zylinders die Neigung, daß die Ringe in diesem Bereich stark erhitzt werden. Da jedoch im Niederdruck:eil eine verhältnismäßig geringe olrückhaltung besteht, werden die Ringe während ihrer Bewegung in diesem Teil des Zylinders nicht ausreichend gekühlt, was zur Folge hat, daß der Zylinder beim Betrieb überhitzt wird.

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Dies gilt insbesondere deshalb, weil in den vergangenen Jahren die Leistungsabgabe von Verbrennungsmotoren gesteigert und die Innendrücke d-id <rch wesentlich erhöht wurden, was zur jolge hatte, daß die Lebensdauer bis zu einer zulässigen -rtbnutzungsgrenze der Zylinderbüchsen merklich verringert wurde. Dieser Verlust an Lebensdauer ist das Resultat der Abnutzung während der Einlaufzeit. Die hohen Innendrücke ergeben in Verbindung mit der Bremsung zwischen den Kolbenringen und der Zylinderauakleidung eine Wulstbildung der Kolbenringnuten in der Nähe der Hochdruckbereiche. Diese iulstbildung kratzt den Jchnierölfilm weg, weshalb die Abnutzung augenblicklich beginnt-Diese anfängliche Abnutzung, die im Bereich der höchsten ^ Innendrücke während der Einlaufzeit entsteht, verhindert von da an einen flachen Kontakt zwischen Ring und Zylinderwandung, Der scharfe, kantenartige Kontakt zwischen Ring und Zylinder, der so entsteht, 3etzt sich während der Lebenszeit der Zylinderbuchse f-.rt, die sich von nun an mit einer beschleunigten Geschwindigkeit abnutzt, wie bereits erläutert,

Gemäß der iifindung werden nun der Zylinderlaufbuchse von Verbrennungsmotoren unterschiedliche Rauh'lgkeitscharakteristiken in Bereichen mit verschiedenen Temperatur- und Druckbedingungen verliehen, welche durch einen Profilometer geraessen und mit Hilfe der Skala des mittleren Würze!quadrats (MWQ) ausgedrückt werft den. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Verringerung des LIWQ (glatteres Pinisch) in solchen Bereichungen der Bohrung wo der Innendruck einen hohen Druck swiaohen der Zylinderwandung und den Kolbenringen ergibt, Die Erfindung läßt sich auch in der Weise beschreiben, daß ein höherer Rauhigkeitsgrad auf den erhabenen ..stellen zwischen den Poren der Arbeitsoberfläche im Niederdruckteil des Zylinders und eine verhältnismäßig glatte Oberfläche auf den erhabenen Stellendes Hoohdruckteils wird, wodurch eine minimale Abnutzungsneigung im Hochdruckbereich des Zylinders erhalten wird. Weiterhin ergibt sich bei einer solchen Anordnung eine erhöhte ölrückhaltung im Miederdruckbereich des Zylinders, wodurch wegen der höheren ölmenge in

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diesen. Bereich «lie Kolbenringe gekühlt werden, wenn sie sich in der Nfihf» dieses Bereichs befinden, /egen des höheren fiauhigkeitsgrads in diesen Bereich besitzen die Kolbenringe während der Hinlaufzeit die Neigung, sich an die Oberfläche derZylinderbüchse, ^uf der sie gleiten, anzupassen. Weiterhin bewegen sich im Hochdruckbereich des Zylinders die Kolbenringe auf einer viel glatteren Oberfläche, wodurch die Abnutzungsnei^ung in diesem Bereich verringert wird. Wegen diener el Heren Oberfläche wird die üeigung der Kolbenringe zur SpreLzungr wenn ei· den hohen Druck Im Hochdruolcteil des Zylinders aufgesetzt werden, verringert, und zwar wegen der glatteren rherflache, auf der sie sich bewegen. Außerdem besteht we,^Ten der verringerten ölrückhaltung im Hochdruckbereich in der Hiihe des Verbrennungsendes des Zylinders eine viel geringere Ueigung für einen übermäßigen ocbmierölverbrauch aufgrund ν^n Verbrennung.

Demgemäß ist es ein Ziel der Erfindung, eine Zylinderbüchse für Verbrennungsmotoren zu schaffen, welche einen wirksamen Kompromiß zwischen den oben erwähnten doppelten Erfordernissen für solche Lnufbüchsen mit aich bringt. Sin weiteres Ziel der 2rfindang ist es, solche Zylinderbüchsen zu schaffen, welche wirksam den Jchmierölbedarf sowohl während der Einlaufzeit als auch während der gesamten Lebenszeit des Zylinders verringern.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, solche Zylinder zu schaffen, bei denen die effektive Lebenszeit beträchtlich erhöht ist. 2in weiteres Ziel der Erfindung ist es, solche Zjlinderlaufbüchsen von Verbrennungemotoren zu schaffen, bei denen die Abnutzung durch die Kolbenringe sowohl während der Einlauf?ieit ale auch während der gesamten Lebenszeit wesentlich verringert und/oder ausgeschaltet ist.

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•^ O **'

Die Erfindung wird außerdem durch die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen?

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen -ärfindungegegenstandj und Figur 2 eine vergrößerte Ansicht der Stelle 17 von Figur 1, welche die verschiedene Porosität der Laufbüchsenoberflächfi von Figur j und die Grenzlinie dazwischen zeigt.

In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile.· Die Zylinderlaufbüchse 10 eines Verbrennungsmotors, welcher den Üblichen Zylinderkopf und einen Wassermantel aufweist (nicht gezeigt) besitzt, eine Reihe von Eintritts· Öffnungen 11.

Innenoberfläche 12 des oberen Hochdruckteils des Zylinders besitzt einen niedrigeren Porositätsgrad a3.3 der untere Hiederdruckteil 14 des Zylinders. Die Trennlinie ist bei 16 zu sehen, ^ie Außenwandung des Zylinders ist mit 18 bezeichnet,

Pigur 2 ist eine vergrößerte Ansicht der otelle 17 von Figur 1 und zeigt einen Querschnitt der Innenoberfläche 19 der Zylinderlaufbüchse 10, wobei die Grenze zwischen den iorositäts graden des oberen Hochdruckendes 12 des Zylinders und des unteres Niederdruckendes 14 des Zylinders bei 16 zu sehen ist,

■Wie aus 'dem folgenden klar wird, sind diese Zeichnungen etwas idealisiert und symbolisiert, und zv/ar wegen der sehr kleinen Abmessungen der loren in der Laufbüchse. Diese Unterschiede sind nicht einmal unter dem Mikroskop zu sehen, oie äußern sich nur in einer leichten Farbänderung.

Bevor die Erfindung genauer beschrieben wird, soll darauf hingewiesen werden, daß sich die Erfindung auf eine große Reihe von Laufbüchsen für Verbrennungsmotoren anwenden läßt, .vie z.B. bei Dieselmotoren für Lokomotiven und Jchiffe, für stationäre Motoren und f.tr Automotoren,

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Ss wurden zufriedenstellende Resultate und unter zufriedenstellenden und wirtschaftlich attraktiven Bedingungen dadurch erzielt, daß ein zweifaches Pinisch auf die Laufbuchse eines Verbrennungsmotors für lokomotiven aufgebracht wurde, wobei dieses zweifache Finisch in /* MQ gemessen wurde. Die erhabenen Stellen des Niederdruckteils der Zylinderlaufbuchse sind mit einer gröberen MV/Q-Oberfläche im Bereich zwischen ungefähr 0,375-2,0 /"* ausgerüstet, wobei dieser Wert durch einen Profilometer geraessen wird, der automatisch die Oberfläcbenrauhigkeit in bekannter Weise mißt. Durch eine solche Anordnung werden die Kolbenringe im Niederdrückteil des Zylinders leicht geläppt, sodaß eine perfekte Anpassung zwischen Laufbuchse und Hing entsteht, die für einen geringen Schmierölverbrauch nötig ist*

Weiterhin wird den erhabenen Teilen des oberen Quer Hochdruckteils der Laufbüchse eine niedrige MWQ-Oberfläche im Bereich zwischen ungefähr 0,025-0,375 /* verliehen,. Bei einer solchen Anordnung besitzt der Kolbenring in diesem Bereich eine minimale Reibung auf der Zylinderwandung, wobei gleichzeitig eine verringerte Neigung zur Spreizung in der Ringnute besteht., während er sich unter dein Einfluss des Hochdrucks in diesem Bereich befindet, wobei ein flacher Kontakt zwischen Hing- und Zylinderwandung aufrechterhalten wird. Aufgrund dieser Anordnung wird deshalb die anfängliche und kontinuierliche Abnutzung im oberen Hochdruckteil der Zylinderlaufbüchse beseitigt»

•Üie besten Resultate werden bei Zylinderbuchsen von Verbrennungsmotoren erhalten, wenn die Trennlinie zwischen der Oberfläche mit niedriger Rauhigkeit am Hochdruckende der Laufbüchse und i-er Fläche mit hoher Rauhigkeit am niederdrückende der Laufbuchse im wesentlichen in der Nähe des Höhenlagepunkts, des oberen Kolbenrings liegt,bei dem alle Öffnungen in einer solchen Laufbuchse geschlossen sind, ob es sich nun um eine Zweitaktoder Viertaktraaschine handelt» Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß d^-! ese Trennlinie bei gewissen anwendungen vom je-

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wissen Anwendungen vom jeweils verwendeten Zylinder unJ von der vorgesehenen I'ndanwendung abhängt.

Bei einem bevorzugten '/erfahren -zur Herstellung einer Lauf-.büchsenoberfläche mit zweifacher Rauhigkeit bei einem Verbrennungsmotor wird zuerst das Metallsübstrat der Zylinderbohrung in übli her :eiae verchromt. Hierauf wird die gesamte verchromte Oberfläche in bekannter .Veise vorbehandelt, um eine Porosität über der gesamten Oberfläche der verchromten Laufbüchse zu schaffen, wobei der Porositätsbereich 3 - 20 ;■> beträgt.. Der Prozentsatz der Porosität ist der Prozentsatz der roren, die auf der Oberfläche der Büchse auftreten. Diese poröse Oberfläche wird da in mechanisch gehont, wobei ein geeignetes "ichleif mittel verwendet wird, oder chemisch in bekannter .«eise geätzt, um den erhabenen Stellen der gesamten Oberfläche der Laufbüchse ein Pinisch zu erteilen, derart, daü das KWQ in der gesamten Bohrung zwischen ungefähr 0,025 und 0,375 /* liegt.

Alternativ kann das Lietallsubstrat der Zylinderbohrung in bekannter Weise zunächst mit einem geeigneten schleifmittel bestrahlt werden, um die Porosität zu erzeugen, worauf dann eine Verchromung angebracht wird unl diese Verchromung dann gehont 'vird. Der bevorzugte Bereich des MV/Q in der erhaltenen behandelten Laufbuchse liegt zwischen ungefähr 0,375 und 2,0 /^A durch die gesamte Bohrung.

Zwar ist das gemäß der Erfindung bevorzugte «iaterial für die Laufbüchse Chrom und das bevorzugte -»-ufbringverfahren für die Laufbüchse ist die Elektroplettierung, aber es wird darauf hingewiesen, daß gemäß der Erfindung auch andere Materialien verwendet werden können, solange sie eine ausreichende Haftung auf dem -".letallsubstrat einer Zylinderbohrung besitzen, solange sie in °iner geeigneten stärke vorliegen, damit die gewünschte Porosität und/oder Rauhigkeit wie auch die erwünschte Honung erzielt werden k^nn und solange sie die hohen Temperaturen

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und Drück'? in Verbrennungsmotoren aushalten können,

Jemäß der Erfindung Könnet» als Zy linderlauf büch3enniaterialieri zusätzlich au Chrom ³uoh Gußeisen, Hickel, Legierungen bus Chrom und Aluminium, Legierungen aus Nickel und Ghron, legie-. rung<?n aus Nickel, Chrom und Aluminium, Super legierungen mit h^hem iiiekelgehalt, Superle^ierungen mit hohem Kobaltgehalt und hohe TeT-jeraturen aushaltende keramische i-aterialien verwendet ^v erden, welche auf üuetallsubstraten in geeigneter ,eise durch Adhäsion ~der Diffusion befestigt werden können.

Andere geeignete Verfahren zur Herstellung der Laufbuchse sind HccbtempnratJrdiffusionsbeschichtung, wie z.B, das irackverfahren, bei welchem die Zylinderlaufbuchse in ein pulverisiertes EescMc-itungßpaek eingebettet wird, welches eine pulverisierte quelle fur das Beschicbtungsmaterial, einem inerten pulverisierten puller und einen in der Hitze verdampfbaren xialogenträger enthält, worauf dann der gesagte lack in einer verschlossenen Retorte erhitzt wird, um das Letallsubstrat durch Diffusion mit dem gewünschten Bescbicbtungsmaterial zu beschichten, und worauf dann schlleBlich Oberflächenbehandlungen, wie z.B. Carborierung und Hitridierung ausgeführt werden,

Es wird darauf hingewiesen, dai der Auedruck "Laufbuchse· wie er hier verwendet wird, sich auf die Arbeitsoberfläche der Bohrung von Zylindern von Verbrennungsmotoren bezieht, und daß dieser Ausdruck eine gesonderte -Laufbuchse oder das .-etallsutstrat der B^hrun.t bezeichnen kann.

Hierauf wird ein mit Gummi bedecktes zylindrisches schild in das Hochdruokende der Bohrung eingeführt, derart, dai. das ochild sich im wesentlichen in Höhe eines runkts "befindet, bei dem der obere Kolbenring gerade während eines Bewegungszyklus des Kolbens im Zylinder lieg-:, wenn alle Jffnungen geschlossen werden. Zer freiliegende 2eil der Laufbüchse, der nicht durch das mit Gummi beschichtete zylindrische Jchild

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geschützt ist, wird dann gestrahlt, um auf den erhabenen Stellen ein Pinisch zu erzeugen, das eine Rauhigkeit im Bereich zwischen ungefähr n,375-2,0 /^A MiYQ und vorzugsweise 0,75-1,25 A¹ IWQ besitzt»

2e wird darauf hingewiesen, daß jedes bekannte Verfahren zur mechanischen oder chemischen Ätzung der Oberfläche verwendet werden kann, wenn nur der gewünschte Rauhigkeitsgrad auf den erhabenen Stellen in den geeigneten Zonen des Zylinders erzielt wird, um eine Zylinderbohrungsoberfläche zu schaffen, deren erhabene Stellen eine zweifache Rauhigkeit aufweisen. Die Trennlinie wird entsprechend der späteren Verwendung aus-" gewählt, aber vorzugsweise liegt die Trennlinie zwischen den beiden Rauhigkeiten i» wesentlichen an dem runkt, bei welchem der oberste Kolbenring oder der Kolbenring, der dem Hochdruckende des Zylinders am nächsten liegt, während der Zyklusbe- . wegung des Kolbens im Zylinder gerade liegt, wenn alle Öffnungen des Zylinders geschlossen werden.

Bs wird jedoch darauf hingewiesen, daß in gewissen fällen, wie z.B. wie bei gewissen Viertaktmotoren dieser iunkt innerhalb eines Bereiche zwischen ungefähr 0 - 12,7 mm vom Umkehrpunkt des Kolbenrings nächst dem Hochdruckende des Zylinders liegt.

Wie bereits erwähnt, ergibt sich daraus ein wirksaraer Kompromiß für die doppelten .Erfordernisse der modernen bei hohen Temperaturen und hohen Drücken arbeitenden Verbrennungsmotoren, wodurch eine verbesserte Abnutzungelebensdauer von solchen ^aufbüchsen erzielt wird. Dadurch,daß eine Oberfläche mit niedriger Rauhigkeit und verhältnismäßig hoher Glätte im Hochdruckbereich von β lichen Zylinderbüchsen vorliegt, besitzen die kolbenringe in diesem Bereich nicht die Neigung zur Spreizung, wenn sie dem hohen Druck am Hochiruckende ausgesetzt werden, da sie nämlich leicht über die verhältnismäßig glatte Oberfläche gleiten können. An tfipder'ruckende des Zylinders findet sich

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eine verhältnismäßig hohe Rauhigkeit, mit einer erhöhten ölriiekhaltun/r, wodurch eine wirksam geschmierte Oberfläche geschaffen .virdj über welche die Kolbenringe ..*ieh im Kiederdruckbereich des Zylinders bewegen, wodurch gleichzeitig eine wirksame Kühlung der Hinge während der Bewegung im riiederdruckteil erzielt wird und dadurch ihre Temperatur verringert wird, die sie im Hochdruckteil des Zylinders erhalten. Zusätzlich werden durch die verhältnismäßig hohe Rauhigkeit am Hiederdruekteil der Laufbuchse die sich relativ zueinander bewegenden Oberflächen der Kolbenringe und die Zylinderlaufbuchse während der ersten ^inlrufaeit oberflächlich geläppt, sodaß sie sich einander angleichen. Außerdem besitzen die Kolbenringe im Hochdruckbereich wegen der verhältnismäßig glatten Oberfläche der Laufbuchse in diesem Bereich nicht die Neigung, die Laufbuchse nach der iinlaufzeit abzunutzen.

Die folgenden Beispiele beziehen sich a".\f verchromte Zylinderbüchsen für Diesellokomotiven. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß diese Beispiele lediglich zur .Crläuterung dienen und keinen beschränkenden Charakter besitzen»

Beispiel 1

Es' wurde eine verchromte Zylinderlaufbüchse für einen Zweitaktmotor mit einer Bohrung von 21,6 cm und einer Länge von 53,25 cm ausgewählt« Die.se Laufbuchse war in bekannter Weise vorbehandelt wurden, um eine Porosität von 15 '> zu erzeugen. ±^ie Laufbüchse wurde dann mit einem geeigneten Schleifmittel gehont, um auf den erhnbenen otellen über die gesamte Bohrung ein Pinisch von 0,125 - 0,250 Γ MWQ zu schaffen. Der £auhigkeitsgrad, gemessen in Z¹ MiVQ verändert sich etwas entlang der Bohrung und zv/ar ausschließlich wegen mechanischer Mängel, die bei der Verwendung- von ochleifmittel zum Honen einer solchen Oberfläche auftreten, wie es allgemein bekannt ist. Hierauf wurde in das obere Ende (Hochdruckende) des Zylinders ein Gummischild eingeführt, derart, d;iß sich der ochild

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BADORJQlKAi.

. - 14

14,6 cm vom oberen Rand des Zylinders erstreckte. Ler Zylinier wurde dann in einer Zentrifugalvorrichtung, in bekannter eise gestrahlt, um auf den erhabenen L'eilen im unteren (x.'iederdruckteil) des Zylinders ein Finiach im Bereich z/zischen un^eflhr 1,0 - 1,25 /" M.'U zu erzeugen. Die erhaltene Laufbuchse besitzt ein niedrige Reibung und eine niglrige ..bnützung im oberen geschützten Teil 3er Laufbüchse, während sie eine rauhere Oberfläche im unteren Peil besitzt,die die Hinge einschleift,

Beispiel 2

iine laufbuchse für einen Zweit^ktdieselmotor mit einer Bohrung von 21,6 cm und einer Länge von 53»25 cm wurde verchromt, gehont und behandelt um eine 3 M-ge I-orosität in jorr. von Narben zu schaffen, die in die Chrornoberfläche sit einer Tiefe

cm 2

von 0,0025- 0,020 eingeätzt waren, wobei 122,55 Ilarben je cm vorlagen, -^ie Bohrung der Laufbuchse wurde dann poliert,um ein Finisch von 0,075 - 0,150/¹MiZQ herzustellen, Hierauf wurde ein mit Gummi bedecktes Zylinderschiid in das obere Jnde der Bohrung eingeführt und so weit herabgeschoben, daß sich die Grenslinie an einem χ unkt erstreckte, an dem der obere Sing sich in dem Moment befindet, wenn die Kolbenbewegung die Austrittsöffnungen öffnet. Die Laufbuchse wurde dann im ungeschützten Teil gestrahlt, um ein Pinisch van 0,375 - 0,500 A¹ M.V^ ia ungeschützten feil der Laufbüchse iu schaffen. Das Verfahren zur Herstellung des Teils mit hoher torosität war dasjenige, das in der Uo-Patentschrift 3,063.76:3 beschrieben ist und das in der Technik bekannte "matte Pinisch¹¹" ergibt.

Beispiel 3

Das Ketallsubstrat eines Viertaktdieselmotors mit einer Zylinderbohrung von 22,9 cm ua?d einer Zylinderlänge von 53,25 cm, wurde in bekannter Weise in liisen gestrahlt und hierauf verchromt und auf di'e gewünschte Bohrung gehont, wobei eine Porösität in der Verchromung von annähernd 20 ,-> verblieb. Das erhaltene I?inisch auf den erhabenen Stellen

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aviochei: den i ilen betrug ungefähr 3,1': bis 0,1 f» A¹ 1.2.VQ· In i-ip :-^hru!i' wjrde bio i:u einem lunkt 10,2 cm vom Uükerrpunkt >3ea Vnereu ■'^Ibenri'igs entfernt ein Gußmischüd eingeführt. bit- laufbuchse wurde dann in einer Zentrifugalvorrichtung in bekannter Weise mit Aluminiumoxidkörnern gestrahlt, um ein liniacii im ungeschützten Teilbereich zwischen ungefähr 0,75 1 ,'30 /* im zn schaffen. Bei einer solchen Anordnung werden bein Gebrauch die Kolbenringe auf der Fläche mit dem 0,75 - · ι ,T'''■ λ⁴ Γ.Γ,ν4 - ?iniaeh leicht geläppt, sodafl aie der inneren B^hrun/r ei+.sprechen»

:in abgenutzter Zylinder eines Dieselmotors mit einer Bohrung von 38,3 cm und ein--r Länge von Ü1,5 cm wurde so dick verchromt, .laß eine Honung auf Jtandardnaß in der üblichen .eise ermöglicht wurde. Diese verchromte Bohrung wurde mechanisch mit Ilarben versehen, um loren mit einer Tiefe im Bereich von ungefähr 0,0">5 - 0,010 cm unc irit einer xorosität von annährernd 15 - au! der gesamten Oberfläche zu schaffen. Las erhaltene ?inisch besaß eine Rauhigkeit, im Bereich zv.ischen 0,025 - 0,075A¹I''/;, Von dar Oberseite (Hochdruckende) des Si linders wurde ein cchild eingeführt, der aich bia zu einen Viertel des .e£s über den untersten Bewegun^spunkt des oberen Kolbenrings erstreckte. Der untere ungeschützte Teil der laufbuchse wurde dann mit einem Aluniuaoxiikorn ges.trihlt, wobei Druckluft als'i'reifcnittel verwendet wurde, vm eine Oberflüche mit einer Rauhigkeit im Bereich von un^efLhr C,875 bis 1,25A* ii»Q zu schaffen, tie es allgemein bekannt ist, wird während eines Viertel des Druckhubs der Jruck allmählich erhäht, wodurch der Druck -5uf die Kolbenringe steigt. ..Uhrend dieses Wegs der 'Unge übe-»- die Oberfläche mit 0,87f - 1,25 /* Hw^ werden sie leicht geläppt, scdaß sie sich der Zylinderbohrung anpassen. Wenn die Ringe ihren Aufwärtsweg (gegen das Ko3hdruckende des Zylinders) fortsetzen, dann steigt der Druck fortlaufend. Wegen der glatten Zylinderwanaungen in hochdruck-

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teil gleiten jedoch "die Kolbenringe leicht über die Oberfläche, wobei praktisch keine Abriebwirkung auf tritt_β Da eine vollständige Anpassung z\vischen den Kolbenringen und der Zylinderbüchse erreicht wird, wird der Teil der Zylinderbüchse, der zunächst da3 0,875 - 1,25 /^ KWQ - Finiach aufweist, durch die

irkung des Kolbenrings auf ungefähr 0,20 -0,375 /* MWQ poliert, und es tritt dann kein weiterer Abrieb mehr zwischen dem Ring und der laufbuchse auf.

Zur weiteren Krläuterung der Erfindung wurden 16 Zylinderlaufbüchsen, die gemäß Beispiel 1 hergestellt worden waren, in die lokomotive Kr. 576 der Louisville und Nashville Railroad eingebaut und mit einer Belastungsbox belastet. Diese Lokomotive ist eine lokomotive Modell GP-35 mit 2.500 ?3 Type D, die mit einem Koppers«Kolbenringsatz Nr. 57179A80 ausgerüstet ist. Die Lokomotive wurde 5 - 6 st in der niedrigsten gedrosselten Stellung und hierauf 1 st in der Drosselstellung Nr. 8 laufen gelassen, worauf der Llotor stillgelegt wurde. .Eine Luftboxinnpektion ergab, daß alle Kolbenringe gut saßen und annähernd ^,0024 cm sitzfläche auf der Oberfläche aller Kolbenringe zeigten. Die Luftbox war trocken und zeigte keine Anzeichen, daß öchmieröl durch die Öffnungen der Laufbüchse gepumpt worden war. Auch eine Überprüfung des ölstands im Kurbelgehäuse mit dem Clstab zeigte keine Anzeichen eines Ölverbrauchs während dieses Tests. Weiterhin zeigten alle Kolbenringe im üffnungsbereich der Zylinderlaufbüchsen einen guten Sitz. Aus dem obigen geht also hervor, daß ein Verfahren zur Herstellung von laufbüchsen für Zylinder von Verbrennungsmotoren geschaffen wird, welche die richtigen 3igenschaften für einen Kompromiß der doppelten Erfordernisse besitzen, die für solche Zylinderlaufbüchsen mit einer hohen Ülrückhaltung und einer hohen Rauhigkeit im Niederdrückten mit einer glatten Oberfläche und einer niedrigen Rauhigkeit im Hochdruckteil der Laufbüchse nötig sind, um eine verhältnismäßig grobe erhabene Oberfläche im Niederdruckteil zu schaffen, durch welche die Kolbenring-

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oberflächen an die Lau "büchsenoberflachen angepasst werden, während gleichzeitig eine verhältnismäßig glätte Oberfläche im Oberdruckteil vorliegt, um das Blockieren der Kolbenringe zur verringern, wenn sie im IIoehteffiperaturbereich erhöhten Drücken eusgesetiit werden«

iSine niedrige Clrückhaltung wird im ilochdruckteil erzielt, wodurch dps Verbrennen des Schmieröls im Verbrennungsteil des Zylinders verringert wird, während gleichzeitig eine hohe Schmierölrückhaltung im Niederdrückten erzielt wird, um eine Kühlung der erhitzten Kolbenringe zu schaffen, wenn sie sich vom Bereich hoher Temperatur und hohen Drucks des Zylinders zum Bereich niedriger Temperatur und niedrigen Drucks bewegen.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   M„iZylinder eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbuchse im Hochdruckteil eine kleinere Rauhigkeit als im Iiiederdruckteil aufweist.

   2. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet»daß die Laufbuchse aus Metall besteht*

   3. Zylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhigkeit der erhabenen Stellen der laufbüchsenoberfläche im Hochdruckteil des Zylinders im Bereich zwischen ungefähr 0,025 - 0,375 Z⁴ mittleres .urzelquadrat liegt.

   4. Zylinder nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhigkeit der erhabenen Stellen der Laufbüchsenoberfläcb? im iiiederdruckteil des Zylinders ia Bereich zwischen ungefähr 0,375 - 2,0 Z¹ !OQ liegt.

   5. Zylinder nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, da3 die Trennlinie zwischen der hohen Hauhigkeit und der niedrigen Rauhigkeit in der Laufbuchse an dem Punkt liegt» an dem der Kolbenring, der dem Hochdruckende des Zylinders benachbart ist, gerade liegt, wenn alle Öffnungen des Zylinders geschlossen werden.

   6. Zylinder nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbuchse aus Chrom besteht,

   7. Zylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhigkeit der ^aufbüehsenoberflache im Hochdruckeride des Zylinders im Bereich zwischen ungefähr ^r*,Q75 - 0,25 /* MWQ liegt.

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   be /'.,Ι in ·<τ η ich einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch nf?kennz?ichnet,, daß die Rauhigkeit der Laufbüchsenoberflache im Niederdrückende des Zylinders im Bereich zwischen ungefähr 0,75" - 1,25 /* mittleres ..urzelquadrat liegt.

   9, Verfahren zur Herstellung einer iaufbüchsenoberfluche für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die Oberfläche ein Laufbüchsennaterial aufbringt, dein laufbüchseiraaterial über die gesamte Oberfläche einen ersten ^T-.auhi2keit3grad erteilt, einen 3chutz auf dem Teil des Materials herstellt, der dem Hochdruckende der Bohrung näher liegt, und einen zweiten liauhigkeitsgrad auf dem nicht geschützten Teil erzeugt, wobei der zweite .lauhigkeitsgrad größer als der erste ist»

   10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet» daß das Laufbüchsenmaterial ausgewählt wird aus Chrom, nickel, Legierungen aus Chrom und Wickel, ouperlegierungen, in denen die Hauptkomponenten Wickel und Kobalt sind, Juperlegierungen, in denen die Hauptkomponenten Chrom, Nickel und Kobalt sind, Legierungen aus Chnm und Aluminium, wärmebeständige keramische r.aterialien und Gemischen daraus.

   11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufbüchsenmaterial aus Chrom besteht und durch iilektrolyse aufgebracht wird.

   12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des ersten Rauhigkeitgrads durch Strahlen der Chromlaufbnchsenoberflache mit einem Schleifmittel erfolgt,

   13. Verfahren nach Anspruch "<2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung solange ausgeführt wird, daß die erste .Rauhigkeit im Bereich zwischen ungefähr 0,025 - 0,375 /f mittleres vurzelquadrat liegt.

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   BADORfGfNAL

   14« Verfahren nech Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der zweiten .Rauhigkeit durch Strahlen der nicht geschützten Chroralaufbiichaenoberfläche mit einem Schleifmittel während einer ausreichenden Zeit erfolgt, daß die Rauhigkeit im Bereich zwischen ungefähr 0,375 und 2,0 /* mittleres Wurzelquadrat liegt»

   15o Verfahren nach Anspruch 12, dtdurch gekennzeichnet, daß die Chrom oberfläche zur Erzielung des ersten Rauhigke'i'tsgrads zusätzlich gehont wird.

   16o Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß der Hauhigkeitsgrad im Bereich zwischen ungefähr 0,075 - 0,250 mittleres Wurzelquadrat liegte

   17. Verfahren nach Anspruch 14» dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bauhigkeitsgrad im Bereich zwischen ungefähr 0,750 und 1,25 /" mittleres 'Yurzelquadrat liegt»

   18. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-17, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung eines Schutzes so ausgeführt wird, daß der l'eil der geschätzten Laufbuchse sich vom Hochdruckenae der Bohrung bis zu einem Punkt erstreckt, bei dem der Kolbenring, der dem Hochdruckende des Zylinders am nächsten liegt, während der Bewegung des Kolbens gerade liegt, wenn alle öffnungen geschlossen werden,

   19· Verfahren nach einem der Ansprüche 9-18, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufbüchsenmaterial aus Chrom besteht und daß die Herstellung der ersten Rauhigkeit vor der Einführung eines Schutzes ausgeführt wird, und daß schließlich zusätzlich eine Honung der Chromoberfläche zur üJrzielung der ersten Rauhigkeit ausgeführt wird«

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