DE2714137B2

DE2714137B2 - Kreiskolbenmaschine

Info

Publication number: DE2714137B2
Application number: DE2714137A
Authority: DE
Inventors: Kuniaki Hiroshima Kakui; Koso Koike; Hiroshima Kure; Toshihiko Shigeta
Original assignee: Toyo Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1976-03-31
Filing date: 1977-03-30
Publication date: 1979-11-22
Also published as: US4094618A; JPS52119431A; DE2714137C3; DE2714137A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiskolbenmaschine mil einem Gehäusemiitelteil mit trochoidenförmiger Kolbenlaufbahn, das von Gehäusescitenteilen eingefaß; ist, und mit einem mehreckigen Kolben, dessen aus einem Grundmaterial aus Eisen bestehende Scheitcldichlleistcn mit harter Leistenkuppe sich mit der Kolbenlapfbahn, die aus einem mit Chrom beschichteten Grundmaterial aus F.isen besteht, in Glcitbcrühriing befinden.

Um eine hohe Verschleißfestigkeit des Gehäusevniticlteils zu gewährleisten, ist es üblich, die Kolbenlaufbahn zu verchromen. Weilcrhin ist es üblich, den Kolben an seinen Scheiteln mit Schcitcldichtlcistcn zu versehen, die aus einem harten, beispielsweise metallischen oder keramischen Werkstoff bestehen. Die Kolbenlaufbahn von Kreiskolbenmaschincn ist Beanspruchungen unterworfen, die sich daraus ergeben, daß die gegen diese angedrückten Scheiteldichtleisten mit hoher Geschwindigkeit darüber gleiten. Bei bekannten Kreiskolbenmaschincn treten daher auf der verchromten Kolbenluufbahn häufig starke VerschleilJerscheinungcn auf, die beispielsweise zur Bildung von Raltcrmarkcn führen. Weiterhin ist der Grundwerkstoff des Gehäusemittclteils infolge seiner zyklischen Belastung durch die Scheiteldichtleisten einer Ermüdung unterworfen, die zum Bruch des Grundwerkstoffs und der Chromschicht führen kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, e:ine Kreiskolbenmaschine der eingangs angegebenen ArI zu schaffen, deren verchromte Kolbcnlaufbahn den Beanspruchungen durch die auf dieser gleitenden Scheiteldichtleisten besser standzuhalten vermag.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Leistenkuppe 50 bis 75 Vo|,-% Karbid enthält und eine Härte von 700 bis 900 HV aufweist und daß das Grundmaterial der Kolbenlaufbahn eine Härte von mindestens 105HV und die Chromschicht eine Härte von mindestens 850 HV aufweisen, wobei sich die Zuordnung der Härte der Chromschicht zur Härte des Grundwerkstoffs in der Weise aus einem Diagramm, auf

ίο dessen Abszisse die Härte der Chromschicht und auf dessen Ordinate die Härte des Grundwerkstoffs aufgetragen sind, ergibt, daß die Härtewerte rechts von einer Kurve liegen, die durch Punkte mit den Härtewerten 180HV für den Grundwerkstoff und 850HV für die Chromschicht, 125 HV für den Grundwerkstoff und 950 HV für die Chromschicht und 105 HV für den Grundwerkstoff und 1200 HV für die Chromschicht bezogen sind. Bei der erfindungsgemäßen Kreiskolbenmaschine sind die Härtewerte der Leistenkuppe der Scheiteldichtleisten sowie des Grundmaterials und der Chromschicht des Gehäusemittelteils derart aufeinander abgestimmt, daß die Kolbenlaufbahn einem geringeren Verschleiß als bei bekannten Kreiskolbenmaschinen unterworfen ist.

Zweckmäßigerweise besteht der Grundwerkstoff des Gehäusemittelteils aus Gußeisen und ist auf der Seite der mit Chrom beschichteten Kolbenlaufbahn wärmebehandelt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch die Kolbenlaufbahn mit auf dieser gleitender Scheiteldichtleiste einer Kreiskolbenmaschine und

Fig. 2 ein die Beziehung zwischen der Härte des Grundwerkstoffs und der Härte der Chromschicht des Gehäusemittelteils angebendes Diagramm.

Die Ursachen der Bildung von Rattermarken sind theoretisch noch nicht vollkommen erklärt worden. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dnß die Bildung von Rattermarken u.a. von den Kräften beeinflußt wird, welche die Scheiteldichtung mit der verchromten Innenwandung des mittleren Gehäuseteil in Berührung halten, ferner von den Ungleichmäßigkeiten der Oberfläche der Chromschicht, der Frequenz der selbsterregten Schwingung der Scheiteldichtung, den Unregelmäßigkeiten der Oberfläche der Chromschicht und der Gleichartigkeit der Werkstoffe der Scheiteldichtung und der Chromschicht.

Die selbsterregten Schwingungen werden auch als Hauptursache für den Bruch der Chromschicht angesehen. Im Betrieb der Kreiskolbenmaschine wirken auf die Scheiteldichtung eine von einer Andrückfeder K ausgeübte, zu der Innenwandung des mittleren Gehäuseteils allgemein normale Kraft (Normalkraft) F\ und eine in der Umfangsrichtung der Innenwandung 2 wirkende Tangentialkraft F₂ ein. Da sich die Tangentialkraft F₂ zyklisch verändert, tritt in der Schcitcldichlung eine selbsterregte Schwingung auf. Wenn die Frequenz der Erregungskraft in der Nähe der Eigenfrequenz der Scheitcldichtung 1 liegt, nimmt die Amplitude der selbsterregten Schwingung zu, so daß auf die Chromschicht auf der Innenwandung des mittleren Gchäuseteils außer der aus der Normalkraft und der Tangentialkraft resultierenden Kraft zusätzlich eine durch die Schwingung bedingte, zyklische Kraft einwirkt. Unter der Einwirkung dieser Kräfte können Risse in der Chromschicht auftreten. Außerdem kann

diese zyklisch eingedrückt werden, so daß die Belastung von der Scheiteldichtung auf den Grundwerkstoff des mittleren Gehäuseteils übertragen und nicht von der Chromschicht aufgenommen wird. In diesem Fall ermüdet der Grundwerkstoff nach längerer Betriebszeit, so daß er zusammen mit der Chromschicht bricht

Mit dem Ziel, die Bildung von Rattermarken und den Bruch der Chromschicht des mittleren Gehäuseteils zu verhindern, wurde der Einfluß der Gleichartigkeit der Werkstoffe de.· Scheiteldichtung und der Chromschicht des mittleren Gehäuseteils untersucht. Dabei wurde festgestellt, daß in der Gleitfläche der Scheiteldichtung ein möglichst großer Anteil an nichtmetallischen Bestandteilen vorhanden sein soll. Ferner soll diese Oberfläche verschleißfest und etwas weniger hart sein als die Chromschicht des mittleren Gehäuseteils. Angesichts dieser Erfordernisse und des Einflusses der Gleichartigkeit der Werkstoffe der Scheiteldichtung und der Chromschicht des mittleren Gehäuseteils wird für die Scheiteldichtung ein Gußeisenwerkstoff empfohlen. Eine Scheiteldichtung aus Gußeisen muß nicht unbedingt gegossen, sondern kann auch durch Sintern des Gußeisenwerkstoffes hergestellt werde.;. Vorzugsweise verwendet man ein verschleißfestes Gußeisen, doch kann man auch gewöhnlichen Grauguß verwenden.

Zum Gewährleisten einer hohen Konzentration von nichtmetallischem Material, wie Carbiden, in der Gleitfläche der Scheiteldichtung kann man die Scheiteldichtung aus Gußeisen im Schalenhartguß herstellen. Bei der Herstellung der Scheiteldichtung durch Sintern kann man in der Gleitfläche Kohlenstoff- oder Carbidpulver zusetzen. Vorzugsweise soll die Scheiteldichtung in ihrer Gleitfläche 50 bis 75 Vol% Carbid enthalten. Bei einem Carbidgehalt unter 50 Vol% gelangt eine größere metallische Fläche mit der Chromschicht des mittleren Gehäuscteils in Berührung, so daß die Bildung von Rattermarken verstärkt wird. Bei einem Carbidgehalt über 75 Vol% wird die Herstellung erschwert, die Festigkeit und Zähigkeit werden verringert, ferner soll die Gleitfläche der Scheiteldichtung eine Härte von 700 bis 900 HV haben und etwas weniger hart sein als die Chromschicht c'cs mittleren Gehäuseteils. Bei einer Härte unter 700 HV ist die Gleitfläche nicht genügend verschleißfest. Eine Härte der Scheiteldichtung über 900 HV liegt so nahe bei der Härte der Chromschicht, daß ni.r noch ein kleiner Bereich für die Wahl der Chromschicht vorhanden ist.

Daher wird die Verwendung einer Scheiteldichtung empfohlen, die aus einem Werkstoff auf Eisenbasis besteht und die in ihror Gleitfläche 50 bis 75 Vol% Carbide enthält und dort eine Härte von 700 bis 900 HV besitzt. Nur durch die Wanl eines geeigneten Werkstoffes für die Scheiteldichtung konnte jedoch noch kein befriedigendes Ergebnis erzielt werden.

Daher wurde in weiteren Untersuchungen festgestellt, wie und in welchem Maße das Auftreten von Fehlern, beispielsweise von Rattermarken und des Bruches der Chromschicht, durch die Frequenz der selbsterregten Schwingung der Scheiteklichtung und die Oberflächenbeschaffenheit der Chromschicht des mittleren Gehäuseteils beeinflußt wird.

Es wird angenommen, daß die Frequenz der selbsterreglen Schwingung der Scheiteldichlung von der Normalkraft Fi abhängt, die normal zu der Innenwandung der Chromschicht 2 des mittleren Gehäuseteils 3 auf die Scheiteldichtung 1 wirkt, ferner von der Tangentialkraft F2, der Eigenfrequenz der Feder K und den Unregelmäßigkeiten Sder Oberfläche der Chromschicht Z Als Ergebnis der Untersuchungen wurde festgestellt, daß die Wahscbeinüchkeü des Auftretens von Rattermarken und eines Bruches der Chromschicht hoch ist, wenn die Frequenz der selbsterregten Schwingung der Scheiteldichtung im Bereich von 5 bis 15 kHz liegt. Daher soll diese Frequenz außerhalb des genannten Bereiches liegen.

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß die die Frequenz der selbsterregten Schwingung der Scheiteldichtung beeinflußende Oberflächenbeschaffenheit der Chromschicht 2 beeinflußbar ist. Diese Oberflächenbeschaffenheit wird u. a. durch das Vorhandensein von Rissen in der Chromschicht und von Unregelmäßigkeiten in ihrer Oberfläche bestimmt und ist vor allem von der Härte der Oberfläche abhängig. Die Härte der Oberfläche ist ihrerseits aber nicht nur von der Härte der Chromschicht selbst abhängig, sondern wird auch von der Härte des Grundwerkstoffes des mittleren Gehäuseteils stark beeinflußt, weil die Chromschicht nur eine Dicke von V bis 250 μπι hat.

Daher wurde auch der Einfloß der Härte der Chromschicht und der Härte des Grundwerkstoffes auf das Auftreten von Rattermarken auf der Oberflüche der Chromschicht und des Bruches derselben untersucht. Zu diesem Zweck sind Versuche mit Kreiskolbenmaschinen durchgeführt worden, die zwei Rotationskolben, einen Hubraum von 573 cm' pro Arbeitsraum und eine Nennleistung von 120 PS besaßen. Es wurden verschiedenartige mittlere Gehäuseteile hergestellt, deren Grundwerkstoffe Härten von 70 bis 200 HV hatten und die auf der Innenwandung mit einer Chromschicht mit einer Härte von 700 bis 1200 HV versehen waren. Die aus Gußeisen hergestellten Scheiteldichtungen hatten ein nadeliges Gefüge und an der Oberfläche ein Schalenhartgußgefüge.

In den Versuchen wurde der Motor in zyklischer Wiederholung aufeinanderfolgenden Betriebs/iisläntlen unterworfen, indem er zunächst im Leerlauf bei 1500 U/min betrieben, dann innerhalb von 15 Sekunden die Last auf die Vollast und die Drehzahl auf 7000 U/min c'.iöht, der Motor 20 Sekunden lang unter Vollast betrieben und dann wieder auf den Leerlauf bei 1500 U/min zurückgeführt wurde. Fs wurde die Anzahl dieser Betriebszustandsfolgen bis /um Auftreten von Rattermarken bzw. bis zum Bruch der Chmmschicht bestimmt. In der F i g. 2 sind Kombinationen di.-r Härte des Grundwerkstoffes und der Harte der Chromschicht angegeben, bei denen Rattermarken oder ein Bruch der Chromschicht nach etwa 15 000 der vorstehend angegebenen Betriebszustandsfolgen auftraten, was einer Fahrstrecke von 300 000 km unter relativ schweren Bedingungen entspricht.

Aus der F i g. 2 geht hervor, daß das Auftreten von Rattermarken und der Bruch der Chromschicht des mittleren Gehäusctcils durch die Härte der Chromschicht und die Härte des Grundwerkr.toffes beeinflußt werden. Wenn gewährleistet weiden soll, daß diese Fehler nicht vor 15 000 der genannten Bctricb.sz·;-standsfolgen auf.reten, muß die Härte des Grundwerkstoffes mindestens 105 HV und die Harte der C'iromschicht mindestens 850 HV betragen. Ferner sei darauf hingewiesen, daß die Härte des Grundwerkstoffes und die Härte der Chromschicht in dem Bereich liegen müssen, der rechts oben von einer Kurve liegt, die durch einen ersten Punkt A geilt, welcher einer Grundwerkstoffhärte von 180 HV und einer Chromschichtharte von 850 HV entspricht, sowie durch einen /weiten

Punkt II. welcher einer Grundwerkstoffhärtc von 125 1IV und einer Chromschichthärlc von 950 HV entspricht und durch einen dritten Punkt, welcher einer Grundwerkstoffhärte von 105 HV und einer C'hromschichthärle von 1200 HV entspricht.

Gemäß der Krfindung sollen daher in einer Kreiskolbenmaschine, deren den Rotationskolben aufnehmender Gehäuseteil eine verchromte Innenwandung besitzen, die Scheitcldichtungen aus einem Werkstoff aus llisenbasis bestehen, der mindestens in der Gleitfläche 50 bis 75 Vol% Carbid enthält und dort eine Härte von 700 bis MOOIIV besitzt und sollen die I liirtewerte der ("hromschicht und des Grundwerkstoffes lies den Rotationskolben aufnehmenden Gehäuseteil in dem vorstehend angegebenen Hereich liegen.

Hinsichtlich des Grundwerkstoffes des den Rotationskolben aufnehmenden Gehäuseteil kann die erforderliche Härte ohne weiteres durch die Verwendung von Stahlblech hoher Zugfestigkeit erzielt werden. Wenn der den Rotationskolben aufnehmende Gehäuseteil auch Gußeisen besieht, kann die erforderliche Harte durch eine geeignete Wärmebehandlung erzielt werden Als Grundwerkstoff kann man jedes geeignete Gußeisen, jeden geeigneten Stahl und jeden geeigneter Sinterwerkstoff c.uf f'isenbasis verwenden.

Man kann den Grundwerkstoff in seinem normaler Zustand verwenden oder ihm durch eine gceigneU

■> Wärmebehandlung die erforderliche Härte verleihen Der Grundwerkstoff kann aus Blech bestehen, das ar der Innenwandung des Körpers des den Rotationskolben aufnehmenden Gehäiiscleile befestigt wird. Mar kann den Grundwerkstoff aber auch auf die Inncnwan dung des Körpers des den Rotationskolben aufnehmen den Gehäuseteil* spritzen. Hei der Wahl der Härte de< Grundwerkstoffes braucht keine Obergrenze beachtet /Ii werden. Zur Verhinderung eines Bruches dei (hromschchl ist es vorteilhaft, wenn der Griindwcrk-Ι stoff möglichst hart im. Im Hinblick auf die Kosten ti nil das Herstellungsverfahren wählt man jedoch zweckmäßig eine I lärte unter 1000 IIV. in der l'ra\is unter 350 V. Auch bei der Wahl der Härte der (hromschiehl braucht keine Obergrenze beachtet zu werden. VOrzugsvveise wählt man jedoch eine Härte unter 1200 HV weil bei einer Härte über 1200 HV die Herstellung sehr erschwert ist. l'erner nimmt bei einer sehr hallen C'hromschicht der Verschleiß der .Scheiteldichtung zu.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Kreiskolbenmaschine mit einem Gehausemittelteil mit trochoidenförmiger Kolbenlaufbahn, das von Gebäuseseitenteilen eingefaßt ist, und mit einem mehreckigen Kolben, dessen aus uinem Grundmaterial aus Eisen bestehende Scheiteldichtleisten mit harter Leistenkuppe sich mit der Kolbenlaufbahn, die aus einem mit Chrom beschichteten Grundmaterial aus Eisen besteht, in Gleitberührung befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistenkuppe 50 bis 75 Vol% Karbid enthält und eine Härte von 700 bis 900 HV aufweist und daß das Grundmaterial (3) der Kolbenlaufbahn eine Härte von mindestens 105HV und die Chromschicht (2) eine Härte von mindestens 850 HV aufweisen, wobei sich die Zuordnung der Härte der Chromschicht (2) zur Härte des Grundwerkstoffs (3) in der Weise aus einem Diagramm (F i g. 2), auf dessen Abszisse die Härte der Chromschicht (2) und auf dessen Ordinate die Härte des Grundwerkstoffs (3) aufgetragen sind, ergibt, daß die Härtewerte rechts von einer Kurve liegen, die durch Punkte mit den Härtewerten 180 HV für den Grundwerkstoff und 850 HV für die Chromschicht (Punkt A), 125 HV für den Grundwerkstoff und 950 HV für die Chromschicht (Punkt Β)\ιηά 105 H V für den Grundwerkstoff und 1200 HV für die Chromschicht (Punkt C^gezogen ist.
2. Kreiskolbenmaschine nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff des Gehäusemaniels (3) aus Gußeisen besieht und auf der Seite der mi· Chrom beschichteten Kolbenlaufbahn wärmebehandelt ist.