DE2714137C3

DE2714137C3 - Kreiskolbenmaschine

Info

Publication number: DE2714137C3
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: 1980-07-31
Also published as: DE2714137A1; DE2714137B2; US4094618A; JPS52119431A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiskolbenmaschine mit einem Gehäusemittelteil mit trochoidenförmiger Kolbenlaufbahn, das von Gchäuscscitcnteilcn eingefaßt ist, und mit einem mehreckigen Kolben, dessen aus einem Grundmaterial aus Eisen bestehende Scheiteldichtleisten mit harter Leistenkuppe sich mit der Kolbenlaulbahn, die aus einem mit Chrom beschichteten Grundmaterial aus Eisen besteht, in Gleitberührung befinden.

Um eine hohe Verschleißfestigkeit des Gehäuscmittelteils zu gewährleisten, ist es üblich, die Kolbenlaufbahn zu verchromen. Weiterhin ist es üblich, den Kolben an seinen Scheiteln mit Scheiteldichtlcisten zu versehen, die aus einem harten, beispielsweise metallischen oder keramischen Werksioff bestehen. Die Kolbenlaufbahn von Kreiskolbenmaschinen ist Beanspruchungen unterworfen, die sich daraus ergeben, daß die gegen diese angedrückten Scheiteldichileistcn mit hoher Geschwindigkeit darüber gleiten. Bei bekannten Krciskolbenmaschinen treten daher auf der verchromten Kolbenlaufbahn häufig starke Verschleißerscheinungen auf, die beispielsweise zur Bildung von Rattermarken führen. Weiterhin ist der Grundwerkstoff des Gehäusemiltclteils 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, eine Kreiskolbenmaschine der eingangs angegebenen Art zn schaffen, deren verchromte Kolbenlaiifbahn den Beanspruchungen durch die auf dieser gleitenden Scheitcldiohtleisten 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 105 HV 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 Diagnjnm, auf 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 180 HV für den Grundwerkstoff und 850 HV 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

F i g. 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, daß die Bildung von Rattermarken u.a. von den Kräften beeinflußt wird, welche die Scheiteldichtung mit der verchromten Innenwandung des mittleren Gehäuseteils in Berührung halten, ferner von den Unglcichmiißigkeitcn der Oberfläche der Chromschicht, der Frequenz der selbsterregten Schwingung der Scheiteldichtung, den Unregelmäßigkeiten der Oberfläche der Chromschicht und der Gleichartigkeit der Werkstoffe der Scheitcldichtung und der Chromschicht.

:o Die selbsterrcgten Schwingungen werden auch als Hauptursachc 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 Gchäuseteils 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 Schciteldichtung eine selbstcrregtc Schwingung auf. Wenn die Frequenz der Erregungskraft in der Nähe der Eigenfrequenz der Seheiteldichtung I liegt, nimmt die Amplitude der selbsterrcgten Schwingung zu, so daß auf die Chromschicht auf der Innenwandiing des mittleren Gehäuseteils 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 der 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 Gleichat tigkeit 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 dur^h Sintern des Gußeisenwerkstoffes hergestellt werden. 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 Schciteldichtung durch Sintern kann man in der Gleitfläche Kohlenstoff- oder Carbidpulver zusetzen. Vorzugsweise soll die Scheileldichtung in ihrer Gleitfläche 50 bis 75 Vol% Carbid enthalten. Bei einem Carbidgehali unter 50 Vol% gelangt eine größere metallische Fläche mit der Chromschicht des mittleren Gchäusctcils in Berührung, so daß die Bildung von Raltermarkcn 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 des mittleren Gehäuseteils. Bei einer Härte unter 700 HV ist die Gleitfläche nicht genügend verschleißfest. Eine Härte der Scheiteldichtung über 900 HV l'cgt so nahe bei der Härte der Chromschicht, daß nur noch ein kleiner Bereich für die Wahl der Chromschicht vorhanden ist.

Daher wird die Verwendung einer Schciteldichtung empfohlen, die aus cir>em Werkstoff auf Eisenbasis besteht und die in ihrer Gleitfläche 50 bis 75 Vol% Carbide enthält und dort eine Härte von 700 bis 900 HV besitzt. Nur durch die Wahl eines geeigneten Werkstoffes für die Scheitcldichtung 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 Schciteldichtung und die Oberflächenbeschaffenheit der Chromschicht des mittleren Gehäuseteils beeinflußt wird.

Es wird angenommen, daß die Frequenz der selbsterregten Schwingung der Schciteldichtung von der Normalkraft Fi abhängt, die normal zu der Innenwandung der Chromschicht 2 des mittleren Gehäuseteil 3 auf die Schciteldichtung I wirkt, ferner von der Tangentialkraft Fi, der Eigenfrequenz der Feder K und den Unregelmäßigkeiten 5der Oberfläche der Chromschicht 2. Als Ergebnis der Untersuchungen wurde festgestellt, daß die Wahscheinlichkeit d<« Auftretens von Rauermarken 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 5C-ois 250 μπι hat.

Daher wurde auch der Einfluß ^er Härte der Chromschicht und der Härte des Grundwerkstoffes auf das Auftreten von Rattermarken auf der Oberfläche der Chromschicht und des Bruches derselben untersucht. Zu diesen. Zweck sind Versuche mit Kreiskolbenmaschinen durchgeführt worden, die zwei Rotationskolben, einen Hubraum von 573 cm³ 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 verschen 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 Betriebszuständen 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 erhöht der Motor 20 Sekunden lang unter Vollast betrieben und dann wieder auf den Leerlauf bei 1500 U/min zurückgeführt wurde. Es wurde die Anzahl dieser Betriebszustandsfolgen bis zum Auftreten von Rattermarken bzw. bis zum Bruch der Chromschicht bestimmt. In der Fig. 2 sind Kombinationen der Härte des Grundwerkstoffes und der Härte 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 entsps icht.

Ajs der Fig.2 geht hervor, daß das Auftreten von Rattermarken und der Bruch der Chromschicht des mittleren Gehäuseteils durch die Härte der Chromschicht und die Härte des Grundwerkstoffes beeinflußt werden. Wenn gewährleistet werden soll, daß diese Fehler nicht vor 15 000 der genannten Betriebszustandsfolgen auftreten, muß die Härte des Grundwerkstoffes mindestens 105 HV und die Härte der Chromschicht 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 ?ben von einer Kurve liegt, die durch einen ersten Punkt A geht welcher einer Grundwerkstoffhärte von 180 HV und einer Chromschichthärte von 850 HV entspricht, sowie durch einen zweiten

Punkt B, welcher einer Grundwerkstoffhärtc von 125 HV und einer Chromschichthärte von 950 HV entspricht und durch einen dritten Punkt, welcher einer Grundwerkstoffhärte von 105 HV und einer Chromschichthärte von 1200 HV entspricht.

Gemäß der Erfindung sollen daher in einer Kreiskol benmaschine, deren den Rotationskolben aufnehmender Gehäuseteil eine verchromte Innenwandung besitzen, die Scheiteldichtungen aus einem Werkstoff aus Eisenbasis bestehen, der mindestens in der Gleitfläche 50 bis 75 Vol% Carbid enthält und dort eine Härte von 700 bis 900HV besitzt und sollen die Härtewerte der Chromschicht und des Grundwerkstoffes des den Rotationskolben aufnehmenden Gehäuseteils in dem vorstehend angegebenen Bereich liegen.

Hinsichtlich des Grundwerkstoffes des den Rotationskolben aufnehmenden Gehäuseteil kann die erforderliche Härte ohne weiteres durch die Verwendung von Stahlblech hoher Zugfestigkeit er/ielt werden. Wenn der den Rotationskolben aufnehmende Gehäuseteil auch Gußeisen besteht, kann die erforderliche I lärtc durch eine geeignete Wärmebehandlung er/ielt werden. Als Grundwerkstoff kann man jedes geeignete Gußei sen, jeden geeigneten Stahl und jeden geeigneten Sinterwerkstoff auf Eisenbasis verwenden.

Man kann den Grundwerkstoff in seinem normalen Zustand verwenden oder ihm durch eine geeignete Wärmebehandlung die erforderliche Härte verleihen Der Grundwerkstoff kann aus Blech bestehen, das an der Innenwandiing des Körpers des den Rotationskol ben aufnehmenden Gehäuseteile befestigt wird. Man kann den Grundwerkstoff aber auch auf die Innenwandung des Körpers des den Rotationskolben aufnehmenden Gehäuseteil spritzen. Bei tier Wahl der Härte de· Grundwerkstoffes braucht keine ()bergren/e benchlel zu werden. Zur Verhinderung eines Bruches der Chromschicht ist es vorteilhaft, wenn eier Grunducrkstoff möglichst hart ist. Im Hinblick auf die Kosten und das Herstellungsverfahren wählt man jedoch /weckmäßig eine Härte unter 1000 IIV. in der Praxis unter JiO V. Auch bei Ulm Wan! lici ΐίϋι ic lici C iiiiiiiiM.iiiiiii braucht keine Obergrenze beachtet zu werden. Vor zugsweise wählt man jedoch eine Härte unter 1200 HV weil bei einer Härte über 1200 HV die I lcrstelliing sehr erschwert ist. ferner nimmt bei einer sehr harten Chromschicht der Verschleiß der Scheilcldichlung /u.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1, Kreiskolbenmaschine mit einem Gehäusemittelteil mit trochoidenförmiger Kolbenlaufbahn, das von Gehäuseseitenteilen eingefaßt ist, und mit einem mehreckigen Kolben, dessen aus einem 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 105 HV 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 Abszisss die Härte der Chromschicht (2) und auf dessen Ordinate die Härte ties 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 S;und 105 HV für den Grundwerkstoff und 1200 HV für die Chromschicht (Punkt Qgezogen ist.
2. Kreiskolbenmaschine nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff des Gehäusemante's (3) aus Gußeisen besteht und auf der Seite der mit Chrom beschichteten Kolbenlaufbahn wärmebehandelt ist.