DE3437999A1

DE3437999A1 - Zylinder fuer arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE3437999A1
Application number: DE19843437999
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 8900 Augsburg Heider
Original assignee: Sigri GmbH
Current assignee: Sigri GmbH
Priority date: 1984-10-17
Filing date: 1984-10-17
Publication date: 1986-04-17

Description

Zylinder für Arbeitsmaschine
Die Erfindung betrifft einen Zylinder für Arbeitsmaschinen mit einer aus einem keramischen Werkstoff bestehenden Laufbuchse, besonders für Maschinen, die mit keramischen Kolben oder Stößeln betrieben werden.
Es ist bekannt, Kolben und Zylinder von Verbrennungsmotoren und Verdichtern ganz oder teilweise aus keramischen Werkstoffen auszubilden, die in der Regel temperaturbeständiger als Metalle sind und z.T. auch im Trockenlauf arbeiten. Eine besondere Schmierung der Gleitpartner kann unter diesen Bedingungen entfallen oder man kann Schmierstoffe verwenden, die die Umwelt nicht oder nur geringfügig belasten (DE-OS 31 18 967).
Beispiele keramischer Stoffe die für diesen Zweck verwendet werden sind Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Siliciumnitrid und vor allem Siliciumcarbid, dessen Reibungskoeffizienten man durch Zusätze fester Schmierstoffe, wie Graphit oder Boride, in weiten Grenzen den jeweiligen Arbeitsbedingungen anpaßt. Gewichtige Nachteile keramischer Werkstoffe sind die vergleichsweise hohe Sprödigkeit und die niedrige Schlagfestigkeit. Lokale Spannungsspitzen werden nicht wie bei duktilen Werkstoffen durch plastisches Fließen abgebaut, sondern ausschließlich durch die Bildung von Rissen, die gegebenenfalls den Bruch des Bauteils auslösen können.
In den Arbeitszylindern von Verbrennungsmotoren und Verdichtern führen Kolben bzw. Stößel hin- und hergehende Bewegungen aus und es ist bekannt, die Wärmeausdehnung von Zylinder und Kolben aneinander anzupassen, da nur dann über den gesamten Betriebsbereich ein kleines Laufspiel und damit ein hoher Wirkungsgrad und ein geräuscharmer Lauf erzielt werden kann. Für keramische Werkstoffe gilt diese Bedingung wegen der vergleichsweise niedrigen Wärmeleitfähigkeit im besonderen Maß, zumal für Systeme, die keine Kolbenringe verwenden. Bei keramischen Teilen ist es auch nicht möglich kleinere maßliche Abweichungen, etwa die Unrundheit einer Zylinderbuchse, in einer Einlaufperiode aus zu gleichen. Die unterschiedliche Dehnung von Zylinder und Kolben als Folge verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten oder unterschiedlicher Erwärmung und Bearbeitungsungenauigkeiten bewirken vielmehr nach den heutigen Kenntnissen zwangsläufig nach kürzerer oder längerer Betriebszeit die Zerstörung des Keramikteils und entsprechend den Ausfall der Arbeitsmaschine. Besonders Zylinder und Zylinderbuchsen, die zusätzlich den Seitendruck des Kolbens aufnehmen müssen, weisen erfahrungsgemäß eine hohe Bruchrate auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinder der eingangs genannten Art zu schaffen, der die beschriebenen Mängel nicht aufweist und dessen aus einem keramischen Werkstoff bestehende Laufbuchse eine lange Standzeit hat.
Die Aufgabe wird mit einem Zylinder gelöst, zwischen dessen Laufbuchse aus keramischem Material und dem Zylindermantel aus Metall eine Büchse aus einem verformbaren Werkstoff angeordnet ist.
Unter dem Begriff "verformbarer Werkstoff" werden kompressible Stoffe verstanden, die sich unter Wirkung der an der Laufbuchse anliegenden Seitenkräfte verformen und ein seitliches Ausweichen der Buchse ermöglichen. Ein Kennzeichen des verformbaren Werkstoffs ist der Elastizitätsmodul, der unter Betriebsbedingungen kleiner ist als der Modul der Laufbuchse. Beispiele sind "weiche" Metalle wie Blei, Bleilegierungen und Kupfer, Kunststoffe, wie Polyvinylchlorid oder Polyvinylidenfluorid und besonders gummielastische Stoffe, vorzugsweise Siliconkautschuk Der Verformungswiderstand kann dabei in an sich bekannter Weise durch Änderung der Porosität den auf die Laufbuchse wirkenden Kräften angepaßt werden. Besonders geeignet sind entsprechend poröse Werkstoffe, wie Sintermetalle, geschäumtes Polyurethan u. dgl.
Die Laufbuchse besteht zweckmäßig aus einer der für Ingenieurzwecke verwendeten Keramikarten, wie Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Siliciumnitrid und vor allem Siliciumcarbid.
Laufbuchsen aus Siliciumcarbid verhalten sich in Verbindung mit der die Buchse umschließenden verformbaren Büchse besonders günstig und haben eine kleine Bruchrate. Nach außen ist der Zylinder in an sich bekannter Weise durch einen metallischen Zylindermantel begrenzt, z.B. aus einer Aluminiumlegierung oder Grauguß, der gegebenenfalls mit Kühlrippen oder einer Wasserkühlung versehen ist. Die Dicken von keramischer Laufbuchse und verformbarer Büchse sollten etwa gleich sein, bevorzugt beträgt das Dickenverhältnis 0.8 bis 1.2 zu 1.0.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch zeitlich sich ändernde und zeitlich konstante Maßabweichungen im System Zylinder-Kolben bzw. Stößel bedingte auf den Zylinder wirkende und die vergleichsweise spröde keramische Zylinderbuchse gegebenenfalls zerstörende Seitenspannungen zum überwiegenden Teil durch Versetzen der Buchse in Kraftrichtung und Verformung der anliegenden Büchse aus einem verformbaren duktilen Material aufgefangen werden können. Zum Effekt träqt auch bei - besonders bei Verwendung von Büchsen aus Kunststoffen - daß der eigentliche Arbeitsraum durch die Büchse besser thermisch isoliert ist und die Dehnung von Kolben und Laufbuchse weniger voneinander abweichen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen und von Beispielen beschrieben.
In Fig. 1 und 2 ist ein Zylinder 1 dargestellt mit der Laufbuchse 2,der nachgiebigen Büchse 3 und dem Mantel 4.
In Beispiel 1 wurde ein Zylinder gemäß Fig. 1 in der ölfreien Stufe eine Hochdruckverdichters verwendet.
Laufbuchse und Stößel bestanden aus init Silicium imprägniertem Siliciumcarbid mit folgenden Eigenschaften -3 Rohdichte 3,07 g/cm3 Biegefestigkeit 310 MPa Druckfestigkeit 1250 MPa Die Maße der Buchse waren 25/12 x 90 mm. Die Buchse war umschlossen von einer Büchse - 35/25 x 85 mm - aus Siliconkautschuk mit einer Shore(A)-Härte von 25 und einer Bruchdehnung von etwa 340 %. Der Zylindermantel bestand aus Aluminium. Bei einem maximalen Verdichterdruck von 300 bar stieg die Temperatur im Stößel auf maximal etwa 850 C. Bei Zylindern ohne die anmeldungsgemäße nachgiebige Büchse stieg die Temperatur bei 0 gleichem Spiel schnell auf 100 C und mehr und in zahlreichen Versuchen brach nach kurzer Betriebszeit die Laufbuchse.
In einem zweiten Beispiel wurde ein anmeldungsgemäßer Zylinder mit der in Beispiel 1 beschriebenen Laufbuchse aus siliciumimprägniertem Siliciumcarbid - 40/30 x 100 mm - einer Büchse aus Siliconkautschuk - 52/40 x 95 mm; Shore(A)-Härte 60, Bruchdehnung 120 % - und einem wassergekühlten Aluminiummantel in einem Zweitaktmotor eingesetzt. Die Temperatur des Kolbens und die Bruchhäufigkeit waren unter diesen Bedingungen ebenfalls niedriger als bei entsprechenden Motoren, die mit Zylindern ohne nachgiebige Büchsen betrieben wurden.

Claims

Patentansprüche: 1. Zylinder für Arbeitsmaschinen mit einer aus einem keramischen Werkstoff bestehenden Laufbuchse, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen der Laufbuchse und dem aus Metall bestehenden Zylindermantel eine Büchse aus einem verformbaren Werkstoff angeordnet ist.
2. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Büchse aus einem porösen Werkstoff besteht.
3. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Büchse aus einem gummielastischen Werkstoff besteht.
4. Zylinder nach Anspruch 1 und 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Büchse aus Siliconkautschuk besteht.
5. Zylinder nach Anspruch 1 bis 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Laufbuchse aus Siliciumcarbid besteht.
6. Zylinder nach Anspruch 1 bis 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß sich dle Dicke der Laufbuchse zur Dicke der Büchse wie 0.8 bis 1.2 zu 1.0 verhält.