DE3533541A1 - Verfahren und geraet zur durchfuehrung einer verschleisshemmenden oberflaechenhaertung eines zylinders eines verbrennungsmotors und der so gehaertete zylinder - Google Patents

Verfahren und geraet zur durchfuehrung einer verschleisshemmenden oberflaechenhaertung eines zylinders eines verbrennungsmotors und der so gehaertete zylinder

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DE3533541A1 DE19853533541 DE3533541A DE3533541A1 DE 3533541 A1 DE3533541 A1 DE 3533541A1 DE 19853533541 DE19853533541 DE 19853533541 DE 3533541 A DE3533541 A DE 3533541A DE 3533541 A1 DE3533541 A1 DE 3533541A1
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Luciano Vinovo Pera
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Description

Anmelder: Stuttgart, 19. September 1985
IVECO FIAT S.p.A. ρ
Via Puglia, 35
10156 Turin
ILalien
Vertreter:
Kohler - Schwindling - Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße 41
7000 Stuttgart 1
Verfahren und Gerät zur Durchführung einer verschleißhemmenden Oberflächenhärtung eines Zylinders eines Verbrennungsmotors und der so gehärtete Zylinder
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur verschleißhemmenden Oberflächenhärtung eines Zylinders eines Verbrennungsmotors, sowie den so gehärteten Zylinder .
Bekannt ist, daß die Innenfläche jedes Zylinders eines Verbrennungsmotors im Betrieb bereichsweise unterschiedlich beansprucht wird. Vor allem gibt es eine Zone, die der Reibung durch die Kolbenringe und den Kolben im Innern des Zylinders unterworfen ist; eine zweite Zone, die im wesentlichen aus einem Ring unterhalb des Verbrennungsraumes besteht, ist periodisch einem Schlagen aufgrund des schnellen Druckanstiegs während der Verbrennung unter-
worfen. Diese zweite Zone wird nachteiligerweise schneller abgenutzt. In der Vergangenheit ist versucht worden, diesem Nachteil sowohl durch Induktionshärtung der Zylinderoberfläche als auch durch die Einführung von vorbehandelten Buchsen zu entgegnen. Nur die zuletzt genannte Technik führte jedoch zu guten Ergebnissen und wird am häufigsten bei den derzeit verwendeten Dieselmotoren angewandt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur verschleißhemmenden Oberflächenhärtung eines Zylinders zu entwickeln, das es erlaubt, die Verschleißfestigkeit des Zylinders zu verbessern, und damit die Lebensdauer zu verlängern und gleichzeitig die Herstellungskosten zu senken.
Diese Aufgabe wird von der vorliegenden Erfindung erfüllt, da sie ein Verfahren zur Schaffung einer speziellen verschleißhemmenden Zone der Innenfläche eines Zylinders eines Verbrennungsmotors ohne Einführung vorbehandelter Buchsen betrifft. Das Verfahren ist durch folgende Phasen gekenn-■/""v zeichnet: -
- Führung eines Laserstrahls auf einer vorausbestimmten Bahn zu Abschnitten einer ringförmigen Zone des Zylinders in Übereinstimmung mit dem oberen Totpunkt, so daß eine Zustandsänderung des Materials - z.B. vom Ferrit größtenteils zum Martensit - in diesem Abschnitt erfolgt, damit dort eine Struktur mit größerer Härte erreicht wird;
- ständige Messung der Temperatur in der durch den Laserstrahl beaufschlagten Zone, und
- Einstellung der Parameter der Laserhärtung je nach der gemessenen Temperatur, um die Zustandsänderung in Realzeit unter Kontrolle zu halten.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Gerät zur Durchführung der Oberflächenhärtung nach dem oben genannten Verfahren. Es besteht im wesentlichen aus folgenden Teilen:
- einer leistungsstarken Laserquelle;
- Teilen zur Umlenkung des Laserstrahls auf eine Zone der Zylinderfläche;
- Teilen zur Messung der Oberflächentemperatur der durch den Laserstrahl beaufschlagten Zylinderzone ;
- Halteteile für die Umlenk- und Meßteile, die so ausgelegt sind, daß der Laserstrahl auf der Zylinderfläche eine vorausbestimmte Bahn beschreiben kann, und
- Teile zur Einstellung der Parameter der Oberflächenhärtung (Stärke, Fahrgeschwindigkeit des Laserstrahls, usw.) in Abhängigkeit von den Informationen bezüglich des Temperaturverlaufs, die durch die Meßteile ermittelt worden sind.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung den Zylinder eines Verbrennungsmotors, welcher nach dem oben dargelegten Verfahren oberflächengehärtet und dadurch gekennzeichnet ist, daß er im wesentlichen im oberen Totpunkt eine rinförmige Zone besitzt, deren Oberflächenschicht des Materials irn Querschnitt abwechselnd Zonen mit Martensit-(gehärtet) und Ferrit-Gitter aufweist.
Weitere Erfindungsmerkmale sowie die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele hervor, die in den beigefügten Zeichnungen schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
Fig. 1 einen teilweise im Schnitt dargestell
ten Aufriß eines Geräts zur Durchführung der Oberflächenhärtung nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt II-II
aus Fig. 1, und
Fig. 3 und 4 ■ die wichtigsten Daten bzw. den Verlauf
von im wesentlichen gleichen Oberflächenhärtungen an Zylindern nach der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren 1 und 2 ist insgesamt ein Gerät zur Durchführung der verschleißheminenden Oberflächenhärtung einer Innenfläche 2 eines Zylinders 3 eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors mit 1 bezeichnet. Das Gerät 1 besteht im wesentlichen aus folgenden Teilen:
Einer Strahlungsquelle 5, die so ausgelegt ist, daß sie ^ einen leistungsstarken Laserstrahl 6 erzeugen kann;
Teilen 7 (Flachspiegel) zur Umlenkung des Laserstrahls 6 auf eine Zone 8 der Oberfläche 2 des Zylinders 3;
Teilen 9 zum Messen der Temperatur der zu härtenden Zone 8;
Halteteilen 10 für den Umlenkspiegel 7 und die Meßteile 9, die so ausgelegt sind, daß der auf die Oberfläche 2 des Zylinders 3 treffende Laserstrahl 6 eine vorausbestimmte Bahn beschreiben kann; und
Teilen 11 zur Regulierung der Parameter der Oberflächenhärtung in Abhängigkeit von den Informationen hinsichtlich
des Temperaturverlaufs, die durch die genannten Meßteile 9 ermittelt werden.
Im einzelnen bestehen die Halteteile 10 im wesentlichen aus einem Rohfelement 14, das zu einem zweiten Rohrelement 15 drehbar montiert ist. Das Rohrelement 15 ist so ausgelegt, daß es gegenüber einer Verankerung 16 verstellt werden kann. Die Verschiebung des Elements 15 erfolgt über einen vom Element 16 gehaltenen Motor 17 mit einem Ritzel (nicht dargestellt), welches in eine außen auf dem Rohrelement 15 befestigte Zahnstange 18 eingreift. Das Rohrelement 15 hält über nicht dargestellte Lager das erste Element 14, welches so ausgelegt ist, daß es sich um seine eigene Achse mittels eines Motors 20 und einer Kraftübertragungskette 21, welche z.B. mit einem nicht dargestellten Zahnriemen versehen ist, drehen kann.
An dem der Laserquelle 5 entgegengesetzten Ende des inneren Rohrelements 14 befindet sich ein Verschlußteil 23, welches auf demontierbare Weise am Ende des Elements 14 über Federn 24, in die vorstehende Zähne 25 einhaken können, befestigt ist. Das Teil 23 besitzt eine im wesentlichen zylindrische Form und hält den Flachspiegel 7 in einem Neigungswinkel von 45°. Darüber hinaus besitzt dieses Teil 23 mehrere Leitungen 26, 27, welche auf einer Seite in eine Kammer 28 hinter dem Spiegel 7 einmünden und auf der entgegengesetzten Seite mit den Leitungen 29, 30 für den Zu- und Abfluß einer Flüssigkeit (z.B. Wasser) zur Kühlung des Spiegels 7 zusammenlaufen. Da sich das Rohrelement 14 um die eigene Achse dreht, erfolgt die Ver- und Entsorgung der Leitungen 29 und 30 über entsprechende ringförmige Kammern 32, 33, welche innen in das Rohrele-
ment 15 eingelassen sind und in Verbindung mit den Leitungen 29 und 30 sind.
Die Meßteile 9 bestehen im wesentlichen aus einem Wärmemeßfühler 35, der ein elektrisches Signal in Funktion zu der von Zone 8 unter Einwirkung des Laserstrahls 6 abgegebenen Wärmeenergie aussendet. Diese Wärme wird über einen Spiegel 37 und eine Glasfaser 38 auf den Fühler 35 übertragen. Im einzelnen ist die Glasfaser 38 im Innern eines ■ ' ■ - ■
Schutzrohrs 39 montiert, in das über Rohrfortsätze 40 Luft zur Reinigung und Kühlung der Glasfaser eingeblasen wird. In nicht dargestellter Weise besitzt das Rohr 39 einen ringförmigen Zwischenraum, in dem eine Kühlflüssigkeit (z.B. Wasser) zirkuliert. Die Spiegelfläche des Spiegels 37 ist vergoldet, und der Spiegel wird von einem Gestell
41 getragen, dessen Winkelposition über eine Schraube 42 verstellbar ist, um die Wärmeabstrahlung eines vorbestimmten Abschnitts der Zone 8 auf das Fühlerelement 35 richten zu können. Der Zweck dieser Regulierung ist es, durch den Fühler 35 die Wärmeabstrahlung des zur Kontrolle der Härtungsparameter optimalsten Abschnitts der Zone 8 ermitteln zu können. Im speziellen Fall und in Bezug auf Figur 2 fällt der Abschnitt der Zone 8, an dem die Wärmeabstrahlung gemessen wird, mit der Achse des Laserstrahls 6 zusammen.
Das durch den Fühler 35 erzeugte elektrische Signal wird zu einem ebenfalls vom Rohrelement 14 getragenen Vorverstärker 44 geleitet, danach wird das Ausgangssignal des Vorverstärkers 44 über mehrere Schleifkontakte 45, die sich zwischen den Rohrelementen 14 und 15 gegenüberliegen, zu den Teilen zur Regulierung der Härtungsparameter gelei-
tet. Diese Regulierungsteile leiten über entsprechende Ausgänge Steuersignale zu den Motoren 17 und 20, sowie zur Erzeugungsquelle 5 des Laserstrahls 6 und regulieren nach vorbestimmten Kriterien die Parameter der Oberflächenhärtung, wie z.B. die Stärke des Strahls 6, die Fahr- und Drehgeschwindigkeit des Rohrelements 14 gegenüber dem Zylinder 3, usw.
In Fig. 4 sind einige mögliche vom Laserstrahl 6 in der Zone 8 des zu härtenden Zylinders 3 zu fahrende Bahnen dargestellt. Die dem oberen Totpunkt entsprechende Position ist mit einer Strich-Punkt-Linie eingezeichnet.
Die in Fig. 4 dargestellten Bahnen ergeben sich durch folgende Oberflächenhärtungen:
Fig. 4a - Oberflächenhärtung entlang einer
ringförmigen Bahn am oberen Totpunkt mit anschließender Spiralbahn;
Fig. 4b - Oberflächenhärtung entlang einer spiralförmigen Bahn;
Fig. 4c - Oberflächenhärtung entlang einer Zick-Zack-Bahn;
Fig. 4d - Oberflächenhärtung entlang einer abgerundeten Zick-Zack-Bahn;
Fig. 4e - Oberflächenhärtung entlang einer omegaförtnigen Bahn;
Fig. 4f - Oberflächenhärtung entlang einer Tf -förmigen Bahn.
Mit Ausnahme der Oberflächenhärtung entlang einer ringförmigen Bahn in Fig. 4a zeigt jeder Querschnitt in der Zone 8 eine Aufeinanderfolge von durch den Laserstrahl gehärteten und nicht gehärteten Abschnitten.
In Fig. 3 sind mit den Buchstaben von a_ bis £_ einige Größen bezüglich der oben in den Figuren 4a bis 4f beschriebenen Bahnen bei gleicher axialer Ausdehnung h der gehärteten Zone angezeigt. Die in der linken Skala angegebenen Größen beziehen sich auf die Länge I^ (in Meter) der mit dem Laserstrahl abgefahrenen Bahn; die mit j^ bezeichnete Skala bezieht sich auf die Dauer (in Sekunden) der Oberflächenhärtung; schließlich ist für jede in Fig. 4 dargestellte Oberflächenhärtung der Prozentsatz des am oberen Totpunkt gehärteten Kreisausschnitts angegeben.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung besteht im wesentlichen darin, durch das Gerät 1 den Laserstrahl 6 in die zu härtende Zone 8 zu leiten, und die Stärke und Fahrgeschwindigkeit des Strahls 6 so zu regulieren, daß eine Zustandsänderung von Ferrit zu größtenteils Martensit in der zu härtenden Zone erfolgt, so daß in dieser Zone eine Struktur mit größerer Härte erreicht wird. Die Kontrolle der Zustandsänderung erfolgt durch die ständige Temperaturmessung über den Spiegel 37, die Glasfaser 38 und den Wärmefühler 35 in der vom Laserstrahl 6 beaufschlagten Zone. Der korrekte Verlauf der Oberflächenhärtung wird ständig durch die Teile 11 zur Regulierung überwacht; diese Teile steuern die Motoren 17 und 20 oder die Stärke des Laserstrahls 6 so, daß immer die richtige Dosis bestimmter Stärke auf die augenblicklich zu härtende Zone trifft.
Je nach dem gewünschten Ergebnis kann über die Teile 11 zur Regulierung die angemessenste Bahn für den Laserstrahl 6 eingegeben werden, indem z.B. eine unter den in Fig. 4 dargestellten Bahnen ausgewählt wird. Die Wahl könnte z.B. unter Einbeziehung der in Fig. 3 angegebenen Daten je nachdem erfolgen, ob eine generelle Härtung gewünscht wird; in diesem Fall wäre es angebracht, eine in den Fig. 4a oder 4e angegebene Bahn oder, falls bevorzugterweise mit geringem Zeitaufwand vorgegangen werden soll, eine in Fig. 4c oder 4d dargestellte Bahn zu wählen. Eine Bahn, die insgesamt gesehen eine mittlere Durchlaufzeit erfordert und trotzdem gleichzeitig einen hohen Prozentsatz (76%) hinsichtlich der Härtung im Bereich des oberen Totpunkts ermöglicht, ist in Fig. 4f dargestellt.
Aus der Untersuchung der Merkmale des Verfahrens und des Geräts dieser Erfindung, sowie aus den erfolgten Bewertungen hinsichtlich der Dauerhaftigkeit der nach dem oben beschriebenen Verfahren gehärteten Zylinder ergeben sich die Vorteile der Erfindung. Vor allem wird deutlieh, daß die mit dem Aufwand an Arbeitskraft verbundenen Kosten gegenüber den derzeitigen Kosten beträchtlich geringer sind, sowohl aufgrund der Tatsache, daß ein kleinerer Bereich des Zylinders gehärtet wird, als auch, weil innerhalb dieses Bereichs der Härtevorgang nach einer vorausbestimmten Bahn erfolgt, wodurch insgesamt eine Verringerung der Durchlaufzeit und folglich in Entsprechung dazu eine Beschränkung der Stärke des Laserstrahls ermöglicht wird. Außerdem ermöglichen die Temperaturkontrolle in Realzeit und die daraus folgende Regulierung der Härtungsparameter eine gleichmäßige Härtung im gesamten, vom Laserstrahl beaufschlagten Bereich 8, wodurch z.B. verhindert wird, daß
eine Überhitzung des Zylinders während des Härtens zu
unterschiedlichen Bearbeitungsvoraussetzungen z.B. zwischen Anfang und Ende des Härtens, führt. Ebenfalls zeigte sich, daß die Gleichmäßigkeit der Härtung anschließend im Gegensatz zu derzeitigen Härtungsverfahren bedeutend
geringere Nachschleifarbeiten mit daraus folgender Zeit-
und Kostenersparnis erforderlich macht.
Im Rahmen des Schutzumfangs der Ansprüche können die Bauteile und die Ausführungsarten des Verfahrens und des Geräts durch Änderungen und Varianten an einsatzspezifische Erfordernisse angepaßt werden.
Alle in der Besehreibung erwähnten und/oder in der Zeichnung dargestellten Merkmale für sich oder in sinnvoller
Kombination sind erfindungswesentlich, auch soweit sie in den Ansprüchen nicht ausdrücklich beansprucht sind.
- Leerseite -

Claims (1)

  1. 35335Λ1
    Patentansprüche
    Verfahren zur Schaffung einer speziellen verschleißhemmenden Zone (8) an der Innenfläche (2) eines Zylinders (3) eines Verbrennungsmotors ohne Einführung von vorbehandelten Buchsen, gekennzeichnet durch folgende Phasen:
    - Führung eines Laserstrahls (6) auf einer vorausbestimmten Bahn zu Abschnitten einer ringförmigen Zone (8) des Zylinders in Abhängigkeit von dem oberen Totpunkt, so daß eine Zustandsänderung des Materials - z.b. vom Ferrit größtenteils zum Martensit - in diesem Abschnitt der Zone (8) erfolgt, damit dort eine Struktur mit größerer Härte erreicht wird;
    - ständige Messung der Temperatur in dem durch den Laserstrahl (6) beaufschlagten Abschnitt der Zone (8); und
    - Einstellung der Parameter der Laserhärtung je nach der gemessenen Temperatur, um die Zustandsänderung in Realzeit unter Kontrolle zu halten.
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase der Temperaturmessung durch eine optische Leitung zu einem Infrarotfühler (35) der Infrarotabstrahlung des vom Laserstrahl beaufschlagten Abschnitts der ringförmigen Zone (8) erfolgt.
    ■ ■ ■
    Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturraesseung zweckmäßigerweise an den Rändern des durch den Laserstrahl (6) beaufschlagten Abschnitts
    der Zone (8) erfolgt, wobei die Temperatur zweckmäßigerweise hinsichtlich der Fahrrichtung hinter dem Laserstrahl (6) gemessen wird.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorausbestimmte Bahn gekrümmt ist, und ihr Verlauf sich in dieser Zone periodisch wiederholt.
    5. Gerät (1) zur Durchführung einer verschleißhemmenden Oberflächenhärtung der Innenfläche (2) eines Zylinders (3) eines Verbrennungsmotors, durch folgende Teile gekennzeichnet :
    - eine leistungsstarke Quelle (5) zur Erzeugung eines Laserstrahls (6)
    - Teile (7) zur Umlenkung des Laserstrahls (6) auf eine Zone (8) der Oberfläche (2) des Zylinders (3);
    - Teile (9) zur Messung der Oberflächentemperatur des durch den Laserstrahl (6) beaufschlagten Abschnitts der Zone (8) des Zylinders (3);
    - Teile (10) zum Halten der Umlenk- (7) und Meßteile (9), die so ausgelegt sind, daß der Laserstrahl (6) auf der Oberfläche des Zylinders (3) eine vorausbestimmte Bahn beschreiben kann; und
    - Teile (11) zur Regulierung der Parameter der Oberflächenhärtung (Stärke, Fahrgeschwindigkeit des Laserstrahls, usw.) in Abhängigkeit von den Informationen bezüglich des Temperaturverlaufs, die durch die Meßteile (9) ermittelt worden sind.
    6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkteile (7) aus einem Flachspiegel bestehen, der von den Halteteilen (10) getragen wird.
    7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachspiegel durch eine Flüssigkeit gekühlt wird, die über eine Rückseite des Spiegels fließt, und die über die in die Halteteile (10) eingelassenen Leitungen (26, 27 29, 30) zu diesem Spiegel gelangt.
    8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Flachspiegel auf einem Element (23) montiert ist, das von den Halteteilen (10) abgenommen werden kann.
    9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das abnehmbare Element (23) durch verformbare Kupplungselemente (24) mit den Halteteilen (10) verbunden ist.
    10. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßteile (9) im wesentlichen aus einem in einem gewissen Abstand zur zu härtenden Zone (8) angebrachten Wärmefühler (35) und mindestens einer Glasfaser (38),von welcher ein Ende dem Fühler gegenüberliegt und das andere so ausgelegt ist, daß es die Wärmeabstrahlung der Zone, auf welche der Laserstrahl (6) trifft, aufnehmen kann, bestehen.
    11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßteile (9) aus einem Spiegel (37) bestehen, der sich zwischen der Härtungszone und dem gegenüberliegenden Ende der Glasfaser (38) befindet, um die Wärmeabstrahlung der Härtungszone zur Glasfaser (38) umzulenkenn.
    12. Gerät nach Anspruch. 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (37) durch ein Gestell (41) getragen wird, dessen Winkelstellung verstellbar ist, wodurch die von einem bestimmten Abschnitt der zu härtenden Zone (8) abgegebene optische Strahlung gemessen werden kann.
    13. Gerät nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Glasfaser (38) in einem Rohr (39) befindet, das so ausgelegt ist, daß ein Luftdurchzug zur Reinigung und Kühlung der Glasfaser (38) und der Durchfluß einer Kühlflüssigkeit zur Kühlung des Rohres selbst ermöglicht werden.
    14. Gerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteteile (10) aus einem Rohrelement (14), in dessen Inneren sich der Laserstrahl (6) koaxial ausbreitet, und aus einem weiteren Rohrelement (15), auf welchem das erste Rohrelement (14) drehbar um seine eigene Achse gelagert ist, sowie aus Teilen (16) zur Verankerung des Rohrelements (15), die so ausgelegt sind, daß das Rohrelement in axialer Richtung bewegt werden kann, bestehen.
    15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßteile (9) vom Rohrelement (14) gehalten und elektrisch über mehrere zwischen dem Rohrelement (14) und dem Element (15) befindliche Schleifkontakte (45) an die Teile (11) zur Regulierung angeschlossen sind.
    16. Zylinder (3) eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß er in Übereinstimmung mit dem oberen Totpunkt eine ringförmige Zone (8) aufweist, in der ein Abschnitt
    der Oberflächenschicht des Materials zumindest in einem Querschnitt eine Aufeinanderfolge von Zonen mit gehärteter (z.B. Martensit) und nicht gehärteter Struktur (z.B. Ferrit) aufweist.
    17. Zylinder nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der ringförmigen Zone der gesamte Verlauf des Abschnitts mit Martensit-Struktur räumlich wiederholt, so daß ein regelmäßiges Muster entsteht.
    18. Zylinder nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das regelmäßige Muster im wesentlichen in Zick-Zack-, Omega- oderif-Bahn verläuft.
DE19853533541 1984-09-21 1985-09-20 Verfahren und geraet zur durchfuehrung einer verschleisshemmenden oberflaechenhaertung eines zylinders eines verbrennungsmotors und der so gehaertete zylinder Ceased DE3533541A1 (de)

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