EP2771595A1 - Funktionsoptimierte gestaltung einer zylinderlaufbuchse - Google Patents

Funktionsoptimierte gestaltung einer zylinderlaufbuchse

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Publication number
EP2771595A1
EP2771595A1 EP12758861.4A EP12758861A EP2771595A1 EP 2771595 A1 EP2771595 A1 EP 2771595A1 EP 12758861 A EP12758861 A EP 12758861A EP 2771595 A1 EP2771595 A1 EP 2771595A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cylinder liner
cylinder
liner
collar
pressure side
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12758861.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Gniesmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KS Kolbenschmidt GmbH
Original Assignee
KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KS Kolbenschmidt GmbH filed Critical KS Kolbenschmidt GmbH
Publication of EP2771595A1 publication Critical patent/EP2771595A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/02—Cylinders; Cylinder heads  having cooling means
    • F02F1/10—Cylinders; Cylinder heads  having cooling means for liquid cooling
    • F02F1/16—Cylinder liners of wet type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D53/00—Making other particular articles
    • B21D53/84—Making other particular articles other parts for engines, e.g. connecting-rods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/004—Cylinder liners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J10/00—Engine or like cylinders; Features of hollow, e.g. cylindrical, bodies in general
    • F16J10/02—Cylinders designed to receive moving pistons or plungers
    • F16J10/04—Running faces; Liners
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/4927—Cylinder, cylinder head or engine valve sleeve making
    • Y10T29/49272—Cylinder, cylinder head or engine valve sleeve making with liner, coating, or sleeve

Definitions

  • the invention relates to a cylinder liner of a cylinder of an internal combustion engine according to the features of the respective preambles of claims 1 and 2.
  • the purpose of the cylinder liner is to minimize wear as a friction partner to the piston rings, to dissipate the heat of combustion and to improve the mechanical stability of the system during operation while minimizing operational deformations.
  • wet and dry cylinder liners After the function, a distinction is made between wet and dry cylinder liners.
  • Wet cylinder liners have a collar over which the bush is fixed in the engine block or in the cylinder housing in the vertical direction.
  • the rotationally symmetrical outer contours of the cylinder liner including the collar determine a minimum cylinder spacing.
  • Wet bushings are inserted into the cylinder housing in correspondingly processed recordings. To seal against coolant and oil seals are used.
  • Previous wet cylinder liners are usually produced by centrifugal casting and then machined rotationally symmetrical. In wet cylinder liners, which are cooled by means of a cooling liquid from the outside, it may cause cavitation or corrosion damage due to thermal and mechanical stresses on the coolant surfaces, which may jeopardize the function of the engine depending on the extent.
  • Dry cylinder liners are pressed into the cylinder housing, shrunk or cast.
  • the water jacket is not in contrast to wet liners between the liner material and the cylinder housing, but is as in the monometallic design part of the cylinder housing casting.
  • Dry bushings are made of either gray cast iron, AL alloys or as sintered bushes made of powder metallurgical materials.
  • DE 196 05 946 C1 discloses a manufacturing method for cylinder liners, with which a liner with thin wall thickness is first produced to achieve improved wear resistance.
  • a mandrel with an outer circumference corresponding to the inner circumference of the cylinder liner to be produced is used as the shaped outer body, and a spray material of the desired thickness is applied to the outer circumferential surface of the rotating mandrel by a known thermal spraying method.
  • the sleeve located on the mandrel can be ground and optionally profiled.
  • the bush is machined on the end faces if necessary.
  • the cylinder liner according to DE 195 78 1 1 A1 consists of two different materials. A liner insert made of cast iron is enclosed on the outside by a support cylinder made of steel. This known concept with two components arranged concentrically to one another requires a high manufacturing outlay and, for economic reasons, is therefore ruled out for mass production use.
  • the invention has for its object to provide a functionally optimized cylinder liner that allows improved protection against cavitation, an increase in strength and a space-optimized environment construction. It is another object of the invention to provide a method by which any outer contour of the cylinder liner can be generated.
  • the present invention according to the features of claims 1 and 2 measures to provide a functionally optimized cylinder liner. Furthermore, the invention according to the features of claim 10 includes a method for designing the cylinder liner outer contour.
  • the measures according to the invention according to claim 1 for the realization of a function-optimized, wet cylinder liner relate to the outer design of a cylinder liner and are individually or jointly applicable.
  • a rotationally symmetrical design of the outer side or lateral surface of the cylinder liner is provided according to the invention, areas which are subject to a high risk of cavitation, rotationally asymmetric form.
  • a lateral surface deviating from a circular shape advantageously makes it possible to reinforce endangered regions of the cylinder liner and thus to provide a cylinder liner which is durably and reliably protected against coolant-induced cavitation and corrosion damage.
  • the outer side of the cylinder liner forms a rotationally asymmetric geometry except for the snug fit in the crankcase or cylinder housing and the zones of the sealing elements.
  • the outer contour of the collar of the cylinder liner can continue to run out of round or as a freeform.
  • the waistband width significantly determines an axial distance between adjacent cylinder liners in the installed state, can be selectively reduced by a non-circular outer region of the federal government waistband in the direction of a longitudinal axis of the internal combustion engine and thus a distance between adjacent cylinder liners.
  • the geometrical asymmetries of the measures according to the invention enable a shortened block length of the cylinder housing and consequently the realization of an advantageously space-optimized internal combustion engine.
  • the functionally optimized cylinder liner is oriented in a position-oriented manner and fitted in an adapted, counterform-forming receptacle of the cylinder or cylinder housing in a form-fitting manner.
  • the invention thus provides solutions whereby the susceptibility or damage of the cylinder liner against cavitation, corrosion or erosion is reduced and thus the life of the liners can be improved. Associated with this also results in an increased life and reliability of the internal combustion engine, which is equipped with such liners.
  • the invention of claim 2 is a joined, consisting of at least two different materials cylinder liner.
  • This structure can be used to produce a wet as well as a dry or cast cylinder liner.
  • the bushing forms in the axial direction at least two sections which are joined together in a material-locking manner, in particular by means of friction welding.
  • This constructive, cost-effective construction includes freedom in the choice of liner material for individual liner sections. For example, a targeted increase in strength can be achieved by using a material of higher strength and / or temperature resistance for the throat enclosing collar portion.
  • the adjoining, the running surface of the cylinder liner enclosing portion of the liner can be made of a material that includes, for example, a potential for self-lubrication in the solid-state contact area / mixed friction range or allows for lubricating film formation by oil pockets. Furthermore, this structure allows to provide locally reduced wall thicknesses of the liner to optimize the cooling. As a measure to reduce the weight of the cylinder liner is suitable the use of materials with a lower density. In addition, the design principle for wet liners offers the possibility of using materials with a positive cavitation behavior or materials with a higher modulus of elasticity for endangered sections or zones of the liner in order to improve the deformation behavior.
  • the bushing section, in which the piston is guided are used made of a wear-resistant material.
  • sleeve materials are selected, which improve a connection to the material of the cylinder block or the cylinder housing.
  • a cylinder liner can be realized with an optimally matched material combination, the complex tasks of a wet and dry cylinder liner in terms of mechanics, the tribology on the inside, so for example friction, lubrication and wear, and the cavitation of a wet liner on the outside combines ,
  • the outside or lateral surface of the cylinder liner and / or the outer contour of the collar have a deviating from the circular shape, elliptical or oval-shaped geometry.
  • an elliptical, or oval shape lends itself to, which can also include more double, triple or multiple superimposed ovalities.
  • the federal government can be performed in the form of any prismatic freeform or as a spline surface.
  • a preferred embodiment of the invention provides a directional mounting position of the cylinder liner, in which in the direction of a pressure side (DS) and a counter-pressure side (GDS) aligned areas of the cylinder liner wall thicknesses or waistband widths, the corresponding wall thicknesses and / or collar widths which are aligned in the bolt direction or in the direction of a longitudinal axis of the cylinder block, surpass.
  • the thereby adjusting support surface of the liner collar is designed in total so as to avoid exceeding of allowable surface pressures in the operating state of the internal combustion engine.
  • the required surface profile can be realized by means of the non-circular, preferably oval designed support or support surface. This design principle offers the possibility to represent different displacements with the same cylinder housing by using corresponding liners, with different cylinder bores.
  • a running surface for the piston is restricted in a region below the bottom dead center (UT) of the piston to zones which are aligned in the direction of the pressure side (DS) and counterpressure side (GDS) .
  • This tread geometry in which no machining takes place in the bolt direction (for example, because the bushing is reset there), is particularly suitable for equipped with window piston internal combustion engine.
  • the liner can be partially recessed by windows or recesses. To realize these open spaces mechanical or thermal separation processes can be used or alternatively already recesses in Gußrohteil be present.
  • Another measure according to the invention provides for an outer coating of the cylinder liner.
  • at least the region of the bushing consisting of an iron casting alloy is completely or partially coated in the region of the pressure side and counterpressure side, in particular by a thermal spray coating.
  • the production of the cylinder liner which includes oval or out-of-round turning for material removal from local areas on the cylinder liner, comprises the following process steps. First, by an original molding process such as a forging or casting process, the production of one-piece blank or section blanks. Subsequently, the sections are joined together by means of a material connection. The next step is made by mechanical operations, an oval or out-of-round, the outer machining of the outside and / or the outer contour of the cylinder liner, to create any geometrically shaped surfaces or contours. Subsequently, the inner tread is made before cleaning the cylinder liner of cooling lubricant, lubricants and adhering chips. Optionally, the outside of the cylinder liner can be completely or partially coated.
  • Figure 1 is a sectional view of a wet cylinder liner in the installed state.
  • FIG. 2 shows the view of a cylinder housing with two cylinder liners.
  • Fig. 5 shows the profile of the counter-pressure-aligned cylinder liner
  • Fig. 7 is a sectional view of a dry cylinder liner.
  • FIG. 1 and 2 show the structural design and the installation position of a known cylinder liner 2.
  • the cylinder housing 1 the flowed around directly from the coolant, wet cylinder liner 2 is used, in which an oscillating piston 3 is guided on a tread 4.
  • the cylinder liner 2 is fitted with a collar 5 and axially offset thereto via an outer side 6 in a receptacle 7 and in a guide 8 of the cylinder housing 1.
  • 1 1 are provided for effective sealing of the coolant chamber 9 are offset from the collar 5 and in the region of the guide 8 sealing rings 10.
  • 1 1 are provided.
  • 2 shows two arranged in the cylinder housing 1 in the direction of a longitudinal axis 13 of the cylinder housing 1 cylinder liners 2, the center distance SM results by adding the dimensions, the diameter D and a distance S between the cylinder liners 2.
  • the cylinder liner 12 designed in accordance with the invention is cut in section with a rotationally asymmetric outer surface 14, which can also be designated as a lateral surface, deviating from the circular shape.
  • the oval shape of the outer side 14 can be designed such that peripherally in all regions xi, x 2 ; yi, y 2 set different wall thicknesses to the cylindrical inner bore, as shown in the following list, In the direction of the pressure side (DS) and the counterpressure side (GDS) of the cylinder liner 12, which form an axis 18 perpendicular to the longitudinal axis 13, wall thicknesses yi, y 2 , which exceed the longitudinal axis 13 aligned wall thicknesses xi, x 2 .
  • DS pressure side
  • GDS counterpressure side
  • Fig. 4 shows two inserted in the cylinder housing 1, cylinder liners 12 according to the invention, the oval outer sides 14 are shown in phantom.
  • the also oval running, the outer side 14 of the cylinder liner 12 covering collar 15 is positively connected to an outer contour 16 in a corresponding receptacle 17 of the cylinder housing 1 fitted.
  • the adjusting in the direction of the axis 18 waistband widths Y 3 + Y of the Federal 15 exceed waistband widths that adjust in the direction of the longitudinal axis 13.
  • the oval shape of the collar 15, whose Y-dimension significantly exceeds the X-dimension, allows in comparison to Fig. 2, a reduced distance S between two cylinder liners 12, which thus determines the center distance SM of the cylinder liners 12 and at the same time influence on a length of the cylinder housing 1 takes.
  • Figs. 5 and 6 show in half section the structure of the cylinder liner 12, which differs depending on an orientation. 5, in the direction of the axis 18 and in FIG. 6, the wall structure of the cylinder liner 12 oriented in the direction of the longitudinal axis 13 is shown.
  • the wall thicknesses zi, z 2 in the direction of the pressure side (DS) and counterpressure side (GDS) exceed the wall thicknesses z 3 , z (FIG. 6) aligned with the longitudinal axis 13.
  • the outer side 14 of the cylinder liner 12 partially on the outside has a reducing the cavitation danger coating.
  • the wall thickness between the zones zi and z 2 in accordance with FIG. 5 and between the zones z 3 and z as shown in FIG. 6 can change (for example become thicker or thinner).
  • the reduced wall thickness shown in this example in the high thermal load zones zi and z 3 favors the cooling effect of the cylinder liner 12.
  • As a measure for cost and weight optimization closes the cylinder liner 12 as shown in Fig. 6, at the end facing away from the collar 15 a recess 19 and an optionally partially unprocessed zone 20 of the tread 4, which extends from one of the bottom dead center of the lower piston ring of piston 3 corresponding zone to the end of the cylinder liner 12.
  • a further functionally optimized cylinder liner 22 is shown, which includes in the axial direction of two different materials consisting of sections 23, 24, which are joined together in a cohesive.
  • the sections 23, 24 supported via a joining plane 21 are preferably connected by means of friction welding. This design principle is applicable both to the dry, in the cylinder housing 1 cast cylinder liner 22 as well as a wet cylinder liner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse (2) eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, in der ein oszillierender Kolben (3) an einer Lauffläche (4) geführt ist, wobei die Zylinderlaufbuchse (2) mit einem Bund (5) zwischen einem Zylindergehäuse (1) und einem Zylinderkopf vertikal fixiert ist. Die nasse Zylinderlaufbuchse (2) umfasst eine von einer Kreisform abweichende Außenseite (6) und/oder eine rotationsasymmetrische äußere Kontur von dem Bund (5). Die Zylinderlaufbuchse (2) ist in einer korrespondierenden Aufnahme des Zylindergehäuses (1) lageorientiert eingepasst.

Description

B E S C H R E I B U N G
Funktionsoptimierte Gestaltung einer Zylinderlaufbuchse
Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse eines Zylinders einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen der jeweiligen Oberbegriffe der Patentansprüche 1 und 2.
Die Zylinderlaufbuchse hat die Aufgabe, den Verschleiß als Reibpartner zu den Kolbenringen zu minimieren, die Verbrennungswärme abzuleiten und die mechanische Stabilität des Systems im Betrieb unter Minimierung der betriebsbedingten Verformungen zu verbessern. Nach der Funktion wird zwischen nassen und trockenen Zylinderlaufbuchsen unterschieden.
Nasse Zylinderlaufbuchsen weisen einen Bund auf, über den die Laufbuchse im Motorblock bzw. im Zylindergehäuse in vertikaler Richtung fixiert ist. Die rotationssymmetrisch gestalteten Außenkonturen der Zylinderlaufbuchse einschließlich des Bundes bestimmen einen Mindestzylinderabstand. Nasse Laufbuchsen werden in das Zylindergehäuse in dafür entsprechend bearbeitete Aufnahmen eingeschoben. Zur Abdichtung gegen Kühlmittel und gegen Öl werden Dichtringe eingesetzt. Bisherige nasse Zylinderlaufbuchsen werden üblicherweise durch Schleudergießen hergestellt und anschließend rotationssymmetrisch bearbeitet. Bei nassen Zylinderlaufbuchsen, die mittels einer Kühlflüssigkeit von außen gekühlt werden, kann es aufgrund thermischer und mechanischer Belastungen an den kühlmittelbeaufschlagten Flächen zu Kavitations- oder Korrosionsschäden kommen, die je nach Ausmaß die Funktion des Motors gefährden können. Bei diesem Kavitationseffekt implodieren sich durch Anregung bildende Luftblasen im Kühlwasser und erodieren die Außenseite der Laufbuchse, wobei das Schwingen der Zylinderlaufbuchse die Erosion verstärken kann. Trockene Zylinderlaufbuchsen werden in das Zylindergehäuse eingepresst, eingeschrumpft oder eingegossen. Der Wassermantel befindet sich im Gegensatz zu nassen Laufbuchsen nicht zwischen dem Laufbuchsenwerkstoff und dem Zylindergehäuse, sondern ist wie bei der Monometall-Bauart Bestandteil des Zylindergehäuse-Gussteils. Trockene Buchsen werden sowohl aus Grauguss, AL- Legierungen oder als gesinterte Buchsen aus pulvermetallischen Werkstoffen hergestellt.
Zum Schutz gegen Kavitation offenbart die DE 10 2006 042 549 A1 eine rotationssymmetrisch gestaltete, nasse Zylinderlaufbuchse, die außenseitig mit einer Schutzschicht versehen ist. Dazu sind zumindest die von dem Kühlmittel beaufschlagten äußeren Oberflächenbereiche der aus einer Eisenbasislegierung bestehenden Zylinderlaufbuchse mit einer thermischen Spritzschicht beschichtet.
Um den Verschleiß durch Kavitation zu minimieren ist es weiterhin bekannt, dem Kühlmittel Zusätze beizugeben, die den Dampfdruck des Kühlmittels positiv beeinflussen. Nachteilig erfordert diese Maßnahme einen erhöhten Wartungsaufwand zum Nachfüllen der Zusätze bzw. zur Kontrolle des Mischungsverhältnisses. Ein weiterer Vorschlag bezieht sich darauf, Zylinderlaufbuchsen aus einem Werkstoff mit einem hohen E-Modul einzusetzen, wozu beispielsweise alternativ zu Grauguss als Werkstoff ein kostenintensiver Vermikularguss oder Stahl vorgeschlagen wird.
Die DE 196 05 946 C1 offenbart ein Herstellungsverfahren für Zylinderlaufbuchsen, mit dem zur Erzielung einer verbesserten Verschleißfestigkeit zunächst eine Laufbuchse mit dünner Wandstärke hergestellt wird. Dazu wird als Formkörper ein Dorn mit einem dem Innenumfang der herzustellenden Zylinderlaufbuchse entsprechenden Außenumfang verwendet, und auf die äußere Umfangsfläche des rotierenden Dorns wird nach einem bekannten thermischen Spritzverfahren ein Spritzmaterial in der gewünschten Stärke aufgetragen. Anschließend kann die auf dem Dorn befindliche Buchse überschliffen und gegebenenfalls profiliert werden. Nach dem Abziehen vom Dorn wird die Buchse falls erforderlich an den Stirnflächen bearbeitet. Die Zylinderlaufbuchse gemäß der DE 195 78 1 1 A1 besteht aus zwei verschiedenen Materialien. Ein Laufbuchseneinsatz aus Grauguss ist außenseitig von einem aus Stahl hergestellten Trägerzylinder umschlossen. Dieses bekannte Konzept mit zwei konzentrisch zueinander angeordneten Bauteilen erfordert einen hohen Fertigungsaufwand und scheidet aus wirtschaftlichen Gründen daher für einen Großserieneinsatz aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine funktionsoptimierte Zylinderlaufbuchse bereit zu stellen, die einen verbesserten Schutz gegenüber Kavitation, eine Festigkeitssteigerung sowie eine bauraumoptimierte Umgebungskonstruktion ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine beliebige Außenkontur der Zylinderlaufbuchse erzeugt werden kann.
Ausgehend von dem zitierten Stand der Technik stellt die vorliegende Erfindung gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 2 Maßnahmen bereit zur Schaffung einer funktionsoptimierten Zylinderlaufbuchse. Weiterhin schließt die Erfindung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10 ein Verfahren zur Gestaltung der Zylinderlaufbuchsen-Außenkontur ein.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen nach Anspruch 1 zur Realisierung einer funktionsoptimierten, nassen Zylinderlaufbuchse betreffen die äußere Gestaltung einer Zylinderlaufbuchse und sind einzeln oder gemeinsam anwendbar. Anstelle einer rotationssymmetrischen Gestaltung der Außenseite oder Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse ist gemäß der Erfindung vorgesehen, Bereiche, die einem hohen Kavitationsrisiko unterliegen, rotationsasymmetrisch auszubilden. Eine von einer Kreisform abweichende Mantelfläche ermöglicht es vorteilhaft, gefährdete Bereiche der Zylinderlaufbuchse zu verstärken und damit eine Zylinderlaufbuchse bereitzustellen, die gegen kühlmittelbedingte Kavitations- und Korrosionsschädigungen dauerhaft und zuverlässig geschützt ist. Erfindungsgemäß bildet die Außenseite der Zylinderlaufbuchse bis auf den Passsitz im Kurbel- oder Zylindergehäuse und den Zonen der Dichtelemente eine rotationsasymmetrische Geometrie. Vorteilhaft kann gemäß der Erfindung weiterhin die Außenkontur von dem Bund der Zylinderlaufbuchse unrund oder als Freiform ausgeführt werden. Da die Bundbreite wesentlich einen Achsabstand zwischen benachbarten Zylinderlaufbuchsen im Einbauzustand bestimmt, kann durch einen unrunden Außenbereich des Bundes die Bundbreite in Richtung einer Längsachse der Brennkraftmaschine gezielt reduziert werden und damit auch ein Abstand zwischen benachbarten Zylinderlaufbuchsen. Die geometrischen Asymmetrien der erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen eine verkürzte Blocklänge des Zylindergehäuses und folglich die Realisierung einer vorteilhaft bauraumoptimierten Brennkraftmaschine. Im Einbauzustand ist die funktionsoptimiert ausgebildete Zylinderlaufbuchse lageorientiert und gerichtet in einer angepassten, eine Gegenform bildenden Aufnahme des Zylinder- oder des Zylindergehäuses formschlüssig eingepasst. Die Erfindung zeigt somit Lösungen, wodurch die Anfälligkeit oder Schäden der Zylinderlaufbuchse gegenüber Kavitation, Korrosion oder Erosion verringert und damit die Lebensdauer der Laufbuchsen verbessert werden kann. Damit verbunden ergibt sich außerdem eine gesteigerte Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Brennkraftmaschine, die mit derartigen Laufbuchsen ausgestattet ist.
Gegenstand der Erfindung nach Anspruch 2 ist eine gefügte, aus zumindest zwei verschiedenen Materialien bestehende Zylinderlaufbuchse. Dieser Aufbau ist zur Herstellung einer nassen wie auch für eine trockene oder eingegossene Zylinderlaufbuchse einsetzbar. Dabei bildet die Laufbuchse in axialer Richtung zumindest zwei Abschnitte, die stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Reibschweißung zusammengefügt sind. Dieser konstruktive, kostengünstig realisierbare Aufbau beinhaltet die Freiheit bei der Wahl des Laufbuchsenwerkstoffes für einzelne Laufbuchsenabschnitte. Beispielsweise kann eine gezielte Festigkeitssteigerung durch Verwendung eines Werkstoffs höherer Festigkeit und/oder Temperaturbeständigkeit für den eine Kehle einschließenden Bundabschnitt erreicht werden. Der sich anschließende, die Lauffläche der Zylinderlaufbuchse einschließende Abschnitt der Laufbuchse kann aus einem Werkstoff hergestellt werden, der beispielsweise ein Potential zur Eigenschmierung im Festkörperkontaktbereich / Mischreibungsbereich beinhaltet oder eine Schmierfilmausbildung durch Öltaschen ermöglicht. Weiterhin erlaubt dieser Aufbau, zur Optimierung der Kühlung lokal reduzierte Wandstärken der Laufbuchse vorzusehen. Als Maßnahme zur Gewichtsreduzierung der Zylinderlaufbuchse eignet sich die Verwendung von Werkstoffen mit einer geringeren Dichte. Außerdem bietet das Konstruktionsprinzip für nasse Laufbuchsen die Möglichkeit, für gefährdete Abschnitte oder Zonen der Laufbuchse Werkstoffe mit einem positiven Kavitationsverhalten oder Werkstoffe mit einem höheren E-Modul einzusetzen, um das Verformungsverhalten zu verbessern. Als weitere Maßnahme zur Verschleißminimierung bietet es sich an, Werkstoffpaarungen vorzusehen, um einen Zwickelverschleiß im Kontaktbereich der Kolbenringe an der Lauffläche, insbesondere in den Totpunktlagen des Kolbens bzw. den Ringumkehrpunkten zu verringern. Dazu kann zum Beispiel der Laufbuchsenabschnitt, in dem der Kolben geführt ist, aus einem verschleißfesten Werkstoff eingesetzt werden. Bei einer Anwendung des aus verschiedenen Materialien bestehenden Laufbuchsen konzepts für eine eingegossene, trockene Zylinderlaufbuchse bietet es sich an, den Fertigungprozess vorteilhaft zu optimieren, indem Laufbuchsenwerkstoffe ausgewählt werden, die eine Verbindung zu dem Werkstoff des Zylinderblocks bzw. des Zylindergehäuses verbessern. Vorteilhaft kann mit einer optimal abgestimmten Werkstoffkombination eine Zylinderlaufbuchse realisiert werden, die komplexe Aufgaben einer nassen und trockenen Zylinderlaufbuchse in Bezug auf die Mechanik, die Tribologie auf der Innenseite, also beispielsweise Reibung, Schmierung und Verschleiß, und die Kavitation einer nassen Laufbuchse auf der Außenseite vereint.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Außenseite oder Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse und / oder die Außenkontur von dem Bund eine von der Kreisform abweichende, ellipsenförmige oder oval gestaltete Geometrie aufweisen. Insbesondere für den Bund der Zylinderlaufbuchse bietet sich eine ellipsenförmige, oder ovale Formgebung an, die auch weitere doppelte, dreifache oder vielfache überlagerte Ovalitäten einschließen kann. Außerdem kann der Bund in Form einer beliebigen prismenförmigen Freiform oder als eine Splinefläche ausgeführt werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine gerichtete Einbaulage der Zylinderlaufbuchse vor, in der die in Richtung einer Druckseite (DS) und einer Gegendruckseite (GDS) ausgerichteten Bereiche der Zylinderlaufbuchse Wandstärken bzw. Bundbreiten aufweisen, die entsprechende Wandstärken und/oder Bundbreiten, die in Bolzenrichtung bzw. in Richtung einer Längsachse des Zylinderblocks ausgerichtet sind, übertreffen. Die sich dabei einstellende Abstützfläche des Laufbuchsenbundes wird in Summe so ausgelegt, um eine Überschreitung von zulässigen Flächenpressungen im Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu vermeiden. Das erforderliche Flächenprofil kann mittels der unrund, bevorzugt oval ausgeführten Abstütz- oder Auflagefläche realisiert werden. Dieses Konstruktionsprinzip bietet die Möglichkeit, mit demselben Zylindergehäuse durch Verwendung entsprechender Laufbuchsen, mit verschiedenen Zylinderbohrungen unterschiedliche Hubräume darzustellen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist zur Kostenoptimierung der Zylinderlaufbuchse vorgesehen, dass sich eine Lauffläche für den Kolben in einem Bereich unterhalb des unteren Totpunkts (UT) des Kolbens auf Zonen beschränkt, die in Richtung der Druckseite (DS) und Gegendruckseite (GDS) ausgerichtet sind. Diese Laufflächengeometrie, bei der in Bolzenrichtung keine Bearbeitung erfolgt (beispielsweise weil die Buchse dort zurückgesetzt ist), bietet sich insbesondere für mit Fensterkolben ausgerüstete Brennkraftmaschinen an. Weiter folgend kann zur Gewichtsreduzierung die Laufbuchse beispielsweise partiell durch Fenster oder Ausnehmungen ausgespart werden. Zur Realisierung dieser Freiflächen können mechanische oder thermische Trennverfahren eingesetzt werden oder alternativ bereits Aussparungen im Gußrohteil vorhanden sein.
Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme sieht eine außenseitige Beschichtung der Zylinderlaufbuchse vor. Zur Schaffung einer kavitationsresistenten Oberfläche ist dazu zumindest der aus einer Eisengusslegierung bestehende Bereich der Laufbuchse voll umfänglich oder partiell im Bereich der Druckseite und Gegendruckseite, insbesondere durch eine thermische Spritzschicht beschichtet.
Zur Herstellung von nahezu beliebig geometrisch gestalteten Topographien an der Außenkontur der Zylinderlaufbuchse ist ein Ovaldreh- oder Unrunddrehverfahren vorgesehen. Diese mit geringen Prozesszeiten einsetzbaren Verfahren sind geeignet zur Schaffung der rotationsasymmetrisch gestalteten Außenseite und/oder der Außenkontur. Das Oval- oder Unrunddrehen ermöglicht vorteilhaft eine große Gestaltungsfreiheit hinsichtlich der Ausrichtung, dem Verlauf und der Größe von Freiformflächen oder Konturen. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass keinerlei Einschränkung hinsichtlich der geometrischen Formgebung besteht. Diese Verfahren können sowohl für Mantelflächen, den Schaft, die Außenfläche als auch für den Bund der Zylinderlaufbuchse eingesetzt werden. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass in einem Arbeitsgang bei gleichzeitig hoher Maßgenauigkeit und hoher Oberflächengüte eine gute Reproduzierbarkeit erreicht wird.
Die Herstellung der Zylinderlaufbuchse, die zum Materialabtrag von lokalen Bereichen an der Zylinderlaufbuchse das Oval- oder Unrunddrehen einschließt, umfasst folgende Verfahrensschritte. Zunächst erfolgt durch ein Urformverfahren wie ein Schmiede- oder Gießprozess die Herstellung des einteiligen Rohlings oder Abschnittsrohlinge. Anschließend werden die Abschnitte mittels einer stoffschlüssigen Verbindung zusammengefügt. Als nächster Schritt wird durch mechanische Operationen, einem Oval- oder Unrunddrehen, die äußere Bearbeitung der Außenseite und/oder der Außenkontur der Zylinderlaufbuchse vorgenommen, zur Schaffung von beliebig geometrisch gestalteten Flächen oder Konturen. Anschließend wird die innere Lauffläche hergestellt, bevor eine Reinigung der Zylinderlaufbuchse von Kühlschmiermittel, Schmierstoffen und anhaftenden Spänen erfolgt. Optional kann abschließend die Außenseite der Zylinderlaufbuchse ganz oder partiell beschichtet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese nicht beschränkt ist, sind nachfolgend beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 in einer Schnittansicht eine nasse Zylinderlaufbuchse im eingebauten Zustand;
Fig. 2 die Ansicht auf ein Zylindergehäuse mit zwei Zylinderlaufbuchsen;
Fig. 3 eine Zylinderlaufbuchse in einer Schnittansicht;
Fig. 4 Zylinderlaufbuchsen mit unrundem Bund im eingebauten Zustand;
Fig. 5 das Profil der zur Gegendruckseite ausgerichteten Zylinderlaufbuchse;
Fig. 6 das Profil der zur Druckseite ausgerichteten Zylinderlaufbuchse; Fig. 7 in einer Schnittansicht eine trockene Zylinderlaufbuchse.
Die Fig. 1 und 2 zeigen den konstruktiven Aufbau und die Einbaulage einer bekannten Zylinderlaufbuchse 2. Dazu ist in Fig. 1 ein Ausschnitt eines auch als Zylindergehäuse zu bezeichnenden Zylindergehäuses 1 einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine abgebildet. In dem Zylindergehäuse 1 ist die direkt vom Kühlmittel umströmte, nasse Zylinderlaufbuchse 2 eingesetzt, in der ein oszillierender Kolben 3 an einer Lauffläche 4 geführt ist. Die Zylinderlaufbuchse 2 ist mit einem Bund 5 sowie axial versetzt dazu über eine Außenseite 6 in eine Aufnahme 7 bzw. in eine Führung 8 des Zylindergehäuses 1 eingepasst. Zur wirksamen Abdichtung des Kühlmittelraumes 9 sind versetzt zu dem Bund 5 sowie im Bereich der Führung 8 Dichtringe 10, 1 1 vorgesehen. Die Fig. 2 zeigt zwei im Zylindergehäuse 1 in Richtung einer Längsachse 13 des Zylindergehäuses 1 angeordnete Zylinderlaufbuchsen 2, deren Mittenabstand SM sich durch Addition der Maße, den Durchmesser D und ein Abstandsmaß S zwischen den Zylinderlaufbuchsen 2, ergibt.
In Fig. 3 ist die erfindungsgemäß funktionsoptimiert gestaltete Zylinderlaufbuchse 12 im Schnitt abgebildet mit einer von der Kreisform abweichenden, rotationsasymmetrischen, auch als Mantelfläche zu bezeichnenden Außenseite 14. Die ovale Formgebung der Außenseite 14 kann so ausgeführt sein, dass sich umfangsseitig in allen Bereichen xi, x2; yi, y2 voneinander abweichende Wandstärken zu der zylindrischen Innenbohrung einstellen, wie nachfolgender Aufstellung zu entnehmen ist, In Richtung der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) der Zylinderlaufbuchse 12, die eine rechtwinkelig zur Längsachse 13 verlaufende Achse 18 bilden, stellen sich Wandstärken yi, y2 ein, die zur Längsachse 13 ausgerichtete Wandstärken xi, x2 übertreffen.
Die Fig. 4 zeigt zwei im Zylindergehäuse 1 eingesetzte, erfindungsgemäße Zylinderlaufbuchsen 12, deren ovale Außenseiten 14 strichpunktiert dargestellt sind. Der ebenfalls oval ausgeführte, die Außenseite 14 der Zylinderlaufbuchse 12 überdeckende Bund 15 ist mit einer Außenkontur 16 formschlüssig in eine entsprechende Aufnahme 17 des Zylindergehäuses 1 eingepasst. Die sich in Richtung der Achse 18 einstellenden Bundbreiten Y3 + Y des Bundes 15 übertreffen Bundbreiten, die sich in Richtung der Längsachse 13 einstellen. Die ovale Formgebung von dem Bund 15, dessen Y-Maß das X-Maß deutlich übertrifft, ermöglicht im Vergleich zu Fig. 2 ein verringertes Abstandsmaß S zwischen zwei Zylinderlaufbuchsen 12, das folglich den Mittenabstand SM der Zylinderlaufbuchsen 12 bestimmt und gleichzeitig Einfluss auf eine Baulänge des Zylindergehäuses 1 nimmt.
Die Fig. 5 und 6 zeigen im Halbschnitt den Aufbau der Zylinderlaufbuchse 12, der sich abhängig von einer Ausrichtung unterscheidet. In Fig. 5 ist der in Richtung der Achse 18 und in Fig. 6 ist der in Richtung der Längsachse 13 ausgerichtete Wandaufbau der Zylinderlaufbuchse 12 gezeigt. Insbesondere zur Reduzierung eines Kavitationsrisikos übertreffen die Wandstärken zi , z2 in Richtung der Druckseite (DS) und Gegendruckseite (GDS) (Fig.5) die zu der Längsachse 13 ausgerichteten Wandstärken z3, z (Fig.6). Ergänzend dazu bietet es sich an, dass die Außenseite 14 der Zylinderlaufbuchse 12 partiell außenseitig eine die Kavitationsgefahr reduzierende Beschichtung aufweist. Von dem Bund 15 ausgehend kann sich jeweils die Wandstärke zwischen den Zonen zi und z2 gemäß Fig. 5 und zwischen den Zonen z3 und z gemäß Fig. 6 verändern (beispielsweise dicker oder dünner werden). Die in diesem Beispiel abgebildete reduzierte Wandstärke in den thermisch hochbelasten Zonen zi und z3 begünstigt die Kühlwirkung der Zylinderlaufbuchse 12. Als Maßnahme zur Kosten- und Gewichtsoptimierung schließt die Zylinderlaufbuchse 12 wie in Fig. 6 gezeigt, an dem vom Bund 15 abgewandten Ende eine Aussparung 19 ein sowie eine optional partiell unbearbeitete Zone 20 der Lauffläche 4, die sich von einer der unteren Totpunktlage des unteren Kolbenrings von Kolbens 3 entsprechenden Zone bis zu dem Ende der Zylinderlaufbuchse 12 erstreckt. Weil der Kolben mit Schaftende im UT über das Ende der Buchse hinaus steht, darf sich ein unbearbeiteter Bereich nur in Bolzenrichtung ausserhalb des Kolbenschaftkontaktbereiches befinden, so daß dieser Kolbenschaftkontaktbereich eine bearbeitete, vorzugsweise gehonte Buchsenoberfläche benötigt. In Fig. 7 ist eine weitere funktionsoptimierte Zylinderlaufbuchse 22 abgebildet, die in axialer Richtung zwei aus unterschiedlichen Materialien bestehende Abschnitte 23, 24 einschließt, die zu einer Einheit stoffschlüssig zusammengefügt sind. Bevorzugt sind die über eine Fügeebene 21 abgestützten Abschnitte 23,24 mittels einer Reibschweißung verbunden. Dieses Konstruktionsprinzip ist sowohl für die trockene, in dem Zylindergehäuse 1 eingegossene Zylinderlaufbuchse 22 als auch für eine nasse Zylinderlaufbuchse anwendbar.
Es ist auch eine rotationssymmetrische Zentrierung in korrespondierender rotationssymmetrischer Aufnahme und rotationsasymmetrische Außenkontur an den Nichtzentrierflächen, z.B. wassermantelumgrenzten Flächen, denkbar. Die korrespondierende Aufnahme ist im Fall des asymmetrischen Bundes notwendig, in allen anderen Fällen ist diese jedoch symmetrisch vorzuziehen. Das bedeutet ergänzend oder alternativ zum Kerngedanken der Erfindung zum Beispiel, dass eine Außenseite 6 und/oder eine Außenkontur 16 von dem Bund 15 der nassen Zylinderlaufbuchse 12 rotationsasymmetrisch ausgeführt ist und/oder sind und gerichtet eingesetzt werden. Eine weitere Ausgestaltung ist darin zu sehen, dass eine gerichtete Zentrierung der Außenseite 6 und/oder der Außenkontur 16 in einer korrespondierenden Aufnahme 7,17 des Zylindergehäuses 1 erfolgt.
Bezugszeichenliste
1 Zylindergehäuse
2 Zylinderlaufbuchse
3 Kolben
4 Lauffläche
5 Bund
6 Außenseite
7 Aufnahme
8 Führung
9 Kühlmittelraum
10 Dichtring
1 1 Dichtring
12 Zylinderlaufbuchse
13 Längsachse
14 Außenseite
15 Bund
16 Außenkontur
17 Aufnahme
18 Achse
19 Aussparung
20 Zone
21 Fügeebene
22 Zylinderlaufbuchse
23 Abschnitt
24 Abschnitt

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E Funktionsoptimierte Gestaltung einer Zylinderlaufbuchse
1 .
Zylinderlaufbuchse eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, in der ein oszillierender Kolben (3) an einer Lauffläche (4) geführt ist, wobei die Zylinderlaufbuchse (2,12) mit einem Bund (5,15) zwischen einem Zylindergehäuse (1 ) und einem Zylinderkopf vertikal fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenseite (6) und / oder eine Außenkontur (16) von dem Bund (15) der nassen Zylinderlaufbuchse (12) rotationsasymmetrisch ausgeführt sind und die Außenseite (6) und / oder die Außenkontur (16) in einer korrespondierenden Aufnahme (7,17) des Zylindergehäuses (1 ) gerichtet eingepasst ist.
2.
Zylinderlaufbuchse eines Zylinders einer Brennkraftmaschine, in der ein oszillierender Kolben (3) an einer Lauffläche (4) geführt ist, wobei die Zylinderlaufbuchse (2,22) in einem Zylindergehäuse (1 ) vertikal fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse (22) in axialer Richtung zumindest zwei aus unterschiedlichen Materialien bestehende Abschnitte (23,24) einschließt, die zu einer Einheit stoffschlüssig zusammengefügt sind und die Zylinderlaufbuchse (22) sowohl als nasse als auch als trockene Zylinderlaufbuchse (22) einsetzbar ist.
3.
Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu der
Zylinderlaufbuchse (22) zusammengefügten Abschnitte (23,24) aus Werkstoffen mit unterschiedlicher Festigkeit und/oder unterschiedlicher Temperaturbeständigkeit hergestellt sind.
4.
Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Außenseite (6) und / oder die Außenkontur (16) von dem Bund (15) der Zylinderbuchse (12) eine ovale, ellipsenförmig, prismenförmige Freiform oder eine beliebig von der Kreisform abweichende Geometrie aufweist.
5.
Zylinderlaufbuchse nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Richtung einer Druckseite (DS) oder einer Gegendruckseite (GDS) der Zylinderlaufbuchse (12) gleiche oder voneinander abweichende Wandstärken (yi,y2) der Zylinderlaufbuchse (12) einstellen, die die in Richtung einer Längsachse (13) ausgerichtete Wandstärken (xi,X2) übertreffen.
6.
Zylinderlaufbuchse nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bund (15) der Zylinderlaufbuchse (12) in Richtung der Druckseite (DS) oder der Gegendruckseite (GDS) gleiche oder voneinander abweichende Bundbreiten (y3,y ) bildet, die in Richtung der Längsachse (13) ausgerichtete Bundbreiten des Bundes (15) übertreffen.
7.
Zylinderlaufbuchse nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich, der unterhalb in Richtung einer Kurbelwelle des unteren Totpunkts des untersten Kolbenrings des Kolbens (4) liegt, die Zylinderlaufbuchse (12) innenseitig nur in Richtung der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) eine Lauffläche (4) für den Kolben (4) aufweist.
8.
Zylinderlaufbuchse nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der Längsachse (13) des Zylindergehäuses (1 ) die Zylinderlaufbuchse (12) partiell gegenüberliegende Aussparungen (19) einschließt.
9.
Zylinderlaufbuchse nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der Zylinderlaufbuchse (12,22) zumindest lokal beschichtet ist.
10.
Verfahren zur Herstellung von Außenkonturen einer Zylinderlaufbuchse nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schaffung von beliebig geometrisch gestalteten Topographien an der Außenseite der Zylinderlaufbuchse (12,22) ein Ovaldrehen oder Unrunddrehen eingesetzt werden kann.
1 1 .
Verfahren zur Herstellung der Zylinderlaufbuchse (12,22), die einen Materialabtrag von lokalen Bereichen nach Anspruch 10 einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung folgende Schritte einschließt:
- Herstellen der Zylinderlaufbuchse (12) oder der Abschnitte (23,24) der Zylinderlaufbuchse (22) durch ein Urformverfahren, insbesondere einem Schmiede- oder Gießprozess;
- Zusammenfügen der Abschnitte (23,24) mittels einer stoffschlüssigen Verbindung;
- Fertigstellung der Außenseite der Zylinderlaufbuchse (12,22) durch ein Unrundoder Ovaldrehen;
- Endbearbeitung der inneren Lauffläche der Zylinderlaufbuchse (12,22);
- Reinigung der Zylinderlaufbuchse (12,22) von Kühlschmiermittel, Schmierstoffen und anhaftenden Spänen;
- optionale Beschichtung der Außenseite der Zylinderlaufbuchse (12).
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