DE10131703A1

DE10131703A1 - Fluidgeschmierte Werkstückfläche, insbesondere Zylinderfläche von Kolbenmaschinen, und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE10131703A1
Application number: DE2001131703
Authority: DE
Inventors: Josef Schmid
Original assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Current assignee: Elgan Diamantwerkzeuge GmbH and Co KG
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2021-06-30
Also published as: DE10131703B4

Abstract

Zur Verringerung des Ölverbrauchs bei Verbrennungsmotoren und ähnlichen Kolbenmaschinen wird die im übrigen glatt gehonte Oberfläche (11) durch Laserbehandlung mit Ringrinnenstrukturen (12) versehen, die in Abstand voneinander, im wesentlichen gleichmäßig, jedoch nicht genau zueinander ausgerichtet, vorgesehen sind. Jede Struktur (12) besteht aus einer geschlossenen Rinne (13) mit einem mittleren stempelartigen Vorsprung. Sie kann durch eine Behandlung mit einem defokussierten Laserstrahl oder auch durch entsprechende abbildungserzeugende Mittel hergestellt werden. Die Struktur überdeckt einen relativ großen Anteil der Oberfläche (11), jedoch selbst eine sehr große Oberfläche zu haben, was der Ölverdampfung während des Betriebes der Maschine entgegenwirkt, trotzdem aber eine Ölhaltung ermöglicht. Die Strukturen können beliebige Formen haben.

Description

Die Erfindung betrifft eine fluidgeschmierte Werkstückfläche, insbesondere eine Zylinderfläche von Kolben-Kraft- und -Arbeitsmaschinen, mit einer im wesentlichen glatten Oberfläche, in die Vertiefungen mittels Laserabtrag eingebracht sind.
Die Oberfläche von Kolbenlaufbahnen, insbesondere von Verbrennungsmotoren, ist einer der Kernpunkte der Motorenentwicklung. Sie ist weitgehend mitbestimmend für das Verschleißverhalten und damit die Standzeit des Motors, seine Reibung und damit die Leistung und vor allem auch den Ölverbrauch.
Durch das sog. Plateauhonen sind schon erhebliche Fortschritte gemacht worden. Dabei wird eine grober vorgehonte Oberfläche so nachgehont, dass zwischen den tieferen Riefen, die der Ölhaltung dienen, relativ glatte Plateaus geschaffen werden, die die Verschleißarmut und energiesparenden Lauf ermöglichen sowie das Einlaufverhalten des Motors vor allem in Hinsicht auf den Ölverbrauch verbessern. Es geht dabei immer darum, einerseits eine möglichst glatte Oberfläche zu haben und andererseits über die Zylinderlaufbahn verteilte "Ölreservoirs" zu schaffen, die ein Trockenlaufen verhindern. Beim Plateauhonen sind dies die unter einem bestimmten Winkel, beispielsweise 60°, zueinander verlaufenden tieferen Riefen zwischen den Plateaus.

Es ist auch schon versucht worden, Kolbenlaufbahnen mittels eines Laserstrahls zu bearbeiten, der flächig auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet ist. Dies soll bei Zylinderblöcken aus Gusseisen die beim Honen ggf. überdeckten Graphitlamellen zur Erzeugung von Notlaufeigenschaften freilegen (DE 42 17 530 A1).

Es ist ferner schon bekanntgeworden, Werkstückoberflächen mittels Laserstrahl zu bearbeiten, um Riefen/Lochstrukturen zu erzeugen (DE 43 16 012 C2).

Aufgabe und Lösung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine fluidgeschmierte Werkstückfläche und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, die bei guter Schmiermittelhaltung auch bei hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen mit geringem Ölverbrauch auskommt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Vertiefungen Strukturen mit einem inneren, im wesentlichen auf dem Niveau der Oberfläche liegenden Vorsprung haben.

Statt mit dem Laserstrahl lediglich runde "Gruben" in der Oberfläche zu erzeugen, wird durch die Erfindung vorzugsweise eine geschlossene Rillenstruktur gebildet, die einen mittleren Vorsprung einschließt. Diese kann die Form eines Kreisrings haben, jedoch auch beliebige andere Formen einnehmen, beispielsweise Rauten, Sternform etc. Eine solche Rinne hat eine mehrfach, insbesondere ständig die Richtung wechselnde und vorzugsweise gekrümmte Erstreckung.

Bei der Erzeugung eines möglichst punktförmigen Loches geringen Durchmessers mit einem Laser wird selbst bei feinster Fokussierung des Lasers durch die schlagartige Aufschmelzung bzw. Verdampfung des Materials ein "Krater" ausgeworfen, der einen relativ großen Durchmesser und auch ein relativ großes Volumen hat. Hat man dagegen eine Ringstruktur mit einem inneren Vorsprung nach Art eines Stempels, dann hat die entstandene umlaufende Rinne zwar eine große Gesamtflächenüberdeckung, jedoch bei hoher spezifischer innerer Oberfläche ein geringeres Ölvolumen. Dadurch ist die Ölverdampfung aus der Rinne heraus auch bei hoher thermischer Belastung, beispielsweise im Verbrennungstakt eines Motors, sowie während einer weitgehenden Evakuierung im Ansaughub, geringer. Die Tragstruktur wird wegen des mittleren Vorsprunges weniger unterbrochen. Ferner hat die Rinne eine gesteigerte Kapillarwirkung und hält daher das Öl besser. Es ergeben sich erheblich verringerte Ölverbräuche bei Kraftfahrzeugmotoren, was ein wesentlicher Beitrag zur Umweltverträglichkeit ist.

Zur Herstellung der beschriebenen Strukturen kann bevorzugt eine Laserstrahlbehandlung verwendet werden, bei dem die Energiedichte auf den Außenumfang des Laserstrahls konzentriert ist. Es ist festgestellt worden, dass ein an sich auf eine Brennebene fokussierter Laserstrahl, der jedoch etwas defokussiert auftrifft, d. h. nicht in seiner Brennebene auftrifft, also etwas davor oder danach, eine Ringkeulenstruktur der Intensität hat. Dadurch entsteht dann eine im wesentlichen kreisförmige Ringstruktur.

Es ist aber auch möglich, weit außerhalb der Brennebene mit abbildungserzeugenden Mitteln, beispielsweise einer Blende, zu arbeiten oder auf andere Weise, durch Spiegelung, Brechung oder dgl., eine solche Laserstrahlstruktur zu erstellen, die ein gewünschtes "Brennbild" erzeugt. Diese entsprechende Struktur würde dann durch den Laser verkleinert gebildet werden.

Die Verteilung der Strukturen, die Gesamtabmessungen zwischen 10 und 300 µm, vorzugsweise 20 bis 200 µm, eine "Rinnenbreite" zwischen 3 und 50 µm, vorzugsweise 5 bis 30 µm, bzw. eine Tiefe von 1 bis 20 µm, vorzugsweise 1 bis 10 µm, aufweist, kann stochastisch, d. h. wahllos, über die Oberfläche verteilt sein, um zwar eine gewisse Gleichmäßigkeit, jedoch kein streng geordnetes Laufbild zu erzeugen. Der durchschnittliche Abstand der Strukturen voneinander sollte so sein, dass er den 2fachen Durchmesser nicht unterschreitet, jedoch möglichst den 20fachen Durchmesser der Gesamtstruktur nicht überschreitet.

Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen- Überschriften beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen Fig. 1 eine stark vergrößerte Draufsicht auf eine Werkstückfläche in schematischer Darstellung und
Fig. 2 einen schematischen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt einen kleinen Ausschnitt einer mit einem Fluid, z. B. einem flüssigen Schmiermittel, wie Öl, fluidgeschmierten Werkstückfläche, nämlich einer Zylinderlauffläche eines Verbrennungsmotors. Sie kann aus beliebigem, dafür normalerweise verwendeten Werkstoff bestehen, beispielsweise Grauguss oder Aluminium, sowie Magnesium-Legierung. Die Werkstückfläche 11 ist durch übliche Feinbearbeitungsverfahren, beispielsweise Honen, glatt bearbeitet, d. h. mit möglichst gleichmäßiger und geringer Rauhtiefe.
In der Oberfläche sind vertiefte Strukturen 12 vorgesehen, die kreisringförmig, jedoch mit gewissen Unregelmäßigkeiten in der Kreisringbegrenzung, ausgebildet sind.
Die Strukturen sind ungleichmäßig über die Oberfläche verteilt, haben jedoch einen durchschnittlichen Abstand A voneinander, der etwas oberhalb von dem 2fachen Gesamtdurchmesser D der Ringstruktur 12 liegt.
Dieser Durchmesser D kann, abhängig von den Anforderungen an die Ölhaltung, dem Abstand A etc., zwischen 10 und 300 µm liegen (vorzugsweise 20 bis 200 µm).
Fig. 2 zeigt, dass der Ring aus einer umlaufenden Rinne 13 und einem mittleren Vorsprung 14 gebildet ist, der wie ein Stempel in der Mitte der Struktur hochragt und im wesentlichen auf dem Niveau 15 der Werkstückoberfläche 11 liegt. Die Ringbreite R kann zwischen 30 und 50 µm betragen (vorzugsweise zwischen 5 und 30 µm), während die Tiefe T der Rinnen 13 zwischen 1 und 20 µm (vorzugsweise 1-10 µm), liegt.
Es ist also zu erkennen, dass die Strukturen 12 eine Ringrinne mit relativ geringer Breite bilden, die aber insgesamt eine relativ große Fläche überdecken, ohne dass die Oberfläche der mit Schmiermittel gefüllten Rinne zu groß wird.
Die Strukturen 12, die hier im wesentlichen als Kreisring gezeigt sind, können auch eine beliebige Form haben, beispielsweise eine Oval-, Langloch-, Dreiecks-, Sternform oder dgl. Man kann dies jederzeit den Bedürfnissen der Praxis anpassen und auch eine bestimmte Ausrichtung im Vergleich zur Kolbenlaufrichtung vorsehen. Die unregelmäßigen Ränder sind dadurch bedingt, dass bei den kleinen Durchmessern und dem fast explosionsartigen Verdampfen des Materials bei der Laserbehandlung kein gleichmäßiger Schnitt, sondern eine gewisse Zufallsbildung entsteht. Diese ist aber nicht nachteilig, da sie zur Ölhaltung und Erhöhung der Kapillarwirkung beiträgt.
Die in den Zeichnungen dargestellten Strukturen können durch Bestrahlung mit einem auf eine Brennebene gebündelten Laserstrahl erzeugt werden. Es können vorzugsweise kurzwellige bzw. gut fokussierbare Laser verwendet werden: Nd-YAG-Laser, die einfach oder frequenzverdoppelt angewendet werden können, sowie Kupfer-Dampf-Laser, die eine noch geringere Wellenlänge ermöglichen oder Kupferbromid-Laser. Dieser wird etwas defokussiert auf die Oberfläche 11 gerichtet und impulsmäßig betrieben, während der Laserstrahl, beispielsweise durch Spiegelanordnungen oder durch entsprechende Werkstückbewegung über die Oberfläche bewegt wird. Bei einer solchen Defokussierung, d. h. Auftreffen des Laserstrahls außerhalb seiner Brennebene, hat das Laser-Strahlenbündel eine Ringkeulenstruktur, d. h. seine Intensität ist im Außenbereich wesentlich stärker als im Inneren. Der Gesamtdurchmesser D der Struktur wird dabei von der nummerischen Appertur, d. h. dem Durchmesser des Laserstrahls in der Brennebene, sowie dem Versatz der Auftreffebene aus der theoretischen Brennebene bestimmt.
Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Struktur einer anderen Grundform, beispielsweise eines Dreiecks oder Sterns, kann erzeugt werden, indem der Laserstrahl weit außerhalb seiner Brennebene durch entsprechende Schlitz- oder Blendenstrukturen abgedeckt und dadurch auf die gewünschte Form gebracht wird. Dazu sind auch andere als die bereits erwähnten Lasertypen verwendbar z. B. CO2- oder Diodenlaser.
In jedem Falle ist es möglich, mit jeweils einer kurzfristigen Laseranwendung eine Rinnenstruktur zu erzeugen, die eine durch die Impulslänge und Intensität bestimmte Tiefe und eine durch die Fokussierung bestimmte Breite und Form hat. Falls bei der Bildung der Struktur ein etwas erhöhter Rinnenrand entsteht, so kann dieser durch eine Honnachbearbeitung abgetragen werden, falls er stört.
Die Erfindung ermöglicht es also, zur Verringerung des Ölverbrauchs bei Verbrennungsmotoren und ähnlichen Kolbenmaschinen die im übrigen glatt gehonte Oberfläche durch Laserbehandlung mit Rinnenstrukturen zu versehen, die in Abstand voneinander, im wesentlichen gleichmäßig, jedoch nicht genau zueinander ausgerichtet, vorgesehen sind. Jede Struktur besteht aus einer geschlossenen Rinne mit einem mittleren stempelartigen Vorsprung. Sie kann durch eine Behandlung mit einem defokussierten Laserstrahl oder auch durch entsprechende abbildungserzeugende Mittel hergestellt werden. Die Struktur überdeckt einen relativ großen Anteil der Oberfläche, ohne jedoch selbst eine sehr große Oberfläche zu haben, was der Ölverdampfung während des Betriebes der Maschine entgegenwirkt, trotzdem aber eine Ölhaltung ermöglicht. Die Strukturen können beliebige Formen haben.

Claims

1. Fluidgeschmierte Werkstückfläche (11), insbesondere Zylinderfläche von Kolben-Kraft- und -arbeitsmaschinen, mit einer im wesentlichen glatten Oberfläche, in die Vertiefungen mittels Laserabtrag eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen Strukturen (12) mit einem inneren, im wesentlichen auf dem Niveau (15) der Oberfläche (11) liegenden Vorsprung (14) haben.

2. Werkstückfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen jeweils eine geschlossene Rinne (13), insbesondere eine Ringrinne, bilden.

3. Werkstückfläche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rinne (13) eine mehrfach, insbesondere ständig die Richtung wechselnde, vorzugsweise gekrümmte Erstreckung hat.

4. Werkstückfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen Gesamtabmessungen (D) von 10 bis 300 µm, vorzugsweise 20 bis 200 µm, eine Rinnen breite (R) zwischen 3 und 50 µm, vorzugsweise 5 bis 30 µm, eine Tiefe (T) von 1 bis 20 µm, vorzugsweise 1 bis 10 µm, und/oder einen Abstand (A) voneinander in der Größenordnung des 2- bis 20fachen der Gesamtabmessungen (D) der Struktur aufweisen.

5. Werkstückfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen (12) über die Werkstückoberfläche stochastisch verteilt sind.

6. Verfahren zur Herstellung von Werkstückflächen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (11) mit einem Laserstrahl behandelt wird, der eine bezüglicher seiner Energiedichte auf seinen Außenumfang konzentrierte Strahlstruktur hat.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der auf eine Brennebene fokussierte Laserstrahl auf die Oberfläche (12) defokussiert auftrifft.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die auf seinen Außenumfang konzentrierte Strahlstruktur des Laserstrahls durch außerhalb seines fokussierten Bereiches angewendete abbildungserzeugenden Mittel, z. B. Blenden, erzeugt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die glatte Oberfläche durch Honen vor der Laserbehandlung zur Erzeugung einer Basisoberfläche erzeugt wird und ggf. anschließend an die Laserbehandlung zur etwaigen Beseitigung von Schlacken, Aufwürfen, Schmelztröpfchen etc. eine Honbehandlung vorgesehen ist.