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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einlage für eine Verbrennungskraftmaschine, die dazu bestimmt ist, in einen Zylinder einer Kolbenmaschine wie eines Verbrennungsmotors eingeklebt zu werden sowie eine Zylinderlaufbuchse, Zylinder und Motorblock einer Kolbenmaschine, sowie eine Verfahren zu deren Herstellung.
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Herkömmlicherweise werden die Zylinder eines Motorblocks entweder unbehandelt gelassen, direkt beschichtet oder mit Zylinderlaufbuchsen versehen, um gewünschte Eigenschaften des Zylinders im Motorblock oder im Zylinder zu erreichen.
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Es ist bisher aus der Offenlegungsschrift
DE 2 140378 A bekannt, Zylinderlaufbuchsen zwischen einem Zylinderkurbelgehäuse und einem Zylinderkopf anzuordnen, wobei ein Spalt zwischen den Zylinderlaufbuchsen und dem Zylinderkurbelgehäuse zur Kühlung durch Kühlwasser verwendet werden kann. Dabei stehen die Zylinderlaufbuchsen in entsprechenden größeren Ausnehmungen von ähnlich freistehenden Zylindern mit einem gemeinsamen Zylinderkopf. Weiterhin ist in
DE 2140378 offenbart, die Zylinderlaufbuchsen am unteren Rand an das Zylinderkurbelgehäuse anzukleben.
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Aus der US Patentschrift Nr.
US 2783749 A ist bekannt, ähnlich der
DE 2140378 A Zylinderlaufbuchsen in einen Motorblock einzukleben, wobei im Gegensatz zu
DE 2140378 A die Zylinderlaufbuchse in der US Patentschrift Nr.
US 2783749 A am oberen und unteren Rand mit dem Motorblock in Verbindung steht. In der US Patentschrift Nr.
US 2783749 A ist die Zylinderlaufbuchse ebenfalls größtenteils von Kühlwasser umgeben und dient im Wesentlichen als freistehender Zylinder, der nur am oberen und unteren Rand direkt mit dem Motorblock in Kontakt steht.
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Die Patentschrift
EP 0790397 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse für Verbrennungskraftmaschinen durch thermisches Aufspritzen von Spritzmaterial, wobei auf die Außenfläche eines als Formkörper dienenden Dorns eine erste Verschleißschicht und darauf eine Deckschicht aufgespritzt wird und anschließend die gebildete Zylinderlaufbuchse vom Dorn abgezogen wird. Diese Patenschrift offenbart insbesondere Zylinderlaufbuchsen mit Wandstärken von größer gleich 1 mm. Diese Patentschrift offenbart ebenfalls eine dreischichtigen Aufbau einer Zylinderlaufbuchse, wobei die Übergänge zwischen den einzelnen Schichten in Radialrichtung gradiert ausgeführt sein können.
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In der Patentschrift
EP 1087124 B1 ist ein Zylinderkurbelgehäuse für insbesondere flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschinen offenbart, das mit im Kurbelgehäuse freistehend angeordneten Zylinderbuchsen versehen ist, die jeweils, über einen Stützbund auf einer kurbelgehäuseseitigen Schulter angeordnet sind und, mittels eines kurbelwellenseitig anschließenden Zentrierbundes mit einer korrespondierenden Kurbelgehäuseausnehmung über einen Kleber in fester Verbindung stehen. Auch in der
EP 1087124 B1 dienen die Zylinderbuchsen als eigenständige Zylinder und sind in der Lage alle Belastungen eines Zylinders aufzunehmen.
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Aus der amerikanischen Patentanmeldung
US 5598818 A ist ein Verfahren zum Herstellen eines Motorblocks bekannt bei dem durch Spritzen hergestellte Laufbuchsen durch Schrumpfpassung in den Zylindern eines Motorblock befestigt werden.
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Aus der Patentschrift
DE 19845347 C1 ist eine Zylinderlaufbuchse zum Einsatz in die Zylinderbohrung eines Metallblocks bekannt, die durch thermisches Spritzen hergestellt wurde, und die an der Außenwand Wanddickenverstärkungen aufweist, die als Rippen ausgebildet sind
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Aus der amerikanischen Patentschrift
US 6463843 B2 ist eine Pumpen-Laufbuchse bekannt die eine zylinderstumpfförmige form aufweist.
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Ausgehend von den bekannten Erfordernissen die innere Oberfläche der Zylinder von Kolbenmaschinen wie beispielsweise Verbrennungskraftmaschinen zu optimieren, ist es wünschenswert, neue Methoden und Vorrichtungen zur Verfügung zu stellen, um die Eigenschaften von Zylinderlaufflächen günstig beeinflussen zu können.
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Es ist ebenfalls wünschenswert, ein neues oder alternatives Verfahren bzw. eine neue oder alternative Vorrichtung zu haben, die eine Verbesserung der tribologischen Eigenschaften einer Zylinderlauffläche einer Kolbenmaschine ermöglicht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Zylinderlaufbuchse, ein Zylinder oder ein Motorblock mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 bereitgestellt. Bevorzugte Ausführungen sind in den Abhängigen Ansprüchen beschrieben. Die dünnwandige Einlage weist eine Wandstärke zwischen 0,8 und 0,2 mm auf, und ist durch thermisches Spritzen hergestellt. Die Zylinderlaufbuchse, der Zylinder oder der Motorblock für eine Kolbenmaschine, ist mit mindestens einer Zylinderinnenfläche bereitgestellt, die mit einer schraubenförmigen Steigung versehen ist, um das im Wesentlichen vollflächige Einkleben einer vorstehend beschriebenen dünnwandigen Einlage zu erleichtern. In dieser Ausführungsform würde die Zylinderlaufbuchse, der Zylinder oder der Motorblock ohne den Einbau einer entsprechenden dünnwandigen Einlage nicht verwendbar sein, da ein etwaiger Kolben einer Kolbenmaschine sich in der schraubenförmigen Steigung verklemmen würde. Die Einsatzfähigkeit wird bei dieser Ausführungsform nur durch eine in den Zylinder eingeklebte dünnwandige Einlage erreicht.
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Durch die vorliegende Erfindung kann eine dünnwandige Einlage für Zylinder von Kolbenmaschinen als Beschichtung für Zylinderlaufbuchsen geschaffen werden, die quasi als „selbstragendes Bauteil” ausgebildet ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zylinderlaufbuchsen, ist die dünnwandige Einlage nicht im Stande, selbst die Belastungen im Betrieb beispielsweise eines Verbrennungsmotors aufzunehmen. Mit einer Wandstärke von weniger als einem Millimeter würde die dünnwandige Einlage bei Belastung mit den Drücken einer Verbrennung sofort bersten, wenn sie nicht durch eine Trägerstruktur wie einer Zylinderlaufbuchse, einem Zylinder oder einem Motorblock vollflächig gestützt wird. Die geringe Wandstärke bedingt zudem, dass auch die Reibungskräfte zwischen Kolben und der dünnwandigen Einlage auf den Zylinder übertragen werden sollten, was bevorzugt durch Einkleben der dünnwandigen Einlage in einen Zylinder bzw. eine Zylinderlaufbuchse erreicht werden kann.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Außenfläche der dünnwandigen Einlage konisch geformt, wobei die Wandstärke am dünneren Ende zwischen 0,2 und 0,35 mm und am dickeren Ende zwischen 0,4 und 0,8 mm beträgt. Durch diese Ausgestaltung kann erreicht werden, dass sich die dünnwandige Einlage leichter in einen Zylinder oder in eine Zylinderlaufbuchse einkleben lässt. Weiterhin erleichtert eine konische Außenkontur der dünnwandigen Einlage die Verteilung eines Klebstoffes zum Einkleben der dünnwandigen Einlage zwischen der Einlage und einem Zylinder oder einer Zylinderlaufbuchse erheblich. Die dünnwandige Einlage weist eine im Wesentlichen zylindrische Innenfläche auf, während sich die Wandstärke bevorzugt von einem kurbelwellenseitigen Ende zu einem Zylinderkopfende um 0,05 bis 0,45 mm erhöht. Die Steigung der konischen Außenfläche der dünnwandigen Einlage kann beispielsweise bei einer dünnwandigen Einlage mit 100 mm Durchmesser und einer Höhe von 150 mm nicht mehr ohne weiters mit bloßem Auge erkannt werden. Die Richtung, in der sich die dünnwandige Einlage konisch verjüngt, ist einfacher an der Wandstärke der dünnwandigen Einlage zu erkennen.
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In einer anderen beispielhaften Ausführungsform weist die dünnwandige Einlage auf der Innenseite mindestens eine Beschichtung auf, ausgewählt aus der Gruppe von Fe, Eisen-Aluminium-Legierungen (FeAL), Kupfer-Aluminium (CuAl) und oder Aluminium-Silizium-Carbid (AlSiC). Die dünnwandige Einlage kann auch weitere Schichten wie beispielsweise Einlaufschichten, Verschleißschutzschichten oder dergleichen aufweisen, die bevorzugt vor dem Material der dünnwandigen Einlage auf den Kern gespritzt werden. Diese Ausführungsform ist darauf gerichtet, der dünnwandigen Einlage eine Schichtstruktur zu verleihen, bei der unterschiedliche Schichten bzw. Beschichtungen baumringartig übereinanderliegen. Es ist jedoch ebenfalls beabsichtigt, die Schichten nur in einem Abschnitt in Axialrichtung oder in Umfangsrichtung aufzubringen. In diesem Fall können unterschiedliche Schichten nebeneinander auf der Innenfläche der dünnwandigen Einlage nebeneinander liegen. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet, beispielsweise Bereiche, in denen Zwickelverschleiß auftritt mit verschleißreduzierenden Schichten zu versehen.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der dünnwandigen Einlage für einen Zylinder einer Kolbenmaschine verändert sich die Porengröße und/oder die Porendichte auf der Innenseite der dünnwandigen Einlage in Längsrichtung und/oder Umfangsrichtung.
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Durch eine Gestaltung der Laufbahn der Einlage mit einer gezielt gesteuerten Porengröße und/oder Porendichte kann der Verschleiß der Zylinderlaufbahn der dünnwandigen Einlage über den Kolbenhub reduziert werden. Somit ist es möglich, den Zwickelbereich (d. h. der Bereich in dem Zwickelverschleiß auftritt) mit einer größeren Porengröße (d. h. mit Mikrodruckkammern) bzw. einer höheren Porendichte zu versehen und damit dem höheren Verschleiß durch größere Flächenpressung entgegenzuwirken. Der untere Zylinderbereich kann dagegen mit kleineren bzw. keinen Poren bzw. einer reduzierten Porendichte versehen sein. Die erhöhten Porengrößen bzw. Porendichten verbessern lokal die Öladhäsion, womit der hydrodynamische Druckaufbau zwischen Kolbenring und Zylinderwand verbessert wird. Dies führt zur Senkung des Zwickelverschleißes sowie zur Reduzierung der Reibleistung.
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Durch eine Anpassung der Mikrostruktur (der Porositäten) innerhalb einer thermisch gespritzten Laufbahn, ist es möglich die Ölrückhaltevolumina zu beeinflussen. Damit kann der Ölverbrauch einer Verbrennungskraftmaschine optimiert werden, beispielsweise indem an besonders anfälligen Bereichen nahe des oberen Totpunktes Mikrodruckkammern den Schmiervorgang aufrechterhalten, während die Hohnoberfläche (zwischen den Totpunkten oder unterhalb des oberen Totpunktes) glatt und ohne Strukturierung ausgeführt ist. Der thermische Spritzprozess kann in weniger verschleißanfälligen Bereichen bzw. in Bereichen mit einem dickeren Ölfilm so eingestellt werden, dass keine Porositäten entstehen und somit das Ölrückhaltevermögen in diesen Bereichen stark reduziert ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Zylinderlaufbuchse, ein Zylinder oder ein Motorblock für eine Kolbenmaschine, bereitgestellt die bzw. der, jeweils mindestens eine konische Zylinderinnenfläche, aufweisen, und die dazu bestimmt sind, das im Wesentlichen vollflächige Einkleben einer vorstehend beschriebenen dünnwandigen Einlage zu erleichtern. In einer Ausführungsform verjüngt sich die Innenfläche des mindestens einen Zylinders um 0,1 bis 0,6 mm, vorzugsweise um 0,2 bis 0,5 mm und weiter bevorzugt zwischen 0,3 und 0,4 mm. Eine derartig konische Zylinderinnenfläche einer Zylinderlaufbuchse, eines Zylinders oder eines Motorblocks würde unweigerlich zu Undichtigkeiten oder zum Verklemmen des Kolbens einer Kolbenmaschine führen.
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Gemäß einem weiteren zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Zylinderlautbuchse für eine Kolbenmaschine bereitgestellt, die auf der Innenseite eine, wie vorstehend beschriebene dünnwandige Einlage aufweist, die im Wesentlichen vollflächig in die Zylinderlaufbuchse eingeklebt ist. Dieser Aspekt stellt lediglich die nächste Stufe der Erfindung dar, quasi eine mit einer eingeklebten dünnwandigen Einlage versehene Zylinderlaufbuchse. Diese Ausführungsform stellt eine mit einer dünnwandigen Einlage innen „beschichtete” Zylinderlaufbuchse dar. Es ist anzumerken, dass explizit die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse, die mit der dünnwandigen Einlage verklebt ist, wie vorstehend beschrieben, konisch sein kann oder mit einer schraubenförmigen Steigung versehen sein kann.
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Gemäß einem weiteren anderen Aspekt wird ein Zylinder für eine Kolbenmaschine bereitgestellt, bei dem in den Zylinder oder in eine Zylinderlaufbuchse des Zylinders eine dünnwandige Einlage wie sie vorstehend beschrieben ist im Wesentlichen vollflächig eingeklebt ist. Es ist anzumerken, dass explizit die Zylinderinnenfläche des Zylinders, mit der die dünnwandige Einlage verklebt ist, wie vorstehend beschrieben konisch ausgeführt sein kann oder mit einer schraubenförmigen Steigung versehen sein kann.
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Gemäß einem weiteren anderen Aspekt wird ein Motorblock für eine Kolbenmaschine mit mindestens einem Zylinder bereitgestellt, bei dem in mindestens einem Zylinder oder in mindestens einer Zylinderlaufbuchse des Motorblocks eine dünnwandige Einlage des vorstehend beschriebenen Typs im Wesentlichen vollflächig eingeklebt ist. Es ist anzumerken, dass explizit die Zylinderinnenflächen der Zylinder des Motorblocks die mit der dünnwandige Einlage verklebt sind, wie vorstehend beschrieben konisch sein können oder auch mit einer schraubenförmigen Steigung versehen sein können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kolbenmaschine bereitgestellt, die mindestens eine der vorstehend beschriebenen Zylinderlaufbuchsen, mindestens einen der vorstehend beschriebenen erfinderischen Zylinder oder mindestens einen der vorstehend beschriebenen Motorblöcke mit jeweils mindestens einer eingeklebten dünnwandige Einlage des vorstehend beschriebenen Typs aufweist.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer dünnwandigen Einlage des vorstehend beschriebenen Typs bereitgestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Bereitstellen eines im wesentlichen zylindrischen Kerns, das Aufspritzen einer rohrförmigen, dünnwandigen Einlage mit einer Wandstärke zwischen 0,2 und 0,8 mm auf den bereitgestellten Kern mittels thermischen Spritzens, das Entfernen des zylindrischen Kerns und das Bearbeiten der Enden und/oder der Außenfläche der dünnwandigen Einlage.
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Insbesondere kann die Reihenfolge des Bearbeitens der Enden und/oder der Außenfläche(n) der dünnwandigen Einlage und das Entfernen des zylindrischen Kerns je nach gewählter Art der Bearbeitung ausgetauscht werden. Als thermische Spritzverfahren kommen insbesondere Schmelzbadspritzen, Lichtbogenspritzen (Drahtlichtbogenspritzen), Plasmaspritzen (unter Atmosphäre, Schutzgas oder niedrigem Druck bzw. Vakuum), Flammspritzen (als Pulverflammspritzen oder Drahtflammspritzen), Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (mit gasförmigem oder flüssigem Brennstoff) oder Laserspritzen in Frage oder deren Kombinationen. So ist es beispielsweise vorgesehen eine innere Schicht der dünnwandigen Einlage durch Drahtlichtbogenspritzen und äußere Schichten durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen herzustellen.
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Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer dünnwandigen Einlage umfasst weiter das Aufbringen mindestens einer Beschichtung ausgewählt aus einer Einlaufschicht, Schichtmaterialien wie Fe, Eisen-Aluminium-Legierungen (FeAl), Kupfer-Aluminium-Legierungen (CuAl) oder Aluminium-Silizium-Carbid (AlSiC) auf den Kern, bevor die dünnwandige Einlage aufgespritzt wird.
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Durch ein ggf. vorgesehenes Trennmittel kann die dünnwandige Einlage später leichter von dem Kern abgezogen werden, und die Einlaufschicht kann ebenfalls das Verhalten am Betriebsbeginn einer Verbrennungsmotors d. h. das Einlaufverhalten verbessern.
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Aufgrund des externen Spritzens der dünnwandigen Einlage kann durch den Einsatz unterschiedlicher, den Anforderungen angepasster Schichtmaterialien wie Fe, Eisen-Aluminium-Legierungen (FeAl), Kupfer-Aluminium-Legierungen (CuAl) oder Aluminium-Silizium-Carbid (AlSiC) die Gestaltung der Laufbahn so gewählt werden, dass der Zylinderlaufbuchsenverschleiß oder besser der Verschleiß der dünnwandigen Einlage des Zylinders (bzw. der Zylinderlaufbuchse) über den Kolbenhub reduziert werden kann.
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In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer dünnwandigen Einlage, wird diese konisch auf den Kern aufgespritzt, wobei die Wandstärke am dünneren Ende zwischen 0,2 und 0,35 mm und am dickeren Ende zwischen 0,4 und 0,8 mm beträgt. Der Kern und somit die Innenfläche der dünnwandigen Einlage wird zylindrisch ausgeführt, und die konische Form der dünnwandigen Einlage entsteht durch eine sich von einem zum anderen Ende der Einlage erhöhende Wanddicke. Die konische Form kann einfach dadurch erzielt werden, dass ein Ende des Kerns länger dem thermischen Spritzen unterworfen wird als das andere.
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In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen einer dünnwandigen Einlage wird der thermische Spritzvorgang in einer Weise gesteuert, dass sich die Porengröße und/oder die Porendichte auf der Innenseite der dünnwandigen Einlage in Längsrichtung und/oder Umfangsrichtung verändert.
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Aufgrund des externen Spritzen der dünnwandigen Einlage können durch den Einsatz unterschiedlicher, den Anforderungen angepasster Spritzparameter die Porengröße und die Porendichte der Laufbahn (bzw. der Innenfläche der Einlage) gezielt gesteuert bzw. beeinflusst werden. Eine optimierte Porengröße und eine optimierte Porendichte können den Verschleiß der dünnwandigen Einlage über den Kolbenhub signifikant reduzieren. Somit ist es beispielsweise möglich, den Zwickelbereich (d. h. der Bereich der Zylinder- bzw. Einlagenlauffläche an dem im Bereich des oberen Totpunktes ein Zwickelverschleiß auftritt) mit einer größeren Porengröße bzw. einer höheren Porendichte zu versehen und damit dem höheren Verschleiß durch größere Flächenpressung entgegenzuwirken. Der untere Zylinderbereich kann dagegen mit kleineren bzw. keinen Poren bzw. einer reduzierten Porendichte versehen werden. Die größeren Poren bzw. die größere Porendichte verbessert lokal die Öladhäsion, womit der hydrodynamische Druckaufbau zwischen Kolbenring und Zylinderwand verbessert wird. Dies führt zur Senkung des Zwickelverschleißes sowie zur Reduzierung der Reibleistung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse, eines erfindungsgemäßen Zylinders oder eines erfindungsgemäßen Motorblocks mit mindestens einem Zylinder einer Kolbenmaschine bereitgestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei das im Wesentliche vollflächige Einkleben einer dünnwandigen Einlage des vorstehend beschriebenen Typs in die Zylinderlaufbuchse, den Zylinder, die Zylinderlaufbuchse des Zylinders, oder in den mindestens einen Zylinder, oder in mindestens eine Zylinderlaufbuchse des Motorblocks.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren von beispielhaften Ausführungsformen erläutert, die lediglich zur Veranschaulichung der Erfindung dienen sollen und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzbereich der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist einzuschränken. Die Figuren sind insbesondere nicht maßstabgerecht sondern stellen die Erfindung lediglich schematisch dar.
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1 zeigt einen Querschnitt durch einen herkömmliches Motorgehäuse mit einer eingeklebten erfindungsgemäßen dünnwandigen Einlage.
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2 zeigt einen Querschnitt durch ein herkömmliche Zylinderlaufbuche mit einer eingeklebten erfindungsgemäßen dünnwandigen Einlage.
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3 bis 4 zeigen verschiedene Querschnittsansichten durch die Wand verschiedener herkömmlicher Zylinder mit eingeklebten, erfindungsgemäßen dünnwandigen Einlagen.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht durch die Wand eines erfindungsgemäßen Zylinders mit eingeklebter, erfindungsgemäßer dünnwandiger Einlage.
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6 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine herkömmliche Zylinderlaufbuche mit einer eingeklebten erfindungsgemäßen dünnwandigen Einlage mit Abschnittsweise unterschiedlicher Porengröße bzw. Porendichte.
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1 zeigt eine Teilquerschnittsansicht durch ein herkömmliches Motorgehäuse 16, einen herkömmlichen Motorblock 16 oder einen herkömmlichen Zylinder 14 mit einer eingeklebten dünnwandigen Einlage 2. Die Wandstärke 8 der dünnwandigen Einlage 2 beträgt zwischen 0,2 und 0,8 mm und ist in der Figur nicht maßstabsgerecht sondern nur schematisch wiedergegeben. Die dünnwandige Einlage 2 ist mit einem Klebespalt 10 von 30 bis 50 μm mit dem Motorblock 16 bzw. dem Zylinder 14 verklebt. Der Klebespalt 10 ist ebenfalls nicht maßstabgerecht, sondern nur schematisch wiedergegeben. Der Motorblock 16 bzw. der Zylinder 14 ist mit Kühlwasserkanälen 42 versehen, die neben der Zylinderbohrung dargestellt sind.
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2 zeigt einen Querschnitt durch eine herkömmliche Zylinderlaufbuche 12 mit einer eingeklebten erfindungsgemäßen dünnwandigen Einlage 2. Der Aufbau entspricht dem der 1, mit dem Unterschied, dass die dünnwandige Einlage 2 nicht mit einem Zylinder 14 sondern mit einer Zylinderlaufbuche 12 verklebt ist.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht durch die Wand eines Zylinders 24, eines Motorblocks 26 bzw. -gehäuses oder einer Zylinderlaufbuche 22, die jeweils eine konische Zylinderbohrung aufweisen. Durch die konische Zylinderbohrung ist es einfacher möglich, die dünnwandige Einlage 2 mit der konischen Zylinderbohrung zu verkleben, insbesondere wird es vereinfacht, die dünnwandigen Einlagen 2 in die Zylinderbohrung eines Zylinders 24, eines Motorblocks 26 bzw. -gehäuses oder einer Zylinderlaufbuche 22 einzuführen. In 3 wird der Ausgleich zwischen der konischen Zylinderbohrung und der zylinderförmigen Außenfläche der dünnwandigen Einlage 2 durch einen konischen Klebespalt 6, 10 erreicht. Der Klebespalt 6, 10 bildet in 3 einen Hohlkegelstumpf mit zylindrischer Innenfläche. Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit kann der in 4 verwendete Klebstoff 6 beispielsweise mit Aluminium-, Kupfer-, oder Graphitpartikeln angereichert sein.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht durch die Wand eines Zylinders 24, eines Motorblocks 26 bzw. -gehäuses oder einer Zylinderlaufbuche 22, die jeweils eine konische Zylinderbohrung aufweisen. Durch die konische Zylinderbohrung ist es einfacher möglich, die dünnwandige Einlage 2 mit der konischen Zylinderbohrung zu verkleben, insbesondere wird es vereinfacht die dünnwandigen Einlagen in die Zylinderbohrung eines Zylinders 24, eines Motorblocks 26 bzw. -gehäuses oder einer Zylinderlaufbuche 22 einzuführen. In 4 wird der Ausgleich zwischen der konischen Zylinderbohrung und der zylinderförmigen Innenfläche der dünnwandigen Einlage 4 durch eine dünnwandige Einlage 4 mit konischer Außenfläche erzielt. Die in 4 dargestellte dünnwandige Einlage 4 bildet einen Hohlkegelstumpf mit zylindrischer Innenfläche. Die konische dünnwandige Einalge 4 ist nur leicht konisch, wobei sich die Wanddicke zwischen oberem und unteren Ende der dünnwandigen Einlage nur um einen Betrag zwischen 0,1 und 0,6 mm ändert. Damit ändert sich der Außendurchmesser der dünnwandigen Einlage 4 zwischen dem oberen und dem unteren Ende der Einlage 4 um 0,2 bis 1,2 mm. Der Klebespalt 6, 10 bildet in 4 einen Hohlkegelstumpf mit im Wesentlichen konstanter Wandstärke 10. In 4 kann auf eine Anreicherung des Klebstoffs 6 mit Aluminium-, Kupfer-, oder Graphitpartikeln zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit verzichtet werden, da ein konstant kleiner Klebespalt 10 von 30 bis 50 μm erzielt werden kann.
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In 5 ist eine Querschnittsansicht durch die Wand eines erfindungsgemäßen Zylinders, eines erfindungsgemäßen Motorblocks bzw. -gehäuses oder einer erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuche gezeigt, mit deren Zylinderinnenfläche eine dünnwandige Einlage 2 vollflächig verklebt ist. Die Innenfläche der Zylinderbohrung ist mit einer schraubenförmigen Steigung 44 versehen, um den Klebevorgang d. h. das Einbringen der dünnwandigen Einlage 2 zu unterstützen. Es ist nur eine Seite der Zylinderbohrung dargestellt, und die schraubenförmige Steigung 44 ist angedeutet. Es sollte klar sein, dass die schraubenförmige Steigung 44 nur schematisch dargestellt ist. Bevorzugt kann die schraubenförmige Steigung 44 auch mit einer konischen Zylinderbohrung kombiniert werden, wobei dann bevorzugt eine konische dünnwandige Einlage 4 verwendet wird wie sie beispielsweise in 4 dargestellt ist. Wie in 3 kann auch hier der Klebstoff 6 mit Aluminium-, Kupfer-, oder Graphitpartikeln angereichert sein, um den Wärmetransport von der dünnwandigen Einlage zu einem Zylinder 23, einem Motorblock 36 bzw. -gehäuse oder einer Zylinderlaufbuchse 32 zu verbessern.
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6 zeigt eine Querschnittsansicht durch die Wand eines herkömmlichen Zylinders 14, eines Motorblocks 16 bzw. -gehäuses oder einer Zylinderlaufbuche 12 mit einer eingeklebten dünnwandigen Einlage 2. Die dünnwandige Einlage 2 ist im oberen Bereich 20 mit größeren Poren und/oder einer größeren Porendichte oder speziellen Schichtmaterialien versehen. Durch den Einsatz unterschiedlicher, den Anforderungen angepasster Schichtmaterialien (Fe, FeAl, CuAl, AlSiC...) bzw. der Gestaltung der Laufbahn durch gezielt gesteuerte Porengrößen kann der Zylinderlaufbuchsenverschleiß über den Kolbenhub signifikant reduziert werden. Somit ist es möglich, den Zwickelbereich (d. h. den Bereich einer Zylinderlauffläche an dem Zwickelverschleiß auftritt) mit einer größeren Porengröße (Mikrodruckkammern) bzw. einer höheren Porendichte zu versehen und damit dem höheren Verschleiß durch größere Flächenpressung entgegenzuwirken. Der untere Bereich der Zylinderlauffläche (der dünnwandigen Einlage) kann dagegen mit kleineren/keinen Poren bzw. einer reduzierten Porendichte versehen oder einem einfacheren Schichtmaterial versehen sein. Die größeren Poren bzw. die höhere Porendichte verbessert lokal die Öladhäsion, womit der hydrodynamische Druckaufbau zwischen Kolbenring und Zylinderwand verbessert werden kann. Dies führt zur Senkung des Zwickelverschleißes sowie zur Reduzierung der Reibungsverluste.
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Durch Anpassung der Mikrostruktur (wie Porenzahl und Porendichte) innerhalb einer thermisch gespritzten Laufbahn, ist es möglich, das Ölrückhaltevermögen der Oberfläche zu beeinflussen. Damit wird wiederum der Ölverbrauch optimiert, d. h. in besonders anfälligen Bereichen (z. B. am oberen Totpunkt) können Mikrodruckkammern (Poren) den Schmiervorgang aufrechterhalten während der gehonte Teil der Zylinderlauffläche glatt und ohne Strukturierung ausgeführt sein kann. Der Spritzprozess kann in weniger verschleißanfälligen Bereichen bzw. in Bereichen mit einem dickeren Ölfilm so eingestellt werden, dass keine Poren entstehen und somit das Ölhaltefähigkeit stark reduziert wird.
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Es wird hier explizit darauf hingewiesen, dass die in 6 dargestellte Porenverteilung auch bei der dünnwandigen Einlage sie in 5 dargestellt ist, verwendet werden kann.
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Diese Erfindung kann im automotiven Bereich und bei mittelschnell-laufenden Dieselmotoren sowie in industriellen Anwendungen wie stationären Motoren/Generatoren/Notstromgeneratoren eingesetzt werden.
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Die Einlage wird mittels thermischen Spritzens erzeugt. Vorzugsweise kann Lichtbogen-Drahtspritzverfahren verwendet werden. Mit der vorliegenden Erfindung können sowohl verschiedene Werkstoffe für Laufflächenabschnitte zwischen oberen und unteren Totpunkt als auch Variationen der Mikrostruktur innerhalb der Schicht (Porositäten, Härte), durch Variation der Spritzprozessparameter zwischen oberem und unterem Totpunkt zum Einsatz kommen.
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Die so hergestellte Einlage mit einer maximalen Wandstärke 8 von 0,8 mm und vorzugsweise einer minimalen Wandstärke 8 von 0,2 mm, kann sowohl in Aluminium-Motorblöcken (oder Zylindern) als auch in Zylinderlaufbuchsen 12 eingesetzt werden. Die Verbindung mit der Zylinderbohrung erfolgt durch einen Klebevorgang. Der Klebstoff 6 selbst kann ein Einkomponentenkleber auf Methacrylatbasis mit anaerober Aushärtung, oder ein Zweikomponentenkleber auf Epoxidharzbasis sein. Erforderlich sind eine gute Fließeigenschaft (mit einer Viskosität nach DIN 54 453 < 400 mPa s bzw. < 1000 thix mPa s Brookfield), um Klebespalte von weniger als 100 μm, und bevorzugt zwischen 30–50 μm, erreichen zu können. Es ist vorgesehen einen Kompositklebstoff mit einem gut leitenden Füllstoff z. B. Aluminium, Kupfer, Graphit zu verwenden, um die Wärmeleitfähigkeit der Klebeschicht zu verbessern. Um eine gute Klebeverbindung zu erzielen, wird eine Kalt-Aushärtung bevorzugt, wobei Warm-Aushärtung ebenfalls möglich ist, da die Kolbenmaschine als Verbrennungsmotor ebenfalls höheren Temperaturen ausgesetzt wird. Die Oberflächen der Klebeteile (d. h. die Außenfläche der dünnwandigen Einlage, und die Zylinderbohrung des Motorblocks oder der Zylinderlaufbuchse 12), welche mit dem Klebstoff in Kontakt kommen, sollten eine Rauhigkeit kleiner Rz 63, vorzugsweise kleiner Rz 25 aufweisen. Dabei ist es denkbar, das Gegenstück zur Einlage innerhalb der oben beschriebenen Rauhigkeit mit einer schraubenförmigen Steigung zu versehen, um den Klebevorgang dh Einbringung der Einlage zu unterstützen.
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Zum Einsatz in einem Verbrennungsmotor mit hohen Zylindertemperaturen sollte eine Klebeverbindung gewählt werden, deren Temperaturbeständigkeit über 200°C liegt. Der so entstandene Klebeverbund sollte eine Haftabzugskraft von min. 20 N/mm2 aufweisen. Das Einbringen der Einlage in das Motorgehäuse bzw. in eine Zylinderlaufbuchse 12 erfolgt idealerweise in einer schraubenförmigen Bewegung um eine bessere und gleichmäßigere Verteilung des Klebstoffes auf den Kontaktflächen zu erzielen.
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Durch das Einkleben der dünnwandigen Einlage lässt sich eine Verbesserung der Spannungsverteilung im Gehäuse im Vergleich zu durch thermisches Fügen oder mit Presspassung zusammengefügten Motorblock/Zylinderlaufbuchsen-Paarungen erreichen. Diese Verbesserung wirkt sich besonders im Stegbereich zwischen zwei benachbarten Zylindern aus. Gegenüber einer thermischen Einbringung wie z. B. Schweißen oder Löten treten bei dem Verkleben auf Grund der fehlenden Temperaturbelastung keine Gefügeveränderungen oder Verspannungen im Bauteil auf. Kleine Klebespalte eigenen sich zudem, um Relativbewegungen (Schubbeanspruchungen) abzugleichen und somit weitere Spannungen, die durch „Bimetalleffekte” zwischen der dünnwandigen Einlage und dem Zylinder, dem Motorblock oder der Zylinderlaufbuchse 12 hervorgerufen werden, zu reduzieren.
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Die Fertigungskosten von thermisch gespritzten Zylinderlaufbuchsen werden vom eingesetzten Beschichtungswerkstoff und in entscheidender Weise von der Wandstärke 8 der hergestellten Zylinderlaufbuchsen beeinflusst. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zylinderlaufbuchsen, die als einzugießende Buchse ausgeführt sind, wird die erfindungsgemäße dünnwandige Einlage 2 mit einer Wandstärke 8 von nur 0,2 bis 0,8 mm hergestellt. Da durch das Einkleben der Einklage in ein Gehäuse oder Zylinderlaufbuchse 12 keine Verzüge wie z. B. beim Eingießen auftreten, kann die Wandstärke 8 der dünnwandigen Einlage 2 im Gegensatz zu einer herkömmlichen Zylinderlaufbuchse um ein vielfaches dünner und damit auch kostengünstiger sein.
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Im Gegensatz zu Innenbeschichtungen, können diese extern gespritzten dünnwandigen Einlagen wesentlich einfacher und prozesssicherer hergestellt werden. Auf Grund des Einklebens und des Klebespalts kann auf einen hochgenauen Fügeprozess verzichtet werden.