DE102012220258A1

DE102012220258A1 - Verfahren zum Beschichten einer Laufbahn eines Trochoidengehäuse eines Kreiskolbenmotors und Trochoidengehäuse mit beschichteter Laufbahn

Info

Publication number: DE102012220258A1
Application number: DE102012220258.7A
Authority: DE
Inventors: Marko Gollasch; Dankwart Eiermann
Original assignee: Wankel SuperTec GmbH
Current assignee: Wankel SuperTec GmbH
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2014-05-22
Also published as: HK1212739A1; CA2890415A1; EP2917387A2; US20150292101A1; WO2014072152A2; WO2014072152A3; CN104937145A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Laufbahn (2) eines Trochoidengehäuses (1) eines Kreiskolbenmotors, dadurch gekennzeichnet, dass in die Laufbahn (2) eine umlaufende Ausnehmung (5) eingebracht wird, welche an mindestens einem Übergangsbereich zu einer Seitenfläche (3) des Trochoidengehäuses (1) von einem Steg (6) begrenzt wird. Die Erfindung betrifft weiter ein Trochoidengehäuse (1) mit beschichteter Laufbahn (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Laufbahn eines Trochoidengehäuses eines Kreiskolbenmotors und ein Trochoidengehäuse mit beschichteter Laufbahn.
Kreiskolbenbrennkraftmaschinen oder kurz Kreiskolbenmaschinen oder Kreiskolbenmotoren (KKM) mit einem dreieckförmigen Kolbenläufer und einem Trochoidengehäuse werden im Zusammenhang mit der Anmeldung auch als Kreiskolbenmotoren der Bauart Wankel bezeichnet. Kreiskolbenmotoren umfassen neben dem Kolbenläufer und dem Trochoidengehäuse, üblicherweise zwei Seitenteile und eine Exzenterwelle mit einem Exzenter. Der Kolbenläufer schließt mit dem Trochoidengehäuse drei Arbeitskammern ein, in welchen bei Drehung des Kolbenläufers ein Viertaktprozess abläuft.
Bei Kreiskolbenmotoren der Bauart Wankel ist es aus Gewichtsgründen bekannt, Trochoidengehäuse aus Aluminiumguss zu verwenden. Um einen Verschleiß an einer Laufbahn des Trochoidengehäuses aus Aluminium zu reduzieren, ist es bekannt, die Laufbahn mit einer verschleißfesten Oberflächenbeschichtung zu versehen. Insbesondere ist es bekannt, eine Beschichtung mit Keramikpartikeln aufzubringen. Zum Beschichten wird das Material für die Beschichtung mit Aufmaß aufgetragen und die beschichtete Oberfläche wird anschließend mit Schleifscheiben fertig bearbeitet. Bei einem bekannten Verfahren wird im Übergangsbereich von der Laufbahn zu einer Seitenfläche des Trochoidengehäuses eine Fase vorgesehen. Die Beschichtung wird so aufgetragen und nachbearbeitet, dass das beschichtete Trochoidengehäuse eine scharfe Kante im Übergangsbereich von der Laufbahn zu den Seitenflächen aufweist. Es besteht jedoch die Gefahr, dass die relativ spröde Beschichtung nach dem Schleifen an den scharfen Kanten Abplatzungen aufweist. Derartige Trochoidengehäuse sind als Ausschussteile nicht verwendbar.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Beschichten einer Laufbahn eines Kreiskolbenmotors und einen Kreiskolbenmotor mit beschichteter Laufbahn zu schaffen, durch welche Abplatzungen an den Kanten vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Kreiskolbenmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Gemäß einem ersten Aspekt der Anmeldung wird ein Verfahren zum Beschichten einer Laufbahn eines Trochoidengehäuses eines Kreiskolbenmotors geschaffen, bei welchem in die Laufbahn eine umlaufende Ausnehmung eingebracht wird, welche an mindestens einem Übergangsbereich zu einer Seitenfläche des Trochoidengehäuses von einem Steg begrenzt wird.
Die Beschichtung wird in die Ausnehmung eingebracht. Durch den mindestens einen Steg ist die empfindliche Beschichtung seitlich vor Beschädigungen geschützt.
Um Leckstellen zwischen dem Trochoidengehäuse und den an dessen Seitenflächen angeordneten Seitenteilen zu vermeiden, sind scharfe Kanten im Übergangsbereich zwischen der Laufbahn und den Seitenflächen vorzusehen. Durch den mindestens einen Steg werden Probleme eines unzureichenden Kantenaufbaus der Beschichtung an dem Übergangsbereich vermieden. Der mindestens eine Steg verhindert auch ein Abplatzen der Kanten bei einer Bearbeitung.
Ein Einarbeiten der Ausnehmung erfolgt in einer Ausgestaltung beim Gießen. In vorteilhaften Ausgestaltungen werden die Ausnehmungen nach dem Gießen eingearbeitet, beispielsweise mittels CNC-Fräsen.
Vorzugsweise wird eine Ausnehmung eingearbeitet, die an beiden Übergangsbereichen zu den zwei Seitenflächen jeweils von einem Steg begrenzt wird.
In einer Ausgestaltung wird die Ausnehmung mit einer Tiefe eingebracht, welche einem Maß einer gewünschten Schichtdicke zuzüglich einer Bearbeitungszugabe entspricht. Die beschichtete Oberfläche wird durch Schleifen oder dergleichen fertigbearbeitet, wobei an den Stegen Material abgetragen wird. Eine bei der Bearbeitung abzutragende Materialdicke ist durch die Bearbeitungszugabe berücksichtigt. Nach der Bearbeitung liegt somit die Beschichtung oberflächenbündig zwischen den Stegen, wobei die Beschichtung die gewünschte Schichtdicke aufweist.
In einer Ausgestaltung wird die Ausnehmung so eingebracht, dass mindestens ein schmaler Steg, vorzugsweise zwei schmale Stege stehen bleiben. Als „schmale Stege“ werden dabei Stege bezeichnet, deren Breite an der freien Oberfläche im zehntel Millimeterbereich liegt. Es hat sich herausgestellt, dass schmale Stege ausreichend sind, um die Beschichtung seitlich vor Beschädigungen zu schützen. Gleichzeitig wird eine Kontaktfläche der Stege zu dem Kolbenläufer und damit ein Verschleiß an den Stegen gering gehalten.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Ausnehmung so eingebracht wird, dass die Ausnehmung in einem Winkel zu dem mindestens einen Steg ausläuft. In anderen Worten weist die Ausnehmung einen trapezförmigen Querschnitt auf. Dadurch werden Stege mit einem verstärkten Fußbereich geschaffen, welche eine hohe Festigkeit bei einer geringen Breite an den freien Oberflächen aufweisen.
In einem auf die Ausformung der Ausnehmung folgenden Schritt wird in die Ausnehmung und/oder an dem mindestens einen Steg eine Beschichtung aufgetragen. Die Beschichtung wird mit einem Aufmaß für eine Fertigbearbeitung aufgebracht.
In einer Ausgestaltung wird an der Ausnehmung und/oder an dem mindestens einen Steg vor dem Auftragen der Beschichtung eine Schutzschicht, insbesondere mittels Hartcoatieren, erzeugt wird. Hartcoatieren, auch bekannt als Harteloxieren oder Hartanodisieren bezeichnet eine elektrolytische Oxidation von Aluminiumwerkstoffen, um eine Schutzschicht zu erzeugen. Durch die Schutzschicht wird insbesondere ein Korrosionsschutz erreicht. Ein Hartcoatieren kann sich jedoch negativ auf Verschleißeigenschaften der Laufbahn auswirken. Durch die Kombination mit einer anschließenden Beschichtung wird ein Korrosionsschutz und ein Verschleißschutz erzielt.
In einer weiteren Ausgestaltung werden vor dem Auftragen der Beschichtung die Seitenflächen bearbeitet, wobei die Bearbeitung vorzugsweise konzentrisch erfolgt. In einer Ausgestaltung erfolgt eine Bearbeitung durch Plandrehen. Das Verfahren ermöglicht es, die Seitenflächen des Trochoidengehäuses vor der Beschichtung bereits fertig zu bearbeiten, wobei die Seitenflächen nach der Beschichtung nicht mehr geschliffen werden müssen.
Um zu verhindern, dass die Beschichtung auf die Seitenflächen gelangt, werden die bearbeiteten Seitenflächen in vorteilhaften Ausgestaltungen vor dem Auftragen der Beschichtung maskiert. Eine derartige Maskierung ist dank der Stege einfach möglich.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Trochoidengehäuse für einen Kreiskolbenmotor aus einem Gehäusematerial, vorzugsweise aus Aluminium und/oder aus einer Aluminium-Legierung, mit beschichteter Laufbahn geschaffen, wobei ein Beschichtung an der Laufbahn an mindestens einem Übergangsbereich zu einer Seitenfläche des Trochoidengehäuses, vorzugsweise an beiden Übergangsbereichen zu den Seitenflächen, von einem Steg aus dem Gehäusematerial begrenzt ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in den Zeichnungen schematisch dargestellt ist. Für gleiche oder ähnliche Bauteile werden in den Zeichnungen einheitliche Bezugszeichen verwendet. Als Teil eines Ausführungsbeispiels beschriebene oder dargestellte Merkmale können ebenso in einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform der Erfindung zu erhalten.
In den Zeichnungen zeigen schematisch:
1 ein Trochoidengehäuse eines Kreiskolbenmotors mit einer Laufbahn in einer perspektivischen Darstellung;
2 einen Querschnitt durch das Trochoidengehäuse gemäß 1 mit einer Laufschicht an der Laufbahn;
3a: ein Detail III des Querschnitts gemäß 2 nach einer Vorbearbeitung für ein Beschichten der Laufbahn;
3b: das Detail III des Querschnitts gemäß 2 nach Aufbringen einer Beschichtung an der Laufbahn;
3c: das Detail III des Querschnitts gemäß 2 nach Beendigung des Verfahrens zum Beschichten der Laufbahn und.
4: ein Detail IV des Querschnitts gemäß 3 nach Beendigung des Verfahrens zum Beschichten der Laufbahn in einer vergrößerten Darstellung.
1 zeigt schematisch in einer perspektivischen Darstellung ein Trochoidengehäuse 1 eines Kreiskolbenmotors mit einer Laufbahn 2. Im Betrieb ist in das Trochoidengehäuse 1 ein nicht dargestellter, rotierender, dreieckförmiger Kolbenläufer eingesetzt. An den Seitenflächen 3 des Trochoidengehäuses 1 werden nicht dargestellte Seitenteile, auch als Seitengehäuse bezeichnet, angeordnet. Der Kolbenläufer kontaktiert mit seinen Spitzen oder Kolbenecken die Laufbahn 2 und schließt mit dem Trochoidengehäuse 1 drei Arbeitskammern ein, in welchen bei Drehung des Kolbenläufers ein Viertaktprozess abläuft. An den Kolbenecken des Kolbenläufers sind dabei üblicherweise Dichtleisten vorgesehen, welche die Arbeitskammern gegeneinander im Betrieb abdichten. Das Trochoidengehäuse 1 ist aus einem Gehäusematerial, beispielsweise aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung.
2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch das Trochoidengehäuse 1 gemäß 1, wobei an der Laufbahn 2 eine als Laufschicht bezeichnete Beschichtung 4 aufgebracht ist. Die Beschichtung 4 ist aus zwei Stegen 6 aus dem Gehäusematerial angeordnet.
3a bis 3c zeigen ein Detail III des Querschnitts gemäß 2 nach verschiedenen Schritten eines Verfahrens für ein Beschichten der Laufbahn 2. 4 zeigt ein Detail IV des Querschnitts gemäß 3 nach Beendigung des Verfahrens zum Beschichten der Laufbahn 2 in einer vergrößerten Darstellung.
Wie in 3a dargestellt, wird bei dem Verfahren für ein Beschichten der Laufbahn 2 zunächst an einer Innenseite des Trochoidengehäuses 1 eine Ausnehmung 5 eingebracht. Im Unterschied zu herkömmlichen Beschichtungsverfahren wird die Laufbahn 2 nicht durchgehend flächig vorbearbeitet. Vielmehr erfolgt einer Herstellung der Ausnehmung 5 derart, dass an Rändern, d.h. im Übergangsbereich von der Laufbahn 2 zu den Seitenfläche 3, schmale Stege 6 des Gehäusematerials stehen bleiben.
Die Ausnehmung 5 wird in einer Ausgestaltung mittels CNC-Fräsen eingebracht. Eine Tiefe der Ausnehmung 5 wird so gewählt, dass die Tiefe dem Maß der gewünschten Schichtdicke zusätzlich einer Bearbeitungszugabe entspricht.
Wie in 3a erkennbar ist, läuft die Ausnehmung 5 in einem Winkel zu den Stegen 6 aus. Eine Breite der Stege 6 in der Laufbahn ist möglichst gering und liegt in einer Ausgestaltung im zehntel Millimeterbereich.
Wie in 3b dargestellt, wird in einem nachfolgenden Schritt des Verfahrens für ein Beschichten der Laufbahn 2 die Beschichtung 4 aufgebracht. Ein Aufbringen der Beschichtung 4 erfolgt dabei mit einem Aufmaß, wobei auch an den Stegen 6 eine Beschichtung aufgebracht wird. Die Beschichtung 4 wird vorzugsweise so aufgebracht, dass kein Material auf die Seitenflächen 3 gelangt. Dadurch ist es möglich, auf ein Schleifen der Seitenflächen 3 nach einer Beschichtung zu verzichten und so eine Fertigung zu vereinfachen. Um zu vermeiden, dass eine Beschichtung auf die Seitenflächen 3 gelangt, werden die Seitenflächen 3 in einer Ausgestaltung maskiert.
Wie in 3c dargestellt, erfolgt in einem weiteren Schritt des Verfahrens für ein Beschichten der Laufbahn 2 eine Bearbeitung der beschichteten Oberfläche, beispielsweise mittels Schleifen. Als Ergebnis wird eine beschichtete Laufbahnoberfläche 2a (siehe 4) geschaffen, welche durch die Stege 6 seitlich begrenzt ist.
Wie oben erwähnt, ist eine Tiefe der Ausnehmung 5 so gewählt, dass die Tiefe dem Maß der gewünschten Schichtdicke zusätzlich einer Bearbeitungszugabe entspricht. Bei der Bearbeitung der Oberfläche nach dem Aufbringen der Beschichtung wird die Bearbeitungszugabe an den Stegen 6 und der Beschichtung abgetragen. Nach der Bearbeitung liegt die Beschichtung 4 bündig zwischen den freien Oberflächen der Stege 6, sodass die Beschichtung 4 die gewünschte Schichtdicke aufweist.
Wie insbesondere das Detail IV gemäß 4 zeigt, verbleibt in den kritischen Randbereichen des Trochoidengehäuses 1 ein seitlicher Steg 6 aus dem Gehäusematerial. Dabei ist eine scharfe Kante im Übergangsbereich zwischen der Laufbahn 2 und den Seitenflächen 3 geschaffen, durch welche sichergestellt ist, dass keine Leckstellen beim metallischen Kontakt zu den nicht dargestellten Seitengehäusen entstehen. Durch die Stege 6 wird weiter die empfindliche Laufschicht seitlich vor Beschädigungen geschützt.

Claims

Verfahren zum Beschichten einer Laufbahn (2) eines Trochoidengehäuses (1) eines Kreiskolbenmotors, dadurch gekennzeichnet, dass in die Laufbahn (2) eine umlaufende Ausnehmung (5) eingebracht wird, welche an mindestens einem Übergangsbereich zu einer Seitenfläche (3) des Trochoidengehäuses (1) von einem Steg (6) begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (5) an beiden Übergangsbereichen zu den zwei Seitenflächen (3) jeweils von einem Steg (6) begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (5) mit einer Tiefe eingebracht wird, welche einem Maß einer gewünschten Schichtdicke zuzüglich einer Bearbeitungszugabe entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet, dass die Ausnehmung so eingebracht wird, dass mindestens ein schmaler Steg (6), vorzugsweise zwei schmale Stege (6) stehen bleiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (5) so eingebracht wird, dass die Ausnehmung (5) in einem Winkel zu dem mindestens einen Steg (6) ausläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet, dass in die Ausnehmung (5) und/oder an dem mindestens einen Steg (6) eine Beschichtung (4) aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet, dass an der Ausnehmung (5) und/oder an dem mindestens einen Steg (6) vor dem Auftragen der Beschichtung (4) eine Schutzschicht, insbesondere mittels Hartcoatieren, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet, dass vor dem Auftragen der Beschichtung (4) die Seitenflächen (3) bearbeitet werden, wobei die Bearbeitung vorzugsweise konzentrisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet, dass die bearbeiteten Seitenflächen vor dem Auftragen der Beschichtung (5) maskiert werden.
Trochoidengehäuse für einen Kreiskolbenmotor aus einem Gehäusematerial mit beschichteter Laufbahn, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung an der Laufbahn (2) an mindestens einem Übergangsbereich zu einer Seitenfläche (3) des Trochoidengehäuses (1), vorzugsweise an beiden Übergangsbereichen zu den Seitenflächen (3), von einem Steg (6) aus dem Gehäusematerial begrenzt ist.