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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse aus einem Gusseisenwerkstoff für ein Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Baueinheit aus mindestens einer Zylinderlaufbuchse aus einem Gusseisenwerkstoff und einem Zylinderkurbelgehäuse für einen Verbrennungsmotor, mit mindestens einem der mindestens einen Zylinderlaufbuchse zugeordneten Kühlmittelraum. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Zylinderlaufbuchse.
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In Verbrennungsmotorenwerden „nasse” und „trockene” Zylinderlaufbuchsen unterschieden. Bei nassen Zylinderlaufbuchsen, insbesondere in Nutzfahrzeugen, ist ein Kühlmittelraum in das Zylinderkurbelgehäuse integriert und zwischen dem Zylinderkurbelgehäuse und der Zylinderlaufbuchse ausgebildet. Hierbei besteht die Gefahr, dass die Zylinderlaufbuchse, die in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel steht, durch Kavitation im Kühlmittel beschädigt wird. Die Kavitation wird bspw. durch hochfrequente Schwingungen hervorgerufen, die durch die Gaskräfte im Brennraum und die Stoßimpulse bei der Kolbenseitenbewegung erzeugt werden. Diese hochfrequenten Schwingungen werden insbesondere über die Zylinderlaufbuchse auf das Kühlmittel übertragen. Die bei einer Kavitation typischen extremen Druck- und Temperaturspitzen rufen dabei Beschädigungen im Werkstoff der Zylinderlaufbuchse, insbesondere in der äußeren Mantelfläche, hervor. Diese Gefahr besteht insbesondere dann, wenn die Zylinderlaufbuchse aus einem Gusseisenwerkstoff hergestellt ist, da dieser Werkstoff aufgrund der Graphiteinschlüsse (Kugelgraphit oder Lamellengraphit) eine vergleichsweise inhomogene Struktur aufweist. Diese inhomogene Struktur ist für derartige extreme Druck- und Temperaturspitzen besonders anfällig, so dass Werkstoffpartikel aus der Zylinderlaufbuchse herausbrechen können. Daraus kann sich ein Lochfraß entwickeln, wodurch Kühlmittel in Richtung der Zylinderlaufbuchse oder des Kurbelgehäuses austreten kann.
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Um eine Zylinderlaufbuchse kavitationsbeständig auszubilden, ist es daher sinnvoll, den kavitationsgefährdeten Bereich der äußeren Mantelfläche zu bewehren. Im Stand der Technik sind bspw. eine Bewehrung auf der Basis von galvanisch abgeschiedenem Nickel oder Chrom bekannt. Ferner ist eine Bewehrung in einer eng an die äußere Mantelfläche anliegenden Hülse aus einem Werkstoff auf der Basis von Stahl bekannt. Beide Maßnahmen weisen den Nachteil auf, dass eine kavitationshemmende Wirkung nur bei vergleichsweise dicken Schichten beobachtet wird. Dies führt zu einem unerwünscht hohen Gewicht der Zylinderlaufbuchse und ist in der Serienfertigung unwirtschaftlich.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gattungsgemäße Zylinderlaufbuchse bzw. eine gattungsgemäße Baueinheit aus mindestens einer Zylinderlaufbuchse und einem Zylinderkurbelgehäuse so weiterzubilden, dass die Gefahr von Kavitationsschäden verringert oder gar vermieden wird, ohne das Gewicht der Zylinderlaufbuchse in unvorteilhafter Weise zu erhöhen.
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Eine erste Lösung besteht darin, dass zumindest ein Teilbereich der äußeren Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse eine mittels eines MIG- oder WIG-Schweißverfahrens aufgetragene Beschichtung aus unlegiertem Stahl aufweist. Eine korrespondierende erfindungsgemäße Baueinheit zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Teilbereich der äußeren Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse von einer dem mindestens einen Kühlmittelraum zugekehrten, mittels eines MIG- oder WIG-Schweißverfahrens aufgetragenen Beschichtung aus unlegiertem Stahl oder austenitischem Stahl umgeben ist. Ein korrespondierendes erfindungsgemäßes Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: (a) Reinigen und Vorbearbeiten der äußeren Mantelfläche einer unbeschichteten Zylinderlaufbuchse oder eines Rohlings einer Zylinderlaufbuchse; (b) Erwärmen der unbeschichteten Zylinderlaufbuchse bzw. des Rohlings auf eine Temperatur von 150°C bis 450°C; (c) Aufbringen einer Beschichtung aus unlegiertem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,20 Gew.-% oder aus austenitischem Stahl zumindest auf einen Teilbereich der äußeren Mantelfläche mittels eines MIG- oder WIG-Schweißverfahrens; (d) Spannungsarmglühen der Zylinderlaufbuchse bei 450°C bis 550°C; (e) spanendes Bearbeiten zum Fertigstellen der Zylinderlaufbuchse.
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Eine zweite Lösung besteht darin, dass zumindest ein Teilbereich der äußeren Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse eine mittels eines Schweißverfahrens aufgetragene Beschichtung aufweist, die aus einer unteren Schicht aus Nickel und einer oberen Schicht aus einem kavitationsbeständigen metallischen Werkstoff besteht. Eine korrespondierende erfindungsgemäße Baueinheit zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Teilbereich der äußeren Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse von einer dem mindestens einen Kühlmittelraum zugekehrten Beschichtung umgeben ist, die aus einer unteren Schicht aus Nickel und einer oberen Schicht aus einem kavitationsbeständigen metallischen Werkstoff besteht. Ein korrespondierendes erfindungsgemäßes Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: (a) Reinigen und Vorbearbeiten der äußeren Mantelfläche einer unbeschichteten Zylinderlaufbuchse oder eines Rohlings einer Zylinderlaufbuchse; (b) Erwärmen der unbeschichteten Zylinderlaufbuchse bzw. des Rohlings auf eine Temperatur von 150°C bis 450°C; (c) Aufbringen einer Beschichtung aus einer unteren, aus Nickel bestehenden Schicht und einer oberen, aus einem kavitationsbeständigen Werkstoff bestehenden Schicht zumindest auf einen Teilbereich der äußeren Mantelfläche mittels eines Schweißverfahrens; (d) Spannungsarmglühen der Zylinderlaufbuchse bei 450°C bis 550°C; (e) spanendes Bearbeiten zum Fertigstellen der Zylinderlaufbuchse.
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Die erfindungsgemäßen Lösungen zeichnen sich dadurch aus, dass die jeweilige Beschichtung aus unlegiertem Stahl oder aus austenitischem Stahl bzw. aus einer unteren Schicht aus Nickel und einer oberen Schicht aus kavitationsbeständigem Werkstoff überraschend dünn ausgeführt werden können und dennoch eine zuverlässige, gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Kavitationsbeständigkeit der äußeren Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse gewährleisten. Die Gefahr einer Beschädigung der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse bzw. der erfindungsgemäßen Baueinheit durch Kavitation wird dadurch erheblich verringert.
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Für den Fachmann überraschend hat es sich ferner herausgestellt, dass eine Beschichtung aus unlegiertem Stahl oder austenitischem Stahl mit MIG- oder WIG-Schweißen direkt auf den Gusseisenwerkstoff der Zylinderlaufbuchse fest haftend aufgetragen werden kann, ohne dass Risse in der Beschichtung auftreten.
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Die in der Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendeten Ausdrücke „MIG-Schweißen” und „WIG-Schweißen” werden wie folgt verstanden.
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Der Ausdruck „MIG-Schweißen” (EN ISO 4063) ist eine Abkürzung für den Begriff „Metallschweißen mit inerten Gasen” und stellt eine Variante des Metallschutzgasschweißens (MSG) dar. Es handelt sich hierbei um ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem ein Schweißdraht abgeschmolzen und das Schweißgut bei gleichzeitiger Zufuhr von Schutzgas (in der Regel Argon) auf ein Substrat aufgetragen wird. Der Schweißdraht wird hierbei kontinuierlich nachgeführt.
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Der Ausdruck „WIG-Schweißen” (EN ISO 4063) ist eine Abkürzung für den Begriff „Wolfram-Inertgasschweißen” und stellt eine Variante des Metallschutzgasschweißens unter zusätzlicher Verwendung einer Wolfram-Elektrode dar. Mit diesem Verfahren können alle schmelzschweißgeeigneten Werkstoffe gefügt werden.
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Im Rahmen dieser Erfindung dienen diese beiden Verfahren nicht zum Fügen von Bauteilen, sondern zum Auftragen oder Auflegieren von metallischen Werkstoffen auf die äußere Mantelfläche einer aus einem Gusseisenwerkstoff bestehenden Zylinderlaufbuchse.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Zweckmäßigerweise ist derjenige Bereich der äußeren Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse von einer erfindungsgemäßen Beschichtung umgeben, der mit dem Kühlmittel unmittelbar in Kontakt steht, um den Schutz vor Kavitationsschäden zu optimieren. Es kann allerdings auch genügen, nur einen Teil dieses Bereichs der Mantelfläche erfindungsgemäß zu beschichten.
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Wenn die erfindungsgemäße Beschichtung einen Teilbereich der äußeren Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse umgibt, ist es zweckmäßig, wenn sie mit der äußeren Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse bündig abschließt, um eine glatte Außenfläche zu erzeugen.
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Die Zylinderlaufbuchse ist bevorzugt aus einem Gusseisenwerkstoff mit Lamellengraphit hergestellt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der ersten Lösung besteht darin, dass die Dicke der Beschichtung aus unlegiertem Stahl oder austenitischem Stahl insbesondere für Zylinderlaufbuchsen für Nutzfahrzeuge höchstens 2,5 mm beträgt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der zweiten Lösung sieht vor, dass die Dicke der Beschichtung aus Nickel und einem kavitationsbeständigen metallischen Werkstoff, insbesondere für Zylinderlaufbuchsen für Nutzfahrzeuge höchstens 3,5 mm beträgt.
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Die geringe Dicke der erfindungsgemäß vorgesehenen Beschichtungen reduziert den erforderlichen Zeitaufwand für das Schweißverfahren und erlaubt eine wirtschaftliche Serienfertigung.
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Auch die Beschichtung gemäß der zweiten Lösung wird bevorzugt mittels eines MIG- oder WIG-Schweißverfahrens auf die äußere Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse aufgetragen. Als Werkstoffe der oberen Schicht eignen sich insbesondere Stahlwerkstoffe, bspw. austenitischen oder martensitische Stähle sowie Nichteisenwerkstoffe auf Kobalt-Chrom-Basis (so genannte Stellite®).
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Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verfahren sieht vor, dass unbeschichtete Zylinderlaufbuchsen bzw. Rohlinge verwendet werden, deren äußere Mantelfläche eine radiale Vertiefung aufweist, die gegenüber dem Außendurchmesser der äußere Mantelfläche vorzugsweise um 1,5 mm bis 3,5 mm zurückgesetzt ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen in schematischer, nicht maßstabsgetreuer Darstellung:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse im Schnitt;
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse im Schnitt;
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3 eine erfindungsgemäße Baueinheit mit der Zylinderlaufbuchse gemäß 1 in einer Teildarstellung im Schnitt;
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4 eine erfindungsgemäße Baueinheit mit der Zylinderlaufbuchse gemäß 2 in einer Teildarstellung im Schnitt.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse 30. Die Zylinderlaufbuchse 30 besteht aus einem Gusseisenwerkstoff, im Ausführungsbeispiel aus einem Gusseisenwerkstoff mit Lamellengraphit, und kann bspw. im Schleudergussverfahren hergestellt werden. Die Zylinderlaufbuchse 30 weist im Ausführungsbeispiel einen Schaft 31 mit einem umlaufenden Flansch 32 auf. Unterhalb des Flanschs 32 ist im Schaft 31 eine umlaufende Hohlkehle 33 vorgesehen. Die äußere Mantelfläche 34 des Schafts 31 ist erfindungsgemäß von einer Beschichtung 35 umgeben, die aus nichtlegiertem oder niedriglegiertem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,20 Gew.-% oder aus austenitischem Stahl besteht.
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Die Beschichtung 35 wird mittels eines MIG- oder WIG-Schweißverfahrens auf die äußere Mantelfläche 34 der Zylinderlaufbuchse 30 aufgetragen bzw. auflegiert, wobei der Schweißdraht aus nichtlegiertem oder austenitischem Stahl besteht. Hierzu wird im Ausführungsbeispiel eine unbeschichtete Zylinderlaufbuchse bzw. ein Rohling einer Zylinderlaufbuchse aus Gusseisen vom Typ GG25 (DIN 1691) bzw. EN-GJL-250 (EN 1561) verwendet. Nach der Reinigung und ggf. einer Vorbearbeitung der äußeren Mantelfläche 34 wird die unbeschichtete Zylinderlaufbuchse bzw. der Rohling auf eine Temperatur von 150°C bis 450°C erwärmt. Anschließend wird die Beschichtung 35 mittels eines MIG- oder WIG-Schweißverfahrens aufgetragen bzw. auflegiert. Danach wird die beschichtete Zylinderlaufbuchse 30 einem Spannungsarmglühen bei einer Temperatur von 450°C bis 550°C unterzogen. Zum Schluss erfolgt eine spanende Endbearbeitung, einschließlich Honen der inneren Lauffläche der Zylinderlaufbuchse 30.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse 130. Die Zylinderlaufbuchse 130 besteht ebenfalls aus einem Gusseisenwerkstoff und weist im Ausführungsbeispiel einen Schaft 131 mit einem umlaufenden Flansch 132 auf. Unterhalb des Flanschs 132 ist im Schaft 131 eine umlaufende Hohlkehle 133 vorgesehen. Eine umlaufende Nut 136 ist im unteren Bereich des Schaftes 131 vorgesehen. Die äußere Mantelfläche 134 des Schafts 131 ist erfindungsgemäß teilweise von einer Beschichtung 135 umgeben, die in einer radial umlaufenden Vertiefung 137 aufgenommen ist und im Ausführungsbeispiel aus einer unteren Schicht 135a aus Nickel und einer oberen Schicht 135b aus martensitischem oder austenitischem Stahl besteht. Die Schichten 135a und 135b sind im Ausführungsbeispiel mittels eines MIG- oder WIG-Schweißverfahrens aufgetragen. Nach der Fertigbearbeitung der Zylinderlaufbuchse 130 ergibt sich eine glatte äußere Oberfläche, die von der Beschichtung 135 und den frei liegenden Bereichen der äußeren Mantelfläche 134 gebildet wird, wobei die Beschichtung 135 bündig mit der äußere Mantelfläche 134 abschließt.
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Die Beschichtung 135 wird im Ausführungsbeispiel mittels eines MIG- oder WIG-Schweißverfahrens auf die äußere Mantelfläche 134 der Zylinderlaufbuchse 130 aufgetragen bzw. auflegiert, Hierzu wird im Ausführungsbeispiel eine unbeschichtete Zylinderlaufbuchse bzw. ein Rohling einer Zylinderlaufbuchse aus Gusseisen vom Typ GG25 (DIN 1691) bzw. EN-GJL-250 (EN 1561) verwendet. Nach der Reinigung und ggf. einer Vorbearbeitung der äußeren Mantelfläche 34 wird die unbeschichtete Zylinderlaufbuchse bzw. der Rohling auf eine Temperatur von 150°C bis 450°C erwärmt. Anschließend wird zunächst die untere Schicht 135a aus Nickel mittels eines MIG- oder WIG-Schweißverfahrens aufgetragen bzw. auflegiert, wobei der Schweißdraht im Wesentlichen aus Nickel besteht. Danach wird die obere Schicht 135b, die im Ausführungsbeispiel aus martensitischem oder austenitischem Stahl besteht, ebenfalls mittels eines MIG- oder WIG-Schweißverfahrens unter Verwendung eines Schweißdrahts aus im Wesentlichen martensitischem oder austenitischem Stahl aufgetragen bzw. auflegiert. Anschließend wird die beschichtete Zylinderlaufbuchse 130 einem Spannungsarmglühen bei einer Temperatur von 450°C bis 550°C unterzogen. Zum Schluss erfolgt eine spanende Endbearbeitung, einschließlich Honen der inneren Lauffläche der Zylinderlaufbuchse 130.
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Selbstverständlich sind die Beschichtungen für die beiden soeben beschriebenen Ausführungsbeispiele austauschbar.
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3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Baueinheit 10 für einen Verbrennungsmotor. Die Baueinheit 10 weist ein oberes Zylindergehäuse 11 und ein daran angrenzendes unteres Kurbelgehäuse 12 auf. Das Zylindergehäuse 11 und das Kurbelgehäuse 12 bestehen in an sich bekannter Weise bevorzugt aus einer Leichtmetalllegierung auf der Basis von Aluminium. Im Zylindergehäuse 11 ist mindestens eine Zylinderlaufbuchse 30 gemäß 1 eingesetzt. Die Zylinderlaufbuchse 30 ist im Ausführungsbeispiel mittels einer Stufe 23 im Zylindergehäuse 11 zentriert. Die in den Zylinderlaufbuchsen 30 gleitenden Kolben sind in bekannter Weise über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle verbunden (nicht dargestellt). Dabei ist die Kurbelwelle in im Kurbelgehäuse 12 ausgebildeten Lagerstellen 14 gelagert.
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Zur Kühlung der Zylinderlaufbuchse 30 während des Betriebs ist im Zylindergehäuse 11 ein die Zylinderlaufbuchse 30 umgebender Kühlmittelraum 13 vorgesehen. Dieser Kühlmittelraum 13 ist in Form einer Ausnehmung direkt im Zylindergehäuse 11 ausgebildet und umgibt die Zylinderlaufbuchse 30 entlang nahezu ihrer gesamten axialen Höhe. Erfindungsgemäß steht das im Kühlmittelraum 13 vorhandene Kühlmittel in direktem Kontakt mit der Beschichtung 35 aus nichtlegiertem oder austenitischem Stahl, welche die äußere Mantelfläche 34 der Zylinderlaufbuchse 30 umgibt. Die Beschichtung 35 und die innere Mantelfläche 21 des Kühlmittelraums 13 begrenzen denselben in radialer Richtung. Der Kühlmittelraum 13 ist nach oben mittels des Flansches 32 und eines Zylinderkopfs 17 dicht abgeschlossen.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Baueinheit 110 für einen Verbrennungsmotor. Die Baueinheit 110 weist ebenfalls ein oberes Zylindergehäuse 111 und ein daran angrenzendes unteres Kurbelgehäuse 112 auf. Im Zylindergehäuse 111 ist mindestens eine Zylinderlaufbuchse 130 gemäß 2 eingesetzt. Die Zylinderlaufbuchse 130 ist im Ausführungsbeispiel mittels einer Stufe 123 sowie mittels ihres Flansches 132 im Zylindergehäuse 111 zentriert. Die Zylinderlaufbuchse 130 ist ferner mittels eines Zylinderkopfs 117 fixiert.
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Zur Kühlung der Zylinderlaufbuchse 130 während des Betriebs ist im Zylindergehäuse 111 ein die Zylinderlaufbuchse 130 umgebender Kühlmittelraum 113 vorgesehen. Dieser Kühlmittelraum 113 ist in Form einer Ausnehmung direkt im Zylindergehäuse 111 ausgebildet und umgibt die Zylinderlaufbuchse 130 nur über die axiale Höhe ihrer Beschichtung 135. Erfindungsgemäß steht das im Kühlmittelraum 113 vorhandene Kühlmittel in direktem Kontakt mit der Beschichtung 135, welche die äußere Mantelfläche 134 der Zylinderlaufbuchse 130 umgibt. Die Beschichtung 135 besteht im Ausführungsbeispiel aus einer unteren Schicht 135a aus Nickel und einer oberen Schicht 135b aus martensitischem oder austenitischem Stahl. Die Beschichtung 135 und die innere Mantelfläche 121 des Kühlmittelraums 113 begrenzen denselben in radialer Richtung.
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Im Ergebnis ist die äußere Mantelfläche 34, 134 der Zylinderlaufbuchse 30, 130 mittels der erfindungsgemäß vorgesehenen Hülse 35, 135 wirksam vor Kavitationsschäden geschützt, die von dem im Kühlmittelraum 13, 113 vorhandenen Kühlmittel ausgehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- EN ISO 4063 [0010]
- EN ISO 4063 [0011]
- DIN 1691 [0028]
- EN 1561 [0028]
- DIN 1691 [0030]
- EN 1561 [0030]
