DE69013481T2

DE69013481T2 - Verfahren zum Verbinden von Zylinderbüchsen in Bohrungen eines Motorblocks.

Info

Publication number: DE69013481T2
Application number: DE69013481T
Authority: DE
Inventors: James Robert Panyard; Benjamin Paul Winter
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1989-12-27
Filing date: 1990-12-06
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2010-12-07
Also published as: EP0435491A3; EP0435491B1; DE69013481D1; EP0435491A2; US4986230A; MX170787B; CA2028084A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Kunst der Schaffung von Laufbüchsen für Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotorblöcken, und genauer gesagt auf Techniken zum Anfügen solcher Laufbüchsen an die Gußstruktur solcher Blöcke.
Motorblöcke aus Leichtmetallguß schaffen im Vergleich zu traditionnellen Motorblöcken aus Gußeisen eine Gelegenheit, eine wesentliche Gewichtsverringerung zu erreichen. Um jedoch eine verträgliche Verschleißoberfläche für die in solchen Motorblöcken arbeitenden Kolben zu schaffen, werden im allgemeinen Zylinderlaufbüchsen aus Eisen verwendet. Die Laufbüchsen sind im Motorblock angeordnet, indem sie entweder vor Ort vergossen werden oder mit einem Preßsitz gezichert werden. Eingegossene Zylinderlaufbüchsen (wie die in den Patenten U.S.-A-3 521 613 und U.S.-A-4 252 175 beschriebenen) machen das Gußverfahren komplexer und erhöhen die Kosten und die Gußschrottmenge. Das Preßsitzverfahren erlaubt erstens das Gießen von Blöcken ohne Laufbüchsen und verringert dadurch die Ausschußprobleme; die Laufbüchse wird nachträglich durch ausgedehntes Erhitzen der Blöcke eingesetzt, um eine Dehnung zu erreichen und dann ein späteres Abkühlen der Blöcke mit der Laufbüchse, um den Preßsitz zwischen der Zylinderbohrung und der Laufbüchse zu erreichen (siehe U.S.- A-3 372 452). Dieses Dokument dient als eine Grundlage für den Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 und für den Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 10. Dieses Verfahren verlangsamt und kompliziert die Herstellung von Motoren in einem Motorenwerk und ist im allgemeinen für hohe Produktionsvolumina, wie sie für größere Kraftfahrzeugmotorenwerke typisch sind, nicht geeignet.
Um richtig zu arbeiten, müssen die eingesetzten Laufbüchsen eine vollständig integrierte Flächenhaftung haben, die die Wärmeübertragung fördert, als ob Laufbüchse und Zylinderbohrung ein einheitliches Stück wären. Diese Erfindung hat entdeckt, daß Verstemmen eine solche integrierte Flächenhaftung erreichen kann, ohne daß ein Aufheizen nötig ist. Die Anmelder haben keine Kenntnis von früheren Patenten, in denen Verstemmung von Laufbüchsen in Zylinderbohrungen für Motorblöcke durchgeführt wird.
Kugeldornspreizung wurde in der Vergangenheit eingesetzt, um die Innenflächen eines röhrenförmigen Elementes aufzuweiten (siehe U.S.-A-1 402 508; U.S.-A-1 722 389 und U.S.-A-2 613 431), ohne dabei irgendeine Verbindung dieser Rohre mit einem anderen Körper zu berücksichtigen. Dornaufweitung wurde auch eingesetzt, um Rohrwellen in unregelmäßige Öffnungen in Nockenscheiben zur Herstellung einer Nockenwelle zu deformieren (wie dies in den Patenten U.S.-A-4 293 995; U.S.-A-4 382 390 und U.S.-A-4 597,365 veranschaulicht wird). Aber diese Beschreibungen erfordern nur irgendeine Verkeilung, um den Drehantrieb dazwischen zu beschleunigen und keine vollumfängliche Wärmeaustauschschnittstelle.
Ein Artikel mit dem Titel "Glatte Präzisionslöcher durch Olivierung" (Smooth precision holes by ballizing), erschienen in Machine Design Band 59, Nr. 9, Seiten 71-73 beschreibt ein Verfahren zur Ausformung glatter Löcher durch Olivieren. Eine Kugel wird durch Löcher oder durch Löcher in Metallteilen hindurchgezwängt, um Löcher auf genaues Maß zu bringen, und um ihre Oberflächenbeschaffenheit zu verbessern. Oliveren kann auch eingesetzt werden, um die Wanddicke von dünnwandigen rohrförmigen Teilen zu weiten oder zu verändern.
Dornaufweitung ist auch eingesetzt worden, um die Lippen von Zylinderlaufbüchsen zu verformen, jedoch niemals mit der Absicht, eine vollumfängliche Wärmeaustauschschnittstelle zwischen der Laufbüchse und einer umgebenden Zylinderbohrung zu unterstützen (siehe U.S.-A-2 435 837 und U.S.-A-3 372 452).
Es sist daher ein Ziel dieser Erfindung ein hocheffizientes, produktives und kostengünstiges Verfahren für die Verbindung von Zylinderlaufbüchsen mit Zylinderbohrungen ohne der Notwendigkeit einer Erhitzung zu schaffen, wobei dieses Verfahren stärkere und haltbarere Zylinderlaufbüchsen mit dünneren Metallstärken und weniger Ausschuß liefert.
Diese Erfindung ist ein kostengünstiges, einfaches Einsetzverfahren für Zylinderbohrungslaufbüchsen in Motorblöcken, wobei dieses Verfahren bei Raumtemperatur und mit hohen Produktionszahlen durchgeführt werden kann. Sie schließt kostengünstige, fertig erhältliche Stahlrohre als Zylinderlaufbüchsen ein, die vor Ort verstemmt werden, indem eine Kugel von geeigneter Größe durch Innere des Zylinders hindurchgezwängt wird. Während des Verstemmungsvorganges wird die Laufbüchse gegen die Wand der Zylinderbohrung aufgeweitet, um die Entsprechung eines Preßsitzes zu erreichen. Während dieses Prozesses, wird die Laufbüchse auf eine gewünschte, geeignete Größe, Geometrie und innere Oberflächenbeschaffenheit oliviert und kalt gehärtet. Der gesamte Vorgang wird bei Raumtemperatur mit der gehörigen Beachtung einer vorgegebenen Bearbeitungstoleranz zwischen der Laufbüchse und der Zylinderbohrungen vor dem Verstemmen durchgeführt. Zeit- und Kostenersparnisse sind bedeutsam und das Gewicht der Motorblockeinheit wird aufgrund der Möglichkeit, daß dünnere Stahllaufbüchsen verwendet werden, weiter verringert, ohne daß auf Steifigkeit, Festigkeit oder Verschleißbarkeit verzichtet werden muß.
Nach der Erfindung wird ein Verfahren zum Zusammenfügen einer Zylinderlaufbüchse mit einer gegossenen Motorblockbohrung geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren durch Kugelverstemmung bei Umgebungsbedingungen durchgeführt wird, und bei welchem das Verfahren ferner das Einfügen einer kalt härtbaren zylindrischen Laufbüchse in eine Zylinderbohrungswand komplementärer Größe des genannten Blocks, mit einem dazwischenliegenden radialen Abstand von 0,0125 cm (0.005 Inch), und das Hindurchzwängen eines nicht verformbaren Dornes durch die Zylinderlaufbüchse entlang des Inneren des Zylinders beinhaltet, um die radiale Außenfläche der genannten Laufbüchse vollständig umfänglich aufzuweiten, um eine Kaltschweißnaht über die gesamt axiale Länge der genannten Laufbüchse sowie über die gesamte umfängliche Ausdehnung der genannten Laufbüchse zu schaffen, wodurch eine volle kreisförmige ganzflächige Wärmeaustauschbeziehung mit der Innenfläche de genannten Bohrungswand geschaffen wird, wobei der genannte Dorn einen Querschnittradius hat, der größer ist als der Innenradius der genannten Laufbüchse, und zwar um eine Abmessung, die mindestens 0,0025 cm (0,001 Inch) mehr als der genannte radiale Abstand beträgt.
Ferner wird nach der Erfindung eine Einheit geschaffen, die einen Motorblock aus Aluminiumguß mit Zylinderlaufbüchsen aus Stahl beinhaltet, die vollständig mit den Innenbohrwänden der Zylinder des genannten Blocks verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbüchsen über ihre äußere Ringfläche und über die axiale Länge der Laufbüchsenfläche durch ein Kugelverstemmungsverfahren kalt geschweißt wurden, um eine volle integrierte Wärmeaustauschbeziehung zu schaffen, wobei die genannte Laufbüchse eine spiegelblanke Oberfläche an ihrer inneren Oberfläche hat, ohne daß die Notwendigkeit eines Honens besteht.
Die Zylinderlaufbüchse besteht vorzugsweise aus Stahl mit einer Dehnbarkeit von mindestens 30% Längung, einer Härte von mindestens 35 HRB und mit einer Wanddicke im der Größenordnung von 0,125 bis 0,625 cm (0,050-0,250 Inch). Der Dorn wird vorzugsweise als kugelförmiges oder halbkugelförmiges Element ausgeformt, und zwar durch ein Preß- und Sinterverfahren, gefolgt von einem Präzisionseinschleifverfahren.
Während der Kugelverstemmung wird der Dorn vorzugsweise mit einer linearen Geschwindigkeit von 10-75 cm (4-30 Inch) pro Sekunde und mit einem Druck von ungefähr 4536 kg (10 000 englische Pfund) durch die Laufbüchse bewegt.
Das Erzeugnis eines solchen Verfahrens kann ein Motorblock aus Gußaluminium mit einer kugelverstemmten Zylinderlaufbüchse aus Stahl, die vollständig mit der Zylinderbohrungswand des Blockes verbunden ist, wobei die Laufbüchse über die radiale, äußere Ringfläche und über die tatsächliche Länge der Laufbüchse kalt geschweißt ist, um eine volle integrierte Wärmeaustauschbeziehung zu schaffen, wobei die genannte Laufbüchse eine spiegelblanke Oberfläche an ihrer inneren Oberfläche hat, ohne daß die Notwendigkeit eines Honens besteht.
Vorzugsweise beinhaltet die Motorblockeinheit die Laufbüchse, die zur Sicherung in der Zylinderbohrungswand mit einer Umfangsspannung von mindestens 3,45 x 10 &sup4; kPa (5000 Psi) kalt gehärtet wurde. Vorteilhafterweise hat die Laufbüchse eine Länge in der Größenordnung von 1,25 - 37,5 cm (1/2 bis 15 Inch) und ihre beiden Ende liegen in der axialen Länge der Zylinderbohrungswand; eines dieser Enden kann in die Bohrungswand eingelassen sein.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben; dabei:
sind die Figuren 1(a)-1(d) schematische Darstellungen von Ablaufschritten, die eingesetzt werden, um das Verfahren dieser Erfindung durchzuführen;
ist Figur 2 ein stark vergrößerter Teil der Darstellung der Figur 1(b), und
ist Figur 3 ein stark vergrößerter Teil der Darstellung der Figur 1(c).
Ein Zylinderlaufbüchse 10 wird durch eine Kugel mit einer Bohrungswand 11 eines gegossenen Motorblocks verstemmt, und zwar bei Umgebungsbedingungen, durch: a) Einfügen einer kalthärtbaren zylindrischen Laufbüchse 10 in eine zylindrische Bohrungswand mit komplementäre Größe 11 des genannten Blockes 12, mit einem dazwischenliegenden einheitlichen radialen Abstand von 0,0125 cm (0,005 Inch) und dann (b) Hindurchzwängen eines nicht verformbaren Dornes 14 durch die innere Länge 16 eines zylindrische Laufbüchse hindruch, um die radiale Außenfläche 17 der genannten Laufbüchse einheitlich umfänglich zu einer vollen kreisförmigen ganzflächigen Wärmeaustauschbeziehung mit der Innenwand 18 der genannten Bohrungswand 11 aufzuweiten , wobei der genannte Dorn einen Querschnittradius 19 hat, der größer ist als der Innenradius 20 der genannten Laufbüchse, und zwar um ein Maß, das den genannten radialen Abstand um mindestens 0,0025 cm (0,001 Inch) übersteigt.
Die Laufbüchse besteht aus Stahl, unlegiertem Kohlenstoffstahl oder legiertem Stahl. Der unlegierte Kohlenstoffstahl kann einen geringen, mittleren oder hohen Kohlenstoffgehalt haben. Vorzugsweise ist ein kohlenstoffarmer Stahl 1020, mit einer Dehnbarkeit von mindestens 30% Längung und einer Härte von mindestens 35 HRB. Die Zylinderlaufbüchse aus Stahl sollte eine Wanddicke in der Größenordnung von 0,25 - 0,625 cm (0,100-0,250 Inch) haben und könnte 0,125 cm (0,050 Inch) dünn sein. Die Zylinderbohrung ist vorzugsweise ein gerader Zylinder und der Block besteht vorzugsweise aus Aluminiumlegierung, beispielsweise AA319, solche Legierungen sind untereutektisch und enthalten wünschenswerter Weise Silizium zu einem Anteil von 5,5-6,5%. Die Laufbüchse besteht auch aus einem geraden Zylinder, dessen Enden 23, 24 flach abgeschnitten sind, um in der Zylinderbohrungswand glatt abzuschließen. Der Zylinderblock hat eine Bohrungswand mit einer Länge 31, die sich in eine Kurbelgehäusekammer 32 des Blocks öffnet, und die so angepaßt ist, daß sie möglicherweise mit einem Ölwannengehäuse zusammenpaßt.
Das Spiel 13 zwischen dem Zylinder und der Laufbüchse ist vorgegeben und sollte in der Größenordnung von 0,005- 0,125 cm (0,002-0,050 Inch) liegen. Ist das Spiel kleiner als 0,125 cm (0,050 Inch) hat dies zur Folge, daß ein leichtes Einsetzen wird erschwert oder verhindert wird; ist das Spiel größer als 0,125 cm (0,050 Inch) hat dies zur Folge, daß zu große Kraft, die für das Verstemmung aufgebracht werden muß, möglicherweise zu einem Bruch der Laufbüchse führt. Die Laufbüchse wird vorzugsweise durch teleskopartiges Verschieben entland der Bohrungsachse 22 bis die Enden 23,24 der Laufbüchse ganz in der Bohrungswand enthalten sind, eingefügt. Eines der Enden 24 kann in die Bohrungswand eingelassen sein, wie dies in Figur unter 27 gezeigt ist. Das obere Ende 23 sollte mit der Dichtungsmontagefläche 30 des Motorblocks 12 abschließen.
Der Schritt des Hindurchzwängens wird durch Bewegen des Dorns 14 unter Einsatz hydraulischer oder pneumatischer Mittel 25 durch die Laufbüchse mit einer linearen Geschwindigkeit von wünschenswerten 10-75 cm (4-30 Inch) pro Sekunde und mit einer Kraft von ungefähr 4536 kg (10 000 englischen Pfund) durchgeführt werden. Der Dorn bewegt sich (wischt) entlang der inneren Oberfläche 33 der Laufbüchse, um eine Kaltschweißnaht an der Schnittstelle 29 durch Flächenpreßsitz zu schaffen. Die Schnittstelle ist frei von jeglichen Luftspalten über den gesamten Umfang der Laufbüchse und über ihre axiale Länge. Um dies zu erreichen, hat der Dorn bevorzugt eine kugelige Form und hat einen Durchmesser, der so bemessen ist, daß er mit nur eine Flächenschweißung schafft, sondern auch jegliche Rückfederung der Stahllaufbüchse ausgleicht, die sich nach dem Kalthärteverfahren durch das Hindurchzwängen des Dorns durch die Laufbüchse ergeben kann.
Der Dorn besteht aus einem Material, das Härter als die Laufbüchse oder der Block ist, und wird bevorzugt durch ein Preß- und Sinterverfahren hergestellt, dem ein genaues Auf-Form-Schleifen folgt. Er muß an den Seiten, mit denen er mit dem Inneren der Laufbüchse in Berührung kommt, eine kugelförmige oder halbkugelförmige Form haben. Obwohl er in Figur 1 als ganze Kugel gezeigt ist, kann der Dorn alternativ eine Scheibe einer Kugel oder Halbkugel sein, vorausgesetzt, daß die Scheibe mit der Laufbüchse einen ganz kreisförmigen Kontakt herstellt.
Das von einem Verfahren nach der oben beschriebenen Methode hergestellte Erzeugnis kann eine einheitliche Einheit bilden, die aus einem Motorblock aus Gaßaluminium 12 mit einer kugelverstemmten Zylinderlaufbüchse aus Stahl 10, die integralk mit der inneren Zylinderbohrungswand 18 des Blocks verbunden ist, wobei die Laufbüchse über ihre kreisförmige außenfläche 17 und über ihre axiale Länge 16 kalt geschweißt ist, und dadurch einen vollen integralen ganzflächigen Kontakt dazwischen für eine verbesserte Wärmeaustauschbeziehung schafft, wobei die Laufbüchse eine spiegelblanke Innenoberfläche hat, die nicht gehont werden muß. Die Innenfläche einer solchen kugelverstemmten Laufbüchse hat eine im wesentlichen vollkommene Rundheit innerhalb einer Toleranz von 0,001 cm (0,0004 Inch) und eine Oberflächengüte, die als spiegelblank gekennzeichnet ist. Die Laufbüchse ist kalt gehärtet worden, um eine solche axiale und umfängliche Verschweißung zu erreichen und um eine Umfangsspannung von mindestens 3.5x10&sup4;kPa (5000 Psi) zu haben, die sie in der Zylinderbohrung festhält. Die Laufbüchse wird vollständig entlang der gesamten Achse von Laufbüchse und Bohrung aufgeweitet, schafft dadurch einen Preßsitz, welcher bei der Endmontage ungewöhnlich hohe Umfangsspannungen in der Bohrung und in der Laufbüchse erzeugt. Da die Stahllaufbüchse so gewählt werden kann, daß sie eine ungewöhnlich dünne Stärke, wie 0,125 cm (0,050 Inch) haben kann, kann sich eine entsheidende Gewichtsverringerung des Motors ergeben, die der Kombination von dünneren Laufbüchsen und der Verwendung eines Gußaluminiumblocks zuzuschreiben sind. Die Stahllaufbüchse hat gegenüber einer Laufbüchse aus Gußeisen eine Zunahme an Steifigkeit von 50%, was verbesserte Leistungsmerkmale zur Folge hat.

Claims

1. Verfahren zum Anfügen einer Zylinderlaufbüchse (10) an eine gegossene Motorblockbohrung, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren durch Kugelverstemmen ausgeführt wird, und zwar bei Umgebungsbedingungen und bei welchem das Verfahren ferner die folgenden Schritte beinhaltet: Einfügen einer kalthärtbaren zylindrischen Laufbüchse (10) in eine zylindrische Bohrungswand mit komplementärer Größe (11) des genannten Blockes, mit einem dazwischenliegenden radialen Abstand von 0,0125 cm (0,005 Inch) und Hindurchzwängen eines nicht verformbaren Dornes (14) durch die zylindrische Laufbüchse hindurch, entlang dem Inneren des Zylinders, um die radiale Außenfläche der genannten Laufbüchse einheitlich umfänglich aufzuweiten, um eine Kaltschweißnaht über die gesamte axiale Länge der genannten Laufbüchse und über die gesamte umfängliche Ausdehnung der genannten Laufbüchse zu schaffen, und dadurch eine volle, kreisförmige ganzflächige Wärmeaustauschbeziehung mit der Innenwand der genannten Bohrungswand herzustellen, wobei der genannte Dorn (14) einen Querschnittradius hat, der größer ist als der Innenradius der genannten Laufbüchse (10), und zwar um ein Maß, das den genannten radialen Abstand um mindestens 0,0025 cm (0,001 Inch) übersteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die genannte Laufbüchse aus Stahl mit einer Verformbarkeit von mindestens 30% und einer Härte von mindestens 35 HRB und einer Wanddicke in der Größenordnung von 0,0125 - 0,625 cm (0,050-0,250 Inch) besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der genannte Motorblock aus Aluminium oder einer untereutektischen Aluminiumlegierung besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der genannte Dorn kugelförmig oder halbkugelförmig geformt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das genannte Hindurchzwängen durch Bewegen des Dorns durch die Laufbüchse hindurch mit einer linearen Geschwindigkeit von 10 - 75 cm (4-30 Inch) pro Sekunde und mit einer Kraft von ungefähr 4536 kg (10 000 englische Pfund) durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die genannte Laufbüchse durch teleskopartiges Verschieben der Laufbüchse entlang der Bohrungsachse (22) bis beide Enden der Laufbüchse in der Bohrung eingeschlossen sind, eingefügt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der genannte Dorn einen Durchmesser hat, der so bemessen ist, daß er nicht nur eine volle ganzflächige Schweißnaht zwischen der Laufbüchse und der Bohrungswand schafft, sondern daß er auch jegliche Rückfederung des Laufbüchsenmetalls, die die genannte Schweißnaht beeinträchtigen würde, ausgleicht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die genannte Laufbüchse eine axiale Länge in der Größenordnung von 1,25 - 37,5 cm (0,5-15 Inch) hat.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem Laufbüchsen in eine Vielzahl ausgerichteter Zylinderbohrungswände eingefügt werden, und aufeinander abgestimmte Dorne gleichzeitig durch alle diese Laufbüchsen hindurchgezwängt werden, um ein gleichzeitiges Kugelverstemmen der genannten Vielzahl von Bohrungswänden und Laufbüchsen zu erreichen.

10. Einheit, die einen Motorblock aus Aluminiumguß mit Zylinderlaufbüchsen aus Stahl beinhaltet, die integral mit den inneren Zylinderbohrungswänden (11) des genannten Blocks verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbüchsen (10) über ihre äußere kreisförmige Oberfläche und über die axiale Länge der Laufbüchsenoberfläche durch ein Kugelverstemmungsverfahren kalt verschweißt werden, um eine ganzflächige Wärmeaustauschbeziehung zu schaffen, wobei die genannte Laufbüchse eine spiegelblanke Oberfläche an ihrer inneren Oberfläche hat, die nicht gehont werden muß.

11. Einheit nach Anspruch 10, bei welcher die genannten Laufbüchsen eine im wesentlichen vollkommene Rundheit innerhalb einer Toleranz von 0,001 cm (0,004 Inch) haben.

12. Einheit nach Anspruch 10, bei welcher die genannte Laufbüchse eine Axiale Länge hat, die mit der Länge der genannten Zylinderbohrung im Einklang steht.