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Title:
METHOD FOR THE PRODUCTION OF A LOCAL REINFORCEMENT FOR A COMPONENT OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/075704
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for the production of a local reinforcement of a component (1) of an internal combustion engine, wherein the surface of the component (1) is partially melted in the area to be reinforced. A reinforcing body (2), which is provided with pores (3), is arranged on the area of the component (1) that is to be reinforced. The melted material of the component (1) penetrates into the pores (3) of the reinforcing body (2) and joins the reinforcing body (2) to the component (1) when hardened.

Inventors:
Claus, Jürgen (Lussackerweg 28, Weinstadt, 71384, DE)
Heigl, Reiner (Hohenstaufenstr. 51, Remseck, 71686, DE)
Pfeffinger, Harald (Moerikestrasse 7, Tiefenbronn, 75233, DE)
Application Number:
PCT/EP2005/001187
Publication Date:
August 18, 2005
Filing Date:
February 05, 2005
Export Citation:
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Assignee:
DAIMLERCHRYSLER AG (Epplestrasse 225, Stuttgart, 70567, DE)
Claus, Jürgen (Lussackerweg 28, Weinstadt, 71384, DE)
Heigl, Reiner (Hohenstaufenstr. 51, Remseck, 71686, DE)
Pfeffinger, Harald (Moerikestrasse 7, Tiefenbronn, 75233, DE)
International Classes:
B23P15/10; C23C24/10; C23C26/02; F16J1/01; F16J9/22; (IPC1-7): C23C26/02; B23P15/10; C23C24/10; F16J9/22
Foreign References:
GB2057090A1981-03-25
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN Bd. 018, Nr. 072 (M-1555), 7. Februar 1994 (1994-02-07) & JP 05 287324 A (YAMAHA MOTOR CO LTD), 2. November 1993 (1993-11-02)
Attorney, Agent or Firm:
Bogert, Valentin (DaimlerChrysler AG, Intellectual Property Management IPM - C106, Stuttgart, 70546, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer lokalen Verstärkung für ein Bauteil einer Brennkraftmaschine, wobei die Oberflä che des Bauteils in dem zu verstärkenden Bereich partiell aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf den zu verstärkenden Bereich des Bauteils (1) ein mit Poren (3) versehener Verstärkungskörper (2) auf gebracht wird, wobei das geschmolzene Material des Bau teils (1) in die Poren (3) des Verstärkungskörpers (2) eindringt und nach seiner Erstarrung den Verstärkungskör per (2) mit dem Bauteil (1) verbindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (2) vor dem Aufschmelzen des zu verstärkenden Bereichs auf das Bauteil (1) aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (2) nach dem Aufschmelzen des zu verstärkenden Bereichs auf das Bauteil (1) aufgebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (2) zum Zwecke des Aufschmel zens des zu verstärkenden Bereichs auf das Bauteil (1) aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Größe der Poren (3) des Verstärkungskörpers (2) in Richtung von dem Bauteil (1) weg verringert.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungskörper (2) ein Sintermetallteil, ein keramischer Presskörper, ein keramischer Grünling oder ein metallischer oder keramischer Schaum verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (2) eine größere Härte als das zu verstärkende Bauteil (1) aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (2) eine höhere Festigkeit als das zu verstärkende Bauteil (1) aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Bauteils (1) durch Wärmezufuhr mittels eines Laserstrahls, mittels eines Elektronen strahls, mittels einer Flamme, mittels Induktion oder mittels des Verstärkungskörpers (2) aufgeschmolzen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (2) vor dem Aufbringen auf das zu verstärkende Bauteil (1) mit einem Benetzungsmit tel versehen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil (1) ein Zylinderkopf (la) und als Ver stärkungskörper (2) ein Ventilsitzring (2a) verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil (1) ein Kolben (1b) und als Verstär kungskörper (2) eine Kolbenringaufnahme (2b) verwendet wird.
Description:
Verfahren zur Herstellung einer lokalen Verstärkung für ein Bauteil einer Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer lokalen Verstärkung für ein Bauteil einer Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Gattungsgemäße Verfahren sind beispielsweise aus der EP 0 092 683 B1 oder der DE 199 12 889 AI bekannt. Dabei wird ein Zu- satzmaterial durch einen Laserstrahl mit dem Basismaterial eines Zylinderkopfes verschmolzen, um einen Ventilsitz zu bilden. Problematisch bei diesem Verfahren ist jedoch, dass sich an der Grenzfläche zwischen dem Zusatzmaterial und dem Basismaterial oftmals intermetallische Phasen bilden, die sehr spröde sind und damit negative Auswirkungen auf die me- chanischen Eigenschaften des Bauteils haben. Des weiteren führt der dabei erforderliche Einsatz von Pulvern zu einem erhöhten Aufwand.

Bei herkömmlichen eingepressten Ventilsitzringen muss zur Bildung der Ventilsitznut eine verhältnismäßig große Ausspa- rung in dem Material des Zylinderkopfes geschaffen werden, was aufgrund der erforderlichen Festigkeit und des notwendi- gen Abstands zum Wassermantel des Zylinderkopfes zu einem sehr großen Bauraumbedarf führt. Ein weiteres Problem der eingepressten Ventilsitzringe sind die durch dieselben in den Zylinderkopf induzierten Spannungen.

Bei dem aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten und teilweise zur Herstellung von Verstärkungen, beispielsweise im Bereich von Kolbenringen, angewandten Eingießen kommt es aufgrund der unterschiedlichen Schrumpfungen des jeweiligen Materials, beispielsweise Stahl und Aluminium, häufig zu ei- ner unerwünschten Spaltbildung.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfah- ren zur Herstellung einer lokalen Verstärkung für ein Bauteil einer Brennkraftmaschine zu schaffen, mit welchem die beste- henden Probleme bezüglich intermetallischer Phasen, auftre- tender Spannungen und erhöhtem Bauraumbedarf vermieden wer- den, wobei das Verfahren mit möglichst geringem Aufwand durchführbar sein soll, um eine Anwendung desselben in der Serienfertigung zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß weist der auf das Bauteil aufgebrachte Ver- stärkungskörper Poren auf, in welche das geschmolzene Materi- al des Bauteils aufgrund von Kapillarwirkung eindringt und beim Erstarren eine metallurgische und mechanische Verbindung mit dem Verstärkungskörper herstellt. Gegenüber bekannten Lö- sungen wie dem mechanischen Einpressen werden durch das er- findungsgemäße Verfahren sehr viel geringere bzw. gar keine mechanischen Spannungen in das Bauteil indiziert, so dass ei- ne geringere Belastung desselben gegeben ist. Dadurch, dass die Geometrie des Verstärkungskörpers annähernd frei gewählt werden kann, benötigt derselbe einen weitaus geringeren Bau- raum, so dass sich erweiterte konstruktive Freiheitsgrade er- geben, die beispielsweise zur Kühlung oder Verstärkung des Bauteils der Brennkraftmaschine eingesetzt werden können.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich darüber hin- aus eine sehr gute und dauerhafte Verbindung zwischen dem Bauteil und dem Verstärkungskörper, so dass nicht mit Spalten oder dergleichen zu rechnen ist, wie dies beispielsweise beim Eingießen der Fall ist. Erfindungsgemäß wird das Material des Verstärkungskörpers nicht aufgeschmolzen, sodass vorteilhaft- erweise nicht mit störenden intermetallischen Phasen zu rech- nen ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich so- mit ein Brennkraftmaschinenbauteil mit einer verbesserten Funktionalität und einer gegenüber bekannten Lösungen erheb- lich erhöhten Lebensdauer.

Da die Verbindung insbesondere in der Grenzfläche zwischen dem Bauteil und dem Verstärkungskörper erfolgen soll, ist es vorteilhaft, wenn sich in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Größe der Poren des Verstärkungskörpers in Richtung von dem Bauteil weg verringert, da hierdurch das Ma- terial des Bauteils nicht zu weit in den Verstärkungskörper eindringt.

Als Bauteil kann beispielsweise ein Zylinderkopf und als Ver- stärkungskörper ein Ventilsitzring verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass als Bauteil ein Kol- ben und als Verstärkungskörper eine Kolbenringaufnahme ver- wendet wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Ansprüchen. Nach- folgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung prinzipmäßig anhand der Zeichnungen dargestellt.

Dabei zeigen : Fig. 1 Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver- fahrens, wobei als Bauteil ein Zylinderkopf und als Verstärkungskörper ein Ventilsitzring verwendet wird ; und Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei als Bauteil ein Kolben und als Ver- stärkungskörper eine Kolbenringaufnahme verwendet wird ; Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Bauteil 1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftmaschine.

Das Bauteil 1 ist als Zylinderkopf la ausgebildet und soll mit einer lokalen Verstärkung versehen werden. Hierzu wird, wie nachfolgend beschrieben, ein Verstärkungskörper 2 mit dem Bauteil 1 verbunden. Bei dem Verstärkungskörper 2 handelt es sich um einen Ventilsitzring 2a, an dem ein nicht dargestell- tes Gaswechselventil der Brennkraftmaschine in seinem ge- schlossenen Zustand anliegt.

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, weist der Verstärkungskörper 2 eine Vielzahl von Poren 3 auf, wobei sich im vorliegenden Fall die Größe der Poren 3 des Verstärkungskörpers 2 in Rich- tung von dem Bauteil 1 weg verringert. Alternativ wäre auch eine gleichmäßige Verteilung der Poren 3 innerhalb des Ver- stärkungskörpers 2 möglich. Um eine Verbindung des Bauteils 1 mit dem Verstärkungskörper 2 zu erreichen, wird die Oberflä- che des Bauteils 1 in dem zu verstärkenden Bereich partiell aufgeschmolzen, woraufhin das geschmolzene Material des Bau- teils 1 aufgrund von Kapillarwirkung gemäß den mit"A"be- zeichneten Pfeilen in die Poren 3 des Verstärkungskörpers 2 eindringt und nach seiner Erstarrung den Verstärkungskörper 2 mit dem Bauteil 1 verbindet. Durch die Verringerung der Po- rengröße dringt das Material des Bauteils 1 weniger tief in den Verstärkungskörper 2 ein und führt somit zu einer sehr guten Verbindung insbesondere in der Grenzfläche zwischen dem Bauteil 1 und dem Verstärkungskörper 2.

Die Oberfläche des Bauteils 1 wird durch Wärmezufuhr aufge- schmolzen, wozu beispielsweise ein Laserstrahl, ein Elektro- nenstrahl, ein Plasma, eine Flamme oder auch die Wirkung der elektromagnetischen Induktion verwendet werden können. Der Verstärkungskörper 2 kann sowohl vor als auch nach dem Auf- schmelzen des zu verstärkenden Bereichs auf das Bauteil 1 aufgebracht werden. Des weiteren ist es auch möglich, den Verstärkungskörper 2 zum Zwecke des Aufschmelzens des zu ver- stärkenden Bereichs auf das Bauteil 1 aufzubringen. In diesem Fall kann gegebenenfalls auf die oben angegebenen Möglichkei- ten zur Wärmezufuhr verzichtet werden. Um die oben beschrie- bene Wirkung der Erstarrung des Bauteils 1 zu erreichen, ist es selbstverständlich erforderlich, die Erwärmung des Bau- teils zu einem gewissen Zeitpunkt einzustellen.

Die Einbringung von Wärme sollte so gesteuert werden, dass die Temperatur an der Grenzfläche zwischen dem Bauteil 1 und dem Verstärkungskörper 2 ausreicht, das Material des Bauteils 1 lokal an der Grenzfläche aufzuschmelzen, während der Ver- stärkungskörper 2 nicht aufgeschmolzen wird. Hierbei ist der Schmelzpunkt des Verstärkungskörpers 2 höher als der Schmelz- punkt des Bauteils 1. Die Benetzung des Verstärkungskörpers 2 sowie das Einbringen des Materials des Bauteils 1 in die Po- ren 3 kann dadurch verbessert werden, dass der Verstärkungs- körper 1 insbesondere an der dem Bauteil 1 zugewandten Fläche mit einem Benetzungsmittel 4, beispielsweise einem Lotwerk- stoff, versehen wird. Des weiteren kann die Filtration des Materials des Bauteils 1 in den Verstärkungskörper 2 durch leichtes Anpressen des Verstärkungskörpers 2 in Richtung des Bauteils 1 während des lokalen Aufschmelzens verbessert wer- den. Das Bauteil 1 besteht vorzugsweise aus einer Aluminium- oder einer Graugusslegierung.

Nach dem Erstarren des Bauteils 1 kann der sehr nah an der Endkontur des fertigen Ventilsitzrings 2a ausgeführte Ver- stärkungskörper 2 beispielsweise durch Schleifen mechanisch bearbeitet werden, so dass eventuell durch das Verfahren ein- gebrachte Toleranzen beseitigt werden. In der dargestellten Ausführungsform als Ventilsitzring 2a könnte theoretisch auch eine Ventilführung für ein Gaswechselventil Teil des Verstär- kungskörpers 2 sein. In jedem Fall kann der Ventilsitzring 2a gemeinsam mit der nicht dargestellten Ventilführung bearbei- tet werden.

Um eine Verstärkung des Bauteils 1 zu erreichen, sollte der Verstärkungskörper 2 eine größere Härte und/oder eine höhere Festigkeit als das zu verstärkende Bauteil 1 aufweisen. Als Verstärkungskörper kommen beispielsweise ein Sintermetall- teil, ein keramischer Presskörper, ein keramischer Grünling oder ein metallischer oder keramischer Schaum in Frage. Im Falle eines Grünlings kann das Verfahren, insbesondere die Zuführung von Wärme zu dem Bauteil 1, so gesteuert werden, dass der Grünling durch die Wärmezufuhr fertig gesintert wird.

In Fig. 2 ist eine weitere Möglichkeit zur Anwendung des be- schriebenen Verfahrens dargestellt. Dort wird das Bauteil 1 durch einen Kolben Ib und der Verstärkungskörper 2 durch eine Kolbenringaufnahme 2b gebildet. Die Kolbenringaufnahme 2b weist mehrere Nuten 5 auf, in die zu einem späteren Zeitpunkt die hier nicht dargestellten Kolbenringe eingesetzt werden.

Das Verfahren zum Verbinden der Kolbenringaufnahme 2b mit dem Kolben 1b erfolgt wie oben unter Bezugnahme auf den Ventil- sitzring 2a und den Zylinderkopf la beschrieben.

Das beschriebene Verfahren könnte auch für weitere Bauteile von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, welche mit lokalen Verstärkungen versehen werden sollen.