REIBUNGSOPTIMIERUNG VON ZYLINDERLAUFFLÄCHEN AUS SICHT DER FERTIGUNGSTECHNIK Eine Untersuchung der Firma Nagel zeigt, welche Möglichkeiten die Endbearbeitung von Zylinderlaufflächen

bietet, um Reibung und Verschleiß weiter zu reduzieren. Ausgehend von den aktuellen Honverfahren werden

künftige Entwicklungen vorgestellt und deren Potenziale analysiert.

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HONEN REDUZIERT REIBUNG WESENTLICH

Die ständige Verbesserung der Endbearbeitung von Zylinderboh-rungen hat alleine über die Oberflächentopographie in den ver-gangenen Jahrzehnten zu einer wesentlichen Verringerung von Reibung, Verschleiß und Ölverbrauch geführt. Zusätzliche Opti-mierungen wie das Spiralgleithonen konnten durch Weiterent-wicklungen im Maschinen- und Werkzeugbereich wirtschaftlich in Serie gebracht werden. Neben Verbesserungen durch die Ober-flächenstruktur konnte das Honen als qualitätsbestimmende End-bearbeitung zur nochmaligen Reduzierung von Reibverlusten bei-tragen. Dies erfolgte beispielsweise durch die Kompensation von Bohrungsverzügen wie beim Brillenhonen (Honen unter Verspan-nungsbedingungen wie bei der Zylinderkopfmontage). Teilweise ist das Potenzial von Werkstoff- beziehungsweise Oberflächenoptimie-rungen bei starken Verzügen erst dadurch erkennbar geworden.

HONTECHNIKENTWICKLUNG ALS IMPULSGEBER

Diese Fortschritte sind jedoch nicht allein der Verdienst von Ma-schinenlieferanten. Ein für die Endbearbeitung verantwortlicher Honmaschinenhersteller ist dabei stets auf die Zusammenarbeit mit Motorenentwicklern und Zulieferern angewiesen. Um weitere Potenziale auszuschöpfen, darf die Hontechnikentwicklung nicht mehr als Einzelmaßnahme angesehen werden. Sie ist heute sowohl Impulsgeber als auch reagierende Maßnahme auf ein kom-plexes Zusammenspiel von vielen variablen Einzelfaktoren, . Dabei hat dieses Endbearbeitungsverfahren verschiedenen Anfor-derungen sowohl von der Entwicklungsseite als auch aus der Fer-

JOSEF SCHMID ist Leiter Forschung und Entwicklung Bearbeitungsprozesse und Schneid-stoffe bei der Nagel Maschinen- und Werkzeugfabrik GmbH in Nürtingen.

AUTOR

Der Honprozess unter Berücksichtigung der motorischen Randbedingungen

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tigungssicht des Kunden Rechnung zu tra-gen, . Die tribologischen Vorgänge an real betriebenen Verbrennungsmotoren sind sehr individuell und komplex. Sie sind zumindest derzeit nur teilweise erforscht. Mangelndes Wissen führte zu den unterschiedlichsten Theorien und damit zu einer Vielzahl an Honvarianten.

UNWIRTSCHAFTLICHE VERFAHRENSVIELFALT

Nicht zuletzt unter dem Aspekt, dass immer mehr gleiche Grundmotoren von verschiedenen Herstellern an verschie-denen Standorten gefertigt werden, ist diese Verfahrensvielfalt sowohl aus Kosten-, und Qualitäts- als auch aus logistischen Gründen nicht erwünscht. Hinzu kommt, dass auch für die Zulieferer von Kolben-ringen für jede Oberflächenvariante spezi-fische Entwicklungen und/oder Freigabe-prozeduren durchzuführen sind. Deshalb müssen die „Hontheorien“ vom für die Endfertigung zuständigen Zulieferer kri-tisch hinterfragt werden.

ÜBERPRÜFUNGEN WIDERLEGEN THEORIEN

Zum Beispiel ergab eine rechnerische Über-prüfung, dass die Theorie nicht stimmt, nach der das „Durchpumpen“ des Motoröls mit jedem Hub über die zahlreichen Honriefen in den Brennraum die Hauptursache für den Ölverbrauch ist. Andernfalls läge der Ölver-brauch „normal“ gehonter Motoren im Bereich des Kraftstoffverbrauchs [1]. Auch bei physikalischer Betrachtung zeigt sich,

dass das angenommene System „isolierter Mikrodruckkammern“ so nicht existiert, sobald sich – was ja eigentlich selbstredend ist – ein hydrodynamischer Schmierfilm auf-baut. Dann ist auch dieses System kommuni-zierend. Des Weiteren ist der direkte Beitrag des Graphits („offene Graphitlamellen als Notlaufreserve“) zur Tribologie äußerst frag-lich, da diese schon nach kurzer Zeit durch Kavitation zurückgesetzt werden, . Inso-fern hat sich auch bei den meisten Großse-rien die Diamanthonung (welche eine gering-fügig stärkere Ver-schuppung der Graphitla-mellen bewirken kann) als kostengünstigere und zuverlässigere Variante durchgesetzt.

Genauso wenig schlüssig ist die Annah- me, eine raue Honung sei erforderlich, um beim Einlaufen von Kolbenring und Zylinderwand die Bohrungsverzüge in relevantem Maße auszugleichen. Das Anpassungspotenzial der rauen Honung beträgt 1 bis 2 μm, die statischen Verzüge durch die Zylinderkopfmontage liegen jedoch zwischen 20 bis 40 μm. Somit ist

es sinnvoller, den Schwerpunkt bei der Oberflächenauslegung nicht auf einen hohen Einlaufverschleiß, sondern auf eine möglichst geringe Reibung auszulegen.

DAS GLEITHONEN

Zu den wichtigsten Maßnahmen bei der Entwicklung von Fertigungsprozessen gehört die Analyse von gelaufenen Ober-flächen. Als Folge daraus wurde das Gleit-honen, das heißt das Erzeugen einer quasi eingefahrenen Laufflächentopographie „von der Honmaschine weg“ entwickelt und be-reits in mehr als 40 Anwendungen weltweit in Serie umgesetzt. Der Serieneinsatz in ei-nem weiten Anwendungsbereich von Kom-pressoren über Pkw- hin zu Nfz-Motoren (Otto als auch Diesel) konnte deshalb so zeitnah durchgeführt werden, weil beim Maschinenlieferanten die Schneidmittelent-wicklung in die Prozessentwicklung integ-riert wurde. Dies ermöglicht ein schnelles, individuelles Reagieren auf die jeweiligen Bauteil- und Werkstoffunterschiede.

DAS SPIRALGLEITHONEN

Zusätzliche Erfahrungen aus dem Bereich außerhalb des Automobilsektors führten dazu, die Funktion des Honwinkels vor allem in den Umkehrbereichen neu zu

Der Honprozess unter Berücksichtigung der Fertigungsbedingungen

Rücksetzung der Graphitlamellen an einer gelaufenen Zylinderoberfläche

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überdenken: Beim Außenhonen von Kol-benstangen hat sich das Einbringen axialer Honriefen zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß durchgesetzt. Diese laufen aufgrund ihrer langsamen Hubgeschwin-digkeit im nicht hydrodynamischen Bereich. Diese Bereiche sind auch bei Kol-benkraftmaschinen bei den Umkehrpunk-ten vorhanden und dem stärksten Ver-schleiß ausgeliefert. Somit lag es nahe, die Übertragbarkeit auf den Verbrennungsmo-tor zu überprüfen. Dabei zeigte sich, dass beim Innenhonen von Zylinderbohrungen das Optimum des Honwinkels unter Berücksichtigung der Fertigung als auch der Funktionalität im Bereich von 140° liegt.

Im Zusammenhang mit einer Reduzie-rung der Honriefenbreite konnte durch dieses Spiralgleithonen eine bisher nicht erreichte Verschleißbeständigkeit bei gleich-zeitig reduziertem Ölverbrauch in der Serie erreicht werden [2]. Bei gleichen Aus-gangs-Rvk-Werten zeigt sich gegenüber der Standardplateauhonung mit zunehmender Laufzeit vor allem in den Umkehrberei-chen eine verbesserte Standfestigkeit der Oberfläche und somit geringerer Verschleiß und Reibung, . Die reduzierten Reibwerte wurden im Rahmen des EU-Projekts „Oil-Free-Powertrain“ am unbefeuerten Test-Stand bestätigt [3]. Ein großer Vorteil die-ses Honverfahrens ist seine Anwendungs-breite. Serienanwendungen erstrecken sich in der Zwischenzeit von Industrie- über Nfz- bis hin zu Pkw-Ottomotoren. Mit werkstoffbezogenen Anpassungen ist das Spiralgleithonen jetzt auch bei Aluminium-Laufflächen Serienstand.

Gerade in diesem Fall hat die kompetenz-übergreifende Zusammenarbeit von Moto-renentwicklung, Maschinenhersteller, Kol-benring- als auch Werkstofflieferant zum Erfolg beigetragen. Die neuen Oberflächen

ermöglichen es jetzt, den Schwerpunkt der Legierungsentwicklung bei Aluminium mehr auf die Festigkeit als auf die tribolo-gische Funktionalität zu legen. Letztere wird nun durch die Honung bestimmt.

ALTERNATIVEN ZUR OBERFLÄCHENSTRUKTURIERUNG

Außer an einer weiteren Entwicklung des vor allem sehr wirtschaftlichen und pro-zesssicheren Gleithonverfahrens wird auch an Alternativen zur Oberflächenstruktu-rierung gearbeitet. Beim so genannten „Laserhonen“ wurde das Strukturieren bereits im Jahre 2000 in die Serie umge-setzt. Dabei werden – im Gegensatz zum Spiralgleithonen – relativ breite Struktu-ren von 50 bis 80 μm eingebracht.

Eine weitere Anwendung der Lasertech-nik in der Serie ist das Laserbelichten. Im Gegensatz zum Strukturieren wird hier nicht nur die Topographie, sondern auch die Werkstoffeigenschaft im oberflächen-nahen Bereich verändert. Auch dieses Ver-fahren wurde durch die Entwicklung einer speziellen Vorbearbeitung bereits in die Serie begleitet. Zurzeit wird das Einbrin-gen feinerer Laserstrukturen (< 40 μm) auf seine Groß-Serienfähigkeit und An-wendbarkeit untersucht, .

Fortschritte bei Maschinentechnologien, Steuerungssystemen und Werkzeugen er-möglichen auch beim Diamanthonen die Erzeugung neuer Oberflächenstrukturen, beispielsweise mit unterschiedlicher Aus-prägung in axialer Richtung, .

REIBUNGSGÜNSTIGE WERKSTOFFE UND BESCHICHTUNGEN

Ein weiterer Aufgabenbereich der Fertigungs-entwicklung ist die Feinbearbeitung rei-

bungsgünstiger Werkstoffe und Beschich-tungen. Vor allem im Rennsportbereich hat sich dabei das Plasmabeschichten etabliert. Da diese Motoren praktisch keine Einlauf-phase haben, sind an die Honqualität be-sonders hohe Ansprüche gestellt. Hier – aber auch für die Großserie – ist eine offen-porige Oberfläche ohne Aufwürfe für eine sichere Funktion unabdingbar.

Das Spektrum der alternativen Werk-stoffe, für die bereits Honverfahren vorent-wickelt wurden, ist sehr breit und reicht von Keramikbeschichtungen über Metall-Keramikbeschichtungen bis hin zu mehr-phasigen Metallbeschichtungen, welche als Pulver oder Draht entweder mittels Flame, Lichtbogen oder Plasma aufgebracht wer-den. Ein Vorteil poröser Spritzschichten ist, dass deren Oberflächentopographie trotz Verschleiß über die gesamte Motor-lebensdauer praktisch konstant bleibt.

BOHRUNGSVERZÜGE VERMEIDEN

Ein nicht zu unterschätzendes Potenzial zur Reibungsreduktion besteht in der Ver-meidung von Bohrungsverzügen. Der fun-damentale Ansatz dazu muss allerdings von der Konstruktion des Bauteils kom-

Winkelmikroskop-Aufnahme im Pkw-Motor nach 1200 Stunden Prüflauf Weiterentwickelte, feinere Laserstruktur

Variable Honstrukturen in axialer Richtung

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men. Die Ursachen für Verzüge sind sehr vielfältig und können nicht vollständig durch formkorrigierendes Honen behoben werden.

Aber auch bei konstruktiven Maßnah-men, etwa Monoblöcke oder festere Werk-stoffe, ist die Zusammenarbeit mit der

Entwicklung des Maschinenbauers gefor-dert, um beispielsweise die geeigneten Werkzeuge und/oder Schneidmittel bereit zu stellen.

Das sogenannte Brillenhonen ist eine bewährte Möglichkeit, statische Verzüge bei der Zylinderkopfmontage auszuglei-

chen. Dabei wird der Verzug durch das Aufschrauben einer im Zylinderbereich offenen Platte simuliert, und . Diese Technik ist seit längerem im Rennsport Standard, wird seit einigen Jahren aber auch in der Serienfertigung von Diesel- und Benzinmotoren verwendet. Grund-

ZYLINDER Z1 Z2 Z3 Z4 Z5

ZYLINDERFORM

3,2 3,8 3,4 3,6 5,1 μm

RUNDHEIT

Ebene 1 (5,00 mm) 1,9 1,5 1,4 1,8 1,6 μm

Ebene 2 (7,00 mm) 1,8 1,5 1,5 1,7 1,5 μm

Ebene 3 (9,00 mm) 1,8 1,6 1,5 1,7 1,3 μm

Ebene 4 (17,00 mm) 1,5 2,0 1,8 1,9 1,1 μm

Ebene 5 (24,00 mm) 1,7 2,3 2,1 2,5 1,1 μm

Ebene 6 (39,00 mm) 2,4 2,7 2,6 2,9 2,1 μm

Ebene 7 (70,00 mm) 2,5 1,9 1,8 2,0 3,1 μm

Ebene 8 (110,00 mm) 2,8 1,9 2,0 1,9 3,1 μm

GERADHEIT

Winkel 1 (0,0°) 1,7 1,3 1,5 1,4 1,3 μm

Winkel 2 (90,0°) 1,0 1,5 1,9 2,3 1,1 μm

Winkel 3 (180,0°) 1,9 2,1 1,6 1,5 2,7 μm

Winkel 4 (270,0°) 1,2 2,7 2,0 1,7 2,8 μm

PARALLELITÄT

Winkel 1 (0,0° / 180,0°) 1,9 2,1 2,1 1,7 2,8 μm

Winkel 2 (90,0° / 270,0°) 4,3 3,0 2,4 2,7 4,4 μm

Simulierte Verspannung der Kopfmontage durch montierte Spannplatte vor dem Honen

Zylinderform nach dem Honen mit montierter Spannplatte und die dazu gehörenden Formwerte

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sätzlich ist dieses Verfahren mit einigen Zusatzkosten verbunden, kann aber eine wesentliche Reduzierung der Ringspan-nung (vor allem der Ölabstreifringe) er-möglichen und somit einen Beitrag zur Verringerung der Kolbenreibung leisten. Dies gilt besonders in Zusammenhang mit einer optimierten Honung wie der Spiral-gleithonung und wird auch so in der Serie bereits eingesetzt.

DAS FREIFORMHONEN

Theoretisch mehr Freiheiten in der Boh-rungsgestaltung bietet das Freiformhonen. Hierzu gibt es zwei Ansätze. Beim positions-abhängigen Ansteuern von (kurzen) Hon-leisten wird eine unrunde, ungerade Boh-rung erzeugt. Ziel ist, eine Negativform des Montageverzugs abzubilden. Diese Verzüge sind aber je nach Lage der Bohrung unter-schiedlich, müssen also individuell korri-giert werden. Unterschiedliche Wandstär-ken und somit Formabweichungen durch den Kernversatz beim Gießen der Blöcke können damit nicht berücksichtigt werden. Ob und wann nach diesem Verfahren eine Serienfertigung in Frage kommt, hängt nicht zuletzt davon ab, wie die Aufgaben zu den Themen In-Prozess-Messung, Ober-flächenkonstanz, Bearbeitungszeiten und Werkzeugverschleiß gelöst werden.

Eine Alternative dazu bietet das Honen mit einer Verspannung, welche durch äußere Krafteinwirkung nicht nur in verti-kaler sondern auch horizontaler Richtung erzeugt wird. Auch wenn damit ohne grö-ßeren Aufwand nur einfache Verformun-gen niedriger Ordnung erzeugt werden können, ist dieses Verfahren doch zeitnah umsetzbar. Es wird zurzeit geprüft, ob damit in Kombination mit einer reibungs-optimierten Oberfläche bereits der größte Teil des theoretischen Potenzials mit we-niger Aufwand erreicht werden kann [4].

Weitere wesentliche Vorteile sind:Es wird weiterhin eine runde Bohrung bearbeitet (Sollform entsteht erst nach der Entspannung wie beim Brillen-honen), alle vorhandenen In-Prozess-Mess- und Korrekturmöglichkeiten können benutzt werden.Die Lage der Bohrung (Rechtwinklig-keit, Parallelität, Geradheit) kann wei-terhin eingehalten werden (Verwen-dung langer Honleisten).Auch die Auswirkung eines Kernver-satzes wird berücksichtigt.

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Grundsätzlich sollte das Potenzial des Formhonens nicht überschätzt werden, da es die nicht statischen Verzüge, welche durch den realen Motorbetrieb entstehen, nicht oder nur sehr begrenzt sinnvoll aus-gleichen kann. Ursachen für Verzüge:

statischer Verzug durch Montage (wie Zylinderkopf, Zusatzaggregate)dynamischer Verzug (Zünddruck)thermischer Verzug (allgemein und zu-sätzlich bei Werkstoffverbunden Fe-Al)Verzüge durch AlterungsprozesseVerzug durch die Kolbenbewegung (Reibung, Kippen).

Des Weiteren ist beim Formhonen zu be-denken, dass diesem Verfahren bei der Kolbenmontage durch das immer kleiner werdende Kolbenspiel Grenzen gesetzt sind, beziehungsweise auch hier eine nochmalige Verspannung der Kurbelge-häuse erforderlich sein kann. Somit kann das Formhonen konstruktive Maßnahmen nur unterstützen, aber nicht ersetzen.

FAZIT

Es ist für jeden Anwendungsfall gesondert zu prüfen, welche Maßnahmen aus den Bereichen Konstruktion, Werkstoffe und Hontechnik das optimale Kosten/Nutzen-Verhältnis ergeben, um Reibung, Verschleiß und Ölverbrauch zu reduzieren.

LITERATURHINWEISE[1] Schmid, J.: Optimiertes Honverfahren für Gusseisen-Laufflächen, VDI-Bericht 1906 (2006)[2] Hoen, T.; Schmid, J.; Stumpf, W.: Weniger Ver-schleiß und Ölverbrauch durch Spiralgleithonung bei Deutz-Motoren. In: MTZ 70 (2009), Nr. 4[3] EU-Projekt Oil-Free-Powertrain Projekt Nr. IPS 2001-80006 Final Report 7/2005[4] Karrar, E.: Potenziale zur Reibungsreduktion in der Kolbengruppe. ATZ/MTZ-Konferenz „Reibungs-minimierung im Antriebsstrang“, Esslingen 2009

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