Rohrinnenflächen messen: Honen und Zylinderlaufflächen

Warum Zylinderlaufflächen gehont werden

Beim Honen wird die Innenfläche eines Zylinders mit einem abrasiven Werkzeug feinbearbeitet. Durch die kombinierte Dreh- und Hubbewegung entsteht der typische Kreuzschliff (siehe stle.org).

Die Struktur dient nicht nur der Oberflächenbearbeitung. Sie soll:

• tragende Kontaktflächen schaffen,
• Schmierstoff in Vertiefungen zurückhalten,
• Rauheitsspitzen reduzieren,
• einen kontrollierten Einlauf ermöglichen.

Honen wurde bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts eingesetzt. Zeitgenössische Ausgaben der Fachzeitschrift Motor Age belegen, dass Zylinderhonmaschinen 1923 kommerziell angeboten wurden.

Warum eine strukturierte Oberfläche Reibung reduzieren kann

Bei einem Kolben-Zylinder-System wirken Kolbenring, Laufbahn, Schmierstoff und Oberflächenstruktur zusammen. Die Honrillen können Öl aufnehmen und die Ausbildung des Schmierfilms beeinflussen.

Eine vollständig polierte Fläche ist deshalb nicht automatisch optimal. Eine zu glatte Oberfläche kann zu wenig Schmierstoff speichern, eine zu grobe Struktur dagegen Reibung, Verschleiß oder Ölverbrauch erhöhen. Entscheidend ist ein kontrolliertes Verhältnis aus tragenden Plateaus und tieferen Vertiefungen (siehe Pawlus P, Koszela W, Reizer R. Surface Texturing of Cylinder Liners: A Review. Materials (Basel). 2022 Dec 3;15(23):8629. doi: 10.3390/ma15238629. PMID: 36500125; PMCID: PMC9740635.)

Plateau-Finish und Kennwerte

Beim Plateau-Finish werden die höchsten Rauheitsspitzen reduziert, während tiefere Täler erhalten bleiben. Neben $R_a$​ können deshalb weitere Kennwerte erforderlich sein:

• $R_{pk}$​: reduzierte Spitzenhöhe,
• $R_k$​: Kernrauheitstiefe,
• $R_{vk}$: reduzierte Riefentalhöhe.

ISO 13565-2 beschreibt diese materialanteilskurvenbasierten Kennwerte, ist bei ISO jedoch als zurückgezogen gekennzeichnet. Für aktuelle Profilparameter sollte zusätzlich die ISO-21920-Reihe berücksichtigt werden. Für 3D-Oberflächen ist ISO 25178-2 relevant.

Der Kreuzschliff

Der Honwinkel beeinflusst Schmierstoffverteilung, Reibung, Verschleiß und Ölverbrauch. Einen universellen Sollwert gibt es jedoch nicht. In der Fachliteratur werden beispielsweise 30°, 45° und 60° untersucht.

Der optimale Winkel hängt unter anderem von Werkstoff, Kolbenring, Last, Drehzahl, Schmierstoff und Honverfahren ab. Maßgeblich ist daher die konkrete Zeichnungs- oder OEM-Spezifikation.

Welche Größen werden gemessen?

Je nach Prüfaufgabe können folgende Größen relevant sein:

• Innendurchmesser,
• Rundheit und Zylindrizität,
• Rauheit und Welligkeit,
• Honwinkel,
• Rillenbreite und -tiefe,
• 3D-Topografie.

Ein Durchmessersensor misst nicht automatisch Rauheit oder Kreuzschliff. Die Eignung muss für jede Messgröße separat geprüft werden.

Taktile und optische Messverfahren

Tastschnittverfahren arbeiten mit einem Diamanttaster und liefern klassische Profil- und Rauheitskennwerte. ISO 3274 beschreibt die Grundlagen solcher taktilen Messgeräte.

Bei kleinen Bohrungen können jedoch Tasterarm, Zugänglichkeit und Messrichtung problematisch sein. Gerade bei einem gerichteten Kreuzschliff liefert eine Messung quer zu den Rillen andere Ergebnisse als eine Messung entlang der Rillen.

Optische Verfahren wie Lasertriangulation, optische Mikrometer oder 3D-Profilometrie arbeiten berührungslos und können für kleine Bohrungen eingesetzt werden. Welche Methode geeignet ist, hängt von Messgröße, Zugänglichkeit, Oberflächenbeschaffenheit und geforderter Genauigkeit ab.

Beispiel: Vermessung mit Lasern

Wir bieten optische Sensoren für die Messung kleiner Bohrungen an. Selbst kleine Bohrungsdurchmesser stellen zukünftig kein Hindernis mehr dar. Der Sensor von Riftek RF609-Wi-Fi-5/13 ist für Innendurchmesser von 5 bis 13 mm ausgelegt; die angegebene Messgenauigkeit beträgt ±0,002 mm.

Für größere Bohrungen bietet RIFTEK auch Multisensor-Systeme an. Ein beschriebenes Drei-Sensor-System ist für Innendurchmesser von 21 bis 27 mm vorgesehen.

Diese Werte gelten für konkrete Systemkonfigurationen. Messbereich, Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Messunsicherheit müssen für die jeweilige Anwendung geprüft werden.

Fazit

Rohrinnenflächen sollten nicht nur über den Innendurchmesser bewertet werden. Auch Form, Rauheit, Kreuzschliff und 3D-Topografie können für die Funktion entscheidend sein.

Eine strukturierte Oberfläche ist bei geschmierten Kontakten kein Mangel, sondern häufig gewollt. Für eine belastbare Prüfung müssen zunächst Messgröße, Messrichtung und Auswertung festgelegt werden. Erst danach lässt sich das passende taktile oder optische Messverfahren auswählen.