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Die
Erfindung betrifft einen Zylinderblock zur Anwendung in Verbrennungsmotoren.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die in Zylinderblöcken eingesetzten
Kurbellager.
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Wie
in 13 dargestellt wird,
gehören
zu einem Zylinderblock 101 herkömmlicherweise ein das Oberteil
des Zylinderblockes bildendes Hauptgehäuse 103 und die an
der Unterseite des Hauptgehäuses 103 angeordneten
Lagerdeckel 105. Hauptgehäuse 103 und Lagerdeckel 105 sind
beide aus Aluminiumlegierung gefertigt. Hauptgehäuse 103 und Lagerdeckel 105 bilden
gemeinsam ein Lagersegment 107, in welchem eine Kurbelwelle
(nicht gezeigt) drehbar gelagert ist. Aus Gründen der Steifigkeit, des Rotationsgleichgewichts
und ähnlicher
Eigenschaften wird diese Kurbelwelle aus einer Legierung auf Eisenbasis
gefertigt (d.h. Stahl oder Gusseisen). Während des Betriebes des Fahrzeuges
steigt die Temperatur des Zylinderblockes 101 auf etwa
100 °C oder
darüber.
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Da
die Aluminiumlegierung einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von
etwa 22 × 10–6/K
und das Bauteil auf Eisenbasis einen linearen Ausdehnungskoeffizienten
von etwa 12 × 10–6/K
hat, unterliegt der Lagerbohrungsdurchmesser des Lagersegments beim
Betrieb des Fahrzeuges und der damit verbundenen Erwärmung des
Verbrennungsmotors einer stärkerem
Ausdehnung als der Außendurchmesser
der Kurbelwelle. Demzufolge vergrößert sich das Spiel zwischen
der Kurbelwelle und der Lagerbohrung 109 beim Betrieb des
Fahrzeuges, so dass die Drehbewegung der Kurbelwelle zur Erzeugung beträchtlicher
Schwingungen und Geräusche
führt.
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Um
die Erzeugung dieser Schwingungen und Geräusche zu vermeiden, wurde ein
Verfahren vorgelegt, bei dem das Lagersegment 107 und die Kurbelwelle
aus Werkstoffen mit etwa gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
gefertigt werden. Zum Beispiel wird in der Japanischen Patentschrift
JP 06-08 6882 B ein erfahren veröffentlicht,
nach dem das Lagersegment mit einem Material auf Gusseisenbasis
beschichtet wird.
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Im
Gegensatz zum Dichteverhältnis
(2,7 g/cm3) von Aluminium beträgt das Dichteverhältnis von
Stahl 7,8 g/cm3 und das von Gusseisen 6,9 g/cm3. Somit besteht auf Grund der Tatsache,
dass das Dichteverhältnis
von Materialien auf Eisenbasis etwa 2,5 bis 3 Mal höher als
das einer Aluminiumlegierung ist, bei der Beschichtung des Lagersegments mit
einem Material auf Gusseisenbasis das Problem, dass das Gewicht
des Zylinderblockes selbst übermäßig erhöht wird.
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Zudem
ist das Beschichtungsmaterial ein Werkstoff auf Eisenbasis, der
der Aluminiumlegierung als Stammmaterial artfremd ist, und seine
Haftung am aus Aluminiumlegierung bestehenden Bauteil ist nicht
durchgehend zufriedenstellend.
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Weiterhin
muss das Lagersegment einer Endbearbeitung zur Herstellung einer
Lagerbohrung unterzogen werden, was durch maschinelle Bearbeitung
erfolgt. Der als Beschichtungsmaterial verwendete Werkstoff auf
Eisenbasis besitzt jedoch eine Härte,
die eine ordnungsgemäße maschinelle
Bearbeitbarkeit nicht zulässt.
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Das
Problem der Beherrschung von aneiander angrenzenden Bereichen mit
unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten wird in der Schrift
EP 0 363 159 B1 angesprochen,
die eine Methode zur Formstabilisierung der Grenzfläche zwischen
Metallteilen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten
beschreibt.
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Die
Schrift
US 29 97 347 offenbart
einen Zylinderblock, bestehend aus einem Hauptgehäuse, einem
an der Unterseite des Hauptgehäuses
befestigten Lager und einer in einem Lagersegment, das durch die
Unterseite des Hauptgehäuses
und das Lager gebildet wird, drehbar gelagerten Kurbelwelle. Im Gleitteil
des Lagersegments ist eine Aluminiumlegierungsschicht angeordnet
und der an deren Außenseite
angrenzende Bereich besteht aus einem Eisenmetall. Der Wärmeausdehnungskoeffizient
des Eisenmetalls wird niedriger gewählt, als der der Aluminiumlegierungsschicht.
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Der
Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderblock bereitzustellen,
mit dem die vom Verbrennungsmotor bei hohen Temperaturen erzeugten
Schwingungen und Geräusche
verringert werden können
und der ein niedriges Gewicht hat.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1;
Anspruch 2 gibt eine zweckmäßige Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Merkmale
wieder.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Zylinderblock bereitgestellt, zu dem ein Hauptgehäuse des
Zylinderblockes, ein an der Unterseite des Hauptgehäuses montiertes
Lager sowie eine in einem durch die Unterseite des Hauptgehäuses und das
Lager gebildeten Lagersegment drehbar gelagerte Kurbelwelle gehören, wobei
in dem Gleitteil des Lagersegments eine Aluminiumlegierungsschicht hergestellt
wird, der an die Aluminiumlegierungsschicht angrenzende Bereich
aus einem Verbundwerkstoff besteht, und der Wärmeausdehnungskoeffizient des
Verbundwerkstoffes niedriger als der der im Gleitteil hergestellten
Aluminiumlegierungsschicht ist.
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Das
Lagersegment des vorgenannten Zylinderblockes besitzt eine Lagerbohrung
für eine
Kurbelwelle, und die Innenfläche
dieser Lagerbohrung dient als Gleitfläche, auf welcher sich die Kurbelwelle dreht.
Das Gleitteil einschließlich
der Gleitfläche
besteht aus einer Aluminiumlegierungsschicht, die zum Beispiel aus
ADC12 (Aluminiumdruckgusswerkstoff) besteht, und der an den Gleitteil
angrenzende Bereich besteht aus einem Verbundwerkstoff.
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Beim
Erwärmen
des Verbrennungsmotors zum Beispiel bei Betrieb des Fahrzeuges ist
das Gleitteil bestrebt, sich durch die Wirkung der Wärme nach
außen
auszudehnen. Da aber der angrenzende Bereich einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
als das Gleitteil aufweist, wird das Gleitteil durch den Verbundstoff
als Material des angrenzenden Bereiches wieder nach innen gedrückt, so
dass letztlich die Ausdehnung der Lagerbohrung begrenzt wird. Demzufolge
wird das Spiel zwischen der Kurbelwelle und der Lagerbohrung nicht
wesentlich vergrößert, so
dass dadurch die während
des Betriebes des Fahrzeuges vom Verbrennungsmotor erzeugten Schwingungen
und Geräusche
auf ein niedriges Maß begrenzt
werden. Zudem kommt es auf Grund der Tatsache, dass das Lagersegment
aus einer Aluminiumlegierungsschicht und einem eine Aluminiumlegierung
enthaltenden Verbundwerkstoff besteht, zu einer Reduzierung des
Gewichts des Zylinderblockes, was wiederum zu einem geringeren Gewicht das
Gesamtfahrzeuges führt.
Da weiterhin der Verbundwerkstoff zum Teil aus einer Aluminiumlegierung besteht,
lässt er
sich leicht zu niedrigen Kosten herstellen. Andererseits besteht
das Gleitteil aus einer Aluminiumlegierungsschicht und bietet dadurch
eine gute maschinelle Bearbeitbarkeit bei der Endbearbeitung der
Innenfläche
der Lagerbohrung.
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Als
vorgenannter Verbundwerkstoff kann vorzugsweise ein durch Imprägnierung
eines formgepressten Formteils mit flüssiger Aluminiumlegierung hergestelltes
Material verwendet werden. Das vorgenannte Formteil wird vorzugsweise
durch Formpressen eines gekörnten
Materials, eines Fasermaterials oder eines Gemisches aus gekörntem und
Fasermaterial hergestellt. Als vorgenanntes gekörntes oder Fasermaterial können vorzugsweise
verschiedene keramische Materialien wie Oxide, Carbide und Nitride
verwendet werden.
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Oxide,
die hierfür
zum Einsatz kommen können,
sind zum Beispiel Siliziumoxid (SiO2), Aluminiumoxid
(Al2O3), Mullit
(Al2O3-SiO2), Spinell (MgO-Al2O3), Magnesiumoxid (MgO) und Calciumoxid (CaO).
Vorzugweise einsetzbare Carbide sind unter anderem Siliziumcarbid
(SiC), und vorzugsweise einsetzbare Nitride sind unter anderem Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumnitrid
(AlN) und Bornitrid (BN).
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Infolge
des Einsatzes von gekörntem und/oder
Fasermaterialien bewirkt der vorgenannte Verbundwerkstoff eine verbesserte
Steifigkeit und Zähigkeit
des Lagersegments. Zudem kann ein Aluminiumverbundwerkstoff mit
einer hohen Steifigkeit durch die Verwendung eines gekörnten oder
Fasermaterials mit einem hohen Längselastizitätsmodul (Youngscher
Mo dul), zum Beispiel einem Längselastizitätsmodul
größer als
der von Stahl (d.h. 2,1 × 1011 N/m2), erzielt
werden.
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Das
Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblockes umfasst den Schritt
der Herstellung eines Formteiles durch Zugabe eines siliziumdioxidartigen Zusatzmittels
zu mindestens einem gekörnten
Material oder Fasermaterial und der Bearbeitung der entstandenen
Mischung in einem Formpressverfahren; sowie den Schritt des Gießens einer
flüssigen
Aluminiumlegierung in das genannte Formteil und der dadurch gewährleisteten
Herstellung eines Lagersegments, in welchem im Gleitteil eine Aluminiumlegierungsschicht
für eine
Kurbelwelle gebildet wird und der an das Gleitteil angrenzende Bereich
aus einem Verbundwerkstoff besteht.
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Das
gekörnte
Material hat vorzugsweise einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser
von 10 bis 500 μm,
das Fasermaterial hat einen durchschnittlichen Faserdurchmesser
von 1 bis 10 μm,
und das Formteil hat einen Volumenanteil von 15 bis 40 %. Im dem
gekörnten
oder Fasermaterial kann mindestens ein aus den Oxiden wie Siliziumoxid,
Aluminiumoxid, Mullit, Spinell, Magnesiumoxid und Calciumoxid, den
Carbiden wie Siliziumcarbid und den Nitriden wie Siliziumnitrid,
Aluminiumnitrid und Bornitrid ausgewähltes Material enthalten sein.
Der vorgenannte Volumenanteil wird als Verhältnis des Volumens der gekörnten und
Fasermaterialien zum Gesamtvolumen des formgepressten Formteils
bestimmt. Dieses kann dadurch ermittelt werden, indem das Rohdichteverhältnis des
Formteiles aus dessen Volumen und Gewicht berechnet, dieses Dichteverhältnisses
durch das echte Dichteverhältnis
der zugegebenen gekörnten
und Fasermaterialien dividiert und der Quotient als Prozentsatz
angegeben wird.
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Nach
dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird die Oberfläche des
gekörnten
Materials und/oder Fasermaterials durch die Zugabe des siliziumartigen
Zusatzmittels so verändert,
dass der Druck, bei dem die flüssige
Aluminiumlegierung in das Formteil einzudringen beginnt, bei 1 MPa
oder darunter liegt. Bei der Herstellung des Verbundwerkstoffes
kann das Formteil zuverlässig
in kurzer Zeit mit der flüssigen
Aluminiumlegierung imprägniert werden.
Dementsprechend kann die für
die Herstellung eines Zylinderblockes benötigte Zeit verringert werden.
Zudem kann eine vollständige
Imprägnierung
des das Lagersegment bildenden Verbundwerkstoffes mit Aluminiumlegierung
erreicht werden.
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Da
der Zylinderblock der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung
einer Aluminiumlegierung hergestellt wird, hat er ein niedriges
Gewicht und trägt
damit zur Verringerung des Gewichtes des gesamten Verbrennungsmotors
bei. Außerdem
wird weiterhin trotz der Erwärmung
des Zylinderblockes der Durchmesser der Lagerbohrung nicht wesentlich vergrößert und
demzufolge das Spiel zwischen der Kurbelwelle und der Lagerbohrung
nicht erweitert. Infolgedessen werden auch während des Betriebes des Fahrzeuges
die vom Verbrennungsmotor erzeugten Schwingungen und Geräusche auf
ein geringes Maß reduziert.
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Die
Erfindung soll anhand von in den Zeichnungsfiguren erläuterten
Ausführungsbeispielen
näher beschrieben
werden.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Zylinderblocks mit Lagerdeckel
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Zylinderblockes mit untenliegendem
Kurbelgehäuse gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 1;
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4 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 2;
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5 ist
eine Querschnittsansicht eines ein Lager bildenden Formteils gemäß der vorliegenden Erfindung;
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6 ist
eine Querschnittsansicht eines Lagers gemäß der vorliegenden Erfindung;
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7 ist
eine schematische Ansicht mit Darstellung der bei hohen Temperaturen
auf das Lager wirkenden Spannungen;
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8 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 1,
die ein Lager gemäß eines veränderten
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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9 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 2,
die ein Lager gemäß eines veränderten
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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10 ist
eine Querschnittsansicht eines im Erfindungsgemäßen Beispiel verwendeten Formteils;
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11 ist
eine Querschnittsansicht eines im Erfindungsgemäßen Beispiel hergestellten
Lagers;
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12 ist
eine grafische Darstellung, die die Änderungen des Lagerbohrungsdurchmesser
der im Erfindungsgemäßen Beispiel
und in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellten Lager zeigt;
und
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13 ist
eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Zylinderblockes.
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Im
Folgenden werden Zylinderblöcke
entsprechend mehrerer Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen beschrieben. Wein 1 und 2 dargestellt
wird, sind die den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden
Zylinderblöcke entsprechend
ihrem Aufbau grob in einen Zylinderblock mit Kurbellagerdeckel und
einen Zylinderblock 1 mit untenliegendem Kurbelgehäuse 2 unterteilt.
An dem in 1 dargestellten Zylinderblock
mit Kurbellagerdeckel 1 gehört zu dem Oberteil ein Hauptgehäuse 5 des
Zylinderblockes, das aus einer Aluminiumlegierung besteht. Dieses
Hauptgehäuse 5 des Zylinderblockes
besitzt in seinem Inneren mehrere in vertikaler Richtung verlaufende
Zylinderbohrungen 7, und in diesen Zylinderbohrungen bewegen
sich Kolben Zylinder (nicht gezeigt) jeweils nach oben und unten.
Halbkreisförmige
Ausschnitte 9 sind auf der Unterseite des Zylinderblockes 1 vorhanden,
und die ein Lager bildenden Lagerdeckl1 11 sind von unten daran
befestigt. Diese Ausschnitte 9 und Lagerdeckel 11 bilden
ein Lagersegment 13, in welchem eine Kurbelwelle (nicht
gezeigt) drehbar gelagert ist.
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Der
in 2 dargestellte Zylinderblock 3 umfasst
in seinem Oberteil ebenfalls ein Hauptgehäuse 21 des Zylinderblockes,
und halbkreisförmige
Ausschnitte 15 sind auf der Unter seite des Hauptgehäuses 21 des
Zylinderblockes vorhanden. An dieses Hauptgehäuse 21 des Zylinderblockes
ist von unten ein untenliegendes Kurbelgehäuse 17 montiert. Diese
Ausschnitte 15 und das untenliegende Kurbelgehäuse 17 bilden
ein Lagersegment 23. In dem in 1 gezeigten
Lagerdeckel 11 oder in dem in 2 gezeigten
Lagersegment 23 des untenliegenden Kurbelgehäuses 17 sind
beide seitlichen Enden 25 der oberen Flächen derselben flach ausgeführt, und
der mittlere Teil derselben ist wie in der Querschnittsansicht von 3 oder 4 dargestellt
halbkreisförmig
eingedrückt
und bildet so eine Vertiefung 27. Jedes seitliche Ende 25 besitzt
ein in vertikaler Richtung verlaufendes Schraubenbolzenloch 29,
und ein Schraubenbolzen 31 wird in dieses Schraubenbolzenloch 29 eingesetzt.
Dadurch wird der Lagerdeckel 11 von unten am Hauptgehäuse 5 oder 21 des
Zylinderblockes befestigt.
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In 3 und 4 stimmt
die Oberseite des Lagerdeckels 11 mit der Gleitfläche überein,
auf der sich die Kurbelwelle dreht. Auf diesen Oberseiten wird die
aus ADC12 bestehende Aluminiumlegierungsschicht 33 gebildet.
Die Seite unterhalb der Aluminiumlegierungsschicht 33 stimmt
mit der Auflagefläche
des Schraubenbolzens überein.
Auf dieser Seite wird entsprechend der Auflagefläche des Schraubenbolzens ein
Verbundwerkstoff 35 angeordnet. Wenn man die Dicke (oder
Höhe) beider
seitlicher Enden 25 des Lagerdeckels 11 mit A
und die Dicke (oder Höhe)
des Verbundwerkstoffes 35 an beiden seitlichen Enden 25 mit
a bezeichnet, so berechnet sich die Dicke (oder Höhe) der
Aluminiumlegierungsschicht 33 an beiden seitlichen Enden
durch (A-a). Wenn man die Dicke des Lagerdeckels 11 am untersten
Punkt des Mittelteils desselben mit B und die Dicke des Verbundwerkstoffes
an diesem Punkt mit b bezeichnet, so berechnet sich die Dicke der
Aluminiumlegierungsschicht 33 in der Gleitfläche durch (B-b).
Die Dicken a und b liegen innerhalb der jeweiligen durch A/2 ≤ a < A und B/2 ≤ b < B festgelegten Bereiche.
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Wenn
a = A und b = B ist, ist der das Lager bildende Lagerdeckel 11 ohne
die Aluminiumlegierungsschicht 33 ausgeführt und
besteht durchgehend aus Verbundwerkstoff 35. Wenn dies der
Fall ist, besteht die für
die Endbearbeitung maschinell zu bearbeitende Lagerbohrungsfläche aus
Verbundwerkstoff und bietet somit ungünstige Bedingungen für die maschinelle
Bearbeitbarkeit.
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Als
erster Schritt zur Herstellung des Lagersegments wird, wie in 5 veranschaulicht
wird, ein Formteil 41 durch Zugabe eines siliziumoxidartigen Zusatzmittels
zu einem gekörnten
Material, einem Fasermaterial oder einem Gemisch aus gekörntem Material
und Fasermaterial und eine anschließende Formpressbearbeitung
des so erzeugten Gemisches hergestellt. Dieses Zusatzmittel verändert die
Oberflächen
des gekörnten
Materials und/oder Fasermaterials und verbessert dadurch seine Benetzbarkeit durch
eine Aluminiumlegierung. Dementsprechend fördert die Zugabe des Zusatzmittels
das Eindringen einer flüssigen
Aluminiumlegierung in das Formteil 41.
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Anschließend wird
das Formteil 41 in eine Kokille (nicht gezeigt) gebracht,
in welche eine flüssige
Aluminiumlegierung (ADC12) eingegossen wird. Nach Schließen der
Kokille erfolgt der Druckguss der flüssigen Aluminiumlegierung durch
Beaufschlagung der Kokille mit einem vorgegebenen Druck. Dadurch dringt,
wie in 6 veranschaulicht wird, die flüssige Aluminiumlegierung in
die Zwischenräume
innerhalb des Formteils 41 ein und bildet einen Verbundwerkstoff 35,
und weiterhin wird eine Aluminiumlegierungsschicht 33 auf
der oberen Fläche
des Verbundwerkstoffes 35 gebildet.
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Als
Endbearbeitungsschritt wird die obere Fläche maschinell zur Herstellung
einer Gleitfläche bearbeitet,
und Schraubenbolzenlöcher 29 werden
in beide seitliche Enden gebohrt, wodurch als Endprodukt ein fertiger
Lagerdeckel 11 für
den Einsatz in einem Lager entsteht. Das Formteil 41 sollte
vorzugsweise einen unter dem von Stahl liegenden linearen Ausdehnungskoeffizienten
und einen hohen Längselastizitätsmodul
(Youngschen Modul), zum Beispiel einen über dem von Stahl liegenden
Längselastizitätsmodul
besitzen. Der lineare Ausdehnungskoeffizient von Stahl ist 12 × 10–6/K,
und der Längselastizitätsmodul
(Youngscher Modul) von Stahl ist 2,1 × 1011 N/m2. Dementsprechend müssten die für das vorgenannte Formteil 41 eingesetzten
gekörnten
und Fasermaterialien einen linearen Ausdehnungskoeffizienten kleiner
als 12 × 10–6/K
und ein Längselastizitätsmodul
größer als
2,1 × 1011 N/m2 aufweisen.
Somit hat der Verbundwerkstoff einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
(d.h. einen niedrigeren linearen Ausdehnungskoeffizienten und einen
niedrigeren Volumenausdehnungskoeffizienten) als die Aluminiumlegierung
und eine höhere
Steifigkeit als die Aluminiumlegierung.
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Als
gekörntes
oder Fasermaterial für
das Formteil 41 können
vorzugsweise Oxide wie zum Beispiel Siliziumoxid (SiO2),
Aluminiumoxid (Al2O3), Mullit
(Al2O3-SiO2) und Spinell (MgO-Al2O3), Carbide wie zum Beispiel Siliziumcarbid
(SiC) und Nitride wie zum Beispiel Siliziumnitrid (Si3N4) eingesetzt werden. Weiterhin kann auch
jedes Gemisch der vorgenannten gekörnten und Fasermaterialien
verwendet werden. In diesem Falle muss das gekörnte Material und das Fasermaterial
nicht unbedingt von der gleichen Art sein.
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Das
Eindringungsvermögen
der flüssigen Aluminiumlegierung
in das Formteil 41 hängt
von dem Eindringungsanfangsdruck P ab, der durch die folgende Gleichung
bestimmt wird: P = –6·λ·ν·cosθ·Vp/[1 – Vp)·dp]
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Dabei
ist λ der
Formfaktor der Kornteilchen, ν die
Oberflächenspannung
eines strömungsfähigen Mediums, θ der Kontaktwinkel,
Vp der Volumenanteil der Kornteilchen und
dp der Durchmesser der Kornteilchen. Bei λ = 1, ν = 0,893
Pam (reines Aluminium), θ =
160 (SiC), Vp = 0,35 und dp =
3 μm ergibt
sich P = 0,90 MPa.
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Entsprechend
der vorgenannten Gleichung, die den Eindringungsanfangsdruck P bestimmt,
erhöht
sich das Eindringungsvermögen
der flüssigen Aluminiumlegierung
in das Formteil 41 in dem Maße, wie der Kornteilchendurchmesser
des gekörnten
Materials des Formteils 41 zunimmt und dessen Volumenanteil
sinkt. Angenommen, das Formteil 41 besteht aus gekörntem und
Fasermaterial mit einem durchschnittlichen Durchmesser nicht unter
3 μm und der
Volumenanteil des Formteils 41 liegt bei 35 % oder darunter,
dann beträgt
der Druck, bei dem die flüssige
Aluminiumlegierung in das Formteil 41 einzudringen beginnt,
1 MPa oder weniger.
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Andererseits
kann das gekörnte
und/oder Fasermaterial des Formteils 41 einer Oberflächenbehandlung
unterzogen werden, indem ein siliziumoxidartiges Zusatzmittel mit
einer guten Oberflächenbenetzbarkeit
und -reaktionsfähigkeit
zugegeben wird. Auf diese Weise kann die Eindringung der flüssigen Aluminiumlegierung
in das Formteil 41 gefördert
werden. Während
des Betriebes des Fahrzeuges erwärmen
sich die Zylinderblöcke 1 und 3.
Im Ergebnis dessen werden, wie in 7 gezeigt
wird, Spannungen im Lagerdeckel 11 erzeugt. Zunächst unterliegt die
auf der oberen Fläche
des Lagerdeckels 11 gebildete Aluminiumlegierungsschicht 33 einer
Ausdehnung unter Wärmeeinwirkung,
wodurch die Spannungen 43 entstehen, die, wie durch die
Pfeile in 7 gezeigt wird, eine nach außen gerichtete
Ausdehnung der Aluminiumlegierungsschicht 33 bewirken.
Da der Verbundwerkstoff 35 einen niedrigeren linearen Ausdehnungskoeffizienten
als die Aluminiumlegierungsschicht 33 und eine größere Steifigkeit als
die Aluminiumlegierungsschicht 33 hat, erzeugt dieser andererseits
die Spannungen 45, die die sich ausdehnende Aluminiumlegierungsschicht 33 wieder nach
innen drücken.
Im Ergebnis dessen wird die Aluminiumlegierungsschicht 33 durch
den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen der Aluminiumlegierungsschicht 33 und dem Verbundwerkstoff 35 in
Richtung Innenseite des Lagersegments 13 zusammengedrückt. Weiterhin
werden, wie durch die Pfeile gezeigt wird, vertikal wirkende Spannungen 47 in
den Schraubenbolzen 31 erzeugt.
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Es
sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf
die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
begrenzt ist, sondern dass verschiedene Änderungen und Varianten auf
der Grundlage des technischen Konzeptes der vorliegenden Erfindung
realisiert werden können.
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Die
vorliegende Erfindung kann zum Beispiel auch für jede Kombination von Maschinenteilen
wie zum Beispiel Getriebewelle und Getriebegehäuse, Nockenwelle und Zylinderkopf oder
Nockenhaube angewandt werden, vorausgesetzt, dass die Welle aus
einem Material auf Eisenbasis gefertigt ist und das Lager aus Aluminiumlegierung
besteht.
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In
den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Aluminiumlegierungsschicht 33 mit
ihrer fast konstanten Dicke weiterhin entsprechend der oberen Fläche des
Verbundwerkstoffes 35 ausgebildet. Wie in 8 und 9 gezeigt
wird, können
jedoch der Lagerdeckel 11 oder das untenliegende Kurbelgehäuse 17 in
einer nahezu gleichmäßigen Unterteilung
in Oberteil und Unterteil ausgeführt
werden. In diesem Falle besteht das der Gleitfläche entsprechende Oberteil
aus einem aus ADC12 gefertigten Aluminiumlegierungselement 51,
während
das der Schraubenbolzentragfläche
entsprechende Unterteil aus einem Verbundwerkstoffelement 53 besteht.
In diesem Falle wird das Verhältnis zwischen
den Maßen
a, b, A und B ebenfalls durch A/2 ≤ a < A und B/2 ≤ b < B wiedergegeben.
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Beispiele
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Eine
vollständigere
Beschreibung des Zylinderblockes der vorliegenden Erfindung erfolgt
unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele. Im Erfindungsgemäßen Beispiel
wurde ein Zylinderblock mit einem Lager ausgestattet, in dem eine
Aluminiumlegierungsschicht 33 auf der Seite der Gleitfläche hergestellt
wurde, und der nicht die Aluminiumlegierungsschicht 33 bildende
Teil wurde aus einem Verbundwerkstoff 35 gefertigt. Im
Vergleichsbeispiel 1 wurde ein Zylinderblock mit einem Lager ausgestattet,
das völlig
aus einer Aluminiumlegierung ohne Einsatz eines Verbundwerkstoffes 35 gefertigt
wurde. Im Vergleichsbeispiel 2 wurde ein Zylinderblock mit einem
Lager ausgestattet, das völlig
aus einem Verbundwerkstoff 35 ohne Herstellung einer Aluminiumlegierungsschicht 33 gefertigt
wurde.
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Herstellung eines Formteils
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Zunächst wurden
die SiC-Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von 5 μm und die
Al2O3-Fasern mit einem
Querschnittsdurchmesser von 3 μm
in einem Verhältnis
von 8:2 gemischt. Dann wurden 5 Gew.-% Siliziumoxid-(SiO2-)-Sol in die Mischung gegeben, wodurch
eine Veränderung
der Oberfläche der
SiC-Teilchen und Al2O3-Fasern
bewirkt wurde. Danach wurde die Mischung in einem Druckformvorgang
zu einem Formteil 41 verarbeitet, das, wie in 10 gezeigt
wird, einem Volumenanteil von 25 % entspricht. Wie in 10 ersichtlich
ist, ergab sich durch die Form und Maße des Formteils 41 eine Höhe an beiden
seitlichen Enden von 40 mm, eine Höhe im Mittelpunkt von 15 mm
und ein Durchmesser der Lagerbohrung von 60 mm.
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Die
vorgenannten SiC-Teilchen wiesen einen linearen Ausdehnungskoeffizienten
von 4,2 × 10–6/K und
die vorgenannten Al2O3-Fasern
einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 7,0 × 10–6/K
auf. Das hergestellte Formteil hatte einen linearen Ausdehnungskoeffizienten
von 4,8 × 10–6/K,
wodurch dieser ausreichend unterhalb des linearen Ausdehnungskoeffizienten
von (12 × 10–6/K)
von Eisen lag.
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Gießen der flüssigen Aluminiumlegierung (Herstellung
des Verbundwerkstoffes)
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Anschließend wurde
das vorgenannte Formteil 41 auf 700 °C vorgewärmt und in eine Kokille gebracht.
Danach wurde eine Aluminiumlegierung (ADC12) bei 700 °C geschmolzen,
und die flüssige Aluminiumlegierung
wurde zum Formteil 41 gegossen und dadurch der in 11 dargestellte
Lagerdeckel 11 hergestellt. Als Maße dieses Lagerdeckels 11 ergaben
sich 45 mm für
seine Höhe
an beiden seitlichen Enden, 40 mm für die Dicke des Verbundwerkstoffes 35 an
beiden seitlichen Enden, 20 mm für
die Dicke im Mittelpunkt, 15 mm für die Dicke des Verbundwerkstoffes 35 im
Mittelpunkt und 50 mm für
den Durchmesser der Lagerbohrung. Ein Vergleich der 3 und 11 zeigt,
dass A = 45 mm und B = 20 mm. Da a = 400 und b = 15 mm, betrug die
Dicke der Aluminiumlegierungsschicht 33 über den
gesamten Lagerdeckel 11 einschließlich beider Lagerenden und
des Mittelpunktes gleich 5 mm, wodurch eine gute Übereinstimmung
mit den durch A/2 ≤ a < A und B/2 ≤ b < B festgelegten
Bedingungen zum Ausdruck kam. In diesem Lagerdeckel 11 wies
der Verbundwerkstoff 35 einen linearen Ausdehnungskoeffizienten
von 18 × 10–6/K
und die Aluminiumlegierungsschicht einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von
22 × 10–6/K
auf.
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Im
Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Beispiel
wurde beim Vergleichsbeispiel 1 ein völlig aus einer Aluminiumlegierung
bestehender Lagerdeckel (bisheriger Stand der Technik) ohne die
Verwendung eines Formteils 41 hergestellt. Das heißt, der
Lagerdeckel wurde durch Gießen
einer flüssigen
Aluminiumlegierung (ADC12) in eine Kokille und einem nachfolgenden
Druckgussverfahren hergestellt.
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Weiterhin
wurde ein völlig
aus einem Verbundwerkstoff bestehender Lagerdeckel ohne Herstellung
einer Aluminiumlegierungsschicht 33 im Vergleichsbeispiel
2 gefertigt. Dieser Verbundwerkstoff 35 wurde aus dem gleichen
Materialien gefertigt, wie sie zur Herstellung des Formteils 41 in
dem vorstehend beschriebenen Beispiel verwendet wurden. Insbesondere
die SiC-Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von 5 μm und die
Al2O3-Fasern mit
einem Querschnittsdurchmesser von 3 μm wurden in einem Verhältnis von
8:2 gemischt. Nach Zugabe von 5 Gew.-% Siliziumoxid-(SiO2-)-Sol wurde die entstandene Mischung zur
Herstellung eines Lagerdeckels in einem Druckformverfahren bearbeitet.
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Jeder
der im vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Beispiel und den Vergleichsbeispielen
1 und 2 hergestellte Lagerdeckel wurde bei 25 °C an einem Zylinderblock (ADC12)
montiert. Danach wurde der Verbrennungsmotor in Betrieb genommen,
und Veränderungen
im Lagerbohrungsdurchmesser des Zylinderblockes unter Wärmeinwirkung
wurden in einem Temperaturbereich von –50 °C bis 200 °C gemessen. Die ermittelten
Ergebnisse werden in der Grafik in 12 gezeigt.
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Aus
dieser Grafik ist ersichtlich, dass der Lagerdeckel des erfindungsgemäßen Beispiels
die geringsten Änderungen
im Lagerbohrungsdurchmesser aufweist. Im Bereich von 20 °C (d.h. Raumtemperatur)
bestand ein geringer Unterschied zwischen dem Erfindungsgemäßen Beispiel
und den Vergleichsbeispielen. Danach wurde der Unterschied zwischen den Änderungen
des Lagerbohrungsdurchmessers mit steigender Temperatur allmählich größer. Bei
ho hen Temperaturen (z.B. bei 200 °C)
betrug der Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Beispiel und
dem Vergleichsbeispiel 1 etwa 80 μm
und der Unterschied zwischen dem Erfindungsgemäßen Beispiel und dem Vergleichsbeispiel
2 etwa 25 μm.
-
In
dem erfindungsgemäßen Beispiel
bewirkte die Zugabe von Siliziumoxidsol eine Verkleinerung des Kontaktwinkels
der Oberflächen
der SiC-Teilchen und Al2O3-Fasern
von 160° auf
120°, was
darauf hinweist, dass die flüssige
Aluminiumlegierung eine Verbesserung der Benetzbarkeit der SiC-Teilchen
und Al2O3-Fasern
bewirkt. Dementsprechend wurde der Druck, bei welchem die flüssige Aluminiumlegierung
in das Formteil 41 einzudringen begann auf 0,19 MPa herabgesetzt.
In Abwesenheit von Siliziumoxidsol lag jedoch der Druck, bei welchem
die flüssige
Aluminiumlegierung in das Formteil einzudringen begann, bei 0,19
MPa, wobei angenommen wurde, dass die SiC-Teilchen und Al2O3-Fasern einen durchschnittlichen
Durchmesser von 4,6 μm
haben. An Hand der Ergebnisse wurde festgestellt, dass die Eindringung
der flüssigen
Aluminiumlegierung in das Formteil durch die Zugabe von Siliziumoxidsol
stark gefördert
wird.