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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses nach
dem Patentanspruch 1 und ein nach diesem Verfahren hergestelltes
Kurbelgehäuse
nach dem Patentanspruch 7.
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Nach
dem derzeitigen Stand der Technik können Leichtmetallkurbelgehäuse für Brennkraftmaschinen
u. a. nach der Art der Kolbenlauffläche, der Zylinderoberfläche, unterschieden
werden. Dabei werden monolithische, quasi monolithische sowie heterogene
Formen unterschieden:
Bei den monolithischen Kurbelgehäusen (das
Kurbelgehäuse
ist aus einem Material gefertigt) wird ausschließlich eine übereutektische Aluminiumlegierung,
wie z. B. AlSi17CuMg (wie z. B. Alusil, Silomal, etc.) eingesetzt.
Die Kolbenringe können
auf der Zylinderoberfläche
nach einem Ätzverfahren
oder einem Freilegungshonverfahren direkt auf dem Grundwerkstoff
des Kurbelgehäuses
gleiten.
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Nachteilig
an diesen Kurbelgehäusen
sind die durch die Aluminiumlegierung beschränkte Festigkeit bzw. die geringe
Duktilität.
Zudem ist die Aluminium legierung schwierig zu gießen und
kann nur mit den Gießverfahren
Sandguss oder Kokillenguss vergossen werden. Sowohl die Temperaturführung während des
Gießens
in den Zylinderbohrungen als auch das Freiliegen der Lauffläche sind
sehr komplexe und schwer beherrschbare Prozesse.
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Bei
heterogenen Leichtmetallkurbelgehäusen (das Kurbelgehäuse ist
aus zumindest zwei Materialien gefertigt) werden Zylinderlaufbuchsen
in das Kurbelgehäuse
eingefügt.
Dies kann durch unterschiedliche Prozesse erfolgen, wie z. B. Eingießen, Einpressen
oder Einsetzen. Zwischen dem Kurbelgehäusegrundmaterial und dem Zylinderlaufbuchsenmaterial
herrscht keine intermetallische Verbindung. Die Verbindung wird
durch Kraft- oder Formschluss erreicht. Als Kurbelgehäusegrundmaterial
wird eine Leichtmetalllegierung und als Zylinderlaufbuchsenmaterial
meist Grauguss verwendet.
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Nachteilig
an dieser heterogenen Ausführung
ist, dass die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen der Leichtmetalllegierung und dem Grauguss zu Verzögen der
Zylinderlaufbuchse während
des Betriebs der Brennkraftmaschine führen, was den Brennkraftmaschinenbetrieb nachteilig
beeinflusst. Bei Verwendung von Zylinderlaufbuchsen aus einer Aluminiumlegierung,
wie z. B. AlSi17Cu4Mg, zur besseren Verbindung mit dem Kurbelgehäuse beispielsweise
sprühkompaktiert oder
pulverkompaktiert, ist zwar der Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen
dem Zylinderlaufbuchsenmaterial und dem Kurbelgehäusegrundwerkstoff ähnlich,
aber im Brennkraftmaschinenbetrieb entsteht wegen des inhomogenen
Temperaturfeldes ein unterschiedliches Ablösen bzw. eine unterschiedliche Überdeckung
zwischen der Zylinderlaufbuchse und Kurbelgehäuse. Dieser Effekt entsteht
häufig auch
bei eingegossenen Zylinderlaufbuchsen. Durch diesen Effekt entsteht über den
Umfang der Zylinderlaufbuchse ein ungleichmäßiges Abfließen der
Wärmeenergie
in einen Wassermantel der Brennkraftmaschine, wodurch sich die Unrundheit
der Zylinderlaufbuchse und ein damit ein hergehendes weiteres Ablösen der
Zylinderlaufbuchse von dem Kurbelgehäusegrundwerkstoff weiter verstärken.
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Bei
den quasi monolithischen Kurbelgehäusen wird zwischen Laufflächen die
durch Beschichtung (z. B. galvanische Beschichtung, Laserbeschichtung,
Plasmaspritzen, etc.) oder durch Infiltrieren von Preformen (z.
B. Lokalsil, Fasermaterial, etc.) hergestellt werden, unterschieden.
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Nachteilig
bei den mit Preformen hergestellten Kurbelgehäusen ist, dass zum einen die
Preformen in der Herstellung sehr teuer sind und dass die Kurbelgehäuse nur
durch ein dem Druckgießen ähnliches
Squeezecasting-Verfahren
hergestellt werden können.
Zudem ist für
den Infiltrierprozess während des
Gießens
eine Aufdickung der Gussteilwandstärke zum Nachspeisungsweg hin
nötig,
was zu einem höheren
und unerwünschte
Bauteilfertiggewicht führt.
Die beschichteten Zylinderlaufbahnen haben je nach Art der Herstellung
der Beschichtung gewisse Nachteile. Die galvanisch hergestellten
Laufbahnen benötigen
z. B. einen aufwendigen chemischen Prozess mit der dazugehörigen Ver-
und vor allem Entsorgung der chemischen Substanzen. Zudem sind diese
Beschichtungen je nach Kraftstoffqualität teilweise nur bedingt gegen
Zylinderlaufbuchsenverschleiß resistent.
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Die
durch Laserlegieren, Plasmaspritzen oder ähnliche thermische Prozesse
hergestellten Zylinderlaufflächen
setzen während
des Herstellprozesses Eigenspannungen im Kurbelgehäuse frei,
was zu großen
Verzögen
bereits während
der Fertigung führt.
Teilweise werden dadurch vorgegebene Maßtoleranzen überschritten,
was zu einer Umkonstruktion oder einer meist nicht vertretbaren
Maßtoleranzerweiterung
führt.
Zudem sind diese Herstellverfahren sehr teuer.
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Unabhängig von
der Zylinderlauffläche
wird für
Niederdruck- und Sandgusskurbelgehäuse vor allem für höchstbelastete
Brennkraftmaschinen heute be reits das Heißisostatische Pressverfahren (Hip-Verfahren)
eingesetzt. Mit diesem Hip-Verfahren können sowohl die statischen
als auch die dynamischen Festigkeitswerte erheblich gesteigert werden. Bei
diesem Verfahren werden durch den Gießprozess vorhandene Fehler,
wie z. B. Lunker, durch hohen Druck und hohe Temperatur nahe der
Lösungsglühtemperatur über eine
gewisse Haltezeit diffusionsverschweißt und somit eliminiert.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die o. g. Nachteile zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die
Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 und vorrichtungsmäßig durch
die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Durch
die während
des Hip-Prozesses vorherrschenden Temperatur- und Druckverhältnisse geht
die Zylinderlaufbuchse eine metallische Verbindung zum Kurbelgehäusegrundwerkstoff
ein. Dadurch ist die Wärmeleitung
zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Kurbelgehäuse über die
gesamte Mantelfläche
optimal und konstant. Ein Ovalisieren der Zylinderlauffläche wird
damit deutlich reduziert oder gänzlich
vermieden. Eine Beschreibung des Hip-Prozesses erfolgt im Rahmen
dieser Erfindung nicht, da dieser im Stand der Technik ausführlich beschrieben
ist.
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Durch
das Herstellen der einzelnen Zylinderlaufbuchsen in einem separaten
Gießprozess
mit einer übereutektischen
Aluminiumlegierung kann für den
späteren
Brennkraftmaschinenbetrieb eine optimale Primärsiliziumausbildung in Größe und räumlicher
Verteilung in der Zylinderlaufbuchse hergestellt werden. Dies kann
durch die Einstellung der Kühlparameter
und der Abkühlgeschwindigkeiten
in der Zylinderlaufbuchse während
ihrer Erstarrung, ohne Rücksichtnahme
auf das restliche Kurbelgehäuse, wie
es bei einem monolithischen Kurbelgehäuse der Fall wäre, frei
eingestellt werden.
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Die
minimale Stegbreite zwischen den Zylindern des Kurbelgehäuses kann
gegenüber
allen anderen Zylinderlaufbuchsenkonzepten deutlich verringert werden.
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Da
eine metallische Verbindung zwischen Zylinderlaufbuchse und Kurbelgehäuse entsteht, kann
im Falle einer Stegkühlung
die Zylinderlaufbuchse angebohrt werden, ohne dass Kühlmittel
zwischen die Zylinderlaufbuchse und das Kurbelgehäuse eintreten
kann.
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Die
o. g. nachteiligen Eigenschaften des monolithischen Kurbelgehäuses (geringe
Dehnung) entfallen, da für
das Kurbelgehäuse
die Aluminiumlegierungswahl weitgehend freigestellt ist.
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Auch
für den
Fertigungsprozess „Gießen des Kurbelgehäuses" entstehen große Vorteile.
Im Gegensatz zu monolithischen Kurbelgehäusen aus übereutektischer Legierung muss
der Kurbelgehäusewerkstoff
nicht als Kompromiss zwischen Eignung als Zylinderlaufflächenwerkstoff
und Konstruktionswerkstoff mit hohen mechanischen Festigkeiten ausgewählt werden.
Mit der Wahl einer untereutektischen Aluminiumlegierung steigt die
mechanische Festigkeit. Zudem sinkt mit dieser Wahl der Verschleiß der Gießwerkzeuge
drastisch und die Gießbarkeit
des Kurbelgehäuses
steigt. Das erfindungsgemäße Verfahren
vereinigt somit die Vorteile eines monolithischen mit denen eines
heterogenen Kurbelgehäuses.
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Durch
den Hip-Prozess wird eine hohe statische und dynamische Festigkeit
des Kurbelgehäusewerkstoffs
erreicht. Zudem kann durch den Hip-Prozess eine hohe Gussqualität gewährleistet
werden. Poren im Laufflächenbereich,
welche zu einem erhöhten
Schmiermittelverbrauch oder zu einer Erhöhung der Blow-by-Gase führen können, können somit
nicht auftreten.
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Im
Gegensatz zu den quasi-monolithischen Kurbelgehäuselösungen mit Preformen können mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren
sowohl Closed-Deck-Kurbelgehäuse (bis
auf Kühlmittelübergänge zum
Zylinderkopf geschlossener Kühlmittelkanal
um die Zylinder) als auch Open-Deck-Kurbelgehäuse (weitgehend offener Kühlmittelkanal
um die Zylinder zum Zylinderkopf) konstruktiv realisiert werden.
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Im
Vergleich zu den quasi-monolithischen Kurbelgehäusen auf galvanischer Basis
sind keine chemischen Substanzen, welche nach deren Verbrauch zu
entsorgen sind, von Nöten.
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Im
Vergleich zu den quasi monolithischen Kurbelgehäusen, die durch Laserlegieren
oder Plasmaspritzen erzeugt werden, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
keine Eigenspannungen durch den Fertigungsprozess induziert. Ferner
werden durch den Hip-Prozess zudem die Gusseigenspannungen im Kurbelgehäuse minimiert,
was einer T4-Wärmebehandlung
entspricht.
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Die
Verfahrensschritte gemäß den Unteransprüchen 2 und
3 sind besonders bevorzugte Herstellungsvarianten.
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Mit
den Verfahren gemäß den Patentansprüchen 4 und
5 wird eine besonders gute Abdichtung des Fügespalts zwischen dem Kurbelgehäuse und der
Zylinderlaufbuchse erzielt, wodurch der Hip-Prozess einfacher durchführbar ist.
Ein spaltloses Fügen der
Zylinderlaufbuchse in die Bohrung ist nicht notwendig.
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Die
Verfahren gemäß Patentanspruch
6 sind besonders bevorzugte Bearbeitungsverfahren für die Zylinderlaufbuchse.
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Die
Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
7 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante.
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Der
Kurbelgehäusewerkstoff
gemäß Patentanspruch
8 ist ein besonders bevorzugter Werkstoff.
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Im
Folgenden ist die Erfindung anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels
in einer einzigen Figur näher
erläutert.
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1 zeigt
schematisch einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß hergestelltes
Kurbelgehäuse.
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1 zeigt
schematisch einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß hergestelltes
Kurbelgehäuse 1 aus
einer untereutektischen Aluminiumlegierung mit einer eingesetzten
Zylinderlaufbuchse 2, aus einer übereutektischen Aluminiumlegierung.
Der Schnitt durch das Kurbelgehäuse 1 geht
durch eine nicht dargestellte Längsachse
der Zylinderlaufbuchse 2 senkrecht zu einer ebenfalls nicht
dargestellten Brennkraftmaschinenlängsachse. Radial außerhalb der
Zylinderlaufbuchse 2 ist im Kurbelgehäuse 1 beidseitig der
Zylinderlaufbuchse 2 ein Wassermantel 5 angeordnet.
Die Zylinderlaufbuchse 2 weist eine Innenoberfläche 2' auf sowie Außenoberfläche 2''. Die Außenoberfläche 2'' ist
erfindungsgemäß mit der Bohrung 3 durch
den Hip-Prozess diffusionsverschweißt. An den Stirnseiten der
Zylinderlaufbuchse 2 ist der Übergang zwischen der Zylinderlaufbuchse 2 und
dem Kurbelgehäuse 1 jeweils über eine Schweißnaht abgedichtet,
um eine besonders gute Abdichtung eines evtl. Fügespalts vor dem Hip-Prozess
zu erzielen. Ein spaltloses Fügen
der Zylinderlaufbuchse 2 in die Bohrung 3 ist
daher nicht notwendig.
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Das
erfindungsgemäße Kurbelgehäuse 1 ist mit
folgenden Verfahrensschritten hergestellt:
- – Herstellen
des Kurbelgehäuses 1 aus
einer Aluminiumlegierung, vorzugsweise einer untereutektischen Aluminiumlegierung
mit einer Bohrung 3 für
die Zylinderlaufbuchse 2,
- – Herstellen
der Zylinderlaufbuchse 2 aus einer übereutektischen Aluminiumlegierung,
- – Fügen der
Zylinderlaufbuchse in die Bohrung 3,
- – Heißisostatisches
Pressen des Kurbelgehäuses 1 mit
der gefügten
Zylinderlaufbuchse 2 bis das Kurbelgehäuse 1 und die Zylinderlaufbuchse 2 durch
Diffusionsschweißen über ihre
Kontaktflächen
miteinander verbunden sind.
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Vorzugsweise
sind die Innenoberfläche 2' und/oder die
Außenoberfläche 2'' der Zylinderlaufbuchse 2 vor
dem Fügen
in die Bohrung 3 spanend bearbeitet. Die Bohrung 3 kann
beispielsweise spanlos und/oder spanend hergestellt werden. In einer
besonders bevorzugten Ausführungsvariante
ist der Fügespalt
zwischen dem Kurbelgehäuse 1 und
der Zylinderlaufbuchse 2 an der Stirnseite vor dem heißisostatischen
Pressen abgedichtet. Vorzugsweise erfolgt die Abdichtung durch Schweißen. Die
Fertigbearbeitung der Innenoberfläche 2' der Zylinderlaufbuchse 2 erfolgt
vorzugsweise durch Honen oder Ätzen.
Vorzugsweise ist das Kurbelgehäuse 1 aus
einer untereutektischen Aluminiumlegierung und die Zylinderlaufbuchse 2 aus
einer übereutektischen
Aluminiumlegierung.
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Im
Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren,
wie Kurbelgehäuse
aus Aluminium unter Verwendung von Zylinderlaufbuchsen aus Aluminium hergestellt
werden, nochmals mit anderen Worten beschrieben.
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Dazu
werden z. B. in einem separaten Gießprozess übereutektische Zylinderlaufbuchsen 2,
z. B. aus einer AlSi17Cu4Mg-Legierung, unter den für eine Primärsiliziumausbildung
sowohl in der Größe als auch
der räumlichen
Verteilung idealen Abkühlbedingungen
gefertigt. Diese Zylinderlaufbuchsen 2 werden anschließend an
ihrer Innen- und/oder Außenoberfläche 2', 2'' vorzugsweise spanend bearbeitet.
Für die
Fertigbearbeitung ist auf der Innenfläche 2' ein entsprechendes Aufmass vorzusehen.
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Das
separat gegossene Kurbelgehäuse
aus Aluminium wird an den Bohrungen 3, die zur Aufnahme
der Zylinderlaufbuchsen 2 vorgesehen sind, ebenfalls vorzugsweise
spanend bearbeitet, so dass die bearbeiteten übereutektischen Zylinderlaufbuchsen 2 ins
Kurbelgehäuse 1 eingepasst
werden können.
Ein evtl. entstandener Fügespalt
zwischen der Zylinderlaufbuchse 2 und dem Kurbelgehäuse 1 wird an
den offenen Enden, am Übergang
von der Zylinderlaufbuchse 2 zum Kurbelgehäuse 1,
oben und unten vorzugsweise mittels Schweißen abgedichtet. Anschließend wird
das Kurbelgehäuse 1 mit
den eingesetzten Zylinderlaufbuchsen 2 einer Hip-Behandlung
unterzogen. Durch die Diffusionsprozesse, welche bei dem herrschenden
Druck unter der hohen Temperatur wirken, werden die Zylinderlaufbuchse 2 und
das Kurbelgehäuse 1 über ihre
gesamte Kontaktfläche
durch Diffusionsschweißen
miteinander verschweißt.
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Abschließend wird
die Lauffläche,
die Innenoberfläche 2', der serienmäßigen mechanischen Bearbeitung
unterzogen und kann somit mit den üblichen Verfahren, wie beispielsweise
Freilegungshonen oder Ätzen,
fertig gestellt werden.
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- 1
- Kurbelgehäuse
- 2
- Zylinderlaufbuchse
- 2
- Innenoberfläche
- 2''
- Außenoberfläche
- 3
- Bohrung
- 4
- Abdichtung
- 5
- Wassermantel