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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses
nach Anspruch 1, ein Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 11
sowie eine Zylinderlaufbuchse oder einen Zylinderliner nach Anspruch
12.
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Zylinderkurbelgehäuse
in modernen Verbrennungsmotoren sind hohen mechanischen und thermischen
Belastungen ausgesetzt. Aufgrund der mechanischen Belastungen ist
bei Leichtmetallmotoren für die Zylinderlaufbahnen in der
Regel ein verschleißfesterer Werkstoff vorgesehen als für
das restliche Kurbelgehäuse. Es sind Konzepte bekannt, bei
denen Zylinderliner aus Grauguss, warmfesten Al-Legierungen, wie
beispielsweise übereutektischen Al/Si-Legierungen oder
faserverstärkten Al-Legierungen bestehen und in Zylinderkurbelgehäuse
aus kostengünstigen untereutektischen Al-Legierungen oder Mg-Legierungen
eingegossen sind.
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Aus
der
DE 10 2004
005 458 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks
bekannt, bei dem eine mit einem Draht umwickelte Buchse in einer
Zylinderblock eingegossen wird. Darauf folgend wird die Buchse durch
eine mechanische Bearbeitung abgetragen und die freigelegte, eingegossene Umwicklung
bildet die Lauffläche eines Zylinderrohres. Problematisch
erscheint dabei allerdings, dass die gebildete Lauffläche,
an deren Oberfläche einzelne, eingegossene Wicklungen durch
die mechanische Bearbeitung freigelegt werden, inhomogene tribologische
Eigenschaften aufweist. Gleichzeitig wird das Problem höherer
Aufladungen von Motoren, d. h. höherer mechanischer Druckbelastungen
in den Zylinderrohren, nicht betrachtet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
eines Zylinderkurbelgehäuses bereitzustellen, durch das
höhere ertragbare Drücke im Verbrennungsraum von
Brennkraftmaschinen, d. h. in den einzelnen Zylinderrohren, ermöglicht
werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses
einer Brennkraftmaschine, aufweisend mindestens einen ersten Verfahrensschritt
zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen oder eines Zylinderliners
und einen nachfolgenden, zweiten Verfahrensschritt zum Umgießen
der Zylinderlaufbuchsen oder des Zylinderliners in einem Gießverfahren mit
einer Leichtmetallschmelze zur Darstellung des Zylinderkurbelgehäuses,
wobei die einzelnen Zylinderlaufbuchsen oder der Zylinderliner vor
dem Umgießen mit einer äußeren, zumindest
in Teilbereichen umfänglichen Verstärkungsstruktur
umgeben werden.
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Unter
Zylinderlinern wird hierbei das Halbzeug zum Einsetzen in ein Gießwerkzeug
verstanden. Der Zylinderliner stellt den Bereich der Zylinderbohrung,
d. h. des Brennraums, dar und umfasst hierbei mehrere aneinander
gereihte Zylinderbohrungen gegebenenfalls mit Zylinderlaufbuchsen.
Des Weiteren umfasst der Zylinderliner die Stege zwischen den Zylinderbohrungen
und optional ist ein Wassermantel in geschlossener („closed
deck") oder offener („open deck") Bauart ausgestaltet.
Der Zylinderliner bzw. die Zylinderlaufbuchsen sind im Allgemeinen
aus einer warmfesten und zugleich höherfesten, übereutektischen
Al-Legierung, insbesondere einer Al/Si-Legierung ausgestaltet. Zur
Reduzierung des Gewichts des Zylinderkurbelgehäuses und
aus wirtschaftlichen Gründen, wird das Gehäuse
meist aus einer kostengünstigeren, untereutektischen Al-Legierung,
insbesondere einer Al/Si- Legierung, oder aber auch aus einer Magnesiumlegierung
hergestellt.
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Der
Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die armierend wirkende Verstärkungsstruktur
eine wesentlich höhere Druckbelastung im Brennraum eines Zylinderkurbelgehäuses
ermöglicht. D. h., dass im Vergleich zu konventionellen
Zylinderkurbelgehäusen ein erfindungsgemäßes
Zylinderkurbelgehäuse für eine wesentlich höhere
mechanische und auch thermische Belastung des Motors im Betriebszustand
geeignet ist, da die Verstärkungsstruktur vorteilhafterweise
Festigkeit steigernd wirkt und durch geeignete Ausgestaltung auf
den Anwendungsfall anpassbar ist.
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Beispielsweise
ist als Verstärkungsstruktur eine infiltrierbare Struktur,
vorzugsweise offenporige Schaumstruktur, einsetzbar, welche beim
Eingießen von vorzugsweise einer kostengünstigen
untereutektischen Al-Legierungen oder Mg-Legierungen infiltriert
wird und nach dem Erstarren der Schmelze eine höhere Zug-
und/oder Druckfestigkeit aufweist als der ursprüngliche
Gusswerkstoff. Die Ursache für die gesteigerte Festigkeit
liegt in einer formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen
Verbindung, welche sich vorteilhaft beim Eingießen der
Verstärkungsstruktur ergibt. Vorteilhafterweise weist die
infiltrierbare Struktur dabei zumindest teilweise keramische Anteile
auf, beispielsweise auf Basis von Aluminiumoxid, Titanoxid oder
Zirkonoxid. Eine derartige Verstärkungsstruktur gewährleistet
eine gute Infiltrierbarkeit und Anbindung beim Eingießen,
insbesondere auch die Infiltrierbarkeit mit einer der zuvor bezeichneten Leichtmetalllegierungen,
und führt zu einer gewünschten Festigkeitssteigerung
des Zylinderkurbelgehäuses.
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Als
eine infiltrierbare Struktur sind insbesondere auch infiltrierbare
Faserstrukturen einsetzbar, welche in analoger Weise zu dem zuvor
Beschriebenen ausgestaltet werden, vorzugsweise ebenfalls aufweisend
zumindest teilweise keramische Anteile, insbesondere auf Basis von
Aluminiumoxidfasern oder Borfasern. Bei der Verwendung von Kurzfasern ist
die Verstärkungsstruktur als ein Presskörper herstellbar,
während bei der Verwendung von Langfasern und Fasergeweben
die Verstärkungsstruktur auch in einer Wickeltechnik in
beispielsweise einer Kreuz- oder Spiralform hergestellt werden kann.
In einem solchen Anwendungsfall wird die verstärkende Faserstruktur
um einen Zylinderliner oder mindestens eine Zylinderlaufbuchse herum
gewickelt. Beim Eingießen werden die Faserstrukturen von
der Schmelze infiltriert und die bereits beschriebenen Vorteile
und Eigenschaften ergeben sich in analoger Weise.
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Je
nach Anwendungsfall ist es vorteilhaft, die Form und Größe
der infiltrierbaren Verstärkungsstruktur an den Belastungszustand
im Zylinderkurbelgehäuse im Betriebszustand anzupassen.
Gleichfalls erscheint es sinnvoll auch aus Gründen der
wirtschaftlichen Herstellbarkeit und Verarbeitung die Form und Größe
der infiltrierbaren Verstärkungsstruktur zu optimieren.
Beispielsweise kann die infiltrierbare Verstärkungsstruktur
dabei die Form eines Gitters aufweisen, welches die einzelnen Zylinderlaufbuchsen
oder den Zylinderliner zumindest in Teilbereichen umgibt, oder alternativ
auch als ringförmige oder spiralförmige Struktur
um die einzelnen Zylinderlaufbuchsen oder den Zylinderliner angeordnet sein.
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Wesentlich
ist, dass die infiltrierbare Verstärkungsstruktur beim
Eingießen zumindest teilweise vom Gussmetall infiltriert
und durchdrungen wird. Dies ist für die thermische Leitfähigkeit
des Zylinderkurbelgehäuses wesentlich, damit die im Betriebszustand
im Brennraum entstehenden Temperaturen prozesssicher von den Zylindern
nach außen geleitet werden. Die im Zylinderkurbelgehäuse
verwendeten Leichtmetalllegierungen weisen dabei in der Regel eine weitaus
bessere Wärmeleitfähigkeit auf als die Materialien
der Verstärkungsstruktur. Weiterhin wird durch die Durchdringung
der Verstärkungsstruktur die Anbindung an das Gussmetall
verbessert und somit die Festigkeit vorteilhaft erhöht.
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Als
Alternative zu den beschriebenen infiltrierbaren Verstärkungsstrukturen
ist es auch möglich metallische Verstärkungsstrukturen,
beispielsweise in Form von Ring- oder Spiralelementen und vorzugsweise
in Form von Metallgittern oder Lochblechmanschetten, welche ebenfalls
die einzelnen Zylinderlaufbuchsen oder den Zylinderliner zumindest
in Teilbereichen umgeben, in das Zylinderkurbelgehäuse
einzugießen. Die bereits beschriebenen Vorteile insbesondere
der Festigkeitssteigerung ergeben sich dabei in analoger Weise.
Die Festigkeitssteigerung resultiert dabei im Wesentlichen aus einem
Formschluss der metallischen Verstärkungsstruktur mit der
Metallschmelze beim Eingießen. Vorteilhaft erscheinen für
den Einsatz als metallische Verstärkungsstrukturen insbesondere
Stahl- oder Titanlegierungen, sowohl in gewalzter Blechform als
auch als Gusskörper, da sie zu einer wesentlichen. Erhöhung der
Festigkeitseigenschaften im Zylinderkurbelgehäuse führen.
Darüber hinaus sind allerdings auch alle weiteren Metalllegierungen
prinzipiell einsetzbar, beispielsweise hochfeste Eisenlegierungen,
insbesondere durch geeignete Vorbehandlung wie beispielsweise Beschichten,
wodurch die Anbindung beim Eingießen verbessert wird. Bei
Stahlstrukturen kann durch geeignete Maßnahmen, wie beispielsweise
eine Zinnbeschichtung der metallischen Verstärkungsstruktur,
insbesondere ein galvanisches Beschichten, eine verbesserte Anbindung
der Verstärkungsstruktur beim Eingießen realisiert
werden, wodurch die Festigkeitssteigernde Wirkung der Verstärkungsstruktur
nochmals erhöht wird. Gleichzeitig wird allgemein durch
eine verbesserte Anbindung auch die thermische Leitfähigkeit
der Verbindung verbessert, wodurch im Betriebszustand die im Brennraum
entstehenden Temperaturen prozesssicher von den Zylindern nach außen
geleitet werden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine
schematische Perspektivansicht auf eine, mit einer Lochblechmanschette
(1) verstärkte Zylinderlaufbuchse (2)
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2 eine
schematische Perspektivansicht auf ein Zylinderkurbelgehäuse
(3) mit vier, jeweils mittels einer Lochblechmanschette
(1) gemäß 1 verstärkten,
umgossenen Zylinderlaufbuchsen (2)
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In
einem ersten Verfahrensschritt zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses
(3) werden in einem separaten Herstellungsprozess vier
Zylinderlaufbuchsen (2) aus einer hochfesten, übereutektischen
Al/Si-Legierung hergestellt. Anschließend werden diese
jeweils gemäß 1 mit einer
Lochblechmanschette (1) aus Stahlblech mit einer Dicke
von 1,0 mm, in Form eines Zylinderrohres, versehen. Die Lochblechmanschette
(1) wird auf die Zylinderlaufbuchse (2) aufgeschrumpft,
wodurch eine stabilisierend wirkende Vorspannung auf die Zylinderlaufbuches
(2) aufgebracht wird. Durch diese Armierung (1) wird
der später im Betriebszustand des Zylinderkurbelgehäuses
(3) ertragbare Druck in den Zylinderlaufbuchsen (2)
signifikant erhöht und gleichzeitig werden die Laufbahnverformungen
infolge der hohen Druckbelastung vorteilhaft reduziert. Die vier
verstärkten Zylinderlaufbuchsen (2) werden anschließend
in ein nicht dargestelltes Druckgießwerkzeug eingelegt,
das zur Darstellung eines in 2 in einer schematischen
Perspektivansicht gezeigten Zylinderkurbelgehäuses (3)
dient.
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Hierbei
werden die Zylinderlaufbuchsen (2) von dem Gießmetall,
einer untereutektischen Al/Si-Legierung, umgossen und im endgültigen
Zustand von einem äußeren Gehäuse (4)
des Zylinderkurbelgehäuses (3) umgeben.
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Zur
besseren Anbindung des Stahlblechs (1) an die Al-Legierungen
wird die Stahlblechmanschette (1) galvanisch mit einer
dünnen Zinnschicht beschichtet. Diese bewirkt, dass neben
dem reinen Formschluss durch das Umgießen auch eine Art stoffschlüssige
Verbindung zwischen Stahlblech (1) und Al-Legierung erhalten
wird, dadurch dass die Zinnschicht durch die Al-Schmelze angeschmolzen wird
und sich eine metallische Verbindung ergibt.
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Das
zuvor beschriebene Zylinderkurbelgehäuse (3) wird
in einer „open deck"-Bauweise mittels einer speziellen
Schiebertechnik beim Umgießen der verstärkten
Zylinderlaufbuchsen (2) hergestellt. Allerdings ist die
Ausgestaltung alternativ auch auf eine „closed deck"-Bauweise
unter Verwendung entsprechender Giesskerne übertragbar.
Bei der Verwendung der „open deck"-Bauweise wird ein relativ
großer, die Zylinderbohrungen umgebender Wassermantel hergestellt.
Dieser Hohlraum, durch den im Betriebszustand Kühlmittel
zirkuliert, wirkt aber zugleich instabilisierend auf die Zylinderbohrungen
und die ertragbaren Belastungsdrücke im Betriebszustand,
da stützende Werkstoffbrücken zwischen dem äußeren
Gehäuse und den Zylinderlaufbuchsen (2) fehlen.
Somit sind die erfindungsgemäß verstärkten Zylinderlaufbuchsen
(2) bei dieser Bauweise besonders vorteilhaft, da die Armierung
(1) die Zylinderbohrungen stabilisiert.
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Unter
Betrachtung der Möglichkeit, die Zylinderlaufbuchsen (2)
und das äußere Gehäuse (4) aus unterschiedlichen
Legierungen darzustellen, ist es alternativ zweckmäßig
zur Reduktion des Bauteilgewichtes das äußere
Gehäuse (4) aus einer sehr leichten aber nicht
so temperaturbeständigen Magnesiumlegierung oder Kunststoff
herzustellen. So wird das Gewicht des Zylinderkurbelgehäuses
(3) noch einmal deutlich reduziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004005458
B4 [0003]