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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Zylinderkurbelgehäuse.
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Zylinderkurbelgehäuse
in modernen Motoren sind hohen mechanischen und thermischen Belastungen
ausgesetzt. Daher verläuft um eine Zylinderlaufbuchse in
der Regel ein Wassermantel, der zur Kühlung, insbesondere
der Zylinderlaufbahn, dient. Dieser Wassermantel ist bei Kurbelgehäusen,
die in einem Druckgießverfahren hergestellt werden oben – zylinderkopfseitig – offen.
Dies wird als „open deck” Bauweise bezeichnet.
Der zylinderkopfseitig offene Wassermantel resultiert daher, dass
im metallischen Druckgießwerkzeug bewegliche Schieber eingesetzt
werden, die nach dem Gießen den Wassermantel im Kurbelgehäuse
abbilden. Die Schieber müssen vor dem Öffnen des
Kurbelgehäuses herausgezogen werden, weshalb keine Hinterschneidungen
dem Herausziehen entgegenstehen dürfen. Deshalb können
mit dieser Technik auch keine geschlossenen Räume dargestellt
werden.
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Der
offene Wassermantel führt zu einer Begrenzung der mechanischen
Belastbarkeit der Motoren. Besser wäre daher ein zumindest
teilweise geschlossener Wassermantel („closed deck”-Bauweise),
der jedoch im herkömmlichen Druckgussverfahren aus den
oben genannten Gründen nicht darstellbar ist. In der
US 4, 446, 906 wird die
Verwendung eines Salzkernes beschrieben, die die Herstellung eines „closed
deck”-Kurbelgehäuses im Druckgießverfahren
grundsätzlich ermöglicht. Hierzu wird um die Zylinderlaufbuchse
ein zusätzlicher Ring gelegt, der den Salzkern im Abstand
hält und im Werkzeug positioniert. Dies führt
in der Praxis jedoch zu einer hohen Ausschussquote, da der Salzkern
hohen Biegebelastungen ausgesetzt ist. Zudem ergibt dies eine nur
unzureichende metallische Verbindung zwischen Gussmaterial und der
Zylinderlaufbuchse. Ferner bedeutet eine Zylinderlaufbuchse auf
Eisenbasis ein deutlich erhöhtes Gewicht.
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Ein ähnliches
Verfahren zu Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses unter
Verwendung eines verlorenen, also im Nachhinein heraus lösbaren
Salzkerns unter zusätzlicher Verwendung von infiltrierbaren
keramischen Einlegeteilen, wird in der
DE 197 52 518 A1 beschrieben.
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In
der
DE 10 2005
043 193 A1 wird ein Zylinderkurbelgehäuse beschrieben,
das im Bereich der Zylinderlaufflächen einen durch Auflegieren
modifizierten Grundwerkstoff aufweist. Der Grundwerkstoff ist durch das
lokale Einbringen von geeigneten Legierungselementen so verändert,
dass er höheren tribologischen Belastungen Stand hält.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Zylinderkurbelgehäuse
bei hohen Taktzeiten im „closed deck”-Verfahren
herzustellen, das eine hohe mechanische und tribologische Stabilität
aufweist und dabei ein reduziertes Gewicht aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Zylinderkurbelgehäuse
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen
angegeben.
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Das
Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses
umfasst folgende Schritte:
- – Herstellen
eines Kernes,
- – Einlegen des Kernes in ein Gießwerkzeug,
- – Gießen des Zylinderkurbelgehäuses
unter erhöhtem Druck und unter Verwendung eines Leichtmetalls,
- – Herauslösen des Kernes aus dem gegossenen
Zylinderkurbelgehäuse,
- – Beschichten einer Zylinderwand durch ein thermisches
Spritzverfahren.
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Durch
das Einlegen eines herauslösbaren Kerns können
Hinterschneidungen im Druckgießverfahren erzeugt werden,
was die Darstellung eines Zylinderkurbelgehäuses in „closed
deck”-Bauweise ermöglicht. Diese Bauweise führt
zu einer besonders hohen mechanischen Stabilität des Kurbelgehäuses
gegenüber herkömmlichen „open deck”-Zylinderkurbelgehäusen.
Da die Druckgusstechnik (oder Squeeze Cast-Technik) Anwendung findet,
können hohe Taktzeiten realisiert werden. Gegenüber
herkömmlichen Zylinderkurbelgehäusen wird auf
die Verwendung von Zylinderlaufbuchsen verzichtet. Insbesondere
bei gusseisernen Zylinderlaufbuchsen, die bei „open deck”-Bauweisen
häufig erst die geforderte mechanische Stabilität
im Zylinderbereich gewährleisten können, da sie
mechanisch stabiler sind als Zylinderlaufbuchsen auf Aluminiumbasis,
kann durch den Verzicht der Buchsen eine erhebliche Gewichtseinsparung
realisiert werden. Anstelle von Zylinderlaufbuchsen wird an Wände
von Zylinderbohrungen eine thermische Spritzschicht aufgebracht,
die die geforderte tribologische Stabilität aufweist.
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Eine
Zylinderbohrung in „open deck”-Bauweise mit einer
Spritzschicht liefert meist nicht die mechanische Stabilität,
die Wände der Zylinderbohrungen werden durch die hohen
Drücke fassartig gewölbt, was zu einem Durchfluss
von unverbrannten Benzin führt und den Treibstoffverbrauch
erhöht. Das einbringen einer mechanisch stabilen und tribologisch
beständigen Zylinderlaufbuchse führt zu einer
deutlichen Gewichtserhö hung. Erst durch die Anwendung der „closed
deck”-Bauweise unter Verwendung eines heraus lösbaren
Kernes und das Aufbringen einer thermischen Spritzschicht mit der
gewünschten tribologischen Stabilität führt
zu der gewünschten Gewichtsreduktion bei gleichzeitiger
hohen mechanischen Stabilität.
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Beim
Druckgießen unter Verwendung eines verlorenen Kerns hat
sich herausgestellt, dass die Gießkolbengeschwindigkeit
in einer ersten Druckgussphase zwischen 0,08 m/s und 0,2 m/s, bevorzugt
zwischen 0,12 m/s und 0,15 m/s beträgt. Ferner sollte in
einer zweiten Druckgussphase die Gießkolbengeschwindigkeit zwischen
4,0 m/s und 4,5 m/s, bevorzugt zwischen 4,2 m/s und 4,4 m/s, insbesondere
4,3 m/s betragen. Bei diesen Kolbengeschwindigkeiten wird der Kern
am wenigsten mechanisch belastet. Es hat sich ferner herausgestellt,
dass bei einem Kolbendurchmesser von 170 mm eine vorteilhafte Druckaufbauzeit
mehr als 110 ms beträgt. Die Temperatur der Leichtmetalllegierung
liegt vorteilhafter Weise zwischen 650°C und 690°C
bevorzugt zwischen 670°C und 680°C.
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Der
heraus lösbare Kern bildet nach dem Gießen im
Zylinderkurbelgehäuse einen Wassermantel zwischen einer
Zylinderwand und dem übrigen Zylinderkurbelgehäuse
aus. Der Wassermantel dient zum Kühlen der Zylinderwand.
Der Kern weist bevorzugt an einer Zylinderkopfseite einen Kranz
auf. Unterhalb des Kranzes können Durchgangsöffnungen
im Kern vorhanden sein, die nach dem Gießen Stege zwischen
der Zylinderwand und dem übrigen Kurbelgehäuse
bilden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als
thermisches Spritzverfahren das Lichtbogen Drahtspritzen angewendet.
Grundsätzlich können auch andere Spritzverfahren
wie das Plasmaspritzen oder das Flammspritzen Anwendung finden.
Als Basis für die Spritzschicht ist eine tribologisch beständige
Eisenlegierung geeignet. Es können aber auch andere tribologisch
stabile Spritzschichten Anwendung finden, die eine vorteilhafte
tribologische Paarung mit dem Werkstoff des Zylinderkolbens darstellen.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Druckguss-Zylinderkurbelgehäuse
nach Anspruch 12. Das Zylinderkurbelgehäuse ist aus einer
Aluminium-Silizium Druckgusslegierung dargestellt, wobei das Zylinderkurbelgehäuse
in einer „closed deck”-Bauweise ausgestaltet ist.
Es zeichnet sich dadurch aus, dass Zylinderwände des Zylinderkurbelgehäuses
aus der selben Aluminium-Silizium Druckgusslegierung bestehen, wie das übrige
Zylinderkurbelgehäuse und die Zylinderwände mit
einer Lichtbogendrahtspritzschicht beschichtet sind. Ein derartiges
Zylinderkurbelgehäuse weist eine hohe mechanische Festigkeit
bei einer hohen tribologischen Beständigkeit auf. Es ist
leicht und dabei wirtschaftlich herstellbar.
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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
Perspektivansicht auf einen heraus lösbaren Kern zum Einlegen
in ein Druckgießwerkzeug;
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2 eine
Perspektivansicht auf ein Zylinderkurbelgehäuse mit einem
eingegossenen Kern gemäß 1;
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3 eine
Perspektivansicht auf ein Zylinderkurbelgehäuse in „closed
deck”-Bauweise mit heraus gelöstem Kern;
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4 eine
Schnittansicht durch das Zylinderkurbelgehäuse entlang
der Linie IV in 3;
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5 eine
Schnittansicht durch das Zylinderkurbelgehäuse entlang
der Linie V in 3;
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6 eine
schematische Darstellung eines einzelnen Kernes mit konischer Verjüngung;
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7 eine
Schnittansicht durch den Kern entlang der Linie VII in 6;
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8 einen
Kern für einen Motor mit vier Zylinderbohrungen in dreidimensionaler
Darstellung; und in
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9 eine
Schnittansicht des Kerns gemäß 8.
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Zur
Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses 2 in
der „closed deck”-Bauweise werden entsprechend der
Zylinderzahl des herzustellenden Motors (nicht dargestellte) Pinolen
eingesetzt, die die Zylinderbohrungen während des Gießens
aussparen. Pinolen sind zylinderförmige Schieber) die bezüglich
des (ebenfalls nicht dargestellten) Gießwerkzeuges bewegbar
sind. Nach dem Gießen werden die Pinolen aus dem Gießwerkzeug herausgezogen
und der Hohlraum, der den Zylinderraum bildet, wird freigegeben.
Bei herkömmlichen Druckgießwerkzeugen wird ein
zusätzlicher Schieber angewendet, der um die Zylinderlaufbuchsen 6 herum
einen Wassermantel 24 ausbildet. Der Wassermantel 24 ist
jedoch zu einem Zylinderkopf hin offen, wie dies bei den drei linken
Zylinderbohrungen 36 der 2 und 3 der
Fall ist (open deck). Es besteht somit ein Spalt in Form des offenen
Wassermantels 24 zwischen einer Zylinderwand 6 und
einer Gehäusewand 28, der nachteilig für
die mechanische Belastbarkeit des gesamten Motors ist. Diese Nachteile
müssen durch aufwändige Gegenmaßnahmen
kompensiert werden.
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Zur
Problemlösung wird anstelle des (nicht dargestellten) beweglichen
Wassermantelschiebers ein Kern 4 gemäß der 1 in
das Druckgießwerkzeug eingelegt. Dieser Kern 4 ist
selbstverständlich für alle Zylinderbohrungen
vorgesehen, in den vorliegenden 1–3 wird
jedoch zu Vergleichszwecken lediglich ein Einzelkern abgebildet.
Für einen Kern der zur Ausgestaltung des gesamten Wassermantels über
alle Zylinder bohrungen geeignet ist, sei auf die 8 und 9 verwiesen.
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Der
Kern 4 besteht bevorzugt aus einem an sich bekannten anorganischem
Granulat, das sich im Wesentlichen aus einem Salz und verschiedenen
Bindemitteln zusammensetzt. Der Kern 4 wird beispielsweise durch
ein Kernschießverfahren oder ein Pressverfahren hergestellt.
Hierfür gibt es spezielle Kernwerkzeuge, die derart ausgestaltet
sein können, dass entsprechend der Anzahl der Zylinder
die korrespondierende Anzahl von Kernen in einem integralen Kernbauteil
gepresst werden (vgl. 8 u. 9).
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Der
Kern
4 gemäß
1 weist
einen Kranz
12 auf, der sich im zylinderkopfseitigen Bereich
einem Kernmantel anschließt. Der Kranz wird bevorzugt in
eine dafür vorgesehene Vertiefung in einer festen Werkzeugseite
eingefügt. Der Kern ist somit (im Gegensatz zum
US 4, 446, 906 ) abgestützt
und hält so den sehr hohen Druck während des Gießvorgangs
stand ohne zu zerbrechen. Ein Kernmantel
30 verläuft
in einem Abstand von einigen Millimetern konzentrisch zur Pinole.
An einem kurbelwellenseitigen Bereich des Kerns
4 weist
der Kernmantel eine kurvenförmige untere Begrenzungslinie
16 auf.
Die Begrenzungslinie
16 könnte auch stufig oder
dergleichen ausgestaltet sein.
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Zur
Erläuterung der Wirkung der einzelnen Kernmerkmale wird
in den Folgenden Figuren bereits näher auf das gegossene
Zylinderkurbelgehäuse eingegangen, bevor anschließend
der Gießprozess näher beschrieben wird.
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In 2 ist
ein Kurbelgehäuse 2 dargestellt, in das ein Kern 4 nach 1 eingegossen
ist. Der Kranz 12 des Kernes 4 ist noch über
dem zylinderkopfseitigen Ende 8 der linken Zylinderwand 6 zu
erkennen. Nach dem Gießvorgang wird der Kern 4 durch
ein flüssiges Medium, z. B. mit Wasser herausgelöst.
Der Kern 4 zerfällt dabei in seine Granulatbestandteile
und wird durch das Wasser heraus gewaschen. Das Kernmaterial kann beispielsweise
durch den Kanal 26 (4 und 5)
des Zylinderkurbelgehäuses heraus gewaschen werden. Nach
dem heraus Waschen bleiben metallische Stege 22 am zylinderkopfseitigen
Ende 8 der Zylinderlaufbuchse 6 stehen, die den
Wassermantel 24 durchqueren und diesen teilweise zum Zylinderkopf
(nicht dargestellt) hin verschließen (3).
Man spricht hierbei von einem „closed deck”-Zylinderkurbelgehäuse.
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Die
metallischen Stege 22 entstehen, indem durch vertikale Öffnungen 14 (1)
im Kern 4 Gießmetall fließt und erstarrt.
Die Öffnungen 14 sind direkt unterhalb des zylinderkopfseitigen
Endes 8 der Zylinderwand 6 angeordnet. Die Geometrie
der Stege 22 und deren Anzahl hängt somit von
der Art der Öffnung 14 im Kern 4 ab.
Auf deren Ausgestaltung wird später noch eingegangen werden.
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In 3 sind
zwei Schnittlinien IV und V dargestellt, wobei die Linie IV durch
den freien Wassermantel 24 verläuft und dieser
Schnitt schematisch in 4 dargestellt ist. Die Linie
V verläuft durch zwei metallische Stege 22, was
mit der Darstellung in 5 korreliert. In dem Schnitt
nach 4 ist der Wassermantel 24 zum Zylinderkopf
hin offen, was eine Verbindung der Wasserkreisläufe vom
Zylinderkopf und vom Kurbelgehäuse ermöglicht.
Der Kern ist in dieser Darstellung noch im gegossenen Kurbelgehäuse
enthalten. Zur besseren Veranschaulichung der Anordnung des Kerns
im Druckgießwerkzeug bzw. im Kurbelgehäuse, ist
der Kranz 12 des Kerns 4 oberhalb der Zylinderlaufbuchse
in gestrichelter Linie dargestellt, obwohl er in diesem aufgeschnittenen
Zustand des Kurbelgehäuses 2 bereits entfernt
wurde. In der Schnittdarstellung nach 5 ist der
Kern 4 bereits aus dem Kurbelgehäuse 2 herausgelöst
worden, der Wassermantel 24, der am zylinderkopfseitigen Ende 8 der
Zylinderwand 6 von den Stegen 22 bedeckt wird,
ist nun freigelegt. Das Granulat ist durch den Kanal 26 abgelaufen.
Auch in dieser Darstellung ist zu weitergehenden Verständnis
die ursprüngliche Lage des Kranzes 12 oberhalb
der Zylinderlaufbuchse 6 durch eine gestrichelte Linie
markiert.
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Im
Weiteren wird an Hand der 6 und 7 auf
die Geometrie des Kernes 12 eingegangen, die zur vorteilhaften
Stabilität des Kernes während des Gießvorganges
beiträgt. Die vertikalen Öffnungen 14 sind in
den 6 und 7 in Form von Pendelbohrungen
ausgestaltet, die sich ähnlich wie Schießscharten
von außen nach innen verengen. Es können jedoch
auch Langlöcher senkrecht nach innen verlaufenden Wandungen
zweckmäßig sein. Der Kern 4 nach 1 weist
in etwa rechteckige Öffnungen 14 auf. Die Aussparung
im Bereich des Kranzes 12 sind bei diesem Kern durch das
Kernpresswerkzeug bedingt.
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Es
hat sich ebenfalls herausgestellt, dass es zu einer besseren Kernstabilität
während des Gießvorganges beiträgt, wenn
eine Außenkontur 18 des Kerns 6 insbesondere
des Bereichs des Kranzes 12 sich konisch verjüngt,
wie dies in 6 dargestellt ist. Ferner ist
es zur Vermeidung von Spannungsspitzen zweckmäßig,
eine Kerninnenkontur 32 in der Art auszugestalten, dass
sie im Übergangsbereich zum Kranz 12 eine leichte
(hier übertrieben dargestellte) Abrundung in Form eines
Radiusus 34 aufweist.
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Im
Folgenden wird nun auf das Gießen des Zylinderkurbelgehäuses
näher eingegangen. Der Kern 4 in der beschriebenen
Ausgestaltung wird in das nicht dargestellte Gießwerkzeug
in eine dafür vorgesehene Aufnahme eingesetzt. Das Gießwerkzeug
wird geschlossen und unter Druck wird flüssiges Gießmetall,
hier eine Druckgusslegierung auf Aluminiumbasis (ALSI12) eingegossen.
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Es
kommt zum Gießen des Zylinderkurbelgehäuses ein
Druckgussverfahren zur Anwendung. Unter Druckguss wird hierbei allgemein
ein Gießverfahren verstanden, bei dem gegenüber
dem Schwerkraftdruck ein erhöhter Druck zum Eingießen
des Metalls in das meist metallische Gießwerkzeug angewandt
wird. Diese Verfahren nennt man in der Regel Druckguss oder Squeeze Casting,
wobei auch Niederdruckgussverfahren angewendet werden können.
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Das
herkömmliche Druckgussverfahren umfasst drei Phasen. In
der ersten Phase wird ein Gießkolben vergleichsweise langsam
bewegt, bis das Gießmetall einen Angussbereich im Gießwerkzeug
erreicht hat. In einer zweiten Phase wird der Gießkolben
beschleunigt und das Gießmetall wird mit hoher Geschwindigkeit
in einen Formhohlraum des Gießwerkzeuges eingespritzt.
In einer anschließenden dritten Phase ist der Formhohlraum
mit Gießmetall gefüllt, die Kolbengeschwindigkeit
wird stark reduziert und das noch flüssige Gießmetall
wird bis zum Erstarren nachverdichtet.
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Zur
Vermeidung eines Brechens des Kerns
4 während
des Gießvorganges ist es erforderlich, die drei Phasen
des Druckgusses gegenüber herkömmlichen Druckgussverfahren
einsprechend abzuändern. Es besteht hierbei ein Zielkonflikt
zwischen einer guten Gussstruktur und einer Schonung des Kerns.
Folgende Gießparameter wurden ermittelt, die diesem Zielkonflikt
gerecht werden.
| Kolbengeschwindigkeit
1. Phase | 0,12
m/s–0,15 m/s |
| Kolbengeschwindigkeit
2. Phase | 4,1
m/s–4,4 m/s |
| Druckaufbauzeit
bei 170 mm Kolbendurchmesser | > 110 ms |
| Pinolentemperatur | 130°C
bis 160°C |
| Wasserdurchfluss
Pinolentemperierung | 200–250
l/h |
| Temperatur
der Schmelze | 670°C–680°C |
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Das
so gegossene Zylinderkurbelgehäuse, dessen geometrischen
Merkmale bereits zu den 2–5 eingehend
beschrieben wird, wird nun aus dem Gießwerkzeug ausgeworfen
und in ein Bad gegeben, in dem der Kern 4 ausgespült
wird.
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Das
Zylinderkurbelgehäuse wird im Weiteren bearbeitet, z. B.
entgratet und oberflächenbearbeitet. Anschließend
wird im Bereich der Zylinderbohrung 36 auf die Zylinderwand 6 in
einem thermischen Spritzverfahren eine tribologisch günstige
Spritzschicht aufgebracht. Als thermisches Spritzverfahren hat sich
das Lichtbogendrahtspritzen als besonders günstig herausgestellt.
Im Lichtbogendrahtspritzen lässt sich in wirtschaftlich
günstiger Weise eine Schicht auf Eisenbasis aufbringen.
Diese Eisenschicht entspricht von der Materialzusammensetzung in
etwa den üblicherweise verwendeten Graugusszylinderlaufbuchsen.
In vorteilhafter Weise kann die im Lichtbogendrahtspritzen verwendete
Legierung an die tribologischen Anforderungen angepasst werden.
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Die
Spritzschicht weist im Allgemeinen eine genau eingestellte Porosität
auf, die nach einer weiteren mechanischen Bearbeitung der Spritzschicht
offene Poren an der Schichtoberfläche bildet. Diese offenen
Poren dienen als so genannte Schmierstofftaschen, in den während
der Kolbenbewegung im Motorbetrieb Schmierstoffreservoirs gebildet
werden, die eine optimale Schmierung des Kolbens gewährleisten
und Abrasion vermeiden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4446906 [0003, 0028]
- - DE 19752518 A1 [0004]
- - DE 102005043193 A1 [0005]