-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Schaufelrädern für eine hydrodynamische Komponente.
-
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind hydrodynamische Komponenten bekannt. Diese umfassen beispielsweise hydrodynamische Kupplungen, welche zwei Schaufelräder aufweisen. Die auf das eine Schaufelrad übertragene Drehbewegung wird über ein Arbeitsmedium, welches sich in einem Arbeitsraum zwischen den Schaufelrädern befindet, auf ein zweites Schaufelrad übertragen. Die übertragene Leistung lässt sich beispielsweise durch die Menge des Arbeitsmediums in dem Arbeitsraum entsprechend beeinflussen. Andere hydrodynamische Komponenten sind beispielsweise hydrodynamische Retarder. Hydrodynamischen Retarder können vergleichbar zu einer hydrodynamischen Kupplung aufgebaut sein, wobei eines der Schaufelräder fest ausgebildet und nicht drehbeweglich ist. Wird nun das andere Schaufelrad entsprechend gedreht und der Arbeitsraum mit Arbeitsmedium gefüllt, so entsteht eine Bremswirkung an dem sich drehenden Schaufelrad. Die anfallende Bremsleistung wird als Abwärme in das Arbeitsmedium eingetragen und kann/muss „weggekühlt” werden. Alternativ dazu wäre es auch denkbar, über ein geeignetes Getriebe das eine Schaufelrad in der einen Drehrichtung und das andere Schaufelrad in der anderen Drehrichtung anzutreiben. Dann entsteht ein sogenannter Gegenlaufretarder. Als weitere hydrodynamische Komponente ist ein sogenannter hydrodynamischer Wandler bekannt. Er entspricht in seinem Grundaufbau in etwa einer hydrodynamischen Kupplung, hat jedoch zusätzlich zu den beiden Schaufelrädern ein drittes Schaufelrad, welches auch als Leitrad bezeichnet wird. Dieses Leitrad kann entsprechend verstellt werden, sodass die durch das Arbeitsmedium von dem Primärrad auf das Sekundärrad übertragene Leistung beziehungsweise das übertragene Drehmoment entsprechend eingestellt (gewandelt) werden kann.
-
Für all diese hydrodynamischen Komponenten ist es entscheidend, dass die Schaufelräder zumindest auf ihrer dem Arbeitsraum zugewandten Seite eine vergleichsweise hohe Oberflächenqualität aufweisen, um unerwünschte Strömungseffekte und Strömungsdruckverluste durch eine zu hohe Rauheit der Oberflächen der Schaufelräder zu vermeiden.
-
Da die Schaufelräder typischerweise sehr komplexe Formen aufweisen, ist eine Herstellung über Gießverfahren hinsichtlich der Herstellung der komplexen Geometrien von entscheidendem Vorteil. Allerdings weisen diese Gießverfahren im Allgemeinen den Nachteil auf, dass sie vergleichsweise raue Oberflächen der so hergestellten Bauteile verursachen. Daher ist es notwendig, die Schaufelräder zumindest auf ihrer dem Arbeitsraum zugewandten Seite an der Oberfläche nachzubearbeiten. Dies ist sehr aufwändig und teuer. Es verursacht einen erheblichen Kosten- und Herstellungsaufwand.
-
Alternative Gießverfahren, welche eine bessere Oberflächenqualität gewährleisten, sind ebenfalls entsprechend teuer und aufwändig und/oder mit den typischerweise eingesetzten Materialien für die Schaufelräder nicht verwendbar. Alternative Herstellungsverfahren, beispielsweise über spanende Bearbeitung sind bei den entsprechend komplexen Formen extrem aufwändig und teuer.
-
Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Gießen von Schaufelrädern für eine hydrodynamische Komponente anzugeben, welches die oben genannten Nachteile vermeidet und mit minimalem Herstellungsaufwand und günstigen Herstellungskosten die benötigten Oberflächenqualitäten ohne – oder mit minimalem – Aufwand hinsichtlich der Nachbearbeitung ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Gießen von Schaufelrädern sieht es also vor, dass die Gussform in dem Bereich, welcher später dem Arbeitsraum der hydrodynamischen Komponente zugewandt ist, also im Bereich der Schaufelradwandungen der Schaufeln und des Schaufelradbodens, mit einem Keramikteil als Gussform gegossen wird, während die dem späteren Arbeitsraum abgewandten Seiten, also die Außenseite oder Rückseite des Schaufelrads, wie bisher in einer Sandform gegossen wird. Die für das erfindungsgemäße Verfahren kombinierte Form mit Sand und Keramik kann beispielsweise so ausgebildet werden, dass ein Keramikteil in eine Sandform eingelegt wird. Damit lässt sich in dem Bereich des späteren Schaufelrads, welcher durch das Keramikteil abgebildet wird, eine entsprechend hohe Oberflächenqualität erzielen, da die Keramik sehr feinkörnig ausgeführt werden kann und dementsprechend eine sehr feine und glatte Oberfläche des mit ihr in Verbindung kommenden Gießmaterials gewährleistet. In dem Bereich, in dem eine solch hohe Oberflächenqualität nicht notwendig ist, also auf der Rückseite des Schaufelrads, wird wie bisher in einer Sandform gegossen, da dies gegenüber einer Keramikform deutlich kostengünstiger ist. Durch die erfindungsgemäße Kombination einer Form mit einem Keramikteil, lediglich in dem Bereich, in dem hohe Oberflächenqualitäten notwendig sind, und einer herkömmlichen Sandform in den anderen Bereichen des späteren Schaufelrads, entsteht ein Verfahren zum Gießen des Schaufelrads, welches eine hohe Oberflächenqualität in den benötigten Bereichen sicherstellt und dennoch vergleichsweise kostengünstig durchzuführen ist, da weiterhin ein großer Teil der Gussform aus Formsand hergestellt werden kann.
-
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Schaufelräder gleichzeitig gegossen werden, wobei die Gussform auf der dem späteren Arbeitsraum zugewandten Seiten der wenigstens zwei Schaufelräder aus einem gemeinsamen Keramikteil ausgebildet wird. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es also vorgesehen, dass ein gemeinsames Keramikteil für die Herstellung von wenigstens zwei Schaufelrädern in einer Gussform gleichzeitig eingesetzt wird. Die wenigstens zwei Schaufelräder können dabei insbesondere das Primärrad und das Sekundärrad derselben hydrodynamischen Komponente sein. Prinzipiell wäre es auch denkbar, jeweils zwei Primärräder oder zwei Sekundärräder oder auch mehr als zwei Schaufelräder gemeinsam zu gießen. Das gemeinsame Keramikteil kann dabei zwischen den Hohlräumen für die späteren Schaufelräder angeordnet werden und der Gesamtaufbau kann außerhalb mit Sand ummantelt werden. Damit entsteht der entscheidende Vorteil, dass das vergleichsweise teure Keramikteil für den Guss der Oberflächen, bei denen eine entsprechend hohe Qualität erforderlich ist, für wenigstens zwei der Schaufelräder gleichzeitig verwendet werden kann. Das gemeinsame Keramikteil wird dabei nicht oder nur unwesentlich größer und komplexer ausgeformt sein, als das oben beschriebene Keramikteil für das Herstellen eines einzelnen Schaufelrads. Dadurch lassen sich die Kosten für das Keramikbauteil bei dieser besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter senken.
-
Sofern die Schaufelräder oder das Schaufelrad drehentformbar ausgebildet sind, ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer der beiden oben beschriebenen Varianten möglich, das Keramikteil mehrfach zu verwenden, da das Schaufelrad in einem solchen Fall aus dem Keramikteil entformt werden kann. Das Keramikteil wird dann typischerweise einige Gießvorgänge unbeschadet überstehen, sodass dieses in der Größenordnung von fünf- bis zehnmal wiederverwendet werden kann, wodurch weitere Kosten eingespart werden.
-
Falls das beziehungsweise die Schaufelräder nicht drehentformbar ausgebildet sind, bildet das Keramikteil in an sich bekannter Art und Weise einen Teil der verlorenen Gussform, wie auch der die Rückseiten der Schaufelräder ummantelnde Sand.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei sehr flexibel, da es aufgrund der sehr temperaturbeständigen Materialien Sand und Keramik für die Gussform sowohl einen Guss von Aluminiumlegierungen als auch den Guss von Eisenlegierungen beziehungsweise Stahl problemlos ermöglicht.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
-
Es zeigen:
-
1 eine Prinzipdarstellung einer hydrodynamischen Komponente; und
-
2 einen Querschnitt durch eine Gießform für das erfindungsgemäße Verfahren in einer besonders günstigen Ausführungsform.
-
In der Darstellung der 1 ist eine hydrodynamische Komponente 1 beispielhaft und prinzipmäßig dargestellt. Die hydrodynamische Komponente 1 besteht in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Gehäuse 2, einem Primärrad 3 und einem Sekundärrad 4. Das Primärrad 3 und das Sekundärrad 4 schließen zwischen sich zusammen mit dem Gehäuse 2 einen torusförmigen Arbeitsraum 5 ein, welcher im Bedarfsfall mit einem Arbeitsmedium, beispielsweise einem Öl oder im Falle eines Wasser-Retarders auch mit Wasser befüllt werden kann. Die in der Darstellung der 1 zu erkennende hydrodynamische Komponente 1 kann beispielsweise eine hydrodynamische Kupplung sein, welche Leistung von einer mit dem Primärrad 3 verbundenen Eingangswelle 6 auf eine mit dem Sekundärrad 4 verbundene Ausgangswelle 7 überträgt. Die Übertragung erfolgt dabei durch in dem Primärrad 3 in an sich bekannter Art und Weise ausgebildete Schaufeln, welche über das Arbeitsmedium das Sekundärrad 4 mit analog ausgebildeten Schaufeln entsprechend antreiben, sodass eine Rotation des Sekundärrads 4 durch die Rotation des Primärrads 3 erzeugt wird.
-
Die hydrodynamische Komponente 1 könnte auch als Retarder verwendet werden. Hierfür könnte entweder das Sekundärrad 4 entsprechend festgebremst oder fest mit dem Gehäuse 2 verbunden werden, sodass bei in dem Arbeitsraum 5 befindlichem Arbeitsmedium das Primärrad 3 entsprechend abgebremst und das Arbeitsmedium dadurch erwärmt wird. Prinzipiell wäre auch die Ausgestaltung als Gegenlaufretarder denkbar, dann müsste über eine entsprechende Getriebeeinrichtung am Sekundärrad 2 eine andere Drehrichtung erzeugt werden, als am Primärrad 4. Auch hierdurch würde es zu einer starken Abbremsung kommen. Das dabei erwärmte Arbeitsmedium müsste entsprechend abgekühlt werden, entweder durch einen Zwischenkühler und einem Kühlkreislauf, oder in dem dieses, wie bei einem Wasser-Retarder, direkt das Kühlmedium in einem Kühlkreislauf ist.
-
Um eine gute Funktionalität der hydrodynamischen Komponente 1 zu erreichen und unnötige Strömungsverluste und Ventilationsverluste bei entleertem Arbeitsraum 5 zu vermeiden, müssen die dem Arbeitsraum 5 zugewandten Seiten der Schaufelräder 3, 4 eine entsprechend gute Oberflächenqualität aufweisen. Diese ist aufgrund der komplexen Form der Schaufelräder 3, 4 jedoch nur schwer über spanabhebende Verfahren – wie beispielsweise Schleifen – zu erreichen. Dementsprechend ist die Herstellung derartiger Schaufelräder 3, 4 entsprechend teuer und aufwändig.
-
Da die Schaufelräder aufgrund ihrer komplexen Form jedoch vorzugsweise durch Gießen hergestellt werden, ist eine solche Nachbearbeitung praktisch unvermeidlich, da die komplexen Formen entsprechend komplexe Gussformen, insbesondere Sandformen, erforderlich machen. Solche Sandformen erlauben aber aufgrund ihrer eher groben Körnigkeit nur eine bestimmte Oberflächengüte der gegossenen Oberflächen, welche für die Anforderungen der dem Arbeitsraum 5 zugewandten Oberflächen typischerweise nicht ausreichen.
-
Abhilfe kann hier ein neues Verfahren zum Gießen der Schaufelräder schaffen. Dies ist anhand der Prinzipdarstellung in 2 beispielhaft dargestellt. Der Aufbau einer Gussform 11 in der Darstellung der 2 ermöglicht hier beispielhaft das Gießen von zwei Schaufelrädern 3, 4 gleichzeitig. Insbesondere können dies das Sekundärrad 4 und das Primärrad 3 derselben hydrodynamischen Komponente 1 sein. Die Gussform 11 für die beiden Schaufelräder besteht aus einem gemeinsamen Keramikteil 8, welches zwischen zwei Hohlräumen 9 für das Primärrad 3 einerseits und das Sekundärrad 4 andererseits angeordnet wird. In der Darstellung der 2 ist dieses gemeinsame Keramikteil 8 durch eine Kreuzschraffur gekennzeichnet. Das gemeinsame Keramikteil 8 kann beispielsweise in einer Silikonform oder einer ähnlichen geeigneten Form vorab gegossen und dann ausgehärtet beziehungsweise gebrannt werden. Das fertige Keramikteil 8 wird dann in an sich bekannter Art und Weise zusammen mit entsprechenden Formen für das Primärrad 3 und das Sekundärrad 4 in Formsand 10 eingebettet. Die so entstandene Gussform 11 wird dann ausgehärtet und mit dem Material für das Gießen der Schaufelräder 3, 4 befüllt. Dies erfolgt über hier nicht explizit dargestellte Angussbereiche in an sich bekannter Art und Weise.
-
Die Gussform 11 aus Formsand 10 und dem gemeinsamen Keramikteil 8 ist dabei entsprechend temperaturstabil, sodass sowohl Aluminiumlegierungen als auch Eisenlegierungen beziehungsweise Gussstahl oder Grauguss zur Herstellung der Schaufelräder 3, 4 eingesetzt werden können. Die Schaufelräder 3, 4 werden danach in an sich bekannter Art und Weise aus der Gussform 11 beziehungsweise dem Formsand 10 entformt. Wenn diese auf ihrer dem späteren Arbeitsraum 5 zugewandten Seite drehentformbar ausgebildet sind, so können sie aus dem gemeinsamen Keramikteil 8 entformt werden, ohne dass dieses zerstört werden muss. Es kann dann einige Male wieder verwendet werden. Ist die Ausgestaltung der Schaufelräder 3, 4 so, dass dies nicht möglich ist, so ist das gemeinsame Keramikteil 8 ebenso wie der Formsand 10 als verlorenes Formteil einsetzbar.
-
Das gemeinsame Keramikbauteil 8 kann dabei, wie in der Darstellung der 2 dargestellt, im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet sein. Da die Oberflächenqualität im Wesentlichen bei den Bereichen der Schaufelräder 3, 4 eine entscheidende Rolle spielt, die unmittelbar dem Arbeitsraum 5 zugewandt sind, also bei den Schaufelwandungen und dem Schaufelradboden, wäre es prinzipiell auch denkbar, und um weitere Kosten einzusparen und Angusskanäle nicht zwingend durch das Keramikteil 8 hindurchführen zu müssen, das das Keramikteil im Wesentlichen ringförmig beziehungsweise torusförmig ausgebildet wird, und dass die zwischen den beschaufelten Bereichen und der Drehachse der Schaufelräder 3, 4 befindlichen Bereiche auf beiden Seiten des Schaufelrads 3, 4 im Formsand 10 abgebildet werden.
-
Der entsprechende Aufbau, wie er in der Darstellung der 2 dargestellt und oben erläutert worden ist, ließe sich selbstverständlich auch zum gleichzeitigen Gießen von zwei Primärrädern 3 oder zwei Sekundärrädern 4 entsprechend einsetzen, ebenso wie zum Gießen eines einzelnen Schaufelrads 3, 4.
-
Der in der 2 beschriebene Aufbau hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass er zur Herstellung von einem oder vorzugsweise zwei der Schaufelräder 3, 4 mit einem vergleichsweise geringen Anteil an Keramik auskommt. Die teure und aufwändige Keramikform lässt sich dabei auf ein Minimum an Material reduzieren.
-
Der Rest kann weiterhin mit der vergleichsweise einfachen und billigen Sandform realisiert werden. Da sämtliche später dem Arbeitsraum 5 zugewandten Oberflächen der Schaufelräder 3, 4 in der Gussform 11 über das Keramikteil 8 abgebildet werden, ist in diesen Bereichen aufgrund der Feinkörnigkeit des Keramikteils 8 sowie seiner sehr glatten Oberfläche eine sehr hohe Oberflächenqualität zu erzielen. In. den anderen Bereichen, in denen diese hohe Oberflächenqualität nicht notwendig ist, reicht der einfacher zu handhabende und kostengünstigere Formsand 10 für die Gussform 11 aus. Damit lässt sich kostenoptimiert ein Schaufelrad 3, 4 gießen, welches in den dem späteren Arbeitsraum 5 zugewandten Bereichen die benötigte Oberflächenqualität aufweist, ohne dass eine aufwändige Nachbearbeitung dieser Bereiche notwendig ist. In den Bereichen, in denen diese hohe Oberflächenqualität nicht notwendig ist, reicht die über den Formsand 10 zu erzielende Oberflächenqualität bei weitem aus, sodass auch hier keine Nachbearbeitung zwingend notwendig ist. Die so gegossenen Schaufelräder 3, 4 ermöglichen also bei minimalem Aufwand hinsichtlich der Herstellung und minimalen Herstellungskosten eine optimale Qualität, sodass durch das beschriebene Verfahren zum Gießen der Schaufelräder 3, 4 kostengünstig hydrodynamische Komponenten 1 mit hoher Qualität und Funktionalität realisiert werden können.
