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Die vorliegende Erfindung betrifft ein komplexes Gussbauteil einer Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einem komplexen Gussbauteil, ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Brennkraftmaschine sowie ein Gießverfahren zum Herstellen eines komplexen Gussbauteils. Unter dem Begriff komplexes Gussbauteil einer Brennkraftmaschine wird nachfolgend beispielsweise eine gegossene Kurbelwelle, Nockenwelle oder ein anderes gegossenes Bauteil einer Brennkraftmaschine verstanden, das im Vergleich zu einer einfachen Welle oder einer einfachen glatten Fläche eine Außenstruktur aufweist, die über Vorsprünge und/oder Aussparungen verfügt.
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Gemäß Stand der Technik werden Kurbelwellen bei heutigen Otto- und Dieselmotoren aus Eisenwerkstoffen mittels Schmieden oder Gießen gefertigt. Bei den geschmiedeten Kurbelwellen werden als Material beispielsweise Vergütungsstähle wie 42CrMo4 verwendet. Demgegenüber wird bei den gegossenen Kurbelwellen größtenteils Gusseisen mit Kugelgraphit, wie GJS700, als Werkstoff eingesetzt. Mittels des Gießens wird üblicherweise eine Kurbelwelle als Vollgussbauteil hergestellt, also ohne Hohlräume bzw. Kavitäten im Inneren der Kurbelwelle. Es ist jedoch bekannt, bei spezifisch niedrig belasteten Brennkraftmaschinen gegossene Kurbelwellen einzusetzen, deren Hauptlager oder Hublager aus Gewichtsgründen hohl gegossen sind.
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Durch ständig steigende Bauteilbelastungen, insbesondere aufgrund von Turboaufladung, und andererseits durch den Wunsch, die Lagerdurchmesser zur Reibungsminderung zu reduzieren, werden immer häufiger Schmiedestähle mit entsprechend hoher Festigkeit bei der Herstellung von Kurbelwellen eingesetzt. Gegenüber Gusswerkstoffen führt dies zu einer deutlichen Gewichtserhöhung und in der Regel auch zu einer Kostenerhöhung. Die Belastungen einer Kurbelwelle in einer Brennkraftmaschine sind hochkomplex. Abhängig von einer Drehzahl, Last sowie einer Position an der Kurbelwelle kommt es während des Betriebs einer Brennkraftmaschine an der Kurbelwelle zu unterschiedlichen Belastungszuständen.
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Auslegungsrelevant sind jeweils die Maximalbelastungen. Bei einer Kurbelwelle ist in der Regel das an das Getriebe gekoppelte axiale Ende aufgrund einer zusammengesetzten Belastung aus Biegung und Torsion höher belastet als das entgegengesetzte axiale Ende.
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Nachteile beim Einsatz von geschmiedeten Kurbelwellen sind die hohen Kosten und das hohe Gewicht aufgrund der größeren Dichte gegenüber der gegossenen Kurbelwelle. Weiterhin ist eine freie Formgebung nur eingeschränkt möglich. Eine Gewichtsreduzierung, konstruktiv bedingt im Inneren von bezogen auf die gesamte Kurbelwelle großen Massenanhäufungen, kann nur aufwendig über Zusatzbohrungen erreicht werden.
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Ein Nachteil beim Einsatz von gegossenen Kurbelwellen ist deren geringere Belastbarkeit im Vergleich zu geschmiedeten Kurbelwellen. Die Ursachen hierfür liegen in den unterschiedlichen Fertigungstechnologien, die unterschiedliche Legierungen und/oder Wärmebehandlungen erfordern. Ebenso ist ein Gussgefüge naturgemäß geringer dynamisch belastbar im Vergleich zu einem geschmiedeten Gefüge.
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Bei der Herstellung von Kurbelwellen mittels Gießen kommen derzeit hauptsächlich zwei Technologien zum Einsatz. In einer ersten Form werden die Kurbelwellen mittels Sandguss üblicherweise in liegender Form gegossen. Hierbei werden aus Formsand sogenannte Negativformkästen hergestellt, die zur Formgebung für das flüssige Metall dienen.
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Alternativ werden die Kurbelwellen mit einem sogenannten Maskenformgießverfahren in stehender Anordnung gegossen. Beim Maskenformgießen werden sogenannte Masken mit der Form des Rohlings erzeugt. In Abhängigkeit von der äußeren Gestaltung des zu gießenden Bauteils besteht eine fertige Maske aus zwei oder mehr Maskenteilen, die beispielsweise mittels Kleben miteinander zur fertigen Maske verbunden werden. Die einzelnen Maskenteile bestehen aus harzumhülltem Formmaterial oder harzumhüllten Sanden bzw. Sand-Harz-Gemischen. Weiterhin ist in die Maske ein Angusssystem zur Zuführung des flüssigen Metalls integriert.
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Die fertigen Masken werden als Vorbereitung zur Herstellung der Kurbelwelle in sogenannte Gießkübel gestellt und zur Verbesserung der Wärmeabfuhr sowie zur Stabilisierung mit Stahlkugeln umfüllt. Die gesamte Maskenform wird dann von unten ansteigend mit dem Gießmaterial befüllt. Während der Materialerstarrung übernimmt ein Speiser die Aufgabe, Materialschwindungen auszugleichen. Die Maskenformgießtechnik hat sich für den Einsatz in Großserienproduktionen etabliert. Weiterhin weist das Maskenformgießverfahren gegenüber dem Sandgussverfahren den Vorteil auf, dass insbesondere der Erstarrungsprozess auf Grund der beschleunigten Wärmeabfuhr durch die Verwendung der Stahlkugeln zu einer verbesserten Gefügequalität und Maßhaltigkeit führt.
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Dennoch treten auch bei Verwendung des Maskenformgießverfahrens unterschiedliche Temperaturen bzw. unterschiedlicher Temperaturverteilungen im Gießkübel und somit im Bauteil während des Erstarrungsprozesses aus. Dies führt zu unterschiedlichen Materialeigenschaften des erstarrten Bauteils in Abhängigkeit von der während des Erstarrungsprozesses vorliegenden Abkühlrate. Insbesondere im oberen Bereich des Gießkübels herrschen thermisch bedingt höhere Temperaturen als im unteren Bereich. Dies ist dadurch begründet, dass anfänglich die Wärme durch die Stahlkugeln schnell aus dem unteren Bereich der Gießmaske abgeführt wird, sich jedoch ein Wärmestau im oberen Bereich der Stahlkugeln bildet. Dies hat zur Folge, dass die Abkühlraten während der Schmelzenerstarrung im oberen Bereich der gegossenen Kurbelwelle geringer sind als im unteren Bereich. Aufgrund der geänderten Abkühlraten entstehen andere Erstarrungsbedingungen und damit unterschiedliche Materialeigenschaften der Kurbelwelle bzw. des Bauteils.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein im Hinblick auf die Materialeigenschaften optimiertes komplexes Gussbauteil einer Brennkraftmaschine, insbesondere eine Kurbelwelle oder eine Nackenwelle, sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereitzustellen.
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Die obige Aufgabe wird gelöst durch ein komplexes Gussbauteil einer Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 1, eine Brennkraftmaschine mit einem komplexen Gussbauteil gemäß Patentanspruch 9, ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 10 sowie ein Gießverfahren zum Herstellen eines komplexen Gussbauteils einer Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
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Das erfindungsgemäße komplexe Gussbauteil einer Brennkraftmaschine, insbesondere eine Kurbelwelle oder eine Nockenwelle, umfasst eine Längsachse, eine Mehrzahl von Belastungsbereichen entlang der Längsachse, wobei jeder Belastungsbereich aus der Mehrzahl der Belastungsbereiche während eines Betriebs einer Brennkraftmaschine einer spezifischen Belastung ausgesetzt ist, und einen ersten Hohlraum, der in einem ersten Belastungsbereich aus der Mehrzahl der Belastungsbereiche angeordnet ist und ein von einer ersten Belastung des ersten Belastungsbereichs abhängiges Volumen aufweist, wodurch eine Materialdicke im ersten Belastungsbereich ebenfalls abhängig ist von der während des Betriebs einer Brennkraftmaschine dort auftretenden ersten Belastung.
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Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft anhand des Herstellungsverfahrens einer Kurbelwelle als komplexes Gussbauteils verdeutlicht. Zunächst wird eine Gießform für die Kurbelwelle bereitgestellt. Weiterhin wird ein erster Kern mit einem ersten Volumen bereitgestellt. Das erste Volumen bildet im fertigen Gussbauteil nachher den ersten Hohlraum und ist anhand einer ersten Belastung im ersten Belastungsbereich der zu gießenden Kurbelwelle ausgewählt, die während einer späteren Verwendung der Kurbelwelle in einer Brennkraftmaschine im ersten Bereich maximal auftritt. Dementsprechend wird der erste Kern in der Gießform derart angeordnet, dass er während eines nachfolgenden Erstarrungsprozesses eines Gießmaterials im ersten Belastungsbereich angeordnet ist. Danach wird das Gießmaterial, beispielsweise ein Gusseisen, in die Gießform eingefüllt und, nachdem der Erstarrungsprozess vollständig abgeschlossen ist, die fertige Kurbelwelle aus der Gießform entnommen.
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Allgemein wird davon ausgegangen, dass der Belastungsverlauf und damit die Maximalbelastung für das gesamte komplexe Gussbauteil bekannt sind. Auf diese Weise ist vorzugsweise auch die maximale Belastung für einen jeweiligen Belastungsbereiche entlang der Längsachse des Gussbauteils bekannt. Bei den Belastungsbereichen aus der Mehrzahl von Belastungsbereichen kann es sich um Abschnitte des Bauteils handeln, wobei vorzugsweise ein Belastungsbereich nur ein Ausschnitt eines Abschnitts des Gussbauteils umfasst. Weiterhin können sich Belastungsbereiche auch zumindest teilweise überlappen oder voneinander beabstandet sein, in Abhängigkeit von der äußeren Gestaltung des komplexen Gussbauteils. Die Belastungsbereiche werden nachher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch genauer ausgeführt und auch deren Funktion dargelegt.
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Die jeweiligen Belastungen für das zu gießende erfindungsgemäße Gussbauteil sind beispielsweise aus einer Simulation ableitbar oder durch Versuche ermittelbar, um nur einige Möglichkeiten aufzuzählen. Bei der ersten Belastung handelt es sich somit insbesondere um eine Maximalbelastung im ersten Belastungsbereich. Durch die Anpassung des Volumens des ersten Hohlraums bzw. des ersten Kerns sind die Materialeigenschaften im ersten Belastungsbereich so variierbar, dass der erste Belastungsbereich der gewünschten bzw. vorgebbaren Maximalbelastung bei einem Einsatz in einer Brennkraftmaschine Stand hält. Daher variiert auch das Volumen des ersten Kerns und damit des resultierenden ersten Hohlraums abhängig von der Belastung oder Maximalbelastung im ersten Belastungsbereich.
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Das Verhältnis des Volumens des ersten Kerns bzw. des ersten Hohlraums bezogen auf das Volumen des ersten Belastungsbereichs wird im Folgenden auch als erstes Relativvolumen bezeichnet. Der erste Kern zur Bildung des ersten Hohlraums im ersten Belastungsbereich ist hierbei auf keine bestimmte Form beschränkt. Vielmehr ergibt sich die Form in Abhängigkeit von der Maximalbelastung im ersten Belastungsbereich.
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Auf diese Weise wird abhängig von der Bauteilbelastung eine Gestaltung festgelegt, die die geometrischen Erfordernisse abhängig von lokalen Bauteilbelastungen berücksichtigt. Somit findet in Abhängigkeit von den lokalen Bauteilbelastungen eine Wanddickenanpassung statt. Insbesondere in Bereichen mit geringen Bauteilbelastungen können die Wanddicken reduziert werden, wohingegen sie in Bereichen mit größeren Bauteilbelastungen entsprechend stärker ausgeführt werden. Im Hinblick auf eine Kurbelwelle ist festzuhalten, dass die lokalen Belastungen hin zum Getriebeende zunehmen, so dass eine Wanddicke an diesem axialen Ende stärker ausgeführt ist als am entgegengesetzten axialen Ende, was später unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ebenfalls erläutert wird. Zusammenfassend ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen komplexen Gussbauteils daher, dass eine Wanddicke im ersten Belastungsbereich aufgrund des verwendeten Kerns im Vergleich zum herkömmlichen Gussbauteil im Vollguss, also ohne Hohlraum, in diesem Belastungsbereich optimal an die dort auftretende Belastung angepasst ist. Dies gilt sowohl im Hinblick auf die Festigkeit sowie auch im Hinblick auf eine Steifigkeit bzw. ein Verformungsverhalten des Gussbauteils im entsprechenden Belastungsbereich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das komplexe Gussbauteil einen zweiten Hohlraum in einem zweiten Belastungsbereich aus der Mehrzahl der Belastungsbereiche auf. Ein zweites Volumen des zweiten Hohlraums ist hierbei abhängig von einer zweiten Belastung des zweiten Belastungsbereichs bei der späteren Verwendung des Gussbauteils. Der erste Hohlraum weist bezogen auf den ersten Belastungsbereich beispielsweise ein kleineres Volumen als der zweite Hohlraum bezogen auf den zweiten Belastungsbereich auf. Eine erste Belastung ist im ersten Belastungsbereich somit höher als eine zweite Belastung im zweiten Belastungsbereich. Vorzugsweise ist so eine erste Materialdicke im ersten Belastungsbereich des komplexen Gussbauteils größer als eine zweite Materialdicke im zweiten Belastungsbereich des komplexen Gussbauteils.
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Um dies zu erreichen wird beim Gießverfahren ein zweiter Kern mit einem zweiten Volumen bereitgestellt, das anhand einer zweiten Belastung im zweiten Belastungsbereich der zu gießenden Kurbelwelle ausgewählt wurde. Zudem weist der zweite Kern vorzugsweise ein größeres Volumen bezogen auf den zweiten Belastungsbereich auf als der erste Kern bezogen auf den ersten Belastungsbereich. Dies ist darin begründet, dass der zweite Belastungsbereich einer geringeren Belastung während eines Betriebs einer Brennkraftmaschine ausgesetzt ist als der erste Belastungsbereich. Daher ist das Volumen des zweiten Kerns bezogen auf den zweiten Belastungsbereich größer als das Volumen des ersten Kerns bezogen auf den ersten Belastungsbereich. Vorzugsweise weisen der erste und/oder der zweite Belastungsbereich ein, bezogen auf das Volumen des gesamten erfindungsgemäßen Gussbauteils, großes Volumen auf. Bezogen auf ein herkömmliches Gussbauteil handelt es sich somit um Belastungsbereiche mit Materialanhäufung, was später ebenfalls detailliert erläutert wird. Besonders bevorzugt ist, wenn der erste und der zweite Belastungsbereich ein ähnliches oder gleiches Volumen aufweisen, wodurch sich auch eine unterschiedliche Materialdicke der beiden Belastungsbereiche ergibt.
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Das Anordnen des ersten und des zweiten Kerns in der Gießform erfolgt derart, dass während eines nachfolgenden Erstarrungsprozesses eines Gießmaterials der erste Kern im ersten Belastungsbereich und der zweite Kern im zweiten Belastungsbereich angeordnet sind. In einer Ausführungsform sind die beiden Kerne über einen Steg miteinander verbunden, was im späteren Gussbauteil zu einer Verbindung der beiden Hohlräume durch einen Kanal führt. Auf diese Weise kann ein relativer Abstand der verwendeten Kerne zueinander sichergestellt werden und Gießmaterial eingespart werden.
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Wird nun das Gießmaterial in die Gießform eingefüllt, dann bildet sich bei einem nachfolgenden Erstarrungsprozess der, bezogen auf den jeweiligen Belastungsbereich, größere zweite Hohlraum im zweiten Belastungsbereich mit der im Vergleich zum ersten Belastungsbereich geringeren Belastung aus. Dies bedeutet, dass im zweiten Belastungsbereich auch die Materialdicke des komplexen Gussbauteils geringer ist als im ersten Belastungsbereich. Auf diese Weise können die Materialeigenschaften im ersten und zweiten Belastungsbereich so optimiert werden, dass das komplexe Gussbauteil später in beiden Belastungsbereichen möglichst optimal an die dort auftretenden Maximalbelastungen angepasst ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine erste Materialdicke im ersten Belastungsbereich des komplexen Gussbauteils daher größer als eine zweite Materialdicke im zweiten Belastungsbereich des komplexen Gussbauteils. Die obigen Ausführungen zum ersten Hohlraum gelten zudem analog für den zweiten Hohlraum.
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Ein Vorteil des entsprechend hergestellten komplexen Gussbauteils ist weiterhin, dass die Wanddicken im ersten und im zweiten Belastungsbereich des Gussbauteils in Abhängigkeit von der jeweiligen Belastung optimiert sind. An den im Betrieb einer Brennkraftmaschine eine geringe Belastung aufweisenden Stellen bzw. Belastungsbereichen sind dünnere Wanddicken vorhanden als an den Stellen mit einer höheren Belastung. Das Ergebnis ist ein komplexes Gussbauteil einer Brennkraftmaschine, das an jeder Stelle der beiden Belastungsbereiche, vorteilhafterweise im gesamten Gussbauteil, die gewünschten Materialeigenschaften aufweist, also den jeweiligen Maximalbelastungen Stand hält. Weiterhin ist so ein Gewichtsvorteil gegenüber geschmiedeten komplexen Bauteilen einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Kurbelwelle oder Nockenwelle, realisierbar, wodurch ebenfalls ein Verbrauchsvorteil bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Gussbauteils in einer Brennkraftmaschine realisiert ist. Aufgrund der von der Belastung abhängigen Größe der Hohlräume im Inneren des erfindungsgemäßen Gussbauteils ergibt sich zudem ein geringerer Materialbedarf im Vergleich zu einem herkömmlichen Gussbauteil ohne Hohlräume oder mit gleichmäßig ausgebildeten Hohlräumen. Somit kann ein Gewichts- sowie Kostenvorteil von gegossenen Gussbauteilen, insbesondere Kurbel- oder Nockenwellen, auch bei hoch belasteten Brennkraftmaschinen, realisiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das komplexe Gussbauteil eine Mehrzahl von Hohlräumen auf, wobei jeder Hohlraum aus der Mehrzahl der Hohlräume in einem Belastungsbereich des Gussbauteils angeordnet ist. Ein Volumen der jeweiligen Hohlräume hängt wiederum von der erwarteten Maximalbelastung im jeweiligen Belastungsbereich ab, in dem sie angeordnet werden sollen. Beispielsweise kann ein jeweiliges Volumen der Hohlräume bezogen auf den jeweiligen Belastungsbereich entlang der Längsachse des komplexen Gussbauteils zunehmen, sodass vorzugsweise die entsprechende Materialdicke im jeweiligen Belastungsbereich des jeweiligen Hohlraums entlang der Längsachse des komplexen Gussbauteils entsprechend abnimmt. In einer ersten Ausführungsform ist die Mehrzahl der Belastungsbereiche mit der Mehrzahl der Hohlräume identisch, so dass in jedem Belastungsbereich ein Hohlraum vorhanden ist. In einer alternativen Ausführungsform sind mehr Belastungsbereiche als Hohlräume vorhanden, wobei in diesem Fall insbesondere ein Belastungsbereich, der bereits eine für die dort auftretende Belastung optimale Wanddicke aufweist, keinen zusätzlichen Hohlraum aufweist.
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Wieder Bezug nehmend auf das Herstellungsverfahren bzw. Gießverfahren wird hierfür eine Mehrzahl von Kernen verwendet, deren Volumen von der Belastung des Belastungsbereichs abhängt, in dem sie angeordnet werden sollen. Eine Anordnung der Kerne innerhalb der Gießform erfolgt beispielsweise so, dass der Kern mit dem kleinsten Relativvolumen im Belastungsbereich mit der höchsten Belastung angeordnet wird und der Kern mit dem größten Relativvolumen im Belastungsbereich mit der geringsten Belastung. Die übrigen Kerne werden gemäß dem obigen Prinzip in Abhängigkeit von ihrem Relativvolumen dazwischen angeordnet. Die Kerne sind gemäß einer Ausführungsform, wie bereits oben für den ersten und den zweiten Kern beschrieben, mittels Stegen miteinander verbunden. Dabei können in Abhängigkeit von der Anzahl der verwendeten Kerne und deren Positionierung im Gussbauteil unterschiedliche Anzahlen von Kernen über solche Stege miteinander verbunden werden. Beispielsweise können immer zwei, drei oder vier Kerne mittels Stegen miteinander verbunden werden, so dass im späteren Gussbauteil zwei, drei oder vier Hohlräume mittels eines Kanals miteinander verbunden sind. Die obigen Ausführungen zum ersten und zum zweiten Kern bzw. Hohlraum gelten analog für eine Mehrzahl von Kernen bzw. Hohlräumen. Ein Vorteil dieses komplexen Gussbauteils ist, dass die Wanddicken in den jeweiligen Belastungsbereichen genau auf die im jeweiligen Belastungsbereich auftretenden Belastungen optimierbar sind, wobei durch die Vielzahl der Belastungsbereiche das gesamte komplexe Gussbauteil insgesamt besser anpassbar ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das komplexe Gussbauteil eine Kurbelwelle und jeder Belastungsbereich wird entweder durch ein Hauptlager oder ein Hublager gebildet, Beispielhaft wird nun auf eine Kurbelwelle mit vier Hublagern und fünf Hauptlagern Bezug genommen. Die Reihenfolge der Lager entlang der Längsachse ist dabei Hauptlager eins, Hublager eins, Hauptlager zwei, Hublager zwei, Hauptlager drei, Hublager drei, Hauptlager vier, Hublager vier und Hauptlager fünf. Als Hauptlager gelten hierbei die mittig auf der Längsachse angeordneten Abschnitte der Kurbelwelle, wohingegen die Hublager radial versetzt zur mittig durch die Kurbelwelle verlaufenden Längsachse angeordnet sind, was später unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verdeutlicht wird. Vorzugsweise umfasst der erste Belastungsbereich ein Hauptlager an einem der axialen Enden der Kurbelwelle und/oder der zweite Belastungsbereich das Hauptlager am entgegengesetzten axialen Ende. Insbesondere bei Anwendung eines Maskenformgießverfahrens in stehender Anordnung, wobei der Anguss von der Getriebeseite der zu gießenden Kurbelwelle erfolgt, befindet sich der erste Hohlraum in einem Getriebeende der Kurbelwelle. Das Getriebeende ist hierbei das Ende, das bei der späteren Verwendung der Kurbelwelle in einer Brennkraftmaschine an ein Getriebe koppelbar ist bzw. daran gekoppelt wird und der größten Belastung ausgesetzt ist.
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Weiterhin bevorzugt ist, wenn das komplexe Gussbauteil eine Kurbelwelle ist, die in jedem Hublager einen Hohlraum aufweist, wobei ein Volumen der Hohlräume bezogen auf den jeweiligen Belastungsbereich, also das jeweilige Hublager, entlang der Längsachse der Kurbelwelle zunimmt. Wie bereits oben erläutert kann das komplexe Gussbauteil allgemein eine Mehrzahl von Hohlräumen umfassen, wobei ein jeweiliges Volumen der Hohlräume entlang der Längsachse des komplexen Gussbauteils zunimmt, sodass die Materialdicke bzw. Wanddicke im Belastungsbereich der jeweiligen Hohlräume entlang der Längsachse entsprechend abnimmt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das komplexe Gussbauteil eine Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern und weist acht Hohlräume auf. Vier Hohlräume sind hierbei in den Belastungsbereichen der Hublager angeordnet und mindestens ein Hohlraum ist im Belastungsbereich eines der beiden Hauptlager an den axialen Enden angeordnet. Die verbleibenden drei Hohlräume sind in den Belastungsbereichen der verbleibenden drei Hauptlager angeordnet, wobei kein Hohlraum im Belastungsbereich des verbleibenden Hauptlagers am verbleibenden axialen Ende vorgesehen ist.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst ein erfindungsgemäßes komplexes Gussbauteil. Für die Brennkraftmaschine ergeben sich die oben beschrieben Vorteile, sodass diese an dieser Stelle nicht erneut wiederholt werden.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine auf. Im Hinblick auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug und die entsprechenden Vorteile wird ebenfalls auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen komplexen Gussbauteil verwiesen.
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Ein erfindungsgemäßes Gießverfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen komplexen Gussbauteils einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle, umfasst die Schritte: Bereitstellen einer Gießform, Bereitstellen eines ersten Kerns mit einem ersten Volumen, das anhand einer ersten Belastung in einem ersten Belastungsbereich aus einer Mehrzahl von Belastungsbereichen des zu gießenden Gussbauteils ausgewählt wurde, die während einer Verwendung des Gussbauteils in einer Brennkraftmaschine im ersten Belastungsbereich auftritt, Anordnen des ersten Kerns in der Gießform derart, dass während eines nachfolgenden Erstarrungsprozesses eines Gießmaterials der Kern im ersten Belastungsbereich angeordnet ist, Einfüllen des Gießmaterials in die Gießform und Entnehmen des fertigen Gussbauteils aus der Gießform nachdem der Erstarrungsprozess vollständig abgeschlossen ist. Mit dem erfindungsgemäßen Gießverfahren ist beispielsweise das oben beschriebene erfindungsgemäße komplexe Gussbauteil herstellbar. Im Hinblick auf die sich daraus ergebenden Vorteile wird ebenfalls auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Gussbauteil verwiesen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird neben der Belastung auch noch eine Abkühlrate des Gussbauteils während eines Erstarrungsprozesses im Belastungsbereich berücksichtigt, so dass das Gussbauteil besonders optimal im Hinblick auf das spätere Einsatzgebiet auslegbar ist. Zudem umfassen die einzelnen Belastungsbereiche aus der Mehrzahl von Belastungsbereichen zusammen vorzugsweise ein großes Volumen bezogen auf das gesamte Bauteil. Bei den einzelnen Belastungsbereichen handelt es sich also insbesondere um Belastungsbereiche mit Materialanhäufungen, bezogen auf ein herkömmliches Gussbauteil im Vollguss.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Gießverfahren den weiteren Schritt des Bereitstellens eines zweiten Kerns mit einem zweiten Volumen, das anhand einer zweiten Belastung in einem zweiten Belastungsbereich aus der Mehrzahl von Belastungsbereichen des Gussbauteils während eines Erstarrungsprozesses ausgewählt wurde, wobei insbesondere das erste Volumen des ersten Kerns bezogen auf den ersten Belastungsbereich kleiner ist als das zweite Volumen des zweiten Kerns bezogen auf den zweiten Belastungsbereich. Im Hinblick auf die sich entsprechend ergebenden Vorteile wird ebenfalls auf die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen komplexen Gussbauteil verwiesen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine Mehrzahl von Kernen bereitgestellt, die derart in der Gießform angeordnet werden, dass ein Volumen des jeweiligen Kerns abhängig ist von einer jeweiligen Belastung bezogen auf den jeweiligen Belastungsbereich, in dem er angeordnet wird, und insbesondere entlang einer Längsachse des zu gießenden Gussbauteils zunimmt, wobei die jeweiligen Belastungsbereiche vorzugsweise ein bezogen auf das gesamte Bauteil großes Volumen umfassen und insbesondere gleich große Volumina. Auf diese Weise wird der Kern mit dem größten Relativvolumen immer im Belastungsbereich mit der geringsten Belastung und der Kern mit dem kleinsten Relativvolumen immer im Belastungsbereich mit der größten Belastung angeordnet. Die übrigen Kerne werden dazwischen in Abhängigkeit von ihrem Relativvolumen so angeordnet, dass das Relativvolumen mit abnehmender Belastung zunimmt. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Materialdicke im jeweiligen Belastungsbereich des erfindungsgemäßen Gussbauteils optimal angepasst auf die jeweilige auftretende Belastung bzw. Maximalbelastung einstellbar ist. Somit können insbesondere Wanddicken des komplexen Gussbauteils in Abhängigkeit von den Belastungen optimal an einen jeweiligen Verwendungszweck des Gussbauteils angepasst werden.
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Weiterhin bevorzugt ist, dass als Material für die Kerne ein Material gewählt wird, das eine hohe Wärmeentzugsgeschwindigkeit aufweist, beispielsweise ein Chromerz-Sand. Gerade der Chromerz-Sand weist im Vergleich zu herkömmlichem Quarzsand bessere Wärmabführeigenschaften auf, was das Erstarren des Gussbauteils im Hinblick auf die resultierenden Materialeigenschaften weiterhin positiv beeinflusst. Neben dem Material für die Kerne weist auch das Material der Stützstruktur zur Anordnung der Kerne innerhalb der Gießform eine hohe Wärmeentzugsgeschwindigkeit auf. Dementsprechend kann auch die Stützstruktur aus Chromerz-Sand gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Stützstruktur zumindest teilweise auch ein Metall umfassen, so dass die Erstarrung zusätzlich positiv beeinflusst ist.
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Vorzugsweise ist das Gießverfahren ein Maskenformgießverfahren. Hierbei wird die Gießform in insbesondere zwei Teilen bereitgestellt, wobei ein Anordnen der Kerne in der Gießform erfolgt, bevor die beiden Teile der Gießform miteinander beispielsweise durch Kleben verbunden werden. Die Anordnung der Kerne im Inneren der Gießform erfolgt vorzugsweise mittels Stützstellen bzw. Stützstrukturen, so dass gerade bei einer Mehrzahl von Kernen diese auch untereinander über entsprechende Stege miteinander verbunden sind. Die Anzahl der miteinander über Stege verbundenen Kerne ist dabei variabel. Die mit den Kernen ausgestattete und zusammengeklebte Gießform wird zum Einfüllen des Gießmaterials stehend in einem Gießkübel angeordnet und von unten befüllt. Eine entsprechende Fixierung der Gießform im Gießkübel erfolgt mittels Stahlkugeln, die hierbei auch eine Wärmeabfuhrfunktion übernehmen. Besonders bevorzugt ist, wenn das Angießen im Fall einer zu gießenden Kurbelwelle von der Getriebeseite bzw. dem Getriebeende her erfolgt.
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Wird nun das Gießmaterial in die Gießform eingefüllt, dann ist bei einem nachfolgenden Erstarrungsprozess eine Abkühlrate im unteren Belastungsbereich der Gießform am höchsten. In Längsrichtung nach oben steigend nimmt die Abkühlrate beispielsweise kontinuierlich ab. Bei einer Verwendung einer Kurbelwelle in einer Brennkraftmaschine tritt die größte Belastung am Getriebeende der Kurbelwelle auf, wie bereits erläutert. Die geringste Belastung tritt am entgegengesetzten axialen Ende der Kurbelwelle auf. Da die Kerne bezogen auf eine Kurbelwelle vorzugsweise im Belastungsbereich der Hauptlager oder Hublager angeordnet sind, ergibt sich in diesen Belastungsbereichen nun aufgrund der unterschiedlichen Relativvolumina der Kerne eine im Vergleich zu einer herkömmlichen Kurbelwelle optimale Materialdicke. Ein Entfernen der Kerne aus dem fertigen Gussbauteil erfolgt auf die übliche und bekannte Weise, so dass diese hier nicht näher erläutert wird.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. In den Zeichnungen zeigen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kurbelwelle,
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2 einen Schnitt durch einen Abschnitt einer Kurbelwelle ohne Hohlraum,
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3 einen Schnitt durch einen Abschnitt einer Kurbelwelle mit markiertem berücksichtigtem Belastungsbereich,
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4 einen Schnitt durch einen Abschnitt einer Kurbelwelle mit markiertem berücksichtigtem Belastungsbereich und Hohlraum,
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5 eine Hälfte einer Maskengießform,
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6 einen schematischen Verfahrensablauf eines erfindungsgemäßen Gießverfahrens.
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Die vorliegende Erfindung wird detailliert anhand einer Kurbelwelle als komplexes Gussbauteil beschrieben, wobei auch andere komplexe Gussbauteile einer Brennkraftmaschine, wie eine Nockenwelle, mit dem gleichen Herstellungsverfahren erzeugt werden können. Als komplexes Gussbauteil einer Brennkraftmaschine wird neben einer gegossenen Kurbelwelle oder Nockenwelle auch ein anderer gegossener Bestandteile der Brennkraftmaschine verstanden, der im Vergleich zu einer einfachen Welle oder einer einfachen glatten Fläche eine Außenstruktur aufweist, die über Vorsprünge und Aussparungen verfügt.
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1 zeigt eine Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßes komplexes Gussbauteil in Form einer Kurbelwelle 1. Die Kurbelwelle 1 weist eine Längsachse 3 auf und verfügt über vier Hublagern 10, 12, 14 und 16 sowie fünf Hauptlager 20, 22, 24, 26 und 28. Für jedes der vier Hublager 10, 12, 14 und 16 und für vier der fünf Hauptlager 20, 22, 24 und 26 ist zudem eine jeweilige Achse 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 eingezeichnet, die quer zur Längsachse 3 der Kurbelwelle 1 verläuft. So weist beispielsweise das erste Hublager 10 die Achse 50 auf und das vierte Hublager 28 die Achse 62. Das fünfte Hauptlager 28 stellt die Getriebeseite bzw. das Getriebeende sowie ein erstes axiales Ende der Kurbelwelle 1 dar. Dementsprechend stellt das erste Hauptlager 20 das zweite axiale Ende dar.
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Die Kurbelwelle 1 umfasst weiterhin acht Belastungsbereiche, von denen nur sieben Belastungsbereiche 70, 72, 74, 76, 78, 80 und 82 markiert bzw. eingezeichnet sind. Im vorliegenden Fall umfassen die acht Belastungsbereiche 70, 72, 74, 76, 78, 80 und 82 jeweils ein Lager, wobei der achte Belastungsbereich für das fünfte Hauptlager 28 nicht eingezeichnet ist. Beispielsweise umfasst der erste Belastungsbereich 70 das vierte Hublager 16 und der siebte Belastungsbereich 82 das erste Hublager 10.
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Im Inneren der Kurbelwelle 1 sind acht Hohlräume 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 und 44 im Belastungsbereich der jeweiligen Haupt- 20, 22, 24, 26 und 28 und Hublager 10, 12, 14 und 16 vorgesehen. Durch eine Stützstruktur in der Realität eventuell vorhandene Kanäle, die zwei oder mehrere Hohlräume 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 und 44 untereinander verbinden oder eine Öffnung zur Oberfläche der Kurbelwelle 1 darstellen, wurden aus Gründen der besseren Verständlichkeit nicht dargestellt. Für ein Volumen der Hohlräume gilt, dass dieses abhängig von der Belastung im jeweiligen Belastungsbereich bei der Verwendung der Kurbelwelle 1 in einer Brennkraftmaschine ausgewählt wird. Hierzu wird nun zur besseren Verständlichkeit zunächst auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eingegangen.
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Die Kurbelwelle als komplexes Gussbauteil wird mittels eines vorzugsweise stehenden Maskenformgießverfahrens hergestellt, dessen Verfahrensablauf in 6 schematisch dargestellt ist. Zunächst wird eine Gießform in Schritt A bereitgestellt. Ein Beispiel einer Maskenhälfte 100 für eine Kurbelwelle 1 ist in 5 gezeigt.
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Der Anguss während des späteren Gießprozesses erfolgt beim beispielhaften stehenden Maskenformgießverfahren von unten. Bezug nehmend auf 5 erfolgt die Befüllung mit Gießmaterial, vorzugsweise Gusseisen, im Gegensatz zu herkömmlichen Maskenformgießverfahren von der Getriebeseite her. Während der sich daran anschließenden Materialerstarrung übernimmt ein Speiser die Aufgabe, Materialschwindungen auszugleichen. Analog zu der Kurbelwelle 1 wurden auch in der Maskengießform 100 die vier Hublagerbereiche 110, 112, 114 und 116 sowie die fünf Hauptlagerbereiche 120, 122, 124, 126 und 128 gekennzeichnet. Ebenso sind sieben der acht Achsen 150, 152, 154, 156, 158, 160, 162 der jeweiligen sich ergebenden Lager eingezeichnet.
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Im herkömmlichen Gießprozess würden die zwei Hälften der Maskengießform nun zusammengesetzt und es würde eine Befüllung mit Gießmaterial stattfinden, ohne das Kerne zur Ausbildung von Hohlräumen darin vorgesehen sind. Für die Belastungen würde sich die eingangs erläuterte Verteilung ergeben, dass am Getriebeende die größte Belastung bei Verwendung in einer Brennkraftmaschine vorliegt und am entgegengesetzten axialen Ende die geringste Belastung. An beispielhaften zwei Messpunkten 170 und 172 wäre die sich ergebende Materialspannung dann so, dass die Materialspannung im zweiten Messpunkt 172 geringer wäre als im ersten Messpunkt 170.
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Daher wird in Schritt B mindestens ein Kern bereitgestellt. Vorzugsweise werden jedoch zwei Kerne und besonders bevorzugt eine Mehrzahl von Kernen bereitgestellt, beispielsweise acht Kerne. Die Gestaltung der Kerne, also ihre Form und ihr Volumen, hängen von dem Belastungsbereich ab, in dem sie in der Gießform bzw. dem Gussbauteil angeordnet werden sollen. Hierzu wird auf die 2 bis 4 zur besseren Verständlichkeit eingegangen.
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2 zeigt dabei einen Abschnitt einer herkömmlichen Kurbelwelle, der beispielsweise ein Hublager 90 umfasst. In 3 ist dieses Hublager 90 mit einem markierten Belastungsbereich 92 versehen, von dem das Volumen des Kerns für den Gießprozess und damit des späteren Hohlraums abhängt. Übertragen auf die erfindungsgemäße Kurbelwelle 1 symbolisiert der Belastungsbereich 92 die acht Belastungsbereiche 70, 72, 74, 76, 78, 80 und 82. Für den beispielhaften Belastungsbereich 92 ist die Belastung während einer Verwendung in einer Brennkraftmaschine bekannt, beispielsweise durch Simulation, Versuche, oder ähnliches. Aufgrund der bekannten Belastung bzw. Maximalbelastung werden nun ein Volumen eines Kerns, und damit ein Volumen des späteren Hohlraums 96 im erfindungsgemäßen Abschnitt 94, siehe 4, so gewählt, dass die anschließend resultierende Wanddicke einer für die jeweilige Maximalbelastung optimalen Wanddicke entspricht. Das Verhältnis des Volumens des resultierenden Hohlraums 96 bezogen auf den Belastungsbereich 92 wird nachfolgend als Relativvolumen bezeichnet. Dies gilt analog für die acht Hohlräume 32, 34, 36, 38, 40, 42 und 44 bezogen auf die acht Belastungsbereiche 70, 72, 74, 76, 78, 80 und 82. In Abhängigkeit von den Belastungen liegt das Relativvolumen bevorzugt zwischen 25 und 75%. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann neben der Belastung auch eine während eines Erstarrungsprozesses auftretende Abkühlrate des Bauteils in dem jeweiligen Belastungsbereich 92 bei der Auslegung des Relativvolumens des Hohlraums 96 berücksichtigt werden.
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Nun wieder Bezug nehmend auf das erfindungsgemäße Gießverfahren wird als erster Kern der Kern bezeichnet, der das kleinste Volumen bezogen auf seinen Belastungsbereich aufweist, also das kleinste Relativvolumen. Als zweiter Kern wird der Kern bezeichnet, der das größte Relativvolumen aufweist. Der erste Kern weist somit ein kleineres Relativvolumen als der zweite Kern auf. Die verbleibenden sechs Kerne weisen ein Relativvolumen auf, das zwischen dem ersten und dem zweiten Relativvolumen liegt.
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Das Anordnen der acht Kerne im Inneren der Gießform erfolgt in Schritt C. Dabei werden die acht Kerne so im Inneren der Gießform angeordnet, dass sich der erste Kern in einem Belastungsbereich mit einer ersten Belastung befindet. Die erste Belastung im ersten Belastungsbereich ist hierbei größer als eine zweite Belastung in einem zweiten Belastungsbereich, in dem der zweite Kern angeordnet ist. Der erste Kern sorgt für die Ausbildung des ersten Hohlraums 30, wobei der zweite Kern den zweiten Hohlraum 44 ausbildet. Weiterhin werden die acht Kerne vorzugsweise so im Inneren der Gießform angeordnet, dass sie sich in Belastungsbereichen befinden, die einzeln oder zusammen ein, bezogen auf das gesamte Gussbauteil, großes Volumen aufweisen. Bei einem Gussbauteil gemäß Stand der Technik würden diese Belastungsbereiche auch als Belastungsbereiche mit Materialanhäufungen bezeichnet.
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Die Anordnung der acht Kerne erfolgt über Stützstellen bzw. eine Stützstruktur in der Maskengießform 100. Mittels der Stützstruktur können zwei oder mehr Kerne miteinander verbunden sein, so dass sich im späteren Gussbauteil entsprechende Verbindungskanäle zwischen den zwei oder mehr Kernen und/oder der Oberfläche des resultierenden Gussbauteils ergeben. Als Material für die acht Kerne, und vorzugsweise auch für die jeweilige Stützstruktur, wird Chromerz-Sand verwendet.
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Nachdem die acht Kerne mittels der Stützstruktur in der ersten Hälfte der Maskengießform 100 angeordnet wurden, wird die zweite Hälfte der Maskengießform mit der ersten Hälfte der Maskengießform 100 verbunden, beispielsweise mittels Kleben. Nun wird die Maskengießform in einem Gießkübel angeordnet und dort mit Stahlkugeln fixiert, wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Anschließend erfolgt in Schritt D das Einfüllen des Gießmaterials, vorzugsweise Gusseisen, von unten.
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Nach dem vollständigen Erstarren des Materials in der Gießform wird das fertige Gussbauteil in Schritt E der Gießform entnommen. Die vorhandenen acht Kerne sowie die Stützstruktur können auf die im Stand der Technik bekannte Weise entfernt werden. Daher wird darauf nicht näher eingegangen.
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Es ist in 1 deutlich erkennbar, dass das Volumen der Hohlräume 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 und 44 bezogen auf den jeweiligen Belastungsbereich 70, 72, 74, 76, 78, 80 und 82 angefangen von der Getriebeseite entlang der Längsachse 3 der Kurbelwelle 1 zunimmt. Als Konsequenz daraus nimmt die relative Materialdicke bzw. Wanddicke mit zunehmender Füllrichtung in den jeweiligen Belastungsbereichen 70, 72, 74, 76, 78, 80 und 82 mit Materialanhäufungen ab, also an den Stellen, an denen die Kerne angeordnet sind. Die Kerne sind insbesondere im Bereich der Hauptlager 20, 22, 24, 26 und 28 und/oder Hublager 10, 12, 14 und 16 angeordnet, da dort bei einer gegossenen Kurbelwelle 1 üblicherweise die geringsten Abkühlraten aufgrund von Materialanhäufungen vorkommen.
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Die auf diese Weise hergestellte erfindungsgemäße Kurbelwelle 1 weist im Bereich eines Hauptlagers 28 einen mittels des ersten Kerns gebildeten Hohlraum 30 auf. Weitere Hohlräume 32, 36, 40 und 44 sind in den Hublagern 10, 12, 14 und 16 gebildet. Zusätzlich sind an den Hauptlagern 22, 24 und 26, also in Bereichen mit Materialanhäufungen, entlang der Längsachse 3 der Kurbelwelle 1 die Hohlräume 34, 38 und 42 vorhanden. Auf diese Weise kann an den entsprechenden Stellen die Materialdicke der Kurbelwelle 1 im Hinblick auf die während einer Verwendung der Kurbelwelle in einer Brennkraftmaschine auftretende Belastung optimiert werden.
