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Die Erfindung betrifft ein Kurbelgehäuse aus einer Leichtmetalllegierung mit eingegossenen Zylinderlaufbuchsen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Kurbelgehäuses aus einer Leichtmetalllegierung.
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Bei den Kurbelgehäusen von Verbrennungsmotoren ist der Einsatz von Leichtmetalllegierungen allgemein bekannt und üblich. Typischerweise werden derartige Kurbelgehäuse in einem Druckgussverfahren hergestellt. Da die Zylinder in einem solchen Kurbelgehäuse einerseits hohen mechanischen und thermischen Belastung ausgesetzt sind und andererseits günstige Eigenschaften hinsichtlich der Reibung des Kolbens bzw. der Kolbenringe auf der Zylinderlauffläche mitbringen sollten, werden diese häufig in Grauguss ausgeführt und in die Kurbelgehäuse aus der Leichtmetalllegierung eingegossen. Neben reinen Graugussbuchsen werden auch sogenannte Hybridbuchsen eingesetzt, bei denen außen glatte Graugussbuchsen mit einem entsprechenden Haftvermittler versehen werden, um so die Anhaftung zwischen der Graugussbuchse und dem Material des Kurbelgehäuses zu verbessern. Alternativen können auch entsprechend raue Oberflächen sein, sodass es zu einer Verklammerung zwischen dem Material der Zylinderlaufbuchse und der Leichtmetalllegierung des Kurbelgehäuses kommt.
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Grauguss wird dabei typischerweise verwendet, um die benötigten guten tribologischen Eigenschaften zwischen der Zylinderlauffläche in der Zylinderbuchse und dem später in dem Zylinder laufenden Kolben bzw. seinen Kolbenringen zu gewährleisten. Die Buchsen aus Grauguss sind jedoch häufig nachteilig im Hinblick auf die mechanische Festigkeit, den guten und gleichmäßigen Wärmeabtransport aus dem Brennraum sowie der Haltbarkeit des Zylinders gegenüber Schlägen, also einer hohen dynamischen Querbelastung, welche bei einigen Motortypen unvermeidlich auftritt.
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Aus dem Stand der Technik, wie er beispielsweise durch die
DE 10 2012 015 405 B4 beschrieben ist, sind daher Alternativen zu Zylinderlaufbuchsen aus Grauguss bekannt. Die dort beschriebene Zylinderlaufbuchse ist ebenso wie die im in dieser Schrift eingangs genannten Stand der Technik beschriebenen Zylinderlaufbuchsen hinsichtlich ihres Aufbaus außerordentlich aufwändig und komplex, da sie sehr aufwändig in mehreren Schichten und unter Einsatz verschiedener Materialen aufgebaut werden muss. Darüber hinaus sind durch die vergleichsweise hohe Porosität derartiger Zylinderlaufbuchsen die Eigenschaften hinsichtlich der mechanischen Festigkeit häufig nicht sonderlich gut. Dies führt, ähnlich wie bei Zylinderlaufbuchsen aus Grauguss, zur Notwendigkeit einer vergleichsweise großen Wandstärke bzw. einer ausreichenden Hinterfütterung mit dem Material der Leichtmetalllegierung des Kurbelgehäuses, sodass wiederum die Wärmeabfuhr unter dem zur Verbesserung der konstruktiven Festigkeit gewählten Aufbau leidet.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Kurbelgehäuse anzugeben, welches gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist und insbesondere die oben genannten Nachteile vermeidet. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Kurbelgehäuses anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des Kurbelgehäuses durch ein Kurbelgehäuse mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens löst ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 7 die Aufgabe. Vorteilhafte Weiterbildungen des Kurbelgehäuses sowie des Verfahrens ergeben sich aus den hiervon jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kurbelgehäuse ist es vorgesehen, dass dieses ähnlich wie die Kurbelgehäuse im Stand der Technik aus einer Leichtmetalllegierung, beispielsweise einer Aluminiumlegierung, hergestellt wird. Zur Verbesserung der Festigkeit und der Eigenschaften sind dabei im Bereich der Zylinder Zylinderlaufbuchsen eingegossen. Im Prinzip könnte das Kurbelgehäuse auch für einen einzigen Zylinder ausgelegt sein, sodass in diesem Fall lediglich eine Zylinderlaufbuchse eingegossen wäre. Die Zylinderlaufbuchse bzw. typischerweise die mehreren Zylinderlaufbuchsen sind dabei aus einem von der Leichtmetalllegierung abweichenden Werkstoff hergestellt und im Bereich der Zylinderlauffläche zumindest teilweise mit einer thermisch gespritzten Beschichtung versehen. Anders als bei den Aufbauten gemäß dem Stand der Technik können bei dem erfindungsgemäßen Kurbelgehäuse Zylinderlaufbuchsen aus einem geeigneten Werkstoff eingesetzt werden, welcher die gewünschten mechanischen und thermischen Eigenschaften an den den Zylinder unmittelbar umgebenden Bereich ideal erfüllt. So kann das Material beispielsweise einen hohen E-Modul haben, ein den Umguss aus der Leichtmetalllegierung nahekommenden Temperaturausdehnungskoeffizienten und eine sehr gute Wärmeleitung.
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Ein solches Material kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Idee ein Eisenwerkstoff oder besonders bevorzugt ein Stahlwerkstoff sein. Ein solcher Stahlwerkstoff erlaubt es mit minimalem Materialeinsatz sehr gute mechanische Eigenschaften der Zylinderlaufbuchse realisieren. Hierdurch entsteht ein sehr einfacher Aufbau des Kurbelgehäuses, welcher eine Konstruktion ermöglicht, bei welcher über entsprechend dünne Wandstärken und die guten Wärmeleiteigenschaften des Stahlmaterials eine sehr gute Wärmeabfuhr aus dem Zylinder sichergestellt ist. Durch die hohe erzielbare Festigkeit, ohne die Notwendigkeit einer Unterstützung durch große Wandstärken an gegossener Leichtmetalllegierung, kann so außerdem ein einfacher konstruktiver Aufbau und damit ein entsprechend leichtes und für den Einsatz in einem späteren Motor sehr energieeffizientes Kurbelgehäuse realisiert werden. Das Kurbelgehäuse kann dabei insbesondere in der sogenannten „open deck”-Bauweise realisiert sein. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung, da es in Stahlformen einfach entformt werden kann und damit hilft, den Herstellungsprozess hinsichtlich der Kosten zu optimieren.
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Wie auch im Stand der Technik üblich, kann die Zylinderlaufbuchse auf ihrer Außenseite mit einer mechanisch aufgerauten Struktur zur Erhöhung der Anhaftung an der Leichtmetalllegierung und/oder einer haftvermittelnden Schicht versehen sein. Die haftvermittelnde Schicht kann insbesondere unter Verwendung wenigstens eines Bestandteils der Legierung aufgebracht sein, also beispielsweise Aluminium aufweisen. Hierdurch wird eine sehr gute Anhaftung der Zylinderlaufbuchsen in dem Kurbelgehäuse aus der Leichtmetalllegierung erzielt.
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Die gesamten Aufbauten haben nun den vermeintlichen Nachteil, dass die Zylinderlaufbuchsen aus Materialien mit hohem E-Modul; guter Wärmeleitfähigkeit und einem der Leichtmetalllegierung möglichst nahekommenden Temperaturausdehnungskoeffizienten typischerweise schlechte tribologische Eigenschaften aufweisen. Bei dem erfindungsgemäßen Kurbelgehäuse spielt dies keine Rolle. Das Material für die Zylinderlaufbuchse kann ausschließlich aus den bisher beschriebenen mechanischen Überlegungen heraus ausgewählt werden. Die tribologischen Eigenschaften der Zylinderlaufbuchse werden bei dem erfindungsgemäßen Kurbelgehäuse nämlich durch eine thermisch gespritzte Beschichtung erzielt, welche die Zylinderlauffläche der Zylinderlaufbuchse zumindest teilweise bedeckt. Im Gegensatz zu dem im Stand der Technik beschriebenen Aufbau der gesamten Zylinderlaufbuchse durch thermisches Spritzen hat dieser Aufbau den Vorteil, dass beispielsweise ein geeignetes Stahlrohr eingesetzt werden kann, welches vor oder nach dem Umgießen mit der Leichtmetalllegierung zu dem Kurbelgehäuse durch thermisches Spritzen entsprechend beschichtet wird. Das Handling einer solchen Zylinderlaufbuchse ist dabei weitaus einfacher und ihre Herstellung weitaus günstiger und schneller als der im Stand der Technik beschriebene Aufbau aus mehreren über einen später entfernten Dorn gespritzten Einzelschichten. Darüber hinaus lässt sich mit einer beispielsweise aus einem gezogenen Stahlrohr gefertigten Zylinderlaufbuchse eine weitaus höhere Festigkeit, bei deutlich geringeren Material- und Herstellungskosten, realisieren.
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Die thermisch gespritzte Beschichtung der Zylinderlauffläche der Zylinderlaufbuchse kann dabei insbesondere mittels Lichtbogendrahtspritzen, dem sogenannten LDS, aufgebracht sein. Dieses Verfahren ist, insbesondere in Kombination mit einer entsprechenden Aufrauhung vor der Beschichtung, beispielsweise durch mechanische Aufrauhverfahren, Hochdruckwasserstrahlen, Strahlen mit abrasiven Partikeln oder ähnlichem, sehr leicht zu beherrschen und ermöglicht sehr gut anhaftende thermisch gespritzte Beschichtungen mit hervorragenden tribologischen Eigenschaften. Insbesondere die Kombination der thermisch gespritzten Beschichtung auf einer Zylinderlaufbuchse, welche beispielsweise aus einem Eisenwerkstoff oder insbesondere einem Stahlwerkstoff hergestellt ist, ermöglicht aufgrund der Ähnlichkeit der Materialien eine noch besser Anhaftung, als bei thermisch gespritzte Beschichtungen zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften, welche auf Leichtmetalllegierungen aufgetragen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses aus einer Leichtmetalllegierung sieht es vor, dass mindestens eine Zylinderlaufbuchse in das Kurbelgehäuse eingegossen wird. Erfindungsgemäß wird die wenigstens eine Zylinderlaufbuchse vor oder nach dem Guss im Bereich der Zylinderlauffläche durch thermisches Spritzen beschichtet, und zwar insbesondere mit einer die tribologischen Eigenschaften verbessernden Beschichtung. Dieses nachträgliche Beschichten der Zylinderlaufbuchsen nach ihrer Herstellung, welches sowohl vor als auch nach dem Umgießen mit einer Leichtmetalllegierung erfolgen kann, ist dabei außerordentlich einfach und effizient. An das Material müssen keine tribologischen Anforderungen gestellt werden. Damit ist es möglich, als Grundmaterial für die Zylinderlaufbuchse ein kostengünstiges Material einzusetzen, welches die erforderlichen mechanischen Festigkeiten problemlos erfüllen kann. Dies führt letztlich zu kostengünstigeren Kurbelgehäusen mit sehr guten tribologischen Eigenschaften, sodass kostengünstige und verbrauchsarme Motoren realisiert werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es dabei vor, dass die thermisch gespritzte Beschichtung nach dem Guss des Kurbelgehäuses aufgebracht wird. Ein solches Aufbringen der thermisch gespritzten Beschichtung nach dem Gießen des Kurbelgehäuses, also nach dem Umgießen der Zylinderlaufbuchsen mit der Leichtmetalllegierung, ermöglicht eine sehr sichere Herstellung des Kurbelgehäuses, bei dem keine thermische Beeinträchtigung der thermisch gespritzten Beschichtung, beispielsweise eine durch die thermische Belastung beim Gießen verursachte Beeinträchtigung ihrer Anhaftung, zu befürchten ist.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die thermisch gespritzte Beschichtung mittels Lichtbogendrahtspritzen, dem sogenannten LDS, aufgetragen werden. Die entsprechenden Vorteile sind oben bereits erläutert worden.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es ferner vor, dass vor dem thermischen Spritzen der Beschichtung ein Aufrauen, insbesondere ein mechanisches Aufrauen der zu beschichtenden Oberfläche der Zylinderlauffläche erfolgt, um so die Haftungseigenschaften der thermisch gespritzten Beschichtung noch weiter zu verbessern.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kurbelgehäuses sowie seines Herstellungsverfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher dargestellt ist.
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In der einzigen beigefügten Figur ist ein schematisierter Ausschnitt aus einem Teil eines Kurbelgehäuses gemäß der Erfindung gezeigt.
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In der Darstellung der Figur ist ein Ausschnitt aus einem in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Kurbelgehäuse 1 gezeigt. Der Ausschnitt zeigt auf der linken Seite das Innere eines Zylinders 2 mit der Zylinderlaufbahn 3, auf welcher sich im späteren Betrieb einer das Kurbelgehäuse 1 aufweisenden Arbeitsmaschine ein Kolben bzw. dessen Kolbenringe gleitend in Richtung des Pfeils A auf und ab bewegen. Die Zylinderlauffläche 3 selbst ist, wie es durch den schematischen Schnitt zur erkennen ist, mit einer Beschichtung 4 versehen. Diese Beschichtung 4 ist beispielweise durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Lichtbogendrahtspritzen, aufgetragen und verbessert die tribologischen Eigenschaften im Bereich der Zylinderlauffläche 3. Der Zylinder 2 des Kurbelgehäuses 1 wird primär durch eine diese Beschichtung 4 tragende Zylinderlaufbuchse 5 gebildet, von welcher im Schnitt ebenfalls ein Teil zu erkennen ist. Diese Zylinderlaufbuchse 5 soll insbesondere aus einem Stahlwerkstoff hergestellt, beispielsweise als Stahlrohr ausgeführt, sein. Dieses Stahlrohr wird idealerweise vor dem Herstellen des Kurbelgehäuses 1 mit einer haftvermittelnden Schicht 6 an seiner Außenseite versehen. Diese Schicht 6 kann beispielsweise Aluminium aufweisen, um so eine verbesserte Anhaftung der mit der Schicht 6 versehenen Zylinderlaufbuchse 5 an dem Material des Kurbelgehäuses 1 zu erreichen. Die so vorbereitete Zylinderlaufbuchse 5 wird dann von einer Leichtmetalllegierung, beispielsweise einer Aluminiumlegierung 7, umgossen, welche das eigentliche Kurbelgehäuse 1 ausbildet. Diese Aluminiumlegierung 7 wird durch die Beschichtung 6 eine gute Anhaftung an der Zylinderlaufbuchse 5 erfahren, sodass insgesamt ein mechanisch fester Verbund entsteht. Ergänzend oder alternativ zu der haftvermittelnden Beschichtung 6 sind auch Möglichkeiten zur mechanischen Verklammerung, beispielsweise eine bewusst rau gestaltete äußerer Oberfläche der Zylinderlaufbuchse 5 oder an dieser angeformte Verklammerungselemente, wie Rippen oder ähnliches, denkbar.
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Die vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff hergestellte Zylinderlaufbuchse 5 weist nun bei kostengünstiger Herstellung sehr gute mechanische Eigenschaften, insbesondere ein sehr hohes E-Modul, auf, insbesondere im Vergleich zu bei herkömmlichen Aufbauten eingesetzten Zylinderlaufbuchsen aus Grauguss. Die Zylinderlaufbuchse 5 erlaubt somit die Realisierung des Kurbelgehäuses 1 mit entsprechend geringen Wandstärken sowohl der Zylinderlaufbuchse 5 als auch des sie umgebenden Aluminiummaterials 7 des Kurbelgehäuses 1. Neben sehr guten mechanischen Festigkeiten ist so auch ein guter Abtransport der Wärme und ein entsprechend geringer Materialeinsatz, und somit ein leichtes Kurbelgehäuse 1, realisierbar.
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Die benötigten guten tribologischen Eigenschaften, um minimale Reibungsverluste im Bereich des Motors zu realisieren, ergeben sich bei dem hier beschriebenen Aufbau durch die thermisch gespritzte Beschichtung 4, welche vorzugsweise nach dem Guss des Kurbelgehäuses 1 und dem dabei erfolgenden Umgießen der Zylinderlaufbuchsen 5 mit der Leichtmetalllegierung 7 ausgeführt werden kann. Die zu beschichtende Oberfläche der Zylinderlaufbuchse 5 wird dabei vorbereitet, beispielsweise mechanisch aufgeraut, was insbesondere durch Hochdruckwasserstrahlen, dem Strahlen mit abrasiven Partikeln und/oder einer spanabhebenden mechanischen Bearbeitung erfolgen kann. Auf diese so vorbereitete bzw. aufgeraute Oberfläche wird dann die thermisch gespritzte Beschichtung 4 vorzugsweise durch Lichtbogendrahtspritzen mit einem sogenannten Innenbrenner aufgetragen, um so die Zylinderlauffläche 3 des Zylinders 2 auszubilden und trotz des Einsatzes einer hochfesten Zylinderlaufbuchse 5, beispielsweise aus Stahl, was schlechte tribologische Eigenschaften zur Folge hätte, sehr gute tribologische Eigenschaften zu gewährleisten. Hierdurch ist ein einfacher, kostengünstiger, leichter und durch die minimierte Reibung zwischen der Zylinderlauffläche 3 und einem im Zylinder 2 laufenden Kolben bzw. dessen Kolbenringe verbrauchsarmer Motor möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012015405 B4 [0004]
