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Die Erfindung betrifft ein Zylinder-Kurbelgehäuse in Leichtbauweise, insbesondere für Brennkraftmaschinen, ausgeführt als Verbundkonstruktion mit einem Kurbelgehäuse aus einem Leichtbauwerkstoff geringerer Dichte und einem Zylinder-Gehäuse aus einem Leichtbauwerkstoff höherer Dichte.
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Eine besondere Herausforderung bei der Konstruktion moderner Brennkraftmaschinen stellt die Verringerung des Gewichts bei gleichzeitig höherer Festigkeit aufgrund der ansteigenden Verbrennungsdrücke dar. Erhebliche Gewichtsreduzierungen werden im modernen Brennkraftmaschinenbau mit Leichtbauwerkstoffen wie z.B. Aluminium bzw. Aluminium-Legierungen oder Magnesium bzw. Magnesium-Legierungen erreicht. Um die Eignung dieser Werkstoffe für die Zylinderlaufflächen bzw. für die Lagerung der Kurbelwelle geeignet zu machen, werden zum Teil Zylinderbuchsen oder Lager aus z.B. Grauguss oder anderen Materialien eingesetzt oder auch ganz spezielle Legierungen und Bearbeitungsverfahren angewendet.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Lösungsvorschlägen bekannt geworden, die sich mit solchen Verbundkonstruktionen unter Einsatz von Leichtbauwerkstoffen befassen.
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So zeigt und beschreibt z.B. die
DE 100 21 198 A1 die Verwendung von in das Zylinder-Kurbelgehäuse eingegossenen Eingussstücke für die Kurbelwellenlager, die strukturell über Verbindungsstege zu einem Trageskelett für das Zylinder-Kurbelgehäuse verbunden sind.
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Die
EP 1 368 562 B1 zeigt und beschreibt ein Zylinder-Kurbelgehäuse mit einem Triebwerksblock aus Aluminium, der in ein aus einer Magnesium-Legierung gefertigtes Gehäuse eingegossen ist. Das Gehäuse aus Magnesium-Legierung umfasst den Aufnahmeraum für die Kurbelwelle.
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Die
WO 2006/074499 A2 offenbart ein Zylinder-Kurbelgehäuse in Verbundkonstruktion, bei dem innerhalb einer Außenstruktur ein Eingussstück aus partikel-verstärktem Aluminium- oder Magnesium-Legierung bzw. aus gesintertem Leichtmetall zur Abstützung der Kurbelwelle eingegossen ist.
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In der
DE 10 2006 043 421 A1 ist ein Zylinder-Kurbelgehäuse vorgeschlagen, das aus einer separaten Zylinderlaufflächen-Wasserraumeinheit und einem separaten Kurbelwellengehäuse gebildet ist, die über eine Verschraubung miteinander verbindbar sind. Im Kurbelgehäuse ist dabei für die Verschraubung ein Verstärkungsteil vorgesehen, das in das Kurbelgehäuse eingesetzt ist und einen Teil der Lagerung für die Kurbelwelle darstellt. Dieses Verstärkungsteil soll aus Grau-, Stahl- oder Kugelgraphitguss bestehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannt gewordenen Konstruktionen ein besonders einfach aufgebautes Zylinder-Kurbelgehäuse für Brennkraftmaschinen vorzuschlagen, was bei geringem Gewicht bei konsequenter Trennung zwischen den wassergekühlten und den mit Schmierstoff zu versehenden und zu kühlenden Bereichen höchstmögliche Festigkeit bei einfacher Montage und Demontage gewährleistet.
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Die Erfindung schlägt dazu vor, Kurbelgehäuse und Zylinder-Gehäuse als separate Blöcke auszuführen, die an Anlageflächen aneinanderstoßend mittels Zugankern verschraubbar sind.
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Dabei ist es besonders zweckmäßig, das Kurbel-Gehäuse aus Magnesium oder einer Magnesium-Legierung und das Zylinder-Gehäuse aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung herzustellen. Damit kann die Schmierflüssigkeit, z.B. Schmieröl ausschließlich in Kanälen bzw. Räumen des Kurbelgehäuses aus Magnesium oder einer Magnesium-Legierung geführt sein, während die Kühlflüssigkeit, z.B. Kühlwasser ausschließlich in den Kühlkanälen, die in einem aus in Bezug auf Korrosion unkritischeren Zylinder-Gehäuse aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung angeordnet sind. Diese konsequente Materialkombination in der Lösung nach der Erfindung erlaubt eine hohe Gewichtseinsparung, was allein schon durch die Dichtheitswerte von z.B. Magnesium mit ca. 1.700 kP/m3 bzw. von Aluminium bei 2.700 kP/m3 gegenüber Stahl von 7.250 kP/m3 abzuleiten ist. Gleichzeitig wird aber durch die zweiteilige Ausgestaltung als separate Blöcke und über eine Verschraubung mittels Zugankern eine höchstmögliche Steifigkeit der Konstruktion erreicht. Die Durchgangsbohrungen für die Anbringung der Zuganker sind zweckmäßigerweise so anzuordnen, dass darüber keine oder nur eine vernachlässigbar geringe Krafteinleitung insbesondere in das Kurbelgehäuse erfolgen kann.
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Für die Verschraubung mittels Zugankern können in das Kurbelgehäuse und/oder in das Zylinder-Gehäuse Verschraubungseinlagen z.B. aus Stahl eingelegt sein. Diese Verschraubungseinlagen können eingegossen oder in entsprechende Ausnehmungen formschlüssig eingesetzt werden.
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Für die Verschraubung der Verbundkonstruktion am Kurbelgehäuse können alternativ zweckmäßigerweise für die Anbringung der Zuganker Gegenlager anordenbar sein. Zur Verspannung der Verbundkonstruktion können die Zuganker über Durchgangsbohrungen im Kurbelgehäuse und/oder Zylinder-Gehäuse geführt sein. Dabei ist es besonders zweckmäßig, dass darauf geachtet wird, die Gegenlager bzw. die Verschraubungseinlagen insbesondere im Bereich des Kurbelgehäuses so anzuordnen, dass über die Verspannung der Verbundkonstruktion mittels der Zuganker keine Krafteinleitung in den Bereich des Kurbelwellenlagers erfolgt.
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Bei einem sogenannten Boxermotor können beidseits des zentral angeordneten Kurbelgehäuses Anlageflächen für die einander gegenüberliegenden Zylinder-Gehäuse vorgesehen sein, an denen jeweils Gegenlager für die Verschraubung der Verbundkonstruktion anordenbar sind.
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Wie bereits ausgeführt ist es aufgrund der verwendeten Leichtbaumaterialien auf Aluminium- bzw. Magnesium-Basis ein besonderer Vorteil der Erfindungskonstruktion, die Kanäle für die Kühlflüssigkeit ausschließlich im Zylinder-Gehäuse führen zu können, während das Schmiermittel, z.B. Schmieröl, ausschließlich innerhalb des Kurbelgehäuses geführt wird.
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Eine besonders kompakte Konstruktion lässt sich mit der Erfindung dadurch erreichen, dass das bzw. die Gegenlager für die Verschraubung als Bauteil einer an das Kurbelgehäuse angrenzenden Komponente der Brennkraftmaschine, z.B. Ölwanne, Kurbelgehäuse-Rahmen ausführbar ist.
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Für den Fachmann versteht es sich von selbst, dass ein Zylinder-Kurbelgehäuse nach der Erfindung bei Brennkraftmaschinen in Reihen-, V-, W- oder Boxer-Anordnung anwendbar ist.
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Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfinderischen Lösung bei einem Zylinder-Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von mehreren Ausführungsalternativen sowie anhand der schematischen Darstellungen dazu in der Zeichnung. Die beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, wie nachfolgend in den Figuren der Zeichnung gezeigt, und die anhand der Zeichnung beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder auch in Alleinstellung verwendbar, ohne dass damit der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
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Es zeigt in schematischer Darstellung:
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1 ein Zylinder-Kurbelgehäuse für eine Reihenbrennkraftmaschine;
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2 ein Zylinder-Kurbelgehäuse nach der Erfindung für eine Reihenbrennkraftmaschine mit alternativer Verschraubung;
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3 ein Zylinder-Kurbelgehäuse nach der Erfindung für eine Brennkraftmaschine in V-Anordnung;
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4 ein Zylinder-Kurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine in V-Anordnung mit alternativer Befestigung und
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5 ein Zylinder-Kurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine in Boxer-Anordnung.
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In 1 ist mit 1 ein Zylinder-Gehäuse einer Brennkraftmaschine in Reihenanordnung bezeichnet. Dieses Zylinder-Gehäuse 1 ist als Block ausgeführt. Es kann aus einem Leichtbauwerkstoff hoher Dichte ausgeführt sein, z.B. aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung. Im Inneren ist dieses Zylinder-Gehäuse 1 in bekannter Weise (nicht dargestellt) mit Zylinderrohren, die die Laufflächen für die Kolben der Brennkraftmaschine aufweisen und den Kühlkanälen für die Kühlflüssigkeit, z.B. Wasser ausgeführt.
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Das Zylinder-Gehäuse 1 weist eine Anlagefläche 2 auf, an der mit einer Anlagefläche 3 das Kurbelgehäuse 4 angelegt ist. Das Kurbelgehäuse 4 kann in bekannter Weise zur Montage zweiteilig aufgebaut sein, also aus einem – in der Zeichnung – oberen Kurbelgehäuseteil 4.1 und einem unteren Kurbelgehäuseteil 4.2. Die Kurbelgehäuseteile 4.1 und 4.2 sind ebenfalls aus einem Leichtbauwerkstoff hergestellt. Im Unterschied zum Leichtbauwerkstoff des Zylinder-Gehäuses 1 ist für das Kurbelgehäuse 4 ein Leichtbauwerkstoff geringer Dichte, z.B. also Magnesium oder eine Magnesium-Legierung verwendet. Für die Lagerung der Kurbelwelle können in das Kurbelgehäuse 4 bzw. in die Kurbelgehäuseteile 4.1 bzw. 4.2 Verschraubungs- bzw. Verstärkungseinleger 5 eingebracht sein, die z.B. zweiteilig (5.1, 5.2) ausgeführt sein können. Diese Verschraubungs-/Verstärkungseinleger 5.1 bzw. 5.2 können aus einem für die Gleitlagerung der Kurbelwelle geeigneten Material, z.B. aus Stahl, Grauguss oder einem geeigneten Leichtbauwerkstoff-Material bestehen. Sie können in die Kurbelgehäuseteile 4.1 und 4.2 in entsprechende Ausnehmungen formschlüssig eingelegt oder auch eingegossen werden.
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Zur Verschraubung der beiden Blöcke aus Zylinder-Gehäuse 1 und Kurbelgehäuse 4 bzw. Kurbelgehäuseteilen 4.1 und 4.2 können im Verschraubungs-/Verstärkungsleger 5.2 Gewinde 6 bzw. 7 eingebracht sein, die mit Durchgangsbohrungen 8 bzw. 9 im Verschraubungs-/Verstärkungseinleger 5.2 bzw. im Kurbelgehäuseteil 4.1 und im Zylinder-Gehäuse 1 korrespondieren. Mittels in die Durchgangsbohrungen 8 bzw. 9 bzw. in die Gewinde 6 bzw. 7 eingesetzte Zuganker kann die Verbundkonstruktion des Zylinder-Kurbelgehäuses verschraubt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Einbringung der Gewinde 6 bzw. 7 und der Durchgangsbohrungen 8 bzw. 9 insbesondere im Bereich des Kurbelgehäuses 4 so gewählt wird, dass möglichst keinerlei Krafteinleitung in den Bereich der Kurbelwellenlagerung davon ausgeht.
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Wie bereits beschrieben, ist durch diese Konstruktion sichergestellt, dass die Führung des Kühlwassers im Zylinder-Gehäuse 1 völlig getrennt von der Führung des Schmieröls im Kurbelgehäuse 4 erfolgen kann.
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2 zeigt bei im Wesentlichen gleichem Aufbau einer Brennkraftmaschine in Reihenanordnung eine alternative Befestigung, bei der auf die zusätzliche Anordnung von Verschraubungs-/Verstärkungseinlegern im Kurbelgehäuse verzichtet ist. Das Zylinder-Gehäuse 10 ist mit seiner Anlagefläche 11 an die Anlagefläche 12 am Kurbelgehäuse 13 angelegt. Das Kurbelgehäuse 13 ist wiederum aus zwei Kurbelgehäuseteilen 13.1 und 13.2 aufgebaut. Die Materialien für Zylinder-Gehäuse 10 und Kurbelgehäuse 13 bzw. Kurbelgehäuseteile 13.1 und 13.2 entsprechen den Materialien in der Ausführung nach 1, also Aluminium bzw. Aluminium-Legierung für das Zylinder-Gehäuse 10 und Magnesium bzw. Magnesium-Legierung für das Kurbelgehäuse 13. Auf eine Verschraubungs-/Verstärkungseinlage entsprechend der Ausführung nach 1 kann bei entsprechender Materialwahl für das Kurbelgehäuse 13 bzw. die Kurbelgehäuseteile 13.1 und 13.2 sowohl für die Verschraubung als auch für die Lagerung der Kurbelwelle ggf. verzichtet werden. Für die Verschraubung der beiden Zylinder-Gehäuse 10 und Kurbelgehäuse 13 ist ein Gegenlager 14 im Wesentlichen parallel zu den Anlageflächen 11 bzw. 12 zwischen Zylinder-Gehäuse 10 und Kurbelgehäuse 13 angeordnet. Dieses Gegenlager 14 kann aus einem beliebigen Werkstoff bestehen. In Frage kommen dafür Aluminium, Stahl, Grauguss o.ä. Vorzugsweise kann dieses Gegenlager 14 z.B. ein Bauteil einer angrenzenden Komponente der Brennkraftmaschine, z.B. der Ölwanne, eines Kurbelgehäuse-Rahmens o.ä. gebildet sein. Im Gegenlager 14 können für die Verschraubung der beiden Blöcke Zylinder-Gehäuse 10 und Kurbelgehäuseteile 13.1 bzw. 13.2 Gewinde 15 bzw. 16 angeordnet sein, die mit Durchgangsbohrungen 17 bzw. 18 in den Kurbelgehäuseteilen 13.1 und 13.2 und im Zylinder-Gehäuse 10 korrespondieren. Zur Verschraubung sind in die Durchgangsbohrungen 15 und 16 bzw. 17 und 18 oder in entsprechende Gewinde Zuganker eingesetzt, mit denen eine verspannende Verschraubung der Blöcke des Zylinder-Kurbelgehäuses erreicht werden kann. Auch hier ist bei der Anordnung der Durchgangsbohrungen 15 und 16 bzw. 17 und 18 oder von Gewinden darauf zu achten, dass bei der Verspannung keinerlei Krafteinleitung in den Bereich des Kurbelwellenlagers erfolgt.
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Die 3 und 4 zeigen in schematischer Darstellung Anordnungen der Erfindung bei einer Brennkraftmaschine in V-Anordnung. Mit 20 bzw. 21 sind dabei Zylinder-Gehäuse bezeichnet. Mit 22 bzw. 23 ist das zweigeteilte Kurbelgehäuse bezeichnet. Für die Lagerung der Kurbelwelle und für die Verschraubung der Bauteile dieser Verbundkonstruktion sind in die Kurbelgehäuseteile 22 bzw. 23 wiederum Verschraubungs-/Verstärkungseinlagen 24 und 25 eingesetzt bzw. eingegossen. Die Materialwahl und die sonstige Anordnung der Ausführung nach 3 entsprechen im Übrigen dem vorstehend anhand der 1 bzw. 2 Beschriebenen.
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In die Verschraubungs-/Verstärkungseinlage 24 sind Gewinde 26 bzw. 27 angebracht, die mit Bohrungen 28 bzw. 29 in der Verschraubungs-/Verstärkungseinlage 25 korrespondieren. Über diese Gewinde 26 bzw. 27 und die korrespondierenden Bohrungen 28 bzw. 29 werden die Teile des Kurbelgehäuses 22, 23, 24 und 25 verschraubt.
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In die Verschraubungs-/Verstärkungseinlage 24 sind ferner Gewindebohrungen 30, 31, 32 und 33 eingebracht, die mit Durchgangsbohrungen 34, 35, 36 und 37 im Kurbelgehäuseteil 22 bzw. in den Zylinder-Gehäusen 21 bzw. 20 korrespondieren und über die die Verschraubung der Verbundkonstruktion mittels Zuganker erfolgen kann. Auch bei dieser Konstruktion ist bei der Anordnung der Gewinde und der Durchgangsbohrungen darauf zu achten, dass bei der Verspannung der Blöcke keine Krafteinleitung in den Bereich der Kurbelwellenlager erfolgen kann.
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4 zeigt weitgehend entsprechend dem anhand vorstehender 2 Beschriebenen eine Ausführung des Erfindungsgegenstands bei einer Brennkraftmaschine in V-Anordnung, wobei zur Verschraubung bzw. zur Verstärkung auf die Einbringung von zusätzlichen Verschraubungs-/Verstärkungseinlagen in das Kurbelgehäuse verzichtet wird. Dazu ist bei einer wiederum zweigeteilten Ausführung des Kurbelgehäuses 40 für das Anschrauben der Zylinder-Gehäuse 41 bzw. 42 an das Kurbelgehäuse 40 am den Zylinder-Gehäusen 41, 42 gegenüberliegenden Ende des Kurbelgehäuses 40 ein Gegenlager 43 (Material usw. entsprechend dem in 2 Beschriebenen) angeordnet, in dem entweder Bohrungen oder Gewinde 44, 45, 46 bzw. 47 angeordnet sind, die mit Durchgangsbohrungen 48, 49, 50 und 51 im zweigeteilten Kurbelgehäuse 40 und in den Zylinder-Gehäusen 41 und 42 korrespondieren. Die Verschraubung erfolgt über Zuganker, die entweder über das Gegenlager 43 oder – bei Gewindeanordnung im Gegenlager 43 – über die Zylinder-Gehäuse 41 bzw. 42 eingesetzt werden.
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Selbstverständlich ist auch hier wiederum darauf zu achten, dass die Anordnung von Gegenlager, Verlauf und Anordnung der Gewinde 44, 45, 46, 47 bzw. der Bohrungen und der Durchgangsbohrungen 48, 49, 50, 51 so gewählt wird, dass eine Krafteinleitung in den Bereich der Kurbelwellenlager ausgeschlossen ist.
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5 zeigt die Anordnung nach der Erfindung bei einer Brennkraftmaschine in Boxer-Ausführung. Die Materialauswahl entspricht auch bei dieser Anordnung dem vorstehend bereits Beschriebenen. Beidseits eines wiederum zweigeteilt ausgeführten Kurbelgehäuses 60 mit den Kurbelgehäuseteilen 61 und 62 sind die Zylinder-Gehäuse 63 bzw. 64 angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 5 sind als Anlageflächen für die Zylinder-Gehäuse 63 bzw. 64 am Kurbelgehäuse 60 bzw. an den Kurbelgehäuseteilen 61 bzw. 62 jeweils Gegenlager 65 und 66 angeordnet. In diesen Gegenlagern 65 bzw. 66 sind Bohrungen bzw. Gewinde angeordnet, die mit Durchgangsbohrungen 67 bzw. 68 in den Kurbelgehäuseteilen 61 bzw. 62 korrespondieren und über die mittels Zugankern eine verspannende Befestigung der Bauteile der Verbundkonstruktion erreichbar ist. Neben der übereinstimmenden Materialauswahl ist auch bei dieser Konstruktion wiederum erreichbar, dass die Führung der Kanäle 69.1, 69.2, 69.3 und 69.4 zur Wasserkühlung in den Zylinder-Gehäusen 63 und 64 völlig getrennt von der Schmiermittelführung im Kurbelgehäuse 60 erfolgen kann.
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Als besonderer Vorteil – neben den bereits vorstehend beschriebenen Vorteilen – des Gegenstands der Erfindung ist herauszustellen, dass z.B. bei der Anwendung solcher Brennkraftmaschinen in Sport- bzw. Rennfahrzeugen ein relativ einfacher Austausch der besonderem Verschleiß bzw. ggf. einer Zerstörung unterliegenden Bauteilen des bzw. im Zylinder-Gehäuse einfach und kostengünstig erfolgen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder-Gehäuse
- 2
- Anlagefläche an 1
- 3
- Anlagefläche an 4
- 4
- Kurbelgehäuse
- 4.1
- Kurbelgehäuseteil
- 4.2
- Kurbelgehäuseteil
- 5
- Verschraubungs-/Verstärkungseinlage
- 5.1, 5.2
- Verschraubungs-/Verstärkungseinlage
- 6, 7
- Gewinde
- 8, 9
- Durchgangsbohrung
- 10
- Zylinder-Gehäuse
- 11
- Anlagefläche an 10
- 12
- Anlagefläche an 13
- 13
- Kurbelgehäuse
- 13.1
- Kurbelgehäuseteil
- 13.2
- Kurbelgehäuseteil
- 14
- Gegenlager
- 15, 16, 17, 18
- Durchgangsbohrung
- 20, 21
- Zylinder-Gehäuse
- 22, 23
- Kurbelgehäuse
- 24, 25
- Verschraubungs-/Verstärkungseinlage
- 26, 27
- Gewinde
- 28, 29
- Bohrung
- 30, 31, 32, 33
- Gewindebohrung
- 34, 35, 36, 37
- Durchgangsbohrungen
- 40
- Kurbelgehäuse
- 41, 42
- Zylinder-Gehäuse
- 43
- Gegenlager
- 44, 45, 46, 47
- Gewinde/Bohrung
- 48, 49, 50, 51
- Durchgangsbohrung
- 60
- Kurbelgehäuse
- 61
- Kurbelgehäuseteil
- 62
- Kurbelgehäuseteil
- 63, 64
- Zylinder-Gehäuse
- 65, 66
- Gegenlager
- 67, 68
- Durchgangsbohrung
- 69.1, 69.2, 69.3, 69.4
- Kanäle Flüssigkeitskühlung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10021198 A1 [0004]
- EP 1368562 B1 [0005]
- WO 2006/074499 A2 [0006]
- DE 102006043421 A1 [0007]
- US 1254281 [0008]
- US 2106939 [0008]
- US 2969781 [0008]
- FR 1038396 [0008]
- FR 1423850 [0008]
- EP 1637724 A1 [0008]
- JP 2010071254 A [0008]
- DE 10032845 A1 [0008]
