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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Gehäuseteil für ein Antriebsstrangelement eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein erstes Bauteil aus einem ersten metallischen Material mit einem ersten, kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten und ein das erste Bauteil wenigstens bereichsweise umgebendes, mit ihm durch Fügen verbundenes, zweites Bauteil aus einem zweiten metallischen Material mit einem zweiten, größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei ein Ölleitkanal die Fügefläche zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil durchsetzt.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Herstellen eines Gehäuseteils für ein Antriebsstrangelement eines Kraftfahrzeugs, umfassend die Schritte:
- a) Bereitstellen eines ersten Bauteils aus einem ersten metallischen Material mit einem ersten, kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten in einer Gussform, deren Wandung wenigstens bereichsweise von dem ersten Bauteil beabstandet ist,
- b) Einfüllen einer flüssigen, zweiten metallischen Materials mit einem zweiten, größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten in die Gussform zur Ausbildung eines zweiten Bauteils und zu dessen Fügen mit dem ersten Bauteil durch wenigstens bereichsweises Umgießen,
- c) Einbringen einer die Fügefläche zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil durchsetzenden Bohrung.
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Stand der Technik
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Aus Gründen der Gewichts- und damit der Kraftstoffeinsparung besteht bei modernen Kraftfahrzeugen seit Langem ein Trend zum Leichtbau. Dabei werden Komponenten, die keinen extremen Beanspruchungen ausgesetzt sind, aus leichten Materialien, insbesondere aus Aluminium, gefertigt. Bei stark belasteten Bauteilen ist dies aus Stabilitäts- bzw. Haltbarkeitsgründen jedoch nicht möglich. Insbesondere Elemente des Antriebsstrangs von Kraftfahrzeugen weisen sowohl stark beanspruchte Bereiche, beispielsweise Halter für die Lager von Wellen, sowie weniger beanspruchte Bereiche, beispielsweise die Wandungen von solche Lagerhalter umgebenden Gehäusen, auf. Es hat sich daher eine Komposit-Bauweise durchgesetzt, bei der die stark beanspruchten Bereiche aus schwerem, widerstandsfähigem Material, insbesondere aus Gusseisen, gefertigt sind, während die weniger stark belasteten Bereiche aus Aluminium gefertigt sind. Um insgesamt ein stabiles Antriebsstrangelement zu realisieren, müssen die unterschiedlichen Bereiche dauerhaft miteinander gefügt werden. Hier hat sich insbesondere die Technik des Umgießens etabliert. Hierzu wird ein erstes Bauteil, welches im letztendlich resultierenden Antriebsstrangelement einen stark belasteten Bereich repräsentiert, beispielsweise ein Lagerhalter, in eine Gussform eingesetzt, die alsdann mit einer flüssigen Aluminiumlegierung gefüllt wird, wobei sich ein zweites Bauteil, welches im letztendlich resultierenden Antriebsstrangelement einen weniger stark belasteten Bereich repräsentiert, insbesondere ein Gehäusewandung, in innigem Kontakt zu dem genannten ersten Bauteil ausbildet. Ein solches Umgießen stellt eine typische Variante des sogenannten Fügens durch Umformen dar.
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In vielen Fällen, beispielsweise, wenn es sich bei dem ersten Bauteil um einen Lagerhalter handelt, ist es erforderlich, einen z.B. zur eigentlichen Lagerstelle führenden Ölleitkanal in besagtem Halter vorzusehen. Ein solcher Ölleitkanal muss regelmäßig auch die Gehäusewandung, d.h. das zweite Bauteil, durchsetzen, um mit einer externen Ölquelle verbunden werden zu können. Entsprechende Komposit-Antriebsstrangelemente weisen daher regelmäßig Ölleitkanäle auf, welche die Fügefläche zwischen den beiden Bauteilen durchsetzen. Die technische Realisierung erfolgt üblicherweise durch das Einbringen einer Bohrung in besagte Fügefläche.
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Problematisch ist die Gewährleistung einer hinreichenden Dichtigkeit des Ölleitkanals im fertigen Antriebsstrangelement, insbesondere im Bereich der Fügefläche. Gusseisen und Aluminium weisen nämlich deutlich unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Speziell ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium deutlich größer als derjenige von Gusseisen. Dies führt beispielsweise im Fall eines Getriebe- oder Kurbelgehäuses dazu, dass sich die Gehäusewandung bei Betrieb stärker ausdehnt als die innenliegenden Lagerträger, sodass an der Fügefläche ein Spalt entsteht, in welchen Öl aus dem die Fügefläche durchsetzenden Ölleitkanal lecken kann.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Gehäuseteil für ein Antriebsstrangelement eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung zu stellen, welches eine verbesserte Abdichtung der die Fügefläche durchsetzenden Ölleitkanäle gewährleistet. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für ein solches Gehäuseteil anzugeben.
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Darlegung der Erfindung
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Die oben erstgenannte Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Oberfläche des zweiten Bauteils einen Zapfen aufweist, der formschlüssig in eine korrespondierende Ausnehmung in der Oberfläche des ersten Bauteils ragt, wobei der Ölleitkanal den Zapfen und die korrespondierende Ausnehmung koaxial durchsetzt.
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Die oben zweitgenannte Aufgabe wir in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 6 dadurch gelöst, dass die Oberfläche des ersten Bauteils eine Ausnehmung aufweist, die im eingangs genannten Verfahrensschritt b) von dem flüssigen, zweiten metallischen Material unter Ausbildung eines Zapfens des zweiten Bauteils gefüllt und die Bohrung koaxial zu dem Zapfen eingebracht wird.
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Das erste metallische Material ist bevorzugt Gusseisen; das zweite metallische Material ist bevorzugt eine Aluminiumlegierung (nachfolgend verkürzt „Aluminium“ genannt). Die nachfolgende Beschreibung geht zur leichteren Verständlichkeit und ohne Beschränkung der Allgemeingültigkeit der Erfindung von dieser bevorzugten Materialkombination aus.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die Durchstoßungsstelle, d.h. diejenige Stelle, an der der Ölleitkanal bzw. die ihn repräsentierende Bohrung die Fügefläche durchsetzt, ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung von einem relativ kleinen, ringförmigen Bereich umgeben, in dem die Fügefläche im Wesentlichen senkrecht zum Ölleitkanal ausgerichtet ist. Dieser ringförmige Bereich ist erfindungsgemäß von einem weiteren Bereich umgeben, in dem die Fügefläche im Wesentlichen parallel zum Ölleitkanal ausgebildet ist, nämlich im Bereich der Mantelfläche des Zapfens bzw. der Innenwandung der korrespondierenden Ausnehmung. Bei einer Erhitzung der beiden Bauteile, wie sie beispielsweise beim Betrieb eines Verbrennungsmotors auftritt, dessen Kurbelgehäuse als erfindungsgemäße Kompositstruktur ausgebildet ist, dehnt sich der Aluminiumzapfen insbesondere (auch) in radialer Richtung. Diese Ausdehnung ist stärker als die Ausdehnung der ihn umgebenden, korrespondierenden Ausnehmung, da das sie ausbildende Gusseisen einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als Aluminium.
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Das Zapfenmaterial wird daher vollumfänglich gegen die Innenwandung der korrespondierenden Ausnehmung gepresst, wodurch ein eventuell bestehender Spalt geschlossen wird. Öl, welches gegebenenfalls an der Durchstoßungsstelle aus dem Ölgleitkanal austritt, kann die von der Mantelfläche des Zapfens und der Innenwandung der korrespondierenden Ausnehmung gebildete Dichtfläche nicht passieren. Der Ölleitkanal ist daher zuverlässig abgedichtet. Bei einer herkömmlich, d.h. eben ausgebildeten Fügefläche könnten hingegen Ausdehnungskomponenten senkrecht zum Ölleitkanal nicht für dessen Abdichtung genutzt werden.
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Der Fachmann mag einwenden, dass die beschriebene Selbstabdichtung nur im erhitzten Zustand gewährleistet ist. In der Tat wird sich bei Abkühlung des Kompositbauteils der Zapfen stärker zusammenziehen als die Innenwandung der ihn umgebenden, korrespondierenden Ausnehmung, sodass es im kalten Zustand zu einer geringfügigen Spaltbildung kommen mag. Im kalten Zustand ist das im Ölleitkanal geführte Öl jedoch ebenfalls kalt und daher zähflüssig, sodass es trotz des Spaltes die große Dichtfläche, die sich über den gesamten Mantelzapfen erstreckt, nicht zu passieren vermag. In dem Maße, wie sich das Öl bei Betrieb erhitzt und dünnflüssiger wird, verkleinert sich der Spalt in der oben beschriebenen Weise, sodass in jedem Temperaturzustand eine Verbesserung der Dichtigkeit gegenüber einer üblichen, d.h. ebenen Gestaltung der Fügefläche zwischen den Bauteilen erzielt wird.
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Bevorzugt weisen der Zapfen und die korrespondierende Ausnehmung einen runden Querschnitt auf. Dies führt zu einer Vergleichmäßigung des oben erläuterten Prinzips der Spaltverringerung um den gesamten Umfang des Zapfens herum. Zudem sind runde Ausnehmungen im ersten Bauteil, die gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren die Formvorgabe für den Zapfen bilden, besonders leicht, nämlich beispielsweise durch eine Bohrung, herstellbar. Allerdings hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Zapfen nicht vollständig zylindrisch auszubilden. Vielmehr sieht eine bevorzugte Ausführungsform vor, dass der Zapfen einen zylindrischen Fußbereich und einen konischen oder kalottenartigen Kopfbereich aufweist. Entsprechend ist die korrespondierende Ausnehmung bevorzugt öffnungsseitig zylindrisch und bodenseitig konisch oder kalottenartig ausgebildet. Durch diesen sanften Übergang zwischen einem im Wesentlichen senkrecht zum Ölleitkanal ausgerichteten Fügeflächenbereich und einem im Wesentlichen parallel zum Ölleitkanal ausgerichteten Fügeflächenbereich werden scharfe Kanten vermieden, die bei mechanischer Beanspruchung zur Rissbildung neigen können.
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Wie bereits erwähnt, ist das erste Bauteil bevorzugt ein Lagerhalter für eine Welle und das zweite Bauteil ein Teil einer Gehäusewandung. Beispielsweise kann es sich bei der Welle um eine Kurbelwelle und bei dem Gehäuse um ein Kurbelgehäuse einer Verbrennungskraftmaschine handeln. Denkbar sind jedoch auch Ausführungsformen, bei denen es sich bei der Welle um eine Getriebewelle und bei dem Gehäuse um ein Getriebegehäuse handelt. Da jedoch gerade Verbrennungskraftmaschinen besonders hohe Temperaturunterschiede zwischen ihrem Betriebszustand und ihrem Nicht-Betriebszustand erfahren, stellt sich die erläuterte Wirkung der Erfindung in besonderem Maße bei als erfindungsgemäße Kompositelemente ausgebildeten Kurbelgehäusen ein.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1: eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gehäuseteils in Form des Unterteils eines Kurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine sowie
- 2: eine Detaildarstellung gemäß Vergrößerungsrahmen II in 1.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt in einer perspektivischen, teilweise geschnittenen Darstellung ein erfindungsgemäßes Gehäuseteil 10 in einer besonders bevorzugten Ausführungsform, nämlich das Unterteil eines mehrteilig ausgebildeten Kurbelgehäuses einer im Übrigen nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine. Die erfindungsrelevanten Komponenten sind die im Inneren angeordneten Lagerhalter 12, die in den Ansprüchen auch als „erstes Bauteil“ angesprochen werden, sowie die Gehäusewandung 14, die in den Ansprüchen auch als „zweites Bauteil“ angesprochen wird. Die Lagerträger 12 sind aus Gusseisen gefertigt und dienen der Aufnahme von nicht näher dargestellten Lagerschalen, die der Lagerung der nicht dargestellten Kurbelwelle dienen. Die Materialwahl Gusseisen hat sich im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegen wirkende Kräfte und insbesondere die Verzugsfestigkeit bei den bei Betrieb auftretenden Temperaturänderungen aufgrund des geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gusseisen bewährt. Die Gehäusewandung 14 ist hingegen aus Leichtbaugründen aus einer Aluminiumlegierung gefertigt.
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Die Lagerträger 12 sind jeweils mit einem Ölleitkanal 121 versehen, der insbesondere im Bereich der Lagerschalenaufnahme 122 mündet, um ein im fertigen Kurbelgehäuse dort vorgesehenes Lager mit Schmier- und Kühlöl zu versorgen. Die einzelnen Ölleitkanäle 121 der Lagerträger 12 sind über einen gemeinsamen Hauptkanal 141 verbunden, der sich in der Gehäusewandung 14 erstreckt. Die Ölleitkanäle durchstoßen daher die Fügefläche 16 zwischen den Lagerhaltern 12 und der Gehäusewandung 14, wie dies insbesondere in der Detailzeichnung von 2 erkennbar ist, die den Vergrößerungsrahmen II in 1 vergrößert darstellt.
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Im Durchstoßungsbereich des Ölleitkanals 121 durch die Fügefläche 16 zwischen dem Lagerhalter 12 und der Gehäusewandung 14, weist die Gehäusewandung 14 einen Zapfen 18 auf, der sich in eine korrespondierende Ausnehmung 20 des Lagerhalters 12 schmiegt. Der Zapfen 12 hat einen zylindrischen Fußbereich 181 und einen kegelartigen Kopfbereich 182. Entsprechend weist die Ausnehmung 20 öffnungsseitig einen zylindrischen Bereich 201 und einen kegelartigen Boden 202 auf. Bei Erhitzung des Gehäuseteils 10 dehnt sich der Aluminiumzapfen 18 in radialer Richtung stärker aus als die korrespondierende (Gusseisen- )Ausnehmung 20, sodass der Dichtspalt zwischen den zylindrischen Bereichen 181, 201 geschlossen wird und Öl, welches ggf. an der Durchstoßungsstelle austritt, an einer weiteren Leckage gehindert wird.
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Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Gehäuseteils 10 werden die Lagerhalter 12 in ihrer gewünschten Relativposition in eine Gussform für die Gehäusewandung 14 eingesetzt. Die Gehäusewandung 14 wird alsdann durch Einfüllen einer Aluminiumlegierung in die Gussform hergestellt und zugleich mit den Lagerhaltern 12 gefügt. Der Zapfen 18 bildet sich dabei durch das Eindringen und Erstarren in die bzw. in der korrespondierenden Ausnehmung 20 aus.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere wird der Fachmann erkennen, dass die Wahl der verwendeten Materialien nicht auf die beispielhaft und als bevorzugt genannten Materialien Gusseisen und Aluminium beschränkt ist. Vielmehr sind jegliche Metallkombinationen einsetzbar, sofern das den Zapfen ausbildende Metall einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das die korrespondierende Ausnehmung bildende Metall.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gehäuseteil / Kurbelgehäuseunterteil
- 12
- Lagerhalter / erstes Bauteil
- 121
- Ölleitkanal
- 122
- Lagerschalenaufnahme
- 14
- Gehäusewandung / zweites Bauteil
- 141
- Hauptkanal
- 16
- Fügefläche
- 18
- Zapfen
- 181
- Fußbereich von 18
- 182
- Kopfbereich von 18
- 20
- korrespondierende Ausnehmung
- 201
- öffnungsseitiger Bereich von 20
- 202
- Boden von 20
