DE10221673C5

DE10221673C5 - Zylinderliner zum Eingießen in ein Zylindergehäuse

Info

Publication number: DE10221673C5
Application number: DE2002121673
Authority: DE
Inventors: Joachim Doerr; Willi Schneider
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: DE10221673B4; DE10221673A1; DE10318778B4; DE10318778A1; DE10318778C5

Abstract

Zylinderliner zum Eingießen in ein Zylindergehäuse einer mehrzylindrigen, flüssigkeitsgekühlten Hubkolbenmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge, mit einem vorgegossenen Zylinderliner aus einem höherfesten Werkstoff, der zur Ausbildung des Zylindergehäuses mit die Zylinder umgebenden Wasserräumen und einer Hüllwand in ein äußeres Gehäuse eingegossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aussteifung des Zylinderliners (20) beim Eingießen in das äußere Gehäuse an zumindest einer der Stirnseiten des Zylinderliners (20) Verstärkungen (24, 26) angeformt sind, die als nach dem Eingießen zu entfernende Verstärkungen (24, 26) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderliner zum Eingießen in ein Zylindergehäuse für Hubkolbenmaschinen, insbesondere für Hubkolben-Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Ein Verfahren zum Eingießen eines Zylinderliners aus Grauguß in ein Zylindergehäuse aus einer Leichtmetall-Legierung beschreibt beispielsweise die EP 0 554 575 B1 . Der Zylinderliner weist dabei offensichtlich ringförmige Verstärkungsrippen um die jeweiligen Zylinderwände auf, die ggf. temperaturbedingten Verzügen im späteren Betrieb der Brennkraftmaschine entgegenwirken und einer besseren Verklammerung des Zylinderliners dienen sollen. Der Wassermantel um den Zylinderliner wird durch entsprechende Gießkerne gebildet, um die herum dann das äußere Zylindergehäuse gegossen wird.
Durch die DE 44 09 750 A1 ist ferner ein Zylindergehäuse bekannt, bei dem der Zylinderliner aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist und einen separaten Wassermantel aufweist. Der Zylinderliner ist bei dieser gattungsbildenden DE 44 09 750 A1 in ein Zylindergehäuse aus einer Magnesiumlegierung unmittelbar eingegossen. Insbesondere bei der Ausführung des Zylinderliners in open-deck-Konstruktion besteht hier die Gefahr von Verzügen und Verformungen im Bereich des Zylinderliners, vor allem im Bereich des Wassermantels während des Gießvorgangs.
Aus der DE 197 57 233 A1 ist ein Zylindergehäuse für Hubkolbenmaschinen bekannt, bei dem die Zylinderwände bzw. die Zylinder nach dem Gießen des gesamten Zylinderkurbelgehäuses freistehen, d. h. eine open-deck-Konstruktion ausbilden. Um diese freistehenden Zylinder bzw. Zylinderwände nach dem Gießen zu versteifen, werden nachträglich, d. h. nach dem Gießen des Zylindergehäuses, Brücken zwischen den Zylinderwänden und den diese mit einem Spaltabstand umgebenden Außenwänden des Zylindergehäuses eingesetzt. Diese Brücken werden mit dem Zylindergehäuse, d. h. mit den Außenwänden bzw. den Zylinderwänden unter Vakuum mittels Elektronenstrahlschweißen stoffschlüssig verbunden.
Aus der DE 195 40 763 C1 ist ein Zylindergehäuse für eine Hubkolbenmaschine bekannt, das im Betrieb der Brennkraftmaschine weitgehend verzugsfrei und möglichst steif sein soll. Dazu ist vorgesehen, dass das Innenteil einstückig auch die Laufbuchsen aufnimmt, wodurch zusätzliche Verbindungsstellen vermieden werden sollen. Zur Bereitstellung einer Verkrallung im Bereich einer oberen Anschlussebene weisen die Laufbuchsen eine Verzahnung in Form von eingegossenen Ausnehmungen an ihrer der Anschlussebene zugewandten Stirnfläche auf. Diese Stirnflächen werden vom Außenteilwerkstoff vollständig umgossen, so dass eine materialeinheitliche, dem Zylinderkopf zugewandte Deckfläche ausgebildet wird.
Weiter ist aus der DE 692 28 954 T2 ein Gussverfahren für einen Zylinderblock bekannt, bei dem ein Zylinderliner ohne daran angeformte Hüllwände und damit ohne daran ausgebildete Wasserräume in ein äußeres Gehäuse eingegossen wird. Dasselbe gilt auch für den Zylinderblock der DE 39 31 678 A1 .
Schließlich beschreibt die DE 198 20 976 A1 ganz allgemein lediglich die Möglichkeit einen gegossenen Zylinderblock aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung herzustellen.
Aufgabenstellung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen in ein Zylindergehäuse eingießbaren Zylinderliner vorzuschlagen, der hinsichtlich der Fertigungseigenschaften und der Prozesssicherheit beim Eingießen besonders vorteilhaft ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß Anspruch 1 sind zur Aussteifung des Zylinderliners beim Eingießen in das äußere Gehäuse an zumindest einer der Stirnseiten des Zylinderliners Verstärkungen angeformt, die als nach dem Eingießen entfernbare Verstärkungen ausgebildet sind.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen wird erreicht, dass trotz der hohen Fülldrücke und der extrem schnellen Befüllung der Gießform mit einem schmelzflüssigen Material beim Druckgießen keine Verformungen an dem einzugießenden Zylinderliner stattfinden und diese exakt und prozesssicher mit dem Zylindergehäuse gießtechnisch verbunden ist. Neben dem Verstärkungseffekt bewirken die vorgeschlagenen Maßnahmen auch eine vorteilhafte Abdichtung zur Gießform während des Eingießvorgangs.
Die Verstärkungen können insbesondere durch eine geschlossene Ausbildung der Zylinder an der dem Kurbelgehäuse der Hubkolbenmaschine zu und durch einen Rahmen an der Zylinderkopfseite an dem Zylinderliner bewirkt werden, die dann nach dem Eingießen zumindest teilweise (hinsichtlich des Rahmens) oder vollständig (Abschlusswand) entfernt werden.
Neben dem Verstärkungseffekt bewirken die vorgeschlagenen Maßnahmen auch eine vorteilhafte Abdichtung zur Gießform, um ein Eindringen von Schmelze in die Zylinderräume und in den Wassermantel zuverlässig auszuschließen.
Dazu ist es des weiteren vorteilhaft, wenn in der Abschlusswand zugleich eine Führung und/oder ein Freiraum vorgesehen wird mit der der Zylinderliner in der Gießform einfach und zuverlässig positonierbar ist; die Pinole kann dabei eine ohnehin vorhandene Ventilationspinole sein, über die Gaseinschlüsse beim Einschießen der Schmelze abgeführt werden.
Als weitere Verstärkung auf der Zylinderkopfseite des Zylinderliners wird ein umlaufender Rahmen vorgeschlagen, der sowohl fertigungstechnisch einfach angießbar ist und bei einer closed deck Konstruktion des Zylinderliners teilweise die obere Abschlusswand bilden kann. Je nach Konstruktion wird der Rahmen nach dem Gießen mehr oder weniger abgearbeitet, bei einer open deck Konstruktion ggf. sogar vollständig.
Bevorzugt dient der Rahmen zugleich zur weiteren Positionierung des Zylinderliners in der Gießform. Dabei können Passbohrungen vorgesehen sein, die mit entsprechenden Passstiften in der Gießform zusammenwirken und eine weitere exakte Justierung bilden.
Soweit erforderlich können zur weiteren Aussteifung insbesondere der den Wassermantel nach außen abgrenzenden Hüllwand Verstärkungsrippen angeformt werden, die achsparallel und/oder peripher verlaufend ausgerichtet sein können und ebenfalls einer Verformung z. B. der Hüllwand entgegenwirken.
Die vorgeschlagene Zylindergehäuse-Konstruktion ermöglicht in vorteilhafter Weise, für den Zylinderliner einen tribologisch besonders günstigen und verschleißfesten Werkstoff wie eine übereutektische Al-Si-Legierung zu verwenden, die im Squezze Casting oder im Niederdruck-Kokillenguß mit hoher Duktilität und Lunkerfreiheit herstellbar ist. Für das äußere Zylindergehäuse kann eine Aluminiumlegierung mit geringerem Si-Gehalt oder bevorzugt eine Magnesiumlegierung eingesetzt werden, deren Vorteil vor allem in der geringen Dichte liegt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher beschrieben.
Die anliegende schematische Zeichnung zeigt in
Ausführungsbeispiel
1 ein teilweise dargestelltes Zylinder-Kurbelgehäuse für eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine in einem Querschnitt durch eine Hauptlagerebene der Kurbelwellenlagerung;
2 den Zylinderliner des Zylinder-Kurbelgehäuses nach 1 im Rohguss in einer Ansicht schräg von unten;
3 einen teilweisen Längsschnitt des Zylinderliners entlang einer durch die Zylindermittelachsen vorgegebenen Längsmittelebene; und
4 einen Querschnitt durch den teilweise gezeichneten Zylinderliner nach 2, entlang einer der Zylindermittelachsen.
In der 1 ist in raumbildlicher Darstellung teilweise ein Zylinder-Kurbeigehäuse 10 für eine Vierzylinder-Reihen-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge gezeigt, das soweit nicht beschrieben bekannter Bauart sein kann und sich aus einem oberen Zylindergehäuse 12 mit vier darin ausgebildeten Zylindern 14 und einem unteren, einstückig angegossenem Kurbelgehäuse 16 zusammensetzt. Es könnte jedoch das Zylindergehäuse 12 auch ein separates Bauteil bilden.
Die in den Zylindern 14 gleitenden Kolben sind in bekannter Weise über Pleuel mit einer Kurbelwelle (der Kurbeltrieb ist nicht dargestellt) verbunden, wobei die Kurbelwelle über entsprechende Hauptlager mit Lagerstühlen 18 drehbar im Kurbelgehäuse 16 gelagert ist.
Das Zylindergehäuse 12 setzt sich wiederum zusammen aus einem Zylinderliner 20, der im Niederdruck-Kokillenguß aus einer übereutektischen Aluminium-Silicium-Leichtmetalllegierung gegossen ist und als Rohling gemäß den 2 bis 4 mit noch zu beschreibenden vorausgehenden Bearbeitungsschritten mit dem äußeren Zylindergehäuse 22 aus einer weniger duktilen und spezifisch leichteren Magnesiumlegierung im Druckgussverfahren umgossen ist. Die Seitenwände 22a und die Stirnwände 22b des äußeren Zylindergehäuses 22 umschließen dabei unmittelbar den Zylinderliner 20.
Der Zylinderliner 20 weist zusammengegossene Zylinderwände 20a und eine daran angebundene, die Zylinderwände 20a umschließende Hüllwand 20b auf, wobei die Hüllwand 20b (vgl. 3 und 4) einen dazwischen gebildeten Wassermantel 20c begrenzt. Der Wassermantel 20c erstreckt sich etwa bis zur halben Zylinderlänge eines jeden Zylinders 14 und ist zu einer Zylinderkopf-Anschlussfläche 20d (gestrichelt eingezeichnet) offen, so dass er in bekannter Weise an die Flüssigkeits-Umlaufküh lung der Brennkraftmaschine anschließbar ist.
Um den Zylinderliner 20 beim Umgießen mit dem Zylindergehäuse 22 nicht zu verformen und um ein unerwünschtes Eindringen von Schmelze in den Wassermantel 20c bzw. in die Zylinder 14 zu vermeiden, ist der Zylinderliner 20 mit Verstärkungen 24, 26 an seinen Stirnseiten versehen.
Die obere, an der Zylinderkopf-Anschlussfläche 20d gelegene Verstärkung ist durch einen dünnwandigen Rahmen 24 gebildet, der an die Zylinderkopf-Anschlussfläche 20d mit angegossen ist und geradlinig verlaufende Randbereiche (vgl. insbesondere 2) aufweist. Der Rahmen 24 verlängert im Rohzustand des Zylinderliners 20 quasi die Zylinderwände 20a und die Hüllwand 20b und wird nach dem Eingießen des Zylinderliners 20 zur Herstellung der Zylinderkopf-Anschlussfläche 20d spanend abgearbeitet.
Die entgegengesetzt liegende, untere Verstärkung ist dadurch gebildet, dass die Zylinder 14 des Zylinderliners 20 mittels je einer Abschlusswand 26 geschlossen sind, woraus eine beträchtliche Aussteifung des Zylinderliners 20 resultiert.
Die Abschlusswände 26 sind mit einer nach unten offenen, in einer Längsflucht liegenden Einwölbung versehen, die als Führung 28 und/oder als Freiraum für eine Pinole, insbesondere eine Ventilationspinole, der nicht näher dargestellten Gießform für das Zylinder-Kurbelgehäuse 10 dient.
Schließlich können die Zylinderwände 20a und die Hüllwand 20b mit ein oder mehreren Verstärkungsrippen 20e (vgl. 3 und 4) versehen sein, die bevorzugt ringförmig um die Zylinderwände 20a bzw. die Hüllwand 20b umlaufen und eine zusätzliche Aussteifung des Zylinderliners 20 bewirken.
Nach dem Gießen des Zylinderliners 20 im Niederdruck-Kokillenguß oder im Squezze Casting, wobei die Verstärkungen bzw. der Rahmen 24, die Abschlusswände 26 und ggf. die Verstärkungsrippen 20e wie in den 2 bis 4 dargestellt mit angegossen werden, werden zur Positionierung des Zylinderliners 20 in der nicht näher dargestellten Gießform (nach gängigem Stand der Gießtechnik) die in der 2 mit 34 und 36 bezeichneten Auflageflächen plan und die Führung 28 kreissymetrisch bearbeitet. Ferner werden in zwei diagonal gegenüberliegende, an den Zylinderliner 20 angegossene Pfeifen 20f Passbohrungen 32 eingebohrt, die im Zusammenwirken mit korrespondierenden Passstiften in einem oberen Abdeckteil 38 der Gießform eine Justierung des Zylinderliners 20 in der Gießform ergeben.
Des weiteren wird ein unterer Schieber 40 der Gießform gegen die untere, bearbeitete Auflagefläche 36 gefahren und die Ventilationspinole 30 gegen die Führung 28 gefahren. Die weiteren seitlichen Schieber und Abdeckteile der Gießform bilden nicht Gegenstand der Erfindung und sind deshalb nicht beschrieben.
Nach dem Umgießen des Zylinderliners 20 mit dem äußeren Zylindergehäuse 22 zur Bildung des Zylinder-Kurbelgehäuses 10 wird der Rahmen 24 bis zu der gestrichelt dargestellten Zylinderkopf-Auflagefläche 20d spanend abgearbeitet. Desgleichen werden die Abschlusswände 26 beim Bearbeiten der Zylinderlaufflächen der Zylinder 14 herausgebohrt, so dass durchgehende Bohrungen gebildet sind, in denen die Kolben entsprechend gleiten können.
Der Zylinderliner 20 kann in open deck Konstruktion wie in der 1, dargestellt ausgeführt sein, so dass der Wassermantel 20c sichelförmig und ohne Stege umlaufend zur Zylinderkopf-Auflagefläche 20d offen ist.
Es ist im Rahmen der Erfindung jedoch auch eine closed deck Konstruktion anwendbar, bei der der Wassermantel 20c im Bereich der Zylinderkopf-Auflagefläche 20d durch entsprechende Stege unterbrochen ist (höhere Steifigkeit des Zylindergehäuses 12).
Sofern für den Zylinderliner 20 keine höherfeste und tribologisch günstige übereutektische Al-Si-Legierung oder eine Grauguß-Legierung verwendet ist, kann eine Laufflächenbeschichtung der Zylinder 14 verwendet sein (z. B. durch Laser-Aufschmelzlegieren).

Claims

Zylinderliner zum Eingießen in ein Zylindergehäuse einer mehrzylindrigen, flüssigkeitsgekühlten Hubkolbenmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge, mit einem vorgegossenen Zylinderliner aus einem höherfesten Werkstoff, der zur Ausbildung des Zylindergehäuses mit die Zylinder umgebenden Wasserräumen und einer Hüllwand in ein äußeres Gehäuse eingegossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aussteifung des Zylinderliners (20) beim Eingießen in das äußere Gehäuse an zumindest einer der Stirnseiten des Zylinderliners (20) Verstärkungen (24, 26) angeformt sind, die als nach dem Eingießen zu entfernende Verstärkungen (24, 26) ausgebildet sind.
Zylinderliner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (14) im Zylinderliner (20) an deren unterer, einem Kurbelgehäuse (16) benachbarter Stirnseite mittels Abschlusswänden (26) zumindest teilweise geschlossen ausgeführt sind.
Zylinderliner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (14) geschlossen mit den Abschlusswänden (26) gefertigt sind und dass an den Abschlusswänden (26) entlang der Mittellängsebene des Zylinderliners (20) eine Führung (28) und/oder ein Freiraum für eine Pinole (30) der Gießform vorgesehen ist.
Zylinderliner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderliner (20) an der dem Zylinderkopf benachbarten Stirnseite mit einem umlaufenden Rahmen (24) versehen ist.
Zylinderliner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (24) dünnwandig ausgebildet ist.
Zylinderliner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Hüllwand (20b) des Zylinderliners (20) Verstärkungsrippen (20e) angeformt sind.
Zylinderliner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rahmen (24) zumindest zwei Passbohrungen (32) zum Positionieren des Zylinderliners (20) an korrespondierenden Passstiften einer Gießform vorgesehen sind.
Zylinderliner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderliner (20) aus einer Aluminium Legierung im Squeeze-Casting oder Kokillenguss und das äußere Zylindergehäuse (22) aus einer Magnesiumlegierung hergestellt ist.
Zylinderliner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderlinder (20) aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung in open-deck- oder closed-deck Konstruktion hergestellt ist.