DE10224130A1

DE10224130A1 - Verfahren zum Herstellen eines Motorblocks aus einem Metallgusswerkstoff, Gießform zur Herstellung eines Motorblocks aus Metallgusswerkstoff und Motorblock aus Metallgusswerkstoff

Info

Publication number: DE10224130A1
Application number: DE2002124130
Authority: DE
Inventors: Peter Stika; Rolf Gosch
Original assignee: VAW Mandl und Berger GmbH
Current assignee: VAW Mandl und Berger GmbH
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2003-12-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Gießform zum Herstellen eines Motorblocks aus einem Metallgusswerkstoff und einen Motorblock, umfassend folgende Arbeitsschritte: Einsetzen von ebenfalls aus einem Metallwerkstoff gefertigten Laufbuchsen (2, 3, 4) in eine Gießform, Einsetzen von mindestens einem die Laufbuchsen (2, 3, 4) mindestens abschnittsweise umgebenden fest umschließenden Gießkern, der im fertigen Motorblock (1) einen Wasserraum (5) abbildet, der durch Längsabschnitte jeweils zweier Laufbuchsen (2, 3, 4) begrenzt ist, Eingießen des schmelzflüssigen Metallgusswerkstoffes in die Gießform, wobei der einströmende Metallgusswerkstoff in der Gießform derart geführt wird, dass er die Laufbuchsen mindestens im Bereich desjenigen Randes (7) aufschmilzt, der einer für die Montage eines Zylinderkopfes vorgesehenen Montagefläche (6) des Motorblocks (1) zugeordnet ist, wobei der Metallwerkstoff der Laufbuchsen (2, 3, 4) und der Metallgusswerkstoff derart aufeinander abgestimmt sind, dass beim fertigen Motorblock (1) im jeweiligen Randbereich (7) der Laufbuchsen (2, 3, 4) eine innige metallurgische Verbindung zwischen dem aufgeschmolzenen Metallwerkstoff der Laufbuchsen (2, 3, 4) und dem vergossenen Metallgusswerkstoff des Motorblocks (1) gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Motorblocks aus einem Metallgusswerkstoff, eine Gießform zur Herstellung eines Motorblocks aus Metallgusswerkstoff und einen Motorblock aus Metallgusswerkstoff.
Bei modernen Hochleistungsverbrennungsmotoren werden an die Zylinderlauffläche besondere Anforderungen hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften gestellt. Diese Anforderungen können insbesondere bei aus Leichtmetallwerkstoffen gegossenen Motoren durch in den Motorblock eingegossene Laufbuchsen erfüllt werden. Unabhängig von den Eigenschaften des für den Guss des Motorblocks selbst verwendeten Gusswerkstoff kann die Struktur und Oberflächenbeschaffenheit der in einem separaten Arbeitsgang vorgefertigten Laufbuchsen so ausgebildet werden, dass beispielsweise die während des Betriebs des Motors entstehenden Reibkräfte auf ein Minimum reduziert sind.
Eine weitere an Verbrennungsmotoren mit hoher Leistungsdichte gestellte Anforderung besteht in einer besonders wirkungsvollen Abfuhr der während des Verbrennungsprozesses entstehenden Wärme. Die Wärmeabfuhr soll sich möglichst bis zum Zylinderkopf erstrecken, der auf einer dafür vorgesehenen Montagefläche des Motorblocks befestigt ist und die von den Laufbuchsen umgebenen Verbrennungsräume kopfseitig abschließt.
Um diese Anforderung zu erfüllen, ist es bekannt, die im Betrieb von Kühlwasser durchströmten, zwischen den einzelnen Zylinderbohrungen des Motorblocks ausgebildeten Wasserräume bis zur Zylinderkopf-Montagefläche zu führen. Unproblematisch lässt sich dies bei großvolumigen Motoren verwirklichen, bei denen zwischen den einzelnen Zylinderbohrungen ausreichend Raum für die Ausbildung und Abstützung der Zylinderwände sowie für die Ausbildung der Wasserräume vorhanden ist.
Soll jedoch ein leistungsfähiger, kurz bauender Leichtmetallmotor in dieser Weise konstruiert werden, so erweist es sich bei konventioneller gießtechnischer Herstellung als schwierig, die erforderlichen Laufbuchsen in geringem Abstand mit einem zwischen ihnen ausgebildeten Wasserraum so mit dem Gusswerkstoff des Motorblocks zu verbinden, dass auch bei längerer Belastung eine dauerhaft feste, dichte Verbindung zwischen dem Werkstoff der Laufbuchsen und dem Werkstoff des restlichen Motorblocks gewährleistet ist.
In der Praxis hat man daher versucht, die eng benachbart angeordneten Laufbuchsen eines Leichtmetallmotors mechanisch zu fixieren und gegenüber dem im zwischen ihnen vorhandenen schmalen Spalt ausgebildeten Wasserraum abzudichten. Diese mechanischen Lösungen erweisen sich jedoch in einem automatisierten Herstellungsprozess als schwierig beherrschbar und verursachen zusätzlichen apparativen Aufwand, der insbesondere bei der Herstellung kostengünstiger, kleiner Motoren von hoher Leistungsausbeute nicht vertretbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung bestand daher darin, ein Verfahren zum gießtechnischen Herstellen eines mit Laufbuchsen ausgestatteten Motorblocks, eine für diesen Zweck geeignete Gießform sowie ein für die gießtechnische Herstellung besonders geeignetes Konzept eines Motorblocks anzugeben, bei dem eine sichere Fixierung der Laufbuchsen bei gleichzeitig sicherer Abdichtung des zwischen ihnen jeweils ausgebildeten Wasserraums ohne zusätzlichen Herstellungsaufwand gesichert ist.
Diese Aufgabe wird zuerst erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines Motorblocks aus einem Metallgusswerkstoff gelöst, welches folgende Arbeitsschritte umfasst:

- Einsetzen von ebenfalls aus einem Metallwerkstoff gefertigten Laufbuchsen in eine Gießform,
- Einsetzen von mindestens einem die Laufbuchsen mindestens abschnittsweise umgebenden fest umschließenden Gießkern, der im fertigen Motorblock einen Wasserraum abbildet, der durch Längsabschnitte jeweils zweier Laufbuchsen begrenzt ist,
- Eingießen des schmelzflüssigen Metallgusswerkstoffes in die Gießform, wobei der einströmende Metallgusswerkstoff in der Gießform derart geführt wird, dass er die Laufbuchsen mindestens im Bereich desjenigen Randes aufschmilzt, der einer für die Montage eines Zylinderkopfes vorgesehenen Montagefläche des Motorblocks zugeordnet ist,
- wobei der Metallwerkstoff der Laufbuchsen und der Metallgusswerkstoff derart aufeinander abgestimmt sind, dass beim fertigen Motorblock im jeweiligen Randbereich der Laufbuchsen eine innige metallurgische Verbindung zwischen dem aufgeschmolzenen Metallwerkstoff der Laufbuchsen und dem vergossenen Metallgusswerkstoff des Motorblocks gebildet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in besonderer Weise zur Herstellung von Motorblöcken für Verbrennungsmotoren geeignet, bei denen der Metallgusswerkstoff und der Metallwerkstoff der Laufbuchsen jeweils ein Leichtmetallwerkstoff sind. Insbesondere gilt dies für den Fall, dass der Metallgusswerkstoff und der Metallwerkstoff der Laufbuchsen jeweils ein Aluminiumwerkstoff ist.
Bei erfindungsgemäßer Vorgehensweise wird der Gusswerkstoff so an die Laufbuchsen herangeführt, dass ihr der Montagefläche für die Befestigung des Zylinderkopfes zugeordnete Rand aufschmilzt. Das aufgeschmolzene Metall der Laufbuchsen und der Metallgusswerkstoff vermengen sich dann so miteinander, dass in dem betreffenden Randbereich der Laufbuchsen ein fester metallurgischer Verbund zwischen dem Motorblock selbst und den in ihm jeweils gehaltenen Laufbuchsen gebildet ist. Diese feste stoffschlüssige Verbindung gewährleistet nicht nur den sicheren Halt der Laufbuchsen, sondern auch die dauerhaft dichte Abdichtung eines zwischen den Laufbuchsen ausgebildeten Wasserraums im Bereich des Übergangs der Laufbuchsen zu der Montagefläche, auf der der Zylinderkopf des Motors montiert wird. Ein Eindringen von Kühlwasser aus dem Wasserraum in die von den Laufbuchsen umgebenen Verbrennungsräume wird so sicher und dauerhaft vermieden.
Da für die erfindungsgemäß geschaffene metallurgische, stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Randbereich der Laufbuchsen und dem Gusswerkstoff des Motorblocks nur ein sehr geringer Anteil des Materials der Laufbuchsen erforderlich ist, kann bei erfindungsgemäßer Herstellweise der zwischen den Laufbuchsen vorhandene Wasserraum bis unmittelbar unter den der Zylinderkopf-Montagefläche zugeordneten Rand der Laufbuchsen reichen. Es muss dort lediglich ein dünner, durch den aufgeschmolzenen Metallwerkstoff der Laufbuchsen und den Gusswerkstoff des Motorblocks gebildeter Wandabschnitt vorhanden sein, dessen Stärke jeweils ausreicht, den zwischen den während des Betriebes des Motors auftretenden Belastungen standzuhalten. So lassen sich auch Motorblöcke, bei denen der Abstand und dementsprechend die Breite des Wasserraums zwischen den Laufbuchsen auf ein extremes Mindestmaß verringert ist, sicher kostengünstig gießtechnisch herstellen, ohne dass dazu besonderer apparativer oder konstruktiver Aufwand betrieben werden muss.
Erstreckt sich der Wasserraum ausgehend vom dem der Montagefläche zugeordneten Rand nur über eine Teillänge der Laufbuchsen, so steht im unteren, von der Montagefläche abgewandten Bereich der Laufbuchsen ausreichend Raum zum festen Eingießen der Laufbuchsen in den Gusswerkstoff des übrigen Motorblocks zur Verfügung. Zu diesem Zweck kann der in eine erfindungsgemäße Gießform zur Ausbildung des Wasserraums eingesetzte Gießkern so ausgebildet sein, dass er zwischen sich und dem unteren, von der Montagefläche des fertigen Motorblocks abgewendeten Randbereich einen Raum freilässt, der beim Eingießen der Metallschmelze in die Gießform mit Metallgusswerkstoff gefüllt wird.
In der Regel ist es, sofern ausreichend viel Raum für das Umspülen des unteren kurbelraumseitigen Abschnitts der Laufbuchsen mit Gusswerkstoff zur Verfügung steht, nicht erforderlich, das Material der Laufbuchse aufzuschmelzen. Vielmehr sollte in diesem Fall die Schmelze in diesem Bereich unter Vermeidung einer direkten Anströmung der Laufbuchse so geführt werden, dass es nicht zur Auswaschung des Wandmaterials der Laufbuchse durch anströmende Metallschmelze kommt. Der sichere Halt der Laufbuchse in dem Gusswerkstoff des Motorblocks kann in diesem Fall zusätzlich dadurch unterstützt werden, dass die Laufbuchsen in ihrem unteren, vom Gießkern freigelassenen Abschnitt aufgerauht sind. Ebenso ist es möglich, die Laufbuchsen in ihrem unteren, vom Gießkern freigelassenen Abschnitt mit einer die Haftung des Metallgusswerkstoffes an dem Abschnitt verbessernder Beschichtung zu versehen.
Selbstverständlich ist es in solchen Fällen, in denen sich der Wasserraum über die gesamte Länge der Laufbuchsen erstrecken soll, ebenso möglich, auch den dem Kurbelraum des Motorblocks zugeordneten unteren Randbereich der Laufbuchsen in derselben Weise wie den oberen Rand aufzuschmelzen, so dass auch dort eine Vermengung mit dem Gusswerkstoff des Motorblocks stattfindet.
In Bezug auf die Gießform zur Herstellung eines Motorblocks aus Metallgusswerkstoff wird die oben angegebene Aufgabe dadurch gelöst, dass eine solche Gießform mit in sie eingesetzten Laufbuchsen, mit mindestens einem Gießkern, der die Laufbuchsen über mindestens einen Abschnitt ihrer Längserstreckung abdeckt und im fertigen Motorblock einen Wasserraum zwischen den Laufbuchsen ausbildet, und mit einem Anschnitt ausgestattet ist, der in die Gießform einströmenden Metallgusswerkstoff zum für eine Montage eines Zylinderkopfes vorgesehenen Montagefläche des Motorblocks zugeordneten Randbereich der Laufbuchsen führt, so dass es dort zum Aufschmelzen und zur Ausbildung einer metallurgischen Verbindung zwischen dem Werkstoff des Motorblocks und dem der Laufbuchsen kommt.
Ein gemäß der Erfindung erzeugter Motorblock aus Metallgusswerkstoff zeichnet sich dadurch aus, dass die Laufbuchsen zwischen sich einen Wasserraum begrenzen, der an seiner einen einer für die Montage eines Zylinderkopfs vorgesehenen Montagefläche zugeordneten Seite durch Metallgusswerkstoff verschlossen ist, der metallurgisch mit dem Werkstoff im der Montagefläche zugeordneten Randbereich der angrenzenden Laufbüchsen verbunden ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen jeweils im Ausschnitt:
Fig. 2 einen Leichtmetall-Motorblock in Draufsicht auf seine für die Montage eines Zylinderkopfes vorgesehene Montagefläche;
Fig. 1 den Leichtmetall-Motorblock in einem Längsschnitt entlang der in Fig. 1 angegebenen Schnittlinie M-M.
Der aus einem Aluminiumgusswerkstoff gegossene Leichtmetall-Motorblock 1 ist beispielsweise für einen Reihen-Vierzylinder-Verbrennungsmotor bestimmt. Er weist in Reihe und achsparallel in geringem Abstand zueinander angeordnete Laufbuchsen 2, 3, 4 auf. Die Laufbuchsen 2, 3, 4 sind aus einer geeigneten Aluminium-Legierung, beispielsweise einer übereutektischen Aluminium-Silizium- Legierung vorproduziert worden. Ihre Wandstärke ist dabei so ausgelegt worden, dass sie ohne seitliche Abstützung durch den Metallgusswerkstoff des Motorblocks 1 die im Betrieb des fertigen Motors auftretenden Belastungen aufnehmen können. Auf diese Weise ist es möglich, zwischen den Laufbuchsen 2, 3, 4 einen Wasserraum 5 auszubilden.
Der Wasserraum 5 umgibt die Laufbuchsen 2, 3, 4 ausgehend von deren oberen, der Montagefläche 6 für den nicht dargestellten Zylinderkopf zugeordneten Rand 7 über etwa 40% ihrer Längserstreckung. Über die betreffende Teillänge sitzen die Laufbuchsen 2, 3, 4 somit nass in dem jeweiligen Wasserraum 5.
An seiner dem Rand 7 der Laufbuchsen 2, 3, 4 zugeordneten Seite ist der Wasserraum 5 durch eine Stegwand 8 verschlossen. Die Stegwand 8 ist durch den Aluminiumgusswerkstoff des Motorblocks 1 gebildet, sich im Zuge des Abgießens des Motorblocks 1 mit im Bereich des Randes 7 aufgeschmolzenem Aluminiumwerkstoff der Laufbuchsen 2, 3, 4 vermischt hat. Zu diesem Zweck sind in der für den Abguss des Motorblocks 1 verwendeten, hier nicht gezeigten Gießform die Anschnitte so geführt gewesen, dass ausreichend heißer Gusswerkstoff die betreffenden Randbereiche angeströmt hat und es infolgedessen zum Aufschmelzen des Werkstoffs in diesem Bereich kam. Die auf diese Weise gebildete Stegwand 8 stellt so eine feste stoffschlüssige zwischen den benachbarten Laufbuchsen 2, 3, 4 und dem übrigen Material des Motorblocks 1 dar, durch die zudem der Wasserraum 5 zylinderkopfseitig dauerhaft dicht abgedichtet ist. Die Wandstärke der Stegwand 8 ist dabei extrem gering, so dass auch der der Montagefläche 6 zugeordnete Randbereich der Laufbuchsen 2, 3, 4 vollständig von der Kühlwirkung des während des Betriebes den Wasserraum 5 durchströmenden Kühlwassers erfasst wird.
Im Bereich ihrer unteren, dem Kurbelgehäuse 9 des Motorblocks 1 zugeordneten und nicht von dem Wasserraum 5 umgebenen Teillänge sind die Laufbuchsen 2, 3, 4 in den Aluminiumgusswerkstoff des Motorblocks 1 eingebunden. Um dabei ebenfalls eine dauerhaft feste Verbindung zwischen der Außenfläche 10 der Laufbuchsen 2, 3, 4 und dem Werkstoff des Motorblocks 1 zu gewährleisten, sind die Laufbuchsen 2, 3, 4 in diesem Bereich vor ihrem Einsetzen in die nicht gezeigte Gießform aufgerauht worden. Während des Abgießens des Motorblocks 1 ist die Gusswerkstoffschmelze in der nicht dargestellten Gießform so geführt worden, dass sie zu keinem Zeitpunkt die Außenflächen der Lauchbuchsen 2, 3, 4 direkt abgeströmt hat. Auf diese Weise ist der schmale zwischen den Laufbuchsen 2, 3, 4 vorhandene Spalt 11 bis zu dem den Wasserraum 5 abbildenden, ebenfalls hier nicht gezeigten Gießkern gefüllt worden, ohne dass es zu einer Schwächung der Wände der Laufbuchsen 2, 3, 4 aufgrund von Auswaschungen gekommen ist.
Selbstverständlich ist es in solchen Fällen, in denen sich der Wasserraum 5 über die gesamte Länge der Laufbuchsen 2, 3, 4 erstrecken soll, ebenso möglich, auch den kurbelraumseitigen unteren Randbereich der Laufbuchsen 2, 3, 4 in derselben Weise wie beim oberen Rand 7 aufzuschmelzen und mit dem Aluminiumgusswerkstoff des Motorblocks 1 zu vermengen. Auf diese Weise lässt sich auch am unteren Rand der Laufbuchsen 2, 3, 4 ein fester, dauerhaft dichter Abschluss des dann maximal großen Wasserraums 5 erreichen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Motorblocks 1 und den Abschluss des Wasserraums 5 durch die dünne Stegwand 8 ist es im Betrieb möglich, die Laufbuchsen 2, 3, 4 im thermisch hoch beanspruchten Bereich völlig und bis hin zu ihrem oberen Rand mit Kühlwasser zu umströmen. Der Motorblock 1 eröffnet so die Möglichkeit der Fertigung eines Verbrennungsmotors, der sich durch ein besonderes Leistungspotential bei besonders gutem Emissionsverhalten auszeichnet. BEZUGSZEICHEN 1 Leichtmetall-Motorblock 1
2, 3, 4 Laufbuchsen
5 Wasserraum
6 Montagefläche
7 oberer Rand der Laufbuchsen 2, 3, 4
8 Stegwand
9 Kurbelgehäuse
10 Außenfläche
11 Spalt
12 unterer Randbereich der Laufbuchsen 2, 3, 4

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Motorblocks (1) aus einem Metallgusswerkstoff umfassend folgende Arbeitsschritte:

- Einsetzen von ebenfalls aus einem Metallwerkstoff gefertigten Laufbuchsen (2, 3, 4) in eine Gießform,

- Einsetzen von mindestens einem die Laufbuchsen (2, 3, 4) mindestens abschnittsweise umgebenden fest umschließenden Gießkern, der im fertigen Motorblock (1) einen Wasserraum (5) abbildet, der durch Längsabschnitte jeweils zweier Laufbuchsen (2, 3, 4) begrenzt ist,

- Eingießen des schmelzflüssigen Metallgusswerkstoffes in die Gießform, wobei der einströmende Metallgusswerkstoff in der Gießform derart geführt wird, dass er die Laufbuchsen mindestens im Bereich desjenigen Randes (7) aufschmilzt, der einer für die Montage eines Zylinderkopfes vorgesehenen Montagefläche (6) des Motorblocks (1) zugeordnet ist,

- wobei der Metallwerkstoff der Laufbuchsen (2, 3, 4) und der Metallgusswerkstoff derart aufeinander abgestimmt sind, dass beim fertigen Motorblock (1) im jeweiligen Randbereich (7) der Laufbuchsen (2, 3, 4) eine innige metallurgische Verbindung zwischen dem aufgeschmolzenen Metallwerkstoff der Laufbuchsen (2, 3, 4) und dem vergossenen Metallgusswerkstoff des Motorblocks (1) gebildet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallgusswerkstoff und der Metallwerkstoff der Laufbuchsen (2, 3, 4) jeweils ein Leichtmetallwerkstoff ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallgusswerkstoff und der Metallwerkstoff der Laufbuchsen (2, 3, 4) jeweils ein Aluminiumwerkstoff ist.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießkern zwischen sich und dem unteren, von der Montagefläche (6) des fertigen Motorblocks (1) abgewendeten Randbereich einen Raum (11) freilässt, der beim Eingießen der Metallschmelze in die Gießform mit Metallgusswerkstoff gefüllt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbuchsen (2, 3, 4) in ihrem unteren, vom Gießkern freigelassenen Abschnitt aufgerauht sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbuchsen (2, 3, 4) in ihrem unteren, vom Gießkern freigelassenen Abschnitt mit einer die Haftung des Metallgusswerkstoffes an dem Abschnitt verbessernder Beschichtung versehen sind.

7. Gießform zur Herstellung eines Motorblocks (1) aus Metallgusswerkstoff, mit in sie eingesetzten Laufbuchsen (2, 3, 4), mit mindestens einem Gießkern, der die Laufbuchsen (2, 3, 4) über mindestens einen Abschnitt ihrer Längserstreckung abdeckt und im fertigen Motorblock (1) einen Wasserraum (7) zwischen den Laufbuchsen (2, 3, 4) abbildet, und mit einem Anschnitt, der in die Gießform einströmenden Metallgusswerkstoff zum für eine Montage eines Zylinderkopfes vorgesehenen Montagefläche (6) des Motorblocks (1) zugeordneten Randbereich (7) der Laufbuchsen (2, 3, 4) führt.

8. Motorblock aus Metallgusswerkstoff mit Laufbuchsen (2, 3, 4), die zwischen sich einen Wasserraum (5) begrenzen, der an seiner einen einer für die Montage eines Zylinderkopfs vorgesehenen Montagefläche (6) zugeordneten Seite durch Metallgusswerkstoff verschlossen ist, der metallurgisch mit dem Werkstoff im der Montagefläche (6) zugeordneten Randbereich der angrenzenden Laufbuchsen (2, 3, 4) verbunden ist.