DE10246522B3

DE10246522B3 - Zylinderkurbelgehäuse

Info

Publication number: DE10246522B3
Application number: DE2002146522
Authority: DE
Inventors: Joachim Doerr
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2002-10-05
Filing date: 2002-10-05
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-10-06

Abstract

Bei einem Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall, insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit aus höherfesten Eingussteilen gebildeten Lagerstühlen und Lagerdeckeln zur Lagerung einer Kurbelwelle, welche Eingussteile mittels Lagerschrauben zusammengespannt sind, wird zur Schaffung einer gewichtsgünstigen, robusten Konstruktion vorgeschlagen, dass die Lagerschrauben mit zumindest einem oberhalb der Lagerstühle angeordneten weiteren Eingussteil verschraubt sind und dementsprechend die Lagerstühle unter Druckvorspannung im Kurbelgehäuse beaufschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zylinderkurbelgehäuse für Hubkolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Zylinderkurbelgehäuses.
Durch die DE 198 10 464 C1 ist ein Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall bekannt, bei dem höherfeste Lagerstühle und Lagerdeckel als Eingussteile vorgeschlagen werden. Die Lagerstühle tragen dabei sowohl Gewindebohrungen für die Lagerschrauben der Kurbelwellenlagerung als auch Gewindebohrungen für die Befestigungsschrauben der Zylinderköpfe (Zylinder in V-Anordnung). Die besagten Eingussteile können u.a. bei einem Zylinderkurbelgehäuse aus einer Magnesiumlegierung aus einer übereutektischen Aluminiumlegierung hergestellt sein. Die vorgeschlagene Konstruktion ist von der Bauteile-Beanspruchung zwar sehr günstig, fertigungstechnisch aber ziemlich aufwändig und komplex.
Aus der gattungsbildenden DE 196 04 547 ist ein Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall für Brennkraftmaschinen bekannt, das aus höherfesten Eingussteilen gebildete Lagerstühle und Lagerdeckel zur La gerung einer Kurbelwelle aufweist. Diese Eingussteile sind mittels Lagerschrauben zusammengespannt, wobei die Lagerschrauben mit zu mindest einem oberhalb der Lagerstühle angeordnetem weiteren Eingussteil verschraubt sind und dementsprechend die Lagerstühle unter Druckvorspannung im Kurbelgehäuse beaufschlagen.
Konkret sind hier im Querschnitt gesehen zu beiden Seiten der Lagerstühle jeweils Hülsen eingegossen, die mit Querstützen untereinander als Bauteil verbunden sind. In diesen Hülsen werden von unten her die Lagerschrauben und von oben her Zylinderkopfdeckelschrauben eingeschraubt. Dadurch soll insbesondere in Verbindung mit einem Aluminiumgehäuse eine verbesserte Krafteinleitung der Verschraubungen in die Gehäuseteile erzielt werden. Ein derartiger Aufbau mit einer zusätzlichen eingießbaren Hülsenkonstruktion ist insgesamt fertigungstechnisch gesehen relativ aufwendig. Ein ähnlicher Aufbau ist auch aus der JP 2001/289113 A bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein alternatives Zylinderkurbelgehäuse, insbesondere für Brennkraftmaschinen, vorzuschlagen, das fertigungstechnisch einfacher und günstiger herzustellen ist und zudem auch noch eine insgesamt leichte Konstruktion ermöglicht. Ferner soll ein kostengünstiges Verfahren zum Herstellen des Zylinderkurbelgehäuses vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Zylindergehäuses mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das weitere Eingussteil ein Zylinderliner mit entsprechend angeformten Schraubenpfeifen für die Lagerschrauben ist. Daraus resultiert eine insbesondere hinsichtlich des Fertigungsaufwandes und des Teilegewichtes günstige Konstruktion, bei der die Lagerstühle und die Lagerdeckel hinsichtlich des Spannungsverlaufes im Zylinderkurbelgehäuse zugankerähnlich an den Zylinderliner angebunden sind.
Die auf die Kurbelwelle über die Kolben und Pleuel wirkenden Kräfte und Momente der Brennkraftmaschine „ziehen" nun nicht mehr an den Lagerstühlen mit der Tendenz, diese aus dem Zylinderkurbelgehäuse herauszulösen. Vielmehr wirken jetzt überwiegend Druckspannungen im Lagerstuhlbereich. Besonders bevorzugt sind die Lagerstühle und Lagerdeckel dabei aus einem Leichtmetall-Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt, der höchstens in etwa 16×10^–6
1/_K beträgt. Dieser Wärmeausdehnungskoeffizient liegt in etwa in einem Bereich von 12×10–^{6 1}/_K bis 16×10^–6
1/_K. Ein derartiger geringer Wärmeausdehnungskoeffizient bewirkt vorteilhaft, dass die Vergrößerung des Lagerspiels der Kurbelwellenlagerung im Wesentlichen vermieden werden kann. So wird durch den geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten vermieden, dass sich die Hauptlagerbohrung zu sehr ausdehnt, wodurch die Kurbelwelle geräuscharmer umlaufen kann, so dass der Motor insgesamt leiser läuft. Ein weiterer damit einhergehender Vorteil ist, dass hier der Öldruck insgesamt relativ konstant gehalten wird, da die Spaltmaße bzw. Spaltaufweitungen in bestimmten Bereichen durch den geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten die Gefahr eines relativ hohen Ölverlustes vermeiden lassen. Zudem erhöht sich hierdurch die Festigkeit der Lagerstühle und Lager deckel insgesamt, so dass verringerte Spannungen in der Trennebene als Verspannungsebene zwischen den Lagerstühlen und den Lagerdeckeln auftreten. D. h., dass es hierdurch zu einer sehr guten Aufnahme der Flächenpressung in der Trennfuge zwischen den Lagerstühlen und den Lagerdeckeln kommen kann.
Eine weitere wesentliche Fertigungsvereinfachung wird dadurch erzielt, dass die Lagerstühle und/oder die Lagerdeckel aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung bestehen und vorzugsweise im Strangpressverfahren hergestellt sind. Insbesondere bei einer serienmäßigen Fertigung von Brennkraftmaschinen kann damit eine nicht unwesentliche Kostenreduzierung verbunden mit der beim Strangpressen hohen Maßgenauigkeit erreicht werden.
Dabei können die stranggepressten Eingussteile auch in fertigungstechnisch einfacher Weise mit Vorsprüngen und/oder Durchbrüchen versehen sein, die sich beim Eingießen mit dem Grundmaterial füllen und somit eine hohe Festigkeit der Gussverbindung bewirken. Derartige Hinterschneidungsbereiche an den Eingussteilen sorgen daher für eine bessere Verklammerung.
Wird eine Al-Si-Legierung mit einem besonders hohem Si-Gehalt von z.B. 30% verwendet, so wird ferner vorgeschlagen, die Kurbelwellenlagerung ohne die üblichen Lagerschalen vorzunehmen. Die tribologischen Eigenschaften einer derartigen Legierung können ausreichen, um eine zuverlässige und verschleißfeste Kurbelwellenlagerung sicherzustellen. Grundsätzlich ist es hierbei auch möglich, z. B. durch eine Aufschmelzbehandlung, die Lagerlaufflächen unmittelbar zu verfeinern und zu verfestigen. Dadurch können ggf. noch bessere Laufeigenschaften erzielt werden.
Hinsichtlich der verfahrensgemäßen Aufgabe wird vorgeschlagen, die im Strangpressverfahren gefertigten Lagerstühle und/oder Lagerdeckel in einer definierten Anzahl als Halbzeug vorzubereiten, dann Aufnahmebohrungen für die Gießform einzubringen und schließlich einzeln abzulängen. Insbesondere vorteilhaft ist dies, wenn je erforderliche Anzahl pro Brennkraftmaschine (z.B. bei einer Vierzylinder-Brennkraftmaschine je 5 Lagerstühle und Lagerdeckel) Halbzeuge vorgehalten und entsprechend verarbeitet werden.
Schließlich können die Lagerstühle und/oder die Lagerdeckel bevorzugt einer den Stoffschluss beim Eingießen verbessernden Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Dies kann beispielsweise eine die Affinität verbessernde Beschichtung oder beispielsweise ein Aufrauhen der zu umgießenden Oberflächen durch Sandstrahlen, etc. sein.
Besonders bevorzugt können die Lagerstühle und die Lagerdeckel dabei gemeinsam in einem Strang als Halbzeug gepresst werden. Anschließend kann der Strang dann in einer Teilungsebene so geteilt werden, dass die Lagerstühle und die Lagerdeckel als separate Bauteile voneinander getrennt sind. Gemäß einer konkreten Verfahrens weise kann nach dem Strangpressen z. B. die Abtrennung der einzelnen Blöcke, z. B. eines Fünferblocks aus jeweils fünf Lagerstühlen und Lagerdeckel erfolgen, wobei die Lagerstühle und die Lagerdeckel anschließend dann in der vorgesehenen Teilungsebene getrennt werden und die entsprechenden Bohrlöcher in diese gebohrt werden können. Anschließend wird der Block dann in seine Einzelteile, d. h. in die einzelnen Lagerstühle und Lagerdeckel aufgeteilt. Das Trennen kann hier durch Sägen, Cracken, Laserstrahl- oder Wasserstrahlschneiden erfolgen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher beschrieben.
Die anliegende schematische Zeichnung zeigt in
1 einen Querschnitt in einer Hauptlagerebene durch ein Zylinderkurbelgehäuse einer Vierzylinder-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Zylinderliner, Lagerstühlen und Lagerdeckeln als Eingussteile; und
2 die aus einem Strangpressprofil als Halbzeug gefertigten Lagerstühle in raumbildlicher Darstellung.
In der 1 ist mit 10 ein Zylinderkurbelgehäuse einer Vierzylinder-Reihen-Hubkolben-Brennkraftmaschine bezeichnet, mit einem Zylinderblock 12 als oberen Abschnitt und einem nach unten offenen Kurbelgehäuse 14. Soweit nicht beschrieben, entspricht die Brennkraftmaschine bzw. das Zylinderkurbelgehäuse 10 herkömmlicher, dem Fachmann geläufiger Bauart.
Das Zylinderkurbelgehäuse 10 ist aus einer Magnesiumlegierung (z.B. AZ 91 hp) im Druckgussverfahren hergestellt.
In den Zylinderblock 12 ist dabei ein nicht näher dargestellter Zylinderliner 16 als Eingussteil aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung eingegossen. Der Zylinderliner 16, der nur in der Schnittebene dargestellt ist, weist in bekannter Weise die vier Zylinder der Brennkraftmaschine auf und trägt symetrisch um diese Zylinder verteilt Schraubenpfeifen 18, 20, in denen einheitlich mit 22 bezeichnet Gewindebohrungen ausgebildet sind.
Die nach oben offenen Gewindebohrungen 22 dienen zur Verankerung nicht dargestellter Befestigungsschrauben für den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine, während die nach unten dem Kurbelgehäuse 14 zugewandten Gewindebohrungen 22 mit noch zu beschreibenden Lagerschrauben 24 der Kurbelwellenlagerung der Brennkraftmaschine zusammenwirken.
Ferner sind im Kurbelgehäuse 14 Lagerstühle 26 aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung mit einem Si-Gehalt von in etwa 30% als Eingussteile eingegossen, die mit im Querschnitt T-förmigen, ein offenes Profil bildenden Vorsprüngen 28 im Grundmaterial zusätzlich formschlüssig verklammert sind. Die Vorsprünge 28 sind im Bereich der Lagerflächen 30 für die Kurbelwellen-Hauptlagerung und seitlich der die Lagerstühle 26 in Bohrungen 42 durchdringenden Lagerschrauben 24, 32 vorgesehen.
An die plane Auflagefläche 34 des Kurbelgehäuses 14 mit den fünf eingegossenen Lagerstühlen 26 ist ein als Verbundgussteil hergestellter leiterförmiger Lagerrahmen 36 (auch als bed plate bezeichnet) angeschraubt, der die unteren fünf Lagerdeckel 38 als Eingussteile aus dem gleichen Material wie die Lagerstühle 26 umschließt. Der Lagerrahmen 36 ist ebenfalls aus der genannten Magnesiumlegierung im Druckgussverfahren gegossen.
Die Lagerdeckel 38 weisen wiederum die Lagerflächen 30 der Kurbelwellen-Hauptlagerung und die Bohrungen 42 für den Durchtritt der Lagerschrauben 24, 32 auf und sind ebenfalls mit Vorsprüngen 28 zum formschlüssigen Eingießen der Eingussteile 26, 38 versehen.
Die Lagerflächen 30 der genannten Kurbelwellen-Hauptlagerung weisen auch bei montierter Kurbelwelle (nicht dargestellt) aus einem eisenhaltigem Werkstoff keine Lagerschalen auf, sondern bilden unmittelbar die Gleitlagerflächen 30.
Wie aus der Zeichnung 1 ersichtlich ist, sind die Lagerschrauben 32 in Gewindebohrungen 44 im Kurbelgehäuse 14 und die Lagerschrauben 24 in den Gewindebohrungen 22 der Schraubenpfeifen 18, 20 des höherfesten Eingussteiles bzw. Zylinderliners 16 verankert, während sie die Lagerstühle 26 und die Lagerdeckel 38 durch die Bohrungen 42 lediglich durchdringen. Dementsprechend unterliegen die Lagerstühle 26 im Kurbelgehäuse 14 lediglich einer Druckvorspannung, die den auftretenden Gas- und Massenkräften in der Zugrichtung nicht ausgesetzt sind. Diese werden ähnlich dem Zugankerprinzip von den Lagerschrauben 24 und in geringerem Umfang von den Lagerschrauben 32 aufgenommen.
Die 2 zeigt anhand der Lagerstühle 26 die Fertigung der Eingussteile 26, 38.
So werden zunächst im Strangpressverfahren aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung mit in etwa 30% Si Strangpressprofile gezogen, die die in der 1 ersichtliche Querschnittsform mit den Lagerflächen 30 und den Vorsprüngen 28 aufweisen.
Diese Strangpressprofile werden dann zu Halbzeugen 40 definierter Länge, bevorzugt zu der Länge, die die pro Kurbelgehäuse 14 bzw. Lagerrahmen 36 benötigte Anzahl an Lagerstühlen 26 bzw. Lagerdeckeln 38 ergibt, abgelängt.
Sodann werden die Bohrungen 42 eingebracht, die zugleich als Aufnahmebohrungen zur Fixierung der Lagerstühle 26 in der Gießform dienen.
Im weiteren werden die Halbzeuge 40 einer Oberflächenbehandlung unterzogen, die den Stoffschluss zwischen der Magnesiumlegierung als Grundmaterial und den Eingussteilen 26, 38 aus der übereutektischen Al-Si-Legierung verbessert, z.B. sandgestrahlt.
Schließlich werden die einzelnen Lagerstühle 26 abgelängt, in die Gießform (nicht dargestellt) eingelegt und im Druckgussverfahren eingegossen.
Durch das sehr schnelle Druckgussverfahren wird u.a. vermieden, dass die Eingussteile 16, 26, 38 beim Eingießen unzulässig stark angeschmolzen werden.

Claims

Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall, insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit aus höherfesten Eingussteilen gebildeten Lagerstühlen und Lagerdeckeln zur Lagerung einer Kurbelwelle, wobei die Eingussteile mittels Lagerschrauben zusammengespannt sind, wobei die Lagerschrauben mit zumindest einem oberhalb der Lagerstühle angeordnetem weiteren Eingussteil verschraubt sind und dementsprechend die Lagerstühle unter Druckvorspannung im Kurbelgehäuse beaufschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Eingussteil ein Zylinderliner (16) mit entsprechend angeformten Schraubenpfeifen (18, 20) für die Lagerschrauben (24) ist.
Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstühle (26) und Lagerdeckel (38) aus einem Leichtmetall-Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens in etwa 16×10^–6
1/_K, vorzugsweise von in etwa 12×10^–6
1/_K bis 16×10^{–6 1}/_K, hergestellt sind.
Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstühle (26) und/oder die Lagerdeckel (38) aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung bestehen und im Strangpressverfahren hergestellt sind.
Zylinderkurbelgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstühle (26) und/oder die Lagerdeckel (38) mit Vorsprüngen (28) und/oder mit Durchbrüchen zum formschlüssigen Eingießen in das Kurbelgehäuse (14) und in einen leiterförmigen Lagerrahmen (36) versehen sind.
Zylinderkurbelgehäuse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es im Druckgussverfahren hergestellt ist und dass die Eingussteile wie Lagerstühle (26), Lagerdeckel (38) und Zylinderliner (16) aus einer übereutektischen Al-Si-Legierung bestehen.
Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich- net, dass es aus einer Magnesium-Legierung und/oder einer Aluminium-Legierung gegossen ist.
Zylinderkurbelgehäuse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle aus eisenhaltigem Material unmittelbar ohne Zwischenschaltung von Lagerschalen in den Lagerstühlen (26) und Lagerdeckeln (38) gelagert ist.
Verfahren zum Herstellen eines Zylinderkurbelgehäuses nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die im Strangpressverfahren gefertigten Lagerstühle (26) und/oder Lagerdeckel (38) in einer definierten Anzahl als Halbzeug (40) vorbereitet, dann Aufnahmebohrungen (42) für die Gießform eingebracht und schließlich einzeln abgelängt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmebohrungen zugleich die Bohrungen (42) für den Durchtritt der Lagerschrauben (24) durch die Lagerstühle (26) und die Lagerdeckel (38) bilden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbzeug (40) jeweils die pro Kurbelgehäuse (14) benötigte Anzahl an Lagerstühlen (26) und/oder Lagerdeckeln (38) umfasst.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstühle (26) und/oder die Lagerdeckel (38) einer den Stoffschluss beim Eingießen verbessernden Oberflächenbehandlung unterzogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstühle (26) und die Lagerdeckel (38) gemeinsam in einem Strang gepresst werden, und dass anschließend der Strang in einer Teilungsebene so geteilt wird, dass die Lagerstühle (26) und die Lagerdeckel (38) als separate Bauteile voneinander getrennt sind.