DE10318778B4

DE10318778B4 - Zylinderliner zum Eingießen in ein Zylindergehäuse

Info

Publication number: DE10318778B4
Application number: DE10318778A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl.-Ing. Doerr; Willi Dr. Schneider
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2023-04-26
Also published as: DE10318778A1; DE10221673C5; DE10221673A1; DE10221673B4; DE10318778C5

Abstract

Zylinderliner zum Eingießen in ein Zylindergehäuse für eine flüssigkeitsgekühlte Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Hubkolben-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge,
mit einem vorgegossenen Zylinderliner aus einem höherfesten Werkstoff, dessen Zylinder zur Ausbildung von die Zylinder umgebenden Wasserräumen mit einer Hüllwand umgeben sind,
wobei zur Aussteifung des Zylinderliners bei dessen Gießen zumindest an dessen einer Stirnseite Verstärkungen angeformt sind, die an der dem Zylinderkopf benachbarten Stirnseite durch einen umlaufenden Rahmen gebildet sind, und
wobei der so ausgesteifte Zylinderliner mittels eines Druckgussverfahren in ein äußeres Gehäuse eingegossen ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass am umlaufenden Rahmen (24) ein Gießform-Anlagebereich (24a) ausgebildet ist, der im in eine Gießform (38) eingesetzten Zustand des Zylinderliners (20) in einer formschlüssigen und/oder dichten Anlageverbindung an einem in der Gießform (38) ausgebildeten Widerlagerbereich (38a) anliegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderliner zum Eingießen in ein Zylindergehäuse für Hubkolbenmaschinen, insbesondere für Hubkolben-Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge, als Zusatzpatent zum Verfahren und Gegenstand nach Patentanmeldung 10221673.

Ein Verfahren zum Eingießen eines Zylinderliners aus Grauguss in ein Zylindergehäuse aus einer Leichtmetalllegierung 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 wird und einen separaten Wassermantel aufweist. Der Zylinderliner ist in ein Zylindergehäuse aus einer Magnesiumlegierung unmittelbar eingegossen. Problematisch bei einem derartigen Zylindergehäuse ist, dass es hierbei leicht zu Verzügen oder Verformungen beim Gießen kommen kann.

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 Gussvefahren 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.

Die Aufgabe des Hauptpatents, einen Zylinderliner zum Eingießen in ein Zylindergehäuse vorzuschlagen, welcher hinsichtlich der Fertigungseigenschaften und der Prozesssicherheit beim Eingießen besonders vorteilhaft ist, wird dadurch gelöst, dass zur Aussteifung des Zylinderliners bei dessen Gießen zumindest an dessen einer Stirnseite Verstärkungen angeformt werden, die nach dem Eingießen des Zylinderliners wenigstens teilweise wieder entfernt werden. Ferner wird der Zylinderliner an der dem Zylinderkopf benachbarten Stirnseite mit einem umlaufenden Rahmen als Verstärkung versehen. Durch diese Aussteifungsmaßnahmen wird erreicht, dass trotz der hohen Fülldrücke und der extrem schnellen Befüllung der Gießform mit einem schmelzflüssigen Material während des Druckgussverfahrens keine Verformungen an dem einzugießenden Zylinderliner, insbesondere im Bereich der Hüllwand, auftreten und dieser exakt und prozesssicher mit dem Zylindergehäuse gießtechnisch verbunden ist.

Ausgehend davon wird die Aufgabe des vorliegenden Zusatzpatentes darin gesehen, einen Zylinderliner vorzusehen, mit dem eine gute Positionierung in der Gießform möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen jeweils vorteilhafte zweckmäßige Ausgestaltungen der unabhängigen Ansprüche.

Ein derartiger erfindungsgemäßer Gießform-Anlagebereich, dem in der Gießform selbst ein entsprechend ausgebildeter Widerlagerbereich zugeordnet ist, ermöglicht eine besonders einfache und sichere Positionierung des Zylinderliners in der Gießform, wobei die dadurch hergestellte formschlüssige Anlageverbindung zudem eine besonders vorteilhafte Versteifung ausbildet und somit verhindert, dass der Wasserraum des Zylindergehäuses während des Eingießens kollabiert. Zudem kann der Gießform-Anlagebereich und der zugeordnete Widerlagerbereich hier vorteilhaft so ausgebildet werden, dass auch eine dichte Anlageverbindung im geschlossenen Zustand der Gießform erreicht wird, was wiederum eine vorteilhafte Abdichtung zur Gießform hin bewirkt, um ein Eindringen von Schmelze in die Zylinderhohlräume, insbesondere in die Zylinderräume als solches und in den Wassermantelbereich, zuverlässig auszuschließen.

Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Anlagebereichs durch eine oder mehrere Abstufungen, denen ein entsprechend abgestuftes Gegenelement als Widerlagerbereich in der Gießform zugeordnet ist. Diese Abstufung kann an der dem Zylinderkopf zugewandten Seite des Rahmens durch einfache mechanische Bearbeitung erzeugt werden. Besonders bevorzugt ist hierbei die Ausbildung eines im Wesentlichen rechteckigen, rahmenförmigen Gießform-Anlagebereichs. Dieser Anlagebereich des Rahmens verläuft dabei wenigstens bereichsweise in etwa oberhalb eines der Hüllwand zugeordneten Rahmenbereichs, d. h., dass der Anlagebereich in diesem Fall im Bereich einer dem Zylinderkopf benachbarten Hüllwandstirnseite ausgebildet ist.

Je nach Anwendungsfall kann es zudem auch noch notwendig sein, mit zusätzlichen Abstützelementen im Bereich dünner Wände der Hüllwand (Stifte, Positivform des Wasserraumes etc.) ein Kollabieren der Hüllwand zu verhindern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher beschrieben.
Die anliegende schematische Zeichnung zeigt in
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-Kurbelgehäuse 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-Umlaufkühlung 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 and 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, was nachfolgend noch näher erläutert werden wird.
Die entgegengesetzt liegende, untere Verstärkung ist dadurch gebildet, dass die Zylinder 14 des Zylinderliners 20 mittels je einer Abschlusswand 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 Freiraum 28 für eine Pinole, insbesondere eine Ventilationspinole, der nicht näher dargestellten Gießform für das Zylinder-Kurbelgehäuse 10 dient. Die Ventilationspinole dient in üblicher Weise zur Schaffung von Ventilationsöffnungen im Kurbelgehäuse 16 zwischen den einzelnen Zylindern 14 der Brennkraftmaschine 10 und wird im Bereich der Lagerstühle vollständig mit der Schmelze umgossen.
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 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.
Wie dies insbesondere den 3 und 4 zu entnehmen ist, ist in den umlaufenden Rahmen 24 im Bereich eines freien Endes der Hüllwand 20b eine tieferliegende und umlaufende Abstufung 24a als Gießform-Anlagebereich eingearbeitet, der im Bereich der Anlagefläche 34 ein ebenfalls entsprechend ab gestuft ausgebildeter Widerlagerbereich 38a des Abdeckteils 38 der Gießform zum Ausbilden eines formschlüssigen Eingriffs zugeordnet ist, so dass der Zylinderliner beim Gießen wesentlich formsteifer ist und dementsprechend auch bei hohen Gießdrücken nicht kollabiert. Zudem wird hierdurch eine vorteilhafte Abdichtung gegenüber Schmelzeintritt in die Zylinderhohlräume erreicht. Diesen Effekt könnte ein der Hüllwand 20b folgendes und den späteren Wasserraum 20c definierendes Stützelement (nicht dargestellt) noch unterstützen. Das Stützelement könnte dabei im Wesentlichen der Form des späteren Wasserraumes 20c entsprechen und an das Abdeckteil 38 der Gießform angebunden sein.
Des weiteren wird ein unterer Schieber 40 der Gießform gegen die untere, bearbeitete Auflagefläche 36 gefahren und die Ventilationspinole 30 in den Freiraum 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 eine Grauguß-Legierung verwendet ist, kann eine Laufflächenbeschichtung der Zylinder 14 verwendet sein (z. B. durch Laseraufschmelzlegieren).

Claims

Zylinderliner zum Eingießen in ein Zylindergehäuse für eine flüssigkeitsgekühlte Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Hubkolben-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge, mit einem vorgegossenen Zylinderliner aus einem höherfesten Werkstoff, dessen Zylinder zur Ausbildung von die Zylinder umgebenden Wasserräumen mit einer Hüllwand umgeben sind, wobei zur Aussteifung des Zylinderliners bei dessen Gießen zumindest an dessen einer Stirnseite Verstärkungen angeformt sind, die an der dem Zylinderkopf benachbarten Stirnseite durch einen umlaufenden Rahmen gebildet sind, und wobei der so ausgesteifte Zylinderliner mittels eines Druckgussverfahren in ein äußeres Gehäuse eingegossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass am umlaufenden Rahmen (24) ein Gießform-Anlagebereich (24a) ausgebildet ist, der im in eine Gießform (38) eingesetzten Zustand des Zylinderliners (20) in einer formschlüssigen und/oder dichten Anlageverbindung an einem in der Gießform (38) ausgebildeten Widerlagerbereich (38a) anliegt.
Zylinderliner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagebereich (24a) durch eine Abstufung ausgebildet ist.
Zylinderliner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagebereich (24a) eine im wesentlichen rechteckige Form aufweist.
Zylinderliner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagebereich (24a) wenigstens bereichsweise im Bereich einer dem Zylinderkopf benachbarten Hüllwandstirnseite ausgebildet ist.
Zylinderliner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Hüllwand (20b) zusätzliche Abstützelemente vorgesehen sind.