DE10330444A1 - Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfs für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfs für eine Brennkraftmaschine zeichnet sich durch Druckgießen unter Einbettung mindestens eines Rohlings (1) aus Fasermaterial zur Verstärkung einer durch Druckgießen bereitgestellten metallischen Matrix aus. Dabei kann vorgesehen sein, daß der Rohling (1) vor dem Druckgießen in einer Druckgußform angeordnet wird. Der Rohling (1) kann beim Druckgießen infiltriert werden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird dem mindestens einen Rohling (1) eine Verbindung mit einem Druckguß-Unterteil bereitgestellt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfs für eine Brennkraftmaschine, einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine sowie einen Rohling zur Herstellung eines Zylinderkopfs für eine Brennkraftmaschine.
• Für die Herstellung von Zylinderköpfen für Brennkraftmaschinen, beispielsweise für Kraftfahrzeuge, kommen unterschiedliche Verfahren zur Anwendung, um Ausgangsmaterial in eine geeignete solide Form zu bringen.
• Hierzu wird beispielsweise in der DE 41 19 594 A1 ein Zylinderkopf beschrieben, der nach einem Druckgußverfahren aus Aluminium hergestellt wird. Der auf diese Weise hergestellte Zylinderkopf ist demnach hinsichtlich seiner Materialbeschaffenheit homogen ausgebildet.
• Bei der Wahl für ein Herstellungsverfahren für einen Zylinderkopf ist zu beachten, daß insbesondere die Bereiche des Brennraumes während des Betriebes besonders hohen Belastungen ausgesetzt sind.
• In der Druckschrift DE 41 24 811 C1 wird ein Zylinderkopfgehäuse aus Aluminium-Werkstoff gegossen. Zudem ist eine separate brennraumseitige Bodenplatte, die vorzugsweise reibgeschweißt wird und aus hochwarmfestem Werkstoff besteht, vorgesehen.
• Bei dem in der Druckschrift DE 43 28 619 C2 vorgestellten Verfahren zur Herstellung eines Al-Gußbauteils wird vorgeschlagen, beim Eingießen ein Verstärkungsteil zu umschließen, das aus einem sprühkompaktierten Al-Werkstoff besteht.
• Von Maschinenbauteilen, wie bspw. Zylinderköpfen, werden hinsichtlich des Betriebs bzw. der Langlebigkeit hohe Anforderungen abverlangt. Diese kann der Zylinderkopf durch eine entsprechende Ausgestaltung, die nicht zuletzt durch die Herstellung beeinflußt wird, erfüllen.
• Zur Verbesserung der Ausgestaltung eines Zylinderkopfs wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfs für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Zylinderkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie ein Rohling für eine Herstellung eines Zylinderkopfs für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfs für eine Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, daß der Rohling vor dem Druckgießen in einer Druckgußform angeordnet wird. Auf diese Weise ist ein Zylinderkopf mit hoher Stabilität herzustellen.
• Der Rohling kann beim Druckgießen infiltriert werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird für den Rohling eine Verbindung mit einem Druckguß-Unterteil bereitgestellt.
• Der Rohling kann durch Stricken, Weben und/oder Flechten als engmaschiges Gewirk in Form einer Matte hergestellt werden.
• Bei dem so hergestellten erfindungsgemäßen Zylinderkopf kann die metallische Matrix als Aluminiummatrix oder aus einem entsprechenden leichten und/oder stabilen, gut verarbeitbaren insbesondere metallischen Material ausgebildet sein. Dabei kann in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß in den Zylinderkopf zur Verstärkung ausschließlich Fasermaterial eingebettet ist. Somit kann auf Kernsand bzw. Sandkerne, wie sie ansonsten bei Druckgußverfahren zur Herstellung derartiger Teile benutzt werden, völlig verzichtet werden. Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise, daß sowohl das Verfahren zur Herstellung als auch der somit hergestellte, erfindungsgemäße Zylinderkopf verbessert werden.
• Der erfindungsgemäße Rohling aus Fasermaterial für eine Herstellung eines Zylinderkopfs weist in bevorzugter Ausgestaltung mindestens abschnittsweise proportional weitgehend dieselbe Formgestaltung wie der Zylinderkopf auf. Somit wird zur Durchführung des Herstellungsverfahrens als auch zur Verstärkung bzw. Stabilisierung des Zylinderkopfs ein hohen Anforderungen erfüllendes Gerüst bereitgestellt. Es kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, daß der Rohling allenfalls jedoch mindestens abschnittsweise dieselben bzw. analoge strukturelle Merkmale wie das Endprodukt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Zylinderkopfs aufweist. Hierbei kann zudem vorgesehen sein, daß das Fasermaterial, aus dem der Rohling ausgebildet ist, mindestens in jenen Bereichen des Zylinderkopfs, die während des Betriebes besonderen Belastungen ausgesetzt sind, in hinreichender Dichte und/oder in entsprechender Qualität angeordnet ist.
• Zur Bereitstellung einer derartigen Qualität kann der Rohling. in bevorzugter Ausgestaltung aus einem Multifaserkörper mit mindestens einem eingearbeiteten Metallfaden ausgebildet sein, wobei der mindestens eine Metallfaden als sich partiell mehrmals überkreuzend ausgebildet ist. Ein derartiger Metallfaden ist bspw. mittels Widerstandschweißen herzustellen.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Rohling aus einem porösen Faserkörper, bspw. aus einem vorzugsweise engmaschigen Kohlefasergewirk, ausgebildet sein. Dabei kann der Rohling gemäß eines Textilverarbeitungsverfahrens, wie es bei der Herstellung faserigen Materials zur Anwendung kommen kann, wie Stricken, Weben und/oder Flechten hergestellt werden. In einer beispielhaften Ausführungsvariante kann der Rohling die Form einer Matte aufweisen, aus der kreisförmige Scheiben ausstanzbar sind. Somit können bereits bei der Herstellung des Rohlings beim fertigen Zylinderkopf vorhandene Öffnungen berücksichtigt werden.
• Der Zylinderkopf für eine beispielsweise flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine kann mit Einlaß- und Auslaßventilen sowie Einlaß- und Auslaßkanälen und Zündkerzen, ferner mit einer Druckölpumpe, die in eine Ölwanne der Brennkraftmaschine von Ventiltriebteilen abfließende Schmieröle zurück in den Zylinderkopf fördert, ausgebildet sein. Ebenfalls kann der Zylinderkopf eine Trennwand im Bereich zwischen Zylinderkopf und Zylinderkopfhaube aufweisen, wobei die Trennwand einen die Ventiltriebteile aufweisenden Schmierölraum von einem Kühlraum trennt, der von einem die zylinderkopfseitige Brennraumwand und Auslaßkanäle kühlenden Kühlmedium durchströmt wird.
• Es ist bekannt, Zylinderköpfe durch ein Kokillengußverfahren herzustellen. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, Zylinderköpfe durch ein Druckgußverfahren herzustellen, ergibt sich vorteilhafterweise, daß auf Kernsand bzw. Sandkerne verzichtet werden kann.
• Außerdem sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Zylinderkopfs kürzere Taktzyklen erreichbar. Die Reproduzierbarkeit erfindungsgemäßer Zylinderköpfe wird erhöht, außerdem wird deren Maßgenauigkeit verbessert. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert geringe Bearbeitungsumfänge, auch für eine evtl. Nachbearbeitung somit hergestellte Zylinderköpfe. Zudem ist das Druckgußverfahren wesentlich preiswerter als das Kokillengußverfahren durchführbar.
• Um sicherzustellen, daß die Festigkeit, insbesondere im Bereich des Brennraums des Zylinderkopfs, sofern er aus einem herkömmlichen Druckguß ausgebildet wäre, ausreichend ist, ist in weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, diesen Bereich durch einen porösen Faserkörper bzw. einen Rohling aus Fasermaterial, der beim Druckgießen eingebettet bzw. infiltriert wird, zu unterstützen.
• Hierbei kann der Zylinderkopf im Bereich des Brennraums analog einer Opendeck-Konstruktion für einen Wassermantel (kreisringförmig offen für Wasser) gestaltet sein. Hinterschneidungen, die einen Kern benötigen würden, können somit vermieden werden.
• Der erfindungsgemäße bzw. erfindungsgemäß herstellbare Zylinderkopf ist trotz des Vorhandenseins des Rohlings aus Fasermaterial bzw. des porösen Faserkörpers preiswerter als vergleichbare Zylinderköpfe, die im Kokillengußverfahren hergestellt wurden. Zudem bietet ein vorzugsweise aus Kohlefasergewirk ausgebildeter Faserkörper, der in eine Aluminiummatrix eingebettet ist, eine höhere Festigkeit für den erfindungsgemäßen Zylinderkopf als ein vergleichbarer Zylinderkopf aus einem Kokillengußwerkstoff.
• Des weiteren erweist sich eine Verbindung des erfindungsgemäßen Rohlings, der beispielsweise als Multifaserkörper ausgebildet sein kann, mit einem Druckguß-Unterteil als besonders vorteilhaft. Während des Betriebs des Zylinderkopfs ermöglicht der erfindungsgemäße Multifaserkörper (Rohling aus Fasermaterial) eine Verbesserung von Dauerhochtemperaturfestigkeit, Druckfestigkeit und Dehnfähigkeit des Zylinderkopfs.
• Während der Herstellung wird der insbesondere als Multifaserkörper ausgebildete Rohling vor dem Schließen von Formwerkzeugen in eine Druckgießform für den Zylinderkopf eingelegt. Da insbesondere beim Druckgießen eine Metallschmelze den Rohling bzw. Multifaserkörper schußartig belastet und durchdringt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Rohling bzw. Multifaserkörper ausreichend mechanisch steif auszubilden. Dies wird mit der erfindungsgemäßen Maßnahme, in den Rohling bzw. Multifaserkörper einen Metallfaden einzuarbeiten, erreicht.
• Grundsätzlich ist es möglich, anstelle eines Faserkörpers eine modifizierte sprühkompaktierte Körperausführung einzusetzen, die analog zu Zylinderlaufbuchse mit übereutektischen Siliziumanteil beim Anschmelzvorgang fest mit dem Druckgußwerkstoff verbunden wird. Durch geeignete Legierungselemente entstehen beim Sprühkompaktieren Festigkeiten im Bereich von 800 N/m².
• Heutige Brennraumtemperaturen liegen maximal im Bereich von ca. 280 °C im zylinderkopfseitigen Brennraumbereich. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist ein einfacheres Handling beim Eingießen in die Druckgußform und die Möglichkeit, auf bestehende Erfahrungen mit Einlegeteilen bei Druckgießern zurückreifen zu können.
• Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
• Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
• Dabei zeigt:
• 1 Eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung – eine prinzipielle Darstellung eines Gießwerkzeugs.
• 1 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines Gießwerkzeuges zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Zylinderkopfs unter Berücksichtigung eines erfindungsgemäßen Rohlings 1 zur Herstellung des erfindungsgemäßen Zylinderkopfs. Dabei beinhaltet die Darstellung von 1 den Rohling 1 (Zylinderkopf-Rohling), Brennräume 3 innerhalb des Zylinderkopfs, einen Gießlauf 5 sowie einen Preßrest 7. Ein Faserkörper zur Bereitstellung des Zylinderkopfrohlings 1 ist durch Stricken, Weben und/oder Flechten und dergleichen aus einem insbesondere engmaschigen Gewirk, welches als Matte ausgebildet sein kann, herstellbar.
• Bei Großserieneinsatz sind aus diesem Zylinderkopfrohling 1 durch Ausstanzen Preßreste 7, die als kreisförmige Scheiben ausgebildet sein können, heraus zu arbeiten. Auf diese Weise sind in den Zylinderkopfrohling 1 Öffnungen einbringbar, die bei einem Endprodukt, dem fertigen Zylinderkopf, nach erfolgtem Druckgießen als Öffnungen beispielsweise für Brennräume 3 oder in weiterer Ausgestaltung für Kanäle ausgebildet sein können.
• Dabei kann in einer weiteren Variante der Erfindung vorgesehen sein, daß der Faserkörper (Zylinderkopf-Rohling) kalottenförmig ausgebildet ist. Zudem besitzt der Faserkörper ungefähr mittig eine Aufnahmeöffnung für vollautomatisches Einlegen (Handling) in ein Druckgießwerkzeug, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Zylinderkopfs durchführbar ist.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopfs für eine Brennkraftmaschine, bei dem mindestens ein Rohling (1) aus Fasermaterial zur Verstärkung einer durch Druckgießen bereitgestellten metallischen Matrix in eine Druckgußform eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine Rohling (1) vor dem Druckgießen durch Stricken, Weben und/oder Flechten als engmaschiges Gewirk in Form einer Matte hergestellt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der mindestens eine Rohling (1) beim Druckgießen infiltriert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem für den mindestens einen Rohling (1) eine Verbindung mit einem Druckguß-Unterteil bereitgestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der mindestens eine Rohling (1) gemäß eines Textilverarbeitungsverfahrens hergestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der mindestens eine Rohling (1) in Form einer Matte ausgebildet wird, aus der kreisförmige Scheiben (7) ausgestanzt werden.
7. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, aus einem Druckgußkörper aus einer metallischen Matrix, in die zur Verstärkung zumindest ein Rohling (1) aus Fasermaterial eingebettet ist.
8. Zylinderkopf nach Anspruch 7, bei dem die metallische Matrix als Aluminiummatrix ausgebildet ist.
9. Zylinderkopf einem der Ansprüche 7 oder 8, in den zur Verstärkung ausschließlich Fasermaterial eingebettet ist.
10. Rohling aus Fasermaterial für eine Herstellung eines Zylinderkopfs für eine Brennkraftmaschine durch Druckgießen, zur Verstärkung einer metallischen Matrix des Zylinderkopfs, der in die metallische Matrix einzubetten ist.
11. Rohling nach Anspruch 10, der zumindest abschnittsweise dieselbe Form wie der Zylinderkopf aufweist.
12. Rohling nach einem der Ansprüche 10 oder 11, der aus einem Multifaserkörper mit mindestens einem eingearbeiteten, sich partiell mehrmals überkreuzenden Metallfaden ausgebildet ist.
13. Rohling nach Anspruch 12, bei dem der Metallfaden mittels Widerstandschweißung herstellbar ist.
14. Rohling nach einem der Ansprüche 10 oder 11, der aus einem porösen Faserkörper ausgebildet ist.
15. Rohling nach einem der Ansprüche 10 oder 11, der aus einem engmaschigen Kohlefasergewirk ausgebildet ist.