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Kurbelgehäuse aus Leichtmetallguß Die Vorteile von Kurbelgehäusen
aus Leichtmetallguß, z. B. Leielitmetall-Druckguß, liegen in der Gewichtsersparnis
sowie der guten Wärmeleitfähigkeit und bei Magnesiumlegierungen darüber hinaus in
der guten Zerspanbarkeit der Leichtmetallwerkstoffe.
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Bei der Verwendung von Leichtmetallen für Kurbelgehäuse ergibt aber
die Maschine nach längerer Betriebsdauer spürbar laute Klopfgeräusche, die durch
das Spiel zwischen der Lagerschale bzw. den Sitzen der Lagerschale im Gußgehäuse
und der Kurbelwelle verursacht werden, wobei die Lagerschalensitze in steigendem
Maße unrund werden. Man hat versucht, die Geräusche dadurch zu verhindern, daß man
einen dickeren Ölfilm im Lager erzeugt. Da die Zähigkeit der öle aber mit steigender
Temperatur stark abnimmt, ist diese Lösung nicht befriedigend.
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Neuerliche Versuche zur Beseitigung der Geräusche gehen von der Betrachtung
der unterschiedlichen Wärrneausdehnungskoeffizienten von Leichtmetallen und Stahl
aus. über den Temperaturbereich, wie er bei den unterschiedlichen Maschinentemperaturen
vorliegt, dehnt sich das Leichtmetallgehäus'e an der Bohrung für das Kurbelwellenlager
gegenüber dem Lager bzw. dem stählernen Zapfen der Kurbelwelle um soviel mehr aus,
daß ein unerwünschtes Spiel zwischen Lager bzw. Lagerschalensitz und Welle entsteht.
Diese Lagerspieländerung ist temperaturabhängig und daher umkehrbar.
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Da die dynamische Schlagbeanspruchung der Lagerschale bzw. des Lagerschalensitzes
um so größer ist, je größer das Spiel zwischen Kurbelwellenzapfen und -lager
ist, werden die Geräusche gering sein, wenn bei der Bearbeitung die Lagerbohrungen
an der unteren Grenze der Toleranz angefallen sind, der Durchmesser des Zapfens
aber an der oberen ,Grenze der Toleranz liegt. Dagegen werden erhebliche Geräusche
auftreten bei uniaekehrten Verhältnissen der Toleranzen und besonders dann, wenn
verhältnismäßig hohe Temperaturen erreicht werden.
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Nach einem bekanntgewordenen Vorschlag ist man bestrebt, das Problem
der unterschiedlichen Wärmeausdehnung durch einen besonders hergestellten Lagerdeckel
zu lösen. Nach dieser auf der Wirkung von Bimetallen beruhenden Bauart wird die
Ausdehnung des Lagers durch Eigenspannungen ausgeglichen, die zwischen einem Aluminiumdeckel
und einem aufgegossenen Stahlstreifen entstehen. In völlig befriedigender Weise
kann aber durch diese Maßnahmen das Ausschlagen der Sitze der Lagerschalen nicht
verhindert und das damit verbundene Geräuschproblem nicht gelöst werden.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß das Ausschlagen der
Sitze der Lagerschalen nicht nur oder doch zumindest nicht allein und ausschlaggebend
auf die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Leichtmetallen und Stahl
zurückzuführen ist, wie der vorstehend erwähnte Versuch der Lösung des Problems
unterstellt. Vielmehr kommt es durch die eigentümliche Schlagbeanspruchung der Lagerschale
bzw. der Oberfläche des Sitzes der Lagerschale nach längerer Betiiebsdauer zu einem
fortlaufend größeren. die Geräusche verursachenden, nicht zurückführbaren Spiel
zwischen der Kurbelwelle und dem Sitz der Lagerschale, das durch eine plastische
Verformung des Gehäuses am Sitz der Lagerschale herbeigeführt wird.
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Die an gesondert gegossenen Prüfstäben ermittelten Werte der Druckelastizitätsgrenze
und der Quetschgrenze liegen bei Leichtinetallgußwerkstoffen schon recht niedrig;
be; der bekannten Magnesium-, ßlegierung AZ91 mit etwa 9% Aluminium, 1% au
bl Zink und 0,151/o Mangan beträgt die Druckelastizitätsgrenze für Kokillenguß etwa
5 1,izlmm'2, die Quetschgrenze 11 kg/mm2; die eutektische Alum-inium-Silicium-Legierun-
hat eine Ouetsch-renzevon 6,5 kgimm2. Im fertigen Gußteil liegen die Werte
aber roch ungünstiger, weil die in Rede stehenden gefährdeten Stellen der Sitze
der Lagerschalen beim Guß schwer zu speisen sind und daher Lunker enthalten.
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In Erkenntnis dieser Zusammenhänge liegt der Erfindung der Gedanke
zu-runde, das Ausschlagen des Leichtmetallgußgehäuses am Sitz der Lagerschaler.
dadurch zu beseitigen, daß an den gefährdeten
Stellen Einsätze
aus einem durch Knetverformung verdichteten Werkstoff mit höherer Ouetschgrenze
eingesetzt werden, wobei durch die geometrische Gestalt der Einsätze die gefährliche
BeanspruchLing auf eine größere Fläche des Gußwerkstoffs verteilt wird.
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Die bekannte Aluminiumknetlegierung der Gattung AlCuMg hat eine Quetschgrenze
von 32 bis 38 kg/MM2. Strangpreßteile der Magnesiumlegierung AZ855
mit etwa SO/o Aluminium, 0,5% Zink und 0,15"/o Mangan haben in Längs- und Querrichtung
eine Quetschgrenze von etwa 18 kg/MM2, in vertikaler Richtung zur Strangpreßrichtung
sogar eine solche von 26,5 kg/MM2. Darüber hinaus haben die gekneteten Legierungen
auch eine größere Gleichmäßigkeit in den Festigkeitswerten und sind völlig frei
von Lunkern und Poren.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Kurbelgehäuse aus Leichtmetallguß,
z. B. Leichtmetall-Druckguß, für schnellaufende Kolbenkraftmaschinen, insbesondere
Kolbenbrennkraftmaschinen, mit Einsätzen aus einem Werkstoff höherer Festigkeit
als dem des gegossenen Leichtmetalls des Kurbelgebäuses an den die Lager- bzw. Lagerstützschalen
aufnehmenden Stellen der Kurbelgehäusequerwände. Die Erfindung besteht darin, daß
der Werkstoff der Einsätze ein geknetetes Leichtmetall mit einer gegenüber dem des
gegossenen Leichtmetalls des Kurbelgehäuses höheren Quetschgrenze ist und daß die
Einsätze durch innige Verbindung mit dem Kurbelgehäuse, vorzugsweise durch Eingießen,
Bestandteil des Kurbelgehäuses sind.
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Im Hinblick auf die gegebenenfalls hohen Maschinentemperaturen wird
man für die Einsätze solche Leichtmetallknetwerkstoffe wählen, die auch eine möglichst
hohe Warmquetschgrenze haben.
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Als Werkstoffe für das Kurbelgehäuse dienen bekannte Aluminiumgußlegierungen
oder Magnesiumgußlegierungen. Für die Einsätze können sowohl Aluminiumknetlegierungen
als auch Magnesiumknetlegierungen verwendet werden.
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Wenn man als Werkstoff für die Einsätze eine Magnesiumknetlegierung
verwendet, wird man die erwähnte Anisotropie des verkneteten Werkstoffs hinsichtlich
der Quetschgrenze insofern ausnutzen, daß man den Einsatz in der Weise ausbildet,
daß der höchste Wert der Quetschgrenze in der Beanspruchungsrichtung liegt.
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Die erfindungsgemäße Fertigung der Einsätze aus einem Leichtmetallpreßteil
bezweckt, dem Werkstoff des Gehäuses an den Stellen der Gehäusequerwände, die die
Lagerschalen bzw. Lagerstützschalen aufnehmen, eine höhere Quetschgrenze zu verleihen,
als sie die Leichtmetallgußwerkstoffe aufweisen, da die vollkommene Lösung einer
Fertigung des Gehäuses nur aus einem Leichtmetallknetwerkstoff aus Kostengründen
nicht in Betracht kommt.
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Da die Anbringung und Befestigung des Lagers einschließlich der Lagerschale
bzw. Lagerstützschale in dem Kurbelgehäuse gemäß der Erfindung in der gleichen Weise
erfolgt wie bei Kurbelgehäusen aus Leichtmetallguß, die nicht mit den Einsätzen
gemäß der Erfindung versehen sind, müssen die Einsätze durch eine mittels mechanischer
Befestigung, z. B. durch Verschrauben oder Einschrumpfen, am besten aber durch Eingießen,
hergestellte, innig haftende Verbindung bleibender Bestandteil des Kurbelgehäuses
sein. Die erfindungsgemäßen Einsätze sind daher nicht vergleichbar mit bekannten
Einsätzen oder Lagerschildhälften, die ohne weiteres herausnehmbar sind.
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Ausführungsformen der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein stranggepreßtes Profil aus der Magnesiumlegierung
AZ855 in Schrägansicht, Fig. 2 einen Einsatz im Querschnitt, F i g. 3 ein
Kurbelgehäuse mit dem erfindungsgemäßen Einsatz; F i g. 4 bis 6 zeigen
andere Einsätze im Querschnitt.
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Das in Fig. 1 gezeigte Profil weist in der durch den Pfeil
angedeuteten senkrechten Richtung zur Strangpreßrichtung die hohe Quetschgrenze
von 26,5 kg/MM2 auf; man erhält also Einsätze gemäß F i g. 2 mit hoher
Quetschgrenze in der Beanspruchungsrichtung, wenn man sie aus einem solchen Profil
durch Quersägeschnitte herausarbeitet.
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In F i g. 3 sind bezeichnet mit 1 die Kurbelwelle, mit
2 das Lager, mit 3 der Einsatz aus einem Leichtmetallpreßteil mit der geometrischen
Gestalt gemäß F i g. 2 und mit 4 das Gehäuse aus Leichtmetallguß für die
Aufnahme der Einsätze. Die Bezeichnung des Teils 2 als Lager soll das Vorhandensein
einer Lagerschale bzw. Lagerstützschale einschließen; auch soll die Laufschicht
des Lagers in bekannter Weise aus mehreren Schichten unterschiedlicher Metalle bestehen
können.
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Gegenüber Lagersitzen bzw. Lagerschalensitzen ohne Einsätze wird der
Druck auf die durch den Unterschied der Maße mi und m. bestimmte größere Fläche
des Gußwerkstoffs verteilt.
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Die sichere Verankerung von vorzugsweise eingegossenen Einsätzen kann
in an sich bekannter Weise dadurch erfolgen, daß man ihre Verankerungsflächen mit
dem Gußwerkstoff riffelt und/oder an ihnen Nuten oder schwalbenschwanzförmige Ansätze
anbringt. Sie kann auch durch Aufbringung eines überzugs aus einem niedrigschmelzenden
Metall, bei Magnesiumknetlegierungen z. B. Blei, Cadmium, Zinn, insbesondere aber
Zink, auf die Verankerungsfläche erfolgen, wonach sich das Überzugsmetall beim Umgießen
mit dem Gußwerkstoff legiert. Man kann auch beide Maßnahmen miteinander verbinden.
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Die F i g. 4 zeigt einen Einsatz, dessen Verankerungsfläche
mit dem Gußwerkstoff Riffelungen 5 aufweist. Der Einsatz gemäß F i
g. 5 weist drei hinterschnittene Nuten 6 auf, in die der Gußwerkstoff
beim Umgießen eindringt. Die F i g. 6 zeigt einen Einsatz mit zwei schwalbenschwanzförmigen
Ansätzen 7, die sich im Gußwerkstoff verankern.
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Wenn man Einsätze aus einem Knetwerkstoff verwendet, der gleich oder
ähnlich zusammengesetzt ist wie der Gußwerkstoff, hat das den Vorteil, daß beim
Wiedereinschmelzen von Ausschuß keine Fehlchargen entstehen und daß bei der Fertigbearbeitung
des Gehäuses keine Schwierigkeiten auftreten und die dabei anfallenden Späne bedenkenlos
dem übrigen Kreislauf der Werkstoffe zugeleitet werden können.
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Die Anordnung von besonders gefertigten Einsätzen in Gußteileii für
eine Vielzahl von Zwecken, unter anderem zur Erzielung zusätzlicher mechanischer
Festigkeiten, ist bekannt. Für das nach der Erfindung vorliegende Problem fehlte
aber die Erkenntnis über die mangelnde Druckfestigkeit des
Gußwerkstoffs;
in anderer Richtung angestellte Versuche zur Lösung des Problems waren vielmehr
geeignet, von der Möglichkeit dieser Erkenntnis abzulenken.