DE19857390C1 - Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit Zylinderlaufbuchsen aus einem überwiegend eisenhaltigen Gußwerkstoff sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen: DOLLAR A In einem ersten Verfahrensschritt werden die Zylinderlaufbuchsen in einer Gießform für das Kurbelgehäuse mit dem Kurbelgehäuse-Werkstoff umgossen. DOLLAR A In einem zweiten Schritt wird, nach dem Abkühlen des Verbunds aus Kurbelgehäuse und Zylinderlaufbuchsen, eine Grobbearbeitung von inneren Laufflächen der Zylinderlaufbuchsen durchgeführt. DOLLAR A In einem dritten Schritt wird der Verbund aus Kurbelgehäuse und Zylinderlaufbuchsen über eine gewisse Haltezeit bei erhöhter Temperatur warm gelagert. DOLLAR A In einem vierten Schritt werden die Zylinderlaufbuchsen auf die endgültige geometrische Form und auf das endgültige Maß fertigbearbeitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses für eine Brennkraftmaschine aus einem überwiegend aluminiumhaltigen Werkstoff nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Aufgrund der Vorteile bezüglich des Gewichts ist es allgemein bekannt und üblich, Kurbelgehäuse aus Alu­ minium bzw. Aluminiumlegierungen herzustellen. Wegen der hohen mechanischen Belastungen der Zylinderlauf­ flächen werden in Kurbelgehäuse aus Aluminiumwerkstof­ fen häufig Zylinderlaufbuchsen aus einem härteren, verschleißfesteren Material eingegossen. Diese Zylin­ derlaufbuchsen bestehen dabei in den meisten Fällen aus einem überwiegend eisenhaltigen Gußwerkstoff, wie z. B. Grauguß. Wegen seines hohen Anteiles an Graphit bietet Grauguß außerdem bei einem kurzzeitigen Ausfall der Schmierung ausreichende Notlaufeigenschaften.

In der Praxis werden die Aluminium-Kurbelgehäuse mit den eingegossenen Zylinderlaufbuchsen prinzipiell durch die zwei nachfolgend beschriebenen Verfahrens­ schritte gefertigt.

Die Aluminium-Kurbelgehäuse werden z. B. durch Druck­ gießen hergestellt, wobei die z. B. aus Grauguß beste­ henden Zylinderlaufbuchsen vorher in die Gießform ein­ gelegt werden. Nach dem Abkühlen des Kurbelgehäuses mit den eingegossenen Zylinderlaufbuchsen werden die Laufflächen der Zylinderlaufbuchsen auf ihr endgülti­ ges Maß bearbeitet.

Dieses Verfahren wirft allerdings einige technische Probleme auf. Eines der Probleme kommt durch die un­ terschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Graugußbuchse und des Aluminium-Kurbelgehäuses zustande. Wenn sich das Kurbelgehäuse, z. B. im Betrieb der Brennkraftmaschine, erwärmt, dehnt sich das Alumi­ nium-Kurbelgehäuse stärker aus als die Graugußbuchse und es bildet sich zwischen der Buchse und dem Kurbel­ gehäuse Spannungen. Diese Spannungen können letztend­ lich sogar zu einer Deformation der Zylinderbohrung und zu Problemen mit den in diesen Bohrungen laufenden Kolben führen.

Ein zweites technisches Problem beim Einsatz von Alu­ minium-Kurbelgehäusen mit Zylinderlaufbuchsen entsteht jedoch durch die Materialeigenschaften des Aluminium­ werkstoffes selbst. Ein Aluminiumwerkstoff lagert sich nämlich im Laufe der Zeit aus, was in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit stattfindet. Dies bedeutet, daß der Aluminiumwerkstoff durch Rekristallisationsvorgän­ ge ein wenig wächst. Die Zylinderlaufbuchse aus Grau­ guß zeigt dieses Verhalten dagegen nicht. Deshalb wird im Laufe des Betriebs der Brennkraftmaschine ein aus­ lagerungsbedingter Spalt zwischen dem Grauguß und dem Aluminium auftreten. Der Spalt zwischen Zylinderlauf­ buchse und Aluminiumwerkstoff des Kurbelgehäuses wird sich, auch beim Einsatz von Graugußbuchsen, während des Motorbetriebs vergrößern und es können Probleme bezüglich der geometrischen Maßhaltigkeit der Zylin­ derlaufbuchsen auftreten, welche weitere Probleme und Störungen nach sich ziehen.

Dieser zwischen Zylinderlaufbuchse und Kurbelgehäuse entstehende Spalt verursacht neben seinem negativen mechanischen Einfluß auf das Laufverhalten der Kolben auch noch große thermische Probleme in den Zylinder­ laufbuchsen. Durch den Luftspalt erfolgt eine thermi­ sche Isolation zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem die Laufbuchse umgebenden Kurbelgehäuse aus Aluminium­ werkstoff. Da die zur Kühlung der Zylinder vorgesehe­ nen Kühlkanäle jedoch nur in dem Kurbelgehäuse ange­ bracht sind, kann die Kühlung der Zylinderlaufbuchse durch den isolierenden Luftspalt nicht mehr gewährlei­ stet werden. Dies kann zu thermischen Problemen, wie thermischem Verzug oder gar einem Blockieren des Kol­ bens in der Zylinderbohrung führen.

In der Sonderausgabe der Automobiltechnischen/Motor­ technischen Zeitung (ATZ/MTZ), 1997, S. 76 zur Mercedes-Benz A- Klasse ist ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Zylinderlaufbuchse als sogenannte Rauhgußbuchse ausgeführt ist. Dies bedeutet, daß die Zylinderlauf­ buchse außen eine gußrauhe Struktur aufweist. Beim Umgießen mit dem Aluminiumwerkstoff des Kurbelgehäuses kommt es zu einer mechanischen Verzahnung zwischen dem die Rauhgußbuchse umströmenden Aluminiumwerkstoff und den Oberflächenrauhheiten der Buchse. Dadurch kann sich das Aluminium nach der Abkühlung mechanisch mit der Rauhgußbuchse verklammern, da es prinzipiell zu keinen metallurgischen Verbindungen zwischen Aluminium und Grauguß kommen kann. Mit diesem Aufbau lassen sich die oben beschriebenen Probleme bezüglich der Spalt­ bildung zwar teilweise verringern, aber es kommt hier zu teilweise sehr hohen Materialspannungen zwischen dem Kurbelgehäuse und der starren Zylinderlaufbuchse aus Grauguß, die sich bei deren Endbearbeitung in nachteiliger Art und Weise abbauen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, bei welchem der Herstellungsprozeß des Kurbelgehäuses aus überwiegend Aluminiumwerkstoff mit eingegossenen Zylinderlaufbuchsen aus eisenhaltigem Gußwerkstoff so beeinflußt werden kann, daß eine ther­ mische Anbindung der Zylinderlaufbuchsen zum Kurbelge­ häuse und die geometrische Maßhaltigkeit der Zylinder­ laufbuchsen während des Betriebes der Brennkraftma­ schine gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im An­ spruch 1 beschriebenen Verfahrensschritte gelöst.

Wie auch im Stand der Technik werden in einem ersten Verfahrensschritt die Zylinderlaufbuchsen mit dem Ma­ terial des späteren Kurbelgehäuses umgossen.

Nach dem Abkühlen des Verbunds aus Zylinderlaufbuchsen und Kurbelgehäuse erfolgt in einem zweiten, erfin­ dungsgemäßen Verfahrensschritt ein Vorbearbeiten der eingegossenen Zylinderlaufbuchse, indem die Zylinder­ bohrung durch spanende Bearbeitung erweitert wird. Die Wandung der Zylinderlaufbuchse wird also auf eine ge­ genüber ihrem Ausgangszustand dünnere Wandstärke abge­ tragen. Durch diesen erfindungsgemäßen Verfahrens­ schritt wird erreicht, daß die Zylinderlaufbuchse durch die dünnere Wandstärke eine höhere Elastizität als vor der Vorbearbeitung aufweist. Die Dicke der nach der Vorbearbeitung verbleibenden Wandstärke, muß dabei so gewählt werden, daß nach dem nachfolgenden Verfahrensschritt auch für die später erfolgende Fer­ tigbearbeitung der Zylinderlaufbuchse noch ausreichend viel Material zur Verfügung steht.

Die erhöhte Elastizität und Flexibilität der Zylinder­ laufbuchse offenbart ihre besonders günstigen Eigen­ schaften erst im nachfolgenden Verfahrensschritt.

Als nachfolgender, in seinem Prinzip bekannter Verfah­ rensschritt erfolgt ein Warmauslagern des Verbunds aus Kurbelgehäuse und Zylinderlaufbuchsen. Bei diesem Warmauslagern bzw. Stabilisierungsglühen kommt es praktisch zu einer künstlichen Alterung des Aluminium­ werkstoffes des Kurbelgehäuses. Das Kurbelgehäuse er­ fährt dabei einen auf der Rekristallisation des über­ wiegend aluminiumhaltigen Werkstoffes beruhenden Wachstumsprozeß, der durch die Variation der Tempera­ tur und Haltezeit so beeinflußt werden kann, daß er bei der Beendigung des Warmauslagerns praktisch abge­ schlossen ist.

Der Wachstumsprozeß des Aluminiums findet also nicht wie bisher im Betrieb der Brennkraftmaschine statt, sondern wird praktisch unter kontrollierten Bedingun­ gen in der Herstellung des Kurbelgehäuses vorweggenom­ men.

Dadurch, daß die Zylinderlaufbuchse bis auf ein klei­ nes Aufmaß vorbearbeitet ist, wird sie elastischer und kann sich dem Wachstumsprozeß des Aluminiums besser anpassen. Dadurch treten weitaus weniger Materialspan­ nungen auf, als dies bei nicht vorbearbeiteter Zylin­ derlaufbuchse der Fall wäre.

Nach dem Warmauslagern bzw. Stabilisierungsglühen fin­ det eine Fertigbearbeitung der Zylinderlaufbuchsen statt. Dabei wird die innere, später dem Kolben zuge­ wandte Oberfläche der Zylinderlaufbuchsen auf das end­ gültige Maß und die erforderliche Rundheit fertigbear­ beitet.

Da der Alterungsprozeß des Aluminiums durch das Warm­ auslagern bzw. Stabilisierungsglühen bereits vorwegge­ nommen wurde, wird das fertige Kurbelgehäuse weitaus weniger innere Spannungen zwischen der Zylinderlauf­ buchse und dem Aluminiumwerkstoff des Kurbelgehäuses aufweisen, und es wird die Rundheit der Zylinder auch über einen längeren Zeitraum weitaus besser halten.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Zylinderlaufbuchsen aus Rauhguß ausgeführt. Die beiden Werkstoffe können sich durch den Wachstumsprozeß des Kurbelgehäuses und das elasti­ sche Nachgeben der Zylinderlaufbuchse so miteinander verklammern, daß es im Betrieb des Motors zu keinem oder nur noch zu einem minimalen bzw. punktuell einge­ schränkten Spalt zwischen dem Kurbelgehäuse und der Zylinderlaufbuchse aus Rauhguß kommen wird. Die Be­ triebseigenschaften des Motors können dadurch erheb­ lich verbessert werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem nachfol­ gend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen Teil eines Kurbelgehäuses mit eingegossenen Zylinderlauf­ buchsen; und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie II-II in Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein Kurbelgehäuse 1 für eine Brennkraft­ maschine (nicht dargestellt) mit drei eingegossenen Zylinderlaufbuchsen 2 dargestellt. Das Kurbelgehäuse 1 besteht aus einer Aluminiumlegierung, die Zylinder­ laufbuchsen 2 aus sogenanntem Rauhguß. Rauhguß bedeu­ tet hierbei, daß eine dem Kurbelgehäuse 1 zugewandte Oberfläche 3 der Zylinderlaufbuchsen 2 aus Rauhguß, in ihrer gußrauhen Oberflächenstruktur verbleibt. Durch diese gußrauhe Oberfläche 3 der Zylinderlaufbuchse 2 kann sich eine innere Oberfläche 4 des Kurbelgehäuses 1 aus einer Aluminiumlegierung mechanisch sehr gut mit der Oberfläche 3 der Zylinderlaufbuchse 2 verklammern.

In Fig. 2 ist eine weitere Schnittdarstellung durch das Kurbelgehäuse 1 dargestellt.

Bei ihrem Herstellungsprozeß werden die Zylinderlauf­ buchsen 2 mit einer gegenüber dem endgültigen Zustand größeren Wandstärke hergestellt. In den Fig. 1 und 2 wird dies durch eine punktierte Linie 5 angedeutet.

Bei der Herstellung wird die Zylinderlaufbuchse 2 wel­ che dann noch ihre ursprüngliche Abmessung wie durch die Linie 5 angedeutet, aufweist, in eine Gießform für das Kurbelgehäuse 1 eingelegt, welche z. B. eine Druck­ gießform sein kann.

In der Gießform für das Kurbelgehäuse 1 werden die eingelegten Zylinderlaufbuchsen 2 von dem Aluminiumma­ terial des Kurbelgehäuses 1 umgossen. Es entsteht da­ bei der gewünschte Verbund aus Kurbelgehäuse 1 und Zylinderlaufbuchsen 2.

Nach dem Abkühlen des Verbunds aus Kurbelgehäuse 1 und Zylinderlaufbuchsen 2 werden innere Laufflächen 6 der Zylinderlaufbuchsen 2 spanend grob vorbearbeitet. Sie werden dabei auf einen vorgegebenen Durchmesser der Zylinderbohrung ausgedreht. Dieser Durchmesser, wel­ chen in den Figuren durch eine strichpunktierte Umriß­ linie 7 angedeutet ist, muß dabei so gewählt werden, daß nach Ablauf der folgenden Fertigungsschritte eine ausreichend dicke Wandstärke der Zylinderlaufbuchse 2 verbleibt, um die Zylinderlaufbuchse 2 bzw. die Zylin­ derbohrung auf ihr endgültiges Maß und ihre endgültige geometrische Form fertig zu bearbeiten.

Im nachfolgenden Fertigungsschritt erfolgt ein War­ mauslagern bzw. Stabilisierungsglühen des Verbunds aus Kurbelgehäuse 1 und Zylinderlaufbuchsen 2. Bei diesem "künstlichen Altern" des Kurbelgehäuses 1 und der Zy­ linderlaufbuchsen 2 bei etwa 200 bis 250°C über mehre­ re Stunden, vorzugsweise 3 bis 5 Stunden, kommt es zu den beschriebenen Wachstumsprozeß des Aluminiummateri­ als des Kurbelgehäuses 1. Eine nach der ersten Bear­ beitung der Zylinderlaufbuchse 2 relativ dünne ver­ bleibende Wandung 8 ermöglicht es, daß sich die Zylin­ derlaufbuchse 2, insbesondere deren Wandung 8, dem wachsenden Aluminiumwerkstoff des Kurbelgehäuses 1 leichter anpassen kann.

Nach dem künstlichen Altern, also dem kontrollierten Wachstumsprozeß des Aluminiummaterials des Kurbelge­ häuses 1, verbleibt die Zylinderlaufbuchse 2 mit einer gewissen Unrundheit, welche durch den Wachstumsprozeß des Aluminiumwerkstoffes und die Verformung der Wan­ dung 8 der Zylinderlaufbuchse 2 verursacht wird. In dem abschließenden Feinbearbeitungsschritt wird die innere Lauffläche 6 der Zylinderlaufbuchse 2 dann auf die endgültige geometrische Form und das endgültige Maß fertigbearbeitet. Eventuell auftretende Maßabwei­ chungen und Unrundheiten werden dabei egalisiert.

Die Kombination einer Zylinderlaufbuchse 2 aus Rauhguß mit dem beschriebenen Herstellungsverfahren erreicht eine ideale Verklammerung der Zylinderlaufbuchse 2 mit dem Aluminiummaterial des Kurbelgehäuses 1, so daß auch im Betrieb der Brennkraftmaschine keine Spaltbil­ dungen zwischen dem Kurbelgehäuse 1 und der Zylinder­ laufbuchse 2 auftreten.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines Kurbelgehäuses (1) für eine Brennkraftmaschine aus Aluminium oder ei­ ner Aluminiumlegierung, mit Zylinderlaufbuchsen (2), wobei die Zylinderlaufbuchsen (2) aus einem überwiegend eisenhaltigen Gußwerkstoff bestehen, und wobei

• 1. 1.1 in einem ersten Verfahrensschritt die Zylin­ derlaufbuchsen (2) in einer Gießform für das Kurbelgehäuse (1) mit dem Kurbelgehäuse- Werkstoff umgossen werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. 1.2 in einem zweiten Schritt nach dem Abkühlen des Verbunds aus Kurbelgehäuse (1) und Zylinder­ laufbuchsen (2) eine Grobbearbeitung von inne­ ren Laufflächen (6) der Zylinderlaufbuchsen (2) erfolgt;
• 2. 1.3 in einem dritten Schritt der Verbund aus Kur­ belgehäuse (1) und Zylinderlaufbuchsen (2) über eine gewisse Haltezeit bei erhöhter Tem­ peratur eine Warmauslagerung erfährt;
• 3. 1.4 in einem vierten Schritt die Zylinderlaufbuch­ sen (2) auf die endgültige geometrische Form und auf das endgültige Maß fertigbearbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbuchse (2) an ihrer äußeren Ober­ fläche (3) eine gußrauhe Struktur aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurbelgehäuse (1) aus einer Aluminium- Legierung mit Kupfer- und/oder Silizium-Anteilen hergestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmauslagern bei einer Temperatur von 200 bis 250° Celsius stattfindet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmauslagern über einen Zeitraum von 3 bis 5 Stunden durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grobbearbeitung der Zylinderlaufbuchse (2) im zweiten Verfahrensschritt durch Ausdrehen erfolgt.