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Gegossener Zylinderkopf und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung
betrifft einen gegossenen Zylinderkopf mit zumindest je einem mit einem Brennraum
in Verbindung stehenden Einlaß- und Auslaßkanal, die in einander praktisch entgegengesetzten
Richtungen im Zylinderkopf verlaufen, der ferner einen zumindest einen der Kanäle
einschließenden Kühlmantel mit einem Kühlmedium enthält. Insbesondere ist dabei
an einen Zylinderkopf einer Nehrzylinder-Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge gedacht.
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Bekannte gegossene Zylinderköpfe der bezeichneten Art erfordern zu
ihrer Herstellung einen großen Aufwand an Gießkernen, da insbesondere die Einlaßkanäle
für das Gemisch beispielsweise zur Erzeugung eines Dralles einen relativ komplizierten
Verlauf haben können. Daher ist es erforderlich, für die Einlaßkanäle und die Auslaßkanäle
selbständige Kerne herzustellen, die an die Kontur des Zylinderkopfes im Bereich
der Kanäle bildende andere Kerne angesetzt werden müssen. Dieser große Aufwand an
individuellen Kernen erschwert nicht nur die Herstellung schlechthin, sondern führt
zu unerwünschten Toleranzen zwischen den verschiedenen einzelnen Teilen und Bereichen
des Zylinderkopfes. So kann es dazu kommen, daß infolge eines unzulässig großen
Versatzes eines einen Wassermantel
bildenden Kernes relativ zu
einem einen Einlüßkanai bildenden Kern die Trennwand zwischen Wassermantel und Einlaßkanal
unzulässig dünn wird. Bei einer Bearbeitung der Oberflache des Einlaßkanals kann
es dann zu Verbindungen zwischen dem E:nlaB-kanal einerseits und dem Wassermantel
andererseit kommen, co daß der gegossene Zylinderkopf Ausschuß darstellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gregossenen Zy-Jinderkopf
- und ein Verfahren zu dessen Herstellung - zu schaffen, der die beschriebenen Nachteile
vermeidet, ohne daß andere Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Die erfindungsgemäße
Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der sich bezüglich
des Einlaßkanals und/oder des Auslaßkanals gegenüberstehenden Grenzflächen des Küj-lqntels
in jedem Querschnitt des Kanals größer ist als die lichte Weite derUenigen Partien
des Kanals, die sich von dem betrachteten Querschnitt nach innen erstrecken.
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Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes ist
also in einer bestimmten Dimensionierung des Wassermantels relativ zu dem benachbarten
Kanal, der ein Einlaß- oder Auslaßkanal sein kann, zu sehen. Diese Dimensionierung
ist so getroffen, daß ein gedachter Körper leicht in den Abstand zwischen sich bezüglich
eines Kanals gegenüberstehenden Grenzflächen des Wassermantels eingebracht werden
kann; dieser Körper hat die Form des betreffenden Kanals. Demgemäß ist das bevorzugte
Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Zylinderkopfes dadurch gekennzeichnet,
daß ein die einlaßkanalseitige Kontur und den Kanal bildender einteiliger erster
Kern, Ausneiunungen in einem den Wassermantel bildenden zweiten Kern mit seinen
den Kanal bildenden Bereichen durchsetzend, und ein die brennraumseitige Kontur
bildender dritter Kern derart zusammengesetzt werden, daß die den Kanal bildenden
Bereiche mit ihrer Stirnpartie den dritten Kern dicht berühren, daß weitere Kerne
mit den drei Kernen zu einer dichten Form zusammengesetzt werden, und daß die Form
ausgegossen wird.
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Ein wesent1i'1es Merkmal des durch die erfindungsgemäße Konstruktion
des Zylinderkopfes ermöglichten erfindung;;gemäßen Verfahren ist als darin zu sehen,
daß die bisher als Sinzelkerne gefeitigten Kerne für die Einlaß- und die Auslaßkanäle
nicht mehr individuell} Kerne darstellen, sondern Bestandteile von relativ großen
Kernen, die zugleich einen Teil der Kontur des Zylinderkopfes bilden. i)ie Herstellung
einer Vielzahl getrennter Kerne ist dadurcli vermieden; damit verbunden ist der
Vorteil, daß ein störender Versatz zwischen verschiedenen Kernen der Form vermieen
iLt. Man erhält demgemäß ein maßgenaues Gußteil, so daß die AussclluLquote auf ein
Minimum gesenkt ist. Die Reduzierung der Zahl der Individuellen Kerne, die demgemäß
auch individuell gehaltert werden müssen, und damit der letzterwähnte Vorteil macht
sich besonders dann bemerkbar, wenn es sich um einen Zylinderkopf für eine Mehrzylinder-Maschine
mit einem Zylinderdeck handelt. Während hier bisher eine von der Zahl der Einlaß-
und der Auslaßkanäle bestimmte Anzahl von Einzelkernen hergestellt und gelagert
werden mußte, ist bei der Erfindung die Kernzahl unabhängig von de- Zahl der Zylinder,
da die Kerne für die - auf einer Seite liegenden - Einlaßkanäle und die Kerne für
die - auf der anderen Seite liegenden - Auslaßkanäle Be-Bestandteile jeweils eines
großen Kernes sind, der einen Teil der Außenfläche des Zylinderkopfes formt.
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An dieser Stelle sei eingefügt, daß die Berührung zwischen der Stirnfläche
des jeweils einen Kanal bildenden Bereichs eines Kernes und dem im dritten Kern
so erfolgen kann, daß der dritte Kern eine Zentrierausnehmung für diese Stirnpartie
aufweist oder aber daß er eine Kernmarke aufweist, auf die sich diese Stirnpartie
abstützt.
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Aus der deutschen Patentschrift 1 170 119, 31 c - 25/02, ist ein Dauerkern
für die Arbeitsmittelkanäle beim Gießen von Zylinderköpfen bekannt, der eine dreidimensional
gekrümmte Seelenachse, deren Punkte auf einer Schraubenlinie liegen, sowie einen
Querschnitt aufweist, der in Zichrichtung mindestens stetig zunimmt.
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Diese Kernform und die entsprechende Form des Kanals im Zylinderkopf
ermöglichen es, den Dauerkern nach Beendigung des GieB-prozesses herauszuziehen.
Wenn auch die Erfindung bei entsprechender Ausgestaltung des Zylinderkopfes die
Möglichkeit gibt, einen derartigen Dauerkern ein- und auszuführen, ist ihr wesentliches
Merkmal gegenüber diesem Stand der Technik jedoch in der Reduzierung der Kernzahl
zu sehen. Auch sei darauf hingewie sen, daß ein schraubenlinienförmiger Kern und
damit ein dieselbe Form besitzender Kanal im Zylinderkopf bestimmte Störmungsverhältnisse
zur Folge hat, die durchaus nicht immer erwünscht sein müssen, während die Erfindung
hinsichtlich der Formgebung der inneren Wandflächen der betreffenden Kanäle große
Freiheit bietet. So kann man strömungstechnischen Gesichtspunkten bei dem erfilidungsgemäßen
Zylinderkopf beispielsweise dadurch Rechnung tragen, daß man die Stärke der Wand
zwischen dem betrachteten Kanal einerseits und dem Wassermantel andererseits unterschiedlich
groß macht, also durch Variieren dieser Wandstärke strömungstechnischen Gesichtspunkten
Rechnung trägt. Beispielsweise kann man in dieser Weise auch Drallkanäle gewinnen.
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Es sei bemerkt, daß sich die Erfindung nicht nur auf die Ausbildung
der Einlaßkanäle bezieht, sondern auch auf die Ausbildung der Auslaßkanäle. Bei
der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Ausbildung des Zylinderkopfes
sowohl im Bereich der Einlaßkanäle als auch in demjenigen der Auslaßkanäle entsprechend
der Erfindung.
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In den Fällen, in denen der Zylinderkopf mit gekrümmten Einlaßund/
Auslaßkanälen versehen ist, ist es zweckmäßig, daß der Abstand der sich bezüglich
des Kanals gegenüberstehenden Grenzflächen des Kühlmantels in jedem Qu,erschnitt
des Kanals eine Fläche definiert, die größer ist als die in dem betrachteten Querschnitt
liegende Fläche, die von einem die Gestalt des Kanals besitzenden Körper bei seinem
Einführen in den Zylinderkopf durchsetzt wird. Die von einem die Gestalt des Kanals
besitzenden Körper bei seinem Einführen in den Zylinderkopf durchsetzte Fläche ist
also praktisch die ProJektiondieses Körpers auf die Projektion
Fläche
des betrachteten Querschnitts. Bei einem gekrümmten Kanal werden nämlich in der
Regel beim Einführen eines die Form dieses Kanals besitzenden gekrümmten Körpers,
der beim Herstellen des Zylinderkopfes durch den den Kanal bildenden Kernteil verifiziert
ist, nicht gleichzeitig alle seine Bereiche stets in Richtung der Achse des Körpers
zu bewegt. Aus diesem Grunde muß hier eine größere Querschnittsfläche zum Einführen
oder auch Entfernen dieses Körpers zur Verfügung stehen.
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Wie bereits mehrfach erwähnt, ist ein Ziel der Erfindung in der Herstellung
eines in allen Teilen maßhaltigen Zylinderkopfes zu sehen. In Weiterbildung des
Lösungsgedankens, nämlich die Zahl der Einzelkerne zu verringern, ist es zweckmäßig,
daß ein einen Schwinghebelraum definierender Ansatz einen mitgegossenen Bestandteil
des Zylinderkopfes bildet. Hier besteht also der Zylinderkopf einschließlich der
den Schwinghebelraum begrenzenden Wände aus einem einzigen Gußteil.
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Im folgenden werden noch einige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahrens behandelt. Eine davon besteht darin, daß der zweite Kern
mit Ausläufe für das Kühlmedium bildenden Fortsätzen auf den dritten Kern oder dieser
auf die Fortsätze aufgesetzt und die Form zum Gießen so gelagert wird, daß die Fortsätze
nach oben oder waagerecht weisen. Hier können die beim Gießen freiwerdenden Gase
durch die ohnehin vorhandenen Ausläufe für das Kühlmittel, in aller Regel Wasser,
entweichen.
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In dem Fall, in dem sowohl die Kernbereiche für die Einlaßkanäle als
auch diejenigen für die Auslaßkanäle Bestandteile von die Kontur des Zylinderkopfes
formenden Kernen bilden, wird man das Verfahren so ausbilden, daß der erste Kern
die einlaßkanalseitige Kontur sowie eine beliebige Anzahl von Einlaßkanälen bildet
und daß ein vierter Kern, der die auslaßkanalseitige Kontur sowie eine beliebige
Anzahl von gegenüber den Einlaßkanälen versetzten AuslaBkanälen bildet, Aussparungen
in dem zweiten Kern mit seinen die Auslaßkanäle bildenden Bereichen durchsetzend
mit dem
ersten und dem dritten Kern derart zusammengesetzt wird,
daß seine die Auslaßkanäle bildenden Bereiche den dritten Kern mit ihren Stirnpartien
dicht berühren. Hierbei ergibt sich eine - an sich bekannte -- Anordnung der Einlaß-
und der Auslaßkanäle im Zylinderkopf, nämlich eine abwechselnde Folge von Einlaß-
und Auslaßkanälen in Längsrichtung des Zylinderblocks, wobei alle Einlaßkanäle und
alle Auslaßkanäle sich jeweils nach einer Seite hin erstecken.
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Eine besonders einfache Lagerung für die verschiedenen Kerne ineinander
ergibt sich dann, wenn der zweite Kern, der also zur Herstellung des Kühlmittelmantels
dient, an dem ersten und/oder dem vierten Kern direkt gelagert wird. Man kann zu
diesem Zweck beispielsweise den ersten Kern in Draufsicht U-förmig ausbilden und
im Bereich der freien Schenkel des U Aufnahmen für Fortsätze an dem zweiten Kern
vorsehen.
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Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen
Zylinderkopf während des Gießverfahrens, so daß die Figur zugleich zur Veranschaulichung
des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens dienen kann.
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Der Zylinderkopf wird durch die nicht schraffierten Zwischenräume
zwischen den verschiedenen, durch Schraffur hervorgehobenen Kernen gebildet. Diese
Zwischenräume werden später mit Gußeisen gefüllt.
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Man erkennt in dem gezeichneten Querschnitt den Gemisch-Einlaßkanal
1, den - in einer dahinter liegenden Ebene verlaufenden - in der anderen Richtung
weisenden Auslaßkanal 2 sowie den mittleren Bereich 3, der später zur Aufnahme der
Bohrung für den Schaft des Einlaßventils dient. Mit 4 ist eine Wandpartie bezeichnet,
die zur Gewinnung eines Schwinghebelraumes dient. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
wird der Schwinghebe;raum also einstückig mit den übrigen Bereichen des Zylinderkopfes
gegossen, so daß praktisch kein störender Versatz zwischen den genannten Teilen
auftreten kann.
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Infolge der erfindungsgemäßen Ausbildung des Zylinderkopfes insbesondere
im Bereich der Einlaß- und Auslaßkanäle 1 und 2, von
denen bei einer
Mehrzylinderanordnung mehrere Paare hintereinanderliegen, ist es möglich, bei der
Herstellung dieses relativ komplizierten Gußteiles mit nur fünf Kernen auszukommen.
Der erste Kern 5 formt sowohl die in der Figur linke Konturhälfte des Zylinderkopfes
als auch den Einlaßkanal. Er weist demgemäß den Kernbereich 6 auf, der zur Bildung
des Einlaßkanals dient.
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Dieser Kernbereich 6 ist also einstückig mit dem die Außenkontur
formenden Bereich des Kernes 5 hergestellt und durchsetzt eine Ausnehmung in dem
den Wassermantel bildenden zweiten Kern 7. Der erste Kern 5 ist mit dem dritten
Kern 8 derart zusammengesetzt, daß sein den Kanal bildender Bereich 6 mit seiner
Stirnpartie 9 in einer Aufnahme 10 des dritten Kernes 8 dicht aufliegt. Auch der
zweite Kern 7 ist einteilig.
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Auch der den rechten Teil der Kontur des Zylinderkopfes formende vierte
Kern 11 ist mit Bereichen 12 versehen, die zur Formgebung von Kanälen - hier der
Auslaßkanäle - dienen und die ebenfalls unter Durchsetzen von lssparungen in dem
den Wassermantel formenden zweiten Kern 7 mit ihren Stirnbereichen 13 auf dem dritten
Kern 8 aufliegt. In diesem Falle besitzt der dritte Kern 8 die vorspringende Kernmarke
14. Wie ersichtlich, ist bei dieser Ausbildung der Erfindung die Zahl der Einzelkerne
unabhängig von der Anzahl der Zylinder und damit der Anzahl der Paare von Einlaß-
und Auslaßkanälen, da zur Herstellung dieser Kanäle die Kerne 5 und 11 ohne Vergrößerung
ihrer Anzahl ausgenutzt werden können. Nimmt man noch den fünften Kern 15 hinzu,
der zur Formgebung der schwinghebelseitigen Kontur des Zylinderkopfes dient, so
kommt man bei der Bildung der Form mit nur fünf selbständigen Kernen aus.
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Diese Möglichkeit wird durch eine bestimmte Formgebung im Bereich
der Ein- und Auslaßkanäle ermöglicht. Betrachtet man die Verhältnisse im Bereich
der Wand 1 des Einlaßkanals-- dasselbe gilt sinngemäß auch für die Gestaltung des
Zylinderkopfes im Bereich des Auslaßkanals -, so ist der Abstand der sich bezüglich
des Einlaßkanals unmittelbar gegenüberliegenden Grenzflächen 16 und 17 des Kühlmittelmantels
7 in jedem Querschnitt 18 des Einlaßkanals
größer gewählt als die
lichte Weite derjenigen Partien des Einlaßkanals, die sich von dem betrachteten
Querschnitt - hier 18 - nach innen, also in der Figur nach rechts, erstrecken. Dadurch
ist es möglich, den Kernbereich 6 zwischen diesen sich gegenüberstehenden Grenzflächen
des Kühlmantels und damit des Kernes 7 hindurch in diejenige Lage zu bringen, in
der sich dieser Bereich auf dem dritten Kern 8 abstützt und in der Gießposition
befindet. Obwohl also der Kernbereich 6, wie unmittelbar aus der Figur ersichtlich,
keineswegs in der Richtung von links nach rechts betrachtet seinen Querschnitt beibehält
oder sich verjüngt, sondern vielmehr im Bereich seines Endes eine Verdickung vorliegt,
ist es dank der erfindungsgemäßen Dimensionierung doch möglich, diesen Kernbereich
6 einzuführen.
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Bei einem stärker gekrümmten Kanal muß man den Abstand zwischen den
Grenzflächen 16 und 17 noch größer wählen, nämlich so, daß man auch den gekrümmten
Bereich durch diesen Abstand hindurchbringen kann. Man hat hier praktisch in der
jeweiligen Ebene 18 eine Projektion der am weitesten seitlich vorstehenden Teile
des Kernes vorzunehmen, um zu derjenigen Fläche zu kommen, die der gekrümmte Kernbereich
beim Einführen durchsetzt.
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Durch örtliche Variation der Stärke der Wände 1 und 2, die die Kanäle
umgeben, ist es möglich, strömungstechnischen Gesichtspunkten bei der Formgebung
der Kanalinnenwände Rechnung zu tragen.
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Mit 19 und 20 sind Ausläufe für das Kühlmedium bildende Fortsätze
des Wassermantels bezeichnet, also hier Fortsätze de zweiten Kernes 7. Während des
Gießprozesses wird die dargestellte Form mit diesen Fortsätzen waagerecht weisend
gelagert, so daß diese Fortsätze zum Entweichen von Gasen dienen können.
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Es ist zweckmäßig, beispielsweize den ersten Kern 5 in Draufsicht
etwa U-förmig auszubilden, o daß er mit den chenkeln des U bezüglic-h der Figur
vor bzw. hinter dem Gußteil liegt. An diesen
'schenkeln können
dann weitere Kerne, insbesondere der zweite Kern 7 und der fünfte Kern 15, durch
an sich bekannte Ausbildung ihrer Endbereiche gelagert werden.
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Die Kerne können in heißen oder kalten Werkzeugen hergestellt werden.
Ob sich der Brennraum im Zylinderkopf oder im eigentlichen Zylinder befindet, ist
für die Erfindung unwesentlich.
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Bei identisch gekrümmten Einlaß- und Auslaßkanälen können diese auch
auf einer Seite des Zylinderdeckels parallel zueinander verlaufend angeordnet sein.
Eine entsprechende Abwandlung der Erfindung sieht einen ersten Kern vor, der alle
Kanäle bildende Kernbereiche besitzt.