DE2553062A1

DE2553062A1 - Motorblock und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2553062A1
Application number: DE19752553062
Authority: DE
Inventors: Otto H Scharpf
Original assignee: Outboard Marine Corp
Current assignee: Outboard Marine Corp
Priority date: 1974-11-29
Filing date: 1975-11-26
Publication date: 1976-08-12
Also published as: GB1510546A; JPS5177713A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. K.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F.AXeickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

catta ⁸ MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

OUTBOARD MARIHE CORPORATION, 100 Seahorse Drive, Waukegan,

Illinois, 60085, Y.St.A.

Motorblock und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Motorblock, der eine in sich geschlossene, gehärtete Innenfläche hat, die eine Brennkammerwand bildet und im Betrieb des Motors von einem Kolben oder geeigneten Dichtungselernenten "gewischt" wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Motorblocks.

Es ist bereits bekannt, zunächst eine Auskleidung zu formen und danach einen äußeren Körper auf wenigstens einem Teil der Auskleidung zu gießen. Bisher sind jedoch diese Auskleidungen nicht selbsttragend und das Abkühlen des äußeren Gußkörpers verursacht im allgemeinen eine Deformation der Auskleidung oder führt, falls die Auskleidung auf einem Dorn aufliegt, dazu, daß sich die Auskleidung um den Dorn zusammenzieht und es unmöglich wird, die Auskleidung vom Dorn abzustreifen, es sei denn durch nachfolgendes Erhitzen,' um die Auskleidung und den äußeren Gußkörper relativ zum Dorn so weit "wachsen" zu lassen, daß sie vom Dorn abgenommen werden können. Hach dem Abziehen kann der Dorn wohl nicht wieder in die Auskleidung geschoben werden, weil diese durch Schrumpfen kleiner wird als der Dorn. Die Schrumpfung wird durch eine innere Spannung im äußeren Gußkörper verursacht, die dort beim Abkühlen nach dem Gießen auftritt. Die bisher gebräuchlichen Auskleidungen waren also innen nicht in der lage, Formänderungen als Folge des

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Gießens eines äußeren Gußkörpers auf den Auskleidungen zu widerstehen.

Die Erfindung will demgegenüber einen Motorblock mit einer selbsttragenden Auskleidung schaffen, die genügend innere Festigkeit hat, um einer Deformation in Größe und Gestalt durch das Gießen eines äußeren Körpers auf der Auskleidung zu widerstehen.

Der erfindungsgemäße Motorblock soll eine gesinterte Auskleidung mit einer gehärteten Innenfläche haben, die von einem Kolben oder von geeigneten Dichtungselementen "gewischt" werden kann und die keine maschinelle oder spanabhebende Bearbeitung auf die gewünschte Form und Größe benötigt.

Weiter bezweckt die Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Motorblockes mit einer in sich geschlossenen Innenfläche aus einem gehärteten Material zu schaffen, indem eine innere Auskleidung gesintert wird und um die Außenfläche der Auskleidung ein äußerer Körper gegossen wird.

Um dies zu erreichen, sieht das erfindungsgeraäße Verfahren vor, daß aus einer Eisenlegierung eine selbsttragende Auskleidung geformt wird, die eine Außenfläche und eine in sich geschlossene Innenfläche von vorgegebener Form und Größe hat, die geeignet ist, die endlose Innenwand der Brennkammer zu bilden, und daß auf einen Teil der Außenfläche der Auskleidung zur Bildung des Motorblockes ein äußerer Körper gegossen wird, der solche Eigenschaften hat, daß er nicht in der lage ist, bei vollständiger Abkühlung Form und Größe der Innenfläche merklich zu verändernο

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens geschieht das Formen dadurch, daß die Auskleidung aus einer pulverförmigen Eisenlegierung gesintert wird, um eine Innenfläche zu schaffen, die bei oder nach dem Sintern gehärtet wird.

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Gemäß der Erfindung kann die Auskleidung gesintert und gehärtet werden, bevor der äußere Körper auf die Auskleidung gegossen wird.

Gemäß der Erfindung kann das Verfahren einen der nachstehenden Schritte oder auch beide umfassen: Härten der Innenfläche nach dem Gießen des äußeren Körpers und ohne merkliche Änderung der Form und Größe der Innenfläche und Honen der Innenfläche nach dem Gießen des äußeren Körpers. Gemäß einer Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt der Schritt des Formens die Bildung der Auskleidung mit Endflächen, die sich eben und parallel zueinander erstrecken, und der Schritt des Gießens umfaßt das Formen des äußeren Körpers mit Endflächen, die sich jeweils in der gleichen Ebene wie die zugeordnete Endfläche der Auskleidung erstrecken.

Ferner sieht die Erfindung einen Motorblock vor, der eine selbsttragende Auskleidung aus einer Eisenlegierung aufweist, die beabstandete Endflächen, eine in sich geschlossene Innenfläche, die sich zwischen den Endflächen und annähernd senkrecht zu einer der Endflächen erstreckt und als Wand einer Brennkammer geeignet ist, und eine zwischen den Endflächen sich erstreckende Außenfläche hat, sowie einen äußeren Körper, der auf die Außenfläche der Auskleidung gegossen ist und beabstandete Endflächen hat, von denen sich eine in der gleichen Ebene wie eine Endfläche der Auskleidung erstreckt.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Auskleidung gesintert. Weiter kann die Auskleidung und der äußere Körper Feder- und Eutverbindungen aufweisen, die sich entweder in Umfangsrichtung der Innenfläche oder quer zu einer der Endflächen der Auskleidung erstrecken. Weiter sind in einer Ausführungsform der Erfindung die Endflächen der Auskleidung jeweils plane Flächen und erstrecken sich parallel zueinander und die Endflächen des äußeren Körpers erstrecken sich koplanar zu den Endflächen der Auskleidung.

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.If.

Die Erfindung bietet den Vorteil einer rationellen Herstellung des Motorblockes.

Weitere Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:

Pig.1 eine fragmentarische Aufsicht einer Ausführungsform eines Motorblockes mit den Merkmalen der Erfindung?

Pig.2 eine fragmentarische Ansicht etwa nach der Linie 2-2 der Pig.1J

Pig.3 eine der Pig.2 ähnliche fragmentarische Ansicht, die jedoch eine abgewandelte Ausführungsform zeigt;

Pig.4 eine fragmentarische Aufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Motorblockes, an dem verschiedene Merkmale der Erfindung verwirklicht sind;

Pig.5 eine der Pig.4 ähnliche Ansicht noch einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motorblocks.

In den Zeichnungen ist ein Motorblock 11 bruchstückweise dargestellt, der eine in sich geschlossene Innenfläche 15 hat, die gehärtet ist und geeignet ist, eine Wand einer Brennkammer zu bilden und von einem Kolben überstrichen zu werden.

Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird die Innenfläche 15 in der Weise hergestellt, daß unabhängig eine selbsttragende Auskleidung 17 aus einer eisenhaltigen Legierung geformt wird, deren Innenfläche 15 eine vorgegebene Porm und Größe bzw. Abmessung hat, und daß danach auf einem Teil der Außenfläche 19 der Auskleidung 17 ein äußerer Körper 21 gegossen wird, so daß ein Motorblock 11 entsteht, wobei der äußere Körper 21 solche Eigenschaften hat, daß er keine Änderung der Porm und Größe der Innenfläche 15 verursacht, wenn er vollständig abgekühlt wird, d.h. wenn der Motorblock 11 der Außenluft ausgesetzt wird.

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G-emäß einem- zweckmäßigen Beispiel der Erfindung ist der äußere Körper 21 eine Aluminiumlegierung. Es können jedoch auch ähnliche Verfahren und sogar Kunststoffmaterialien für den äußeren Körper 21 verwendet werden. Die selbsttragende Auskleidung 17 wird vorzugsweise aus einer pulverförmigen Eisenlegierung gesintert. Bs ist auch zweckmäßig, eine solche pulverförmige Eisenlegierung vorzusehen, daß die entstehende Innenfläche 15 der Auskleidung 17 während des' Sinterungsprozesses gehärtet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das Sintern und auf das Härten der Innenfläche 15 als Folge des Sinterns beschränkt. Beispielsweise kann die Auskleidung 17 auch druckgegossen oder stranggepreßt werden, solange nur die entstehende Auskleidung 17 selbsttragend ist und ihre Innenfläche 15 nach dem Gießen oder Extrudieren mit irgendeiner !Eechnik gehärtet werden kann, die weder die Form noch die Abmessung der Innenfläche 15 der Auskleidung merklich beeinflußt, etwa durch Nitrieren, das weder die Form noch die Größe der Innenfläche 15 beeinflußt, oder durch Galvanotechnik, die die Form der Innenfläche nicht beeinflußt und nur eine minimale Änderung der Abmessung verursacht.

Der hierin benutzte Ausdruck "Form" bezieht sich auf eine geometrische Konfiguration, also etwa einen Kreis oder ein Rechteck. Der Ausdruck "Größe" oder "Abmessung" bedeutet in diesem Zusammenhang die Abmessung der Form, also beispielsweise den Durchmesser eines Kreises.

Gemäß der Erfindung verändert also die volle Aussetzung des Motorblockes 11 den atmosphärischen Bedingungen nach dem Giessen weder die Form noch die Größe der Innenfläche 15 der Auskleidung. Anders ausgedrückt, gemäß der Erfindung hat die Auskleidung 17 eine ausreichende innere Festigkeit, um einer Deformation sowohl hinsichtlich ihrer Form als auch ihrer Größe zu widerstehen, die sonst beim Abkühlen des äußeren Gußkörpers auftreten könnten.

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Zu beachten ist, daß demgemäß eine maschinelle Bearbeitung der Innenfläche 15 der Auskleidung 17 nach dem Abkühlen des Motorblockes 11 unnötig wird. Der Ausdruck "maschinelle Bearbeitung" bezieht sich in diesem Zusammenhang auf maschinelle Tätigkeiten, durch die Metall unabhängig von der Form des Werkstückes abgehoben oder verformt wird, d.h. in einem Vorgang, der von einem äußeren Stimulus auf das Werkstück gesteuert wird, vergleichbar mit dem Honen, bei dem keine Änderung der Form erfolgt und die Größenänderung minimal ist. Bemerkt sei, daß die Galvanotechnik darin dem Honen analog ist, daß keine Formänderung stattfindet und die Maßänderung'minimal ist. „

Es ist zwar zweckmäßig, wie schon erwähnt, die Auskleidung durch Sintern zu formen, um eine gehärtete Innenfläche 15 der gewünschten Form und Abmessung zu erhalten, ohne maschinelle Bearbeitung nach dem Gießen, doch ist die Erfindung in ihrem weitesten Umfang nicht darauf beschränkt, sondern umfaßt vielmehr auch die Möglichkeit einer maschinellen Bearbeitung im Anschluß an die vollständige Abkühlung nach dem Gießen, vorausgesetzt, daß die Abkühlung weder Form noch Größe der Innenfläche 15 der Auskleidung 17 merklich beeinflußt. ·

Gemäß einem bevorzugten Beispiel der Ausübung des Verfahrens wird die Auskleidung 17 gesintert, um die Innenwand 15 und gegenüberliegende Endflächen 31 und 33 vorzusehen, von denen wenigstens eine im wesentlichen planar ist und sich im rechten Winkel zur Innenfläche 15 erstreckt. In·einigen Konstruktionen ist es günstig, wenn beide Endflächen 31 und 33 parallel zueinander verlaufen. ■

Im weitesten Sinn müssen gemäß der Erfindung nicht alle Endflächen vollständig in einer Ebene liegen.

Der äußere Körper 21 wird vorzugsweise um die Außenfläche 19 der Auskleidung 17 druckgegossen und weist beabstanclete Endflächen 41 und 43 auf, von denen wenigstens eine sich im we-

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seitlichen koplanar zu der benachbarten Endfläche 31 oder der'Auskleidung 17 erstreckt. In einigen Konstruktionen ist es zweckmäßig, daß beide Endflächen des äußeren Körpers 41 und 43 wenigstens teilweise koplanar zu den benachbarten Endflächen 31 und 33 der Auskleidung 17 sind.

Die Auskleidung 17 und der Körper 19 sind miteinander durch eine Nut- und Federverbindung verriegelt, wie sie in Pig.2 und 3 gezeigt ist. Hierzu ist, wie aus· Fig.2 ersichtlich, ein Teil der Verbindung, die Feder 51, an der Außenfläche der Auskleidung 17 ausgeformt mit hinterschnittenen Hüten und der äußere Körper 21 ist rund um die Feder 51 und in die Nuten 53 gegossen, so daß die Auskleidung 17 und der äußere Körper 19 miteinander verriegelt sind.

Die in Fig.3 gezeigte Modifikation ist im wesentlichen gleich dem Beispiel der Fig.2 mit der Ausnahme, daß eine Feder 61 vom äußeren Körper 19 absteht und nicht, wie die Feder 51 in Fig.2, von der Auskleidung 17.

Die Hut- und Federverbindung kann sich kontinuierlich um den Umfang der Auskleidung 17 und des äußeren Körpers 19 erstrekken oder auch auf dem Umfang unterbrochen sein, so daß der äußere Körper 19 sowohl gegen eine relative Drehbewegung als auch gegen eine Relativbewegung senkrecht zu den Endflächen 31 und 33 gegenüber der Auskleidung 17 gesichert ist. Zusätzlich können die Außenflächen 19 der Auskleidung 17 in einem zur Innenfläche 15 senkrechten Schnitt so ausgebildet sein, daß sie nichtzylindrisch sind, um dadurch eine relative Drehbewegung zwischen der Auskleidung 17 und dem äußeren Körper zu verhindern.

In den Fig.4 und 5 sind weitere Anordnungen für die Nut- und Federverbindung zwischen der Auskleidung 17 und dem äußeren Körper 21 dargestellt. Im Unterschied zu den Konstruktionen der Fig.2 und 3, bei denen sich Feder und Nut hauptsächlich

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in Umfangsrichtung erstrecken, ragen in den Konstruktionen der Fig. 4 und 5 die Nut- und Federverb indungen senkrecht zu den Endflächen 31 und 33. Nach Wunsch können die Nut- und Federkonfigurationen auch in Längsrichtung unterbrochen sein, d.i. in der zu den Endflächen 31 und 33 senkrechten Richtung, um eine Relativbewegung zwischen der Auskleidung 17 und dem äußeren Körper 21 in der zu den Endflächen 31 und 33 senkrechten Richtung zu verhindern.

Wie bereits erwähnt, wird die Auskleidung 17 vorzugsweise durch Sinterung eines eisenhaltigen Pulvers hergestellt, das Nickel oder andere Materialien enthält, die zum Härten der Innenfläche 15 der Auskleidung 17 als Folge des Sinterprozesses dienen. Der Sinterprozeß kann wie üblich Pormungsschritte vor Beendigung des Prozesses umfassen. Hierbei wird die gesinterte Auskleidung 17 zuerst in einer Form geformt und besteht am Beginn aus in einer Form fest gepacktem Eisenpulver·

Nach dem Formen wird die kompakte Pulverform in einen Sinterofen gebracht und auf etwa 115O⁰C oder eine andere geeignete Temperatur erhitzt, um das Eisen zusammenzuschmelzen und ein besonders hartes und festes Material zu schaffen. Im Rahmen des Sinterungsprozesses können Formungsschritte angewandt werden, um die gewünschte Größe und Gestalt der Innenfläche zu garantieren.

Nach dem Sintern wird die Auskleidung 17 in eine Druckgußform gebracht und der äußere Körper 21 wird auf der Außenfläche 19 der Auskleidung 17 derart gegossen, daß wenigstens eine Endfläche 41 des äußeren Körpers 21 sich koplanar von der angrenzenden Endfläche 31 der Auskleidung 17 aus erstreckt. In manchen Konstruktionen sind die angrenzende Endfläche der Auskleidung und des äußeren Körpers an jedem Ende koplanar und in manchen Ausbildungen sind die Flächen sowohl der Auskleidung 17 als auch des äußeren Körpers 21 an beiden Enden vollständig koplanar und erstrecken sich parallel zueinander. Während

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des Druekgießens des äußeren Körpers 21 auf der Auskleidung 17 wird die Nut— und Federverbindung hergestellt. Der äußere Körper 21 kann mit Vertiefungen für einen Viassermantel und mit Schraubenlöchern u.dgl. versehen werden.

Falls die Härtung der Auskleidung 17 nicht zugleich mit der Sinterung erfolgt, kann die Auskleidung nach dem Sintern und vor dem Druckgießen des äußeren Körpers 21 auf der Auskleidung 17 gehärtet werden, beispielsweise durch "Tuftriding".

Nach Wunsch kann die Auskleidung 17 auch (vor dem Sintern und als 3?eil des Pulverformungsschrittes) mit durchgehenden Schraublöchern versehen werden, die sich senkrecht zu einer der Innenflächen erstrecken.

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Claims

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1. Motorblock, der eine in sich geschlossene Innenwand hat, die eine Brennkammerwand bildet und im Betrieb des Motors von einem Kolben gewischt wird, gekennzeichnet durch eine selbsttragende Auskleidung (17) aus einer eisenhaltigen !Legierung mit beabstand eten Endflächen (31, 33), einer in sich geschlossenen Innenfläche (15), die sich zwischen den Endflächen im wesentlichen senkrecht zu einer der. Endflächen erstreckt und geeignet ist, eine Wand einer Brennkammer zu bilden, und mit einer Außenfläche (19), die sich zwischen den Endflächen erstreckt, und durch einen äußeren Körper (21), der auf die Außenfläche (19") der Auskleidung (17) gegossen ist und beäbstandete Endflächen (41, 43) hat, von denen eine sich koplanar zu einer der Endflächen der Auskleidung erstreckt. . r

2. Motorblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (17) und der äußere Körper (21) eine liut- und Federverbindung {51, 53) aufweisen,, die sieh entlang dem Umfang der Innenfläche (15) erstreckt. ; .

3· Motorblock nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (17) und der äußere Körper (21) eine Nut- und Federverbindung (51, 53) aufweisen, die sich quer zu der einen Endfläche der Auskleidung erstreckt. : :

4. Motorblock nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Endflächen (31, 33) der Auskleidung planar sind und sich parallel zueinander erstrecken und daß die Endflächen (41, 43) des äußeren Körpers (21) sich koplanar zu den Endflächen (31, 33) der Auskleidung erstrecken. --■■ :

5- Motorblock nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (17) aus einer geainter-

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ten Eisenlegierung gebildet ist.

6. Verfahren zum Herstellen eines Motorblockes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Eisenlegierung eine selbsttragende Auskleidung geformt wird, die eine Außenfläche, sowie eine in sich geschlossene Innenfläche von bestimmter Form und Größe hat, die sich als in sich geschlossene Innenwand der Brennkammer eignet, und daß auf einem Teil der Außenfläche der Auskleidung zur Bildung des Motorblockes ein äußerer Körper gegossen wird, der solche Eigenschaften hat, daß er nicht in der lage ist, Form und Größe der Innenfläche bei der vollständigen Abkühlung merklich zu verändern.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Formens das Sintern der Auskleidung aus einer pulverförmigen Eisenlegierung umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung zwischen dem Sintern und dem Gießen auch noch gehärtet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Formens das Sintern der Auskleidung aus einer pulverförmigen Eisenlegierung umfaßt, wobei eine Innenfläche geschaffen wird, die beim Sintern gehärtet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Formen der Auskleidung die Ausbildung der Auskleidung mit Endflächen gehört, die sich plan und parallel zueinander erstrecken, und daß zum Verfahrensschritt des Gießens das Ausbilden des äußeren Körpers mit Endflächen gehört, die sich jeweils koplanar zu der betreffenden Endfläche der Auskleidung erstrecken.

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11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche nach dem Gießen des äußeren Körpers in der Weise gehärtet wird, daß sich Form und Größe der Innenfläche nicht erheblich ändern.

12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche nach dem Gießen des äußeren Körpers gehont wird.

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