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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Aufbau eines Lagergehäuses eines
Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors, und im Spezielleren auf
ein Lagergehäuse,
das aus einem Material hergestellt ist, das einen Wärmedehnungskoeffizienten
hat, der sich von demjenigen einer Kurbelwelle unterscheidet.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Es
gibt einen Motor, dessen Zylinderblock aus Aluminiumlegierung gegossen
ist, um das Gewicht des Motors zu senken. Mehrere Lagergehäuse sind
im Zylinderblock vorgesehen, und eine aus Eisen bestehende Kurbelwelle
wird an ihren Kurbelzapfen über
Metalllager von den Lagergehäusen gehaltert.
Wenn der Motor in Betrieb ist, wird Wärme, die durch die Verbrennung
eines Gasgemischs erzeugt wird, auf die Lager des Zylinderblocks übertragen.
Im Ergebnis nimmt die Temperatur der Lagergehäuse zu und das Spiel zwischen
den aus Aluminiumlegierung bestehenden Lagergehäusen und den Kurbelzapfen wird
größer, wodurch
vom Motor ausgehende Geräusche
und Schwingungen verursacht werden.
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Die
japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer Toku-Kai-Hei
10-159648 offenbart
eine Technik, bei der leichtgewichtige, aus Aluminium bestehende
Lagerkappen mit einem niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten und
einer hohen Steifigkeit durch Ultraschallschweißen mit den Lagergehäusen verbunden
werden. Die Patentanmeldung offenbart auch eine Ausführungsform
einer Lagerkappe, die aus einer faserverstärkten Aluminiumlegierung besteht.
Die Lagerkappe hat dieselbe Breite wie die Lagergehäuse, und
eine Lagerkappe ist auf die jeweiligen Lagergehäuse aufgesetzt.
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Da
nach dem Stand der Technik die Lagerkappe aus Aluminium mit einem
niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten
besteht, kann der Unterschied zwischen dem Wärmedehnungskoeffizienten der
Lagergehäuse
und demjenigen der Kurbelzapfen reduziert werden. Da deshalb das
Spiel zwischen der Kurbelwelle und der Lagerfläche ungeachtet von Temperaturveränderungen
auf einem geeigneten Niveau gehalten wird, lässt sich das Schwingungs- und Geräuschproblem
lösen.
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Darüber hinaus
offenbart die japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer
Toku-Kai 2000-205037 eine Technik, wobei eine Stützwand zur Verbindung der rechten
und linken Wand eines Zylinderblocks und zum Haltern eines Lagergehäuses einen
faserverstärkten
Vorformling aufweist, der integral fast über die ganze Länge in einer
Querrichtung zwischen der rechten und linken Wand des Zylinderblocks
eingegossen ist und entsprechend sich ein faserverstärkter Metallbereich (FRM-Bereich – Fiber
Reinforced Metal um einen Teil bildet, an dem der Vorformling in
einem Stück
eingegossen ist. Im Ergebnis dämpft
die Stützwand,
die eine hohe Steifigkeit hat, die Schwingungen der rechten und
linken Wand und verhindert gleichzeitig eine Wärmeausdehnung der Lagerflächen.
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Das
Lagergehäuse
muss eine adäquate Festigkeit
und Steifigkeit haben, weil Stoßbelastungen,
die durch die Verbrennung von Luft-Kraftstoff-Gemisch verursacht
werden, sich direkt auf das Lagergehäuse auswirken. Das Verfahren,
ein Stück eines
großen
Vorformlings integral einzugießen,
der sich seitlich über
die ganze Länge
der Stützmauser zwischen
der rechten und linken Außenwand
des Zylinderblocks erstreckt, wie in der Toku-Kai 2000-205037 beschrieben
ist, weist insofern einen Nachteil auf, als, da der Vorformling
selbst ein großes Volumen
hat und geschmolzenes Aluminium den Vorformling nicht angemessen
durchtränkt,
manchmal Hohlräume
im Vorformling entstehen. Die Lagergehäuse, die Hohlräume enthalten,
weisen starke Streuungen bei den Wärmedehnungskoeffizienten auf
und bieten unzureichende Festigkeit und Steifigkeit. Andererseits
wird es im Falle, dass das Volumen des Vorformlings verkleinert
wird, um einen solchen Nachteil zu vermeiden, schwierig, das ursprüngliche Ziel
zu erreichen, nämlich
den Zwischenraum zwischen den Kurbelzapfen und den Lagerflächen richtig
zu steuern.
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Die
EP-A-0363159 bezieht sich auf ein Verfahren zur Maßstabilisierung
der Grenzfläche
zwischen ungleichen Metallen in einem Verbrennungsmotor, und insbesondere
auf das Gebiet des Ausgleichens solcher Wärmedehnungsunterschiede, wenn zusammengefügte Metalle
unter breit schwankenden Temperaturbedingungen verwendet werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Lagergehäuse bereitzustellen,
die hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweisen und in der Lage sind, den
Unterschied von Wärmedehnungskoeffizienten zwischen
Lagergehäusen
(Lagerflächen)
und Kurbelzapfen zu reduzieren.
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Um
die Aufgabe zu erfüllen,
umfasst nach den Ansprüchen
1 bis 7 der Aufbau von Lagergehäusen
eines Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors, um einen Kurbelzapfen
einer Kurbelwelle durch ein Metallgehäuse zu haltern: ein Grundmaterial,
um den Zylinderblock zu bilden, und mehrere faserverstärkte Metallbereiche
mit einer Plattengestaltung, die Verstärkungsfasern aus Metall enthält, die
separat im Grundmaterial jedes Lagergehäuses des Zylinderblocks eingebettet
und in einer Querrichtung der Kurbelwelle angeordnet sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine in ihre Einzelteile zerlegte perspektivische Ansicht eines
Boxermotors mit vier Zylindern;
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2 ist
eine Draufsicht von Lagergehäusen eines
Zylinderblocks nach einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine vergrößerte perspektivische Ansicht
eines Lagergehäuses;
und
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4 ist
eine erläuternde
Ansicht eines Spiels zwischen einem Kurbelzapfen und einem Lagergehäuse.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Nunmehr
bezeichnen mit Bezug auf 1 die Bezugszahlen 1 und 2 einen
linken bzw. rechten Zylinderblock. Dieser linke und rechte Zylinderblock 1, 2 sind
unabhängig
aus Aluminiumlegierung mit einem Wärmedehnungskoeffizienten von
z. B. 21,0 × 10–6/°C gegossen.
Der linke Zylinderblock 1 besitzt mehrere linke Lagergehäuse 3,
die als halbkreisförmige
Nuten gestaltet sind. Entsprechend besitzt der rechte Zylinderblock 2 mehrere
rechte Lagergehäuse 4,
die als halbkreisförmige
Nuten gestaltet sind. In diesen linken bzw. rechten Lagergehäusen 3, 4 sind linke
und rechte Lagermetalle 5, 6 vorgesehen. Und zwar
ist ein Kurbelwelle 7 drehbeweglich von Lagerflächen gehaltert,
die von den linken und rechten Lagermetallen 5, 6 gebildet
sind. Beispielsweise besteht die Kurbelwelle 7 aus Stahl,
der 0,5% Kohlenstoff enthält
(Wärmedehnungskoeffizient:
12,0 × 10–6/°C). Wenn
ein Gasgemisch aus Luft-Kraftstoff in den Zylindern verbrennt, machen
Kolben eine hin- und hergehende Bewegung. Die hin- und hergehende
Bewegung wird durch Pleuelstangen 8 in eine Drehbewegung
umgesetzt, und die Drehkraft dreht die Kurbelwelle 7. Die
Lagergehäuse 3, 4 sind
ständig
hohen Stoßbelastungen
ausgesetzt und dehnen sich gleichzeitig durch Wärme.
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Mit
Bezug auf 2 sind fünf Lagervorsprünge 4 in
einer zu einer Mittellinie L der Kurbelwelle 7 senkrechten
Richtung vorgesehen, und eine Mittellinie der. halbkreisförmigen Lagerflächen 9 stimmt mit
der Mittellinie L überein.
Darüber
hinaus sind drei FRM-Bereiche 10 in einer zur Mittellinie
L senkrechten Richtung parallel zueinander angeordnet. Die FRM-Bereiche 10 enthalten
Verstärkungsfasern
mit hoher Festigkeit. Und zwar handelt es sich bei den FRM-Bereichen 10 um
Bereiche, bei denen Verstärkungsfasern
mit Aluminiumlegierung integral einen Verbund bilden, oder um Bereiche,
die faserverstärkt-metallisiert
sind. Nach der vorliegenden Ausführungsform
werden Verstärkungsfasern
durch Filamente mit einem Drahtdurchmesser von um die 0,1 Millimeter
hergestellt, die aus hitzebeständigem Stahl
(Fe-Cr-Si) mit einem Wärmedehnungskoeffizienten
von 11,6 × 10–6/°C bestehen.
Bei einem anderen Beispiel für
Verstärkungsfasern
handelt es sich um Filamente aus hitzebeständigem Stahl (Fe-Mn-Si) mit einem Wärmedehnungskoeffizienten von
8,8 × 10–6/°C.
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Die
angrenzenden FRM-Bereiche 10 weisen keine faserverstärkte-metallisierte
Aluminiumlegierung zwischen sich auf. Darüber hinaus haben die jeweiligen
FRM-Bereiche 10 eine plattenförmige Gestaltung mit derselben
Plattenbreite W1. Darüber
hinaus sind die FRM-Bereiche 10 von der Oberseite des Lagergehäuses 4 aus,
aber nicht von der axialen Seite der Kurbelwelle 7 her
zu sehen. Das heißt,
die FRM-Bereiche 10 sind vollständig im Grundmaterial Aluminiumlegierung
eingebettet, mit Ausnahme des Rands an deren Oberseite. Da somit
geschmolzenes Aluminium von beiden Seiten der FRM-Bereiche 10 her
eindringt, können
Hohlräume
wirksam am Entstehen gehindert werden.
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Ein
solcher mehrlagiger Aufbau der Lagervorsprünge 3, 4 wird
erhalten, indem ein Block feiner Drahtfasern oder ein zu einer Platte
mit einer festgelegten Gestaltung geformter Vorformling in einem Stück mit den
Lagervorsprüngen 3, 4 gegossen
wird. Speziell wird zuerst ein flächenkörperartiger Vorformling, der
eine Tiefe W1 hat und einen festgelegten Prozentanteil an Hohlräumen enthält, aus
einem Block Metallwollefasern (Verstärkungsfasern) geformt. Bei
dem Prozentanteil an Hohlräumen
handelt es sich um Volumenprozent an Hohlräumen (ungefüllten Teilen) pro Einheitsvolumen.
Da der Vorformling faserverstärkt-metallisiert
wird, indem geschmolzenes Aluminium in diese Hohlräume eindringt,
ist der Prozentanteil an Hohlräumen
einer der wichtigsten Faktoren, um die Festigkeit, Steifigkeit und
den Wärmedehnungskoeffizienten
des metallisierten Vorformlings zu bestimmen. Dementsprechend wird
ein Vorformling mit einem festgelegten Prozentanteil an Hohlräumen dadurch
ausgebildet, dass ein Kompressionsgrad für die Metallwollefasern geeignet
gesteuert wird. Neben dem Prozentanteil an Hohlräumen sind das Material der
Metallfasern, Drahtdurchmesser, Flächenkörpergewicht, Flächenkörperauslegung,
Anzahl zu gießender
Flächenkörper, Zwischenräume zwischen
den Flächenkörpern und
dergleichen von Belang, und angesichts einer erforderlichen Spezifizierung
der Lagergehäuse 4 sollten
diese Faktoren auch berücksichtigt
werden.
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Als
Nächstes
wird der flächenkörperartige Vorformling
in einem gleichmäßigen Abstand
an der richtigen Stelle, an der sich ein Lagergehäuse 4 befinden
soll, angeordnet, und dann wird der Zylinderblock 2 mit
dem Vorformling in einem Stück
gegossen. Wenn der Vorformling in einem Stück gegossen wird, dringt geschmolzenes
Aluminium in die Hohlräume
des Vorformlings ein, der Vorformling wird faserverstärkt-metallisiert,
und es entsteht ein unabhängiger
FRM-Bereich 10. Da wie in 3 gezeigt mehrere
Vorformlinge in einem Stück
gegossen werden, kann die Dicke W1 eines Flächenkörpers eines Vorformlings im
Vergleich zur Breite W2 des Lagergehäuses 4 dünn ausgelegt
werden. Im Ergebnis kann das Volumen eines einzelnen Vorformlings
reduziert werden, und das geschmolzene Aluminium dringt richtig
in das Innere des Vorformlings ein. Dementsprechend entsteht ein
hohlraumfreier FRM-Bereich 10, in dem sich die Aluminiumlegierung stark
mit den Verstärkungsfasern
verbunden hat.
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Falls
die Auslegung des Lagergehäuses 4 kompliziert
ist, kann der Vorformling mit einem ungleichmäßigen Zwischenraum eingebettet
werden, um die Wärmedehnung
des Lagergehäuses 4 zu steuern.
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Somit
ermöglicht
es nach der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung der Aufbau des Lagergehäuses des
Zylinderblocks 1, 2, die Wärmedehnungskoeffizienten der
Lagergehäuse 3, 4 richtig zu
steuern und deren Festigkeit und Steifigkeit sicherzustellen. Und
zwar stellt der mehrlagige Aufbau aus Aluminiumlegierung und faserverstärktem Metallbereich 10 einen
Wärmedehnungskoeffizienten her,
der zwischen dem der Aluminiumlegierung und den Verstärkungsfasern
liegt. Solch ein dazwischen liegender Wärmedehnungskoeffizient ermöglicht es, den
Unterschied der Wärmedehnungskoeffizienten zwischen
der Kurbelwelle 7 und den Lagergehäusen 3, 4 zu
reduzieren. Im Ergebnis wird verhindert, dass sich das Spiel D zwischen
den Lagergehäusen 3, 4 und
der Kurbelwelle 7 unter Bedingungen hoher Temperatur verändert, und
es können
Schwingungen und Geräusche
gemindert werden, die vom Motor erzeugt werden.
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Da
insbesondere mehrere FRM-Bereiche 10 separat in den jeweiligen
Lagergehäusen 3, 4 ausgebildet
sind, können
Grenzflächen
zwischen der Aluminiumlegierung und dem faserverstärkten Metallbereich
vergrößert und
in der Folge auch Grenzflächen zwischen
den Verstärkungsfasern
und dem Grundmetall vergrößert werden.
Im Ergebnis nimmt die Festigkeit eines ganzen Lagers zu. Da darüber hinaus
die jeweiligen FRM-Bereiche 10 mit Ausnahme der Lagerfläche mit
Aluminiumlegierung verbunden sind, kann eine angemessene Verbindungsfestigkeit sichergestellt
werden, die Festigkeit, Steifigkeit und eine geeignete Steuerung
des Spiels bereitstellt.
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Da
darüber
hinaus mehrere FRM-Bereiche 10 separat vorgesehen sind,
kann das Volumen eines einzelnen FRM-Bereichs 10 reduziert
werden. Im Ergebnis können
die Hohlräume
aus dem faserverstärkten
Metallbereich 10 fast ganz beseitigt werden, entsprechend
kann die erforderliche Festigkeit und Steifigkeit sichergestellt
und Streuungen zwischen den Wärmedehnungskoeffizienten
zwischen Lagergehäuseprodukten
können
minimiert werden.
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In
der vorgenannten Ausführungsform
wurde ein Boxermotor als Beispiel aufgeführt, jedoch lässt sich
der Aufbau des Lagergehäuses
auch auf andere Arten von Motoren wie Reihenmotoren, V-Motoren und
dergleichen anwenden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform
offenbart wurde, um die Erfindung besser verständlich zu machen, sollte klar
sein, dass sich die Erfindung auf verschiedene Weisen umsetzen lässt, ohne
dass dabei vom Grundgedanken der Erfindung abgewichen wird. Deshalb
sollte die Erfindung so aufgefasst werden, dass sie alle möglichen
Ausführungsformen
umfasst, die umgesetzt werden können,
ohne dass dabei von dem in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Grundgedanken
der Erfindung abgewichen wird.