EP1498197A1

EP1498197A1 - Verfahren zum Giessen von Kurbelgehäusen für Hubkolbenbrennkraftmaschinen

Info

Publication number: EP1498197A1
Application number: EP03028389A
Authority: EP
Inventors: Ulf Schmidtgen; Roland Lutz
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: EP1498197B1; ES2653521T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Kurbelgehäusen aus Gusseisen für Hubraumbrennkraftmaschinen mit einer Leistung bis ca. 1500 PS und einem Kurbelgehäusegewicht bis ca. 500 kg. Das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnet sich dadurch, dass das Kurbelgehäuse (1) auf den Kopf gestellt mit unten liegender Zylinderkopfseite (2) in einer Gießform (3) mit im Wesentlichen senkrechter Formteilung (4) durch Einleitung des flüssigen Gussmaterials von unten her (5) gegossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Kurbelgehäusen aus Gusseisen für Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit einer Leistung bis ca. 1500 PS und einem Kurbelgehäusegewicht bis ca. 500 kg.

Die Kurbelgehäuse von Brennkraftmaschinen der gattungsgemäßen Größenordnung wurden bisher entweder in stehender Normallage mit Zylinderkopfseite(n) oben ― siehe Fig. 10 und 11 - oder in gekippter Horizontallage - siehe Fig. 9 - gegossen. Die Kurbelgehäuse von V-Brennkraftmaschinen wurden bisher grundsätzlich nur stehend - wie aus Fig. 11 ersichtlich - gegossen. Dabei ergaben sich bedingt durch diese Gießlage in den Kurbelgehäusen gießtechnische Schwachstellen insbesondere an den oberen Randbereichen der Gussteile mit der Folge eines gewissen Ausschussanteils oder Folgeschäden im späteren Motorbetrieb.

Es war daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Gießen von Kurbelgehäusen aus Gusseisen für Brennkraftmaschinen mit der gattungsgemäßen Leistung und dem gattungsgemäßen Kurbelgehäusegewicht zu schaffen, mit dem die Qualität der gegossenen Kurbelgehäuse erheblich verbesserbar und auch die Ausschussquote signifikant reduzierbar ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Gießverfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Details dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind weiter hinten im Rahmen der weiteren Beschreibung desselben anhand der Zeichnung angegeben.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: ein Kurbelgehäuse einer Reihenbrennkraftmaschine in erfindungsgemäßer Gießlage, hergestellt gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Schwerkraftgießen,
Fig. 2: ein Kurbelgehäuse einer Reihenbrennkraftmaschine in erfindungsgemäßer Gießlage, hergestellt gemäß einer zweiten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Schwerkraftgießen,
Fig. 3: ein Kurbelgehäuse einer Reihenbrennkraftmaschine in erfindungsgemäßer Gießlage, hergestellt gemäß einer dritten Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Niederdruckgießen,
Fig. 4: ein Kurbelgehäuse einer V-Brennkraftmaschine in erfindungsgemäßer Gießlage, hergestellt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrens durch Schwerkraftgießen oder Niederdruckgießen,
Fig. 5: ein Kurbelgehäuse einer Reihenbrennkraftmaschine in erfindungsgemäßer Gießlage, mit angesetzten Speisern und Entlüftung/Überlauf,
Fig. 6: ein Kurbelgehäuse einer Reihenbrennkraftmaschine in erfindungsgemäßer Gießlage, dargestellt in einer Gießform,
Fig. 7: ein Kurbelgehäuse einer Reihenbrennkraftmaschine in erfindungsgemäßer Gießlage, dargestellt in einer gegenüber Fig. 6 abgewandelten Gießform, und
Fig. 8: ein Kurbelgehäuse einer Reihenbrennkraftmaschine in erfindungsgemäßer Gießlage, hergestellt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Gradientenguss aus zwei unterschiedlichen Gussmaterialien.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Gießen von Kurbelgehäusen 1 für Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit einer Leistung bis ca. 1500 PS und einem Kurbelgehäusegewicht bis ca. 500 kg besteht prinzipiell darin, dass das Kurbelgehäuse 1 auf den Kopf gestellt, also mit unten liegender Zylinderkopfseite 2, in einer Gießform 3 mit im Wesentlichen senkrechter Formteilung durch Einleitung des flüssigen Gussmaterials von unten her gegossen wird. Die vertikale Formteilung der Gießform 3 ist in den Figuren 6 und 7 durch die strich-punktierte Linie 4 angedeutet. Der Anschnitt 5 für die Einleitung des flüssigen Gussmaterials ist an der tiefsten Stelle der Gießform 3 gegeben, um Turbulenzen im Gussmaterial während der Formfüllung zu vermeiden. Das Füllen der Gießform 3 mit flüssigen Gussmaterial über den besagten unteren Anschnitt 5 kann entweder durch mit Niederdruck von unten her in die Gießform 3 hinein gedrücktes Gussmaterial ― siehe Fig. 3 und 8, dort Pfeil 6 ― oder über Schwerkraft von oben her über ein Angusssystem 7 mit Gussmaterialquelle (Einlauftrichter) 8 zugeführtes Gussmaterial erfolgen ― siehe Figuren 1, 2 und 8. Im Fall des V-Kurbelgehäuses 1 von Fig. 4 kann die Gussmaterialzufuhr zu den beiden Anschnitten 5 ebenfalls entweder über Niederdruck- oder Schwerkraftheranführung erfolgen, insofern ist die gemeinsame Zuleitung mit 6 bzw. 7 bezeichnet. Der Einsatz von Gießfiltem im Anschnitt 5 bzw. Angusssysstem ist jederzeit möglich.

Durch das Anschneiden am tiefsten Punkt des zu gießenden Kurbelgehäuses 1 ist es möglich, eine turbulenzarme und maximal beruhigte Füllung der Gießform 3 zu erreichen, wobei im Fall von Grauguss eine vergleichsweise niedrige, etwa zwischen 1350 und ca. 1380° C liegende Gießtemperatur gefahren werden kann. Aufgrund der turbulenzarmen Gießformfüllung werden insbesondere Metallspritzer oder Bereiche, in denen nur eine kurze Wandbenetzung erfolgt, erfolgreich vermieden und es ist daher ein Aufschmelzen dieser Bereiche zur Schaffung einer druckdichten Verbindung nicht erforderlich. Aufgrund dieser möglichen niedrigen Gießtemperatur ergeben sich innerhalb des gegossenen Kurbelgehäuses 1 ein geringes Temperaturgefälle und niedrige Eigenspannungen.

Aufgrund der unten in der Gießform 3 gegebenen Zylinderkopfseite 2 ist es möglich, in deren Bereich die Materialzugabe für spätere spanabhebende Nachbearbeitung zu minimieren, weil während des Füllvorgangs die im Gussmaterial entstehenden Oxyde sich nicht im Bereich der Zylinderkopfflächenzone einlagern, sondern aufgrund ihres geringeren spezifischen Gewichts nach oben in weniger kritische Zonen des Kurbelgehäuses aufsteigen. Außerdem erstarrt in der Zylinderkopfflächenzone mit ihrer vergleichsweise geringen Wandstärke das eingeleitete Gussmaterial mit hoher Geschwindigkeit, wodurch sich dort ein Gefüge mit höheren Festigkeiten als bei anderen Verfahren an dieser Stelle üblich einstellt.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Gießlage des Kurbelgehäuses 1 ist es in vorteilhafter Weise auch möglich, die Zylinderwände in das Kurbelgehäuse 1 miteinzugießen, wobei diese im Kolbenringbewegungsbereich praktisch frei von Porositäten, Gasblasen oder Lunkern bleiben, welche Gießfehler bei herkömmlicher aufrechtstehender Gießlage mit Zylinderkopfseite 2 oben durchaus auftreten können. Ein besonderer Vorteil ist, dass man die Zylinderwände solchermaßen auch bei größeren Brennkraftmaschinen problemlos integrieren kann, was eine Verringerung der Kurbelgehäuselänge und damit eine Gewichtsreduzierung oder alternativ auch eine Vergrößerung des Kühlwasserraumes ermöglicht.

Die Wassermantelseiten beiderseits der miteinzugießenden Zylinderwände werden mittels metallischer Stützböcke auf Abstand gehalten, welche aufgrund der unten liegenden Zylinderkopfseite 2 vergleichsweise weit unten in der Gießform 3 angeordnet sind und daher sauber im Gussmaterial miteinschmelzbar sind.

Aufgrund der erfindungsgemäß vertikalen Gießlage mit der unten liegenden Zylinderkopfseite 2 wirkt beim Gießen des Kurbelgehäuses 1 der größte metallostatische und statische Druck in der Zylinderkopfflächenzone, weshalb ein Speisen der Zylinderkopfflächenzone auch bei Verwendung von zu Lunkerung neigenden Werkstoffen wie GJV und GJS nicht erforderlich ist.

Aufgrund des beim erfindungsgemäßen Verfahren in der Gießform oben gegebenen Kurbelwellen- bzw. Lagerstuhlbereiches 9 des Kurbelgehäuses 1 ergeben sich in diesem Bereich besonders gute mechanische Eigenschaften. Dies deshalb, weil sich während des Gießvorgangs das in der Gießform 3 aufsteigende Gussmaterial bei Erreichen des Kurbelwellen- bzw. Lagerstuhlbereiches 9 soweit abgekühlt hat, dass es nur noch eine nahe der eutektischen liegende Temperatur hat und sich somit in diesem Bereich eine im Vergleich zu anderen Bauteilbereichen höhere Abkühlungsgeschwindigkeit sowie ein feineres Gefüge mit sehr hoher mechanischer Festigkeit einstellt. Dies ist besonders vorteilhaft, weil Kurbelgehäuse die höchsten Festigkeiten generell im Lagerstuhlbereich bzw. Kurbelwellenlagerbereich 9 aufweisen sollten.

Als Gießverfahren zur Herstellung des Kurbelgehäuses 1 kann das Grünsandverfahren oder Kernblockverfahren oder Kokillengussverfahren zur Anwendung kommen.

Um das Kernsandvolumen insbesondere im Kurbelwellen- bzw. Lagerstuhlbereich 9 zu minimieren, ist es möglich, diesen Bereich in der Gießform hohl zu gestalten ― siehe Fig. 6. Mit 10 ist dort der Kurbelraumkem und mit 11 ein Aufnahmeraum für flüssiges Gussmaterial bezeichnet. Mit 13 sind Entlüftungs- und/oder Gussmaterialüberlaufkanäle bezeichnet.

Aufgrund dieser Hohlgestaltung des Kurbelraumbereiches kann dieser mehrere Funktionen erfüllen. Zum einen die Aufnahme des Überlaufmaterials, das über die Überläufe 13 in den Aufnahmeraum 11 zurückgelangen kann, was ein Durchgießen der Form (3) sicher gewährleistet. Außerdem wird der schalenförmige Kurbelraumkern 10 thermisch sehr hoch belastet, was später zu einem einfachen Entsanden führt. Zum anderen ist anzuführen, dass ― da die Hohlräume bei 12 nach oben offen sind -, in diese, wenn nicht gewünscht, auch kein flüssiges Gussmaterial einlaufen kann. Die durch das Kurbelgehäuse gehende Kernschale wird weitestgehend thermisch zersetzt, so dass sich auch dort kein Problem beim Entsanden ergibt.

Wie Fig. 7 zeigt, können die Hohlräume in der Gießform 3 im Kurbelraumbereich auch mit festem Material, z. B. beliebig geformten Einzelstücken oder auch einem zusammenhängenden Materialstück 14 gefüllt werden, das ein Beschwergewicht oder zumindest ein Teil desselben bildet. Dieses kann entweder nur mit Schwerkraft aufliegen oder gegebenenfalls auch noch zusätzlich zum Rahmen oder Boden der Gießform 3 verspannt sein. In das Beschwergewicht 14 kann außerdem eine Halte- oder Transportfunktion integriert sein, die sowohl bei der Kernpaketmontage als auch beim Entnehmen des gegossenen Kurbelgehäuses 1 aus der Gießform 3 genutzt werden kann. Mit 15 sind Kanäle bezeichnet, die der Entlüftung und/oder als Überlauf für flüssiges Gussmaterial oder zum Ansetzen von Speisern (falls erforderlich) dienen.

Falls es aufgrund des verwendeten Gussmaterials und/oder der geforderten Qualität zur Vermeidung von Lunkem erforderlich sein sollte zu speisen, dann sind die betreffenden Speiser 16 vorzugsweise auf dem höchsten Punkt des zu gießenden Kurbelgehäuses 1, also dem Ölwannenanlageflansch 17 und/oder an einer demgegenüber tieferen Stelle wie einem Auflageflächenbereich 18 für die (nicht dargestellten) Kurbelwellenlagerdeckel anzusetzen. Alternativ können diese Speiser 16 aber auch in den Kurbelraumkern 10 integriert sein oder in diesen eingeschossen werden.

Beim Schwerkraftgießen des Kurbelgehäuses 1 kann das Angusssystem 7 entweder neben diesem ― siehe beispielsweise Fig. 1 ― oder durch eine oder mehrere der durch die Zylinderwände begrenzten Zylinderbohrungen ― siehe beispielsweise Fig. 2 ― zur Angussstelle 5 hin geführt sein. Dabei kann der Anguss nach Erkaltung des Gussmaterials als Transporthaken verwendet werden. Aufgrund der oben liegenden Kurbelraumgasse kann der Angusstrichter 8 in diesen Bereich integriert werden, siehe den Raum 11 in Fig. 6.

Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße vertikale Gießlage des Kurbelgehäuses 1 mit unten angeordneter Zylinderkopfseite 2 die Realisierung eines gradierten Gefüges innerhalb des Kurbelgehäuses 1, das durch die Verwendung z. B. zweier verschiedener Gusswerkstoffe realisierbar ist. Dabei wird ― wie aus Fig. 8 ersichtlich ― im Bereich der Zylinderkopfflächenzone und der sich daran anschließenden oberen Zylinderwandbereiche ein erster Werkstoff, z. B. GJL ― siehe Pfeil 19 ―, mit besseren Wärmeeigenschaften abgegossen und zwar entweder über den Angusstrichter 8 und das Angusssystem 7 oder ein Niederdrucksystem 6 zum Anstich 5, wohingegen im Kurbelwellen- bzw. Lagerstuhlbereich 9 ein anderer Gusswerkstoff, z. B. GJS oder GJV ― siehe Pfeil 20 ―, mit höheren Festigkeitseigenschaften abgegossen wird und zwar über einen Angusstrichter 21 und ein Angusssystem 22 zu einem Anstich 23 unterhalb des Lagerstuhlbereiches. Die Zone des Materialübergangs ist in Fig. 8 mit 24 gekennzeichnet. Eine alternative Eingussmöglichkeit für das zweite Gussmaterial ist von seitlich außen darstellbar. Im diesem Fall sind anstelle des Angusstrichters 21 und Angusssystems 22 ein seitlich oberhalb des zugießenden Kurbelgehäuses 1 angeordneter Angusstrichter 25 und ein äußeres Angusssystem 26 vorgesehen, das zu einem seitlichen Anstich 27 hinführt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich mithin Kurbelgehäuse gießen, die leichter und maßgenauer sind als solche, die in herkömmlicher Verfahrensweise hergestellt wurden.

Claims

Verfahren zum Gießen von Kurbelgehäusen aus Gusseisen für Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit einer Leistung bis ca. 1500 PS und einem Kurbelgehäusegewicht bis ca. 500 kg, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelgehäuse (1) auf den Kopf gestellt mit unten liegender Zylinderkopfseite (2) in einer Gießform (3) mit im Wesentlichen senkrechter Formteilung (4) durch Einleitung des flüssigen Gussmaterials von unten her (5) gegossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschnitt (5) für die Einleitung des flüssigen Gussmaterials an der tiefsten Stelle der Gießform (3) gegeben ist, um Turbulenzen während der Formfüllung zu vermeiden, und dass das Füllen der Gießform (3) mit flüssigem Gussmaterial über den besagten unteren Anschnitt (5) entweder durch Niederdruck (6) von unten her oder über Schwerkraft (7, 8) von oben her mit einer über dem höchsten Punkt des zu gießenden Kurbelgehäuses liegenden Gussmaterialquelle (8) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung des Gussmaterials von unten her auf dichtem Wege ohne zusätzliche Umlenkung in die Gießform (3) erfolgt, und dass der Querschnitt der Gussmaterialzuführung zum zu gießenden Kurbelgehäuse (1) größer als der Querschnitt des Gießlaufes ist und die Füllung der Gießform (3) somit turbulenzarm und maximal beruhigt erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall von Grauguss als Gussmaterial dieses nur mit einer vergleichsweise niedrigen Gießtemperatur von ca. 1350 bis ca. 1380° C in die Gießform (3) eingeleitet wird und sich solchermaßen im zu gießenden Kurbelgehäuse (1) ein geringes Temperaturgefälle und nach Abkühlung niedrige Eigenspannungen in diesem ergeben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der unten in der Gießform (3) gegebenen Zylinderkopfseite (2) in deren Bereich die gussseitige Materialzugabe für spätere spanabhebende Nachbearbeitung minimierbar ist, weil während des Füllvorgangs die im Gießmaterial entstehenden Oxyde sich nicht in der Zylinderkopfflächenzone einlagern, sondern nach oben in weniger kritische Zonen des Kurbelgehäuses (1) aufsteigen, und dass außerdem in der Zylinderkopfflächenzone mit ihrer vergleichsweise geringen Wandstärke das eingeleitete Gussmaterial mit hoher Geschwindigkeit erstarrt und sich dort ein Gefüge mit höheren Festigkeiten als an dieser Stelle üblich einstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderwände in das Kurbelgehäuse (1) mit dem gleichen Gießmaterial miteingegossen werden und dabei im Kolbenringbewegungsbereich praktisch frei von Porositäten, Gasblasen und Lunkem bleiben.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassermantelseiten beiderseits der mit-einzugießenden Zylinderwände mittels metallischer Stützböcke gegeneinander auf Abstand gehalten werden, die wegen der unten liegenden Zylinderkopfseite (2) vergleichsweise weit unten in der Gießform (3) angeordnet sind und solchermaßen sauber im Gussmaterial miteinschmelzbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der vertikalen Gießlage des Kurbelgehäuses (1) mit der unten liegenden Zylinderkopfseite (2) beim Gießen des Kurbelgehäuses (1) der größte metallostatische und statische Druck in der Zylinderkopfflächenzone wirkt und deshalb ein Speisen der betreffenden Zylinderkopfflächenzone auch bei zur Lunkerung neigenden Werkstoffen wie GJV oder GJS nicht erforderlich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich das während des Gießvorganges in der Gießform (3) aufsteigende Material derart abkühlt, dass es bei Erreichen des in der Gießform (3) oben gegebenen Kurbelwellen- bzw. Lagerstuhlbereiches (9) des Kurbelgehäuses (1) eine nahe der eutektischen liegende Temperatur hat, sich somit in diesem Kurbelgehäusebereich (9) eine höhere Abkühlgeschwindigkeit als üblich und ein feineres Gefüge mit sehr hoher mechanischer Festigkeit einstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Kurbelgehäuses (1) entweder im Grünsandverfahren oder Kernblockverfahren oder Kokillengussverfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn es aufgrund des verwendeten Gussmaterials oder der geforderten Qualität zur Vermeidung von Lunkern erforderlich ist zu speisen, die Speiser (16) vorzugsweise auf den höchsten Bauteilpunkt am Kurbelgehäuse (1), also dem Ölwannenanlageflansch (17) und/oder an einer demgegenüber etwas tieferen Stelle wie einem Auflageflächenbereich (18) für die Kurbelwellenlagerdeckel gesetzt sind oder alternativ bereits in den Kurbelraumkern (10) integriert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schwerkraftgießen des Kurbelgehäuses (1) das Angusssystem (7, 8) entweder neben dem Kurbelgehäuse (1) oder durch eine oder mehrere der Zylinderbohrungen des Kurbelgehäuses (1) zur Angussstelle (5) hin geführt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der vertikalen Gießlage des Kurbelgehäuses (1) mit unten angeordneter Zylinderkopfseite (2) im Kurbelgehäuse (1) ein gradiertes Gefüge durch Verwendung zweier verschiedener Gusswerkstoffe (19, 20) schaffbar ist, wobei im Bereich der Zylinderkopfflächenzone und der sich daran anschließenden oberen Zylinderwandbereiche ein Werkstoff (19), z. B. GJL, mit besseren Wärmeleiteigenschaften und im Bereich der Kurbelwellenlagers bzw. -lagerstuhls (9) ein Werkstoff (20), z. B. GJS oder GJV, mit höheren Festigkeitseigenschaften abgegossen wird, und wobei die Angussstelle (23) für das im Kurbelwellen- bzw. Lagerstuhlbereich (9) vorgesehene Gussmaterial (20) oberhalb der unteren Angussstelle (5) für das andere Gussmaterial (19) angeordnet ist.