JP4968490B2 - シリンダクランクケースの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載のシリンダクランクケースの製造方法、ならびに請求項６に記載のシリンダクランクケースに関する。

最新の内燃機関の中のシリンダクランクケースは、大きな機械的および熱的負荷を受けている。機械的負荷のため、軽金属製エンジンの場合には、普通は、クランクケースの他の部分に比べて耐摩耗性のより優れた材料が、シリンダ内壁のために使用されている。シリンダライナが、鋳鉄や、たとえば過共晶Ａｌ／Ｓｉ合金または繊維強化Ａｌ合金のような耐熱Ａｌ合金から生成され、かつ、安価な過共晶Ａｌ合金製またはＭｇ合金製のシリンダクランクケースの中へ鋳込まれているような設計が公知である。最近では、プラスチック製のシリンダクランクケースを備えた設計も研究されている。冷却のために、普通はシリンダライナの周囲にウォータージャケットが通っており、これが特にシリンダ内壁の冷却に役立つ。このウォータージャケットは、プレッシャーダイカスト法で製造されるクランクケースの場合には、しばしば、シリンダヘッド側が開放されており、その結果としてオープンデッキ構造が形成される。シリンダヘッド側が開放された前記ウォータージャケットは、金属プレッシャーダイカスト法で可動スライダが使用され、これらのスライダが鋳造の後にクランクケースの中でウォータージャケットを形づくることによって生じる。このスライダは、クランクケースの開放前に取り外されなければならず、このため、取り外しに抵抗するようなくぼみがあることは許されない。したがって、この技術では、閉鎖空間が成形されることもできない。

前記のウォータージャケットが開放されていることから、エンジンの機械的負荷容量が制限を受ける結果になる。したがって、少なくとも部分的に閉じられたウォータージャケットを有するクローズドデッキ構造の方が優れている。鋳造技術上は、そのようなクローズドデッキ構造のクランクケースを成形することは、相当に困難である。

特許文献１および特許文献２では、クローズドデッキ構造のシリンダクランクケースが記述されている。この場合には、最初にシリンダライナがプレカストされる。部分的に閉じられたシリンダライナの構造的設計により、このシリンダライナは、プレッシャーダイカストによってではなく、砂型鋳物または金型鋳物によって製造されなければならない。前記のプレカストされたシリンダライナは、その後、プレッシャーダイカストを用いて封入される。

このプレッシャーダイカスト法は、大量生産の場合には砂型鋳物または金型鋳物に比べてより経済的な方法であり、したがって、シリンダライナの製造にも応用されるべきである。

独国特許第１０２２１６７４Ｂ４号明細書 独国特許出願公開第１０２３３３５９Ａ１号明細書

プレッシャーダイカスト法でシリンダライナを鋳込む場合には、ウォータージャケットの外壁が鋳物溶融金属によって押しこまれることがあり、シリンダライナの中に配置されたウォータージャケットの空洞部が、そのような仕方でシリンダライナの機械的強度の低下を招くという問題が発生する。

本発明の課題は、従来の技術に比べてより低い製造コストと、より良い鋳物品質とによって特徴づけられるような、クローズドデッキ構造のシリンダクランクケースを提供することである。

この課題は、本発明に基づいて、少なくともウォータージャケットの空洞部に対応する形状のソルトコアを使用したシリンダライナ（４）を鋳造し、クローズドデッキ構造のシリンダクランクケース（２）を成形するため、溶融軽金属を用いたプレッシャーダイカスト法で予め鋳造された（プレカスト）シリンダライナを封入するという工程を含む、クローズドデッキ構造の内燃機関の、軽金属製またはプラスチック製のシリンダクランクケース（２）を製造するための請求項１の特徴を備えた方法と、クローズドデッキ構造のシリンダクランクケースを製造するための、請求項９の特徴を備えた方法、および、クローズドデッキ構造のクランクケースの中へ鋳込むための、耐熱Ａｌ合金製のシリンダライナによって解決される。本発明の、有効かつ重要な発展形態を備えた好ましい構造は、それぞれの従属請求項に明記されている。

クローズドデッキ構造クランクケースを製造するための、請求項１に記載の方法によれば、シリンダライナがプレッシャーダイカスト法で製造され、それがさらにプレッシャーダイカストツールの中へ挿入され、そこで外側ハウジングがシリンダライナの周囲に鋳造される。その場合に重要なことは、本発明に基づいて空洞部がソルトコアによって満たされていることにより、シリンダライナが、クランクケースの中へ鋳込まれる前には、もはや比較的大きな空洞部を有さないということである。ソルトコアは、特に、ウォータージャケットを鋳造圧力に対して効果的に支持する。さらにソルトコアは、密閉不良の鋳型接触面における、空洞部の中への鋳物溶融金属の好ましくない混入を防ぐ。ソルトコアは、シリンダクランクケースのプレッシャーダイカストの間、シリンダライナの中にとどまっており、このことによって、封入中に大きな圧力が発生してもシリンダライナの安定性は改善され、かつ、加工安全性が高められる。さらに、このような仕方によって、流路構造の壁が明らかに薄いウォータージャケットを実現することができる。

本発明が有する、従来の技術に比べて大きなもう１つの有利点は、一般量産エンジンの場合に、プレッシャーダイカストにおけるシリンダライナの成形が、無圧の鋳造法よりも安価になることである。砂型で作られたシリンダライナに比べ、表面の品質もまた明らかに改善されている。特に、砂型の砂による、鋳肌の好ましくない付着および焼成は、全く形成されない。

この場合、シリンダライナは、もう１つのダイカストツールの中へ挿入されるための半製品のことである。このシリンダライナは、シリンダボア領域を形作り、その場合、必要に応じて、シリンダスリーブを備えた、並列に配置された複数のシリンダボアと、ウォータージャケット、ならびにシリンダボア間のフレームを有する。

本発明に基づく方法の、もう１つの特別な有利点は、ソルトコアが、第１の鋳造工程の後でも第２の鋳造工程の後でも、簡単かつ残留物なしに取り外し可能であることである。これによってはじめて、シリンダライナの中に、たとえば特にウォータージャケットのためのクローズドデッキ構造に必要な、ほとんど閉じられた空洞部を実現することが可能になる。ウォータージャケットの冷却液の媒体連通は、ソルトコアを溶解するには十分である。

ソルトコアとは、標準的な場合には、単独または混合物でのアルカリ塩化物、特にＮａＣｌおよび／またはＫＣｌである。有利な実施形態では、さらに、溶解補助剤または補強材が含まれている。溶解補助剤は、例を挙げるならば、たとえば酸性の水様溶剤に触れた炭酸カルシウムのように、水様溶剤に触れてガスを出す物質であることができる。補強材は、たとえば、鉱物短繊維であることができる。

アルミニウム表面のエッチング加工によって、ソルトコアもしくは鋳肌の完全な除去を支援するために、溶剤として酸性の水様溶液を用いることは、有効であり得る。ここでは、たとえば、塩酸溶液、酢酸溶液またはクエン酸溶液が特に有効である。

本発明のさらなる利点、特徴および詳細は、好ましい実施形態に関する以下の説明ならびに図に示されている。

プレッシャーダイカストツールの中へ挿入され、シリンダライナを成形するための、ソルトコアの概要を示す斜視図である。 封入されたソルトコアを備え、プレッシャーダイカスト法で鋳造されたシリンダライナの概要を示す斜視図である。 図２に基づく封入されたソルトコアを備えたシリンダクランクケースの概要を示す斜視図である。

シリンダクランクケースの製造方法は、以下のような工程段階に基づく。

まず第１に、図１の斜視図で概要を示したソルトコア６が、ここでは図示されていない第１のプレッシャーダイカストツールの中へ挿入される。この第１のプレッシャーダイカストツールは、シリンダライナ４の製造に役立ち、このシリンダライナは、図２で概要を示す斜視図に示されている。ソルトコア６を備えたシリンダライナ４は、その後、ここでは図示されていない第２のプレッシャーダイカストツールの中へ挿入され、このプレッシャーダイカストツールは、図３で概要を示す斜視図に示されたシリンダクランクケース２の形成に役立つ。この場合に、シリンダライナ４は、鋳造金属によって封入され、かつ最終状態では、シリンダクランクケース２の外側ハウジング１０によって取り囲まれる。

以下に、個々の工程段階と半製品について、さらに詳細に説明する。

図１に基づくコア６は、対応した接合剤と硬化剤を含む無機材料から成る高強度ソルトコアであり、このソルトコアは、コアシューティングまたは圧縮成形のような従来のコア製造方法によって製造される。このコア６は、水またはその他の液体の中で溶解できる。

コア６は、図１に記載の例では、４気筒クランクケース２のウォータージャケット８を形づくるように形成されている。この場合に、このウォータージャケットは、リング状の面１１を有し、完成したシリンダクランクケース２の中で、この面は、個々のシリンダスリーブを取り囲むウォータージャケット８を形成する。面１１は、中央で流路１４によって接続されている。これらの流路１４は、特に薄くかつ精巧な構造であり、これをプレッシャーダイカスト法で成形するのは困難である。さらにまた、ソルトコア６は、胸壁状の突出部１２を有し、完成した部品の中では、これらの突出部が、開口部１６を形成する（図３を参照）。これらの開口部１６を通って、シリンダクランクケース２の冷却水は、図示されていないシリンダヘッドの中へ流入する。さらに、コア６は、もう１つの冷却水注入口１５を有する。

シリンダライナ４を製造するための第１のダイカストツールは、前記コア６がこのダイカストツールの中へ挿入されることができ、かつ、鋳型壁において支持されるように形成されている。この場合に、このツールは、鋳造金属が流入する際に、特に過大な曲げモーメントがコア６に発生しないように設計されている。コア６は、シリンダライナ４のプレッシャーダイカストに際して損傷を受けないままであり、かつ鋳造されたシリンダライナ４によって型から取り外される。このようにして形成された半製品は、図２で説明されている。

次の工程段階では、埋め込まれ封入されたコア６が、第２のプレッシャーダイカストツールの中へ挿入され、そのうえで再び鋳造金属を用いて封入される。コア６が第２の鋳造法でもなおシリンダライナ４の中に含まれているという事実から、シリンダライナ４が、プレッシャーダイカストに際して比較的高い圧力に耐え、それによってまた、比較的壁が薄くかつ微細な構造が成形できるという結果になる。砂型鋳造法で製造されるシリンダライナによって、このような精密な流路構造を実現することは、比較的困難である。さらに、シリンダライナ４の中にコア６を残しておくことにより、溶融金属が前記ウォータージャケット８の中へ入り込み、これを塞いでしまうことが避けられる。

この部品が型から取り外された後、コア６は、水槽の中で、または高水圧下で溶解させられる。この場合に、図３に示されたシリンダクランクケース２が形成される。このシリンダクランクケース２は、外側ハウジング１０およびシリンダライナ４を含む。シリンダライナ４は、空洞部によって貫かれており、これらの空洞部は、コア６の形状に対応しており、かつ、エンジン作動中の冷却水を輸送するためのウォータージャケット８を形成している。このようなウォータージャケット８は、図３では詳しく確認されることができない。図３の中には、単に、シリンダヘッドへ向いた、コア６の胸壁状の突出部１２に由来する開口部１６だけが表示されている。

フレーム１８は、個々のシリンダボア２０を互いに分離しており、このフレームの下には、非常に薄い冷却水流路が通っており、これらの冷却水流路は、コア６の流路１４に起因し、かつ、フレーム１８の直接的な冷却を可能にする。従来のシリンダクランクケースの場合には、そのような冷却は、複雑な後付け冷却孔によって実施しなければならない。

図３では、製造されたシリンダクランクケースが「クローズドデッキ」構造であることも、はっきりと確認することができる。従来のオープンデッキ構造のシリンダクランクケースでは、ウォータージャケットの全体が上方へ向かって開かれているのに対して、シリンダクランクケース２の上側部分では、開口しているのは単に開口部１６だけである。

こうした「クローズドデッキ」構造は、スライダが必要となるために、従来のプレッシャーダイカスト法では実現されることができない。砂型鋳造法で製造される、従来の技術で説明されるシリンダライナによれば、そのような方法は非常に高価である。高強度ソルトコア６を使用することによって、プレッシャーダイカスト法でも、流路１４のような非常に薄いフレームを成形することができる。シリンダクランクケース２は、製造コストが低いと同時に、その強度、機械的負荷容量および耐熱性でもまた従来の技術に優っている。

説明された方法の、もう１つの有利な点は、外側ハウジング１０に用いる材料とは別の、他の材料をシリンダライナ４に用いることができることである。したがって、シリンダライナ４のために、たとえば高強度の、もしくは耐熱性で過共晶のアルミニウム合金を用いることが可能であり、この合金を使用することによって、必要な場合には、ここでは詳しく説明されていない別個のシリンダスリーブをさらに使用することを省略できる。このことは、さらなるコスト優位性を意味するであろう。

外側ハウジング１０は、シリンダライナ４と同程度の大きな機械的および熱的負荷を受けることはなく、比較的安価なアルミニウム合金、マグネシウム合金またはプラスチックによっても成形されることができる。プラスチックの中では、グラスファイバ強化プラスチックまたは炭素繊維強化プラスチックが好ましく、その場合に、ここでは典型的な鋳造工程のかわりにＢＭＣ工程またはＲＴＭ工程が使用される。

シリンダライナ４および外側ハウジング１０を相異なった合金から成形する可能性を考慮する場合には、さらに、外側ハウジング１０を、非常に軽いが、しかし耐熱性のそれほど高くないマグネシウム合金またはプラスチックから製造することも、部品重量を削減するためには有効である。このようにして、シリンダクランクケース２の重量は、さらに大幅に削減される。

シリンダライナ４は、垂直方向のスルーホールを内蔵することもでき、これらのスルーホールは、必要な場合には、コア６を用いて成形することもできる。そのようなスルーホールは、後に、その他のアセンブリ部品に対する取り付け用のねじ部を含むことができるか、または、それらのスルーホールは、貫通孔としてシリンダヘッドからシリンダクランクケース２を貫いて通り、かつタイロッドを取り付けるために役立つことができる。

ウォータージャケットのためのソルトコア６のもう１つの実施形態は、溝または切欠きの形状をした表面構造を備えている。これによって、ウォータージャケットの内側での表面構造が効率よく形成される。これらの表面構造は、冷却液の流れを改善するために役立つ。表面構造は、特に、流れている冷却水の強制混合もしくは乱流発生のために設計されている。これによって、ウォータージャケットの損傷につながる可能性のある、冷却水の局所的な加熱によって引き起こされる空洞形成が軽減される。ウォータージャケットのアクセス不能な空洞部の中で、鋳造用コア材料を、残留物が無いように取り外すことは、本発明に基づいたソルトコアの場合とは違って、従来のサンドコアでは、ほとんど不可能である。

さらなる実施形態では、前記ウォータージャケットの前記ソルトコアが、横方向に通る流路または通路を有する。これによって、前記シリンダライナの鋳造の際にフレームが形成され、これらのフレームは、該ウォータージャケットの２つの内壁を互いに支持する。これらの、ソルトコアの横方向の流路が、シリンダライナの鋳造後にウォータージャケットの中で支持フレームを形成することとなるのであり、これらの横方向の流路を従来の製造法によって成形することは、ほとんど不可能である。前記横方向の流路は、該ライナの安定性の改善に貢献し、かつまた前記冷却液の混合の改善にも貢献する。

本発明のもう１つの態様は、クローズドデッキ構造のクランクケースの中へ鋳込むための、耐熱性のＡｌ合金から成るシリンダライナであり、この場合に、シリンダライナ４は、少なくともウォータージャケットの空間の中にソルトコア６を有している。そのようなシリンダライナは、その安定性のために、特に優れてプレッシャーダイカストに適している。

好ましくは、シリンダライナが、ソルトコアによって満たされた切欠きおよびパイプをすでに有しており、これらの切欠きおよびパイプは、後にシリンダヘッドまたは軸受座への固定のために必要となる。

好ましい実施形態では、固定ボルトのためのパイプがシリンダヘッドの側だけに配置されるよう準備されている。軸受座側の固定は、クランクケースの封入材料を用いて行なわれる。

２ シリンダクランクケース
４ シリンダライナ
６ ソルトコア
８ ウォータージャケット
１０ 外側ハウジング
１１ リング状の面
１２ 胸壁状の突出部
１４ 流路
１５ 冷却水注入口
１６ 開口部
１８ フレーム
２０ シリンダボア

Claims (12)

1. クローズドデッキ構造の内燃機関の軽金属から成るシリンダクランクケース（２）を製造する方法において、
   少なくともウォータージャケット用の空洞部に対応するソルトコア（６）を用いてシリンダライナ（４）を鋳造し、
   前記シリンダクランクケース（２）がクローズドデッキ構造を有するように、溶融軽金属を用いたプレッシャーダイカスト法で前記鋳造されたシリンダライナを封入し、
   封入の際に、前記シリンダライナ（４）が、少なくとも前記ウォータージャケット内に前記ソルトコア（６）を含んでいることを特徴とする方法。
2. 前記シリンダライナ（４）を製造するために、プレッシャーダイカスト法が用いられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記ウォータージャケットを形成するための前記ソルトコア（６）が一体的に形成されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記シリンダライナが、スルーホールに対応するソルトコア（６）を含んでおり、該スルーホールは後に固定ボルトまたはタイロッドを取り付けるために使用されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. 前記シリンダライナが、横方向の通路（１４）に対応するソルトコア（６）を含んでおり、該流路は前記ウォータージャケット内で支持フレームを形成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
6. 前記ウォータージャケットを形成するための前記ソルトコア（６）が、溝または切欠きを備えた表面構造を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。
7. 前記ソルトコア（６）が、前記シリンダクランクケース（２）の鋳造中に、前記シリンダライナ（４）の中に残留することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
8. 前記ソルトコア（６）が、前記シリンダクランクケース（２）のプレッシャーダイカスト後に、酸性水溶液によって該シリンダクランクケースから溶出されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法によって製造されたクローズドデッキ構造のシリンダクランクケースであって、プレッシャーダイカスト法で製造された外側ハウジング（１０）を有し、該外側ハウジング内には、プレシャーダイカスト法で製造された内側シリンダライナ（４）が鋳込まれており、該シリンダライナが少なくともウォータージャケット（８）を有することを特徴とするシリンダクランクケース。
10. クローズドデッキ構造の内燃機関の軽金属から成るシリンダクランクケース（２）であって、
    該シリンダクランクケース（２）は、少なくともウォータージャケット用の空洞部に対応するソルトコア（６）を用いて鋳造されたシリンダライナ（４）を有し、
    該シリンダクランクケース（２）がクローズドデッキ構造を有するように、溶融軽金属を用いたプレッシャーダイカスト法で前記鋳造されたシリンダライナを封入して製造され、
    前記封入の際に、前記シリンダライナ（４）が、少なくとも前記ウォータージャケット内に前記ソルトコア（６）を含んでいることを特徴とするシリンダクランクケース。
11. 前記シリンダライナ（４）が、前記封入中にスルーホールを形成するソルトコア（６）を含んでおり、該スルーホールは、タイロッドまたは固定ボルトを取り付けるために使用されることを特徴とする、請求項１０に記載のシリンダクランクケース。
12. 固定ボルト用の前記スルーホールがシリンダヘッドの側にのみ配置されていることを特徴とする、請求項１１に記載のシリンダクランクケース。

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