WO2000057047A1 - Formteil aus leichtmetall, insbesondere kurbelgehäuse für eine verbrennungsmotor - Google Patents

Formteil aus leichtmetall, insbesondere kurbelgehäuse für eine verbrennungsmotor Download PDF

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Raimund Ratzi
Karl-Heinz Menzl
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    • F16C9/00—Bearings for crankshafts or connecting-rods; Attachment of connecting-rods
    • F16C9/02—Crankshaft bearings
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
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    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/042—Expansivity

Definitions

  • Molded part made of light metal, in particular crankcase for an internal combustion engine
  • the invention relates to a molded part made of light metal, in particular Kurbeigehause for an internal combustion engine, with receiving openings for fastening screws, with the help of which compressive stresses can be exerted on the molded body in a light metal area
  • the gray cast iron inserts forming a significant part of the bearing walls and not the subsequent light metal areas of the bearing walls determine the expansion behavior, so that largely in the area of the crankshaft bearings and their screw connections Uniform thermal expansion ratios are to be expected, which has an advantageous effect on the bearing play or the strength of the screw connection.
  • a disadvantage of these known Kurbeigehausen is, among other things, that because of the gray cast iron insert absorbing the screw forces and the associated geometrical dimensions of these inserts, the weight advantage of the light metal walls is considerable Part is lifted
  • the invention is therefore based on the object, a molded part made of light metal, in particular a Kurbeigehause for an internal combustion engine, the type described so that despite the different thermal expansion behavior of the light metal and the fastening screws advantageous fastening conditions can be created, under one Extensive use of the weight advantages of the light metal
  • the invention achieves the stated object in that, in the light metal area exposed to the compressive stresses, at least one open-pore sintered body is at least poured into the pores of a surface layer while the light metal is infiltrated, and in that the sintered body, which has a lower thermal expansion coefficient than the light metal, at least together with the infiltrated light metal has a strength at least corresponding to the light metal strength
  • a sintered body, the thermal expansion coefficient of which is smaller than that of the light metal, is able to change the thermal expansion behavior of the light metal, provided that the sintered body is connected to the light metal in a shear-resistant manner and the composite has a strength at least corresponding to the light metal strength, so that the light metal is prevented from free thermal expansion in the area of the sintered body.
  • the shear-resistant connection between the light metal and the sintered body is achieved in that when the molded part is cast, the light metal melt preferably infiltrates at least into the pores of a surface layer of the sintered body in a die-casting process Molding Build up sufficiently high shear stresses in the transition area from the light metal to the sintered body to prevent a relative movement between the sintered body and the light metal.
  • the sintered bodies which can be used in accordance with the respective load requirements of the molded part, can have comparatively small dimensions, so that those connected to these sintered bodies Weight increase remains limited, especially since the required porosity of the sintered body leads to a reduction in weight in comparison to non-sintered inserts.
  • the sintered body without infiltrated light metal may have a lower strength than the light metal and still meet the strength requirements with regard to a limitation of the free expandability of the light metal, if the sintered body infiltrated with light metal has the required strength activity
  • the sintered body in the core area can have a higher density than in the surface area.
  • the infiltration of the light metal into the Pores of the surface layer are lightened and, on the other hand, a higher strength of the sintered bodies is achieved.
  • the strength of the cast-in sintered bodies can also be improved by reinforcements
  • FIG. 1 shows the housing lower part of a spa house according to the invention in sections in a simplified diagram
  • FIG. 2 shows this housing lower part in a cross section through a bearing wall
  • the illustrated lower housing part of a Kurbeigehaus made of light metal has in a conventional manner the long running housing outer walls 1 and these housing outer walls 1 connecting, transversely aligned bearing walls 2, which start from the separating surface 3 to the housing upper part and have cross-sectional semicircular receptacles 4
  • receiving openings 5 for fastening screws 6 are provided in the bearing walls 2, via which the bearing forces are transferred into the bearing walls 2.
  • sintered bodies 7 are cast into the light metal of the bearing walls which have sufficient porosity to allow infiltration of the light metal into the pores of at least one surface layer.
  • This light metal infiltration of the sintered bodies 7 is made of light due to the hatching of the bearing walls 2 extending into the sintered bodies 7 tmetall indicated in Fig. 2
  • the sintered body 7 can be provided with recesses 8
  • the bearing walls 2 made of light metal are therefore the same at least in the area of the sintered bodies 7 to their thermal expansion behavior if sufficient strength of the sintered bodies 7 is ensured. This means that, for example, if the thermal expansion behavior of the bearing walls 2 is adapted to the thermal expansion behavior of the fastening screws 6, the sintered bodies 7 correspond to Adequate thermal expansion behavior must be in order to limit the thermal expansion behavior of the bearing walls 2
  • the sintered bodies can contain 7 alloying elements, for example nickel, which react exothermically with the light metal and thus reduce the viscosity of the melt.
  • the sintered bodies can also have a reinforcement that presses together with the sintered powder is and consists for example of a wire mesh or reinforcing fibers
  • the invention is of course not limited to the exemplary embodiment shown and can be used wherever forces have to be introduced via fastening screws into a molded part made of light metal under different heat loads.
  • the sintered bodies 7 can, in addition to the receiving openings 5 for the fastening screws 6 must be arranged, but also be penetrated by the fastening screws 6. The only thing that matters is that the light metal region of the molded body, which is held under pressure by the fastening screws 6, is prevented from its free thermal expansion behavior

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Abstract

Es wird ein Formteil aus Leichtmetall, insbesondere Kurbelgehäuse für einen Verbrennungsmotor, mit Aufnahmeöffnungen (5) für Befestigungsschrauben (6) beschrieben, mit deren Hilfe auf den Formkörper in einem Leichtmetallbereich Druckspannungen ausübbar sind. Um vorteilhafte Konstruktionsbedingungen zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass im den Druckspannungen ausgesetzten Leichtmetallbereich wenigstens ein offenporiger Sinterkörper (7) unter einer Infiltration des Leichtmetalls zumindest in die Poren einer Oberflächenschicht eingegossen ist und dass der einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Leichtmetall aufweisende Sinterkörper (7) zumindest zusammen mit dem infiltrierten Leichtmetall eine wenigstens der Leichtmetallfestigkeit entsprechende Festigkeit aufweist.

Description

Formteil aus Leichtmetall, insbesondere Kurbelgehäuse für einen Verbrennungsmotor
[0001 ] Die Erfindung bezieht sich auf einen Formteil aus Leichtmetall, insbesondere Kurbeigehause für einen Verbrennungsmotor, mit Aufnahmeoffnungen für Befestigungsschrauben, mit deren Hilfe auf den Formkorper in einem Leichtmetallbereich Druckspannungen ausubbar sind
[0002] Da Formteile aus Leichtmetall im Vergleich zu üblichen stählernen Befestigungsschrauben ein unterschiedliches Warmedehnungsverhalten zeigen, andern sich die Spannungsverhaltnisse aufgrund von Druckkräften, die mit Hilfe von stählernen Befestigungsschrauben auf Formkorper aus Leichtmetall ausge- übt werden, mit der Temperatur, was sich beispielsweise durch eine erhebliche Verringerung der Klemmkrafte bemerkbar machen kann Um bei Lagerstuhlen von Kurbeigehausen aus Leichtmetall eine übermäßige Vergrößerung des Lagerspiels bei höheren Betriebstemperaturen zu vermeiden, ist es bekannt (US 5 203 854 A), die Kurbelwellenlager mit den Lagerschrauben in Graugußein- satzen zu lagern, die in die Lagerwande eingegossen sind Damit bestimmen die einen erheblichen Teil der Lagerwande bildenden Graugußeinsatze und nicht die anschließenden Leichtmetallbereiche der Lagerwande das Dehnungsverhalten, so daß im Bereich der Kurbelwellenlager und ihrer Verschraubung weitgehend einheitliche Warmedehnungsverhaltnisse zu erwarten sind, was sich vorteilhaft auf das Lagerspiel bzw die Festigkeit der Schraubverbindung auswirkt Nachteilig bei diesen bekannten Kurbeigehausen ist allerdings unter anderem, daß wegen des die Schraubenkrafte aufnehmenden Graugußeinsatzes und der damit verbundenen geometrischen Abmessungen dieser Einsätze der Gewichtsvorteil der Leichtmetailwande zu einem erheblichen Teil aufgehoben wird
[0003] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Formteil aus Leichtmetall, insbesondere ein Kurbeigehause für einen Verbrennungsmotor, der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß trotz des unterschiedlichen Warmedehnungsverhaltens des Leichtmetalls und der Befestigungsschrauben vorteilhafte Befestigungsbedingungen geschaffen werden können, und zwar unter einer weitgehenden Ausnutzung der Gewichtsvorteile des Leichtmetalls
[0004] Die Erfindung lost die gestellte Aufgabe dadurch, daß im den Druckspannungen ausgesetzten Leichtmetallbereich wenigstens ein offenporiger Sinterkorper unter einer Infiltration des Leichtmetalls zumindest in die Poren einer Oberflachenschicht eingegossen ist und daß der einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Leichtmetall aufweisende Sinterkorper zu- mindest zusammen mit dem infiltrierten Leichtmetall eine wenigstens der Leicht- metallfestigkeit entsprechende Festigkeit aufweist
[0005] Ein Sinterkorper, dessen Warmedehnungskoeffizient kleiner als der des Leichtmetalls ist, vermag das Warmedehnungsverhalten des Leichtmetalls unter der Voraussetzung zu andern, daß der Sinterkorper mit dem Leichtmetall schubfest verbunden ist und der Verbund eine wenigstens der Leichtmetall- festigkeit entsprechende Festigkeit aufweist, so daß das Leichtmetall an einer freien Wärmedehnung im Bereich des Sinterkorpers gehindert wird Die schubfeste Verbindung zwischen dem Leichtmetall und dem Sinterkorper wird dadurch erreicht, daß beim Gießen des Formteils vorzugsweise in einem Druckgußverfahren die Leichtmetallschmeize zumindest in die Poren einer Oberflachenschicht des Sinterkorpers infiltriert Dadurch können sich beim fertigen Formteil im Ubergangsbereich vom Leichtmetall zum Sinterkorper ausreichend große Schubspannungen aufbauen, um eine Relativbewegung zwischen dem Sinterkorper und dem Leichtmetall zu unterbinden Die Sinterkorper, die entsprechend den jeweiligen Belastungsanforderungen des Formteiles eingesetzt werden können, können dabei vergleichsweise kleine Abmessungen erhalten, so daß die mit diesen Sinterkorpem verbundene Gewichtserhöhung beschrankt bleibt, zumal die geforderte Porosität der Sinterkorper eine Gewichtsverminderung im Vergleich zu nicht gesinterten Einsatzen mit sich bringt Da die Festigkeit des Sinterkorpers mit einer Infiltration des Leichtmetalls ansteigt, kann unter Um- standen der Sinterkorper ohne infiltriertem Leichtmetall eine geringere Festigkeit als das Leichtmetall aufweisen und trotzdem den Festigkeitsanforderungen in bezug auf eine Begrenzung der freien Ausdehnbarkeit des Leichtmetaiis genügen, wenn der mit Leichtmetall infiltrierte Sinterkorper die hiefur erforderliche Festigkeit aufweist
[0006] Besonders vorteilhafte Konstruktionsbedingungen können dadurch erreicht werden, daß der Sinterkorper einen an die Befestigungsschrauben angepaßten Warmedehnungskoeffizienten aufweist, so daß sich hinsichtlich der Festigkeit der Schraubverbindung mit Verschraubungen von Stahlteilen ver- gleichbare Verhaltnisse ergeben
[0007] Da es vor allem um eine schubfeste Verbindung zwischen dem Sinterkorper und dem Leichtmetall durch eine Infiltration des Leichtmetalles in die Poren des Sinterkorpers geht, kann der Sinterkorper im Kernbereich eine höhere Dichte als im Oberflachenbereich aufweisen Damit wird einerseits die Infiltration des Leichtmetalls in die Poren der Oberflachenschicht erleichtert und anderseits eine höhere Festigkeit der Sinterkorper erreicht Die Festigkeit der eingegossenen Sinterkorper kann aber auch durch Armierungen verbessert werden Diese Armierungen dürfen selbstverständlich die Infiltπerbarkeit des Sinterkorpers bei seinem Umgießen mit dem Leichtmetall nicht nachhaltig beeinträchtigen [0008] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt Es zeigen
Fig 1 das Gehauseunterteil eines erfindungsgemaßen Kurbeigehauses ausschnittsweise in einem vereinfachten Schaubild und Fig 2 dieses Gehauseunterteil in einem Querschnitt durch eine Lagerwand
[0009] Das dargestellte Gehauseunterteil eines erfindungsgemaßen Kurbeigehauses aus Leichtmetall weist in herkömmlicher Weise der Lange nach verlaufende Gehauseaußenwande 1 und diese Gehauseaußenwande 1 verbinden- de, dazu quer ausgeπchtete Lagerwande 2 auf, die von der Trennflache 3 zum Gehauseoberteil ausgehende, im Querschnitt halbkreisförmige Aufnahmen 4 für die Lagerschalen der Kurbelwellenlager bilden Beidseits dieser Aufnahmen 4 sind in die Lagerwande 2 gebohrte Aufnahmeoffnungen 5 für Befestigungsschrauben 6 vorgesehen, über die die Lagerkrafte in die Lagerwande 2 abgetra- gen werden Im Bereich der Aufnahmeoffnungen 5 sind in das Leichtmetall der Lagerwande 2 Sinterkorper 7 eingegossen, die eine ausreichende Porosität aufweisen, um eine Infiltration des Leichtmetalls in die Poren zumindest einer Ober- flachenschicht zu ermöglichen Diese Leichtmetallinfiltration der Sinterkorper 7 ist durch die in die Sinterkorper 7 hineinreichende Schraffur der Lagerwande 2 aus Leichtmetall in der Fig 2 angedeutet Zur Gewichtseinsparung können die Sinterkorper 7 mit Ausnehmungen 8 versehen sein
[0010] Aufgrund der Infiltration der Sinterkorper 7 können die durch das unterschiedliche Warmedehnungsverhalten des Leichtmetalls und der Sinterkorper auftretenden Schubspannungen vom Leichtmetall auf die Sinterkorper abgetragen werden, wodurch eine Relativbewegung zwischen dem Leichtmetall und den Sinterkorpern 7 verhindert wird Die Lagerwande 2 aus Leichtmetall gleichen sich demnach zumindest im Bereich der Sinterkorper 7 an deren Warmedehnungsverhalten an, wenn für eine ausreichende Festigkeit der Sinterkorper 7 gesorgt wird Dies bedeutet, daß beispielsweise bei einer geforderten Anpassung des Warmedehnungsverhaltens der Lagerwande 2 an das Warmedehnungsverhalten der Befestigungsschrauben 6 die Sinterkorper 7 ein entspre- chendes Warmedehnungsverhalten aufweisen müssen, um das Warmedehnungsverhalten der Lagerwande 2 zu begrenzen
[0011] Um das Infiltrieren der Sinterkorper 7 mit dem Leichtmetall beim Gießen der Lagerwande 2 zu erleichtern, ist für eine entsprechende Porosität der Sinterkorper 7 zu sorgen, was beispielsweise durch eine entsprechende Wahl der Korngroße des Sinterpulvers und deren Verteilung oder durch die spateren Poren bestimmende Platzhalter ohne weiteres sichergestellt werden kann Außerdem können die Sinterkorper 7 Legierungselemente, beispielsweise Nickel, enthalten, die mit dem Leichtmetall exotherm reagieren und damit die Viskosität der Schmelze herabsetzen Die Sinterkorper können zur Sicherstellung einer ausreichenden Festigkeit auch eine Armierung aufweisen, die gemeinsam mit dem Sinterpulver verpreßt wird und beispielsweise aus einem Drahtgitter oder Verstarkungsfasern besteht
[0012] Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das dargestellte Ausfuh- rungsbeispiel beschrankt und kann überall dort eingesetzt werden, wo es gilt, Kräfte über Befestigungsschrauben in einen Formteil aus Leichtmetall bei unterschiedlichen Warmebelastungen einzuleiten Die Sinterkorper 7 können gemäß dem Ausfuhrungsbeispiel neben den Aufnahmeoffnungen 5 für die Befestigungsschrauben 6 angeordnet sein, aber auch von den Befestigungsschrauben 6 durchsetzt werden Es kommt lediglich darauf an, daß der durch die Befestigungsschrauben 6 unter Druckspannung gehaltene Leichtmetallbereich des Formkorpers an seinem freien Warmedehnungsverhalten gehindert wird

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Formteil aus Leichtmetall, insbesondere Kurbelgehäuse für einen Verbrennungsmotor, mit Aufnahmeoffnungen für Befestigungsschrauben, mit deren Hilfe auf den Formkörper in einem Leichtmetallbereich Druckspannungen ausübbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß im den Druckspannungen ausge- setzten Leichtmetallbereich wenigstens ein offenporiger Sinterkörper (7) unter einer Infiltration des Leichtmetalls zumindest in die Poren einer Oberflächenschicht eingegossen ist und daß der einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Leichtmetall aufweisende Sinterkörper (7) zumindest zusammen mit dem infiltrierten Leichtmetall eine wenigstens der Leichtmetall- festigkeit entsprechende Festigkeit aufweist.
2. Formteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper (7) einen an die Befestigungsschrauben (6) angepaßten Wärmedehnungskoeffizienten aufweist.
3. Formteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper (7) im Kernbereich eine höhere Dichte als im Oberflachenbereich aufweist.
4. Formteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper (7) eine Armierung aufweist.
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