WO2003076108A1

WO2003076108A1 - Verfahren zum giessen von zylinderkurbelgehäusen und kernpaket für das giessen von zylinderkurbelgehäusen, kernkasten und kernpaket

Info

Publication number: WO2003076108A1
Application number: PCT/EP2003/002626
Authority: WO
Inventors: Alexander Fischer; Joachim Kahn; Stefan Tillmann
Original assignee: Hydro Aluminium Deutschland Gmbh
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2003-09-18
Also published as: WO2003076108A8; DE10211053A1

Abstract

Die Erfindung ermöglicht es, mit Verstärkungsinserts ausgestattete Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall-Gusslegierung giesstechnisch einfach herzustellen. Dazu werden folgende Arbeitsschritte durchlaufen: Herstellen eines aus Einzelkernen montierten Kernpakets (1) mit einem Kurbelraumkern (3), wobei dieser Kurbelraumkern (3) aus einem Kernformstoff gebildet ist, der aus einem eine gegenüber dem Gusswerkstoff höhere Festigkeit aufweisenden Werkstoff hergestellte und nach der fertigen Montage des Zylinderkurbelgehäuses die Hauptlager einer Kurbelwelle stützende Inserts (6) in einem Abschnitt (6u) umgibt, wodurch die Inserts (6) nach dem Abgiessen und Entkernen mit diesem Abschnitt (6u) frei aus dem Gussteil hinaus stehen; Erschmelzen und Abgiessen des Leichtmetall-Gusswerkstoffs in das Kernpaket (1); Abkühlen und Entkernen des gegossenen Zylinderkurbelgehäuses; mindestens teilweises Abtrennen der über das Zylinderkurbelgehäuse hinaus stehenden Abschnitte (6u) der Inserts (6).

Description

Verfahren zum Gießen von Zylinderkurbelgehäusen und

Kernpaket für das Gießen von Zylinderkurbelgehäusen,

Kernkasten und Kernpaket

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Zylinderkurbelgehäusen aus einem Leichtmetall- Gusswerkstoff, insbesondere einem Aluminium- oder Magnesium-Gusswerkstoff. Ebenso betrifft die Erfindung einen Kernkasten zum Herstellen eines für diesen Zweck eingesetzten Kernpakets sowie ein solches Kernpaket selbst.

Die Anforderungen an Sicherheit, Komfort, Leistung und Umweltfreundlichkeit haben dazu geführt, dass das Gewicht von Kraftfahrzeugen in den vergangenen Jahren trotz aller Bemühungen um einen gewichtssparenden Leichtbau von Karosserie und Antriebsstrang weiter gestiegen ist. Da zu erwarten ist, dass kundenseitig immer neue Wünsche an die Ausstattung und den Funktionsumfang der Fahrzeuge gestellt werden, sind weitere Anstrengungen erforderlich, um die durch den Einbau der dazu erforderlichen Geräte verursachten Gewichtszunahme der Fahrzeuge in akzeptablen Grenzen zu halten. Darüber hinaus zwingen die in Bezug auf Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen stetig strenger werdenden gesetzlichen Auflagen dazu, das bei herkömmlichen Fahrzeug- und Motorkonstruktionen vorhandene Gewichtseinsparungspotenzial zu nutzen.

Im Bereich des Motorbaus kann eine wesentliche Gewichtsreduzierung durch die Wahl von Leichtmetallwerkstoffen für die Herstellung des Motorblocks erzielt werden. Daher werden seit längerem schon wesentliche Teile von Otto-Motoren und in jüngerer Zeit auch von Diesel-Motoren aus Aluminium-Leichtmetall- Legierungen gegossen.

Eine weitere Gewichtseinsparung könnte beim Motorbau erzielt werden, wenn die bekannten Aluminiumlegierungen durch Magnesiumwerkstoffe ersetzt würden. Die spezifische Masse von geeigneten Magnesiumwerkstoffen beträgt ca. 1,7 g/cm³, während die von bekannten Aluminiumlegierungen ca. 2,7 g/cm³ beträgt. Daher ist beispielsweise vorgeschlagen worden, das Zylinderkurbelgehause von Verbrennungsmotoren aus Magnesium-Gusswerkstoff herzustellen (Dörnenburg, Frank: "Demands on a Magnesium Engine Block", International Conference on Processing and Maufacturing of Advanced Materials, 4. bis 8. Dezember 2000, Las Vegas USA, TMS").

Als problematisch bei der Verwendung von Magnesiumlegierung im Bereich des Motorbaus haben sich die gegenüber Aluminium geringere Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit dieses Werkstoffs erwiesen. Dies zeigt sich insbesondere dann, wenn Motorblöcke für Dieselfahrzeuge aus Magnesium hergestellt werden sollen. Die bei Dieselmotoren mit Com on-Rail- oder Pumpe-Düse- Direkteinspritzung auftretenden Drücke von mehr als 150 bar führen zu hohen statischen und dynamischen Belastungen des Kurbelgehäuses.

Berechnungen haben ergeben, dass diese Belastungen von Magnesium-Motorblöcken nur ertragen werden können, wenn an geeigneter Stelle Verstärkungselemente in das jeweilige Motorblockbauteil eingegossen werden. So ist es für einen dauerhaft sicheren Betrieb eines aus Magnesium gefertigten Hochleistungsmotors erforderlich, die im Bereich der Hauptlager der Kurbelwelle auftretenden Kräfte durch in das Zylinderkurbelgehäuse eingegossene Inserts aufzunehmen. Diese auch als

"Lagerstuhlverstärkungen" bezeichneten Einbaustücke sind in der Regel aus Grauguss oder vergleichbar festen Werkstoffen hergestellt.

Bekannte Lagerstuhlverstärkungsinserts besitzen auf ihrer der Unterseite des zu gießenden Kurbelgehäuses zugeordneten Seite in der Regel eine halbschalenförmige Ausnehmung, die bei fertig montiertem Motorblock die eine Hälfte der das Lager des jeweiligen Hauptlagers aufnehmenden Lageröffnung bildet. An der der Ausnehmung gegenüber liegenden, in das Gehäuse eingegossenen Seite des Inserts sind dabei üblicherweise Formelemente ausgebildet, welche beim Abgießen vom Gießwerkstoff umflossen werden. Durch die in den Gießwerkstoff greifenden und mit ihm eng verzahnten Formelemente ist sichergestellt, dass die Inserts trotz des in der Regel unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens der miteinander in Kontakt kommenden Werkstoffe auch bei Betriebstemperatur des Motors sicher in dem Kurbelgehäuse gehalten sind.

Beim Eingießen der bekannten Inserts muss einerseits eine exakte Ausrichtung der Inserts im Motorblock gewährleistet sein. Andererseits müssen bei der Montage des Motorblocks die die Kurbelwelle an den Inserts haltenden, den jeweiligen Lagerstuhl mit seiner Lageröffnung vervollständigenden Befestigungselemente exakt lagerichtig montiert werden.

Um die exakte Montage fertigungstechnisch zu vereinfachen, ist in der DE 100 26 216 AI vorgeschlagen worden, die für die Lagerung der Kurbelwelle benötigten Bauelemente als einstückiges Insert auszubilden, in das die erforderliche Lageröffnung eingeformt ist. Diese Inserts werden unter Freihaltung der Lageröffnung mit ihrer einen Hälfte in das Zylinderkurbelgehäuse eingegossen, während ihre andere Hälfte nach dem Abguss und dem Entkernen über die der Ölwanne des fertigen Motors zugeordnete Fläche des Zylindergehäuses hervorsteht. Bei der Fertigmontage des Motors werden die jeweils freistehenden Abschnitte der Inserts durch Brechen von den jeweils in den Gehäusewerkstoff eingegossenen Abschnitten getrennt. Dann werden die Kurbelwelle und die für ihre Lagerung benötigten Lagerschalen in den nun freiliegenden halbschalenförmigen Ausnehmungen der Inserts montiert. Anschließend werden die von den Inserts zuvor jeweils abgetrennten Abschnitte wieder mit den zugehörigen im Zylinderkurbelgehäuse verbliebenen Abschnitten verschraubt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Lagerstühle der Kurbelwelle nach der Endmontage des Motors stets lagerichtig befestigt sind. Die gießtechnische Herstellung von mit Inserts der aus der DE 100 26 216 AI bekannten Art ausgestatteten Zylinderkurbelgehäusen erweist sich in der Praxis jedoch als aufwändig.

Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, Wege anzugeben, die es ermöglichen, mit Verstärkungsinserts ausgestattete Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall-Gusslegierung gießtechnisch einfach herzustellen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik durch ein Verfahren zum Gießen eines Zylinderkurbelgehäuses für einen Verbrennungsmotor aus einem Leichtmetall-Gusswerkstoff, insbesondere einem Aluminium- oder einem Magnesium- Gusswerkstoff, gelöst, bei dem folgende Schritte durchlaufen werden:

- Herstellen aus Einzelkernen montierten Kernpakets mit einem Kurbelraumkern, wobei dieser Kurbelraumkern, aus einem Kernformstoff gebildet ist, der aus einem eine gegenüber dem Gusswerkstoff höhere Festigkeit aufweisenden Werkstoff hergestellte und nach der fertigen Montage des Zylinderkurbelgehäuses die Hauptlager der Kurbelwelle stützende Inserts in einem Abschnitt umgibt, wodurch die Inserts nach dem Abgießen und Entkernen in diesem Abschnitt frei aus dem Gussstück hinaus stehen,

- Erschmelzen und Abgießen des Leichtmetall- Gusswerkstoffs in das Kernpaket,

- Abkühlen und Entkernen des gegossenen Zylinderkurbelgehäuses,

- mindestens teilweises Abtrennen der über das Zylinderkurbelgehäuse hinaus stehenden Abschnitte der Inserts. Erfindungsgemäß werden die Zylinderkurbelgehäuse im Kernpaketverfahren gegossen. Dazu wird zunächst ein Kernpaket hergestellt, welches in vom Sandguss bekannter Weise die Höhlungen, Kanäle etc. sowie die äußere Form des herzustellenden Gusstücks abbildet. Zusätzlich sind in diesem Kernpaket Inserts gehalten, die beim fertig montierten Zylinderkurbelgehäuse die Hauptlager der Kurbelwelle stützen. Diese Inserts sind dabei so in den Formstoff des Kernpakets eingebettet, dass diejenigen ihrer Abschnitte, die nach dem Abgießen und Entkernen des Gusstücks frei in den Raum ragen sollen, vom Kernformstoff umgeben sind. Diejenigen ihrer Abschnitte, die eine unmittelbare Verbindung mit dem Gusswerkstoff eingehen sollen, liegen dagegen frei, so dass die Leichtmetallschmelze sie beim Abgießen umspült und nach der Abkühlung eine feste Verbindung zwischen den Inserts und dem Leichmetallkörper des Zylinderkurbelgehäuses hergestellt ist. Beim Erstarrungsvorgang wirken die Inserts als Kühleisen und fördern einen für die Herstellung fehlerfreier Gussteile notwendige gelenkte Erstarrung.

Handelt es sich bei der Leichtmetallschmelze um eine Magnesiumschmelze, so erfolgt das Gießen zweckmäßigerweise unter Schutzgas, um eine Selbstentzündung des Magnesiums infolge eines Kontakts mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft zu vermeiden-.

Die teilweise in das Gusstück eingegossenen Inserts stehen nach dem Entkernen mit dem zuvor im Kernpaket vollständig eingebetteten Abschnitt frei über eine Begrenzungsfläche des Zylinderkurbelgehäuses hervor. Nach weiteren Bearbeitungsgängen oder in unmittelbarem Anschluss an die Entkernung wird dieser frei überstehende Abschnitt ganz oder teilweise von dem fest im Zylinderkurbelgehäuse gehaltenen Teil des Inserts getrennt. Dazu sind die Inserts bevorzugt so beschaffen, dass der abzutrennende Abschnitt sich in bekannter Weise von dem eingegossenen Abschnitt des Inserts abbrechen ("Bruchtrennen" oder auch "Cracken") lässt.

Anschließend kann die Montage der Kurbelwelle vorgenommen werden. Dabei werden die zuvor abgetrennten Abschnitte wieder mit dem ihnen zugeordneten, jeweils im Zylinderkurbelgehäuse verbliebenen Abschnitten der Inserts verbunden.

Indem die durch die Erfindung vorgegebene Vorgehensweise befolgt wird, lassen sich beim Gießen von Leichtmetallschmelzen die Vorzüge des Sandkerngießens, wie weitestgehende Freiheit bei der Gestaltung und Konstruktion des Motorblocks, mit den Vorteilen des Eingießens von Inserts verbinden, die sich nach dem Gießen teilen lassen und so eine einfache und lagerichtige Montage der Kurbelwelle und ihrer Lager gewährleisten.

Eine besonders einfache und exakte Montage der Kurbelwellenlager lässt sich dadurch bewerkstelligen, dass die Inserts jeweils eine Lageröffnung aufweisen, in welcher ein Hauptlager für die Kurbelwelle montierbar ist. Dabei wird an dem Insert bevorzugt in ebenfalls bekannter Weise im Bereich seiner die Lageröffnung umgebenden Wände eine Sollbruchlinie ausgebildet, die quer durch die Lageröffnung verläuft. Diese Sollbruchlinie kann beispielsweise unmittelbar vor dem Trennvorgang mittels eines Lasers erzeugt werden.

Entlang der Sollbruchlinie lässt sich die Lageröffnung des Inserts halbieren, so dass die jeweils erforderlichen Lagerschalen und die Kurbelwelle selbst problemlos in die nun offenen halbschalenförmigen Teile des Inserts eingesetzt werden können.

Weiter vereinfacht werden kann die Montage der Kurbelwelle und ihrer Lager dadurch, dass die Inserts von vornherein mit einer Ölversorgungsöffnung versehen sind, über die im Betrieb des fertig montierten Motors die Schmierstoff ersorgung des jeweiligen Kurbelwellenlagers erfolgt. Gleichzeitig sollten im Kernpaket schon Ölkanalkerne vorgesehen sein, welche die zu der Ölversorgungsöffnung führenden Ölversorgungskanäle im zu gießenden Zylinderkurbelgehäuse ausbilden. Um während des Gießens ein Eindringen von Schmelze in die Ölversorgungsöffnungen der Inserts zu vermeiden, können dabei die Ölkanalkerne so positioniert werden, dass die in die äußere Umfangsflache der Inserts eingeformte Mündung der Ölversorgungsöffnung durch das Ende des jeweiligen Ölkanalkerns verschlossen ist. Alternativ ist es auch möglich, einen Endabschnitt eines Ölkanalkerns durch die Ölversorgungsöffnung zu führen, wobei der der Durchmesser des Ölversorgungskanals größer sein sollte als der des Endabschnitts des Ölkanalkerns und der Endabschnitt bevorzugt im wesentlichen mittig in Bezug auf die Öffnungsfläche der Ölversorgungsöffnung ausgerichtet ist. Auf diese Weise ist zwischen der Umfangswand der Ölversorgungsöffnung und dem Ende des Ölversorgungskanals ein Freiraum gebildet, in den die Schmelze beim Gießen eindringt, so dass nach der Erstarrung eine intensive Verklammerung der Inserts mit dem Gusswerkstoff auch im Bereich der Ölversorgungsöffnung hergestellt ist. Neigt der verwendete Leichtmetall-Gusswerkstoff zu einem gegenüber dem Material der Inserts unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhalten, so sollte an dem jeweils durch die Lageröffnung des Inserts geführten Gießkernabschnitt jeweils eine über ein Teilstück der Länge der jeweiligen Ölversorgungsöffnung in diese sich erstreckende Erhebungen angeformt sein. Diese Erhebung verhindert, dass der Gusswerkstoff so tief in die Ölversorgungsöffnung eindringt, dass er bei einer mit seiner Erwärmung im normalen Motorbetrieb einhergehenden Ausdrehung in die Lageröffnung hineindrückt und dort die Lagerschalen und mit ihnen die Kurbelwelle einer unerwünschten Druckbelastung unterwirft. Um dies sicher zu verhindern, sollte die Länge, über die sich die Erhebung in die jeweilige Ölversorgungsöffnungen erstreckt, mindestens gleich der Strecke sein, über die sich der nach dem Abgießen in die Ölversorgungsöffnung eingedrungene Leichtmetall-Gusswerkstoff bei Betriebstemperatur des aus dem Zylinderkurbelgehäuse gefertigten Verbrennungsmotors ausdehnt.

Bei durch die Ölversorgungsöffnung geführtem Ölkanalkern kann dessen lagerichtige Ausrichtung dadurch vereinfacht werden, dass im an die innenseitige Mündung der Ölversorgungsöffnung grenzenden Bereich des jeweils durch die Lageröffnung des Inserts geführten Kernabschnitts eine Einsenkung ausgebildet ist, in die das Ende des Ölkanalkerns formschlüssig greift. Die Inserts können aus einem Grauguss-Material, wie GG oder GGV, hergestellt sein, welches eine hohe Festigkeit besitzt und sicher in der Lage ist, die beim Motorbetrieb auftretenden Belastungen über eine lange Einsatzdauer zu ertragen. Alternativ können die Inserts auch aus einem kohlefaserverstärkten Magnesiumwerkstoff hergestellt sein.

Um zu verhindern, dass die mit den Inserts in Kontakt kommende Schmelze frühzeitig erstarrt sowie zur Vermeidung von Kondensatbildung an den Inserts, ist es zweckmäßig, wenn die Inserts vor dem Abgießen der Leichtmetallschmelze angewärmt werden. Weisen die Inserts Lageröffnungen auf, so kann dazu ein Kernabschnitt des Kernpakets durch die Lageröffnungen der Inserts geführt sein, in den ein von außen zugänglicher Hohlraum eingeformt ist. In diesen Hohlraum lässt sich eine Heizeinrichtung einführen, deren Wärmewirkung unmittelbar und intensiv auf die Inserts wirkt. Besonders gute, exakt steuerbare Erwärmungsergebnisse lassen sich dabei dadurch erreichen, dass die betreffende Heizeinrichtung eine induktive Erwärmung der Inserts bewirkt.

Ebenso kann es günstig sein, auch weitere Abschnitte des Kernpakets hohl zu gestalten, damit eventuell im Kernformstoff sich bildende Gase leicht entweichen können.

Um die Restfeuchte des Kernpakets zu minimieren, kann es darüber hinaus günstig sein, das vollständige Kernpaket vor dem Abgießen auf eine Temperatur vorzuwärmen, bei der es zum Ausdampfen der im Kernformstoff noch enthaltenen Feuchte kommt. Dies kann beispielsweise in einem Ofen erfolgen, in den das Kernpaket für eine ausreichend lange Zeitdauer gesetzt wird.

Besonders wichtig ist die weitestgehend vollständige Entfernung von Restfeuchte des Kernpakets beim Vergießen von Magnesiumlegierungen, bei dem andernfalls die Gefahr von Reaktionen des Magnesiums mit dem Formstoff des Kernpakets besteht. Weiter vermindern lässt sich dieses Risiko dadurch, dass das Kernpaket vor dem Vergießen mit Schutzgas durchspült wird.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Abgießen des Leichtmetall-Gusswerkstoffs mittels Niederdruck. Auf diese Weise lässt sich eine turbulenzarme Formfüllung erreichen. Dies erweist sich insbesondere beim Vergießen von Magnesiumschmelzen als günstig, bei denen es andernfalls zu unerwünschter Oxidbildung kommen kann.

Ein einfache Möglichkeit der Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen aus Leichtmetall, insbesondere Magnesium, eröffnende Lösung der oben angegebenen Aufgabe besteht in einem Kernkasten zur Herstellung eines Kurbelkerns für ein für das Abgießen eines Leichtmetall- Gusswerkstoffs, insbesondere eines Aluminium- oder Magnesium-Gusswerkstoffs, bestimmten Kernpakets, wobei der Kernkasten folgende Merkmale umfasst:

- ein Kernkastenteil, in dem Aufnahmen für aus einem eine gegenüber dem Gusswerkstoff höhere Festigkeit aufweisenden Werkstoff hergestellte und nach der fertigen Montage des Zylinderkurbelgehäuses die Hauptlager der Kurbelwelle stützende Inserts ausgebildet sind,

- wobei die Abmessungen der Aufnahmen so bemessen sind, dass nach dem Einsetzen das in die jeweilige Aufnahme eingesetzte Insert jeweils mit einem Abschnitt dicht an den Seitenwänden der Aufnahme anliegend in der Aufnahme gehalten ist,

- während sein anderer Abschnitt mindestens bereichsweise frei im Formhohlraum des Kernkastens steht.

Ein solcher Kernkasten ermöglicht die problemlose Herstellung von Kernpaketen, bei denen die Inserts in den Bereichen, in denen sich die nach dem Abgießen und Entkernen von dem Insert abzutrennenden Insertabschnitte befinden, vom Kernformstoff des Kernpakets dicht umgeben sind. In einem erfindungsgemäßen Kernkasten hergestellte Kernpakete bilden so den Ausgangspunkt für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Eine weitere die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichende Lösung der oben angegebene Aufgabe besteht in einem Kernpaket zum Gießen eines Zylinderkurbelgehäuses für einen Verbrennungsmotor aus Leichtmetall-Gusswerkstoff, insbesondere aus Aluminiumoder einem Magnesium-Gusswerkstoff, mit einem Kurbelraumkern und mit aus einem eine gegenüber dem Gusswerkstoff höhere Festigkeit aufweisenden Werkstoff hergestellten und nach der fertigen Montage des Zylinderkurbelgehäuses die Hauptlager der Kurbelwelle stützenden Inserts, die vom Kernformstoff des Kurbelraumkerns jeweils in einem Abschnitt dicht umgeben sind, mit dem sie nach dem Abgießen und Entkernen des Zylinderkurbelgehäuses frei aus dem Gussteil hinaus stehen, während ein anderer Abschnitt so freiliegt, dass der Leichtmetall-Gusswerkstoff diesen Abschnitt beim Abgießen umströmt und dort erstarrt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 einen Teil eines Kernpakets zum Gießen eines Zylinderkurbelgehäuses im Querschnitt,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt A des in Fig. 1 dargestellten Kernpakets nach dem Abgießen eines Magnesium-Gusswerkstoffs,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt A einer alternativen Ausgestaltung des in Fig. 1 dargestellten Kernpakets nach dem Abgießen eines Magnesium-Gusswerkstoffs,

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt A einer weiteren alternativen Ausgestaltung des in Fig. 1 dargestellten Kernpakets nach dem Abgießen eines Magnesium-Gusswerkstoffs,

Fig. 5 einen Kernkasten im Querschnitt. Das Kernpaket 1 weist einen oben angeordneten Deckelkern 2 und einen unten angeordneten Kurbelkern 3 auf. Sowohl der Deckelkern 2 als auch der Kurbelkern 3 können wiederum aus mehreren einzelnen, hier jedoch nicht dargestellten Kernen aufgebaut sein. Der obere Deckelkern 2 umschließt dabei mit seinen Außenwänden einen Formhohlraum 4 und bestimmt mit der Form seiner Innenflächen 5 die äußere Form der seitlich und der oben liegenden Abschnitte des herzustellenden Zylinderkurbelgehäuses. Der Kurbelkern 3 bestimmt die äußere Form der Unterseite des herzustellenden Zylindergehäuses. Gleichzeitig umgibt der Kurbelkern jeweils den unteren Abschnitt 6u von in Längsrichtung L des Kernpakets 1 beabstandet zueinander angeordneten Inserts 6.

Die im fertigen Zylinderkurbelgehäuse als Lagerstuhlverstärkung dienenden Inserts 6 weisen neben ihrem unteren Abschnitt 6u einen im Einbauzustand oben angeordneten Abschnitt 6o auf, der über das untere Kastenteil 3 hinaus ragt. Die Wände des oberen und unteren Abschnitts 6o,6u umgeben dabei eine kreisrunde Lageröffnung 7, deren eine Hälfte in den unteren, vom Kurbelkern 3 umgebenen Abschnitt 6u und deren obere Hälfte in den oberen Abschnitt 6o des Inserts 6 eingeformt ist. An der Grenze zwischen dem oberen Abschnitt 6o und dem unteren Abschnitt 6u verläuft auf Höhe des Mittelpunktes der Lageröffnung 7 jeweils eine Sollbruchlinie 8 durch die die Lageröffnung 7 seitlich begrenzenden Wände 9 des Inserts 6.

Auf beiden Seiten des oberen Abschnitts 6o des Inserts 6 sind quer zur Längsrichtung L ausgerichtete Verbindungsabschnitte 10,11 angeformt, die an ihrer Außenfläche rippenartige Vorsprünge 13 tragen. Mindestens die Verbindungsabschnitte 10,11 mit ihren Vorsprüngen 13 ragen vollständig frei vom Formstoff des Kernpakets 1 in den Hohlraum 4. Beim Abguss einer Gießwerkstoffschmelze S umspült die Schmelze S die Vorsprünge 13 und die Verbindungsabschnitte 10,11, so dass nach dem Erstarren eine intensive formschlüssige Verklammerung von Insert 6 und Gusswerkstoff gewährleistet ist.

Durch die Lageröffnung 7 ist ein rohrförmiger Gießkernabschnitt 12 geführt, der einen von außen zugänglichen Hohlraum umgibt. Weitere, die innen liegenden Formen des zu gießenden Zylinderkurbelgehäuses bestimmende Kernabschnitte 14 sind im Hohlraum 4 positioniert. Darunter befinden sich auch Ölkanalkerne 15, die im fertigen Zylinderkurbelgehäuse die zur Versorgung der in den Lageröffnungen 7 montierten Hauptlager einer Kurbelwelle mit Schmierstoff benötigten Druckölkanäle ausbilden. Um die Zuführung des Schmierstoffs zu den Lageröffnungen 7 zu ermöglichen, ist in den Inserts 6 jeweils eine Ölversorgungsöffnung 16 eingeformt, die sich ausgehend von der Lageröffnung 7 in radialer Richtung im im Kernpaket 1 oben liegenden Teil des Inserts 6 bis zu dessen Außenfläche erstreckt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten ersten Variante weist die Ölversorgungsöffnung 16 einen Durchmesser aus, der um ein geringes Untermaß kleiner ist als der Durchmesser des Endabschnitts 15e des Ölkanalkerns 15. An seinem Ende ist der Endabschnitt 15e leicht konisch zulaufend geformt, so dass er sich beim Ansetzen an die äußere Mündung der Ölversorgungsöffnung 16 selbst zentriert und dicht in der Mündung sitzt. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Gusswerkstoffschmelze S beim Abgießen in die Ölversorgungsöffnung 16 eindringt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausgestaltung weist die Ölversorgungsöffnung 16 einen Durchmesser auf, der annähernd doppelt so groß ist wie der Durchmesser des Endabschnitts 15e. Der Endabschnitt 15e des Ölkanalkerns

15 ist bei dieser Ausgestaltung durch die Ölversorgungsöffnung 16 geführt und mittig in Bezug auf deren Öffnungsfläche ausgerichtet. Mit seinem konisch zulaufenden Ende greift der Endabschnitt 15e dabei in eine in die Außenfläche des Gießkernabschnitts 12 eingeformte Einsenkung 17. Auf diese Weise ist der Ölkanalkern 15 sicher in seiner zentrierten Stellung gehalten. Zwischen der Innenfläche der Ölversorgungsöffnung 16 und der Außenfläche des Endabschnitts 15e ist dabei ein Freiraum ausgebildet, in den die Schmelze S beim Abgießen eindringt, so dass das Insert 6 auch in diesem Bereich nach dem Erstarren der Schmelze S fest mit dem Gusswerkstoff verklammert ist und der Druckölkanal vollständig im Leichtmetall verläuft.

Wird ein Gusswerkstoff verarbeitet, der sich bei Erwärmung stark ausdehnt, so kann die in Fig. 4 dargestellte Variante gewählt werden. Bei dieser Ausgestaltung sind an den durch die Lageröffnungen 7 der Inserts 6 geführten Gießkernabschnitte 12 im Bereich der Ölversorgungsöffnungen 16 jeweils Erhebungen 12e angeformt, die sich in die jeweilige Ölversorgungsöffnung

16 hinein erstrecken. Die Länge Le, über die sich die Erhebungen 12e erstrecken ist dabei gleich der Strecke, über die sich die nach dem Abgießen in die Ölversorgungsöffnung 16 eingedrungene erstarrte Schmelze S bei Betriebstemperatur des aus dem zu gießenden Zylinderkurbelgehäuse gefertigten Verbrennungsmotors ausdehnt .

Der in Fig. 5 dargestellte Kernkasten 20 dient zum Herstellen des Kurbelraumkerns 3. Dazu weist er ein Oberteil 21 und ein Unterteil 22 auf, die einen Hohlraum

22 umschließen. In das Unterteil 22 sind dabei Aufnahmen

23 eingeformt, in die die Inserts 6 mit ihrem oberen Abschnitt 6a gesetzt werden. Die Form und der Querschnitt der Aufnahmen 23 sind dabei so gewählt, dass das jeweilige Insert 6 an den Vorsprüngen 13 formschlüssig gehalten und einwandfrei ausgerichtet ist.

Zum Ausrichten des Inserts 6 in Höhenrichtung sind an den Stirnseiten der Verbindungsabschnitte 10,11 Bearbeitungsflächen 24 ausgebildet. Über zwischen den Boden der jeweiligen Aufnahme 23 und die Bearbeitungsflächen 24 gelegte Passtücke 25 erfolgt die Ausrichtung des Inserts so, dass die Sollbruchlinie exakt auf Höhe der Oberseite des unteren Kernkasten-Unterteils 22 verläuft.

Als Gießwerkstoff ist eine an sich bekannte Seltene- Erden-haltige Magnesiumlegierung verwendet worden, welche ursprünglich für Gießverfahren mit hohen Erstarrungsgeschwindigkeiten konzipiert gewesen ist. Um diese Legierungszusammensetzung für den Sandguss geeignet zu machen, wurde sie mit Zirkon korngefeint.

Das Vergießen der Schmelze erfolgte im Niederdruckverfahren. Für die gesteuerte Füllung der Gießform stand eine Drucksteuerung zur Verfügung. Um eine vollständige und gute Formfüllung zu erzielen, war es aufgrund des geringen Wärmeinhaltes von Magnesium erforderlich, die Geometrie der hier nicht dargestellten Anschnitte des Kernpakets 1 gegenüber herkömmlichen Gießformen für den Leichtmetallguss zu vergrößern. Des Weiteren wurde das Volumen der Verbindungen zwischen dem ebenfalls nicht dargestellten Gießlauf und den Anschnitten erweitert. Darüber hinaus wurde der Anguss für die Niederdruckfüllung mittig unter die mittlere Zylinderbohrung des zu gießenden Zylinderkurbelgehäuses gesetzt.

In der Regel erfolgt die Entlüftung eines Kernpaketes über einen offenen Deckelkern. Da jedoch Magnesiumlegierungen eine hohe Brandneigung bei Kontakt mit Luftsauerstoff haben, musste beim Kernpaket 1 der Deckelkern 2 geschlossen sein. Die Entlüftung der beim Abguss entstehenden Kerngase erfolgte daher über nicht gezeigte Entlüftungsbohrungen des Kernpakets 1.

Da die verwendete Selten-Erde-haltige Magnesiumlegierung eine höhere Gießtemperatur benötigt, entstehen beim Abguss mehr Kerngase als bei AI-Legierungen. Um die Entlüftung zu verbessern, wurden daher Kerne des Kernpakets 1 durchbohrt und im Umfang mit Entlüftungsbohrungen versehen. Weiter nach außen führende Entlüftungsbohrungen sind in die Kernlager eingeformt worden. Um gegebenenfalls vorhandene Restfeuchtigkeit zu entfernen (Sicherheitsaspekt) und um eine vollständige Formfüllung sicherzustellen, sind die Kernpakete in einem Umluftofen auf 110 °C vorgewärmt worden. Um eine ausreichende Temperierung der Inserts 6 zu gewährleisten, sind zusätzlich nicht gezeigte Heizeinrichtungen in den vom Gießkernabschnitt 12 umschlossenen Hohlraum eingeführt worden, welche die Inserts 6 durch Induktion eines elektromagnetischen Feldes erwärmt haben.

Zur Vermeidung einer Reaktion zwischen dem flüssigen Magnesium und dem Formstoff der Kerne wurde dem Formstoff ein Inhibitor zugesetzt, der den Formstoff vor der Reaktion mit der Schmelze schützt. Zusätzlich wurde der Formhohlraums 4 des Kernpakets 1 unmittelbar vor dem Abguss mit Schutzgas gespült.

Nach beendeter Füllung der durch das Kernpaket 1 gebildeten Gussform mit Magnesiumschmelze S wurde der für den Ausgleich der Volumenschwindung notwendige Speisungsdruck aufgegeben. Der Druck wurde jedoch aufrecht erhalten bis die Erstarrungsfront den Gießlauf erreicht hatte.

Zur Ausnutzung des vollen Eigenschaftspotentials der verwendeten Magnesium-Legierung ist nach dem Abguss eine T6-Wärmebehandlung mit Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagern des gegossenen Zylinderkurbelgehäuses durchgeführt worden.

Anschließend ist das Gehäuse vollständig entkernt und einer Nachbearbeitung unterzogen worden. Dabei sind die nun frei von dem Zylinderkurbelgehäuse abstehenden unteren Abschnitte 6u vom jeweils fest in das Gehäuse eingegossenen Abschnitt 60 der Inserts 6 abgetrennt worden. Die Trennung erfolgte spanlos durch "Cracken".

Bei der Montage des unter Verwendung des gegossenen Zylinderkurbelgehäuses hergestellten Verbrennungsmotors sind Gewindebohrung in die Verbindungsabschnitte 10,11 und Durchgangsbohrung in die verstärkten Abschnitte 18 eingebracht worden, die sich seitlich des unteren, nun abgetrennten Abschnitts 6u erstrecken. Mittels geeigneter Verschraubungen sind die abgetrennten Abschnitte 6u dann jeweils mit den ihnen zugeordneten oberen Abschnitten 60 der Inserts 6 verschraubt worden, um jeweils eines der Hauptlager der in ihnen gelagerten Kurbelwelle zu stützen.

BEZUGSZEICHEN

1 Kernpaket

2 Deckelkern

3 Kurbelkern

4 Formhohlraum

5 Innenflächen

6 Inserts βo im Einbauzustand oben angeordneter Abschnitt der

Inserts 6

6u unterer Abschnitt der Inserts 6

7 Lageröffnung

8 Sollbruchlinie

9 die Lageröffnung 7 seitlich begrenzende Wände 10,11 Verbindungsabschnitte 12 rohrförmiger Gießkernabschnitt 12e Erhebungen

13 Vorsprünge

14 Kernabschnitte

15 Ölkanalkerne

16 Ölversorgungsöffnung

15e Endabschnitt des Ölkanalkerns 15

17 Einsenkung

18 Abschnitte

20 Kernkasten

21 Oberteil

22 Unterteil

23 Aufnahmen

24 Bearbeitungsflächen

25 Passtücke

L Längsrichtung

Le Länge, über die sich die Erhebungen 12e erstrecken,

S Schmelze

Claims

PAT EN TAN S PRÜ C H E

Verfahren zum Gießen eines Zylinderkurbelgehäuses für einen Verbrennungsmotor aus einem Leichtmetall- Gusswerkstoff, insbesondere einem Aluminium- oder einem Magnesium-Gusswerkstoff, bei dem folgende Schritte durchlaufen werden:

- Herstellen eines aus Einzelkernen montierten Kernpakets (1) mit einem Kurbelraumkern (3), wobei dieser Kurbelraumkern (3) aus einem Kernformstoff gebildet ist, der aus einem eine gegenüber dem Gusswerkstoff höhere Festigkeit aufweisenden Werkstoff hergestellte und nach der fertigen Montage des Zylinderkurbelgehäuses die Hauptlager einer Kurbelwelle stützende Inserts (6) in einem Abschnitt (6u) umgibt, wodurch die Inserts (6) nach dem Abgießen und Entkernen mit diesem Abschnitt (6u) frei aus dem Gussteil hinaus stehen,

- Erschmelzen und Abgießen des Leichtmetall- Gusswerkstoffs in das Kernpaket (1) ,

- Abkühlen und Entkernen des gegossenen Zylinderkurbelgehäuses,

- mindestens teilweises Abtrennen der über das Zylinderkurbelgehäuse hinaus stehenden Abschnitte (6u) der Inserts (6) . Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der von dem fertig gegossenen Zylinderkurbelgehäuse abstehende, abzutrennende Abschnitt (βu) des Inserts (6) durch Brechen von dem in das Zylinderkurbelgehäuse eingegossenen Abschnitt (βa) getrennt wird.

Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Inserts (6) jeweils eine Lageröffnung (7) aufweisen, in welcher ein Hauptlager für die Kurbelwelle gebildet wird.

Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s ein Kernabschnitt (12) des Kernpakets (1) durch die Lageröffnungen (7) der Inserts (6) geführt ist, in den ein von außen zugänglicher Hohlraum eingeformt ist.

Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s vor dem Abgießen des Leichtmetall-Gusswerkstoffs eine Heizeinrichtung in den Hohlraum eingeführt wird, um die Inserts (6) zu erwärmen.

Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Kernpaket (1) vor dem Abgießen des Leichtmetall-Gusswerkstoffs vorgewärmt wird. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Erwärmung der Inserts (6) induktiv erfolgt.

Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Abgießen des Leichtmetall- Gusswerkstoffs mittels Niederdruck erfolgt.

Kernkasten zur Herstellung eines Kurbelkerns (3) für ein für das Abgießen eines Leichtmetall- Gusswerkstoffs, insbesondere eines Aluminium- oder Magnesium-Gusswerkstoffs, bestimmtes Kernpaket (1) umfassend

- ein Kernkastenteil (22), in dem Aufnahmen (23) für aus einem eine gegenüber dem Gusswerkstoff höhere Festigkeit aufweisenden Werkstoff hergestellte und nach der fertigen Montage des Zylinderkurbelgehäuses die Hauptlager der Kurbelwelle stützende Inserts (6) ausgebildet sind,

- wobei die Abmessungen der Aufnahmen (23) so bemessen sind, dass nach dem Einsetzen das in die jeweilige Aufnahme (23) eingesetzte Insert (6) jeweils mit einem Abschnitt dicht an den Seitenwänden der Aufnahme (23) anliegend in der Aufnahme (23) gehalten ist,

- während sein anderer Abschnitt mindestens bereichsweise frei im Formhohlraum des Kernkastens

(20) steht. Kernpaket zum Gießen eines Zylinderkurbelgehäuses für einen Verbrennungsmotor aus Leichtmetall- Gusswerkstoff, insbesondere aus Aluminium- oder einem Magnesium-Gusswerkstoff, mit einem Kurbelraumkern (3) und mit aus einem eine gegenüber dem Gusswerkstoff höhere Festigkeit aufweisenden Werkstoff hergestellten und nach der fertigen Montage des Zylinderkurbelgehäuses die Hauptlager der Kurbelwelle stützenden Inserts (6), die vom Kernformstoff des Kurbelraumkerns (1) jeweils in einem Abschnitt (6u) dicht umgeben sind, mit dem sie nach dem Abgießen und Entkernen des Zylinderkurbelgehäuses frei aus dem Gussteil hinaus stehen, während ein anderer Abschnitt (6o) so freiliegt, dass der Leichtmetall-Gusswerkstoff diesen Abschnitt (6o) beim Abgießen umströmt und dort erstarrt.

Kernpaket nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Inserts (6) jeweils eine Lageröffnung (7) aufweisen, in welcher ein Hauptlager für die Kurbelwelle montierbar ist.

Kernpaket nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s ein durch die Lageröffnungen (7) der Inserts (6) jeweils ein Gießkernabschnitt (12) geführt ist. Kernpaket nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Gießkernabschnitt (12) einen Hohlraum aufweist.

Kernpaket nach einem der Ansprüche 11 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Inserts (6) eine von ihrem Umfang in radialer Richtung zur Lageröffnung führende Ölversorgungsöffnung (16) aufweisen.

Kernpaket nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die in die äußere Umfangsflache der Inserts (6) eingeformte Mündung der Ölversorgungsöffnung (16) durch das Ende eines Ölkanalkerns (15) verschlossen ist, der im fertig abgegossenen Zylinderkurbelgehäuse einen Ölversorgungskanal abbildet.

Kernpaket nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s ein Endabschnitt (15e) eines Ölkanalkerns (15) durch die Ölversorgungsöffnung (16) geführt ist und d a s s der Durchmesser der Ölversorgungsöffnung (16) größer ist als der des Endabschnitts (15e) des Ölkanalkerns (15) .

Kernpaket nach Anspruch 16, d a d r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Endabschnitt (15e) im Wesentlichen mittig in Bezug auf die Öffnungsfläche der Ölversorgungsöffnung (16) ausgerichtet ist. Kernpaket nach Anspruch 13 und einem der Ansprüche 16 oder 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s im an die innenseitige Mündung der Ölversorgungsöffnung (16) grenzenden Bereich des Gießkernabschnitts (12) eine Einsenkung (17) ausgebildet ist, in die das Ende des Ölkanalkerns (15) formschlüssig greift.

Kernpaket nach Anspruch 13 und einem der Ansprüche 16 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s an dem Gießkernabschnitt (12) im Bereich der Inserts (6) jeweils eine über ein Teilstück (Le) der Länge der jeweiligen Ölversorgungsöffnung (16) in diese sich erstreckende Erhebungen (12e) angeformt sind.

Kernpaket nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Länge (LE) , über die sich die Erhebung (12e) in die jeweilige Ölversorgungsöffnung (16) erstreckt, mindestens gleich der Strecke ist, über die sich der nach dem Abgießen in die Ölversorgungsöffnung (16) eingedrungene Leichtmetall-Gusswerkstoff bei Betriebstemperatur des aus dem Zylinderkurbelgehäuse gefertigten Verbrennungsmotors ausdehnt.

Kernpaket nach einem der Ansprüche 10 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Inserts (6) aus einem kohlefaserverstärkten Magnesiumwerkstoff hergestellt sind.