WO2017102089A1 - Kurbelgehäuse für eine hubkolbenmaschine, insbesondere eines kraftwagens - Google Patents

Kurbelgehäuse für eine hubkolbenmaschine, insbesondere eines kraftwagens Download PDF

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WO2017102089A1
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cast
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die
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Jochen Haefner
Gerold Lehmler
Marko Poßberg
Robert Behr
Rainer Joos
Daniel Reckinger
Bernd Schietinger
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    • F02F2200/00—Manufacturing
    • F02F2200/06—Casting

Definitions

  • the invention relates to crankcases for a reciprocating engine, in particular a motor vehicle, according to the preamble of claim 1.
  • the crankcase has at least one first wall region which has a greater wall thickness than at least one second wall region of the crankcase adjoining the first wall region.
  • crankcase made of an aluminum alloy and produced by at least predominantly laminar die casting and heat treated.
  • the invention is based in particular on the knowledge that crankcases with high requirements in terms of strength and elongation at break or extensibility are basically produced by mold or sand casting, but such Kokillen- or sand casting is very expensive. Even pressure casting processes are process-related only costly feasible. With the help of Vakural die casting process in high-walled areas, that is in wall areas with a very high wall thickness of, for example, more than 15 millimeters, high strength characteristics and high tensile elongation at the same time can not be satisfactorily displayed.
  • Conventional die casting which in contrast to laminar die casting is predominantly turbulent mold filling, is cost-effective due to the short cycle time feasible, but due to the process results in at least partially relatively high porosity of the crankcase. Due to the porosity is the
  • the porosity in the component can be significantly reduced.
  • a significantly increased heat treatment capability compared to conventional turbulent die casting is given.
  • the application limits of aluminum die-cast crankcases can be extended by optimized strength and elongation properties. In other words, it is possible through the use of laminar die casting
  • crankcase according to the invention of predominantly laminar die casting of the following aluminum alloys or based on the following
  • crankcase at least at from the center of the first, at least 15
  • the coolant is, for example, a cooling fluid, in particular a gas or a coolant.
  • the cooling liquid is also referred to as cooling water or water, so that the cooling jacket is also referred to as a water jacket.
  • the aforementioned ribs are, for example, the aforementioned stiffening ribs, by means of which the crankcase, in particular at least locally, reinforced and thus stiffened.
  • On the aforementioned bearing block can be a crankshaft
  • the main field of application for laminar die casting is usually the range of dynamically highly stressed chassis parts.
  • the high mechanical properties that are already present in this casting method are advantageous for these components
  • FIG. 4a shows a schematic sectional view of the laminar die-cast crankcase in a sectional plane A5 shown in FIG. 2;
  • FIG. 4c shows a schematic sectional view of the laminar pressure-cast crankcase in a sectional plane A3 shown in FIG. 2;
  • 4e is a schematic view of the laminar die-cast crankcase in a sectional plane A3 shown in Figure 2 in the region of its interior.
  • Fig. 7 is a schematic view of the conventionally pressure molded crankcase in its exterior showing typical ribs
  • Fig. 8 is a schematic view of the laminar die-cast crankcase in its outer region, showing typical ribbing
  • the reciprocating engine comprises an output shaft in the form of a crankshaft, which is rotatably mounted on the crankcase about an axis of rotation relative to the crankcase.
  • the reciprocating engine can provide torques by which the car can be driven.
  • Wall area may be, for example, a warehouse chair area.
  • the wall thickness of at least 15 millimeters of the first wall region means that in this first wall region in the center there is at least one volume element whose distance to the nearest component surface is at least 7.5 millimeters.
  • Die casting both turbulent and laminar die casting, is understood below to mean a three-phase process: the three-phase process has a first phase in which a liquid melt is slowly forced out of the casting chamber into the gate region of the die by the casting piston.
  • a second phase of the three-phase process a filling of a closed mold takes place.
  • the laminar die casting differs from the conventional turbulent die casting in that the mold filling is performed in this second phase in such a way that the melt substantially free of turbulence or turbulence filled the mold.
  • a high holding pressure is built up to effect a dessication of the mold.
  • Thixoguss works differently than die casting with only partially liquid material during mold filling.
  • the mold filling in thixocasting takes place at a comparatively lower temperature and higher pressures than in die casting.
  • the mold in the squeeze-cast process which is also referred to as compression molding, is designed so that during the solidification of the melt effective compression over the Angusssystem into the component is possible. This has pronounced and in relation to the component large Angusssysteme result. For this reason, the densification provided by the casting machine is over a large
  • crankcase according to the invention is based in particular on the knowledge that thick-walled regions, that is to say the first wall region with a wall thickness of, for example, more than 15 millimeters, are not under the influence of vacuum pressure casting
  • RM denotes the tensile strength of the crankcase determined in the tensile test on a specimen, in particular on a specimen from the first wall region.
  • Ig (As) denotes the decadic logarithm of the elongation at break A5 of the crankcase, again determined in a tensile test on a test piece, in particular on a test piece from the first wall region.
  • crankcase especially in central areas of the at least one, thick first wall region a particularly high Q value and
  • Fig. 2 shows on its right side with respect to its image plane side by side in a schematic and perspective front view of the aforementioned, in Fig. 2 as a whole with 10 designated crankcase according to a first embodiment.
  • a construction variant of the crankcase 10 is shown, which corresponds for example to a conventional crankcase, by
  • Wall thickness jump from the bearing block 12 to the cylinder 16, in particular from the cross section A3 over the cross section A4 to the cross section A5 are provided in the crankcase 10 according to the first embodiment, which is made by laminar die casting, a contour adjustment for more homogeneous cross-sectional transitions from the sprue to the bearing block 12 and from the bearing block 12 to the cylinder land.
  • a particularly homogeneous transition of the wall thickness or the respective cross-sections of the bearing block 12 to the cylinder 16 is provided.
  • Crankcase 10 can occur both in combination as well as individually.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kurbelgehäuse (10) für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, mit wenigstens einem ersten Wandungsbereich, welcher eine größere Wanddicke als wenigstens ein sich an den ersten Wandungsbereich anschließender zweiter Wandungsbereich des Kurbelgehäuses (10) aufweist, wobei das Kurbelgehäuse (10) aus einer Aluminiumlegierung und durch zumindest überwiegend laminaren Druckguss hergestellt sowie: - vollständig wärmebehandelt ist; oder - vollständig und zusätzlich lokal wärmebehandelt ist; oder - nur lokal wärmebehandelt ist.

Description

Kurbelgehäuse für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eines Kraftwagens
Die Erfindung betrifft Kurbelgehäuse für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau sind Kurbelgehäuse für Hubkolbenmaschinen bereits hinlänglich bekannt. Eine solche Hubkolbenmaschine ist beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise als Verbrennungsmotor ausgebildet und wird insbesondere genutzt, um einen Kraftwagen anzutreiben. Im fertig hergestellten Zustand der Hubkolbenmaschine ist eine Abtriebswelle in Form einer Kurbelwelle der Hubkolbenmaschine an dem
Kurbelgehäuse um eine Drehachse relativ zu dem Kurbelgehäuse drehbar gelagert. Über die Kurbelwelle stellt die Hubkolbenmaschine Drehmomente bereit, mittels welchen beispielsweise der Kraftwagen angetrieben werden kann.
Das Kurbelgehäuse weist dabei wenigstens einen ersten Wandungsbereich auf, welcher eine größere Wanddicke als wenigstens ein sich an den ersten Wandungsbereich anschließender zweiter Wandungsbereich des Kurbelgehäuses aufweist. Dieser
Ausgestaltung des Kurbelgehäuses liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass während des Betriebs der Hubkolbenmaschine in den Wandungsbereichen
unterschiedliche starke Belastungen auftreten. Um das Kurbelgehäuse an diese lokal unterschiedlichen Belastungen anzupassen und dabei das Gewicht des Kurbelgehäuses gering zu halten, wird der erste Wandungsbereich mit einer größeren Wanddicke als der zweiten Wandungsbereich ausgestaltet. Dabei treten beispielsweise während des Betriebs der Hubkolbenmaschine im ersten Wandungsbereich stärkere Belastungen als im zweiten Wandungsbereich auf, wobei das Kurbelgehäuse aufgrund der
entsprechenden Ausgestaltung der Wandungsbereiche diese lokal unterschiedlichen Belastungen zumindest im Wesentlichen schadfrei auch über eine hohe Lebensdauer hinweg ertragen kann. Da jedoch der zweite Wandungsbereich eine geringere
BESTÄTIGUNGSKOPIE Wanddicke als der erste Wandungsbereich aufweist, kann das Gewicht des
Kurbelgehäuses gering gehalten werden.
Dabei ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, ein solches
Kurbelgehäuse durch Kokillen- oder Sandguss herzustellen. Derartige Kokillen- oder Sandgussverfahren sind jedoch sehr kostenaufwändig, sodass das Kurbelgehäuse nur sehr kostenintensiv herstellbar ist. Darüber hinaus ist aus dem Stand der Technik das so genannte Pressgießen bekannt, welches auch als Squeeze-Casting bezeichnet wird. Ein solches Pressgießverfahren ist jedoch prozessbedingt ebenfalls kostenintensiv. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Kurbelgehäuse der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass das Gewicht des Kurbelgehäuses besonders gering gehalten werden kann bei gleichzeitiger Realisierung einer besonders kostengünstigen Herstellung des Kurbelgehäuses und gleichzeitiger Realisierung optimierter
mechanischer Eigenschaften wie Festigkeit und/oder Bruchdehnung.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kurbelgehäuse mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Kurbelgehäuse der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass das Gewicht des Kurbelgehäuses besonders gering gehalten werden kann bei gleichzeitiger Realisierung einer besonders kostengünstigen Herstellung des Kurbelgehäuses und bei gleichzeitiger Realisierung optimierter mechanischer Eigenschaften wie Festigkeit und/oder Bruchdehnung insbesondere in dickeren Wandungsbereichen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das
Kurbelgehäuse aus einer Aluminiumlegierung und durch zumindest überwiegend laminaren Druckguss hergestellt sowie wärmebehandelt ist. Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass Kurbelgehäuse mit hohen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit und Bruchdehnung beziehungsweise Dehnbarkeit grundsätzlich durch Kokillen- oder Sandguss herstellbar sind, jedoch ist ein solches Kokillen- oder Sandgussverfahren sehr kostenintensiv. Auch Pressgießverfahren sind prozessbedingt nur kostenintensiv durchführbar. Mit Hilfe von Vakural-Druckgussverfahren sind in dickwandigen Bereichen, das heißt in Wandungsbereichen mit sehr hoher Wanddicke von beispielsweise mehr als 15 Millimetern, hohe Festigkeitskennwerte und gleichzeitig hohe Bruchdehnungskennwerte nicht zufriedenstellend darstellbar. Konventioneller Druckguss, bei dem im Gegensatz zum laminaren Druckguss eine überwiegend turbulente Formfüllung erfolgt, ist zwar auf Grund der kurzen Taktzeit kostengünstig durchführbar, jedoch resultiert verfahrensbedingt eine zumindest abschnittsweise relativ hohe Porosität des Kurbelgehäuses. Durch die Porosität ist die
Wärmebehandlungsfähigkeit stark eingeschränkt, so dass keine hohen Festigkeits- und Bruchdehnungswerte erreichbar sind. Festigkeits- und Bruchdehnungswerte werden üblicherweise an Probekörpern, die dem Bauteilvolumen entnommen werden, im
Zugversuch ermittelt.
Durch den Einsatz von zumindest überwiegend laminarem Druckguss lässt sich die Porosität im Bauteil deutlich reduzieren. Damit ist eine im Vergleich zum konventionellen turbulenten Druckguss deutlich erhöhte Wärmebehandlungsfähigkeit gegeben. Damit wiederum können die Einsatzgrenzen von Aluminium-Druckguss- Kurbelgehäusen durch optimierte Festigkeits- und Dehnungseigenschaften erweitert werden. Mit anderen Worten ist es möglich, durch den Einsatz von laminarem Druckguss ein
wärmebehandelbares Aluminium-Druckguss-Kurbelgehäuse mit hohen Festigkeitsund/oder hohen Bruchdehnungswerten auch in dicken Wandungsbereichen, das heißt in Wandungsbereichen mit hoher Dicke von beispielsweise mehr als 15 Millimetern herzustellen und insbesondere wärmezubehandeln. Ferner ist das Kurbelgehäuse durch den Einsatz von überwiegend laminarem Druckguss wesentlich kostengünstiger herstellbar als durch den Einsatz von Kokillen- oder Sandguss. Das Kurbelgehäuse weist den ersten Wandungsbereich beispielsweise in einem Lagerstuhlbereich auf, in welchem im fertig hergestellten Zustand der Verbrennungskraftmaschine eine Abtriebswelle drehbar an dem Kurbelgehäuse gelagert ist.
Als besonders hat es sich gezeigt, wenn es sich bei dem ersten Wandungsbereich um einen Lagerstuhlbereich des Kurbelgehäuses handelt.
Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Kurbelgehäuse aus überwiegend laminarem Druckguss aus folgenden Aluminiumlegierungen oder auf Basis folgender
Aluminiumlegierungen bestehen: AISi8Cu3, AISi9Cu3, AISi7Mg, AISMOMg, AISi12Cu, AISi17Cu4Mg. Diese Aluminiumlegierungen können jeweils zusätzlich mit einem oder mehreren der Legierungselemente Eisen, Magnesium, Mangan, Kupfer, Zirkonium, Zink, Titan, Molybdän, Natrium, Strontium und Phosphor modifiziert sein.
Als die wenigstens eine Wärmebehandlung ist vorgesehen: ein Lösungsglühen mit nachfolgender Kalt- und/oder Warmauslagerung sowie lediglich wenigstens eine
Warmauslagerung. Diese Warmauslagerung dann dabei direkt nach dem Gießen oder aber zeitlich später, also nach einer bereits erfolgten Kaltauslagerung durchgeführt werden. Die Warmauslagerung kann dabei am ganzen Bauteil und/oder nur an wenigstens einem Volumenelement des Bauteils begrenzt erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorteilhaft, die Lösungsglühbehandlung nicht am gesamten Bauteil sondern örtlich begrenzt an wenigstens einem Volumenelement des Bauteils durchzuführen. Im Anschluss an dieses örtliche Lösungsglühen kann eine nachfolgende Warmauslagerung am ganzen Bauteil und/oder örtlich begrenzt an wenigstens einem Volumenelement des Bauteils erfolgen.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Kurbelgehäuse zumindest an aus dem Zentrum des ersten, mindestens 15 Millimeter dicken, kalt- und/oder warmausgelagerten Wandungsbereichs entnommenen Zugproben im
Zugversuch bei Raumtemperatur ermittelte Festigkeits- und Bruchdehnungswerte aufweist, welche durch einen Q-Wert von im Mittel mindestens 250, insbesondere von im Mittel mindestens 280 und ganz insbesondere von im Mittel mindestens 300,
charakterisiert sind. Dabei ergibt sich der Q-Wert aus folgender Formel:
Q-Wert=Rm+150 x lg(A5).
Dabei bezeichnet RM die Zugfestigkeit, und lg(A5) bezeichnet den dekadischen
Logarithmus der Bruchdehnung As.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Kurbelgehäuse zumindest an aus dem Zentrum des ersten, mindestens 15
Millimetern dicken, lösungsgeglühten und kalt- und/oder warmausgelagerten
Wandungsbereichs entnommenen Zugproben im Zugversuch bei Raumtemperatur ermittelte Festigkeits- und Bruchdehnungswerte aufweist, welche durch einen Q-Wert von im Mittel mindestens 300, insbesondere von im Mittel mindestens 350 und ganz insbesondere von im Mittel mindestens 400, charakterisiert sind. Dabei ergibt sich der Q- Wert aus folgender Formel:
Q-Wert=Rm+150 x lg(A5).
Dabei bezeichnet Rm die Zugfestigkeit, und Ig(As) bezeichnet den dekadischen
Logarithmus der Bruchdehnung As. Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Kurbelgehäuse, das aus einer Primäraluminiumlegierung hergestellt ist, zumindest an aus dem Zentrum des ersten, mindestens 15 Millimeter dicken, lösungsgeglühten und kalt- und/oder warmausgelagerten Wandungsbereichs entnommenen Zugproben im Zugversuch bei Raumtemperatur ermittelte Festigkeits- und Bruchdehnungswerte aufweist, welche durch einen Q-Wert von im Mittel mindestens 380 und insbesondere von im Mittel mindestens 420 charakterisiert sind. Dabei ergibt sich der Q-Wert aus folgender Formel:
Q-Wert=Rm+150 x lg(A5).
Dabei bezeichnet Rm die Zugfestigkeit, und lg(A5) bezeichnet den dekadischen
Logarithmus der Bruchdehnung A5.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Kurbelgehäuse wenigstens einen, von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlmantel auf, in dessen Bereich das Kurbelgehäuse eine größere Wanddicke aufweist als im vergleichbaren Bereich eines konventionell druckgegossenen Kurbelgehäuses
Bei dem Kühlmittel handelt es sich beispielsweise um ein Kühlfluid, insbesondere um ein Gas oder eine Kühlflüssigkeit. Die Kühlflüssigkeit wird auch als Kühlwasser oder Wasser bezeichnet, sodass der Kühlmantel auch als Wassermantel bezeichnet wird.
Beispielsweise während eines Betriebs der als Hubkolben- Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Hubkolbenmaschine strömt das Kühlmittel durch den Kühlmittelmantel, sodass beispielsweise ein Wärmeübergang von dem Kurbelgehäuse an das Kühlmittel erfolgen kann. Hierdurch wird das Kurbelgehäuse gekühlt. Insbesondere umgibt der Kühlmittelmantel wenigstens eine beispielsweise als Zylinder ausgebildeten Brennraum des Kurbelgehäuses zumindest teilweise, insbesondere zumindest Uberwiegend, sodass das Kurbelgehäuse insbesondere im Bereich des Brennraums gekühlt werden kann. Somit ist das Kurbelgehäuse beispielsweise als Zylinderkurbelgehäuse ausgebildet.
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Kurbelgehäuse Versteifungsrippen aufweist, deren jeweilige Wanddicken vorzugsweise größer als 8 Millimeter sind.
Das erfindungsgemäße, in beziehungsweise durch zumindest überwiegend laminaren Druckguss hergestellte Kurbelgehäuse kann im Vergleich zu herkömmlichen
Kurbelgehäusen, welche durch herkömmlichen Druckguss hergestellt sind, folgende Merkmale und insbesondere Vorteile aufweisen: - weniger Rippen;
- die Rippen sind kürzer;
- die Rippen sind wesentlich dicker;
- die Rippen weisen größere Radien auf;
- generell größere Wanddicken beziehungsweise Materialaufdickungen,
insbesondere im Bereich des Kühlmittelmantels und dabei insbesondere in dessen Außenbereich und/oder im Bereich eines Lagerstuhls des Kurbelgehäuses und/oder im Bereich eines Ölwannenflansches des Kurbelgehäuses;
- im Bereich des Zylinders verläuft eine Außenkontur des Kurbelgehäuses
zumindest im Wesentlichen planar, sodass es dort keine Krümmungsradien gibt;
- der laminare Druckguss beziehungsweise ein laminares Druckgussverfahren ist ein Herstellverfahren, bei welchem beispielsweise eine Fließgeschwindigkeit der zunächst flüssigen Aluminiumlegierung, aus welcher das Kurbelgehäuse hergestellt wird, geringer als 1 ,5 Meter pro Sekunde ist.
Diese oben genannten Geometriemerkmale können an dem erfindungsgemäßen
Kurbelgehäuse einzeln oder in Kombination auftreten.
Die oben genannten Rippen sind beispielsweise die zuvor genannten Versteifungsrippen, mittels welchen das Kurbelgehäuse, insbesondere zumindest lokal, verstärkt und somit ausgesteift ist. An dem zuvor genannten Lagerstuhl kann eine als Kurbelwelle
ausgebildete Abtriebswelle der Hubkolbenmaschine drehbar gelagert werden, sodass die Kurbelwelle über den Lagerstuhl drehbar an dem Kurbelgehäuse gelagert werden kann. Über den zuvor genannten Ölwannenflansch kann eine ölwanne an das Kurbelgehäuse angeflanscht, das heißt an dem Kurbelgehäuse befestigt werden. Die ölwanne wird insbesondere während des Betriebs der Hubkolbenmaschine genutzt, um öl zum
Schmieren und/oder Kühlen der Hubkolbenmaschine unter Ausbildung eines ölsumpfs sammeln. Dabei ist die ölwanne üblicherweise in Hochrichtung der Hubkolbenmaschine unter dem Lagerstuhl angeordnet.
Der laminare Druckguss, mittels welchem das erfindungsgemäße Kurbelgehäuse hergestellt wird, wird auch als laminares Druckgussverfahren bezeichnet und ist beispielsweise unter dem Begriff Poral-Guss bekannt. Das laminare Druckgussverfahren stellt dabei beispielsweise ein modifiziertes Kaltkammer-Druckgussverfahren dar. Es wird beispielsweise auf einer konventionellen Horizontal-Kaltkammer-Druckgießmaschine durchgeführt, wobei durch eine langsame, ruckfreie Führung des Gießkolbens eine turbulenzfreie Formfüllung angestrebt wird. Durch das zumindest im Wesentlichen gleichförmige Einfahren des Gießkolbens in die Gießkammer wird eine Verwirbelung der ein Gießmetall darstellenden Aluminiumlegierung, aus welcher das Kurbelgehäuse hergestellt wird, mit Luft vermieden. Die ruhige Formfüllung mit laminarer Strömung des eine Schmelze darstellenden Gießmetalls führt zu Gussteilen wie beispielsweise dem Kurbelgehäuse, die sich durch eine besondere Porenarmut auszeichnen und thermisch vergütbar, schweißbar und dynamisch hochbelastbar sind.
Das Haupteinsatzgebiet für den laminaren Druckguss stellt üblicherweise der Bereich der dynamisch hochbeanspruchten Fahrwerksteile dar. Vorteilhaft für diese Bauteile sind die hohen mechanischen Eigenschaften, die durch dieses Gießverfahren bereits im
Gusszustand vorliegen und durch eine nachgeschaltete Wärmebehandlung noch weiter gesteigert werden können. Es besteht die Möglichkeit, mittels dieses Verfahrens dickwandige Gussteile mit Wanddicken bis zu 60 Millimetern in einem
Druckgussverfahren darzustellen und zu fertigen. Es gilt jedoch zu beachten, dass für dieses Verfahren eine Mindestwanddicke von 3,8 Millimetern empfohlen wird.
Aufgrund von Restriktionen bezüglich der empfohlenen Mindestwanddicken ist der Einsatz des laminaren Druckgussverfahrens im Bereich des beispielsweise als
Zylinderkurbelgehäuse ausgebildeten Kurbelgehäuses üblicherweise nicht vorgesehen. Viele dünnwandige Bereiche, in diesem Fall speziell die für die Gestaltfestigkeit und Akustik relevanten Verrippungen, sind unter dem Gesichtspunkt der langsamen und laminaren Formfüllung als kritisch zu betrachten. Eine einfache Substitution des
Gießverfahrens, ohne Modifikationen an Bauteilen und Gießform, ist üblicherweise nicht realisierbar. Das Hauptaugenmerk bei der Umgestaltung liegt dabei auf der
Sicherstellung der laminaren Formfüllung und der Möglichkeit der Nachspeisung während der Erstarrung. Dies resultiert in Wanddickenaufweitungen in den Hauptfließbereichen zur Nachspeisung, angepassten Wandstärkenübergängen zur Vermeidung von Turbulenzen und Lufteinschlüssen während der Füllung sowie einem, im Vergleich zum
konventionellen Druckguss, deutlich massiver ausgeführten Anguss. Während beim klassischen Druckguss mit so genannten Messeranschnitten gearbeitet wird, die sich durch ihre geringen Querschnitte charakterisieren und für die schnelle Formfüllung und Beschleunigung der Schmelze während dieser benötigt werden, liegt beim laminaren Druckguss der Fokus auf dem Offenhaltung der Speisungswege während der Erstarrung des Bauteils. Dieses Offenhalten ermöglicht das Nachführen von Schmelze in die
Hohlräume des Bauteils, die aufgrund der Volumenkontraktion des Aluminiums bei der Erstarrung entstehen. Um die Nachspeisung sicherzustellen, wird ein massiver Anguss benötigt, da sonst ein Abfrieren der Schmelze in diesem Bereich das Nachführen des flüssigen Metalls verhindern würde.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines prinzipiellen Herstellwegs eines Kurbelgehäuses für eine Hubkolbenmaschine, mit wenigstens einem ersten Wandungsbereich und mit wenigstens einem sich an den ersten
Wandungsbereich anschließenden, zweiten Wandungsbereich, wobei der erste Wandungsbereich eine größere Wanddicke als der zweite Wandungsbereich aufweist und wobei das Kurbelgehäuse aus einer Aluminiumlegierung und durch zumindest überwiegend laminaren Druckguss hergestellt sowie wärmebehandelt ist;
Fig. 2 ausschnittsweise eine schematische und perspektivische Vorderansicht des Kurbelgehäuses gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 3a eine schematische Schnittansicht eines konventionell druckgegossenen
Kurbelgehäuses in einer in Fig. 2 gezeigten Schnittebene A5;
Fig. 4a eine schematische Schnittansicht des laminar druckgegossenen Kurbelgehäuses in einer in Fig. 2 gezeigten Schnittebene A5;
Fig. 3b eine schematische Schnittansicht des konventionell druckgegossenen
Kurbelgehäuses in einer in Fig. 2 gezeigten Schnittebene A4;
Fig. 4b eine schematische Schnittansicht des laminar druckgegossenen Kurbelgehäuses in einer in Fig. 2 gezeigten Schnittebene A4; Fig. 3c eine schematische Schnittansicht des konventionell druckgegossenen
Kurbelgehäuses in einer in Fig. 2 gezeigten Schnittebene A3;
Fig. 4c eine schematische Schnittansicht des laminar druckgegossenen Kurbelgehäuses in einer in Fig. 2 gezeigten Schnittebene A3;
Fig. 3d eine schematische Schnittansicht des konventionell druckgegossenen
Kurbelgehäuses in einer in Fig. 2 gezeigten Schnittebene A1 ;
Fig. 4d eine schematische Schnittansicht des laminar druckgegossenen Kurbelgehäuses in einer in Fig. 2 gezeigten Schnittebene A1 ;
Fig. 3e eine schematische Ansicht des konventionell druckgegossenen Kurbelgehäuses in einer in Fig. 2 gezeigten Schnittebene A3 im Bereich seines Innenraums;
Fig. 4e eine schematische Ansicht des laminar druckgegossenen Kurbelgehäuses in einer in Fig. 2 gezeigten Schnittebene A3 im Bereich seines Innenraums;
Fig. 5 eine schematische Ansicht des konventionell druckgegossenen Kurbelgehäuses in seinem Zylinderbereich unterhalb seines Wassermantelbereichs;
Fig. 6 eine schematische Ansicht des laminar druckgegossenen Kurbelgehäuses in seinem Zylinderbereich unterhalb seines Wassermantelbereichs;
Fig. 7 eine schematische Ansicht des konventionell druckgegossenen Kurbelgehäuses in seinem Außenbereich, welches typische Verrippungen zeigt; und
Fig. 8 eine schematische Ansicht des laminar druckgegossenen Kurbelgehäuses in seinem Außenbereich, welches typische Verrippungen zeigt
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm zum prinzipiellen Veranschaulichung des Herstellweges eines Kurbelgehäuses für eine Hubkolbenmaschine. Die Hubkolbenmaschine ist beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise ein Verbrennungsmotor, wobei die Hubkolbenmaschine beispielsweise Bestandteil eines Kraftwagens sein kann. Der Kraftwagen ist beispielsweise mittels der
Hubkolbenmaschine antreibbar. In ihrem fertig hergestellten Zustand umfasst die Hubkolbenmaschine eine Abtriebswelle in Form einer Kurbelwelle, welche an dem Kurbelgehäuse um eine Drehachse relativ zu dem Kurbelgehäuse drehbar gelagert ist. Über die Kurbelwelle kann die Hubkolbenmaschine Drehmomente bereitstellen, mittels welchen der Kraftwagen angetrieben werden kann.
In seinem fertig hergestellten Zustand weist das Kurbelgehäuse wenigstens einen ersten Wandungsbereich und wenigstens einen sich an den ersten Wandungsbereich anschließenden, zweiten Wandungsbereich auf, wobei der erste Wandungsbereich eine größere Wanddicke als der zweite Wandungsbereich aufweist. Mit anderen Worten ist der erste Wandungsbereich ein gegenüber dem zweiten Wandungsbereich dickwandiger Bereich des Kurbelgehäuses, wobei die Wanddicke des ersten Wandungsbereiches beispielsweise größer als 15 Millimeter ist. Bei diesem wenigstens einen ersten
Wandungsbereich kann es sich beispielsweise um einen Lagerstuhlbereich handeln. Unter der Wanddicke von mindestens 15 Millimeter des ersten Wandungsbereiches ist mit anderen Worten zu verstehen, dass es in diesem ersten Wandungsbereich im Zentrum zumindest ein Volumenelement gibt, dessen Abstand zur nächstgelegenen Bauteiloberfläche mindestens 7,5 Millimeter beträgt.
Durch diese Ausgestaltung der Wandungsbereiche ist es möglich, das Kurbelgehäuse an während des Betriebs der Hubkolbenmaschine auftretende und lokal unterschiedliche Belastungen anzupassen und dabei gleichzeitig das Gewicht des Kurbelgehäuses gering zu halten. Beispielsweise treten im ersten Wandungsbereich während des Betriebs der Hubkolbenmaschine größere Belastungen als im zweiten Wandungsbereich auf. Da der erste Wandungsbereich eine größere Wanddicke als der zweite Wandungsbereich aufweist, kann das Kurbelgehäuse die im ersten Wandungsbereich auftretenden und gegenüber dem zweiten Wandungsbereich stärkeren Belastungen auch über eine hohe Lebensdauer hinweg zumindest im Wesentlichen schadfrei ertragen. Da ferner der zweite Wandungsbereich eine geringere Wanddicke als der erste Wandungsbereich aufweist, kann das Gewicht des Kurbelgehäuses besonders gering gehalten werden.
Um nun das Kurbelgehäuse auf besonders kostengünstige Weise herstellen sowie ein besonders geringes Gewicht des Kurbelgehäuses realisieren zu können, wird das Kurbelgehäuse aus einer Aluminiumlegierung und durch überwiegend laminaren Druckguss hergestellt sowie wärmebehandelt. Im Rahmen des Herstellweges wird beispielsweise bei einem ersten Schritt S1 ein Werkstoff bereitgestellt, aus welchem das Kurbelgehäuse hergestellt wird. Der Werkstoff wird dabei in flüssigem Zustand bereitgestellt, wobei der Werkstoff ein Gießwerkstoff ist.
Als Werkstoff kann beispielsweise eine der nachfolgenden Aluminiumlegierungen oder ein Werkstoff auf Basis der nachfolgenden Aluminiumlegierungen verwendet werden: AISi8Cu3, AISi9Cu3, AISi7Mg, AISMO Mg, AISi12Cu, AISi17Cu4Mg. Diese
Aluminiumwerkstoffe können jeweils zusätzlich mit einem oder mehreren der
Legierungselemente Eisen, Magnesium, Mangan, Kupfer, Zirkonium, Zink, Titan, Molybdän, Natrium, Strontium und Phosphor modifiziert sein.
Bei einem zweiten Schritt S2 des Herstellweges wird der Gießwerkstoff beispielsweise in eine Form, insbesondere eine Druckgussform, eingebracht, wobei das Kurbelgehäuse mittels der Form aus dem Gusswerkstoff hergestellt wird. Bei dem Gusswerkstoff handelt es sich um eine Aluminiumlegierung, sodass das Gewicht des Kurbelgehäuses besonders gering gehalten werden kann. Im Rahmen eines dritten Schritts S3 wird das Kurbelgehäuse durch überwiegend laminaren Druckguss hergestellt. Nach dem
Einbringen des flüssigen Gusswerkstoffes in die Form kühlt dieser Gusswerkstoff ab und erstarrt, woraufhin das Kurbelgehäuse, insbesondere als Rohteil entformt, das heißt aus der Form entnommen werden kann. Bei einem vierten Schritt S4 wird das Kurbelgehäuse beziehungsweise das Rohteil schließlich vollständig und/oder nur örtlich wärmebehandelt, um besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften, insbesondere besonders vorteilhafte Festigkeits- und Bruchdehnungseigenschaften, des Kurbelgehäuses zu realisieren.
Die Wärmebehandlung kann beispielsweise durch Lösungsglühen mit nachfolgender Kalt- und/oder Warmauslagerung erfolgen. Die Lösungsglühbehandlung kann am ganzen Bauteil und/oder örtlich begrenzt erfolgen. Im Fortgang des Herstellungsprozesses kann nach dem vollständigen und/oder örtlichen Lösungsglühen eine Warmauslagerung am ganzen Bauteil und/oder örtlich begrenzt auf mindestens ein Volumenelement erfolgen.
Es kann auch nur eine Warmauslagerung ohne vorhergehendes Lösungsglühen erfolgen. Diese Warmauslagerung kann dabei direkt nach dem Gießen oder nach einer bereits erfolgten Kaltauslagerung durchgeführt werden. Grundsätzlich ist es möglich, am
Kurbelgehäuse mehrere Wärmebehandlungsschritte durchzuführen. Alternativ oder zusätzlich ist es erfindungsgemäß auch vorgesehen, dass die wenigstens eine Wärmebehandlung am ganzen Bauteil und/oder nur an lokal begrenzten Bereichen erfolgt.
Das Bauteil kann also vollständig und zusätzlich oder alternativ lokal wärmebehandelt werden. Dies heißt mit anderen Worten: Das Bauteil kann in einer vorteilhaften
Ausführungsart vollständig in mindestens einem Wärmebehandlungsschritt
wärmebehandelt werden. In einer weiteren Ausführungsart kann das Bauteil sowohl vollständig wärmebehandelt werden und zusätzlich an mindestens einer Stelle lokal wärmebehandelt sein. Das Bauteil kann ferner in einer dritten Ausführungsart lediglich örtlich wärmebehandelt sein, ohne vollständig wärmebehandelt zu sein.
Das Kurbelgehäuse ist somit ein Druckguss-Kurbelgehäuse aus einer
Aluminiumlegierung, wobei das Druckguss-Kurbelgehäuse in seinem wenigstens einen dickwandigen Bereich in Form des ersten Wandungsbereiches besondere Festigkeitsund Bruchdehnungswerte aufweist, welche durch den so genannten Q-Wert beschrieben werden.
Unter Druckguss, sowohl turbulentem als auch laminarem Druckguss, wird dabei im Folgenden ein dreiphasiges Verfahren verstanden: das dreiphasige Verfahren weist eine erste Phase auf, bei welcher eine flüssige Schmelze durch den Gießkolben langsam aus der Gießkammer in den Anschnittbereich der Form gedrückt wird. Bei einer zweiten Phase des dreiphasigen Verfahrens erfolgt eine Füllung einer geschlossenen Form. Der laminare Druckguss unterscheidet sich dabei vom konventionellen turbulenten Druckguss dadurch, dass die Formfüllung in dieser zweiten Phase dergestalt durchgeführt wird, dass die Schmelze im Wesentlichen turbulenzfrei bzw. turbulenzarm die Form befüllt. Bei der dritten Phase des dreiphasigen Verfahrens wird ein hoher Nachdruck aufgebaut, um ein Nachspeisen der Form herbeizuführen.
Durch den Begriff Druckguss-Kurbelgehäuse erfolgt eine Abgrenzung zu solchen Kurbelgehäusen, welche in dem im Vergleich zum Druckguss typischerweise
höherwertigen aber auch deutlich kostenintensiveren Kokillenguss- oder
Sandgussverfahren hergestellt werden.
Ferner erfolgt durch den Begriff Druckguss-Kurbelgehäuse eine Abgrenzung zu
Kurbelgehäusen, welche im sogenannten Thixoguss hergestellt werden. Beim Thixoguss wird unter anderem anders als beim Druckguss mit nur teilflüssigem Material beim Formfüllen gearbeitet. Mit anderen Worten erfolgt die Formfüllung beim Thixoguss bei einer vergleichsweise niedrigeren Temperatur und höheren Drücken als beim Druckguss. Die Gießform beim Squeeze-Cast-Prozess, der auch als Pressgießen bezeichnet wird, ist so gestaltet, dass während der Erstarrung der Schmelze eine effektive Verdichtung über das Angusssystem bis weit in das Bauteil hinein möglich ist. Dies hat ausgeprägte und im Verhältnis zum Bauteil große Angusssysteme zur Folge. Aus diesem Grund wird die von der Gießmaschine bereitgestellte Nachverdichtung über einen großen
Kolbendurchmesser und dadurch relativ niedrigeren Druck (beispielsweise ca. 100 bar) über das Angusssystem in das Bauteil realisiert. Die relativ hohe Prozesstaktzeit und der verhältnismäßig große Anteil an zu rezyklierendem Angussmaterial machen den
Squeeze-Cast-Prozess zur Herstellung filigraner und komplex gestalteter Kurbelgehäuse unwirtschaftlich. Im erfindungsgemäß nicht vorgesehenen Fall, dass Keramik- oder Siliziumvorkörper im Zuge des Gießprozesses mit Schmelze infiltriert werden müssen, hat dieses Verfahren seine Berechtigung, da hier über ein Angusssystem, das
verfahrensbedingt und konstruktionsbedingt vorteilhafter Weise über die dickwandigen Bereiche des Lagerstuhls erfolgt, gespeist wird.
Bei konventionellem turbulenten sowie bei überwiegend laminarem Druckguss ist das Angusssystem wesentlich kleiner ausgeprägt. Der von der Druckgussmaschine bereitgestellte Nachdruck ist bei konventionellem turbulentem sowie bei überwiegend laminarem Druckguss etwa gleich. Obwohl dieser Druck im Vergleich zum Squeeze-Cast- Prozess relativ hoch ist (beispielsweise ca. 600 bar bis ca. 1000 bar), reicht dieser nur wenig in das Bauteil hinein und dient nur dazu, die Speisung für die Erstarrung entgegen der wirkenden Schwerkraft aufrecht zu erhalten. Eine Nachverdichtung weit in das Bauteil hinein ist auf Grund des im Verhältnis zum Bauteil kleinen Angusssystems und der Querschnittssprünge von dünnwandigen zu dickwandigen Bereichen im Kurbelgehäuse nicht bzw. kaum möglich und nicht notwendig. Damit können mit konventionellem turbulentem sowie mit überwiegend laminarem Druckguss Kurbelgehäusebauweisen realisiert werden, die mit einem Squeeze-Cast-Prozess nicht oder nicht wirtschaftlich dargestellt werden können.
Dem erfindungsgemäßen Kurbelgehäuse liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass dickwandige Bereiche, das heißt der erste Wandungsbereich mit einer Wanddicke von beispielsweise mehr als 15 Millimetern nicht durch Vakuraldruckguss unter
Einhaltung von hohen Festigkeits- und Bruchdehnungswerten im Zentrum dieses ersten Wandungsbereichshergestellt werden können. Dadurch grenzt sich das
erfindungsgemäße Kurbelgehäuse, hergestellt durch zumindest überwiegend laminaren Druckguss, von einem im Vakuraldruckguss hergestellten Kurbelgehäuse ab. Durch die hohen Festigkeits- und Bruchdehnungswerte, welche durch den Q-Wert beschrieben werden, selbst auch in dicken ersten Wandungsbereichen, erfolgt auch eine Abgrenzung zu Kurbelgehäusen, welche in herkömmlichem, überwiegend turbulentem Druckguss hergestellt werden. Dieser konventionelle Druckguss erzielt im
Kurbelgehäuse, welches ein Gussbauteil ist, insbesondere in dickwandigen Regionen typischerweise eine hohe Porosität, so dass durch konventionellen turbulenten Druckguss hergestellte Kurbelgehäuse nur eingeschränkt wärmebehandelbar sind und somit in der Regel nur geringe Festigkeitskennwerte und geringe Bruchdehnungskennwerte aufweisen, wobei diese geringen Festigkeitskennwerte und die geringen
Bruchdehnungskennwerte zu einem geringen Q-Wert führen.
Der Q-Wert ergibt sich aus folgender Formel:
Q-Wert = RM + 150 x lg(A5)
Dabei bezeichnet RM die im Zugversuch an einem Probestück ermittelte Zugfestigkeit des Kurbelgehäuses, insbesondere an einem Probestück aus dem ersten Wandungsbereich. Ferner bezeichnet Ig(As) den dekadischen Logarithmus der Bruchdehnung A5 des Kurbelgehäuses, wiederum ermittelt im Zugversuch an einem Probestück, insbesondere an einem Probestück aus dem ersten Wandungsbereich. Da durch den Einsatz des überwiegend laminaren Druckgusses und die Wärmebehandlung sehr hohe
beziehungsweise vorteilhafte Festigkeits- und Bruchdehnungswerte realisiert werden können, weist das Kurbelgehäuse speziell auch in Zentrumsbereichen des mindestens einen, dicken ersten Wandungsbereichs einen besonders hohen Q-Wert und
insbesondere einen höheren Q-Wert als durch konventionellen turbulenten Druckguss hergestellte Kurbelgehäuse auf. Da erfindungsgemäß nicht vorgesehen ist,
beispielsweise einen in die Gussform eingelegten metallischen Formkörper, einen Keramikformkörper oder einen Siliziumformkörper mit einzugießen bzw. mit Schmelze zu infiltrieren, bezieht sich ein solcher Q-Wert grundsätzlich auf ein Probenvolumen, das aus der verwendeten Aluminiumlegierung besteht.
Grundsätzlich ist zu beachten, dass die im Zugversuch ermittelten Zugfestigkeits- und Bruchdehnungswerte bedingt durch den Gefügezustand der Probe und/oder die Defekte im Zugprobenvolumen schwanken können. Daher ist es erforderlich, mehrere
Zugversuche an mehreren Bauteilen durchzuführen um dadurch sowohl für die
Zugfestigkeit als auch für die Bruchdehnung einen Mittelwert zu bestimmen. In der Praxis hat sich als vorteilhaft erwiesen, eine Mittelwertbildung aus Ergebnissen aus mindestens 10 Einzelzugversuchen zu wählen.
Die Basis für die Betrachtung sind jeweils bei Raumtemperatur durchgeführte
Zugversuche, beispielsweise an Zugproben oder Zugstäben gemäß DIN 50125.
Dabei ist selbstverständlich, dass es sich bei den Zugproben oder Zugstäben um massive Proben handelt und nicht etwa um Hohlzugproben.
Das erfindungsgemäße Kurbelgehäuse weist im nicht lösungsgeglühten Zustand nach einer Kalt- und/oder Warmauslagerung zumindest im Zentrum des wenigstens einen, ersten Wandungsbereichs, der eine Dicke von mindestens 15 mm aufweist und der insbesondere einen Lagerstuhlbereich dargestellt, in bei Raumtemperatur ermittelten Zugversuchen einen mittleren Q-Wert von mindestens 250, insbesondere von mindestens 280 und ganz insbesondere von mindestens 300 auf.
Das erfindungsgemäße Kurbelgehäuse weist im lösungsgeglühten Zustand und nach einer Kalt- und/oder Warmauslagerung zumindest im Zentrum des wenigstens einen, ersten Wandungsbereichs, der eine Dicke von mindestens 15 mm aufweist und der insbesondere einen Lagerstuhlbereich dargestellt, in bei Raumtemperatur ermittelten Zugversuchen einen mittleren Q-Wert von mindestens 300, insbesondere von mindestens 350 und ganz insbesondere von mindestens 400 auf.
Als Ausgangsmaterial für den überwiegend laminaren Druckguss kann ein sogenanntes Primäraluminium oder ein sogenanntes Sekundäraluminium verwendet werden. Bei letztgenanntem Typ handelt es sich um rezykliertes Aluminium beziehungsweise um rezyklierte Aluminiumlegierungen, welches beziehungsweise welche über den
Schrottkreislauf wiedergewonnen werden. Der energetische Aufwand für die Herstellung von Sekundäraluminium ist deutlich geringer als derjenige für das Primäraluminium. Allerdings ist auf Grund der Vorgeschichte das Sekundäraluminium mit anderen chemischen Elementen verunreinigt und daher qualitativ nicht so hochwertig wie
Primäraluminium.
Primäraluminium selbst wird über ein Schmelzelektrolyseverfahren hergestellt. Durch die hohe Reinheit des Grundmaterials und die daraus präzise einstellbaren
Aluminiumlegierungen sind hochwertige Produkte herstellbar, die sich durch besonders gute Festigkeits- und/oder Bruchdehnungskennwerte auszeichnen. Mit anderen Worten sind unter Verwendung von Primäraluminiumlegierungen besonders hohe Q-Werte realisierbar. Das erfindungsgemäße Kurbelgehäuse weist unter Verwendung einer Primäraluminiumlegierung im lösungsgeglühten Zustand und nach einer Kalt- und/oder Warmauslagerung zumindest im Zentrum des wenigstens einen, ersten
Wandungsbereichs, der eine Dicke von mindestens 15 mm aufweist und der
insbesondere einen Lagerstuhlbereich dargestellt, in bei Raumtemperatur ermittelten Zugversuchen einen mittleren Q-Wert von mindestens 380 und insbesondere von mindestens 420 auf.
Durch die Herstellung des Kurbelgehäuses mithilfe des überwiegend laminaren
Druckgießens beziehungsweise Druckgusses ist es möglich, die Einsatzgrenzen des als Aluminium-Druckguss- Kurbelgehäuse ausgebildeten Kurbelgehäuses durch optimierte Festigkeits- und Bruchdehnungseigenschaften zu erweitern. Das Kurbelgehäuse zeichnet sich aufgrund seiner Herstellung durch eine besonders geringe Porosität insbesondere auch in dicken Wandungsbereichen, das heißt im ersten Wandungsbereich aus. Das Kurbelgehäuse ist somit in weiten Grenzen örtlich und/oder am gesamten Bauteilvolumen wärmebehandelbar. Beispielsweise durch Lösungsglühen mit nachgeschalteter
Warmauslagerung können für das Kurbelgehäuse sehr hohe Festigkeits- und
Bruchdehnungswerte und somit ein hoher Q-Wert erzielt werden.
Fig. 2 zeigt auf ihrer bezogen auf ihre Bildebene rechten Seite ausschnittsweise in einer schematischen und perspektivischen Vorderansicht das zuvor genannte, in Fig. 2 im Ganzen mit 10 bezeichnete Kurbelgehäuse gemäß einer ersten Ausführungsform. Auf der linken Seite von Fig. 2 ist eine Bauvariante des Kurbelgehäuses 10 gezeigt, welche beispielsweise einem herkömmlichen Kurbelgehäuse entspricht, das durch
konventionellen Druckguss hergestellt ist. In Fig. 2 sind unterschiedliche Querschnitte des Kurbelgehäuses 10 mit A1 , A2, A3, A4 und A5 bezeichnet, welche in jeweiligen
Schnittebenen angeordnet sind und auch als Querschnittsbereiche bezeichnet werden. Die Querschnitte A1 und A2 sind dabei im Bereich benachbart zum Lagerstuhl 12 des Kurbelgehäuses 10 angeordnet, wobei an dem Lagerstuhl 12 die zuvor genannte
Abtriebswelle drehbar gelagert werden kann. Insbesondere sind die Querschnitte A1 und A2 im Bereich einer so genannten, seitlichen Schürze 14 des Kurbelgehäuses 10 angeordnet. Durch die Schürze 14 ist beispielsweise in Querrichtung des Kurbelgehäuses 10 ein Kurbelraum des Kurbelgehäuses 10 zumindest teilweise begrenzt, wobei die Kurbelwelle zumindest teilweise in dem Kurbelraum aufnehmbar ist. Bei der ersten Ausführungsform ist das Kurbelgehäuse 10 in so genanntem Long-Skirt-Design ausgebildet, da die seitliche Schürze 14 eine besonders große, insbesondere in Hochrichtung des Kurbelgehäuses 10 verlaufende Länge aufweist und den eigentlichen Lagerstuhl 12 in Hochrichtung nach unten hin deutlich überragt.
Mit A3 ist der Querschnitt im Bereich einer Auflagefläche des Kurbelgehäuses 10 bezeichnet, wobei an dieser Auflagefläche wenigstens ein separat von dem
Kurbelgehäuse 10 ausgebildeter Lagerdeckel an dem Kurbelgehäuse 10, insbesondere am Lagerstuhl 12, abstützbar ist. Der Lagerstuhl 12 und der genannte Lagerdeckel bilden beziehungsweise begrenzen jeweils teilweise, insbesondere jeweils zur Hälfte, eine auch als Lagerbohrung bezeichnete Lageraufnahme, in welcher zumindest ein Längenbereich der Kurbelwelle aufnehmbar ist. Im am Lagerstuhl 12 montierten und somit an der Auflagefläche abgestützten Zustand begrenzen der Lagerdeckel und der Lagerstuhl 12 gemeinsam die jeweilige Lagerbohrung in deren Umfangsrichtung vollständig umlaufend.
Ferner weist das Kurbelgehäuse 10 beispielsweise wenigstens einen in Fig. 2 besonders schematisch dargestellten Zylinder 16 auf, welcher ein Brennraum der
Hubkolbenmaschine ist. Während eines befeuerten Betriebs der Hubkolbenmaschine laufen in dem Zylinder 16 Verbrennungsvorgänge ab. Somit ist das Kurbelgehäuse 10 beispielsweise als Zylinderkurbelgehäuse ausgebildet. Insbesondere weist das
Kurbelgehäuse 10 beispielsweise eine Mehrzahl von in Längsrichtung des
Kurbelgehäuses 10 aufeinanderfolgenden Zylindern auf, zwischen welchen ein jeweiliger, so genannter Zylindersteg angeordnet ist. Dabei bezeichnet beispielsweise A5 den Querschnitt im Bereich des Zylinderstegs und insbesondere in der Mitte des jeweiligen Zylinders.
Während beispielsweise bei dem durch herkömmlichen beziehungsweise konventionellen Druckguss hergestellten Kurbelgehäuse enorme Querschnittssprünge sowie ein
Wanddickensprung von dem Lagerstuhl 12 zu dem Zylinder 16, insbesondere von dem Querschnitt A3 über den Querschnitt A4 hin zu dem Querschnitt A5, vorgesehen sind, ist bei dem Kurbelgehäuse 10 gemäß der ersten Ausführungsform, welches durch laminaren Druckguss hergestellt ist, eine Konturanpassung für homogenere Querschnittsübergänge von dem Anguss zu dem Lagerstuhl 12 und von dem Lagerstuhl 12 zu dem Zylindersteg vorgesehen. Mit anderen Worten ist ein besonders homogener Übergang der Wanddicke beziehungsweise der jeweiligen Querschnitte von dem Lagerstuhl 12 zu dem Zylinder 16 vorgesehen.
Bei dem durch konventionellen Druckguss hergestellten Kurbelgehäuse gilt
beispielsweise: A1 <A3 und/oder A1 <A4
Demgegenüber gelten beispielsweise bei dem laminar druckgegossenen Kurbelgehäuse 10 gemäß der ersten Ausführungsform sowie im Vergleich zwischen laminar
druckgegossenem Kurbelgehäuse 10 und dem konventionell druckgegossenen
Kurbelgehäuse gemäß der ersten Ausführungsform folgende Beziehungen beim laminaren Druckguss: A1-.A2-.A3, insbesondere A1 >A2>A3 und/oder A1 beim konventionellen Druckguss < A1 beim laminaren Druckguss und/oder A4 beim konventionellen Druckguss < A4 beim laminaren Druckguss
Die Querschnitte A1 bis A5 beziehungsweise die Schnittebenen sind in Fig. 3a bis 4e verdeutlicht. Fig. 3a-e zeigen jeweilige Querschnittsansichten eines konventionell druckgegossenen Kurbelgehäuses entlang der jeweiligen, voneinander beabstandeten Schnittebenen, welche beispielsweise jeweils durch die Längsrichtung und durch die Querrichtung des Kurbelgehäuses aufgespannt werden. Fig. 4a-e zeigen jeweilige Querschnittsansichten eines laminar druckgegossenen Kurbelgehäuses 10 entlang der jeweiliger, voneinander beabstandeten Schnittebenen, welche beispielsweise jeweils durch die Längsrichtung und durch die Querrichtung des Kurbelgehäuses 10 aufgespannt werden.
Im direkten Quervergleich der einzelnen Schnittebenen ist schematisch folgendes erkennbar:
- in der Schnittebene A5 weist das laminar druckgegossene Kurbelgehäuse 10 (Fig. 4a) deutliche Materialaufdickungen im Vergleich zum konventionell druckgegossenen Kurbelgehäuse (Fig. 3a) auf
- in der Schnittebene A4 weist das laminar druckgegossene Kurbelgehäuse 10 (Fig. 4b) deutliche Materialaufdickungen im Vergleich zum konventionell druckgegossenen Kurbelgehäuse (Fig. 3b) auf
- in der Schnittebene A3 weist das laminar druckgegossene Kurbelgehäuse 10 (Fig. 4c) deutliche Materialaufdickungen im Vergleich zum konventionell druckgegossenen Kurbelgehäuse (Fig. 3c) auf
- in der Schnittebene A1 weist das laminar druckgegossene Kurbelgehäuse 10 (Fig. 4d) deutliche Materialaufdickungen im Vergleich zum konventionell druckgegossenen Kurbelgehäuse (Fig. 3d) auf. Diese zuvor in Fig. 3a bis 4e schematisch dargestellten Unterschiedsmerkmale können sowohl einzeln als auch insbesondere in Kombination auftreten.
Die zuvor benannten geometrischen Eigenschaftsmerkmale, worin sich das konventionell druckgegossene Kurbelgehäuse von dem erfindungsgemäßen laminar druckgegossenen, Kurbelgehäuse 10 unterscheidet, beschreibt vorrangig Geometriemerkmale die auf der Außenseite des jeweiligen Gehäuses erkennbar sind. In einer weiteren Ausführungsform zeigt auch der Innenraum des Kurbelgehäuses 10 zusätzlich oder alternativ geometrische Unterschiedsmerkmale. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 3e und 4e vergleichend dargestellt. Fig. 3e zeigt schematisch die Schnittebene A3 eines konventionell druckgegossenen Kurbelgehäuses. Fig. 4e zeigt schematisch die Schnittebene A3 des Kurbelraumes eines laminar druckgegossenen Kurbelgehäuses 10. Es ist deutlich erkennbar, dass beim laminar druckgegossenen Kurbelgehäuses 10 örtliche Materialaufdickungen im
Bauteilinneren vorliegen, wie mit Pfeilen gekennzeichnet. Die Aufdickungen gemäß Fig. 4e sowie die Aufdickungen gemäß Fig. 4c beim laminar druckgegossenen
Kurbelgehäuse 10 können sowohl in Kombination als auch einzeln auftreten.
In einer weiteren Ausführungsform des laminar druckgegossenen Kurbelgehäuses 10 zeigt dieses Kurbelgehäuse 10 im Zylinderbereich unterhalb des Wassermantelbereichs deutliche Aufdickungen. Dies soll anhand von Fig. 5 und Fig. 6 in vergleichender
Gegenüberstellung dargelegt werden. Fig. 5 stellt schematisch die
Wanddickenverhältnisse eines konventionell druckgegossenen Kurbelgehäuses im Zylinderbereich unterhalb des Wassermantelbereiches dar. So ist beispielsweise erkennbar, dass die Kontur der äußeren Wandung im Wesentlichen der Innenkontur der Bohrung des Zylinders folgt. Im Vergleich dazu zeigt Fig. 6 schematisch, dass bei einem laminar druckgegossenen Kurbelgehäuse 10 im Zylinderbereich unterhalb des
Wassermantelbereiches insgesamt deutliche Materialverdickungen vorliegen. Hier ist beispielsweise erkennbar, dass die Kontur der äußeren Wandung der Innenkontur der Bohrung des Zylinders 16 nicht folgt.
In einer weiteren Ausführungsform des laminar druckgegossenen Kurbelgehäuses 10 kann sich zusätzlich die Rippenausgestaltung von derjenigen eines konventionell druckgegossenen Kurbelgehäuses unterschieden. Dies ist in Fig. 7 und 8 dargestellt. Fig. 7 zeigt den Außenbereich eines konventionell druckgegossenen Kurbelgehäuses mit dafür typischer Verrippungsstruktur. Fig. 8 zeigt den Außenbereich eines laminar druckgegossenen Kurbelgehäuses 10 mit dafür typischer Verrippungsstruktur. Dabei ist bezüglich der Rippen eine jeweilige Wanddicke mit D und ein jeweiliger Radius mit R bezeichnet. Insbesondere ist es im Vergleich zu herkömmlichen Kurbelgehäusen möglich, die Anzahl an Versteifungsrippen zum Versteifen des Kurbelgehäuses 10 zu reduzieren und/oder derartige Versteifungsrippen kürzer und/oder wesentlich dicker, das heißt mit wesentlich größeren Wanddicken, auszuführen, wobei die Versteifungsrippen
beispielsweise wesentlich größere Radien aufweisen.
Diese zuvor in den Fig. 3a bis 8 schematisch dargestellten geometrischen
Unterschiedsmerkmale zwischen einem konventionell druckgegossenen Kurbelgehäuse und einem laminar druckgegossenen Kurbelgehäuse 10 können sowohl einzeln als auch in Kombination auftreten.

Claims

Patentansprüche
1. Kurbelgehäuse (10) für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, mit wenigstens einem ersten Wandungsbereich, welcher eine größere Wanddicke als wenigstens ein sich an den ersten Wandungsbereich anschließender zweiter Wandungsbereich des Kurbelgehäuses (10) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kurbelgehäuse (10) aus einer Aluminiumlegierung und durch zumindest überwiegend laminaren Druckguss hergestellt sowie:
- vollständig wärmebehandelt ist; oder
- vollständig und zusätzlich lokal wärmebehandelt ist; oder
- nur lokal wärmebehandelt ist.
2. Kurbelgehäuse (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wanddicke des ersten Wandungsbereichs mindestens 15 Millimeter ist.
3. Kurbelgehäuse (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
es sich bei dem ersten Wandungsbereich um einen Lagerstuhlbereich des
Kurbelgehäuses (10) handelt.
4. Kurbelgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kurbelgehäuse (10) aus einem Werkstoff auf Basis zumindest einer der folgenden Aluminiumlegierungen gebildet ist: AISi8Cu3, AISi9Cu3, AISi7Mg, AISMOMg, AISi12Cu oder AISi17Cu4Mg.
5. Kurbelgehäuse (10) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Aluminiumlegierung zusätzlich mit einem oder mehreren der folgenden
Legierungselemente modifiziert ist: Eisen, Magnesium, Mangan, Kupfer, Zirkonium, Zink, Titan, Molybdän, Natrium, Strontium und Phosphor.
6. Kurbelgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kurbelgehäuse (10) durch ein Lösungsglühen und/oder eine Warmauslagerung wärmebehandelt ist.
7. Kurbelgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kurbelgehäuse (10) vollständig oder lediglich in einem oder mehreren lokal begrenzten Bereichen wärmebehandelt ist.
8. Kurbelgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kurbelgehäuse (10) zumindest an aus dem Zentrum des ersten, mindestens 15 Millimeter dicken, kalt- und/oder warmausgelagerten Wandungsbereichs entnommenen Zugproben im Zugversuch bei Raumtemperatur ermittelte
Festigkeits- und Bruchdehnungswerte aufweist, welche durch einen Q-Wert von im Mittel mindestens 250, insbesondere von im Mittel mindestens 280 und ganz insbesondere im Mittel von mindestens 300 charakterisiert sind, wobei sich der Q- Wert aus folgender Formel ergibt: Q-Wert=Rm+150*lg(A5), wobei Rm die
Zugfestigkeit und lg(A5) den dekadischen Logarithmus der Bruchdehnung As bezeichnet.
9. Kurbelgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kurbelgehäuse (10) zumindest an aus dem Zentrum des ersten, mindestens 15 Millimeter dicken, lösungsgeglühten und kalt- und/oder warmausgelagerten Wandungsbereichs entnommenen Zugproben im Zugversuch bei Raumtemperatur ermittelte Festigkeits- und Bruchdehnungswerte aufweist, welche durch einen Q- Wert von im Mittel mindestens 300, insbesondere von im Mittel mindestens 350 und ganz insbesondere im Mittel von mindestens 400 charakterisiert sind, wobei sich der Q-Wert aus folgender Formel ergibt: Q-Wert=Rm+150*lg(A5), wobei Rm die Zugfestigkeit und lg(A5) den dekadischen Logarithmus der Bruchdehnung A5 bezeichnet.
10. Kurbelgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kurbelgehäuse (10), das aus einer Primäraluminiumlegierung hergestellt ist, zumindest an aus dem Zentrum des ersten, mindestens 15 Millimeter dicken, lösungsgeglühten und kalt- und/oder warmausgelagerten Wandungsbereichs entnommenen Zugproben im Zugversuch bei Raumtemperatur ermittelte
Festigkeits- und Bruchdehnungswerte aufweist, welche durch einen Q-Wert von im Mittel mindestens 380 und insbesondere von im Mittel mindestens 420
charakterisiert sind, wobei sich der Q-Wert aus folgender Formel ergibt: Q- Wert=Rm+150*lg(A5), wobei Rm die Zugfestigkeit und lg(A5) den dekadischen Logarithmus der Bruchdehnung As bezeichnet.
11. Kurbelgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kurbelgehäuse (10) wenigstens drei in Hochrichtung des Kurbelgehäuses (10) aufeinanderfolgende Querschnittsbereiche A1 , A2 und A3 aufweist, wobei gilt: Α1£ΪΑ2-ΪΑ3, insbesondere A1>A2>A3; und/oder
A1 durch konventionellen Druckguss gefertigt < A1 durch laminaren Druckguss gefertigt; und/oder
A4 durch konventionellen Druckguss gefertigt < A4 durch laminaren Druckguss gefertigt.
12. Kurbelgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kurbelgehäuse (10) in einem Querschnittsbereich A5 deutliche
Materialaufdickungen im Vergleich zum konventionell druckgegossenen
Kurbelgehäuse aufweist.
13. Kurbelgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kurbelgehäuse (10) in einem Querschnittsbereich A4 deutliche Materialaufdickungen im Vergleich zum konventionell druckgegossenen
Kurbelgehäuse aufweist.
14. Kurbelgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kurbelgehäuse (10) in einem Querschnittsbereich A3 deutliche
Materialaufdickungen im Vergleich zum konventionell druckgegossenen
Kurbelgehäuse aufweist.
15. Kurbelgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kurbelgehäuse (10) in einem Querschnittsbereich A1 deutliche
Materialaufdickungen im Vergleich zum konventionell druckgegossenen
Kurbelgehäuse aufweist.
16. Kurbelgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kurbelgehäuse (10) in seinem Innenraum benachbart zu seinem
Lagerstuhlbereich deutliche Materialaufdickungen im Vergleich zum konventionell druckgegossenen Kurbelgehäusen aufweist
17. Kurbelgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Zylinderbereich unterhalb eines Wassermantelbereiches des
Kurbelgehäuses (10) eine Kontur einer äußeren Wandung im Wesentlichen nicht einer Innenkontur der Bohrung des Zylinders (16) folgt.
18. Kurbelgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kurbelgehäuse (10) auf seiner Außenseite weniger und/oder kürzere und/oder dickere Versteifungsrippen aufweist als ein konventionell druckgegossenes Kurbelgehäuse.
19. Kurbelgehäuse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelgehäuse (10) Versteifungsrippen aufweist, deren Wanddicken D größer als acht Millimeter ist.
PCT/EP2016/002124 2015-12-17 2016-12-16 Kurbelgehäuse für eine hubkolbenmaschine, insbesondere eines kraftwagens Ceased WO2017102089A1 (de)

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US16/062,975 US10989139B2 (en) 2015-12-17 2016-12-16 Crankcase for a reciprocating piston engine, in particular of a motor vehicle
CN201680074356.7A CN108368795A (zh) 2015-12-17 2016-12-16 用于特别是汽车的往复式活塞发动机的曲轴箱

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