DE10140642A1

DE10140642A1 - Zylinderblock und Verfahren zu seiner Herstellung

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Publication number: DE10140642A1
Application number: DE10140642A
Authority: DE
Inventors: Toshio Yamauchi
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2001-08-17
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2021-08-18
Also published as: JP3815658B2; JP2002061538A; DE10140642B4; US6543334B2; US20020020287A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Zylinderblock, der die vom Verbrennungsmotor bei hohen Temparaturen erzeugten Schwingungen und Geräusche verringern kann und ein niedriges Gewicht hat, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Zylinderblockes bereit. Im Besonderen besteht der Zylinderblock der vorliegenden Erfindung aus einem Hauptgehäuse (5, 21) des Zylinderblockes, einem an der Unterseite des Hauptgebäudes (5, 21) befestigten Lager (11, 17) und einer in einem Lagersegment (13, 18), das durch die Unterseite des genannten Hauptgehäuses (5, 21) und das genannte Lager (11, 17) gebildet wird, drehbar gelagerten Kurbelwelle. In diesem Zylinderblock wird eine Aluminiumlegierungsschicht (33) im Gleitteil des genannten Lagersegments (13, 25) hergestellt, besteht der an die genannte Aluminiumlegierungsschicht (3) angrenzende Bereich aus einem Verbundwerkstoff (35) und ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des genannten Verbundwerkstoffes (35) niedriger als der der in dem Gleitteil hergestellten Aluminiumlegierungsschicht (33).

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Anwendungsgebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Zylinderblöcke zur Anwendung in Verbrennungs motoren und ein Verfahren zu deren Herstellung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die in Zylinderblöcken eingesetzten Kurbellager und ein Verfahren zu deren Herstellung.

2. Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik

Wie in Fig. 13 dargestellt wird, gehören zu einem Zylinderblock 101 herkömmli cherweise ein das Oberteil des Zylinderblockes bildendes Hauptgehäuse 103 und die an der Unterseite des Hauptgehäuses 103 angeordneten Lagerdeckel 105. Hauptgehäuse 103 und Lagerdeckel 105 sind beide aus Aluminiumlegierung gefertigt. Hauptgehäuse 103 und La gerdeckel 105 bilden gemeinsam ein Lagersegment 107, in welchem eine Kurbelwelle (nicht gezeigt) drehbar gelagert ist. Aus Gründen der Steifigkeit, des Rotationsgleichgewichts und ähnlicher Eigenschaften wird diese Kurbelwelle aus einer Legierung auf Eisenbasis gefertigt (d. h. Stahl oder Gusseisen). Während des Betriebes des Fahrzeuges steigt die Temperatur des Zylinderblockes 101 auf etwa 100°C oder darüber.

Da die Aluminiumlegierung einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 22 × 10^-6/K und das Bauteil auf Eisenbasis einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 12 × 10^-6/K hat, unterliegt der Lagerbohrungsdurchmesser des Lagersegments beim Betrieb des Fahrzeuges und der damit verbundenen Erwärmung des Verbrennungsmotors einer stärkerem Ausdehnung als der Außendurchmesser der Kurbelwelle. Demzufolge vergrößert sich das Spiel zwischen der Kurbelwelle und der Lagerbohrung 109 beim Betrieb des Fahr zeuges, so dass die Drehbewegung der Kurbelwelle zur Erzeugung beträchtlicher Schwin gungen und Geräusche führt.

Um die Erzeugung dieser Schwingungen und Geräusche zu vermeiden, wurde ein Verfahren vorgelegt, bei dem das Lagersegment 107 und die Kurbelwelle aus Werkstoffen mit etwa gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt werden. Zum Beispiel wird in der Japanischen Patentschrift (JP-B) Nr. 6-86882 ein Verfahren veröffentlicht, nach dem das Lagersegment mit einem Material auf Gusseisenbasis beschichtet wird.

Im Gegensatz zum Dichteverhältnis (2,7 g/cm³) von Aluminium beträgt das Dichte verhältnis von Stahl 7,8 g/cm³ und das von Gusseisen 6,9 g/cm³. Somit besteht auf Grund der Tatsache, dass das Dichteverhältnis von Materialien auf Eisenbasis etwa 2,5 bis 3 Mal höher als das einer Aluminiumlegierung ist, bei der Beschichtung des Lagersegments mit einem Material auf Gusseisenbasis das Problem, dass das Gewicht des Zylinderblockes selbst übermäßig erhöht wird.

Zudem ist das Beschichtungsmaterial ein Werkstoff auf Eisenbasis, der der Alumini umlegierung als Stammmaterial artfremd ist, und seine Haftung am aus Aluminiumlegierung bestehenden Bauteil ist nicht durchgehend zufriedenstellend.

Weiterhin muss das Lagersegment einer Endbearbeitung zur Herstellung einer La gerbohrung unterzogen werden, was durch maschinelle Bearbeitung erfolgt. Der als Be schichtungsmaterial verwendete Werkstoff auf Eisenbasis besitzt jedoch eine Härte, die eine ordnungsgemäße maschinelle Bearbeitbarkeit nicht zulässt.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht in der Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme durch Bereitstellung eines Zylinderblockes, mit dem die vom Ver brennungsmotor bei hohen Temperaturen erzeugten Schwingungen und Geräusche verrin gert werden können und der ein niedriges Gewicht hat, sowie eines Verfahrens zur Herstel lung eines solchen Zylinderblockes.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Zylinderblock bereitgestellt, zu dem ein Hauptgehäuse des Zylinderblockes, ein an der Unterseite des Hauptgehäuses montiertes Lager sowie eine in einem durch die Unterseite des Hauptgehäuses und das Lager gebilde ten Lagersegment drehbar gelagerte Kurbelwelle gehören, wobei in dem Gleitteil des Lager segments eine Aluminiumlegierungsschicht hergestellt wird, der an die Aluminiumlegie rungsschicht angrenzende Bereich aus einem Verbundwerkstoff besteht, und der Wär meausdehnungskoeffizient des Verbundwerkstoffes niedriger als der der im Gleitteil herge stellten Aluminiumlegierungsschicht ist.

Das Lagersegment des vorgenannten Zylinderblockes besitzt eine Lagerbohrung für eine Kurbelwelle, und die Innenfläche dieser Lagerbohrung dient als Gleitfläche, auf welcher sich die Kurbelwelle dreht. Das Gleitteil einschließlich der Gleitfläche besteht aus einer Alu miniumlegierungsschicht, die zum Beispiel aus ADC12 (Aluminiumdruckgusswerkstoff) be steht, und der an den Gleitteil angrenzende Bereich besteht aus einem Verbundwerkstoff.

Beim Erwärmen des Verbrennungsmotors zum Beispiel bei Betrieb des Fahrzeuges ist das Gleitteil bestrebt, sich durch die Wirkung der Wärme nach außen auszudehnen. Da aber der angrenzende Bereich einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Gleitteil aufweist, wird das Gleitteil durch den Verbundstoff als Material des angrenzenden Bereiches wieder nach innen gedrückt, so dass letztlich die Ausdehnung der Lagerbohrung begrenzt wird. Demzufolge wird das Spiel zwischen der Kurbelwelle und der Lagerbohrung nicht wesentlich vergrößert, so dass dadurch die während des Betriebes des Fahrzeuges vom Verbrennungsmotor erzeugten Schwingungen und Geräusche auf ein niedriges Maß begrenzt werden. Zudem kommt es auf Grund der Tatsache, dass das Lagersegment aus einer Aluminiumlegierungsschicht und einem eine Aluminiumlegierung enthaltenden Ver bundwerkstoff besteht, zu einer Reduzierung des Gewichts des Zylinderblockes, was wie derum zu einem geringeren Gewicht das Gesamtfahrzeuges führt. Da weiterhin der Ver bundwerkstoff zum Teil aus einer Aluminiumlegierung besteht, lässt er sich leicht zu niedri gen Kosten herstellen. Andererseits besteht das Gleitteil aus einer Aluminiumlegierungs schicht und bietet dadurch eine gute maschinelle Bearbeitbarkeit bei der Endbearbeitung der Innenfläche der Lagerbohrung.

Als vorgenannter Verbundwerkstoff kann vorzugsweise ein durch Imprägnierung ei nes formgepressten Formteils mit flüssiger Aluminiumlegierung hergestelltes Material ver wendet werden. Das vorgenannte Formteil wird vorzugsweise durch Formpressen eines ge körnten Materials, eines Fasermaterials oder eines Gemisches aus gekörntem und Faser material hergestellt. Als vorgenanntes gekörntes oder Fasermaterial können vorzugsweise verschiedene keramische Materialien wie Oxide, Carbide und Nitride verwendet werden.

Oxide, die hierfür zum Einsatz kommen können, sind zum Beispiel Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Mullit (Al₂O₃-SiO₂), Spinell (MgO-Al₂O₃), Magnesiumoxid (MgO) und Calciumoxid (CaO). Vorzugweise einsetzbare Carbide sind unter anderem Silizi umcarbid (SiC), und vorzugsweise einsetzbare Nitride sind unter anderem Siliziumnitrid (Si₃N₄), Aluminiumnitrid (AlN) und Bornitrid (BN).

Infolge des Einsatzes von gekörntem und/oder Fasermaterialien bewirkt der vorge nannte Verbundwerkstoff eine verbesserte Steifigkeit und Zähigkeit des Lagersegments. Zudem kann ein Aluminiumverbundwerkstoff mit einer hohen Steifigkeit durch die Verwen dung eines gekörnten oder Fasermaterials mit einem hohen Längselastizitätsmodul (Youngscher Modul), zum Beispiel einem Längselastizitätsmodul größer als der von Stahl (d. h. 2,1 × 10¹¹ N/m²), erzielt werden.

Das Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblockes gemäß der vorliegenden Erfin dung umfasst den Schritt der Herstellung eines Formteiles durch Zugabe eines siliziumdioxi dartigen Zusatzmittels zu mindestens einem gekömten Material oder Fasermaterial und der Bearbeitung der entstandenen Mischung in einem Formpressverfahren; sowie den Schritt des Gießens einer flüssigen Aluminiumlegierung in das genannte Formteil und der dadurch gewährleisteten Herstellung eines Lagersegments, in welchem im Gleitteil eine Aluminiumle gierungsschicht für eine Kurbelwelle gebildet wird und der an das Gleitteil angrenzende Be reich aus einem Verbundwerkstoff besteht.

Das gekörnte Material hat vorzugsweise einen durchschnittlichen Teilchendurchmes ser von 10 bis 500 µm, das Fasermaterial hat einen durchschnittlichen Faserdurchmesser von 1 bis 10 µm, und das Formteil hat einen Volumenanteil von 15 bis 40%. Im dem ge körnten oder Fasermaterial kann mindestens ein aus den Oxiden wie Siliziumoxid, Alumini umoxid, Mullit, Spinell, Magnesiumoxid und Calciumoxid, den Carbiden wie Siliziumcarbid und den Nitriden wie Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid und Bornitrid ausgewähltes Material ent halten sein. Der vorgenannte Volumenanteil wird als Verhältnis des Volumens der gekörnten und Fasermaterialien zum Gesamtvolumen des formgepressten Formteils bestimmt. Dieses kann dadurch ermittelt werden, indem das Rohdichteverhältnis des Formteiles aus dessen Volumen und Gewicht berechnet, dieses Dichteverhältnisses durch das echte Dichteverhält nis der zugegebenen gekörnten und Fasermaterialien dividiert und der Quotient als Prozent satz angegeben wird.

Nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird die Oberfläche des gekörnten Materials und/oder Fasermaterials durch die Zugabe des siliziumartigen Zusatzmittels so verändert, dass der Druck, bei dem die flüssige Aluminiumlegierung in das Formteil einzu dringen beginnt, bei 1 MPa oder darunter liegt. Bei der Herstellung des Verbundwerkstoffes kann das Formteil zuverlässig in kurzer Zeit mit der flüssigen Aluminiumlegierung imprägniert werden. Dementsprechend kann die für die Herstellung eines Zylinderblockes benötigte Zeit verringert werden. Zudem kann eine vollständige Imprägnierung des das Lagersegment bil denden Verbundwerkstoffes mit Aluminiumlegierung erreicht werden.

Da der Zylinderblock der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung einer Alumi niumlegierung hergestellt wird, hat er ein niedriges Gewicht und trägt damit zur Verringerung des Gewichtes des gesamten Verbrennungsmotors bei. Außerdem wird weiterhin trotz der Erwärmung des Zylinderblockes der Durchmesser der Lagerbohrung nicht wesentlich ver größert und demzufolge das Spiel zwischen der Kurbelwelle und der Lagerbohrung nicht erweitert. Infolgedessen werden auch während des Betriebes des Fahrzeuges die vom Ver brennungsmotor erzeugten Schwingungen und Geräusche auf ein geringes Maß reduziert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Zylinderblocks mit Lagerdeckel gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Zylinderblockes mit untenliegendem Kurbelgehäuse gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in Fig. 2;

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht eines ein Lager bildenden Formteils gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht eines Lagers gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 ist eine schematische Ansicht mit Darstellung der bei hohen Temperaturen auf das Lager wirkenden Spannungen;

Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1, die ein Lager gemäß eines veränderten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in Fig. 2, die ein Lager gemäß eines veränderten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 10 ist eine Querschnittsansicht eines im erfindungsgemäßen Beispiel verwen deten Formteils;

Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht eines im erfindungsgemäßen Beispiel herge stellten Lagers;

Fig. 12 ist eine grafische Darstellung, die die Änderungen des Lagerbohrungs durchmessers der im erfindungsgemäßen Beispiel und in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hergestellten Lager zeigt; und

Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Zylinderblockes.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Im Folgenden werden Zylinderblöcke entsprechend mehrerer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und Verfahren zu deren Herstellung im Einzelnen unter Bezug nahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

Aufbau der Zylinderblöcke

Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt wird, sind die den Gegenstand der vorliegenden Er findung bildenden Zylinderblöcke entsprechend ihrem Aufbau grob in einen Zylinderblock mit Kurbellagerdeckel 1 und einen Zylinderblock mit untenliegendem Kurbelgehäuse 2 unterteilt.

An dem in Fig. 1 dargestellten Zylinderblock mit Kurbellagerdeckel 1 gehört zu dem Oberteil ein Hauptgehäuse 5 des Zylinderblockes, das aus einer Aluminiumlegierung be steht. Dieses Hauptgehäuse 5 des Zylinderblockes besitzt in seinem Inneren mehrere in ver tikaler Richtung verlaufende Zylinderbohrungen 7, und in diesen Zylinderbohrungen bewe gen sich Zylinder (nicht gezeigt) jeweils nach oben und unten. Halbkreisförmige Ausschnitte 9 sind auf der Unterseite des Zylinderblockes 1 vorhanden, und die ein Lager bildenden La gerdeckel 11 sind von unten daran befestigt. Diese Ausschnitte 9 und Lagerdeckel 11 bilden ein Lagersegment 13, in welchem eine Kurbelwelle (nicht gezeigt) drehbar gelagert ist.

Der in Fig. 2 dargestellte Zylinderblock 3 umfasst in seinem Oberteil ebenfalls ein Hauptgehäuse 21 des Zylinderblockes, und halbkreisförmige Ausschnitte 15 sind auf der Unterseite des Hauptgehäuses 21 des Zylinderblockes vorhanden. An dieses Hauptgehäuse 21 des Zylinderblockes ist von unten ein untenliegendes Kurbelgehäuse 17 montiert. Diese Ausschnitte 15 und das untenliegende Kurbelgehäuse 17 bilden ein Lagersegment 23.

Aufbau des Lagersegments

In dem in Fig. 1 gezeigten Lagerdeckel 11 oder in dem in Fig. 2 gezeigten Lager teil 23 des untenliegenden Kurbelgehäuses 17 sind beide seitlichen Enden 25 der oberen Flächen derselben flach ausgeführt, und der mittlere Teil derselben ist wie in der Quer schnittsansicht von Fig. 3 oder 4 dargestellt halbkreisförmig eingedrückt und bildet so eine Vertiefung 27. Jedes seitliche Ende 25 besitzt ein in vertikaler Richtung verlaufendes Schraubenbolzenloch 29, und ein Langschraubenbolzen 31 wird in dieses Schraubenbol zenloch 29 eingesetzt. Dadurch wird der Lagerdeckel 11 von unten am Hauptgehäuse 5 oder 21 des Zylinderblockes befestigt.

In Fig. 3 und 4 stimmt die Oberseite des Lagerdeckels 11 mit der Gleitfläche über ein, auf der sich die Kurbelwelle dreht. Auf diesen Oberseiten wird die aus ADC12 bestehen de Aluminiumlegierungsschicht 33 gebildet. Die Seite unterhalb der Aluminiumlegierungs schicht 33 stimmt mit der Auflagefläche des Schraubenbolzens überein. Auf dieser Seite wird entsprechend der Auflagefläche des Schraubenbolzens ein Verbundwerkstoff 35 angeord net. Wenn man die Dicke (oder Höhe) beider seitlicher Enden 25 des Lagerdeckels 11 mit A und die Dicke (oder Höhe) des Verbundwerkstoffes 35 an beiden seitlichen Enden 25 mit a bezeichnet, so berechnet sich die Dicke (oder Höhe) der Aluminiumlegierungsschicht 33 an beiden seitlichen Enden durch (A - a). Wenn man die Dicke des Lagerdeckels 11 am unter sten Punkt des Mittelteils desselben mit B und die Dicke des Verbundwerkstoffes an diesem Punkt mit b bezeichnet, so berechnet sich die Dicke der Aluminiumlegierungsschicht 33 in der Gleitfläche durch (B - b). Die Dicken a und b liegen innerhalb der jeweiligen durch A/2 ≦ a < A und B/2 ≦ b < B festgelegten Bereiche.

Wenn a = A und b = B ist, ist der das Lager bildende Lagerdeckel 11 ohne die Alumini umlegierungsschicht 33 ausgeführt und besteht durchgehend aus Verbundwerkstoff 35. Wenn dies der Fall ist, besteht die für die Endbearbeitung maschinell zu bearbeitende La gerbohrungsfläche aus Verbundwerkstoff und bietet somit ungünstige Bedingungen für die maschinelle Bearbeitbarkeit.

Herstellung des Lagersegments

Als erster Schritt wird, wie in Fig. 5 veranschaulicht wird, ein Formteil 41 durch Zu gabe eines siliziumoxidartigen Zusatzmittels zu einem gekörnten Material, einem Fasermate rial oder einem Gemisch aus gekömtem Material und Fasermaterial und eine anschließende Formpressbearbeitung des so erzeugten Gemisches hergestellt. Dieses Zusatzmittel verän dert die Oberflächen des gekörnten Materials und/oder Fasermaterials und verbessert da durch seine Benetzbarkeit durch eine Aluminiumlegierung. Dementsprechend fördert die Zugabe des Zusatzmittels das Eindringen einer flüssigen Aluminiumlegierung in das Formteil 41.

Anschließend wird das Formteil 41 in eine Kokille (nicht gezeigt) gebracht, in welche eine flüssige Aluminiumlegierung (ADC12) eingegossen wird. Nach Schließen der Kokille erfolgt der Druckguss der flüssigen Aluminiumlegierung durch Beaufschlagung der Kokille mit einem vorgegebenen Druck. Dadurch dringt, wie in Fig. 6 veranschaulicht wird, die flüs sige Aluminiumlegierung in die Zwischenräume innerhalb des Formteils 41 ein und bildet einen Verbundwerkstoff 35, und weiterhin wird eine Aluminiumlegierungsschicht 33 auf der oberen Fläche des Verbundwerkstoffes 35 gebildet.

Als Endbearbeitungsschritt wird die obere Fläche maschinell zur Herstellung einer Gleitfläche bearbeitet, und Schraubenbolzenlöcher 29 werden in beide seitliche Enden ge bohrt, wodurch als Endprodukt ein fertiger Lagerdeckel 11 für den Einsatz in einem Lager entsteht.

Formteil

Das Formteil 41 sollte vorzugsweise einen unter dem von Stahl liegenden linearen Ausdehnungskoeffizienten und einen hohen Längselastizitätsmodul (Youngschen Modul), zum Beispiel einen über dem von Stahl liegenden Längselastizitätsmodul besitzen. Der li neare Ausdehnungskoeffizient von Stahl ist 12 × 10^-6/K, und der Längselastizitätsmodul (Youngscher Modul) von Stahl ist 2,1 × 10¹¹ N/m². Dementsprechend müssten die für das vor genannte Formteil 41 eingesetzten gekörnten und Fasermaterialien einen linearen Ausdeh nungskoeffizienten kleiner als 12 × 10^-6/K und ein Längselastizitätsmodul größer als 2,1 × 10¹¹ N/m² aufweisen. Somit hat der Verbundwerkstoff einen niedrigeren Wärmeausdehnungs koeffizienten (d. h. einen niedrigeren linearen Ausdehnungskoeffizienten und einen niedrige ren Volumenausdehnungskoeffizienten) als die Aluminiumlegierung und eine höhere Steifig keit als die Aluminiumlegierung.

Als gekörntes oder Fasermaterial für das Formteil 41 können vorzugsweise Oxide wie zum Beispiel Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Mullit (Al₂O₃-SiO₂) und Spinell (MgO-Al₂O₃), Carbide wie zum Beispiel Siliziumcarbid (SiC) und Nitride wie zum Beispiel Siliziumnitrid (Si₃N₄) eingesetzt werden. Weiterhin kann auch jedes Gemisch der vorge nannten gekömten und Fasermaterialien verwendet werden. In diesem Falle muss das ge körnte Material und das Fasermaterial nicht unbedingt von der gleichen Art sein.

Eindringung der flüssigen Aluminiumlegierung

Das Eindringungsvermögen der flüssigen Aluminiumlegierung in das Formteil 41 hängt von dem Eindringungsanfangsdruck P ab, der durch die folgende Gleichung bestimmt wird:

P = -6.λ.ν.cosθ.V_p/[1 - V_p).d_p]

Dabei ist λ der Formfaktor der Kornteilchen, ν die Oberflächenspannung eines strömungsfä higen Mediums, θ der Kontaktwinkel, V_p der Volumenanteil der Kornteilchen und d_p der Durchmesser der Kornteilchen. Bei λ = 1, ν = 0,893 Pam (reines Aluminium), θ = 160 (SiC), V_p = 0,35 und d_p = 3 µm ergibt sich P = 0,90 MPa.

Entsprechend der vorgenannten Gleichung, die den Eindringungsanfangsdruck P bestimmt, erhöht sich das Eindringungsvermögen der flüssigen Aluminiumlegierung in das Formteil 41 in dem Maße, wie der Kornteilchendurchmesser des gekömten Materials des Formteils 41 zunimmt und dessen Volumenanteil sinkt. Angenommen, das Formteil 41 be steht aus gekömtem und Fasermaterial mit einem durchschnittlichen Durchmesser nicht un ter 3 µm und der Volumenanteil des Formteils 41 liegt bei 35% oder darunter, dann beträgt der Druck, bei dem die flüssige Aluminiumlegierung in das Formteil 41 einzudringen beginnt, 1 MPa oder weniger.

Andererseits kann das gekörnte und/oder Fasermaterial des Formteils 41 einer Ober flächenbehandlung unterzogen werden, indem ein siliziumoxidartiges Zusatzmittel mit einer guten Oberflächenbenetzbarkeit und -reaktionsfähigkeit zugegeben wird. Auf diese Weise kann die Eindringung der flüssigen Aluminiumlegierung in das Formteil 41 gefördert werden.

Spannungsbeanspruchter Zustand des Lagersegments bei hohen Temperaturen

Während des Betriebes des Fahrzeuges erwärmen sich die Zylinderblöcke 1 und 3. Im Ergebnis dessen werden, wie in Fig. 7 gezeigt wird, Spannungen im Lagerdeckel 11 erzeugt.

Zunächst unterliegt die auf der oberen Fläche des Lagerdeckels 11 gebildete Alumi niumlegierungsschicht 33 einer Ausdehnung unter Wärmeeinwirkung, wodurch die Span nungen 43 entstehen, die, wie durch die Pfeile in Fig. 7 gezeigt wird, eine nach außen ge richtete Ausdehnung der Aluminiumlegierungsschicht 33 bewirken. Da der Verbundwerkstoff 35 einen niedrigeren linearen Ausdehnungskoeffizienten als die Aluminiumlegierungsschicht 33 und eine größere Steifigkeit als die Aluminiumlegierungsschicht 33 hat, erzeugt dieser andererseits die Spannungen 45, die die sich ausdehnende Aluminiumlegierungsschicht 33 wieder nach innen drücken. Im Ergebnis dessen wird die Aluminiumlegierungsschicht 33 durch den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Aluminiumlegie rungsschicht 33 und dem Verbundwerkstoff 35 in Richtung Innenseite des Lagersegments 13 zusammengedrückt. Weiterhin werden, wie durch die Pfeile gezeigt wird, vertikal wirken de Spannungen 47 in den Schraubenbolzen 31 erzeugt.

Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben be schriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist, sondern dass verschiedene Änderungen und Varianten auf der Grundlage des technischen Konzeptes der vorliegenden Erfindung reali siert werden können.

Die vorliegende Erfindung kann zum Beispiel auch für jede Kombination von Maschi nenteilen wie zum Beispiel Getriebewelle und Getriebegehäuse, Nockenwelle und Zylinder kopf oder Nockenhaube angewandt werden, vorausgesetzt, dass die Welle aus einem Mate rial auf Eisenbasis gefertigt ist und das Lager aus Aluminiumlegierung besteht.

In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Aluminiumlegie rungsschicht 33 mit ihrer fast konstanten Dicke weiterhin entsprechend der oberen Fläche des Verbundwerkstoffes 35 ausgebildet. Wie in Fig. 8 und 9 gezeigt wird, können jedoch der Lagerdeckel 11 oder das untenliegende Kurbelgehäuse 17 in einer nahezu gleichmäßi gen Unterteilung in Oberteil und Unterteil ausgeführt werden. In diesem Falle besteht das der Gleitfläche entsprechende Oberteil aus einem aus ADC12 gefertigten Aluminiumlegierungs element 51, während das der Schraubenbolzentragfläche entsprechende Unterteil aus einem Verbundwerkstoffelement 53 besteht. In diesem Falle wird das Verhältnis zwischen den Ma ßen a, b, A und B ebenfalls durch A/2 ≦ a < A und B/2 ≦ b < B wiedergegeben.

Beispiele

Eine vollständigere Beschreibung des Zylinderblockes der vorliegenden Erfindung erfolgt unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele. Im Erfindungsgemäßen Beispiel wur de ein Zylinderblock mit einem Lager ausgestattet, in dem eine Aluminiumlegierungsschicht 33 auf der Seite der Gleitfläche hergestellt wurde, und der nicht die Aluminiumlegierungs schicht 33 bildende Teil wurde aus einem Verbundwerkstoff 35 gefertigt. Im Vergleichsbei spiel 1 wurde ein Zylinderblock mit einem Lager ausgestattet, das völlig aus einer Alumini umlegierung ohne Einsatz eines Verbundwerkstoffes 35 gefertigt wurde. Im Vergleichsbei spiel 2 wurde ein Zylinderblock mit einem Lager ausgestattet, das völlig aus einem Ver bundwerkstoff 35 ohne Herstellung einer Aluminiumlegierungsschicht 33 gefertigt wurde.

Erfindungsgemäßes Beispiel Herstellung eines Formteils

Zunächst wurden die SiC-Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von 5 µm und die Al₂O₃-Fasern mit einem Querschnittsdurchmesser von 3 µm in einem Verhältnis von 8 : 2 ge mischt. Dann wurden 5 Gew.-% Siliziumoxid-(SiO₂-)-Sol in die Mischung gegeben, wodurch eine Veränderung der Oberfläche der SiC-Teilchen und Al₂O₃-Fasern bewirkt wurde. Danach wurde die Mischung in einem Druckformvorgang zu einem Formteil 41 verarbeitet, das, wie in Fig. 10 gezeigt wird, einem Volumenanteil von 25% entspricht. Wie in Fig. 10 ersicht lich ist, ergab sich durch die Form und Maße des Formteils 41 eine Höhe an beiden seitli chen Enden von 40 mm, eine Höhe im Mittelpunkt von 15 mm und ein Durchmesser der La gerbohrung von 60 mm.

Die vorgenannten SiC-Teilchen wiesen einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 4,2 × 10^-6/K und die vorgenannten Al₂O₃-Fasern einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 7,0 × 10^-6/K auf. Das hergestellte Formteil hatte einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 4,8 × 10^-6/K, wodurch dieser ausreichend unterhalb des linearen Ausdehnungskoeffizienten von (12 × 10^-6/K) von Eisen lag.

Gießen der flüssigen Aluminiumlegierung (Herstellung des Verbundwerkstoffes)

Anschließend wurde das vorgenannte Formteil 41 auf 700°C vorgewärmt und in eine Kokille gebracht. Danach wurde eine Aluminiumlegierung (ADC12) bei 700°C geschmolzen, und die flüssige Aluminiumlegierung wurde zum Formteil 41 gegossen und dadurch der in Fig. 11 dargestellte Lagerdeckel 11 hergestellt. Als Maße dieses Lagerdeckels 11 ergaben sich 45 mm für seine Höhe an beiden seitlichen Enden, 40 mm für die Dicke des Verbund werkstoffes 35 an beiden seitlichen Enden, 20 mm für die Dicke im Mittelpunkt, 15 mm für die Dicke des Verbundwerkstoffes 35 im Mittelpunkt und 50 mm für den Durchmesser der Lagerbohrung. Ein Vergleich der Fig. 3 und 11 zeigt, dass A = 45 mm und B 20 mm. Da a = 400 und b = 15 mm, betrug die Dicke der Aluminiumlegierungsschicht 33 über den gesamten Lagerdeckel 11 einschließlich beider Lagerenden und des Mittelpunktes gleich 5 mm, wodurch eine gute Übereinstimmung mit den durch A/2 ≦ a < A und B/2 ≦ b < B festgelegten Bedingungen zum Ausdruck kam. In diesem Lagerdeckel 11 wies der Verbundwerkstoff 35 einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 18 × 10^-6/K und die Aluminiumlegierungsschicht einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 22 × 10^-6/K auf.

Vergleichsbeispiele 1 und 2

Im Gegensatz zu dem vorstehend beschriebenen Erfindunggemäßen Beispiel wurde beim Vergleichsbeispiel 1 ein völlig aus einer Aluminiumlegierung bestehender Lagerdeckel (bisheriger Stand der Technik) ohne die Verwendung eines Formteils 41 hergestellt. Das heißt, der Lagerdeckel wurde durch Gießen einer flüssigen Aluminiumlegierung (ADC12) in eine Kokille und einem nachfolgenden Druckgussverfahren hergestellt.

Weiterhin wurde ein völlig aus einem Verbundwerkstoff bestehender Lagerdeckel ohne Herstellung einer Aluminiumlegierungsschicht 33 im Vergleichsbeispiel 2 gefertigt. Die ser Verbundwerkstoff 35 wurde aus den gleichen Materialien gefertigt, wie sie zur Herstel lung des Formteils 41 in dem vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Beispiel ver wendet wurden. Insbesondere die SiC-Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von 5 µm und die Al₂O₃-Fasern mit einem Querschnittsdurchmesser von 3 µm wurden in einem Ver hältnis von 8 : 2 gemischt. Nach Zugabe von 5 Gew.-% Siliziumoxid-(SiO₂)-Sol wurde die entstandene Mischung zur Herstellung eines Lagerdeckels in einem Druckformverfahren bearbeitet.

Jeder der im vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Beispiel und den Ver gleichsbeispielen 1 und 2 hergestellte Lagerdeckel wurde bei 25°C an einem Zylinderblock (ADC12) montiert. Danach wurde der Verbrennungsmotor in Betrieb genommen, und Verän derungen im Lagerbohrungsdurchmesser des Zylinderblockes unter Wärmeinwirkung wur den in einem Temperaturbereich von -50°C bis 200°C gemessen. Die ermittelten Ergebnis se werden in der Grafik in Fig. 12 gezeigt.

Aus dieser Grafik ist ersichtlich, dass der Lagerdeckel des erfindungsgemäßen Bei spiels die geringsten Änderungen im Lagerbohrungsdurchmesser aufweist. Im Bereich von 20°C (d. h. Raumtemperatur) bestand ein geringer Unterschied zwischen dem erfindungs gemäßen Beispiel und den Vergleichsbeispielen. Danach wurde der Unterschied zwischen den Änderungen des Lagerbohrungsdurchmessers mit steigender Temperatur allmählich größer. Bei hohen Temperaturen (z. B. bei 200°C) betrug der Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Beispiel und dem Vergleichsbeispiel 1 etwa 80 µm und der Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Beispiel und dem Vergleichsbeispiel 2 etwa 25 µm.

In dem erfindungsgemäßen Beispiel bewirkte die Zugabe von Siliziumoxidsol eine Verkleinerung des Kontaktwinkels der Oberflächen der SiC-Teilchen und Al₂O₃-Fasern von 160° auf 120°, was darauf hinweist, dass die flüssige Aluminiumlegierung eine Verbesserung der Benetzbarkeit der SiC-Teilchen und Al₂O₃-Fasern bewirkt. Dementsprechend wurde der Druck, bei welchem die flüssige Aluminiumlegierung in das Formteil 41 einzudringen begann, auf 0,19 MPa herabgesetzt. In Abwesenheit von Siliziumoxidsol lag jedoch der Druck, bei welchem die flüssige Aluminiumlegierung in das Formteil einzudringen begann, bei 0,19 MPa, wobei angenommen wurde, dass die SiC-Teilchen und Al₂O₃-Fasern einen durch schnittlichen Durchmesser von 4,6 µm haben. An Hand der Ergebnisse wurde festgestellt, dass die Eindringung der flüssigen Aluminiumlegierung in das Formteil durch die Zugabe von Siliziumoxidsol stark gefördert wird.

Claims

1. Zylinderblock, bestehend aus einem Hauptgehäuse des Zylinderblockes, einem an der Unterseite des genannten Hauptgehäuses befestigten Lager und einer in einem La gersegment, das durch die Unterseite des genannten Hauptgehäuses und das genannte Lager gebildet wird, drehbar gelagerten Kurbelwelle, bei dem eine Aluminiumlegierungs schicht im Gleitteil des genannten Lagersegments hergestellt wird, der an die genannte Alu miniumlegierungsschicht angrenzende Bereich aus einem Verbundwerkstoff besteht, und der Wärmeausdehnungskoeffizient des genannten Verbundwerkstoffes niedriger als der der in dem Gleitteil hergestellten Aluminiumlegierungsschicht ist.

2. Zylinderblock nach Anspruch 1, bei dem der genannte Verbundwerkstoff durch Druckformen eines gekörnten Materials, eines Fasermaterials oder eines Gemisches eines gekörnten Materials und eines Fasermaterials und Imprägnieren des entstehenden Formteils mit flüssiger Aluminiumlegierung hergestellt wird.

3. Zylinderblock nach Anspruch 2, wobei das genannte gekörnte Material oder genannte Fasermaterial einen Keramikwerkstoff umfasst.

4. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblockes, bestehend aus dem Schritt der Herstellung eines Formteiles durch Zugabe eines siliziumdioxidartigen Zusatzmittels zu mindestens einem gekörnten Material oder Fasermaterial und der Bearbeitung der entstan denen Mischung in einem Formpressverfahren; sowie den Schritt des Gießens einer flüssi gen Aluminiumlegierung in das genannte Formteil und der dadurch gewährleisteten Herstel lung eines Lagersegments, in welchem im Gleitteil eine Aluminiumlegierungsschicht für eine Kurbelwelle gebildet wird und der an das Gleitteil angrenzende Bereich aus einem Verbund werkstoff besteht.

5. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblockes nach Anspruch 4, in dem das genannte gekörnte Material einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 10 bis 500 µm, das genannte Fasermaterial einen durchschnittlichen Faserdurchmesser von 1 bis 10 µm, und das genannte Formteil einen Volumenanteil von 15 bis 40% aufweist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblockes nach Anspruch 5, in dem das genannte gekörnte Material oder genannte Fasermaterial einen Keramikwerkstoff umfasst.