DE102007052398A1

DE102007052398A1 - Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses

Info

Publication number: DE102007052398A1
Application number: DE200710052398
Authority: DE
Inventors: Patrick Dr.-Ing. Izquierdo; Guido Dipl.-Ing. Söll
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2009-05-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, aufweisend mindestens einen ersten Verfahrensschritt zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen oder eines Zylinderliners und einen nachfolgenden, zweiten Verfahrensschritt zum Umgießen der Zylinderlaufbuchsen oder des Zylinderliners in einem Gießverfahren mit einer Leichtmetallschmelze zur Darstellung des Zylinderkurbelgehäuses, wobei die einzelnen Zylinderlaufbuchsen oder der Zylinderliner vor dem Umgießen mit einer äußeren, zumindest in Teilbereichen umfänglichen Verstärkungsstruktur umgeben werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses nach Anspruch 1, ein Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 11 sowie eine Zylinderlaufbuchse oder einen Zylinderliner nach Anspruch 12.
Zylinderkurbelgehäuse in modernen Verbrennungsmotoren sind hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Aufgrund der mechanischen Belastungen ist bei Leichtmetallmotoren für die Zylinderlaufbahnen in der Regel ein verschleißfesterer Werkstoff vorgesehen als für das restliche Kurbelgehäuse. Es sind Konzepte bekannt, bei denen Zylinderliner aus Grauguss, warmfesten Al-Legierungen, wie beispielsweise übereutektischen Al/Si-Legierungen oder faserverstärkten Al-Legierungen bestehen und in Zylinderkurbelgehäuse aus kostengünstigen untereutektischen Al-Legierungen oder Mg-Legierungen eingegossen sind.
Aus der DE 10 2004 005 458 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks bekannt, bei dem eine mit einem Draht umwickelte Buchse in einer Zylinderblock eingegossen wird. Darauf folgend wird die Buchse durch eine mechanische Bearbeitung abgetragen und die freigelegte, eingegossene Umwicklung bildet die Lauffläche eines Zylinderrohres. Problematisch erscheint dabei allerdings, dass die gebildete Lauffläche, an deren Oberfläche einzelne, eingegossene Wicklungen durch die mechanische Bearbeitung freigelegt werden, inhomogene tribologische Eigenschaften aufweist. Gleichzeitig wird das Problem höherer Aufladungen von Motoren, d. h. höherer mechanischer Druckbelastungen in den Zylinderrohren, nicht betrachtet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses bereitzustellen, durch das höhere ertragbare Drücke im Verbrennungsraum von Brennkraftmaschinen, d. h. in den einzelnen Zylinderrohren, ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, aufweisend mindestens einen ersten Verfahrensschritt zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen oder eines Zylinderliners und einen nachfolgenden, zweiten Verfahrensschritt zum Umgießen der Zylinderlaufbuchsen oder des Zylinderliners in einem Gießverfahren mit einer Leichtmetallschmelze zur Darstellung des Zylinderkurbelgehäuses, wobei die einzelnen Zylinderlaufbuchsen oder der Zylinderliner vor dem Umgießen mit einer äußeren, zumindest in Teilbereichen umfänglichen Verstärkungsstruktur umgeben werden.
Unter Zylinderlinern wird hierbei das Halbzeug zum Einsetzen in ein Gießwerkzeug verstanden. Der Zylinderliner stellt den Bereich der Zylinderbohrung, d. h. des Brennraums, dar und umfasst hierbei mehrere aneinander gereihte Zylinderbohrungen gegebenenfalls mit Zylinderlaufbuchsen. Des Weiteren umfasst der Zylinderliner die Stege zwischen den Zylinderbohrungen und optional ist ein Wassermantel in geschlossener („closed deck") oder offener („open deck") Bauart ausgestaltet. Der Zylinderliner bzw. die Zylinderlaufbuchsen sind im Allgemeinen aus einer warmfesten und zugleich höherfesten, übereutektischen Al-Legierung, insbesondere einer Al/Si-Legierung ausgestaltet. Zur Reduzierung des Gewichts des Zylinderkurbelgehäuses und aus wirtschaftlichen Gründen, wird das Gehäuse meist aus einer kostengünstigeren, untereutektischen Al-Legierung, insbesondere einer Al/Si- Legierung, oder aber auch aus einer Magnesiumlegierung hergestellt.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die armierend wirkende Verstärkungsstruktur eine wesentlich höhere Druckbelastung im Brennraum eines Zylinderkurbelgehäuses ermöglicht. D. h., dass im Vergleich zu konventionellen Zylinderkurbelgehäusen ein erfindungsgemäßes Zylinderkurbelgehäuse für eine wesentlich höhere mechanische und auch thermische Belastung des Motors im Betriebszustand geeignet ist, da die Verstärkungsstruktur vorteilhafterweise Festigkeit steigernd wirkt und durch geeignete Ausgestaltung auf den Anwendungsfall anpassbar ist.
Beispielsweise ist als Verstärkungsstruktur eine infiltrierbare Struktur, vorzugsweise offenporige Schaumstruktur, einsetzbar, welche beim Eingießen von vorzugsweise einer kostengünstigen untereutektischen Al-Legierungen oder Mg-Legierungen infiltriert wird und nach dem Erstarren der Schmelze eine höhere Zug- und/oder Druckfestigkeit aufweist als der ursprüngliche Gusswerkstoff. Die Ursache für die gesteigerte Festigkeit liegt in einer formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen Verbindung, welche sich vorteilhaft beim Eingießen der Verstärkungsstruktur ergibt. Vorteilhafterweise weist die infiltrierbare Struktur dabei zumindest teilweise keramische Anteile auf, beispielsweise auf Basis von Aluminiumoxid, Titanoxid oder Zirkonoxid. Eine derartige Verstärkungsstruktur gewährleistet eine gute Infiltrierbarkeit und Anbindung beim Eingießen, insbesondere auch die Infiltrierbarkeit mit einer der zuvor bezeichneten Leichtmetalllegierungen, und führt zu einer gewünschten Festigkeitssteigerung des Zylinderkurbelgehäuses.
Als eine infiltrierbare Struktur sind insbesondere auch infiltrierbare Faserstrukturen einsetzbar, welche in analoger Weise zu dem zuvor Beschriebenen ausgestaltet werden, vorzugsweise ebenfalls aufweisend zumindest teilweise keramische Anteile, insbesondere auf Basis von Aluminiumoxidfasern oder Borfasern. Bei der Verwendung von Kurzfasern ist die Verstärkungsstruktur als ein Presskörper herstellbar, während bei der Verwendung von Langfasern und Fasergeweben die Verstärkungsstruktur auch in einer Wickeltechnik in beispielsweise einer Kreuz- oder Spiralform hergestellt werden kann. In einem solchen Anwendungsfall wird die verstärkende Faserstruktur um einen Zylinderliner oder mindestens eine Zylinderlaufbuchse herum gewickelt. Beim Eingießen werden die Faserstrukturen von der Schmelze infiltriert und die bereits beschriebenen Vorteile und Eigenschaften ergeben sich in analoger Weise.
Je nach Anwendungsfall ist es vorteilhaft, die Form und Größe der infiltrierbaren Verstärkungsstruktur an den Belastungszustand im Zylinderkurbelgehäuse im Betriebszustand anzupassen. Gleichfalls erscheint es sinnvoll auch aus Gründen der wirtschaftlichen Herstellbarkeit und Verarbeitung die Form und Größe der infiltrierbaren Verstärkungsstruktur zu optimieren. Beispielsweise kann die infiltrierbare Verstärkungsstruktur dabei die Form eines Gitters aufweisen, welches die einzelnen Zylinderlaufbuchsen oder den Zylinderliner zumindest in Teilbereichen umgibt, oder alternativ auch als ringförmige oder spiralförmige Struktur um die einzelnen Zylinderlaufbuchsen oder den Zylinderliner angeordnet sein.
Wesentlich ist, dass die infiltrierbare Verstärkungsstruktur beim Eingießen zumindest teilweise vom Gussmetall infiltriert und durchdrungen wird. Dies ist für die thermische Leitfähigkeit des Zylinderkurbelgehäuses wesentlich, damit die im Betriebszustand im Brennraum entstehenden Temperaturen prozesssicher von den Zylindern nach außen geleitet werden. Die im Zylinderkurbelgehäuse verwendeten Leichtmetalllegierungen weisen dabei in der Regel eine weitaus bessere Wärmeleitfähigkeit auf als die Materialien der Verstärkungsstruktur. Weiterhin wird durch die Durchdringung der Verstärkungsstruktur die Anbindung an das Gussmetall verbessert und somit die Festigkeit vorteilhaft erhöht.
Als Alternative zu den beschriebenen infiltrierbaren Verstärkungsstrukturen ist es auch möglich metallische Verstärkungsstrukturen, beispielsweise in Form von Ring- oder Spiralelementen und vorzugsweise in Form von Metallgittern oder Lochblechmanschetten, welche ebenfalls die einzelnen Zylinderlaufbuchsen oder den Zylinderliner zumindest in Teilbereichen umgeben, in das Zylinderkurbelgehäuse einzugießen. Die bereits beschriebenen Vorteile insbesondere der Festigkeitssteigerung ergeben sich dabei in analoger Weise. Die Festigkeitssteigerung resultiert dabei im Wesentlichen aus einem Formschluss der metallischen Verstärkungsstruktur mit der Metallschmelze beim Eingießen. Vorteilhaft erscheinen für den Einsatz als metallische Verstärkungsstrukturen insbesondere Stahl- oder Titanlegierungen, sowohl in gewalzter Blechform als auch als Gusskörper, da sie zu einer wesentlichen. Erhöhung der Festigkeitseigenschaften im Zylinderkurbelgehäuse führen. Darüber hinaus sind allerdings auch alle weiteren Metalllegierungen prinzipiell einsetzbar, beispielsweise hochfeste Eisenlegierungen, insbesondere durch geeignete Vorbehandlung wie beispielsweise Beschichten, wodurch die Anbindung beim Eingießen verbessert wird. Bei Stahlstrukturen kann durch geeignete Maßnahmen, wie beispielsweise eine Zinnbeschichtung der metallischen Verstärkungsstruktur, insbesondere ein galvanisches Beschichten, eine verbesserte Anbindung der Verstärkungsstruktur beim Eingießen realisiert werden, wodurch die Festigkeitssteigernde Wirkung der Verstärkungsstruktur nochmals erhöht wird. Gleichzeitig wird allgemein durch eine verbesserte Anbindung auch die thermische Leitfähigkeit der Verbindung verbessert, wodurch im Betriebszustand die im Brennraum entstehenden Temperaturen prozesssicher von den Zylindern nach außen geleitet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
1 eine schematische Perspektivansicht auf eine, mit einer Lochblechmanschette (1) verstärkte Zylinderlaufbuchse (2)
2 eine schematische Perspektivansicht auf ein Zylinderkurbelgehäuse (3) mit vier, jeweils mittels einer Lochblechmanschette (1) gemäß 1 verstärkten, umgossenen Zylinderlaufbuchsen (2)
In einem ersten Verfahrensschritt zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses (3) werden in einem separaten Herstellungsprozess vier Zylinderlaufbuchsen (2) aus einer hochfesten, übereutektischen Al/Si-Legierung hergestellt. Anschließend werden diese jeweils gemäß 1 mit einer Lochblechmanschette (1) aus Stahlblech mit einer Dicke von 1,0 mm, in Form eines Zylinderrohres, versehen. Die Lochblechmanschette (1) wird auf die Zylinderlaufbuchse (2) aufgeschrumpft, wodurch eine stabilisierend wirkende Vorspannung auf die Zylinderlaufbuches (2) aufgebracht wird. Durch diese Armierung (1) wird der später im Betriebszustand des Zylinderkurbelgehäuses (3) ertragbare Druck in den Zylinderlaufbuchsen (2) signifikant erhöht und gleichzeitig werden die Laufbahnverformungen infolge der hohen Druckbelastung vorteilhaft reduziert. Die vier verstärkten Zylinderlaufbuchsen (2) werden anschließend in ein nicht dargestelltes Druckgießwerkzeug eingelegt, das zur Darstellung eines in 2 in einer schematischen Perspektivansicht gezeigten Zylinderkurbelgehäuses (3) dient.
Hierbei werden die Zylinderlaufbuchsen (2) von dem Gießmetall, einer untereutektischen Al/Si-Legierung, umgossen und im endgültigen Zustand von einem äußeren Gehäuse (4) des Zylinderkurbelgehäuses (3) umgeben.
Zur besseren Anbindung des Stahlblechs (1) an die Al-Legierungen wird die Stahlblechmanschette (1) galvanisch mit einer dünnen Zinnschicht beschichtet. Diese bewirkt, dass neben dem reinen Formschluss durch das Umgießen auch eine Art stoffschlüssige Verbindung zwischen Stahlblech (1) und Al-Legierung erhalten wird, dadurch dass die Zinnschicht durch die Al-Schmelze angeschmolzen wird und sich eine metallische Verbindung ergibt.
Das zuvor beschriebene Zylinderkurbelgehäuse (3) wird in einer „open deck"-Bauweise mittels einer speziellen Schiebertechnik beim Umgießen der verstärkten Zylinderlaufbuchsen (2) hergestellt. Allerdings ist die Ausgestaltung alternativ auch auf eine „closed deck"-Bauweise unter Verwendung entsprechender Giesskerne übertragbar. Bei der Verwendung der „open deck"-Bauweise wird ein relativ großer, die Zylinderbohrungen umgebender Wassermantel hergestellt. Dieser Hohlraum, durch den im Betriebszustand Kühlmittel zirkuliert, wirkt aber zugleich instabilisierend auf die Zylinderbohrungen und die ertragbaren Belastungsdrücke im Betriebszustand, da stützende Werkstoffbrücken zwischen dem äußeren Gehäuse und den Zylinderlaufbuchsen (2) fehlen. Somit sind die erfindungsgemäß verstärkten Zylinderlaufbuchsen (2) bei dieser Bauweise besonders vorteilhaft, da die Armierung (1) die Zylinderbohrungen stabilisiert.
Unter Betrachtung der Möglichkeit, die Zylinderlaufbuchsen (2) und das äußere Gehäuse (4) aus unterschiedlichen Legierungen darzustellen, ist es alternativ zweckmäßig zur Reduktion des Bauteilgewichtes das äußere Gehäuse (4) aus einer sehr leichten aber nicht so temperaturbeständigen Magnesiumlegierung oder Kunststoff herzustellen. So wird das Gewicht des Zylinderkurbelgehäuses (3) noch einmal deutlich reduziert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004005458 B4 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses (3) einer Brennkraftmaschine, aufweisend einen ersten Verfahrensschritt zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen (2) oder eines Zylinderliners (2) und einen nachfolgenden, zweiten Verfahrensschritt zum Umgießen der Zylinderlaufbuchsen (2) oder des Zylinderliners (2) in einem Gießverfahren mit einer Leichtmetallschmelze zur Darstellung des Zylinderkurbelgehäuses (3), dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Zylinderlaufbuchsen (2) oder der Zylinderliner (2) vor dem Umgießen mit einer äußeren, zumindest in Teilbereichen umfänglichen Verstärkungsstruktur (1) umgeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsstruktur (1) eine durch die Leichtmetallschmelze infiltrierbare Struktur verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsstruktur (1) eine gitterförmige Struktur verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsstruktur (1) eine ringförmige Struktur verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsstruktur (1) eine spiralförmige Struktur verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsstruktur (1) eine metallische Struktur, vorzugsweise auf Basis einer Eisen- oder Titanlegierung, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsstruktur (1) eine Lochblechmanschette (1) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die infiltrierbare Struktur (1) zumindest anteilig aus keramisch basierten Fasern gebildet ist, vorzugsweise auf Basis von Aluminiumoxidfasern oder Borfasern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die infiltrierbare Struktur (1) zumindest anteilig aus keramisch basierten, offenporigen Schäumen gebildet ist, vorzugsweise auf Basis von Aluminiumoxid, Titanoxid oder Zirkonoxid.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verfahrensschritt zum Umgießen mittels eines Verfahrens des Druckgießens erfolgen wird.
Zylinderkurbelgehäuse (3), welches zumindest eine mit einer Leichtmetallschmelze umgossene Zylinderlaufbuchse (2) oder einen mit einer Leichtmetallschmelze umgossenen Zylinderliner (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass um die Zylinderlaufbuchse (2) oder den Zylinderliner (2) zumindest in Teilbereichen eine außenumfängliche Verstärkungsstruktur (1) angeordnet ist.
Zylinderlaufbuchse (2) oder Zylinderliner (2) zum Eingießen in ein Zylinderkurbelgehäuse (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse (2) oder der Zylinderliner (2) außenumfänglich eine Verstärkungsstruktur (1) aufweist.
Zylinderlaufbuchse (2) oder Zylinderliner (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse (2) oder Zylinderliner (2) aus einem Leichtmetall oder aus einer Leichtmetalllegierung gebildet sind.
Zylinderlaufbuchse (2) oder Zylinderliner (2) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (1) eine Lochblechmanschette (1) ist.