DE102007060502A1 - Method for producing a cylinder crankcase - Google Patents
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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 und wobei zumindest die Verstärkungsstruktur zumindest teilweise an einem Gießwerkzeugelement zur Bildung eines Wassermantels angeordnet wird.The invention relates to a method for producing a cylinder crankcase of an internal combustion engine, comprising at least a first method step for producing cylinder liners or a cylinder liner and a subsequent second method step for encapsulating the cylinder liners or the cylinder liner in a casting process with a light metal melt to represent the cylinder crankcase, wherein the individual Cylinder liners or the cylinder liner are surrounded before encapsulation with an outer, at least partially circumferential reinforcing structure and wherein at least the reinforcing structure is at least partially disposed on a Gießwerkzeugelement to form a water jacket.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses nach Anspruch 1 sowie einen Salzkern nach Anspruch 13.The The invention relates to a method for producing a cylinder crankcase according to claim 1 and a salt core according to claim 13.
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.cylinder crankcase in modern internal combustion engines are high mechanical and thermal Exposed to stress. Due to the mechanical loads is in light metal engines for the cylinder linings in the Usually a more wear-resistant material provided as for the remaining crankcase. There are concepts known at Cylinder liners made of cast iron, heat-resistant Al alloys, such as For example, hypereutectic Al / Si alloys or consist of fiber-reinforced Al alloys and in cylinder crankcases from inexpensive hypoeutectic Al alloys or Mg alloys are poured.
Aus
der
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.task The present invention is a process for the preparation to provide a cylinder crankcase through which higher sustainable pressures in the combustion chamber of Internal combustion engines, d. H. in the individual cylinder tubes become.
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 und wobei zumindest die Verstärkungsstruktur zumindest teilweise an einem Gießwerkzeugelement zur Bildung eines Wassermantels angeordnet wird.These The object is achieved by a method for producing a cylinder crankcase an internal combustion engine, comprising at least a first method step for the production of cylinder liners or a cylinder liner and a subsequent, second process step for overmolding the cylinder liners or the cylinder liner in a casting process with a light metal melt to represent the cylinder crankcase, wherein the individual cylinder liners or the cylinder liner before the Umgießen with an outer, at least in some areas circumferential reinforcement structure be surrounded and wherein at least the reinforcing structure at least partially on a casting tool element for formation a water jacket is arranged.
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 geschlossenener („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.Under Cylinder liner here is the semi-finished for insertion into a casting tool Understood. The cylinder liner represents the area of the cylinder bore, d. H. of the combustion chamber, and in this case comprises several together lined cylinder bores optionally with cylinder liners. Furthermore, the cylinder liner comprises the webs between the cylinder bores and optionally a water jacket is in closed ("closed deck ") or open (" open deck ") design. The cylinder liner or cylinder liners are generally off a heat-resistant and at the same time higher-strength, hypereutectic Al alloy, in particular an Al / Si alloy designed. to Reducing the weight of the cylinder crankcase and for economic reasons, the housing becomes mostly from a less expensive hypoeutectic Al alloy, in particular an Al / Si alloy, or even of a magnesium alloy produced.
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.Of the Advantage of this embodiment is that the reinforcing structure acting reinforcing arm a much higher pressure load in the combustion chamber of a cylinder crankcase allows. That is, that compared to conventional Cylinder crankcases an inventive Cylinder crankcase for a much higher mechanical and also thermal load of the motor in operating condition is suitable, since the reinforcing structure advantageously Increasing strength acts and by suitable design the application is customizable.
Zur Kühlung verläuft um die Zylinderlaufbuchsen bzw. den Zylinderliner in der Regel ein Wassermantel, der zur Kühlung, insbesondere der Zylinderlaufbahn, dient. Dieser Wassermantel ist bei Kurbelgehäusen, die in einem Druckgießverfahren hergestellt werden, häufig zylinderkopfseitig offen, so dass eine „open deck"-Bauweise entsteht. Der zylinderkopfseitig offene Wassermantel resultiert daher, dass im metallischen Druckgießwerkzeug bewegliche Schieber als Gießwerkzeugelement eingesetzt werden, die nach dem Gießen den Wassermantel im Kurbelgehäuse abbilden. Die Schieber müssen vor dem Öffnen des Kurbelgehäuses herausgezogen werden, weshalb keine Hinterschneidungen dem Herausziehen entgegenstehen dürfen. Der offene Wassermantel führt zu einer Begrenzung der mechanischen Belastbarkeit der Motoren, da in diesem Bereich keine Stützwirkung der Zylinderlaufbuchsen bzw. des Zylinderliners vorliegt. Besser sind daher „closed deck"-Bauweisen, die einen zumindest teilweise geschlossenen Wassermantel aufweisen, wodurch eine Stützwirkung realisiert wird. Gießtechnisch sind derartige „closed deck" Kurbelgehäuse nur sehr schwierig darstellbar.to Cooling runs around the cylinder liners or the cylinder liner is usually a water jacket used for cooling, in particular the cylinder bore, is used. This water jacket is in crankcases used in a die casting process are produced, often open on the cylinder head, so that an "open deck" construction is created open water jacket therefore results in the metallic die casting tool movable slides are used as a casting tool element, after watering the water jacket in the crankcase depict. The slides must be open before opening the Crankcase are pulled out, so no undercuts may oppose the withdrawal. The open water jacket leads to a limitation of the mechanical load capacity the engines, since in this area no supporting effect of Cylinder liners and the cylinder liner is present. Are better Therefore, "closed deck" construction methods that at least partially have closed water jacket, creating a supporting effect is realized. Gießtechnisch are such "closed deck "crankcase only very difficult to represent.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens entsteht dabei bei der Herstellung von „closed deck"-Bauweisen. Dabei wird die Verstärkungsstruktur in einen Salzkern, welcher als Gießwerkzeugelement den zuvor beschriebenen Hohlraum für einen Wassermantel bildet, angeordnet und gelagert. Der Vorteil dabei ist, dass so auch die Ausgestaltung einer Verstärkungsstruktur zur Festigkeitssteigerung in einem Zylinderkurbelgehäuse in „closed deck"-Bauweise realisierbar ist und so die Vorteile beider Ausgestaltungen kombiniert werden. Die Anordnung und die Lagerung der Verstärkungsstruktur erfolgt dabei mittels einfach an der Verstärkungsstruktur auszubildender kleiner Hinterschneidungen an der Verstärkungsstruktur. Bei der Herstellung eines Salzkerns wird dazu die Verstärkungsstruktur im Kernherstellungswerkzeug positioniert und bei der Ausformung des Salzkerns wird eine Art Verklammerung der Verstärkungsstruktur mit dem Salzkern ausgebildet.An advantage of the method according to the invention arises in the production of "closed In this case, the reinforcing structure is arranged and stored in a salt core, which forms the previously described cavity for a water jacket as a casting tool element The advantage here is that the embodiment of a reinforcing structure for increasing the strength in a cylinder crankcase in closed deck "Construction is feasible and so the advantages of both embodiments are combined. The arrangement and the mounting of the reinforcing structure is carried out by means of small undercuts on the reinforcing structure which are simply formed on the reinforcing structure. In the production of a salt core, the reinforcing structure is positioned in the core manufacturing tool for this purpose, and in the formation of the salt core, a kind of clamping of the reinforcing structure with the salt core is formed.
In analoger Weise ist alternativ die Anordnung einer Verstärkungsstruktur zur Festigkeitssteigerung auch an einem Schieber als Gießwerkzeugelement eines Gusswerkzeugs anwendbar. Somit wird auch für eine „open deck"-Bauweise die vorteilhafte Ausgestaltung einer Verstärkungsstruktur realisierbar. Allerdings ist dabei zu beachten, dass keinerlei Hinterschneidungen bei der Anordnung der Verstärkungsstruktur am Schieberelement in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Schieberelements auftreten.In analogous way is alternatively the arrangement of a reinforcing structure to increase the strength of a slider as a casting tool element a casting tool applicable. Thus, also for an "open deck "construction, the advantageous embodiment of a reinforcing structure realizable. However, it should be noted that no undercuts in the arrangement of the reinforcing structure on the slide element occur with respect to the direction of movement of the slider element.
Für beide alternativen Ausgestaltungen ergeben sich die zuvor und im Folgenden beschriebenen Vorteile einer Festigkeitssteigernden Verstärkungsstruktur in analoger Weise.For both alternative embodiments arise before and in the The following describes advantages of a strength-enhancing reinforcing structure in an analogous way.
Als Verstärkungsstruktur ist beispielsweise eine infiltrierbare Struktur, vorzugsweise offenporige Schaumstruktur, einsetzbar, welche beim Eingießen von vorzugsweise einer kostengünstigen untereutektischen Al/Si-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.When Reinforcement structure is for example an infiltratable Structure, preferably open-pore foam structure, can be used, which when pouring preferably a cost-effective infiltrated hypoeutectic Al / Si alloys or Mg alloys and after solidification of the melt a higher tensile strength and / or compressive strength than the original one Cast material. The cause of the increased strength lies in a positive and / or cohesive Connection, which is advantageous when pouring the Reinforcing structure results. Advantageously, the infiltratable structure thereby at least partially ceramic parts on, for example based on alumina, titania or zirconia. Such a reinforcing structure ensures a good infiltration and connection during pouring, in particular also the infiltrability with one of the previously described light metal alloys, and leads to a desired increase in strength of the cylinder crankcase.
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. Beim Eingießen werden die Faserstrukturen von der Schmelze infiltriert und die bereits beschriebenen Vorteile und Eigenschaften ergeben sich in analoger Weise.When an infiltratable structure are especially infiltratable Fiber structures can be used, which in an analogous manner to the previously Be described configured, preferably also having at least partially ceramic components, in particular based on Alumina fibers or boron fibers. When using short fibers is the reinforcing structure can be produced as a compact. When pouring, the fiber structures are melted infiltrated and the advantages and properties already described arise in an analogous manner.
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.ever According to application, it is advantageous to the shape and size the infiltratable reinforcing structure to the loading condition in the cylinder crankcase in the operating condition adapt. Likewise, it also makes sense for reasons of economic manufacturability and processing the shape and size to optimize the infiltratable reinforcement structure. For example, the infiltratable reinforcing structure have the form of a grid, which the individual cylinder liners or surrounds the cylinder liner at least in partial areas, or alternatively also as an annular or spiral structure be arranged around the individual cylinder liners or the cylinder liner.
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.Essential is that the infiltratable reinforcing structure during Pouring at least partially infiltrated by cast metal and is permeated. This is for the thermal conductivity the cylinder crankcase essential, so that in the operating condition in the combustion chamber temperatures reliably from the cylinders be directed to the outside. The in the cylinder crankcase used light metal alloys usually have one much better thermal conductivity than the materials the reinforcing structure. Furthermore, by the penetration the reinforcement structure the connection to the cast metal improves and thus advantageously increases the strength.
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.When Alternative to the described infiltratable reinforcement structures is it also possible metallic reinforcing structures, for example in the form of ring or spiral elements and preferably in the form of metal mesh or perforated metal cuffs, which also the individual cylinder liners or the cylinder liner at least Surrounded in subareas, in the cylinder crankcase pour. The advantages already described in particular The increase in strength result in a similar way. The increase in strength results essentially from one Positive locking of the metallic reinforcing structure with the Molten metal during pouring. Favorable for the use as metallic reinforcing structures in particular Steel or titanium alloys, both in rolled sheet form also as a cast body, as it significantly increases the Strength properties in the cylinder crankcase lead.
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.About that In addition, however, all other metal alloys are in principle can be used, for example, high-strength iron alloys, in particular by suitable pretreatment such as coating, whereby the connection during pouring is improved. For steel structures can by appropriate measures, such as a Tin coating of the metallic reinforcing structure, in particular a galvanic coating, an improved connection realized the reinforcing structure during pouring which increases the strength-enhancing effect of the reinforcing structure is increased again. At the same time is generally through an improved connection also the thermal conductivity the compound improved, whereby in the operating state in the combustion chamber resulting temperatures reliably from the cylinders to the outside be directed.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the following description of a preferred embodiment as well as from the drawings; these show in:
In
einem ersten Verfahrensschritt zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses
(
Das
Zylinderkurbelgehäuse (
Der
Salzkern (
Nach
dem Entformen des Zylinderkurbelgehäuses (
Zur
besseren Anbindung des Stahlblechs (
Ein
weiterer Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass
alternativ zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel
mit Zylinderlaufbuchsen (
Unter
Betrachtung der Möglichkeit, die Zylinderlaufbuchsen (
Eine
Ausgestaltungsmöglichkeit des Salzkerns (
Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Salzkerne (
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 102004005458 B4 [0003] DE 102004005458 B4 [0003]
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