DE10205798A1

DE10205798A1 - Einsatzteil in ein Ober-und/oder Unterteil oder eine Versteifungsrippe eines Lagerstuhls

Info

Publication number: DE10205798A1
Application number: DE2002105798
Authority: DE
Inventors: Philippe Damour
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2003-09-04

Abstract

Es wird ein metallisches Einsatzteil zum Einsetzen in ein Oberteil (3a) und/oder ein Unterteil (3b) oder eine Versteifungsrippe (21) eines Lagerstuhls (1) beschrieben, der aus einer gegossenen Aluminiumlegierung oder gegossenem Aluminium besteht. DOLLAR A Die zur Zeit verwendeten Einsatzteile weisen eine Außenumfangsfläche mit zahlreichen Vorsprüngen bzw. mit Ausnehmungen auf, um das Einsatzteil (2) formschlüssig innerhalb des Ober- und/oder Unterteils (3a, 3b) oder der Versteifungsrippe (21) zu fixieren. Dieses führt zu hohen Fertigungskosten aufgrund der aufwendigen Nachbearbeitung der Oberflächen des Einsatzteiles (2). DOLLAR A Die bisher bestehende Problematik wird mit einem Einsatzteil (2) gelöst, bei dem mindestens auf der dem jeweiligen Ober- oder Unterteil (3a, 3b) oder der Versteifungsrippe (21) zugewandten Außenumfangsfläche (4) des Einsatzteils (2, 2a) eine Deckschicht (5) aus einer Aluminiumlegierung oder Aluminium aufgebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein metallisches Einsatzteil zum Einsetzen in ein Oberteil und/oder ein Unterteil oder eine Versteifungsrippe eines Lagerstuhls, der aus einer gegossenen Aluminiumlegierung oder gegossenem Aluminium besteht, sowie die Verwendung eines Herstellungsverfahrens zur Beschichtung des Einsatzteils.
In Brennkraftmaschinen wird die Kurbelwelle in Lagerstühlen gelagert. Die Lagerstühle sind zweiteilig aufgebaut, wobei ein Lagerstuhl häufig motorblockseitig eine in den Motorblock integrierte Versteifungsrippe als Oberteil und als Unterteil einen Lagerdeckel umfaßt. Unter Umständen werden aus Stabilitätsgründen mehrere Lagerdeckel in dem Unterteil zu Leiterrahmen oder Bedplates untereinander verbunden. Im folgenden werden die konstruktiven Ausgestaltungen von Anordnungen der Unterteile, wie beispielsweise Leiterrahmen oder Bedplates, mit dem Oberbegriff Unterteil zusammenfassend angesprochen.
Die größten auf die Kurbelwelle wirkenden Kräfte treten beim Arbeitshub des Kolbens auf. Aus diesem Grund werden bei Aluminium-Motorblöcken in das Unterteil Verstärkungen eingebracht, die als Einsatzteil bezeichnet werden. Das Unterteil ist ebenfalls aus Aluminium gefertigt und weist ein metallisches Einsatzteil, oft gegossen, geschmiedet oder gesintert, zur Aufnahme der Kräfte auf. Das Aluminium des Unterteils ist um das metallische Einsatzteil gegossen.
Vergleichbar mit dem beispielhaft beschriebenen Unterteil kann das Oberteil ausgebildet sein.

Ein derartiges Einsatzteil in Form einer in das Zylinderkurbelgehäuse integrierbaren gußeisernen Stützstruktur ist in der MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000) 12 beschrieben und dient dazu, die hohen Belastungen der motorischen Komponenten aufzunehmen, zu denen es insbesondere in den Bereichen der Lagergasse und der Zylinderbuchsen kommt.

Eine Bindung zwischen dem Einsatzteil und dem darum gegossenen Aluminium läßt sich nur schwierig herstellen. Derzeit wird die Problematik dahingehend gelöst, daß die Einsatzteile gemäß dem Stand der Technik eine Außenumfangsfläche mit zahlreichen Vorsprüngen bzw. mit Ausnehmungen aufweisen, die in komplementär dimensionierte Ausnehmungen bzw. Vorsprünge des Ober- und Unterteils eingreifen und dadurch das Einsatzteil formschlüssig fixieren. Diese komplizierten Formen sind aufgrund des Risikos von Inhomogenitäten oder Porositäten nur schwierig mit Guß-, Schmiede- bzw. Sinterverfahren zu erzeugen und verursachen darüber hinaus hohe Werzeugkosten. Hinzu kommen häufig Nacharbeiten an den Oberflächen des Einsatzteils, beispielsweise mit einer Rillenfräse, wodurch sich zusätzlich die Fertigungskosten erhöhen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein metallisches Einsatzteil bereitzustellen, das eine optimale Bindung des Einsatzteiles an das Ober- und/oder Unterteil oder die Versteifungsrippe des Lagerstuhls bei möglichst geringem Fertigungsaufwand bietet.

Die vorliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mindestens auf der dem jeweiligen Ober- und Unterteil oder der Versteifungsrippe zugewandten Außenumfangsfläche des Einsatzteils eine Deckschicht aus einer Aluminiumlegierung oder aus Aluminium aufgebracht ist.

Je besser die Materialien des Ober- und/oder Unterteils oder der Versteifungsrippe und der Deckschicht des Einsatzteils angepaßt sind, desto besser ist die mechanische Verbindung der Teile. Im Falle einer Legierung werden entweder identische Aluminiumlegierungen oder derart angepaßte Aluminiumlegierungen für die Deckschicht und das Ober- und/oder Unterteil oder die Versteifungsrippe verwendet, so daß sich eine sehr gute mechanische Bindung ausbildet. Eine Erwärmung vor der Installation in einer Gußform ist nicht erforderlich. Aufgrund der geringen Schichtdicke der aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierung hergestellten Deckschicht kann das Einsatzteil mit einer größeren Dicke ausgeführt sein, woraus eine bessere Steifigkeit und . dadurch eine höhere Belastbarkeit sowie eine geringere Verformung bei Einleitung der Betriebskräfte resultiert. Wegen des Wegfalls einer mechanischen Ankerung des Einsatzteils kann die Geometrie des Einsatzteils konstruktiv einfach ausgeführt sein, so daß die Gußform im Fertigungsprozeß auch einfacher und damit kostengünstiger ausgestaltet sein kann. Die bessere Steifigkeit des Einsatzteils sorgt für eine gute Stabilität bei der Bearbeitung mit daraus resultierenden geringen Toleranzen, was den Ausschuß verringert und die Taktzahl verbessert. Im betrieblichen Gebrauch findet eine gute Wärmezufuhr zwischen Ober- und/oder Unterteil oder der Versteifungsrippe und dem Einsatzteil statt.

Vorzugsweise ist die Deckschicht durch Plasmaspritzen aufgebracht.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Einsatzteil aus einem Grauguß, Stahl oder Sinterwerkstoff gebildet. Durch die Ausgestaltung des Einsatzteils mit diesen Materialien wird einerseits die geforderte Festigkeit erzielt und andererseits ein einfach und kostengünstig zu verarbeitender Werkstoff bereitgestellt.

Vorteilhafterweise ist die Außenumfangsfläche des Einsatzteils unbearbeitet. Die unbearbeitete Oberfläche unterstützt das Anhaften der Deckschicht an dem Einsatzteil. Aufgrund einer fehlenden Weiterbearbeitung des Einsatzteiles werden Fertigungskosten verringert.

In einer besonderen Ausgestaltung weist das Einsatzteil eine einfache Geometrie auf. Dieses verringert ebenfalls die Herstellungskosten.

Alternativ zu der unbearbeiteten Außenumfangsfläche des Einsatzteils kann das Einsatzteil auch eine profilierte Kontur aufweisen. Hierdurch wird im Einbauzustand zusätzlich zu der stofflichen Verbindung eine formschlüssige Verbindung geschaffen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist auf der der Lagerschale zugewandten Innenumfangsfläche des Einsatzteils eine Deckschicht aufgebracht und mit einer Aluminiumgußschicht versehen. Bei dieser Ausführungsform wird die Nachbearbeitung der den Lagerschalen zugewandten Oberflächen vereinfacht, da beide den Lagerschalen zugewandten Oberflächen des zweiteiligen Lagerstuhls aus Aluminium ausgebildet sind. Ohne Beschichtung der Innenumfangsfläche kann das Einsatzteil nur schwer mit einem Aluminiumguß des Ober- oder Unterteils oder der Versteifungsrippe im Bereich der später eingesetzten Lagerschale versehen sein, so daß bei der Bearbeitung der Kurbelwellenbohrung des zusammengesetzten Lagerstuhls das Werkzeug mit einer Aluminiumoberfläche und mit einer Stahl-/Gußoberfläche in Kontakt steht. Dieses führt zu geringerer Fertigungsqualität, höheren Ausschüssen und Kosten.

In einer günstigen Ausgestaltung weist die Deckschicht eine Schichtdicke von 0,25 mm bis 2,5 mm auf. In Abhängigkeit des konkreten Anwendungsfalls läßt sich mit einer derart gewählten Schichtdicke der Deckschicht eine optimierte Verbindung zwischen Einsatzteil und Ober- und/oder Unterteil oder der Versteifungsrippe erzielen.

Vorteilhafterweise ist die Deckschicht eine Al-Si-Legierung, deren Si-Gehalt < 15% ist. Zwischen dem Einsatzteil und der Deckschicht kann eine Bindezwischenschicht aufgebracht, vorzugsweise aufgespritzt sein.

In einer besonderen Ausführungsform ist auf die Deckschicht eine Oxidations- Schutzschicht aufgebracht, vorzugsweise aufgespritzt, die eine Schichtdicke von 0,01 mm bis 0,25 mm aufweisen kann. Das Aufbringen der Oxidations- Schutzschicht verhindert das Ausbilden einer Oxid-Schicht auf der Oberfläche der Aluminiumschicht oder der Aluminiumlegierungsschicht, welche als Isolator zwischen Einsatzteil und Ober- und/oder Unterteil oder der Versteifungsrippe beim Umgießen des Einsatzteils fungiert.

Vorzugsweise ist eine Oxidations-Schutzschicht aus Zink oder einer Zinklegierung aufgebracht. Die Oxidations-Schutzschicht kann eine Schichtdicke von 0,01 mm bis 0,25 mm aufweisen.

Eine weitere Teilaufgabe wird mit der Verwendung eines Verfahrens zur Oberflächenbeschichtung von Bauteilen mittels Aufspritzen einer Aluminiumlegierung oder von Aluminium für die Herstellung von Einsatzteilen zum Einsetzen in das jeweilige aus einer Aluminiumlegierung oder aus Aluminium bestehende Ober- oder Unterteil oder die Versteifungsrippe gelöst. Das Verfahren zur Oberflächenbeschichtung ist zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen aus der DE 197 29 017 A1 bekannt.

Anhand der nachfolgenden Figuren soll die Erfindung beispielhaft beschrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch Motorblock, Ölwanne und ein Unterteil;
Fig. 2 einen Querschnitt durch Motorblock, Ölwanne und ein Ober- und Unterteil;
Fig. 2A einen Querschnitt durch Motorblock, Ölwanne und ein gegen eine Versteifungsrippe geschraubtes Unterteil, wobei das motorblockseitige Einsatzteil unmittelbar in die Versteifungsrippe eingegossen ist;
Fig. 3 einen perspektivischen Querschnitt durch Motorblock, Ölwanne und in Bedplate integriertes Einsatzteil;
Fig. 4 einen Längsschnitt eines Unterteils mit darin befindlichem beschichteten Einsatzteil;
Fig. 5 eine Draufsicht auf das Unterteil gemäß Fig. 4 mit darin befindlichem beschichteten Einsatzteil;
Fig. 6 eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Einsatzteils;
Fig. 7 den Schichtaufbau an einem Einsatzteil.
Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Motorblock 9, eine Ölwanne 10 und ein Unterteil 3b.
In dem Motorblock 9 ist eine Zylinderbohrung 11 sichtbar, in der eine Zylinderlaufbuchse 12 eingesetzt ist. Hinter der Zylinderbohrung 11 sind weitere nicht eingezeichnete Zylinderbohrungen angeordnet. Zwischen den Zylinderbohrungen 11 sind in der Bildebene verlaufende Versteifungsrippen 21 in dem Motorblock 9 ausgebildet. Das Unterteil 3b ist mit durch die Bohrungen 14 eingebrachten Schrauben 17 mit der Versteifungsrippe 21 verschraubt. Die Ölwanne 10 schließt den Motor nach unten ab.
In dem Unterteil 3b ist das Einsatzteil 2 zu erkennen, welches mit einer Deckschicht 5 und einer Oxidations-Schutzschicht 6 (beides nicht eingezeichnet) versehen ist.
Die Versteifungsrippe 21 weist eine Ausnehmung 27 zur Aufnahme der Lagerschale 25a komplementär zu dem ölwannenseitig angeordneten Unterteil 3b und der Lagerschale 25b auf. Die Versteifungsrippe 21 und das Unterteil 3b bilden zusammen den Lagerstuhl 1. Innerhalb der Lagerschalen 25a, b ist die Kurbelwelle 20 gelagert.
Die Fig. 2 stellt einen Querschnitt durch einen Motorblock 9 und eine Ölwanne 10 dar, wobei in der Versteifungsrippe 21 ein Oberteil 3a und ein Unterteil 3b des Lagerstuhls 1 eingepaßt ist. Sowohl das Oberteil 3a als auch das Unterteil 3b weisen zur Versteifung jeweils ein gestrichelt eingezeichnetes Einsatzteil 2, 2a auf, welches mit einer Deckschicht 5 und einer Oxidations- Schutzschicht 6 (beides nicht eingezeichnet) beschichtet und von dem Aluminiumguß 13 des Ober- bzw. Unterteils 3a, 3b umgeben ist.
In der Fig. 2A ist ebenfalls ein Querschnitt durch einen Motorblock 9 und eine Ölwanne 10 dargestellt, wobei das motorblockseitige Einsatzteil 2a unmittelbar in die Versteifungsrippe 21 eingegossen ist. Nach der Montage der Kurbelwelle 20 in die motorblockseitige Lagerschale 25a und die ölwannenseitige Lagerschale 25b wird von unten das Unterteil 3b gegen die Versteifungsrippe 21 gesetzt und mit den Schrauben 17 verschraubt. Dabei reichen die Schrauben durch das Einsatzteil 2 und das motorblockseitige Einsatzteil 2a in den Motorblock 9.
In der Fig. 3 ist zwischen dem Motorblock 9 und der Ölwanne 10 eine Bedplate 3c angeordnet, in dem mehrere Einsatzteile 2 zu einem einzigen Bauelement vereint sind. Der Lagerstuhl 1 wird hierbei aus der Versteifungsrippe 21 und dem in der Bedplate 3c eingefaßten Einsatzteil 2gebildet. Die Lagerschalen 25a, b sind in der Versteifungsrippe 21 und in der Bedplate 3c jeweils in Aluminiumguß 13 gelagert.
Die Fig. 4 zeigt in einem Längsschnitt ein Unterteil 3b, in dem sich H-förmig das Einsatzteil 2 erstreckt. Das Einsatzteil 2 weist auf seiner Außenumfangsfläche 4, Innenumfangsfläche 19, seiner Seitenumfangsfläche 24 und den Seitenflächen 28 eine Deckschicht 5 sowie eine Oxidations- Schutzschicht 6 auf. In der Fig. 4 sind die Deckschicht 5 und die Oxidations- Schutzschicht 6 als eine Schicht dargestellt. Den Schichtaufbau gibt detailliert die Fig. 7 wieder. Erfindungsgemäß läßt sich mit Hilfe der Deckschicht 5 eine intermetallische Verbindung zu dem Aluminiumguß 13 des Unterteils 3b erzeugen.
Das Einsatzteil 2 weist zur Befestigung des Unterteils 3b an der Versteifungsrippe 21 des Motorblocks 9 (nicht eingezeichnet) vertikale Bohrungen 14 in den beiden Schenkeln 26a, 26b des H-förmigen Einsatzteiles 2 auf.
Die Fig. 5 stellt das Unterteil 3b und die Anordnung des Einsatzteils 2 in einer Draufsicht dar. In der Draufsicht ist die Stirnseite der Schenkel 26a, 26b des Einsatzteils 2 sichtbar, die umfänglich mit der Deckschicht 5 und der Oxidations-Schutzschicht 6 versehen ist. Nach außen schließt sich stoffschlüssig der Aluminiumguß 13 des Unterteils 3b der Deckschicht 5 und der Oxidations-Schutzschicht 6 an. In der Draufsicht ist im Bereich der Innenumfangsfläche 19 des Einsatzteils ausschließlich der Aluminiumguß 13 des Unterteils 3b zu erkennen.
Die Fig. 6 veranschaulicht das Verfahren zum Beschichten des Einsatzteils 2. Hierzu wird das Einsatzteil 2 zwischen zwei Haltearmen 17a verspannt, wobei die Haltearme 17a an einer gemeinsamen Führung 18 verschiebbar angebracht sind. Die Führung 18 wird von einer mittig angreifenden Drehvorrichtung 7 in Drehung um eine Rotationsachse 15 gebracht. Während der Drehbewegung des Einsatzteils 2 wird die Außenumfangsfläche 4, die Innenumfangsfläche 19 sowie die Seitenflächen 28 mit der Deckschicht 5 bzw. der Oxidations- Schutzschicht 6 aus einer Spritzvorrichtung 8 besprüht. Um einen gleichmäßigen Auftrag der Deck- oder Oxidations-Schutzschicht 5, 6 über die gesamte Breite 23 des Einsatzteils 2, 2a (vgl. Fig. 5) zu erzielen, wird die Spritzvorrichtung 8 in der Verfahrrichtung 16 während des Beschichtungsvorganges verfahren. Eine Beschichtung der seitlichen Umfangsflächen 24 kann durch Drehen des Einsatzteils 2 rechtwinklig zur Rotationsachse 15 erreicht werden. Die Haltearme 17a greifen dann in die Bohrungen 14 ein (Stellung 17b). Alternativ hierzu können die seitlichen Umfangsflächen 24 auch über zusätzliche Spritzvorrichtungen 8 (nicht eingezeichnet) beschichtet werden.
In Fig. 7 ist der Schichtaufbau an einem Einsatzteil 2 ausschnittsweise dargestellt. Auf der Außenumfangsfläche 4, der Innenumfangsfläche 19, der seitlichen Umfangsfläche 24 und den Seitenflächen 28 des Einsatzteils 2 ist die Deckschicht 5 und darauf die Oxidations-Schutzschicht 6 aufgebracht. Bezugszeichen 1 Lagerstuhl
2 Einsatzteil
2a motorblockseitiges Einsatzteil
3a Oberteil
3b Unterteil
3c Bedplate
4 Außenumfangsfläche
5 Deckschicht
6 Oxidations-Schutzschicht
7 Drehvorrichtung
8 Spritzvorrichtung
9 Motorblock
10 Ölwanne
11 Zylinderbohrung
12 Zylinderlaufbuchse
13 Aluminiumguß
14 Bohrungen
15 Rotationsachse
16 Verfahrrichtung Spritzvorrichtung
17 Schrauben
17a Haltearme
17b äußere Stellung
18 Führung
19 Innenumfangsfläche
20 Kurbelwelle
21 Versteifungsrippe
23 Breite Einsatzteil
24 Seitenumfangsfläche
25a motorblockseitige Lagerschale
25b ölwannenseitige Lagerschale
26a, b Schenkel Einsatzteil
27 Ausnehmung
28 Seitenfläche

Claims

1. Metallisches Einsatzteil (2) zum Einsetzen in ein Oberteil (3a) und/oder ein Unterteil (3b) oder eine Versteifungsrippe (21) eines Lagerstuhls (1), der aus einer gegossenen Aluminiumlegierung oder gegossenem Aluminium besteht, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens auf der dem jeweiligen Ober- oder Unterteil (3a, 3b) zugewandten Außenumfangsfläche (4) des Einsatzteils (2, 2a) eine Deckschicht (5) aus einer Aluminiumlegierung oder aus Aluminium aufgebracht ist.

2. Einsatzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (5) durch Plasmaspritzen aufgebracht ist.

3. Einsatzteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenumfangsfläche (4) des unbeschichteten Einsatzteils (2, 2a) unbearbeitet ist.

4. Einsatzteil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Lagerschale zugewandten Innenumfangsfläche (19) des Einsatzteils (2, 2a) eine Deckschicht (5) aufgebracht ist.

5. Einsatzteil nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (5) eine Schichtdicke von 0,25 mm bis 2,5 mm aufweist.

6. Einsatzteil nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (5) eine Al-Si-Legierung ist, deren Si-Gehalt < 15% ist.

7. Einsatzteil nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Einsatzteil (2, 2a) und der Deckschicht (5) eine Binde- Zwischenschicht aufgebracht, vorzugsweise aufgespritzt ist.

8. Einsatzteil nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Deckschicht (5) eine Oxidations-Schutzschicht (6) aufgebracht, vorzugsweise aufgespritzt ist.

9. Einsatzteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidations-Schutzschicht (6) eine Schichtdicke von 0,01 mm bis 0,25 mm aufweist.

10. Einsatzteil nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidations-Schutzschicht (6) aus Zink oder einer Zinklegierung besteht.

11. Verwendung eines Verfahrens zur Oberflächenbeschichtung von Bauteilen mittels Aufspritzen einer Aluminiumlegierung oder von Aluminium für die Herstellung von Einsatzteilen (2, 2a) zum Einsetzen in das jeweilige aus einer Aluminiumlegierung oder aus Aluminium bestehende Ober- oder Unterteil oder die Versteifungsrippe (21).