DE10260487B4

DE10260487B4 - Einlegeteile für einen Kurbelwellenlagerverbund

Info

Publication number: DE10260487B4
Application number: DE2002160487
Authority: DE
Inventors: Joachim Grünberger; Michael Paul; Jürgen Niehues; Eduard Köhler
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; KS Aluminium Technologie GmbH
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG; KS Huayu Alutech GmbH
Priority date: 2002-12-21
Filing date: 2002-12-21
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2022-12-22
Also published as: DE10260487A1

Abstract

Kurbelwellenlagerverbund für eine Brennkraftmaschine, mit zwei aus einer Leichtmetalllegierung bestehenden und durch Lagerschrauben verbundenen Lagerabschnitten, wobei mindestens ein Lagerabschnitt Einlegeteile aus einer offenporigen Preform aus Keramik, Partikeln, Fasern oder Materialien in Hybridform aufnimmt, in denen eine Leichtmetall- oder eine Leichtmetalllegierung eingegossen ist, und dass in den Einlegeteilen ein Teil einer Lagerbohrung zur Aufnahme einer Kurbelwelle ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlegeteile bzw. die Preformkörper (14, 16, 14', 16', 14'', 16'') eine anisotrope Struktur hinsichtlich ihrer stofflichen Zusammensetzung und/oder ihres Porenvolumens aufweisen, die auf eine kontinuierliche oder stufenweise Änderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) ausgerichtet ist, dergestalt, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient (α) des mit der Leichtmetallschmelze infiltrierten Einlegeteils bzw. Preformkörpers (14, 16, 14', 16', 14'', 16'') vom Lagerbereich der Kurbelwelle in Richtung des Umgussteils (18, 20) zunimmt.

Description

Aus der DE 198 10 464 C1 ist ein Kurbelgehäuse aus einem Leichtmetallwerkstoff bekannt, bei dem im Bereich der Lagerstellen für die Kurbelwelle Grauguss-Einlegeteile vorgesehen sind. Durch den geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten der Eingussteile gegenüber dem Leichtmetall-Kurbelgehäuse ergibt sich eine Lagerstelle bzw. Lagerbohrung für die Kurbelwelle, die auch bei höheren Temperaturen eine gleichmäßige Rundheit und einen gleichmäßigen Schmierspalt aufweist, was geringere Öldurchsätze und einen gleichbleibenden Öldruck zur Folge hat. In der WO 00/57047 A1 wird vorgeschlagen, im Lagerstellenbereich für die Kurbelwelle einen offenporigen Sinterkörper zu verwenden, dessen Hohlräume mit einem Leichtmetall infiltriert sind, wobei wiederum zur Angleichung des thermischen Ausdehnungsverhaltens der Kurbelwelle an das Kurbelgehäuse der infiltrierte Sinterkörper einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Leichtmetall des Kurbelgehäuses aufweist.
Des Weiteren ist aus der DE 689 02 125 T2 eine Methode zur Formstabilisierung der Grenzfläche zwischen zwei Metallteilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannt, bei der durch Verwendung eines zu umgießenden Metallmatrixverbundeinlegeteils der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Teils an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des zweiten Teils im Bereich der Grenzfläche angepasst werden soll.
Auch ist aus der WO 00/32335 A1 ein Verbundgussteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt, welches eine metallische Matrix und ein metallisches Einlegeteil aufweist, wobei das Einlegeteil eine offenporige Schwammstruktur aufweist, deren Poren vollständig mit dem Material der Matrix gefüllt werden.
Zwar wird mit diesen Maßnahmen eine Angleichung des Wärmeausdehnungsverhaltens im unmittelbaren Lagerstellenbereich der Kurbelwelle erreicht, jedoch ändert sich am Übergang zwischen Einlegeteil und Umgussteil sprunghaft das Wärmeausdehnungsverhalten, da das Umgussteil aus einem Leichtmetall bzw. einer Leichtmetalllegierung besteht (z. B. Aluminium mit α = 24·10^–6/K), während das Einlegeteil mit seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten an den Kurbelwellenwerkstoff (z. B. Stahl mit α = 12·10^–6/K) angepasst ist. Dieser sprunghafte Übergang im Wärmeausdehnungsverhalten kann zu Leckageverlusten bei der Schmierölversorgung der Hauptlagerstellen führen; darüber hinaus ist die Anbindung (Umklammerung) vom Einlegeteil und Umgussteil nicht sicher gewährleistet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen vorzusehen, die gewährleisten, dass auch im Übergangsbereich von Einlegeteil und Umgussteil das Wärmeausdehnungsverhalten beider Bauteile zueinander angepasst ist.
Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Dazu wird vorgeschlagen, dass die Einlegeteile bzw. die Preformkörper eine anisotrope Struktur hinsichtlich ihrer stofflichen Zusammensetzung und/oder ihres Porenvolumens aufweisen, die auf eine kontinuierliche oder stufenweise Änderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) ausgerichtet ist, dergestalt, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient (α) des mit der Leichtmetallschmelze infiltrierten Einlegeteils bzw. Preformkörpers vom Lagerbereich der Kurbelwelle in Richtung des Umgussteils zunimmt.
Damit ist auf vorteilhafte Art und Weise sowohl zwischen den Einlegeteilen und der Kurbelwelle einerseits als auch zwischen den Einlegeteilen und Umgussteil andererseits das Wärmeausdehnungsverhalten dieser Bauteile aneinander angepasst, so dass ein Kurbelwellenlagerlagerverbund in Leichtbauweise mit optimal ausgerichteten Werkstoffeigenschaften erzielbar ist.
Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.
Eine kontinuierliche oder stufenweise Änderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb des Einlegeteils kann auf vorteilhafte Art und Weise durch eine Zunahme des Porenvolumens vom Lagerbereich der Kurbelwelle in Richtung des Umgussteils erzielt werden, da somit in Richtung des Umgussteils der im Einlegeteil eingegossene Anteil an Leichtmetall zunimmt.
Alternativ oder in Kombination mit der zuvor aufgeführten Maßnahme ist es bei der Verwendung einer faserverstärkten Keramik als Einlegeteil auch möglich, den Faseranteil bzw. die Faserdichte innerhalb des Einlegeteils zu variieren, dergestalt, dass die Faserdichte vom Lagerbereich der Kurbelwelle in Richtung des Umgussteils abnimmt.
Eine Variation bzw. Änderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb des Einlegeteils ist auch durch Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe- bzw. Werkstoffkombinationen möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine,
2 eine erste Ausführungsform eines Preformkörpers für den Lagerstuhlbereich,
3 eine zweite Ausführungsform eines Preformkörpers.
Die in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Kurbelwellenlagerung für einen Boxermotor besteht ohne Beschränkung auf diese Ausführungsform aus zwei miteinander verbundenen Lagerbrückenhälften 2 und 4, die mit einer Vielzahl von Lagerabschnitten versehen, in einem zweiteiligen Kurbelgehäuse 6 einer Brennkraftmaschine eingesetzt sind. In den einzelnen Lagerabschnitten der beiden Lagerbrückenhälften 2, 4 sind jeweils die Hälfte einer Lagerbohrung 7 ausgebildet, die im zusammen gesetzten Zustand einen Wellenzapfen 8 einer nicht näher dargestellten Kurbelwelle aufnehmen. Die Verbindung der beiden Lagerbrückenhälften 2, 4 erfolgt durch Lagerschrauben 10, 12, die in entsprechenden Bohrungen der beiden Lagerbrückenhälften 2, 4 angeordnet sind. In jedem Lagerabschnitt der beiden Lagerbrückenhälften 2, 4 ist jeweils ein Einlegeteil 14, 16 aus einem mit einer Metallschmelze infiltrierten porösen Keramikkörper vorgesehen, der in einem Umgussteil 18, 20 aus einer Leichtmetalllegierung eingebettet ist.
Die Einlegeteile 14, 16 bestehen jeweils aus einem halbkreisförmigen Träger 22, 24, in dem der jeweilige Teil der Lagerbohrung 7 ausgebildet ist. Die Einlegeteile 14, 16 weisen zwei vom Träger 22, 24 ausgehende radiale Fortsätze 26, 28 auf, die mit entsprechenden Durchgangsbohrungen für die Aufnahme der Lagerschrauben 10, 12 versehen sind. Sowohl die radialen Fortsätze 26, 28 als auch ein von den Trägern 22, 24 in Richtung der Zylinder ausgerichteter Steg 30 weisen Durchbrüche bzw. Öffnungen 32 auf, die zur Verklammerung des Einlegeteils 14, 16 mit dem Umgussteil 18, 20 dienen. Ein sowohl im Umgussteil 18 als auch im Einlegeteil 14 verlaufender Ölkanal 33 führt zu einer in den halbreisförmigen Trägern 22, 24 eingebrachten Ölversorgungsnut 42 für die Hauptlager der Kurbelwelle.
In 2 und 3 sind die noch nicht mit einer Leichtmetallschmelze infiltrierten keramischen Einlegeteile bzw. Preformkörper 14', 16', 14'', 16'' dargestellt, die später in einem ersten Verfahrensschritt über die halbkreisförmige Ausnehmung 31 mit einer Metallschmelze aus einer Leichtmetalllegierung, wie z. B. AlSi12CuMgNi, befüllt bzw. infiltriert werden, bevor sie nach entsprechender Bearbeitung (Einbringen der Bohrungen für die Lagerschrauben etc.) in einem zweiten Verfahrensschritt in eine Gussform zur Herstellung des Kurbelwellenlagerverbunds eingesetzt werden. Für das Infiltrieren der Metallschmelze in die Einlegeteile 14', 16', 14'', 16'', das vorzugsweise im Squeeze Casting Verfahren erfolgt, sind zur Fixierung der Einlegeteile in der Gussform drei Auflagepunkte 34 bis 36 vorgesehen, von denen zwei als Bohrungen 34, 35 zur Aufnahme von Haltestiften und ein dritter Auflagepunkt in Form eines sich an den Steg 30' anschließenden Fortsatzes 36 ausgebildet sind.
Die Einlegeteile bzw. Preformkörper 14', 16', 14'', 16'' weisen eine anisotrope Struktur hinsichtlich ihrer stofflichen Zusammensetzung und/oder ihres Porenvolumens auf, die auf eine kontinuierliche oder stufenweise Änderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) ausgerichtet ist, dergestalt, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient (α) vom Lagerbereich der Kurbelwelle in Richtung der Umgussteile 18, 20 zunimmt. Dazu ist vorgesehen, dass das Porenvolumen bzw. die Porosität der für die Einlegeteile 14', 16', 14'', 16'' verwendeten Keramik-Preform vom Lagerbereich der Kurbelwelle in Richtung der Umgussteile zunimmt, so dass proportional dazu auch der später in das Einlegeteil eingegossene Anteil an Leichtmetall zunimmt. Als keramischer Werkstoff für die Einlegeteile kann beispielsweise Cordierit^® verwendet werden.
Alternativ oder in Kombination mit der Änderung des Porenvolumens der Einlegeteile 14', 16', 14'', 16'' ist es bei der Verwendung einer faserverstärkten Keramik, wie z. B. Cordierit^® mit Superwool^®-Fasern oder mit Saffil^®- Fasern auch möglich, den Faseranteil bzw. die Faserdichte innerhalb des Einlegeteils im gewünschten Sinne zu variieren.

Claims

Kurbelwellenlagerverbund für eine Brennkraftmaschine, mit zwei aus einer Leichtmetalllegierung bestehenden und durch Lagerschrauben verbundenen Lagerabschnitten, wobei mindestens ein Lagerabschnitt Einlegeteile aus einer offenporigen Preform aus Keramik, Partikeln, Fasern oder Materialien in Hybridform aufnimmt, in denen eine Leichtmetall- oder eine Leichtmetalllegierung eingegossen ist, und dass in den Einlegeteilen ein Teil einer Lagerbohrung zur Aufnahme einer Kurbelwelle ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlegeteile bzw. die Preformkörper (14, 16, 14', 16', 14'', 16'') eine anisotrope Struktur hinsichtlich ihrer stofflichen Zusammensetzung und/oder ihres Porenvolumens aufweisen, die auf eine kontinuierliche oder stufenweise Änderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) ausgerichtet ist, dergestalt, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient (α) des mit der Leichtmetallschmelze infiltrierten Einlegeteils bzw. Preformkörpers (14, 16, 14', 16', 14'', 16'') vom Lagerbereich der Kurbelwelle in Richtung des Umgussteils (18, 20) zunimmt.
Kurbelwellenlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Porenvolumen der Einlegeteile (14', 16', 14'', 16'') vom Lagerbereich der Kurbelwelle in Richtung des Umgussteils (18, 20) zunimmt.
Kurbelwellenlagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faseranteil in den Einlegeteilen (14', 16', 14'', 16'') vom Lagerbereich der Kurbelwelle in Richtung des Umgussteils (18, 20) abnimmt.
Kurbelwellenlagerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Preformkörper (14', 16', 14'', 16'') aus Cordierit^® mit Superwool^®-Fasern oder Cordierit^® mit Saffil^®-Fasern besteht.