DE10153720C2 - Zylinderkurbelgehäuse mit einer Zylinderlaufbuchse und Gießwerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gießwerkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zylinderkurbelgehäuse werden zur Gewichtsersparnis zunehmend aus Aluminiumlegierungen in verschiedenen Gießverfahren, bevor­ zugt im Druckguss gefertigt. Da Aluminiumlegierungen, die gut gießbar sind, oft den tribologischen Anforderungen entlang der Zylinderlaufflächen nicht entsprechen, werden in diesen Berei­ chen Maßnahmen zur lokalen Verbesserungen der Werkstoffeigen­ schaften getroffen. Eine dieser Maßnahmen ist das Eingießen von Zylinderlaufbuchsen.

Die DE 44 38 550 C2 beschreibt ein Kurbelgehäuse mit Zylinder­ laufbuchsen aus übereutektischen Aluminium-Siliziumlegierungen. Die dort beschriebenen Legierungen sind auf Grund ihres hohen Siliziumgehaltes besonders verschleißbeständig. Zudem weisen derartige Zylinderlaufbuchsen ein niedriges spezifisches Ge­ wicht auf und was im Gegensatz zu Zylinderlaufbuchsen auf Ei­ senbasis besonders vorteilhaft ist, ihr thermischer Ausdeh­ nungskoeffizient liegt näher an dem der Aluminium-Gusslegierung als der Ausdehnungskoeffizient des Eisens.

Unabhängig von der Art der Buchse tritt jedoch in der Zylinder­ bohrung ein Temperaturgradient auf. Im oberen Bereich - in der Nähe zur Trennfläche zum Zylinderkopf - herrschen auf Grund der dort stattfindender Verbrennung motorseitig Temperaturen von etwa 200°C. Im unteren Bereich der Bohrung in Höhe des unteren Todpunktes des Kolbens liegen die motorseitigen Temperaturen in der Zylinderbohrung je nach Motor zwischen 130°C und 150°C.

Dieser Temperaturgradient, der zwischen 50°C und 70°C liegt, verursacht durch die thermische Ausdehnung eine leicht konische Form der Zylinderbohrung, die sich hierdurch von oben nach un­ ten verengt. Deshalb ist es erforderlich die Toleranzen des Kolbens, insbesondere des Kolbenrings so auszulegen, dass so­ wohl im unteren Bereich genügend Spiel vorhanden ist und im o­ beren Bereich der auftretende Spalt minimal bleibt.

Der hierzu nötige Kompromiss ist im täglichen Gebrauch derarti­ ger Motoren akzeptabel und führt zu keinerlei Beschädigung oder Alterungen der Motoren. Dennoch liefert dieser Nachteil im Hin­ blick auf eine Verbrauchsreduzierung und in Hinblick auf eine Leistungssteigerung der Motoren Anlass für Verbesserungsmaßnah­ men.

Die JP 06-185401 A schlägt eine verkürzte Zylinderlaufbuchse vor, was zur Lösung des genannten Problems beitragen kann. Die JP 06185401 A macht jedoch keine Angabe darüber, in welcher Art eine derartige Anordnung herstellungstechnisch zu realisieren ist.

In der DE 199 04 971 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Herstellung von Motorblöcken vorgeschlagen, wobei eine Zylinderlaufbuchsen spielfrei auf einem Kokillendorn aufge­ bracht wird. Dieses Verfahren ist jedoch nur für herkömmliche Zylinderlaufbuchsen geeignet. Bei geometrisch veränderten Buch­ sen ist weder das beschriebene Verfahren noch die Vorrichtung geeignet anwendbar.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt die Aufgabe der Erfindung darin, die konische Verformung der Zylinderbohrung, die durch den vorherrschenden Temperaturgradienten hervorgerufen wird, zu reduzieren und eine Vorrichtung bereitzustellen, nach der ein derartiges Zylinderkurbelgehäuse herstellungstechnisch zu rea­ lisieren ist.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Gießwerkzeug nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Ein Zylinderkurbelgehäuse, das durch ein Gießwerkzeug nach An­ spruch 1 hergestellt ist, weist bevorzugt mehrere Zylinderboh­ rungen auf, die jeweils mit einer Zylinderlaufbuchse versehen sind. Das Zylinderkurbelgehäuse besteht aus einer Aluminium­ gießlegierung, die Zylinderlaufbuchse besteht aus einer übereu­ tektischen Aluminium-Silizium-Legierung. Bevorzugt liegt der Siliziumanteil der Legierung zwischen 23% und 28%. Die Zylin­ derlaufbuchse ist dabei derart verkürzt, dass sie möglichst un­ mittelbar unterhalb eines untersten Kolbenrings im unteren Tod­ punkt des Kolbens endet.

Die Zylinderbohrung läuft unterhalb des unteren Todpunktes je nach Motorauslegung etwa 20 mm bis 50 mm weiter. Die Oberfläche der Zylinderbohrung (Zylinderlauffläche) ist in diesem Bereich durch die Aluminium-Druckgusslegierung gebildet.

Die Aluminium-Druckgusslegierung (im Folgenden vereinfacht Alu­ minium genannt) weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizien­ ten α von etwa 22 × 10^-6 K^-1 auf. Die Aluminium-Silizium- Legierung der Zylinderlaufbuchse weist einen α-Wert von 15 × 10^-6 K^-1 bis 17 × 10^-6 K^-1 auf. Dies führt zu einer höheren rela­ tiven Materialausdehnung im unteren Bereich der Zylinderboh­ rung, unterhalb der Zylinderlaufbuchse. Durch die niedrigere dort vorherrschende Temperatur in Kombination mit einer lokal höheren Materialausdehnung wird die Konusbildung in der Zylin­ derbohrung entsprechend der Aufgabenstellung weitgehend kompen­ siert.

Bevorzugt endet die Zylinderlaufbuchse möglichst nahe unterhalb des untersten Kolbenrings im unteren Todpunkt, damit die be­ schriebene Wirkung der Wärmeausdehnung vorteilhaft genutzt wird. Die Verlängerung der Zylinderlaufbuchse über den unteren Todpunkt hinaus wird je nach vorherrschenden Temperaturgradien­ ten bestimmt. Versuche haben jedoch gezeigt dass die vorteil­ hafte Wirkung der Erfindung beeinträchtigt wird, wenn die Buch­ se weiter als 20 mm unterhalb des unteren Todpunktes endet.

Weiterhin vorteilhaft ist eine rechtwinklige untere Abschluss­ kante der Zylinderlaufbuchse. Aus gießtechnischen Gründen wei­ sen in der Praxis die meisten Zylinderlaufbuchsen an ihrer un­ teren Außenseite eine Fase auf. Diese Fase dient der Schmelzen­ führung während eines Gießprozesses. Die Fase führt im Be­ triebszustand bei axialem Druck auf die Buchse zu radialen Kräften im Bereich der Fase, was sich negativ auf die Anbindung Buchse zu Kurbelgehäuse auswirkt.

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Gießwerkzeug zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses nach Anspruch 3. Das Gießwerkzeug weist mindestens eine Pinole auf, die zur Darstel­ lung der Zylinderbohrung geeignet ist. Auf der Pinole befindet sich eine Zylinderlaufbuchse aus einer übereutektischen Al-Si- Legierung. Die Buchse bedeckt maximal 85% der Pinole in der­ art, dass sie im oberen Bereich (hinsichtlich einer Zylinder­ kopfseite) an einer Wand des Gießwerkzeugs anliegt.

Ein Anguss des Gießwerkzeugs, der zur Befüllung des Gießwerk­ zeuges durch ein Gießmetall dient, ist so angebracht, dass eine Hauptstromrichtung des Gießmetalls die Pinole von ihrer Unter­ seite (seitens des späteren Ölraumes) her trifft. Durch die Verkürzung der Zylinderlaufbuchse liegt die Buchse außerhalb der Hauptstromrichtung des Gießmetalls und wird von der Pinole und der Werkzeugwand abgeschirmt. Dies wirkt sich günstig auf die Anbindung der Buchse an das Bauteil aus, da Verwirbelungen beim Auftreffen des Gießmetalls auf die Buchse reduziert wer­ den. Eine bessere Anbindung zwischen Buchse und Kurbelgehäuse erlaubt neben weiteren Vorteilen höhere Drücke in der Zylinder­ bohrung, insbesondere in einem Brennraum.

Die Zylinderlaufbuchse ist zwar mit so engen Toleranzen belegt, dass sie für einen Gießvorgang ausreichend fest auf der Pinole positioniert ist, in einer Serienproduktion ist jedoch für ei­ nen ungestörten Produktionsablauf eine Fixierung der Buchse auf der Pinole zweckmäßig.

Die Fixierung kann durch eine Nase erfolgen, die die Buchse auf Distanz zu einer unteren Werkzeugwand hält. Die Nase kann zur besseren Entformbarkeit teilweise in einer Aussparung der Pino­ le versenkt sein.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausgestaltungsformen an Hand von vier Zeichnungen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines Hubkolbenmotors mit Zylinderkur­ belgehäuse, Zylinderlaufbuchse und Kolben,

Fig. 2 den Ausschnitt aus Fig. 1 ohne Kolben mit Darstellung von mechanischen und thermischen Größen,

Fig. 3 einen Ausschnitt eines Gießwerkzeuges zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses,

Fig. 4 eine dreidimensionale Ansicht eines Ausschnittes eines Gießwerkzeuges mit einer Pinole und einer Zylinderlauf­ buchse.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem Hubkolbenmotor 1 im Be­ reich eines Zylinderkurbelgehäuses 2 (Kurbelgehäuse) mit einer Zylinderbohrung 7 dargestellt. Die Zylinderbohrung 7 ist axial teilweise durch eine Zylinderlaufbuchse 4 gebildet, die in das Kurbelgehäuse 2 eingegossen ist. In der Zylinderbohrung 7 wird ein Kolben 6 geführt, der über ein Pleuel 8 mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden ist. Der Kolben 6 streift bei seiner Bewegung mit Kolbenringen 10 bis 10" die Zylinder­ lauffläche 14. Im oberen Bereich der Fig. 1 weist das Kurbelge­ häuse eine Trennfläche 12 zu einem nicht dargestellten Zylin­ derkopf auf.

Die Zylinderlaufbuchse 4 verläuft in der Zylinderbohrung 7 so­ weit, bis der unterste Todpunkt des untersten Kolbenringes um 5 mm überschritten ist. Die Oberfläche der Zylinderlaufbuchse 4 bildet in diesem Bereich die Zylinderlauffläche 14. 5 mm unter­ halb des unteren Todpunktes 11 des untersten Kolbenrings 10 wird die Zylinderlauffläche 14' durch das Material des Kurbel­ gehäuses gebildet.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Maßnahme im Zylinder­ kurbelgehäuse wird an Hand der Fig. 2 erläutert. In Fig. 2 ist der bis zu einer angrenzenden Zylinderlaufbuchse 4' erweiterte Ausschnitt des Zylinderkurbelgehäuses 2 mit Ausnahme des Kol­ bens 6 dargestellt. In der Zylinderbohrung 7 herrscht ein Tem­ peraturgradient ΔT vor, wobei T1 mit ca. 200°C größer ist als T2 mit ca. 140°C. Das Material der Zylinderlaufbuchse, eine ü­ bereutektische Aluminium-Silizium Legierung mit 25% Silizium (im Folgenden AlSi genannt) weist einen thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten α₁ von ca. 16 × 10^-6 K^-1 auf. Der Ausdeh­ nungskoeffizient α₂ des Aluminiums, das im unteren Bereichs der Zylinderbohrung 7 die Zylinderlauffläche 14' (vgl. Fig. 1) bil­ det, beträgt ca. 23 × 10^-6 K^-1. Der höhere Ausdehnungskoeffi­ zient α₂ des Aluminiums führt bei der niedrigern Temperatur von 140°C zu der nahezu gleichen Ausdehnung wie die Ausdehnung im Bereich der Buchse 4 (200°C mit einer Ausdehnung von 16 × 10^-6 K^-1). Eine konische Verformung der Zylinderbohrung 7 im Be­ triebszustand des Motors wird somit durch die erfindungsgemäße Anordnung verhindert.

Durch die Erfindung ergeben sich zusätzlich weitere Vorteile für den Betrieb des Motors und für die Herstellung des Kurbel­ gehäuses 2. In Fig. 3 ist ein Ausschnitt eines erfindungsgemä­ ßen Gießwerkzeugs 22 mit einem schematischen Verlauf eines Schmelzenstroms 26 eines Gießmetalls dargestellt. Hierbei ist der Abstand zwischen den Buchsen und die Dicke der Buchse stark vergrößert dargestellt. Das Gießmetall ist eine Aluminiumlegie­ rung (AlSi9Cu3), die unter Druck in das Gießwerkzeug 22 gefüllt wird. Der Fluss 26 des Gießmetalls wird in den engen, ca. 3 mm breiten Steg 36 zwischen der Zylinderlaufbuchsen 4, 4' gelei­ tet. In dem engen Bereich des Steges 36 ist die Masse pro Zeit­ einheit der dort bewegten Aluminiumschmelze geringer und mit weniger kinetischen Energie behaftet, als im Bereich des Haupt­ schmelzenstromes 25, über den die Volumenbefüllung des Gieß­ werkzeuges erfolgt.

Würde der Hauptschmelzenstrom 25 direkt mit seiner gesamten ki­ netischen Energie auf die Zylinderlaufbuchse 4 treffen, würde dieser dort abprallen was, zu Lunkern bzw. Hohlräumen unterhalb der Zylinderlaufbuchse 4 oder zum Aufschmelzen der Zylinder­ laufbuchse 4 führen würde. Durch die geringere mechanische und thermische Belastung der Zylinderlaufbuchse im erfindungsgemä­ ßen Gießwerkzeug ist es möglich, die Wandstärke der Zylinder­ laufbuchse gegenüber herkömmlichen Zylinderlaufbuchse deutlich zu reduzieren. Weiterhin wird der Füllquerschnitt im unteren Stegbereich größer. Die Folge ist eine größere Metallmenge pro Zeiteinheit, was zu geringeren Temperaturverlusten und damit zu besseren Anschmelzen der Buchse führt.

Die Zylinderlaufbuchse 4 wird durch eine Nase 32 gegen eine o­ bere Wand 40 des Gießwerkzeugs 22 gedrückt. Die Nase 32 ist an einer Unterseite 42 des Gießwerkzeugs 22 befestigt. Die Pinole 24 weist eine Vertiefung 34 auf, die beim Schließen des Gieß­ werkzeuges 22 und bei der Positionierung der Pinole 24 die Nase 32 teilweise aufnimmt. Ein kleinerer Teil der Nase 32 steht be­ züglich der Pinole 24 radial hervor und bildet den Stützbereich 36 für die Zylinderlaufbuchse 4.

Der Stützbereich 36 ist so breit gewählt, dass die Vertiefung, die er im gegossenen Kurbelgehäuse verursacht, durch nachträg­ liches Bearbeiten ausgleichbar ist. Die Vorteile dieser Anord­ nung besteht darin, dass die Nase so groß dimensioniert werden kann, dass sie während des Gießprozesses nicht abbricht oder andersartig beschädigt wird und darin, dass sie in der Geomet­ rie des Kurbelgehäuses nicht abgebildet wird.

In Fig. 4 ist die Anordnung der Nase 32 und deren stützende Wirkung auf die Zylinderlaufbuchse 4 an Hand eines dreidimensi­ onalen Ausschnittes eines Gießwerkzeuges 22 veranschaulicht. Die Nase 32 ist in einer, in Fig. 4 nicht sichtbaren Vertiefung versenkt. Beim Öffnen des Gießwerkzeuges 22 und dem Entformen des Zylinderkurbelgehäuses wird die Pinole 24, die eine leicht konische Form aufweist, in Richtung des Pfeils 44 aus der Zy­ linderlaufbuchse 4 bewegt.

Durch die gestrichelte Linien ist eine Zylinderlaufbuchse 28 nach herkömmlicher Bauart angedeutet, die direkt dem Schmelzen­ strom ausgesetzt ist. Durch eine Fase 29 wird in der herkömmli­ chen Anordnung ein Ablenken des Hauptschmelzenstroms 25 verhin­ dert.

Durch das erfindungsgemäße Gießwerkzeug 22, das die bezüglich der Pinole 24 verkürzte Zylinderlaufbuchse 4 umfasst, werden die bereits beschriebenen Vorteile zu Vermeidung des Konuses in der Zylinderbohrung erzielt, zudem wird die Anbindung zwischen der Zylinderlaufbuchse 4 und dem Kurbelgehäuse 2 verbessert.

Die nahezu rechtwinklige Unterkante 15 der Zylinderlaufbuchse 4 (vgl. Fig. 2) bewirkt im Betriebszustand des Motors 1 zudem, dass die wirkende Kraft F nahezu vollständig durch das Kurbel­ gehäuse 2 aufgenommen wird. Würde die Zylinderlaufbuchse eine Fase 29 aufweisen, wie die in Fig. 3 gestrichelt dargestellte Zylinderlaufbuchse 28, würde dies zu einer radialen Kraftkompo­ nente in Richtung des Zentrums der Zylinderbohrung führen. Dies kann wiederum eine konische Verformung der Zylinderlauffläche 14 zur Folge haben. Die Buchse ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung vor einem Setzen in der dargestellten Kraftrich­ tung F geschützt. Zur Vermeidung dieser Radialbewegung der Buchse trägt auch die durch das erfindungsgemäße Gießwerkzeug 22 erzielte bessere Anbindung zwischen der Zylinderlaufbuchse 4 und dem Kurbelgehäuse 22 bei.

Eine weiterer Vorteil besteht in einer, gegenüber dem Stand der Technik besseren Abschirmung eines Wassermantels, der in Fig. 2 exemplarisch und simplifiziert durch eine Kühlbohrung 18 zwi­ schen den Zylinderlaufbuchsen 4 und 4' dargestellt ist und ei­ nem Ölraum 16. Durch die bessere Anbindung zwischen Zylinder­ laufbuchse 4 und dem Kurbelgehäuse 2 werden mikroskopische Spalte 20 (die die Funktionalität an sich nicht beeinflussen) reduziert. Wasser, das durch die Bohrung 18 läuft und unter Um­ ständen in die Spalte 20 gelangen kann, wird durch die nahezu rechtwinklige Unterkante 15 der Buchse 4 daran gehindert, in den Ölraum 16 einzudringen.

Neben den bisher genannten funktionalen Vorteilen der Erfin­ dung, führt die erfindungsgemäße Verkürzung der Zylinderlauf­ buchse zu einer Reduktion der Bauteilkosten, die auf den gerin­ geren Materialverbrauch zurückzuführen ist.

Claims (2)

1. Gießwerkzeug (22) zur Herstellung eines Zylinderkurbelge­ häuses (2) mit mindestens einer Zylinderbohrung (7) und mindestens einer Zylinderlaufbuchse (4, 4'), wobei das Gießwerkzeug (22) mindestens eine, durch Schieber bewegbare Pinole (24, 24') aufweist, die zur Darstellung der Zylin­ derbohrung (7) dient, auf der Pinole (24, 24') die Zylin­ derlaufbuchse (4, 4') aufgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Zylinderlaufbuchse (4, 4') die Pinole (24, 24') in axialer Richtung maximal 85% überdeckt und
dass die Zylinderlaufbuchse (4, 4') auf der Pinole (24, 24') durch mindestens eine Nase (32) fixiert ist.

2. Gießwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Nase (32) teilweise in einer Aus­ sparung (34) der Pinole (24, 24') versenkt ist und teilwei­ se einen Stützbereich (36) für die Zylinderlaufbuchse (4, 4') bildet.