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Die Erfindung betrifft ein Zylinder-Kurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine mit einer Zy- linderblock-und Kurbelwellenlagerwände beinhaltenden Tragstruktur, mit einer diese zum Teil umgebenden und mit ihr verbundenen Aussenstruktur, wobei die Tragstruktur und die Aussenstruktur aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen und im Bereich des Zylinderblockes einen Kühlwasserraum aufspannen.
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinder-Kurbelgehäuses.
Aus der EP 0 554 575 B l ist eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art bekannt, bei der ein Zylinderbuchsenblock in einem Zylinderblockkörper eingegossen ist. Der Zylinderbuchsenblock ist dabei aus einem Material geformt, welches eine grössere Festigkeit aufweist, als das um den Zylinderbuchsenblock gegossene Material. Die Herstellung dieses in Mehrstofftechnik ausgeführten Zylinder-Kurbelgehäuses erfolgt derart, dass ein vorgeformter Zylinderbuchsenblock unter Verwendung von Bohrkernen für den Zylinder und die Kühlwasserräume in eine Gussform für die Aussenstruktur gehängt wird und der Raum zwischen dem Zylinderbuchsenblock und der Metallform durch ein geschmolzenes Metall ausgegossen wird.
Dadurch sollen Grösse, Gewicht und Kosten des Zylinderblockes verringert werden. Der Zylinderbuchsenblock übernimmt hier zwar die Tragfunktion für die Abstützung der Zündkraft und der Kolben. Durch die gusstechnisch hergestellte Aussenstruktur ist aber eine relativ grosse Wandstärke der Aussenstruktur erforderlich. Die Aussenstruktur weist darüber hinaus noch Anschlussflächen für angrenze Bauteile, wie Zylinderkopf oder Ölwanne auf, sodass auch aus Festigkeitsgründen die Wandstärke der Aussenstruktur eine Mindeststärke nicht unterschreiten darf. Ein weiterer Nachteil dieser im Mehrstofftechnik hergestellten Zylinder-Kurbelgehäuses ist, dass die Recyclierung der Materialien eher aufwendig ist.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art das Gewicht weiter zu reduzieren.
Erfindungsgemäss ist dazu vorgesehen, dass die Aussenstruktur durch vorgeformte, schalenartige und dünnwandige Verkleidungsteile gebildet ist. Die Funktionen der Tragstruktur und der Aussenstruktur sind dabei weitgehend voneinander getrennt. Die Tragstruktur hat die Aufgabe der Führung der Zündkraft und der Kolben und der Weiterleitung der Kräfte in die Kurbelwelle, sowie der Abstützung von Reaktionskräften. Die Aussenstruktur dagegen übernimmt die Dichtfunktion nach aussen und kann festigkeitsmässig viel kleiner dimensioniert werden, als die Tragstruktur. Im Idealfall kann die Aussenstruktur auf eine Aussenhaut reduziert werden. Durch die dünnwandige Ausführung der Aussenstruktur können thermische Spannung-un Dehnungsunterschiede zwischen Tragstruktur und Aussenstruktur weitgehend vermieden werden.
Die Trennung der Stoffe der Trag- und der Aussenstruktur ist beim Recycling mit geringem Aufwand möglich.
In einer sehr vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Aussenstruktur durch das Giessen der Tragstruktur unlösbar mit dieser verbunden ist. Die Herstellung
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des Zylinder-Kurbelgehäuses erfolgt dabei dadurch, dass vorzugsweise durch Blech gebildete, vorgeformte schalenartige und dünnwandige Verkleidungsteile im Bereich der Gehäuseseitenwände in eine Gussform für das Zylinder-Kurbelgehäuse eingelegt und anschliessend mit Gusseisen umgossen werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Tragstruktur Anschlussflansche und/oder Butzen für an den Zylinderblock angrenzende Bauteile, wie Zylinderkopf, Leiterrahmen, Ölwanne od. dgl., aufweist. Die Angriffsflächen für die dominierenden Kräfte am Motor werden somit durch die Tragstruktur gebildet. Die Aussenstruktur übernimmt lediglich die flüssigkeitsdichte Abgrenzung gegenüber der Umgebung.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn die Aussenstruktur im Bereich einer Kurbelgehäuseschürze des Zylinder-Kurbelgehäuses Durchtritte aufweist, und von der Tragstruktur im Bereich der Durchtritte durchdrungen ist, wobei vorzugsweise die Tragstruktur im Bereich der Durchtritte Verstärkungsrippen ausbildet. Die vor dem Einlegen in die Gussform in die Verkleidungsteile geformten Durchtritte werden beim Gussvorgang vom flüssigen Gusseisen durchflossen.
Dadurch wird einerseits eine feste Bindung zwischen Tragstruktur und Aussenstruktur erreicht, wobei das flüssige Gussmaterial der Tragstruktur mit dem Material der Aussenstruktur beim
Giessvorgang verschweissen kann. Andererseits können genau definierbare Bereiche des
Zylinder-Kurbelgehäuses, beispielsweise im Bereich der Kurbelgehäuseschürzen, versteift werden. Zusätzlich oder anstelle der Durchtritte kann vorgesehen sein, dass vor dem Einlegen in die Gussform an definierten Stellen Butzen, Rippen, Kanäle od. dgl. an die Verkleidungs- teile angeformt oder mit diesen mitgeformt werden. Im Fall von Stahlblech werden die Butzen oder Rippen zweckmässiger Weise angeschweisst. Bei Blech-Verkleidungsteilen aus
Aluminium oder Magnesium können durch günstige Umformtechnik diese Anbaukompo- nenten mitgeformt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Tragstruktur im Bereich der
Kurbelgehäuseschürze vorzugsweise in der Kurbelwellenlagerwandebene, Rippen aufweist, welche sich vom Bereich des Zylinderblockes bis zu einem unteren Anschlussflansch für eine Ölwanne oder einen Leiterrahmen erstrecken. Zwischen den Rippen ist dabei die Tragstruktur ausgenommen. Dadurch lässt sich in diesem Bereich eine erhebliche Gewichtsreduktion erzielen.
In einer weiteren, äusserst vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Aussen- struktur grösstenteils von der Tragstruktur beabstandet ist und mit dieser nur in Bereichen von durch die Tragstruktur gebildeten Befestigungsflanschen oder Rippen verbunden ist. Die
Aussenstruktur kann dabei vorzugsweise durch Verschraubungen lösbar mit der Tragstruktur verbunden sein, wodurch beispielsweise verschlissene, bzw. gealterte Teile einfach gewech- selt werden können. Genauso ist es denkbar, die Aussenstruktur durch Vernieten an der
Tragstruktur zu befestigen. Es kann andererseits aber auch vorgesehen sein, dass die Aussen- struktur und die Tragstruktur unlösbar, also durch Verschweissen oder Verkleben miteinander verbunden sind.
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Die Tragstruktur besteht zweckmässigerweise aus Gusseisen, beispielsweise Gusseisen mit Lamellengraphit (GG) oder Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG) oder aus Gusseisen mit Vermikulargraphit. Selbstverständlich kann die Tragstruktur auch aus Stahlguss bestehen. Die Aussenstruktur besteht vorzugsweise aus einem im Tiefziehverfahren hergestellten Stahlblech, einem Magnesium-Blech oder einem Aluminiumblech.
In einer sehr kostengünstigen und leicht bauenden Variante ist vorgesehen, dass die Aussenstruktur zumindest teilweise aus Kunststoff besteht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemässes Zylinder-Kurbelgehäuse in einer ersten Ausführung gemäss der Linie I-I in Fig. 2, Fig. 2 eine Draufsicht auf das Zylinder-Kurbelgehäuse, Fig. 3 einen Schnitt durch dieses Zylinder-Kurbelgehäuse gemäss der Linie 111-111 in Fig. 2, Fig. 4 eine Untersicht auf das Zylinder-Kurbelgehäuse, Fig. 5 eine Seitenansicht auf das Zylinder-Kurbelgehäuse, Fig. 6 einen Längsschnitt durch das Zylinder-Kurbelgehäuse gemäss der Linie VI-VI in Fig. 1, Fig. 7 einen Schnitt durch das Zylinder-Kurbelgehäuse gemäss der Linie VII-VII in Fig. 3, Fig. 8 das Detail VIII aus Fig. 7, Fig. 9 einen weiteren Schnitt durch das Zylinder-Kurbelgehäuse gemäss der Linie IX-IX in Fig. 1, Fig. 10 einen Schnitt durch ein Zylinder-Kurbelgehäuse in einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung, die Fig.
11 a, 11 b, llc und l Id das Detail XI aus Fig. 10 in vier Variationen.
Funktionsgleiche Bauteile sind in den Ausführungsvarianten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das Zylinder-Kurbelgehäuse l besteht aus einer Tragstruktur 2 und einer Aussenstruktur 3.
Die gegossene Tragstruktur 2 beinhaltet einen einheitlichen Zylinderblock 4 für mehrere Zylinder 5 samt mit diesem einteilig ausgebildeten Kurbelwellenlagerwänden 6. Auch grössere Kräfte übertragende Anschlussflansche 7,8 für benachbarte Bauteile im Bereich der Zylinderkopfdichtebene 7a für einen nicht dargestellten Zylinderkopf und/oder im Bereich der Kurbelgehäuseschürze 9 für an das Zylinder-Kurbelgehäuse 1 nach unten anschliessende nicht weiter dargestellte Gehäuseteile, beispielsweise Leiterrahmen oder Ölwannen, werden durch die Tragstruktur 2 gebildet. Auch die Zylinderkopfbohrungen 25 zur Aufnahme von nicht weiter dargestellten Zylinderkopfschrauben sind in der Tragstruktur 2 vorgesehen.
Die Aussenstruktur 3 ist mit der Tragstruktur 2 fest verbunden und bildet eine flüssigkeitsdichte Abgrenzung zur Umgebung. Im Bereich des Zylinderblockes 4 spannen die Tragstruktur 2 und die Aussenstruktur 3 einen die Zylinder 5 umgebenden Kühlwasserraum 10 auf.
Die Tragstruktur 2 besteht-je nach Anforderung - aus Stahlguss oder aus Gusseisen mit Lamellengraphit (GG), mit Kugelgraphit (GGG) oder mit Vermikulargraphit (GGV). Die Aussenstruktur 3 wird durch vorgeformte, schalenartige und dünnwandige Verkleidungsteile 11 gebildet, welche aus tiefgezogenem Stahlblech, Aluminiumblech oder Magnesiumblech bestehen können. Insbesondere bei der im folgenden noch beschriebenen zweiten Ausführungsvariante können die Verkleidungsteile 11 auch aus Kunststoff bestehen.
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Bei der in den Fig. 1 bis 9 dargestellten ersten Ausführungsvariante der Erfindung sind die Verkleidungsteile 11 durch das Giessen der Tragstruktur 2 unlösbar mit dieser verbunden. Die Herstellung des Zylinder-Kurbel gehäuses 1 erfolgt dabei derart, dass die durch Blech gebildeten Verkleidungsteile 11 im Bereich der späteren Gehäuseseitenwände la in die Gussform für das Zylinder-Kurbelgehäuse 1 eingelegt und anschliessend mit dem die Tragstruktur 2 formenden Gusseisen umgossen werden. Vor dem Einlegen in die Gussform können in die Verkleidungsteile 11, beispielsweise im Bereich der Kurbelgehäuseschürze 9, Durchtritte 12 eingearbeitet werden, durch welche beim Gussvorgang das flüssige Gusseisen fliesst und dadurch den entsprechenden Verkleidungsteil 11 im Bereich des Durchtrittes 12 beidseitig umschliesst (Fig. 4,7, 8).
Zusätzlich oder anstelle der Durchtritte 12 können vor dem Einlegen in die Gussform bereits Butzen 16, Rippen, Kanäle 17 oder ähnliche konstruktive Elemente zur Strukturversteifung oder zum Anschluss von die Aussenstruktur 3 nur in geringem Ausmasse belastenden Hilfsteilen oder zur Führung von Öl oder Külwasser angeformt sein. Bestehen die Verkleidungsteile 11 aus Stahlblech, werden diese Elemente zweckmässigerweise angeschweisst. Bei Aluminium-oder Magnesiumblechen können durch die günstigere Umformtechnik diese Anbaukomponenten gleich mitgeformt sein.
Die Butzen 16 können andererseits auch an die Tragstruktur 2 angeformt sein. In diesem Fall weist die Aussenstruktur 1 im Bereich der Butzen 16 Durchtritte auf, die von den Butzen 16 durchdrungen werden.
Durch die Verkleidungsteile 11 werden hauptsächlich die Gehäuseseitenwände la geformt.
Diese ragen dabei so weit wie möglich in die Stirnwände des Zylinder-Kurbelgehäuses 1. Mit dem beschriebenen Anform- bzw. Mitformschritt können auch Teile des Getriebeflansches, der Wasserpumpe oder der Ölversorgung etc. gebildet werden. Die Durchtritte 12 können beispielsweise durch Stanzen gebildet sein und ermöglichen das Ausfliessen des Gusseisens in die spätere Sandform. Das flüssige Gusseisen wird somit mit dem Blech an den vorgesehenen
Stellen verschweisst.
Bei der Materialwahl für Tragstruktur 2 und Aussenstruktur 3 sollte beachtet werden, dass nur
Materialien gepaart werden, die sich chemisch binden bzw. die verschweissen.
Wie aus den Fig. 1 bis 9 hervorgeht, weist die Tragstruktur 2 im Bereich der Kurbelgehäuse- schürze 9 Rippen 13 auf, welche sich vom Zylinderblock 4 bis zum Anschlussflansch 8 er- strecken. Die Rippen 13 sind dabei nur im Bereich der Kurbelwellenlagerebene 6a vorgese- hen. Die Rippen 13 dienen dabei als Träger für den Anschlussflansch 8 und als Versteifung der
Aussenstruktur 3 im Bereich der Kurbelgehäuseschürze 9. Zwischen den Rippen 13 grenzt die
Innenseite 3a der Aussenstruktur 3 direkt an den Kurbelraum 14. Dies ermöglicht es, das Zy- linderblock-Kurbelgehäuse 1 in extremer Leichtbauweise auszuführen. Die Rippen 13 können im Bereich der Durchtritte 12 vorgesehen und durch das in flüssigem Zustand durch die
Durchtritte 12 beim Giessen durchfliessende Gussmaterial gebildet sein.
In diesen Bereichen ist die Tragstruktur 2 auch in der in Fig. 5 dargestellten Seitenansicht erkennbar.
Im Bereich der Kühlwasserräume 10 weist die Aussenstruktur 3 an- oder eingeformte An- schlussflansche 15 für nicht weiter dargestellte Kühlwasserleitungen auf.
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Eine weitere Materialeinsparung ist möglich, wenn die Kurbelwellenlagerwände 6 in weniger beanspruchten Bereichen Öffnungen 18 bzw. Materialverdünnungen aufweisen. Die Kraftübertragung zwischen Zylinderblock 6 und die Kurbelwellenlager 6b erfolgt dabei hauptsächlich über Stege 19.
Die Fig. 10, lla bis lld zeigen eine zweite Ausführungsvariante der Erfindung, bei der die Aussenstruktur 3 weitgehend von der Tragstruktur 2 beabstandet und nur in von der Tragstruktur 2 gebildeten Befestigungsflanschen 20 mit dieser verbunden ist. Die Verkleidungsteile 11 werden somit erst nach dem Fertigen der Tragstruktur 2 mit dieser verbunden.
Die Verkleidungsteile 11 bilden dabei seitliche Deckel des Zylinder-Kurbelgehäuses 1. Die Verkleidungsteile 11 können - wie Fig. 11 a zeigt - über Schrauben 21 an der Tragstruktur 2 lösbar befestigt sein.
Fig. 11 b zeigt eine Ausführung, bei der die Verkleidungsteile 11 mit der Tragstruktur 2 vernietet sind, wobei mit Bezugszeichen 22 eine Nietverbindung bzw. eine mechanische Kralle oder Dübel angedeutet ist.
Eine unlösbare Verbindung zwischen der Aussenstruktur 3 und der Tragstruktur 2 kann auch durch eine Klebeverbindung (Fig. llc) oder eine Schweissverbindung (Fig. 11 d) hergestellt werden. Die Bezugszeichen 23 bzw. 24 bezeichnen die entsprechende Klebe- bzw. Schweissnaht.
Als mögliche Materialpaarungen für Tragstruktur/Aussenstruktur kommen beispielsweise bei dieser Ausführungsvariante Gusseisen mit Lamellengraphit/Aluminum, Gusseisen mit Vermikulargraphit/Magnesium oder Stahlguss/Kunststoff in Betracht.
Im Vergleich zu einem in Einstofftechnik hergestellten Zylinder-Kurbelgehäuse können etwa 20% an Gewicht eingespart werden.