AT500842B1 - Zylinder-kurbelgehäuse für eine brennkraftmaschiene - Google Patents

Description

Γ 2 ΑΤ 500 842 Β1

Die Erfindung betrifft ein Zylinder-Kurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine in Leichtbauweise mit zumindest einem in eine Außenstruktur eingegossenen Eingussstück, wobei vorzugsweise Außenstruktur und Eingussstück aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, mit zumindest einer Hauptlagerwand zur Abstützung der Kurbelwelle, wobei zumindest eine Hauptlagerwand 5 zumindest teilweise durch das Eingussstück gebildet ist.

Brennkraftmaschinen mit hohem Verbrennungsdruck, insbesondere Diesel-Brennkraftmaschinen, weisen aus Festigkeitsgründen einen hohen Anteil an Eisenwerkstoffen und somit ein relativ hohes Gewicht auf. Verschiedene Ansätze zur Reduzierung des Gewichtes sind bekannt. 10

Aus der AT 002 544 U1 ist ein Zylinder-Kurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine mit einer Zylinderblock und Kurbelwellenlagerwände beinhaltenden Tragstruktur und eine diese zum Teil umgebende Außenstruktur bekannt, wobei die Tragstruktur und die Außenstruktur aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Die Tragstruktur und die Außenstruktur spannen dabei im 15 Bereich des Zylinderblockes einen Kühlwasserraum auf. Um Gewicht einzusparen, ist die Außenstruktur durch vorgeformte, schalenartige und dünnwandige Verkleidungsteile gebildet.

Weiters ist aus der EP 0 554 575 B1 eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der ein Zylinderbüchsenblock in einem Zylinderblockkörper eingegossen ist. Der Zylinderbüchsenblock ist dabei 20 aus einem Material geformt, welches eine größere Festigkeit aufweist, als das um den Zylinderbüchsenblock gegossene Material. Der Zylinderbüchsenblock übernimmt hier die Tragfunktion für die Abstützung der Zündkraft und der Kolben.

Aus der DE 1 751 919 A ist ein Zylinderblock mit Kurbelgehäuse bekannt, bei dem der Kurbel-25 trieb durch ein getrennt herzustellendes Formteil aus Blech oder Kunststoff besteht. Zylinderblock und Lagerkörper, die die Lagerschalen aufnehmen, sind aus einem Gussteil hergestellt.

Die GB 2 147 662 A beschreibt einen Zylinderblock einer Brennkraftmaschine mit einem skelettartigen Tragrahmen aus Metall und einer diese umgebenden Außenstruktur aus Kunststoff. 30 Der Tragrahmen beinhaltet die gesamten Hauptlagerwände und um eine Grundplatte angeordnete hohlzylindrische Säulen zur Aufnahme der Zylinderkopfschrauben, welche sich zwischen der Hauptlagerebene und der Zylinderkopfebene erstrecken. Da die die Stützkräfte für die Kurbelwelle aufnehmenden Hauptlagerwände zur Gänze durch den massiven Tragrahmen gebildet sind, wird das Einsparungspotential an Gewicht aber nicht voll ausgenützt. 35

Durch die bekannten Zylinder-Kurbelgehäuse aus verschiedenen Werkstoffen lässt sich bereits eine gewisse Gewichtsreduktion erzielen.

Die DE 198 10 464 C1 zeigt ein Zylinder-Kurbelgehäuse mit einer Außenstruktur aus Leichtme-40 tall und Eingussteilen mit einem hohen E-Modul. Die AT 003.675 U1 beschreibt ein ähnliches Zylinder-Kurbelgehäuse, bei welchem Eingussteile aus Stahlguss oder aus Gusseisen in einer Außenstruktur aus Leichtmetall eingegossen sind.

Aus der AT 003.760 U1 ist ein Zylinder-Kurbelgehäuse mit in eine Außenstruktur eingegosse-45 nen Eingussteilen bekannt, wobei die Eingussstücke einstofflich mit den Lagerbügeln ausgebildet und die Lagerbügel durch einen Bruchtrenn-Vorgang von den Eingussstücken getrennt sind.

Aus der EP 0 952 325 A2 ist es bekannt, Metallschaum für Teile eines Kurbelgehäuses einzusetzen. Auch die DE 199 12 329 A1 beschreibt ein Gussbauteil aus Leichtmetall mit einer mit so dem Gusswerkstoff verbundenen Metallschaum-Einlage. Dabei weist das als Gussbauteil ausgebildete Maschinengehäuse ein mit der Metallschaum-Einlage gefülltes Hohlprofil zur Gehäuse-Versteifung auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit möglichst geringem Fertigungsaufwand geringes Gewicht bei 55 hohen Zylinderdrücken zu erreichen. Eine weiter Aufgabe ist es, die Schallabstrahlung mög- 3 AT 500 842 B1 liehst gering zu halten.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Außenstruktur durch Leichtmetallschaum gebildet ist. Durch die aus Leichtmetallschaum, vorzugsweise aus Aluminiumschaum bestehen-5 de Außenstruktur kann das Gewicht des Zylinder-Kurbelgehäuses wesentlich reduziert werden. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass das Eingussstück als vorzugsweise einteiliger Skelettkern ausgebildet ist. Der Skelettkern umfasst dabei vorteilhafter Weise die Hauptlagenwände und die Zylinderlaufbuchsen. io Um eine möglichst hohe Steifigkeit zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn der Skelettkern im Bereich der Kurbelgehäuseschürze eine Rippenstruktur, vorzugsweise eine Kreuzrippenstruktur aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Eingussstück aus topolo-15 gieoptimierten ADI-Gusswerkstoff (Austempering Ductile /ron) besteht. Der Skelettkern wird im vorbereiteten Zustand mittels pulvermetallurgischen Verfahren in den Leichtmetallschaum eingegossen. Dieser Schaummantel wird beschichtet und dient so als gas- und flüssigkeitsdichter Mantel. Durch die hervorragenden Dämpfungseigenschaften des Leichtmetallschaums wird das durch das Zylinder-Kurbelgehäuse abgestrahlte Geräusch reduziert. 20

Dabei kann vorgesehen sein, dass der Skelettkern einen die Zylinder umgebenden Kühlwassermantel ausbildet.

In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kühlwassermantel zu-25 mindest teilweise von einem Ölraum umgeben ist, wobei vorzugsweise der Ölraum zur Gänze in das Zylinder-Kurbelgehäuse integriert ist, wobei besonders vorzugsweise der Ölraum in die Außenstruktur eingeformt ist. Diese Ausführung eignet sich besonders für eine Trockensumpfschmierung, da die Ölräume als Ölbehälter für das Schmieröl dienen. Durch den doppelten Flüssigkeitsmantel um die Zylinder kann eine weitere Reduzierung der Schallabstrahlung er-30 reicht werden. Ein weiterer Vorteil der Konstruktion ist es, dass anstelle einer Ölwanne eine struktursteife Trockensumpfwanne von geringer Bauhöhe am Zylinder-Kurbelgehäuse befestigt sein kann, wodurch die Bauhöhe der Brennkraftmaschine sehr gering gehalten werden kann. Die Trockensumpfwanne kann als struktursteifer Bauteil ausgeführt sein. 35 Alternativ dazu ist es auch möglich, dass an dem Eingussstück ein die Hauptlagerschalen aufweisender Leiterrahmen befestigt ist.

Um eine sichere Montage der Ölwanne, der Trockensumpfwanne, oder von eventuellen Aggregaten an einem Befestigungsflansch des Zylinder-Kurbelgehäuses zu ermöglichen, ist es vor-40 teilhaft, wenn der vorzugsweise aus Eisenwerkstoff bestehende Befestigungsflansch in der anschließenden Außenstruktur eingebettet ist. Ölwanne oder Trockensumpfwanne können zur Verbesserung des akustischen Verhaltens zumindest teilweise aus Leichtmetallschaum gefertigt sein, wobei es vorteilhaft ist, wenn inner-45 halb der Leichtmetallstruktur eine dünne Kunststoffinnenwanne angeordnet ist, welche am oberen Rand auch die Funktion der Dichtung zum Zylinder-Kurbelgehäuse übernehmen kann.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. so Es zeigen Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Zylinder-Kurbelgehäuse in einer ersten Ausführungsvariante in einem Schnitt in einer Schrägansicht, Fig. 2 ein Eingussstück in einer Schrägansicht, Fig. 3 das Zylinder-Kurbelgehäuse in einem Schnitt gemäß der Linie lll-lll in Fig. 4, Fig. 4 das Zylinder-Kurbelgehäuse in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 3, Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Zylinder-Kurbelgehäuse in einer zweiten Ausführungsvariante in einer geschnittenen 55 Schrägansicht, Fig. 6 dieses Zylinder-Kurbelgehäuse in einem Querschnitt analog zur Fig. 3 4 AT 500 842 B1 und Fig. 7 einen Flansch mit Wurzelstruktur.

Das Zylinder-Kurbelgehäuse 1 ist in Leichtbauweise ausgeführt und weist eine Außenstruktur 2 aus Leichtmetallschaum, beispielsweise aus Aluminiumschaum oder Magnesiumschaum, auf. 5 In die Außenstruktur 2 ist ein im Ausführungsbeispiel für alle Zylinder einteiliges Eingussstück 4 eingegossen, welches einen Skelettkem 5 bildet. Der Skelettkern 5 bildet die Hauptlagerwände 3, die Zylinderlaufbuchsen 6 und einen diese umgebenden Kühlwassermantel 7 aus, welcher in das Eingussstück 4 eingeformt ist. io Der Skelettkern 5 weist im Bereich der Kurbelgehäuseschürze zur Strukturversteifung Kreuzrippen 9 auf, welche in der Außenstruktur 2 eingebettet sind.

Der Skelettkern 5 besteht vorteilhafter Weise aus topologieoptimierten ADI-Gusswerkstoff (Austempering Ductile /ron). Die Optimierung zielt auf ein Maximum an Steifigkeit bei einem 15 Minimum an Material. Im Bereich der Hauptlagerwände 3 sowie der Zylinderlaufbuchsen 6 und der Außenwand des Kühlwassermantels 7 kann der Guss voll ausgeführt werden. In allen anderen Bereichen des Zylinder-Kurbelgehäuses 1 wird auf ein Minimum an Masse geachtet.

Zur Verbesserung der Steifigkeit der Brennkraftmaschine sind die Hauptlagerdeckel 10 als 20 Leiterrahmen 11 ausgeführt. Ziel einer Optimierung dieses Bauteils ist eine möglichst steife Ausführung der Hauptlager bei geringem Gewicht.

Der Skelettkern 5 wird im vorbearbeiteten Zustand in pulvermetallurgischen Verfahren in den Leichtmetallschaum der Außenstruktur 2 eingegossen. Dieser Leichtmetallschaummantel wird 25 beschichtet und dient so als gas- und flüssigkeitsdichter Mantel. Durch die hervorragenden Dämpfungseigenschaften des Leichtmetallschaums wird das durch den Motorblock abgestrahlte Geräusch reduziert.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Ausführungsvariante eines Zylinder-Kurbelgehäuses 1, wobei in 30 die Außenstruktur 2 beidseits des Kühlwassermantels 7 Ölräume 16 eingeformt sind. Die Ölräume 16 dienen einerseits der Verbesserung des akustischen Verhaltens und haben andererseits den Vorteil, dass durch den Kühlwassermantel 7 das Öl besser gekühlt wird. Um die Kühlung des Öles zu verbessern, weisen die Ölräume 16 an den Skelettkern 5 im Bereich des Kühlwassermantels 7 grenzende Fenster 17 auf. Die Trennwand zwischen Ölraum 16 und 35 Kühlwassermantel 7 ist vorzugsweise hinsichtlich des Wärmeaustausches Öl-Wasser optimiert und kann dafür auch aus entsprechenden Materialien gefertigt sein. Für etwaige Anbauteile sind ebenfalls eingegossene Befestigungsflansche vorgesehen. Die Einleitung der Kräfte muss dabei großflächig erfolgen. Außerdem dürfen zwischen eingegosse-40 nen Flanschen und dem inneren Skelett keine akustischen Brücken bestehen. Zur besseren Einleitung der Kräfte in die Befestigungsflansche können Auflageflächen in die Außenstruktur eingebettet sein.

Weiters können Befestigungsflansche 12 aus Eisenwerkstoff bestehen, wobei zur Verankerung 45 im Leichtmetallschaum der Außenstruktur 2 an den Befestigungsflanschen 12 Wurzelstrukturen 13 vorgesehen sind, die die Kräfte in die Außenstruktur 2 einleiten, wie in Fig. 7 angedeutet ist.

Am Befestigungsflansch 12 des Zylinder-Kurbelgehäuses 1 ist eine Ölwanne 14 oder eine Trockensumpfwanne 15 aus Leichtmetallschaum und einer Innenwanne 14a, 15a aus Kunst-50 Stoff befestigt. Im Falle einer struktursteif ausgeführten Trockensumpfwanne 15 kann auf einen Leiterrahmen 11 eventuell verzichtet werden. In diesem Falle sind die Hauptlagerdeckel 10 einteilig mit der Trockensumpfwanne 15 ausgeführt. 55

Claims (12)

1. 5 AT 500 842 B1 Patentansprüche: I. Zylinder-Kurbelgehäuse (1) für eine Brennkraftmaschine in Leichtbauweise mit zumindest einem in eine Außenstruktur (2) eingegossenen Eingussstück (4), wobei vorzugsweise 5 Außenstruktur (2) und Eingussstück aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, mit zumin dest einer Hauptlagerwand (3) zur Abstützung der Kurbelwelle, wobei zumindest eine Hauptlagerwand (3) zumindest teilweise durch das Eingussstück (4) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenstruktur (2) durch Leichtmetallschaum gebildet ist. io 2. Zylinder-Kurbelgehäuse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingussstück (4) als vorzugsweise einteiliger Skelettkern (5) ausgebildet ist.
2. 3. Zylinder-Kurbelgehäuse (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Skelettkern Hauptlagerwände (3) und Zylinderlaufbuchsen (6) ausbildet. 15
3. 4. Zylinder-Kurbelgehäuse (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Skelettkern (5) zumindest im Bereich der Kurbelgehäuseschürze eine Rippenstruktur, vorzugsweise eine Kreuzrippenstruktur (9) aufweist.
4. 5. Zylinder-Kurbelgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Skelettkern (5) einen die Zylinderlaufbuchsen (6) umgebenden Kühlwassermantel (7) ausbildet.
5. 6. Zylinder-Kurbelgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, 25 dass das Eingussstück (4) aus topologieoptimiertem ADI-Gusswerkstoff besteht.
6. 7. Zylinder-Kurbelgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenstruktur (2), zumindest an ihrer Außen- oder Innenseite, eine gas- und/oder flüssigkeitsdichte Beschichtung aufweist. 30
7. 8. Zylinder Kurbelgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Skelettkern (5) mittels eines pulvermetallurgischen Verfahrens in die Außenstruktur (2) eingegossen ist.
8. 9. Zylinder-Kurbelgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwassermantel (7) zumindest teilweise von zumindest einem Ölraum (16) umgeben ist, wobei vorzugsweise der Ölraum (16) zur Gänze in das Zylinder-Kurbelgehäuse (1) integriert ist.
9. 10. Zylinder-Kurbelgehäuse (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölraum (16) in die Außenstruktur (2) eingeformt ist. II. Zylinder-Kurbelgehäuse (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölraum (16) zumindest ein an den Skelettkern (5) im Bereich des Kühlwassermantel (7) grenzen- 45 des Fenster (17) aufweist.
10. 12. Zylinder-Kurbelgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Eingussstück (4) ein die Hauptlagerschalen aufweisender Leiterrahmen (11) befestigt ist. 50
11. 13. Zylinder-Kurbelgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenstruktur (2) eine Ölwanne (14) oder Trockensumpfwanne (15) befestigt ist.
12. 14. Zylinder-Kurbelgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit zumindest einem 6 AT 500 842 B1 Befestigungsflansch (12) zum Befestigen einer Ölwanne (14) oder Trockensumpfwanne (15), eines Aggregates oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass der vorzugsweise aus Eisenwerkstoff bestehende Befestigungsflansch (12) in der anschließenden Außenstruktur (2) eingebettet ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55