-
Die
Erfindung betrifft ein im Verbundguss hergestelltes Zylinder-Kurbelgehäuse für Mehrzylinder-Hubkolbenmaschinen
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie ein Verfahren
zur Herstellung eines Zylinder-Kurbelgehäuses für Mehrzylinder-Hubkolbenmaschinen
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16.
-
Ein
derartiges Zylinder-Kurbelgehäuse (ZKG)
für Reihenbrennkraftmaschinen
zeigt beispielsweise die
DE
101 12 132 A1 . Dabei ist der Zylinderliner (das innere
Zylindergehäuse
mit den Zylinderlaufbahnen) mit angeformten Lagerstühlen aus
einer höherfesten
AlSi-Legierung und das umgebende Gehäuse aus einer niedrigerfesten,
spezifisch leichteren Mg-Legierung im Verbundguss hergestellt. Der Vorteil
einer solchen Konstruktion besteht u. a. darin, dass bei einer gewichtsgünstigen
Konstruktion die Gaskräfte
und Triebwerkskräfte
bzw. -momente über den
höherfesten
Zylinderliner mit angeformten Lagerstühlen zuverlässig aufgenommen werden können. Der
gießtechnische
Aufwand zur Herstellung des Zylinderliners mit den angeformten Lagerstühlen ist
jedoch aufgrund zahlreicher Hinterschneidungen relativ hoch; dieser
Aufwand erhöht
sich noch, wenn diese Konstruktion auf eine Hubkolbenmaschine mit mehreren
Zylinderreihen angewendet werden soll.
-
Aus
der
US 5,179,994 A ist
bereits die Herstellung eines Zylinderblocks mit einer Mehrzahl
von Zylinderliner bekannt, bei denen die Zylinderliner vor dem Umgießen beschichtet
werden. Nach diesem Beschichtungsvorgang werden die einzylindrigen
Zylinderliner in eine Gießform
einer Zylinderblockform eingesetzt und anschließend mit dem entsprechenden
Gussmaterial umgossen.
-
Aus
der
US 5,005,469 A ist
eine Zylindereinheit für
eine Reihen-Brennkraftmaschine
bekannt, bei der ein aus mehreren Zylinderbuchsen zusammengesetzter
Zylinderliner in ein umgebendes Gehäuse eingegossen ist.
-
Aus
der
JP 02-049959 A ist
ferner ein einstückiger
Zylinderliner für
eine V-Brennkraftmaschine bekannt.
-
Aus
der
EP 0 744 541 A1 und
aus der
DE 696 11
751 T2 ist ebenfalls jeweils eine Brennkraftmaschine mit
einer einzigen Zylinderreihe bekannt, bei der die einzelnen Buchsen
miteinander verbunden sind.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Zylinder-Kurbelgehäuse für eine Mehrzylinder-Hubkolbenmaschine
bzw. Brennkraftmaschine mit mehreren Zylinderreihen vorzuschlagen,
das bei einer besonders biegesteifen Konstruktion herstellungstechnisch
einfacher ist. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung
eines Zylinder-Kurbelgehäuses
für eine
Mehrzylinder-Hubkolbenmaschine zur
Verfügung
zu stellen, das eine fertigungstechnisch besonders einfache Herstellung
des Zylinder-Kurbelgehäuses
ermöglicht.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen der Patentansprüche
1 und 16 gelöst.
Die weiteren Patentansprüche
enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
dass bei einer mehrere Zylinderreihen aufweisenden Hubkolbenmaschine
(V- oder W-Bauart, etc.) je Zylinderreihe zumindest ein separater
Zylinderliner vorgesehen ist, die im in das Gehäuse eingegossenen Zustand ein
mehrteiliges Zylindereinlegeteil ausbilden, wobei die einzelnen
Zylinderliner vor deren Umgießen
miteinander mittelbar oder unmittelbar verbunden werden. Besonders
vorteilhaft ist es, diese Zylinderliner vor dem Umgießen z. B. über die
Lagerstühle fest
miteinander zu verbinden. Je nach konkreter Ausführungsform können die
Zylinderliner dabei auch durch einzelne Buchsen gebildet sein, wobei
jedoch die Verwendung von Mehrlingsbuchsen bevorzugt ist. Der erfindungsgemäße Vorschlag
zielt also darauf ab, das Zylindereinlegeteil als innere Konstruktion,
die z. B. aus einer höherfesten
Metalllegierung (z. B. Grauguss, übereutektische AlSi-Legierung,
etc.) hergestellt ist, mehrteilig auszubilden, um somit das Gießverfahren
bei hoher Prozesssicherheit wesentlich zu vereinfachen (reduzierte
Werkzeugkosten, kostengünstige
Gießverfahren)
und Hinterschneidungen weitgehendst zu vermeiden. Die Gießverfahren
können
Druckguss, (Niederdruck-)Kokillenguss oder Sandguss sein. Bevorzugt
werden die Teile zumindest an ihren Fügestellen mechanisch bearbeitet
und in genauer Ausrichtung zueinander fest zusammengefügt. Die
Zylinderliner können
ferner bei einer wassergekühlten
Brennkraftmaschine in open-deck- oder closed-deck-Konstruktion mit
einem integrierten Wassermantel ausgeführt sein.
-
Besonders
vorteilhaft können
an zumindest zwei separaten Zylinderlinern Lagerstühle bzw.
Lagerstuhlabschnitte angeformt sein, die im Zusammenwirken die für die Triebwerkslagerung
der Hubkolbenmaschine erforderlichen Querwände bzw. Lagerstühle bilden.
Alternativ dazu können
die Lagerstühle
bzw. Lagerstuhlabschnitte aber auch durch ein vorzugsweise einstückiges Lagerstuhleinlegeteil
gebildet sein, mit dem die einzelnen Zylinderliner vor deren Umgießen ggf.
verbunden werden.
-
Dabei
können
baulich und fertigungstechnisch besonders günstig die Zylinderliner über an den Lagerstühlen bzw.
Lagerstuhlabschnitten ausgebildete Füge- bzw. Trennflächen zu einer Eingießeinheit zusammengefügt sein.
Dies ermöglicht
neben einer einfachen Bearbeitbarkeit der Trennflächen eine
exakte Positionierung der Zylinderliner zueinander und geringe Fügespalte.
-
Zur
Erzielung einer homogenen und gleichmäßigen Spannungsverteilung können ferner
diese Trennflächen
symmetrisch zu den durch die Zylindermittelachsen der Zylinderliner
gebildeten Mittenebenen ausgerichtet sein und in ihrer gedachten
Verlängerung
vorzugsweise die Mittelachsen der Lagergrundbohrungen der Lagerstühle schneiden.
Insbesondere können
bei einer V-Hubkolbenmaschine mit zwei in einem definierten Winkel
zueinander geneigten Zylinderreihen bei an den Zylinderlinern angeformter
Lagerstühlen
bzw. Lagerstuhlabschnitten die Trennflächen mit deren Winkelhalbierenden
zusammenfallen.
-
Die
mit den Zylinderlinern verbundenen Lagerstühle bzw. Lagerstuhlabschnitte
können
an ihren Trennflächen
kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig fest zusammengefügt sein.
So können
die Lagerstuhlabschnitte an ihren Trennstellen geschweißt, insbesondere
lasergeschweißt,
formschlüssig
durch mechanisch eingearbeitete Hinterschneidungen wie z. B. einer
Schwalbenschwanzführung,
und/oder kraftschlüssig
durch Verschrauben, Verstiften oder Verkeilen zusammengefügt sein.
-
Gießtechnisch
vorteilhaft können Wandabschnitte
zwischen den Lagerstühlen
zu den Zylinderbohrungen der Zylinderliner, d. h. im Bereich des
Kurbelraums beim Gießen
der Zylinderliner geschlossen ausgebildet sein. Damit wird beim
Gießen in
einfacher Weise ein Eindringen von Schmelze in die Zylinderbohrungen
vermieden und zudem eine in sich steife und verzugsarme Gestaltung
des Zylinderliners geschaffen. Dieser Bereich ist zudem für ein Nacharbeiten
leicht zugänglich.
-
In
vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung können die Zylinderliner an einer
oberen Trennebene beiderseits der Zylindermittelachsen Schraubenpfeifen
zur festen Verbindung über
Zylinderkopfschrauben mit Zylinderköpfen aufweisen und an ihrer
unteren Trennebene im Bereich der Lagergrundbohrungen über sich
durch Lagerdeckel und die Lagerstühle erstreckende Befestigungsschrauben
fest verbunden sein. Daraus resultiert eine einem Zuganker ähnliche Abstützung zwischen
den auftretenden Triebwerkskräften
und -momenten einerseits und den im Verbrennungsraum unterhalb der
Zylinderköpfe
wirkenden Gaskräften
andererseits.
-
Insbesondere
können
beiderseits der Mittelachse der Lagergrundbohrungen in den Lagerstühlen und
Lagerdeckeln jeweils zwei Befestigungsschrauben vorgesehen sein,
von denen die näher
zur Lagergrundbohrung liegende Befestigungsschraube jeweils senkrecht
zur Trennebene und die zweite Befestigungsschraube jeweils nach
oben außen
geneigt angeordnet ist. Dies trägt
in besonderem Maße
der V-Anordnung der Zylinderreihen Rechnung, mit einer gleichmäßigen Krafteinleitung
von den Lagerstühlen in
die angrenzenden Zylinderliner.
-
Bevorzugt
kann dabei die besagte untere Trennebene derart abgewinkelt hergestellt
sein, dass deren abgewinkelte Abschnitte ebenfalls senkrecht zu
den geneigt angeordneten Befestigungsschrauben verlaufen. Querverspannungen
im Anzugsbereich der Befestigungsschrauben bzw. der Lagerdeckel
zu den Lagerstühlen
werden somit zuverlässig vermieden.
-
Dabei
können
um baulichen Zwängen
Rechnung zu tragen zumindest einige der geneigt angeordneten Befestigungsschrauben
von oben nach unten durch eine Ausformung im Bereich der Lagerstuhlabschnitte
der Zylinderliner in den unteren Lagerdeckel eingeschraubt sein.
-
Zur
Erzielung einer besonders steifen Konstruktion können des weiteren die Lagerdeckel
unterhalb der besagten Trennebene zu einer bed-plate-Konstruktion
zusammengegossen sein. Ferner können
bevorzugt die Zylinderliner mitsamt Lagerstühlen bzw. Lagerstuhlabschnitten
aus einer verschleißfesten,
ggf. übereutektischen
AlSi-Legierung und das umgebende Gehäuse aus einer besonders druckgussfähigen Mg
Legierung hergestellt sein.
-
Durch
die erfindungsgemäße Verfahrensführung ergeben
sich die zuvor in Verbindung mit dem Zylinder-Kurbelgehäuse genannten
Vorteile. Besonders bevorzugt wird das durch Zusammenfügen der Bauteile,
z. B. der Zylinderliner hergestellte mehrteilige, d. h. wenigstens
zweiteilige Zylindereinlegeteil vor dem Umgießen im Bereich eines Lagerdeckels und
einer Lagerstuhl-Trennebene bzw. -Abschlussebene bearbeitet, vorzugsweise
für geringe
Lagetoleranzen überfräst. Weiter
können
in das Zylindereinlegeteil vor dem Umgießen Aufnahmebohrungen für Gießform-Dorne,
insbesondere zur exakten Positionierung in der Gießform, eingebracht
werden. Zudem kann auch auf das Zylindereinlegeteil, insbesondere für eine Verbesserung
der Anbindung zwischen Einsatz und Umguss sowie für eine Verbesserung
der Wärmeabfuhr,
eine Oberflächenschicht
aufgebracht und/oder eine Oberflächenbehandlung
vorgenommen werden.
-
Mehrere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die
schematische Zeichnung zeigt in:
-
1 einen
Querschnitt durch ein im Verbundguss hergestelltes Zylinder-Kurbelgehäuse einer
V-Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit zwei separaten Zylinderlinern
mit angeformten Lagerstuhlabschnitten und einer an die Lagerstühle anschließenden bed-plate-Konstruktion;
-
2 in
raumbildlicher Darstellung einen separaten Zylinderliner mit angegossenen
Lagerstuhlabschnitten gemäß 1;
-
3a bis 3c die
Trennstellen der Lagerstuhlabschnitte der Zylinderliner mit stoffschlüssiger,
formschlüssiger
und kraftschlüssiger
Fügung
an deren Trennstellen;
-
4 ein
nur abschnittsweise dargestelltes, weiteres Zylinder-Kurbelgehäuse gemäß 1,
jedoch mit einer abgewinkelt ausgeführten, unteren Abschlussebene
zwischen dem Zylinder-Kurbelgehäuse und
der angrenzenden bed-plate-Konstruktion; und
-
5 eine
schematische Darstellung eines Zylindereinlegeteils mit an einem
Lagerstuhleinlegeteil angeschweißten Zylinderlinern;
-
In
der 1 ist mit 10 ein Zylinder-Kurbelgehäuse (ZKG)
für eine
Hubkolbenmaschine bzw. eine V6-Brennkraftmaschine bezeichnet, wobei
die dargestellte Querschnittsebene durch die Zylindermittelachse
eines Zylinders 12 der linken Zylinderreihe verläuft, während der
Zylinder 12 der rechten Zylinderreihe durch den üblichen
Zylinderversatz bei V-Maschinen außerhalb der Zylinderachse geschnitten
ist. Die Zylinderreihen mit jeweils drei Zylindern 12 sind in
einem V-Winkel von 90 Grad zueinander geneigt.
-
Das
im Verbundguss hergestellte ZKG 10 setzt sich im wesentlichen
aus zwei Zylinderlinern (innere Zylindergehäuse) 14, 16 (vgl.
auch 2, rechter Zylinderliner 14) mit daran
angeformten Lagerstuhlabschnitten 18, 20 und einem äußeren, die
Zylinderliner 14, 16 umschließenden Gehäuse 22 zusammen.
-
Die
Zylinderliner 14, 16 (vgl. 2 Zylinderliner 14 – der nicht
dargestellte Zylinderliner 16 ist sich spiegelbildlich
gleich vorzustellen) mit den angeformten Lagerstuhlabschnitten 18, 20 sind
aus einer höherfesten
Metalllegierung bzw. aus einer übereutektischen
AlSi-Legierung im Niederdruck Kokillengussverfahren hergestellt.
-
Die
Zylinderwände 14a, 16a sind
im oberen Bereich zur Schaffung eines Kühlwassermantels 14b, 16b (1)
doppelwandig ausgeführt
und in closed-deck-Konstruktion
zur oberen, planen Anschlussebene für die nicht dargestellten Zylinderköpfe der
Brennkraftmaschine teilweise geschlossen. Die Zylinderliner 14, 16 können aber
auch in open-deck-Konstruktion mit im wesentlichen nach oben offenen
Kühlwassermänteln 14b, 16b ausgeführt sein.
-
An
die Zylinderwände 14a, 16a der
Zylinderliner 14, 16 sind ferner beiderseits der
durch die Zylindermittelachsen gebildeten Ebenen Schraubenpfeifen 14c, 16c mit
entsprechenden Gewindebohrungen (ohne Bezugszeichen) angeformt,
in die bei der Montage der Zylinderköpfe die Zylinderkopfschrauben
eingeschraubt werden.
-
Die
an die Zylinderliner 14, 16 angeformten Lagerstuhlabschnitte 18, 20 weisen
jeweils einen Viertelkreis-Abschnitt der Lagergrundbohrungen 26 der
soweit nicht beschrieben üblichen
Kurbelwellen-Hauptlagerung der Brennkraftmaschine, eine allgemein
mit 28 bezeichnete Anlagefläche für die anschließenden Lagerdeckel 32 der
Kurbelwellen-Hauptlagerung und eine Trennfläche 30 auf.
-
Über die
symmetrisch zu den Zylinderreihen und in der Winkelhalbierenden
des V-Winkels von 90 Grad verlaufenden Trennflächen 30 sind die beiden Zylinderliner 14, 16 in
noch zu beschreibender Weise fest miteinander verbunden.
-
Die
Anlageflächen 28 der
Lagerstuhlabschnitte 18, 20 der Zylinderliner 14, 16 bilden
eine untere Abschlussebene 34, an die eine die Lagerdeckel 32 durch Umgießen einschließende bed-plate-Konstruktion 36 anschließt. Die
bed-plate-Konstruktion 36 ist
wie das äußere Gehäuse 22 des
ZKG 10 aus einer Mg-Legierung
mit nicht dargestellten Verstärkungen
aus höherfestem
Werkstoff, insbesondere einer übereutektischen
AlSi-Legierung, im Druckgussverfahren gefertigt.
-
Die
bed-plate-Konstruktion 36 ist neben nicht dargestellten
weiteren Schrauben im Bereich der Lagerdeckel 32 (vgl. 1) über jeweils
zwei Befestigungsschrauben 38 und zwei Befestigungsschrauben 40 mit
dem ZKG 10 bzw. den durch die Lagerstuhlabschnitte 18, 20 gebildeten
Lagerstühlen
fest verbunden. Eine nicht dargestellte Ölwanne schließt den unterhalb
der Zylinderliner 14, 16 gebildeten Kurbelgehäuseraum
ab.
-
Die
näher zu
den Lagergrundbohrungen 26 positionierten Befestigungsschrauben 38 verlaufen senkrecht
zur eingezeichneten Abschlussebene 34, während die äußeren Befestigungsschrauben 40 nach
oben außen
geneigt ausgerichtet sind. Dies bewirkt, dass die zugankerähnliche
Anbindung der bed-plate-Konstruktion 36 bzw. der integrierten
Lagerdeckel 32 an die Zylinderliner 14, 16 gleichmäßiger verteilt
erfolgt, wobei die Krafteinleitung der Befestigungsschrauben 38, 40 in
die entsprechenden Gewindebohrungen der Lagerstuhlabschnitte 18, 20 wie
aus 1 ersichtlich im Bereich der angrenzenden Zylinderwände 14a, 16a etwa
beiderseits deren Zylindermittelachsen liegt.
-
Das
die fest zusammengefügten
Zylinderliner 14, 16 mit den angeformten Lagerstuhlabschnitten 18, 20 umgebende
Gehäuse 22 (1)
ist aus einer niedrigerfesten Metalllegierung bzw. einer Mg-Legierung
im Druckgussverfahren hergestellt. Dessen Konstruktion bzw. Gestaltung
mit Verstärkungen,
Verrippungen, etc. ist im Detail nicht dargestellt und kann in bekannter
Weise ausgeführt
sein.
-
Gemäß den 3a bis 3c können die Lagerstuhlabschnitte 18, 20 an
ihren Trennflächen 30 stoffschlüssig, formschlüssig und/oder
kraftschlüssig fest
zusammengefügt
sein.
-
So
ist entsprechend 3a die feste Verbindung durch
Laserschweißen
bzw. durch Aufbringen einer Laserschweißnaht 30a stoffschlüssig hergestellt.
Gegebenenfalls sind auch andere, geringe Temperaturbelastungen und
Materialverzüge
bewirkende Schweißverfahren,
z. B. Elektronenstahlschweißen,
einsetzbar.
-
Gemäß 3b sind
die Trennflächen 30 mit einer
Schwalbenschwanzführung 30b versehen
und somit nach entsprechendem Ineinanderschieben der Hinterschneidungen
bildenden Führungsabschnitte der
Trennflächen 30 formschlüssig zusammengefügt.
-
Eine
weitere feste Verbindung nach 3c ist
dadurch geschaffen, dass an die eine Trennfläche 30 des einen Lagerstuhlabschnittes 20 eine
Führungsleiste 30c angeformt
ist, die in eine korrespondierende Nut 30d an der Trennfläche 30 des
Lagerstuhlabschnittes 18 spielfrei eingreift. Über einen
parallel zur Trennfläche 30 ausgerichteten
Stift 30e, der sowohl den Lagerstuhlabschnitt 18 als
auch die Führungsleiste 30c des
Lagerstuhlabschnittes 20 über eine entsprechend eingebrachte
Bohrung durchdringt, ist sowohl eine formschlüssige als auch kraftschlüssige Verbindung
hergestellt.
-
Das
soweit beschriebene ZKG 10 im Verbundguss ist im Wesentlichen
wie folgt gefertigt:
Zunächst
werden die beiden separaten Zylinderliner 14, 16 (2)
mit den angeformten Lagerstuhlabschnitten 18, 20 im
Niederdruck-Kokillengussverfahren hergestellt. Die Gießformen
können
dabei aufgrund der Aufteilung der Zylinderliner 14, 16 wesentlich
einfacher ausgeführt
sein. Damit in die durch Dorne in der Gießform grob ausgesparten Zylinder 12 keine
Schmelze eindringen kann, sind Wandabschnitte 14d bzw. 16d zwischen
den Lagerstuhlabschnitten 18, 20 zu den Zylinderbohrungen 12 der
Zylinderliner 14, 16 beim Gießen geschlossen verblieben.
-
Nach
dem Gießen
der Zylinderliner 14, 16 werden durch exakte mechanische
Bearbeitung (Fräsen)
der Trennflächen 30 die
beiden Zylinderliner 14, 16 in einer Spannvorrichtung
mit entsprechenden Aufnahmen hinsichtlich des Winkels der Zylinderreihen
und des Zylinderversatzes präzise
aufgespannt und an den Trennflächen 30 gemäß der Darstellung nach 3a, 3b oder 3c fest
zu einer Eingießeinheit
gefügt.
-
Sodann
werden u. a. die Anschlussflächen für die Zylinderköpfe in der
Anschlussebene 24 und die Anlageflächen 28 der die Lagerstühle bildenden Lagerstuhlabschnitte 18, 20 zur
Bildung der Abschlussebene 34 der Eingießeinheit 14, 16, 18, 20 überfräst. Ferner
werden exakte Aufnahmebohrungen für Dorne zur Positionierung
und Stabilisierung der Eingießeinheit
in der Druckgussform eingebracht (spätere Zylinder 12).
Des weiteren kann gegebenenfalls eine Beschichtung der Eingießeinheit
oder eine definierte Oberflächenstruktur
aufgebracht werden, die die Anbindung und Wärmeleitung zwischen der Eingießeinheit 14, 16, 18, 20 und
dem äußeren Gehäuse 22 verbessert.
-
Anschließend wird
das Gehäuse 22 im Druckgussverfahren
hergestellt. Die Vorteile des Druckgussverfahrens insbesondere in
der Großserienfertigung
sind die Automatisierbarkeit, hohe Maßgenauigkeit, etc.
-
In
der 5 ist eine alternative Ausgestaltung eines mehrteiligen
Zylindereinlegeteils gezeigt, bei dem die Zylinderliner 14, 16 über Trennflächen 30 mit
einem als einstückiges
Bauteil ausgebildeten Lagerstuhleinlegeteil 45 – hier beispielhaft
durch Schweißen – verbunden
ist, das Lagerstuhlabschnitte ausbildet.
-
Die 4 zeigt
abschnittsweise ein weiteres ZKG 10', das nur soweit beschrieben ist,
als es sich von dem ZKG 10 gemäß 1 unterscheidet.
Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Abweichend
zur 1 ist die Abschlussebene 34' zwischen den
Lagerstuhlabschnitten 18, 20 und der bed-plate-Konstruktion 36 zumindest
auf einer Längsseite
der Mittelachse der Lagergrundbohrungen 26 mit einem abgewinkelten
Abschnitt 34a versehen, der so gewählt ist, dass die geneigt angeordneten
Befestigungsschrauben 40' senkrecht
zur besagten Abschlussebene 34a verlaufen.
-
Des
weiteren sind wie ersichtlich an den Zylinderliner 16 im
Bereich der Lagerstuhlabschnitte 20 Ausformungen 42 mit
Bohrungen 44 vorgesehen, durch die hindurch von oben nach
unten die Befestigungsschrauben 40' eingesetzt und in entsprechende
Gewindebohrungen 32a der Lagerdeckel 32 der bed-plate-Konstruktion 36 eingeschraubt
sind. Die Befestigungsschrauben 40 können aber auch wie in der 1 dargestellt
von unten eingeschraubt sein.
