DE2540421A1

DE2540421A1 - Zweiteiliger rotor fuer drehkolbenmotoren und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2540421A1
Application number: DE19752540421
Authority: DE
Inventors: Thomas E Crowley; Robert W Gardner; George T Luzanski; Edwin J Ounsted
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1974-10-03
Filing date: 1975-09-11
Publication date: 1976-04-15
Also published as: CA1078743A; US3988079A; JPS5166917A; GB1480037A; JPS5461905U

Description

Patentanmeldung
Zweiteiliger Rotor für Drehkolbenmotoren und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf einen zweiteiligen Rotor für Drehkolbenmotoren mit zwei zusammenpassenden Rotorteilen, die miteinander verbunden werden und auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Rotoren für Drehkolbenmotoren wurden bisher einteilig hergestellt und haben sich hierbei als verhältnismäßig komplzierte Teile erwiesen. Die Kompliziertheit dieser Rotoren besteht darin, daß sie einerseits hohl ausgeführt werden müssen, um einem Kühlmittel wie z. B. Schmieröl oder dem Verbrennungsgemisch einen Zutritt zum Inneren des Rotors zu ermöglichen, während andererseits eine Vielzahl von Stützrippen und Ausnehmungen angeordnet werden müssen, um die erforderliche mechanische Festigkeit und die Aufnahmenuten für die verschiedenen Dichtelemente bereitzustellen. Wirtschaftlich verwertete Ausführungen für Rotoren von Drehkolbenmotoren werden heute normalerweise aus Gußeisen im herkömmlichen Sand-Guß-Verfäi ren hergestellt. Daraus ergibt sich ein Bruttogewicht eines für einen 200 PS Motor verwendeten Rotor gußteile s von ca 55 kg.

US-709 /4. September 1975 - 2 -

609816/0659

Sitz der Gesellschaft: Köln · Registergericht Köln, HRB 84 ■ Vorsitzender des Aufsichtsrates: Hans Schaberger · Vorstand: Robert A. Lutz, Vorsitzender

Horst Bergemann · Franz J. Bohr · Waldemar Ebers · Wilhelm Inden · Alfred Langer Steilvertretend: Hans Wilhelm Gab ■ Paul A. Guckel ■ Hans-Joachim Lehmann ■ Peter Weiher

Unglücklicherweise muß ein wesentlicher Teil dieses Gewichtes nach dem Gießvorgang entfernt werden, da es von im wesentlichen von nur für den Gießvorgang im Sandgußverfahren erforderlichen Steigern, Angüssen und Anschnitten verursacht wird. Tatsächlich müssen hierbei bis ca 40 kg entfernt werden, bis das eigentliche Rotorgußteil mit einem Nettogwicht von ca 15 kg übrig bleibt Das ist natürlich sehr nachteilig, da hierdurch die Ausbringung der Gießerei sehr gering und die Herstellungskosten sehr hoch werden. Die Kostenbelastung ist hierbei verhältnismäßig hoch, da diese Rotoren normalerweise aus Kugelgraphit-Gußeisen hergestellt werden, wofür die Schmelze mit einem die Bildung des Kugelgraphitgefüges auslösenden Mitteln wie z. B. Magnesium, geimpft werden muß, das verhältnismäßig kurz nach dem Impfen zerfällt, so daß das überschüssige Gußmaterial nicht ohne weiteres wieder verwendet werden kann.

Einige bekannte Versuche, die Herstellung eines Rotors für Drehkolbenmotoren durch neue Herstellungsverfahren zu vereinfachen, bestanden a) in der Anwendung von Pulvermetallurgie zur Herstellung von Rotorteilen und dem darauffolgenden Verbinden dieser Teile zu einem Bauteil und b) die Verwendung von gesenkgeschmiedeten Rotorteilen, die durch Schweißen oder eine andere Art der Metall verbin dung, einschließlich Schraubenbefestigungen, zu einem Bauteil verbunden wurden.

Die Anwendung der Pulvermetallurgie zur Herstellung von Rotorteilen war nicht sehr erfolgreich, da die verschiedenen Wände und Stützrippen innerhalb der Rotorteile entsprechend dem Herstellungsverfahren verhältnismäßig dick ausgeführt werden mußten. Dementsprechend wurde das Ziel einer Verringerung des Gewichtes der Rotorteile nicht erreicht.

Die Anwendung des Gesenkschmiedens zur Herstellung von Rotorteilen brachte ebenso Schwierigkeiten, da den äußeren und inneren Wänden der Rotorteile

US-709/4. September 1975 - 3 -

609816/0659

entsprechend dem Herstellungsverfahren eine gewisse Konizität zugebilligt werden mußte. Dadurch wird wieder das Gewicht der Rotorteil höher als unbedingt erforderlich.

Bei durch Gesenkschmieden herstellten Rotorteilen, die anschließend nur entlang ihrer dreibogigen Umfangefläche durch Schweißen miteinander verbunden wurden, ergab sich, daß sie sich bei hoher Belastung infolge ungenügender Abstützung an der Nabe verzogen.

Die Verwendung von nach dem Pulvermetallurgieverfahren oder dem Gesenkschmiedeverfahren hergestellten Rotorteilen ist infolge dieser Schwierigkeiten nie über das Versuchs Stadium hinausgekommen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen zweiteiligen Rotor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine Herstellung der beiden Rotorteile mit geringen Wandstärken und mit geringem Überschußgewicht möglich ist und wobei die Verbindung der beiden Rotorteile durch ein einfaches Metallverbindungsverfahren erfolgt, durch das das Gewicht des fertigen Rotors nur unwesentlich erhöht wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem ein Rotor der eingangs genannten Art die in den Patentansprüchen aufgezeigten Merkmale aufweist und nach dem in den Verfahrensansprüchen beschriebenen Verfahren hergestellt wird.

Durch die erfindungsgemaße Ausbildung der zwei zusammenpassenden Rotorteile mit je einer sich radial erstreckenden ebenen Fläche und je einer sich axial erstreckenden zylindrischen Fläche, die an- bzw ineinanderpassen und über eine diffundierte Metallverbindung miteinander verbunden werden, wird ein dünnwandiger und leichter Aufbau eines Rotors eines Drehkolbenmotors

US-709 / 4. September 1975 - 4 -

60981 6/0659

2h4U421

bei hoher Gestaltfestigkeit erzielt.

Durch die Herstellung der beiden Rotorteile im Maskengußverfahren können die erwünschten dünnen Wandstärken unter Einhaltung von engen Toleranzen erzielt werden und das überschüssige Gewicht auf einem Minimum gehalten werden. Dadurch kann die Ausbringung einer Gießerei um bis zu 50 % gesteigert werden.

Durch die diffundierte Metallverbindung wird eine feste und dauerhafte Verbindung der beiden Rotorteile in einem verhältnismäßig unaufwendigen Verfahren erreicht, wobei das Gewicht des fertigen Rotors nur unwesentlich erhöht wird und störende Spannungen in den verbundenen Rotorteilen, die im Betrieb des Motors zu Verzug des Rotors führen können, vermieden werden.

Die Erfindung wird anhand eines in den beiliegenden Zeichnungen gezeigten Ausführungebeispieles näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen vertikalen Schnitt durch einen zweiteiligen Rotor gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein Ablauf diagramm der Verfahrensschritte zur Herstellung eines zweiteiligen Rotors gemäß der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine Schrägrißansicht der beiden zusammenpassenden Rotorteile in Explosionsdaretellung.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht eines Rotorteiles von der einen Seite und Fig. 5 zeigt eine Ansicht des Rotorteiles in Fig. 4 von der anderen Seite. US-709/4. September 1975 - 5 -

609816/0659

254Q421

Der komplette Rotor, wie er in den Figuren 1 und 3 gezeigt ist, besteht aus zwei Rotorteilen 10 und 11. Jeder der Rotorteile 10 und 11 weist eine dreib ogige Umfang 8 wand auf. Die Umfange wand weist hierbei eine bestimmte, in Fig. 3 bei 14 angedeutete Dicke auf. Die Umfang swan d weist hierbei drei bogenförmige Umfangsflächenabschnitt 12 a. 12 b und 12 c auf, von denen jeder mit einer Verbrennungsmulde 9 versehen ist, die in Verbindung mit dem Gehäuse des Rotors das Verdichtungsverhältnis des Drehkolbentnotors bestimmt.

Der Rotorteil 10 weist zwei Verbindungsflächen auf, von denen die erste durch eine radial innen liegende Innenwand oder Nabe 15 gebildet wird. Die erste Verbindungsfläche wird hierbei durch die sich axial erstreckende, zylindrische Außenfläche 15 b der Nabe 15 gebildet. Die sich axial erstreckende, zylindrische Innenfläche 15 a der Nabe 15 erstreckt sich hierbei über einen wesentlichen Bereich der Breite 8 des Rotors und nimmt die Lagerung des Rotors für die Exzenterwelle auf. Die zweite Verbindungsfläche wird hierbei durch die sich radial erstreckende, ebene Fläche 17 a an den Stützrippen bzw 17 b an der Nabe 15 gebildet. Die Stützrippen 17 erstrecken sich hierbei radial zwischen der Nabe 15 und der Umfangswand 12.

Der Rotorteil 11 hat selbstverständlich komplimentär hierzu angeordnete Verbindungsflächen 1 und 2. Die erste Verbin dung sfläche wird hierbei durch die sich axial erstreckende, zylindrische Außenfläche 19 eines sich axial nach innen erstreckenden Ansatzes 30 des Rotorteiles 11 gebildet. Die zweite Verbindung sfläche wird hierbei durch die sich radial erstreckende ebene Fläche 32 an den Rippen 33 des Rotorteiles 11 gebildet.

Die Lage der ebenen Verbindungsflächen 17 a , 17 b und 32 liegt hierbei in einer Mittelebene 20, die sich senkrecht zur Rotorachse 21 erstreckt. Der eine Rotorteil 11 ist zweckmäßigerweise mit einer vom Ansatz 30

US-709 /4. September 1975 - 6 -

609816/0659

abgesetzten Bohrung 22 versehen, in der eine Verzahnung 22 a für die Steuerung der Bewegung des Rotors um die Exzenterwelle des Motors (nicht gezeigt) ausgebildet ist.

Die Außenflächen des Rotors sind mit einer Vielzahl von komplizierten Ausnehmungen, wie Nuten 22, 23 und 24 und Verbrennungsmulden 9, versehen. Diese bedingen eine entpsrechend unregelmäßige Innenfläche 25. Die Scheitel des Rotors sind mit Nuten 36 zur Aufnahme der Scheiteldichtleisten versehen. Darüber hinaus ist das innere des Rotors mit einer Vielzahl von Stützrippen 17 versehen, die einerseits zur Verstärkung des Rotors und andererseits zur Führung des Kühlmittels, wie z. B. des Schmieröles dienen.

Um einen Rotor von der aufgezeigten Komplexität zu fertigen, wird gemäß der Erfindung das in Fig. 2 aufgezeigte Verfahren vorgeschlagen, das im wesentlichen folgende Verfahrensschritte umfaßt: a) Herstellen zweier zusammenpassender Rotorteile im Maskengießverfahren mit an- bzw ineinanderpassenden Verbindungeflächen und einer dünnen Umfangswand; b) Bearbeiten der an- bzw ineinanderpassenden Verbindungsflächen und nachfolgendem Reinigen; c) Aufbringen eines Flußmittels und einer Lötlegierung auf die an- bzw ineinanderpassenden Verbindungsflächen und c)An- bzw Ineinanderbringen der so vorbereiteten Verbindungsflächen und Erhitzen der Anordnung in einem Ofen mit neutraler Atmosphäre.

Nach Verfahrensschritt a) werden die zusammenpassenden Rotorteil im Maskengießverfahren hergestellt, obwohl fallweise ebenso ein Hochdruck-Sandgußverfahren verwendet werden kann. Dä3 Maskengießverfahren wird im Motorenbau häufig für das Gießen von Kurbel- und Nockenwellen angewendet. Die durch das Maskengießverfahren gegebene Möglichkeit, geringe Wandstärken herzustellen, ist für die vorliegende Erfindung von besonderer Bedeutung.

US-709/4. September 1975 - 7 -

6098 1 6/0659

Jede Gießform besteht aus Formmaskenteilen aus einem verfestigten Formenmaterial wie z. B. Sand- und Kunstharzgemisch, das über einem beheizten Muster verfestigt wird. Hierbei sind für jeden Rotorteil zumindest zwei Formmaskenteile erforderlich. Das beheizte Muster härtet das Formmaterial in unmittelbarer Nähe des Musters aus und bildet auf diese Weise eine dünne Formmaske, deren Innenkontur genau dem gewünschten Gußteil entspricht. Die Außenkontur der Formmaske entspricht nur ungefähr dem Verlauf der Innenkontur. Nach vollständigem Aushärten der Formmaskenteile werden diese von den Mustern abgehoben und zu zweit in einer Gießform angeordnet. Die Gießform wird hierbei die beiden Forxnmaskenteile umgebend mit einem die Formmasken während des Gießvorganges abstützenden Material ausgefüllt. Normalerweise werden die Formmaskenteile als Hälften ausgebildet, die entlang von Randkanten über Federclipse miteinander verbunden werden können. Es ist auch möglich, die beim Gießvorgang auftretenden Kräfte über an der Außenwand der Forxnmaskenteile angeordnete Ansätze unmittelbar abzustützen.

Bei diesem ersten Verfahrensschritt ist es wesentlich, daß die an- bzw ineinanderpassenden Verbindungsflächen entsprechend der Erfindung angeordnet sind. Diese Verbindungsflächen sind in den Figuren 1 und 3 mit 17 a, 17 b, 31 und 32 bzw mit 15 b und 19 bezeichnet. Die sich radial erstreckenden ebenen Verbindungsflächen 17 a, 17 b , 31 und 32 erstrecken sich hierbei senkrecht zu den sich axial erstreckenden, zylindrischen Verbindungsflächen 15 b und 19. Die Innenfläche 19 des Ansatzes 30 wird hierbei auf die Außenfläche 15 b der Nabe 15 aufgeschoben. Es wird darauf hingewiesen, daß diese Verbindungsflächen somit sowohl an sogenannten unzugänglichen Innenwänden als auch an sogenannten zugänglichen Außenwänden liegen. Diese an unzugänglichen Inn en -wänden liegenden Verbindungeflächen bilden jedoch gemäß der Erf indung kein Problem, da vor dem Zusammenfügen dieser Verbindungsflächen auf diesen Flächen ein Flußmittel und eine Lötlegierung aufgebracht wird.

US-709 / 4. September 1975 - 8 -

609816/0659

Ein wesentlicher Vorteil der Anwendung des Maskengießverfahrens zur Herstellung der beiden Rotorteile besteht darin, daß die Umfange wand der Rotorteile in einer ganz bestimmten Dicke ausgeführt werden kann, die wesentlich dünner als die bisher verwendeten ist. So kann z. B. die Dicke der Umfangswand, wie sie in Fig. 3 bei 14 gezeigt ist, im Bereich von 3, 5 mm liegen. Darüber hinaus kann durch die Anwendung des Maskengießverfahrens das aufwendige Anordnen von Gießkernen entfallen, durch deren Verlagerung es immer wieder zu Unglei chmäßigkeiten beim fertigen Gußteil kommen konnte.

Der gemäß der Erfindung vorgeschlagene Verfahrensschritt des Gießens des Rotors in zwei Rotorteilen, und zwar im Maskengießverfahren, ermöglicht e ine beträchtliche Einsparung an Gußmaterial, das früher für Steiger, Angüsse und Anschnitte erforderlich war und später entfernt werden mußte. Die Ausbringung einer Gießerei kann somit gemäß der Erfindung um nahezu 50 % gegenüber dem Sandgußverfahren erhöht werden.

Nach Verfahrens schritt 2 werden die an- bzw ineinanderpassenden Verbindungsflächen mit einer einer Schlichtbearbeitung entsprechenden Rauhigkeit bearbeitet. Nachfolgend werden diese Verbindungsflächen in einem geschmolzenen Salzbad durch abwechselnde Oxydation und Reduktion gereinigt. Das Salzbad kann aus am Markt erhältlichen Gemischen, wie z. B. "Kolene K-4" der Kolene-Corp. gebildet werden.

Nach Verfahr en s schritt 3 wird ein typisches am Markt erhältliches Flußmittel für Kupferlegierungen auf Bohrsäurebasis durch Aufspritzen, Aufrollen oder Aufbürsten auf die Verbindungsflächen aufgebracht. Darauffolgend wird die Lötlegierung in Form einer Kupferlegierung auf die Verbindungsflächen aufgebracht. Die Lotlegierung kann hierbei in Form einer Folie als äußere oder innere Hülse aufgebracht werden. Wichtig hierbei ist nur, daß die Lötlegierung nach Art eines Sandwiches zwischen den an- bzw ineinanderpassenden Verbindung β fläch en zu liegen kommt.

US-709 /4. September 1975 - 9 -

6098 16/0659

Nach V er fahr en s schritt 4 werden die Verbindung sflächen an- bzw ineinander gebracht, wobei das Flußmittel und die Lötlegierung zwischen den Verbindungsflächen angeordnet ist. Die gesamte Anordnung wird durch Erhitzen in einem Ofen bei neutraler Atmosphäre auf ca 765 bis 810 C über eine Zeitspanne von 10 bis 20 Minuten erhitzt, um ein entsprechendes Diffundieren der Lötlegi. rung in das Gußmaterial und eine entsprechende molekulare Bindung damit zu erzielen.

US-709 / 4. September 1975

60981 6/0659

Claims

P atentan Sprüche

1. Zweiteiliger Rotor für Drehkolbenmotor en mit zwei zusammenpassenden Rotorteilen, die miteinander verbunden werden, dadurch gekennz e i c hn et, daß die beiden Rotorteile (10 und 11) zumindest je eine sich radial erstreckende ebene Fläche (17 a, 17 b bzw 32) und je eine sich axial erstreckende zylindrische Fläche (15 b bzw 19) aufweisen, die an- bzw ineinander passen und über eine diffundierte Metall verbin dung miteinander verbunden sind.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen ebenen Flächen (17 a, 17 b bzw 32) der beiden Rotorteile (10 und 11) in einer sich senkrecht zur Rotorachse (21) erstreckenden Mittelebene (20) liegen.

3. Rotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen, zylindrischen Flächen (15 b und 19) der beiden Rotorteile (10 und 11) radial innen zu den außenliegenden radialen ebenen Flächen (17 a, 17 b und 32) angeordnet sind.

4. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die diffundierte Metall verbindung aus einer Lötverbindung auf Kupferbasis besteht.

5. Rotor nach Anspruch 1 mit einer dreibogigen Umfangswand, die über Stützrippen an einer Nabe abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Umfangswand (12) und die Stützrippen (17) radiale ebene Flächen (17 a, 17 b und 32) bildend geteilt sind.

6. Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die gesamte Nabe (15) bildende Rotorteil (10) den anderen Rotorteil (11) über die ineinanderpassenden axialen zylindrischen Flächen (15 b und 19) aufnimmt.

US-709 / 4. September 1975 - 2 -

609816/0659

7. Rotor nach den Ansprüchen 1 bis 6 -ί a durch gekennzeichnet, daß die beiden Rotorteile (10 und 11) aus Kugelgraphit-Gußeisen bestehen und über eine Lötlegierung, bestehend aus 60 % Kupfer, 25 % Zink, 10 % Nickel und 5 % Zinn, mit einer Schmelztemperatur von ca 765 bis 775 C und einer Fließtemperatur von ca 785 bis 810 C miteinander verbund u sind.

8. Rotor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Umfangswand (12) im Bereich von nur 3, 5 mm liegt.

9. Verfahren zur Herstellung eines Rotors nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrens schritte:

a) Herstellen zweier zusammenpassender Rotorteile (10 und 11) durch Gießen, wobei jeder Rotorteil (10 bzw 11) eine dreibogige Umfangswand (12 bzw 18), eine zylindrische Innenwand (15 bzw 30) und eine mit diesen verbundene Seitenwand sowie an- bzw ineinanderpassende radiale ebene Flächen (17 a, 17 b und 32) und axiale zylindrische Flächen (15 b und 19) aufweisen.

b) Bearbeiten der an- bzw ineinanderpassenden Verbindungsflächen und nachfolgendem Reinigen derselben.

c) Aufbringes eines Flußmittels und einer Lötlegierung auf die an- bzw ineinanderpassenden Verbindungsflächen.

d) Aneinander- bzw Ineinanderbringen der so vorbereiteten Verbindungsflächen und Erhitzen der Anordnung in einem Ofen mit neutraler Atmosphäre auf ca 765 bis 810 C über eine Zeitspanne von 10 bis 20 Minuten.

US-709 /4. September 1975 - 3 -

60981 6/0659

10. Verfahren nach Anspruch 9, da du· ·.. h gekennzeichnet, daß die Herstellung der beiden zusammenpassenden Rotorteile (10 und 11) aus Kugelgraphit-Gußeisen im Maskengießverfahren erfolgt.

US-709 / 4. September 1975

609816/0659

Leerseite