DE9319055U1 - Kolbenmaschine, insbesondere Kolbenbrennkraftmaschine mit versteiftem Motorblock mittels unterbrochener Rippen - Google Patents

Description

Bezeichnung: Kolbenmaschine, insbesondere Kolbenbrennkraftmaschine mit versteiftem Motorblock mittels unterbrochener Rippen
Beschreibung:

Im Betrieb werden Kolbenmaschinen, insbesondere Kolbenbrennkraftmaschinen, durch die wechselnden Vorgänge im Zylinderraum, beispielsweise durch den Verbrennungsablauf, aber auch durch mechanische Einflüsse zu Schwingungen angeregt, die auch als Schall an den Oberflächen der Kolbenmaschine in Form von Luftschall· abgestrahlt werden und/oder über die Lagerung der Kolbenmaschine in das Fundament bzw. die Fahrzeugkarosserie bei Fahrzeugen als Körperschall weitergeleitet werden.

Wegen der nachteiligen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt ist man bestrebt, derartige Geräuschemissionen zu verringern. Wie in DE-A-28 49 613 gezeigt, wird versucht, eine Schallabschirmung durch die Anordnung einer elastisch mit dem Motorblock einer Kolbenbrennkraftmaschine verbundenen Schallisolierhülle zu erzielen. Des weiteren wurde gemäß DE-A-28 01 431 vorgeschlagen, die gesamte Kolbenbrennkraftmaschine mit Hilfe körperschallisolierender Stützelemente in einer Außenwanne zu lagern. Nachteilig an derartigen

Schallisoliermaßnahmen ist, daß sie einen Großteil der Maschine umfassen und daher das Anbringen von Anbauteilen und/oder Zusatzaggregaten, wie Motorstützen, Anlasser, Lichtmaschine oder auch von Gaszuleitungen und Gasableitungen behindert. Hierbei läßt es sich vielfach auch nicht verhindern, daß derartige Schallisolierhüllen für die Anbringung derartiger Anbauteile und/oder Zusatzaggregate unterbrochen werden, wodurch ihre Wirksamkeit verringert wird. Darüber hinaus beeinträchtigen derartige Schallisoliermaßnahmen den Wärmehaushalt einer Kolbenbrennkraftmaschine.

Wegen der vorstehend geschilderten Nachteile hat man auch versucht, die Schallausbreitung dadurch zu bekämpfen, daß man versucht hat, die Schallentstehung zu verhindern oder zumindest zu vermindern. Neben der Verringerung der Anregungsursachen, beispielsweise durch Optimierung des Brennverfahrens ist es vor allem sinnvoll, die Körperschallübertragung und die Schallabstrahlung an der Oberfläche der Kolbenbrennkraftmaschine zu verringern. Dies wurde dadurch bewirkt, daß man die Kolbenbrennkraftmaschine insbesondere in ihren dünnwandigen Bereichen möglichst steif, insbesondere biege- oder torsionssteif ausbildet, wobei in bezug auf die Luftschallabstrahlung die schwingungsfähigen Flächen möglichst klein und/oder dickwandig ausgeführt werden. Insbesondere durch eine Erhöhung der Wandstärken treten neben einer unerwünschten Vergrößerung des Gewichtes vor allem bei gegossenen Bauteilen vermehrt Gußdefekte, wie Lunker-, Porenstellen oder dergl. auf. Daher wurde gemäß DE-A-35 44 215 bereits vorgeschlagen, die Steifigkeit des Motorblocks insgesamt durch ein System von Verstärkungsrippen auf den Seitenwänden im Zylinderbereich zu verbessern. Hierdurch lassen sich bei entsprechender Gestaltung der Rippen unerwünschte Gußdefekte vermeiden und eine hohe Steifigkeit des Zylinderblocks erzielen.

Auch dem Vorschlag gemäß DE-A-40 17 139 liegt der Gedanke zugrunde, die notwendige Steifigkeit des Motorblocks über die gezielte Anbringung von Bändern und Rippen zu bewirken. Bei diesem Vorschlag wird dies insbesondere durch die Anbindung der Kurbelwellenlagerung an den Zylinderblock und an die Kurbelgehäuseseitenwandungen über eine Vielzahl von Verstärkungsrippen erreicht, so daß die Steifigkeit der Motorblockstruktur insgesamt erhöht wird. Dies ist jedoch mit einer entsprechenden Gewichtserhöhung verbunden. Eine Gewichtszunahme ist jedoch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu vermeiden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Schwingungsund Geräuschentwicklung einer Kolbenmaschine, insbesondere einer Kolbenbrennkraftmaschine, durch Gestaltung der Motorblockstruktur zu verringern, wobei das Gesamtgewicht möglichst nicht erhöht werden darf.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Kolbenmaschine, insbesondere einer Kolbenbrennkraftmaschine, bei der in einem Motorblock Zylinder, Kolben, Kurbelwelle und Kurbelwellenlagerung angeordnet sind, wobei Bereiche am Motorblock mit deckel- und/oder wannenförmigen Abdeckungen versehen sind und bei der die Wandungen des Motorblocks und/oder der Abdeckungen zumindest in Teilbereichen mit rippenförmigen Verstärkungen versehen sind, die in ihrem Verlauf unterbrochen sind. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die frei schwingungsfähigen Außenflächen der Motorblockstruktur verkleinert und das akustische Verhalten der Motorblockstruktur deutlich verbessert. Derartige Rippen führen an den Unterbrechungsstellen zu einem erhöhten Impedanzsprung und somit insbesondere zu einer Verringerung der Körperschallübertragung. Die Geometrie der Unterbrechungsstellen kann, beispielsweise keilförmig bzw. trapezförmig ausgebildet sein oder abgerundet ausgebildet sein.

Zu den Abdeckungen im Sinne der vorliegenden Erfindung gehören beispielsweise der Zylinderkopfdeckel, Steuertriebabdeckungen, die Kurbel- oder ölwanne und ähnliche Elemente der Motorstruktur. Insbesondere bei Kolbenbrennkraftmaschinen ist im Hinblick auf die zu lösende Aufgabe der Geräuschabsenkung auch noch das damit verbundene Getriebe zu rechnen, da auch die Wandungen eines beispielsweise angeflanschten Getriebegehäuses Schall abstrahlen können. Auch hier läßt sich mit einer Anordnung von Bauteilen in der Wandung eine schwingungsmindernde Versteifung erreichen. In gleicher Weise lassen sich auch die Ansaug- und/oder Abgasrohre mit rohrförmigen Bauteilen innen und/oder mit steg- oder rippenförmigen Bauteilen außen schwingungsmindernd verstärken, so daß auch über diese zum Motorblock im weiteren Sinne zählenden Strukturen keine oder nur eine geringere Schallabstrahlung erfolgt.

Die rippenförmigen Verstärkungen können aus dem Grundwerkstoff des Motorblocks bestehen, beispielsweise bei gegossenen Motorblöcken oder Motorblockteilen angegossen sein.

In einer Ausgestaltung der Erfindung können für die rippenförmigen Verstärkungen Werkstoffe mit einem höheren Elastizitätsmodul als der Grundwerkstoff des Motorblocks insbesondere auch keramische Werkstoffe, vorgesehen werden. Diese besitzen einen vielfach höheren Elastizitätsmodul als der als Grundwerkstoff übliche Grauguß oder Aluminiumguß. Im Falle der Verwendung von Grauguß als Grundwerkstoff ist die Dichte von keramischen Werkstoffen wesentlich kleiner als die Dichte des Grundwerkstoffs. Bei der Verwendung von Aluminiumguß ist die Dichte keramischer Werkstoffe in etwa gleich. Aufgrund dieser Werkstoffeigenschaften können versteifende Bauteile aus keramischen Werkstoffen bei gleicher Masse etwa die 12fache Steifigkeit gegenüber einer baugleichen Ausführung aus Grauguß erreichen. Bei gleicher Steifigkeit weisen beispielsweise Rippen aus einem keramischen Werkstoff etwa 70% weniger Masse als Rippen aus Grauguß auf. Ein weiterer Vorteil liegt darin,

daß sich bei einer rippenförmigen Gestaltung derartiger Bauteile bei einer vorgegebenen gleichen Steifigkeit aufgrund des höheren Elastizitätsmoduls sich auch die geometrischen Abmessungen gegenüber einer Rippe aus dem Grundwerkstoff vermindern, so daß das Bauvolumen der Brennkraftmaschine reduziert wird. Damit können Versteifungsmaßnahmen zur Geräuschreduzierung auch bei vorgegebener Fertigungsanlage wirksam in die Komponenten eingebracht werden.

Die Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In der Zeichnung ist ein Motorblock 1 einer Vierzylinder-Kolbenbrennkraftmaschine dargestellt, dessen oberer Abschnitt den Zylinderblock 2 bildet und dessen unterer Abschnitt den oberen Teil des Kurbelgehäuses 3 umfaßt. Das Kurbelgehäuse 3 ist auf der Unterseite mit einer hier nicht näher dargestellten Kurbelwanne umschlossen. Der Zylinderblock 2 und das Kurbelgehäuse 3 sind insbesondere bei Fahrzeugmotoren als ein Bauteil ausgeführt. Zur Verstärkung der Konstruktion sind auf dem Zylinderblock 2 ebenso wie auf dem Kurbelgehäuse 3 sich in Längsrichtung der Brennkraftmaschine erstreckende rippenförmige Verstärkungen Diese rippenförmigen Verstärkungen 4 können aus dem Grundwerkstoff des Motorblocks 1 bestehen und stoffschlüssig, beispielsweise durch den Gießprozeß, verbunden sein. Sie können auch aus einem Werkstoff bestehen, der einen höheren E-Modul als der Grundwerkstoff aufweist, vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff. Wird der Motorblock 1 beispielsweise aus Grauguß hergestellt, dann weisen die Verstärkungen 4 gegenüber dem Grundwerkstoff Grauguß beispielsweise einen etwa drei mal höheren &Egr;-Modul und etwa die halbe Dichte des Grundwerkstoffs auf. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist dem von Grauguß ähnlich, so daß ein Verbund von Grauguß und Keramik aus dieser Sicht unproblematisch ist. Verwendet man als Grundwerkstoff Aluminium, so besitzen die Verstärkungen 4 beispielsweise bei Verwendung von Aluminium-Oxid-Keramik einen 5fach höheren &Egr;-Modul als

der Grundwerkstoff bei ähnlicher Dichte. So haben beispielsweise derartige rippenförmige Verstärkungen 4 aus Keramik, wie sie in der Zeichnung angedeutet sind, bei gleicher Formsteifigkeit bei der Verwendung von Grauguß als Grundwerkstoff eine um 70% geringere Masse als Rippen aus Grauguß. Derartige rippenförmige Verstärkungen können an dem Kurbelgehäuse 3 sowohl auf der Außenwandung als auch auf der Innenwandung angeordnet werden. Bei der dargestellten Anordnung erhöht sich die Steifigkeit des Motorblocks, global und vor allem lokal insbesondere in bezug auf die Motorhochachse, so daß die Entstehung von Schwingungen behindert und die Amplitude entstehender Schwingungen des Motorblocks reduziert wird.

Wie die Zeichnung erkennen läßt, sind die in Längsrichtung sich erstreckenden rippenförmigen Verstärkungen 4 in ihrer Längsrichtung unterbrochen, wobei die Unterbrechung 5 vorzugsweise im Bereich der Verbindungsstellen der Lagerwände mit den Außenwandungen des Motorblocks vorgesehen sind, also an Stellen, an denen konstruktiv bedingt ohnehin Wandungsverdickungen vorgesehen sind. Hierdurch werden die frei schwingungsfähigen Außenflächen der Motorblockstruktur verkleinert und das akustische Verhalten der Motorblockstruktur deutlich verbessert. Derartige unterbrochene Rippenverläufe führen an den ünterbrechungsstellen 5 zu einem erhöhten Impedanzsprung und somit zu einer Verringerung der Körperschallübertragung. Die Geometrie des Unterbrechungsstellen kann, wie beispielsweise für den Bereich 5.1 dargestellt, keilförmig bzw. trapezförmig ausgebildet sein oder, wie für den Bereich 5.2 dargestellt, abgerundet ausgebildet sein.

Die rippenförmigen Verstärkungen können bei größeren Wandungsflächen am Motorblock oder auch an seinen vielfältigen deckel- und/oder wannenförmigen Abdeckungen, auch in kreuzweiser Anordnung, vorgesehen werden. Wichtig ist nur, daß sie in ihrer Längserstreckung jeweils unterbrochen sind.

Wenn die rxppenförmxgen Verstärkungen aus einem anderen Werkstoff als dem Grundwerkstoff bestehen, können diese durch Umgießen, Kleben, Löten oder Schweißen mit den betreffenden Bereichen des Motorblocks verbunden sein.

Claims (3)

Schutzansprüche:

1. Kolbenmaschine, insbesondere Kolbenbrennkraftmaschine, bei der in einem Motorblock (1) Zylinder, Kolben, Kurbelwelle und Kurbelwellenlagerung angeordnet sind, wobei Bereiche am Motorblock mit deckel- und/oder wannenförmigen Abdeckungen versehen sind und bei der die Wandungen des Zylinderblocks (2) und/oder der Abdeckungen zumindest in Teilbereichen mit rippenförmigen Verstärkungen versehen sind, die in ihrem Verlauf unterbrochen sind.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungen im Verlauf der rippenförmigen Verstärkungen jeweils im Bereich von konstruktiv bedingten Wandungsverdickungen vorgesehen sind.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die rippenförmigen Verstärkungen (4) ein Werkstoff mit höherem Elastiziztätsmodul als der Grundwerkstoff des Motorblocks, insbesondere ein keramischer Werkstoff, vorgesehen ist.