Die Erfindung betrifft ein Gießwerkzeug nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Zylinderkurbelgehäuse werden zur Gewichtsersparnis zunehmend
aus Aluminiumlegierungen in verschiedenen Gießverfahren, bevorzugt im Druckguss
gefertigt. Da Aluminiumlegierungen, die gut gießbar sind, oft den tribologischen
Anforderungen entlang der Zylinderlauffläcsen nicht entsprechen, werden in
diesen Bereichen Maßnahmen zur lokalen Verbesserungen der Werkstoffeigenschaften
getroffen. Eine dieser Maßnahmen ist das Eingießen von Zylinderlaufbuchsen.
Stand der Technik
Die DE 44 38 550 C2
beschreibt gattungsbildend ein Kurbelgehäuse mit Zylinderlaufbuchsen aus übereutektischen
Aluminium-Siliziumlegierungen. Die dort beschriebenen Legierungen sind auf Grund
ihres hohen Siliziumgehaltes besonders verschleißbeständig. Zudem weisen
derartige Zylinderlaufbuchsen ein niedriges spezifisches Gewicht auf und was im
Gegensatz zu Zylinderlaufbuchsen auf Eisenbasis besonders vorteilhaft ist, ihr thermischer
Ausdehnungskoeffizient liegt näher an dem der Aluminium-Gusslegierung als der
Ausdehnungskoeffizient des Eisens.
Die DE 198 53 803 C1
beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Herstellung eines Motorblocks,
wobei Zylinderlaufbuchsen in den Motorblock angegossen werden und die Zylinderlaufbuchsen
entsprechend der Sitzflächen geneigte konische Entflächen aufweisen. Die
DE 35 39 674 C2 beschreibt ebenfalls
eine Vorrichtung zum Gießen eines Zylinderblockrohlings wobei in der Gießform
an einem zylinderkopfseitigen Ende der Gießform ein Sandkern eingebracht ist,
der wiederum Hohlräume aufweist, durch die hervorragende Bereiche auf dem zylinderkopfseitigen
Ende des Motorblockes ausgegossen werden.
Unabhängig von der Art der Buchse kommt es immer wieder zu einer
unzureichenden Anbindung zwischen dem erstarrten Gießmetall (Umguss) und der
Zylinderlaufbuchse. Hierdurch treten Spalte auf, die den Wärmeübergang
zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Umguss behindern. In vielen Fällen
ist die Anbindung zwischen Buchse und Umguss im unteren Bereich der Buchse seitens
eines Kurbelwellenraums besser als im oberen Bereich, in der Nähe des Zylinderkopfes.
Gerade jedoch in der Nähe des Zylinderkopfes sind die auftretenden thermischen
und mechanischen Belastungen auf die Zylinderlaufbuchse am höchsten. Bei herkömmlichen
Motoren bedeutet die geringe Anbindung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Umguss
keinen funktionellen Nachteil. Bei hochaufgeladenen modernen Motoren mit sehr hohen
Brennraumdrücken ist eine verbesserte Anbindung zwischen Buchse und Umguss
erforderlich.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Anbindung zwischen einer
Zylinderlaufbuchse und dem Umgusses in einem Zylinderkurbelgehäuse insbesondere
zylinderkopfseitig zu verbessern.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Gießwerkzeug nach
den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das Gießwerkzeug nach Anspruch 1 entspricht insoweit einem herkömmlichen
Gießwerkzeug (insbesondere einem Druckgießwerkzeug) für Zylinderkurbelgehäuse,
dass es aus mindestens zwei Werkzeugteilen aufgebaut ist, die im geschlossenen Zustand
einen Formhohlraum im Form des Kurbelgehäuses bilden. Zur Entformung von Hohlräumen
und Bohrung weist das Werkzeug in der Regel mehrere Schieber auf. Zur Erzeugung
der Zylinderbohrungen umfasst das Gießwerkzeug zylinderförmige Pinolen.
Pinolen können Teil eines Schiebers sein (Pinolenschieber z. B. bei V-Motoren)
oder starr im Formhohlraum befestigt sein (z. B. bei Reihenmotoren). Das Gießwerkzeug
ist üblicherweise ein Druckgießwerkzeug, andere Gießverfahren, insbesondere
dem Druckgießen ähnliche Verfahren sind erfindungsgemäß ebenfalls
anwendbar.
Die Pinolen verlaufen durch das Gießwerkzeug von einer zylinderkopfseitigen
Wand bis zu einer kurbelwellenseitigen Wand (Kurbelraumschieber). Die zylinderkopfseitige
Wand des Gießwerkzeugs stellt die Oberfläche am späteren Kurbelgehäuse
dar, auf der der Zylinderkopf, nach der mechanischen Bearbeitung der Zylinderkopftrennebene,
montiert wird.
Auf den Pinolen sind Zylinderlaufbuchsen aufgesteckt, die später
zumindest teilweise die Zylinderlaufflächen bilden. Die Zylinderlaufbuchsen
sind so auf der Pinole fixiert, dass die Zylinderlaufbuchse mindestens 3 mm vor
der zylinderkopfseitigen Wand endet. Die Zylinderlaufbuchse wird durch einen Abstandhalter
im Gießwerkzeug auf mindestens dieser Entfernung auf Distanz gehalten.
Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass eine Schmelze eines
Gießmetalls (bevorzugt eine Aluminiumlegierung, jedoch auch einer Magnesiumlegierung)
während der Befüllung an einer Oberkante der Zylinderlaufbuchse vorbei
fließen kann und diese übergießt. Die Schmelze besitzt demnach bezüglich
der Oberkante der Buchse eine Relativgeschwindigkeit, die dazu beiträgt, dass
eine Oberflächenschicht der Buchse, die im Wesentlichen aus
einer Oxidhaut besteht, aufgerissen und entfernt wird.
Die Oxidhaut, die auf jeder Oberfläche von Leichtmetallen, und
somit auch auf den bevorzugt aluminiumhaltigen Zylinderlaufbuchsen auftritt, verhindert
eine optimale Verbindung zwischen dem erstarrten Gießmetall (Umguss) und der
Zylinderlaufbuchse. Ist diese Oxidhaut (die auch noch andere, organische Verunreinigungen
z B Ruß, Staub, Reste vom Formentrennmittel enthalten kann) beseitigt, kann
die Schmelze die Buchsenoberfläche lokal anschmelzen und sich mit dieser stoffschlüssig
verbinden. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Zylinderlaufbuchse und
Umguss ist besonders im zylinderkopfnahen Bereich der Buchse von Vorteil, da hier
die höchsten Drücke und somit die höchste mechanische Belastung auf
die Buchse wirken. Durch das erfindungsgemäße Gießwerkzeug resultiert
ein Zylinderkurbelgehäuse, das höheren Drücken standhält und
somit eine höhere Motorleistung erlaubt.
In vorteilhafter Weise ist der Abstandhalter jeweils auf der Pinole
angebracht, auf der die Zylinderlaufbuchse aufgesetzt ist. Der Abstandhalter auf
der Pinole kann in Form eines Absatzes ausgeführt sein. Der Absatz verläuft
radial um die Pinole, die Buchsenoberkante liegt dabei zumindest teilweise auf dem
Absatz auf.
Der Absatz kann umlaufend ein- oder mehrfach unterbrochen sein. Dies
schließt auch einen Absatz ein, der in Form einer einzelnen Nase oder auch
mehreren Nasen ausgebildet ist.
Der Absatz erzeugt naturgemäß eine Vertiefung der Zylinderlaufbahn
im gegossenen Kurbelgehäuse oberhalb der Zylinderlaufbuchse. Für den Fall,
dass der übergossene Bereich oberhalb der Zylinderlaufbuchse im Zusammenbau
des Motors stehen bleibt, ist es zweckmäßig, den Absatz mit einer begrenzten
radialen Tiefe auszugestalten. Die radiale Tiefe des Absatzes sollte geringer sein
als der radiale Materialabtrag bei der Fertigbearbeitung der Zylinderlauffläche.
Der Abstandhalter kann auch durch einen zusätzlich eingelegten
Distanzring ausgestaltet sein.
Ein anderes nicht zur Erfindung gehörendes Gießwerkzeug
weist oberhalb der jeweiligen Zylinderlaufbuchse eine Öffnung zu einem Hohlraum
auf, in den die Schmelze abfließen kann. Die Wirkung dieser Anordnung besteht
ebenfalls darin, dass die Schmelze im oberen Buchsenbereich eine Relativgeschwindigkeit
zur Buchse aufweist, da sie in den Hohlraum abfließen kann. Analog wie bei
der Anordnung nach Anspruch 1 wird durch die kinetische Energie der bewegten Schmelze
die Oxidhaut auf der Buchse aufgebrochen.
Der Hohlraum ist mit der Öffnung bevorzugt durch einen schmalen
Kanal verbunden, der nach dem Erstarren des Bauteils mit geringem Aufwand abgetrennt
werden kann. Bevorzugt liegt der Hohlraum und der Kanal in einer Trennebene des
Werkzeuges, damit eine gute Erstformbarkeit gewährleistet ist.
Die Zylinderlaufbuchse besteht bevorzugt aus einer übereutektischen
Aluminium-Silizium-Legierung. Derartige Legierungen weisen gegenüber Aluminium-Gusslegierungen
eine verbesserte Verschleißbeständigkeit auf und zeichnen sich durch ihre
geringe Wichte und bezüglich der Aluminium-Gusslegierung ähnlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aus. Dennoch sind alle Werkstoffe mit guten Verschleißeigenschaften
als Material für Zylinderlaufbuchsen geeignet, hierzu gehören insbesondere
Eisenwerkstoffe.
An Hand von vier Figuren werden im Folgenden bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung veranschaulicht.
Ausführungsbeispiel
Es zeigen:
1 einen Ausschnitt eines Gießwerkzeuges
für ein Zylinderkurbelgehäuse mit Pinole und Zylinderlaufbuchse mit einem
umlaufenden Absatz an der Pinole,
2 einen Ausschnitt eines Gießwerkzeuges
für ein Zylinderkurbelgehäuse mit Pinole und Zylinderlaufbuchse mit einem
unterbrochenen Absatz an der Pinole,
3 einen Ausschnitt eines Gießwerkzeuges
für ein Zylinderkurbelgehäuse mit Pinole und Zylinderlaufbuchse mit einem
einem Absatz in der Zylinderlaufbuchse,
4 einen Ausschnitt eines Gießwerkzeuges
für ein Zylinderkurbelgehäuse mit Pinole und Zylinderlaufbuchse mit einem
Hohlraum für Schmelze.
Der in 1 dargestellte Ausschnitt aus einem
erfindungsgemäßen Gießwerkzeug 2 umfasst eine Pinole
4, die von einer zylinderkopfseitigen Wand 5 des Gießwerkzeugs
2 zu einer nicht dargestellten kurbelgehäuseseitigen Wand des Gießwerkzeugs
2 verläuft. Auf die Pinole 4 ist eine Zylinderlaufbuchse
6 aufgesetzt, die durch einen Abstandhalter in Form eines umlaufenden Absatzes
8 von der Werkzeugwand 5 auf Distanz gehalten wird. Üblicherweise
weist ein Zylinderkurbelgehäuse mehrere Zylinderbohrungen und somit das Gießwerkzeug
mehrere Pinolen mit jeweils einer Zylinderlaufbuchsen auf.
Der Schmelzenstrom 10 des Gießmetalls verläuft
derart, dass er über eine obere Kante 11 der Zylinderlaufbuchse
6 hinausfließt. Die Geschwindigkeit des Schmelzenstromes
10 ist im Bereich 11 so hoch, dass es zu einem Aufbrechen einer
Oxidhaut kommt. Die Oberfläche der Zylinderlaufbuchse schmilzt durch den Einfluss
der Schmelze an, so dass beim Erstarren der Schmelze eine stoffschlüssige Verbindung
zwischen der Zylinderlaufbuchse 6 und dem Umguss entsteht.
Der Abstand zwischen der Oberkante 11 der Zylinderlaufbuchse
6 und der Werkzeugwand 5, der durch den Absatz 8 (bzw.
Absätze 9 in 2) bestimmt ist, beträgt
mindestens 3 mm. Dieser Mindestabstand ist erforderlich um eine ausreichende Fließgeschwindigkeit
in diesem Bereich zu gewährleisten. In der Praxis hat sich ein Abstand zwischen
4 mm und 8 mm als vorteilhaft herausgestellt. Prinzipiell wird durch einen höheren
Abstand das Fließverhalten der Schmelze in diesem Bereich günstiger, wenn
der Überguss anschließend spanend abgetragen wird, bedeutet dies einen
mit zunehmenden Abstand stetig höheren Bearbeitungsaufwand.
Das aus dem Gießwerkzeug 2 entformte Kurbelgehäuse
weist im Bereich der Zylinderlaufbuchse-Oberkante 11 eine Überhöhung
durch den Umguss auf. Dieser Umguss kann spanend abgearbeitet werden, wodurch eine
ebene Oberfläche für die Montage eines Zylinderkopfes entsteht. Der Überguss
der mindestens einen Zylinderlaufbuchse kann so ausgestaltet sein, dass eine kontinuierliche,
ebene Fläche zu Montage des Zylinderkopfes entsteht. Diese Fläche muss
lediglich entsprechend feinbearbeitet werden, auf ein spanendes Abtragen bis zur
Zylinderlaufbuchse kann verzichtet werden, wenn es die übrigen konstruktiven
Eigenschaften des Kurbelgehäuses zulassen.
Wird die Variante gewählt, den Umguss oberhalb der Zylinderlaufbuchse
stehen zu lassen, so ist, zu berücksichtigen, dass der Absatz 8 bzw.
die Absätze 9 (2) radial nur so weit über
die Pinole hervorragen, dass sie in der Bearbeitungstoleranz der Zylinderlauffläche
liegen. Die Zylinderlauffläche wird bei der Bearbeitung des Kurbelgehäuses
bis zu 3 mm radial abgetragen. Es ist in jedem Fall darauf zu achten, dass die Absätze
8 und 9, wie in den 1 und
2 durch Entformschrägen skizziert ist, zu entformen
sind.
Der in 2 dargestellte Ausschnitt eines
Zylinderkurbelgehäuses unterscheidet sich von dem in 1
lediglich dadurch, dass der radial umlaufende Absatz 9 mehrfach unterbrochen
ist. Die Absätze 9 sind in 2 in Form von
Nasen ausgebildet. Es ist in dieser Ausgestaltung mindestens eine Nase
9 erforderlich.
Der Abstandhalter kann auch als Absatz 13 in der Zylinderlaufbuchse
7 gemäß 3 ausgestaltet sein. Ansonsten
ist das Gießwerkzeug 11 in 3 aufgebaut
wie das Werkzeug 2 aus den 1 und
2. Die Pinole 15 weist keinen Absatz auf.
Eine weitere nicht zur Erfindung gehörende Ausgestaltungsform
besteht in einer Anordnung gemäß 4. Die Zylinderlaufbuchse
18 liegt in diesem Fall direkt an der zylinderkopfseitigen Wand
20 des Gießwerkzeuges 14 an. Die Relativgeschwindigkeit des
Schmelzenstroms 28 bezüglich des oberen Bereiches der Zylinderlaufbuchse
18 wird bei dieser Anordnung dadurch realisiert, dass die Schmelze
28 durch eine Öffnung 22 über einen Kanal
24 in einen Hohlraum 26 abfließen kann. Die Wirkung bezüglich
dem Aufreißen der Oberflächen-Oxidhaut und dem vorteilhaften anschmelzen
zwischen Umguss und Zylinderlaufbuchse entspricht dem, wie es unter 1
beschrieben ist.
Besonders vorteilhaft an dieser Anordnung ist, dass am gegossenen
Kurbelgehäuse die überstehenden Bereiche, die durch die Kanäle
24 und durch die Hohlräume 26 gebildet werden, einfach abgetrennt
werden können. Andererseits erfordert die Entformung der gefüllten Hohlräume
26 aus dem Gießwerkzeug 14 einen besonderen konstruktiven
Aufwand. Vorteilhaft ist es, eine Trennebene von zwei Werkzeughälften so zu
legen, dass sie bezüglich 4 in der Zeicheneben
liegt. Ist dies aus konstruktiven Gründen nicht möglich, könnte in
die Werkzeugwand 20 eine Vertiefung eingebracht werden, in die ein verlorener
Kern mit einem Hohlraum analog dem Hohlraum 26 eingesetzt wird. Diese Kern
kann mit entformt werden und anschließend entfernt werden.