Vorrichtung zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses im Niederdruck- oder Schwerkraftgießverfahren

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses im Niederdruck- oder Schwerkraftgießverfahren mit einer äußeren Gießform mit Formteilen, die im zusammengesetzten Zustand einen die Außenkontur des Zylinderkurbelgehäuses gießtechnisch abbildenden Formhohlraum bilden, einem Dosierofen, der flüssiges Metall beinhaltet und zumindest einem Anschnitt, welcher geodätisch unterhalb des Formhohlraums angeordnet ist und über den der Dosierofen mit dem Formhohlraum fluidisch verbindbar ist.

Verbrennungsmotoren mit V-förmig oder reihenförmig zueinander angeordneten Zylinderbänken aus Leichtmetalllegierungen werden häufig mittels Niederdruck-Kokillengussverfahren oder im

Schwerkraftgussverfahren hergestellt. Üblicherweise erfolgt die Füllung bei stehendem Kurbelgehäuse mit oben liegenden Zylinder und unten angeordnetem Lagerstuhl. Zusätzlich ist es bekannt, die Zylinderkurbelgehäuse beim Gießen liegend anzuordnen und die Anschnitte seitlich anzuordnen, um Lagerstühle und Zylinderwände zur Verbesserung des Gefüges kühlen zu können, wie dies beispielsweise in der DE 10 2006 030 129 AI beschrieben wird.

Beim Gießen im stehenden Zustand erfolgt die Erstarrung der Schmelze entweder von der Zylinderkopfseite zum Kurbelraum oder umgekehrt, je nachdem von wo aus die Schmelze in den Hohlraum der Gießform eingeführt wird. Dabei erstarrt entweder das Zylinderdeck oder die Lagerstühle langsamer als der jeweils andere Bereich, was zu einem gröberen Gefüge mit verringerten Festigkeiten in den langsamer erstarrenden Bereichen führt. Des Weiteren ergeben sich relativ lange Erstarrungswege aufgrund der Anordnung der Anschnitte und daraus hohe notwendige Werkzeugtemperaturen, um eine korrekte Füllung der Form ohne Lunkerbildung sicherzustellen. Bei der Auslegung ergibt sich auch die Schwierigkeit, nicht den Speisungsweg durch die innenliegenden Kerne beim Gießen vollständig abzuschnüren, deren Anzahl und Komplexität in modernen Verbrennungsmotoren zunehmen.

Um eine möglichst gute Lagerstuhlfestigkeit durch kurze Erstarrungszeiten gewährleisten zu können, wurde daher vorgeschlagen, dass Zylinderkurbelgehäuse bei Verwendung des Niederdruckverfahrens von unten zu füllen, wobei das Zylinderdeck unten angeordnet ist und der Lagerstuhl im oberen Bereich. So wird in der EP 1 498 197 AI vorgeschlagen, ein Kurbelgehäuse von V-Brennkraftmaschinen auf dem Kopf stehend zu gießen und die Schmelze von unten, also zylinderseitig einzuführen. Zur Verhinderung von Lunkern werden Speiser eingesetzt, welche außerhalb des Hohlraums angeordnet werden, der das Zylinderkurbelgehäuse bildet. Die Schmelze gelangt durch die aufsteigende Bewegung in Richtung des Lagerstuhls in einem abgekühlten Zustand nahe der eutektischen Temperatur in den Bereich des Lagerstuhls, an dem sich somit hohe Abkühlgeschwindigkeiten und draus folgend ein feines Gefüge mit kleinen Dendritenarmabständen ergeben. Eine schnelle Erstarrung am Zylinderdeck ist jedoch nicht erreichbar. Auch die Festigkeit im Bereich der Schraubenpfeifen ist ungenügend, da sich aufgrund einer schlechten Speisung dieser Bereiche Lunker bilden können.

Des Weiteren ist aus der DE 10 2011 056 985 AI ein Niederdruckgießverfahren für Verbrennungsmotoren mit V-förmig angeordneten Zylindern bekannt, bei dem die Gießlage so gewählt wird, dass die Zylinder nach unten zum Anschnitt zeigen. Der Anguss findet jeweils auf die zueinander gerichteten Seiten der Zylinder statt. Die Zylinder können über Kühlkokillen gekühlt werden, so dass sowohl im Lagerstuhlbereich als auch an den Zylinderwänden kleine Dendritenarmabstände erreicht werden können. Allerdings ist die Versorgung der volumenreichen Teile des Zylinderkurbelgehäuses mit der Schmelze insbesondere durch Schrumpfungsprozesse beim Abkühlen nicht ausreichend, so dass keine ausreichende Festigkeiten in diesen Bereichen oder im Bereich der Schraubenpfeifen erzielt wird.

Entsprechend besteht das Problem, dass kein Verfahren bekannt ist, bei dem sowohl kleine Dedritenarmabstände im Bereich des Lagerstuhls und der Zylinderlaufflächen an den Stegbereichen als auch eine hohe Festigkeit durch Vermeidung von Lunkern im Bereich der Schraubenpfeifen erreicht werden kann.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses im Niederdruck- oder Schwerkraftgießverfahren zu schaffen, mit der optimale Gefügeeigenschaften im Lagerstuhlbereich und im Bereich der Zylinderstege als auch im Bereich der Schraubenpfeifen und des Zylinderecks erreichbar sind.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses im Niederdruck- oder Schwerkraftgießverfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, dass jeder Anschnitt mit einer Angussbuchse verbunden ist, die in einen Zylinderraum des Zylinderkurbelgehäuses bildenden Bereich des Formhohlraums ragt, wird erreicht, dass eine gerichtete Erstarrung im Bereich massereicher Abschnitte, wie dem Lagerstuhl und den Schraubenpfeifen erreicht wird, so dass in diesen Bereichen hohe Festigkeitswerte durch geringe Dendritenarmabstände entsteht. Gleichzeitig können diese Bereiche bei der Erstarrung durch die direkte Anbindung zum Angussrohr über dieses auch nachgespeist werden, wodurch Lunker durch Schrumpfung beim Abkühlen vermeiden werden.

Vorteilhafterweise sind die Angussbuchsen als verlorene Angussbuchsen ausgeführt, welche nach dem Gießen von der Kurbelraumseite ausgedrückt werden. Dabei werden die verlorenen Angussbuchsen aus Fasermaterialien, keramischen Werkstoffen, Gießereiformstoffen oder aus einer Kombination dieser Werkstoffe hergestellt. Es ergibt sich eine einfache und kostengünstige Herstellung der Angussbuchsen.

In einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weisen die Angussbuchsen einen zylindrischen Kanal auf, von dem aus sich Kanäle unter einem Winkel durch die die Angussbuchse begrenzenden Seitenwände erstrecken. Über diese Kanäle erfolgt die Anbindung erfolgt eine gerichtete Füllung und Speisung der massereichen Abschnitte des Zylinderkurbelgehäuses, wobei hohe Festigkeitswerte erzielt werden.

Eine besonders einfache Herstellung ergibt sich, wenn die Kanäle als Querkanäle ausgebildet sind, die sich senkrecht zum zylindrischen Kanal erstrecken.

Dabei erfolgt die Anordnung der Kanäle vorzugsweise derart, dass die Kanäle in Richtung massereicher Gussbereiche des Zylinderkurbelgehäuses gerichtet sind, wodurch die Nachspeisung dieser Bereiche optimiert wird.

In einer spezifischen vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Kanäle in Richtung von Schraubenpfeifen und/oder Hauptölkanälen und/oder den Verbindungsabschnitten zwischen den Hauptlagerstellen und den Zylinderräumen des Zylinderkurbelgehäuses, so dass in diesen Bereichen eine gerichtete Füllung und Nachspeisung entsteht und ein Zylinderkurbelgehäuse mit geringen Dendritenarmabständen hergestellt wird.

Vorzugsweise sind die Angussbuchsen auf einem das Zylinderdeck begrenzenden Formteil angeordnet, wobei deren Seitenwände zumindest teilweise als Begrenzungswand zur Bildung des Zylinderraums dienen. So kann aufgrund der Gießlage eine einfache exakte Platzierung der Angussbuchsen erfolgen.

Alternativ sind die Angussbuchsen in einem sich in den Zylinderraum erstreckenden Halteformteil befestigt, welches zumindest teilweise zur Bildung einer Begrenzungswand des Zylinderraums dient. Die Platzierung der Angussbuchsen wird so vereinfacht und erfolgt mit hoher Präzision und guter Haltbarkeit.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn Kühlkokillen zumindest in Bereiche jedes Zylinderraums ragen, die nahe am Zylinderdeck oder an den Stegen angeordnet sind. Auf diese Weise kann zusätzlich in diesen festigkeitskritischen Bereichen eine gerichtete schnelle Erstarrung der Schmelze erreicht werden und somit ein feines Gefüge mit hoher Festigkeit erzielt werden. Diese Kühlkokillen können als Kühleisen auch in den Angussbuchsen befestigt sein und mit diesen in die Form eingesetzt werden.

In einer alternativen Ausbildung sind die Halteformteile als Kühlkokillen ausgebildet, die das Angussrohr halten. Durch diese Ausführung wird eine besonders einfache Anbindung des Angussrohres erreicht. Eine weitere Verbesserung ergibt sich, wenn das zylinderdeckseitige Formteil aus Stahl ist und im Kokillenguss kühlbar ist. So kann auch am Zylinderdeck eine gerichtete Erstarrung durch eine kurze Abkühlzeit der Schmelze erreicht werden, so dass feine Strukturen mit hoher Festigkeit die Folge sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Halteformteile jeweils vier sich axial erstreckende Arme auf, die einen über den Umfang unterbrochenen Zylinder bilden, wobei die Arme gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. In einem derart ausgebildeten Halteformteil kann die Angussbuchse einfach und zuverlässig befestigt werden. Zusätzlich ist dieser Körper einfach herzustellen.

Damit eine einfache Entformung der Angussbuchse erfolgen kann und eine gute Kühlung über die Arme erfolgen kann, ist im radial innen liegenden Bereich der Arme ein Isolationseinsatz angeordnet, der zu den Unterbrechungen zwischen den Armen korrespondierende Öffnungen aufweist, über die die Füllung der Form erfolgt.

Vorzugsweise weisen die Unterbrechungen diagonal zu den Schraubenpfeifen, wodurch einerseits eine gute Füllung und Speisung dieser Bereiche sichergestellt wird und andererseits über die Haltformteile eine Kühlung des Stegbereiches zwischen den Zylindern sichergestellt wird, so dass hier gute Festigkeitswerte erzielt werden.

Vorteilhaft ist es, wenn der Gießfilter unmittelbar unter dem Anschnitt oder in der Angussbuchse angeordnet ist, so dass keine Oxide oder sonstige Verunreinigungen in das Gussteil gelangen.

Zur nochmaligen Verbesserung der Formfüllung und Speisung beim Kernpaket- und Kokillengießverfahren weist die Vorrichtung vorzugsweise Bauteile auf, mit welcher die Gießform beziehungsweise das Kernpaket nach dem Befüllen mit der Metallschmelze um 180° drehbar und von dem Dosierofen abkoppelbar ist. Der durch die Formfüllung erzeugte Temperaturgradient unterstützt die gerichtete Erstarrung.

Es wird somit eine Vorrichtung zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses für Verbrennungsmotoren geschaffen, mit der eine gerichtete Erstarrung zum Erhalt optimaler Gefügestrukturen und somit Festigkeiten in den festigkeitskritischen Bereichen, also im Bereich des Lagerstuhls, der Schraubenpfeifen sowie der Stegbereiche der Zylinder sichergestellt wird. Die Abkühlung kann fast vollständig von außen nach innen beziehungsweise von außen in Richtung der Angüsse erfolgen, wobei hierdurch die Erstarrungszeiten minimiert werden. Gleichzeitig werden Gefügefehler im Innenbereich durch die Speiserfunktion der Angussbuchse vermieden.

Drei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Vorrichtungen zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses in Reihenbauweise sind schematisch in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses in geschnittener Darstellung.

Figur 2 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts einer alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses in geschnittener Darstellung.

Figur 3 zeigt eine Draufsicht entlang der Schnittlinie in Figur 2 auf die Angussbuchse und das Halteformteil. Figur 4 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts einer dritten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses in geschnittener Darstellung.

Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung weist eine aus mehreren Formteilen aus Stahl oder Gießereiformstoffen bestehende äußere Gießform 10 auf, die ein Unterteil 12, zwei Seitenteile 14, 16 sowie ein Oberteil 18 aufweist, in deren Innern nach dem Zulegen beziehungsweise Schließen der Formteile 12, 14, 16, 18 ein Formhohlraum 20 ausgebildet wird, der eine Außenkontur eines Zylinderkurbelgehäuses 22 darstellt, dessen Zylinderräume 24 geodätisch nach unten weisen, während der Lagerstuhl 25 nach oben weist.

Das untere Formteil 12 weist ein Füllsystem 26 auf, über die der Formhohlraum 20 mit einem Dosierofen 28 verbunden ist, der unterhalb der Gießform 10 angeordnet ist. Es handelt sich um eine Niederdruckgießanlage, so dass die Förderung der geschmolzenen Aluminium-Legierung aus dem Dosierofen 28 in den Formhohlraum 20 durch Erzeugen einer Druckdifferenz erfolgt, die dazu führt, dass die Schmelze von unten nach oben gehoben wird.

Das Füllsystem 26 erstreckt sich vom Dosierofen 28 zu mehreren Anschnitten 30, wobei pro Zylinder ein Anschnitt 30 ausgebildet ist, der jeweils zentral unterhalb jedes Zylinderraumes 24 des Zylinderkurbelgehäuses 22 angeordnet ist. Im Bereich jedes Anschnitts 30 beim Kokillenguss beziehungsweise vor dem Eintritt in den Gießlauf beim Sandguss ist ein Gießfilter 32 angeordnet, so dass vor den Gießfiltern 32 oder im Gießfilter eine 90°-Umlenkung des Schmelzestroms bei der Formfüllung erfolgt. Jeder Anschnitt 30 ist mit einer Angussbuchse 34 verbunden, welche in der Ausführung gemäß der Figur 1 eine Zylinderform aufweist und somit im Wesentlichen den Zylinderraum 24 beziehungsweise Begrenzungswände 35 der Zylinder abbildet. Diese Angussbuchsen 34 sind aus einem keramischen Material, Fasermaterial oder einem Gießformstoff wie Gießsand oder -salz oder einer Kombination dieser Stoffe hergestellt und auf dem Unterteil 12 entsprechend ausgerichtet und befestigt.

In ihrem Innern ist ein zylindrischer Kanal 36, der sich entlang der Zylindermittelachse erstreckt, ausgebildet. Vom Kanal 36 aus erstrecken sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Querkanäle 38 durch die Seitenwände 40 der Angussbuchsen 34, die in den Formhohlraum 20 münden. Diese Querkanäle 38 sind entsprechend der Masseanhäufungen am Bauteil über den Umfang verteilt und erstrecken sich in Richtung von Schraubenpfeifen 42 des Zylinderkurbelgehäuse 22, sind also schräg versetzt zu den nicht sichtbaren Zylinderstegen des Zylinderkurbelgehäuses 22 ausgerichtet. Die Querkanäle 38 münden oberhalb von Kernen 46 zur Erzeugung eines Kühlmittelmantels des Zylinderkurbelgehäuses 22 in den Formhohlraum 20. Somit weisen diese Querkanäle 38 in Richtung der massereichen Bereiche des Zylinderkurbelgehäuses 22, wie den Schraubenpfeifen 42, den Hauptölkanälen 48, die ebenfalls durch entsprechende eingelegte Kerne gebildet werden, sowie den Anbindungen des Lagerstuhls 25 mit den Hauptlagerstellen 50 der Kurbelwelle.

Wird nun Schmelze aus dem Dosierofen 28 durch Erzeugung von Druck über den Anschnitt 30 in die Angussbuchse 34 gehoben, strömt diese Schmelze über die Querkanäle 38 in den Formhohlraum 20 und füllt zunächst den Bereich des nach unten weisenden Zylinderdecks 52, an dem somit eine schnelle Erstarrung erreicht wird, da kein Material in diesen Bereich nachströmt. Die weitere Füllung erfolgt nun steigend von unten nach oben. Die Hauptlagerstellen 50 als höchstliegende Teile werden zuletzt befüllt, so dass sich bei Erreichen dieser Bereiche des Zylinderkurbelgehäuses 22 die Schmelze bereits im Bereich der eutektischen Temperatur befindet und somit schnell erstarrt, wodurch feine Gefüge mit kleinen Dendritenarmabstände erreicht werden, was zu hohen Festigkeiten führt. Die gesamte Erstarrungsrichtung ist somit von außen nach innen. Die massereichen Bereiche der Schraubenpfeifen 42 und der Anbindung zum Lagerstuhl 25 bleibt in Kontakt zu den Querkanälen 38, so dass über diese bei Abkühlung von außen nach innen eine Nachspeisung erfolgt, die eine Lunkerbildung durch die Schrumpfung zuverlässig verhindert. Es erfolgt somit eine gerichtete Füllung und Erstarrung mit guten Festigkeitswerten.

Eine zusätzliche Verbesserung dieses Gießergebnisses kann mit einer Ausführung gemäß der Figuren 2 und 3 erzielt werden, wobei im Folgenden für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Diese Ausführung unterscheidet sich von der Vorbeschriebenen dadurch, dass das Unterteil 12 der Gießform 10 aus Stahl hergestellt ist und kühlbar ist, also beispielsweise im Innern des Unterteils 12 Kühlkanäle angeordnet sind. Zusätzlich weist dieses Unterteil 12 für jede Angussbuchse 34 Halteformteile 54 auf. Diese bestehen aus vier gleichmäßig über den Umfang verteilten Armen 56, die als Kühlkokille 58 dienen, die Angussbuchse 34 radial aufnehmen und über ihre Höhe und Breite die Begrenzungswand 35 des Zylinders beim Gießen festlegen wie in Figur 3 zu erkennen ist. Die Arme 56 bilden entsprechend einen Zylinder mit über den Umfang verteilten Unterbrechungen 60. Die Unterbrechungen 60 sind in gleicher Weise über den Umfang verteilt, wie die Querkanäle 38 der Angussbuchse 34. Im Kanal 36 befindet sich ein Isolationseinsatz 62 mit wiederum entsprechenden Ausnehmungen zur Ermöglichung der Füllung und Speisung, durch den ein Wärmeübergang zwischen den als Kühlkokillen 58 wirkenden Armen 56 und der Angussbuchse 34 verringert wird.

Die Füllung des Formhohlraums 20 erfolgt nun in gleicher Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Jedoch werden noch feinere Gefüge am Zylinderdeck 52 und im Bereich der Zylinderstege erreicht, da diese Bereiche direkt gekühlt werden und somit die Erstarrungszeiten verkürzt werden. Auch im Bereich der Hauptlagerstellen 50 kann eine zusätzliche aktive Kühlung vorgenommen werden, was zu verringerten Dendritenarmabständen und erhöhten Festigkeiten am Lagerstuhl 25 im Vergleich zu den bereits durch die gerichtete Füllung erzielbaren Gefügen führt.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß der Figur wird ein Sandgussformpaket als Gießform 10 verwendet. Im Vergleich zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 befindet sich im Bereich des Lagerstuhls 25 eine Kühlkokille 64, die durch einen Deckkern 66 als zusätzliches Formteil gehalten wird. Das Unterteil 12 ist als Bodenkern ausgebildet, in dem ein Gießlauf 68 des Füllsystems 26 sowie die zu den Angussbuchsen 34 führenden Anschnitte 30 ausgebildet sind. An den Angussbuchsen 34 sind im Bereich des Zylinderdecks 52 Kühlkokillen 58 ausgebildet. Zusätzlich erstrecken sich vom Gießlauf 68 Querläufe 70, die zu Hilfsanschnitten 72 führen, über die seitliche Zylinderwände zusätzlich befüllt werden können. Im Bereich des Bodenkerns 12 befindet sich eine parallel zum Gießlauf 68 angeordnete Drehachse 74, um die das gesamte Kernpaket nach der horizontalen Füllung mit der Schmelze um 180° gedreht wird, nachdem das Kernpaket von dem Dosierofen 28 abgekoppelt wurde. Dieses Verfahren wird als Drehgieß- oder Roll-over-Verfahren bezeichnet.

Es werden somit Vorrichtungen zur Verfügung gestellt, mit denen ein Zylinderkurbelgehäuse im Niederdruckgussverfahren hergestellt werden kann, bei dem einerseits hohe Festigkeiten an den hochbelasteten Bereichen erreicht werden und andererseits reduzierte Zykluszeiten erzielt werden können, da sich kurze Abkühlzeiten und eine gerichtete Füllung ergibt. Zusätzlich besteht die Möglichkeit einer Nachspeisung massereicher Partien, so dass Lunkerbildungen entgegengewirkt wird.

Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist. Es besteht eine Eignung auch für das Schwerkraftgießen oder zur Herstellung von Motoren mit V-förmig angeordneten Zylindern. Weitere konstruktive Änderungen der Angussbuchse oder der Halteformteile sind selbstverständlich ebenso denkbar, wie die Herstellung der Formteile aus unterschiedlichen gekühlten oder nicht gekühlten Materialien. Auch die Position und Anzahl der Querkanäle oder deren Ausrichtung ist änderbar, so dass diese beispielsweise unterhalb der Wassermantelkerne münden können.