Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses nach Anspruch 1 sowie ein Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 6.

Zylinderkurbelgehäuse in modernen Verbrennungsmotoren sind hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Aufgrund der mechanischen Belastungen ist bei Leichtmetallmotoren für die Zylinderlaufbahnen in der Regel ein verschleißfesterer Werkstoff vorgesehen als für das restliche Kurbelgehäuse. Es sind Konzepte bekannt, bei denen Zylinderliner aus Grauguss, warmfesten Al-Legierungen, wie beispielsweise übereutektisehen Al/Si-Legierungen oder faserverstärkten Al-Legierungen bestehen und in Zylinderkurbelgehäuse aus kostengünstigen untereutektisehen Al-Legierungen oder Mg-Legierungen eingegossen sind. Neuerdings werden auch Konzepte mit Zylinderkurbelgehäusen aus Kunststoffen verfolgt . Zur Kühlung verläuft um eine Zylinderlaufbuchse in der Regel ein Wassermantel, der zur Kühlung, insbesondere der Zylinderlaufbahn, dient. Dieser Wassermantel ist bei Kurbelgehäusen, die in einem Druckgießverfahren hergestellt werden, häufig zylinderkopfseitig offen, so dass eine open deck-Bauweise entsteht. Der zylinderkopfseitig offene Wassermantel resultiert daher, dass im metallischen Druckgießwerkzeug

bewegliche Schieber eingesetzt werden, die nach dem Gießen den Wassermantel im Kurbelgehäuse abbilden. Die Schieber müssen vor dem öffnen des Kurbelgehäuses herausgezogen werden, weshalb keine Hinterschneidungen dem Herausziehen entgegenstehen dürfen. Deshalb können mit dieser Technik auch keine geschlossenen Räume dargestellt werden.

Der offene Wassermantel führt zu einer Begrenzung der mechanischen Belastbarkeit der Motoren. Besser sind daher closed deck-Bauweisen, die einen zumindest teilweise geschlossenen Wassermantel aufweisen. Gießtechnisch sind derartige closed deck Kurbelgehäuse nur sehr schwierig darstellbar.

In der DE 102 21 674 B4 und in der DE 102 33 359 Al werden Zylinderkurbelgehäuse in closed deck Bauweise beschrieben. Hierbei wird zunächst ein Zylinderliner vorgegossen. Aufgrund der teilweise geschlossenen Konstruktionsweise des Zylinderliners, muss dieser durch Sand- oder Kokillenguss und nicht durch Druckguss hergestellt werden. Der Umguss des vorgegossenen Zylinderliners erfolgt darauf mittels Druckguss .

Das Druckgießverfahren stellt in der Massenfertigung gegenüber dem Sand- oder Kokillenguss, das wirtschaftlichere Verfahren dar und sollte daher auch auf die Herstellung des Zylinderliners anwendbar sein.

Beim Eingießen des Zylinderliners im Druckgussverfahren tritt das Problem auf, dass die im Zylinderliner angeordneten Hohlräume der Wassermäntel eine mechanische Schwächung des

Zylinderliners in der Weise darstellen, dass die Außenwand der Wassermäntel durch die Gießschmelze eingedrückt werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Zylinderkurbelgehäuse in closed-deck-Bauweise bereitzustellen, das sich gegenüber dem Stand der Technik durch geringere Herstellungskosten und verbesserte Gussqualität auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetall- oder Kunststoff- Zylinderkurbelgehäuses (2) einer Brennkraftmaschine in einer closed deck - Bauweise, mit den Schritten

- Gießen eines Zylinderliners (4) unter Verwendung von Salzkernen die zumindest den Hohlräumen der Wassermäntel entsprechen,

- Umgießen des vorgegossenen Zylinderliners im Druckgießverfahren mit einer Leichtmetallschmelze zur Darstellung des

Zylinderkurbelgehäuses (2) in closed deck-Bauweise, mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Zylinderkurbelgehäuse in closed deck-Bauweise mit den Merkmalen des Anspruchs 9, sowie Zylinderlinern aus einer warmfesten Al -Legierung zum Eingießen in Kurbelgehäuse in closed deck-Bauweise gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.

Nach dem Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses in closed deck-Bauweise wird ein Zylinderliner in einem Druckgießprozess hergestellt und in

ein weiteres Druckgießwerkzeug eingelegt, wobei anschließend ein äußeres Gehäuse um den Zylinderliner herum gegossen wird. Wesentlich ist dabei, dass der Zylinderliner vor dem Einguss in das Kurbelgehäuse keine größeren Hohlräume mehr aufweist, da diese erfindungsgemäß mit Salzkernen ausgefüllt sind. Die Salzkerne stützen insbesondere den Wassermantel wirkungsvoll gegen den Gießdruck ab. Darüber hinaus verhindern die Salzkerne ein unerwünschtes Eindringen von Gießschmelze in die Hohlräume an fehlerhaft abgedichteten

Gießformkontaktflächen. Der Salzkern verbleibt währen des Druckgießens des Zylinderkurbelgehäuses im Zylinderliner, was die Stabilität des Zylinderliners während des Umgießens - bei dem hohe Drücke auftreten - verbessert und die Prozesssicherheit erhöht. Zudem sind auf diese Weise deutlich dünnwandigere Kanalstrukturen eines Wassermantels zu realisieren.

Ein weiterer erheblicher Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass bei Großserienmotoren die Darstellung des Zylinderliners im Druckgießverfahren kostengünstiger ist als ein druckloses Gießverfahren. Im Vergleich zu sandgegossenen Zylinderlinern ist auch die Oberflächengüte deutlich verbessert. Insbesondere bilden sich keine störenden Anhaftungen und Verbackungen der Gussoberfläche mit dem Sand der Sandformen.

Unter Zylinderlinern wird hierbei das Halbzeug zum Einsetzen in ein weiteres Gießwerkzeug verstanden. Der Zylinderliner stellt den Bereich der Zylinderbohrung dar und umfasst hierbei mehrere aneinander gereihte Zylinderbohrungen ggf.

mit Zylinderlaufbuchsen und einen Wassermantel, sowie die Stege zwischen den Zylinderbohrungen.

Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass der Salzkern sowohl nach dem ersten wie auch nach dem zweiten Gießprozess einfach und rückstandsfrei herauslösbar ist. Erst hierdurch wird es möglich, nahezu geschlossene Hohlräume im Zylinderliner zu realisieren, wie insbesondere für closed deck-Bauweisen für den Wassermantel erforderlich. Für das Auflösen des Salzkerns sind die Medienanschlüsse der Kühlflüssigkeit des Wassermantels ausreichend.

Bei den Salzkernen handelt es sich typischerweise um Alkalichloride, insbesondere NaCl und/oder KCl, alleine oder in Mischung. In vorteilhafter Ausgestaltung sind zudem Lösungshilfsmittel oder Verstärkungsadditive enthalten. Lösungshilfsmittel können beispielsweise mit dem wässrigen Lösungsmittel gasende Substanzen sein, wie beispielsweise Ca- Carbonat mit sauren wässrigen Lösungen. Verstärkungsadditive können beispielsweise mineralische Kurzfasern sein.

Es kann zweckmäßig sein, als Lösungsmittel saure wässrige Lösungen zu verwenden, um durch Anätzen der Aluminium- Oberflächen die vollständige Entfernung des Salzkerns, bzw. der Gusshaut unterstützen. Hier sind beispielsweise salzsaure, essigsaure oder citronensaure Lösungen besonders günstig.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines

bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht eines Salzkerns zur Einlage in ein Druckgießwerkzeug und zur Darstellung eines Zylinderliners;

Fig.2 eine schematische Perspektivansicht auf einen im

Druckgießverfahren gegossenen Zylinderliner mit einem umgossenen Salzkern; und in

Fig.3 eine schematische Perspektivansicht auf ein Zylinderkurbelgehäuse mit einem umgossenen Zylinderliner gemäß Fig. 2.

Das Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses basiert auf folgenden Verfahrensschritten:

Zunächst wird ein in Fig. 1 in einer schematischen Perspektivansicht gezeigter Salzkern 6 in ein hier nicht dargestelltes erstes Druckgießwerkzeug eingelegt. Dieses erste Druckgießwerkzeug dient zur Herstellung eines Zylinderliners 4, welcher in Fig. 2 in einer schematischen Perspektivansicht gezeigt ist. Der Zylinderliner 4 mit dem Salzkern 6 wird anschließend in ein zweites, ebenfalls nicht dargestelltes Druckgießwerkzeug eingelegt, das zur Darstellung eines in Fig. 3 in einer schematischen Perspektivansicht gezeigten Zylinderkurbelgehäuses 2 dient. Hierbei wird der Zylinderliner 4 von dem Gießmetall umgössen und im endgültigen Zustand von einem äußeren Gehäuse 10 des Zylinderkurbelgehäuses 4 umgeben.

Im Weiteren soll nun auf die einzelnen Verfahrensschritte und Halbzeuge näher eingegangen werden:

Der Kern 6 gemäß Fig. 1 ist ein hochfester Salzkern aus einem anorganischen Material inklusive entsprechender Bindemittel und Härtungsmittel, der durch ein herkömmliches Kernherstellungsverfahren wie Kernschießen oder Pressen hergestellt wird. Dieser Kern 6 ist in Wasser oder in einer anderen Flüssigkeit löslich.

Der Kern 6 ist in dem Beispiel nach Fig. 1 so ausgestaltet, dass er einen Wassermantel 8 eines 4-Zylinder-Kurbelgehäuses 2 abbildet . Hierbei weist dieser eine ringförmige Mantelflächen 11 auf, die im fertigen Zylinderkurbelgehäuse 2 Hohlräume für den Wassermantel 8, der sich um die einzelnen ZyIinderlaufbuchsen legt, bilden. Die Mantelflächen 11 sind mittig durch Kanäle 14 verbunden. Bei den Kanälen 14 handelt es sich um besonders dünne und empfindliche Strukturen, die im Druckgießverfahren schwer darstellbar sind. Ferner weist der Salzkern 6 noch zinnenfόrmige Erhebungen 12 auf, die im fertigen Bauteil Durchgangsöffnungen 16 bilden (siehe Fig. 3) . Durch diese Durchgangsöffnungen 16 kann Kühlwasser vom Zylinderkurbelgehäuse 2 in einen nicht dargestellten Zylinderkopf fließen. Ferner umfasst der Kern 6 noch einen Wasserzulauf 15.

Das erste Gießwerkzeug zu Herstellung des Zylinderliners 4 ist so ausgestaltet, dass der Kern 6 in dieses eingelegt werden kann und an den Werkzeugwänden abgestützt wird. Hierbei ist das Werkzeug konstruktiv derart ausgelegt, dass beim Einströmen des Gießmetalls keine besonderen Biegemoment-

Spitzen am Kern 6 auftreten. Der Kern 6 bleibt beim Druckgießen des Zylinderliners 4 unbeschädigt und wird mit dem gegossenen Zylinderliner 4 entformt . Dieses so entstandene Halbzeug ist in Fig. 2 dargestellt.

Im nächsten Verfahrensschritt wird der Zylinderliner 4 mit dem eingeschlossenen und umgossenen Kern 6 in das zweite Druckgießwerkzeug eingelegt und wiederum mit Gießmetall umgössen. Die Tatsache, dass der Kern 6 im zweiten Gießverfahren noch im Zylinderliner 4 enthalten ist, führt dazu, dass der Zylinderliner 4 höheren Drücken beim Druckgießen standhält, wodurch wiederum dünnwandigere und filigranere Strukturen darstellbar sind. Derartig feine Kanalstrukturen sind mit Zylinderlinern, die im Sandgussverfahren hergestellt werden, schwerer zu realisieren. Ferner wird durch das Belassen des Kernes 6 im Zylinderliner 4 verhindert, dass Schmelze in den Wassermantel 8 eintritt und diesen verstopft.

Nach dem Entformen dieses Bauteils wird der Kern 6 in einem Wasserbad oder unter hohem Wasserdruck herausgelöst . Hierbei entsteht das Zylinderkurbelgehäuse 2, das in Fig. 3 dargestellt ist. Das Zylinderkurbelgehäuse 2 umfasst das äußere Gehäuse 10 und den Zylinderliner 4. Der Zylinderliner 4 wird von Hohlräumen durchzogen, die der Geometrie des Kerns 4 entsprechen und den Wassermantel 8 zu Beförderung des Kühlwassers während des Motorbetriebes bilden. Dieser Wassermantel 8 ist in der Darstellung nach Fig. 3 nicht näher zu erkennen. Lediglich die Durchgangsδffnungen 16 zum Zylinderkopf, die auf die zinnenfδrmigen Erhebungen 12 des Kerns 6 zurückzuführen sind, sind in Fig. 3 abgebildet.

Unter Stegen 18, die einzelne Zylinderbohrungen 20 von einander trennen, sind sehr dünne Wasserkanäle geführt, die aus den Kanälen 14 des Kerns 6 resultieren und die eine direkt Kühlung der Stege 18 ermöglichen. Eine derartige Kühlung muss bei herkömmlichen Zylinderkurbelgehäusen durch eine aufwendige nachträgliche Kühlbohrung realisiert werden.

In Fig. 3 ist auch gut zu erkennen, dass es sich bei dem hergestellten Zylinderkurbelgehäuse um eine „closed deck" - Konstruktion handelt. Im oberen Bereich des

Zylinderkurbelgehäuses 2 sind im Gegensatz zu herkömmlichen Zylinderkurbelgehäusen in open deck - Konstruktion, bei denen der gesamte Wassermantel nach oben offen ist, lediglich die Durchgangsöffnungen 16 als öffnungen vorhanden.

Eine derartige „closed deck ^w - Konstruktion lässt sich aufgrund der benötigten Schieber im herkömmlichen Druckgießverfahren nicht realisieren. Durch die im Stand der Technik beschriebenen Zylinderliner, die im Sandgussverfahren hergestellt werden, sind derartige Verfahren sehr teuer. Durch den Einsatz des hochfesten Salzkerns 6 können auch im Druckgießverfahren sehr dünne Stege - wie die Kanäle 14 - dargestellt werden. Die Festigkeit, die mechanische Belastbarkeit und die Temperaturbeständigkeit des Zylinderkurbelgehäuses 2 hebt sich bei geringern Herstellungskosten deutlich vom Stand der Technik ab.

Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass für den Zylinderliner 4 ein anderer Werkstoff verwendet werden kann als für das äußere Gehäuse 10. So ist

es möglich, für den Zylinderliner 4 eine hochfeste, bzw. warmfeste, auch übereutektische Aluminiumlegierung zu verwenden, durch deren Einsatz gegebenenfalls auch auf den weiteren Einsatz einer hier nicht näher beschriebenen separaten ZyIinderlaufbuchse verzichtet werden kann. Dies würde einen weiteren Kostenvorteil darstellen.

Das äußere Gehäuse 10, das nicht den selben hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt ist wie der Zylinderliner 4, kann durch eine kostengünstigere Aluminiumlegierung, Magnesiumlegierung oder auch durch Kunststoff dargestellt werden. Unter den Kunststoffen sind Glas- oder Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe bevorzugt, wobei hier anstelle eines typischen Gießprozesses ein BMC- Prozess oder ein RTM-Prozess zum Einsatz kommt.

Unter Betrachtung der Möglichkeit, Zylinderliner 4 und äußeres Gehäuse 10 aus unterschiedlichen Legierungen darzustellen, ist es zudem zweckmäßig zur Reduktion des Bauteilgewichtes das äußere Gehäuse 10 aus einer sehr leichten aber nicht so temperaturbeständigen Magnesiumlegierung oder Kunststoff herzustellen. So wird das Gewicht des Zylinderkurbelgehäuses 2 noch einmal deutlich reduziert .

Der Zylinderliner 4 kann auch senkrechte Durchgangsbohrungen enthalten, die gegebenenfalls auch durch den Kern 6 dargestellt werden können. Derartige Durchgangsbohrungen können später Gewinde zur Befestigung an anderen Bauteilkomponenten enthalten oder sie können als durchgehende Bohrungen vom Zylinderkopf durch das Zylinderkurbelgehäuse 2 verlaufen und zur Befestigung von Zugankern dienen.

Eine weitere Ausgestaltung der Salzkerne (6) für den Wassermantel sieht Oberflächenstrukturen in Form von Nuten oder Ausnehmungen vor. Hierdurch werden gezielt Oberflächestrukturen auf den Innenseiten des Wassermantels gebildet. Diese können zur Verbesserung des

Kühlmitteldurchflusses dienen. Die Oberflächenstrukturen sind insbesondere zur Zwangsdurchmischung bzw. Turbulenzbildung des durchströmenden Kühlwassers ausgelegt. Hierdurch wird die durch lokale überhitzung des Kühlmittels ausgelöste Kavitation, die zu einer Schädigung des Wassermantels führen kann, verringert. Das rückstandslose Entfernen des Gießkern- Materials innerhalb der unzugänglichen Hohlräume des Wassermantels ist für konventionelle Sandkerne nahezu unmöglich, im Gegensatz zu den erfindungsgemäß angewendeten Salzkernen.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Salzkerne des Wassermantels quer verlaufende Kanäle oder Durchtritte aufweisen. Hierdurch werden beim Gießen des Zylinderliners Stege gebildet, die beide Innenwandungen des Wassermantels gegeneinander abstützen. Diese Querkanäle des Salzkerns, die nach dem Gießen des Zylinderliners Stützstegen im Wassermantel bilden sind durch herkömmliche

Herstellungsverfahren kaum darstellbar. Sie tragen zu einer Verbesserung der Stabilität des Liners und auch einer verbesserten Durchmischung der Kühlflüssigkeit bei.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Zylinderliner aus einer warmfesten AI-Legierung zum Eingießen in Kurbelgehäuse in closed deck-Bauweise, wobei der Zylinderliner (4) zumindest in den Räumen des Wassermantels Salzkerne (6) enthält.

Ein derartiger Zylinderliner ist aufgrund seiner Stabilität insbesondere gut für den Druckguss geeignet.

Bevorzugt enthält der Zylinderliner bereits die mit Salzkernen gefüllten Ausnehmungen und Pfeifen, welche für die spätere Befestigung am Zylinderkopf oder Lagerstuhl erforderlich sind.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass nur zylinder- kopfseitig Pfeifen für Befestigungsschrauben angeordnet sind. Die Befestigung auf der Seite des Lagerstuhls erfolgt mit dem Umgussmaterial des Kurbelgehäuses.

Bezugszeichenliste

2 Zylinderkurbelgehäuse

4 Zylinderliner

6 Salzkern

8 Wassermantel

10 äußere Gehäuse

11 ringförmige Mantelflächen

12 zinnenförmige Erhebungen

14 Kanäle

15 Wasserzulauf

16 Durchgangsöffnungen

18 Stege

20 Zylinderbohrungen