Gegossene Kurbelwellen sind zwar in den meisten modernen Pkw-Motoren überholt, finden sich aber noch in älteren Serienfahrzeugen und kleineren Maschinen. Hersteller bevorzugen heutzutage bei Hochleistungsmotoren geschmiedete Kurbelwellen, doch die noch existierenden gegossenen Kurbelwellen werden in einem aufwendigen Verfahren hergestellt. Um Ihnen einen Einblick zu geben, erläutern wir Ihnen den Kurbelwellenguss und die verwendeten Materialien.
Was ist eine gegossene Kurbelwelle?
Hier ist das Wichtigste zu gegossenen Kurbelwellen. Es gibt drei Herstellungsverfahren: Gießen, Schmieden und CNC-Bearbeitung . Gießen ist das kostengünstigste, daher entscheiden sich führende Kurbelwellenhersteller meist dafür, wenn sie Kosten sparen wollen.
Das Problem bei gegossenen Kurbelwellen ist jedoch, dass sie spröde sind , da ihre Zugfestigkeit und Duktilität im Vergleich zu Kurbelwellen, die aus einem Rohling gefräst werden, viel geringer sind.
Gegossene Kurbelwellen weisen typischerweise eine Zugfestigkeit von etwa 60,000 bis 100,000 psi und eine Dehnung von etwa 2 bis 3 % auf. Die Dehnung ist ein Maß für die Duktilität bzw. dafür, wie stark ein Bauteil verformt werden kann, bevor es bricht.
Geschmiedete Kurbelwellen weisen vor dem Bruch eine Dehnung von 20 % bis 22 % auf und sind damit haltbarer als gegossene Kurbelwellen. Ein niedriger Wert deutet bereits darauf hin, dass das Bauteil nicht stark beansprucht wird.
Gegossene Kurbelwellen werden hergestellt, indem flüssiges Metall in eine Form gegossen und anschließend aushärten gelassen wird. Dies führt üblicherweise zu einer recht unregelmäßigen Kornstruktur . Die Kornstruktur beschreibt die Anordnung der winzigen Metallpartikel im Inneren der Kurbelwelle und hat einen entscheidenden Einfluss auf die Festigkeit des Bauteils.
Früher fand man gegossene Kurbelwellen in Autos, Motorrädern und praktisch allem, was einen Motor hatte. Doch heute hat sich das geändert.
Obwohl diese Kurbelwellen noch immer in Serienfahrzeugen oder überall dort eingesetzt werden, wo Kosten eingespart werden müssen, setzen die Hersteller heutzutage meist auf das Schmiedeverfahren, da dadurch wesentlich stärkere und zuverlässigere Kurbelwellen entstehen.
Welche Materialien werden beim Kurbelwellenguss verwendet?
Beim Gießen von Kurbelwellen hat das verwendete Material einen großen Einfluss auf die Motorleistung . Es gibt drei Materialien: Grauguss, Sphäroguss und Stahl.
Um nun auf Grauguss zurückzukommen : Es handelt sich dabei um eine Legierung. Das bedeutet, es ist eine Mischung aus Eisen, Kohlenstoff, Silizium und Mangan. Der Kohlenstoffanteil in Grauguss liegt üblicherweise zwischen 2.5 % und 4 %, der Siliziumanteil zwischen 1 % und 3 %.
Was Grauguss zu einer so guten Wahl macht, ist vor allem, dass es billig ist, sich leicht mit engen Toleranzen bearbeiten lässt, was bedeutet, dass Sie es auf die genaue Größe schneiden und formen können, und dass es sehr verschleißfest ist.
Dann gibt es noch duktiles Gusseisen , auch Kugelgraphit genannt . Anstelle von regulären Graphitlamellen besitzt es eine Kugelgraphitstruktur. Diese Struktur entsteht durch die Zugabe von Magnesium oder Cer zum flüssigen Eisen.
Aufgrund dieser kugelförmigen Struktur weist duktiles Gusseisen eine höhere Zugfestigkeit auf als Grauguss und ist daher die bessere Wahl für Hochleistungsmotoren.
Schließlich gibt es noch Stahl , eine Legierung aus Kohlenstoff und Eisen, der in Hochleistungsmotoren verwendet wird, weil er von den dreien die höchste Festigkeit und Steifigkeit aufweist.
Der Kohlenstoffgehalt in Stahl beträgt bis zu 2 %. Allerdings ist er teurer und schwieriger zu bearbeiten als Grauguss und Sphäroguss.
Wie läuft das Gießen einer Kurbelwelle ab?
Lassen Sie uns über den Prozess des Kurbelwellengießens sprechen. Bei dieser Methode wird die Kurbelwelle präziser und schärfer.
Schritt 1. Formvorbereitung
Der Prozess beginnt mit der Herstellung einer Form , die häufig im Sandgussverfahren gefertigt wird. Dabei wird in der Sandform ein Hohlraum erzeugt, dessen Form exakt der späteren Kurbelwelle entspricht. Hierfür wird ein Modell verwendet, das in den Sand gepresst wird, sodass sich der Hohlraum in der Form darum herum bildet.
Gleichzeitig wird in dieser Phase ein Anguss-System entworfen. Dieses umfasst Bauteile wie Angüsse, Steiger und Entlüftungsöffnungen. Das System sorgt dafür, dass das Metall in den nächsten Schritten ordnungsgemäß in die Form fließt.
Die Gussform besteht üblicherweise aus zwei Teilen, dem Ober- und dem Unterteil . Diese zweiteilige Konstruktion ist wichtig, da sie das Entformen der fertigen Kurbelwelle nach dem Gießvorgang ermöglicht.
Schritt 2. Schmelzen und Gießen
Sobald die Form fertig ist, wird ein stabiles, rundes Metallportstück direkt auf das Anguss-System gesetzt.
Anschließend wird die ausgewählte Metalllegierung , beispielsweise Gusseisen oder Stahl, in einem Ofen geschmolzen. Das Metall wird so lange erhitzt, bis es die für den Kurbelwellenguss erforderliche Temperatur und Konsistenz erreicht hat.
Anschließend wird das geschmolzene Metall mithilfe des Angusssystems vorsichtig in den Formhohlraum gegossen .
Dabei muss das flüssige Metall gleichmäßig fließen, um Turbulenzen während des Fließens zu vermeiden und nicht in Gase einzudringen. Andernfalls könnte das Metall oxidieren oder Poren bilden.
Die Tangentialgeschwindigkeit muss ebenfalls unter Kontrolle gehalten werden, denn wenn sie zu hoch wird, könnte das Material gegen die Innenwand des Hohlraums und den Sandkern spritzen und prallen.
Schritt 3. Abkühlen und Entformen
Nach dem Gießen wird die Form vorsichtig aus der Halterung genommen. Anschließend wird sie zum Abkühlen nach draußen gebracht und bei Raumtemperatur abgekühlt. Diese Abkühlung wird fortgesetzt, bis das geschmolzene Metall erstarrt ist und die endgültige Form der Kurbelwelle angenommen hat.
Sobald das Teil abgekühlt ist, wird die Sandform mit einem Hammer oder einem anderen Werkzeug entfernt, um die Kurbelwelle freizulegen.
Schritt 4. Fertigstellung der gegossenen Kurbelwelle
Wenn der Kurbelwellengussteil fertig ist, durchläuft er eine Reihe von Bearbeitungsprozessen, um die endgültige Form und die erforderliche Genauigkeit zu erreichen.
Zu diesen Prozessen gehören Schleifen , Bohren und Auswuchten.
Sobald alle Bearbeitungsschritte abgeschlossen sind, wird die Kurbelwelle poliert und gereinigt, sodass sie vollständig für den Einbau in einen Motor bereit ist.
Fazit
Das Gießen von Kurbelwellen ist bis zum Schluss harte Handarbeit, um ein wichtiges Motorteil herzustellen , das kostengünstig, zuverlässig und mit geringem Nachbearbeitungsaufwand gefertigt werden soll. Schmieden hingegen ist Standard, wenn die zusätzliche Festigkeit und Haltbarkeit von Schmiedestahl erforderlich sind, um den Belastungen im Hochleistungsbetrieb eines Motors standzuhalten.
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