-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine.
-
Neben Zylinderköpfen, die in einem Gussverfahren hergestellt werden, ist bspw. aus
DE 10 2018 122 259 A1 bekannt, dass Zylinderköpfe in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden können. Als ein additives Fertigungsverfahren wird ein Verfahren verstanden, bei dem, wie z.B. beim 3D-Druck, sukzessiv durch einzelne lokale oder flächige Materialzufügungen der Endkörper des Objekts erhalten wird und ggf. anschließend noch mit einem (spanenden) Verfahren bearbeitet werden kann, um auf ein exaktes Sollmaß gebracht zu werden. Auch wenn die vorliegende Erfindung nicht auf additive Fertigungsverfahren beschränkt ist, werden hier insbesondere entsprechend hergestellte Zylinderköpfe betrachtet, da aufgrund der so erhöhten konstruktiven Freiheit, die gewünschte Werkstückgeometrie einfach herstellbar ist.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Zylinderkopf bereitzustellen, der eine hohe Dauerfestigkeit und Steifigkeit aufweist. Insbesondere soll bei einem geringen Materialeinsatz eine hohe Steifigkeit erzielt werden. Die Steifigkeit kann insbesondere als eine Steifigkeit gegen Zug- und/oder Druckkräfte, die sich durch die Motorenverbrennung ergeben, verstanden werden, wie auch allgemeiner als eine hohe Verwindungssteifigkeit.
-
Diese Aufgabe wird mit den Mitteln des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Ein Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst eine Grundplatte zur Verbindung mit dem Motorblock der Verbrennungskraftmaschine. Dabei ist auf der dem Motorblock abgewandten Seite der Grundplatte gegenüber von dessen Zylinder eine erste Versteifungsrippe angeordnet. Die Versteifungsrippe kann die Kräfte der Verbrennung aufnehmen, ohne dass dabei eine besondere Materialanhäufung notwendig ist. Dadurch kann insbesondere die Dicke der Grundplatte geringer als bei herkömmlichen Bauweisen ausgeführt sein. Beim vorstehend genannten Stand der Technik
DE 10 2018 122 259 A1 war ein zweites verstärkendes Material notwendig, das aufgrund der Versteifungsrippe(n) nicht mehr benötigt wird. Hierdurch ist eine materialsparende Bauweise möglich, die ein reduziertes Gesamtgewicht ermöglicht. Auch entstehen bei bekannten Ausführungsformen häufig Dickenunterschiede, wie z.B. wenn an einem relativ dicken Materialblock eine relativ dünne Rippe angeformt ist. Diese Dickenunterschiede sind nachteilig in Bezug auf eine thermische Belastung, da das Erwärmungs- und Abkühlverhalten der unterschiedlichen Bereiche unterschiedlich ist und Spannungen und Steifigkeitssprünge auftreten können. Aufgrund von der beschriebenen Rippe können Abschnitte mit einer hohen Materialanhäufung vermieden werden. Insbesondere kann die Grundplatte dabei weitgehend eben sein. Bevorzugt ist der Zylinderkopf einstückig, d.h. er ist aus einem einzigen homogenen Material gefertigt. Additiv hergestellte Bereiche aus einem zweiten Material an den Zylinderkopf sind bevorzugt nicht vorgesehen.
-
Vorteilhaft ist, wenn die erste Versteifungsrippe Verschraubungsbereiche der Verschraubung des Zylinderkopfes mit dem Motorblock, verbindet. Dadurch sind die Kraftlinien, die sich durch den Verbrennungsdruck ergeben geradlinig geführt von dem Bereich unmittelbar oberhalb des Zylinders zu den Verschraubungen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die erste Versteifungsrippe über die Mittelachse der Zylinder geführt sein, was für eine Symmetrie der Belastung sorgt. Alternativ und/oder zusätzlich können mehrere Verstärkungsrippen auch vernetzt, wie z.B. wabenförmig sein wie dies bei einem sandwichartigen Design auftritt. Dabei ist eine zur Grundplatte im Wesentlichen parallele Verstärkungsebene vorgesehen. Beide sind mit Rippen verbunden. Auch über dieses Konzept können die Kräfte gut abgeleitet werden. Vorteilhaft ist ferner, wenn die Größe der Verstärkungsebene im Wesentlichen der Größe der Grundplatte entspricht. Die Formulierung, dass die Größe der Verstärkungsebene im Wesentlichen der Größe der Grundplatte entspricht, beschreibt insbesondere, dass die Verstärkungsebene mindestens 80% der Größe der Grundplatte aufweisen kann und/oder bevorzugt bis zu 115% der Größe der Grundplatte aufweisen kann. Die Verstärkungsebene muss keine ununterbrochene Fläche sein, sondern kann insbesondere in mittleren Bereichen Ausnehmungen umfassen.
-
Vorteilhaft ist insbesondere, wenn der Zylinderkopf über die Grundplatte, eine Verstärkungsebene und die erste Versteifungsrippe einen Grundkörper definiert, der im Wesentlichen die Form eines Doppel-T-Trägers aufweist. Dessen Stabilität ergibt sich über sein Flächenträgheitsmoment, welches im Wesentlichen durch die Außenmaße bestimmt wird. So ist es für die Funktion im Wesentlichen weitgehend unschädlich, wenn der flächenmäßige Anteil einer ersten Versteifungsrippe, die die Grundplatte mit der Verstärkungsebene verbindet, wenigstens 60% der Fläche entspricht, die zwischen der Grundplatte und Verstärkungsebene aufgespannt wird, da die Funktion der ersten Versteifungsrippe auch durch andere Komponenten, wie andere Rippen oder Kanäle, die die Verstärkungsebene und die Grundplatte verbinden, durchgeführt werden kann. Die Verstärkungsebene ist insbesondere parallel zur Grundplatte.
-
Auch kann der Zylinderkopf zwei oder mehrere Längsstreben umfassen, die sich über die Länge des Zylinderkopfs erstrecken und deren Außenabstand der Breite des Zylinderkopfs entsprechen und deren Abstand von der Grundplatte der Höhe des Zylinderkopfes entspricht. Abweichungen von +/-15° sind hier im Wesentlichen mit umfasst. In diesem Sinne sind die Längsstreben gegenüber von der Grundplatte und außenliegend, da sie so unter Betrachtung des Flächenträgheitsmoments einen hohen Beitrag zur Gesamtsteifigkeit des Zylinderkopfs liefern.
-
In einer alternativen bzw. zusätzlichen Betrachtungsweise kann der Zylinderkopf mit Grundplatte und einer Verstärkungsebene ein sandwichartiges Design aufweisen. Verstärkungsrippen führen von der Grundplatte zur Verstärkungsebene und sorgen so für eine hohe Steifigkeit. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn Mittelachsen der Zylinder des Motors durch die ersten Versteifungsrippen führen, da so die Verbrennungskräfte gut aufgenommen werden können. Besonders bevorzugt ist, wenn die Fläche der ersten Verstärkungsrippe mindestens 75%, bevorzugt mindestens 85% der Fläche ausmacht, die zwischen der Grundplatte und der Verstärkungsebene liegt.
-
Insbesondere können die Mittelachsen der Zylinder durch die ersten Versteifungsrippen und durch zweite Versteifungsrippen führen, wobei insbesondere die zweiten Versteifungsrippen in einem Winkel von mindestens 45° zu den ersten Versteifungsrippen stehen können. Hierdurch wird eine mehrdimensionale Versteifung erzielt. Bevorzugt können zusätzlich die Mittelachsen der Zylinder durch die dritte Versteifungsrippen führen, was eine weitere Versteifung bewirkt. Bevorzugt ist insbesondere, wenn die ersten, zweiten und dritten Versteifungsrippen in gleichen Winkeln zueinander stehen, was zu einer gleichmäßigen Ableitung der Kräfte führt.
-
Insbesondere verbindet zumindest eine Versteifungsrippe die Grundplatte und die Verstärkungsebene ununterbrochen, bis auf funktional bedingte Unterbrechungen komplett miteinander. Die funktional bedingten Unterbrechungen können z.B. Injektorschächte, Wasserführungen, Ladungswechselkanäle oder Verschraubungen sein. Dabei kann diese Verstärkungsrippe die erste Verstärkungsrippe sein. Es kann hierfür auch eine andere Rippe zum Einsatz kommen.
-
Zudem umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren der additiven Fertigung zur Herstellung eines entsprechenden Zylinderkopfs.
-
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Zylinderkopfs 10,
- 2 einen mittigen Schnitt A in der Ebene der Zylinder des Zylinderkopfs 10 der 1,
- 3 einen Schnitt B durch den Zylinderkopf, der gegenüber dem Schnitt der 2 leicht versetzt ist,
- 4 eine schematische Skizze zur Erläuterung eines vorteilhaften Konstruktionsprinzips der vorliegenden Erfindung,
- 5 einen mittigen Schnitt durch den Zylinderkopf 10 parallel zu seiner Grundplatte und
- 6 die Ansicht der 1 mit einer ergänzten schematischen Darstellung eines Doppel-T-Trägers zur Verdeutlichung eines Konstruktionsprinzips.
-
1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Zylinderkopfs, der in einer additiven Herstellungsweise hergestellt ist. Dabei umfasst er eine Grundplatte, die bspw. 10 mm dick ist. Diese Dicke ist vorteilhaft bei einem Motor mit 2-Liter Hubraum. Verallgemeinert, kann bevorzugt die Dicke der Grundplatte bei dieser Motorgröße kleiner als 14mm, insbesondere kleiner als 12 mm sein. Bei Motoren anderer Hubraumgrößen ergibt sich insbesondere die bevorzugte Dicke der Grundplatte proportional zum Hubraum. Aus 1 ergibt sich, dass der Aufbau des Zylinderkopfs frei von besonderen Materialanhäufungen ist. Allgemein ausgedrückt umfasst er keine Wände oder Rippen, deren Dicke größer als das 1,5-fache der Dicke der Grundplatte ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist keine Rippe oder Wand dicker als das 1,1-fache der Dicke der Grundplatte. Aufgrund des nachfolgend erläuterten Konzepts von Versteifungen ist es bei dieser Bauweise möglich, eine hohe Steifigkeit des Zylinderkopfs gegen mechanische und thermische Belastungen zu erzielen.
-
Auf den Zylinderkopf wirken diverse mechanische Belastungen. Zunächst wirkt bei jeder Verbrennung in den Zylindern eine entsprechende Kraft auf die Grundplatte 20. Diese Kräfte sind v.a. Druckkräfte in der Grundplatte, die sich unmittelbar als Zugkräfte auf die Verschraubungen des Zylinderkopfs ableiten. Darüber hinaus können diese Kräfte Momente innerhalb des Zylinderkopfs bewirken und aufgrund der zeitlich versetzten Verbrennungen der einzelnen Zylinder können sich zudem Verwindungskräfte innerhalb des Zylinderkopfs ergeben. Außerdem ist der Zylinderkopf thermischen Belastungen ausgesetzt, die sich z.B. durch den Abgasstrom ergeben. Dadurch, dass, wie bereits erwähnt, besondere Materialanhäufungen vermieden werden, wird erreicht, dass der Zylinderkopf sich bei einem Motorstart schnell auf eine entsprechende Betriebstemperatur erwärmen kann und thermische Spannungen dabei reduziert sind.
-
Ein erstes Konzept der Verstärkungen soll nachfolgend anhand der 2, 3 und 4 erläutert werden. 3 und 4 zeigen eine erste Versteifungsrippe 25, die an der Grundplatte 20 angeformt ist. Dabei liegt die Mittelachse des Zylinders 50, der in 4 schematisch angedeutet ist, in der Ebene der ersten Versteifungsrippe 25. Zudem sind in 3 und 4 Verschraubungen 30 gezeigt mit denen der Zylinderkopf 10 an dem Motorblock befestigt wird. Die Verschraubungen sind ggf. nicht mittig zur Zylinderachse angeordnet, sondern umschließen den Zylinder. Da die Verschraubungen 30, die erste Versteifungsrippe 25 und die Mittelachse der Zylinder 50 in einer Ebene liegen, werden die Verbrennungskräfte unmittelbar auf die Verschraubungen 30 geleitet, ohne dass (wesentliche) Biegemomente auf den Zylinderkopf 10 ausgeübt werden. 3 zeigt, dass die ersten Versteifungsrippen 25 sich über die gesamte Höhe h (siehe 6) des Zylinderkopfs erstrecken. Dabei sind sie weitestgehend ununterbrochen, wobei aber funktionale Elemente, wie z.B. Kühlkanäle 42 sie unterbrechen können. 3 zeigt zudem, dass man die Versteifungsrippe 25 gedanklich über ihre Bestandteile 25a und 25b in zwei Hälften teilen kann. Dazwischen und etwa auf der halben Höhe sind die Ölrücklaufe 42 angeordnet. Für die vorstehend beschriebene Ableitung der Verbrennungskräfte über die Verschraubung kann der untere Bestandteil 25a ausreichend sein. Entsprechend ist in 4 eine Ausführungsform gezeigt, bei der der obere Teil 25b nicht zum Einsatz kommt. Bei manchen Ausführungsformen kann der obere Teil 25b aber hilfreich sein, um die Gesamtstabilität des Zylinderkopfs 10 zu erhöhen. Der Schnitt der 2, der um etwa eine Wanddicke der ersten Verstärkungsrippe 25 gegenüber der 3 versetzt ist, zeigt dort, wo in 3 die Verstärkungsrippen 25 sind, materialfreie Bereiche. Diese sind aber durch zweite Verstärkungsrippen 28 unterbrochen. 5 zeigt die zweiten Verstärkungsrippen 28 in einer Draufsicht. Sie verlaufen senkrecht zu den ersten Verstärkungsrippen 25 und durch die Mittelachsen der Zylinder 50, wobei in 5 links mit ein entsprechender Zylinder 50 skizziert ist. Zudem können optional dritte Verstärkungsrippen 29 zum Einsatz kommen, die ebenfalls durch die Mittelachsen der Zylinder 50 führen und so eine sternartige Verstärkung der Grundplatte 20 dort bilden, wo die Druckkräfte der Verbrennung vom Zylinderkopf 10 aufgenommen werden müssen. Bei herkömmlich bekannten Ausführungsformen ist an dieser Stelle eine nennenswerte Materialanhäufung vorgesehen, um so die Kräfte aufzunehmen. Es wurde jedoch erkannt, dass zu diesem Zwecke die rippenförmige(n) Verstärkung(en) ausreichen. Dadurch wird der Materialeinsatz reduziert. Das Gesamtgewicht wird ebenso reduziert, was auch die thermischen Belastungen, die sich an Bereichen von Dickenänderungen ergeben können, reduziert.
-
6 entspricht der Ansicht der 1, wobei aber zum Zwecke der Verdeutlichung kreuzschaffiert ein Doppel-T eingezeichnet ist. Die Grundgeometrie des Zylinderkopfs 10 kann nämlich in einem vereinfachenden Verständnis als ein Doppel-T-Träger verstanden werden. Dieser setzt sich zusammen aus zunächst der Grundplatte 20, der ersten Versteifungsrippe 25 und einer Verstärkungsebene 60. Die Verstärkungsebene 60 ist im Wesentlichen parallel zur Grundplatte 20 und möglichst beabstandet von ihr. Die Verstärkungsebene muss nicht plan sein, sondern kann Formabweichungen, wie insbesondere Konkavitäten und/oder Konvexitäten umfassen. So liegen die Funktionselemente des Zylinderkopfs, bspw. wie die Ventile oder die Nockenwelle(n) in dem Bereich, der zwischen der Grundplatte 20 und der Verstärkungsebene 60 aufgespannt wird. Der Doppel-T-Träger muss nicht komplett ausgeführt sein. Vielmehr genügt es, wenn die erste Versteifungsrippe 25 nur teilweise vorhanden ist. So kann sie, wie in 4 gezeigt, nur zur z.B. etwa Hälfte der Höhe h des Zylinderkopfs dann ausgeführt sein, wenn deren Funktion von anderen rippenähnlichen Elementen übernommen wird. Dies ergibt sich aus 1 oder 5, die zeigen, dass eine Mehrzahl von Verbindungselementen die Grundplatte 20 mit der Verstärkungsebene 60 verbinden. Bspw. kann diese Verbindungsfunktion von Kanälen, wie den Einlass- und Auslasskanälen oder Injektionskanälen übernommen werden. In diesem Sinne kann der Doppel-T-Träger auch als eine Sandwich-Bauweise verstanden werden, die zwei bevorzugt flächige Elemente über eine Mehrzahl von Streben, bzw. Rippen verstärken.
-
Auch muss die Verstärkungsebene 60 nicht komplett ununterbrochen durchgehend als eine Fläche, bzw. Platte ausgeführt sein. Bevorzugt umfasst die Verstärkungsebene 60 aber Längsstreben 62 und 63, die sich über die Länge des Zylinderkopfs erstrecken und im Schnitt der 1 außenliegend und entfernt von der Grundplatte 20 angeordnet sind. Über eine ausreichende Anzahl von Verbindungen, bzw. Verstrebungen und Versteifungen stehen die Längsstreben im Kraftverhältnis zu dem Gesamtkörper des Zylinderkopfs. Ein Doppel-T-Träger hat den Vorteil, dass er ein hohes Flächenträgheitsmoment in unterschiedlichen Belastungsrichtungen aufweist. Dabei spielen für die Festigkeit gerade die außenliegenden Abschnitte, nämlich die Längsstreben 62 und 63 eine wesentliche Rolle. Dies führt dazu, dass bereits die Bereitstellung der Längsrippen 62 und 63 an den genannten Stellen, die Gesamtfestigkeit des Zylinderkopfs 10, gerade bei Belastungen wie Biegekräften und Verwindungen, wesentlich erhöht.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102018122259 A1 [0002, 0005]
