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Die Erfindung betrifft eine Hohlschraube
zur Flüssigkeitsleitung
und ein Verfahren zur Montage einer Hohlschraube.
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Eine Hohlschraube ist ein allgemein
in der Technik verwendetes und bekanntes Bauteil, um zum Beispiel
Flüssigkeitsleitungen
zu befestigen und gleichzeitig eine Strömungsverbindung zwischen der Leitung
und einem weiterführenden
Hohlraum herzustellen. Derartige Hohlschrauben weisen meist eine nicht
durchgehende zentrische Bohrung auf, die unterhalb eines Schraubenkopfes
mit einer seitlichen Öffnung
verbunden ist. Außerdem
sind Hohlschrauben bekannt, die eine durchgehende zentrische Bohrung
aufweisen, bei denen durch die Bohrung Leitungen, Kabel oder dergleichen
durchgeführt
sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Schraube zur Verfügung
zu stellen, die sowohl im Schaftbereich als auch im Gewindebereich
in einer wärmeübertragenden
Verbindung mit dem umgebenden Gehäusematerial steht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Hohlschraube
mit den Merkmalen des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Montage
der Hohlschraube nach Anspruch 5 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Hohlschraube zeichnet sich
dadurch aus, dass sie entlang ihrer Längsrichtung eine ungefähr zentrische,
durchgehende Bohrung aufweist und auf der Aussenseite entlang des
Gewindes eine Nut angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine wärmeleitende
Verbindung zwischen der Schraube und dem umgebenden Gehäuse dadurch
möglich,
dass eine Flüssigkeit
durch die Bohrung der Hohlschraube, entlang der Nut im Gewinde und
am Schaft entlang geführt
wird und damit einen Luftspalt, der zwischen dem Schaft, Teilen
des Gewindes und dem Gehaüse
herrscht, zu überbrücken. Bei
vielen Verschraubungen ist es nicht oder nur aufwändig möglich, eine
Längsströmung aussen
entlang der Schraube vorzusehen, bei der die Flüssigkeit z.B. unterhalb des
Schraubenkopfes in den Spalt zwischen Schraube und Gehäuse eindringt
und unterhalb er Schraubenspitze das Schrauben- bzw. Gewindeloch
wieder verlässt.
Deshalb ist es vorteilhaft, einen Zufluss von Flüssigkeit durch die Bohrung
der Schraube vorzusehen und die Flüssigkeit durch die Nut und
in geringen Mengen durch die Gewindegänge in den Hohlraum zwischen
Schaft und Gehäuse zu
leiten, um dort den Luftspalt mit Flüssigkeit zu füllen, damit
die Schraube und das umgebende Gehäuse sich in ihrer Temperatur
schnell angleichen.
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Eine schnelle Temperaturanpassung
ist zum Beispiel dann von Vorteil, wenn die Schraube und das umgebende
Gehäuse
aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen und Temperaturschwankungen
unterliegen. Zum Beispiel dehnt sich eine Stahlschraube bei Erwärmung geringer
aus als ein die Schraube umgebendes Aluminiumgehäuse. Wenn sich jedoch das Aluminiumgehäuse stärker erwärmt als
eine sich darin befindende Schraube, die vorgespannt ist, wird die
Schraube unter Umständen über ihre
zulässige
Dehngrenze gedehnt und versagt. Deshalb ist es bei Schrauben, die
stark belastet sind, wichtig und von Vorteil, wenn sie sich gleichmäßig mit dem
umgebenden Gehäuse
erwärmen
und dadurch die Differenzen in der Wärmeausdehnung gering halten.
Dies geschieht durch eine Flüssigkeit,
die die Hohlräume
zwischen der Schraube und dem umgebenden Gehäuse ausfüllt und damit durch Wärmetransport
Temperaturdifferenzen ausgleicht. Die Flüssigkeit kann bei der Montage
durch die Bohrung in Längsrichtung
eingefüllt
werden und durch die Nut im Gewinde den Hohlraum befüllen oder
aber es ist möglich,
auch während
des Betriebes eine dauernde Flüssigkeitsströmung durch
die Hohlschraube und die Nut im Gewinde in den Zwischenraum zwischen der
Schraube und dem Gehäuse
einzurichten.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung
verläuft die
Nut im Gewinde der Hohlschraube in Schraubenlängsrichtung oder mit einer
sehr großen
Steigung. Eine oder mehrere Nuten in Schraubenlängsrichtung sind auf einfache
Weise kostengünstig
herzustellen. Eine oder mehrere Nuten, die spiralförmig um
den Gewindeabschnitt der Hohlschraube angeordnet sind, verlaufen
mit einer sehr großen
Steigung, so dass eine Nut nur über
ungefähr
einen viertel bis einen halben Umfang der Schraube verläuft. Der
Nutgrund verläuft
innerhalb des Gewindes, d.h. die Nut ist tiefer als der Kerndurchmesser
des Gewindes, so dass ein – wenn
auch sehr kleiner – Kanal
entsteht, durch den die Flüssigkeit
vom Schraubenende zum Schaft und Schraubenkopf fließen kann.
Bei einem spiralförmigen
Verlauf der Nut, bzw. der Nuten, die ja eine geringe Schwächung des
Gewindes bedeuten, wird der geschwächte Bereich, der sowohl auf
der Schraubenseite als auch auf der Gehäuseseite eine geringere Kraft überträgt, auf
dem Umfang der Schraube verteilt und somit eine gleichmäßige Kraftverteilung
ermöglicht.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung ist die Hohlschraube als Zylinderkopfschraube einer Brennkraftmaschine
ausgeführt.
Zylinderkopfschrauben von Brennkraftmaschinen werden mit einer sehr
großen
Vorspannung angezogen und unterliegen gleichzeitig hohen Temperaturschwankungen zwischen
Betrieb der Brennkraftmaschine und abgestellter Brennkraftmaschine.
Da ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, wie sie z. B. in einem
Personenkraftwagen eingebaut ist, oft aus einer Aluminiumlegierung
besteht, unterliegt die Zylinderkopfschraube in diesem Falle einer
hohen Belastung, wenn sie sich wesentlich langsamer erwärmt als
das umgebende Zylinderkopfmaterial, da der Zylinderkopf sich schneller
und stärker
ausdehnt als die Zylinderkopfschraube aus Stahl. Bei einer gleichmäßigen Erwärmung der Zylinderkopf
schraube und des Zylinderkopfes durch eine wärmeleitende Flüssigkeit zwischen
diesen beiden Bauelementen wird diese Belastung erheblich verringert.
Es ist auch möglich die
Zylinderkopfschraube mit Kühlmittel
der Brennkraftmaschine zu temperieren, d.h. den Hohlraum zwischen
der Zylinderkopfschraube und dem Zylinderkopf mit dem Kühlkreislauf
zu verbinden, jedoch erfordert eine derartige Kühlmittelführung eine aufwändige Zylinderkopfgestaltung
und. eine Abdichtung des kühlmittelgefüllten Hohlraumes
zum sogenannten Ölraum
des Zylinderkopfes, weshalb eine separate Flüssigkeitsfüllung mit Schmieröl bei der Montage
der Zylinderkopfschraube, die dauerhaft den Hohlraum füllt, von
Vorteil ist. Eventuell auftretende Ölverluste im Hohlraum werden
durch Schmieröl
aus dem Ölraum
des Zylinderkopfes ausgeglichen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung weist die Kopfauflage der Hohlschraube eine Nut zur Flüssigkeitsleitung
auf. Um beim Befüllen
der Hohlschraube bzw. des sie umgebenden Hohlraumes mit Flüssigkeit
ein Entweichen der Luft und ein Abfließen der Flüssigkeit zu ermöglichen,
ist eine Öffnung
am schraubenkopfseitigen Ende des Hohlraumes erforderlich. Diese Öffnung wird
einfach durch eine oder mehrere kleine Nuten in radialer Richtung an
der Unterseite des Schraubenkopfes erreicht. Mitunter werden bei
Schraubverbindungen auch Scheiben zwischen den Schraubenkopf und
die Auflage gelegt. In diesem Falle ist es ebenfalls möglich, oben, unten
oder beidseitig in die Scheibe eine oder mehrere Nuten vorzusehen,
um einen Abfluss der Flüssigkeit
bzw. Entweichen der Luft zu ermöglichen.
Es ist ebenfalls möglich,
eine Nut in die Auflagefläche der
Schraube im Gehäuse
anzubringen, jedoch wird z.B. bei einem Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung
die wirksame Auflagefläche
zu klein und es besteht die Möglichkeit
des Wegfließens
(Plastifizierens) des relativ weichen Werkstoffes des Zylinderkopfes
unter einer Stahlschraube. Dadurch entsteht eine elastische und
plastische Einbettung zwischen der Schraubenkopfauflage und der
vom Schraubenkopf oder der Scheibe gedrückten Gegenlage, wodurch die Durchflußkanäle zugesetzt
werden und ein weiterer Durchfluß verhindert wird. Es ist ebenfalls möglich eine
Entlüftungseinrichtung
für den
Hohlraum durch eine Bohrung im Gehäuse unterhalb der Auflagefläche bereitzustellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich
dadurch aus, dass nach Anziehen der Hohlschraube die zentrische
Bohrung und der Hohlraum zwischen der Hohlschraube und dem umgebenden Gehäuse mit
einer Flüssigkeit
befüllt
werden. Bei der Montage der Hohlschraube wird diese wie üblich angezogen.
Nach dem Anziehen der Hohlschrauben wird die zentrische Bohrung
und der die Hohlschraube umgebende Hohlraum mit einer Flüssigkeit
gefüllt, die
dauerhaft in der Schraube und dem umgebenden Hohlraum verbleibt.
Die Flüssigkeit
ist vorzugsweise Schmieröl
aus dem Schmierölkreislauf
der Maschine. Eventuell auftretende Ölverluste im Hohlraum durch Verdampfen
oder Ähnliches
werden durch Schmieröl aus
einem Ölvorrat
der Maschine ausgeglichen, das entweder durch die zentrische Bohrung,
durch die Nuten unterhalb der Schraubenkopfauflage oder aber durch
eine separate Ölzufuhrleitung
nachfließt. Auf
diese Weise ist jederzeit gewährleistet,
dass die Hohlschraube durch die wärmeübertragende Flüssigkeit
die gleiche Temperatur aufweist wie das umgebende Gehäuse und
damit keiner zusätzlichen
Belastung durch Wärmespannungen
unterworfen ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung werden die zentrische Bohrung und der Hohlraum zwischen
der Hohlschraube und dem umgebenden Gehäuse über die zentrische Bohrung
befüllt.
Bei der Montage wird die Hohlschraube automatisch angezogen und
im gleichen Arbeitsgang, solange die Anschraubeinrichtung sich noch
auf dem Schraubenkopf befindet, wird durch die Anschraubeinrichtung
eine Flüssigkeit,
z.B. Öl
in die Längsbohrung
der Hohlschraube gefördert.
Auf diese Weise ist es einfach und kostengünstig möglich, eine Hohlschraube zu
montieren und eine wärmeübertragende Verbindung
zum umgebenden Gehäuse
herzustellen, damit im Betrieb durch unterschiedliche Temperaturen
keine unnötig
hohen Zugspannungen auf die Schraube einwirken.
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Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen
ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Hohlschraube in
einer Seitenansicht
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2 eine
erfindungsgemäße Hohlschraube in
einer Ansicht von unten auf die Schraubenkopfauflagefläche und
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3 eine
erfindungsgemäße Schraube
in eingebautem Zustand.
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In 1 ist
eine Hohlschraube 1 gezeigt, die aus einem Gewindeabschnitt 2,
einem Schraubenschaft 3 und einem Schraubenkopf 4 mit
einer Auflagefläche 9 besteht.
Im Gewindeabschnitt 2 ist eine Nut 5 angeordnet,
die sich spiralförmig
mit einer sehr großen
Steigung von der Schraubenspitze 6 bis zum Schraubenschaft 3 erstreckt.
Die Nut 5 ist so dimensioniert, dass sie auch in eingeschraubtem
Zustand einen genügend
großen
freien Querschnitt aufweist, um eine Flüssigkeit zu leiten, andererseits
aber den tragenden Querschnitt der Schraube 1 nicht unzulässig verringert.
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In 2 ist
die Hohlschraube 1 in einer Ansicht von der Schraubenspitze 6 auf
den Schraubenkopf 4 gezeigt. In dieser Ansicht sind eine
durchgehende, zentrische Bohrung 7 und Nuten 8 in
der Auflagefläche 9 dargestellt.
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In der 3 ist
die Hohlschraube 1 in einem eingebauten Zustand als Zylinderkopfschraube
zur Befestigung eines Zylinderkopfes 10 an einem Zylindergehäuse 11 einer
nicht näher gezeigten
Brennkraftmaschine gezeigt. Die Hohlschraube 1 ist im Zylindergehäuse 11 eingeschraubt,
befestigt den Zylinderkopf 10 am Zylindergehäuse und
stützt
die aus der Verbrennung im Brennraum entstehenden Gaskräfte ab.
Der Zylinderkopf 10 ist zum Beispiel aus einer Aluminiumlegierung
oder Grauguss hergestellt und die Hohlschraube 1 aus Stahl.
Bei Erwärmung dehnen
sich beide Bauteile aus. Da der Zylinderkopf 10 sich wesentlich
schneller erwärmt
als die Zylinderkopfschrauben, dehnt er sich in der Erwärmungsphase
stärker
aus, was erhöhte
Wärmespannungen
in der Schraube unmittelbar zur Folge hat. Da die Zylinderkopfschrauben
ohnehin sehr hochbelastet sind, ist es notwendig, diese zusätzlichen
Spannungen, die aus der unterschiedlich schnellen Erwärmung herrühren, möglichst
gering zu halten. Zu diesem Zweck wird nach dem Anziehen der Hohlschraube 1 die
zentrische Bohrung 7 mit Öl befüllt. Das Öl fließt in der zentrischen Bohrung 7 bis
zum Grund 12 der Gewindebohrung im Zylindergehäuse 11.
Danach steigt das Öl
durch die Nut 5 an der Außenseite der Hohlschraube 1 nach
oben und füllt
den Zwischenraum 13 zwischen der Hohlschraube und dem Zylindergehäuse 11 bzw.
dem Zylinderkopf 10. Wenn sich im Betrieb der Zylinerkopf 10 erwärmt, erwärmen sich in
gleichem Maße
das Öl
im Zwischenraum 13 und die Hohlschraube 1, wodurch
erhöhte
Wärmespannungen
durch unterschiedliche Ausdehnugen verhindert sind. Die Nuten 8 in
der Auflagefläche
dienen zum einen zum Entlüften
des Zwischenraumes 13 beim Befüllen
mit Öl,
aber auch zum Nachfüllen
von Öl
aus dem Raum oberhalb des Zylinderkopfes 10. Da im Raum
oberhalb des Zylinderkopfes im Allgemeinen Schmieröl vorhanden
ist, kann durch die Nuten 8 jederzeit Öl nachfließen, wenn durch Leckage, Verdampfen
oder auf andere Weise die Ölmenge sich
im Zwischenraum 13 verringert. Durch reduzierte Wärmespannungen – bzw. Wärmedehnungen
in der Hohlschraube 1 aufgrund einer gleichzeitigen Temperierung
mit den umgebenden Bauteilen, ist es möglich, die Schraube schon bei
der Montage höher zu
belasten und dadurch besser auszunutzen, da keine oder nur eine
geringe Reserve für
Wärmedehnung vorgehalten
werden muss.