Mit
der Erfindung soll die Belastbarkeit von Maschinenbauteilen verbessert
werden.
Erfindungsgemäß ist hierzu
ein Maschinenbauteil, insbesondere ein Zylinderkopf für ein Verbrennungsmotor,
mit wenigstens zwei Tragabschnitten, die in einem Übergangsbereich
ineinander übergehen,
vorgesehen, wobei im Betrieb in den Übergangsbereich hochbelastete
Materialbereiche vorhanden sein können und wobei Außenoberflächen der
Tragabschnitte im Übergangsbereich
durch wenigstens eine Übergangskurve
definiert sind, bei dem für
die Übergangskurve
eine parabelförmige
oder parabelähnliche
Geometrie gewählt
wird und ein Wechsel zwischen der Übergangskurve und an die Übergangskurve
anschließenden
Oberflächengeometrien außerhalb
der hochbelasteten Materialbereiche angeordnet wird.
Indem
eine parabelförmige
oder parabelähnliche
Geometrie für
die Übergangskurve
gewählt wird,
lässt sich
die Belastbarkeit von Maschinenbauteilen steigern und im Umkehrschluss
bei gleichbleibender Belastbarkeit Material einsparen. Darüber hinaus
lässt sich
das Akustikverhalten verbessern. Indem ein Wechsel zwischen der Übergangskurve
und den an die Übergangskurve
anschließenden
Oberflächengeometrien
außerhalb
der hochbelasteten Materialbereiche angeordnet wird, treten mögliche kerbwirkungsähnliche
Effekte außerhalb
der kritischen Bereiche auf. Indem somit durch die Erfindung der kritische Übergangsbereich
zwischen den Tragabschnitten mittels einer einzigen, durchgehenden
Geometrie gestaltet wird, können Übergänge zwischen Geometrien,
die möglicherweise
kerbwirkungsähnliche
Effekte haben, außerhalb
des kritischen Übergangsbereichs
angeordnet werden. Innerhalb des kritischen Übergangsbereichs wird erfindungsgemäß darauf
geachtet, nur allmähliche
Veränderungen
der Krümmung
zuzulassen und beispielsweise abrupte Veränderungen des Krümmungsradius
zu vermeiden.
In
Weiterbildung der Erfindung weist die Übergangskurve einen stetigen
Krümmungsverlauf auf
oder Unstetigkeiten im Krümmungsverlauf
der Übergangskurve
sind minimiert.
Es
wurde festgestellt, dass Unstetigkeiten oder plötzliche Änderungen im Krümmungsverlauf
zu einer Entstehung von hochbelasteten Materialbereichen beitragen
können. Ähnlich wie
die sogenannte Kerbwirkung an Oberflächengestaltungen, bei denen die
Steigung einer Übergangskurve
Unstetigkeiten aufweist und somit Oberflächen in einem Winkel zueinander
angeordnet sind, verursacht auch eine Unstetigkeit oder plötzliche Änderung
im Krümmungsverlauf
hochbelastete Materialbereiche. Es ist dabei festzuhalten, dass
bei der üblichen
Gestaltung von Übergängen zwischen
Tragabschnitten lediglich darauf geachtet wird, sogenannte sanfte Übergänge zwischen
Oberflächen
dadurch zu schaffen, dass in einem Winkel aneinander anstoßende Oberflächen möglichst
vermieden werden. Dies wird beispielsweise durch das sogenannte
Ausrunden von Ecken erreicht. Erst durch die erfindungsgemäße Realisierung
eines stetigen Krümmungsverlaufs
oder eines Krümmungsverlaufs
mit minimierten Unstetigkeiten, entsprechend einem stetigen Verlauf
der zweiten Ableitung einer Übergangskurve,
wird aber eine weitere Erhöhung
der Belastbarkeit erzielt.
In
Weiterbildung der Erfindung ist die Übergangskurve durch die Parabelgleichung
ay = bx2 + c definiert, wobei a, b und c
Werte von Null bis unendlich einnehmen können.
Eine
Parabel ist für
die Gestaltung eines Übergangsbereichs
in besonderer Weise geeignet, da durch entsprechende Wahl der Parameter
a, b und c die Form der Parabel in weiten Grenzen an bestehende
Randbedingungen anpassbar ist. Dennoch wird stets ein stetiger Krümmungsverlauf
ohne Wechsel der Kurvengeometrie erreicht.
In
Weiterbildung der Erfindung ist die Übergangskurve durch einen Ellipsenabschnitt
oder durch Verkettung von Ellipsenabschnitten gebildet.
Auch
die Wahl eines Ellipsenabschnitts für die Gestaltung des Übergangsbereichs
erlaubt eine gute Anpassung an bestehende Randbedingungen. Bei einer
Verkettung von Ellipsenabschnitten muss stets darauf geachtet werden,
dass keine Unstetigkeiten oder plötzliche Veränderungen im Krümmungsverlauf
oder wenigstens lediglich minimierte Unstetigkeiten im Krümmungsverlauf
auftreten.
In
Weiterbildung der Erfindung ist die Übergangskurve durch eine Mehrfachradienkurve
gebildet.
Auch
hierbei ist darauf zu achten, dass keine Unstetigkeiten oder lediglich
minimierte Unstetigkeiten im Krümmungsverlauf
auftreten. Beispielsweise kann eine Kurve mit sich stetig veränderndem
Radius gewählt
werden oder Kurven mit unterschiedlichen Radien können verkettet
werden. Die Verkettung von Kreisabschnitten mit unterschiedlichen
Radien kann dabei nicht ohne Geometriewechsel oder Unstetigkeiten
im Krümmungsverlauf
ausgeführt
werden. Es ist dann darauf zu achten, dass in kritischen Bereichen
kein Radienwechsel erfolgt und/oder dass ein Übergang zwischen Radien in
kleinen Abstufungen erfolgt. Die Verkettung von Kreisabschnitten
mit unterschiedlichen Radien hat bei der Gestaltung von Übergangsbereichen
den Vorteil, dass Kreisabschnitte von allen gängigen CAD-Programmen dargestellt werden können.
In
Weiterbildung der Erfindung bilden die Außenoberflächen der Tragabschnitte in
einer Schnittebene gerade Linien aus, und die Übergangskurve verbindet die
Linien miteinander, wobei ein Wechsel zwischen der Übergangskurve
und den Linien außerhalb
der hochbelasteten Materialbereiche angeordnet ist.
Indem
der bei Tragabschnitten mit geraden Außenflächen unerlässliche Geometriewechsel zwischen Übergangsbereich
und Tragabschnitten nicht in hochbelastete Materialbereiche gelegt
wird, können
die Materialbelastungen im kritischen Bereich niedrig gehalten werden.
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und
der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
im Zusammenhang mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische, abschnittsweise Schnittansicht
eines Zylinderkopfs im Bereich der Anbindung einer Zwischenwand
an eine Bodenplatte,
2 eine schematische abschnittsweise Schnittansicht
einer Brennkraftmaschine am Übergang
zwischen Motorblock und Zylinderkopf gemäß dem Stand der Technik und
3 eine der 2 vergleichbare Ansicht mit einem erfindungsgemäß gestalteten
Zylinderkopf.
In
der schematischen Schnittansicht der 1 ist
ein Zylinderkopf 10 abschnittsweise dargestellt, speziell
der Übergang
zwischen einer Zwischenwand 12 und einer Kanalwand 14 im
Bereich einer Bodenplatte 16 des Zylinderkopfs 10.
Die Bodenplatte 16 liegt im Einbauzustand auf einem – nicht dargestellten – Motorblock
auf und die Zwischenwand 12 wird mittels mehrerer Zylinderkopfschrauben
gegen den Motorblock vorgespannt. Eine durch die Zylinderkopfschrauben
ausgeübte
Schraubenvorspannkraft FS ist durch einen
Pfeil 18 angedeutet. In der Kanalwand 14 können im
Betrieb dahingegen in der Darstellung der 1 nach oben gerichtete Kräfte auftreten,
die durch Gaskräfte
im Brennraum verursacht sind. Auf die Bodenplatte 16 wirkende Gaskräfte FG sind mittels eines Pfeiles 20 schematisch
angedeutet.
In
einem Übergangsbereich
zwischen der Zwischenwand 12 und der Kanalwand 14 entstehen dadurch
hochbelastete Bereiche. Der Übergangsbereich
zwischen Zwischenwand 12 und Kanalwand 14 kann
dabei eine gewisse Materialstärke
nicht überschreiten,
da die Zwischenwand 12 sowie die Kanalwand 14 durch
Kühlflüssigkeit
in einem Wasserraum 22 gekühlt werden sollen. Eine konventionelle
Gestaltung des Übergangsbereichs
zwischen Zwischenwand 12 und Kanalwand 14 auf
der, dem Wasserraum 22 zugewandten Seite, ist in der 1 gestrichelt angedeutet.
Anhand der gestrichelten Kurve ist zu erkennen, dass die Zwischenwand 12 geradlinig
fortgesetzt wird, mittels eines Kreisumfangabschnitts in den Grund
des Wasserraums 22 übergeht, kurzfristig
wieder geradlinig verläuft
und durch einen weiteren Kreisabschnitt wieder ansteigt, um dann eine
Kanalwand von annähernd
konstanter Dicke zu realisieren. Es ist dabei zu erkennen, dass
auch die gestrichelt dargestellte Übergangskurve zwischen der
dem Wasserraum 22 zugewandten Außenoberfläche der Zwischenwand 12 und
der ebenfalls dem Wasserraum 22 zugewandten Außenoberfläche der Kanalwand 14 zwar
keine Kerben im Sinne von in einem Winkel aneinander anstoßenden Abschnitten aufweist.
Dahingegen ist beispielsweise zu erkennen, dass eine Krümmung von
einem Wert null entlang der geradlinigen Begrenzung der Außenoberfläche der
Zwischenwand 12 auf den durch den Kurvenradius vorgegebenen
Wert springt.
Durchgezogen
dargestellt ist in der 1 die erfindungsgemäße Gestaltung
des Übergangsbereichs
zwischen Zwischenwand 12 und Kanalwand 14. Zwischen
den Punkten 1 und 3 wird ein stetiger Kurvenverlauf
durch Wahl eines Ellipsenabschnitts für die Übergangskurve erreicht. Speziell
treten zwischen den Punkten 1 und 3 keine Unstetigkeiten
im Krümmungsverlauf
auf und zwischen den Punkten 1 und 3 wird die Übergangskurve
durch eine einzige Geometrie, nämlich
den gewählten
Ellipsenabschnitt, bestimmt. Es ist auch im weiteren Verlauf der Übergangskurve
während
des Übergangs
vom Punkt 1 in die geradlinige Außenoberfläche der Zwischenwand 12 zu
erkennen, dass auf eine sehr allmähliche Veränderung der Krümmung ausgehend
von dem Ellipsenabschnitt zwischen den Punkten 1 und 3 geachtet wurde.
Ein Übergang
in die geradlinige Außenoberfläche der
Zwischenwand 12 ist dann so weit vom Übergangsbereich zwischen der
Zwischenwand 12 und der Kanalwand 14 entfernt,
dass keine kritischen Materialbelastungen mehr zu erwarten sind.
In ähnlicher
Weise wird ausgehend vom Punkt 3 bei der Fortsetzung der Übergangskurve
auf eine allmähliche
Veränderung
der Krümmung
geachtet und Unstetigkeiten im Krümmungsverlauf werden nach Möglichkeit
minimiert.
Die Übergangskurve
zwischen den Punkten 1, 2 und 3 in Form
eines Ellipsenabschnitts ermöglicht
es auch, den Grund des Wasserraums 22 am Punkt 2 in einen
Bereich zu legen, in dem vorrangig Zugbelastungen verursacht durch
die Gaskraft FG auftreten. Aufgrund der
Ellipsengeometrie zwischen den Punkten 1, 2 und 3 wird
aber eine Druckbelastung in der Zwischenwand 12, verursacht
durch die Schraubenkraft FS, ebenfalls in
den Bereich des Punktes 2 geführt. Im Bereich des Punktes 2 und
somit am Grund des Wasserraums 22, überlagern sich daher Druckspannungen
aus der Zwischenwand 12 und Zugspannungen aus der Kanalwand 14,
heben sich teilweise auf und führen
damit zu einer geringeren Materialbelastung im Übergangsbereich.
Anhand
der gestrichelt dargestellten, konventionellen Übergangskurve zwischen Zwischenwand 12 und
Kanalwand 14 ist zu erkennen, dass dort die druckbelasteten
Bereiche der Zwischenwand 12 und die zugbelasteten Bereiche
der Kanalwand 14 durch den geradlinigen Grund des Wasserraums 22 klar
getrennt sind, so dass bei Wahl der gestrichelt dargestellten Übergangskurve
eine höhere
Materialbelastung auftritt.
Die
Darstellung der 2 zeigt
eine schematische, abschnittsweise Schnittansicht eines Zylinderkopfs 24,
der unter Zwischenfügung
einer Zylinderkopfdichtung 26 auf einem Motorblock 28 aufliegt. Der
Zylinderkopf 24 ist mittels einer Zylinderkopfschraube 30 gegen
den Motorblock 28 vorgespannt. Im Zylinderkopf 24 ist
ein Kühlkanal 32 vorgesehen. Die
Zylinderkopfdichtung 26 weist an ihrer, einem Brennraum 34 zugewandten
Kante einen sogenannten Stopper 36 auf. Im Bereich des
Stoppers 36 ist ein dünner
Blechstreifen auf das Grundmaterial der Zylinderkopfdichtung 26 aufgelegt.
Der Stopper 36 hat dadurch eine geringfügig größere Dicke als das Grundmaterial
der Zylinderkopfdichtung 26 und steht beispielsweise 100μm bis 500μm über das
Grundmaterial der Zylinderkopfdichtung 26 hinaus. Die Begrenzung
zum Brennraum 34 wird somit durch den Stopper 36 verlässlich abgedichtet.
Die
Zylinderkopfschraube 30 ist in einer sogenannten Schraubenpfeife
des Zylinderkopfs 24 geführt, so dass die 2 einen Übergangsbereich zwischen einer
Schraubenpfeife, einer Brennraumplatte und Kanalwänden des
Zylinderkopfs 24 darstellt.
Über die
Zylinderkopfschraube 30 werden Druckkräfte in den Zylinderkopf 24 eingeleitet
und ein aufgrund dieser Druckkräfte
verursachter Kraftfluss im Zylinderkopf 24 ist mittels
mehrerer gestrichelter Linien 38 angedeutet.
Es
ist dabei zu erkennen, dass an der mit der Bezugsziffer 38 markierten
Stelle ein Knick in den Kraftflusslinien auftritt, der zu einer
erhöhten
Materialbelastung in diesem Bereich führt, vergleichbar der sogenannten
Kerbwirkung. Diese erhöhte
Materialbelastung ist durch den Geometriewechsel am Punkt 38 zwischen
der geradlinigen Begrenzung des Kühlkanals 32 und dem
Eckenradius der in der 2 unteren,
linken Ecke verursacht. Ein weiterer Geometriewechsel erfolgt dann
an der mit der Bezugsziffer 40 markierten Stelle. Dort
geht der Eckenradius wieder in die untere, geradlinige Begrenzung
des Kühlkanals 32 über. Weitere
Geometriewechsel erfolgen entsprechend an den mit den Bezugsziffern 42 bzw. 44 markierten
Stellen. Der durch die gestrichelten Linien 38 angedeutete
Kraftfluss ist durch die Vorspannkraft der Zylinderkopfschraube 30 verursacht. Bei
einem solchen Belastungsfall ist an den Kraftflusslinien 38 keine
erhöhte
Materialbeanspruchung an den Stellen mit Geometriewechsel 40, 42 und 44 zu
beobachten. Im Betrieb des Zylinderkopfs 24 treten aber
weitere Belastungen auf, beispielsweise Zugkräfte, die durch die Gaskräfte im Brennraum 34 verursacht
sind, so dass bei den im Betrieb auftretenden Belastungsfällen auch
an den Stellen 40, 42 und 44 kerbwirkungsähnliche
Effekte auftreten.
Speziell
zwischen den Punkten 42 und 44 tritt sogar im
statischen Fall eine erhöhte
Zugbelastung auf, da aufgrund der Kraftflussverteilung gemäß den gestrichelten
Linien 38 der Zylinderkopf 24 über den Stopper 36 abkippt.
Dies deshalb, da die Kraftflusslinien 38 schwerpunktmäßig auf
der der Zylinderkopfschraube 30 zugewandten Seite des Stoppers 36 liegen.
Da der Stopper 36 geringfügig dicker ist als die übrige Zylinderkopfdichtung 26,
wird sich der Zylinderkopf 24 in seinem, der Zylinderkopfschraube 30 benachbarten
Bereich geringfügig
mehr zum Motorblock 28 absenken als dies im Bereich des Stoppers 26 der
Fall ist. Die dadurch verursachte Verformung des, Zylinderkopfs 24,
die durch ein Abkippen über
den Stopper 36 beschrieben werden kann, führt zu zusätzlichen
Zugspannungen im Bereich zwischen den Punkten 42 und 44.
Die
schematische Schnittansicht der 3 stellt
die Einbausituation der 2 dar,
wobei im Unterschied zur Ausführung
nach dem Stand der Technik der 2 ein
Kühlkanal 46 gemäß der Erfindung ausgestaltet
ist. So ist die in der Darstellung der 3 sichtbare, untere Begrenzungskurve
des Kühlkanals 46 zwischen
Punkten 48 und 50 als Parabel ausgeführt. Infolgedessen
tritt in der unteren Begrenzungskurve zwischen den Punkten 48 und 50 keine Unstetigkeit
der Krümmung
der Übergangskurve
auf.
Mittels
der durchgezogenen und zusätzlich punktierten
Linien 52 ist ein Kraftflussverlauf im Zylinderkopf 24,
der durch die Vorspannkraft der Zylinderkopfschraube 30 verursacht
ist, bei der erfindungsgemäßen Geometrie
des Kühlkanals 46 dargestellt.
Am Kraftflussverlauf der Linien 52 ist zu erkennen, dass keine
kerbwirkungsähnlichen
Effekte auftreten, wie sie in der 2 zu
erkennen sind. Es treten somit keine Bereiche stark erhöhter Materialbelastung
auf, da zwischen den Punkten 48 und 50 kein Geometriewechsel
erfolgt.
Darüber hinaus
ist ein Scheitelpunkt 49 der Parabel zwischen den Punkten 48 und 50 so
platziert, dass die Kraftflusslinien 52 sich weit über den Stopper 36 hinaus
erstrecken. In der 3 ist
zu erkennen, dass der Stopper 36 etwa mittig im durch die Linien 52 angedeuteten
Kraftfluss liegt. Dem gemäß wird das
sogenannte Abkippen über
den Stopper 36 vermieden.
Darüber hinaus
ist anhand der Kraftflusslinien 52 zu erkennen, dass die
Druckspannungen, die durch die Vorspannkraft der Zylinderkopfschraube 30 verursacht
sind, nahe an den Grund des Kühlkanals 46,
entsprechend dem Scheitelpunkt 49, herangeführt werden.
Der Scheitelpunkt 49 markiert aber auch den Übergangsbereich
zwischen einer an die Zylinderkopfwand 30 angrenzenden
Schraubenpfeife und einer den Kühlkanal 46 gegenüberliegend
der Schraubenpfeife begrenzenden Kanalwand 54. In der Kanalwand 54 treten
im Betrieb durch die Gaskräfte
im Brennraum 34 vorwiegend Zugspannungen auf. Die Druckspan nungen
werden, wie durch die Kraftflusslinien 52 angedeutet ist,
durch die Parabel zwischen den Punkten 48, 49 und 50 in
den Bereich unterhalb des Scheitelpunkts 49 und oberhalb
des Brennraums 34 geführt,
so dass die im Betrieb oberhalb des Brennraums 34 auftretenden
Zugspannungen wenigstens teilweise mit den Druckspannungen gemäß den Kraftflusslinien 52 überlagert
und dadurch ausgeglichen werden. Indem somit der Scheitelpunkt 49 der Übergangskurve
zwischen den Punkten 48 und 50, die eine Oberfläche des Übergangs zwischen
der Schraubenpfeife und der Kanalwand 54 wenigstens teilweise
definiert, unmittelbar am Übergang
zwischen der Schraubenpfeife und der Kanalwand 54 angeordnet
wird, gelingt es, im Zylinderkopf 24 auftretende Spannungen
teilweise zu neutralisieren und somit die Gesamtmaterialbelastung
gering zu halten.
Eine
parabelförmige
oder parabelähnliche Übergangskurve
zwischen den Punkten 48, 49 und 50 vermeidet
somit nicht nur kerbwirkungsähnliche Effekte
durch Unstetigkeiten im Krümmungsverlauf bzw.
Geometriewechsel und senkt damit grundsätzlich die Materialbelastung,
sondern es gelingt dadurch auch, unterschiedlich gerichtete Spannungen in
zwei ineinander übergehenden
Tragabschnitten teilweise gegeneinander auszugleichen.
Die
erfindungsgemäße Gestaltung
von Übergängen zwischen
Tragabschnitten kann bei verschiedensten Maschinenbauteilen angewendet
werden. Beispiele sind die in der 3 dargestellte
Anbindung einer Schraubenpfeife an eine Brennraumplatte des Zylinderkopfs 24,
die neben einer geringeren Materialbelastung auch zu einer besseren
Kraftverteilung auf die Zylinderkopfdichtung 26 führt. Weiterhin lässt sich
die Erfindung auf einen Übergang
einer Schraubenpfeife an einen Ölraumboden
in einem Zylinderkopf sowie an die Anbindung einer Schraubenpfeife
an ein Zwischendeck im Wasserraum des Zylinderkopfs, beispielsweise
bei zwei- oder mehrfach geteilten Wasserräumen, anwenden. Weiterhin erlaubt
die Erfindung die optimierte Gestaltung von Zylinderkopfkanälen an eine
Brennraumplatte, einen Ölraumboden
oder an Zwischendecks im Wasserraum. Zweckmäßig ist auch eine erfindungsgemäße Gestaltung
der Anbindung einer Zwischenwand an eine Brennraumplatte, einen Ölraumboden
oder ein Zwischendeck im Wasserraum. Auch Ventilführungen
können
in der geschilderten Weise an Kanäle, an Ölraumböden oder an Zwischendecks angebunden werden.
Speziell innerhalb eines hoch belasteten Zylinderkopfs bietet sich
die erfindungsgemäße Gestaltung
der Anbindung einer Ventiltellerauflage an einen Ölraumboden
sowie die Anbindung eines Injektors bzw. einer Glühkerze an
eine Brennraumplatte, einen Ölraumboden
oder ein Zwischendeck im Wasserraum an. Weiterhin können in
erfindungsgemäßer Weise
Nockenwellenlager an Schraubenpfeifen des Nockenwellengehäuses oder
an den Zylinderkopf angebunden werden.
Weitere
Beispiele für
die Anwendung der Erfindung sind Anbindungen eines Grundlagers an Schraubenpfeifen
eines Grundlagerdeckels sowie Anbindungen aller Gewindesack- bzw.
Durchgangslöcher
an ein Bauteil, wie beispielsweise eine Krümmerverschraubung, eine Verschraubung
des Ansaugtrakts, sowie eine Grundlagerverschraubung. Schließlich kann
die Erfindung bei einer Anbindung von Verstärkungsrippen an ein Bauteil
gewählt
werden sowie generell bei allen Übergängen im
Kurbelgehäuse
oder im Zylinderkopf, die bisher eckig oder mittels eines Radius
verrundet ausgeführt
wurden. Neben Anwendungen im Zylinderkopf und im Kurbelgehäuse bietet
sich darüber
hinaus aber auch die Gestaltung von Übergängen bzw. Anbindungen an weiteren
Bauteilen an, beispielsweise Achsträger, Radnaben und dergleichen.