DE3721029C2

DE3721029C2 -

Info

Publication number: DE3721029C2
Application number: DE3721029A
Authority: DE
Inventors: Alfred 8501 Rosstal De Dobner
Original assignee: Alcan Deutschland GmbH
Current assignee: Novelis Deutschland GmbH
Priority date: 1987-06-25
Filing date: 1987-06-25
Publication date: 1989-09-21
Also published as: EP0296320B1; DE3721029A1; EP0296320A3; ATE71187T1; EP0296320A2; ES2027721T3; US4854275A; DE3867331D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, der im zwischen den Ein- und Auslaßventilen befindlichen Stegbereich seiner den Brennraum begrenzenden Wand mindestens eine Stegeinlage hat, die aus einem Eingießteil besteht und so in diese Wand eingebettet ist, daß sie sich mit einer Hauptabmessung senkrecht zu deren Oberfläche erstreckt.

Derartige Zylinderköpfe sind beispielsweise bereits durch die DE-PS 10 01 860 und die DE-AS 12 94 093 bekannt. Die dort vorhandenen, aus Blechen bestehenden Stegeinlagen bilden beim Eingießen in den Zylinderkopf in dessen Werkstoff Dehnfugen, die durch die Einlagen gegen Verkokung geschützt und so dauerfunktionsfähig erhalten werden sollen.

Bei Zylinderköpfen, insbesondere bei luftgekühlten Zylinderköpfen aus Leichtmetall, ist vor allem deren Steg, der sich zwischen den Ventilöffnungen im Zylinderkopfboden befindet, hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt, während die davon weiter entfernt liegenden Zonen des Zylinderkopfes wesentlich kühler bleiben. Hierdurch und durch die thermische Wechselbeanspruchung des Zylinderkopfes zwischen Betrieb und Stillstand entstehen in den hohen Betriebstemperaturen ausgesetzten Zonen, wie im vorgenannten Steg, abwechselnd Zug- und Druckspannungen, die den Werkstoff des Zylinderkopfes über die Fließgrenze hinaus beanspruchen und zu einer Rißbildung, im Bereich der Stege sogar zu einem Stegdurchriß führen können, wodurch der Zylinderkopf unbrauchbar wird.

Mit der Einarbeitung von durch Stegbleche ausgefüllten Dehnfugen gemäß dem oben geschilderten vorbekannten Stand der Technik hat man versucht, dies zu vermeiden. Hierdurch gelang es zwar, die Zug- und Druckspannungen von der brennraumseitigen Stegoberfläche so weit in die Tiefe des Steges und damit in kühlere Zonen des Zylinderkopfes zurückzuverlegen, wie die Dehnfugen tief sind. Dadurch wurde die Gefahr der Materialbelastung oberhalb der Fließgrenze am Dehnfugengrund zwar geringer, jedoch war die Gefahr der Rißbildung, insbesondere des Ein- und Weiterreißens im Werkstoff des Zylinderkopfes nicht restlos beseitigt. Außerdem wurde beim Gießen des Zylinderkopfes der Materialfluß durch die in den Steg des Zylinderkopfes hineinragenden Bleche empfindlich gestört und auch der Kristallisationsablauf durch die unterschiedliche Wärmeleitung von Stegblech und Werkstoff des Steges nachteilig verändert. Hierdurch war bei der Erstarrung und Abkühlung des gegossenen Zylinderkopfes wiederum die Entstehung von Warmrissen im Dehnfugengrund gegeben, die sich im Motorbetrieb zu Temperaturwechselrissen ausweiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Zylinderkopf das Auftreten von Warmrissen am Grund der die Stegeinlagen aufnehmenden Dehnfugen beim Abkühlen des Zylinderkopfes nach dessen Gießen zu vermeiden, und zwar durch entsprechende Verringerung der auf den Dehnfugengrund wirkenden Schrumpfspannungen.

Da durch die spätere Wärmebehandlung die beim Abkühlen nach dem Gießen entstandenen Werkstoffspannungen abgebaut werden, ist es das Ziel der Erfindung, eine Rißbildung durch Schrumpfspannungen zumindest bis zu deren Abbau durch die Wärmebehandlung zu verhindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stegeinlage mindestens einen Durchbruch, ein Fenster oder einen seitlichen Einschnitt hat.

Hierdurch wird eine völlige Trennung des beiderseits der Stegeinlage befindlichen Werkstoffmaterials des Zylinderkopfes vermieden. Vielmehr ist das Material durch die Durchbrechung, das Fenster oder den Einschnitt hindurch zusammenhängend. Dadurch wird die Entstehung von Warmrissen im Dehnfugengrund bei der Erstarrung und Abkühlung des gegossenen Zylinderkopfes vermieden und die Ausbildung eines sonst nach der Abkühlung des Zylinderkopfes sichtbaren Schrumpfspaltes zwischen Stegeinlage und Zylinderkopfmaterial weitgehend vermindert. Damit kann die Dehnfuge die ihr zugedachte Funktion, nämlich die Umlenkung der durch Temperaturwechsel bedingten Zug- und Druckspannungen in kühlere Werkstoffbereiche des Zylinderkopfes erfüllen, ohne daß am Dehnfugengrund Anrisse entstehen. Ferner wird durch die erfindungsgemäß vorgesehene Durchbrechung, durch das Fenster oder den Einschnitt beim Gießen des Zylinderkopfes ein besserer Materialfluß erreicht, was die Bildung von verwirbelten Oxidhäuten verringert. Außerdem entsteht ein besserer Wärmefluß und dadurch ein besserer Kristallisationsablauf, wodurch Gefügemängel und Lunker vermieden werden.

Es ist zwar bereits bekannt, an der dem Brennraum zugewandten Seite der Zylinderkopfwand ein Stahlblech anzuordnen, das Durchbrüche mit in diese Wand hineingebogenen Rändern besitzt. Dieses Stahlblech soll eine im wesentlichen ganzflächige Auskleidung der Zylinderkopfwand bilden und erstreckt sich daher parallel zu der den Brennraum begrenzenden Wandoberfläche und nicht senkrecht zu dieser. Dabei dienen die vorerwähnten Durchbrüche dazu, mit ihren umgebogenen eingebetteten Rändern eine bessere Verankerung dieser Auskleidung an der Zylinderkopfwand herbeizuführen, nicht aber dazu, Warmrisse im Umgußmaterial zu verhüten.

Die bei dem erfindungsgemäßen Zylinderkopf vorgesehene Stegeinlage kann nicht nur einen Durchbruch, ein Fenster oder einen seitlichen Einschnitt, sondern deren mehrere haben, wobei diese die verschiedensten Formen besitzen können, wie z. B. Kreisform, Langlochform, Rechteckform, quadratische Form od. dgl. Die Fläche oder die Summe der Flächen des oder der Durchbrüche bzw. Fenster oder Einschnitte sollte so dimensioniert werden, daß sie mindestens den gewünschten Teil der auf den Fugengrund wirkenden Schrumpfspannungen aufnehmen kann, wobei sie jedoch nicht größer sein sollte als die kleinste Stegquerschnittsfläche, bezogen (begrenzt) auf die Tiefe der Stegeinlage, um unter Betriebsspannungen als Sollbruchstelle zu wirken und nicht die Wirkung der Dehnfuge aufzuheben. Dabei kann es vorteilhaft sein, daß der Abstand des Mittelpunktes des oder der Durchbrüche, Fenster oder Einkschnitte von dem eingebetteten Stegrand mindestens ein Viertel der Gesamttiefe der Stegeinlagen beträgt.

Bevorzugt sollte die Gesamtfläche des oder der Durchbrüche, Fenster oder Einschnitte der Stegeinlage mindestens den Wert F besitzen, der folgender Gleichung entspricht:

wobei:
F = Fläche des Durchbruches bzw. Gesamtfläche aller Durchbrüche in mm²
S = beobachtete Spaltbreite bei Köpfen ohne durchbrochenes Stegblech in mm
E = Elastizitätsmodul des Stegmaterials in N/mm²
b = Breite des Stegbleches in mm an der Stelle des Durchbruches (mittlere Breite) in mm
t₁ = Tiefe des Durchbruches, gemessen von der Endstelle des Stegbleches
t = Tiefe des gesamten Stegbleches am unbearbeiteten Kopf in mm
y = % Angabe des gewünschten Spannungsabbaues auf y%
l₀ = Abstand der Stegbleche zueinander in mm
σ _zul = zul-Spannung des Stegmaterials bei niederer Temperatur in N/mm².

Besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Stegeinlage sowie deren Anordnung in einem Zylinderkopf werden anhand der Zeichnung im folgenden näher beschrieben. Es zeigten

Fig. 1 bis 3 drei Ausführungsformen in Einzeldraufsicht,

Fig. 4 die Ausführungsform gemäß Fig. 1 in eingegossener Lage mit den in der vorstehenden Formel enthaltenen Parametern,

Fig. 5 die Anordnung zweier Stegeinlagen gemäß der Erfindung in einem Zylinderkopf im Schnitt und

Fig. 6 diese Anordnung in Draufsicht auf den Boden des Zylinderkopfes.

Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen einer Stegeinlage gemäß der Erfindung besitzen gleiche Abmessungen und sind in ihrem in den Zylinderkopf einzugießenden, in den Figuren obenliegenden Bereich gewölbt. In diesem gewölbten Bereich besitzt die Einlage in der Ausführungsform gemäß Fig. 1 eine einzige fensterartige Durchbrechung 1 in Form eines Langloches, während die Ausführungsform gemäß Fig. 2 statt dessen drei fensterartige Durchbrechungen 2 in kreisrunder Form hat. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind zwei Reihen von kleineren, im Querschnitt kreisrunden lochartigen Durchbrechungen 3 vorgesehen. Alle diese Durchbrechungen gewährleisten nach dem Eingießen der Stegeinlage in den Zylinderkopf eine Verbindung des beiderseits der Stegeinlage befindlichen Werkstoffes des Zylinderkopfes, wodurch die vorstehend geschilderten Vorteile erreicht werden.

Fig. 4 veranschaulicht, daß die Stegeinlagen nur mit ihrem gewölbten, die Durchbrechung 1 enthaltenden Teil in den Zylinderkopf 4 eingegossen werden. Der andere Teil der Stegeinlagen bildet eine Haltelasche 10, die beim Gießen zur Fixierung der Stegeinlage in der Gießform dient. Sie wird dann vom fertigen Gußteil mit ihrer über die Gußoberfläche 11 hinausragenden Länge durch mechanische Bearbeitung abgetrennt. Fig. 4 zeigt ferner die Spaltbreite s, die sich bei Zylinderköpfen 4 mit einer darin eingegossenen Stegeinlage 5 ergeben würde, die nicht die erfindungsgemäß vorgesehenen Durchbrüche, Fenster oder Einschnitte hat.

Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Zylinderkopf, der zwei Stegeinlagen 8 hat, die an den beiden Seiten des zwischen den Ventilöffnungen 6 im Zylinderkopfboden befindlichen Steges 7 angeordnet sind.

Claims

1. Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine, der im zwischen den Ein- und Auslaßventilen befindlichen Stegbereich seiner den Brennraum begrenzenden Wand mindestens eine Stegeinlage hat, die aus einem Eingießteil besteht und so in diese Wand eingebettet ist, daß sie sich mit einer Hauptabmessung senkrecht zu deren Oberfläche erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegeinlage mindestens einen Durchbruch (1, 2, 3), ein Fenster oder einen seitlichen Einschnitt hat.

2. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche aller Durchbrüche, Fenster oder Einschnitte (1, 2, 3) der Stegeinlage nicht größer ist als die Fläche des kleisnten Stegquerschnittes, bezogen auf die Tiefe (t) der Stegeinlage.

3. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche aller Durchbrüche, Fenster oder Einschnitte (1, 2, 3) der Stegeinlage nicht kleiner ist als 10% der Fläche des kleinsten Stegquerschnittes, bezogen auf die Tiefe (t) der Stegeinlage.

4. Zylinderkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche aller Durchbrüche, Fenster oder Einschnitte der Stegeinlage höchstens halb so groß ist wie die Fläche des kleinsten Stegquerschnittes, bezogen auf die Tiefe (t) der Stegeinlage.

5. Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittenabstand t₁ des oder der Durchbrüche, Fenster oder Einschnitte (1, 2, 3) von dem eingebetteten Stegrand mindestens ein Viertel der Gesamttiefe t der Stegeinlage beträgt.

6. Zylinderkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittenabstand t des oder der Durchbrüche, Fenster oder Einschnitte (1, 2, 3) mindestens ein Drittel der Gesamttiefe t der Stegeinlage beträgt.

7. Zylinderkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des oder der Durchbrüche, Fenster oder Einschnitte von der Zylinderoberfläche kleiner ist als die in Richtung dieses Abstandes gemessene Höhe der Durchbrüche od. dgl.

8. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit zwei im Abstand einander gegenüberliegenden Stegblechen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche aller Durchbrüche, Fenster oder Einschnitte (1, 2, 3) der Stegeinlage mindestens den Wert F besitzt, der folgender Gleichung entspricht: