DE4425467A1 - Zylinderkopfverschraubung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinderkopfverschraubung einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Zylinderkopfschrauben von insbesondere aus Leichtmetall gefertigten Brennkraftmaschinen sind z. B. nach einem Kaltstart hohen Belastungen ausgesetzt. Diese Belastungen resultieren aus den unterschiedlichen thermischen Dehnungen zwischen den Gehäuseteilen der Brennkraftmaschine einerseits und den Zylinderkopfschrauben andererseits. Während sich die aus z. B. einer Aluminiumlegierung gefertigten, durch den Verbrennungsprozeß im Brennraum relativ schnell erwärmten Bauteile wie Zylinderkopf und angrenzende Bereiche des Zylinderblockes in vergleichsweise hohen Beträgen dehnen, bleiben die aus einer Stahllegierung gefertigten, nahezu entlang ihrer gesamten Länge luftspaltisolierten Zylinderkopfschrauben relativ lange auf einem niedrigen Temperaturniveau und unterliegen einer geringeren Dehnung. Infolge dessen tritt in einem bestimmten Zeitintervall eine starke Überhöhung der mittels der Zylinderkopfschrauben übertragenen Schraubenkräfte auf. Dieses kann in den Auflageflächen des Zylinderkopfes für die Köpfe der Zylinderkopfschrauben zu unerwünschtem Fließen des Werkstoffes führen.

Die Schraubenkraftüberhöhung tritt zudem in unterschiedlichem Maße bei den Zylinderkopfschrauben einer Brennkraftmaschine auf, so daß es zu ungleichen Dehnungen und infolge dessen ungleichen Pressungen an der zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock angeordneten Zylinderkopfdichtung kommen kann. Als Folge hiervon kann diese Dichtung in ungünstigen Fällen stellenweise verbrennen, was zu einem Totalausfall der Brennkraftmaschine führen kann.

Die vorgenannten Probleme treten in verstärktem Maße bei luftgekühlten Brennkraftmaschinen auf.

Aus der DE-39 39 230 A1 ist es bekannt, Bohrungen für als Zuganker ausgebildete Zylinderkopfschrauben nach dem Einsetzen der Schrauben mit einem dauerplastischen Material zur Vermeidung von Korrosion, zur öldichten Abtrennung und zur Vermeidung von Schraubenschwingungen auszugießen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die unerwünschte Überhöhung der von Zylinderkopfschrauben einer Brennkraftmaschine übertragenen Schraubenkräfte weitestgehend zu reduzieren.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen benannt.

Wenn bei einer Brennkraftmaschine in dem zwischen einem Schaft einer Zylinderkopfschraube und den benachbarten Gehäusewandungen notwendigerweise zu belassenden, als Ringraum ausgebildeten Spalt ein wärmeleitender Stoff angeordnet ist, welcher stoffschlüssig sowohl mit dem Schaft wie auch mit den Gehäusewandungen in Anlage steht, so ist mittels des im Vergleich zum Luftspalt deutlich verbesserten Wärmeflusses eine vergleichsweise geringe zeitliche Verzögerung zwischen der zunehmenden Erwärmung der Gehäuseteile und der Zylinderkopfschrauben erreicht. Infolge dessen folgt die Dehnung der Zylinderkopfschrauben schneller der Dehnung der Gehäuseteile, so daß das Differenzmaß der Dehnung geringer ausfällt und die Schraubenkraftüberhöhung deutlich reduziert ist.

Ein Fließen des Werkstoffes im Bereich der Schraubenkopfauflage ist verhindert und eine ungleichmäßige Dehnung von Zylinderkopfschrauben beispielsweise eines Zylinders ist auf ein die Zylinderkopfdichtung nicht beeinträchtigendes Maß reduziert. Vorteilhafter Weise können somit vorhandene Zylinderkopfschrauben mit deutlich höheren Sicherheitsreserven betrieben werden oder sie können kosten- und gewichtsmindernd bezüglich ihrer geometrischen Abmessungen und ihrer Werkstoffqualität optimiert werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann als in dem Ringraum angeordneter Stoff beispielsweise ein Drahtgestrick, ein feinkörniges Metallpulver oder eine Aluminiumbuchse verwendet werden.

Ein Drahtgestrick kann kostengünstig als handelsübliches Bauteil verwendet werden, wobei es aufgrund der axialen und radialen Stauchbarkeit so in den Ringspalt gesetzt werden kann, daß es nach erfolgter Zylinderkopfverschraubung unter radialem Druck an den benachbarten Bauteilen anliegt, wodurch ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist.

Ein Metallpulver mit feiner Körnung verdrängt die im Ringraum vorhandene Luft weitgehend und stellt eine vergleichsweise große Oberfläche für einen Wärmeübergang bereit. Aufgrund der örtlich hohen Temperaturen kann durch geeignete Wahl des Metallpulvers ein Verschweißen der Körner herbeigeführt werden, was aufgrund der dabei entstehenden, metallischen Brücken den Wärmefluß verbessert. Eine einwandfreie Demontage der Zylinderkopfschrauben ist dabei weiterhin gewährleistet.

Eine vergleichsweise weiche Aluminiumbuchse wird beim Einschrauben der Zylinderkopfschrauben im Ringraum begrenzt gequetscht und stellt dadurch einen großflächigen, stoffschlüssigen Wärmefluß bereit.

Alternativ kann der Ringraum mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise Öl, gefüllt werden, wobei zusätzliche Maßnahmen zur Abdichtung notwendig sind.

Wenn sich der Ringraum zumindest teilweise in allen von der Zylinderkopfverschraubung erfaßten Bauteile erstreckt, so kann eine Vergleichmäßigung des Wärmeflusses erzielt werden, so daß alle Bereiche des Schraubenschaftes dabei weitgehend gleichmäßig erwärmt werden.

Eine fertigungstechnisch günstige und einfach zu montierende, wärmeleitende Überbrückung des Ringraumes ergibt sich, wenn in diesen ein hülsenförmiger Körper eingesetzt wird. Diese Hülse wird aus gut wärmeleitendem Material, beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung, hergestellt. Durch Profilierung der Oberfläche dieser Hülse ergibt sich auf einfache und günstige Weise eine gute Anlage sowohl an der Zylinderkopfschraube als auch an der Bohrungswand. Diese Profilierung der Oberfläche bzw. der Hülse kann beispielsweise durch Wellung in Längsrichtung, durch Faltung oder Abwinkelung erfolgen. Neben der Profilierung in Längsrichtung bzw. Achsrichtung der Zylinderkopfschraube ist auch eine entsprechende Profilierung, Wellung oder Faltung senkrecht zur Achsrichtung denkbar.

Die Montage einer derartigen Hülse wird vereinfacht, wenn diese zumindest teilweise an ihren Stirnseiten nach innen abgewinkelte oder abgerundete Abschnitte aufweist.

Eine derartige Hülse läßt sich einfach und kostengünstig durch Wickeln eines Bandmateriales herstellen.

Eine weitere vorteilhafte Überbrückung des Ringspaltes ist durch ein bürstenförmiges Drahtgeflecht möglich. Dabei können auf einfache Weise zwischen zwei gewickelten Drähten etwa radial abstehende Einzelfäden zwischen diesen eingebunden sein, so daß sich ein etwa bürstenförmiger Drahtaufbau ergibt, der um die Zylinderkopfschraube gewickelt wird. Eine besonders gute Anlage der bürstenartigen Einzelfäden ergibt sich, wenn diese auf der einen Seite so umgebogen werden, daß ihre Enden im gewickelten Zustand Richtung Bohrungswand weisen, und am Umfang der Zylinderkopfschraube die Längsdrähte möglichst dicht anliegen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Zylinderkopfverschraubung, teilweise gebrochen,

Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines zeitlichen Schraubenkraftverlaufes,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Zylinderblock senkrecht zur Achsrichtung der Zylinderkopfschraube,

Fig. 4a, 4b einen stark vereinfachten Schnitt durch ein bürstenförmiges Drahtgeflecht.

Ein Zylinder 1 einer luftgekühlten Brennkraftmaschine weist einen Zylinderkopf 2 und einen Zylinderblock 3 auf, welche jeweils zu Kühlzwecken verrippt sind.

Der Zylinder 1 ist mittels Zylinderkopfschrauben 4, welche den Zylinderblock 3 durchsetzen und sich am Zylinderkopf 2 abstützen, an einem Kurbelgehäuse 5 gehalten.

Die Zylinderkopfschraube 4 ist als Zuganker ausgeführt und weist einen sich auf einer Auflagefläche 6 des Zylinderkopfes 2 abstützenden Kopfabschnitt 7, einen im Kurbelgehäuse 5 eingedrehten Gewindeabschnitt 8 und einen dazwischen liegenden Schaft 9 auf.

Im Zylinderkopf 2 und im Zylinderblock 3 sind Durchgangsöffnungen 10 und 11 angeordnet, deren Durchmesser größer ist als der des Schaftes 9, so daß ein als Ringraum 12 ausgebildeter Spalt entsteht. Der Ringraum 12 durchsetzt mittels der Durchgangsöffnung 11 eine Wandung 13 des Zylinderblockes 3 und erstreckt sich, eine mit einer Zylinderkopfdichtung versehene Trennebene E durchsetzend abschnittsweise im Zylinderkopf 2 und im Kurbelgehäuse 5.

Das in Fig. 2 wiedergegebene Diagramm zeigt in einer ersten Kurve 15 den bekannten Verlauf der Überhöhung der Schraubenkraft N über der Zeit T nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine.

Infolge der deutlich verschiedenen Dehnungen zwischen Zylinderkopf 2 und Zylinderblock 3 einerseits und der Zylinderkopfschraube 4 andererseits, steigt die von ihr zu übertragende Kraft N zunächst steil an, bis zu einem Zeitpunkt t1 von circa zwei Minuten ein Maximum bei N1 erreicht ist. Anschließend fällt der Kurvenverlauf infolge des zunehmenden Wärmeübergangs auf die Zylinderkopfschraube 4 allmählich ab. Eine zweite Kurve 16 verdeutlicht den Kurvenverlauf mit einem in den Ringraum 12 eingelegten Drahtgestrick. Infolge des verbesserten, d. h. schneller verlaufenden Wärmeüberganges von Zylinderkopf 2 bzw. Zylinderblock 3 auf die Zylinderkopfschraube 4 dehnt diese sich schneller als zuvor. Das Differenzmaß zwischen der Dehnung der Zylinderkopfschraube 4 und dem Verbund aus Zylinderkopf 2 und Zylinderblock 3 ist reduziert, so daß zu einem um circa 30 Sekunden früheren Zeitpunkt t2 ein deutlich niedriger liegendes Maximum N2 der Schraubenkraft N erreicht wird.

Die Differenz zwischen den Werten N1 und N2 beträgt, je nach Auslegung der Verschraubung mehrere Kilonewton.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in den Ringraum 12 eine Hülse 17 eingesetzt, die aus einem gewellten Bandmaterial besteht, das zu einer Hülse gewickelt ist. Diese Hülse ist so ausgebildet, daß die Längserstreckung der Wellenberge 18 und Wellentäler 19 in Achsrichtung der Zylinderkopfschraube 4 verlaufen. Im Einbauzustand dieser Hülse 17 liegen die Wellenberge 18 jeweils an der Wandung der Bohrung an, während die Wellentäler am Umfang der Zylinderkopfschraube 4 an liegen. Um eine einfache Montage zu ermöglichen, sind im Bereich der beiden Stirnseiten die Wellenberge 18 nach innen abgerundet bzw. abgewinkelt. Neben der in Fig. 3 dargestellten Wellung der Hülse ist auch eine andere Profilierung der Oberfläche ohne weiteres möglich, z. B. eine Faltung in Dreiecksform, in Rechteck- oder Trapezform. Das Material der Hülse 17 ist gut wärmeleitend und kann beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung sein. Der Einsatz anderer geeigneter, gut wärmeleitender Materialien ist ohne weiteres möglich.

In den Fig. 4a und 4b ist stark vereinfacht eine bürstenähnliche Drahtanordnung dargestellt. Dabei werden beispielsweise zwei Längsdrähte 20 so gewickelt, daß zwischen ihnen eine Vielzahl von Einzelfäden eingeklemmt sind, die etwa radial abstehen und so eine langgezogene Bürste bilden. Durch Umwickeln der Zylinderkopfschraube mit diesem bürstenähnlichen Draht ergibt sich ein günstiger Wärmeübergang, da über die Wicklung und die Einbindung der Einzeldrähte 21 sich ein gegenüber anderen Drahtgeflechten besser bestimmbarer, wärmeleitender Kontakt ergibt. Durch Bestimmung der Drahtstärke der Längsdrähte 20 und Einbinden einer definierten Anzahl von Einzeldrähten 21 je Längenabschnitt läßt sich eine vorgegebene Anzahl von Kontaktflächen zwischen Einzeldraht 21 und Wand der Bohrung bzw. Umfang der Zylinderkopfschraube festlegen. Ein besonders guter Wärmeübergang und ein einfaches Wickeln des Drahtes um die Zylinderkopfschraube wird ermöglicht, wenn die Richtung Zylinderkopfschraube radial abstehenden Teile der Einzeldrähte 21 nach außen abgebogen werden (siehe Fig. 4b).

Claims (11)

1. Zylinderkopfverschraubung einer Brennkraftmaschine, mit als Zuganker ausgeführten Zylinderkopfschrauben, deren zwischen einem Kopfabschnitt und einem Gewindeabschnitt angeordneter Schaft einen Ringraum belassend in Gehäusewandungen der Brennkraftmaschine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ringraum (12) ein wärmeleitender Stoff angeordnet ist, welcher mit dem Schaft (9) und den Gehäusewandungen in direkter Anlage steht.

2. Verschraubung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Ringraum (12) einer Wandung (13) eines Zylinderblockes (3) durchsetzend abschnittsweise im Zylinderkopf (2) und in einem Kurbelgehäuse (5) erstreckt.

3. Verschraubung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stoff ein Drahtgestrick in den Ringraum (12) eingelegt ist, welches unter radialem Druck am Schaft (9) bzw. an den Gehäusewandungen anliegt.

4. Verschraubung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stoff ein Metallpulver feiner Körnung angeordnet ist.

5. Verschraubung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stoff eine Buchse bestehend aus einer Aluminiumlegierung angeordnet ist.

6. Verschraubung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stoff eine Hülse (17) angeordnet ist.

7. Verschraubung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (17) eine profilierte Oberfläche hat.

8. Verschraubung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (17) so in Achsrichtung der Zylinderkopfschraube profiliert ist, daß Teile (18) der Hülse (17) an der Gehäusewandung anliegen und andere Teile (19) an der Zylinderkopfschraube anliegen.

9. Verschraubung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (17) aus einem gewickelten Bandmaterial besteht.

10. Verschraubung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stoff ein bürstenförmig gewickeltes Drahtelement mit mindestens zwei Längsdrähten (20) und einer Vielzahl von eingebundenen Einzeldrähten (21) angeordnet ist.

11. Verschraubung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das bürstenförmige Drahtelement um die Zylinderkopfschraube gewickelt ist.