EP0585909B1

EP0585909B1 - Lagereinrichtung für die Abgassammelleitung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: EP0585909B1
Application number: EP93114009A
Authority: EP
Inventors: Rolf Bauer
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1992-09-03
Filing date: 1993-09-02
Publication date: 1995-08-02
Anticipated expiration: 2013-09-02
Also published as: EP0585909A1; ATE125904T1; US5406791A; JPH06294321A; DE4229467A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagereinrichtung für die Abgassammelleitung einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der DE 30 18 742 A1 als bekannt hervorgeht.
Die Abgassammelleitung nach der DE 30 18 742 A1 dient zur Zusammenführung und Überleitung der Abgase einer Brennkraftmaschine in einen Abgasturbolader. Um Energieverluste durch Abkühlung der Abgase zu vermeiden, ist die Abgassammelleitung in einem Gehäuse angeordnet. Die hohe Temperaturbelastung der Abgassammelleitung führt zu großen Wärmedehnungen. Damit Wärmespannungen vermieden werden, ist die Abgassammelleitung lediglich in einem Mittelquerschnitt mit Schrauben fest mit dem Gehäuse verbunden, so daß eine ungehinderte Längenausdehnung der Abgassammelleitung in beide Längsrichtungen möglich ist. Weitere Befestigungspunkte, die auf beiden Seiten der Abgassammelleitung über der Länge verteilt angeordnet sind, sind so ausgebildet, daß sie Axialverschiebungen nicht behindern. Eine Behinderung der axialen Ausdehnung der Abgassammelleitung hätte Einspannkräfte zur Folge, die im Einspannbereich zu bleibenden Verformungen und damit zur Beschädigung der Abgassammelleitung führen würden. Aber auch eine Ausdehnung in radialer Richtung darf nicht unterdrückt werden, wenn Wärmespannungen gänzlich vermieden werden sollen. Mit der beschriebenen Lagereinrichtung ist Spannungsfreiheit nicht gegeben. Auch ein fester spielfreier Sitz der Abgassammelleitung wird nicht erzielt. Denn um Längsverschiebungen der Abgassammelleitung ungehindert zu ermöglichen, ist an den Befestigungspunkten Spiel nötig. Wenn aber kein sicherer, einwandfreier Sitz der Abgassammelleitung gewährleistet ist, ist dies dynamischer Beanspruchung nicht zuträglich.
In der DE-OS 27 00 565 ist ein Abschnitt einer Abgassammelleitung für eine Brennkraftmaschine dargestellt, die aus einem geraden Teilstück und einem damit verbundenen abgewinkelten Teilstück besteht. An dem abgewinkelten Teilstück ist die Abgassammelleitung mittels Flanschen an der Brennkraftmaschine befestigt. Das andere Ende des geraden Teilstücks ist über einen Axialkompensator mit entsprechenden weiteren Rohrabschnitten zur Abgassammelleitung zusammengesetzt. Da die geraden Teilstücke relativ lang sind, sind sie, um Schwingungen zu vermeiden, durch Pendelstäbe abgestützt. Damit keine Verspannungen durch die Pendelstäbe auftreten, sind diese in zwei Ebenen angeordnet und es sind Ausgleichsbewegungen in Richtung der Längsachsen der beiden Teilstücke möglich. Die Pendelstäbe sind an Abgassammelleitung und Tragstruktur jeweils mit Kugelgelenken angebunden. Eine zwangskraftfreie Lagerung der Abgassammelleitung wird jedoch wegen der Befestigung mit Flanschen nicht erreicht.
Bei einer Abgasleitung bei einem Gasmotor nach der DE-PS 335 966 wird zur Unterstützung ebenfalls eine Pendelstütze verwendet, die mit einer Abgasleitung verbunden ist und auf der Tragstruktur gelenkig gelagert ist. Die Pendelstütze erlaubt Ausgleichsbewegungen der Abgasleitung quer zu ihrer Ausdehnungsrichtung. Verschiebungen der Abgasleitung quer zu ihrer Längsachse werden hervorgerufen durch mit ihr im Winkel verbundene Rohre, die Abgas vom Gasmotor in die Abgasleitung überführen, und die Längenänderungen durch Temperaturbelastung unterworfen sind. Durch die Ausgleichsbewegungen der Pendelstütze werden unzulässige Wärmespannungen im Abgasleitungssystem vermieden. Da die Abgasleitung mit einer Ausmauerung versehen ist und deshalb ein erhebliches Gewicht aufweist, wird das Gewicht der Abgasleitung mit Hilfe von Umlenkrollen und einem Gegengewicht ausgeglichen. Es ist so eine zwanglose Nachführung der Abgasleitung entsprechend der Ausdehnung der Überleitungsrohre möglich, weil die Überleitungsrohre nicht durch die Gewichtskräfte der ausgemauerten Leitung beschwert sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lagereinrichtung für eine Abgassammelleitung aufzuzeigen, mit der ein spielfreier Sitz der Abgassammelleitung bei jeder Temperaturbelastung möglich ist, wobei die Temperaturbelastung aber keinen wesentlichen Einfluß auf die Lagerkräfte hat.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein gegen die Abgassammelleitung elastisch verspanntes Lager, zwei Pendelstäbe sowie ein weiteres Lager dienen nach Anspruch 1 als Abstützungen der Abgassammelleitung. Durch die Verspannung wird eine definierte, im wesentlichen konstante Kraft in die Abgassammelleitung eingeleitet, durch die die als Zweibein angeordneten Pendelstäbe belastet sind, so daß sie in einer stabilen Lage gehalten werden. Das weitere Lager erlaubt wenigstens relative Verdrehungen der Abgassammelleitung gegen das Gehäuse. Vorzugsweise sind die Pendelstäbe auf der Unterseite der Abgassammelleitung angeordnet und so ausgerichtet, daß sie einer entgegengesetzt zur Richtung der Hochachse wirkenden Kraft entgegenwirken. Es wird ein spielfreier Sitz der Abgasleitung erreicht, wobei zugleich die Höhe der Lagerreaktionen und der in die Abgasleitung eingeleiteten Kräfte begrenzt ist, so daß schädliche Spannungen vermieden werden.
Nach Anspruch 2 sind alle Lager mit zwei Zweibeine bildenden Pendelstützen ausgebildet, die gegeneinander geneigt sind, um eine stabile Gleichgewichtslage der Abgassammelleitung zu erreichen. Vorzugsweise sind die Pendelstäbe symmetrisch zu von der Hoch- und Querachse und der Hoch- und Längsachse aufgespannten Ebenen angeordnet. Als besonderer Vorteil wird gesehen, daß durch geeignete Wahl von Anordnung, Länge und Schrägstellung der Pendelstäbe eine gezielte Verschiebung der Abgassammelleitung gegenüber dem umgebenden Gehäuse erreicht werden kann. Damit wird dann insbesondere erreicht, daß die Aussparungen in der Abgassammelleitung zum Übertritt der Abgase bei einer vorgegebenen Temperaturbelastung eine definierte Lage bezüglich der Überleitungsrohre an den Zylindern der Brennkraftmaschine einnehmen. Nach Anspruch 3 sind drei Pendelstäbe über dem Umfang verteilt zu einem Dreibein angeordnet, die eine besonders sichere Abstützung der Abgasleitung in axialer Richtung erlauben. Durch Verspannung in axialer Richtung wird für eine spielfreie, stabile Anlage der Pendelstäbe in ihren Lagerschalen gesorgt. Nach Anspruch 4 erfolgt die Einleitung der notwendigen Kraft durch einen weiteren Pendelstab, dessen gehäuseseitiges Ende, das beispielsweise mit einer Feder belastet ist, radial verschieblich geführt ist, und der in Richtung der einzuleitenden Kraft geneigt ist. Es ist dabei zweckmäßig, wenn die Krafteinleitung in einer von der Hochachse und der Längsachse der Abgassammelleitung aufgespannten Ebene liegt. Die Verspannung kann nach Anspruch 5 auch mittels einer Gewindebuchse erfolgen, mit der ein Pendelstab gegen die Abgassammelleitung verspannt wird. Als Elastizität dienen die Bauteilelastizitäten. Nach Anspruch 6 sind die Pendelstäbe der Lagereinrichtungen vorzugsweise auf Druck belastet, was es erlaubt die Pendelstäbe mit abgerundeten Enden herzustellen, und auch die Aufnahmeschalen an Abgassammelleitung und Gehäuse entsprechend einfach auszubilden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben; es zeigen

Fig. 1: eine Abgassammelleitung im Längsschnitt mit aus Pendelstäben bestehender Lagereinrichtung in Richtung der in Figur 2 eingezeichneten Schnittlinie I-I gesehen, wobei die Lager in die Schnittebene hineingelegt dargestellt sind;
Fig. 2: die Anordnung der Lager in einer ersten Querschnittsebene der Abgassammelleitung in Richtung der in Fig. 1 eingezeichneten Schnittlinien II-II gesehen;
Fig. 3: die Anordnung der Lager in einer zweiten Querschnittsebene der Abgassammelleitung in Richtung der in Fig. 1 eingezeichneten Schnittlinien III-III gesehen, wobei eines der Lager elastisch unterstützt ist;
Fig. 4: eine Fig. 2 entsprechende Querschnittsansicht der Abgassammelleitung, wobei jedoch anstelle der drei Pendelstäbe, die im ersten Querschnitt angreifen, andere Lagermittel verwendet sind.

Die in Fig. 1 im Längsschnitt in Richtung der Schnittlinien I-I der Fig. 2 gesehen gezeichnete Abgassammelleitung 1, die mit in die Schnittebene hineingelegten Lagern dargestellt ist, ist im wesentlichen als gerades Rohrstück mit Umfangsöffnungen zum Zusammenführen der über Abgaskrümmer aus den Brennräumen einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine austretenden Abgase ausgebildet. Die ebenfalls nicht dargestellten Abgaskrümmer sind mit der Abgassammelleitung 1 nicht verbunden oder behindern jedenfalls die freie Ausdehnung der Abgassammelleitung 1 nicht. In zwei Querschnitten, die in den Figuren 2 und 3 entsprechend den in der Fig. 1 eingezeichneten Schnittlinien II-II und III-III dargestellt sind, ist die Abgassammelleitung 1 an jeweils drei Pendelstäben 2, 3, 4 und 5, 6, 7 im Gehäuse 8 abgestützt. Die Pendelstäbe 2, 3, 4 in einem ersten Querschnitt und die Pendelstäbe 5, 6, 7 in einem zweiten Querschnitt sind bezüglich der von der Hochachse 9 und einer Querachse aufgespannten Ebene jeweils symmetrisch angeordnet. Die an der Abgassammelleitung 1 angebrachten Lagerschalen 13 liegen in den Ecken eines zur Hochachse 9 symmetrischen gleichschenkligen Dreiecks. Wie die Figuren erkennen lassen, sind die Pendelstäbe 2, 3, 4 und 5, 6, 7 jeweils in Form eines flachen Dreibeines gegen die Längsachse der Abgassammelleitung 1 geneigt angeordnet. Die Neigung der Pendelstäbe 2, 3, 4 im ersten Querschnitt ist entgegengesetzt zur Neigung der Pendelstäbe 5, 6, 7 im zweiten Querschnitt. Die Pendelstäbe selbst sind aus einfachen Stäben mit gerundeten Enden hergestellt, die unter Druck in den Lagerschalen 14 des Gehäuses 8 und in den Lagerschalen 13 der Abgassammelleitung 1 anliegen. Bei Belastung auf Zug wären teure Kugelköpfe und entsprechende, die Kugelköpfe umfassende Lagerschalen nötig. Die Lagerschalen 14 am Gehäuse 8 werden aus darin eingesetzten Buchsen 10 gebildet, die mit darin einschraubbaren Deckeln 11 versehen sind. Die Deckel 11 sind, wie auch die Lagerschalen 13, auf der Innenseite mit halbkugelförmigen oder kegelförmigen Lagerflächen ausgebildet. Der Pendelstab 7 ist an seiner gehäuseseitigen Lagerschale 15 mit einer vorgespannten, radial angeordneten Schraubenfeder 12 belastet. Zugleich ist der Deckel 16 der entsprechenden Lagerschale 15 radial verschieblich in seiner Buchse 17 geführt. Durch die Schraubenfeder 12 wird von außen eine Kraft eingeleitet, die unabhängig von der Temperaturbelastung im wesentlichen konstant ist. Diese eingeleitete Kraft erzeugt an den anderen Lagern Reaktionskräfte in vorbestimmter Höhe. Anstelle einer Feder kann als Verspanneinrichtung auch eine Gewindebuchse dienen, mit der die Lagerschale 14 des Pendelstabs 7 gegen die Abgassammelleitung 1 verspannt ist. Die Bauteilelastizitäten wirken in entsprechender Weise wie die Schraubenfeder 12.
Durch die elastische Verspannung ist unabhängig vom Ausdehnungszustand der Abgassammelleitung stets in allen Lagerpunkten eine spielfreie Anlage aller Pendelstäbe in ihren Aufnahmen gewährleistet. Dabei kann durch geeignete Wahl der Länge der Pendelstäbe, ihrer Anordnung oder ihrer Schrägstellung eine gezielte Verschiebung der Abgassammelleitung erreicht werden. Insbesondere kann auch erreicht werden, daß die Aussparungen in der Abgassammelleitung zum Übertritt der Abgase eine definierte Lage bei einer vorgegebenen Temperaturbelastung gegenüber den Abgaskrümmern einnehmen. Zur Einstellung der Neigung der Pendelstäbe bei der Montage ist beispielsweise der Deckel 11, in dem der Pendelstab 2 gelagert ist, mit einem Sechskant versehen. Von der Einschraubtiefe hängt die Schrägstellung der Pendelstäbe ab. Die Verspannung des Pendelstabs 7 kann, wie erwähnt, durch eine Gewindebuchse erfolgen. In diesem Fall kann die Lagerschale 15 für den Pendelstab 7 in gleicher Weise ausgebildet sein, wie die Lagerschale 14 für den Pendelstab 2.
Der Pendelstab 7 kann auch weggelassen werden, und dennoch eine stabile Abstützung der Abgassammelleitung erreicht werden, wenn die Abgassammelleitung nur von den an der Unterseite angreifenden Pendelstützen in der Ausrichtung nach den Figuren unterstützt ist und gegen ein elastisches Lager auf der Oberseite verspannt ist, so daß eine entgegengesetzt zur Richtung der Hochachse wirkende Kraft in die Abgassammelleitung eingeleitet wird.
Das in Fig. 4 dargestellte Lager 18 kann anstelle der Pendelstäbe 2, 3, 4 die Abgassammelleitung unterstützen. Die freie Ausdehnung der Abgassammelleitung wird nicht unterdrückt, da das Lager 18 eine punktförmige Abstützung darstellt. Jedoch sind keine Transversalbewegungen des Abstützpunktes gegen das Gehäuse 8 möglich. Wohl aber sind Drehungen der Abgassammelleitung um Achsen parallel zur Hoch-, Quer- und Längsachse der Abgassammelleitung möglich. Hierzu sind die vorstehenden Enden eines mit der Abgassammelleitung 1 verbunden Stifts 19 mit runden Endflächen ausgebildet, die in Aufnahmen 20, 21 mit entsprechenden Kugelflächen für beliebige Drehbewegungen der Abgassammelleitung eingreifen. Zusammen mit den Pendelstäben 5, 6, 7 im zweiten Querschnitt ergibt sich so ebenfalls eine zwangskraftfreie Abstützung mit von der Temperaturbelastung im wesentlichen unabhängigen Lagerreaktionen.

Claims

Lagereinrichtung für die Abgassammelleitung einer Brennkraftmaschine, wobei in einem die Abgassammelleitung umgebendem Gehäuse Lager zur Unterstützung der Abgassammelleitung in Hoch-, Quer- und Axialrichtung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Lager vorgesehen sind, die mit ein Zweibein bildenden Pendelstäben (3, 4) ausgebildet sind, die sich im Raum zwischen der Abgassammelleitung (1) und dem Gehäuse (8) erstrecken, und an Abgassammelleitung (1) und Gehäuse (8) in Lagerschalen gelenkig abgestützt sind, wobei axiale und radiale Bewegungen der Abgassammelleitung (1) gegen das Gehäuse (8) unter Schwenken der Pendelstäbe (3, 4) möglich sind, daß die Abgassammelleitung (1) in wenigstens einem weiteren Lager (18; 5, 6) abgestützt ist, das wenigstens relative Verdrehungen und freie radiale Ausdehnung der Abgassammelleitung (1) gegen das Gehäuse (8) zuläßt, und daß ein elastisch unterstüztes Lager vorgesehen ist, das mit einer elastischen Verspanneinrichtung zur Einleitung einer externen Kraft in die Abgassammelleitung (1) versehen ist, wodurch die Abgassammelleitung (1) in einer stabilen Gleichgewichtslage in Anlage an den Pendelstäben (3, 4) gehalten ist, wobei aber durch das elastisch unterstützte Lager Relativbewegungen der Abgassammelleitung (1) gegen das Gehäuse (8) nicht behindert werden.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Unterstützung bildenden Lager mit zwei Zweibeine bildenden Pendelstäben (3, 4 und 5, 6) zwischen Abgassammelleitung (1) und Gehäuse (8) ausgebildet sind, und daß die Pendelstäbe (3, 4) und die Pendelstäbe (5, 6) axial zueinander beabstandet und jeweils gegeneinander geneigt sind, so daß die Abgassammelleitung (1) eine stabile Gleichgewichtslage einnimmt, in der sie durch die mit der Verspanneinrichtung eingeleiteten Kraft gehalten wird.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Pendelstab (2) angreift, der zusammen mit den weiteren Pendelstäben (3, 4) in Form eines flachen Dreibeins angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verspanneinrichtung ein elastisch unterstützter Pendelstab (7) dient, dessen gehäuseseitige Lagerschale (15), die von einer vorgespannten Feder unterstützt ist, radial verschieblich geführt ist, wobei der Pendelstab (7) in Richtung der Wirkungslinie der einzuleitenden Kraft liegt.
Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verspanneinrichtung eine Gewindebuchse dient, mit der die Lagerschale (15) eines Pendelstabs (7) gegen die Abgassammelleitung (1) aufgrund der Bauteilelastizitäten elastisch verspannt ist, wobei der Pendelstab (7) in Richtung der Wirkungslinie der einzuleitenden Kraft liegt.
Einrichtung nach einem der Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pendelstäbe (2, 3, 4, 5, 6, 7) aus Stäben mit gerundeten Enden hergestellt sind, und daß die Reaktionskräfte an den Lagern die Pendelstäbe (2, 3, 4, 5, 6, 7) auf Druck beanspruchen.