[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Befestigung eines Abgaskrümmers an einem
Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine.
[0002] Die Befestigung des Abgaskrümmers am Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine erfolgt
üblicherweise mittels im Zylinderkopf verschraubter Stiftbolzen, auf welche der Abgaskrümmer
aufgesetzt wird. Zur Erreichung der nötigen Dichtungspressung wird der Abgaskrümmer
mit Flanschmuttern festgezogen. Die Mutterauflage am Abgaskrümmer kann durch eine
Planfräsung bearbeitet werden (vorwiegend bei 6-Zylinder-Reihenmotoren aufgrund der
langen thermischen Ausdehnung bedingt durch den lang bauenden Abgaskrümmer) oder auch
unbearbeitet (Gussoberfläche) ausgeführt werden. Letztere Lösung wird an kleineren
Abgaskrümmern angewandt, um die Kosten für die zusätzliche mechanische Bearbeitung
einzusparen. Die Qualität der Mutterauflagefläche ist hier allerdings einer hohen
und schwankenden Rauigkeit der Gussoberfläche ebenso wie einer Ausformschräge unterworfen,
welche aufgrund der bevorzugten Teilungsebene im Gießprozess unumgänglich ist.
[0003] Aufgrund der thermischen Ausdehnung des Abgaskrümmers im Betrieb der Brennkraftmaschine
erfolgt eine Relativbewegung zwischen Zylinderkopf und Abgaskrümmer ebenso wie zwischen
Abgaskrümmer und Flanschmutter. Diese Bewegung zwischen Abgaskrümmer und Flanschmutter
kann aufgrund der qualitativ schlechteren Auflagequalität bei unbearbeiteten Mutterauflageflächen
im zyklischen Motorbetrieb zu einem Aufdrehmoment der Muttern und damit im schlimmsten
Fall zu einem Aufdrehen der Muttern führen.
[0004] Neben dem Einfluss unterschiedlicher Reibungskoeffizienten im Bereich der Mutterauflagefläche
der Gussoberfläche hat die schräge Mutterauflage aufgrund der Ausformschräge einen
großen Anteil an der Entstehung des Mutteraufdrehmoments. Aufgrund der schrägen Mutterauflagefläche
erfolgt nach Anzug der Flanschmutter eine elastische Biegung des Stiftbolzens. Dadurch
entsteht auf einer Seite der Mutterauflage eine höhere Vorspannkraft als auf der anderen
Seite. Dadurch bedingt verhalten sich auch die durch die thermische Längenausdehung
des Abgaskrümmers an der Mutterauflagefläche wirkenden Reibungskräfte entsprechend
unterschiedlich.
[0005] Zusammengefasst führen folgende Phänomene zu einem erhöhten Mutteraufdrehmoment:
- hohes Unterkopfreibmoment an der Gussoberfläche;
- Relativbewegung an der Mutterauflagefläche zwischen Mutter und Abgaskrümmer;
- schräge Mutterauflage wegen Gussausformschräge am Krümmer;
- unterschiedliche Reibungskoeffizienten an der Mutterauflagefläche (Gussoberfläche).
[0006] Eine Klemmmomenterhöhung bei selbstsichernden Muttern bzw. die Erhöhung der Gewindereibung
ist aufgrund der zunehmenden Fressneigung nicht zielführend. Daneben würde dadurch
das Aufdrehmoment nur auf den Stiftbolzen verlagert, welcher sich erfahrungsgemäß
dann aus dem Aluminiumzylinderkopf herausdreht.
[0007] In der
EP 1 450 018 A1 ist eine modifizierte Befestigung eines Abgaskrümmers an einem Zylinderkopf mittels
eines im Zylinderkopf verschraubten Bolzens gezeigt, der durch eine Öffnung des Krümmerflansches
ragt. Zwischen dem Flansch und einer auf den Bolzen aufgeschraubten Mutter ist eine
Distanzhülse angeordnet. Die Durchmesser der Flanschöffnung und der Hülse sind größer
als der Außendurchmesser des Bolzens. Die Hülse besteht aus einem Material, dessen
Wärmeausdehnungskoeffizient kleiner als der des Bolzenmaterials ist. Die Materialien
für den Bolzen und für die Hülse sind so gewählt, dass die Klemmkraft bei Betrieb
der Verbrennungskraftmaschine ein Gleiten des Flansches zulässt, wodurch mechanische
Verspannungen am Abgaskrümmer vermieden werden sollen.
[0008] Aus dem Stand der Technik ist außerdem die
FR 2 925 588 A1 bekannt, die eine weitere Anordnung zur Befestigung eines Abgaskrümmers an einem
Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine offenbart. Außerdem ist die
FR 2 916 182 A3 bekannt und beschreibt eine Anordnung zur Befestigung eines Turboladergehäuses an
einem Abgaskrümmer.
[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, die oben geschilderten möglichen Probleme nach einer
Befestigung eines Abgaskrümmers an einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine zu
vermeiden oder wenigstens zu verringern und möglichst einfache und kostengünstige
Mittel anzugeben, die eine dauerhaft sichere Befestigung gewährleisten.
[0010] Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind
in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
[0011] Ein Bolzen dient zur Befestigung eines Abgaskrümmers an einem Zylinderkopf einer
Brennkraftmaschine und hat ein Außengewinde zum Aufschrauben einer Mutter, insbesondere
einer Flanschmutter. Der Bolzen weist einen mittleren axialen Abschnitt auf, der im
Vergleich zu angrenzenden Abschnitten des Stiftbolzens eine geringere Biegesteifigkeit
besitzt.
[0012] Die Erfindung begegnet den eingangs erwähnten Problemen, die insbesondere bei einer
gießtechnisch bedingten Ausformschräge der Mutterauflagefläche zu einem Mutteraufdrehen
führen können, durch eine Maßnahme, die für eine gleichmäßigere Verteilung der Flächenpressung
über dem Umfang der Mutterauflagefläche sorgt. Gemäß der Erfindung wird bewusst eine
plastische Verformung des Bolzens angestrebt, um eine Anpassung der Lage der Mutter
an die den Umständen entsprechend vorgegebene Mutterauflagefläche des Abgaskrümmers
zu erreichen. Die erfindungsgemäß vorgesehene plastische Verformung des Bolzens stellt
dauerhaft eine gleichmäßige Anlage der Mutter sicher.
[0013] Die Erfindung führt zu Funktions-, Kosten- und Gewichtsvorteilen. So wird die Betriebssicherheit
gesteigert, indem eine durch mangelnde Pressung der Dichtung zwischen Zylinderkopf
und Abgaskrümmer mögliche Leckage durch die verbesserte Hemmung eines Aufdrehens der
Abgaskrümmerverschraubung verhindert wird. Es entstehen somit kein Abgasgestank, der
in den Innenraum gelangen kann, kein kinetischer Abgasenergieverlust und keine Rußverschmutzung
des Motorraums bei reduzierter Servicenotwendigkeit. Die Erfindung macht den Einsatz
einer kostenaufwendigen, mechanischen Bearbeitung der gegossenen Mutterauflageflächen
am Abgaskrümmer bzw. in weiterer Folge den Einsatz
[0014] von Schiebeleisten überflüssig. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Bolzen kann
eventuell auch bei länger bauenden 6-Zylinder-Reihenmotoren auf eine Bearbeitung der
Mutterauflageflächen und den Einsatz der Schiebeleisten verzichtet werden. Der Einsatz
der erfindungsgemäßen Bolzen verursacht zudem weniger zusätzliches Gewicht als der
Einsatz von Schiebleisten.
[0015] Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der mittlere axiale Abschnitt
des Bolzens wenigstens eine Taillierung. Die Taillierung, die alleine für die geringere
Biegesteifigkeit dieses Bolzenabschnitts sorgt oder zumindest maßgeblich hierzu beiträgt,
kann schon bei der Herstellung des Bolzens vorgesehen oder erst durch nachträgliche
Bearbeitung des Bolzens gebildet werden. Die Taillierung kann beispielsweise in Form
einer Materialreduktion, Verjüngung, Einkerbung oder dergleichen vorliegen.
[0016] Theoretisch ist es auch möglich die geringere Biegesteifigkeit dadurch zu schaffen,
dass der mittlere axiale Abschnitt aus einem Material mit einer Härte gebildet ist,
die geringer ist als die des Materials der angrenzenden Abschnitte.
[0017] Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Befestigung eines Abgaskrümmers an
einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit einem solchen Bolzen. Der Bolzen ist
in den Zylinderkopf eingeschraubt und ragt durch eine im Abgaskrümmer gebildete Öffnung.
Der Abgaskrümmer ist durch eine auf den Bolzen aufgeschraubte Mutter angezogen.
[0018] Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich besonders für Abgaskrümmer, bei denen
der Oberflächenabschnitt, auf dem die Mutter aufliegt, gegenüber einer Stirnseite
des Abgaskrümmers oder gegenüber einer Zylinderkopfoberfläche eine geringfügige Neigung
aufweist.
[0019] Eine geometrisch und für die Kräfteverteilung besonders vorteilhafte Ausgestaltung
ergibt sich für den Fall, dass sich der mittlere axiale Abschnitt des Bolzens mit
geringerer Biegesteifigkeit in einem Bereich nahe der Stirnseite oder nahe der Zylinderkopfoberfläche
befindet, vorzugsweise innerhalb der Öffnung.
[0020] Im Gegensatz zu einer unerwünschten elastischen Verformung des Bolzens bei der Montage
und/oder bedingt durch unterschiedliche Längenausdehnungen des Abgaskrümmers und des
Zylinderkopfs während des Betriebs der Brennkraftmaschine wird bei der erfindungsgemäßen
Anordnung bewusst eine bleibend Verformung des mittleren axialen Abschnitts des Bolzens
nach einem Erstanzug der Mutter angestrebt, um dadurch mechanische Verspannungen gezielt
zu vermeiden.
[0021] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen
zeigen:
- Figur 1 einen Ausschnitt einer Anordnung zur Befestigung eines Abgaskrümmers an einem
Zylinderkopf;
- Figur 2 eine schematische Ansicht einer Flanschbefestigung mit einem herkömmlichen
Bolzen; und
- Figur 3 eine schematische Ansicht einer Flanschbefestigung mit einem erfindungsgemäßen
Bolzen.
[0022] In Figur 1 ist ein Ausschnitt einer Anordnung zur Befestigung eines Abgaskrümmers
10 an einem Zylinderkopf 12 einer Brennkraftmaschine zu sehen. Ein Stiftbolzen 14
ist in eine Bohrung 16 des Zylinderkopfs 12 geschraubt und ragt durch eine in einem
Flansch 18 des Abgaskrümmers 10 gebildete Öffnung 20 (die Öffnung 20 kann aber auch
an einem anderen flachen Abschnitt des Abgaskrümmers 10 vorgesehen sein).
[0023] Mittels einer auf ein Außengewinde des Stiftbolzens 14 aufgeschraubten Mutter 22,
insbesondere einer Flanschmutter, wird der Abgaskrümmer 10 festgezogen. Der Oberflächenabschnitt
24 des Flansches 18, auf der die Mutter 22 aufliegt (Mutterauflagefläche), weist gegenüber
der ebenen Stirnseite 26 des Flanschs 18 bzw. gegenüber der ebenen Zylinderkopfoberfläche
28 eine geringfügige Neigung auf, die durch die gießtechnische Herstellung des Abgaskrümmers
10 bedingt ist (sog. Ausformschräge).
[0024] Der Stiftbolzen 14 weist einen mittleren axialen Abschnitt auf, der eine oder mehrere
Taillierungen 30 besitzt. Dieser Abschnitt des Stiftbolzens 14 hat im Vergleich zu
den angrenzenden Abschnitten eine geringere Biegesteifigkeit. Er befindet sich im
montierten Zustand des Abgaskrümmers 10 in einem Bereich nahe der Stirnseite 26 des
Flanschs 18 bzw. nahe der gegenüberliegenden Zylinderkopfoberfläche 28, vorzugsweise
knapp darüber (innerhalb der Flanschöffnung 20).
[0025] Die Figuren 2 und 3 zeigen im Vergleich eine Flanschbefestigung mit einem herkömmlichen
Stiftbolzen 14' (Figur 2) und eine Flanschbefestigung mit einem taillierten Stiftbolzen
14 (Figur 3, die Taillierung selbst ist in der schematischen Darstellung nicht gesondert
dargestellt). Wie in Figur 2 zu sehen ist, führt die durch die Ausformschräge des
Abgaskrümmerflansches 18' bedingte elastische Verformung des herkömmlichen Stiftbolzens
14' zu einer ungleichmäßigen Pressung der Mutter 22' an der Mutterauflagefläche 24'.
Die ungleichmäßige Flächenpressung ist symbolisiert durch die unterschiedlich langen
Pfeile A' und B', die die lokale Anpresskraft repräsentieren.
[0026] Dagegen lässt die Taillierung des in Figur 3 gezeigten Stiftbolzens 14 eine plastische
Deformation des Stiftbolzens 14, symbolisiert durch den markierten Bereich 32, in
einem begrenzten Ausmaß zu. Beim Erstanzug der Mutter 22 während der Abgaskrümmermontage
kann sich die Mutter 22 deshalb flächig an der leicht schrägen Mutterauflagefläche
24 anlegen. Der taillierte Stiftbolzen 14 verbiegt sich bleibend und stellt so eine
dauerhaft gleichmäßige Anlage der Mutter 22 sicher.
[0027] Aufgrund der gleichmäßigen Flächenpressung (vgl. Pfeile A und B) ergeben sich wiederum
gleichmäßige Reibkräfte um den Umfang der Mutterauflagefläche 24, sodass in der Folge
kein Mutteraufdrehmoment erzeugt wird. Selbst im Falle einer rein elastischen Verformung
erlaubt die geringere Biegesteifigkeit des taillierten Abschnitts des Stiftbolzens
14 durch die erleichterte Biegung bereits eine Vergleichmäßigung der Pressungsverteilung
und damit ein geringeres Mutteraufdrehmoment bei Verschiebung des Abgaskrümmers unter
der Mutter 22.
[0028] Die Anordnung zur Befestigung des Abgaskrümmers 10 am Zylinderkopf 12 wurde am Beispiel
einer einzelnen Befestigungsstelle beschrieben, sie umfasst natürlich mehrere derartige
Befestigungsstellen mit taillierten Stiftbolzen 14.
Bezuaszeichenliste
[0029]
- 10
- Abgaskrümmer
- 12
- Zylinderkopf
- 14, 14'
- Stiftbolzen
- 16
- Bohrung
- 18, 18'
- Flansch
- 20, 20'
- Öffnung
- 22, 22'
- Mutter
- 24, 24'
- Mutterauflagefläche
- 26, 26'
- Stirnseite des Flanschs
- 28
- Zylinderkopfoberfläche
- 30
- Taillierung
- 32
- plastisch deformierter Bereich
1. Anordnung zur Befestigung eines Abgaskrümmers (10) an einem Zylinderkopf (12) einer
Brennkraftmaschine, beinhaltend einen Bolzen mit einem Außengewinde zum Aufschrauben
einer Mutter (22), insbesondere einer Flanschmutter, und
einem mittleren axialen Abschnitt, der im Vergleich zu angrenzenden Abschnitten des
Stiftbolzens (14) eine geringere Biegesteifigkeit besitzt,
wobei der Bolzen (14) in den Zylinderkopf (12) eingeschraubt ist und durch eine im
Abgaskrümmer (10) gebildete Öffnung (20) ragt, und wobei der Abgaskrümmer (10) durch
eine auf den Bolzen (14) aufgeschraubte Mutter (22) angezogen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere axiale Abschnitt des Bolzens (14) nach einem Erstanzug der Mutter (22)
bleibend verformt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenabschnitt (24) des Abgaskrümmers (10), auf dem die Mutter (22) aufliegt,
gegenüber einer Stirnseite (26) des Abgaskrümmers (10) oder gegenüber einer Zylinderkopfoberfläche
(28) eine geringfügige Neigung aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichet, dass sich der mittlere axiale Abschnitt
des Bolzens (14) mit geringerer Biegesteifigkeit in einem Bereich nahe der Stirnseite
(26) oder nahe der Zylinderkopfoberfläche (28) befindet, vorzugsweise innerhalb der
Öffnung (20).
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere axiale Abschnitt wenigstens eine Taillierung (30) besitzt.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere axiale Abschnitt aus einem Material mit einer Härte gebildet ist, die
geringer ist als die des Materials der angrenzenden Abschnitte.
1. An arrangement for fastening an exhaust manifold (10) to the cylinder head (12) of
an internal combustion engine, comprising an externally threaded bolt for screwing
a nut (22), especially a flanged nut, and
a central axial portion having a lower flexural strength than the adjoining portions
of the stud bolt (14), wherein the bolt (14) is screwed into the cylinder head (12)
and projects through an opening (20) formed in the exhaust manifold (10), and
wherein the exhaust manifold (10) is tightened by a nut (22) screwed on to the bolt
(14),
characterised in that the central axial portion of the bolt (14) is permanently deformed after the nut
(22) has first been tightened.
2. An arrangement according to claim 1, characterised in that the surface portion (24) of the exhaust manifold (10) on which the nut (22) rests
is slightly inclined relative to an end face (26) of the exhaust manifold (10) or
relative to a surface (28) of the cylinder head.
3. An arrangement according to claim 2, characterised in that the central axial portion of the pin (14) has lower flexural strength in a region
near the end face (26) or near the cylinder-head surface (28), preferably inside the
opening (20).
4. An arrangement according to any of claims 1 to 3, characterised in that the central axial portion has at least one reduced-diameter part (30).
5. An arrangement according to any of claims 1 to 4, characterised in that the central axial portion is made of a material less hard than the material forming
the adjoining portions.
1. Dispositif de fixation d'un collecteur de gaz d'échappement (10) sur la culasse (12)
d'un moteur à combustion interne comprenant un boulon avec un filetage externe pour
visser un écrou (22), en particulier un écrou à bride, et
une partie axiale médiane présentant une raideur à la flexion plus faible que celle
des parties voisines de la tige du boulon (14),
le boulon (14) étant vissé dans la culasse (12) et faisant saillie au travers d'une
ouverture (20) formée dans le collecteur des gaz d'échappement (10), et le collecteur
des gaz d'échappement (10) étant serré par un écrou (22) vissé sur le boulon (14),
caractérisé en ce que
la partie axiale médiane du boulon (14) est déformée de façon définitive après estampage
de l'écrou (22).
2. Dispositif conforme à la revendication 1,
caractérisé en ce que
la partie de la surface (24) du collecteur de gaz d'échappement (10) sur laquelle
s'applique l'écrou (22) présente une faible inclinaison par rapport à la face frontale
(26) du collecteur de gaz d'échappement (10) ou par rapport à la surface (28) de la
culasse.
3. Dispositif conforme à la revendication 2,
caractérisé en ce que
la partie axiale médiane du boulon (14) ayant une plus faible raideur à la flexion
est située dans une zone proche de la face frontale (26) ou proche de la surface (28)
de la culasse, de préférence à l'intérieur de l'ouverture (20).
4. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que
la partie axiale médiane comporte au moins une entaille (30).
5. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 4,
caractérisé en ce que
la partie axiale médiane est réalisée dans un matériau ayant une dureté inférieure
à celle du matériau des parties voisines.