Fragt man einen Motorenbauer, was einen Zylinderkopf bei Ladedruck dicht hält, so wird er vor allem die Kopfschrauben nennen. Nicht die Dichtung, nicht die Oberflächenbeschaffenheit, sondern die Bolzen. Sie sind es, die alles unter Druck zusammenhalten, und wenn sie defekt sind, kann nichts anderes im System das kompensieren.
Zylinderkopfschrauben klemmen den Kopf nicht nur fest. Sie halten eine bestimmte, kalibrierte Kraft auf die Dichtung aufrecht, und zwar über Tausende von Wärmezyklen, über Verbrennungsdrücke, die bei Dieselmotoren mit Turbolader 200 bar übersteigen können, und über die gesamte Lebensdauer des Motors. Wird diese Kraft falsch eingestellt - zu niedrig, zu hoch oder ungleichmäßig - hat die Dichtung keine Chance.
Die Rolle der Zylinderkopfschrauben in der Motorstruktur
Der Zylinderkopf sitzt am oberen Ende des Brennraums. Er nimmt den Verbrennungsdruck von innen auf und bewältigt gleichzeitig die steilen thermischen Gradienten zwischen der heißen Verbrennungsfläche und den kühleren Außenflächen. Darunter bildet der Motorblock die andere Hälfte dieser Begrenzung. Die Zylinderkopfdichtung füllt den Spalt dazwischen aus und dichtet die Verbrennungsgase, die Kühlmittelkanäle und die Ölkanäle auf einmal ab.
Die Bolzen sorgen dafür, dass die Dichtung funktioniert. Eine Dichtung dichtet nur, wenn sie unter ausreichender, gleichmäßiger Druckspannung gehalten wird. Jedes bisschen dieser Spannung kommt von der Vorspannung der Schrauben. Sie über die gesamte Lebensdauer des Motors aufrechtzuerhalten, ist die Aufgabe des gesamten Kopfbefestigungssystems.
Vorspannung, Drehmoment und ihr Verhältnis zueinander
Vorspannung ist die Zugkraft, die eine Schraube beim Anziehen entwickelt. Das Drehmoment ist der Weg dorthin. Die beiden sind durch eine recht einfache Beziehung miteinander verbunden:
T = K × F × d
Dabei ist T das aufgebrachte Drehmoment (N-m), K der Drehmomentkoeffizient, F die Soll-Vorspannung (N) und d der Nenndurchmesser der Schraube (m).
Der Drehmomentkoeffizient K ist ein praktisch wichtiger Faktor. Er ändert sich je nach Gewindeschmierung, Oberflächenbeschichtung und Zustand. Eine ungeschmierte Schraube kann einen K-Wert von 0,20 oder mehr aufweisen. Bei einer gut geschmierten Schraube sinkt er auf 0,13-0,17. Diese Lücke entspricht einem Unterschied von 20-30% in der tatsächlichen Vorspannung bei gleichem Drehmoment des Schraubenschlüssels. Genau aus diesem Grund wird in den Installationsanweisungen die Art des Schmiermittels angegeben. Wenn Sie ein anderes Öl verwenden oder die Schmierung ganz weglassen, weichen Sie nicht nur vom Verfahren ab. Es verändert die tatsächliche Wirkung der Schraube in der Verbindung.
Drehmomentspezifikationen für verschiedene Motoren
Die Drehmomentwerte sind nicht von einem Motor auf den nächsten übertragbar. Jede Spezifikation wird für den Schraubendurchmesser, die Befestigungsart, das Schraubenmuster, die Steifigkeit der Dichtung und den angestrebten Verbrennungsdruck des jeweiligen Motors berechnet. Die Verwendung eines falschen Wertes, selbst für einen mechanisch ähnlichen Motor, ist ein Risiko, das es nicht wert ist, eingegangen zu werden.
Um ein praktisches Gefühl für die betroffenen Bereiche zu vermitteln:
- Für Benzin-Pkw-Motoren werden in der Regel 60-110 N-m pro Schraube benötigt (M10-M12, Klasse 10.9 oder TTY).
- Turbogeladene Diesel-Pkw landen im Bereich von 80-150 N-m (M11-M14, hochfestes TTY)
- Schwere Diesel-LKW-Motoren können 200-400 N-m pro Schraube erfordern (M16-M22, wiederverwendbare Klasse 10.9 oder 12.9)
Bei TTY-Schrauben kommt noch eine weitere Ebene hinzu. Sie werden in der Regel stufenweise angezogen - ein Grundwert, gefolgt von Winkelschritten, etwa 45° + 45°. Die Winkelmethode reagiert weniger empfindlich auf Reibungsschwankungen und liefert daher eine gleichmäßigere Vorspannung als eine reine Drehmomentkontrolle.
Anzugsreihenfolge und Dichtungsleistung
Die Reihenfolge ist ebenso wichtig wie der Drehmomentwert. Die meisten Hersteller geben ein spiralförmiges oder kreuzförmiges Muster vor, das in der Mitte des Kopfes beginnt und sich nach außen fortsetzt. Auf diese Weise wird die Dichtung schrittweise und gleichmäßig belastet, ohne dass sich die Kompression auf einen Bereich konzentriert, bevor die benachbarten Bereiche in Eingriff kommen.
Wenn Sie von einem Ende zum anderen in einer geraden Reihe anziehen, erzeugen Sie eine Druckwelle, die die Dichtung anhebt und verschiebt, während Sie weiterdrehen. Wenn die letzte Schraube angezogen wird, kann die Dichtung bereits ungleichmäßig sitzen. Kein noch so korrektes Drehmoment am Ende macht das wieder rückgängig. Das Ergebnis sind Spannungsgradienten über die Dichtungsfläche, die sich schließlich als Sickerwasser oder frühzeitiges Versagen unter Hitzeeinwirkung zeigen.
Die Einhaltung der OEM-Reihenfolge, einschließlich aller Drehmoment-Zwischenstufen, ist nicht optional. Nur so können Sie sicher sein, dass die Dichtung richtig sitzt.
Häufige Probleme durch falsches Anzugsmoment oder falsche Installation
Bei zu geringem Anzugsmoment der Schrauben wird die Dichtung nicht ausreichend komprimiert. Kühlmittel gelangt in den Verbrennungsraum, die Kompression entweicht zwischen den Bohrungen, und die Dichtung beginnt sich unter dem Druck, gegen den sie nie ausreichend abgedichtet war, zu zersetzen. Im schlimmsten Fall dringen Verbrennungsgase in das Kühlsystem ein, die Temperaturen steigen an und es kommt zu einer vollständigen Überhitzung.
Zu stark angezogene Schrauben überschreiten ihren Auslegungsbereich. TTY-Schrauben können sich im Schaft einschnüren und verlieren an Querschnitt und Zugfestigkeit. Herkömmliche Schrauben können das Gewinde im Block ausreißen oder während des Betriebs ganz zerbrechen. In jedem Fall ist die Klemmkraft in diesem Bereich weg.
Schrauben mit Kreuzgewinde sind ein schwierigeres Problem. Die Gewindereibung erzeugt einen Drehmomentwert, der korrekt aussieht, bevor die Schraube auch nur annähernd die richtige Vorspannung hat. Die Schraube ist zwar fest angezogen, klemmt aber nicht richtig. Vor dem Wiedereinbau müssen Sie das Gewinde stoßen oder das Gewinde im Block reparieren. Hier gibt es keine Abkürzung.
Torque-to-Yield-Schrauben im Vergleich zu konventionellen Schrauben
TTY-Schrauben dehnen sich absichtlich in den Bereich der plastischen Verformung hinein. Diese kontrollierte Dehnung sorgt für eine gleichmäßige Vorspannung und ermöglicht es dem Bolzen, sich Oberflächenunregelmäßigkeiten an der Verbindung leicht anzupassen. Die Streckgrenze der Schraube wirkt wie eine natürliche Obergrenze. Für die OEM-Großserienproduktion ist diese Beständigkeit von großem Wert.
Herkömmliche Schrauben der Güteklasse 10.9 oder 12.9 bleiben bei korrektem Anzugsmoment im elastischen Bereich. Sie können wiederverwendet werden, wenn sie die Inspektion bestehen - keine sichtbaren Verformungen, Gewinde in gutem Zustand und Anzugsmoment innerhalb der Spezifikation. TTY-Schrauben werden jedes Mal ausgetauscht, wenn der Kopf abfällt, unabhängig davon, wie sie aussehen.
Für Motorenbauer, die wiederholt Motoren zerlegen, reduzieren wiederverwendbare hochfeste Schrauben die Kosten pro Service, ohne die Verbindung zu beeinträchtigen. Dies funktioniert jedoch nur, wenn die Motorkonstruktion dies zulässt und die Schraubenklasse und die Klemmgeometrie so verifiziert wurden, dass sie die Kopfhubspezifikation des OEM erfüllen.
Materialstärke und Wärmebehandlung für die Zuverlässigkeit von Kopfschrauben
Zylinderkopfschrauben werden in der Regel aus legiertem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt hergestellt. Dabei handelt es sich um Sorten wie 35CrMo oder 42CrMo, die wärmebehandelt werden, um die erforderlichen Festigkeitsziele zu erreichen. Für die Sorte 12.9 gilt eine Mindestzugfestigkeit von 1220 MPa und eine Mindeststreckgrenze von 1100 MPa.
Die Wärmebehandlung muss genau eingestellt werden. Unzureichend gehärtete Schrauben verlieren durch Temperaturwechsel ihre Vorspannung. Sie entspannen sich, wenn sie es nicht sollten. Überhärtete Schrauben verspröden und werden anfällig für wasserstoffinduzierte Spannungsrisse, eine Versagensart, die keine Vorwarnung gibt, bevor sie auftritt, und die besonders bei Anwendungen mit hoher Klemmkraft gefährlich ist.
CNXD hat 30 Jahre Erfahrung in Automobilzuliefererindustrie. Die Wärmebehandlung wird prozessbegleitend kontrolliert und die Härte in der Produktion überprüft, und jede Charge wird vor der Auslieferung einer Zugprüfung und Maßkontrolle unterzogen. Für OEM- und Tier-1-Kunden sind PPAP-Dokumentation und vollständige Chargenrückverfolgbarkeit Standard und keine optionalen Zusätze. Wenn Sie Zylinderkopfschrauben für Motor- oder Antriebsstrangprogramme beschaffen, ist diese Rückverfolgbarkeit das, was Sie schützt, wenn etwas zurückverfolgt werden muss.
