Verstärkung des SR/XT-Zylinders durch Zuganker

Von U. Fabich, Stand 15.Oktober 2001, für Kontakte: ulrich@fabich-online.de

Quellen: „EINTOPF“ Ausgabe Nr.10, Artikel „Das große Zylindersterben“ verfasst von Mike Lang

„EINTOPF“ Ausgabe Nr. 8, Artikel „Tuning III, Kopf und Zylinder“ Verfasser nicht genannt

Achtung: Für unmittelbare und mittelbare Schäden, die aus Nachahmung der beschriebenen Arbeit entstehen und für die Wirksamkeit des Umbaus wird keinerlei Haftung bzw. Garantie übernommen. Der Verfasser, 15.10.01

Im Rahmen einer bevorstehenden Motorüberholung habe ich mir einen gebrauchten Zylinder besorgt, der offensichtlich aus einer 2J4 stammt und mit dem Originalkolben die Verschleißgrenze erreicht hat, d.h. die Überarbeitung des Zylinders für einen Übermaßkolben ist fällig. Das Teil hat mich bei einem hannoverschen Gebrauchtteilehändler 100,-DM gekostet, wie ich meine, ein fairer Preis.

Mein alter Motor läuft zwar noch, aber wenn er verreckt, möchte ich gern einen einbaufertigen Zylinder mit Kolben und evtl. sogar einen überholten Zylinderkopf im „Regal“ haben, um die Reparaturzeit so kurz wie möglich zu halten. Wenn alles glatt läuft, wäre also der Motor innerhalb eines Tages wieder fit. Aber das nur am Rande.

Da ich nun genug Zeit hatte, um meinen Ersatzzylinder in aller Ruhe vorzubereiten, kam ich auf die Idee, diesen vorsorglich mit einer zusätzlichen Zylinderverstärkung zu versehen. Grund dafür sind diverse Berichte von abgerissenen Zylindern (siehe Foto) bei leistungsgesteigerten Motoren aber auch schon bei Serienmotoren. Leistungstuning ist zwar nicht mein Ziel, aber eine Optimierung von Teilen ist ja durchaus sinnvoll.

Teurer Schrott

Bei genauer Betrachtung sieht man die Laufbuchse durch die Zylinderwandung schimmern

Die Ursache dieser kapitalen Motorschäden liegt in einer relativ dünnwandigen Zylinderwand. Die gleichen Kräfte, die als Druckkraft auf den Kolben wirken, treten zwangsläufig als Zugkraft im Zylindergehäuse auf. Da schon bei Serienmotoren offensichtlich kaum Reserven vorhanden sind, verschärft sich das Problem natürlich bei getunten Aggregaten, so, dass dort zahlreiche Zylinder abgerissen sind, bevor wirkungsvolle Maßnahmen dagegen entwickelt wurden.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten der Zylinderverstärkung, die u.a. in einer der älteren Ausgaben des „EINTOPF“ beschrieben worden sind. Auch der oben gezeigte 650ccm-Umbau verfügte übrigens über eine Zylinderverstärkung, woraus deutlich wird, das auf diesem Gebiet leider nicht alle Konzepte zuverlässig funktionieren.

In der (leider) letzten Ausgabe Nr.10 berichtete dann Mike Lang, der umfangreiche Tuning- und Rennerfahrung mit XT/SR Motoren hat, ausführlich und anschaulich von seiner favorisierten Methode. Nach Rücksprache mit anderen SR/XT-Spezis, entschied ich mich dann auch für dieses System, bei dem vereinfacht ausgedrückt, verlängerte Stehbolzen als Zuganker wirken.

Ich will nun kurz erläutern, was im „EINTOPF“ dazu steht:

Da der SR-Zylinder keine vom Zylinderkopf bis in das Motorgehäuse durchgehenden Stehbolzen hat, wirken alle auftretenden Zugkräfte auf das Aluminium der Zylinderwand. Die eingepresste, an sich stabile Laufbuchse, kann dabei keinerlei Kräfte aufnehmen. Die Laufbuchse reißt auch bei diesen Schäden nicht mit, sondern bleibt im oberen Teil des gerissenen Gehäuses an Ihrem Platz, während sie sich im unteren Teil aus der Aluminiumumhüllung herauszieht.

Hier erkennt man, dass die oberen Stehbolzen für die Zylinderkopfaufnahme nur ca. 30mm in den Zylinder hineinreichen und in einem Sackloch enden.

Wenn der Zylinder quer durchreißt, dann unterhalb, dort wo nur die Aluminiumwandung die Zugkräfte aufnehmen kann.

Die gestrichelte Linie deutet die angestrebte Verlängerung der Stehbolzen in den Zylinderfuß als offensichtlich einfachste Lösung an

Das Prinzip des Zugankers ist, einen Teil der axialen Zugkräfte aufzufangen. Dazu muss eine starre Verbindung vom Zylinderfuß zum Zylinderkopf entstehen. Es bietet sich dabei auf den ersten Blick an, die im oberen Bereich austretenden Stehbolzen, die den Kopf aufnehmen, einfach nach unten in den Zylinderfuß zu verlängern, z.B. mit einer Gewindestange, die in den Fuß eingeschraubt wird. Das klingt zunächst sehr einfach, aber ein von Mike Lang beschriebenes Problem ist hierbei die unterschiedliche Wärmeausdehnung der verbauten Materialien. Das Aluminium des Zylinders „wächst“ bei Wärmezufuhr etwa doppelt so stark, wie die Stehbolzen aus Stahl. Dabei entstehen wiederum Kräfte, die eine Gewindeverbindung der beiden Materialien überlasten, in dem das weichere Aluminium nachgibt. Ein solcher Zuganker aus Stahl wäre schon nach kurzer Zeit wirkungslos, da im Aluminiumgewinde ausgerissen.

Vielfach bewährt hat sich dagegen das Einsetzen von Edelstahlschrauben M6, die vom Zylinderfuß nach oben in die Originalstehbolzen der Kopfbefestigung geschraubt sind. Die Gründe, die für diese Methode sprechen:

1. Die Wärmeausdehnung von Edelstahl liegt etwa zwischen der von Aluminium und normalem Stahl. Die durch die Differenz auftretenden Kräfte sind entsprechend geringer als bei Verwendung durchgehende Stahlbolzen.

2. Es wird kein empfindliches Gewinde im Aluminium benötigt, Kräfte im Zylinderfuß
werden durch Flächenpressung auf das Vollmaterial übertragen, die Gewindeverbindung zwischen Stahl und Edelstahl im Stehbolzen ist dagegen ausreichend fest

3. Durch ein gering gewähltes Anzugsmoment der Anker (geringe Vorspannung), kann vermieden werden, dass die zusätzlichen Kräfte durch unterschiedliche Wärmeausdehnung die Verbindung überlasten

4. Die Methode ist von einem versierten Hobby-Schrauber problemlos zu realisieren

5. Alle Originalverbindungen bleiben erhalten, die Zuganker können problemlos wieder entfernt werden

Wo Licht ist, ist auch Schatten: Die unter Pkt.3 erwähnte geringe Vorspannung führt dazu, dass die Verstärkung erst mit steigender Betriebtemperatur und Materialausdehnung voll wirksam wird. Aber wir fahren unsere Motoren ja alle schonend warm, oder?

Die beschriebene Methode kann mit allen 5 Stehbolzen praktiziert werden. Es soll aber für nur leicht leistungsgesteigerte und Serienmotoren auch schon reichen, nur den kurzen Bolzen auf der Kerzenseite derart zu präparieren. Ich habe die goldene Mitte gewählt und nehme drei Zuganker für die drei Stehbolzen, die verlängert im massiven Fußteil enden. Die beiden anderen würden lediglich im Bereich der unteren Kühlrippe austreten, wo die Materialstärke erheblich geringer ist.

Hier, im massiven Zylinderfuß (markiert) münden später die Bohrungen für die drei Zuganker

Soviel zur Theorie, jetzt zur Praxis:

Benötigtes Material

- Zylinder

- 6mm HSS-Bohrer (lange Ausführung nach DIN340, sonst kommt man nicht durch!)

- Flachsenker für Durchgangslöcher DIN373, 11x6,4 (oder 11x6,6)

- 3 Unterlegscheiben M6

- 3 Innensechskantschrauben M6x80 aus Edelstahl

An Werkzeugen wird eigentlich nur eine Ständerbohrmaschine benötigt, das Bohren der Innengewinde in die Originalstehbolzen sollte man besser einer Dreherei überlassen, wenn man keine eigenen Möglichkeiten hat.

Arbeitsschritte:

1. Stehbolzen aus dem Zylinder herausschrauben. Da diese mit Sicherungsmittel eingesetzt sind, sitzen sie recht fest. Mit einer Rohrzange drückt man schöne tiefe Kerben in den Stehbolzen, also lieber mit Kontermuttern M10x1,25 (Feingewinde!) arbeiten und evtl. sogar den Zylinder in einem geeigneten Ofen (bitte nach vorheriger Absprache mit der Hausfrau) auf 100 –150 °C erwärmen, um das Sicherungsmittel aufzuweichen.

2. Zylinder fest einspannen bzw. mit Schraubzwinge auf dem Bohrtisch fixieren. Sauber zentrieren, damit der 6mm-Bohrer nicht das vorhandene Innengewinde der Sacklöcher beschädigt. Dann nach unten durchbohren. Wer auf Nummer sicher gehen will, kann sich vorher eine Zentrierbuchse basteln, um 100% in der Mitte des Sackloches zu bohren. Das ist aber nach meiner Erfahrung nicht zwingend nötig, da sich der Bohrer im Sacklochboden normalerweise gut selber zentriert.

3. Zylinder umdrehen und mit Zapfensenker entsprechend der Schraubenkopfhöhe + Scheibendicke einsenken.

Eingesenkte Bohrung für Zuganker

Da der Schraubenkopf nur knapp 10mm Durchmesser hat, sollte dieser mit einer Unterlegscheibe montiert werden, die den Druck auf das weiche Aluminium über eine möglichst große Fläche überträgt. Das Ausnutzen des Senkungs-durchmessers von 11mm bringt immerhin schon ca. 16mm² und damit etwa 35% mehr Fläche. In diesem Fall wurde eine Scheibe mit ursprünglich 12 mm Außendurch-messer angepasst und eingepresst

Der Schraubenkopf darf mit untergelegter Scheibe nicht mehr überstehen. Die Senkung sollte aber auch nicht unnötig tief sein, um möglichst viel Material im Fuß zu behalten.

Nun wartet man auf die Stehbolzen, in die ein M6-Innengewinde eingearbeitet wurde. Es sollte mindestens über 5-6 mm, also Mutternhöhe gangbar sein. 10mm wären ideal, da man dann beim Ablängen der Schrauben etwas mehr Toleranz hat und das Gewinde ordentlich trägt. Die Länge der Schrauben liegt bei 70-75 mm, bzw. 60-65, je nach dem, wie tief das Innengewinde ausfällt.

Die drei (unterschiedlich langen!) Stehbolzen erhalten auf der Seite mit dem langen Außengewinde ein M6 Innengewinde

Links die kurze der drei abgelängen Edelstahlschrauben

Ganz rechts eine in den Stehbolzen gedrehte Schraube

In der Mitte das Ergebnis eines unfreiwilligen Materialtests: Der schusselige Bastler wollte nach einer Testmontage die Stehbolzen wieder aus dem Zylinder entfernen. Das ging in diesem einen Fall unerwartet schwer, aber mit Gewalt geht natürlich alles! Der Dummkopf hatte vergessen den Zuganker vorher zu entfernen und diesen dann glatt abgerissen. Einzig positiver Nebeneffekt dabei war, dass nun feststand, dass die Gewindeverbindung absolut hält.

Die Stehbolzen werden dann wieder mit einem geeigneten Sicherungsmittel fest eingeschraubt. Die abgelängten M6-Schrauben werden nun von unten, ebenfalls mit Sicherungsmittel in die Stehbolzen geschraubt und leicht mit 5-10 Nm angezogen. Die Vorspannung soll, wie erwähnt nicht zu hoch ausfallen, sie steigt dann im Betrieb mit der Wärmeausdehnung!

Der fertige Zylinder hat dann drei kräftige aber dezente und kaum sichtbare Zuganker, die nach den bisherigen Erfahrungen eine gute Versicherung gegen den gefürchteten Zylinderabriss sind.

Viel Spaß beim Umbau!