DE10005455C2

DE10005455C2 - Metallische Flachdichtung

Info

Publication number: DE10005455C2
Application number: DE2000105455
Authority: DE
Inventors: Stefan Obermaier; Guenther Unseld; Josef Ludwig; Alfred Weiss
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2020-02-09
Also published as: DE10005455A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung mit einer metallischen Flachdichtung zwischen einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock eines Verbrennungsmotors, wobei die metallische Flachdichtung zumindest ein eine Brenn raum-Durchgangsöffnung aufweisendes Dichtungsblech, eine die Brennraum-Durchgangsöffnung umgebende und eine Dicht linie bildende Sicke und einen Wegbegrenzer für die Sicke aufweist.

In der EP 0 581 615 B1 ist eine derartige metallische Flachdichtung für einen Zylinderkopf beschrieben, die an ihren beiden gegenüberliegenden Schmalseiten eine in ei ner mittleren Dichtungsplatte der mehrlagigen Flachdich tung ausgebildete Sicke enthält, die im wesentlichen zwi schen den beiden äußeren Schraubenlöchern und dem Rand der Dichtungsplatte angeordnet ist und eine ungleichmäßi ge Verformung des Zylinderkopfes beim Festziehen der Schrauben verhindern soll.

In der EP 0 593 302 B1 ist eine derartige metallische Flachdichtung für einen Zylinderkopf beschrieben, die an ihren beiden gegenüberliegenden Schmalseiten jeweils eine Abstandshalterplatte zwischen einer oberen und einer un teren Dichtungsplatte aufweist, die zwischen den beiden äußeren Schraubenlöchern und dem Rand der Dichtungsplat ten angeordnet ist und die beiden Schraubenlöcher auch umfassen kann.

Die DE 195 13 360 C1 offenbart eine aus einem Trägerblech und mindestens einem Deckblech bestehende Zylinderkopf dichtung mit Brennraumdurchgangsöffnungen und Schrauben durchtrittslöchern, deren Deckblech eine zum Trägerblech gewölbte Sicke um die entsprechende Brennraumdurchgangs öffnung aufweist. Dabei ist der Sickenaufstandsbereich des Trägerbleches im Profil erhöht oder vertieft. Die Si cke wird durch einen zwischen der Sicke und der Brenn raumdurchgangsöffnung angeordneten, zum Zwecke einer gleichmäßigen Kraftverteilung in Umfangsrichtung höhen- und breitenveränderlichen Stopper in ihrer Kompression begrenzt.

Die DE 19 41 491 A1 hat eine aus mindestens einer mit Öffnungen versehene Metalllage bestehende, als Zylinder kopfdichtung zu verwendende Flachdichtung zum Gegenstand, um deren Öffnungen Sicken angeordnet sind. Eine Distanz lage mit Stützkörpern verschiedener Profile bewirkt eine gleichmäßige Kraftverteilung auf die Flachdichtung beim Zusammenspannen von Motorblock und Zylinderkopf.

Die JP 110 63 228 A offenbart eine einlagige Metalldich tung mit Brennraumdurchgangsöffnungen und Schraubendurch trittslöchern. Die Metalllage weist eine Sicke auf, die in ihrer Kompression durch einen um die Brennraumdurch gangsöffnung angebrachten, als Umfalzung gearteten Stopper begrenzt wird. Um die Höhendifferenz der Dichtung zwischen den Bereichen um die Brennraumdurchgangsöffnung und den Bereichen um die Schraubendurchtrittslöcher aus zugleichen, ist eine mit Plastik beschichtete Lage um die Schraubendurchtrittslöcher auf die Metalllage aufge bracht.

Die US 5,131,668 offenbart eine zwei- oder mehrlagige mit Öldurchtrittsöffnungen und Schraubendurchtrittslöchern versehene Flachdichtung, die eine Sicke in der Nähe der jeweiligen Öldurchtrittsöffnung zur Dichtung beim Einspannen der Metalllagen vorsieht. Die Sicke wird vor übermäßiger Kompression geschützt, indem die unterste Me talllage am Schraubenloch über die oberste Metalllage ü bergefalzt wird und somit die erhöhte Dicke der Dichtung in der Umgebung des Schraubenloches als Stopper fungieren kann. An den Öldurchtrittsöffnungen werden die mindestens zwei Dichtungslagen von den Schenkeln eines U-förmig ge bildeten Dichtmaterials umfasst.

Die DE 195 20 695 C1 sieht eine aus zwei Deckblechen und einem zwischen diesen Deckblechen angeordneten Träger blech bestehende Zylinderkopfdichtung vor. Dabei weist das Trägerblech in der Umgebung von Brennraumdurchgangs öffnungen als Stopper fungierende Rundungen auf, die die Verformung von um die Rundungen geführten, in die Deck bleche eingearbeiteten und zu dem Trägerblech weisenden Sicken begrenzen.

Die Druckschrift JP 10061772 A offenbart eine zweilagige Metalldichtung für einen Zylinderblock und einen Zylin derkopf, die eine Durchgangsöffnung für Kühlwasser ent hält. Dabei wird die untere Metalllage in der Umgebung der Kühlflüssigkeitsdurchgangsöffnung mit Hilfe einer auf die obere Metalllage aufstehenden Sicke von der obe ren Metalllage abgespreizt. Die Sicke liegt dabei auf ei ner an der Unterfläche der oberen Metalllage aufgebrachten Unterplatte auf. Auf der von der Sicke abgewandten Seite der Kühlflüssigkeitsdurchgangsöffnung ist ein Schraubenloch angeordnet, in dessen Bereich die beiden Metalllagen parallel verlaufend zusammengefasst werden. Mit einer solchen gespreizten zweilagigen Dichtung wird eine gleichmäßige Belastung der Dichtung durch die lokal variierende Spannung der Gegenflächen erreicht.

Die Druckschrift "Neuartige Einlagen-Stahlzylinderkopf dichtung" erschienen in MTZ, Band 59 (1998) Nr. 5, Seite 298-302 hat eine aus einem gesickten Trägerblech beste hende Stahldichtung, die einen Sinterstopper aufweist zum Gegenstand. Dabei sind die erforderlichen Eigenschaften des Trägerblechs für die Stopperzone mit den Eigenschaf ten der Funktionslage abgestimmt worden, indem für das Trägerblech Edelstahl und für das Stoppermaterial eine mit Siebdruckverfahren aus einer speziell gefertigten Me tallsuspension bestehende Beschichtung, die in ihrer Formgebung außergewöhnliche Flexibilität aufweist, ver wendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungs gemäße Dichtungsanordnung zu schaffen, die die Flachdich tung in ihrer Einbaulage gleichmäßiger belastet, wodurch eine verbesserte Dichtwirkung erzielt wird.

Die Aufgabe wird bei der oben angegebenen, gattungsgemä ßen Dichtungsanordnung dadurch gelöst, daß der einstücki ge Wegbegrenzer in einem Bereich der Flachdichtung ange ordnet ist, in dem die beiden angrenzenden Bauteile (Zy linderkopf und Zylinderblock) eine hohe Bauteilsteifig keit zum im wesentlichen bauteilverformungsfreien Einlei ten der Spannkraft auf die Flachdichtung aufweisen.

Zweckmäßigerweise ist der Wegbegrenzer im Bereich eines von der Dichtlinie entfernten Schraubenlochs der Flach dichtung angeordnet.

Dabei kann der Wegbegrenzer an der Flachdichtung oder an zumindest einem der beiden angrenzenden angeordnet oder einstückig mit diesem gebildet sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild für eine Wegbegrenzung an einer Stelle hoher Bauteilsteifigkeit der an die Dichtung angrenzenden Bauteile;

Fig. 2a ein Ersatzschaltbild für eine Dichtkonstruktion an einer Dichtlinie an einer Stelle hoher Bau teilsteifigkeit der an die Dichtung angrenzen den Bauteile;

Fig. 2b ein Ersatzschaltbild für eine Dichtkonstruktion an einer Dichtlinie an einer Stelle geringer Bauteilsteifigkeit der an die Dichtung angren zenden Bauteile;

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild für ein Gesamtsystem einer Flachdichtung zwischen zwei abzudichtenden Bau teilen;

Fig. 4 bis 27 im Querschnitt verschiedene Ausführungs beispiele von Flachdichtungen in ausschnitts weiser Darstellung mit unterschiedlichen Weg begrenzern.

Fig. 28 in Draufsicht ein Motorblock mit Brennraumöff nungen und Schraubenlöchern;

Fig. 29 bis 31 in Querschnittsansichten verschiedene Gestal tungen von Zylinderköpfen gemäß Linie A-A in Fig. 28; und

Fig. 32 in Querschnittsansicht eine weitere Gestaltung eines Zylinderkopfes gemäß Linie B-B in Fig. 28.

Eine in Fig. 4 ausschnittsweise dargestellte metallische Flachdichtung 1 enthält ein Dichtungsblech 2, das zwi schen einem unteren Bauteil 3, das ein schematisch darge stellter Motorblock mit einer Brennraum-Durchgangsöffnung oder Zylinderöffnung 4 ist, und einem oberen Bauteil 5, das ein schematisch dargestellter Zylinderkopf mit einer Brennraumöffnung 6 ist, angeordnet ist. Beabstandet von den Öffnungen 4 und 6 ist eine Durchgangsöffnung 8 für eine Schraube 9 zum Verspannen des oberen Bauteils 5 ge gen das untere Bauteil 3 enthalten. Das Dichtungsblech 2 weist eine der Zylinderöffnung 4 zugeordnete Dichtungs öffnung 10 und eine Sicke 11 auf, die nahe an der Dich tungsöffnung 10 angeordnet ist und eine Dichtlinie an dem unteren Bauteil 3 bildet. Durch die Auswölbung der Sicke 11 liegt die Oberseite des Dichtungsblechs 2 an dem obe ren Bauteil 5 flächig an, während die Unterseite des Dichtungsblechs 2 in dem dargestellten unverspannten oder nur gering verspannten Zustand nur im Bereich der Sicke 11 an dem unteren Bauteil 5 anliegt. Im Bereich der Durchgangsöffnung 8 in dem unteren und dem oberen Bauteil 3 bzw. 5 weist das Dichtungsblech 3 ein Loch 12 für die Schraube 9 auf. Ein auch als Stopper oder Verformungs begrenzer bezeichneter Wegbegrenzer zum Begrenzen der Verformung der Sicke 11 ist z. B. in Form eines Distanz ringes 13 gebildet, der das Loch 12 umgibt und an dem Dichtungsblech 2 z. B. durch Schweißen oder Kleben befes tigt ist. Die Dicke des Distanzringes 13 ist in Abhängig keit der Höhe der Ausbauchung der Sicke 11 festgelegt und läßt eine begrenzte Verformung der Sicke 11 beim Zusam mendrücken des Dichtungsblechs 2 zu. Beim Verspannen der Schraube 9 wird das obere Bauteil 5 gegen das untere Bauteil 3 gedrückt, bis der Distanzring 13 am unteren Bau teil 3 anliegt. Die Sicke 11 wird entsprechend dem vom Distanzring 13 zugelassenen Verspannweg begrenzt ver formt, behält jedoch ein elastisches Rückfederpotential bei. Da der Distanzring 13 im Krafteinleitungsbereich an der Schraube 9 liegt, wird eine übermäßige Verbiegung des oberen Bauteils 5 vermieden, die eine Lockerung der Ver spannung bewirken könnte.

Die folgenden Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Flachdichtung in der gleichen Einbaulage, wobei jedoch die jeweils dargestellten Flachdichtungen bezüglich der Anzahl der Lagen der Dichtungsbleche, der Ausbildung von Sicken und der Anordnung und Gestaltung von unterschied lichen Wegbegrenzern variiert sind.

Eine in Fig. 5 dargestellte zweilagige Flachdichtung ent hält ein oberes Dichtungsblech 2 und ein unteres Dich tungsblech 14 mit jeweiligen zugeordneten Sicken 11 bzw. 15, die mit ihren gegeneinander gerichteten Auswölbungen aneinander anliegen. Der Wegbegrenzer 13 ist als Distanz ring an dem unteren Dichtungsblech 14 angeschweißt oder angeklebt.

Eine in Fig. 6 dargestellte dreilagige Flachdichtung ent hält ein oberes Dichtungsblech 2 und ein unteres Dich tungsblech 14 mit jeweiligen deckungsgleich liegenden und gegeneinander gerichteten Sicken 11 bzw. 15 sowie ein mittleres Dichtungsblech 16, das eine Sicke 17 als Ver formungsbegrenzer für die benachbart liegende Sicke 11 des oberen Dichtungsblechs 2 aufweist. Das obere und das untere Dichtungsblech 2 weisen Schraubenlöcher 12 mit größeren Durchmessern gegenüber dem Schraubenloch 12' des mittleren Dichtungsblechs 16 auf. Zwei Wegbegrenzer 13 und 13' sind beidseitig an dem mittleren Dichtungsblech 16 benachbart zu dem Schraubenloch 12' befestigt.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen zu den Beispielen der Fig. 4 bis 6 weitgehend identische Flachdichtungen, jedoch sind die Wegbegrenzer 13, 13' als auf die Dichtungsbleche 2, 14 und 16 aufgebrachte Beschichtungen (HC, Plasmabeschich tung und dergleichen) hergestellt.

Die Fig. 10 bis 12 zeigen zu den Beispielen der Fig. 4 bis 6 weitgehend identische Flachdichtungen, jedoch sind die Wegbegrenzer 13, 13' als Einfassungen des einen Dich tungsblechs 2 (Fig. 10) oder von jeweils einem der Dich tungsbleche 2 oder 14 bzw. 16 am Schraubenloch 12 bzw. 12' gebildet.

Die Fig. 13 bis 15 zeigen Flachdichtungen, deren Weg begrenzer 13, 13' als Sicken mit einer weitgehend in kompressiblen Füllung 18 gebildet sind.

Die in den Fig. 16 bis 18 dargestellten Flachdichtungen enthalten Wegbegrenzer 13, 13', die als Umfalzungen der jeweiligen Dichtungsbleche gebildet sind.

Die in den Fig. 19 bis 21 dargestellten Flachdichtungen enthalten Wegbegrenzer 13, 13', die jeweils als gestauch ter und damit verdickter Abschnitt einer dickeren Dich tungsplatte 16 der mehrlagig aufgebauten Flachdichtung gebildet sind.

Die in den Fig. 22 bis 24 dargestellten Flachdichtungen zeigen Wegbegrenzer, die als ein- oder zweiseitig integ ral gebildete Bauteilerhöhungen 20 (Fig. 22, 24) oder als ein Ring (Fig. 23) im Bereich des Schraubenloches gebil det sind. Die Flachdichtungen können an der Dichtlinie zusätzlich eine Wegbegrenzung enthalten.

Die Fig. 25 bis 27 zeigen Flachdichtungen, bei denen der Wegbegrenzer 13 an einem Dichtungsblech an den Rand des Loches 12 für die Schraube 9 angeschweißt oder angeklebt ist.

Die Schnittansicht in Fig. 29 (gemäß dem Verlauf A-A in Fig. 28) zeigt die konstruktive Gestaltung einer Verstei fung des Zylinderkopfes, die ein Schraubenloch 8 einer Spanneinrichtung enthält. Eine nicht dargestellte Flach dichtung gemäß den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 bis 27 kann zur zwischen dem Zylinderkopf und dem Motorblock verwendet werden.

Die Schnittansicht der Fig. 30 zeigt eine Alternative mit einer ringförmigen Bauteilüberhöhung 20 am Motorblock 3 im Bereich der Krafteinleitung der Spanneinrichtung. Die Wegbegrenzung erfolgt hier nicht an der dem Brennraum be nachbarten Dichtung, sondern an der Krafteinleitung. Die Bauteilüberhöhung 20 kann sowohl integraler Bestandteil des Bauteiles (Fig. 30) wie auch ein zusätzliches Element (ringförmige Scheibe 21 gemäß Fig. 31) sein.

Fig. 32 zeigt eine alternative Gestaltung des Zylinder kopfes, bei der die Krafteinleitung teilweise vom Schrau benloch entfernt ist.

Die voranstehend beschriebenen und in den Figuren darge stellten Ausführungsbeispiele basieren auf den folgenden Überlegungen:

1. Ersatzmodell für eine Wegbegrenzung an einer Stelle hoher Bauteilsteifigkeit mit konstruktiv bedingtem Ab stand zu Dichtlinie

Betrachtet man die Dichtung nur an der Stelle der Wegbe grenzung, so kann die Verspannungssituation vereinfacht als eine Reihenschaltung von drei Federn angenommen wer den (siehe Fig. 1). Hierin repräsentieren die Federn A1 und B1 die Bauteilsteifigkeiten der Bauteile, zwischen denen die Dichtung angeordnet ist (z. B. ein Zylinderkopf (A1) und ein Motorblock (B1)), und die Feder WB die Weg begrenzung der Dichtung.

Die Wegbegrenzung muß dabei folgende Eigenschaften auf weisen:

- keine oder eine nur geringe Kraftaufnahme bis zu ei ner
Grenzverformung x_Grenz (Bereich: x_WB < x_Grenz)
- beliebige lineare oder nichtlineare Steifigkeit bis zu einer
Grenzverformung x_Grenz (Bereich: x_WB < x_Grenz)
- hohe Steifigkeit und Kraftaufnahme bei Verformungen, die größer als die Grenzverformung x_Grenz sind
(Bereich: x_WB < x_Grenz).

Damit ergibt sich für die Reihenschaltung eine Grenzver formung x_1Grenz, die um die Summe der Verformungsanteile x_A1 und x_B1 größer ist als die Grenzverformung der Wegbe grenzung x_Grenz.

2. Ersatzmodell für eine Dichtkonstruktion an der Dichtlinie an Stellen hoher und geringer Bauteilsteifig keit

Die Dichtkonstruktion an der Dichtlinie kann ebenfalls vereinfacht als Reihenschaltung von drei Federn angenom men werden (siehe Fig. 2a und 2b). Wie zuvor repräsentie ren die Federn A2 (A3) und B2 (B3) die Bauteilsteifigkei ten und die Feder D die Dichtkonstruktion an der Dichtli nie:
Die Kraftaufnahme F_D und die Steifigkeit D(x_D) der Dicht konstruktion muß im Vergleich zur oben beschriebenen Wegbegrenzung nachstehende Charakteristik besitzen:

- höhere Kraftaufnahme für Verformungen, die kleiner als die Grenzverformung an der Wegbegrenzung sind
(Bereich: x_D < x_1Grenz)
- geringere Kraftaufnahme für Verformungen, die größer als die Grenzverformung an der Wegbegrenzung sind
(Bereich: x_D < x_1Grenz)
- beliebige (lineare oder nichtlineare) Steifigkeit für Verformungen, die kleiner als die Grenzverfor mung an der Wegbegrenzung sind
(Bereich: x_D < x_1Grenz)
- geringe (lineare oder nichtlineare) Steifigkeit für Verformungen, die im Bereich der Grenzverformung an der Wegbegrenzung sind
(Bereich: x_D ≈ x_1Grenz)
- beliebige (lineare oder nichtlineare) Steifigkeit für Verformungen, die größer als die Grenzverformung an der Wegbegrenzung sind
(Bereich: x_D < x_1Grenz)

3. Ersatzmodell für das Gesamtsystem

Das Gesamtsystem kann in erster Näherung als eine Paral lelschaltung der oben erwähnten Einzelsysteme betrachtet werden (siehe Fig. 3).

Das Gesamtsystems weist damit nachstehende Charakteristik auf:

- für Belastungen kleiner F_GesamtGrenz wird das Kräfte gleichgewicht in erster Näherung von den Reihen schaltungen 2 und 3 aufgenommen;
- für Belastungen größer F_GesamtGrenz wird das Kräfte gleichgewicht zunehmend von der Reihenschaltung 1 aufgenommen;
- an der Dichtlinie stellt sich ein gleichmäßiges Be lastungsniveau ein.

4. Elastische und oder plastische Verformungsanteile

Für die Elemente WB und D sind sowohl elastische als auch plastische Verformungsanteile möglich.

Claims

1. Dichtungsanordnung mit einer metallischen Flach dichtung zwischen einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock eines Verbrennungsmotors, wobei die metallische Flachdichtung zumindest, ein eine Brennraumdurchgangsöffnung aufweisendes Dichtungsblech, eine die Brennraumdurchgangsöff nung umgebende und eine Dichtlinie bildende Si cke und einen Wegbegrenzer für die Sicke auf weist, dadurch gekennzeichnet, dass der einstückige Wegbegrenzer (13) in einem Bereich der Flachdichtung (1) angeordnet ist, in dem Zylinderkopf und Block (3, 5) eine hohe Bau teilsteifigkeit zum im wesentlichen bauteilver formungsfreien Einleiten der Spannkraft auf die Flachdichtung (1) aufweisen, und dass der Weg begrenzer die folgenden Eigenschaften aufweist:

a) keine oder eine nur geringe Kraftaufnahme bis zu einer Grenzverformung X_Grenz (Bereich: X_WB < X_Grenz)
b) beliebige lineare oder nichtlineare Steifig keit bis zu einer Grenzverformung X_Grenz (Bereich: X_WB < X_Grenz)
c) hohe Steifigkeit und Kraftaufnahme bei Ver formungen, die größer als die Grenzverform ung X_Grenz sind (Bereich: X_WB < X_Grenz).

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegbegrenzer (13, 13') im Bereich eines von der Dichtlinie entfernten Schraubenlochs (12) der Flachdichtung (1) angeordnet ist.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegbegrenzer (13, 13') an Zylinderkopf und/oder Block (3, 5) angeordnet oder einstückig mit diesem gebildet ist.

4. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegbegrenzer (13, 13') im Bereich von einander zugeordneten Versteifungen oder Verrippungen an Zylinderkopf und Zylinderblock angeordnet ist.