DE10137594B4

DE10137594B4 - Dichtverbindung mit höhenprofilierter Dichtfläche und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE10137594B4
Application number: DE10137594A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. Hahn; Friedrich Jelinek; Horst Lachstädter; Siegfried Dipl.-Ing. Lamsbach; Reiner Schmid; Harry Dipl.-Ing. Wolf
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Lamsbach Siegfried Dipl-Ing 34123 Kassel De
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2021-08-02
Also published as: DE10137594A1

Abstract

Dichtverbindung zwischen einem Zylinderkopf sowie einem Zylinderblock, von denen mindestens eines aus einer Eisenlegierung besteht, wobei Zylinderkopf sowie Zylinderblock mit je einer dem gegenüberliegenden Bauteil zugewandten Dichtfläche versehen sind und unter Zwischenfügung einer Dichtung zusammenspannbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Dichtflächen (6) ein Höhenprofil mit durch eine lokale Randschichthärtung erzeugten lokal begrenzten Erhebungen (9) aufweist, welche beim Verbinden der Bauteile (2) eine lokal erhöhte Flächenpressung bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtverbindung zwischen einem Zylinderkopf sowie einem Zylinderblock, von denen mindestens eines aus einer Eisenlegierung besteht, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Dichtverbindung.
Viele Dichtverbindungen im Fahrzeugbau sind hohen Beanspruchungen ausgesetzt, wie sie z. B. bei der Dichtverbindung zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock in Nutzfahrzeug-Motoren durch starke Druckstöße im Brennraum entstehen. Bei hochbelasteten Dichtverbindungen kann zusätzlich eine ungleichmäßige Verteilung der Flächenpressung über die Dichtfläche vorliegen, die durch ungleichmäßige Bauteilstrukturen, große Schraubenabstände oder Hohlräume und Wandstärkenunterschiede innerhalb der Bauteile bedingt ist. Die Tatsache, dass auf der Dichtfläche Bereiche geringer Flächenpressung existieren, führt in Verbindung mit den oben genannten hohen Beanspruchungen im Verlaufe der Betriebsdauer der Dichtverbindung zu Undichtheiten bzw. zu Flüssigkeits- oder Gasaustritten an diesen Bereichen. Diese resultieren in hohen Kosten für Reparaturen bis hin zum kompletten Austausch der Bauteile.
Es wird daher versucht, bei einer Dichtverbindung eine Vergleichmäßigung der Flächenpressung über die Dichtfläche zu erreichen, um den hohen Belastungen besser standhalten zu können.
So wird in der DE 40 36 255 A1 vorgeschlagen, eine Vergleichmäßigung der Flächenpressung dadurch zu erreichen, dass die zwi schen die Dichtflächen gefügte Dichtung mit einem Höhenprofil versehen wird, wobei an stark beanspruchten Gebieten der Dichtung eine größere Dicke vorgesehen wird. So soll die Pressungsverteilung durch eine gezielte lokale Erhöhung der Flächenpressung über die gesamte Dichtfläche vergleichmäßigt werden. Diese Vorgehensweise ist jedoch fertigungstechnisch aufwendig und kostenintensiv.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Dichtverbindung eine gezielte lokale Erhöhung der Flächenpressung in ausgewählten Bereichen der Dichtfläche zu erreichen, die fertigungstechnisch einfach umzusetzen und kostengünstig zu bewerkstelligen ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1, 4 und 10 gelöst. Danach wird die Dichtfläche mindestens eines Dichtpartners mit einem Höhenprofil mit durch eine lokale Randschichthärtung erzeugten lokal begrenzten Erhebungen versehen, durch die nach dem Zusammenbau der Dichtverbindung gezielt an diesen Bereichen die Flächenpressung erhöht wird.
Bei der erfindungsgemäßen Dichtverbindung sind durch die Tatsache, dass die Vergleichmäßigung der Flächenpressung durch Maßnahmen auf der Dichtfläche selbst erreicht wird, keine Veränderungen der zwischengefügten Dichtungen erforderlich, die dann weiterhin einfach und kostengünstig herzustellen sind.
Auch im Zwischenraum zwischen zwei Befestigungsschrauben, die die Dichtverbindung zusammenhalten, liegt eine geringere Flächenpressung vor. Es ist vorteilhaft, an diesen Stellen lokal begrenzte Erhebungen auf der Oberfläche vorzusehen, um dadurch eine gleichmäßigere Verteilung der Flächenpressung zu erzielen. Dies eröffnet den weiteren Vorteil, bei Dichtverbindungen Schrauben einzusparen und damit in der Großserienfertigung die Kosten zu senken.
Weiterhin lässt sich durch die gezielte Aufbringung von erhöhten Bereichen auf einer der beiden Dichtflächen zusätzlich eine Reduktion der durch die hohen Anzugskräfte der Schraubverbindungen bedingte Unrundheit der Zylinderlaufbuchse erreichen.
Vorteilhafterweise werden bei einem der beiden Bauteile zusätzlich lokal begrenzte Abstützerhöhungen auf einer außerhalb der Dichtfläche liegenden, dem gegenüberliegenden Bauteil zugewandten Abstützfläche vorgesehen. Durch diese Abstützung, die bisher zum Beispiel mittels aufgeschweißter Bleche durchgeführt wird, kann die dynamische Belastung der Dichtverbindung erheblich reduziert werden (Anspruch 2).
Vorteilhafterweise wird die Ausbildung lokal begrenzter Erhöhungen durch eine lokale Randschichthärtung von Bereichen der Dichtfläche und die dabei auftretende Volumenvergrößerung durch die Umwandlung des Werkstoffgefüges erreicht. Dies hat den Vorteil, dass gleichzeitig eine Härtung der ausgewählten Bereiche stattfindet, die gegen Verschleiß an den hochbeanspruchten Stellen schützt. Der Härtevorgang stellt ferner nur einen einzigen zusätzlichen Bearbeitungsgang der Dichtfläche dar. Daher handelt es sich um eine fertigungstechnisch einfach zu realisierende Zusatzmaßnahme (Anspruch 4).
In einer Ausführungsform wird ein Laserstrahl zum Randschichthärten der Dichtfläche verwendet. So kann die Lage sowie die Ausdehnung der lokalen Erhebungen schnell und mit geringem Aufwand eingestellt bzw. geändert werden. Daher wird eine hohe Flexibilität bei der Durchführung des Härtungsprozesses erreicht (Anspruch 5).
Zweckmäßigerweise werden die erfindungsgemäßen lokalen Erhebungen auf der Dichtfläche mit einem induktiven Randschichthärtungsverfahren erzeugt. Hiermit liegt ein prozesstechnisch einfach zu beherrschendes sowie mit niedrigem apparativem Aufwand durchführbares Verfahren vor, zu dessen Durchführung geringe Investitionskosten notwendig sind. Die bei einer Dichtverbin dung zwischen einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock vorliegenden Werkstoffvolumina ermöglichen die Realisierung des zum Härten erforderlichen Temperaturgradienten mittels Selbstabschreckung. So ist keine Abschreckung der Oberfläche nach dem Aufheizvorgang durch Wasser oder dergleichen nötig, was das Verfahren zusätzlich vereinfacht (Anspruch 7).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum induktiven Randschichthärten mit einem Induktor, der eine lokale Konzentration des Magnetfeldes bewirkt, bietet den Vorteil, dass mit Hilfe dieser Vorrichtung die lokal begrenzten Erhebungen sehr präzise und reproduzierbar dargestellt werden können (Anspruch 10).
Zweckmäßigerweise werden Pakete von Transformatorenblechen zur Konzentration des Magnetfeldes verwendet, die auf der Heizschleife angeordnet sind. Durch die Tatsache, dass die Blechpakete entlang der Heizschleife beliebig positioniert werden können, wird eine hohe Flexibilität bei der Durchführung des Härteverfahrens erreicht (Anspruch 11).
Durch die Variation der Anordnung der Bleche zueinander und der dazwischengefügten Kunststoffisolierungen ist es vorteilhafterweise möglich, sowohl die Höhe als auch die Ausbildung der Erhebung für jede der Erhebungen getrennt voneinander zu beeinflussen. Dadurch kann eine gewünschte Geometrie der Dichtfläche sehr genau realisiert werden (Anspruch 9).
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.
In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine Zylinderkopfoberfläche mit dem erfindungsgemäßen Höhenprofil,
2 einen Schnitt durch die Zylinderkopfoberfläche,
3 eine Draufsicht auf eine Zylinderkopfoberfläche mit Abstützerhebungen außerhalb der Dichtfläche und
4 einen Induktor zur Herstellung des erfindungsgemäßen Höhenprofils.
In 1 ist eine Draufsicht auf eine Oberfläche 1 eines Bauteils 2 aus einer Eisenlegierung, in diesem Falle eines Zylinderkopfes 3, dargestellt. In der Oberfläche 1 des Bauteils 2 sind in einem Ventilbereich 4 mehrere Aussparungen 5 für Ein- und Auslassventile und das Einspritzventil vorgesehen mit dahinterliegenden, durch das Bauteil 2 führenden Kanälen.
Begrenzt wird der Ventilbereich 4 von einer kreisringförmigen, gestrichelt dargestellten Dichtfläche 6. Auf dieser Fläche 6 liegt eine Dichtung auf, wenn der Zylinderkopf 3 mit einem anderen Bauteil, in diesem Fall einem Zylinderblock, zusammengefügt wird. Außerhalb der Dichtfläche 6 sind Bohrungen 7 vorgesehen, die Schrauben zur Sicherung der Dichtverbindung aufnehmen.
Auf der Dichtfläche 6 existieren kritische Bereiche 8, die sehr nah an den Aussparungen 5 liegen. Hinter diesen Aussparungen 5 befinden sich Hohlräume im Bauteil 2. Wird die Dichtverbindung zusammengebaut, so liegt an den kritischen Bereichen 8 daher eine im Vergleich zur übrigen Dichtfläche 6 verminderte Flächenpressung vor. Diese ungleichmäßige Verteilung der Flächenpressung kann bei hohen Beanspruchungen im Laufe der Betriebsdauer der Dichtverbindung zu Undichtheiten führen.
Um diesem Effekt entgegenzuwirken, sind auf der Dichtfläche 6 an den kritischen Bereichen 8 lokal begrenzte Erhebungen 9 vorgesehen. Diese erhöhen beim Zusammenbau der Dichtverbindung lokal gezielt die Flächenpressung und bewirken somit eine Vergleichmäßigung der Flächenpressung über die gesamte Dichtfläche 6.
Erzeugt werden die lokal begrenzten Erhebungen 9 durch einen lokalen Randschichthärtungs-Vorgang der kritischen Bereiche 8 der Dichtfläche 6. Bei dem Härteprozess tritt durch die auf die Bauteiloberfläche 1 einwirkende Wärme in Verbindung mit einer nachfolgenden Abschreckung oder Selbstabschreckung in Oberflächennähe eine Gefügeumwandlung auf. Bedingt durch diese Gefügeumwandlung entsteht eine Vergrößerung des Volumens des gehärteten Bereiches, so dass sich die Erhebungen 9 auf der Dichtfläche 6 bilden. Diese Erhebungen 9 können unterschiedliche Höhen besitzen, die typischerweise zwischen 0,02 und 0,08 mm betragen. Gleichzeitig besitzen die erhöhten Bereiche 9 eine größere Härte und sind daher besser gegen Verschleiß geschützt.
2 zeigt einen Schnitt durch eine solche lokal begrenzte Erhebung 9. Dargestellt ist ein Bereich des Bauteils 2 mit einem Ausgangs-Werkstoffgefüge 11, wie es vor dem Härtevorgang im gesamten Bauteil 2 vorliegt, und ein davon abgesetzter Bereich mit einem umgewandelten Werkstoffgefüge 12. Dieser Bereich 12 ragt aus der Bauteiloberfläche 1 bzw. der Dichtfläche 6 hervor.
Wie in 3 dargestellt, ist es weiterhin möglich, lokal begrenzte Abstützerhebungen 20 auf einer auf der Bauteiloberfläche 1 außerhalb der Dichtfläche 6 liegenden Abstützfläche 10 vorzusehen. So wird der Zylinderkopf 3 außerhalb der eigentlichen Dichtverbindung gegen den Zylinderblock abgestützt und die dynamische Belastung, der die Bauteile 2 im Betrieb ausgesetzt sind, reduziert. Diese Abstützerhebungen 20 werden ebenfalls durch lokales Randschichthärten erzeugt. Ein Schnitt durch eine Abstützerhebung 20 entspricht dem in 2 dargestellten Schnitt durch eine Erhebung 9 auf der Dichtfläche 6.
Als Randschichthärteverfahren kommen beispielsweise die Verfahren des induktiven Randschichthärtens oder ein Randschichthärteverfahren mithilfe eines Laserstrahles in Betracht. Mit beiden Verfahren ist es möglich, gezielt und lokal konzentriert Wärme auf die Bauteiloberfläche 1 zu bringen. Im folgenden wird das induktive Randschichthärten näher erläutert.
In 4 ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum induktiven Randschichthärten dargestellt. Die Figur zeigt einen ringförmigen, einschleifigen Induktor 13. Der Induktor 13 besitzt eine ringförmige Heizschleife 14, deren Geometrie der der gegenüberliegenden, gestrichelt dargestellten Dichtfläche 6 entspricht. Die Heizschleife 14 ist mit einer Zuleitung 15 zur Stromzuführung verbunden. Gegenüberliegend den kritischen Bereichen 8, in denen lokal begrenzte Erhebungen 9 vorgesehen werden sollen, sind auf der Heizschleife 14 Transformatorenblech-Pakete 16 angeordnet, die entlang der Heizschleife 14 verschiebbar sind. Diese Pakete 16 bestehen aus mehreren parallel zueinander angeordneten Blechen 17, die etwa 0,2 bis 0,3 mm dick und rechteckig mit einer Aussparung für die Heizschleife 14 sind sowie auf der bauteilzugewandten Seite bündig mit der Heizschleife 14 abschließen. Zwischen den Blechen 17 sind Isolierungen 18 aus Kunststoff, in diesem Fall aus Polytetrafluorethylen (Teflon), angeordnet.
Die Höhe der Erhebungen 9, 20 wird neben den Verfahrensparametern Frequenz, Stromstärke und Heizdauer auch durch die Abstände der Bleche 17 zueinander, die Anzahl der in einem Paket vorhandenen Bleche 17 sowie durch die Anordnung und Dicke der Isolierungen 18 beeinflusst. Ein weiterer freier Parameter ist der Koppelabstand zwischen Induktor 13 und Bauteiloberfläche 1, der typischerweise wenige Millimeter beträgt.
Zur Kompensation der beim Härteprozess am Induktor 13 auftretenden, von der Oberfläche 1 des Bauteils 2 weggerichteten Magnetkräfte ist eine Platte 19, hier nur angedeutet dargestellt, am Induktor 13, oberhalb der Heizschleife 14, angebracht.
Das erfindungsgemäße Höhenprofil sowie das Verfahren zu dessen Herstellung ist nicht auf die Dichtverbindung zwischen Zylinderkopf 3 und Zylinderblock beschränkt, sondern lässt sich bei beliebigen, hohen Belastungen ausgesetzten Dichtflächen anwenden.
Die lokal begrenzten Erhebungen 9 müssen nicht zwingend an den in 1 dargestellten Bereichen 8 erzeugt werden, sondern können beliebig über die Oberfläche 1 des Bauteils 2 bzw. die Dichtfläche 6 verteilt werden, so dass insgesamt eine gleichmäßige Flächenpressung erreicht wird.
Die Konzentration des Magnetfeldes beim Induktionshärten muss nicht in der in 4 dargestellten Weise mit Konzentratorblech-Paketen erfolgen, denkbar sind auch andere Methoden, z. B. eine speziell angepasste Geometrie der Heizschleife 14.

Claims

Dichtverbindung zwischen einem Zylinderkopf sowie einem Zylinderblock, von denen mindestens eines aus einer Eisenlegierung besteht, wobei Zylinderkopf sowie Zylinderblock mit je einer dem gegenüberliegenden Bauteil zugewandten Dichtfläche versehen sind und unter Zwischenfügung einer Dichtung zusammenspannbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Dichtflächen (6) ein Höhenprofil mit durch eine lokale Randschichthärtung erzeugten lokal begrenzten Erhebungen (9) aufweist, welche beim Verbinden der Bauteile (2) eine lokal erhöhte Flächenpressung bewirken.
Dichtverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Bauteile (2) lokal begrenzte Abstützerhebungen (20) auf einer außerhalb der Dichtfläche (6) liegenden, dem gegenüberliegenden Bauteil (2) zugewandten Abstützfläche (10) aufweist.
Dichtverbindung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lokal begrenzten Erhebungen (9) Höhen zwischen 0,02 und 0,08 mm aufweisen.
Verfahren zur Herstellung einer Dichtverbindung zwischen zwei Bauteilen, von denen mindestens eines aus einer Eisenlegierung besteht, wobei die Bauteile mit je einer dem gegenüberliegenden Bauteil zugewandten Dichtfläche versehen und unter Zwischenfügung einer Dichtung zusammenspannbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Dichtfläche (6) lokal begrenzte Erhebungen (9) durch eine lokale Randschichthärtung der Dichtfläche (6) erzeugt werden, wobei bei der Randschichthärtung durch die wärmebedingte Umwandlung des Werkstoffgefüges eine Volumenvergrößerung auftritt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Randschichthärtung der Dichtfläche (6) mittels Laserstrahlen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserhärtung über die Parameter Strahlenenergie, Strahlenbewegungsgeschwindigkeit und über die speziellen Materialeigenschaften der Dichtfläche (6) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Randschichthärtung der Dichtfläche (6) durch induktive Randschichthärtung mittels eines Induktors (13) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Randschichthärtung durch die Parameter des Induktors (13), die Stromfrequenz, die Leistung und die Heizzeit, über die Abkühlung und über die speziellen Materialeigenschaften der Dichtfläche (6) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage und das Höhenprofil der lokal begrenzten Erhebungen (9) durch die Anordnung von Transformatoren-Blechen (17), welche verschiebbar auf einer Heizschleife (14) des Induktors (13) angebracht sind, eingestellt werden.
Vorrichtung zur Herstellung einer Dichtverbindung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, insbesondere zur Herstellung einer Dichtverbindung zwischen einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (13) so gestaltet ist, dass an den Bereichen der Heizschleife (14), die während der Induktionsbehandlung den zu erzeugenden lokal begrenzten Erhebungen (9) gegenüberliegen, eine erhöhte Konzentration des Magnetfeldes auf die Bauteiloberfläche (1) vorliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Konzentration durch eine Anordnung von mehreren parallel zueinander angeordneten Transformatoren-Blechen (17) mit dazwischenliegenden Kunststoffisolierungen (18) erreicht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizschleife (14) ringförmig angeordnet ist.