DE102004064110C5

DE102004064110C5 - Zylinderkopfdichtung mit einer mehrteiligen Lage

Info

Publication number: DE102004064110C5
Application number: DE102004064110.2A
Authority: DE
Inventors: Günther Unseld; Erwin Widmann; Andreas Göttler; Thomas Görtler
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2004-08-23
Publication date: 2019-04-04
Anticipated expiration: 2024-08-24
Also published as: DE102004064110B4

Abstract

Metallische Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor umfassend genau eine metallische Lage, wobei die Zylinderkopfdichtung mit mehreren Zylinderdurchgangsöffnungen (7) versehen ist, und die genau eine metallische Lage in ihrer Lagenebene mindestens zwei metallische Lagenteile (1b, 1c) (erstes und zweites Lagenteil) aufweist, die jeweils mit mindestens einer Zylinderdurchgangsöffnung versehen und miteinander formschlüssig verbunden sind, wobei die Dicke der die mindestens zwei Lagenteile (1b, 1c) aufweisenden-Gesamtlage (1) senkrecht zu ihrer Lagenebene mindestens 0,3 mm beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Nutzfahrzeug-Verbrennungsmotor (NFZ-Verbrennungsmotor), aus einer metallischen Lage oder mehreren übereinander liegenden metallischen Lagen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Metallische Flachdichtungen werden bevorzugt zur Abdichtung bei hohen Beanspruchungen eingesetzt. Der Dichtspalt zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock bei Brennkraftmaschinen bzw. Verbrennungsmotoren ist ein bevorzugtes Anwendungsgebiet dieses Dichtungstyps. Durch Ausbildung von Sicken in der oder den Metalllage(n) kann eine solche Flachdichtung eine gute Federungseigenschaft erhalten.
Aus der WO 01/96768 A1 ist eine Flachdichtung aus mindestens einer metallischen Lage bekannt, die Insbesondere als Zylinderkopfdichtung ausgebildet ist. Die Dichtung enthält mindestens eine Zylinderdurchgangsöffnung. Um eine hohe Dichtwirkung zu erhalten, ist diese Zylinderdurchgangsöffnung vollständig von einer in der Lage oder mindestens einer von mehreren metallischen Lagen ausgebildeten Sicke umgeben.
Weiterhin ist auch aus der EP 0 927 881 A2 eine einlagige Zylinderkopfdichtung aus Metall bekannt. Diese ist ebenfalls mit jeweils einer die Zylinderdurchgangsöffnungen umgebenden Sicke versehen.
Die DE 100 57 777 A1 zeigt mehrlagige Flachdichtungen mit Trennstellen. An den Trennstellen sind alle Lagen aufgetrennt, wobei die einzelnen Lagen jeweils versetzt zueinander aufgetrennt sind.
Werden metallische Zylinderkopfdichtungen für NFZ-Motoren eingesetzt, so weisen diese naturgemäß deutlich erhöhte Baugrößen im Vergleich zum PKW-Bereich auf oder sind alternativ als Einzelkopf-Zylinderkopfdichtung ausgeführt. Solche metallischen Zylinderkopfdichtungen können einlagig oder mehrlagig sein. Im mehrlagigen Fall weisen die Zylinderkopfdichtungen neben der Trägerlage (im Folgenden alternativ auch als Distanzblech oder dickenbildende Lage bezeichnet) weitere Lagen, wie beispielsweise aktive Lagen mit Federeigenschaften aus Stählen auf V2A-Basis und/oder Stopperlagen (beispielsweise aus duktilen Edelstählen oder unlegierten Kohlenstoffstählen) auf.
Problematisch bei derartig großen Dichtungen, wie sie für komplette Reihen von Zylindern (in V- oder Reihenmotoren) eingesetzt werden, ist dann insbesondere, dass beim Ausstanzen der entsprechenden Durchgangsöffnungen aus der Distanzblechlage bzw. dem Trägerblech und/oder beim Ausstanzen der Kontur der Distanzblechlage aufgrund der oftmals (beispielsweise durch Auskragungen oder durch aufgrund von Anbauteilen wie z. B. der Kettenkasten-Abdichtung hervorstehender Abschnitte der dickenbildenden Lage bzw. Distanzblechlage) komplexen Geometrie der Dichtung in dieser Lagenebene ein relativ großer Materialverschleiß bzw. relativ große Mengen an Materialabfällen entstehen. Darüberhinaus ist auch das Handling derartig großer Distanzblechlagen problematisch.
Die bekannten Einzellagendichtungen bestehen aus einer durchgehenden Trägerplatte, zum Teil mit gummiangespritzten Inserts. Somit können bei den bekannten Einzellagendichtungen Anbauteile wie z. B. Abdichtungen für Ketten- bzw. Räderkästen zwar in die Gesamtlage integriert werden, dies jedoch nur zum Preis erhöhten Rohmaterialverbrauchs (Stanzblechabfälle) bei der Herstellung.
Die bekannten Einzellagendichtungen können auch zur Hinterlandabdichtung direkt angespritzt sein; unter dem Begriff des Hinterlandes wird dabei ausgehend von einer Zylinderdurchgangsöffnung der Dichtung der hinter der Abdichtung des Brennraums - beispielsweise mit Hilfe einer um die Durchgangsöffnung umlaufenden Sicke -liegende Bereich der Dichtung verstanden. Aufgrund der deutlich erhöhten Größe der Trägerplatte bei einer Mehrzylinderdichtung für Nutzfahrzeuge gegenüber Einzelzylinderdichtungen, wie sie bei Nutzfahrzeugen auch verwendet werden, kann das Anspritzen der Trägerplatten nur mit stark erhöhtem Aufwand mit den Anlagen für Einzelzylinderdichtungen durchgeführt werden. Bei dickeren Blechlagen können zudem die für das Stanzen der größeren Trägerplatte notwendigen Kräfte Probleme bereiten, Die geringeren Stückzahlen von Mehrzylinderdichtungen für Nutzfahrzeuge rechtfertigen oftmals nicht die Investitionen für separate Anlagen.
Die EF 1 574 760 A1 offenbart eine Zylinderkopfdichtung mit einer geteilten Lage, deren Lagenteile stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Die DE 69 421 214 T2 offenbart eine metallische Dichtungsanordnung mit einer Dichtungslage, die zusätzlich Brennraumringe aufweist.
Die DE 43 08 726 A1 offenbart ebenfalls eine Flachdichtung für Verbrennungskraftmaschinen, bei der im Bereich der Brennraumdurchgangsöffnung ein zusätzlicher Dichtring vorgesehen ist. Die Dichtungslage selbst erstreckt sich jedoch über sämtliche Brennraumdurchgangsöffnungen.
Die US 4,976,225 A offenbart ebenfalls eine derartige Zylinderkopfdichtung. bei der sich eine Dichtungslage über sämtliche Brennraumöffnungen erstreckt, jedoch im Bereich der Brennräume ein zusätzlicher Dichtring angeordnet ist.
Die WO 03/029703 A1 zeigt ebenfalls eine Zylinderkopfdichtung mit im Bereich der Brennräume eingesetztem Dichtring, deren Lage sich jedoch über sämtliche Brennraumdurchgangsöffnungen erstreckt.
Die DE 100 57 777 A1 zeigt ihrerseits wiederum eine derartige mehrlagige Flachdichtung. Dio Lagen dieser Flachdichtung sind im Bereich des Kettenkastens jeweils aus zwei Elementen, die benachbart zueinander und formschlüssig sind, zusammengesetzt.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einlagige oder mehr als eine Lage umfassende metallische Zylinderkopfdichtung zur Verfügung zu stellen, bei der der Materialverschleiß minimiert wird, bei der das Handling verbessert wird und bei der dieselben Anlagen wie bei der Herstellung von Einzelzylinderdichtungen verwendet werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung sind in den davon abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine geteilte Einlagendichtung vorgeschlagen wird, deren eine Lage bzw. deren Trägerlage bzw. distanzbildende Lage in ihrer Lagenebene in zwei oder mehrere metallische Lagenteile, die miteinander verbindbar bzw. verbunden sind, aufgeteilt ist (Unterteilung dieser Lagenebene in Abschnitte). Im Fall einer Einlagen-Zylinderkopfdichtung ist somit die einzige Lage geteilt.
Die einzelnen Lagenteile können dann durch geeignete formschlüssige Verbindungsanordnungen (kurz: Verbindungen) zusammengesetzt werden.
Beispiele für formschlüssige Verbindungen sind Schwalbenschwanzkontakte oder puzzleteilverbindungsförmige Verbindungen bzw. Verbindungselemente: Solche Elemente weisen ein erstes Mittel auf, welches an einem ersten Lagenteil angeordnet ist. Das erste Mittel weist an seiner dem zugehörigen ersten Lagenteil zugewandten Seite eine Einschnürung (Taille) auf und an der gegenüberliegenden, dem ersten Lagenteil abgewandten Seite eine Verbreiterung. Die Elemente weisen dann ein an einem zweiten (an das erste Lagenteil benachbart bzw. anliegend anzuordnenden) Lagenteil angeordnetes zweites Mittel auf: Das zweite Mittel ist als Negativform bzw. Hohlform zur formschlüssigen Aufnahme des ersten Mittels ausgestaltet. Kraftschlüssige Verbindungen entstehen, wenn Kontaktflächen zwischen den Lagenteilen mittels z. B. Schweißen oder Löten verbunden werden. Die einzelnen Abschnitte bzw. Lagenteile der Gesamtlage sind somit durch die beschriebenen Verbindungsanordnungen zusammenfügbar bzw. zusammengefügt.
Häufig weist die Zylinderkopfdichtung bzw. ihre dickenbildende Lage in der bzw. den Lagenebene(n) eine komplexe geometrische Gesamtgrundform auf: beispielsweise kann sich diese komplexe geometrische Gesamtgrundform aus einer vergleichsweise einfachen geometrischen Grundform, insbesondere Im wesentlichen in Form eines Rechtecks, Dreiecks, Trapezes oder ähnliches und aus an dieser einfachen Grundform angeordneten Anbauteilen (z. B. für einen Räderkasten) in Form von Ausbuchtungen bzw. Auskragungen zusammensetzen. Der Begriff der Grundform wird hier für die Außenkontur (in der Lagenebene) eines Lagenteils, mehrerer verbundener Lagenteile oder der aus den miteinander verbundenen Lagenteilen der Gesamtlage, wie sie ohne Anordnung der Verbindungsanordnun gen bzw. ohne die durch die Verbindungsanordnungen verursachten Konturänderungen bestehen würde, verwendet. Insbesondere in einem solchen Fall ist es sinnvoll, dass die einzelnen Lagenteile dann einfache geometrische Grundformen aufweisen, so dass sich die komplexe Gesamtlage aus solchen einfachen Grundformen zusammensetzen lässt. So kann beispielsweise die Aufteilung der Gesamtträgerlage (im Folgenden kurz: Gesamtlage) in einzelne Lagenteile so erfolgen, dass die genannten Ausbuchtungen bzw. Auskragungen als eigene Lagenteile von der einfachen geometrischen Rest-Grundform abgetrennt werden.
Erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtungen mit einer mehrteiligen Trägerlage erlauben es, Dichtungsfamilien für Familien von Reihenmotoren (Vier- und Sechs-Zylinder) ebenso wie für V-Motoren (V6, V8 und V12) in Modularbauweise herzustellen. Hierzu wird pro weiterem Zylinder ein Lagenteil mit Zylinderdurchgangsöffnung zwischen die Bauteile einer Dichtung für einen Motor, welcher einen Zylinder weniger aufweist, eingefügt. Dabei werden Standard-Lagenteile verwendet, die ggf. mit unterschiedlichen Inserts bestückt sein können. Bei Unterschieden von mehr als einem Zylinder, insbesondere bei einer Familie mit Vier- und Sechs-Zylinder-Reihenmotoren ist es auch möglich, ein einzelnes Lagenteil für beide zusätzlichen Zylinder bzw. Zylinderdurchgangsöffnungen vorzuhalten.
Durch die beschriebene Aufteilung der Trägerlage ist es auf einfache Art und Weise möglich, in diese Trägerlage Anbauteile wie z. B. eine Abdichtung für den Ketten- oder Räderkasten zu integrieren. Die Teilung erfolgt dann sinnvollerweise so, dass die Kasten-Abdichtung als ein Lagenteil ausgeführt wird bzw. dass die Kasten-Abdichtung als Lagenteil in die Gesamtlage mit Hilfe der beschriebenen Verbindungsanordnungen einknüpfbar ist. Die für die Kasten-Abdichtung bzw. den Kettenkasten oder Räderkasten vorzusehende Ausbuchtung, welche bei fehlender Aufteilung der Gesamtlage beim Ausstanzen der Trägerlagenform aus dem Rohblech ansonsten zu einem großen Materialverbrauch führt, kann damit durch Teilung der Gesamtlage in einen Kettenkastenteil und einen Restteil einfacher geometrischer Form verhindert werden. Der durch die Ausbuchtung des Kettenkastens verursachte Materialverschleiß wird somit verhindert.
Entscheidend bei der vorliegenden Erfindung ist somit die Aufteilung der Trägerlage in mehrere Einzelteile bzw. die Verknüpfung von mehreren einzelnen Lagenteilen einer Trägerlage zu einer einstückigen Gesamtlage. Hierbei kann besonders vorteilhaft auch eine Einknüpfung von Anbauteilen, insbesondere eines Räderkasten- oder Kettenkasten-Abdichtteils am Trägerblech der Rest-Gesamtlage erfolgen. Eine Positionierung der einzelnen Lagonteile sowie eine Bestimmung der korrekten Einbauposition dieser Teile erfolgt dann wie beschrieben durch die vorteilhafterweise schwalbenschwanzförmigen bzw. puzzleteilverbindungsartigen Verbindungsanordnungen zwischen den einzelnen Lagenteilen, beispielsweise zwischen dem Räderkasten-Abdichtungsteil und einem anderen Trägerteil, beispielsweise einem eine Zylinderdurchgangsöffnung aufweisenden Trägerteil.
Die Verbindung der einzelnen Lagenteile kann dann durch Verschweißen, Insbesondere durch Laserschweißen, mit Hilfe von Clips (Einklipsen des einen in das andere Teil) und/oder auch durch Löten und/oder durch Verstemmen erfolgen.
Die Schweißung erfolge dabei stumpf an der Trennfuge, wobei ein Materialauftrag mit Hilfe der Gestaltung des Spalts zwischen den einzelnen Lagenteilen vermieden werden muss. Der Spalt weist hierfür vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,1 mm auf. Beim Schweißen ergibt sich dann beispielsweise ein Schweißauftrag von etwa 0,07 mm. Außerdem kann auch hierdurch Material eingespart werden (Null auf Null-Stanzung wird möglich).
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die einzelnen Lagenteile, insbesondere Anbauteile wie beispielsweise die Räderkasten- bzw. Kettenkasten-Abdichtungsteile der Trägerlage, als separate Einzelteile ausgeführt bzw. ausgestanzt werden können, welche dann aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Bauteilabmessungen auch direkt angespritzt (mit einem elastomeren Dichtungsmaterial) ausgeführt werden können. Als Dichtungsmaterialien eignen sich Gummi, Silikon, Fluorpolymere (z. B, FPM, PFA oder MFA), NBR-Kautschuk (Acryl-Butadien-Kautschuk), EPDM-Kautschuk (Ethylen-Propylen-Kautschuk), ACM (Folyacrylat) oder EAM (Ethylen-Acrylat). Bevorzugte Applikationsverfahren sind Press-, Transfer- oder Spritzgießen. Die Einzelteile können somit zuerst mit einem elastomeren Dichtungsmaterial angespritzt werden und das Einbauen bzw. das Anschweißen an den restlichen Teil der Gesamtlage bzw. am restlichen Teil des Trägerblechs kann dann anschließend erfolgen. Die einzelnen Lagenteile lassen sich somit einfach direkt mit einem Dichtungsmaterial anspritzen. Vorteilhaft bei dieser Vorgehensweise ist zudem, dass mit Maschinen in für Einzelzylinderdichtungen üblichen Größen gearbeitet werden kann.
Bei der erfindungsgemäßen metallischen Zylinderkopfdichtung können die metallischen Lagenteile auch Öffnungen bzw. Durchstanzungen aufweisen, in die vorzugsweise metallische Inserts vorzugsweise formschlüssig einsetzbar sind. Die Inserts können dann ihrerseits wiederum Durchgangsöffnungen aufweisen (an den entsprechenden Stellen in der jeweiligen Lagenebene weiterer metallischer Lagen, wie beispielsweise der Federstahllage, sind dann natürlich entsprechend ebenfalls Durchgangsöffnungen einzubringen). Solche Durchgangsöffnungen können beispielsweise als Kühl- oder Schmiermitteldurchgangsöffnung, Schraubendurchgangsöffnung oder Ventilsteuerteildurchgangsöffnung dienen, Diese Inserts können dann in das Trägerblech der metallischen Lagenteile eingeschweißt werden und an ihrem inneren, der Insert-Durchgangsöffnung zugewandten Rand oder nahe diesem Rand umlaufend mit einem Dichtungselement (z. 8. Elastomerraupe) versehen sein. Die Inserts dienen dann der Hinterlandabdichtung bzw. der Abdichtung von Durchgangsöffnungen, die nicht Zylinderdurchgangsöffnungen sind. Das Dichtungselement am Innenrand der Inserts, deren Durchgangsöffnungen nicht zur Abdichtung des Brennraums bzw. nicht als Zylinderdurchgangsöffnung dienen, kann in Form eines angespritzten Gummis ausgestaltet sein. Vorteilhafterweise sind die eingesetzten Inserts über Verbindungsanordnungen mit dem sie umgebenden Lagenteil verbunden, die entsprechend den Verbindungsanordnungen zwischen den einzelnen Lagenteilen ausgestaltet sind (beispielsweise schwalbenschwanzförmig bzw. puzzleteilverblndungsförmig).
Auf entsprechende Art und Weise ist auch eine Entkopplung des Brennraumrings vom Trägerblechabschnitt eines Lagenteils möglich: Das Lagenteil weist eine Öffnung auf, in die vorzugsweise formschlüssig der Brennraumring eingesetzt werden kann. Der Brennraumring weist mehrere beispielsweise schwalbenschwanzförmig ausgestaltete Auswölbungen auf, welche formschlüssig (oder auch kraftschlüssig) in entsprechend gestaltete Einbuchtungen des den Brennraumring umgebenden Lagenteils eingreifen. Der Brennraumring ist dann beispielsweise mit einer Sicke versehen, welche nach dem Zusammenpressen des entsprechenden Lagenteils durch das Verschrauben von Zylinderkopf und Zylinderblock zur Abdichtung der entsprechenden Zylinderdurchgangsöffnung dient. Durch die Entkopplung des Brennraumrings vom Trägerblechabschnitt des umgebenden Lagenteils können unterschiedliche Materialien für den Brennraumring und für das Trägerblech bzw. das Lagenteil verwendet werden. Dies bietet den Vorteil, die benötigte Tonnage pro Hub zu minimieren, Spannungen im Trägerblech durch das Prägen zu umgehen, sowie Spannungen, welche im Betrieb durch Relativbewegungen des Zylinderkopfs und des Zylinderblocks (Buchse) und/oder der Zylinderkopfdichtung verursacht werden, abzubauen. Es ist ebenso möglich, Teile, die beim Ausstanzen anfallen, nach weiterem Stanzen als Inserts weiter zu verwenden.
Die einzelnen metallischen Lagenteile, die metallischen Brennraumringe und/oder die metallischen Inserts können auch ganz oder teilweise beschichtet sein. Hierbei können unterschiedliche Beschlchtungsmaterialien verwendet werden (beispielsweise gleitfähige Beschichtungsfilme). Als Material für die Brennraumringe, Lagenteile und/oder Inserts können grundsätzlich alle schweißfähigen Metalle verwendet werden. Für die Brennraumringe werden bevorzugt hochwertige Stähle (Edelstahl oder kaltgewalzter C-Stahl höchster Güte, zum Teil beschichtet) verwendet. Für die Lagenteile kann günstigerer Stahl verwendet werden. Für die Inserts kann auch günstigerer Stahl zum Einsatz kommen, auch mit unterschiedlicher Blechstärke im Vergleich zu den Lagenteilen. Als Beschichtungsmaterialien können Gleitbeschichtungen (z. B. MoS₂-haltige oder PTFEhaltige Beschichtungen) oder Elastomerbeschichtungen (beispielsweise FPM, NBR oder Silikon) eingesetzt werden. Unter Beschichtungen im Sinne der vorliegenden Anmeldung fallen auch Korrosionsschutzbehandiungen (beispielsweise Phosphatbehandlung, Aluplattierung oder Verzinkung).
Die Beschichtung kann hierbei auf der Oberseite und/oder der Unterseite der genannten Teile erfolgen. Die Oberseite und die Unterseite sind diejenigen Oberflächen der Lagenteile, Brennraumringe und Inserts, welche im Wesentlichen in der bzw. den Lagenebene(n) angeordnet sind (senkrecht zur Durchgangsrichtung bzw. Durchstanzungsrichtung). Die in Durchgangsrichtung liegenden schmalseitigen Oberflächen der einzelnen Teile werden auch als Ränder bzw. umfangsseitige Ränder bezeichnet. Die Ausdehnung der einzelnen Teile in Durchgangsrichtung der Durchgangsöffnungen bzw. senkrecht zur Lagenebene bzw. zu den Lagenebenen wird auch als Dicke bezeichnet. Durch die Aufteilung der Trägerlage sind somit wie beschrieben auf einfache und kostengünstige Art und Weise unterschiedliche Beschichtungen für Brennraumringe und Lagenteile möglich.
Für die erfindungsgemäß aufgeteilte Trägerlage werden Dicken von mindestens 0,3 mm vorgesehen, vorteilhafterweise werden Stahlbleche mit einer Dicke von 0,4 mm bis 2 mm eingesetzt. Die Baugröße der aus den einzelnen Lagenteilen zusammengefügten Gesamtlage beträgt vorteilhafterweise in einer Dimension in ihrer Lagenebene (Längsrichtung) zwischen etwa 500 mm und 1500 mm. Die erfindungsgemäß aufgeteilten Einlagendichtungen werden somit vor allem für NFZ-Verbrennungsmotoren eingesetzt.
Neben den bereits beschriebenen Vorteilen weisen die erfindungsgemäßen Dichtungen vor allen Dingen die folgenden Vorteile auf:

• Durch das Separieren der Trägerlage in einzelne Abschnitte bzw. Lagenteile können trotz der großen Längsausdehnung der Gesamtlage vorhandene Maschinen zur Herstellung verwendet werden.
• Aus demselben Grund können unterschiedliche Fertigungskonzepte in einer Dichtung, beispielsweise auch zur Kettenkasten- bzw. Räderkastenabdichtungsoptimierung im Verbund eingesetzt werden.
• Die Aufteilung bietet insbesondere auch den Vorteil, dass der Träger durch herkömmliches Stanzen hergestellt werden kann: Vorausberechnete Stanzkräfte bei nicht-aufgeteiltem Träger übersteigen demgegenüber die Möglichkeiten bestehender Stanzmaschinen bei weitem.
• Die geteilte Trägerlage bietet große Handlingsvortolle. So lassen sich die einzelnen Lagenteile der mehrteiligen Gesamtlage wesentlich einfacher und kostengünstiger direkt mit einem Dichtungsmaterial wie Gummi anspritzen (Randabdichtung) als ein entsprechend größeres Gesamtlagenteil.
• Die erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung bietet jedoch nicht nur die Vorteile optimaler Ausnutzung bestehender Fertigungsanlagen und des Einsatzes verschiedener Fertigungsverfahren (beispielsweise Anspritzen mit Gummi sowie Verwendung von Inserts), sondern bietet insbesondere auch den Vorteil der Materialoptimierung hinsichtlich sowohl der Auswahl verschiedener Materialeigenschaften (unterschiedliche Materialien für unterschiedliche Teile) als auch des benötigten Materialbedarfs: dadurch dass komplexe Grundformen der Gesamtlage in Ihrer Lagenebene in einfache geometrische Grundformen zerlegt werden können, ist durch geschickte geometrische Anordnung der einzelnen Lagenteile ein Ausstanzen der einzelnen Lagenteile aus dem Rohblech dergestalt möglich, dass möglichst geringe Mengen an Stanzabfällen entstehen.

Eine erfindungsgemäße Dichtung kann wie in den nachfolgend beschriebenen Beispielen ausgestaltet sein oder verwendet werden.
In den dargestellten Beispielen werden für gleiche oder sich entsprechende Elemente der erfindungsgemäßen Dichtung identische Bezugszeichen verwendet.

1 zeigt eine Draufsicht auf eine einlagige metallische Zylinderkopfdichtung.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere einlagige Zylinderkopfdichtung.
3 zeigt einen Schnitt durch eine mehrlagige Zylinderkopfdichtung, welche zwei Lagen aufweist.

Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße einlagige metallische Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor eines Nutzfahrzeugs mit aufgeteilter Trägerlage. Die gezeigte geteilte Gesamtlage der einlagigen Zylinderkopfdichtung kann jedoch ebenso als aufgeteilte Trägerlage einer mehrlagigen metallischen Zylinderkopfdichtung eingesetzt werden. Die Dichtung weist insgesamt acht einzelne Lagenteile 1a bis 1h auf, welche zur Gesamtlage zusammengefügt wurden. Da die gezeigte Dichtung nur eine Lage aufweist, werden im Folgenden die Lagenteile auch als Dichtungsteile bezeichnet. Die Gesamtlage wird entsprechend als Gesamtdichtung bezeichnet. Das Lagenteil 1a bildet hierbei eine Kettenkastenabdichtung. Die Dichtungsteile 1b bis 1g sind jeweils mit einer Zylinderdurchgangsöffnung 7 versehen. Die Dichtungsteile 1a bis 1g sind im Wesentlichen in einer Richtung (Längsrichtung) benachbart aneinander und hintereinander angeordnet (in der Zeichnungsebene die Vertikalrichtung). Die korrekte formschlüssige Anordnung und relative Positionierung sowie das Einknöpfen jeweils benachbarter Teile zueinander bzw. ineinander geschieht jeweils über umfangsseitig an den einem benachbarten Dichtungsteil zugewandten Ränderabschnitten eines Dichtungsteils angeordnete Verbindungsanordnungen 2.
Eine solche Verbindungsanordnung 2 besteht aus einer schwalbenschwanzförmigen oder puzzleteilverbindungsförmigen Auswölbung (d. h. einer Auswölbung, welche an ihrem dem Zentrum bzw. dem Schwerpunkt des zugehörigen Dichtungsteils zugewandten Abschnitt eine Taillierung bzw. Einschnürung 2c und welche an ihrem diesem Zentrum bzw. Schwerpunkt abgewandten Abschnitt des zugehörigen Dichtungsteils eine Verbreiterung 2d aufweist) die in der einzigen Lagenebene außenumfangsseitig an einem ersten Dichtungsteil in der Lagenebene angeordnet ist. Ein benachbart zum ersten Dichtungsteil und angrenzend an dieses anzuordnendes zweites Dichtungsteil weist in der Lagenebene eine entsprechende Einbuchtung bzw. Negativform 2b auf, welche ein Eingreifen der schwalbenschwanzförmigen Auswölbung 2a des ersten Dichtungsteils erlaubt. Durch mehrere (mindestens zwei) solcher Verbindungsanordnungen 2 ist eine passgenaue und korrekte relative Positionierung zweier benachbarter Dichtungsteile 1 zueinander möglich. Die Dichtungsteile 1a bis 1h werden jeweils samt der an ihnen angeordneten Auswölbungen 2a und/oder Einbuchtungen 2b einstückig aus einem Stanzblech ausgestanzt. Nach der Positionierung können benachbarte Teile dann verschweißt werden.
Wie in der Figur zu erkennen ist, weist das Dichtungsteil 1b an seiner Oberkante insgesamt vier viertelkreisförmige bzw. halbkreisförmige Ausbuchtungen 3 auf. Diese Ausbuchtungen 3 dienen zur Vereinfachung der korrekten Positionierung bzw. angrenzenden Anordnung des Dichtungsteils 1a an dem ihm benachbarten Dichtungsteil 1b.
Bei den Dichtungsteilen 1b bis 1g, welche jeweils eine Zylinderdurchgangsöffnung 7 aufweisen, ist diese jeweils mit Hilfe eines Brennraumrings 4 realisiert. Der Brennraumring 4 weist an seinem Außenumfang hierzu jeweils vier schwalbenschwanzförmige Auswölbungen 2a auf. Das Dichtungsteil 1 weist eine Öffnung auf, welche an ihrem Rand 4 entsprechende Einbuchtungen (Schwalbenschwanz-Negativform) aufweist, so dass diese Öffnung ein formschlüssiges Einsetzen des Brennraumrings samt seiner vier Auswölbungen 2a erlaubt. Der Brennraumring 4 kann dann an dem ihn umgebenden Dichtungsteil 1 festgeschweißt werden (ebenso wie zwei benachbarte Dichtungsteile nach der Positionierung verschweißt werden können).
Die Figur zeigt darüberhinaus auch weitere Durchgangsöffnungen (beispielsweise für Kühlmittel oder Schmiermittel), welche mit Hilfe von Inserts 5 realisiert sind. Die entsprechenden Dichtungsteile 1c bzw. 1g weisen hierzu Ausstanzöffnungen auf. Die Ränder der Ausstanzöffnungen sind mit vier schwalbenschwanzförmigen Einbuchtungen 2b versehen. Die metallischen Inserts 5a und 5b, im wesentlichen Ringe, weisen an ihrem Außenumfang in Lagenebene angeordnete schwalbenschwanzförmige Auswölbungen 2a auf, welche formschlüssig in die Einbuchtungen 2b der Stanzöffnung eingreifen können. Die Verbindungsanordnungen 2 ermöglichen so, wie bei den einzelnen Dichtungsteiler, beschrieben, ein formschlüssiges Eingreifen und ein exaktes Positionieren der Inserts 5 in den entsprechenden Stanzöffnungen der Dichtungsteile 1. Das Insert 5b zeigt eine Variante, bei dem der entsprechende Insertring innenumfangsseitig (d. h. der Durchgangsöffnung 8 zugewandt) mit einem Dichtungselement in Form einer angespritzten Gummidichtung 6a versehen ist (Hinterlandabdichtung).
Wie bei dem Dichtungsteil 1a (Kettenkastenabdichtung) gezeigt, und bei dem benachbarten Dichtungsteil 1b angedeutet, können auch die einzelnen Dichtungsteile außenumfangsseitig an denjenigen Außenkantenabschnitten, welche nicht an benachbarte Dichtungsteile angrenzend anzuordnen sind, mit einer angespritzten Gummidichtung 6b versehen sein.
Wie an dem Beispiel klar zu erkennen ist, bietet die Aufteilung der Gesamtlage in die einzelnen Dichtungsteile 1a bis 1h den Vorteil, dass eine komplexe geometrische Grundform auf einfache geometrische Grundformen reduziert werden kann: Bereits durch Auftrennung der Gesamtlage in die Dichtungsteile 1a (Kettenkastenabdichtung), die Untereinheit 1b bis 1g und das Dichtungsteil 1h ist die Komplexe Grundform auf drei vergleichsweise einfache Grundformen reduziert: Die im wesentlichen quaderförmige Grundform 1a, die im wesentlichen quaderförmige Grundform der Einheit 1b bis 1g sowie die im Wesentlichen kreisförmige Grundform 1h. Durch Optimierung der Anordnung dieser Grundformen im für die Trägerlage vorgesehenen Rohblech, kann beim Ausstanzen der einzelnen Grundformen aus dem Rohblech der Stanzabfall minimiert werden. Das Dichtungsteil 1 h dient der Abdichtung eines konstruktlonsbedingt auskragenden Durchtritts für Wasser oder Öl im Hinterland.
Im Gegensatz zu 1, welche eine formschlüssige Verbindung über Schwalbenschwanzkontakte zeigt (mit deren Hilfe die einzelnen Dichtungsteile korrekt positioniert werden und anschließend verschweißt werden) zeigt 2, welche ebenfalls eine Einlagen-Zylinderkopfdichtung zeigt, eine rein kraftschlüssige Verbindung. Die beiden Dichtungsteile bzw. Dichtungsteile 1a und 1b (Dichtungsteil bzw. Dichtungsplatte 1b weist zwei Zylinderdurchgangsöffnungen 7 auf, Dichtungsteil 1a ist eine Räderkasten-Abdichtung) sind über zwei Kontaktflächen 9a und 9b zwischen den beiden Dichtungsteilen 1a und 1b durch Verschweißen bzw. Schweißnähte miteinander fest verbunden. Die Verbindung an den Kontaktstellen 9a und 9b kann alternativ hierzu auch durch Löten erfolgen.
3 zeigt nun eine mehrlagige Zylinderkopfdichtung in Form einer zweilagigen Zylinderkopfdichtung. Die gezeigte Zylinderkopfdichtung weist eine geteilte Trägerlage 1 (Lagenteile 1a, 1b und 1c) sowie eine nicht geteilte, durchgehende zweite metallische Lage 10 auf. Die beiden metallischen Lagen 1 und 10 sind unmittelbar angrenzend aneinander und übereinander angeordnet. Zu erkennen sind ebenfalls die mit T bezeichneten Verbindungsstellen, an denen die einzelnen Lagenteile 1a, 1b und 1c zur Trägerlage 1 verbunden sind.

Claims

Metallische Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor umfassend genau eine metallische Lage, wobei die Zylinderkopfdichtung mit mehreren Zylinderdurchgangsöffnungen (7) versehen ist, und die genau eine metallische Lage in ihrer Lagenebene mindestens zwei metallische Lagenteile (1b, 1c) (erstes und zweites Lagenteil) aufweist, die jeweils mit mindestens einer Zylinderdurchgangsöffnung versehen und miteinander formschlüssig verbunden sind, wobei die Dicke der die mindestens zwei Lagenteile (1b, 1c) aufweisenden-Gesamtlage (1) senkrecht zu ihrer Lagenebene mindestens 0,3 mm beträgt.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Dicke der die mindestens zwei Lagenteile (1b, 1c) aufweisenden Gesamtlage (1) senkrecht zu ihrer Lagenebene unter 5 mm beträgt.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die räumliche Ausdehnung der die mindestens zwei Lagenteile (1b, 1c) aufweisenden Gesamtlage (1) bzw. der Zylinderkopfdichtung in einer Dimension in ihrer Lagenebene bzw. in den Lagenebenen über 200 mm beträgt.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die räumliche Ausdehnung der die mindestens zwei Lagenteile (1b, 1c) aufweisenden Gesamtlage (1) bzw. der Zylinderkopfdichtung in einer Dimension in ihrer Lagenebene bzw. in den Lagenebenen unter 2000 mm beträgt.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zylinderkopfdichtung eine Nutzfahrzeugverbrennungsmotorzylinderkopfdichtung ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Lagenteile (1b, 1c) separat herstellbar und anschließend konstruktiv zu der Gesamtlage (1) zusammensetzbar sind.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mindestens zwei Lagenteile (1b, 1c) separat aus einem Rohblech ausstanzbar sind.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mindestens eine formschlüssige Verbindungsanordnung (2) ein an dem ersten Lagenteil angeordnetes erstes Mittel (2a) und ein an dem zweiten Lagenteil angeordnetes, zur Verbindung mit dem ersten Mittel ausgestaltetes zweites Mittel (2b) aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Verbindungsanordnung eine an dem ersten Lagenteil angeordnete Auswölbung (2a) und eine an einem mit dem ersten Lagenteil verbindbaren und/oder verbundenen Abschnitt des zweiten Lagenteils angeordnete, für das formschlüssige und/oder kraftschlüssige Eingreifen der Auswölbung des ersten Lagenteils ausgestaltete Einbuchtung (2b) aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswölbung eine schwalbenschwanzförmige oder eine an ihrem vom Zentrum des ersten Lagenteils entfernt angeordneten Ende verbreiterte Auswölbung ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei mindestens eine der Verbindungsanordnungen zumindest teilweise an einer Ausbuchtung des ersten Lagenteils angeordnet ist, welche zur daran angrenzenden Anordnung des zweiten Lagenteils bzw. eines Abschnitts desselben dient.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der Lagenteile zumindest teilweise als Anbauteil ausgeführt ist.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens eines der Lagenteile zumindest teilweise als Räderkasten- und/oder Kettenkasten-Abdichtungsteil (1a) ausgeführt ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in mindestens eine der Zylinderdurchgangsöffnungen in den Lagenteilen ein zumindest einlagiger Brennraumring (4), insbesondere ein Brennraumring mit im Bereich seines Außenumfangs gegenüber der Dicke, d.h. der Ausdehnung im Wesentlichen senkrecht zur Lagenebene bzw. zu den Lagenebenen, der die mindestens zwei Lagenteile (1b, 1c) aufweisenden Gesamtlage (1) und/oder der Zylinderkopfdichtung erhöhter Dikke, formschlüssig und/oder kraftschlüssig einsetzbar und/oder eingesetzt ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14, wobei der Brennraumring zumindest teilweise aus einem anderen Material besteht als das den Brennraumring umgebende Lagenteil.
Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 15, wobei der Brennraumring auf mindestens einer oberen und/oder unteren Oberfläche und/oder umfangsseitig zumindest partiell mit einer Beschichtung versehen ist.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Beschichtung eine Korrosionsschutzschicht und/oder eine Gleitbeschichtung ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der Lagenteile auf mindestens einer oberen und/oder unteren Oberfläche und/oder umfangsseitig zumindest partiell mit einer Beschichtung versehen ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Beschichtung einen Elastomer-Beschichtungsfilm und/oder einen Gleitschichtfilm und/oder einen Korrosionsschutzfilm aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Beschichtung eine Dicke über 1 µm aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Beschichtung eine Dicke über 5 µm aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei die Beschichtung eine Dicke unter 100 µm aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden An-spruch, wobei die Beschichtung eine Dicke unter 25 µm aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der Lagenteile bzw. die Zylinderkopfdichtung mindestens eine weitere Durchgangsöffnung aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die weitere Durchgangsöffnung eine Kühl- oder Schmiermitteldurchgangsöffnung, Schraubendurchgangsöffnung oder eine Ventilsteuerteildurchgangsöffnung ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der Lagenteile und/oder die Zylinderkopfdichtung mindestens eine Öffnung aufweist, wobei in mindestens eine dieser Öffnungen ein Insert (5) eingesetzt ist.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Öffnung eine Ausstanzung ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 26 und 27, wobei der Außenumfangsbereich des Inserts (5) mit dem Randbereich der Öffnung des ihn umgebenden Lagenteils über eine Verbindungsanordnung entsprechend einem der Ansprüche 10 bis 13 verbindbar und/oder verbunden ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei das Insert (5) mindestens eine weitere Durchgangsöffnung (8) aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mindestens eine weitere Durchgangsöffnung eine Kühl- oder Schmiermitteldurchgangsöffnung, Schraubendurchgangsöffnung oder eine Ventilsteuerteildurchgangsöffnung ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 25 und 29 bis 30, wobei mindestens eine der weiteren Durchgangsöffnungen (8) ein Dichtungselement (6a) aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens eine der weiteren Durchgangsöffnungen (8) ein an ihrem Rand umlaufend angeordnetes Dichtungselement aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 31 oder 32, wobei mindestens eine der weiteren Durchgangsöffnungen (8) ein angespritztes Dichtungselement aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 33, wobei das Insert (5) im Wesentlichen ringförmig ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 34, wobei das Insert (5) im Wesentlichen aus Metall ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehen-den Ansprüche, wobei mindestens ein Insert und/oder eines der Lagenteile und/oder die Zylinderkopfdichtung ein Dichtungselement aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens ein Insert und/oder eines der Lagenteile und/oder die Zylinderkopfdichtung ein umfangsseitig an seinem bzw. ihrem Rand zumindest teilweise umlaufend angeordnetes Dichtungselement aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Insert und/oder eines der Lagenteile und/oder die Zylinderkopfdichtung ein angespritztes Dichtungselement (6b) aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 33 und 36 bis 38, wobei das Dichtungselement einen elastomeren Werkstoff aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Dichtungselement Silikon aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei Lagenteile (1b, 1c) in ihrer Lagenebene jeweils eine dergestaltige Grundform aufweisen, dass bei geeigneter und diesen Grundformen entsprechender Unterteilung eines Rohblechs oder eines Teils davon bei der Gewinnung der Lagenteile (1b, 1c) aus diesem Rohblech minimaler Rohblechausschuss entsteht.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die die mindestens zwei Lagenteile (1b, 1c) aufweisende Gesamtlage (1) eine Edelstahl- oder Kohlenstoffstahllage ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der metallischen Lagen eine Federstahllage ist.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mindestens eine der metallischen Lagen eine Federstahllage auf V2A-Basis ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die räumliche Ausdehnung der die mindestens zwei Lagenteile (1b, 1c) aufweisenden Gesamtlage (1) bzw. der Zylinderkopfdichtung in einer Dimension in ihrer Lagenebene bzw. in den Lagenebenen über 500 mm beträgt.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die räumliche Ausdehnung der die mindestens zwei Lagenteile (1b, 1c) aufweisenden Gesamtlage (1) bzw. der Zylinderkopfdichtung in einer Dimension in ihrer Lagenebene bzw. in den Lagenebenen unter 1500 mm beträgt.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die räumliche Ausdehnung eines Lagenteils in einer Dimension in der Gesamtlagenebene (1) über 350 mm beträgt.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die räumliche Ausdehnung eines Lagenteils in einer Dimension in der Gesamtlagenebene (1) unter 500 mm beträgt.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der die mindestens zwei Lagenteile (1b, 1c) aufweisenden Gesamtlage (1) senkrecht zu ihrer Lagenebene über 0,4 mm beträgt.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der die mindestens zwei Lagenteile (1b, 1c) aufweisenden Gesamtlage (1) senkrecht zu ihrer Lagenebene unter 2 mm beträgt.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei der Lagenteile und/oder einer der Brennraumringe und/oder eines der Inserts und das ihn bzw. es umgebende Lagenteil durch Verschweißen oder Löten oder Clipsen und/oder durch Verstemmen miteinander verbunden sind.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens zwei der Lagenteile und/oder einer der Brennraumringe und/oder eines der Inserts und das ihn bzw. es umgebende Lagenteil durch Laserschweißen miteinander verbunden sind.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fuge bzw. der Spalt zwischen den zwei Lagenteilen und/oder dem Brennraumring und/oder dem Insert und dem ihn bzw. es umgebenden Lagenteil zumindest teilweise geometrisch so ausgestaltet ist, dass beim Verschweißen ein Materialauftrag vermeidbar ist bzw. kein Materialauftrag erfolgt ist.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Fuge bzw. der Spalt zumindest teilweise eine Breite über 0,05 mm aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fuge bzw. der Spalt zumindest teilweise eine Breite unter 0,5 mm aufweist.
Zylinderkopfdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Fuge bzw. der Spalt zumindest teilweise eine Breite von 0,1 mm aufweist.