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Die Erfindung betrifft die Abdichtung des Dichtspalts zwischen dem Motorblock
und einem Buchsenbund einer Zylinderlaufbuchse eines Verbrennungsmotors
mittels eines Buchsenabdichtrings, d. h. Gegenstand der Erfindung ist ein
metallischer Buchsenabdichtring für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor mit
einem Motorblock, mindestens einem Zylinderkopf, mindestens einer
Zylinderkopfdichtung sowie mindestens einer Zylinderlaufbuchse, welche mit einem
zylinderkopfseitigen oberen Buchsenbund, der einen im wesentlichen
kreiszylindrischen Buchsenzylinder radial nach außen überragt, eine die Laufbuchse
umschließende Innenschulter des Motorblocks übergreift, wobei der
Abdichtring mittels den Zylinderkopf gegen den Motorblock anziehender
Zylinderkopfschrauben zwischen einander zugekehrten ringförmigen Dichtflächen der
Motorblock-Innenschulter und des Buchsenbunds eingespannt werden kann. In
diesem Zusammenhang sei der Vollständigkeit halber erwähnt, daß bei einem
Mehrzylindermotor für jeden Brennraum ein gesonderter Zylinderkopf und eine
gesonderte Zylinderkopfdichtung vorgesehen sein können, wie dies
beispielsweise bei manchen Nutzfahrzeugmotoren der Fall ist.
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Motorbauteile, wie ein Motorblock und ein Zylinderkopf, können nicht als
absolut starre Bauteile betrachtet werden; die von den Zylinderkopfschrauben
erzeugten Kräfte, mit denen die Zylinderkopfdichtung zwischen den
Dichtflächen von Zylinderkopf und Motorblock sowie Zylinderlaufbuchse und ein
Buchsenabdichtring zwischen den Dichtflächen von Zylinderlaufbuchse und
Motorblock eingespannt werden, sind bereichsweise unterschiedlich groß, und
infolgedessen gilt gleiches für die spezifische (d. h. auf die Flächeneinheit
bezogene) Flächenpressung zwischen einer solchen Dichtung und den gegen
diese angepreßten Dichtflächen. Da die Motorbauteile nicht absolut steif bzw.
starr sind, können ihre einen Dichtspalt, der durch die betreffende Dichtung
abgedichtet werden soll, begrenzenden Dichtflächen mit zunehmendem
Querabstand von den Zylinderkopfschrauben immer mehr in Richtung senkrecht zur
Dichtspaltebene ausweichen, wodurch die auf die Dichtung einwirkenden
spezifischen Flächenpressungen entsprechend abnehmen. Zu bereichsweise
unterschiedlichen spezifischen Flächenpressungen führen aber auch
Ausnehmungen in den Motorbauteilen, so z. B. im Motorblock und im Zylinderkopf
vorgesehene Hohlräume für den Durchtritt von Kühlmittel, Motoröl und
Ventilsteuerungsteilen, da durch solche Hohlräume die Bauteilsteifigkeit
bereichsweise vermindert wird, und in diesem Zusammenhang muß man sich vor
Augen halten, daß derartige Hohlräume auch in unmittelbarer Nachbarschaft
der Brennräume von Hubkolben-Verbrennungsmotoren angeordnet sind.
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Beim Buchsenabdichtring bekannter Motoren handelt es sich um einen
metallischen Dichtring mit zwei ebenen und zueinander parallelen Dichtflächen bzw.
Hauptoberflächen, welcher aus Tombak besteht, d. h. aus einer zu den
Messingen gehörenden korrosionsbeständigen Kupfer-Zink-Legierung mit
einem überwiegenden Kupferanteil. Wie sich aus den vorstehenden
Betrachtungen der Steifigkeit der Motorbauteile ergibt, führt ein solcher
Buchsenabdichtring dazu, daß die spezifische Flächenpressung zwischen Dichtring und
den gegen ihn anliegenden Dichtflächen von Zylinderlaufbuchse und
Motorblock - in Längsrichtung der Zylinderkopfschrauben gesehen - mit
zunehmendem Abstand von den Zylinderkopfschrauben abnimmt; ebenso nimmt die
spezifische Flächenpressung dort ab, wo die Steifigkeit der Motorbauteile durch
Hohlräume vermindert ist.
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Im Motorbetrieb kann der in einem Brennraum herrschende, zyklisch stark
variierende Gasdruck bezüglich der Brennraumachse radial verlaufende
Relativbewegungen (Querbewegungen) der Dichtflächen zur Folge haben, wenn die
vom Gasdruck erzeugten, bezüglich der Brennraumachse radial orientierten
Querkräfte, bezogen auf die von den Zylinderkopfschrauben hervorgerufenen
Einspannkräfte (Normalkräfte), ein kritisches Maß überschreiten, welches vom
Haftreibungskoeffizienten zwischen dem Buchsenabdichtring und der
Dichtfläche von Motorblock bzw. Zylinderlaufbuchse abhängt.
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Die Folgen der vorstehend beschriebenen bereichsweise unterschiedlichen
Dichtflächenpressung zwischen Buchsenabdichtring und den Motorbauteil-
Dichtflächen, zwischen denen der Abdichtring eingespannt ist, sind
infolgedessen einerseits das Risiko einer Undichtigkeit der Abdichtung zwischen
Motorblock und Zylinderlaufbuchse und andererseits das Risiko eines
Reibverschleißes an den Dichtflächen von Motorblock und Zylinderlaufbuchse und/oder
am Abdichtring.
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Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es nun, diese Risiken zu
verringern, und zwar durch eine die Konstruktion des betreffenden Motors
berücksichtigende besondere Gestaltung des Buchsenabdichtrings derart, daß
längs des gesamten Umfangs des Abdichtrings um die Laufbuchse herum die
Pressungsverteilung und damit die spezifische Dichtflächenpressung
vergleichmäßigt wird.
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Zur Berücksichtigung des Umstands, daß die spezifische Dichtflächenpressung
mit größer werdendem Abstand von den Zylinderkopfschrauben abnimmt, wird
erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Buchsenabdichtring so zu gestalten, daß
sich längs des Umfangs des Abdichtrings um die Laufbuchse herum
mindestens eine der Eigenschaften Höhe und Härte des Abdichtrings derart ändert,
daß diese Eigenschaft in den - vom Zentrum der Öffnung des Abdichtrings aus
gesehen - zwischen den Zylinderkopfschrauben liegenden
Abdichtringbereichen (Zwischenbereichen) wenigstens über einen Teil des betreffenden
Abdichtringbereichs größer ist als in den den Zylinderkopfschrauben
benachbarten Abdichtringbereichen.
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Soll die durch Hohlräume in den Motorbauteilen hervorgerufene bereichsweise
unterschiedliche Bauteilsteifigkeit berücksichtigt werden, sieht die Erfindung
eine solche Gestaltung des Buchsenabdichtrings vor, daß sich längs des
Umfangs des Abdichtrings um die Laufbuchse herum mindestens eine der
Eigenschaften Höhe und Härte des Abdichtrings entsprechend der bereichsweise
unterschiedlichen Nachgiebigkeit der ringförmigen Dichtflächen von
Buchsenbund und Motorblock-Innenschulter ändert - an Stellen größerer
Nachgiebigkeit soll also die in Rede stehende Eigenschaft des Abdichtrings gleichfalls
größer sein als an Stellen geringerer Nachgiebigkeit. Betrachtet man also
einen Abschnitt des Abdichtrings, welcher - vom Zentrum seiner Öffnung aus
gesehen - zwischen zwei Zylinderkopfschrauben liegt, so ist in diesem
Ringabschnitt insbesondere die Höhe (Dicke) des Abdichtrings dort am größten, wo
die Summe aus der Nachgiebigkeit der Dichtfläche des Buchsenbunds und der
Nachgiebigkeit der Dichtfläche der Motorblock-Innenschulter am größten bzw.
die Summe aus der Steifigkeit der Dichtfläche des Buchsenbunds und der
Steifigkeit der Dichtfläche der Motorblock-Innenschulter am kleinsten ist. Gleiches
läßt sich mit einer größeren Härte des Abdichtrings an einer solchen Stelle
erreichen, und es versteht sich von selbst, daß man auch mit einer Kombination
dieser Eigenschaften zu dem gewünschten Ziel kommen kann.
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Bei der Beurteilung der vorliegenden Erfindung ist zu beachten, daß jeder
Buchsenabdichtring (ebenso wie jede Zylinderkopfdichtung) für einen ganz
bestimmten, vorgegebenen Motor konstruiert wird, für den sich mit einem
sogenannten Finite-Elemente-Modell (FEM) die örtliche Bauteilsteifigkeit ebenso
berechnen läßt wie die örtlich auftretenden, von den Zylinderkopfschrauben
erzeugten Einspannkräfte - die Anzugsdrehmomente der
Zylinderkopfschrauben werden vom Motorenhersteller vorgegeben. Deshalb ist es ohne weiteres
möglich, mit einem FEM die Höhenprofilierung eines erfindungsgemäßen
Buchsenabdichtrings zu berechnen, ebenso aber den gewünschten Verlauf der
Härte (Härtenprofil) längs des Umfangs eines erfindungsgemäßen
Buchsenabdichtrings, um die gewünschte Vergleichmäßigung der spezifischen
Flächenpressung an den Dichtflächen herbeizuführen.
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Aus der DE 41 42 600 C2 der Firma ElringKlinger AG ist es schon bekannt, ein
in eine Zylinderkopfdichtung integriertes, um einen Brennraum
herumlaufendes kreisringförmiges metallisches Brennraum-Dichtelement so zu gestalten,
daß längs des Brennraum-Dichtelements eine vergleichmäßigte
Dichtflächenpressung erzielt wird, und zwar dadurch, daß sich längs des Umfangs des
Dichtelements dessen Höhe und/oder Härte umgekehrt ändert wie die
Steifigkeit der Motorbauteile Zylinderkopf und Motorblock. Diese schon seit mehr als
acht Jahren bekannte Maßnahme hat jedoch bislang der Fachwelt keine
Veranlassung gegeben, von den bekannten Buchsenabdichtringen mit
planparallelen Dichtflächen bzw. Hauptoberflächen abzugehen und zur
Vergleichmäßigung der Dichtflächenpressung zwischen Buchsenabdichtring und
Laufbuchse bzw. Motorblock einen Buchsenabdichtring so zu gestalten, wie es
die vorliegende Erfindung vorschlägt.
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Ergänzend sei noch bemerkt, daß sich ein erfindungsgemäßer
Buchsenabdichtring, ausgehend von einem Abdichtring mit planparallelen Dichtflächen,
aufgrund der Rotationssymmetrie des Rohteils verhältnismäßig kostengünstig
herstellen läßt, z. B. eine Höhenprofilierung des Abdichtrings durch
sogenanntes Rollieren. Bezüglich anderer Herstellungsverfahren wird auf die in der
DE 41 42 600 C2 beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Brennraum-
Dichtelements einer Zylinderkopfdichtung verwiesen.
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Als Werkstoffe für einen erfindungsgemäßen Buchsenabdichtring empfehlen
sich Messinglegierungen, insbesondere Tombak, aber auch Stahl 1.4301 (nach
DIN-Norm). Andere Werkstoffe sind gleichfalls möglich, soweit sie hinreichend
korrosionsbeständig und gegebenenfalls anpassungsfähig sind, d. h. sich beim
Anziehen der Zylinderkopfschrauben und/oder im Motorbetrieb an die
benachbarten Dichtflächen anpassen können, so wie dies bei bevorzugten
Ausführungsformen der Fall ist, welche sich dadurch auszeichnen, daß der Ring durch
eine entsprechende Abstimmung seiner Dimensionierung und/oder seines
Werkstoffs auf die durch die Zylinderkopfschrauben aufgebrachten
Einspannkräfte im eingebauten Zustand durch diese Einspannkräfte zumindest
bereichsweise plastisch deformierbar ist.
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Natürlich muß durch geeignete Maßnahmen sichergestellt werden, daß der
Buchsenabdichtring mit richtiger Positionierung eingebaut wird und sich
gegebenenfalls im Motorbetrieb auch nicht drehen kann; eine solche Maßnahme ist
z. B. eine Markierung am Abdichtring oder ineinandergreifende Konturen am
Abdichtringumfang und an der Laufbuchse.
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Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt, ist es empfehlenswert,
zur Vermeidung eines Reibverschleißes Querbewegungen der gegen den
Buchsenabdichtring angepreßten Dichtflächen relativ zueinander und relativ
zum Abdichtring zu verhindern, weshalb vorgeschlagen wird, den Ring an
mindestens einer seiner beiden voneinander abgewandten Hauptoberflächen
(Dichtflächen) und vorzugsweise an beiden Hauptoberflächen mit die
Haftreibung zwischen dem Ring und der Laufbuchsen-Dichtfläche und/oder der
Motorblock-Innenschulterdichtfläche erhöhenden Mitteln zu versehen. Deshalb
ist bei bevorzugten Ausführungsformen der Ring an mindestens einer seiner
Hauptoberflächen mit einer die Haftreibung erhöhenden Beschichtung
und/oder Oberflächenprofilierung versehen - eine solche
Oberflächenprofilierung kann insbesondere die Form einer aufgerauhten oder mit Rillen, einer
Rändelung oder Nuten versehenen Oberfläche haben.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung sowie der beigefügten zeichnerischen
Darstellung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung; in der Zeichnung
zeigen:
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Fig. 1 einen Schnitt durch Teile eines
Hubkolben-Verbrennungsmotors, nämlich durch Teile einer Zylinderlaufbuchse, eines
Motorblocks, eines Buchsenabdichtrings, einer
Zylinderkopfdichtung und eines Zylinderkopfs, wobei die Schnittebene die
Brennraumachse eines Brennraums des Motors enthält und der
Zylinderkopf im abgehobenen, noch nicht verspannten Zustand
dargestellt wurde;
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Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Zylinderlaufbuchse und einen diese
aufnehmenden Teil des Motorblocks;
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Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Abdichtringes;
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Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf einen Buchsenabdichtring zur
Darstellung der in Fig. 5 verwendeten Winkelkoordinate, und
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Fig. 5 ein Diagramm, in dem für einen bevorzugten
Buchsenabdichtring ein erfindungsgemäßes Höhenprofil sowie die
Bauteilsteifigkeit (in Richtung senkrecht zu den Dichtflächen
von Motorblock und Zylinderlaufbuchse) des zugehörigen
Motors im Bereich dieses Buchsenabdichtrings schematisch
dargestellt sind (für einen hinsichtlich seiner Härte erfindungsgemäß
gestalteten Abdichtring würde ein entsprechendes Diagramm
gelten).
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Die Fig. 1 zeigt Teile eines Motorblocks 10 sowie einer in diesen eingesetzten
Zylinderlaufbuchse 12 und einer Zylinderkopfdichtung 14; ferner läßt die Fig. 1
einen Teil eines Brennraums 16 erkennen, wobei die Brennraumachse mit 16a
bezeichnet wurde. Der oberhalb der Zylinderkopfdichtung 14 liegende
Zylinderkopf wurde mit 15 bezeichnet; dieser Zylinderkopf bildet zusammen mit
dem Motorblock 10 und den Laufbuchsen 12 des Motors einen Dichtspalt, der
durch die Zylinderkopfdichtung 14 abgedichtet wird. Diesen Dichtspalt nach
unten begrenzende Dichtflächen des Motorblocks 10 und der
Zylinderlaufbuchse 12 wurden mit 10a bzw. 12a bezeichnet.
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Für die Aufnahme der Zylinderlaufbuchse 12 ist der Motorblock 10 mit einer
insgesamt mit 20 bezeichneten Ausdrehung versehen; diese ist so abgestuft,
daß sie eine Innenschulter 22 mit einer ringförmigen, idealerweise ebenen und
senkrecht zur Brennraumachse 16a verlaufenden Dichtfläche 24 bildet.
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Die Zylinderlaufbuchse 12 hat einen Buchsenzylinder 26 und einen mit diesem
einstückigen Buchsenbund 28, welcher den Buchsenzylinder bezüglich der
Brennraumachse 16a radial nach außen überragt und an seiner Unterseite eine
Dichtfläche 30 bildet, welche die Brennraumachse 16a ringförmig umgibt und
idealerweise eben ist sowie senkrecht zur Brennraumachse 16a verläuft. Der
von den Dichtflächen 24 und 30 gebildete Dichtspalt wird von einem
erfindungsgemäßen Buchsenabdichtring 32 abgedichtet.
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Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil des Motorblocks 10 bzw. seiner
Dichtfläche 10a und auf die Zylinderlaufbuchse 12, welche den Brennraum 16
umschließt. Der Motorblock 10 soll mehrere Brennräume und damit
Zylinderlaufbuchsen beinhalten, weshalb in Fig. 2 die Motorlängsmittelachse mit 40
bezeichnet wurde. Der in Fig. 2 dargestellte Teil des Motorblocks 10 enthält
vier als senkrecht zu seiner Dichtfläche 10a verlaufende Gewindebohrungen
gestaltete Schraubenbohrungen 42, 44, 46 und 48 für nicht dargestellte
Zylinderkopfschrauben, Kühlwasserdurchgänge 50, 52, 54 und 56, Öldurchgänge
58 und 60, Stößeldurchgänge 62 und 64 für Ventilsteuerungsstößel und
schließlich Bohrungen 66 und 68 für nicht dargestellte Positionierstifte.
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Obwohl die Fig. 2 den durch den Buchsenbund 28 verdeckten
Buchsenabdichtring 32 nicht erkennen läßt, gibt die Fig. 2 Veranlassung, darauf hinzuweisen,
daß die den Schraubenbohrungen 42, 44, 46 und 48 benachbarten Bereiche
des Buchsenabdichtrings 32 als Schraubenbereiche des Dichtrings bezeichnet
werden sollen, während die (vom Zentrum des Buchsenabdichtrings aus
gesehen) zwischen den Schraubenbohrungen liegenden Ringbereiche als
Zwischenschraubenbereiche bezeichnet werden.
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Ein Buchsenabdichtring hat typischerweise eine mittlere Höhe bzw. Dicke von
beispielsweise 0,15 mm, und bei einem höhenprofilierten erfindungsgemäßen
Buchsenabdichtring sind die Höhenunterschiede typischerweise um eine
Größenordnung kleiner als die mittlere Dicke des Abdichtrings; deshalb läßt
sich die Höhenprofilierung des erfindungsgemäßen Buchsenabdichtrings
zeichnerisch nicht darstellen.
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Für den in Fig. 3 dargestellten Buchsenabdichtring 32 wurde die
Motorlängsmittelachse 40 strichpunktiert angedeutet. Die vorstehend definierten
Schraubenbereiche wurden mit C, G, L und P bezeichnet; in diesen
Schraubenbereichen ist die Höhe bzw. Dicke des Buchsenabdichtrings 32 geringer als die
mittlere Höhe bzw. Dicke des Buchsenabdichtrings, und zwar soll die Dicke in
den Schraubenbereichen C, G und L 30 µm geringer sein als die mittlere
Ringdicke, während die Dicke im Schraubenbereich P 20 µm geringer sein soll als
die mittlere Ringdicke. In den Ringbereichen A, E, I und N soll die Ringdicke
hingegen 30 µm größer sein als die mittlere Ringdicke. In den schraffierten
Ringbereichen B, D, F, H, K, M, O und Q nimmt die Ringdicke in
Ringumfangsrichtung stetig ab bzw. zu, so daß sich ein stetiger Verlauf des Höhenprofils
des Buchsenabdichtrings ergibt.
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Die Fig. 5 gibt die Schwankungen der Steifigkeit der Motorbauteile und der
Höhe bzw. Härte des Buchsenabdichtrings unrealistisch hoch wieder. In die
Fig. 2 und 4 wurde der Winkel α eingezeichnet, den der von der
Brennraumachse 16a zu einer bestimmten Stelle des Buchsenabdichtrings 32
führende Radius mit der Motorlängsmittelachse 40 bildet. Dieser Winkel bildet die
Abszisse des in Fig. 5 wiedergegebenen Diagramms. Bei der in Fig. 2
dargestellten Ausführungsform liegen die Schraubenbohrungen 42, 44, 46 und 48also ungefähr bei α gleich 45°, 135°, 225° und 315°; dort besitzt ein
höhenprofilierter erfindungsgemäßer Buchsenabdichtring 32 seine geringste Höhe
bzw. Dicke, während bei einer Vernachlässigung der Verringerung der
Steifigkeit der Motorbauteile durch Brennraum-nahe Durchgänge, wie die
Stößeldurchgänge 62 und 64 sowie die Kühlwasserdurchgänge 54 und 56, diejenigen
Stellen, an denen ein höhenprofilierter erfindungsgemäßer Buchsenabdichtring
seine größte Höhe bzw. Dicke aufweist, bei ungefähr 0°, 90°, 180° und 270°
liegen. Bei bevorzugten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen
Buchsenabdichtrings ist jedoch dessen Höhe bzw. Dicke und/oder Härte eine
Funktion des Winkels α sowie der Nachgiebigkeit der Dichtflächen 24 und 30 in
Richtung der Brennraumachse 16a, so wie dies schematisch in Fig. 5
dargestellt wurde.
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Obwohl dies nicht gezeichnet wurde, besitzt der Abdichtring 32 eine
Markierung oder dergleichen, um sicherzustellen, daß er (drehwinkelmäßig) richtig
orientiert in den Motor eingebaut wird.