DE2041729B2 - Elastomere ventilschaft-dichtung fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elastomere Ventilschaft-Drchtung für Brennkraftmaschinen, mit einem ringförmigen Mantelteil und einem ar. einem axialen Ende des Mantelteil anschließenden, radial nach innen und axial weg vom Mantelteil kegelstumpfartig zulaufendem Kragenteil, das in einer zur Anlage an den Ventilschaft bestimmten, sich in Achsrichtung erstreckenden Dichtfläche endet, in deren axialem Bereich die in Ebenen senkrecht zur Dichtungsachse gemessene Wandstärke des Kragenteils in axialer Richtung weg vom Mantelteil abnimmt.

Eine solche Ventilschaft-Dichtung ist aus der US-PS 31 71 659 bekannt. Bei dieser bekannten Dichtung ist die Wandstärke des Kragenteils im Bereich der Dichtfläche zunächst konstant und nimmt in einem abgeschrägten Endstück des Kragenteils ab. Die Dichtfläche selbst verläuft auch bei ausgebauter Dichtung parallel zur Dichtungsachse, ist also zylindrisch ausgebildet.

Bei dieser bekannten Ven'.ilschaft-Dichtung tritt über dem abgeschrägten Endbereich eine Verminderung der Pressung des Preßsitzes der Dichtfläche am Ventilschaft auf. Über dem Abschnitt des Kragenteils im Bereich der Dichtfläche, der mit gleichbleibender Wandsiärke zylindrisch ausgebildet ist, ist die Pressung jedoch im wesentlicher konstant. In diesem Bereich tritt somit auch ein axial im wesentlichen gleichmäßiger Verschleiß an der Dichtfläche auf, so daß etwa das dem Mantelteil benachbarte Ende der Dichtfläche genauso schnell verschleißt wie der Mittelbereich der Dichtfläche.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elastomere Ventilschaft-Dichtung der eingangs bezeichneten Gattung derart auszubilden, daß ohne zusätzlichen Aufwand bei der Herstellung und dem Einbau ein gegenüber dem Verschleiß in beiden axialen Endbereichen erhöhter Verschleiß im axialen Mittelbereich der Dichtfläche auftritt, so daß die in erster Linie von der Dichtfähigkeit der axialen Endbereiche der Dichtfläche abhängige Standzeit der Dichtung erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dichtfläche bei ausgebauter Dichtung konisch zuläuft, wobei ihr Durchmesser von dem dem Mantelteil benachbarten Ende zu dem vom Mantelteil entfernt liegenden Ende fortschrei'end abnimmt, und daß die Abnahme der Wandstärke des Kragenteils kontinuierlich über die gesamte axiale Länge der Dichtfläche erfolgt.

Hierdurch wird eine Verschleißverteilung erreicht, bei der ein bevorzugter Versc'nieiiJ im axialen Mittelteil

der Dichtfläche erfolgt, während die axialen Endbereiche der Dichtfläche entsprechend langsamer verschleißen, so daß im Ergebnis die Standzeit der Dichtung erhöht wird. Dies ist im modernen Motorenbau für Kraftfahrzeuge von besonderer Bedeutung, da im Hinblick auf die trotz der Leistungssteigerungen gewährten längeren Garantiezeiten eine Betriebslebensdauer von 80 000 km unter schwierigen Betriebsbedingungen vom Kaltstart bis zum Dauerbetrieb bei hohen Temperaturen gewährleistet werden muß. ic

Aus dem DT-Gbm 18 79 271 ist es zwar bekannt, bei einer Ventilschaft-Dichtung eine Abnahme der Wandstärke des Kragenteils kontinuierlich über die gesamte Länge der Dichtfläche vorzusehen; dies führt jedoch zu keinerlei Beeinflussung des Verschleißverhaltens, da das Kragenteil dieser bekannten Dichtung ein metallener Regulierring ist, der den Ventilschaft zwar eng umschließt, jedoch nicht an diesen angepreßt ist.

Die Ansprüche 2 bis 13 geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Im folgenden sind zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 teilweise im Schnitt eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Ventilschaft-Dichtung im ausgebauten Zustand,

F i g. 2 einen Schnitt durch die Ventilschaft-Dichtung gemäß F i g. 1 nach ihrem Einbau,

F i g. 3 in vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch den Dichtfliichenbereich der Ventilschaft-Dichtung gemäß F i g. 1,

Fig.4 eine graphische Darstellung einer Flächendruckverteilung und damit Verschleißverteilung an der Dichtfläche einer erfindungsgemäßen Ventiischaft-Dichtung und

F i g. 5 eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.

Bei beiden Ausführungsformen der Erfindung ist die erfindungsgemäße Ventilschaft-Dichiung eine einstükkige Konstruktion aus einer clastomeren, d. h. synthetischen Gummi-Verbindung, wie Buna-N oder einem Polyacryl-Gummi. Die an diese elastomere Verbindung zu stellenden Bedingungen sind hohe ölbeständigkeit, hohe Abriebfestigkeit und hohe Wärmebeständigkeit.

Die in F i g. 1 dargestellte Ventilschaft-Dichtung 10 weist eine ringförmige Wand 12 auf, an deren Innenumfang eine Reihe von ringförmigen Rippen bzw. Lippen 14 ausgebildet ist, die radial einwärts abstehen und zur Befestigung der Dichtung an einer Ventilführung auf noch näher 7.11 beschreibende Weise dienen. An dem in Axialrichtung oberen Ende der Ring-Wand 12 ist ein einstückig mit ihr ausgebildeter konischer Wandabschnitt 16 vorgesehen, der von der Wand 12 radial einwärts und axial auswärts geneigt ist und in einer Dichtlippe 18 ausläuft, welche sich über die Breite des Endes des konischen Wandabschnitts 16 erstreckt und unter einem Winkel zu diesem ausgebildet ist, so daß sie ebenfalls eine kegelstumpfförmige Fläche festlegt.

Der konische Wandabschnitt 16 besitzt im wesentlichen gleichbleibende Dicke und legt bei der dargestellten Ausführungsform einen sich je nach Dichtungsgröße geringfügig ändernden Einschlußwinkel von 60 ± 2° mit der Achse der Ventilschaft-Dichtung 10 fest. Bei der dargestellten Ausführungsform bildet die Dichtlippe 18 einen sich mit der Dichtungsgröße be- ft? trächtlich ändernden Einschlußwinkel von 20 ± 2° mit der Achse der Dichtung 10. Wie noch näher beschrieben werden wird, liegt praktisch die gesamte Dichtlippe 18 am Schaft eines Tellerventils an.

F i g. 2 zeigt im Querschnitt eine Ventilführung 30 einer nicht dargestellten hängende bzw. obengesteuerte Ventile aufweisenden Brennkraftmaschine; in dieser Ventilführung ist ein Schaft 32 eines Tellerventils der Brennkraftmaschine axial hin- und herbewegbar gelagert. Die Konstruktion einer derartigen Brennkraftmaschine ist bekannt und daher nicht näher veranschaulicht. Der Ventilschaft 32 vermag entsprechend der Ventilöffnung eine begrenzte Axialbewegung durchzuführen und bewegt sich in unmittelbarer Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine hin und her. Bei einer mit 3000 U/min laufenden Sechszylinder-Brennkraftmaschine bewegt sich jeder Ventilschaft mit einer Frequenz von 1500 Hz.

Bei den herkömmlichen Vorrichtungen hat es sich als notwendig erwiesen, die Ventilschaft-Dichtung mittels Federringen oder anderer äußerer Mittel festzulegen, weiche die Dichtung gegen die Ventilführung verklemmen oder die gegen den Ventilfeder-Halter vorbelastet sind. Bei der dargestellten Ventilschaft-Dichiung ist der Innenumfang der Ring-Wand 12 mit einer Reihe von ringförmigen Lippen 14 versehen, die konzentrisch urd axial auf Abstand voneinander angeordnet sind. Die schrägen Flanken der Ring-Rippen bzw. -Lippen 14 bilden einen Einschlußwinkel von 60 ± 2° mit der Achse der Dichtung und legen somit an der Spitze jeder Rippe bzw. Lippe 14 einen Einschlußwinkel von 120° und an den Böden zwischen den einzelnen Rippen bzw. Lippen einen ähnlichen Winkel fest. Der Sohlen-Durchmesser 15 zwischen den Lippen ist vorzugsweise geringfügig kleiner als der Außendurchmesser der Ventilführung 30, so daß zwischen beiden Teilen ein leichter Festsitz gebildet wird. Infolgedessen ist ein beträchtlicher Festsatz zwischen den Rippen bzw. Lippen 14 und der Ventilführung 30 vorhanden. Bei einer Ventilführung mit einem Durchmesser von etwa 16.0 mm besitzen die Rippen bzw. Lippen 14 einen größten Innendurchmesser, der mit dem Durchmesser der Ventilführung nach dem Zusammenbau einen Festsitz b/.w. eine Verpressung von etwa 5% ergibt.

Am unteren Ende der Innenfläche der ringförmigen Wand 12 ist eine Schrägfläche 20 ausgebildet, die eine Öffnung mit einem den Durchmesser der Ventilführung 30 übersteigenden Durchmesser festlegt. Hierdurch kann die Ventilschaft-Dichtung 10 auf der Ventilführung 30 zentriert und leichter auf sie aufgepreßt werden.

Die auf erwähnte Weise eine kegelstumpfförmige Fläche festlegende Dichtlippe 18 weist an ihrem in Axialrichtung inneren Ende einen größten Durchmesser 22 und an ihrem in Axialrichtung äußeren Ende einen kleinsten Durchmesser 24 auf, wobei der Durchmesser 22 geringfügig kleiner als der Durchmesser des Ventilschafts 32 ist, so daß er einen leichten Festsitz daran bildet, infolge der Einwärtsneigung der Dichtlippe 18 steht mithin ihr kleinster Durchmesser 24 in beträchtlichem Festsitz mit dem Ventilschaft 32. Wie aus F i g. 1 hervorgeht, wird der Radiaiqucrschnitt der Dichtlippe 18, d. h. die Dicke des Gummis hinter der Dichtlippe in Radialrichtung gesehen, vom größten Durchmesser 22 zum kleinsten Durchmesser 24 fortlautend geringer.

An der Dichtlippe 18 ist ein einen einzigen Gewindegang aufweisendes Gewinde ausgebildet, das bei der bevorzugten Ausführungsform ein Trapezgewinde mit einer Tiefe von etwa 0,13 mm ist. Der Zweck dieses Gewindes bzw. dieser gewindeartigen Rille, das bzw.

die sich in Anlage an den Ventilschaft preßt, besteht darin, einen winzigen Durchgang festzulegen, in welchem Öl zur Bildung eines Schmierfilms am Ventilschaft zurückgehalten wird. Diese Rillenausbildung gewährleistet die bestmögliche Schmierung.

Eine abgewandelte Ausführungsform der Rillen für die Dichtlippe 18 besteht aus einer Reihe von ringförmigen, konzentrischen Nuten von ähnlichem Querschnitt wie ein Trapezgewinde und mit einer Tiefe von etwa 0,13 mm. Diese Art der Rillenausbildung wirkt als eine Reihe von Abstreifern und ermöglicht eine maximale ölsteuerung.

Beim Einbau der erfindungsgemäßen Ventilschaft-Steuerung 10 wird der Ventilschaft 32 durch die Ventilführung 30 geschoben und wird die Dichtung 10 in Abwärtsrichtung auf den Schaft aufgeschoben und in Dichtungsberührung auf die Ventilführung aufgesetzt. Wahlweise kann aber auch zuerst die Dichtung 10 auf die Ventilführung 30 aufgesetzt und anschließend der Ventilschaft 32 durch die zusammengesetzten Teile hindurchgeschoben werden.

In zusammengebautem Zustand liegt die Dichtlippe 18 mit Festsitz an der Ventilschaft-Führungsfläche an. Wegen der Neigung des konischen Wandabschnitts Ϊ6 und seines Winkels gegenüber der Achse der Ventilschaft-Dichtung wird vom größten Durchmesser 22 zum kleinsten Durchmesser 24 eine fortschreitend zunehmende Gummimenge in Anlage an den Ventilschaft gebracht. Diesem Faktor steht ein Festsitz gegenüber, der vom größten Durchmesser 22 zum kleinsten Durchmesser stetig zunimmt. Das Ergebnis dieser Ausbildung besteht darin, daß, während am größten Durchmesser 22 die größte Menge kompressiblen Gummis vorhanden ist, an dieser Stelle der geringste Festsitz bzw. die niedrigste Zusammendrückung des Gummis vorhanden ist. Andererseits ist die kleinste Menge an zusammengedrücktem Gummi am kleinsten Durchmesser 24 vorhanden, während dort die größte Zusammendrückung bzw. Spannung des Gummis auftritt. Es hat sich herausgestellt, daß diese Konstruktionsfaktoren bewirken, daß der größte Verschleiß, der eine funktioneile Belastung der Kraft darstellt (Fig.4), in der Mitte zwischen größtem und kleinstem Durchmesser auftritt.

Infolge dieser Belastung und des davon herrührenden Verschleißbilds werden die Betriebslebensdauer und die Wirksamkeit der Ventilschaft-Dichtung erhöht, da die Abdichtung am kleinsten Durchmesser 24 erhalten bleibt.

Ein den Gegenstand der Erfindung weiter ausbildendes Merkmal ist die durch die Schrägfläche 17 gebildete Dachform, die zur Ableitung des vom Ventilschaft abgestreiften Öls dient. Wegen der Keilwirkung des konischen Wandabschnitts 16 am Ventilschaft 32 wird auf letzteren durch den Festsitz beim Abwärtshub eine größere Kraft ausgeübt als beim Aufwärtshub. Infolge dieses durch die Dichtung 10 gewährleisteten funktionellen Vorteils ist die Dichtung bestrebt, in ihrer Lage auf der Ventilführung 30 zu bleiben und ihre Zusamrnenbäüiäge mit der Ventilführung 30 und dem Ventilschaft 32 aufrechtzuerhalten.

In F i g. 5 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, bei welchsr die Ventilschaft-Dichtung 10' eine ringförmige Wand 12' aufweist, an deren Innenumfang eine Reihe von ringförmigen Rippen bzw. Lippen 14' ausgebildet ist, die radial nach innen ragen und die Dichtung 10' an einer Ventilführung, wie der Ventilführung 30. festhalten. An dem in Axialrichtung oberen Ende der ringförmigen Wand 12' ist ein mit ihr einstückig ausgebildeter konischer Wandabschnitt 16' vorgesehen, der von der Wand 12' radial einwärts geneigt ist. Der konische Wandabschnit 16' läuft in einer Dichtlippe 18' aus, welche sich über die Gesamtbreite des Endes des konischen Wandabschnitts 16' erstreckt und unter einem Winkel zu ihm ausgebildet ist, so daß eine kegelstumpfförmige Fläche festgelegt wird.

Der konische Wandabschnitt 16' besitzt im wesentlichen gleichbleibende Dicke und legt bei dieser Ausführungsform der Erfindung einen sich mit der Dichtungsgröße ändernden Einschlußwinkel von 60 ± 2° mit der Achse der Ventilschaft-Dichtung 10' fest. Außerdem bildet bei dieser Ausführungsform der Erfindung die Dichtlippe 18' einen sich mit der Dichtungsgröße ändernden Einschlußwinkel von 7 ± 2° mit der Achse der Dichtung 10, so daß der Festsitz etwas stärker begrenzt ist als bei der ersten Ausführungsform. Wie bei letzterer liegt praktisch die gesamte Dichtlippe 18' am Schaft 32 des Tellerventils an; das Kraftdiagramm gemäß F i g. 4 ist beispielhaft für diese Dichtung.

Der Innenumfang der Ring-Wand 12' ist mit der erwähnten Reihe von ringförmigen Rippen bzw. Lippen 14' versehen, die konzentrisch angeordnet und durch eine Reihe von halbkreisförmigen Querschnitt besitzenden Nuten bzw. Sohlen 15' in Axialrichtung auf Abstand voneinander angeordnet sind. Die Flanken der ringförmigen Rippen bzw. Lippen 14' sind gekrümmt, da die Nuten 15' halbkreisförmigen Querschnitt besitzen. Beispielhafte Abmessungen sind ein Radius von 0,64 mm für die Nuten 15' und eine Breite von etwa 1,17 mm für die flachen Scheitelflächen der Rippen 14'. Wie bei der zuerst beschriebenen Ausführungsform ist der Sohlendurchmesser 15' zwischen den Lippen bzw Rippen 14' vorzugsweise etwas kleiner als der Außendurchmesser der Ventilführung 30, so daß zwischen beiden ein leichter Festsitz besteht. Infolgedessen ist zwischen den Lippen bzw. Rippen 14' und der Ventilführung 30 ein beträchtlicher Festsitz vorhanden. Bei einet Ventilführung von 16,0 mm besitzen die Rippen bzw Lippen 14' einen größten Innendurchmesser von etwa 15,0 mm bzw. einen Festsitz von etwa 5%, bezogen aul den Durchmesser. Wegen der vergleichsweise großer Abmessungen der flachen Scheitelflächen der Lipper bzw. Rippen 14' ist außerdem die Haltekraft zwischer ihnen und der Ventüführung 30 größer als bei dei zuerst beschriebenen Ausführungsform.

Am unteren Ende der innenfläche der ringförmiger Wand 12 ist eine Schrägfläche 20' ausgebildet, die eine öffnung mit größerem Durchmesser als dem der Ven tilführung festlegt. Infolge dieser Ausbildung kann di« Ventilschaft-Dichtung 10' auf der Ventilführung 30 zen triert und leichter auf sie aufgeschoben we-rden.

Die auf beschriebene Weise eine kegelstumpfförmi ge Fläche festlegende Dichtlippe 18' besitzt an ihrem ir Axialrichtung inneren Ende einen größten Durchmes ser 22' und an ihrem in Axialrichtung äußeren End« einen kleinsten Durchmesser 24'. Der Durchmesser Z ist geringfügig kleiner als der Außendurchmesser de: Ventilschafts 32, so daß an letzterem ein leichter Fest sitz gebildet wird. Infolge der Einwärtsneigung dei Dichtlippe 18' liegt daher der kleinste Durchmesser 24 mit beträchtlichem Festsitz, aber nicht ganz so fest wii bei der zuerst beschriebenen Ausführungsform, an Ventilschaft 32 an. Wie aus F i g. 5 hervorgeht, nimm der Radialquerschnitt der Dichtlippe in Radialrichtuni vom größten Durchmesser 22' zum kleinsten Durch

messer 24' fortlaufend ab. Hierdurch wird die Kraftkurve gemäß F i g. 4 erreicht und ein niedriger Verschleißgrad gewährleistet.

Die Dichtlippe 18' ist mit einer Reihe von ringförmigen, konzentrischen Rillen versehen, die im Querschnitt einem Trapezgewinde ähneln und eine Tiefe von etwa 0,13 mm besitzen. Durch diese Rillenausbildung wird eine Reihe von Abstreifern gebildet, die eine größt

mögliche ölsteuerung bzw. -abstreifung gewährleisten. Obgleich vorstehend nur zwei Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, sind dem Fachmann selbstverständlich zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß der Rahmen und der Grundgedanke der Erfindung verlassen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 509/212

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Elastomere Ventilschaft-Dichtung für Brennkraftmaschinen, mit einem ringförmigen Mantelteil und einem an einem axialen Ende des Mantelteils anschließenden, radial nach innen und axial weg vom Mantelteil kegelstumpfartig zulaufenden Kragenteil, das in einer zur Anlage an den Ventilschaft bestimmten, sich in Achsrichtung erstreckenden Dichtfläche endet, in deren axialem Bereich die in Ebenen senkrecht zur Dichtungsachse gemessene Wandstärke des Kragenteils in axialer Richtung weg vom Mantelteil abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtfläche (18; 18') bei ausgebauter Dichtung (10; 10') konisch zuläuft, wobei ihr Durchmesser von dem dem Manteheil (12; 12') benachbarten Ende zu dem vom Mantelteil (12; 12') entfernt liegenden Ende fortschreitend abnimmt, und daß die Abnahme der Wandstärke des Kragenteils (16; 16') kontinuierlich über die gesamte axiale Länge der Dichtfläche (18; 18') erfolgt.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragenteil zwischen Dichtflächenbereich und Mantelteil gleichbleibende Dicke besitzt.

3. Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschlußwinkel zwischen dem Kragenteil und der Achse der Dichtung etwa 60° beträgt.

4. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschlußwinkel zwischen der Dichtfläche und der Achse der Dichtung etwa 5 bis 29° beträgt.

5. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschlußwinkel zwischen der Dichtfläche und der Achse der Dichtung (10) etwa 20° beträgt.

6. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschlußwinkel zwischen der Dichtfläche und der Achse der Dichtung etwa 7° beträgt.

7. Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschlußwinkel zwischen dem Kragenteil und der Achse des Ventilschafts mehr als 45° und der Einschlußwinkel zwischen der Dichtfläche und der Achse des Ventilschafts weniger als 30° beträgt, wobei die durch den Dichtflächenbereich des Kragenteils auf den Ventilschaft ausgeübte Radialkraft in Axialrichtung fortlaufend zunimmt und abnimmt.

8. Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschlußwinkel zwischen dem Kragenteil und der Achse des Ventilschafts größer ist als der Ein-Schlußwinkel zwischen der Dichtfläche und der Achse des Ventilschafts und daß die Summe der Einschlußwinkel weniger als 90° beträgt, wobei praktisch die gesamte Dichtfläche unter Abdichtung am Ventilschaft anliegt und eine in Axialrichtung fortlaufend zunehmende und abnehmende Kraft auf den Ventilschaft ausübt.

9. Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Mantelteil an seiner Innenfläche eine Reihe f>s von in Längsrichtung auf Abstände verteilten ringförmigen Rippen aufweist, die einen Festsitz mit der Ventilführung bilden.

10. Dichtung nach einem der vorangehenden An Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Dichtfläche eine Reihe von in Umfangsrichtung verlaufenden Rillen ausgebildet ist.

11. Dichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Rippen konzentrisch angeordnet und durch Nuten voneinander getrennt sind.

12. Dichtung nach Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen durch V-förmige Nuten festgelegt sind.

13. Dichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten halbkreisförmigen Querschnitt besitzen.