DE2646832C3

DE2646832C3 - Flachdichtung, insbesondere Zylinderkopfdichtung

Info

Publication number: DE2646832C3
Application number: DE19762646832
Authority: DE
Inventors: Willi Ing.(Grad.) 7435 Huelben Schwenkel
Original assignee: Elring Dichtungswerke GmbH
Current assignee: Elring Dichtungswerke GmbH
Priority date: 1976-10-16
Filing date: 1976-10-16
Publication date: 1983-11-03
Also published as: DE2646832B2; DE2646832A1; FR2367960A1; ES231387Y; ES231387U; FR2367960B3

Description

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Die Erfindung betrifft eine Flachdichtung, insbesondere eine Zylinderkopfdichtung, die wenigstens eine kompressible Weichstofflage aufweist Unter einer solchen Weichstofflage versteht der Dichtungsfachmann Platten ganz bestimmter Art, welche sich plastisch-elastisch verformen und außerdem im Gegensatz zu inkompressiblen Medien z. B. durch Pressen verdichten lassen. Typisch für solche Weichstofflagen sind Platten aus kunststoffgebundenen Asbestfasern.

Eine derartige Flachdichtung muß sich möglichst gut an die Oberflächenstruktur der abzudichtenden Flächen anpassen können. Für Motoren, bei denen die Zylinderkopfdichtung nicht all zu hoch beansprucht wird, sind schon Flachdichtungen bekanntgeworden, die dadurch hergestellt werden, daß man mit einem flachen Prägewerkzeug oder einer Prägewalze kleinste, fast schon punktförmige Vertiefungen, die die Gestalt einer vierseitigen Pyramide haben, in die nach außen gekehrten Oberflächen der Weichstofflagen einprägt, um die effektive Auflagefläche der Flachdichtung an den abzudichtenden Flächen zu verringern und dadurch bei vorgegebenen Einspannkräften die spezifische Flächenpressung an den effektiven Auflageflächen der Dichtung zu erhöhen. Man vergrößert also die verfügbare Dichtpressung, gleichzeitig wird aber der Verformungswiderstand der Flachdichtung in Normalrichtung herabgesetzt, so daß sich deren Weichstofflagen der Oberflächenstruktur der abzudichtenden Flächen anpassen können.

Für hochbelastete Flachdichtungen haben sich die

erwähnten bekannten Maßnahmen jedoch als ungeeignet erwiesen, vor allem bei einer hohen dynamischen Beanspruchung ausgesetzten Zylinderkopfdichtungen. Gerade bei den letzteren kommt es entscheidend auf die Dauerstandfestigkeit an, die eine ausreichende Erhöhung des Verformungswiderstands der Flachdichtung in Normalrichtung erfordert und i/n allgemeinen durch eine sich möglichst gleichmäßig über die ganze Dichtungsfläche erstreckende Verdichtung des Materials der Weichstofflagen erreicht wird. DeJialb hatte man es bisher für notwendig erachtet, dort, wo eine hohe Dauerstandfestigkeit trotz hoher und vor allem dynamischer Beanspruchungen gefordert wurde, Flachdichtungen mit überall gleichmäßig verdichteter, glatter Oberfläche einzusetzen und dabei in Kauf zu nehmen, daß verhältnismäßig hohe Einspannkräfte erforderlich sind, um trotz des erhöhten Verformungswiderstands der Flachdichtung in Normalrichtung die erforderliche geometrische Anpassung der Oberflächen der Flachdichtung an die Bearbeitungsstruktur der Gegendichtflächen zu erreichen.

Unter anderem wegen des Mangels an relativ hochverdichteten und sich parallel zur Dichtungsebene erstreckenden Flächenbereichen eignet sich auch eine andere bekannte Zylinderkopfdichtung (US-PS 22 11 045) nicht für moderne Hochleistungsmotoren. Diese bekannte Zylinderkopfdichtung besitzt eine mit ausgebogenen K-allen versehene Metallblecheinlage zwischen zwei Weichstofflagen und wurde zwischen zwei sinusförmig profilierten Walzen vorgepreßt Wegen der dadurch erzielten Oberfiächenprofilierung mit sinusförmigem Querschnittsverlauf fehlen also die für die hohe Dauerbelastbarkeit unverzichtbaren, sich ungefähr parallel zur Dichtungsebene erstreckenden Flächenbereiche hoher Verdichtung, d. h. hohen Verformungswiderstandes in Normalrichtung. Ohnehin läßt sich mit sinusförmig profilierten Walzen eine wirksame Verdichtung des Weichstoffs praktisch nicht erreichen, denn durch die beim Verformungsvorgang in die Weichstoffoberfläche eindringenden, sinusförmigen Erhebungen wird der Weichstoff umittelbar neben den Kuppen der Erhebungen vorwisgend zur Seite verdrängt u.. J dadurch in den Vertiefungen des Prägewerkzeugs entsprechend aufgeworfen, so daß der Weichstoff im Bereich der Vertiefungen seiner Oberflächen nicht wesentlich verdichtet wird. Bei stärkerer Pressung, beispielsweise durch entsprechende Verringerung des Walzenspalts, tritt eine gewisse Allgemeinverdichtung der Weichstofflagen ein; dabei führt der sinusförmige Verlauf des Walzenprofils mit zunehmender Pressung dazu, daß infolge der seitlichen Verdrängung des Weichstoffs die sich in der ersten Phase der Profilierung zunächst ergebenden Zonen unterschiedlicher Verdichtung wieder aufgehoben werden, d. h. die Weichstoffstruktur wieder vergleichmäßigt wird. Gerade dies wird bei der bekannten Zylinderkopfdichtung durch den Walzvorgang angestrebt, dessen Sinn und Zweck es sein soll, die infolge der unregelmäßig angeordneten Krallen der Metallblecheinlage nach dem Zusammenwalzen der verschiedenen Lagen bestehenden Ungleichmäßigkeiten im Verformungsverhalten der Dichtung wieder zu beseitigen, indem Walzen mit einem verhältnismäßig feinen und gleichmäßigen Raster von Erhebungen und Vertiefungen zur Anwendung gebracht werden.

Bekannt ist auch eine Zylinderkopfdichtung (ausgelegte Unterlagen der DE-AN R !2 146), die auf einer federnden, metallischen Dichtungsgrundlage eine Weirhstoffauflage besitzt, die aus besonders weichem

Material bestehen soll und in die derart bemessene und ein Waffelmuster bildende Vertiefungen eingeprägt sind, daß die Höhe der zwischen den Vertiefungen verlaufenden Stege etwa gleich der Dicke der Weichstoffauflage ist (Seite 3, Zeilen 1 und 2 von unten dieser Unterlagen). Eine derart verformungsweiche Dichtung kann sich zwar gut an die Oberflächenstruktur der abzudichtenden Flächen anpassen, jedoch besitzt sie nicht die für moderne Hochleistungsmotoren erforderliche hohe Dauerstardfestigkeit. da beim Anziehen der Dichtung eine unkontrollierte Verformung der relativ hohen und verformungsweichen Stege erfolgt, deren Material im eingebauten Zustand einen Großteil der Dichtungsfläche bildet.

Schließlich sind noch Nachdichtungen mit gerasterten Dichtungsflächen bekannt, bei denen die letzteren von einer Lage aus inkompressifolem Material gebildet werden:

Bei einer ersten dieser bekannten Flachdichtungen (GB-PS 9 69 700) ist eine Metallplatte vorgesehen, die beidseitig mit Gummi oder einem anderen Elastomeren beschichtet ist. Diese Auflagen besitzen ein Raster von eingeformten Vertiefungen, deren Form eine Pyramide mit abgeschnittener Spitze entspricht, wobei der Grund der Vertiefungen von der Oberfläche der Metallplatte gebildet wird. Setzt man diese bekannte Flachdichtung einer Normalpressung aus. so wird das elastomere Material aufgrund seiner Inkompressibilität stets bestrebt sein, wie eine Flüssigkeit voluinenkonstant nach den Seiten auszuweichen.

Stoffe mit derartigen Eigenschaften sind aber völlig ungeeignet für hochbelastbare Dichtungen hoher Standfestigkeit. Auch dienen bei dieser bekannten Dichtung die pyramidenstumpfförmigen Vertiefungen dazu. Räume für die örtliche Verformung der Gummilagen und damit für die räumliche Verlagerung des Dichtungsmaterials zu schaffen, so daß sie den Verformungswiderstand örtlich nicht erhöhen, sondern sogar verringern. Soweit sich bei einer Variante der bekannten Flachdichtungen die Vertiefungen nicht bis auf die Metallplatte erstrecken, s^:nd die auf letzterer verbleibenden Gummischichten funktionsmäßig ohne jede Bedeutung und dienen lediglich der leichteren Herstellbarkeit der bekannten Dichtung.

Gleiches gilt für eine weitere bekannte Flachdichtung (US-PS 3 06 293) mit einem Raster von durch zusammenhängende Stege voneinander getrennten Vertiefungen mit ebenem Grund, da diese Flachdichtung insgesamt aus Metall, d. h. aus einem inkompressiblen Material, besteht.

Der Erfindung liegt r.-n die Aufgabe zugrunde, eine Flachdichtung zu schaffen, die sich trotz hoher Dauerstandfestif keit bei vorgegebenen Einspannkräften dennoch besser an die Oberflächenstruktur der abzudichtenden Flächen anpaßt als bekannte hochbelastbare Flachdichtungen r.iit großer Dauerstandfestigkeit. Ausgehend von einer Ftachdichtung der eingangs erwähnten Art. bei der wenigstens eine als Dichtungsfläche dienende Weichstofflagenoberfläciie ein Raster kleiner, eingeprägter Vertiefungen mit ebenem, zur Ebene der Flachdichtung im wesentlichen parallelem Grund aufweist, zwischen denen sich ein Netz von zusammenhängenden Stegen erstreckt, wobei das Material der Weichstofflage am Grund der Vertiefungen eine höhere Dichte aufweist als im Kammbereich der Stege, läßt sich diese Aufgabe crfindungsgemäU c'adurch lösen, daß die Stege eine relativ flache Erstreckung aufweisen und daß die Gesamtfläche der d'-n Grund der Vcrtietungcn bildenden Flächen um ein Vielfaches größer ist als die Gesamtfläche der zur Ebene der Flachdichtung ungefähr parallelen Flächen der Stegkämme.

Dieses Fiächenverhältnis ist zwar an sich aus der US-PS 3 06 293 bekannt; da dieser Stand der Technik jedoch eine reine Metall-Flachdichtung betrifft, konnte er die Erfindung nicht nahelegen, da die der Auffindung der erfindungsgemäßen Lösung zugrunde liegenden Überlegungen für Flachdichtungen, deren Dichtungsflä-

chen von inkompressiblen Materialien gebildet werden, überhaupt nicht gelten.

Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung der Dichtfläche der Flachdichtung sind die miteinander verbundenen, schmalen und verhältnismäßig niederen Stege relais ti ν verformungsweich, d. h. wegen der geringen effektiven Auflagefläche der Flachdichtung beim Beginn des Einspannens weist sie im Bereich dieser Stege einen wesentlich geringeren Verformungswiderstand in Normalrichtung auf als eine überall gleichmäßig verdichtete

Flachdichtung, jedoch werden die Stege beim Anziehen der Flachdichtung relativ rasch flachgedrückt und bilden auch dann nur einen verhältni*;;iäßig kleinen Teil der Dichtungsfläche, so daß die zwiscl.en den Stegen liegenden verdichteten und ebenen Flächenbereiche, die den Grund der eingeprägten Vertiefungen bilden, die gewünschte Druck-Dauerstandfestigkeit der Flachdichtung gewährleisten könrjn. Die Erfindung erfüllt also überraschenderweise die scheinbar grundsätzlich im Widerspruch zueinander stehenden Anforderungen einer hohen Druck-Dauerstandfestigkeit und einer günstigen Verformbarkeit und führt deshalb zu einem sprunghaften technischen Fortschritt auf dem Gebiet hochbelastbarer Flachdichtungen. Da die Verformungscharakteristik der erfindungsgemäßen Flachdichtungen maßgebend bestimmt wird durch das Verhältnis der Gesamtfläche der zur Ebene der Flachdichtung ungefähr parallelen Stegflächen zu der Gesamtfläche der die Vertiefungen unten begrenzenden Flächen, ist dem Fachmann ein Parameter an die Hand gegeben, durch dessen

■»ο Wahl er die Qualität und geometrische Gestalt der abzudichtenden Flächen berücksichtigen kann. Da die Gesamtfläche der den Grund der Vertiefungen bildenden Flächen jedoch stets um ein Vielfaches größer sein soll als die Gesamtfläche der zur Ebene der Flachdichtung

■»5 ungefähr parallelen Rächen der Stegkämin», erreicht eine erfindungsgemäße Flachdichtung aber stets die Druck-Dauerstandfestigkeit bekannter, überall gleichmäßig verdichteter und deshalb hochbelastbarer Flachdichtungen, die sich jedoch der Oberflächenstruktur der

so abzudichtenden Flächen nicht so gut anpassen können wie eine erfindungsgemäße Dichtung.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Stegkämme ein spitzwinkliges Profil aufweisen. Dann ist das erwähnte Flächenverhältnis zu Beginn des Fins,, a.inens der Flachdichtung praktisch unendlich.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgen.äßen Flachdichtung ist der Abstand zwischen den Ausnehmungen der Dichtung untereinander bzw. zwischen Ausnehmungen und dem Dichtungsrand so bemessen, da3 mindestens drei allseits von Stegen umgebene Vertiefungen vorhanden sind. Die Rasterteilung wird also so fein gewählt, daß sich an der in der Draufsicht schmälsten Stelle der Flachdiditung an deren Oberfläche noch mindestens drei, allseits von Stegen umgebene Vertiefungen befinden, beispielsweise also zwischen den verschiedenen Durchgängen einer Zylinderkopfdichtung. Besonders empfehlenswert ist eine Rasterteilung zwischen 0,5 und 3,0 mm.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der zeichnerischen Darstellung zweier bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung am Beispiel einer Ausführung mit Metallblecheinlage;

F i g. 2 einen Ausschnitt aus dieser Zylinderkopfdichtung in vergrößerter, perspektivischer Darstellung;

F i g. 3 einen Schnitt durch den in F i g. 2 gezeigten Teil der Zylinderkopfdichtung und

Fig.4 eine der Fig.3 entsprechende Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform.

Die Fig. I zeigt eine Zylinderkopfdichtung 10 für einen Vierzylindermotor mit Durchgängen 12 für die Verbrennungsräume, Durchgängen 14 und 15 für das Kühlwasser bzw. Schmieröl sowie Durchgängen 16 für die Zylinderkopfschrauben. Das Raster aus erfindungsgemäßen Vertiefungen und Stegen ist durch eine entsprechende Punktierung angedeutet worden.

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Zylinderkopfdichtung zwei Weichstofflagen 20 und 22 aufweist, zwischen denen eine Metallblecheinlage 24 angeordnet ist. Mit Hilfe eines flachen Prägewerkzeugs oder einer Prägewalze entsprechender Gestalt wurden nun in die nach außen gekehrten Oberflächen der Weichstofflagen 20 und 22 Vertiefungen 26 eingeprägt, zwischen denen ein Netz zusammenhängender, erhabener Stege 28 stehengeblieben ist. Die Vertiefungen 26 weisen an ihrem Grund viereckige Flächen 30 auf, die zur Ebene der Flachdichtung parallel sind, im Bereich dieser Flächen ist das Material der Weichstofflagen 20, 22 am höchsten verdichtet, und vorzugsweise beträgt die Verdichtung — bezogen auf die Ausgangsstruktur des Weichstoffs — zwischen ungefähr 15 und 25%. Im Bereich der Flächen 30 weist die Flachdichtung also einen hohen Verformungswiderstand in Normalrichtung auf.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 2 und 3 besitzen die Stege 28 im Kammbercich zur Ebene der Flachdichtung parallele Flächen 34, deren Gesamtfläche jedoch erfindungsgemäU wesentlich kleiner als die Gesamtfläche der Flächen 30 ist. Das die Stege 28 bildende Material der Weichstofflagen ist noch verhältnismäßig wenig verdichtet, so daß die Stege 28 einen relativ geringen Verformungswidersland in Normalrichtung der FliK'hdichtung besitzen. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Krfindung gemäß den F i g. 2 und 3 sind

ίο die Stege ungefähr 0,1 mm hoch, und die Kantcnlängc der Flächen 30 beträgt ca. I mm.

Die Ausführungsform gemäß F i g. 4 unterscheidet sich von derjenigen gemäß den F i g. 2 und 3 dadurch, daß die Stege 28' ein dreieckiges, spitzwinkliges Profil

r. aufweisen, so daß das erwähnte Flächenverhältnis zunächst — d. h. zu Beginn der Verformung der Flachdichtung beim Einbau — unendlich ist.

Man sieht nun deutlich, daß bei dem Prägen der erfindungsgemäßen Vertiefungen der Weichstoff in Mnr

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von Vertiefungen mit der Gestalt beispielsv. eise vierseitiger l'yramiden der Weichstoff im wesentlichen nach der Seite zu und damit in die Stege hinein verdrängt wird, so daß sich eine völlig andere Verformungscharak-

:5 teristik ergibt wie bei der erfindungsgemäßen Flachdichtung. Deshalb und vor allem wegen de«, im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I definierten Flächenverhäitnisses besitzt die erfindungsgemäße Flachdichtung ^;.\i eingebauten Zustand die hohe Druckdauer-

JO Standfestigkeit der bekannten hochbelastbaren Flachdichtungen, da die Stege bei einer erfindungsgemäßen Flachdichtung besm Einbau dank ihres geringen Verformungswiderstands zwar die Abdichtungsanpassung bewirken, aber praktisch flachgedrückt werden, während die verdichtete Grundfläche der zuvor existierenden Vertiefungen, welche den größten Teil der Oberfläche der Flachdichtung bildet, die dynamische Dauerbcanspruchung übernehmen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Flachdichtung, insbesondere Zylinderkopfdichtung, mit mindestens einer kompressiblen Weich- stofflage, wobei wenigstens eine als Dichtungsfläche dienende Weichstofflagenoberfläche ein Raster kleiner, eingeprägter Vertiefungen mit ebenem, zur Ebene der Flachdichtung im wesentlichen parallelem Grund aufweist, zwischen denen sich ein Netz von zusammenhängenden Stegen erstreckt, wobei das Material der Weichsiofflage am Grund der Vertiefungen eine höhere Dichte aufweist als im Kammbereich der Stege, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (28) eine relativ flache Erstrek- kung aufweisen und daß die Gesamtfläche der den Grund der Vertiefungen (26) bildenden Flächen (30) um ein Vielfaches größer ist als die Gesamtfläche der zur Ebene der Flachdichtung ungefähr parallelen Flächen (34) der Stegkämme.

2. Fla^bdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegkä«nme (28') ein spitzwinkliges Profil aufweisen.

3. Rachdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rasterteilung zwischen 0.5 und 3,0 mm liegt

4. Flachdichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Ausnehmungen (z. B. 12, 16) der Dichtung untereinander bzw. zwischen Ausnehmungen (12,14,15,16) und dem Dichtungsrand so bernessen ist, daß mindestens irei allseits von Stegen (28, 28') umgebende Vertiefungen (26) vorhanden sind.