DE3134015C2

DE3134015C2 - Flachdichtung sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE3134015C2
Application number: DE3134015A
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl.-Ing. 7440 Nürtingen Schäfer
Original assignee: Elring Dichtungswerke GmbH
Current assignee: Elring Dichtungswerke GmbH
Priority date: 1981-08-28
Filing date: 1981-08-28
Publication date: 1988-04-14
Also published as: ES8305901A1; IT8222419A0; GB2108217A; IT8222419A1; IT1152001B; DE3134015A1; ES515293A0; GB2108217B; FR2512155A1

Abstract

Um mit einer Zylinderkopfdichtung auch dann dauerhaft und zuverlässig abzudichten, wenn im Bereich des Randes einer Öffnung der Zylinderkopfdichtung räumlich relativ stark veränderliche Dichtflächenpressungen auftreten, wird die Öffnung mit einem ringförmigen, überall geschlossenen Kanal mit metallischer Kanalwand eingefaßt und dieser Kanal mit einer Füllung versehen, die wenigstens überwiegend aus einem zumindest im Einbauzustand der Dichtung flüssigen oder plastischen Material besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flachdichtung für über Raumtemperatur betriebene Geräte, mit einer mindestens eine öffnung aufweisenden Dichtungsplatte und einem im Randbereich der öffnung angeordneten, ringförmigen Kanal mit metallischer Kanalwand und einer bei einer Pressungsbeanspruchung des Kanals nachgiebigen Füllung; insbesondere betrifft die Erfindung eine derartige Zylinderkopfdichtung.

Vor allem wegen der modernen Leichtbauweise von Hubkolbenmotoren wird es immer schwieriger, Motorenteile, vor allem Zylinderkopf und Motorblock, zuverlässig und dauerhaft gegeneinander abzudichten. Einerscits erlaubt es die Leichtbauweise niimlich nicht mehr, z. B, eine Zylinderkopfdichtung über größere Dichiflü chenbereiche hinweg mit relativ hoher Dichtflächenpressung einzuspannen, andererseits werden aber die thermischen und dynamischen Verformungen, denen eine Zylinderkopfdichtung im Betrieb ausgesetzt ist, immer größer. Aus der modernen Motorenkonzeption re sultieren also starke räumliche Unterschiede in der Dichtflächenpressung, und zwar vor allem im Brennraumbereich.

Deshalb hat man schon Flachdichtungen der eingangs ίο erwähnten Art geschaffen, bei denen die beispielsweise von einer üblichen Asbestplatte gebildete Dichtungsplatte im Bereich des Öffnungsrands mit einem im Querschnitt U-förmigen Metallblech-Ring so eingefaßt ist, daß zwischen dem letzteren und dem Öffnungsrand der ts Dichtungsplatte ein ringförmiger Kanal entsteht, in den ein Gummiring kreisrunden oder ovalen Querschnitts eingelegt ist, welcher den Kanal jedoch nur teilweise ausfüllt (z.B. DE-OS 26 04 253 und US-PS 3595 589). Diese bekannte Zylinderkopfdichtung verhält sich ahnlieh wie eine andere bekannte Flachdichtung (DE-AS 19 74 988). bei der an die Stelle des Gummirings ein Schraubenfsdcrring tritt.

Alle diese bekannten Flachdichtungen der eingangs erwähnten Art haben in Anwendungsfällen, in denen die Dichtflächenpressung räumlich nicht wenigstens annähernd konstant ist, den Nachteil, daß das von dem erwähnten Kanal gebildete Dichtelement keinen oder nur einen sehr geringen Ausgleich unterschiedlicher Pressung längs des Umfangs des Öffnungsrands bewirken jo kann, so daß vor allem bei Hubkolbenmotoren in zunehmend extremer Leichbauweise eine zuverlässige, dauerhafte Abdichtung vor allem im Brennraumbereich einer Zylinderkopfdichtung mit diesen bekannten Flachdichtungcn nicht gewährleistet werden kann. Ein weiterer Nachteil der bekannten Flachdichtungen ist darin zu sehen, daß sie bei einer durch die Einspannkräfte bewirkten Verformung nur ein geringes Rückstellvcrmögen mit entsprechend kleinen Rückstellkräften zeigen.

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, einc Flachdichtung der eingangs erwähnten Art und ins besondere- eine Zylinderkopfdichtung anzugeben, mit der auch dann dauerhaft und zuverlässig abgedichtet werden kann, wenn im Bereich des Öffnungsrands der Flachdichtung räumlich relativ stark veränderliche Dichtflächenpressungen auftreten, wie dies vor allem im Brcnnraumbercich der Zylinderkopfdichtungen moderner Hubkolbenmotoren der Fall ist. Erfindungsgemäß läßt sich nun diese Aufgabe dadurch lösen, daß die metallische Kanalwand einen überall geschlossenen Kanal bildet und die Füllung wenigstens überwiegend aus einem zumindest im Einbauzustand der Flachdichtung weitgehend inkompressiblcn, flüssigen oder plastischen, niederpolymeren Material besteht, welches bei der Betriebstemperatur der Flachdichtung durch Vernetzungsrcakiioncn in einen hochpolymeren Zustand über geht. Eine solche Füllung ist in der Lage, sich auch solchen gegeneinander abzudichtenden Flächen anzupassen, die zu räumlich stark unterschiedlichen Dichtflächenpressungen führen, da sich beim Einbau der erfinbo dungsgemäßen Flachdichtung jedes Volumenelement der Füllung an jede beliebige Stelle des geschlossenen Kanals verdrängen läßt und dadurch längs des öffmingsrands unterschiedliche Pressungen ausgeglichen werden können. Da bei der erfindungsgeniäöen Flachhs dichtung der Kanal ausschließlich metallische Kanalwündc aufweist und überall geschlossen ist, bleibt das Kiinalvolumen auch bei von einer Pressungsbeanspruchung hervorgerufenen Verformungen zumindest im

wesentlichen konstant Infolgedessen werden nicht nur die Spitzenwerte der Dichtflächenpressung abgebaut, sondern in konstruktionsbedingt verformun^sweicheren Bereichen der gegeneinander abzudichtenden Bauteile werden höhere Dichtflächenpressungen aufgebaut als dies beim Einbau einer herkömmlichen Flachdichtung der Fall ist.

Schließlich wird der bei der Montage hergestellte Zustand der Dicbtimg bei der erstmaligen Inbetriebnahme des Motors zumindest weitgehendst fixiert, indem das Material der Füllung durch die erstmalige Erwärmung vulkanisiert wird oder polymerisiert oder durch einen anderen Reaktionstyp sich verfestigt; gleichzeitig ändert sich das Verformungsverhalten der Dichtung im Randbereich der öffnung, d. h. im Bereich des erfindungsgemäß ausgebildeten Kanals, von einem ursprünglich überwiegend plastischen Verformungsverhalten in ein nunmehr überwiegend elastischem Verhalten. Eine solche Flachdichtung schafft also optimale Voraussetzungen sowohl für die Montage als auch für die dauerhafte Abdichtung im Betrieb. Eine eventuell gewünschte Kompressibilität kann dadurch erreicht werden, daß die Füllung einen entsprechenden Gasanteil aufweist.

Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß sich bei einer erfindungsgemäßen Flachdichtung im Randbereich der öffnung praktisch jede gewünschte Verformungscharakteristik einstellen läßt.

Ein Dichtring aus einem gefüllten, geschlossenen metallischen Hohlring ist aus der DE-PS 8 58 620 bekannt; als Füllung werden jedoch lediglich zu einer kompakten Masse gepreßtes Talkumpulver oder Flüssigkeiten wie Äther offenbart, wobei von Flüssigkeitsfüllungen für bei hohen Temperaturen einzusetzende Dichtringe unter Hinweis auf eine Explosionsgefahr abgeraten wird.

Über die Auswahl des für die Füllung verwendeten Materials, die Menge und Art evtl. verwendeter Füllstoffe etc. ist eine Einstellung des gewünschten Langzeitverhaltens der erfindungsgemäßen Flachdichtung möglich (Setzverhalten, Verhalten unter Temperatureinwirkung und dergleichen). Auch wirkt sich die metallische Kanalwand günstig aus, denn sie bewirkt einen gewissen Schutz vor der Einwirkung kurzzeitig auftretender Spitzentemperaturen, da solche WärmestöOe über das Metall abgeleitet werden, ohne daß sie sich voll auf die Füllung des Kanals auswirken können. Schließlich erlaubt auch die Auswahl einer entsprechenden Blechqualität und -dicke eine Einflußnahme auf das Verformungsverhalten des durch den Kanal gebildeten Dichtelements.

Am einfachsten wird der Kanal aus einem auf sich selbst zurückgebogenen Metallblech gebildet und durch eine in sich geschlossene, ringförmige Schweiß- oder Lötnaht verschlossen. Um beim Zuschwcißen oder -löten ein unerwünschtes Verziehen des Metallblechs zu vermeiden, empfiehlt sich ein Herstellungsverfahren bei dem gleichzeitig an mehreren, längs des Kanals in gleichen Abständen voneinander angeordneten Stellen mit dem Schweißen bzw. Löten begonnen und der Kanal von diesen Stellen aus überall im gleichen Richtungssinn fortschreitend verschlossen wird.

Die Erfindung eröffnet auch eine Möglichkeit, bei den Dichtungsplatten von ck;n bisher meist verwendeten sogenannten Weichstofff'aiten wegzukommen — bei diesen handelt es sich me^lSt ur^ mit einem Bindemittel getränkte ASbestfaserpktiei¹. Erfindungsgemäß kann nämlich eiPe FlachdicP'un^ auch so aufgebaut werden, daß die Dii-"htungSplat^ll! als ein- oder mehrlagige Blechplatte gestaltet und diese überall dort mit erfindungsgemäßen Kanälen als Dichtelementcn versehen wird, wo es auf eine besondere, linienförmige Abdichtung ankommt, bei einer Zylinderkopfdichtung würden also alle

Durchgangsöffnungen der Dichtungsplatte im Öffnungsbereich mit einem erfindungsgemäßen Kanal versehen werden, wobei dieser durchaus vom Blech der Diciitungsplatte gebildet werden kann.
In der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeich-

in ncrischen Darstellung werden einige bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen, als Zylinderkopfdichtung gestalteten Flachdichtung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Zylinderkopfdichtung in der Draufsicht;

is Fig. 2 bis 5 Schnitte nach der Linie 2-2 in Fig. 1 durch verschiedene Ausführungsformen der Zylinderkopfdichtung, und

F i g. 6 eine schaubildliche Darstellung eines einen Brennraumdurchgang aufweisenden Bereichs der Zylinderkopfdichtung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.

Die in F i g. 1 gezeigte Zylinderkopfdichtung 10 besitzt eine Dichtungsplatte 12 mit Brennraumdurchgängen 14, Kühlwasserdurchgängen 16, öldurchgängen 18 und Schraubendurchgängen 20. Wie die F i g. 2 erkennen läßt, besteht bei dieser Ausführungsform die Dichtungsplatte 12 aus einem ggf. mit einem Lack oder mit einer Kunststoffschicht beschichteten Blech 22, das, wie anhand des linken Brennraumdurchgangs 14 erläutert werden soll, im Bereich des Rands der betreffenden Durchgangsöffnung unter Bildung eines ringförmigen Kanals 24 mit überall vollständig geschlossenem Kanalhohlraum 26 auf sich selbst zurückgebogen worden ist. Dabei entsteht ein ringförmiger Randstreifen 28, der auf

J5 der eigentlichen Dichtungsplatte 12 aufliegt und mit dieser z. B. durch elektrisches Rollenschweißen hermetisch dicht verbunden werden kann. Eine in Fig.2 strichpunktiert angedeutete Schweißrolle wurde mit 30 bezeichnet.

4(i Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform ist der Kanalhohlraum 26 vollständig mit einer erfindungsgemäßen Füllung 32 ausgefüllt. Bei dieser soll es sich um einen gefüllten Fluorelastomer oder einen ebenfalls gefüllten Silikonelastomer handeln, die im unvulkanisierten Zustand in den Kanalhohlraum 26 eingebracht worden sind und eine solche stoffliche Beschaffenheit aufweisen, daß sie nach ihrem Einbau beim erstmaligen Betrieb des Motors infolge ihrer Erwärmung auf die Motor-Betriebstemperatur vulkanisieren und so von einem vorwiegend plastischen Zustand in einen überwiegend elastomeren Zustand übergehen.

Statt durch Schweißen könnte der Kanal 24 aber auch durch Löten oder durch Kleben verschlossen werden. Die Fi g. 3 zeigt eine Alternative, die ungefähr symmetrisch zur Ebene eines die Dichtungsplatts 12 bildenden Blechs 22' ausgebildet ist. Da sich im übrigen die Ausführungsformen nach den F i g. 2 und 3 entsprechen, wurden die selben Bezugszeichen wie in Fig.3, jedoch unter Hinzufügung eines Strichs verwendet.

Während bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 3 die Dichtungsplatte 12 als einfache Blechplatte ausgebildet ist, weist die Ausführungsforni nach F i g. 4 einen mehr konventionellen Aufbau auf. Hier ist nämlich in üblicher Weise ein Trägerblech 22" vorgese-

b^r> he, das ähnlich wie das Blech 22' bei der Ausführungsforni nach F i g. 3 einen Kanal 24" bildet, jedoch beidseitig mit den üblichen Weichstoffplatten 50" beschichtet ist. Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 ist der Kanal-

hohlraum 26" jedoch nur größtenteils, aber nicht vollständig mit einem im Einbauzustand der Dichtung flüssigen oder plastischen Material 32" gefüllt, und außerdem enthält der Kanalhohlraum 26" auch noch ein Gas 33", das für eine gewisse Kompressibilität des Kanals 24" ^r> sorgt.

Die F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform ähnlich denjenigen nach den Fig. 2 und 3. Es ist nämlich wiederum nur ein ggf. dünn beschichtetes Blech 22« vorgesehen, dessen Rand im Bereich einer Durchgangsöffnung wie eines Brennraumdurchgangs mit einem im Profil ungefähr U-förmigen Blechstreifen 24b eingefaßt ist, welcher einen ringförmigen, mit einer erfindungsgemäßen Füllung 32a ausgefüllten Kanal 24a bildet und dessen das Blech 22a übergreifende Schenkel mit dem Blech durch Schweißnähte 30a verbunden sind. Dadurch ergeben sich fertigungstechnische Vorteile, und außerdem kann ggf. für das Blech 22a ein geringcrwcrtiges Material verwendet werden, so daß der Einsatz des hochwertigen Materials auf den Bereich des Brennraumdurchgangs, 2» d. h. auf den Blechstreifen 24b beschränkt bleibt.

Anhand der F i g. 6 soll erläutert werden, wie der Kanal 24 der Ausführungsform nach den F i g. 1 und 2 am zweckmäßigsten hergestellt wird. Erfindungsgemäß wird nämlich an mehreren, in gleichem Abstand voncin- 2^r> ander angeordneten Stellen I, Il und III mil dem Verschließen des Kanalhohlraums 26 durch Schweißen oder Löten begonnen, wobei der Vorschub der Schweißoder Lötwerkzeuge jeweils in Pfeilrichliing erfolgt. Die Schweißnaht wurde strichpunktiert angedeutet und mit h> 52 bezeichnet.

Zweckmäßigerweise verwendet man als Blech handelsübliche Stahlbleche, vorzugsweise 0,1 —0,4 mm dick, oder hochlegierte Stähle.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

4^r>

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Claims

Patentansprüche:

1. Flachdichtung für über Raumtemperatur betriebene Geräte mit einer mindestens eine öffnung aufweisenden Dichtungsplatte und einem im Randbereich der öffnung angeordneten, ringförmigen Kanal mit metallischer Kanalwand und einer bei einer Pressungsbeanspruchung des Kanals nachgiebigen Füllung, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Kanalwand einen überall geschlossenen Kanal bildet und daß die Füllung wenigstens überwiegend aus einem zumindest im Einbauzustand der Flachdichtung weitgehend inkompressible!!, flüssigen oder plastischen, niederpolymeren Material besteht, welches bei der Betriebstemperatur der Flachdichtung durch Vernetzungsreaktionen in einen hochpolymeren Zustand übergeht.

2. Flachdichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß das niederpolymerc Material ein gegebenenfalls gefüllter Kunststoff, insbesondere ein unvulkanisiertes Fluor- oder Silikonelastomer, ist.

3. Flachdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal aus einem auf sich selbst zurückgebogenen Metallblech gebildet und durch eine in sich geschlossene, ringförmige Schweiß- oder Lötnaht verschlossen ist.

4. Flachdichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal von einem ein- oder mehrlagigen Trägerblech der Flachdichtung gebildet wird.

5. Flachdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal von einem ungefähr U-förmigen Blechstreifen gebildet wird, dessen Schenkel eine Blechplatte der Flachdichtung übergreifen und mit dieser durch lingförmigc Schweißoder Lötnähte verbunden sind.

6. Flachdichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsplattc als ein- oder mehrlagige Blechplatte ausgebildet ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Flachdichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig an mehreren, längs des Kanals in gleichen Abständen voneinander angeordneten Stellen mit dem Schweißen bzw. Löten begonnen und der Kanal von diesen Stellen aus im gleichen Richtungssinn fortschreitend verschlossen wird.