DE3500071C2

DE3500071C2 -

Info

Publication number: DE3500071C2
Application number: DE19853500071
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 7433 Dettingen De Ruess
Original assignee: Elring Dichtungswerke GmbH
Current assignee: Elring Dichtungswerke GmbH
Priority date: 1985-01-03
Filing date: 1985-01-03
Publication date: 1987-11-12
Also published as: DE3500071A1; GB2169362A; GB2169362B; GB8531692D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinderkopfdichtung mit mindestens einer Brennraum-Durchgangsöffnung, welche ein beidseitig mit Weichstoffauflagen beschichtetes Trägerblech sowie einen die Brennraum-Durchgangsöffnung einfassenden metallischen Dichtring aufweist, wobei für den Weichstoff der Weichstoffauflage eine ausreichende Kompressibilität derselben gewährleistende Ausweichräume vorgesehen sind.

Eine bekannte Zylinderkopfdichtung mit einem verhältnismäßig dünnen Trägerblech mit nach beiden Seiten herausgedrückten Verankerungszacken und demgegenüber verhältnismäßig dicken Weichstoffauflagen, in deren freie Oberflächen flache, wannenförmige Vertiefungen eingeprägt sind, zwischen denen ein regelmäßiges Netz von schmalen zusammenhängenden Stegen stehengeblieben ist, ergibt sich aus der DE-PS 26 46 832. Bei dieser bekannten Zylinderkopfdichtung bestehen die Weichstoffauflagen aus kompressiblem Material, nämlich aus kunststoffgebundenen Asbestfasern, und dank der zwischen den Vertiefungen befindlichen schmalen Stege passen sich die Weichstoffauflagen verhältnismäßig gut an die Oberflächenstruktur der abzudichtenden Flächen von Motorblock und Zylinderblock an, da beim Anziehen der Zylinderkopfschrauben die verhältnismäßig verformungsweichen Stege flachgedrückt werden.

Verwendet man aber das herkömmliche Material, nämlich kunststoffgebundene Asbestfasern für die Weichstoffauflagen einer Zylinderkopfdichtung, so verlangt dies nicht nur einen verhältnismäßig hohen Aufwand bei der Herstellung der Bindemittel- Asbestfaser-Mischung sowie beim Auftragen dieser Mischung auf das Trägerblech, sondern Fasermaterial-Weichstoffauflagen machen auch Nachbehandlungsschritte notwendig, um die Abdichtungsgüte, vor allem die Querschnittsdichtigkeit, des Weichstofffmaterials zu verbessern und um ein Ankleben der Weichstoffauflagen am Zylinderkopf und am Motorblock zu verhindern, damit die Zylinderkopfdichtung zerstörungsfrei ausgebaut werden kann; diese Nachbehandlungsschritte bestehen im ganzen oder teilweisen Tränken des Weichstoffmaterials mit Imprägniermitteln sowie im Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung.

Viel leichter herstellbar sind Weichstoffauflagen aus einem elastomeren, inkompressiblen Material wie einem Kautschuk. Derartige elastomere Weichstoffauflagen passen sich auch optimal an die Oberflächenstruktur der abzudichtenden Flächen an, jedoch werfen sie ein bislang bei Zylinderkopfdichtungen der eingangs erwähnten Art nicht bewältigtes Problem auf: Bei den heutigen Hochleistungsmotoren sowie bei Motoren für Nutzfahrzeuge werden an die mechanische Festigkeit einer Zylinderkopfdichtung hohe Anforderungen gestellt, so daß man bestrebt ist, die die Brennraum- Durchgangsöffnungen einfassenden, metallischen Dichtringe, wie die bekannten aus Metallblech hergestellten Einfassungsbördelringe, unmittelbar am Trägerblech zu befestigen. Wenn sich beim Anziehen der Zylinderkopfschrauben diese Dichtringe aber nicht in das Material der von ihnen übergriffenen Weichstoffauflagen eindrücken lassen, wie dies bei geläufigen Zylinderkopfdichtungen und auch bei der bekannten Zylinderkopfdichtung nach der DE-PS 26 46 832 der Fall ist, führen inkompressible Weichstoffauflagen aus elastomerem Material zu einer ungenügenden oder sogar völlig fehlenden Höhenanpassungsfähigkeit zwischen den die Brennraum-Durchgangsöffnungen einfassenden, metallischen Dichtringen und den inkompressiblen Weichstoffauflagen, so daß beim Anziehen der Zylinderkopfschrauben der Fall eintreten kann, daß nur im Bereich der die Brennraum-Durchgangsöffnungen einfassenden Dichtringe oder nur im Bereich der Weichstoffauflagen die erforderliche Dichtflächenpressung auftritt. Wird eine inkompressible, elastomere Weichstoffauflage also nur um einige hundertstel Millimeter zu dick gemacht, so tragen beim Anziehen der Zylinderkopfschrauben die Weichstoffauflagen bereits den größten Teil der Schraubenkräfte, und es ergibt sich eine Verteilung der Dichtflächenpressung zwischen den die Brennraum- Durchgangsöffnungen einfassenden, metallischen Dichtringen und den Weichstoffauflagen, die den Erfordernissen im Betrieb gerade entgegengesetzt ist, da die durch eine Zylinderkopfdichtung abzudichtenden Drücke im Brennraumbereich sehr viel höher sind als im Bereich von Durchgangsöffnungen für die Kühlflüssigkeit und das Schmieröl. Die zu fordernde Präzision bei der Herstellung einer Zylinderkopfdichtung würde also bei der Verwendung von inkompressiblen Weichstoffauflagen aus elastomerem Material weit höher als die wirtschaftlich noch vertretbaren Fertigungstoleranzen liegen.

Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, eine auch für die heutigen Hochleistungsmotoren und insbesondere für die Verbrennungsmotoren von Nutzfahrzeugen geeignete Zylinderkopfdichtung zu schaffen, die sich verhältnismäßig billig herstellen läßt und eine definierbare, funktionsgerechte und funktionssichere Verteilung der Dichtpressung über die Zylinderkopfdichtung ermöglicht, d. h. eine verhältnismäßig hohe Dichtpressung im Bereich der Brennraum- Durchgangsöffnungen und eine geringere Dichtflächenpressung in den übrigen Bereichen der Zylinderkopfdichtung.

Ausgehend von einer Zylinderkopfdichtung der eingangs erwähnten Art läßt sich diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch lösen, daß der in Kompressionsrichtung verformungssteif ausgebildete Dichtring unmittelbar am Trägerblech befestigt ist, die senkrecht zur Dichtungsebene über den Dichtring überstehende Weichstoffauflagen im wesentlichen aus einem Elastomer bestehen, die Dicke des Trägerblechs das 2- bis 8fache der Dicke einer Weichstoffauflage und das Ausweichraumvolumen etwa 50% bis 80% des Weichstoffvolumens beträgt. Zur Schaffung von Ausweichräumen für das Elastomer können die Weichstoffauflagen aus einem geschäumten Elastomer gefertigt oder an mindestens einer ihrer Grenzflächen mit Vertiefungen versehen werden, es ist aber auch möglich, das Trägerblech als Lochblech auszubilden, so daß das elastomere Material der Weichstoffauflagen beim Anziehen der Zylinderkopfschrauben in die Öffnungen des Trägerblechs hinein verdrängt werden kann.

Durch die Erfindung wurde eine Zylinderkopfdichtung mit einem harten, steifen Trägerblech geschaffen, wie es insbesondere für die Verbrennungsmotoren von Nutzfahrzeugen gefordert wird, an dem der die Brennraum- Durchgangsöffnung einfassende, verformungssteife, metallische Dichtring sicher und fest, da unmittelbar, befestigt ist. Die Weichstoffauflagen aus einem Elastomer lassen sich leicht herstellen und am Trägerblech befestigen, und die Kombination aus nicht zu dünnen Weichstoffauflagen und einem verhältnismäßig großen Ausweichraumvolumen führt beim Anziehen der Zylinderkopfschrauben zu der gewünschten Dickenabstimmung zwischen Dichtring und Weichstoffauflagen, da die letzteren wegen ihrer Abmessungen die für diese Dicken- oder Höhenabstimmung notwendige Volumenverschiebbarkeit des elstomeren Materials gewährleisten, während sich der unmittelbar am Trägerblech befestigte, metallische Dichtring beim Anziehen der Zylinderkopfschrauben nicht setzen kann und auf diese Weise sichergestellt ist, daß um die Brennraum-Durchangsöffnungen herum die höchste Dichtpressung auftritt. Durch die Bemessung des Ausweichraumvolumens läßt sich jede gewünschte Verteilung der Dichtflächenpressung zwischen den Brennraum-Durchgangsöffnungsbereichen und den übrigen Bereichen der Zylinderkopfdichtung herbeiführen. Bei dem die Brennraum- Durchgangsöffnung einfassenden Dichtring muß es sich nicht um den üblichen, im Querschnitt C-förmigen Metallblechring handeln, wenn jedoch ein solcher verwendet wird, erreicht man durch die Erfindung zusätzlich den Vorteil, daß Bördelbrüche vermieden werden, da sich unter den Bördeln des Dichtrings kein Weichstoff befindet. Enthält die erfindunsgemäße Zylinderkopfdichtung ein gelochtes Trägerblech, um das notwendige Ausweichraumvolumen zu schaffen, so kann es sich um ein gleichmäßig gelochtes Blech handeln, so daß man nicht ein aufwendiges Stanzverfahren benötigt, um das Trägerblech nur partiell zu lochen. Wesentlich für die erfindungsgemäße Lösung ist es, daß geeignete konstruktive Maßnahmen ergriffen werden, um zu erreichen, daß sich die für die Weichstoffauflagen verwendeten, an sich inkompressiblen Elastomere wie kompressible Schichten verhalten. Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß reine Elastomerschichten eine hohe Querschnittsdichtigkeit aufweisen und mit einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung Notlaufeigenschaften herbeigeführt werden können, da bei einer eventuellen Undichtigkeit an in hoch beanspruchten Durchgangsöffnungen der Zylinderkopfdichtung eingelegten Dichtringen das abzudichtende Medium nur über die diese Durchgänge umgebenden Bereiche der Weichstoffauflagen fließen kann, die jedoch bei einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung mit einer gleichmäßigen Dichtflächenpressung beaufschlagt sind.

Flachdichtungen mit einer Metallplatte, die beidseitig mit einer Auflage aus einem Elastomer beschichtet ist, wobei diese Auflagen ein gleichmäßiges Raster von eingeformten Vertiefungen aufweisen, sind aus der GB 9 69 700 bekannt. Diese Flachdichtungen konnten die erfindungsgemäße Lösung jedoch nicht nahelegen, da sie ein viel zu dünnes Trägerblech und in Relation hierzu viel zu dicke Gummiauflagen aufweisen. Bei diesen bekannten Flachdichtungen handelt es sich auch nicht um Zylinderkopfdichtungen mit metallisch eingefaßten Brennraum-Durchgangsöffnungen, so daß die elastomeren Auflagen im Hauptschluß eingespannt werden und diese bekannten Flachdichtungen infolgedessen nur geringe Lasten aufnehmen können.

Bei Zylinderkopfdichtungen ist es an sich bekannt, der Einfassung von Brennraum-Durchgangsöffnungen dienende, im Querschnitt ungefähr C-förmige und aus Metallblech hergestellte Dichtringe unmittelbar an einem Trägerblech der Dichtungsplatte zu befestigen, deren Trägerblech beidseitig mit senkrecht zur Dichtungsebene über die Dichtringe überstehenden Weichstoffauflagen aus Kunststoff-gebundenen Fasern beschichtet ist. Bei dieser bekannten Zylinderkopfdichtung ist jedoch zum einen das Trägerblech eher dünner als die Weichstoffauflagen, und außerdem bestehen diese aus dem herkömmlichen Fasermaterial, für das auch keine Ausweichräume vorgesehen sind.

Schließlich ist auch schon eine Zylinderkopfdichtung bekannt geworden (US 43 51 534), bei der ein metallisches Trägerblech beidseitig mit Weichstoffauflagen versehen ist, deren Dicke nur etwa halb so groß als die Dicke des Trägerblechs ist; auch sind im Querschnitt C-förmige, die Brennraum-Durchgangsöffnungen der Zylinderkopfdichtung einfassende Metallblechdichtringe unmittelbar am Trägerblech befestigt, das jedoch unter den Dichtringen mit einer um die betreffende Durchgangsöffnung umlaufenden Sicke versehen ist, und der eine Schenkel des C-förmigen Querschnitts der Dichtringe ist entpsrechend gewölbt ausgebildet, so daß sich bei dieser bekannten Zylinderkopfdichtung die die Brennraum-Durchgangsöffnungen einfassenden Dichtringe beim Anziehen der Zylinder kopfschrauben beträchtlich zusammendrücken lassen. Die Weichstoffauflagen bestehen jedoch im wesentlichen aus kunststoffgebundenem Fasermaterial. Lediglich zur Vermeidung eines übermäßigen Verschleißes der Weichstoffauflagen in den Bereichen zwischen den außenliegenden Brennraum-Durchgangsöffnungen und den Schmalseiten der Zylinderkopfdichtung aufgrund von Schiebebewegungen des Zylinderkopfs gegenüber dem Motorblock lehrt dieser Stand der Technik, in diesen Bereichen das Fasermaterial der Weichstoffauflagen entweder mit Gummi zu beschichten oder durch Gummi-Auflagesegmente zu ersetzen.

Um die Festigkeit des Trägerblechs optimal auszunutzen, empfiehlt es sich, die Dicke des Trägerblechs so zu bemessen, daß sie das ca. 2,5- bis 5fache der Dicke einer Weichstoffauflage beträgt. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform liegt die Dicke des Trägerblechs bei ca. 1,5±0,05 mm und die Dicke einer Weichstoffauflage bei ca. 0,3±0,1 mm. Außerdem handelt es sich bei dem Dichtring vorzugsweise um einen Metallblech- Einfassungsring mit einer Blechstärke von ca. 0,1 mm.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung,

Fig. 2 einen Schnitt durch diese Zylinderkopfdichtung nach der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt durch eine zweite Ausführungsform,

Fig. 4 einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt durch eine dritte Ausführungsform und

Fig. 5 einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt durch eine vierte, der Variante nach Fig. 3 ähnliche Ausführungsform.

Die Fig. 1 zeigt eine Zylinderkopfdichtung 10 für einen Vierzylindermotor mit Brennraum-Durchgangsöffnungen 12 sowie Durchgangsöffnungen 14 und 16 für das Kühlwasser und das Schmieröl. Die Durchgangsöffnungen für die Zylinderkopfschrauben sind mit 18 bezeichnet worden.

In Verbindung mit der Fig. 2 läßt die Fig. 1 die Brennraum- Durchgangsöffnungen 12 einfassende Dichtringe 20 erkennen, bei denen es sich um übliche Metallblech- Einfassungsringe handelt, welche unmittelbar an einem Trägerblech 22 befestigt sind. Das letztere ist beidseitig mit nicht unter die Dichtringe 20 reichenden Weichstoffauflagen 24 beschichtet, die z. B. aus einem Silikon-Kautschuk bestehen und im unbelasteten Zustand der Zylinderkopfdichtung senkrecht zu deren Ebene über die Dichtringe 20 überstehen. In den nach außen gekehrten Oberflächen der Weichstoffauflagen 24 befinden sich kugelabschnittförmige Vertiefungen 26, die in Fig. 1 nur als Punkte dargestellt wurden. Das Volumen dieser Vertiefungen 26 wurde so berechnet, daß sich beim Einbau der Zylinderkopfdichtung und beim Anziehen der Zylinderkopfschrauben die Dicke der Weichstoffauflagen 24 derart vermindern läßt, daß sich die höchste Dichtpressung an den Dichtringen 20 und nicht an den Weichstoffauflagen 24 ergibt.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform wurden Weichstoffauflagen 24′ aus einem geschäumten Elastomer verwendet, wobei dessen Hohlräume 26′ an die Stelle der Vertiefungen 26 der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 treten.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 wurde ein als Lochblech gestaltetes Trägerblech 22′′ verwendet, welches beidseitig mit Weichstoffauflagen 24′′ beschichtet wurde, die bei unbelasteter Zylinderkopfdichtung durch planparallele Flächen begrenzt werden und keine Hohlräume aufweisen, deren Material jedoch nach dem Einbau und dem Anziehen der Zylinderkopfschrauben teilweise in die Löcher 26′′ des Trägerblechs hineinverdrängt wird.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 soll die Dicke des Trägerblechs 22 1,5 mm ± 0,05 mm betragen, die Dicke des Blechs, aus dem der Dichtring 20 gefertigt wurde, beträgt 0,1 mm, die Dicke einer jeden Weichstoffauflage 24 0,3±0,1 mm, und das Volumen der Vertiefungen 26 einer Weichstoffauflage 24 soll zwischen 60% und 80% des Volumens der Weichstoffauflage betragen. Im unbelasteten Zustand ist die Zylinderkopfdichtung dann 2,1 mm dick, während die Soll-Einbaudicke, d. h. die Dicke nach dem Anziehen der Zylinderkopfschrauben, 1,7 mm beträgt.

Bei dieser Zylinderkopfdichtung können die Dickentoleranzen des Trägerblechs 22 gegenüber den Dickentoleranzen der Weichstoffauflagen 24 vernachlässigt werden, und mit den vorstehend aufgeführten Dickentoleranzen ergeben sich folgende relative Stauchungen E der Weichstoffauflagen 24 beim Anziehen der Zylinderkopfschrauben:

E _Nennwert = 67% E _max. = 75% E _min. = 50%

Die Differenz zwischen maximaler und minimaler Stauchung beträgt also 25%.

Wären dem elastomeren Material der Weichstoffauflagen 24 keine Ausweichräume in Form der Vertiefungen 26 zur Verfügung gestellt worden (natürlich darf es sich dann auch nicht um ein geschäumtes Elastomer oder um ein gelochtes Trägerblech handeln), so ließen sich die Weichstoffauflagen 24 nur um maximal ca. 5% bis 10% zusammendrücken (Verdrängung des elastomeren Materials in die Durchgangsöffnungen der Zylinderkopfdichtung hinein), wenn die Forderung berücksichtigt wird, daß bei eingebauter, angezogener Zylinderkopfdichtung die Dicke einer Weichstoffauflage nicht größer als die Blechstärke des Dichtrings 20 sein darf (ca. 0,1 mm). Hieraus folgt, daß sich eine elastomere Weichstoffauflage 24 ohne Ausweichräume nur um 0,005 mm zusammendrücken läßt, woraus folgt, daß die Herstellungstoleranzen kleiner als diese Verformbarkeit sein müssen. Dann kann aber auch die Blechdickentoleranz nicht mehr vernachlässigt werden, und diese beträgt bei teuren Feinblechen ca. ±0,02 mm. Für eine solche Zylinderkopfdichtung ohne Ausweichräume würden sich folgende Abmessungen ergeben:

Dicke des Trägerblechs:1,5 mm Dicke des Blechs des
Dichtrings 20:0,1±0,02 mm Dicke einer Weichstoffauflage:0,12±0,01 mm Dicke der unbelasteten
Zylinderkopfdichtung:1,74±0,02 mm Sollstärke der eingebauten
und angezogenen Zylinderkopf-
dichtung:1,70 mm

Hieraus ergeben sich folgende theoretischen Stauchungen E der Weichstoffauflagen:

E _Nennwert = 17% E _max. = 38% E _min. = 0%

Die Differenz zwischen maximaler und minimaler Stauchung beträgt also 38%, und die minimale Stauchung von 0% zeigt deutlich, daß bereits eine Dickenabweichung von 10^-2 mm zum völligen Versagen der Zylinderkopfdichtung führt, weil keine Dichtflächenpressung mehr gegeben ist. Da die Streubreite der Stauchung der Weichstoffauflagen (E _max.-E _min.) hier größer ist als die tatsächliche Zusammendrückbarkeit der Weichstoffauflagen, lassen sich Zylinderkopfdichtungen, deren Trägerblech außerhalb der die Brennraum-Durchgangsöffnungen einfassenden Dichtrings vollflächig mit inkompressiblen, elastomeren Weichstoffauflagen beschichtet ist, mit wirtschaftlichem Aufwand nicht realisieren.

Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform ist bis auf die Ausbildung des Brennraum-Dichtrings mit derjenigen nach Fig. 3 identisch. Anstelle des im Querschnitt C-förmigen Dichtrings 20 ist am Trägerblech 22 ein in der Brennraum- Durchgangsöffnung liegender massiver Metallring 20′ befestigt.

Claims

1. Zylinderkopfdichtung mit mindestens einer Brennraum- Durchgangsöffnung, welche ein beidseitig mit Weichstoffauflagen beschichtetes Trägerblech sowie einen die Brennraum- Durchgangsöffnung einfassenden metallischen Dichtring aufweist, wobei für den Weichstoff der Weichstoffauflage eine ausreichende Kompressibilität derselben gewährleistende Ausweichräume vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der in Kompressionsrichtung verformungssteif ausgebildete Dichtring (20) unmittelbar am Trägerblech (22) befestigt ist, die senkrecht zur Dichtungsebene über den Dichtring (20) überstehenden Weichstoffauflagen (24) im wesentlichen aus einem Elastomer bestehen, die Dicke des Trägerblechs (22) das 2- bis 8fache der Dicke einer Weichstoffauflage (24) und das Ausweichraumvolumen etwa 50% bis 80% des Weichstoffvolumens beträgt.

2. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Trägerblechs (22) das ca. 2,5- bis 5fache der Dicke einer Weichstoffauflage (24) beträgt.

3. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Trägerblechs (22) ca. 1,5±0,05 mm und die Dicke einer Weichstoffauflage (24) ca. 0,3±0,1 mm beträgt.

4. Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (20) eine Metallblech-Einfassung mit einer Blechstärke von ca. 0,1 mm ist.

5. Zylinderkopfdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Weichstoffauflagen (24) im wesentlichen aus einem der folgenden Werkstoffe bestehen: Acrylnitril-Butadien- Kautschuk, Silikon-Kautschuk oder Fluor-Kautschuk.

6. Zylinderkopfdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaffung von Ausweichräumen (26; 26′; 26′′) für das Elastomer eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen getroffen sind:

a) die Weichstoffauflagen (24′) bestehend aus einem geschäumten Elastomer;
b) die Weichstoffauflagen (24) weisen an mindestens einer ihrer Grenzflächen Vertiefungen (26) auf;
c) das Trägerblech (22′′) ist als Lochblech ausgebildet.