DE4017822A1 - Ringdichtung zur abdichtung des kugelkoerpers eines kugeldrehschiebers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ringdichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Ringdichtung dieser Art ist in der DE-OS 36 04 137 beschrieben und dargestellt. Bei dieser bekannten Ausge­ staltung ist die Ringdichtung in einer Ringnut aufgenommen, die zum Kugeldrehschieber hin offen ist. Dabei kann die Ring­ dichtung in Ebenen angeordnet sein, die sich parallel oder geneigt zur Rotationsachse des Kugeldrehschiebers erstrecken. Im Betrieb des Verbrennungsmotors ist die Ringdichtung einer hohen Temperatur ausgesetzt. Diese Temperaturbelastung ist trotz der hohlzylindrischen Wand vorgegeben, die sich zwischen der Ringdichtung und dem Verbrennungsraum in der Regel bis zum Kugelkörper des Kugeldrehschiebers hin erstreckt. Auf­ grund dieser hohen Temperaturbelastung ist die Werkstoff­ auswahl der Dichtungsringe beschränkt, und außerdem führt die hohe Temperatur auch bei temperaturbeständigen Dichtungs­ ringen zu einem erhöhten Verschleiß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ringdichtung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß der schädliche Temperatureinfluß auf den Dichtungsring vermindert wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 16 gelöst.

Bei beiden erfindungsgemäßen Ausgestaltungen gemäß Anspruch 1 und 16 erfolgt bei einfacher und kostengünstiger Ausge­ staltung eine wirksame Kühlung der Dichtungsringe. Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 1 wirkt die Kühlung unmittelbar auf die Dichtungsringe, bei der nach Anspruch 16 mittelbar. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung können auch weniger temperaturfeste Dichtungsringe wie Gummi oder Kunst­ stoff eingesetzt werden,und es wird die Lebensdauer erhöht, da die Dichtungsringe bei zum einen niederigerer und zum anderen gleichmäßigerer Temperatur arbeiten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, die zu einer einfachen und kostengünstigen Bauweise, einer verbesserten Kühlung, einer einfachen Montage bzw. Demontage, einer ver­ besserten Abdichtung und/oder verbesserten Lagerung der Ringdichtung beitragen, sind in den Unteransprüchen be­ schrieben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in einer Zeich­ nung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Zylinderkopf eines mittels eines im Zylinder­ kopf gelagerten Kugeldrehschiebers gesteuerten Ver­ brennungsmotors mit einer erfindungsgemäßen Ring­ dichtung zur Abdichtung des Kugelkörpers des Kugel­ drehschiebers gegenüber dem Zylinderkopf im axialen Schnitt;

Fig. 2 die Dichtungsanordnung im axialen Schnitt in ver­ größerter Darstellung.

Von dem mit 1 bezeichneten Zylinderkopf des nicht darge­ stellten Verbrennungsmotors ist lediglich der den Kugel­ drehschieber 2 lagernde Teil dargestellt, der längs der Mittelachse des Kugeldrehschiebers 2 geteilt ist und aus einem Unterteil 1.1 und Oberteil 1.2 besteht.

Der Kugeldrehschieber 2 besteht aus einem Kugelkörper 3 und zwei sich seitlich und rotations-symmetrisch an diesem anschließende Lagerzapfen 4, 5, die in Lagerbohrungen 6, 7 mittels geeigneten Wälz- oder Gleitlagern gelagert sind. Der Zylinderkopf 1 umgibt den Kugelkörper 3 mit einer ent­ sprechend der Kugelfläche 8 gekrümmten konkaven Kugelfläche 9 oder Kugelflächenabschnitten, die in die Lagerung des Kugel­ körpers einbezogen oder davon freigestellt sein kann. D. h., im ersten Fall liegt der Kugelkörper 3 mit seiner konvexen Kugelfläche 8 an der konkaven Kugelfläche 9 des Zylinder­ kopfes 1 an, während im zweiten Fall ein geringer Spalt zwischen den Kugelflächen 8, 9 vorhanden ist, wodurch die konkave Kugelfläche 9 von der Lagerung des Kugelkörpers 3 freigestellt ist.

Im Kugeldrehschieber 2 erstrecken sich ein Zuführungskanal 11 und ein Abführungskanal 12 für Verbrennungsluft bzw. ein Verbrennungsluftgemisch und die Abgase, wobei die Zuführungs­ und Abführungskanäle 11, 12 voneinander getrennt sind, im mittleren Bereich des Kugelkörpers 3 an dessen Kugelfläche 8 münden bzw. beginnen und nach einer Krümmung axial durch die Lagerzapfen 4, 5 verlaufen und in nicht dargestellter Weise mit einer Zuführungsleitung und einer Abführungsleitung für die Ver­ brennungsluft bzw. die Abgase in Verbindung stehen. Die Öffnungen des Zuführungskanals 11 und des Abführungskanals 12 im Kugelkörper 3 sind mit 13 und 14 bezeichnet. Diese Öffnungen 13, 14 befinden sich in einer mittleren Rotationszone, die sich im Bereich des vom Kugelkörpers 3 begrenzten Ver­ brennungsraums 15 des Zylinderkopfes 1 befindet. Im Zylinder­ kopf 1 und/oder auch im Kugeldrehschieber 2 verlaufen Kühl­ mittel- und/oder Schmiermittelkanäle, zur Kühlung und/oder Schmierung von bestimmten Stellen des Zylinderkopfes 1 bzw. Kugeldrehschiebers 2, insbesondere von Lagerstellen. Mit 10 ist ein Schraubentrieb als Drehantrieb für den Kugeldrehschieber dargestellt, der in Abhängigkeit der Dreh­ zahl des Verbrennungsmotors gesteuert ist.

Zur Abdichtung des Verbrennungsraumes 15 ist eine Ring­ dichtung 16 vorgesehen, die durch einen Ringkörper 17 mit einer Dichtungsfläche 18 gebildet ist, der in einer den Ver­ brennungsraum 15 umgebenden Ringnut 19 angeordnet ist, die zum Kugelkörper 3 hin offen ist. Innenseitig ist somit die Ringnut 19 von einer vorzugsweise hohlzylindrischen Wand 21 begrenzt, die sich bis zur konvexen Kugelfläche 8 des Kugelkörpers 3 erstreckt. Die Ringdichtung 16 wirkt mit den Ringzonen 22.1, 22.2 der Kugelfläche 8 des Kugelkörpers 3 zusammen, die sich zu beiden Seiten der Öffnungen 13, 14 und des Verbrennungs­ raumes 15 befinden. Die dem Verbrennungsraum 15 abgewandte Seite des Ringkörpers 17, d. h., die dem Lager des Kugel­ drehschiebers 2 zugewandte Außenseite des Ringkörpers, auf der sich ein Freiraum, ein Spalt oder auch ein Gleitspiel zwischen dem Kugelkörper 3 und dem Zylinder-Unterteil 1, 1.1 befinden kann, ist mit 20 bezeichnet. Der Ringkörper 17 ist mit radialem Spiel Sr₁, Sr₂ in der Ringnut 19 aufgenommen, von denen vorzugsweise das Spiel Sr₁ unter Berücksichtigung des Größenverhältnisses kleiner ist als das Spiel Sr₂ (Sr₁ < Sr₂). Infolgedessen vermag er sich radial und axial in der Ringnut 19 geringfügig zu bewegen, um sich an auf Temperatureinflüsse beruhende Längen- bzw. Positionsver­ änderungen der Kugel anpassen zu können. Bewegungsmittel­ punkt des Ringes ist jedoch ausschließlich Mittelpunkt 25 des Kugelkörpers 3.

Der Ringkörper 17 ist an seiner radialen Außenfläche 26 und seiner radialen Innenfläche 27 gegenüber der zylindrischen Innenfläche 28 und der zylindrischen Außenfläche 29 der Ringnut 16 bzw. des Zylinderkopfes 1 abgedichtet. Hierzu sind Ringnuten 31, 32 in der zylindrischen Außenfläche 26 und der zylindrischen Innenfläche 27 des Ringkörpers 17 vorgesehen und zwar vorzugsweise in der Nähe seines den Kugelkörper 3 abgewandten Endes, in denen Dichtungsringe 33, 34, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel O-Ringe, ein­ gesetzt sind.

Die Tiefe t der Ringnut 19 ist so groß bemessen, daß zwischen ihrem Nutgrund 35 und dem Ringkörper 17 ein freier Ringraum 36 vorhanden ist, in dem eine Druckfeder, vorzugsweise eine Wellfeder 37 angeordnet ist, die den Ringkörper 17 gegen die Kugelfläche 8 vorspannt.

Da die sich zwischen der Ringnut 19 bzw. der Ringdichtung 16 und dem Verbrennungsraum 15 erstreckende Wand 21 im Betrieb des Verbrennungsmotorshohen Temperaturen ausgesetzt ist, ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Schutzvor­ richtung zum Schutz des inneren Dichtungringes 33 vorgesehen. Diese Schutzvorrichtung wird durch eine Hülse 38 gebildet, die auf der zylindrischen Außenfläche 29 der hohlzylindrischen Wand 21 in einer Position, in der sie gegen den Nutgrund 35 gesetzt ist, befestigt, vorzugsweise aufgeschrumpft ist. Auf ihrer Innenseite weist die Hülse 38 eine Ringnut 39 auf, die entweder zum Nutgrund 35 ausläuft oder durch wenig­ stens zwei axiale Kanäle 41 mit dieser Stirnseite der Hülse 38 in Verbindung steht. An ihrem Nutgrund 39 abgewandten, bzw.dem Kugelkörper 3 zugewandten Ende ist die Außenkante der Hülse 38 abgeschrägt, damit die Ringdichtung 16 leicht aufgeschoben werden kann.

Infolgedessen bestehen an der Ringdichtung 16 zwei vorzugs­ weise voneinander getrennte Ringkühlkanäle 36, 39, die durch beim vorliegenden Ausführungsbeispiel axiale Verbindungs­ kanäle 44, 45 an zwei Stellen des Umfangs der Ringdichtung 16, vorzugsweise an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen, mit vorzugsweise radialen Zuführungs- bzw. Abführungskanälen 46, 47 verbunden sind, die sich jeweils im Zylinderkopf 1 radial einwärts erstrecken und an einen nicht dargestellten Kühlkreislauf angeschlossen sind.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der Ringkörper 17 aus drei Teilen, nämlich dem eigentlichen Dichtungsring 51, einem diesen spielfrei umgebenden Trägerring 52 und einem Gegenlagerring 53, der an der dem Kugelkörper 3 abgewandten Stirnfläche des Dichtungsringes 51 anliegt. Der Trägerrring 52 übergreift die dem Kugelkörper 3 zugewandte Stirnseite 54 des Dichtungsringes 51 mit einem Schulteransatz 55, der in Anpassung an die Kugelfläche 8 abgeschrägt ist und bei Anlage des Dichtungsringes 51 an der Kugelfläche 8 einen Abstand von dieser aufweist.

Die zylindrische Außenfläche 26 und die Ringnut 32 mit dem Dichtungsring 34 sind am Trägerring 52 vorhanden, während die zylindrische Innenfläche 27 mit der Ringnut 31 und dem Dichtungsring 33 am Gegenlagerring 53 vorhanden sind. Der Innen­ durchmesser d₂ des Dichtungsringes 51 ist kleiner bemessen, als der Innen­ durchmesser d₁ des Gegenlagerrings 53, wobei diese beiden Ringe jeweils von etwa rechteckigen oder quadratischen Querschnitt sind. Hierdurch ist eine Ring-Schulterfläche 56 am inneren Rand der dem Kugelkörper 3 abgewandten Stirnseite des Dichtungsrings 51 gebildet. Die Bemessung ist so getroffen, daß zwischen dem Dichtungsring 51 und der zylindrischen Wand 21 sowie zwischen dem Dichtungsring 51 und dem ihm zugewandten Ende der Hülse 38 ein Ringspalt S₁ besteht. Ein dünner Ring­ spalt S₂ besteht auch zwischen der zylindrischen Wand 21 und der Kugelfläche 8 des Kugelkörper 3.

Das Dichtungselement 18 des Dichtungringes 51 wird durch eine Fase 59 an der der Kugelfläche 8 zugewandten Innenkante des Dichtungringes 51 gebildet, wobei die Fase 59 eine Schräg­ fläche oder eine an die Kugelfläche 8 angepaßte konkave Krümmungsfläche sein kann.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen der Dichtungsring 51 und der Gegenlagerring 53 gleiche Außendurchmesser auf, und sie sind spielfrei an der zylindrischen Innenfläche 61 des Trägerrings 52 aufgenommen, vorzugsweise eingepreßt. Vorzugsweise sind der Trägerring 52 und der Gegenlagerring 53 starr miteinander verbunden, z. B. durch Löten oder eine Schweißung an der mit 62 bezeichneten Stelle. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel überragt der Gegenlagerring 53 den Träger­ ring 52 an der dem Kugelkörper 3 abgewandten Seite, wobei die Wellfeder 37 den Gegenlagerring 53 umgibt und gegen das ihr zugewandte Stirnende des Trägerrings 52 drückt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel bestehen der Trägerring 52 und der Gegenlagerring 53 vorzugsweise aus Stahl, während der Dichtungsring 51 aus Kohle oder Keramik bestehen kann.

Im Betrieb des Verbrennungsmotors bewirkt der Kühlkreislauf eine Strömung des Kühlmediums, vorzugsweise Kühlöles, die sich jeweils vom Zuführungskanal 46 durch die Ringkühl­ kanäle 36, 39 zum Abführungskanal 47 erstreckt. Hierdurch wird die Ringdichtung 16 gekühlt und/oder geschmiert, je nach Verwendung eines Kühl- und/oder Schmiermittels.

Aufgrund des vorhandenen Ringspaltes S₂ zwischen der zylindrischen Wand 21 und der Kugelfläche 8 sowie der Spalte S₁ und Sr₁ pflanzt sich im Betrieb des Verbrennungs­ motors der Verbrennungsdruck bis zur Innenseite der Ring­ dichtung 16 fort. Aufgrund von Fertigungstoleranzen vermag dieser Verbrennungsdruck auch an der Dichtungsfläche 59 des Dichtungsringes 51 wirken, wodurch sich eine durch einen Pfeil F₁ bezeichnete Kraft ergibt, deren Axialkomponente der von der Wellfeder 37 aufgebrachten Vorspannungskraft F₂ entgegenwirkt. Aufgrund der vorhandenen Ringspalte S₂, S₁ und Sr₁ vermag der Verbrennungsdruck in abgeschwächter Weise auch gegen den Dichtungsring 33 zu wirken, wodurch sich eine axiale Kraft F₃ ergibt, die ebenfalls gegen die Vorspannkraft F₂ wirkt. Zwecks Vergleichmäßigung der wirk­ samen Vorspannkraft ist deshalb eine verbrennungsdruckab­ hängige zusätzliche Vorspannkraft erwünscht. Dies wird durch die Ring-Schulterfläche 56 erreicht, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel am Dichtungsring 51 ausgebildet ist. Der Verbrennungsdruck erzeugt an der Ring-Schulterfläche 56 eine Vorspannkraft F₄, die die Vorspannkraft F₂ der Wellfeder 37 unterstützt. Vorzugsweise ist die Ring-Schulterfläche 56 so groß bemessen, daß die Vorspannkraft F₄ gleich oder größer ist, als die wirksame resultierende Kraft aus den Kräften F₁ und F₃.

Claims (21)

1. Ringdichtung (16) zur Abdichtung des Kugelkörpers (3) eines in einem Zylinderkopf (1) eines Verbrennungsmotors drehbar gelagerten, den Verbrennungsraum (15) begrenzenden Kugeldrehschiebers (2),
bestehend aus einem Ringkörper (17) mit einem Dichtungs­ element (59), der in einer zum Kugelkörper (3) offenen Ringnut (19) des Zylinderkopfes (1) aufgenommen ist, wobei zwischen dem Ringkörper (17) und der Wand der Ring­ nut (19) ein Dichtungsring (34) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ringnut (19) an zwei vorzugsweise einander dia­ metral gegenüberliegenden Stellen mit einem Kühlmittel­ kreislauf (46, 47) verbunden ist und diese Verbindungs­ stellen (45) durch jeweils einen zwischen dem Ring­ körper (17) und der Wandung der Ringnut (19) wirksamen Dichtungsring (33, 34) zum Verbrennungsraum (15) hin und zur dem Verbrennungsraum (15) abgewandten Seite (20) hin abgedichtet sind.

2. Ringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsringe (33, 34) an den zylindrischen Außen- und Innenflächen (26, 27, 28, 29) der Ringnut (19) und des Ringkörpers (17) angeordnet sind.

3. Ringdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsringe (33, 34) aus elastischem Material bestehen, vorzugsweise O-Ringe sind, und in insbesondere im Ringkörper (17) vorgesehenen Ringnuten (31, 32) aufge­ nommen sind.

4. Ringdichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnuten (31, 32) an den zylindrischen Außen- und Innenflächen (26, 27) des Ringkörpers (17) ange­ ordnet sind.

5. Ringdichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (17) aus einem Dichtungsring (51) und einem Trägerring (52) besteht, wobei der Dichtungsring (51) an der zylin­ drischen Innenfläche (61) des Trägerrings (52) ge­ lagert ist und der Trägerring (52) den Dichtungsring (51) frontseitig mit einem vorzugsweise ringförmigen, radial einwärts vorspringenden Ansatz (55) übergreift.

6. Ringdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (51) rückseitig durch einen Gegenlagerring (53) begrenzt ist, der vorzugsweise ebenfalls an der zylindrischen Innenfläche (61) des Trägerrings (52) gelagert ist und mit dem Trägerring (52) starr verbunden, vorzugsweise verlötet oder ver­ schweißt ist.

7. Ringdichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der die Ringnut (19) innenseitig begrenzenden zylindrischen Wand (21) und der Kugelfläche (8) des Kugelkörpers (3) ein Spalt (S₂) vorgesehen ist.

8. Ringdichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (17) zwischen dem Dichtungselement (59) und der inneren Ringnut (31) bzw. dem inneren Dichtungsring (33) eine Ring-Schulterfläche (56) aufweist, die dem Dichtungs­ element (59) abgewandt ist.

9. Ringdichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der sich von der Ring-Schulterfläche (56) zum Dichtungselement (59) erstreckende Innenflächenab­ schnitt des Ringkörpers (17) zylindrisch und eine Differenzfläche, welche durch einen größeren Innen­ durchmesser d₁ und einen kleineren Innendurchmesser d₂ begrenzt ist, ergibt.

10. Ringdichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (17) oder Dichtungsring (51) aus Kohle oder Keramik besteht.

11. Ringdichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement durch eine Fase (59) am frontseitigen Innenrand des Ringkörpers (17) gebildet ist.

12. Ringdichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz (55) front­ seitig nach außen divergent abgeschrägt oder gerundet ist.

13. Ringdichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (17) mit vergrößertem radialem und axialem Bewegungsspiel (Sr₁, Sr₂) in der Ringnut (19) aufgenommen ist.

14. Ringdichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (17) durch eine Feder (37) gegen die abzudichtende Fläche (8) des Kugelkörpers (3) vorgespannt ist.

15. Ringdichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Nutgrund (35) und dem ihm zugewandten Stirnende des Ringkörpers (17) ein freier Ringraum (36) vorgesehen ist, in dem eine den Ringkörper (17) beauf­ schlagende Druckfeder, insbesondere Wellfeder (37), angeordnet ist, die sich am Nutgrund (35) abstützt.

16. Ringdichtung (16) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in dem dem Dichtungsring (33) zu­ geordneten Bereich der Wand (21) ein Ringkanal (39) vorgesehen ist, der an zwei vorzugsweise einander dia­ metral gegenüberliegenden Stellen (44) mit einem Kühl­ mittelkreislauf (46, 47) verbunden ist.

17. Ringdichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (39) in dem die Ringnut (19) radial innen begrenzenden Wandabschnitt angeordnet ist.

18. Ringdichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Wand (21) oder vorzugsweise der Wand (21) gegenüberliegend im Ringkörper (17) eine Ringnut (31) für einen insbesondere flexiblen bzw. elastischen Dichtungsring (33) vorzugsweise in Form eines O-Ringes (33) vorgesehen ist.

19. Ringdichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zylindrischen Außenfläche (29) der Ringnut (16) eine Hülse (38) auf­ gesetzt und vorzugsweise durch Schrumpfen befestigt ist, wobei der Ringkanal (39) zwischen der zylindrischen Außenfläche (29) und der Hülse (38), insbesondere an deren Innenseite angeordnet ist.

20. Ringdichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (36) und/oder Ringkanal (39) an den Kühlkreislauf (46, 47) angeschlossen sind.

21. Ringdichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zuführungs- und ein Abführungskanal (46, 47) des Kühlkreislaufs durch zwei vorzugsweise einander dia­ metral gegenüberliegende, radiale, sich hinter der Ringnut (19) von außen nach innen erstreckende Bohrungen gebildet sind, die durch bezüglich der Zylinderachse (23) axiale Verbindungskanäle (44, 45) mit dem Ringraum (36) und/oder dem Ringkanal (39) verbunden sind.