DE4343046A1 - Dichtungsring - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Dichtungsring aus einem Pul­ ver-Verbund-Metall, insbesondere in Verbindung mit einer Zylinderkopfdichtung.

Zylinderkopfdichtungen unterliegen einer Klemmbelastung aufgrund der Schraubenverbindung des Zylinderkopfes mit dem Motorblock, und sie bewirken eine Abdichtung aufgrund dieser Belastung.

Es sind verschiedene Arten solcher Dichtungsringe bekannt. Ein solcher Ring besteht im wesentlichen aus einem Draht mit einem allgemein kreisförmigen Querschnitt. Eine auf einen solchen Ring ausgeübte Spannkraft konzentriert sich auf den Kontaktpunkt, wodurch der Umfang des Ringes ver­ formt wird, um eine wirksame Abdichtung gegenüber den Ver­ brennungsgasen zu erreichen. Bei diesem Typ eines Dicht­ ringes treten jedoch thermische Risse und Brüche auf aufgrund einer plastischen Verformung, die bei den hohen Betriebstemperaturen während der Lebenszeit des Ringes auf­ treten.

Um diesem Problem zu begegnen, wird manchmal ein Dichtungs­ ring mit thermischer Sperre verwendet. Dieser Dichtungsring hat einen allgemein rechteckigen Querschnittsbereich, der gegen thermische Risse und Brüche widerstandsfähiger, ist wegen der größeren Oberfläche, auf welche die Druckkräfte wirken. Ein Nachteil dieses Ringes liegt jedoch darin, daß er infolge seiner großen Oberfläche und wegen der fehlenden Punktbelastung nur sehr wenig verformbar ist.

Um die Nachteile der vorgenannten beiden Dichtungsringe zu ver­ meiden, wurde ein Dichtungsring vorgeschlagen, der einen zen­ tralen Abschnitt mit allgemein kreisförmigem Querschnitt und einen Randabschnitt mit allgemein rechteckigem Querschnitt hat, der sich radial auswärts vom zentralen Abschnitt aus er­ streckt. Es ist ferner bekannt, ein erstes Metall für den zentralen Abschnitt und ein zweites Metall für den Randab­ schnitt zu verwenden.

Dieser Typ eines Dichtungsringes hat jedoch immer noch einige Nachteile. Die Verwendung von zwei separaten Metallen macht die Herstellung kompliziert. Ein solcher Ring erfordert fer­ ner einen Kompromiß zwischen einer gewünschten vertikalen Druckfestigkeit und einer Ringfestigkeit. Die Ringfestigkeit wird tangential zum Ringumfang gemessen und sollte ausrei­ chend hoch sein, um dem inneren Zylinderdruck zu widerstehen, der während des Betriebes des Motors entsteht. Wenn ein Dicht­ ring keine ausreichende Ringfestigkeit hat, neigt er dazu, sich zu erweitern, was zu einer Leckage der Verbrennungsgase führen kann. Gleichzeitig ist jedoch eine niedrige vertikale Streck­ grenze erwünscht, um einen verformbaren Dichtungsring zu er­ halten, der vollständig gegenüber den Verbrennungsgasen ab­ dichtet. Ferner kann bei diesen bekannten Dichtringen die Steifheit nicht selektiv längs einer gewählten Achse variiert werden, um die Flexibilität des Ringes zu steigern. Schließ­ lich bietet die Verwendung eines einzigen radial einwärts ver­ laufenden Randabschnittes oder Vorsprunges keine ausreichende Ringfestigkeit gegenüber den Gasdrücken.

Ein ringförmiger Dichtungsring für einen Motor nach der Er­ findung umfaßt einen zentralen Abschnitt mit einem massiven allgemein kreisförmigen Querschnitt und wenigstens einem Vorsprung, der sich radial vom zentralen Abschnitt aus weg er­ streckt. Der Ring besteht aus einem homogenen Pulver-Verbund- Metall, das Zonen unterschiedlicher Dichten nach dem Sintern bildet. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Pul­ vermetall hauptsächlich aus Titan.

Es ist möglich, die Größe, die Zusammensetzung und die Aus­ richtung der Zonen variierender Dichten zu verändern. Der Dichtungsring aus Pulver-Verbund-Metall kann daher herge­ stellt werden mit einer gewünschten Streckgrenze in vertikaler Richtung und in Umfangsrichtung, wobei die Steifheit längs einer gewünschten Achse selektiv als Funktion der Dichtungs­ belastung variiert werden kann. Wegen des allgemein kreis­ förmigen Querschnittes des zentralen Abschnittes ergeben sich hohe Belastungen, wodurch eine lokale Nachgiebigkeit des Rin­ ges ermöglicht wird. Diese Nachgiebigkeit gewährleistet eine gute Anfangsdichtung längs des Ringumfanges. Die variable Federrate kann jedoch genutzt werden, um eine weitere Nach­ giebigkeit zu begrenzen im Vergleich z. B. mit einem Dichtungs­ ring mit fester Federrate.

Obwohl der Ring vorzugsweise hauptsächlich aus Titan hergestellt wird, ermöglichen Spurenelemente des Pulvermetalles eine Schmierung, wodurch der Reibungskoeffizient an der Außen­ fläche des Ringes reduziert wird. Die Schmierung ist wichtig, um unerwünschtes Fressen zu verhindern. Wenn der Ring mit ei­ nem Flansch verwendet wird, kann die scheuernde Wirkung die Dicke der Schenkel reduzieren, was zu einem Bruch des Flan­ sches führen kann. Wenn kein Flansch verwendet wird, kann die scheuernde Wirkung zwischen den mechanischen Komponenten und dem Dichtring zu Leckagewegen für die Verbrennungsgase führen.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist eine hoch­ feste Materialzone in einem inneren Kern eines zentralen Ab­ schnittes und eine weitere Materialzone in einer äußeren Schicht um den inneren Kern sowie ein Vorsprung oder ein Randabschnitt vorgesehen. Eine zweite bevorzugte Ausführungsform umfaßt mehr­ schichtiges Laminat mit einer Mehrzahl von hochfesten Material­ zonen, die mit einer Mehrzahl von weichen Materialzonen ab­ wechseln. Wenn unterschiedliche Festigkeiten oder Steifheiten erforderlich sind, können die Richtung, die Anzahl oder Dicke dieser Zonen variiert werden. Wenigstens eine hochfeste Ma­ terialzone erstreckt sich vorzugsweise radial durch jeden der ringförmigen Abschnitte einschließlich des zentralen Ab­ schnittes und des Randabschnittes. In einer dritten bevorzug­ ten Ausführungsform sind zwei Vorsprünge oder Randabschnitte vorgesehen, welche eine zusätzliche Ringfestigkeit gegen das Ausblasen von Verbrennungsgasen bieten.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nach­ folgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 perspektivisch einen Teil einer Zylinderkopfdichtung, die mit der Erfindung versehen ist, zeigt.

Fig. 2 zeigt im Schnitt eine erste Aus­ führungsform eines Dichtringes nach der Erfindung.

Fig. 3 zeigt im Schnitt eine zweite Aus­ führungsform eines Dichtringes nach der Erfindung.

Fig. 4 zeigt im Schnitt eine dritte Aus­ führungsform eines Dichtringes nach der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Zylinderkopfdichtung 20 hat einen Dichtungskörper 22, Zylinderbohrungen 24 und Fluid­ strömungsöffnungen 26. Um den Zylinderkörper 22 gegen die Verbrennungsgase zu schützen und um eine Dichtung um eine nicht gezeigte Zylinderbohrung zu schaffen, hat die Dichtung 20 einen ringförmigen, U-förmigen Flansch 28 mit Schenkeln 30 und 32 sowie einen Verbrennungs-Dichtring 38 innerhalb des Flansches 28.

Wie Fig. 2 zeigt, hat der Dichtring 38 einen zentralen ring­ förmigen Abschnitt 40 mit allgemein kreisförmigem Querschnitt sowie einen ringförmigen Vorsprung oder Rand 42, der sich ra­ dial nach außen vom zentralen Abschnitt 40 aus erstreckt. Diese ringförmigen Abschnitte liegen in einer radialen Ebene. Der zentrale Abschnitt 40 bildet eine Hauptdichtung, während der Rand 42 eine sekundäre Dichtung bildet und zusätzliche Ringfestigkeit gegen das Ausblasen von Verbrennungsgasen bietet. Der Ring 38 besteht vorzugsweise aus einem Pulver- Verbund-Metall, und er hat einen separaten inneren Kern 44 aus einem hochfesten Material. Eine weiche Materialzone 46 er­ streckt sich als äußere Schicht 48 um den Umfang des zentra­ len Abschnittes 40 und bildet den gesamten Rand 42. Der inne­ re Kern 44 hat vorzugsweise eine Porosität von etwa 0%, und die weiche Materialzone 46 hat eine Porosität zwischen 3 und 60% und vorzugsweise zwischen 15 und 30%. Der Ring 38 ist gegen die Verbrennungsgase undurchlässig.

Der erfindungsgemäße Dichtring, der Zonen variierender Dichten hat, bietet zahlreiche Vorteile einschließlich der Fähigkeit, die Festigkeit des Dichtringes simultan sowohl in vertikaler Richtung als auch in Umfangsrichtung zu variieren. Die Streck­ grenze oder Elastizitätsgrenze des Materiales längs der ver­ tikalen Achse liegt in einem Bereich von etwa 1,5 bis 19 kp/cm² und vorzugsweise zwischen etwa 3,9 und 6,7 kp/cm². Dieser Be­ reich führt zu einem verformbaren zentralen Abschnitt 40, der eine gute Hauptabdichtung längs des Umfanges des Dichtringes 38 bewirkt. Ein bevorzugter Wert liegt bei etwa 4 kp/cm². Gleichzeitig ist es jedoch erwünscht, eine Umfangsfestigkeit oder Ring-Streckgrenze zwischen etwa 15,5 und 31 kp/cm² längs der Umfangsachse zu haben und vorzugsweise zwischen 15,5 und 25 kp/cm². Ein bevorzugter Wert beträgt etwa 25 kp/cm². Hierdurch wird gewährleistet, daß der Dichtring hohen, inneren Zylinderdrücken widerstehen kann, die während des Betriebes auftreten.

Ein weiterer Vorteil von Zonen mit unterschiedlichen Dichten bzw. Festigkeiten liegt darin, daß eine variable Federrate in dem Ring erzeugt werden kann, was bedeutet, daß die Steif­ heit längs einer gewählten Achse als Funktion der Dichtring­ belastung verändert werden kann. Wenn beispielsweise die vertikale Belastung erhöht wird, wird der Ring 38 steif, er widersteht einer thermischen Rißbildung und bietet trotzdem eine erwünschte Abdichtung in einer Art ähnlich derjenigen eines nachgiebigen Dichtringes. Die zusätzliche Steifheit ver­ ringert die Wahrscheinlichkeit einer plastischen Verformung, so daß der Ring seine Gestalt als Funktion des Elastizitäts­ modules wieder zurückgewinnt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsform ist ein Dichtring 60 vorgesehen, der einen zentralen Abschnitt 62 und einen Randabschnitt 64 hat. Der Dichtring besteht aus einem mehrschichtigen Laminat mit einer Mehrzahl von hoch­ festen Materialzonen 66, die abwechseln mit einer Mehrzahl von weichen Materialzonen 68. Vorzugsweise erstrecken sich die Zonen 66 und 68 radial nach außen von einem inneren Umfangsende 70 zu einem äußeren Umfangsende 72 der Dichtung 60, mit wenigstens einer hochfesten Zone 66, die sich radial durch jeden der ringförmigen Abschnitte erstreckt. Vorzugsweise ist ferner eine weiche Materialzone 68 an jedem vertikalen Ende des zentralen Abschnittes 62 vorgesehen, um die Konfor­ mität oder Anpassungsfähigkeit unter den Anfangs-Lastbe­ dingungen zu verbessern. Der Ring 60 kann aus drei oder fünf Lagen oder auch aus sieben Lagen bestehen, wie dargestellt, ist aber hierauf nicht beschränkt.

In einer dritten Ausführungsform, wie in Fig. 4 gezeigt, ist ein Dichtring 80 vorgesehen mit einem zentralen Abschnitt 82 und zwei Randabschnitten 84 und 86. Der Randabschnitt 84 erstreckt sich radial nach außen vom zentralen Abschnitt 82, während der Randabschnitt 86 sich radial einwärts von diesem erstreckt. Der Rand 86 ergänzt den Rand 84, um die Ring­ festigkeit oder Umfangsfestigkeit des Ringes 80 gegen das Ausblasen von Gas aus dem Zylinder zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß durch die Verwendung von zwei Rändern die Restspannungen im zentralen Abschnitt 82 während der Her­ stellung reduziert werden, wodurch die Möglichkeit eines Aus­ falles bei der Herstellung verringert wird. Der Dichtring 80 hat zwei hochfeste Materialzonen 88 und zwei nach außen blickende weiche Materialzonen 90 sowie eine innere weiche Materialzone 92. Die größere Querschnittsfläche der Zonen 90 an den vertikalen Enden des zentralen Abschnittes 82 erlaubt eine noch größere Verformbarkeit des Dichtringes. Wie bei dem Dichtring 60 wird vorgezogen, daß wenigstens eine hochfeste Materialzone sich durch jeden der Abschnitte erstreckt.

Während bei den bevorzugten Ausführungsformen der Dichtringe 38, 60 und 80 das Pulvermetall hauptsächlich Titan enthält, kann es ferner zwischen 2 und 6% Aluminium, zwischen 1 und 6% Vanadium, zwischen 0,5 und 4% Eisen und zwischen 1 und 6% Molybdän enthalten. Das Aluminium und das Vanadium erhöhen die strukturelle Festigkeit des Titans. Die Kombination von Eisen und Molybdän steigert die Festigkeit des Pulvermetalles bei hohen Temperaturen, während sie gleichzeitig den Reibungs­ koeffizienten an der Außenfläche des Dichtringes reduziert. Der größte Teil des Eisens und des Molybdäns reagiert mit dem Rest des Pulvers, einiges davon wird jedoch als Rest abge­ lagert und bildet ein Schmiermittel. Der niedrigere Reibungs­ koeffizient des Verbundmetalles ergibt sich daraus, daß das Schmiermittel die abscheuernde Natur des reinen Titans über­ windet. Wenn andererseits zuviel Eisen verwendet wird, kann das entstehende Material zu brüchig werden, wodurch die Ver­ formbarkeit des Dichtringes verringert wird.

Ein mögliches geeignetes Herstellungsverfahren besteht darin, das zusammengesetzte Pulvermetall in eine Graphitform einzu­ bringen, die dann unter Anwendung bekannter Sinter-Techniken erhitzt wird. Die Art der verwendeten Form und die Methode der Erwärmung kann gesteuert werden, wie an sich bekannt, um eine Trennung des homogenen Pulvermetalles in die gewünschten Materialzonen zu erreichen. Das homogene Verbundmetall wird in eine geeignete Form gebracht und auf eine vorgewählte Tem­ peratur und über eine vorgegebene Zeit erhitzt.

Obwohl die genannten Zonen vorzugsweise aus einem homogenen Material erzeugt werden, können auch bestimmte gewünschte Ma­ terialien zusammen laminiert werden, um die harten und die weichen Zonen zu erhalten.

Claims (17)

1. Dichtring, insbesondere für einen Brennkraftmotor, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von ringförmigen Abschnitten einschließlich eines zentralen Abschnit­ tes mit einem allgemein kreisförmigen Querschnitt und wenigstens einem Randabschnitt, der sich radial weg vom zentralen Abschnitt aus erstreckt, und daß der Ring aus einem Pulver-Verbund-Metall besteht, das Materialzonen unterschiedlicher Dichten bzw. Festigkeiten hat.

2. Dichtring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall hauptsächlich Titan enthält.

3. Dichtring nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvermetall ferner vorgegebene Mengen an Aluminium, Vanadium, Eisen und Molybdän enthält.

4. Dichtring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Randabschnitte aufweist, mit einem ersten Randab­ schnitt, der sich radial nach außen vom zentralen Abschnitt und einem zweiten Randabschnitt, der sich radial nach innen vom zentralen Abschnitt aus erstreckt.

5. Dichtring nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Randabschnitt eine erste radiale Länge und der zwei­ te Randabschnitt eine zweite radiale Länge hat, die klei­ ner ist als die erste radiale Länge.

6. Dichtring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen unterschiedlicher Dichte eine hochfeste Ma­ terialzone mit einer Porosität von etwa 0% und eine weiche Materialzone mit einer Porosität zwischen 3 und 60% umfassen.

7. Dichtring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring eine Streckgrenze zwischen 15,5 und 31 kp/cm² hat längs einer Achse tangential zum Umfang des Ringes sowie eine Druck-Streckgrenze zwischen 1,5 und 18,6 kp/cm² längs einer Achse senkrecht zu einer radialen Achse und zu der Umfangsachse.

8. Dichtring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialzone mit hoher Festigkeit einen inneren Kern des zentralen Abschnittes aufweist, und daß die Zone aus weichem Material eine äußere Schicht des zentralen Ab­ schnittes und den Randabschnitt umfaßt.

9. Dichtring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring aus einem mehrschichtigen Laminat besteht, wo­ bei die hochfeste Materialzone sich radial erstreckt und mit einer Mehrzahl von weichen Materialzonen abwechselt.

10. Dichtring nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Laminatschichten sich radial nach außen von einem inneren Umfangsende zu einem äußeren Umfangsende des Rin­ ges erstrecken.

11. Dichtring nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfeste Materialzone sich radial durch jeden der ringförmigen Abschnitte erstreckt.

12. Dichtring für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch einen ringförmigen Abschnitt mit einem allgemein kreisförmigen Querschnitt, mit abwechselnden Schichten aus Material mit relativ hoher Festigkeit und Material mit relativ niedriger Festigkeit, die sich radial über den Querschnitt erstrecken.

13. Dichtring nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste der Schichten aus dem relativ weichem Material bestehen.

14. Dichtring nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aus einem homogenen Pulvermetall ge­ bildet sind.

15. Dichtring für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch einen ringförmigen Abschnitt mit allgemein kreis­ förmigem Querschnitt, wobei der ringförmige Abschnitt aus einer Pulvermetall-Legierung gebildet ist, die aus Titan und einem weiteren Material besteht, um den fer­ tigen Dichtring mit einem Schmiermittel zu versehen.

16. Dichtring nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvermetall ferner Eisen und Molybdän enthält, die diese Schmiermittel bilden.

17. Dichtring nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvermetall etwa 4% Eisen und zwischen etwa 1 und 6% Molybdän enthält.