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Die
Erfindung betrifft eine Zylinderkopfdichtung mit einer mindestens
eine Durchgangsöffnung, insbesondere
Brennraumöffnung,
aufweisenden Dichtungseinheit, die mindestens zwei miteinander zusammenwirkende
Dichtlagen aufweist, von denen die eine mit mindestens einer nachgiebigen,
die Durchgangsöffnung
umfassenden Sicke und die andere mit einer diese Nachgiebigkeit
begrenzenden Einrichtung versehen ist, die auf gegenüberliegenden
Seiten abwechselnd Vertiefungen und Erhebungen derart aufweist,
dass zumindest teilweise eine Vertiefung einer Erhebung gegenüberlegt.
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Durch
die EP-A-1 298 365 ist eine metallische Zylinderkopfdichtung bekannt
mit einer mindestens eine Brennraumöffnung aufweisenden Dichtungsplatte
als Dichtungseinheit, welche mindestens zwei Metallblechlagen aufweist,
von denen eine erste mit mindestens einer elastisch höhenverformbaren, die
Brennraumöffnung
umschließenden
Sicke und eine zweite mit mindestens einer die Sickenverformung
begrenzenden, die Brennraumöffnung
umgebenden Verformungsbegrenzungseinrichtung versehen ist. Zur Erzielung
einer möglichst
starren Verformungsbegrenzung wird bei der bekannten Lösung die
originäre
zweite Blechlage von einem durch Kaltfließpressen plastisch verformbaren
Stahlblech gebildet und die Begrenzungseinrichtung bildet in einer Draufsicht
auf die zweite Blechlage ein zweidimensionales Muster von diskreten,
eingeprägten
Vertiefungen, wobei das Gesamtvolumen der durch Fließpressen
erstellten Vertiefungen mindestens ungefähr gleich dem Gesamtvolumen
der durch das beim Erstellen der Vertiefungen verdrängte Material
der zweite Blechlage gebildeten Erhebungen ist. Zwar weist diese
bekannte Dichtungslösung
sehr gute Dichteigenschaften auf; das Erstellen des zweidimensionalen
Musters an einzelnen eingeprägten Vertiefungen
ist aber herstellungstechnisch sehr aufwendig und mithin kostenintensiv.
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Durch
die WO 01/96768 ist eine als Flachdichtung ausgebildete Zylinderkopfdichtung
bekannt mit mindestens einer metallischen Lage, in der mindestens
eine Durchgangsöffnung
(Brennraumöffnung)
ausgebildet ist. Diese oder zumindest eine der metallischen Lagen
ist zumindest bereichsweise in Form einer wellen- oder sägezahnförmigen Profilierung
um die jeweilige Brennraumöffnung
ausgebildet, wobei zumindest die Lage, in der die Profilierung ausgebildet
ist, aufgrund der benötigten
sehr hohen Elastizitätsgrenzen
aus einem Federstahl zu bestehen hat, wobei die Profilierung eine
Verformungsbegrenzungseinrichtung für eine zusätzlich ausgebildete Sicke aufweist,
die nicht umgefalzt ist.
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Bisher übliche starre
Begrenzungseinrichtungen (Stopper), wie beispielsweise auf die Dichtlage
aufgeschweißte
Ringe oder Falzbleche, zeigen einen sehr geringen elastischen Anteil,
der bedingt durch den hohen E-Modul der hierfür eingesetzten Stähle bei
den im Motorbereich vorhandenen Pressungen auf Bruchteile von Mikrometern
beschränkt ist.
Praxisversuche haben gezeigt, dass dieses steife Verhalten eine
ungleichmäßige Pressungsverteilung im
Bereich des Brennraumes zur Folge haben kann. Bei der bekannten
Lösung
mit wellen- oder sägezahnförmiger Profilierung,
auch in Trapezform, wird aufgrund der dünn ausgeprägten Stegquerschnitte bei alter nierender
Aufeinanderfolge von Erhebungen und Vertiefungen in der Dichtlage
(Profilierung) ein ausgeprägt
elastisches Verhalten bei gleichzeitig reduzierter Flächenpressung
erreicht. Des weiteren wird durch das elastische Ansprechen der
einzelnen Wellen eine Vereinheitlichung der Pressung über die Stopperbreite
erzielt.
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Durch
die JP 11-108191 ist eine gattungsgemäße Zylinderkopfdichtung bekannt,
die zur Realisierung einer Begrenzungseinrichtung (Stopper) für eine der
Dichtlagen generell auf eine wellenförmige oder sägezahnförmige Profilierung
verzichtet, sondern vielmehr einen im Querschnitt blockartig ausgebildeten
Stopperblock einsetzt, der auf gegenüberliegenden Seiten und zueinander
versetzt in alternierender Reihenfolge Erhebungen und Vertiefungen mit
rechteckförmigem
Querschnitt aufweist. Aufgrund der sich hierdurch ergebenden vergrößerten Stegquerschnitte
ist die Begrenzungseinrichtung (Stopper) sehr steif im Verhalten
ausgebildet, was die jeweilige Sickendichtung entsprechend entlastet;
allein aufgrund der scharfkantigen Übergänge zwischen Erhebung und nachfolgender
Vertiefung ist ein Abbrechen von Dichtungsteilen nicht auszuschließen. Demgemäß schlägt die bekannte
Lösung
vor, um diesem Nachteil zu begegnen, in die Vertiefungen fluoriertes
Kautschukmaterial als Kunststoff mit weichem Materialverhalten einzufüllen. Die
dahingehende Maßnahme
ist aber wiederum aufwendig und teuer in der Realisierung und es
kann nicht ausgeschlossen werden, dass es im Betriebsfall ungewollt
zu einem Herauslösen
des eingefüllten
weichen Materials kommt.
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Ausgehend
von diesem letztgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, unter Beibehalten der Vorteile der bekannten Zylinderkopfdichtungen
diese dahingehend weiter zu verbessern, dass unter Vermeidung von
wellen- und sägezahnförmigen Profilierungen
für die Dichtlage mit
der Begrenzungseinrichtung (Stopper) eine Dichtungslösung geschaffen
wird, bei der schädliche Pressungsspitzen
vermieden sind und dennoch eine sehr steife Ausgestaltung realisiert
ist, die darüber
hinaus günstig
in der Herstellung und funktionssicher in der Anwendung ist. Eine
dahingehende Aufgabe löst eine
Zylinderkopfdichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in
seiner Gesamtheit.
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Dadurch,
dass gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 zumindest ein Teil der Vertiefungen
und der Erhebungen im Querschnitt im wesentlichen trapezförmig ist
mit zwischen den einander benachbart angeordneten Vertiefungen und Erhebungen
einer Seite der anderen Dichtlage schräg verlaufenden Begrenzungswänden und
dass die einander benachbart gegenüberliegenden Begrenzungswände zweier
Seiten einen Stegquerschnitt der anderen Dichtlage begrenzen, der
gleich oder größer ist
als der zwischen den gegenüberliegenden
Vertiefungen dieser beiden Seiten eingegrenzte Stegquerschnitt,
ist aufgrund der schräg
verlaufenden Begrenzungswände
eine günstige
Krafteinleitung in die freien Stegquerschnitte dieser Dichtlage
erreicht und im übrigen
die Stegquerschnitte von ihren Abmessungen her gegenüber der
nächstkommenden
gattungsgemäßen Lösung derart
vergrößert, dass
nicht nur ein ungewolltes Abbrechen von Dichtungsteilen im Stopperbereich
vermieden ist, sondern die Begrenzungseinrichtung mit ihren Erhebungen
und Vertiefungen auch ein sehr steifes Verhalten aufweist, was sicherstellt,
dass die die Abdichtfunktion zumindest hauptsächlich übernehmende Sicke im Motorbetrieb
vor übermäßigen Verformungen
geschützt
ist.
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Es
ist für
einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Zylinderkopfdichtungen überraschend,
dass er unter Vermeidung von wellen- oder sägezahnförmigen Profilierungen – auch in
Trapezform – und
bei Ausbildung der Begrenzungseinrichtung (Stopper) als steif konzipiertes
Blockteil eine ausgewogene Pressungsverteilung unter Vermeidung
von schädlichen
Pressungsspitzen an der Brennraumöffnung erhält, um dergestalt ein ausgeprägtes elastisch-plastisches
Verhalten bei gleichzeitig reduzierter Flächenpressung zu erhalten zur
Sicherung der Dichtfunktion der gesamten Zylinderkopfdichtung.
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Da
die erfindungsgemäße Lösung zur
Realisierung einer Begrenzungseinrichtung (Stopper) keine wellen-
oder sägezahnförmigen Profilierungen einsetzt,
kann auch auf die Verwendung von Federstählen, die schwierig zu verarbeiten
sind und aufgrund ihres elastischen Verhaltens nur in geringem Umfang
zur Aussteifung der Begrenzungseinrichtung mit beitragen können, verzichtet
werden. Die erfindungsgemäße Lösung geht
vielmehr von dem Ansatz aus, ausgehend von einer blockartigen Begrenzungseinrichtungsstruktur
durch einen plastischen Umformvorgang, insbesondere in der Art eines
Fließpreßvorganges,
wie Kaltfließpressen,
in alternierender Reihenfolge in eine Blockstruktur Vertiefungen und
Erhebungen einzuprägen,
um dergestalt wesentliche Änderungen
der Festigkeitseigenschaften des Materials zu erhalten, wobei regelmäßig Härte, Bruchfestigkeit
und die Streckgrenzen ansteigen. Hierbei erhält man Festigkeitseigenschaften,
die denen von legierten Stählen
gleich kommen. Gerade bei sehr starker Beanspruchung hat sich gezeigt, dass
die Dauerfestigkeit und auch damit die Dauerhaftigkeit kaltfließgepreßter Werkstücke wesentlich höher ist
als bei vergleichbaren Werkstücken
aus Federstahl. Aufgrund der dergestalt verbesserten Festigkeitseigenschaften
ist für
die Begrenzungseinrichtung trotz der eingebrachten Ausnehmungen
eine sehr steife Gesamtstruktur erreicht, die die eigentliche Dichteinrichtung
mit den eingebrachten Sicken in den Decklagen des beanspruchten
Dichtungsverbundes entsprechend wirksam entlasten kann.
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Insbesondere
bei dünnwandig
ausgebildeten Begrenzungseinrichtungen wird im Bereich des mittigen Überganges
von zwei einander benachbart gegenüberliegenden Vertiefungen verschiedener
Seiten der Begrenzungseinrichtung eine weitgehende Plastifizierung
des Materials erreicht mit den genannten Vorteilen der Festigkeits-
und Steifigkeitserhöhung,
wohingegen die randseitigen Bereiche mit einem geringeren Umformgrad
versehen noch elastische Eigenschaften aufweisen können vergleichbar den
eingesetzten Federstählen
bei Begrenzungseinrichtungen in Wellen- oder Sägezahnform. Es ist mit der
erfindungsgemäßen Lösung somit
möglich,
im Rahmen eines Kaltfließpreßumformvorganges
die Vorteile plastischer Umformung im Grund der Befestigungseinrichtung
mit denen elastischer Materialeigenschaften in Richtung der jeweiligen
Oberseite der Begrenzungseinrichtung (Stopper) miteinander sinnfällig zu
kombinieren und dergestalt einzustellen.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Im
folgenden wird die erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung
anhand eines Ausführungsbeispiels
nach der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die
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1 eine
Draufsicht auf einen Teil der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung mit
nur einer Brennraumöffnung;
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2 einen
Schnitt nach der Linie I–I
in 1.
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Die 1 zeigt
eine Zylinderkopfdichtung mit einer als Ganzes mit 10 bezeichneten
Dichtungseinheit, welche aus drei Metallagen zusammengesetzt ist
(vgl. 2) und aus der als Durchgangsöffnungen zumindest im wesentlichen
eine kreisrunde Brennraumöffnung 12 sowie
Schraubendurchtrittsöffnungen 14 für den Durchgriff
von entsprechenden Befestigungsschrauben (nicht dargestellt) freigelassen
wurden. Von den möglichen
Brennraumöffnungen
eines Verbrennungsmotors zeigt mithin die 1 der Einfachheit
halber nur eine einzige, deren Längsachse
mit 16 bezeichnet ist.
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Die
Dichtungseinheit 10 setzt sich im wesentlichen zusammen
aus einer oberen ersten Dichtlage 18, einer entsprechend
konzipierten unteren Dichtlage 20 als dritte Dichtlage
sowie einer zweiten mittleren Dichtlage 22, die auf ihrer
der Brennraumöffnung 12 zugewandten
Seite mit einer Begrenzungseinrichtung (Stopper) 24 versehen
ist. Die obere Dichtlage 18 sowie die untere Dichtlage 20 sind auf
ihrer der Begrenzungseinrichtung 24 abgewandten Seite jeweils
mit einer Sicke 26,28, ausgebildet als sog. Vollsicke,
versehen. Die Abdichtung der Brennraumöffnung 12 nebst zugehörigem Brennraum
gegen den Austritt von Brenngasen erfolgt über die dahingehend kreisringförmig ausgebildeten
Sicken 26,28 in den beiden Metallagen 18 bzw. 20.
Die genannten Sicken verlaufen konzentrisch zur Brennraumöffnung 12 und
müssen
bei eingebauter Zylinderkopfdichtung im Betrieb des Verbrennungsmotors im
Sinne einer Abflachung senkrecht zur mittleren Dichtlage 22 federelastisch
verformbar sein, so dass zum Erreichen der dahingehenden Nachgiebigkeit, vorzugsweise
die beiden Dichtlagen 18,20 aus Blechwerkstoff,
insbesondere Federstahlblech, gebildet sind.
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Bei
einer nicht näher
dargestellten Ausführungsform
kann auch vorgesehen sein, dass die jeweiligen Sicken 26,28 einem
in sich nicht geschlossenen Bahnverlauf folgen, sondern beispielsweise nur
segmentweise über
vorgeb bare Wegstrecken die Abdichtung vornehmen. Neben der genannten
Kreisringform sind auch andere Bahnverlaufskurven möglich, beispielsweise
in der Art einer Mäanderstruktur, in
Form eines Ovals und dergleichen mehr. Ferner braucht die jeweilige
Sicke 26,28 nicht konzentrisch zu der Längsachse 16 der
Brennraumöffnung 12 angeordnet
zu sein, sondern kann auch außermittig
verlaufen.
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Damit
die beiden Sicken 26 und 28 im Betrieb nicht übermäßig verformt,
beispielsweise derart deformiert werden, dass sie ihre dichtende
Funktion zumindest nicht mehr vollständig wahrnehmen können, ist
an der mittleren Dichtlage 22 die Begrenzungseinrichtung
(Stopper) 24 vorgesehen. Die dahingehende Begrenzungseinrichtung 24 liegt
bezüglich
der Achse 16 der Brennraumöffnung 12 radial innerhalb
der Sicken 26,28; sie könnte aber auch radial außerhalb
dieser Sicken liegen oder es wäre
möglich,
sowohl radial innerhalb als auch außerhalb dieser Sicken einen
solchen Stopper 24 vorzusehen. Ferner müssen die beiden Sicken 26,28 bei
Anlage mit der mittleren Dichtlage 22 in einer Ebene nicht
genau gegenüber
liegen; vielmehr wäre
hier auch ein entsprechender seitlicher Versatz denkbar. Um die Wechselwirkung
von Sicke 26 oder 28 mit Stopper 24 zu
erreichen, ist es aber notwendig, dass die dahingehenden Komponenten
der Zylinderkopfdichtung einander benachbart angeordnet sind.
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Wie
sich insbesondere aus der 1 ergibt, umfaßt die Begrenzungseinrichtung 24 in
der Art eines zur Längsachse 16 konzentrischen
Kreisringes die Brennraumöffnung 12,
wobei die Breite der Begrenzungseinrichtung 24 konstant
ist. Bei einer nicht näher
dargestellten Ausführungsform
bestünde
auch die Möglichkeit,
die Breite des Stoppers 24 um die Brennraumöffnung 12 herum
zu variieren, um dergestalt einen breitenprofilierten Stopper zu
erhalten. Bei einer nicht näher
dargestellten Ausführungsform kann
im Sin ne einer Breitenprofilierung des Stoppers auf mindestens einer
Seite dieser mit einer konvexen Wölbung versehen sein, die vorzugsweise
eine ballig geformte Anlagefläche
bildet, die gegebenenfalls dergestalt mit zur Erhöhung der
Abdichtwirkung mit beitragen kann.
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Die äußeren Lagen
bestehen vorzugsweise aus einem kaltverformbaren, bei Temperierung
aushärtenden
Stahl und die mittlere Dichtlage 22 vorzugsweise aus einem
kaltverformbaren Stahl. Vorzugsweise werden bei der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtungslösung die
Vertiefungen 30 sowie die Erhebungen 32 im Bereich
der Begrenzungseinrichtung 24 nicht durch Tiefziehen, sondern
durch Fließpressen,
insbesondere Kaltfließpressen,
erhalten. Das Formgebungswerkzeug (nicht dargestellt) weist dabei
Formwände
auf, die der Außenkontur
der Begrenzungseinrichtung 24 mit ihren Vertiefungen 30 und
Erhebungen 32 entsprechen, und die die Vertiefungen 30 bildenden
Formbacken des Formgebungswerkzeuges verdrängen das Metall der mittleren Dichtlage 22 in
Richtung der Erhebungen 32 unter Bildung derselben. Aufgrund
der trapezförmigen Ausgestaltung
der Formgebungsbacken des nicht näher dargestellten Formgebungswerkzeuges
sind auch die Querschnittsformen von Vertiefungen 30 und
Erhebungen 32 trapezartig, und zwar in der Art eines gleichschenkligen
Trapezes, zumindest bezogen auf die Formgestaltung im Mittenbereich
der Begrenzungseinrichtung 24. Es liegt noch im Bereich der
Erfindung, die Trapezquerschnittsformen mit zumindest teilweise
konvex und/oder konkav verlaufenden Begrenzungswänden 36 auszubilden,
beispielsweise vergleichbar den Zahnradflanken bei üblichen Zahnrädern (nicht
dargestellt). Des weiteren sind vorzugsweise die Vertiefungen 30 alle
gleich tief eingebracht und begrenzen dergestalt nutförmige Bahnverläufe. Vorzugsweise
ist dabei des weiteren vorgesehen, dass der Grund der jeweiligen
Nut einer Vertiefung 30 in der Breite gleich ausgebildet
ist zu mindestens einer Vertiefung 30 im unmittelbar benachbarten
Bereich.
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Dadurch,
dass zumindest der mittig angeordnete Teil an Vertiefungen 30 und
Erhebungen 32 im Querschnitt trapezförmig ist mit zwischen den einander
benachbart angeordneten Vertiefungen 30 und Erhebungen 32 einer
Seite 34 oder 38 der anderen mittleren Dichtlage 22 schräg verlaufenden
Begrenzungswänden 36 und
dass die einander benachbart gegenüberliegenden Begrenzungswände 36 zweier Seiten 34,38 einen
Stegquerschnitt SQ1 begrenzen, der gleich, vorzugsweise jedoch größer ist
als der zwischen den gegenüberliegenden
Vertiefungen 30 dieser beiden Seiten 34,38 eingegrenzte
Stegquerschnitt SQ2, ist eine sehr steif ausgelegte Begrenzungseinrichtung 24 geschaffen,
bei der aufgrund der optimalen Krafteinleitung entlang der schrägen Begrenzungswände 36 (vorzugsweise
ausgestaltet mit einem Neigungswinkel kleiner 25°) oder in deren Bereich ein
Versagen ausgeschlossen werden kann. Hierzu trägt auch mit bei, dass parallel
zur Längsachse 16 betrachtet,
die benachbarten Vertiefungen 30 derart einen Radialabstand
voneinander aufweisen, dass ein weiterer dritter Stegquerschnitt
SQ3 verbleibt, wobei die Stegquerschnitte derart bemessen sind,
dass SQ1 größer SQ2
und SQ2 größer SQ3
ist. Die dahingehenden Stegquerschnitte sind beispielhaft und fiktiv
in der 2 mit strichlinierten Linien angegeben. Werden
die freien Enden der Erhebungen 32 entsprechend kalibriert,
kann sich anstelle der Trapezform im Ausgangszustand auch eine tonnenförmige Anordnung
ergeben.
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Durch
das erfindungsgemäß eingesetzte Kaltfließpreßverfahren
werden insbesondere die Materialquerschnitte im Bereich von SQ2
zwischen zwei auf verschiedenen Seiten 34,38 benachbart
gegenüberliegenden
Vertiefungen 30 weitgehend oder vollständig plastisch umgeformt.
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Da
die schrägen
Begrenzungswände 36 zweier
benachbarter Vertiefungen 30 auf gegenüberliegenden Seiten 34,38 des
Stoppers 24 radial in beiden Richtungen aufeinander zu
geneigt sind, ergibt sich hierdurch ein zusätzlicher Abstützeffekt
für die Begrenzungseinrichtung 24.
Die Vertiefungen 30 sowie die Erhebungen 32 sind
gleichfalls entlang von konzentrischen Kreisen verlaufend zur Mitte
der Brennraumöffnung 12 angeordnet.
Die Erhebungen 32 auf einer Seite 34 oder 38 der
anderen mittleren Dichtlage 22 verlaufen entlang einer
gemeinsamen Ebene, die gegenüber
einer zuordenbaren Ebene vorspringt, entlang der die sonstigen Teile 40 dieser Dichtlage 22 verlaufen.
Vorzugsweise ist die mittlere Dichtlage 22 mit ihren sonstigen
Teilen 40 einstückig mit
der Begrenzungseinrichtung 24 verbunden. Bei einer nicht
näher dargestellten
Ausführungsform
besteht auch die Möglichkeit,
die Begrenzungseinrichtung höhenzuprofilieren,
d.h. im dahingehenden Fall sind dann nicht alle Erhebungen gleich
hoch. Über eine
Höhenprofilierung
ließe
sich dergestalt die Pressung um die Brennraumöffnung herum definiert einstellen
und insbesondere auch vergleichmäßigen, so dass
beispielsweise ein Verzug des zu der Brennraumöffnung zugehörigen Zylinders
verhindert werden kann.
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Die
Begrenzungseinrichtung 24 stellt auf ihrer der Brennraumöffnung 12 zugewandten
Seite 42 ebenso wie auf ihrer Seite 44, die den
sonstigen Teilen 40 der mittleren Dichtlage 22 zugewandt
ist, einen absatzartigen Übergang 46 her
zu einer zumindest teilweise trapezartig realisierten Vertiefung 48 und aufgrund
der damit einhergehenden Höhenverringerung
der mittleren Dichtlage 22 läßt sich insoweit bei grundsätzlicher
Aussteifung des blockartig aufgebauten Stoppers 24 eine
exakte Anpassung an die Gegebenheiten erreichen. Um die Begrenzungseinrichtung 24 noch
weiter auszusteifen und zu stabilisieren, kann bei einer nicht näher dargestellten
Aus führungsform
auch vorgesehen sein, zumindest einen Teil der Vertiefungen 30 der
mittleren Dichtlage 22 zu verfüllen, und zwar vorzugsweise
mit einem fluorierten Kautschukmaterial.
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Ferner
besteht die Möglichkeit,
bei einer weiteren nicht näher
dargestellten Ausführungsform
die obere Dichtlage 18 oder die untere Dichtlage 20 entfallen
zu lassen und dann die jeweils gegenüberliegende Seite 38 bzw. 34 auf
den Gehäuseteilen
des Motors oder des Zylinderkopfes abzustützen. Bei dahingehenden zweilagigen
Dichtungen muß die
mit dem Stopper versehene Blechlage dann mindestens im Bereich der
zu schützenden
Sicke so dünn
sein, dass sich die von der Sicke bewirkte Pressungserhöhung in
einem ringförmigen
Bereich auch auf der der Sicke gegenüberliegenden Seite der Dichtung
auswirken kann.