DE1400529A1 - Dichtungselement,insbesondere fuer Ventilstoessel - Google Patents

Description

PATENTA N W A LTE

DR. WETZEL 18.12.1968

DIPL.-ING. TEFvGAU ' ^y BöOO NÜRNBERG

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00 529.9«· Hennlks Corp.

Dichtungselement, insbesondere für Ventilstößel

Die Erfindung bezieht sich auf ein schwimmend in ein Qe-* hause eingebautes Dichtungselement· Da das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung Ventilstößeldichtungen sind, soll die Erfindung anhand dieses Anwendungsgebietes erläutert werden.

Die Ausbildung einer Ventilstößeldichtung muß zwei Besonderheiten berücksichtigen, einmal den Umstand, daß sie gegen das stark aggressive Verbrennungsgas abdichten muß, und andererseits die Tatsache, daß die Stößelbewegung keine reine Axialbewegung ist, sondern eine Bewegung, bei der sich dir Axialbewegung eine vom Stößelantrieb herrührende (iuerbewegung überlagert. Es entsteht eine Art Taumelbewegung, deren Größe mit fortschreitender Abnutzung der Stößelführung zunimmt.Die Ausschaltung des Angriffes der Dichtung durch das aggressive Medium 1st eine Materialfrage, die Berücksichtigung der Taumelbewegung ist eine konstruktive Frage.Konstruktiv die geeignete Lösung ist der schwimmende Einbau der Dichtung in

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Unterlagen (Art. 7 δ 1 Aba. 2 Nr. I Satz 3 ttotÄntkntnae? ·,. ν. <r. <

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ein Gehäuse (z.B. nach Art der Dichtung entsprechend der USA-Patentschrift 2 202 903). Die Dichtung wird mit einem L- förmigen Querschnitt ausgeführt,also mit zwei Schenkeln, von denen der eine gegen eine Gleitfläche im Gehäuse, der andere gegen den abzudichtenden Stößel anliegt· Auf diese Weise kann die Dichtung unter Aufreohterhaltung ihrer Dlohtungswirkung gegenüber Gehäuse und Stößel an den Querverlagerungen des Stößels "schwimmend¹¹ teilnehmen.Konstruktiv läßt sich die Aufgabe der Stößeldichtung relativ einfach lösen*

Wesentlich schwieriger ist die Lösuagldes sich aus der Aus« wahl des Dichtungsmateriales ergebend«Problemes.Die verfüg·· baren Elastomeren, insbesondere auf der Basis von Kunstkautschuk, haben zwar gute elastische Eigenschaften, aber sie werden mit der Zeit von den aggressiven Gasen angegriffen und müssen daher relativ häufig ausgewechselt werden·Das, was die Kraftfahrzeugindustrie fordert, ist eine derartige schwimmende Stoßeldichtung mit der Lebensdauer des Motors· Sie zu schaffen ist Aufgabe der Erfindung.

Es gibt einen Dichtungswerkstoff, der allen Anforderungen genügt, ausgezeichnete Gleiteigensohaft,Unempfindlichkeit gegen aggressive Medien,gute Formbarkeit,Unempgindlichkeit gegen extreme Temperaturunterschiede, nämlich Fluorkohlenstoff, besonders bekannt unter dem eingetragenen Warenzeichen"Teflon"· Aber die Fluorkohlenstoffe haben eine Eigenschaft, die bisher

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ihre Anwendung in Stoßeldichtungen nicht zuließ, nämlich die dee sogenannten "Kaltfliessens¹¹.Fluorkohlenstoff ist nachgiebig aber nicht elastisch.Erleidet er einmal eine Formänderung, so bleibt diese und geht nicht zurück.Darin liegt der grundsätzliche Unterschied gegenüber den Elastomeren. Den Einfluß des Kaltfliessens hatte man bei schwimmenden Dichtungen bisher nicht beseitigen können. Er wirkt sich schädlich aus. Denn wenn die Fluorkohlenstoff- Dichtung einmal durch einen taumelnden Stößel verformt worden ist, so ist in der Zone der Verformung die Dichtwirkung aufgehoben und kommt nicht wieder, während ein Ring aus einem Elastomer sich infolge seiner Elastizität auch dem taumelnden Stößel eng anschmiegt. Der Weg, den man bei Dichtungen aus Elastomeren bisweilen vorgeschlagen hat, den an sich kräftigen Dichtungsring zusätzlich durch eine Ringfeder zu belasten, um den Anpreftdruck noch weiter zu erhöhen,scheidet aus, da die Ringfeder infolge ihrer nicht unbeträchtlichen Radialkraft wegen des Kaltfliessens des Fluorkohlenstoff mit der Zeit in den Dichtungswerkstoff eindringt (USA-Patentschrift 2 8V? 236 Spalte 2,Zeilen 3-5). Man fand einen Ausweg darin, zwei Ringe aus Fluorkohlenstoff als Ringe mit Keilflächen auszubilden,die durch Federkraft gegeneinander gedruckt werden.Konstruktionen dieser Art sind jedoch offensichtlich für Stoßeldichtungen nicht geeignet, weil die Verbrennungsgase die verschiedenen Gleitflächen schon bald so stark mit Ablagerungen bedecken würden, daß ^ede

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Bewegungsmöglichkeit verlorengeht.

Einen entscheidenden Schritt vorwärts brachte die Einführung der Fluorkohlenstoff-Diohtung in Form einer dünnen Dichtungslippe mit Federbelastung, wieder unter dem Gesichtspunkt, daß der Fluorkohlenstoff allein nicht in der Lage ist, den Dichtungsdruck aufzubringen, sondern daß diese Aufgabe einer Ringfeder zugewiesen werden muß. Auf die dünne Lippe einer solchen Dichtung die Ringfeder unmittelbar aufzusetzen,diesen k Schritt wagte man noch nicht. Zwischen die dünne Dichtungslippe und die Ringfeder wurde eine Zwischenlage eingesetzt, etwa in Form eines dünnen geschlitzten Metallringes (USA-Patentschrift 2 750 212), sei es in Form einer relativ kräftigen Rückenschicht aus einem Elastomer (USA-Patentschriften 2 804 324 und 2 804 325).

Den entscheidenden Schritt tat der Erfinder im Jahre 1959, alt erstmals eine Fluorkohlenstoff-Dichtung mit einer extrem dünnen Lippe (höchstens 0,5 mm) angab, deren Anpreßkraft durch eine unmittelbar auf ihr liegende Ringfeder erzeugt wurde.

Es war das eine Maßnahme, die der herrschenden Anschauung völlig zuwiderlief .Denn man mußte doch erwarten, daß die Ringfeder schon nach kurzer Zeit soweit in die Dichtlippe eingedrungen sein würde, daß sie betriebsunfähig wurde.Es hat sich gezeigt, daß gerade das Gegenteil der Fall ist.Die Dichtung hat eine ungewöhnlich lange Lebensdauer und zwar,

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weil sie auf einer neuen Erkenntnis des Erfinders aufbaut, daß nämlich bei einer sehr dünnen Di chtungs lippe die Anpreßkraft der Hingfeder, die zur Erzeugzng des Anpreßdruckes nötig ist, so gering gehalten werden kann, daß ein Eindringen in die Di chtungs lippe nicht mehr eintritt. Der Widerstand des Fluorkohlenstoffes gegen das Kaltfließen ist in diesem Fall größer als die radial wirkende Federkraft·

Diese allgemeinen Eröäuterungen mußten vorangeschickt werden, i um die Erfindung richtig zu verstehen.

Die Ventilstößeldichtung soll, wie gesagt, eine schwimende Dichtung sein, also eine Dichtung von L- förmigem Querschnitt mit einer Dichtungsfläche gegen das Gehäuse und einerzweiten Dichtungsfläche gegen den Stößel, Angestrebt wurde eine Dichtung mit einem Fluorkohlenstoff als Dichtungswerkstoff,also mit einem Werkstoff,der keine genügende Elastizität hat, um abzudichten, sondern dem die Dichtungskraft von außen her durch eine Feder aufgedrückt werden muß. Damit entstand wieder das Problem, daß die Feder in den Werkstoff eindringen würde. Eine Armierung des Dichtungsringes entsprechend den bereits genannten Patentschriften wäre theoretisch möglich, praktisch aber unzweckmäßig.

Die Lösung dieser Aufgabe wurde unter Hinzunahme einer bekannten Maßnahme gefunden, nämlich dem Dichtungsring eine

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Schrägfläche zu geben, an der die Hingfeder anliegt und ihn dadurch sowohl radial wie axial belastet*. Hiervon ausgehend besteht die Erfindung darin, daß der Dichtungsring auf der der Schrägfläche abgekehrten Seite zu einem nachgiebigen Steg verringerter Dicke unterschnitten ist urid die Unterschneidung so gelegt ist, daß die ringförmige radiale Dichtungszone am Stößel wesentlich schmäler als die ringförmige axiale Dichtungszone ist, die an einer feststehenden Gehäusefläöhe anliegt. Das war die Lösung des Problemes, für einen Ventilstößel eine schwimmende Dichtung mit einem Fluorkohlenstoff als Dichtungswerkstoff zu schaffen. Die Erfindung hat sich in vielen Tausenden von Fahrzeugen der größten Automobilfabriken auf das Beste bewährt. Sie hat eine Lebensdauer, die von keiner anderen Dichtung bisher erreicht worden ist.

Ausschlaggebend für den Erfolg sind der Steg verringerter Dicke und die schmale ringförmige radiale Dichtungszone. Hier kann die Ringfeder anliegen, ohne daß die Gefahr besteht, daß sie in den Fluorkohlenstoff eindringt.Denn die Dichtungskraft, die in der nur schmalen radialen Dichtungszone am Stößel aufzubringen ist, liegt unter der Kraft, die nötig wäre, um den Fließwiderstand des Werkstoffes zu überwinden. Die an der festen Fläche anliegende axiale Dichtungsfläche soll gegenüber der radialen Dichtungsfläche breiter sein. Auoh das hat seinen guten Grund* Der Querschnitt- des Steges mit der radialen Di chtungs lippe kann als an seiner Basis eingespannte» elastischer Stab aufgefaßt werden, dessen

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oberes Ende den Taumelbewegungen des Stößels folgt. Würde man auoh die gegen das Gehäuse abdichtende Lippe wesentlich schmäler machen, so würde ein Kippen der Basis eintreten. Dem wird durch die gegenüber dem radialen Dichtungssteg wesentliche Verstärkung der Basis begegnet.

Die Erfindung sei anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Fig.l einen Längsschnitt durch eine Ventilstößeldichtung, Fig.2 einen Teilschnitt in vergrößertem Maßstab, Fig.3 und 4 Schnitte nach den Linien III-III und IV-IV der Fig.l.

Fig.l zeigt einen in einer Bohrung Ik des Halses 11 eines Zylinderkopfes 12 geführten Stößel 13 mit einem Teller 15 als Widerlager für eine Ventilfeder 16. Die in Fig.2 dargestellte Dichtung ist auf die Kopffläche des Halses 11 aufgesetzt und durch eine Kappe 17 abgedeckt, die durch die Feder 16 mit einem Rand 18 gegen eine Fläche am Zylinderkopf 12 angedrückt wird. Es ist das eine Bauform, die ein leichtes Ausbauen der Dichtung ermöglicht, aber auch das zusätzliche Ansetzen einer Dichtung gemäß der Erfindung an einen vorhandenen Motor. Die Dichtung wird durch eine Feder 19 gegen eine Fläche 20 auf der Kopffläche des Halses 11 gedruckt, die sich gegen die Bodenfläche 21 des Gehäuses 17 abstützt.

Der für die Erfindung wesentliche Dichtungsring ist mit 32

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bezeichnet. Er ist in ein nach unten offenes schalenförmiges Gehäuse 23 mit einer zylindrischen Wand 34 eingesetzt, das oben durch eine Stirnwand 35 niit einer mittleren Öffnung 36 zur Durchführung des Ventilstößels I3 abgeschlossen ist.Eine Öffnung 37 dient für den Ablauf von etwa durchgedrungenem Öl· Das Gehäuse geht unten in einen radialen Flansch JB über, der von einem umbördelten Band 39 einer Haiterungsscheibe 40 mit Durchtrittsöffnungen 41 für den Stößel I3 übergriffen ist. Die Öffnungen 36 und 41 sind so groß, daß der Stößel I3 die r bereits erwähnten Taumelbewegungen ausführen kann, ohne das Gehäuse 33 hierdurch zu verschieben.

Der aus einem Fluorkohlenstoff bestehende Dichtungsring 32 besitzt erfindungsgeraäß zwei die Dichtungsflächen bildende Ansätze und zwar einen verhältnismäßig schmalen, dünnen Ansatz 42 zur Anlage am Ventilstößel 13 und einen verhältnismäßig breiten,kräftigen Ansatz 43 zur Anlage gegen die Scheibe 33» auf der er radial verschiebbar ist.Han sieht, daß die Ank sätze 42 und 43 nur durch einen dünnen durch Unterschneidung gebildeten Steg verbunden sind, der es zwar dem Teil 42 ermöglicht, den Taumelbewegungen des Stößels zu folgen, der aber keine hinreichende Dichtungskraft der Dlchtungsfläche 42 erzielen lassen würde. Die Dichtungskraft wird vielmehr durch eine Ringschraubenfeder 45 erzeugt, die sich gegen die Schräg-

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fläche anlegt und oben gegen die Stirnwand 35 abstützt. Der kleine Abstand zwischen diesen beiden Teilen in Pig.2 wurde eingezeichnet, damit die Linienbei der Reproduktion nicht zusammenlaufen. Durch diese BaufoBm ist es möglich, die Schraubenringfeder 4-5 unmittelbar auf den Dichtungsring, d.h. unmittelbar auf den Pluorkohlenstoffring aufzusetzen, ohne befürchten zu müssen, daß die Feder in den Dichtungswerkstoff einschneidet, da die für eine ausreichende radiale Anpressung des Ansatzes ¹VZ erforderliche Verspannung so gering ist, daß ein Kaltfließen des Dichtungswerkstoffes unter dem Druck der Ringfeder nicht zu befürchten ist.

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Claims (1)

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   -10.-Patentanspruch:

   Dichtungselement, insbesondere für Ventilstößel, mit einem quer zu seiner Achse verschiebbaren Dichtungsring mit zwei unter einem rechten Winkel zueinander stehenden Dichtungszonen, von denen die eine radial gegen den bewegten Teil, die andere axial gegen eine feststehende Fläche abdichtet, mit einer Hingfeder, die den Dichtungsring durch Anlage an einer Schrägfläche sowohl radial wie axial belastet, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Dichtungsring aus einem Pluorkohlenstoff der Dichtungsring (32) auf der der Schrägfläche (^6) abgekehrten Seite zu einem nachgiebigen Steg verrimgerter Dicke unterschnitten ist und die Untersohneidung so gelegt ist, daß die ringförmige radiale Dichtungszone (^2) am Stößel (16) wesentlich schmäler als die ringförmige axiale Dichtungszone (4-3) ist, die an der feststehenden Fläche (^tO) anliegt.

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