DE69104937T2

DE69104937T2 - Metalldichtung für Sammelleitung.

Info

Publication number: DE69104937T2
Application number: DE69104937T
Authority: DE
Inventors: Kunitoshi Inoue; Shigeru Kawaguchi; Masahiko Miura Masahiko Miura; Ken Ohkura; Hideo Yamamoto
Original assignee: Nippon Gasket Co Ltd
Current assignee: Nippon Gasket Co Ltd
Priority date: 1990-08-13
Filing date: 1991-08-08
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2011-08-09
Also published as: JP2921941B2; JPH0495668A; EP0473306A1; DE473306T1; EP0473306B1; DE69104937D1; US5087058A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Metalldichtung für eine Rohrverzweigung, die zwischen der Stirnfläche eines Auspuffsammelrohrs und einem Zylinderkopf mit offenen Auspuffkanälen eingeklemmt und festgezogen ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Üblicherweise ist eine Metalldichtung für ein Auspuffsammelrohr eines Motors, die zwischen der Stirnfläche des Auspuffsammelrohrs und der Seitenfläche eines Zylinderkopfes mit offenen Auspuffkanälen eingeklemmt und durch Befestigungsbolzen oder dgl. festgelegt ist, vorgesehen, damit kein Auspuffgas aus der Kontaktfläche zwischen dem Zylinderkopf und dem Auspuffsammelrohr austritt, und es sind verschiedene Arten von Dichtungen für eine Rohrverzweigung angewendet worden.
Eine typische Metalldichtung für eine Rohrverzweigung besteht aus einem Laminat von Metallplatten. Diese Metalldichtung wird allgemein durch Aufeinanderschichten von drei bis fünf Metallplatten hergestellt. In einer Dichtung aus Metallplattenlaminat mit einer ungeraden Anzahl von Metallplatten, beispielsweise einem dreischichtigen Metallplattenlaminat, besteht die Metallplatte in der Mitte aus einem ebenen Metallblech ohne jeden Wulst, und die Metallplatten auf beiden Seiten sind Wulstplatten mit einer vorspringenden Form, so daß ihre Wulstabschnitte einen zunehmenden gegenseitigen Abstand aufweisen. Eine solche Metalldichtung ist beispielsweise in der japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift Nr. 61169/1990 und der japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift Nr. 61170/1990 beschrieben.
Bei einer Metalldichtung mit geradzahligem Laminat, wie einer vierschichtigen Metalldichtung, kann ein Aufbau angewendet werden, in welchem zwei Wulstplatten mit einer vorspringenden Form, so daß ihre Wulstabschnittte sich allmählich voneinander entfernen, aufeinander geschichtet sind und zwei der erhaltenen Laminate einander überlagert werden.
Bei einer Laminatdichtung, die aus fünf Metallplatten besteht, ist eine ebene Metallplatte, die keinen Wulstabschnitt aufweist, als Mittelschicht in die vier Hetallplatten eingebracht.
Bei den Metalldichtungen mit dem oben beschriebenen Aufbau ist die den Wulstabschnitt aufweisende Metallplatte so geformt, daß ihr Wulst am ebenen Plattenabschnitt gekrümmt ist und von diesem in einen freien Zustand ansteigt, dann sich leicht neigt, in einer entgegengesetzten Richtung gebogen ist und sich wiederum parallel zum ebenen Plattenabschnitt erstreckt.
Die Metalldichtung der oben beschriebenen Art, bei der eine vorbestimmte Anzahl von dünnen Metallplatten aufeinander geschichtet ist, besitzt hohe Flexibilität und hohe Wärmebeständigkeit und zeigt eine geeignete Kompressibilität, wenn ihr eine Wulststruktur erteilt wird. Wenn die mit den Wulstplatten, die solche Wulstabschnitte aufweisen, ausgestattete Metalldichtung zwischen der gemeinsamen Fläche des Zylinderkopfes und des Auspuffsammelrohrs durch Festziehen von Bolzen oder dergl. eingeklemmt und festgezogen wird, bilden die Wulstabschnitte eine ringartige Dichtungsfläche an den Kontaktflächen des Zylinderkopfes und des Auspuffsammelrohrs und verhindert wirksam ein Austreten von Auspuffgas aus diesen gegenüberliegenden Oberflächen.
Eine solche Metalldichtung ist wirtschaftlich und unterliegt weniger leicht einer Verschlechterung seiner Dichtungswirkung. Wenn sie als Dichtung für ein Auspuffsammelrohr verwendet wird, das hohen Temperaturen ausgesetzt ist, und dessen Wärmeausdehnungskoeffizient steigt, ist die Metalldichtung vom Gesichtspunkt der Abdichtungswirkung äußerst vorteilhaft.
Entgegen dem oben beschriebenen Vorteil ist die übliche Metalldichtung jedoch nicht frei von den folgenden Nachteilen. Mit anderen Worten, bei immer besserer Ausführung und höherer Leistung von Motoren, wie kompakter Bauweise, Gewichtsreduzierung und höherer Motorleistung, die in den letzten Jahren erforderlich waren, wird ein Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, um Größe und Gewicht zu reduzieren und die Dicke des Abgassammelrohrs zu verringern, und die Temperatur des Auspuffgases wird auf eine höhere Temperatur angehoben, als eines der Mittel zur Erzielung höherer Motorleistung. Wenn der Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung hergestellt wird, erhöht sich die Wärmeausdehnung oder Wärmeschrumpfung des Zylinderkopfes infolge des Temperaturwechsels bei Motorbetrieb, und wenn die Dicke des Auspuffsammelrohrs verringert wird, steigt die Größe der Wärmeverformung einer an einer Dichtung anliegenden Oberfläche oder, mit anderen Worten, eines Flanschteils. Wenn die Abgastemperatur auf eine höhere Temperatur angehoben wird, wird die Wärmeverformung des Auspuffsammelrohrs durch seinen Temperaturanstieg weiter gefördert.
Diese Bedingungen werden für die Metalldichtung schwerwiegend, wenn eine Wärmebelastung und eine mechanische Belastung berücksichtigt werden, und die kritische Grenze, bei der die Metalldichtung den gegenüberliegenden Oberflächen des Zylinderkopfes und des Auspuffsammelrohrs folgen kann, wenn die Wärmeverformung groß wird, müssen bedacht werden.
Mit dem beschriebenen Hintergrund ergeben sich strengere Anforderungen an eine Hochtemperaturdichtung auch für die Metalldichtung einer Rohrverzweigung.
Wenn ein rostfreies Stahlblech für die Metalldichtung verwendet wird, hat das Material selbst eine hohe Beständigkeit einschließlich der Wärmebeständigkeit, wenn sie jedoch Wärmeschwankungen mit einer große Breite der Temperaturänderung ausgesetzt wird, ist sie nicht frei von den folgenden Problemen. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Zylinderkopf und dem Auspuffsammelrohr ändert sich nämlich merklich bei verschiedenen Betriebsbedingungen des Motors einschließlich des Motorstopps, und die unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen dem Zylinderkopf und dem Auspuffsammelrohr, d.h. die relative Verschiebungsstrecke erhöht sich und ergibt eine Dauerbelastung, wobei die Höhe eines Restwulstes an den Wulstabschnitten der Metalldichtung abnimmt, oder Risse der Wulstabschnitte entstehen, die sich aus der wiederholten Belastung der Metalldichtung ergeben. Diese Tatsachen ergeben eventuell eine Verschlechterung der Dichtungswirkung, beispielsweise ein Auslecken des Auspuffgases.
Die Erfindung sucht die oben beschriebenen Probleme zu lösen und eine Metalldichtung für eine Rohrverzweigung mit einem höchst zuverlässigen Abdichtungsaufbau zu schaffen, der ein geringes Ausmaß an Dauerbelastung an den in den metallischen Wulstplatten gebildeten Wulstabschnitten aufweist und dem Auftreten von Rissen weniger zuneigt, auch wenn sie unter strengen thermischen Belastungsbedingungen bei hoher Auspuff- Gastemperatur verwendet wird, und eine Metalldichtung für eine Rohrverzweigung zu schaffen, welche Wulstplatten aufweist, die mit Wulstabschnitten ausgestattet sind, die die obigen Probleme von bekannten Metalldichtungen mit einer Laminatstruktur der Metallplatten lösen können, indem eine solche Wulstform vorgesehen wird, daß die Beziehung zwischen der Dicke t der metallischen Wulstplatten und dem Biegungsradius oder dem Krümmungsradius R, d.h. das Verhältnis R/t, auf einen optimalen Wert zwischen 7 und 15 eingestellt wird.
Demgemäß schafft die Erfindung eine Metalldichtung für eine Rohrverzweigung zur Anordnung zwischen einem mit Auspuffkanälen ausgestatteten Zylinderkopf und einem an dem Zylinderkopf befestigten Auspuffsammelrohr, das mit den Auspuffkanälen entsprechenden Einlässen versehen ist, welche aufweist:
einander gegenüberliegende metallische Wulstplatten mit darin ausgebildeten Löchern, die so angeordnet sind, daß sie den Auspuffkanälen des Zylinderkopfs entsprechen, wobei die Wulstplatten ebene Abschnitte aufweisen, die jeweils eine ebene Oberfläche besitzen;
dadurch gekennzeichnet, daß die Wulstplatten ferner mit sich erweiternden Abschnitten versehen sind, die an deren Übergangsabschnitten zu den ebenen Abschnitten mit einem vorbestimmten Krümmungsradius R gebogen sind und sich von der anderen gegenüberliegenden Wulstplatte weg erstrecken, sowie mit Wulstabschnitten, die in ihren Übergangsabschnitten zu den sich erweiternden Abschnitten mit dem vorbestimmten Krümmungsradius R gebogen sind, sich parallel und im Abstand von den Wulstabschnitten der anderen gegenüberliegenden Wulstplatte erstrecken und um die in den Wulstplatten ausgebildeten Löcher angeordnet sind; und
daß das Verhältnis R/t des Krümmungsradius R zur Dicke t der Wulstplatten innerhalb des Bereichs von 7 bis 15 eingestellt ist.
In der oben beschriebenen Metalldichtung für eine Rohrverzweigung ist die Dicke der Wulstplatten auf den Bereich zwischen 0,2 und 0,35 mm eingestellt.
Die erfindungsgemäße Metalldichtung für eine Rohrverzweigung ist zwischen die Stirnfläche eines Flansches eines Auspuffsammelrohrs und die Seitenfläche eines Zylinderkopfes mit aus diesem mündenden Auspuffkanälen eingeklemmt und besteht aus einer dünnen Metallplatte mit Laminataufbau, welche durch Aufschichten von wenigstens zwei ebenen Platten oder Wulsten mit Wulstabschnitten in einem nicht befestigten Zustand ausgebildet ist, wobei das Verhältnis R/t des Krümmungsradius R der Wulstabschnitte zur Dicke t der Wulstplatten auf 7 bis 15 eingestellt ist. Wenn daher die an den Wulstabschnitten auftretende Belastung bzw. der Flächenauflagedruck an diesen durch eine finite Elementenmethode mit dem Krümmungsradius R von 0,5 mm als Bezugsgröße berechnet wird, kann die Belastung auf unterhalb den Bezugswert reduziert werden, während ein Anstieg des Flächenauflagedrucks von einem Bezugswert innerhalb eines vorbestimmten Bereiches eingeschränkt werden kann.
Dies bedeutet, daß der Krümmungsradius der auf beiden Seiten jedes sich erweiternden Abschnitts vorhandenen gebogenen Abschnitte bezüglich der Plattendicke jeder Wulstplatte verhältnismäßig groß gemacht werden kann. Da ferner der Anstieg der ebenen Abschnitte zu den sich erweiternden Abschnitten der Wulstplatten weich wird und der Übergang von den sich erweiternden Abschnitten zu den Wulstabschnitten ebenfalls weich wird, so daß die Kontaktflächen der Wulstplatten infolge dieser weichen Übergangsabschnitte breiter werden, wenn die Metalldichtung zwischen den gegenüberliegenden Flächen des Zylinderkopfes und des Auspuffsammelrohrs festgezogen wird, kann die an den Kontaktabschnitten auftretende Belastung und der Flächenauflagedruck reduziert werden.
Bei den bekannten Metalldichtungen werden die Wulstabschnitte durch den Zylinderkopf und das Auspuffsammelrohr beeinflußt, die Wärmeänderungen in großen Temperaturbereichen ausgesetzt sind, und sie sind daher leicht einer Dauerbelastung und Rißbildung ausgesetzt, wodurch die Dichtungswirkung absinkt, während die erfindungsgemäße Metalldichtung für eine Rohrverzweigung die Belastung niedriger als einen Bezugswert machen und einen Anstieg des Flächenauflagedrucks von einem Bezugswert aus innerhalb eines bestimmten Bereichs einschränken kann und die Belastung und den Flächenauflagedruck der Wulstabschnitte, welche die Dichtlinien des linearen Kontakts bilden, innerhalb geeigneter Bereiche einschränken und dementsprechend eine Verschlechterung der Dichtungswirkung infolge einer Wärmeänderung mit einem großen Temperaturbereich verhindern kann.
Bei der erfindungsgemäßen Metalldichtung für eine Rohrverzweigung kann die Mittelplatte von zwei Wulstplatten gebildet sein, deren Wulstabschnitte in gegenseitigen Kontakt gebracht sind. Daher kann der Flächenauflagedruck um die Gasdurchlaßöffnungen weiter gesteigert werden, die Dichtungsleistung der Metallschichtdichtung kann weiter verbessert werden, und das Austreten von Auspuffgas aus der Dichtung zwischen dem Zylinderkopf und dem Auspuffsammelrohr kann besser verhindert werden.
Ferner kann die erfindungsgemäße Metalldichtung für eine Rohrverzweigung auf verschiedene Weisen hergestellt werden, während die gleiche Laminatstruktur wie diejenige der bekannten Metalldichtungen beibehalten wird, und zwar durch die Kombination von unterschiedlichen Plattendicken und Krümmungsradien der Wulstabschnitte, und eine geeignete Dichtung kann aus diesen gemäß der jeweils verwendeten Motorart ausgewählt werden. Mit anderen Worten, die Einstellung der an den Wulstabschnitten auftretenden Belastung, wenn das Auspuffsammelrohr am Zylinderkopf durch Bolzen befestigt wird, und die Einstellung des beim Festziehen an den Wulstabschnitten auftretenden Flächenauflagedrucks am Auspuffsammelrohr und am Zylinderkopf kann vorgenommen werden, indem lediglich diese Dichtungen ausgewechselt werden, und gestalten sich daher viel einfacher als die übliche Einstellung der Abmessungen und anderer Erfordernisse durch die Änderung des Herstellungsverfahrens der Wulstabschnitte.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den unteransprüchen definiert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr mit Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine schematisch erläuternde Ansicht, die einen Zustand darstellt, in welchem eine Metalldichtung für eine Rohrverzweigung gemäß der Erfindung zwischen einem Zylinderkopf und einem Auspuffsammelrohr angeordnet, jedoch noch nicht angezogen ist;
Fig. 2 eine Aufsicht der gesamten erfindungsgemäßen Metalldichtung für eine Rohrverzweigung;
Fig. 3 einen Schnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Metalldichtung für eine Rohrverzweigung gemäß der Linie II-II in Fig. 2;
Fig. 4 einen Schnitt durch die Metalldichtung geinäß Fig. 3 längs der Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 5 einen Schnitt durch die Metalldichtung gemäß Fig. 3 längs der Linie IV-IV in Fig.2;
Fig. 6 einen Schnitt einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Metalldichtung für eine Rohrverzweigung längs der Linie II-II in Fig. 2;
Fig. 7 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Metalldichtung für eine Rohrverzweigung längs der Linie II-II in Fig. 2;
Fig. 8 einen Schnitt durch noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Metalldichtung für eine Rohrverzweigung längs der Linie II-II in Fig. 2;
Fig. 9 ein Diagramm, welches das Verhältnis der Belastung, die im Kontaktbereich der Wulstplatten auftritt, zu einer Bezugsbelastung darstellt; und
Fig. 10 ein Diagramm, welches das Verhältnis des Flächenauflagedrucks, der im Kontaktbereich der Wulstplatten auftritt, zu einem Bezugs-Flächenauflagedruck darstellt.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Metalldichtung für eine Rohrverzweigung mit Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
In Fig. 1 (welche nur eine Seite eines 6-Zylinder-V-Motors als Beispiel eines Mehrzylindermotors zeigt) ist ein Zylinderkopf 19 mit daraus mündenden Auspuffkanälen 21, ein Auspuffsammelrohr 20, das am Zylinderkopf 19 befestigt ist und so viele Einlaßverzweigungsrohre 23 aufweist, wie es der Anzahl der Auspuffkanäle 21 entspricht, sowie eine Metalldichtung 1 für eine Rohrverzweigung dargestellt, welche zwischen dem Zylinderkopf 19 und dem Auspuffsammelrohr 20 in dem Zustand dargestellt sind, bevor sie aneinander festgelegt werden.
Ein Beispiel der erfindungsgemäßen Metalldichtung für eine Rohrverzweigung ist in Fig. 2 dargestellt. Sie wird zwischen die Seitenfläche 22 des Zylinderkopfes 19 und die Stirnfläche 24 eines Flansches 25 des Auspuffsammelrohrs 20 eingeklemmt, angezogen und befestigt. Wie in dieser Figur dargestellt, wird die Metalldichtung 1 verwendet, um die Luftdichtheit zwischen der Seitenfläche 22 des Zylinderkopfes 19 und der gegenüberliegenden Stirnfläche 24 des Auspuffsammelrohrs 20 rings um die drei beispielhaft in der Figur gezeigten Auspuffkanäle 2l aufrechtzuerhalten und ein Auslecken von Auspuffgas zwischen dem Zylinderkopf 19 und dem Auspuffsammelrohr 20 zu verhindern.
Die Metalldichtung 1 weist ein Paar von Wulstplatten 2, 3 und eine metallische Mittelplatte 4 auf, die zwischen diesen Wulstplatten 2, 3 angeordnet sind, wie in Fig. 3 gezeigt. Das Paar von Wulstplatten 2, 3 und die Mittelplatte 4 haben die gleiche Anzahl von Gasdurchlaßöffnungen 5, 6 und 7 wie die Anzahl von Auspuffkanälen 21 des Zylinderkopfes 19 des Mehrzylindermotors. Diese Gasdurchlaßöffnungen 5, 6 und 7 werden gebildet, wenn die Wulstplatten 2, 3 durchsetzende erste Öffnungen und die Mittelplatte 4 durchsetzende zweite Öffnungen miteinander fluchten.
Die beiden Wulstplatten 2, 3 besitzen ebene Abschnitte 26, 27, deren jeder eine ebene Oberfläche aufweist, die mit der Mittelplatte 4 in Kontakt kommt, sich erweiternde Abschnitte 8, 9, die an den Übergangsabschnitten zwischen denselben und den ebenen Abschnitten 26, 27 gebogen sind und sich zunehmend von der Mittelplatte 4 entfernen, während sie sich zu den Gasdurchlaßöffnungen 5, 6 und 7 im freien Zustand vor dem Festziehen erstrecken, und Wulstabschnitte 10, 11, die im Übergangsbereich zwischen denselben und den sich erweiternden Abschnitten 8, 9 gebogen sind, sich parallel zueinander erstrecken, während sie im Abstand von der Mittelplatte 4 verlaufen und rings um die Gasdurchlaßöffnungen 5, 6, 7 angeordnet sind, welche in den Wulstplatten 2, 3 ausgebildet sind, wie in Fig. 3 gezeigt. Die im Abstand voneinander angeordneten Abschnitte oder, mit anderen Worten, die Übergangsabschnitte, in denen die ebenen Hauptabschnitte 26, 27 der Wulstplatten 2, 3 in die sich erweiternden Abschnitte 8, 9 übergehen, und die Übergangsabschnitte, in denen die sich erweiternden Abschnitte 8, 9 in die Wulstabschnitte 11, 12 übergehen, die parallel zur Mittelplatte 4 verlaufen, werden im voraus mit einem vorbestimmten Krümmungsradius R zur Bildung von gebogenen Abschnitten gebogen. Die Wulstabschnitte 10, 11 werden in einem Zustand gebildet, in dem sie eine Federwirkung haben oder elastisch verformbar sind, damit sie eine Verformung, wie eine große thermische Verformung beim Ansetzflansch des Auspuffsammelrohrs, absorbieren. Die Wulstplatten 2, 3 und die Mittelplatte 4 werden in einem gegenseitig nicht festgelegten Zustand nahe den ebenen Abschnitten 26, 27 um die sich erweiternden Abschnitte 8, 9 der Wulstplatten 2, 3 herum aufeinandergeschichtet.
Da die Wulstplatten 2, 3 in der oben beschriebenen Weise geformt und angeordnet werden, kann die Metalldichtung 1 für eine Rohrverzweigung Luftdichtheit zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen aufrechterhalten, welche aus der Stirnfläche des Zylinderkopfes und der Stirnfläche des Abgassammelrohrs bestehen, und sie zeigen eine außerordentlich gute Abdichtwirkung.
Die Mittelplatte 4 wird aus einem Aluminium-plattierten Schmelzstahlblech (SAIC, SACC) hergestellt, das zwischen 0,3 und 0,7 mm dick und vorzugsweise 0,5 mm dick ist. Die Dicke t der Wulstplatten 2, 3 in Form von dünnem Metallblech auf beiden Seiten wird aus einem 0,2 bis 0,35 mm dicken rostfreien Stahlfeinblech hergestellt (SUS 301H oder dergl.; bei dieser Ausführungsform 0,25 mm dick). Der Durchmesser der Gasdurchlaßöffnungen 5 bis 7 beträgt 40 mm. Die Breite der sich erweiternden Abschnitte 8, 9 der Wulstplatten 2, 3 (die Breite betrachtet in der Radialrichtung der Gasdurchlaßöffnungen) beträgt 2,5 mm, und die Breite der Wulstabschnitte 10, 11 (in der gleichen Richtung wie oben) beträgt 2,75 mm. Ferner beträgt die Höhe der Wulstabschnitte 10, 11 von der Mittelplatte 4 0,75 mm. Mit anderen Worten, die Höhe der Metalldichtung 1 wird im freien Zustand auf 1 mm einschließlich der Dicke t der Wulstplatten 2, 3 eingestellt.
Die gebogenen Abschnitte 12, 13 der Wulstplatten 2, 3 im Übergang von ihren ebenen Hauptabschnitten zu ihren sich erweiternden Abschnitten 8, 9 und die gebogenen Abschnitte 14, 15 im Übergang von den sich erweiternden Abschnitten 8, 9 zu den Wulstabschnitten 10, 11 werden einer Biegebearbeitung mit einem Krümmungsradius R von mindestens 0,5 mm unterworfen.
In der Zeichnung ist mit 16 eine Anzahl von Paßlöchern bezeichnet, die in jeder der Wulstplatten 2, 3 und der Mittelplatte 4 derart verteilt sind, daß sie gleichförmig über die Metalldichtung 1 verstreut sind. Die Metalldichtung 1 wird zwischen der Zylinderkopf-Seitenfläche und der Rohrverzweigungs-Stirnfläche eingeklemmt und festgelegt, indem ein Befestigungsorgan, wie ein Bolzen, in jedes Loch, das in der gleichen Lage des Auspuffsammelrohrs und des Zylinderkopfs angeordnet ist, eingesetzt wird.
Mit 17 ist eine Befestigungsöse zum Festlegen der Mittelplatte 4 und der Wulstplatten 2, 3 auf beiden Seiten derselben bezeichnet. Diese Mittelplatte 4 und Wulstplatten 2, 3 werden auf das gemeinsame Loch 18, das in der gleichen Lage ausgebildet ist, ausgerichtet. Nach dem Einpassen in das Loch 18 wird die Befestigungsöse 17 auf die Oberflächenseite der Wulstplatten 2, 3 auf beiden Seiten zurückgebogen, um diese auf der Mittelplatte 4 festzulegen. Die Befestigungsöse 17 ist in einer abwechselnden Anordnung bezüglich des Lochs 16 derart angeordnet, daß ein gleichförmig verteilter Zusammenhalt der ganzen Metalldichtung 1 ermöglicht wird.
Wenn der Zylinderkopf 1 und das Auspuffsammelrohr 20 aneinander befestigt werden, nachdem das Befestigungsorgan, wie ein Bolzen, in das Paßloch 16 eingesetzt ist, kommen die dazwischen eingeklemmten Wulstabschnitte 10, 11 der Wulstplatten 2, 3 auf beiden Seiten der Metalldichtung 1 in Kontakt mit den gegenüberliegenden Flächen des Zylinderkopfes und des Auspuffsammelrohrs, bilden lineare Kontakt-Dichtungslinien und können das Auslecken eines Verbrennungsgases an den Umfängen der Gasdurchlaßöffnungen 5 bis 7 verhindern.
Das Auspuffsammelrohr ist aus hitzebeständigem Stahl oder rostfreiem Stahl hergestellt und die Materialstärke wird bei der Herstellung so weit wie möglich reduziert, so daß ihre Wärmeverformung bezüglich des Zylinderkopfes infolge der Temperaturänderung groß ist. Da jedoch die Metalldichtung 1 in der oben beschriebenen Weise ausgebildet ist, fallen die Belastung und der Flächenauflagedruck des die Dichtungslinie bildenden Kontaktabschnitts der Metalldichtung 1 innerhalb bevorzugte Bereiche und deren Dauerbelastung ist manchmal geringer als die Hälfte derjenigen der üblichen Metalldichtung.
Anschließend werden die Wirkungsweisen der erfindungsgemäßen Metalldichtung für eine Rohrverzweigung speziell mit Bezugnahme auf die Figuren 9 und 10 erläutert.
In Fig. 9 ist ein Verhältnis R/t des Krümmungsradius R des gebogenen Abschnitts zur Dicke t des Wulstabschnitts (dimensionslose Größe) auf der Abszisse aufgetragen, und das Verhältnis der im Kontaktabschnitt der Wulstplatte mit dem Zylinderkopf oder dem Auspuffsammelrohr auftretenden Belastung zu der im Kontaktbereich auftretenden Belastung, wenn der Biegeradius R gleich 0,5 mm ist, als Bezugsgröße (dimensionslose Größe) oder mit anderen Worten, das Belastungsverhältnis, ist auf der Ordinate aufgetragen, wobei die Plattenstärke t ein Parameter ist. Hier bedeutet der Ausdruck "Belastung im Wulstabschnitt" die Biegebelastung, die im Biegebearbeitungsabschnitt des Wulstabschnitts der Metalldichtung auftritt, wenn der Wulstabschnitt zwischen den Festlegeflächen des Zylinderkopfes und des Auspuffsammelrohrs eingeklemmt und festgelegt ist. Die Druckbelastung tritt auf der konvexen Oberflächenseite des Biegebearbeitungsabschnitts in dessen freiem Zustand auf, und die Zugbelastung tritt auf der konkaven Oberflächenseite auf. Jede dieser Belastungen erreicht den größten Wert auf der Oberfläche der konkav-konvexen Fläche, und deren maximale Belastung wird als die "Belastung des Wulstabschnitts" bezeichnet.
Das in Fig. 9 gezeigte Diagramm stellt das Ergebnis der numerischen Berechnung gemäß einer finiten Elementenmethode dar. Der Krümmungsradius R des gebogenen Abschnitts ist auf 0,5 mm eingestellt, da es der Wert ist, der üblicherweise verwendet worden ist, und die Dicke t der Wulstplatte ist auf den Bereich von 0,2 bis 0,35 mm beschränkt, da die Dicke der verwendeten Wulstplatte praktisch in diesen Bereich fällt.
Wie aus Fig. 9 abzulesen ist, liegt das Belastungsverhältnis des Kontaktabschnitts nahe bei 1,0, wenn der Krümmungsradius R des gebogenen Abschnitts wie bei der bekannten Metalldichtung klein ist, oder mit anderen Worten, wenn der Übergang von den ebenen Abschnitten an beiden Enden der sich erweiternden Abschnitte abrupt erfolgt, unabhängig vom Wert der Plattendicke innerhalb des oben beschriebenen Bereichs, wenn jedoch der Krümmungsradius R größer und größer wird, senkt sich die charakteristische Kurve nach rechts im Diagramm abwärts oder das Belastungsverhältnis im Kontaktabschnitt fällt drastisch von 1,0 ab. Das Belastungsverhältnis fällt auf 35 % ab, wenn R/t etwa 7 beträgt und neigt dazu, sich horizontal oder leicht nach unten zu erstrecken, wenn R/t größer als 7 ist. Wenn die Änderung bezüglich der Plattendicke t als der Parameter betrachtet wird, ist ersichtlich, daß der Abfall des Belastungsverhältnisses mit steigender Plattendicke t größer wird.
Es ist aus der obigen Beschreibung ersichtlich, daß der Bereich von R/t, der verwendbar ist, wenigstens 7 beträgt, da ein Bereich, in welchem das Belastungsverhältnis ausreichend abfällt, unzweifelhaft bevorzugt wird.
In Fig. 10 ist das Verhältnis R/t (dimensionslose Größe) des Krümmungsradius R des gebogenen Abschnitts zur Dicke t der Wulstplatte auf der Abszisse und das Verhältnis des flächenauflagedrucks (dimensionslose Größe), der im Kontaktabschnitt der Wulstplatte mit dem Zylinderkopf oder der Rohrverzweigung auftritt, zum Flächenauflagedruck, der im Kontaktabschnitt auftritt, wenn der Krümmungsradius R 0,5 mm beträgt, als eine Bezugsgröße auf der Ordinate aufgetragen, wobei Plattendicke t ein Parameter ist. Hier bedeutet der Ausdruck "Flächenauflagedruck des Wulstabschnitts" den Klemmdruck, welcher im gebogenen Abschnitt des Wulstabschnitts der Metalldichtung auftritt, wenn die Wulstplatte zwischen dem Zylinderkopf und dem Auspuffsammelrohr eingeklemmt und festgelegt ist. Dieses Diagramm wird durch numerische Berechnung gemäß der definiten Elementenmethode erhalten, und die übrigen Bedingungen sind die gleichen wie diejenigen in Fig. 9. Daher wird eine Wiederholung der Erläuterung der sich deckenden Teile weggelassen.
Wie aus Fig. 10 abzulesen ist, liegt das Verhältnis des Flächenauflagedrucks des Kontaktabschnitts nahe 1,0, wenn der Krümmungsradius R des gebogenen Abschnitts klein ist, wie bei der bekannten Metalldichtung, oder mit anderen Worten, wenn der Übergang der ebenen Abschnitte an beiden Enden der sich erweiternden Abschnitte abrupt erfolgt, unabhängig vom Wert der Plattendicke innerhalb des oben beschriebenen Bereichs. Die charakteristische Kurve steigt jedoch bei steigendem Krümmungsradius R des gebogenen Abschnitts nach rechts an, oder das Verhältnis des Flächenauflagedrucks des Kontaktabschnitts steigt allmählich von 1,0 an, und wenn die Plattendicke t gleich 0,35 mm ist, beginnt R/t von etwa 8 anzusteigen, und wenn R/t gleich 15 ist, übersteigt das Verhältnis des Flächenauflagedrucks 1,1. Wenn die Änderung bezüglich der Dicke t als Parameter beobachtet wird, wird der Anstieg des Verhältnisses des Flächenauflagedrucks mit steigender Dicke t größer.
Es ist aus der oben gegebenen Erläuterung verständlich, daß der Bereich von R/t, der verwendbar ist, bis zu 15 verläuft, da ein bevorzugter Bereich des Verhältnisses des Flächenauflagedrucks 1,1 nicht übersteigt.
In der erfindungsgemäßen Metalldichtung für eine Rohrverzweigung liegt daher der Bereich von R/t vorzugsweise im Bereich von 7 bis 15, wenn man sowohl das Belastungsverhältnis als auch das Verhältnis des Flächenauflagedrucks, wie oben beschrieben, berücksichtigt.
Vom Gesichtspunkt der Herstellung wird der lineare Abschnitt jedes sich erweiternden Abschnitts zu kurz, wenn der Krümmungsradius R des gebogenen Abschnitts übermäßig groß ist, so daß ein Maximalwert des Krümmungsradius, der angewendet werden kann, vorzugsweise bei 3,5 mm liegt.
Dementsprechend nimmt der obere Grenzwert von R/t den kleinsten Wert an, wenn die Plattendicke t den größten Wert hat, d.h. 0,35 mm; daher ist 3,5/0,35 = 10.
Die erfindungsgemäße Metalldichtung für eine Rohrverzweigung kann eine Metalldichtung mit ausgezeichnetem Dichtungsvermögen schaffen, die frei ist vom Auftreten einer dauernden Belastung oder von Rissen und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist, wenn das Verhältnis R/t des Krümmungsradius R des gebogenen Abschnitts zur Dicke t im Bereich von 7 bis 15 liegt, wobei die Belastung und der Flächenauflagedruck des Kontaktabschnitts der Metalldichtung berücksichtigt werden. Da eine geeignete Kombination bei verschiedenen Bedingungen innerhalb des oben beschriebenen Bereichs des Verhältnisses R/t gewählt werden kann, kann eine Anzahl von Metalldichtungen von der Produktionsabteilung hergestellt und auf Vorrat gehalten werden.
Obwohl die erfindungsgemäße Metalldichtung für eine Rohrverzweigung in der oben beschriebenen Weise aufgebaut ist, ist die Erfindung nicht auf den oben erwähnten Aufbau eingeschränkt. Beispielsweise kann die Erfindung auf eine Metalldichtung für eine Rohrverzweigung mit dem folgenden Aufbau angewendet werden.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Metalldichtung für eine Rohrverzweigung wird mit Bezugnahme auf die Figuren 6, 7 und 8 beschrieben. In den Figuren sind die Wulstplatten die gleichen wie die Wulstplatten 2, 3 der vorhergehenden Ausführungsform. Daher werden die gleichen Bezugszeichen verwendet und eine Wiederholung der Erläuterung wird weggelassen.
Zunächst wird auf Fig. 6 Bezug genommen. Die Metalldichtung für eine Rohrverzweigung hat zwei Mittelplatten 28 und 29, die aus einer dünnen Metallplatte bestehen, und diese Mittelplatten 28, 29 weisen Löcher auf, die an Stellen vorgesehen sind, welche den Auslaßkanälen des Zylinderkopfes entsprechen, und sie sind zwischen den metallischen Wulstplatten 2 und 3 angeordnet. Eine der Mittelplatten 28 ist auf der Innenseite einer der Wulstplatten 2 derart angeordnet, daß ihre ganze Fläche im Kontaktzustand, jedoch nicht im festgelegten Zustand ist, und die andere Mittelplatte 29 ist auf der Innenseite der anderen Wulstplatte 3 derart angeordnet, daß ihre ganze Fläche im Kontaktzustand, jedoch nicht im festgelegten Zustand ist. In der gleichen Weise wie die Mittelplatten 2, 3 weisen die Mittelplatten 28, 29 die ebenen Abschnitte 30, 31, welche in Kontakt mit den Wulstplatten 2, 3 kommen, die sich erweiternden Abschnitte 32, 33, die in den Übergangsabschnitten zu den ebenen Abschnitten 30, 31 gebogen sind und sich voneinander weg erstrecken, sowie die Wulstabschnitte 34, 35 auf, die im Übergangsabschnitt zu den sich erweiternden Abschnitten 32, 33 gebogen sind und sich parallel zueinander erstrecken. Ferner sind die Mittelplatten 28, 29 so geformt, daß das Verhältnis R/t des Krümmungsradius R ihrer gebogenen Abschnitte zur Dicke t der Mittelplatten 28, 29 zwischen 7 und 15 in der gleichen Weise wie bei den Wulstplatten 2, 3 liegt.
Als nächstes weist diese Metalldichtung für eine Rohrverzweigung zwei Mittelplatten 36, 37 aus dünnem Metallblech auf, wie in Fig. 7 gezeigt, und diese Mittelplatten 36, 37 sind mit Wulstabschnitten 38, 39 und mit Löchern ausgestattet, die derart durchgebrochen sind, daß sie den Auspuffkanälen des Zylinderkopfes entsprechen, und sie sind zwischen den metallischen Wulstplatten 2, 3 in der gleichen Weise wie die Wulstplatten 2, 3 angeordnet. Eine der Mittelplatten 36 ist auf der Innenseite einer der Wulstplatten 2 derart angeordnet, daß ihre ganze Fläche im Kontaktzustand, jedoch nicht im festgelegten Zustand ist, und die Wulstplatten 10, 38 sind in gegenseitigem Abstand angeordnet. Die andere Mittelplatte 37 ist auf der Innenseite der anderen Wulstplatte 3 derart angeordnet, daß ihre ganze Fläche im Kontaktzustand, jedoch nicht im festgelegten Zustand ist, und die Wulstabschnitte 11, 39 sind in gegenseitigem Abstand angeordnet. Darüber hinaus sind der Wulstabschnitt 38 der Mittelplatte 36 und der Wulstabschnitt 39 der Mittelplatte 37 derart angeordnet, daß ihre ganzen Flächen sich im Kontaktzustand, jedoch nicht im festgelegten Zustand befinden. Ferner sind die Mittelplatten 36, 37 so geformt, daß das Verhältnis R/t des Krümmungsradius R ihrer gebogenen Abschnitte zur Dicke t der Mittelplatten 36, 37 in gleicher Weise wie bei der Wulstplatte 2 zwischen 7 und 15 liegt.
Statt dessen weist die Metalldichtung für eine Rohrverzweigung bei dieser Ausführungsform drei Mittelplatten aus einem dünnen Metallblech auf, wie in Fig. 8 gezeigt. Da die Anordnung dieser Metalldichtung den gleichen Aufbau besitzt wie bei der in Fig. 7 gezeigten Dichtung, mit Ausnahme der in der Mitte angeordneten Mittelplatte 40, werden die gleichen Bezugszeichen zur Kennzeichnung der gleichen Bestandteile der Mittelplatten auf beiden Seiten verwendet und die Wiederholung der Erläuterung wird weggelassen.

Claims

1. Metalldichtung für eine Rohrverzweigung zur Anordnung zwischen einem mit Auspuffkanälen (21) ausgestatteten Zylinderkopf (19) und einem an dem Zylinderkopf (19) befestigten Auspuffsammelrohr (20), das mit den Auspuffkanälen (21) entsprechenden Einlässen versehen ist, welche aufweist:

einander gegenüberliegende metallische Wulstplatten (2, 3) mit darin ausgebildeten Löchern (5, 6, 7), die so angeordnet sind, daß sie den Auspuffkanälen (21) des Zylinderkopfs (19) entsprechen, wobei die Wulstplatten (2, 3) ebene Abschnitte (26, 27) aufweisen, die jeweils eine ebene Oberfläche besitzen;

dadurch gekennzeichnet, daß die Wulstplatten (2, 3) ferner mit sich erweiternden Abschnitten (8, 9) versehen sind, die an deren Übergangsabschnitten zu den ebenen Abschnitten (26, 27) mit einem vorbestimmten Krümmungsradius R gebogen sind und sich von der anderen gegenüberliegenden Wulstplatte (2, 3) wegerstrecken, sowie mit Wulstabschnitten (10, 11), die in ihren Übergangsabschnitten zu den sich erweiternden Abschnitten (8, 9) mit dem vorbestimmten Krümmungsradius R gebogen sind, sich parallel und im Abstand von den Wulstabschnitten der anderen gegenüberliegenden Wulstplatte (2, 3) erstrecken und um die in den Wulstplatten (2, 3) ausgebildeten Löcher (5, 6, 7) angeordnet sind; und

daß das Verhältnis R/t des Krümmungsradius R zur Dicke t der Wulstplatten (2, 3) innerhalb des Bereichs von 7 bis 15 eingestellt ist.

2. Metalldichtung für eine Rohrverzweigung nach Anspruch 1, bei welcher die Dicke der Wulstplatten (2, 3) zwischen 0,2 mm und 0,35 mm liegt.

3. Metalldichtung für eine Rohrverzweigung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Wulstplatten (2, 3) aus einem rostfreien Stahlblech hergestellt sind.

4. Metalldichtung für eine Rohrverzweigung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Wulstplatten (2, 3) aus einem Paar von metallischen Wulstplatten (2, 3) bestehen; und daß eine Metallplatte (4) vorgesehen ist, die zweite Löcher (5, 6, 7) aufweist, die so geformt und angeordnet sind, daß sie den Auspuffkanälen (21) des Zylinderkopfes (19) entsprechen, und zwischen den metallischen Wulstplatten (2, 3) angeordnet ist und auf ihren beiden Seiten eine ebene Oberfläche aufweist.

5. Metalldichtung für eine Rohrverzweigung nach Anspruch 4, bei welcher die Wulstplatten (2, 3) und die Mittelplatte (4) zur Bildung eines Laminats in Kontakt stehen und im Bereich der ebenen Abschnitte (26, 27) um die sich erweiternden Abschnitte (8, 9) der Wulstplatten (2, 3) nicht aneinander gebunden sind.

6. Metalldichtung für eine Rohrverzweigung nach Anspruch 4, bei welcher die Mittelplatte (4) aus einem Aluminiumplattierten Stahlblech hergestellt ist.

7. Metalldichtung für eine Rohrverzweigung nach Anspruch 1, bei welcher die Wulstplatten (2, 3) aus einem Paar von metallischen Wulstplatten (2, 3) bestehen; und

daß einander gegenüberliegende metallische Mittelplatten (28, 29) zwischen den metallischen Wulstplatten (2, 3) angeordnet sind und zweite Löcher (5, 6, 7) aufweisen, die so geformt und angeordnet sind, daß sie den Auspuffkanälen (21) des Zylinderkopfes (19) entsprechen;

wobei die Mittelplatten (28, 29) mit der ganzen Oberfläche der Wulstplatten (2, 3) zur Bildung eines Laminats in Kontakt stehen, doch nicht aneinander gebunden sind, die Mittelplatten (28, 29) ebene Abschnitte (30, 31) jeweils mit einer ebenen Oberfläche, sich erweiternde Abschnitte (32, 33), die in den Übergangsabschnitten zu den ebenen Abschnitten (30, 31) mit einem vorbestimmten Krümmungsradius R gebogen sind und sich von der anderen gegenüberliegenden Mittelplatte (28, 29) wegerstrecken, sowie Wulstabschnitte (34, 35) aufweisen, die in ihren Übergangsabschnitten zu den sich erweiternden Abschnitten (32, 33) mit dem vorbestimmten Krümmungsradius R gebogen sind, sich parallel und im Abstand von der anderen gegenüberliegenden Mittelplatte (28, 29) erstrecken und um die zweiten Löcher (5, 6, 7), die in den Mittelplatten (28, 29) ausgebildet sind, herum angeordnet sind.

8. Metalldichtung für eine Rohrverzweigung nach Anspruch 1, bei welcher die Wulstplatten (2, 3) ein Paar von metallischen Wulstplatten (2, 3) aufweisen; und

einander gegenüberliegende Mittelplatten (36, 37) zwischen den metallischen Wulstplatten (2, 3) angeordnet sind und zweite Löcher (5, 6, 7) aufweisen, die derart ausgebildet und angeordnet sind, daß sie den Auspuffkanälen (21) des Zylinderkopfes (19) entsprechen; und

wobei die Mittelplatten (36, 37) auf beiden Seiten jeweils ebene Abschnitte (26, 27), die jeweils eine mit der entsprechenden Wulstplatte (2, 3) in Kontakt stehende ebene Oberfläche besitzen, sich erweiternde Abschnitte, die an ihren Übergangsabschnitten zu den ebenen Abschnitten (26, 27) mit dem Krümmungsradius R gebogen sind und sich von den jeweiligen Wulstplatten (2, 3) wegerstrekken, sowie Wulstabschnitte (38, 39) aufweisen, die in ihren Übergangsabschnitten zu den sich erweiternden Abschnitten mit dem vorbestimmten Krümmungsradius R gebogen sind, sich parallel und im Abstand von den Wulstplatten (2, 3) erstrecken und rings um die in den Mittelplatten (36, 37) ausgebildeten zweiten Löcher (5, 6, 7) angeordnet sind.