DE4343045A1 - Haltering - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Haltering aus einem Pulver- Verbund-Metall, insbesondere zur Verwendung in Verbindung mit einer Zylinderkopfdichtung eines Motors.

Auf Zylinderkopfdichtungen wirken Spannkräfte infolge der Schraubenverbindung zwischen dem Zylinderkopf und dem Mo­ torblock, und sie sollen den Motor nach außen abdichten.

Die Zylinderkopfdichtung umfaßt einen Dichtring, der eine Leckage der Verbrennungsgase während des Betriebs des Mo­ tors verhindern soll. Mehrere Arten solcher Dichtringe sind bekannt. Einer davon ist ein nachgiebiger Ring, der im wesentlichen aus einem Draht mit allgemein kreisförmigem Querschnitt besteht. Die Spannkraft, die auf einen solchen Ring wirkt, wird konzentriert auf einen Kontaktpunkt oder eine Kontaktlinie, wodurch der Umfang des Ringes verformt wird, um effektiv gegen die Verbrennungsgase abzudichten. Dieser Ring unterliegt jedoch einer thermischen Rißbildung oder Quetschung, die aus der plastischen Verformung her­ rührt, die bei hohen Temperaturen während des Betriebes und der Lebensdauer des Ringes auftreten.

Um diesen Nachteil des nachgiebigen oder weichen Dichtungs­ ringes zu beseitigen, ist ein duales Dichtsystem vorge­ schlagen worden, das eine primäre und eine sekundäre Dich­ tung umfaßt. Die Zylinderkopfdichtung hat einen U-förmigen ringförmigen Flansch angrenzend an einen Dichtungskörper mit einem federbelasteten Verbrennungs-Dichtring innerhalb des Flansches. Der federbelastete Dichtring hat eine allge­ mein kreisförmige Querschnittsfläche und weiter einen äußeren Mantel und eine innere Feder. Er wirkt als primäre Abdichtung gegen die Verbrennungsgase. Wie bei dem nach­ giebigen Dichtungsring ist eine auf diesen Ring wirkende Spannkraft konzentriert an einem Kontaktpunkt, um gegen die Verbrennungsgase abzudichten. Ein Haltering ist zwischen dem federbelasteten Dichtring und dem Dichtungskörper ange­ ordnet. Der Ring wirkt als positiver mechanischer Anschlag für den federbelasteten Dichtring, hauptsächlich längs einer radialen Achse, und er bildet eine begrenzte sekundäre Ab­ dichtung gegen die Verbrennungsgase. Er schützt ferner den federbelasteten Dichtring gegen thermische Rißbildung.

Dieses Dichtungssystem hat jedoch noch Nachteile. Insbesondere erfordert die Verwendung eines solchen Halteringes einen Kom­ promiß zwischen einer gewünschten vertikalen Druck-Streckgrenze und einer Streckgrenze in Umfangsrichtung. Die tangentiale Streckgrenze oder Streckgrenze in Umfangsrichtung wird tangen­ tial zum Umfang des Dichtringes gemessen und sollte ausreichend hoch sein, um die inneren Zylinderdrücke auszuhalten, die im Betrieb des Motors entstehen sowie die Kräfte, die radial durch den federbelasteten Dichtring wirken. Wenn ein Dichtring keine ausreichende tangentiale Festigkeit hat, neigt er dazu, sich zu erweitern, was zu einer Leckage der Verbrennungsgase führt. Gleichzeitig ist jedoch eine niedrige vertikale Streckgrenze erwünscht, um einen verformbaren Haltering zu erhalten, der eine sekundäre Abdichtung zur Unterstützung der primären Abstützung gegen die Leckage von Verbrennungsgasen bildet. Es ist ferner erwünscht, einen Ring mit einer Punktbelastung oder Linienbelastung zu haben, ähnlich derjenigen des nach­ giebigen Ringes, um eine gewisse Verformbarkeit zu gewähr­ leisten.

Das Dichtsystem nach der Erfindung für eine Zylinderkopfdich­ tung eines Motors umfaßt einen Dichtring und einen Haltering.

Der letztere hat einen Abschnitt mit einer konvexen oberen Ober­ fläche und einer konvexen unteren Oberfläche, so daß eine zu Anfang auf den Ring ausgeübte Belastung eine Punktlast bzw. eine Linienbelastung ist. Die Flächen an den radialen Enden liegen quer zu einer radialen Achse. In einer Ausführungs­ form umfaßt eine Fläche am radial inneren Ende eine Nut zur Aufnahme eines Außenumfanges einer federbetätigten Ver­ brennungsdichtung. Die Verwendung einer Nut steigert den Oberflächenkontakt zwischen dem Ring und der Verbrennungs­ dichtung, wodurch eine Punktbelastung der federbelasteten Dichtung in radialer Richtung vermieden wird. Der Ring ist hergestellt aus einem homogenen Pulver-Verbund-Metall, wel­ ches Zonen unterschiedlicher Dichten nach dem Sintern ent­ hält. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Pul­ vermetall hauptsächlich aus Titan.

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

Fig. 1 perspektivisch einen Teil einer Zylinderkopfdichtung, welche die Er­ findung enthält, darstellt.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1, wobei eine erste Ausführungsform eines Halteringes nach der Erfindung gezeigt ist.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform des Halteringes.

Die Zylinderkopfdichtung 20 nach Fig. 1 umfaßt einen Dich­ tungskörper 22, Zylinderöffnungen 24 und Fluidströmungs­ öffnungen 26. Um ein mehrfaches Dichtsystem 28 um eine nicht gezeigte Zylinderbohrung zu schaffen, umfaßt die Dichtung 20 einen ringförmigen U-förmigen Flansch 29 mit einem oberen Schenkel 30 und einem unteren Schenkel 32. Wie Fig. 2 zeigt, ist eine federbetätigte Verbrennungsdichtung 34 in dem Flansch angeordnet. Die Dichtung 34 umfaßt eine innere Feder 36 und eine äußere Feder, die auch als Mantel 38 be­ zeichnet werden kann, und sie wirkt als primäre Dichtung gegen eine Leckage von Verbrennungsgasen. Ein Haltering 40, der radial zwischen der Dichtung 34 und dem Dichtungskörper 22 angeordnet ist, wirkt als positiver mechanischer Anschlag für die Dichtung 34. Der Haltering 40 bildet eine sekundäre Abdichtung gegen die Leckage von Verbrennungsgasen.

Wie Fig. 2 zeigt, hat der Ring 40 einen radial langge­ streckten Querschnitt mit einer konvexen oberen Fläche 42 und einer konvexen Bodenfläche 44, so daß eine zu Anfang axial auf den Ring aufgebrachte Druckbelastung eine Punkt­ last bzw. eine Linienbelastung ist, wodurch eine sehr gute Abdichtung gegen Verbrennungsgase erzielt wird. Eine ra­ dial äußere Umfangsfläche 46 bildet ein Ende, das quer zur radialen Richtung liegt und entspricht einer gegenüberlie­ gender Oberfläche 48 des Dichtungskörpers 22. Eine kreis­ förmige konkave Nut 50 ist in einer Fläche 51 ausgebildet, welche eine radial innere Endfläche des Ringes 40 bildet, die einer äußeren konvexen Umfangsfläche 52 der Dichtung 34 entspricht und diese aufnimmt.

Der Haltering 40 bildet eine Abstützung für die Dichtung 34 und hält diese in Position. Die auf den Haltering 40 wirkenden Kräfte umfassen sowohl eine radiale Belastung und eine Umfangs­ belastung längs einer radialen Achse und tangential zu einem Umfang des Ringes. Die Gestalt der Nut 50 in Verbindung mit der entsprechenden Fläche 52 verteilt radiale und tangentiale Belastungen über einen maximalen Flächenbereich, wodurch die entsprechenden Spannungen reduziert werden. Ein bevorzugtes Verhältnis zwischen einer radialen Breite des Ringes 40, ge­ messen zwischen den Flächen 46 und 51 an den radialen Enden und einer Dicke, gemessen zwischen den konvexen Oberflächen 42 und 44, liegt etwa bei drei zu eins. Dieses Verhältnis gewährleistet eine ausreichende tangentiale Festigkeit, die dem Innendruck der Verbrennungsgase widersteht.

Der Ring 40 besteht vorzugsweise aus einem Pulver-Verbund- Metall, und er hat eine hochfeste Materialzone 54, die zwi­ schen zwei äußeren, relativ weichen Materialzonen 56 liegt. Wenn die weichen Materialzonen 56 an den äußeren vertikalen Enden des Ringes 40 liegen, so wird die Verformbarkeit des Ringes unter den Anfangslastbedingungen verbessert. Jede der Zonen erstreckt sich radial über den Ring von der Fläche 51 zur Fläche 46. Dieser Aspekt des Ringaufbaues ist beson­ ders interessant bezüglich der hochfesten Materialzone 54, welche das meiste zu der erforderlichen tangentialen Festig­ keit beiträgt. Um diese Festigkeit zu erhalten, ist die hoch­ feste Materialzone 54 dicker ausgebildet als die entsprechen­ den Zonen 56. Die hochfeste Materialzone 54 hat vorzugsweise eine Porosität von etwa 0%, und die relativ weichen Zonen 56 haben eine Porosität zwischen etwa 3 und 60%, vorzugs­ weise etwa zwischen 15 und 30%. Der Ring 40 ist damit un­ durchlässig für die Verbrennungsgase.

Die erfindungsgemäßen Zonen mit unterschiedlicher Dichte bieten einige Vorteile einschließlich der Fähigkeit, die Festig­ keiten des Ringes in vertikaler Richtung und in Umfangsrichtung zu variieren. Die Materialstreckgrenze für den Haltering 40 längs der vertikalen Achse liegt vorzugsweise in einem Be­ reich zwischen etwa 1,5 und 19 kp/cm², mehr bevorzugt ein Bereich zwischen 3,8 und 6,8 kp/cm², und am meisten bevor­ zugt wird ein Wert von etwa 3,8 kp/cm². Diese Festigkeits­ werte ermöglichen eine gute sekundäre Abdichtung längs des Umfanges des Halteringes 40. Gleichzeitig wird jedoch eine Streckgrenze längs der Umfangsachse bevorzugt zwischen etwa 15 und 31 kp/cm², vorzugsweise zwischen 15 und 25 kp/cm², wo insbesondere ein Wert von etwa 25 kp/cm² bevorzugt wird, um zu gewährleisten, daß der Haltering hohen inneren Zylin­ derdrücken widerstehen kann, die im Betrieb des Motors auf­ treten, und ebenso den Kräften, die auf den Ring durch die federbelastete Dichtung 34 ausgeübt werden.

Ein weiterer Vorzug der Verwendung von Zonen unter schied­ licher Dichte besteht darin, daß dem Ring leichter eine variab­ le Federrate gegeben werden kann. Außerdem kann die Steif­ heit längs irgendeiner gewählten Achse als Funktion der Be­ lastung des Halteringes variiert werden. Wegen der konvexen oberen und unteren Oberflächen entsteht beim Zusammenbau eine Punktbelastung bzw. eine Linienbelastung und ein lokales Nachgeben des Halteringes. Dies führt zu einer Verformungs­ fähigkeit des Ringes, wodurch eine gute Anfangsabdichtung längs des Umfanges des Ringes erzielt wird.

Die variable Federrate kann auch genutzt werden, um eine wei­ tere Nachgiebigkeit des Ringes zu beschränken. Wenn beispiels­ weise die vertikale Belastung zunimmt, kann der Ring 40 so gestaltet werden, daß er steifer wird und einer thermischen Rißbildung oder Quetschung widersteht, trotzdem aber die er­ wünschte Abdichtung gewährleistet in einer Weise ähnlich der­ jenigen eines nachgiebigen bzw. verformbaren Dichtringes.

Die zusätzliche Steifheit reduziert die Wahrscheinlichkeit einer plastischen Verformung, so daß der Ring seine Ge­ stalt als Funktion des Elastizitätsmodules wieder zurückge­ winnen kann.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines ringförmigen Halteringes 60, der aus einem mehrschichtigen Laminat besteht mit einer Mehrzahl von hochfesten Materialzonen 62, die mit einer Mehrzahl von relativ weichen Materialzonen 64 abwechseln. Wie in der ersten Ausführungsform wird vorgezogen, daß die Zonen 62 und 64 sich radial von einer Fläche 66 an einem ra­ dial inneren Ende aus erstrecken zu einer Fläche 68 an ei­ nem radial äußeren Ende der Dichtung 60. Wiederum ist eine relativ weiche Materialzone an jedem vertikalen Ende 70 und 72 angeordnet, um eine Verformbarkeit des Ringes unter den Anfangslastbedingungen zu gewährleisten. Die Gestalt des Ringes 60 ist ähnlich derjenigen des Ringes 40. In der dar­ gestellten Ausführungsform ist jedoch die Fläche 66 nicht mit einer Nut versehen.

Vorzugsweise bestehen die Halteringe 40 und 60 aus einem Pulver­ metall, das hauptsächlich Titan enthält. Mehr bevorzugt wird ferner, daß das Pulvermetall etwa zwischen 2 und 6% Aluminium, etwa zwischen 1 und 6% Vanadium, etwa zwischen 0,5 und 4% Eisen und etwa zwischen 1 und 6% Molybdän enthält. Das Alumi­ nium und das Vanadium steigern die strukturelle Festigkeit des Titans. Die Kombination aus Eisen und Molybdän steigert die Festigkeit des Pulvermetalls bei hohen Temperaturen, wobei gleichzeitig der Reibungskoeffizient des Verbundmetalles an der Außenfläche des Halteringes reduziert wird. Der meiste Teil des Eisens und des Molybdäns reagiert mit dem Rest des Pulvers, einiges davon wird jedoch als Rest abgelagert und bildet ein Schmiermittel. Der niedrigere Reibungskoefffizient ergibt sich daraus, daß das Schmiermittel vorteilhaft der scheuernden Natur von reinem Titan entgegenwirkt. Wenn anderer­ seits zuviel Eisen verwendet wird, kann das entstehende Ma­ terial zu brüchig werden, wodurch die Verformbarkeit des Halteringes verringert wird.

Eine Methode zur Herstellung besteht darin, das Pulververbund­ metall in eine Graphitform einzubringen, die dann erhitzt wird unter Verwendung bekannter Sinter-Techniken. Die Art der Form und die Art und Weise der Erwärmung kann gesteuert werden, wie an sich bekannt, was zu einer Trennung des homogenen Pulver­ metalles in die gewünschten Materialzonen führt. Das homogene zusammengesetzte Metall wird zweckmäßigerweise in eine Form eingebracht und auf vorgewählte Temperaturen und über vorge­ gebene Zeiten erhitzt.

Obwohl die diskreten Zonen vorzugsweise aus einem homogenen Material gebildet werden, können auch die bestimmten gewünsch­ ten Materialien zusammen laminiert werden, um die harten und die weichen Zonen zu erhalten.

Claims (20)

1. Zylinderkopfdichtung mit einem Mehrfach-Dichtsystem, mit einer ringförmigen primären Dichtung und einer ringförmigen sekundären Dichtung, wobei die sekundäre Dichtung eine radiale Achse definiert und radial ein­ wärts angeordnet und an der primären Dichtung anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Dichtung einen radial langgestreckten Querschnitt aufweist, der sich längs dieser Achse erstreckt mit zwei gegen­ überliegenden äußeren konvexen Oberflächen, die einen Abstand von der Achse haben, und daß der Querschnitt ferner zwei ringförmige Flächen zentrisch zu der Achse hat, und daß diese Flächen radiale Enden der zwei­ ten Dichtung bilden.

2. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die sekundäre Dichtung aus einem Pulver­ verbundmetall besteht mit Materialzonen mehrfacher bzw. unterschiedlicher Dichte.

3. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Pulvermetall hauptsächlich Titan ist.

4. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Pulvermetall ferner vorgegebene An­ teile an Aluminium, Vanadium, Eisen und Molybdän enthält.

5. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Materialzonen unterschiedlicher Dich­ te eine hochfeste Materialzone mit einer Porosität von etwa 0% und eine relativ weiche Materialzone mit einer Porosität zwischen etwa 3 und 60% umfassen.

6. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die sekundäre Dichtung eine Streckgrenze zwischen etwa 15 und 31 kp/cm² längs einer Umfangsachse tangential zu einem Umfang der sekundären Dichtung hat sowie eine Druck-Streckgrenze zwischen etwa 1,5 und 19 kp/cm² längs einer Achse quer zu einer radialen Achse und der Umfangsachse.

7. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zonen unterschiedlicher Dichte ein mehrschichtiges Laminat enthalten.

8. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Laminatschichten sich radial zwischen den Flächen erstrecken.

9. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die äußersten Schichten der sekundären Dichtung aus relativ weichem Material bestehen.

10. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei der sekundären Dichtung das Ver­ hältnis zwischen der radialen Breite, gemessen zwischen den Flächen an den radialen Enden sowie der Dicke, gemessen zwischen den konvexen Oberflächen, etwa drei zu eins beträgt.

11. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fläche am inneren radialen Ende eine Nut aufweist.

12. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Nut einer entsprechenden Außen­ umfangsfläche der primären Dichtung entspricht.

13. Ringförmiger Haltering, der die sekundäre Dichtung der Zylinderkopfdichtung bildet, dadurch gekennzeich­ net, daß er einen radial langgestreckten Querschnitt hat mit abwechselnden Schichten aus einem relativ hoch­ festem Material und aus einem relativ weichem Material, die sich von einer radial inneren Fläche zu einer ra­ dial äußeren Fläche erstrecken.

14. Haltering nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die äußersten Schichten aus dem relativ weichem Ma­ terial bestehen.

15. Haltering nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aus einem homogenen Pulvermetall gebildet sind.

16. Mehrfachdichtsystem für eine Zylinderkopfdichtung, ge­ kennzeichnet durch eine ringförmige primäre Dichtung, welche eine innere Feder und eine äußere Feder auf­ weist, ferner durch eine ringförmige Sekundärdichtung, die radial einwärts angeordnet ist und eine radiale Achse definiert, daß ferner die sekundäre Dichtung an der primären Dichtung anliegt und einen radial lang­ gestreckten Querschnitt hat, der sich längs der radia­ len Achse erstreckt und zwei gegenüberliegende äußere konvexe Oberflächen hat, die jeweils einen Abstand von der Achse haben, und daß der Querschnitt ferner zwei ringförmige Flächen zentrisch zur Achse hat, und daß die Flächen die radialen Enden der Sekundärdichtung bilden.

17. Mehrfachdichtsystem nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine radial innere Fläche eine Nut auf­ weist, die einer äußeren Umfangsfläche der primären Dichtung entspricht und diese aufnimmt.

18. Mehrfachdichtsystem nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sekundärdichtung aus einer Pulver­ metall-Legierung hergestellt ist, die aus Titan und zusätzlichen Materialien besteht, um der fertigen Se­ kundärdichtung Schmierfähigkeit zu geben.

19. Mehrfachdichtsystem nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Pulvermetall ferner Eisen und Molybdän enthält, um diese Schmierwirkung zu schaffen.

20. Mehrfachdichtsystem nach Anspruch 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Pulvermetall etwa 4% Eisen und etwa zwischen 1 und 6% Molybdän enthält.