DE19939276A1 - Metalldichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Metalldichtung beschrieben, die zur Anordnung zwischen einem Zylinderblock (21) und einem Zylinderkopf (20) dient. Die Metalldichtung umfaßt Trägerplatten (2, 3) mit Wülsten (6, 7), sowie eine Anschlagplatte (1), welche die Trägerplatten (2, 3) überlagert und mit Faltanordnungen (5) versehen ist, die jeweils aus einem gefalteten Flanschbereich (12) und dessen gegenüberliegendem Gegenbereich (11) zusammengesetzt sind, um dazwischen eine Lücke vorbestimmter Höhe zu bilden. Die Lücken (10) geben den gefalteten Flanschbereichen (12) eine dauerhafte Elastizität, wenn die Dichtung zusammengedrückt wird und durch Motorbetrieb belastet wird, wodurch die Faltanordnungen (5) einen nicht tolerierbaren Spalt kompensieren können, der aufgrund einer Ermüdungsverformung des Zylinderblocks (21) relativ zur Dichtung auftreten kann, um die Dichteigenschaften der Dichtung zu verbessern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Metalldichtung zur Abdichtung gegenüberstehender Flächen des Zylinderblocks und des Zylinderkopfs einer Brennkraftmaschine, und insbesondere eine Metalldichtung, die aus einer Wülste aufweisenden Trägerplatte und einer Faltunganordnungen aufweisenden Anschlagplatte zusammengesetzt ist.

Üblicherweise verwendet man in Brennkraftmaschinen Metalldichtungen verwendet zur Abdichtung zwischen einem gußeisernen Zylinderblock, der eine geringere Wanddicke und ein geringeres Gewicht hat, und einem Aluminiumzylinderkopf mit geringerem Gewicht, und auch zur Abdichtung zwischen aus Aluminium hergestelltem Block und Kopf. Unter herkömmlichen Metalldichtungen verschiedener Typen ist eine Metalldichtung bekannt, die eine Anschlagplatte mit Faltanordnungen aufweist, die eine sogenannte "Kompressionsbegrenzungsfunktion" haben, die verhindert, daß eine Wulstträgerplatte aufgrund übermäßiger Druckbelastung oder Spannung sich dauerhaft verformt oder flach wird. Beispiele solcher herkömmlicher Metalldichtungen mit Kompressionsbegrenzungsfunktion sind in den japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungsschriften Nr. 170053/1985; 118147/1989; 118148/1989; 134761/1989 sowie in den japanischen Patent- Offenlegungsschriften Nr. 255253/1986; 101575/1988 und 15372/1992 offenbart. Obwohl die Faltanordnungen bei diesen herkömmlichen Metalldichtungen sowohl als Kompressionsbegrenzer als auch als Gasabdichtung dienen, ist bisher kein Konzept dahingehend vorgeschlagen worden, welche Änderungen an einer Lücke in der Faltanordnung auftreten, wenn die Maschine läuft, oder wie die Beziehung zwischen dem Grad oder der Wirkung der Lücke und der Struktur oder dem Material der Maschine ist.

Zur Konstruktion einer Metalldichtung erforderliche experimentelle Daten erhielt man bisher allgemein durch Messen der Verformung des Zylinderkopfs, wenn die Zylinderbohrungen wiederholt unter Druck gesetzt und entlastet wurden, unter der Annahme, daß der Zylinderblock als absoluter oder ideal starrer Körper angesehen werden kann, und daher nur der Zylinderkopf durch den Motorbetrieb einer Verformung unterliegt. Bei einem anderen herkömmlichen Ansatz, Daten für die Konstruktion der Metalldichtung zu bekommen, wurde die thermische Verformung des Zylinderkopfs gemessen, die stattfindet, wenn der Zylinderkopf auf hohe Temperatur erwärmt wird.

Nichtsdestoweniger gehören die bisher für die Konstruktion einer Metalldichtung verwendeten experimentellen Daten, die von einer Druckschwankung oder Temperaturschwankung abhängig sind, zu den Daten der statischen Verformung, und sind daher nicht in der Lage, die Simulation des bei Betrieb der Metalldichtung auftretenden Problems zu messen, das bei der Verformung auftritt, die im Zylinderblock auftreten kann, wenn die Metalldichtung zwischen dem Zylinderblock und dem -kopf eingequetscht wird, die permanente Verformung, die durch übermäßige thermische Belastung oder Ermüdung infolge des Motorbetriebs auf den Zylinderblock einwirken kann, und den nicht tolerierbaren Spalt zwischen der Dichtung und dem Zylinderblock durch die Verwendung des Zylinderblocks oder -kopfs. Die herkömmliche Erfahrung für die Konstruktion der Metalldichtung ergab also keine Daten, welche das wahre Verhalten während der Verformung der Metalldichtung repräsentiert, die die Betriebsbedingungen des Motors richtig widerspiegelt. Ferner entwickelte sich die herkömmliche Technik von Metalldichtungen zunehmend zu einer theoretischen Analysetechnik unter dem Aspekt der Strukturdynamik gemäß der finite Elementenmethode, während es kaum experimentelle Daten über das Verhalten der Metalldichtung gibt, die dem Verhalten der Verformung des Zylinderkopfs beim Test der tatsächlichen Motorleistung entsprechen.

Daher war es bisher nur im ungenügenden Maße möglich, Metalldichtungen mit guter Zuverlässigkeit zu konstruieren und herzustellen.

Fig. 19 zeigt eine herkömmliche Metalldichtung zwischen gegenüberstehenden Flächen eines Zylinderkopfs 20 und eines Zylinderblocks 21, die aus Aluminiumlegierung oder dünnem Gußeisen hergestellt sind, wobei die Metalldichtung aus einem Paar von Trägerplatten 22, 24, die Wellen oder nicht gezeigte Wülste aufweisen, und einer Anschlagplatte 23 zusammengesetzt ist, die teilweise unter Bildung von Flanschen 25 rückgefaltet ist, so daß an gegenüberstehenden Oberflächen des Hauptabschnitts der Anschlagplatte 23 eng anliegen. Wenn die so aufgebaute Metalldichtung zwischen den Paßflächen des Zylinderkopfs 20 und dem Zylinderblock 21 zusammengedrückt oder festgezogen wird, verformt sich der Zylinderblock 21 häufig bei 36, oder an Umfangsrändern um die Zylinderbohrungen im Zylinderblock 21, infolge entweder der thermischen Belastung oder Ermüdung durch den Motorbetrieb. Dies bewirkt eine Dauerverformung oder Dauerbelastung der zugeordneten Trägerplatte 24 der Metalldichtung, wodurch es zu nicht tolerierbaren Spalten 36S zwischen den zugeordneten Platten der Metalldichtung kommt. Somit dichtet die Metalldichtung schlechter ab, und wird in einigen Fällen durch Brüche oder dgl. beschädigt, die an den Wülsten der Trägerplatten 22, 24 entstehen. Natürlich ist der Grund für das Problem bei der herkömmlichen Metalldichtung in Fig. 19 etwas übertrieben dargestellt.

Als Hauptquellen für die Beschädigungen, die in den herkömmlichen Metalldichtungen auftreten, wird folgendes in Betracht gezogen. In der in der herkömmlichen Metalldichtung enthaltenen Anschlagplatte, in der die gefalteten Flansche eng am Hauptabschnitt der Anschlagplatte um den Gesamtumfang der Zylinderbohrungen - herum anliegen, haben die Faltanordnungen eine relativ höhere Festigkeit, so daß sie in einem im wesentlichen horizontalen Zustand verbleiben, wenn sie auf der Deckfläche des Zylinderblocks angeordnet werden, und zwar auch unter der thermischen Belastung bei Motorbetrieb. Somit können die Faltanordnungen unerwünschte Spalte nicht kompensieren helfen, die zwischen der Bodenfläche der Metalldichtung und der hierzu passenden Deckfläche um die Umfangsränder der Zylinderbohrungen herum auftreten können. Anzunehmen ist, daß diese übermäßigen Spalte zur dauerhaften Verformung oder dauerhaften Verwindung der Wulstträgerplatten führen, was nicht tolerierbare Spalte zwischen benachbarten Metallplatten oder zwischen dem Zylinderblock und der zugeordneten Wulstträgerplatte führt. Falls die nicht tolerierbaren Spalte in der Metalldichtung zu einem übermäßigen Lückenabstand in den Faltanordnungen der Anschlagplatte führen und auch die Festigkeit der Faltanordnungen nicht ausreicht, um die nicht tolerierbaren Spalte zu kompensieren, kommt es zu einem ernsthaften Problem, wenn der Motorbetrieb, etwa beim Motorstart, wiederholt eine gefährliche Spirale einen frühzeiten Verlust der Lücken verursacht, eine dauerhafte Ermüdungsverformung der Wülste, eine Minderung der Kompressionskraft der Zugbolzen, eine Zunahme der Verwindung des Zylinderkopfs und eine fortschreitende dauerhafte Verformung, wodurch es insgesamt schwierig wird, die Änderungen der Spake zwischen dem Zylinderblock und dem kopf zu kompensieren. Dies erzeugt Brüche an den Wülsten der Trägerplatten, wobei dann die Wülste durch die Gase korrodieren, die aus den gebrochenen Wülsten austreten, mit der Folge, daß die Dichtleistung der Metalldichtungen schlechter wird. Das gerade beschriebene Problem wird zunehmend kritisch in einer Situation, in der Kompressionskräfte der Zugbolzen weniger beachtet werden oder die Gegenbohrungen weniger tief sind.

In einer Metalldichtung wird eine Anschlagplatte teilweise zurückgefaltet, um hierdurch die Faltanordnungen zum Erhalt der Kompressionsbegrenzungsfunktion zu bilden, wobei die Faltanordnungen lediglich doppelt so dick sind wie die Anschlagplatte. Die Faltanordnungen mit der doppelten Dicke als die Anschlagplatte selbst sind in einigen Fällen für die Kompressionsbegrenzungsfunktion nicht ausreichend, und statt dessen kommt es manchmal zu Spannungskonzentrationen des gegenseitigen Kompressionsflächendrucks in den Bereichen um die Zylinderbohrungen herum. Diese Konzentration des gegenseitigen Kompressionsflächendrucks, die bei den Faltanordnungen auftritt, verschlechtert die Gleichmäßigkeit des gegenseitigen Kompressionsflächendrucks über die gesamten Paßflächen der Metalldichtung, wobei sie nämlich die Kompressionsspannung zwischen den die Zylinderbohrungen umgebenden Flächenbereichen und den anderen restlichen Flächenbereichen, beispielsweise um Öffnungen für Kühlwasser oder Öl, ungleichmäßig macht. Hierdurch kann es zu einem Problem der Dichtleistung um die Öffnungen für Wasser und Öl kommen. Ferner kann die Anschlagplatte des oben beschriebenen Typs aufgrund übermäßiger Spannungskonzentration an den Faltanordnungen, insbesondere an den Biegungen der gefalteten Flansche zur Begrenzung der Zylinderbohrungen, brechen, da sie sich an den Wülsten der Trägerplatten nicht ausreichend elastisch verformen, wodurch sie nicht in der Lage sind, zuverlässig ringförmige Flächenkontaktbereiche zu bilden.

Die meisten Anschlagplatten dienen eigentlich dazu, die Wülste an den Trägerplatten vor Dauerverformung oder Flachwerden zu schützen, wenn die Metalldichtung durch die Festziehkraft zusammengequetscht wird. Bei der Anschlagplatte, bei der vorstehende Anschläge durch teilweises Rückfalten einer Metallplatte erzeugt werden, sollte jede Faltanordnung einen Lückenbetrag von höchstens 10 µm aufweisen, um dazu beizutragen, daß der Kompressionsbegrenzungsbetrag um die zugeordnete Zylinderbohrung herum gleichmäßig bleibt. Wenn im Gegensatz hierzu der Lückenbetrag an der Faltanordnung etwa 10 µm überschreitet, besteht die Gefahr, daß die Faltanordnung ihre Kompressionsbegrenzungsfunktion verliert.

Im Hinblick auf das Obenstehende soll eine Metalldichtung angegeben werden, die vor Ausfall der Dichtleistung durch nichtakzeptable Lücken an den Faltanordnungen und der sich ergebenden dauerhaften Ermüdungsverformung der Wülste geschützt ist. Ferner sollte die Metalldichtung unempfindlich sein gegen nicht tolerierbare Spalte, die zwischen den Paßflächen der Metalldichtung und dem Zylinderblock um den Umfang der Zylinderbohrungen herum auftreten können. Ferner soll die Dichtung gegen eine Abnahme der Dichtleistung und gegen unvorhergesehene Brüche beständig sein, die anderenfalls an den Wülsten durch Größerwerden der nicht tolerierbaren Spalte wegen Faltanordnungen mit fehlender Spaltkompensation auftreten können, und ferner sollen die Wülste gegen Korrosion aufgrund der aus den nicht tolerierbaren Spalten austretenden Verbrennungsgase geschützt sein.

Zusammenfassung der Erfindung

Hauptaufgabe der Erfindung ist es daher, eine für Brennkraftmaschinen geeignete Metalldichtung mit Strukturen oder Materialien anzugeben, die eine geringere Quetschkraft der Kopfbolzen ermöglichen, beispielsweise einer Maschine mit mehr als sechs Zylindern, bei der es sehr schwierig ist, durch gleichmäßige Quetschkraft über die Gesamtflächen der Metalldichtung die Kompressionsspannung beizubehalten. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Metalldichtung anzugeben, welche die Dichtfunktion der Paßflächen des Zylinderblocks und des Kopfs sicherstellt, und die ferner die Kompressionswülste vor Beschädigung schützt, um hierdurch die Betriebslebensdauer verlängern zu können. Schließlich umfaßt die verbesserte Metalldichtung der vorliegenden Erfindung Trägerplatten mit Kompressionswülsten daran, und eine Anschlagplatte, welche die Trägerplatten überlappt und integral mit Faltungen versehen ist, bei denen gefaltete Flansche durch Elastizität von der gegenüberstehenden Fläche der Anschlagplatte auch während des Motorbetriebs auf Abstand gehalten werden, wodurch die Faltunganordnungen die nicht tolerierbaren Spalte zwischen der Metalldichtung und dem Zylinderblock elastisch kompensieren.

Zur Lösung zumindest einer der obigen Aufgaben wird erfindungsgemäß eine Metalldichtung vorgeschlagen, umfassend: zumindest eine Trägerplatte aus einer elastischen Metallplatte, die zur Anordnung zwischen einem Zylinderblock und einem an dem Zylinderblock zu befestigenden Zylinderkopf dient, wobei die Trägerplatte mit ersten Bohrungsöffnungen sowie Wülsten versehen ist, die entlang der zugeordneten ersten Bohrungsöffnung ausgebildet sind, sowie eine Anschlagplatte aus einer elastischen Metallplatte, die die Trägerplatte überlagert, wobei die Anschlagplatte teilweise rückgefaltet ist, um ringförmige Faltanordnungen vorzusehen, um zweite Bohrungsöffnungen in Ausrichtung zu den ersten Bohrungsöffnungen zu begrenzen,
wobei die Wülste der Trägerplatte die Anschlagplatte in Bereichen überlagern, die mit Abstand von den Faltanordnungen angeordnet sind, wobei die Faltanordnungen jeweils einen gefalteten Flanschbereich und einen Gegenbereich aufweisen, die sich entlang einem Umfang der zugeordneten zweiten Bohrungsöffnung erstrecken, und wobei die Faltanordnungen jeweils zwischen dem gefalteten Flanschbereich und dessen Gegenbereich eine Lücke vorbestimmter Höhe aufweisen, um der Faltanordnung eine dauerhafte Elastizität zu geben, wenn die Dichtung belastet ist, einschließlich bei laufendem Motor.

Die Anschlagplatte schützt die Kompressionswülste an den Trägerplatten vor dauerhafter Verformung oder Abflachung, wenn sie durch die Zylinderkopfbolzen zusammengedrückt wird, und kompensiert ferner elastisch nicht tolerierbare Spalte, die in dem Zylinderblock auftreten können. Da die Anschlagplatte die Trägerplatte überlagert, werden die Faltanordnungen der Anschlagplatte von den Wülsten an der Trägerplatte kontinuierlich auf Abstand gehalten, unabhängig davon, ob die Dichtung im gelösten Zustand ist, im gequetschten Zustand bzw. der Motor läuft.

Nach einem bevorzugten Aspekt der Erfindung ist die Metalldichtung so ausgestaltet, daß die Anschlagplatte die Trägerplatte derart überlagert, daß hochstehende Flächen der Wülste der Trägerplatte an einer flachen Hauptfläche der Anschlagplatte anliegen, während die Wülste mit Abstand von Umfangsrändern der gefalteten Flanschbereiche der Faltanordnungen der Anschlagplatte angeordnet sind.

Bevorzugt ist die Anschlagplatte zwischen den gegenüberliegenden, Wülste aufweisenden Trägerplatten derart angeordnet, daß die hochstehenden Flächen der Wülste der Trägerplatten an den flachen Hauptflächen der Anschlagplatte anliegen.

Alternativ überlagert die Anschlagplatte bevorzugt die Trägerplatte derart, daß vertiefte Flächen der Wülste einer flachen Hauptfläche der Anschlagplatte gegenüberliegen, wobei Umfangsränder um die ersten Bohrungsöffnungen in der Trägerplatte mit Abstand von den Umfangsrändern der gefalteten Flanschbereiche der Faltanordnungen der Anschlagplatte angeordnet sind.

Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung ist die Metalldichtung so ausgestaltet, daß bei Verwendung die gefalteten Flanschbereiche der Faltanordnungen den Zylinderblock berühren, wodurch die durch die gefalteten Flanschbereiche ausgeübte Elastizität eine Verformung im Zylinderblock kompensiert.

Die Lücken zwischen den gefalteten Flanschbereichen und den Gegenbereichen bleiben auch dann vorhanden, wenn die Dichtung zusammengequetscht wird oder festgezogen wird.

Bevorzugt sind die Lücken zwischen den gefalteten Flanschbereichen und den Gegenbereichen im gelösten Zustand vor dem Festziehen im Bereich von 20 µm bis 200 µm hoch.

Bevorzugt liegt ein durch die Faltanordnungen vorbestimmter Kompressionsbegrenzungsbetrag im gelösten Zustand vor dem Festziehen im Bereich von 100 µm bis 360 µm.

Bevorzugt liegt ein Nenn-Kompressionsflächendruck an den Faltanordnungen der Anschlagplatte im Bereich von 70 MPa bis 140 MPa, wohingegen ein vorbestimmter gegenseitiger Nenn-Kompressionsflächendruck an den Wülsten der Trägerplatte im Bereich von 10 MPa bis 110 MPa liegt.

Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung ist die Metalldichtung so ausgebildet, daß die Breite der Faltanordnungen der Anschlagplatte entlang den Umfängen der zugeordneten zweiten Bohrungsöffnung derart eingestellt ist, daß sie an Zonen, welche eine die Mitten einander benachbarter zweiter Bohrungsöffnungen überspannende Ebene enthalten, kleiner ist, wohingegen sie in den anderen restlichen Zonen größer ist.

Während hier die zwischen den gefalteten Flanschbereichen und ihren Gegenbereichen vorgesehenen Lücken auf Abstände eingestellt sind, die sich für jede der benachbarten zweiten Bohrungsöffnungen unterscheiden, können die Faltanordnungen auch Breiten aufweisen, die sich für jede der benachbarten zweiten Bohrungsöffnungen unterscheiden.

Nach einem weiteren bevorzugten Apsekt der Erfindung ist die Metalldichtung derart ausgestaltet, daß die Faltanordnungen gebildet sind durch teilweise Rückfalten dünner Bereiche der Anschlagplatte zum Erhalt der gefalteten Flanschbereiche, deren Dicke im Vergleich zum Hauptabschnitt der Anschlagplatte auf mehr als die Hälfte des Hauptabschnitts reduziert ist.

In einer bevorzugten Ausführung kommt ein Kompressionsbegrenzungsbetrag zum Steuern des auf die Wülste ausgeübten Kompressionsgrads aufgrund der Dickendifferenz zwischen der Faltanordnung und dem Hauptabschnitt der Anschlagplatte zur Wirkung, und daher der Kompressionsbegrenzungsbetrag nach Maßgabe der Dicke der dünnen Bereiche reguliert wird, die, im Vergleich zum Hauptabschnitt, reduziert ist.

Die in der Anschlagplatte auftretende Kompressionsbegrenzung kann im Vergleich zu jener der Anschlagplatte entlastet werden, bei der die Anschlaganordnungen lediglich durch Verdopplung der Dicke einer einfachen Anschlagplatte gebildet werden. Da erfindungsgemäß die dünnen Bereiche der Anschlagplatte auf eine Dicke von mehr als der Hälfte des restlichen Hauptabschnitts der Anschlagplatte reduziert sind, ergibt eine Verdopplung des dünnen Bereichs, nämlich des gefalteten Flanschbereichs und des Gegenbereichs, eine Faltanordnung oder Anschlaganordnung, deren Dicke größer ist als der Hauptabschnitt, jedoch weniger als das Doppelte des Hauptabschnitts.

Die erfindungsgemäße Anschlagplatte erzeugt keine übermäßige Konzentration des Kompressions-Flächendrucks an den Faltanordnungen, wenn die Metalldichtung zwischen den Paßflächen des Zylinderblocks und -kopfs eingequetscht wird. Gleichzeitig unterliegen die Wülste an den Trägerplatten einer ausreichenden Kompressionsverformung, um hierdurch ringförmige elastische Kontaktbereiche zu erzeugen, die zu einer zufriedenstellenden Dichtleistung beitragen.

Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung wird eine Faltanordnung vorgesehen, bei der gegenüberstehende Oberflächen der gefalteten Flanschbereiche und der Gegenbereiche zumindest teilweise mit elastischem Material beschichtet sind.

Das Beschichten des elastischen Materials auf die Oberflächen, die die Lücke in der Faltanordnung bilden, ergibt eine Dämpfeigenschaft, um die Federwirkung halten zu können, falls die Lücke unter Kompressionsbelastung kleiner wird. Demzufolge kann eine minimale Federwirkung oder Anschlagfunktion ohne dauerhafte Verformung oder Ermüdungsverformung auch in anderen Bereichen als der Kompressionsseite der scharfen Biegung an der Faltanordnung sichergestellt werden.

Nach einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung sind die Faltanordnungen an der kompressionsseitigen Oberfläche ihrer scharfen Biegung mit einem Aluminium und Chlor enthaltenden Kompositmaterial beschichtet, und wird durch thermische Diffusion des Aluminiums im zusammengedrückten Zustand der Dichtung eine Eindringschicht aus Aluminium auf der beschichteten Oberfläche der Kompressionsseite aufgebaut.

Die Diffusion-Eindringschicht, die an der Kompressionsseite an der scharfen Biegung ausgebildet ist, trägt dazu bei, die scharfe Biegung in der Faltanordnung gegen abnehmende Festigkeit zu schützen, um eine dauerhafte Verformung oder Ermüdungsverformung an der scharfen Biegung im wesentlichen zu verhindern. Der Betrag der Kompressionsbegrenzung zur Steuerung des Kompressionsgrads, der auf die Wülste ausgeübt wird, ergibt sich aus der Dickendifferenz zwischen der Faltanordnung und dem Hauptabschnitt der Anschlagplatte, und daher wird der Betrag der Kompressionsbegrenzung in Abhängigkeit von der Dicke der dünnen Bereiche, die im Vergleich zum Hauptabschnitt der Anschlagplatte reduziert ist, reguliert.

Bei der oben beschriebenen Metalldichtung können die Faltanordnungen der Anschlagplatte nicht nur einen adäquaten Kompressionsoberflächendruck entwickeln, sondern auch den Betrag der Kompressionsbegrenzung für die Wülste an den Trägerplatten regulieren. Die Faltanordnungen stellen an ihren Lücken die Elastizität sicher, um die Lücken in einer adäquaten Lage zu halten, unabhängig von Kompressionsspannungen, nicht nur aufgrund der Quetschkraft der Kopfbolzen, sondern auch aufgrund des Motorbetriebs. Die Elastizität an der Faltanordnung zwingt die Lücken zu einer Aufweitung, um die nicht tolerierbaren Spalte zu kompensieren, die aufgrund permanenter Verformung im Zylinderblock oder -kopf um die Zylinderbohrungen herum auftreten können. D.h. die Lücken in den Faltanordnungen können Höhenänderungen unterliegen, die den größerwerdenden Spalten zwischen irgendwelchen Paßflächen folgen, die nicht tolerierbare Spalte bilden, um hierdurch den Kompressionsoberflächendruck zugunsten einer langen Lebensdauer auf einem adäquaten Druckniveau zu halten. Dies ermöglicht die Beseitigung unvorhersehbarer Spalte zwischen irgendwelchen aufeinanderliegenden Metallplatten, um hierdurch die Metallplatten gegen Gasaustritt zwischen die Metallplatten hinein zu schützen, wodurch die Dichtleistung beibehalten wird.

Bei der erfindungsgemäßen Metalldichtung sind die Lücken in der Faltanordnung so ausgestaltet, daß sie ihre Wirkung, den Anschlageffekt und die Dichtleistung unter minimalen Vorbedingungen fortdauernd beibehalten. Die in den Faltanordnungen vorgesehenen Lücken werden im gelösten Zustand geeignet reguliert, bevor sie durch die Kopfbolzen zusammengequetscht werden, und halten auch die gegenüberliegenden Flächen der Faltanordnung, welche die Lücken überspannen, in einem elastischen Zustand derart, daß die gegenüberliegenden Flächen auch bei Motorbetrieb nur wenig miteinander in Eingriff stehen. Die Elastizität zum Halten der Lücken unabhängig von der Kompressionsbelastung ist insbesondere an der Kompressionsseite der scharfen Biegung der Faltanordnung vorgesehen. Ferner wird die Anschlagplatte in einer derartigen Anordnung verwendet, daß die gefalteten Flanschbereiche in den Faltanordnungen den Zylinderblock berühren, wodurch die Elastizität, die von den gefalteten Flanschbereichen erzeugt wird, nicht tolerierbare Spalte kompensiert, die insbesondere aufgrund der Verformung im Zylinderblock auftreten können.

Obwohl die Lücken in den Faltanordnungen im Verlauf der Zeit während des Motorbetriebs allmählich enger werden, sind die Lücken derart eingestellt, daß sie nicht vollständig zusammenbrechen oder kollabieren. Die Einstellung der Lücken in den Faltanordnungen im gelösten Zustand vor dem Zusammenquetschen durch die Kopfbolzen muß unter der Berücksichtigung durchgeführt werden, daß die Lücken in den Faltanordnungen beim anfänglichen Quetschen weit zusammengedrückt werden und somit an den Kopfbolzen benachbarten Bereichen, im Vergleich mit den Höhen an den anderen Bereichen, eine geringere Höhe bekommen. Somit kann die Metalldichtung nicht nur gegen Austritt von Verbrennungsgasen geschützt und der Anschlageffekt verbessert werden, sondern auch vor Dauerverformung oder Ermüdungsverformung der Lücken in den Faltanordnungen geschützt werden.

Wenn die Verformung um die Zylinderbohrungen des Zylinderblocks herum zu stark wird, erzeugt die Verformung zunehmende nichttolerierbar Spalten zwischen den Bodenflächen der Metalldichtung und der Deckfläche des Zylinderblocks in denjenigen Bereichen, die den Umfangsrändern der Zylinderbohrungen benachbart sind, oder zwischen den Paßflächen der Faltanordnungen und dem Zylinderblock. Dennoch werden die Lücken in den Faltanordnungen, insbesondere an den Kompressionsseiten der scharfen Biegungen, auf einer konstanten Höhe gehalten. In gelöstem Zustand vor dem Festziehen der Kopfbolzen sind die Lücken an den Kompressionsseiten in den Faltanordnungen nicht kreisförmig, sondern haben die Form eines U oder eines seitlich gedrehten Wassertropfens, so daß sie eine etwas zusammengedrückte Wassertropfenform erhalten, so daß sie nicht kollabieren oder zusammenbrechen. Nach einem Größerwerden der nicht tolerierbaren Spalte durch Verformung im Zylinderblock vergrößert sich die Spalte an den Kompressionsseiten nach unten, wodurch die nicht tolerierbaren Spalte kompensiert werden, um sowohl den Anschlageffekt als auch die Dichtleistung sicherstellen zu können.

Die Kompensation der nicht tolerierbaren Spalte mit den Faltanordnungen schützt die Metalldichtung vor dem Eindringen der Verbrennungsgase und schützt auch den Zylinderkopf gegen Verformung. Demzufolge verformen sich die Trägerplatten mit Wülsten daran und die Anschlagplatte mit den Faltanordnungen daran beide weniger, wodurch die Wülste gegen Bruch geschützt werden können. Es ist wesentlich, daß die Lücken in den Faltanordnungen, die vor dem Festziehen der Kopfbolzen im gelösten Zustand geeignet vorbestimmt sind, so eingestellt werden müssen, daß sie auch bei Motorbetrieb eine ausreichende Höhe behalten.

Obwohl das Schlechterwerden der Dichtleistung oder der Bruch der Wülste einfach durch gemeinsame Einstellung der Lücken in den Faltanordnungen beseitigt werden kann, sollte die Einstellung der Lücken im gelösten Zustand vor dem Festziehen der Bolzen einzeln für jede Zylinderbohrungsöffnung entsprechend jeder Zylinderbohrung justiert werden. Ferner können die Lücken in den Faltanordnungen jeweils im Abstand entlang dem Umfang der zugeordneten Zylinderbohrungsöffnung variieren. Die Verteilung eines gewünschten Kompressionsflächendrucks um die Zylinderbohrungsöffnungen herum erhält man durch Einstellen der Zustände der Lücken oder der doppelten Breiten der Faltanordnungen im gelösten Zustand entlang dem Umfang der zugeordneten Zylinderbohrungsöffnung. Ferner läßt sich die Verteilung des gewünschten Kompressionsflächendrucks finden durch Justieren der Zustände der Lücken, der doppelten Breiten, der Beträge der Kompressionsbegrenzung oder Schulter der Faltanordnungen, die im gelösten Zustand vorlagen, entlang dem Umfang der zugeordneten Zylinderbohrungsöffnung entsprechend jeder Zylinderbohrung, in Übereinstimmung mit einer Verteilung der Verformung der Zylinderbohrung, die während laufendem Motor tatsächlich gemessen wird. Um mit großen nicht tolerierbaren Spalten zurechtzukommen, wird die Verteilung des Kompressionsflächendrucks eingestellt, indem man die Anschlagbereiche stärker belastet als die Wulstbereiche. Das Ausüben einer starken Kompressionsbelastung auf die Wulstbereiche beim Beginn des Festziehens der Bolzen erhöht die permanente Verformung der gefalteten Flanschbereiche in den Faltanordnungen, was eine frühzeitige dauerhafte Verformung oder Abflachung durch Ermüdung der Wülste verursacht, wodurch die Dichtleistung schnell schlechter wird. Demzufolge ist es bevorzugt, die Wülste in Breite und Höhe gleichzeitig einzustellen oder zu justieren.

Damit die Dichtleistung über eine akzeptable Lebensdauer anhält, ist es bevorzugt, im Bereich zwischen zwei benachbarten Bohrungsöffnungen, die Breite der Faltanordnung kleiner zu machen, jedoch größer an jenen Bereichen, die einer Verformung der Zylinderkopfs unterliegen, sofern die Flanschbereiche auf die Seite des Zylinderblocks rückgefaltet sind. Ferner kann die Einstellung der Faltanordnungen und der Wülste entlang dem Umfang der zugeordneten Bohrungsöffnung für die Zylinderbohrungsöffnungen gemeinsam erfolgen.

Bei der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Metalldichtung können die Faltanordnungen mit den Lücken etwaigen Änderungen nicht tolerierbarer Spalte, die um die Zylinderbohrungen in dem Zylinderblock herum auftreten, durch die elastische Wirkung der Lücken gut folgen, um hierdurch die nicht tolerierbaren Spalte mittels der Faltanordnungen zu kompensieren, wodurch die Bereiche um die Zylinderbohrungen herum einen adäquaten Kompressionsoberflächendruck behalten und eine gute Dichtleistung sichergestellt wird.

Andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann im Hinblick auf die beigefügten Zeichnungen und die folgende Beschreibung ersichtlich, worin bevorzugte Ausführungen der Erfindung offenbart sind.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Teildraufsicht auf eine Metalldichtung;

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt entlang Linie A-A von Fig. 1;

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt entlang Linie B-B von Fig. 1;

Fig. 4 einen vergrößerten Teilschnitt mit übertriebener Darstellung einer Metalldichtung an eine Zylinderbohrungsöffnung umgebenden Bereichen, wobei eine Faltanordnung einer Anschlagplatte eine Verformung des Zylinderblocks um eine Zylinderbohrung herum kompensiert;

Fig. 5 einen vergrößerten Teilschnitt von fünf Ausführungen der Faltanordnungen der Anschlagplatte der in Fig. 1 gezeigten Metalldichtung;

Fig. 6 eine schematische Teilansicht zur Erläuterung der Anschlagplatte der Metalldichtung von Fig. 1;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Verformung im Zylinderkopf eines Mehrzylindermotors bezüglich der X-Achse;

Fig. 8 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Lücken in den Faltanordnungen der Anschlagplatte bei jeder Zylinderbohrungsöffnung;

Fig. 9 eine graphische Darstellung der Verformung in einem Zylinderkopf eines Mehrzylindermotors bezüglich der Y-Achse;

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Breiten der Faltanordnungen der Anschlagplatte bei jeder Zylinderbohrungsöffnung;

Fig. 11 ein Schema einer Ausführung der Beziehung der Lücken zu den Breiten der Faltanordnungen der Anschlagplatte bei jedem Zylinder;

Fig. 12 schematisch eine andere Ausführung der Beziehung der Lücken zu den Breiten der Faltanordnungen der Anschlagplatte bezüglich der X-Achse;

Fig. 13 schematisch eine noch weitere Ausführung der Beziehung der Lücken zu den Breiten der Faltanordnungen der Anschlagplatte an jedem Zylinder bezüglich der Y-Achse;

Fig. 14 einen schematischen Teilschnitt einer weiteren Ausführung der Faltanordnung der Anschlagplatte;

Fig. 15 eine Schnittdraufsicht einer anderen Ausführung einer Metalldichtung;

Fig. 16 einen vergrößerten Querschnitt entlang Linie C-C von Fig. 15;

Fig. 17 einen vergrößerten Schnitt entlang Linie D-D von Fig. 15;

Fig. 18 eine Draufsicht zur Erläuterung der Breiten der gefalteten Flansche der Anschlagplatte; und

Fig. 19 einen vergrößerten Teilschnitt mit übertriebener Darstellung der Verformung, die im Zylinderblock um irgendeine Zylinderbohrung herum aufgetreten ist, bei einer herkömmlichen Metalldichtung im Bereich der Zylinderbohrung.

Zunächst zu den Fig. 1 bis 4. Die hier angesprochene Metalldichtung wird zwischen den gegenüberliegenden Flächen des Zylinderkopfs 20 und des Zylinderblocks 21 angeordnet, um Paßflächen abzudichten. Die Metalldichtung umfaßt zumindest eine Trägerplatte 2, 3 aus elastischem Metallblech, an der Wellenanordnungen oder Wülste 6, 7 vorgesehen sind, die sich in einer ringförmigen Konfiguration um die Umfänge von Zylinderbohrungsöffnungen 4 erstrecken, die in der Trägerplatte in Ausrichtung zu nicht gezeigten Zylinderbohrungen eines Mehrzylindermotors vorgesehen sind, und eine Anschlagplatte 1 aus Metallblech liegt darüber, direkt an den Scheiteln oder hochstehenden Flächen der Wülste 6, 7 an. Beide Trägerplatten 2, 3 und die Anschlagplatte 1 besitzen Positionierungslöcher 28, Löcher 29 für die Zylinderkopfbolzen, Wasserlöcher 30, Öllöcher 31 und dgl., die an sich bekannt sind und daher nicht weiter beschrieben werden. Die Löcher sind zur Abdichtung von Wellenanordnungen oder Halbwülsten umgeben.

Die Anschlagplatte 1 ist mit Zylinderbohrungsöffnungen oder zweiten Bohrungsöffnungen 8 versehen, die in Anzahl und Lage den jeweils benachbarten Zylinderbohrungsöffnungen 4 in den Trägerplatten 2, 3 entsprechen. Die Trägerplatten 2, 3 sind so bearbeitet, daß sie um die Zylinderbohrungsöffnungen 4 herum Ringwülste 6, 7 bilden, wohingegen die Anschlagplatte 1 entlang den Umfängen der Zylinderbohrungsöffnungen 4 teilweise auf sich selbst rückgefaltet ist, um hierdurch ringförmige Faltanordnungen 5 zu bilden. Die Trägerplatten 2, 3 sind in bezug auf die Anschlagplatte i derart angeordnet, daß die Scheitel der Wülste 6, 7 einander gegenüberliegen und an den entgegengesetzten Oberflächen eines Hauptabschnitts 9 der Anschlagplatte 1 anliegen. Daher werden die Scheitel der Wülste 6, 7 an den Trägerplatten 2, 3 mit der Anschlagplatte 1 in Bereichen in Eingriff gebracht, die mit Abstand von den Faltanordnungen 5 angeordnet sind.

Die Anschlagplatte 1 umfaßt den flachen Hauptabschnitt 9 und die ringförmigen Faltanordnungen 5, von denen jede mit dem flachen Hauptabschnitt 9 einstückig ist und an ihrer Biegung 8 in Ausrichtung zu der zugeordneten Bohrungsöffnung 4 die Bohrungsöffnung begrenzt. Die Faltanordnungen 5 der Anschlagplatte 1 besitzen jeweils einen gefalteten Flansch 12, der sich um die zugeordnete Bohrungsöffnung 8 herum erstreckt, und einen Gegenbereich 11, auf das der Flansch 12 mit Abstand rückgefaltet ist, wodurch sich zwischen diesen eine Lücke 10 ergibt, welche dem Flansch 12 eine elastische Verformungsmöglichkeit gibt, um hierdurch an der Faltanordnung 5 einen vorbestimmten Kompressionsoberflächendruck sicherzustellen. Wesentlich ist, daß die gegenüberstehenden Flansche 12 und Gegenbereiche 11 auch dann, wenn sie festgezogen oder zusammengequetscht sind, nicht mit ihren gesamten gegenüberstehenden Flächen eng aufeinanderzuliegen, sondern auf Abstand gehalten werden, so daß die Lücke 10 mit einem gewünschten Abstand verbleibt. Um einen nicht tolerierbaren Spalt aufgrund einer Verwindung oder Verformung 16 in der nicht gezeigten Zylinderlaufbuchse oder dem Zylinderkopf 20 eng passend zu kompensieren, liegt bevorzugt die Höhe der Lücke 10 zwischen dem gefalteten Flansch 12 und dem Gegenbereich 11 im Bereich von etwa 20 µm bis etwa 200 µm.

Die Trägerplatten 2, 3 und die Anschlagplatte 1 können, wie nachfolgend beschrieben, beispielsweise aus Metall hergestellt werden. Für die Herstellung der Trägerplatten 2, 3 wird ein Rohling, der aus einem rostfreien Stahlblech von 0,20 mm Dicke ausgestanzt ist, bearbeitet, um daran die Wellenanordnungen oder Wülste auszubilden, und dann wird es einer Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlung unterzogen, so daß die Trägerplatten 2, 3 zu elastischen Metallplatten mit einer gewünschsten Zugfestigkeit, Streckung und Härte werden. Andererseits wird ein Rohling für die Anschlagplatte aus einem 0,12 mm dicken rostfreien Stahlblech ausgestanzt und bearbeitet, um die Faltanordnungen zu bilden. Anzumerken ist, daß die Anschlagplatte 1 an ihren beiden Oberflächen nicht beschichtet wird. Die Faltanordnungen 5 beinhalten jeweils die Lücke 10 von etwa 60 µm und den gefalteten Flansch 12 von etwa 1 bis 2 mm Breite. Ferner ist zu erwarten, daß die Faltanordnungen 5 der Anschlagplatte 1 etwa 0,17 mm (0,05 + 0,12) des Betrags der Kompressionsbegrenzung aufbringen, um den auf die Wülste 7 der Trägerplatten 2, 3 ausgeübten Kompressionsgrad zu steuern.

Wie in Fig. 5 gezeigt, können die Faltanordnungen 5 in zahlreichen Modifikationen an der Anschlagplatte 1 ausgeführt sein.

Eine in Fig. 5(A) gezeigte Faltanordnung 5A besitzt einen dünnen Bereich 17 geringerer Dicke im Vergleich zum restlichen Hauptabschnitt 9 der Anschlagplatte 1. Beispielsweise wird der dünnen Bereich 17 in der Dicke auf mehr als die Hälfte des Hauptabschnitts 9 reduziert. Ein Flanschbereich 12 wird auf einen Gegenbereich 11 rückgefaltet, um zwischen diesen die Lücke 10 auszubilden, die über ihre gegenüberliegenden Flächen eine angenähert gleichmäßige Höhe hat, um hierdurch die Faltanordnung 5A zu bilden. In diesem Fall ist der gefaltete Flanschbereich 12 derart ausgestaltet, daß zwischen einer Schulter des Hauptabschnitts 9 und dem freien Ende des Flanschbereichs 12 ein ringförmiger Schlitz 27A gebildet wird. D.h. die Breite des Flanschbereichs 12 ist um die Länge des Schlitzes 27A kürzer als der Gegenbereich 11.

Die in Fig. 5(B) gezeigte Faltanordnung SB wird gebildet durch Rückfalten eines Flanschbereichs 12 auf einen Gegenbereich 11 derart, daß der gefaltete Flanschbereich 12 nur an seinem Außenende 32 an dem Gegenbereich 11 anliegt, um hierdurch um die zugeordnete Bohrungsöffnung herum eine ringröhrenförmige Lücke 10 zu bilden.

Die in Fig. 5(C) gezeigte Faltanordnung 15 wird gebildet durch Rückfalten eines Flanschbereichs 12 auf einen Gegenbereich 11 derart, daß der gefaltete Flanschbereich 12 an seinem Außenrand 33 benachbarten schmalen Bereich in flächigen Eingriff mit dem Gegenbereich 11 gebracht wird, um hierdurch um die zugeordnete Bohrungsöffnung herum eine röhrenförmige Lücke 10 zu bilden.

Die in Fig. 5(D) gezeigte Faltanordnung 5D wird gebildet durch Rückfalten eines Flanschbereichs 12 auf einen Gegenbereich 11 derart, daß der gefaltete Flanschbereich 12 an einen seinem Außenrand benachbarten schmalen Bereich in flächigen Eingriff mit dem Gegenbereich 11 gebracht wird, der, bei 34, über eine dem gefalteten Flanschbereich 12 gegenüberliegende Oberfläche des Hauptabschnitts 9 erhöht ist, um hierdurch um die zugeordnete Bohrungöffnung herum eine röhrenförmige Lücke 10 zu bilden.

In der in Fig. 5(E) gezeigten Faltanordnung 5E umfaßt schließlich der Hauptabschnitt 9 einen von der Seite eines gefalteten Flansches 12 entfernten versetzten Abschnitt 35. Somit ist ein Flanschbereich 12 auf einen Gegenbereich 11 derart rückgefaltet, daß sich zwischen diesen eine Lücke 10 ergibt, wodurch die Lücke 10 über ihre gesamten gegenüberliegenden Flächen eine im wesentlichen gleichmäßigen Höhe erhält, wodurch man die Faltanordnung 5E erhält.

Der Betrag der Kompressionsbegrenzung zur Steuerung der auf die Wülste 6, 7 ausgeübten Kompression wirkt aufgrund der Dickendifferenz zwischen der Faltanordnung 5 und dem Hauptabschnitt 9 der Anschlagplatte 1. Beispielsweise liegt der an der Faltanordnung 5 zu erwartende Kompressionsbegrenzungsbetrag im Bereich von 100 µm bis 360 µm.

Die Metalldichtung mit dem oben beschriebenen Kompressionsbegrenzungsbetrag kann im statisch zusammengedrückten Zustand den Kompressionsflächendruck an den Faltanordnungen 5 der Anschlagplatte 1 auf den Bereich von 70 MPa bis 140 MPa einstellen, den Kompressionsflächendruck an den Wülsten 6, 7 der Trägerplatten 2, 3 auf den Bereich von 10 MPa bis 110 MPa und kann auch den Kompressionsflächendruck an den Faltanordnungen 5 größer machen als bei den Wülsten 6, 7. Demzufolge stellt die Metalldichtung den Bereich des Kompressionsoberflächendrucks ein, der zur Kompensation des nicht tolerierbaren Spalts bei 36S in Fig. 19 erwünscht ist, der anderenfalls aufgrund der Verformung bei 36 in Fig. 19 entweder im Zylinderblock 10 oder im Kopf 20 auftreten könnte.

Die Verformung, die bei Tests zur Simulation des tatsächlichen Motorbetriebs im Zylinder auftritt, kann durch Abstandsensoren gemessen werden, die in der oberen Paßfläche des Zylinderblocks eingebettet sind, und durch die Verwendung berührungsfreier Wirbelstromsensoren, welche die relative Verlagerung zwischen dem Zylinderblock und dem Kopf überwachen. Alternativ kann die Verformung durch irgendeinen anderen Sensor erfaßt werden, wobei eine digitale Tiefenlehre des Direktkontakttyps die relative Verlagerung überwacht, wenn der zugeordnete Zylinder dem maximalen Zylinderdruck ausgesetzt ist. Im Hinblick auf die Bedingungen der tatsächlichen Messung der Verlagerung des Zylinderkopfs bei der Simulation des tatsächlichen Motorbetriebs werden die Zustände im Hinblick auf die Breite des gefalteten Flansches, die Lücke zwischen dem gefalteten Flanschbereich und dessen Gegenbereich und des Kompressionsbegrenzungsbetrags passend gewählt und entsprechend dem herkömmlichen statischen System und den Tests zur Simulation des tatsächlichen Motorbetriebs eingestellt, um hierdurch den üblichen Standard der gewünschten gleichmäßigen Verteilung des Kompressionsflächendrucks zu erreichen. Dann können Tests zur Simulation des tatsächlichen Motorbetriebs durchgeführt werden, durch geeignete Wahl von Betriebszuständen aus vorbestimmten kontinuierlichen Hochgeschwindigkeitstests, Integrationstests, Haltbarkeitstests oder dgl., um hierdurch die tatsächliche Verteilung der Verformung jeder Zylinderbohrung zu messen. Aus diesen Daten erhält man graphische Darstellungen, welche die Richtungen der maximalen Verformung zeigen, entweder parallel oder normal zur Zylinderbohrungsreihe.

Zumindest ein Paar der Oberflächen der Trägerplatten 2, 3, entweder die von einander weg weisenden Außenflächen oder die einander gegenüberliegenden Innenflächen, wird mit nichtmetallischem Material, wie etwa Harzen oder Gummimaterialien, beschichtet, beispielsweise Fluorcarbongummi, thermisch beständig und ölbeständig mit einer Dicke von beispielsweise etwa 10 µm bis 30 µm. Eine elastische Beschichtung 40 wird entweder teilweise oder insgesamt auf die einander gegenüberliegenden Flächen des gefalteten Flanschbereichs 12 und der Gegenfläche 11 an der Faltanordnung 5 aufgetragen.

Bei einer Metalldichtung für einen Sechszylindermotor, die gemäß Fig. 6 einen ersten Zylinder 1, einen zweiten Zylinder 2 und einen dritten Zylinder 3 aufweist, kann der gefaltete Flansch der Faltanordnung 5 in der Breite entlang dem Umfang der zugeordneten Zylinderbohrungsöffnung 8 variieren. Jede Faltanordnung 5 ist schmal an Winkelzonen SW mit jeweils etwa 20°, die sich symmetrisch in bezug auf eine Trennebene erstrecken, welche die Mitten jeweils benachbarter Zylinderbohrungsöffnungen enthält. Die Faltanordnung 5 ist breit an den Hauptsektorzonen LW, die sich jeweils symmetrisch in bezug auf eine Ebene erstrecken, die die Trennebene mit einem Winkel von 90° schneidet. Die Breite der Faltanordnung 5 ändert sich allmählich in Zwischenzonen CW von etwa 10 bis 40°. Die Wülste 6, 7 können ebenfalls in ihren Breiten entlang ihrer Umfangsrichtung variieren. Beispielsweise ist jeder Grenzbereich zwischen einander benachbarten Zylinderbohrungsöffnungen 8 extrem eng ausgeführt, und daher ist die Breite der Faltanordnung 5 am Grenzbereich reduziert im Vergleich zu anderen Bereichen, wo die Breite der Faltanordnung 5 mit zunehmendem Abstand vom Grenzbereich größer wird. Die Breite der Wülste 6, 7 ist, wie bei der Faltanordnung 5, an dem Grenzbereich zwischen einander benachbarten Bohrungsöffnungen 8 geringer, im Vergleich zu anderen Bereichen, wo die Wülste 6, 7 mit zunehmendem Abstand von dem Grenzbereich breiter werden.

Fig. 7 bis 10 zeigen Dimensionsänderungen in den erfindungsgemäßen Metalldichtungen, die in den Sechszylindermotor eingebaut sind. Im Detail zeigt Fig. 7 die Verformung (µm) im Kopf unter statischer Einstellung und bei tatsächlichem Motorbetrieb in bezug auf die Richtung entlang der x- Achse, die sich durch die Mitten der Bohrungsöffnungen 8 erstreckt, und Fig. 8 zeigt die Änderungen der Lücke (µm) für jeden der Zylinder, die entlang der sich durch die Mitten der Bohrungsöffnungen 8 erstreckenden x Achsen angeordnet sind, sofern die Lücke in der Faltanordnung 5 entlang dem Umfang jeder zugeordneten Bohrungsöffnung 8 gleichmäßig ist. Ferner zeigt Fig. 9 die Verformung (µm) im Zylinderkopf unter statischer Einstellung und bei tatsächlichem Motorbetrieb in bezug auf die Richtung entlang der y-Achse, die normal zu der x-Achse ist, die sich durch die Mitten der Bohrungsöffnungen 8 erstreckt, und Fig. 10 zeigt die Breitenänderungen des gefalteten Flanschbereichs für jeden Zylinder, die entlang der sich durch die Mitten der Zylinderbohrungen erstreckenden x- Achse angeordnet sind, sofern die Breite des gefalteten Flanschbereichs entlang dem Umfang jeder zugeordneten Bohrungsöffnung 8 gleichmäßig ist.

Fig. 11 bis 13 zeigen die Formen der Faltanordnungen 5, die an der Anschlagplatte 1 für jeden Zylinder des Sechszylindermotors ausgebildet sind, wie in Fig. 6 gezeigt. In der in Fig. 11 gezeigten Ausführung besitzt die Faltanordnung für den ersten Zylinder #1 eine Lücke d₁ und eine Breite a₁; für den zweiten Zylinder #2 eine Lücke d₂ und eine Breite a₂; und für den dritten Zylinder #3 eine Lücke von d₃ und eine Breite von a₃. Bei der Ausführung von Fig. 11, bei der jede Faltanordnung 5 für jeden Zylinder entlang ihres Umfangs gleichmäßig ist, sind die Lücke d₃ und die Breite a₃ größer, wohingegen die Lücke d₁ und die Breite a₁ kleiner sind, und die Lücke d₂ und die Breite a₂ in der Mitte liegen.

Es gelten die Beziehungen a₃ < a₂ < a₁ und d₃ < d₂ < d₁.

Die Fig. 12 und 13 zeigen die Faltanordnungen 5 jeweils für den ersten Zylinder #1, den zweiten Zylinder #2 und den dritten Zylinder #3, gezeigt im Schnitt entlang der x-Achse, die sich durch die Mitten der Bohrungsöffnungen 8 erstreckt, bzw. der zur x-Achse normalen y-Achse. Wenn man im Hinblick auf die Richtung der x-Achse in Fig. 12 die Lücke und die Breite der Faltanordnung 5 für den ersten Zylinder #1 als dx₁ bzw. ax₁ bezeichnet, für den zweiten Zylinder #2 als dx₂ bzw. ax₂; und für den dritten Zylinder #3 als dx₃ und ax₃, haben die Lücken ax₁, ax₂ und ax₃ jeweils eine gleiche Höhe, wohingegen deren Breite dx₃ größer ist, die Breite dx₁ kleiner ist und die Breite dx₂ in der Mitte liegt. D.h. ax₁ = ax₂ = ax₃ und dx₃ < dx₂ < dx₁. Betrachtet man die Richtung der y-Achse, wenn man die Lücke und die Breite für den ersten Zylinder #1, entsprechend der x-Achse als dy₁ bzw. ay₁ bezeichnet; für den zweiten Zylinder #2 als dy₂ bzw. ay₂; und für den dritten Zylinder #3 als dy₃ und ay₃, haben die Lücken ay₁, ay₂ und ay₃ eine zueinander gleiche Höhe, wohingegen die Breite dy₃ größer ist, die Breite dy₁ kleiner ist und die Breite dy₂ in der Mitte liegt. D.h. ay₁ = ay₂ = ay₃ und dy₃ < dy₂ < dy₁.

Wie in Fig. 14 gezeigt, wird auf die Faltanordnung 5 der Metalldichtung an der Kompressionsseite R einer scharfen Biegung ein Kompositmaterial 13 aufgetragen, das Aluminium und Chlor enthält. Das aufgetragene Kompositmaterial 13 wird an der scharfen Biegung durch wärmebeständigen Gummi gehalten, der auf der Kompressionsseite R der Faltanordnung 5 haftet. Ferner wird durch thermische Diffusion von Aluminium auf der Oberfläche der Kompressionsseite der scharfen Biegung eine Aluminium- Eindringschicht 14 ausgebildet, um hierdurch die Festigkeit an der Kompressionsseite R zu erhöhen, die somit vor dauerhafter Verformung oder Ermüdungsbruch geschützt ist, was die Haltbarkeit verbessert. Das Aluminium in dem Kompositmaterial 13 kann entweder reines Aluminiumpulver oder Aluminiumpulverlegierungen enthalten, wohingegen Chlor entweder Ammoniumchlorid oder Aluminiumchlorid sein kann. Das Kompositmaterial 13 wird in einer pastösen Mischung vorbereitet, die 0,05 bis 0,2 Gew.-% Chlor enthält. Der wärmebeständige Gummi 15 wird bevorzugt der Feuchtebeständigkeit wegen aufgetragen, bis die Dichtung in dem Motor montiert ist.

Das Aluminium in dem Verbundmaterial 13 verdampft bei hoher Temperatur aufgrund des Motorbetriebs zu Aluminiumchlorid, und scheidet sich dann in Form von reinem Aluminium bei abgekühlter Atmosphäre ab. Die Aluminiumabscheidung dringt durch thermische Diffusion in die Matrix der Stahlplatte ein, wie etwa eine rostfreie (SUS) Stahlplatte, unter Bildung der Aluminium-Eindringschicht 14 auf der Oberfläche der Kompressionsseite der Faltanordnung 5. Die Eindringschicht 14 ist einige µm dick und ist härter als die Metallplatte, so daß die Kompressionsseite R verfestigt ist und gegen dauerhafte Verformung geschützt ist. Das in der Eindringschicht 14 enthaltene Chlor wird bei niedriger Temperatur zur Wiederverwendung in dem Kompositmaterial 13 eingeschlossen. Obwohl das Chlor nur nach und nach aus der Eindringschicht 14 verdampft, ist andererseits der verdampfte Anteil des Chlors so gering und so schnell, daß es nahezu niemals zu Korrosion der Dichtung und anderer Motorteile kommt.

Der wärmebständige Gummi 15 hat an der Faltanordnung 5 eine Pufferwirkung. Wie später beschrieben, ist es beispielsweise bei einer Metalldichtung, die nur eine Lage der Anschlagplatte 1 zur Abdichtung der Bohrungsöffnungen 8 aufweist, bevorzugt, daß die Faltanordnungen 5 so angeordnet sind, daß ihre gefalteten Flansche 12 dem Zylinderblock 21 gegenüberstehen, und auf die Faltanordnungen 5 an deren Kompressionsseite R jeweils elastisches Material aufgetragen ist, etwa teilweise oder vollständig, das somit die Pufferwirkung oder den Federeffekt an der Lücke 10 halten kann, um hierdurch die Wülste 6, 7 vor dauerhafter Verformung zu schützen.

Nach einer anderen, nicht gezeigten Ausführung der Metalldichtung können zwei Lagen der Anschlagplatte zwischen den Trägerplatten mit Wülsten angeordnet werden. In dieser Ausführung hat eine der Anschlagplatten die Faltanordnungen, wohingegen die andere Anschlagplatte Wellenanordnungen, wie etwa Halbwülste oder hochstehende Abschnitte, besitzt, welche die den Faltanordnungen gegenüberliegenden Halbwülsten ähnlich sind. Die Anschlagplatte mit den Faltanordnungen kann derart angeordnet werden, daß deren gefaltete Flanschbereiche in direkten Kontakt mit den Wülsten an den Trägerplatten oder den Halbwülsten an der anderen Anschlagplatte gebracht werden. Ferner kann die Anschlagplatte mit den Halbwülsten derart angeordnet werden, daß die Halbwülste einer der Trägerplatten gegenüberliegen und sich mit Abstand von der Faltanordnung erstrecken. Die Anschlagplatte mit den gefalteten Flanschbereichen, die der Trägerplatte gegenüberliegen, ist bei einem Motor vorteilhaft, bei dem die Verformung des Zylinderblocks 21 und die intolerierbaren Spalte infolge der Verformung des Zylinderblocks 21 geringer sind. In der bevorzugten Anordnung der Dichtung mit zwei Lagen der Trägerplatte und zwei Lagen der Anschlagplatte liegt die Anschlagplatte mit den Faltanordnungen auf der anderen Anschlagplatte mit den Halbwülsten in einer derartigen Beziehung, daß die gefalteten Flanschbereiche der anderen Anschlagplatte gegenüberliegen. Diese Anordnung der Dichtung ist auch bei Dieselmotoren mit Vorverbrennung oder Vorkammer geeignet.

Die Fig. 15 bis 18 zeigen eine weitere Ausführung der Metalldichtung, zusammengesetzt aus der Anschlagplatte 1 und zumindest einer Trägerplatte 18 mit auf der Anschlagplatte 1 lagernden Wülsten. Da die Anschlagplatte 1 dieser Ausführung identisch zu jener der zuvor beschriebenen ersten Ausführung ist, sind in Struktur und Funktion gleiche oder ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen, die hier nicht weiter beschrieben werden.

Die Anschlagplatte 1 ist aus einem elastischen Metallblech hergestellt, das mit den Faltanordnungen 5 dort versehen ist, wo das Metallblech in Form eines Rings rückgefaltet ist, um die Bohrungsöffnungen 8 zu begrenzen. Die Trägerplatte 18 mit Wülsten ist ebenfalls aus einem elastischen Metallblech hergestellt, das mit der Bohrungsöffnung 4 versehen ist und an der Wülste 19 ausgebildet sind, die sich um die Bohrungsöffnungen 8 herum erstrecken. Die Trägerplatte 18 liegt auf der flachen Hauptfläche der Anschlagplatte 1 außer an den Faltanordnungen 5 in einer solchen Beziehung auf, daß die Trägerplatte 18 einen gegenseitigen Flächenkontakt mit der Anschlagplatte 1 seitens ihrer einen Fläche bildet, die teilweise unter die Fläche zur Bildung der Wülste 19 vertieft ist, die über ihre entgegengesetzte Seite hinaus vorstehen. Zwischen ringförmigen Außenenden der gefalteten Flanschbereiche 12 der Faltanordnungen 5 und Umfangsrändern 26 der Trägerplatte 18 sind Ringräume 27 gebildet. Die Ringräume 27 halten einen ausreichenden Abstand, um eine Störung der Trägerplatte 18 mit der Faltanordnung 5 zu vermeiden, wenn die Dichtung gelöst ist, durch die Kopfbolzen festgezogen ist oder durch Motorbetrieb belastet ist.

Wie aus Fig. 18 ersichtlich, ändert sich die Breite der Faltanordnungen 5 der Anschlagplatte 1 dieser Ausführung entlang dem Umfang der zugeordneten Bohrungsöffnung 8. D.h. die Faltanordnung 5 ist in Winkelzonen 5SW weniger breit, erstreckt sich symmetrisch in bezug auf eine Schnittebene, welche die Mitten jeweils benachbarter Bohrungsöffnungen 8 enthält, und wird an den anderen restlichen Zonen 5LW breiter.

Die Trägerplatte 18 und die Anschlagplatte 1 können, wie nachfolgend beschrieben, aus Metall hergestellt werden. Bei der Herstellung der Trägerplatte 18 wird ein rostfreies Stahlblech (SUS301-3/4) von 0,2 mm Dicke zu einem Rohling geschnitten, der dann einem Metallbearbeitungsprozeß unterzogen wird, wie etwa einer Wellenbildung zur Herstellung der Wülste daran, und gefolgt durch Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlung zur Bildung einer elastischen Metallplatte mit einer gewünschten Zugfestigkeit, Streckung und Härte. Andererseits wird ein Rohling für die Anschlagplatte 1 aus einem rostfreien Stahlblech (SUS304) von 0,35 mm Dicke ausgestanzt, und zur Herstellung der Faltanordnungen bearbeitet. Die Anschlagplatte 1 wird auf ihren entgegengesetzten Oberflächen mit Fluorcarbongummi-Beschichtungen von etwa 0,015 mm Dicke beschichtet. Die Faltanordnungen 5 beinhalten jeweils die Lücke 10 von etwa 50 µm, wenn die Anschlagplatte 1 mit den Beschichtungen versehen ist, oder etwa 80 µm, wenn die Anschlagplatte 1 keine Beschichtung trägt. Die Faltanordnungen 5 besitzen jeweils eine Breite im Bereich von 1 bis 3 mm und einen gefalteten Flansch 12 von etwa 1 bis 2 mm Breite. Ferner ist zu erwarten, daß die Faltanordnungen 5 der Anschlagplatte 1 etwa 0,13 mm (0,35-0,22) des Betrags der Kompressionsbegrenzung aufbringen.

Die erfindungsgemäße Metalldichtung dient zur Anordnung zwischen einem Zylinderblock 21 und einem Zylinderkopf 20. Die erfindungsgemäße Metalldichtung umfaßt Trägerplatten 2, 3 mit Wülsten 6, 7, sowie eine Anschlagplatte 1, welche die Trägerplatten 2, 3 überlagert und mit Faltanordnungen 5 versehen ist, die jeweils aus einem gefalteten Flanschbereich 12 und dessen gegenüberliegendem Gegenbereich 11 zusammengesetzt sind, um dazwischen eine Lücke vorbestimmter Höhe zu bilden. Die Lücken 10 geben den gefalteten Flanschbereichen 12 eine dauerhafte Elastizität, wenn die Dichtung zusammengedrückt wird und durch Motorbetrieb belastet wird, wodurch die Faltanordnungen 5 einen nicht tolerierbaren Spalt kompensieren können, der aufgrund einer Ermüdungsverformung des Zylinderblocks 21 relativ zur Dichtung auftreten kann, um die Dichteigenschaften der Dichtung zu verbessern.

Claims (15)

1. Metalldichtung, umfassend zumindest eine Trägerplatte (2, 3) aus einer elastischen Metallplatte, die zur Anordnung zwischen einem Zylinderblock (21) und einem an dem Zylinderblock (21) zu befestigenden Zylinderkopf (20) dient, wobei die Trägerplatte (2, 3) mit ersten Bohrungsöffnungen (4) sowie Wülsten (6, 7) versehen ist, die entlang der zugeordneten ersten Bohrungsöffnung (4) ausgebildet sind, sowie eine Anschlagplatte (1) aus einer elastischen Metallplatte, die die Trägerplatte (2, 3) überlagert, wobei die Anschlagplatte (1) teilweise rückgefaltet ist, um ringförmige Faltanordnungen (5) vorzusehen, um zweite Bohrungsöffnungen (8) in Ausrichtung zu den ersten Bohrungsöffnungen (4) zu begrenzen,
wobei die Wülste (6, 7) der Trägerplatte (2, 3) die Anschlagplatte (1) in Bereichen überlagern, die mit Abstand von den Faltanordnungen (5) angeordnet sind, wobei die Faltanordnungen (5) jeweils einen gefalteten Flanschbereich (12) und einen Gegenbereich (11) aufweisen, die sich entlang einem Umfang der zugeordneten zweiten Bohrungsöffnung (8) erstrecken, und wobei die Faltanordnungen (5) jeweils zwischen dem gefalteten Flanschbereich (12) und dessen Gegenbereich (11) eine Lücke (10) vorbestimmter Höhe aufweisen, um der Faltanordnung (5) eine dauerhafte Elastizität zu geben, wenn die Dichtung belastet ist, einschließlich bei laufendem Motor.

2. Metalldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagplatte (1) die Trägerplatte (2, 3) derart überlagert, daß hochstehende Flächen der Wülste (6, 7) der Trägerplatte (2, 3) an einer flachen Hauptfläche der Anschlagplatte (1) anliegen, während die Wülste (6, 7) mit Abstand von Umfangsrändern der gefalteten Flanschbereiche (12) der Faltanordnungen (5) der Anschlagplatte (1) angeordnet sind.

3. Metalldichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagplatte (1) zwischen den gegenüberliegenden, Wülste (6, 7) aufweisenden Trägerplatten (2, 3) derart angeordnet ist, daß die hochstehenden Flächen der Wülste (6, 7) der Trägerplatten (2, 3) an den flachen Hauptflächen der Anschlagplatte (1) anliegen.

4. Metalldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagplatte (1) die Trägerplatte (2, 3) derart überlagert, daß vertiefte Flächen der Wülste (6, 7) einer flachen Hauptfläche der Anschlagplatte (1) gegenüberliegen, wobei Umfangsränder um die ersten Bohrungsöffnungen (4) in der Trägerplatte (2, 3) mit Abstand von den Umfangsrändern der gefalteten Flanschbereiche (1 2) der Faltanordnungen (5) der Anschlagplatte (1) angeordnet sind.

5. Metalldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung die gefalteten Flanschbereiche (12) der Faltanordnungen (5) den Zylinderblock (21) berühren, wodurch die durch die gefalteten Flanschbereiche (12) ausgeübte Elastizität eine Verformung im Zylinderblock (21) kompensiert.

6. Metalldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lücken (10) zwischen den gefalteten Flanschbereichen (12) und den Gegenbereichen (11) im gelösten Zustand vor dem Festziehen im Bereich von 20 µm bis 200 µm hoch sind.

7. Metalldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Faltanordnungen (5) vorbestimmter Kompressionsbegrenzungsbetrag im gelösten Zustand vor dem Festziehen im Bereich von 100 µm bis 360 µm liegt.

8. Metalldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorbestimmter gegenseitiger Nenn-Kompressionsflächendruck an den Faltanordnungen (5) der Anschlagplatte (1) im Bereich von 70 MPa bis 140 MPa liegt, wohingegen ein vorbestimmter gegenseitiger Nenn-Kompressionsflächendruck an den Wülsten (6, 7) der Trägerplatte (2, 3) im Bereich von 10 MPa bis 110 MPa liegt.

9. Metalldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Faltanordnungen (5) der Anschlagplatte (1) entlang den Umfängen der zugeordneten zweiten Bohrungsöffnung (8) derart eingestellt ist, daß sie an Zonen, welche eine die Mitten einander benachbarter zweiter Bohrungsöffnungen (8) überspannende Ebene enthalten, kleiner ist, wohingegen sie in den anderen restlichen Zonen größer ist.

10. Metalldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhen der Lücken zwischen den gefalteten Flanschbereichen (12) und ihren Gegenbereichen (11) derart eingestellt sind, daß sie bei jeweils benachbarten zweiten Bohrungsöffnungen (8) unterschiedlich sind.

11. Metalldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breiten der Faltanordnungen (5) derart eingestellt sind, daß sie bei jeweils benachbarten zweiten Bohrungsöffnungen (8) unterschiedlich sind.

12. Metalldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faltanordnungen (5) gebildet sind durch teilweise Rückfalten dünner Bereiche (17) der Anschlagplatte (1) zum Erhalt der gefalteten Flanschbereiche (12), deren Dicke im Vergleich zum Hauptabschnitt (9) der Anschlagplatte (1) auf mehr als die Hälfte des Hauptabschnitts (1) reduziert ist.

13. Metalldichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kompressionsbegrenzungsbetrag zum Steuern des auf die Wülste (6, 7) ausgeübten Kompressionsgrads aufgrund der Dickendifferenz zwischen der Faltanordnung (5) und dem Hauptabschnitt (9) der Anschlagplatte (1) zur Wirkung kommt, und daher der Kompressionsbegrenzungsbetrag nach Maßgabe der Dicke der dünnen Bereiche (17) reguliert wird, die, im Vergleich zum Hauptabschnitt (9), reduziert ist.

14. Metalldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüberstehende Oberflächen der gefalteten Flanschbereiche (12) und der Gegenbereiche (11) zumindest teilweise mit elastischem Material beschichtet sind.

15. Metalldichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, auf die Faltanordnungen (5) an der kompressionsseitigen Oberfläche ihrer scharfen Biegung mit einem Aluminium und Chlor enthaltenden Kompositmaterial (13) beschichtet sind, und daß durch thermische Diffusion des Aluminiums im zusammengedrückten Zustand der Dichtung eine Eindringschicht (14) aus Aluminium auf der beschichteten Oberfläche der Kompressionsseite aufgebaut wird.