DE19736431C2 - Statische Dichtungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine statische Dichtungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbe­ griffs des Patentanspruchs 1.

Eine solche Dichtungsanordnung ist aus der DE 43 43 376 A1 bekannt, wobei die Dichtung unter Benutzung der Nut als formgebendes Werkzeugunterteil hergestellt ist und folglich die Nut praktisch vollständig ausfüllt, ohne daran angebunden zu sein.

Aus der DE 30 22 598 A1 ist eine ähnliche Dichtungsanordnung bekannt, bei der das Quer­ schnittsprofil der Dichtung unsymmetrisch mit einem Versatz des Kontaktabschnittes zur Luftseite der Dichtung hin ausgebildet ist.

Ferner ist aus der DE 195 19 888 A1 eine Dichtungsanordnung mit den Merkmalen des Ober­ begriffs des Anspruchs 1 bekannt, bei der die luftseitige Wand der Nut in Richtung auf die Dichtfläche heruntergezogen ist, damit die Dichtung vor Außeneinwirkungen, z. B. vor einem Dampfstrahl eines Hochdruckreinigers, geschützt wird.

Solche Dichtungsanordnungen lassen sich nicht nur zum Abdichten von Ventilhauben von Brennkraftmaschinen, und zwar sowohl bei starrer als auch zur Körperschallisolation schwimmender Befestigung am Zylinderkopf, sondern auch als Dichtungen für Ölwannen von Brennkraftmaschinen, Wärmetauscher, Getriebe und Achsen von Kraftfahrzeugen und dgl. einsetzen.

Eine Dichtung gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 1 im Querschnitt dargestellt. Die Dichtung 1 hat ein umgekehrtes T-Profil mit einem T-Querbalken 2 und einem davon nach oben ragenden T-Standbalken 3. Von der Unterseite des T-Querbal­ kens 2 ragen beidseitig von einer Symmetrieebene S je eine Rippe 4 weg. Die Rippen 4 dienen zur Erzeugung von Druck­ spitzen gegenüber einer abzudichtenden Fläche.

Fig. 2 zeigt die Dichtung 1 in eingebautem Zustand in der Nut 5 einer Ventilhaube 6, wobei die Rippen 4 gegen eine ebene, horizontale Dichtfläche 7 eines Zylinderkopfes 8 ei­ ner Brennkraftmaschine mittels Schrauben 9 angepreßt ist, welche einen horizontalen Umfangsflansch 10 der Ventilhaube gegen die Dichtfläche 7 angepreßt halten. Dabei ist die Dichtung 1 ebenso wie in Fig. 1 in freiem, unverformtem Zu­ stand gezeichnet, in welchem ihre Gesamthöhe größer als die Tiefe der Nut 5 in der Ventilhaube 6 und die Dicke ihres T- Standbalkens kleiner als die Nutbreite der Nut 5 ist. Auf­ grund des Schraubendruckes wird die Dichtung in montiertem Zustand zwischen dem Grund der Nut 5 und dem unteren Ende des T-Standbalkens 3 sowie den Enden der Rippen 4 an der unteren Seite des T-Querbalkens 2 auf der Dichtfläche 7 des Zylinderkopfes 8 so gestaucht, daß an diesen Stellen die höchste lokale Verpressung auftritt. Die Abdichtung erfolgt also im wesentlichen entlang der über dem gesamten Umfang der Dichtung geschlossenen Linien höchster Verpressung am Kopf des T-Querbalkens 2 und den Rippen 4. Wegen der Inkom­ pressibilität des elastomeren Werkstoffes füllt das bei der Stauchung verdrängte Material das in Fig. 2 ersichtliche freie Volumen der Nut weitgehend aus.

Aufgrund des beschriebenen Dichtungsmechanismus mit ge­ schlossenen Umfangslinien ist es nicht möglich, die Dichtung nach Fig. 1 so in der Nut zu halten, daß sie nicht unter der Einwirkung der Schwerkraft wieder herausfällt. Eine mit ei­ ner solchen Dichtung ausgerüstete Ventilhaube ließe sich mit vertretbarem Aufwand nicht montieren.

Oft hilft man sich damit, daß man den T-Querbalken weniger schlank macht, so daß er in der Nut klemmt. Dann wird die Dichtung im Kontakt mit den Seitenwänden der Nut verpresst. In der Regel verkeilt sich das Profil dann so in der Nut, daß die für die Dichtfunktion wichtige Verpressung am oberen Ende des T-Standbalkens kaum noch nachzuweisen ist.

Da die Ventilhaube 6 ein Formteil ist, müssen die Seitenwän­ de der Nut zur Nutöffnung hin schräg auseinander laufen, um ein Entformen zu ermöglichen. Aufgrund dieser Formschräge entsteht eine Druckkraft an den Kontaktstellen der Dichtung mit den Seitenwänden der Nut, welche die Dichtung aus der Nut wieder herauszudrücken trachtet.

Um diese Schwierigkeit zu umgehen, hat man seitliche Ver­ dickungen in gleichmäßigen Abständen des T-Standbalkens vor­ gesehen, welche vom oberen Fußende des T-Standbalkens bis zum T-Querbalken durchlaufen. Hierbei ist nachteilig, daß an den verdickten Stellen der Dichtung eine deutlich höhere Einpreßkraft zum Einlegen in die Nut erforderlich ist und gleichwohl die für eine sichere Abdichtung entscheidende Kontaktpressung zwischen dem oberen Ende des T-Standbalkens und dem Nutgrund kleiner ist als an den Stellen ohne die Verdickung.

Beim Eindrücken der beschriebenen vorbekannten Dichtung in die Nut muß die Reibung zwischen Elastomermaterial der Dich­ tung und dem Material der Ventilhaube (Metall oder schlagfe­ ster Kunststoff) überwunden werden. Bei der Vormontage wird die Dichtung gestaucht und federt nach Wegnahme der Montage­ kraft wieder etwas zurück. Die vormontierte Dichtung kann daher leicht aus der Nut der Ventilhaube wieder herausgezo­ gen werden oder gar herausfallen.

Ankleben oder Anvulkanisieren der Dichtung an die Ventilhau­ be wäre zwar im Ergebnis technisch zufriedenstellend, aber sehr teuer, vor allem wegen der in der Regel erforderlichen Vorbehandlung des Deckels mit einem Haftvermittler.

Die bekannte Dichtung 1 bietet dem Medium eine vergleichs­ weise große Angriffsfläche. Hat das Elastomermaterial eine hohe Quellung unter dem Einfluß des Mediums, so kann es zu einer negativen Beeinflussung der Funktion der Dichtung kom­ men, beispielsweise zu einem Ausschwitzen von Öl, ungleich­ förmiger Verpressung und damit lokaler Leckage und derglei­ chen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dich­ tungsanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebe­ nen Art zu schaffen, bei der ein Elastomermaterial hoher Quellung einsetzbar ist, das sich für ein direktes Anformen der Dichtung in der hierfür vorgesehenen Nut in einem ersten Bauteil, wie einer Ventilhaube oder einem Deckel einer Brennkraftmaschine eignet. Die Dichtung soll dabei so ge­ staltet sein, daß die tatsächliche Quellung minimal gehalten ist und sich jedenfalls nicht nachteilig auf die Dichtungs­ funktion auswirkt.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine statische Dichtungsan­ ordnung nach Anspruch 1.

Bei einer Dichtungsanordnung nach der Erfindung ist aufgrund der beanspruchten Gestaltung für die Dichtung ein Elastomer­ material hoher Quellung, vorzugsweise ein Silikongummi des Typs MVQ, einsetzbar, das ein direktes Anspritzen an das insbesondere aus Kunststoff bestehende erste Bauteil, wie eine Ventilhaube oder einen Deckel einer Brennkraftmaschine, ermöglicht. Das für die Herstellung der Dichtung vorzugswei­ se verwendete Silikongummi vom Typ MVQ ist wegen seiner Tem­ peratur- und Ölbeständigkeit sowie wegen seiner guten Haftfähigkeit ohne Haftvermittler beim Anformen der Dichtung an eine Ventilhaube oder einen Deckel aus Kunststoff sehr vor­ teilhaft. Durch Anspritzen oder Anvulkanisieren der Dichtung an eine Ventilhaube oder einen Deckel läßt sich ein einbau­ fertiger Modul mit verliersicher daran angebrachter Dichtung bereitstellen. Dabei können die zusätzlichen Kosten für eine Vorbehandlung mit einem Haftvermittler eingespart werden, weil die Dichtung aus einem Elastomermaterial mit ausrei­ chend hoher adhäsiver Bindung zum Werkstoff der Ventilhaube oder des Deckels besteht und somit direkt an die Ventilhaube oder den Deckel angeformt werden kann. Die hohe Quellung des vorzugsweise eingesetzten Silikongummis ist aufgrund der beanspruchten konstruktiven Ausgestaltung der Dichtungsan­ ordnung unproblematisch.

Das Querschnittsprofil der Dichtung ist unsymmetrisch mit einem Versatz des Kontaktabschnittes zur Luftseite der Dich­ tung hin ausgebildet, und die mediumseitige Wand der Nut des ersten Bauteils ist gegenüber der luftseitigen Wand dieser Nut um eine solche Strecke in Richtung auf die Dichtfläche des zweiten Bauteiles vorgezogen, daß die mediumseitige Wand in endmontiertem Zustand der Dichtungsanordnung nächst der Dichtfläche zu liegen kommt. Hierdurch bietet die Dichtung dem abzudichtenden Medium nur eine sehr kleine An­ griffsfläche für das abzudichtende Medium dar, was eine Quellung zumindest zeitlich stark verzögert. Insbesondere für den Fall, daß eine starre Verpressung der Dichtung zwi­ schen den beiden Bauteilen angestrebt ist, wird die medium­ seitige Wand der Nut in endmontiertem Zustand der Dich­ tungsanordnung bis in Kontakt mit der Dichtfläche des zwei­ ten Bauteiles heruntergezogen, was die Angriffsfläche der Dichtung auf der mediumseitigen Wand praktisch zu Null wer­ den läßt.

Auch für den Fall, daß eine schwimmende Verpressung der Dichtungsanordnung zum Zwecke der Körperschallisolierung angestrebt ist, kann der verbleibende Spalt zwischen der mediumseitigen Begrenzung der Nut und der Dichtfläche am zweiten Bauteil so klein gehalten werden, daß das Medium nur über eine sehr kleine Fläche an die Dichtung gelangt und so eine Quellung vermindert und zumindest erheblich verzögert wird.

Es ist bekannt, daß in einen unter hoher Druckspannung ste­ henden elastomeren Werkstoff weniger Medium hineindiffundie­ ren kann, als im spannungslosen Zustand. Dieser Effekt wird bei der Erfindung gezielt genutzt, indem der mediumseitige Teil der Dichtung bewußt deutlich stärker verpreßt wird als der luftseitige Teil. Dies erzeugt eine zusätzliche, wirksa­ me Barriere gegen das Eindiffundieren des abzudichtenden Mediums in die Dichtung.

Auf der Luftseite der Dichtung ist dagegen ausreichend Raum zur Aufnahme des beim Verpressen der Dichtungsanordnung ver­ drängten, sowie durch die Quellung zusätzlich erzeugten Vo­ lumens des Elastomermaterials vorgesehen. Hierdurch werden zusätzliche innere Spannungen vermieden, und es wird er­ reicht, daß beim Verpressen nur geringe Reaktionskräfte in der Nut des ersten Bauteils entstehen. Hierdurch wird die Anbindung zwischen dem Werkstoff des ersten Bauteiles und dem Elastomermaterial der Dichtung geringen Belastungen aus­ gesetzt, so daß die adhäsive Bindung für eine sichere Funk­ tion der Dichtung ausreicht.

Eine solche adhäsive Bindung wird ohne weitere Vorbehandlung dadurch erreicht, daß das Silikongummi (MVQ) der Dichtung unmittelbar nach dem Spritzgießen des ersten Bauteils in die darin vorgesehene Nut eingespritzt wird.

Bei einer Dichtungsanordnung nach der Erfindung ist die ef­ fektive Verpressungshöhe der Dichtung größer als die Strec­ ke, über welche die Dichtung in Richtung auf die Dichtfläche des zweiten Bauteiles in noch nicht endmontiertem Zustand vorsteht. Hierdurch werden die prozentuale Verpressung und damit die inneren Spannungen in der Dichtung trotz gleicher Überdeckung reduziert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen angegeben.

Aus der DE 24 47 583 A1 ist ein Dichtring bekannt, bei der die luftseitige Flanke unter ei­ nem steileren Flankenwinkel als eine mediumseitige Flanke des Kontaktabschnittes der Dichtung verläuft.

Schließlich ist aus der DE 195 35 235 A1 eine Dichtungsanordnung bekannt, bei der eine die luftseitige Wand der Nut begrenzende Stirnwand in endmontiertem Zustand der Dichtungsan­ ordnung in Kontakt mit der Dichtfläche des zweiten Bauteiles gehalten ist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeich­ nungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Querschnittsprofil einer herkömmlichen Dichtung aus einem Elastomermaterial;

Fig. 2 eine Dichtungsanordnung mit einer Dichtung gemäß Fig. 1, die in eine Nut einer Ventilhaube einge­ drückt ist, welche mittels Schrauben gegen eine Dichtfläche eines Zylinderkopfes gepreßt gehalten ist;

Fig. 3 das Querschnittsprofil einer Dichtungsanordnung ge­ mäß der Erfindung mit einer Elastomerdichtung, die zur Vormontage in eine Nut einer Ventilhaube oder eines Deckels eingespritzt oder einvulkanisiert ist;

Fig. 4a und 4b zwei Stufen bei der Endmontage einer Dichtungsanord­ nung gemäß Fig. 3, wobei in Fig. 4a ein Kontaktab­ schnitt der Dichtung noch einen Abstand von der ebe­ nen Dichtfläche eines zweiten Bauteiles hat, während die Dichtanordnung in Fig. 4b in endmontiertem ver­ preßtem Zustand dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt durch den Rand einer Ventil­ haube 14 aus einem schlagfesten Kunststoff mit einer Nut 15, in die unmittelbar anschließend an das Spritzformen der Ven­ tilhaube eine Dichtung 20 aus Silikongummi (MVQ) einge­ spritzt ist. Die Nut 15 hat auf der Luftseite L eine kurze Wand 16 und auf der Mediumseite M eine lange Wand 17 mit einer eingeformten, mit einem kleinen Radius r abgerundeten Stufe 18 nahe dem unteren Ende der langen Wand 17.

Die kurze Wand 16 geht über eine Abrundung mit großem Radius R in eine Stirnwand 19 über, während die lange Wand über einen kleinen Radius r in eine zur Stirnwand 19 parallele Stirnwand 19' übergeht.

Die Dichtung 20 füllt den auf diese Weise gebildeten Raum aus, wobei sie einen Kontaktabschnitt 21 mit Kontaktspitze 22 bildet, die bezüglich der Mittelebene S der Nut 15 um eine Strecke c in Richtung zur kurzen Wand 16 hin versetzt ist. Die luftseitige Flanke 23 der Dichtung ist unter einem Winkel von etwa 15° zur Mittelebene S geneigt, während die mediumseitige Flanke 24 unter einem Winkel von etwa 45° ge­ neigt ist.

Die Strecke c liegt im Bereich zwischen 0,15d und 0,30d, wenn d die Nutbreite der Nut 15 ist. Die Kontaktspitze 22 der elastomeren Dichtung ragt gegenüber der Stirnfläche 19 um ein Maß a und gegenüber der Stirnfläche 19' um ein Maß b vor. Folglich ist die mediumseitige Wand 17 der Nut um das Maß a minus b länger als die luftseitige Wand 16 der Nut. Das Elastomermaterial der Dichtung 20 füllt die Nut bis über die große Abrundung mit Radius R und die kleine Abrundung mit Radius r zur Wand 19' aus, wobei der Radius r demjenigen der Stufe 18 entspricht.

Fig. 4a zeigt, wie die Ventilhaube 14 mit der daraus vorra­ genden Dichtung 20 in Richtung gegen die ebene Dichtfläche 7 eines Zylinderkopfes 8 verlagert wird, wobei sie diese Dichtfläche noch nicht berührt.

Fig. 4b zeigt einen Zustand, bei dem die Ventilhaube 14 mit ihrer Stirnwand 19' bis in Kontakt mit der Dichtfläche 7 geschoben ist, wodurch die Dichtung 20 in der gezeigten Weise gegenüber ihrem freien Zustand verformt ist. Dabei ist ein Teil des Dichtmaterials aus der Nut in Richtung nach links herausgequetscht, wo genügend Raum zur Aufnahme ver­ drängten Dichtungsmaterials zwischen der Stirnwand 19 und der ebenen Dichtfläche 7 bereitsteht.

Die Stirnseite 19' der Ventilhaube 14 bildet dabei aufgrund ihres Anlaufens an der ebenen Dichtfläche 7 eine Verpres­ sungsbegrenzung. Gleichzeitig wird durch den Kontakt zwischen der Stirnfläche 19' und der ebenen Dichtfläche 7 eine Vordichtung erzielt, welche ein Vordringen des abzu­ dichtenden Mediums, hier Öl, zur Mediumseite der Dichtung drastisch einschränkt. Dies führt gleichzeitig zu einer zeitlichen Verzögerung einer Quellung der Dichtung, die erst beginnen kann, wenn Öl an die Mediumseite der Dichtung ge­ langt ist und in das Elastomermaterial eindiffundieren kann.

Berechnungen der Erfinder nach der Methode der Finiten Ele­ mente haben gezeigt, daß die erfindungsgemäße Dichtung im Nutgrund nur sehr geringe innere Spannungen aufweist. Die Maximalwerte der inneren Spannungen verlaufen nahezu diago­ nal vom großen Radius R auf der Luftseite zum kleinen Radius r am mediumseitigen Rand der Nut 15. Da unter Druckspannung stehendes Elastomermaterial weniger quillt als in spannungs­ losem Zustand, bilden die Maximalwerte der inneren Spannun­ gen eine dem andrängenden Medium entgegenstehende Barriere.

In den Fig. 3 bis 5 ist eine Ausführung gezeigt, bei welcher aufgrund des Kontaktes zwischen der Ventilhaube und dem Zy­ linderkopf über die Stirnwand 19' und die Dichtfläche 7 Kör­ perschall übertragen werden kann. Soll eine Körperschall­ übertragung vermieden werden, so ist eine schwimmende Anord­ nung zu wählen, bei welcher die Verpressungskräfte nur so groß gewählt sind, daß ein ein kleiner Spalt zwischen der Wand 19' und der ebenen Dichtfläche 7 verbleibt. Ein solcher Spalt verringert und verzögert immer noch wesentlich ein Quellen des Elastomermaterials der Dichtung, weil die An­ griffsfläche für das Medium sehr klein gehalten ist.

Die beschriebene Dichtungsanordnung ermöglicht eine einfache Montage durch direktes Anspritzen ohne Haftvermittler an den unteren Abschnitt der Ventilhaube 14, gewährleistet eine verliersichere Halterung des Elastomermaterials aufgrund der Adhäsionshaftung der Dichtung 20 an der Ventilhaube 14 und schafft eine Dichtung mit hoher Lebensdauer und gleichmäßi­ ger, leckagefreier Dichtwirkung sowohl in der Ausführung mit starrer Verpressung als auch mit schwimmender Verpressung, wenn die Übertragung von Körperschall zwischen Zylinderkopf und Ventilhaube vermieden werden soll.

Die in der obigen Beschreibung, den Figuren und den Ansprü­ chen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein.

Claims (8)

1. Statische Dichtungsanordnung, bei der eine Dichtung (20) aus einem Elastomermaterial in einer Nut (15) ei­ nes ersten Bauteils (14) vormontiert ist und mit einem im freien Zustand vorstehenden Kontaktabschnitt (21) an einer ebenen Dichtfläche (7) eines zweiten Bauteils abdichtend angepreßt gehalten ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Elastomermaterial eine hohe Quellung unter dem Einfluß des abzudichtenden Mediums aufweist und unmittelbar an das Material des ersten Bauteils (14) durch Anformen angebunden ist, daß das Querschnittsprofil der Dichtung (20) unsymmetrisch mit einem Versatz (c) des Kontaktab­ schnittes (21) zur Luftseite (L) der Dichtung (20) hin ausgebildet ist und daß die mediumseitige Wand (17) der Nut (15) gegenüber der luftseitigen Wand (16) dieser Nut um eine solche Strecke (a-b) in Richtung auf die Dichtfläche (7) des zweiten Bauteiles (8) vorsteht, daß die mediumseitige Wand (17) in endmontiertem Zustand der Dichtungsanordnung nächst der Dichtfläche (7) zu liegen kommt.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Versatz (c) im Bereich zwischen dem 0,15- und dem 0,30-fachen der Breite (d) der Nut (15) im ersten Bauteil (14) liegt.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktabschnitt (21) eine abgerundete Kontaktspitze (22) aufweist, zu der hin eine luftseitige Flanke (23) unter einem stei­ leren Flankenwinkel als eine mediumseitige Flanke (24) des Kontaktabschnittes verläuft.

4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der luftseitige Flanken­ winkel etwa 15° und der mediumseitige Flankenwinkel etwa 45° beträgt.

5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine luftsei­ tige Nutkante (19) mit einem großen Radius (R) abgerun­ det ist.

6. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der medium­ seitigen Wand (17) der Nut (15) eine mit einem kleinen Radius (r) abgerundete Stufe (18) vorgesehen ist.

7. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine die medi­ umseitige Wand (17) der Nut (15) begrenzende Stirnwand (19') in endmontiertem Zustand der Dichtungsanordnung in Kontakt mit der Dichtfläche (7) des zweiten Bautei­ les (8) gehalten ist.

8. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (20) aus einem Silikongummi des Typs MVQ besteht.