DE102008061684B4 - Flaches elastisch verformbares Element - Google Patents

Abstract

Flaches Element, das elastisch verformbar ist, umfassend ein Metallblech (MB), in das eine Prägehalbsicke mit einem von einer ersten Seite des Metallblechs (MB) eingeprägten und sich zwischen einer ersten Dichtkante (K1) und einer weiteren Kante erstreckenden dünner (d3) geprägten Bereich (PB) geprägt ist, wobei sich an die erste Dichtkante (K1) eine untere Auflagefläche (AFu) und an die weitere Kante eine dazu höhenversetzte untere Fläche anschließen, und wobei innerhalb des dünner geprägten Bereichs (PB) auf einer gegenüberliegenden Seite des Metallblechs (MB) eine zweite Dichtkante (K2) gebildet ist, wobei sich an die zweite Dichtkante (K2) einerseits eine obere Auflagefläche (AFo) und andererseits eine dazu höhenversetzte obere Fläche anschließt, und beiderseits des dünner geprägten Bereichs (PB) gegeneinander höhenversetzte Randbereiche (RB1, RB2) gebildet sind, wobei ein erster Randbereich (RB1) zwischen der unteren Auflagefläche (AFu) und der oberen Fläche und ein zweiter Randbereich (RB2) zwischen der oberen Auflagefläche (AFo) und der unteren Fläche gebildet ist und eine jeweilige Dicke der Randbereiche (RB1, RB2) gegenüber der Ursprungsblechdicke unverändert ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein flaches elastisch verformbares Element, wie es insbesondere als Federelement oder als Dichtelement eingesetzt werden kann, gemäß Anspruch 1.
• Es sind flache Dichtungen bekannt, die mehrlagig ausgeführt sind und zumindest ein Blech umfassen, welches entlang einer abzudichtenden Linie angeordnete gebogene Sicken oder Halbsicken aufweist. Diese Sicken dienen der erforderlichen elastischen Anpassung und sorgen in Verbindung mit einer Elastomerbeschichtung auf und zwischen den Dichtungslagen für eine Abdichtung. Für solche mehrlagigen Dichtungen verwendeten Dichtungsbleche sind üblicherweise Federstahlbleche einer Dicke von 0,2 bis 0,3 mm. Je nach Anforderungsprofil wurden bislang bis zu sieben solcher Dichtungsbleche übereinander gepackt, um die benötigte Elastizität zu erzielen.
• Die bekannten mehrlagigen Dichtungen erfordern zum Teil aufwändige Zwischenlagen, um einerseits die benötigte Einbaudicke zu erbringen und um andererseits so genannte Stopperbereiche aufzunehmen. Bei einer Kompression des Dichtungsbleches dienen die Stopperbereiche als Anschlag und schützen die Sicken der verschiedenen Lagen von Federblechen vor irreversibler Verformung und damit vor Überlastung. Solche Stopperbereiche wurden bislang als zusätzliche Materialschichten auf eine Zwischenlage und insbesondere ein Zwischenblech oder das Federblech selbst erzeugt. Stopperbereiche können z. B. durch Dickerprägen, durch Aufschweißen einer Lage mittels eines Lasers oder durch Aufsintern von Material erzeugt werden.
• Mehrlagige Dichtungen erfordern zumeist eine hohe Anzahl an Dichtungslagen, und zwar zumindest eine Dichtungslage zwischen je zwei abzudichtenden Flächen. Nachteil ist aber, dass mit der Anzahl der abzudichtenden Flächen das Risiko von Undichtigkeiten steigt. Beim Einsatz mehrlagiger Dichtungen unter hohen Druckunterschieden und insbesondere bei hohem Gasdruck werden in Versuchen mit Motoren Undichtigkeiten insbesondere zwischen den Dichtungslagen beobachtet.
• Ein weiteres Problem bei mehrlagigen Dichtungen ist, dass die Elastomerbeschichtungen oder Dichtungslagen im Betrieb Setzerscheinungen zeigen können. Diese finden dann bevorzugt auf den hochbelasteten Stopperflächen statt, was eine Reduzierung der Schichtdicke im Stopperbereich zur Folge hat, die die Sicken und Halbsicken im Federstahlblech zusätzlich belasten. Im schlimmsten Fall kann es dabei zum Sickenbruch und damit zum Ausfall der Dichtung kommen. Beim Hinzutreten von Scher- und Horizontalkräften kann dies darüber hinaus zum Wegfließen der Elastomerbeschichtung führen, was in letzter Konsequenz ebenfalls Sickenbrüche zur Folge hat. Ein weiterer Nachteil ist, dass Paare von Sicken-Abstützungen oder Stoppern teilweise sehr platzaufwändig sind und nicht für alle abzudichtenden Geometrien passend gestaltet werden können. Dies führt dann dazu, dass Sicken und Stopperbereiche oft nicht direkt benachbart sondern räumlich voneinander getrennt angeordnet werden müssen, was nicht die optimale Lösung ist und zu Undichtigkeiten führen kann.
• An vielen Stellen ist es geometrisch nicht möglich, neben einer Sicke einen Stopper zu platzieren. So genannte Karostopper, Wellenstopper etc. finden deshalb nur für die Brennraumabdichtung und zum Beispiel an den kurzen Seiten einer Zylinderkopfdichtung Anwendung, weil es geometrisch nicht anders geht. An anderen schmaleren Stellen der abzudichtenden Bauteile, zum Beispiel zwischen Öl- und Wasserlöchern oder an weiter außen liegenden Ölrücklauflöchern, kann bei den üblichen Konstruktionen kein Stopper realisiert werden.
• Aus der DE 42 19 709 A1 ist eine metallische Flachdichtung bekannt, mit einem Metallblech, in das eine Prägehalbsicke geprägt ist.
• Aus der DE 198 22 143 C9 ist eine Zylinderkopfdichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, mit einem Trägerblech, das mit einem gekröpften Abschnitt versehen ist.
• EP 1 643 170 A1 offenbart eine Flachdichtung mit einem abgekröpften Bereich, der eine Dicke aufweisen kann, die durch Prägen gegenüber der Ausgangsdicke einer Trägerplatte reduziert ist.
• DE 10 2006 034 784 A1 offenbart eine mehrlagige metallische Flachdichtung mit mehrfachen benachbarten Erhebungen und Vertiefungen, die durch Prägen eingebracht sind.
• EP 1 985 898 A1 offenbart eine metallische Flachdichtung mit eingeprägten Erhebungen und Vertiefungen.
• EP 1 482 218 A1 zeigt eine Zylinderkopfdichtung, die zumindest einseitig eingeprägte Erhebungen aufweist.
• DE 44 21 219 A1 offenbart eine metallische Flachdichtung mit eingeprägten Vertiefungen bzw. Erhebungen zur Erzielung einer örtlich einstellbaren Verformbarkeit.
• Aus der DE 10 2007 019 330 A1 ist eine dreidimensionale Flachdichtung bekannt, die im Querschnitt wellenförmig mit unterschiedlichen Materialdicken gestaltet ist.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elastisch verformbares flaches Element anzugeben, welches einen vereinfachten Aufbau aufweist und als Dichtungselement ausgebildet die oben genannten Probleme vermeiden kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Element nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
• Es wird ein flaches Element angegeben, welches mindestens ein Metallblech umfasst, in das eine Prägehalbsicke geprägt ist. Die Prägehalbsicke zeichnet sich durch einen dünner geprägten Bereich aus, der beiderseits von einem Randbereich benachbart ist. Die Randbereiche sind gegeneinander höhenversetzt, so dass ein erster Randbereich gegen eine unten angrenzende virtuelle Auflagefläche einen unteren Anschlag, der zweite Randbereich dagegen gegen eine gegenüber liegende virtuelle Deckfläche einen oberen Anschlag ausbilden kann. Umgekehrt hat das Element im ersten Randbereich keinen oberen Anschlag, da es dort von der oberen Deckfläche beabstandet ist, während das Element im zweiten Randbereich keinen unteren Anschlag aufweist, da es dort von einer unteren Auflageebene ebenfalls beabstandet ist.
• Der wesentliche Unterschied zwischen Biegung und Prägung liegt makroskopisch darin, dass beim Prägen plastisch gestaucht oder gestreckt wird, also der Querschnitt eines Körpers durch Fließen des Materials verändert wird, beim Biegen dagegen nicht. Biegen wurde bisher bei herkömmlichen mit (Halb-)Sicken versehenen Dichtungsblechen angewendet. Das erfindungsgemäße Metallblech weist zumindest einen gegenüber der ursprünglichen Blechdicke und somit gegenüber nicht geprägten Bereichen dünner geprägten Bereich auf. Zusätzlich aber nicht notwendiger Weise können einzelne Bereiche des Metallblechs auch dicker oder dünner gegenüber der ursprünglichen Blechdicke geprägt sein.
• Die Prägehalbsicke ist nun im geprägten Bereich elastisch und plastisch verformbar. Das Blech erfährt bei beidseitiger Verpressung ein Moment und eine elastische Biegung, die sich auch über den Bereich der Prägung hinaus auswirken und so die Kräfte aufnehmen kann, die von oben und unten, also von einer Auflageebene und von einer oberen Deckfläche (= unterer und oberer Anschlag) her auf das Element einwirken. Der Höhen- bzw. Niveau-Unterschied der beiden Randbereiche entspricht dabei dem Abstand eines Randbereichs zu dem der Kontaktfläche gegenüberliegenden Anschlag und stellt dabei den maximalen Federweg dar, den das flache Element elastisch aufnehmen kann. Bei Randbereichen mit unterschiedlicher Blechdicke ist der maximale Federweg der geringere der beiden genannten Abstände. Das Element kann auch als elastisches Element zwischen zwei benachbarten Körpern bzw. als Zwischenstück zwischen deren stirnseitigen Oberflächen eingesetzt werden.
• Die plastische Verformbarkeit im geprägten Bereich rührt daher, dass der geprägte Bereich durch vertikal zum flachen Element einwirkende Kräfte gestaucht werden kann. Der geprägte Bereich ist daher dünner ausgebildet als die restlichen Bereiche des Metallblechs. Beiderseits des geprägten Bereiches bilden die in ihrer Dicke unveränderten und nicht geprägten Randbereiche je eine Kante zum geprägten Bereich hin aus.
• Im Anwendungsfall ist das erfindungsgemäße flache Element zwischen zwei Körpern angeordnet, deren Stirnflächen relativ zum Element hin dessen untere Auflageebene beziehungsweise dessen obere Deckfläche darstellen und so beiderseits gegen das flache Element pressen können.
• Bei kleiner anliegender Kraft hat jeweils einer der Randbereiche vollen Kontakt zu einer der Nachbarflächen, da die jeweiligen Kontakt- oder Dichtflächen gegeneinander in der Höhe verschoben sind. Bei größer werdender Kraft und daraus resultierender plastischer Verformung des geprägten Bereichs verändert sich auch die Auflagefläche des jeweiligen Randbereichs auf der Nachbarfläche, so dass der Randbereich bei maximaler einwirkender Kraft zuletzt nur noch auf der Kante aufliegt. Nach einer Steigerung der anliegenden Kraft bis hin zur Maximalverformung des erfindungsgemäßen Elements liegen die beiden Nachbarflächen von beiden Seiten her auf zumindest einem Randbereich auf, der dadurch eine Stopperfunktion erfüllt. Die Dicke dieses Randbereichs bestimmt dann die maximal mögliche gegenseitige Annäherung der beiden Nachbarflächen.
• Das flache Element kann aber auch eine Stirnfläche darstellen, die gegen eine Nachbarfläche abzudichten ist und dazu durch die Prägung mit der genannten Prägehalbsicke versehen ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Stirnfläche selbst aus dünnem Blech von z. B. 2–3 mm Dicke besteht.
• Das flache Element kann darüber hinaus auch als umgebördelter Rand eines Metallblechs ausgebildet sein, wobei die Prägehalbsicke in diesem umgebördelten Rand angebracht ist. Werden mehrere solcher Bleche übereinander gestapelt, kann der umgebördelte Rand dann wie ein Dichtelement wirken.
• Weiter kann das flache Element auf ein Metallblech aufgeklebt, aufgeschweißt (z. B. mittels Laser) oder anders mit dem Metallblech verbunden sein, so dass eine integrierte Dichtung im Metallblech vorhanden ist, die eine gesonderte Handhabung eines separaten Dichtungselements (flaches Element) vermeidet.
• In allen Fällen kann das Metallblech/flache Element dabei im dünner geprägten Bereich, unter Druck und maximaler plastischer Verformung bis hin zum beiderseitigen Anschlag in einem der Randbereiche, das dabei „weg gedrückte” bzw. gestauchte Material aufnehmen, erreicht dabei aber trotzdem nicht wieder die Dicke des übrigen Metallblechs. Aus diesem Grund weist das Element auch im Anschlag noch eine Elastizität auf. Diese führt dazu, dass bei Reduktion der einwirkenden Kräfte das flache Element bei vollständiger Entlastung schließlich wieder die ursprüngliche Form annimmt, wobei wegen der Elastizität bis zuletzt ein Druck auf die Anschlagbereiche erhalten bleibt, so dass das Element über die beiden Anschlagbereiche auch bis zuletzt abdichtet.
• Erstaunlich ist, dass das flache Element eine relativ große Elastizität auch gegenüber großen Verformungen aufweist. In ersten Spannungsdehnungsversuchen wurden dabei auch Elemente untersucht, die aus relativ dicken Metallblechen gefertigt wurden. Selbst hier zeigt ein erfindungsgemäß ausgebildetes Element einen elastischen Federweg von mehr als 10 μm, ohne dass einer der Anschläge sich von einer der Nachbarflächen löst.
• Ebenfalls überraschend ist es, dass die Prägehalbsicke des erfindungsgemäßen Elements sich auch bei Überlastung nicht irreversibel plastisch verformt. Selbst nach einem Reibverschleißversuch, mit dem Thermoschockzyklen simuliert werden, bleibt die Struktur der Prägehalbsicke erhalten, obwohl sich das gesamte Profil des flachen Elements aufgrund großer anliegender Normalkraft plastisch verformt und damit angepasst hat.
• Mit dem erfindungsgemäßen flachen Element können daher wirksame Dichtungen erzeugt werden. Ein als Dichtung ausgebildetes Element weist eine Prägehalbsicke auf, die in der Ebene des Metallblechs einen durchgehenden, in sich geschlossenen und so eine Fläche umschließenden Verlauf aufweist. Bei Pressung des erfindungsgemäßen Elements zwischen zwei abzudichtende Nachbarflächen kann im Bereich der umschlossenen Fläche ein gegenüber dem übrigen Bereich erhöhter oder reduzierter Druck gegen die Umgebung abgedichtet werden. Ein erfindungsgemäßes Element mit einem solchen Prägesickenverlauf zeigt bereits ohne weitere Maßnahmen der Kraftkonzentration auf die abzudichtenden Bereiche bereits bei halber maximaler einwirkender Vorspannung, die z. B. über die Schraubkraft einer Verschraubung der beiden abzudichtenden Flächen benachbarter Körper eingestellt werden kann, hinreichend gute Fujiabdrücke, die genau diesem in sich geschlossenen Verlauf folgen. Das zeigt, dass bei entsprechender Beschichtung mit dem Element eine sehr gute Dichtwirkung erzielt werden kann. Diese wird aufgrund der Elastizität des Elements über einen weiten Bereich möglicher Anpressdrucke aufrecht erhalten.
• Wird das flache Element als Dichtelement eingesetzt, so kann es vorzugsweise an zumindest einer Seite mit einer plastisch und/oder elastisch anpassungsfähigen Beschichtung versehen sein. Diese kann auch partiell an den Stellen aufgebracht sein, die die Kontaktflächen der Dichtung bilden. Die Beschichtung kann mittels Siebdruck oder Dispenser aufgebracht werden.
• Wird das flache Element als elastisches oder allgemein Relativbewegungen aufnehmendes Zwischenelement eingesetzt, so kann ebenfalls eine Beschichtung vorteilhaft sein. Diese weist dann vorteilhaft gute Gleiteigenschaften auf, ohne dabei einen zu hohen Verschleiß zu zeigen. Eine solche Gleitbeschichtung kann als Kunststoffschicht oder auch als Keramikbeschichtung auf dem Metallblech ausgebildet sein.
• Diese Beschichtung dient der Mikroanpassung zwischen zwei abzudichtenden Flächen und damit der Abdichtung. Die Beschichtung kann ein organisches oder anorganisches vorzugsweise nichtmetallisches Material umfassen. Bevorzugt sind thermoplastische organische Polymere sowie natürliche und synthetische Kautschuke.
• Für einen Einsatz des flachen Elements in heißen und/oder aggressiven Medien sind Beschichtungen bevorzugt, die unter diesen Bedingungen stabil und ausreichend elastisch bleiben. Ein besonders inertes und für Dichtungszwecke gut einsetzbares Material für Beschichtungen wird in der Klasse der organischen Fluorpolymere gefunden. Geeignet sind auch solche Thermoplaste, die wegen ihrer thermischen Stabilität als Hochleistungsthermoplaste bezeichnet werden. Diese können ausgewählt sein aus Polyaryletherketonen wie Polyetherketon, Polyetheretherketon oder Polyphenylensulfid. Auch LCP (flüssigkristalline Polymere) sind geeignet.
• Vorteilhaft können diese Beschichtungen auch mit organischen und anorganischen Füllstoffen gefüllt sein, um ein den gewünschten mechanischen Eigenschaften der Beschichtungen entsprechendes Eigenschaftsprofil einzustellen. Solche Füllstoffe können in Partikelform oder als Fasern eingesetzt werden. Die Füllstoffe können metallisch, mineralisch, keramisch oder auch organisch sein. Auch Kohlenstoff und Kohlenstofffasern sind geeignet. Den Beschichtungen können auch Trockenschmierstoffe beigesetzt sein, um die Gleitreibung der Beschichtungen zu reduzieren. Dies ist auch in solchen Anwendungen vorteilhaft, bei denen das Element zwischen den Stoßflächen zweier Körper eingespannt wird, ohne dass es während des Betriebs zu gegenseitigen lateralen Relativbewegungen der zwei Körper kommt. Allein durch die Verformung der Prägehalbsicke unter Druck entstehen Scherkräfte an den Dichtflächen, die mit einer entsprechend gleitfähigen Beschichtung über ein Ausweichen des Materials kompensiert werden können.
• Trockenschmierstoffe können ausgewählt sein aus Fluorpolymeren, die beispielsweise auch als Partikel und somit als Füllstoff der beschichtungsfähigen Masse beigefügt werden können. Weitere Trockenschmierstoffe können aus Molybdän-Sulfid, Graphit und Bornitrid ausgewählt sein. Sie können als komplette Reinschichten oder als Bestandteile von anderen Beschichtungen auf zumindest eine Oberfläche des flachen Elements aufgebracht sein.
• Die Prägehalbsicke wird durch Prägen des Metallblechs hergestellt. Dabei wird zumindest der dünner geprägte Bereich und ein gegenseitiger Höhenversatz der beiden Randbereiche beiderseits des dünner geprägten Bereich erzeugt. Dabei entstehen auch die Kanten, die auf jeder Seite des Metallblechs den dünner geprägten Bereich gegen die Randbereiche abgrenzen. Die Prägung kann durch ein- oder zweiseitiges Einwirken von Prägefedern erfolgen, wobei der dünner geprägte Bereich entsteht. Durch geeignete relative gegenseitige Anordnung der beiden Federn liegt eine Kante zwar auf der jeweiligen Einwirkungsseite neben dem Einwirkungsbereich der Feder. Die Kante kann aber durch Einwirken einer weiteren Feder von der anderen Seite des Metallblechs her im Bereich des dünner geprägten Bereichs liegen. Dies kann auch für beide Kanten zutreffen.
• Möglich ist es jedoch auch, die Dicke des Metallblechs an anderen Stellen durch Prägen zu erhöhen. In einer Ausführung weist der dünn geprägte Bereich zwei Randbereiche mit unterschiedlicher Dicke auf. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Stoppfunktion nur im Bereich des dicker geprägten Randbereichs zur Verfügung steht.
• In einer nicht zur Erfindung gehörenden Variante ist es auch möglich, die Randbereiche mit einem Querschnittsprofil zu versehen. Vorteilhaft kann der Randbereich an der Kante zum dünner geprägten Bereich die größte Dicke aufweisen und mit zunehmendem Abstand von der Kante dünner werden. Auch das umgekehrte Dickenprofil ist möglich. Vorteilhaft wird ein solches vorzugsweise keilförmiges Dickenprofil in ein als Dichtungselement verwendetes flaches Element so eingebracht, dass die dickere Seite des Randbereichs nach innen weist, also zu der vom Verlauf der Prägehalbsicke umschlossenen Fläche, die Teil eines von der Dichtung abgedichteten Volumens sein kann. Allgemein ist es vorteilhaft, die dickere Seite des Randbereichs an der Seite des Dichtungsproblems anzuordnen, an der der größere Druck anliegt.
• In einer Ausführungsform ist das Metallblech des flachen Elements so ausgeschnitten, dass beiderseits der Prägehalbsicke ein den Randbereich umfassender Materialstreifen verbleibt. Dieser Randbereich kann eine minimale Breite ab ca. 1 mm aufweisen, wird aber vorzugsweise auf eine Breite von ca. 2 bis 6 mm optimiert. Mit einer Breite von 1–6 mm erfüllt der Randbereich seine gewünschte Funktion als Anschlag zuverlässig, ohne dass Verformungen im Randbereich auftreten, die die Dichtigkeit reduzieren könnten. Breitere Reststreifen inklusive Randbereich sind natürlich auch möglich. Zusätzlich kann durch die Prägung eine Verfestigung des Bereichs des flachen Elements erreicht werden, der bei beidseitig einwirkendem Druck gestaucht wird, was zusätzlich zur Haltbarkeit des Profils beiträgt.
• Da die Breite des Randbereichs proportional zur anfänglichen Dichtungsfläche ist, mit der der Randbereich an der Nachbarfläche anliegt, werden zum Einen mit einem größer werdenden Randbereich die einwirkenden Kräfte besser verteilt. Durch die sich dabei ergebende Flächenpressung werden weder das Dichtungsmaterial noch die Oberfläche der abzudichtenden Bauteile überlastet. Weiterhin verhindert eine breiterer Randbereich und damit eine größere Dichtfläche ein Fließen bzw. Kriechen von weichem Beschichtungsmaterial. Eine ausreichend große Fläche ist also eine wichtige Voraussetzung für die Langlebigkeit des flachen Elements, wenn es z. B. als Dichtung oder druckbelastetes Zwischenstück eingesetzt wird.
• Für eine gute Dichtwirkung und Anpassung an die abzudichtenden Oberflächen wird dagegen je nach Dichtungsmaterial eine Mindestpressung benötigt, mit dem auf die Kontaktflächen von Randbereich und anliegender Nachbarfläche ein ausreichend großer Druck ausgeübt wird. Wird dieser nicht erreicht, weil die Fläche zu groß ist, ist die Dichtung undicht. In diesem Fall kann ein dünnerer Randbereich von Vorteil sein, da er in Einzelfällen ebenfalls die Dichtwirkung verbessern kann. Durch eine optimierte und insbesondere minimale Breite des Randbereichs wird daher wenig Platz verschenkt, die Dichtwirkung optimiert und die Haltbarkeit des flachen Elements verbessert.
• Da ein Teil der auf das flache Element einwirkenden Kräfte das Element so verformt, dass sich der äußere Randbereich von der abzudichtenden Fläche abhebt, wird mit einem schmaleren Randbereich auch die Kraft-Weg-Kurve verändert, die quasi die Federwirkung symbolisiert. Über geeignete Wahl der Breite des Randbereichs kann so zusätzlich die Federkonstante des flachen Elements eingestellt werden.
• Ein parallel zum Verlauf der Prägehalbsicke ausgeschnittenes Metallblech erfordert weniger Material und führt zu einem leichteren und kostengünstigeren flachen Element. Ein dermaßen im Material reduziertes erfindungsgemäßes Element ist nun auch leichter in seiner Dicke anpassbar. Je schmaler der Randbereich, desto einfacher ist es möglich, das Metall dort auf die geforderte Einbaudicke beziehungsweise Stopperhöhe zu prägen. Der Randbereich kann durch das Prägen dadurch in seiner Dicke erhöht oder insbesondere reduziert werden.
• Durch Variation der Geometrie der Prägehalbsicke können verschiedene Verformungskurven (Kraft-Weg-Kurven) erzielt werden. So kann der Abstand der Kanten größer oder kleiner gewählt werden. Das Prägen des verdünnten Bereichs erfolgt üblicherweise mit einer Feder. Diese kann tiefer oder weniger tief in das Material eindringen.
• Eine weitere Variation ergibt sich über die Auswahl des verwendeten Metallblechs. Dessen Härte und Dicke ist so gewählt, dass sich die tragenden Flächen unter der anliegenden Kraft nicht plastisch verformen. Bei Randbereichen von ca. 2 bis 3 mm Breite reichen dann ca. 500 bis 600 Newton/mm² beziehungsweise es kann ein solches Blech verwendet werden, das den genannten Druck ohne plastische Verformung übersteht. Mit dem erfindungsgemäßen Element kann ein viel weicheres Blech verwendet werden, als dies bei bekannten aus Federstahlblech gebogenen Mehrlagendichtungen erforderlich ist. Ein weicheres Material ist aber leichter prägbar und erleichtert so die Herstellung des flachen Elements. Das Metallblech kann unter anderem ausgewählt sein aus Stahlblechen, Weicheisenblechen, Kupferblechen oder Aluminiumblechen. Möglich sind jedoch auch alle anderen prägbaren Metallbleche, wobei die Auswahl des Blechs von der Art der gewünschten Anwendung, also der gewünschten Funktion des Elements und den am Ort der Anwendung herrschenden Umweltbedingungen vorgenommen wird. Weiter sind Laminate aus Blechen und Kunststoffen geeignet oder mit Metallen verstärkte Kunststoffmaterialien. Beispielsweise sind hochgefüllte Thermoplaste, insbesondere mit hohen Volumenanteilen von z. B. 20 bis 90 Vol.-% Metallen gefüllte thermoplastisches Hochleistungspolymere gut geeignet, die ausgewählt sind aus Polyaryletherketonen, PEK, PEEK, LCP, PPS und Mischungen davon. Eine Prägung solcher Folien aus Verbundmaterialien wird durch sich überwiegend in einer oder zwei Dimensionen erstreckende, relativ flache oder lang gestreckte metallische Füllstoffpartikel erleichtert. Möglich ist es im Extremfall sogar, das Metallblech vollständig durch ein gespritztes und anschließend wie beschrieben geprägtes Kunststoffteil zu ersetzen. Das Spritzen solcher Teile wird erleichtert, wenn das Kunststoffteil neben dem geprägten Bereich nur noch relativ schmale Randbereiche umfasst und ansonsten im Wesentlichen parallel zu dem dünner geprägten Bereich ausgeschnitten ist.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Element neben dem geprägten Metallblech noch ein weiteres metallisches Blech, welches zumindest im Bereich der Prägehalbsicke des geprägten Bleches inklusive seiner Randbereiche über oder unter dem Metallblech angeordnet ist. Dieses metallische Blech kann vollständig plan sein, eine einheitliche Schichtdicke aufweisen und frei von geprägten oder gebogenen Strukturen wie Sicken oder Halbsicken sein. Es kann großflächig eingesetzt werden oder in ähnlicher Weise wie das Metallblech zugeschnitten sein. Dabei weist es zumindest dessen Ausdehnung auf.
• Dieses zusätzliche metallische Blech erlaubt es, den vom geprägten Metallblech auf eine Nachbarfläche ausgeübten Druck aufzunehmen und besser zu verteilen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Kontaktfläche der Randbereiche sich infolge eines zunehmenden Drucks durch Verformung der Halbsicke oder Prägehalbsicke reduziert und sich allein dadurch der im Bereich der Kontaktfläche pro Flächeneinheit ausgeübte Druck zusätzlich erhöht. So wird auch bei empfindlicheren Nachbarflächen die Gefahr einer mechanischen Beschädigung durch den Abdruck des flachen Elements reduziert. Aus den genannten Gründen ist es vorteilhaft, auch auf der zweiten Seite des geprägten Metallblechs ein metallisches Blech vorzusehen, um beiderseits die Nachbarflächen zu schonen. Weiter kann mit einem oder mehreren zusätzlichen metallischen Blechen eine geforderte höhere Einbauhöhe des flachen Elements eingestellt werden.
• Möglich ist es jedoch auch, ein Metallblech mit größerer Dicke einzusetzen und die Eigenschaften der Prägehalbsicke unabhängig von der ursprünglichen Blechdicke durch eine geeignete verbleibende Blechdicke nach dem Prägen im dünn geprägten Bereich einzustellen. Die Kante ist im dünn geprägten Bereich angeordnet. Mit der Blechdicke im dünner geprägten Bereich reduziert sich das E-Modul und damit auch die Kraft, die von der Kante auf die z. B. dichtende Kontaktfläche einer benachbarten Oberfläche ausgeübt wird. So gelingt es mit der Prägung, die Aggressivität der Kante, mit der sie auf eine Nachbarfläche einwirkt, abzumildern und auf ein gewünschtes Maß zu reduzieren. Eine dünnere Prägung gelingt mit einer Feder, die beim Prägen tiefer in das Metallblech eindringt.
• Bevorzugt wird das Metallblech also mit einem Federstahlblech zu einem zweilagigen flachen Element kombiniert. Das Federstahlblech kann eine gebogene Sickenstruktur aufweisen oder plan sein.
• In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird das geprägte erste Metallblech mit zumindest einem weiteren, metallischen zweiten Blech kombiniert, welches eine Sicke oder eine Halbsicke aufweist. Deren Verlauf stimmt dabei im Wesentlichen mit dem Verlauf der Prägehalbsicke im ersten Metallblech überein. Dementsprechend sind im flachen Element die Prägehalbsicke des ersten Metallblechs und die Sickenstruktur des metallischen zweiten Blechs so übereinander angeordnet, dass die Sickenstruktur über oder unter dem dünner geprägten Bereich des ersten Metallblechs angeordnet ist. Dies führt dazu, dass auch bei vollständiger Kompression des flachen Elements die Sickenstruktur des metallischen Blechs geschützt wird, da sie im dünner geprägten Bereich liegt und damit nicht vollständig komprimiert werden kann. Dadurch wird verhindert, dass auch die Sickenstruktur des metallischen Blechs nach Entlastung in elastischer Weise wieder ihre ursprüngliche Struktur annehmen kann. Die Elastizität der Prägehalbsicke im ersten Metallblechs bleibt unabhängig von dem metallischen zweiten Blech wie bereits beschrieben erhalten. Das zweite metallische Blech ist insbesondere ein Federstahlblech, und die Sicke oder Halbsicke, sofern vorhanden, durch Biegen ohne Schichtdickenveränderug erzeugt.
• Vorteilhaft ist es, ein erstes Metallblech mit einer Prägesicke und ein metallisches zweites Blech mit einer gebogenen Halbsicke so zu kombinieren, dass der Höhenversatz durch die jeweilige Prägesickenstruktur in den beiden Blechen in entgegen gesetzte Richtung erfolgt. Dann berühren sich hier die beiden Bleche über jeweils einen ihrer Randbereiche, die gegeneinander eine entsprechende Kontaktfläche ausbilden. Der jeweils andere Randbereich der Sickenstruktur beider Bleche bildet jeweils eine Kontaktfläche zu einer oberhalb beziehungsweise unterhalb des flachen Elements gelegenen Nachbarfläche aus. Diese Nachbarfläche kann die Stoßfläche eines der beiden Körper sein, zwischen denen das flache Element angeordnet ist. Die Nachbarfläche kann aber auch die Oberfläche eines weiteren metallischen Blechs mit oder ohne Sickenstruktur sein. Das flache Element weist dann neben dem geprägten Metallblech mehr als zwei metallische Bleche auf. Weiter ist es möglich, das erste Metallblech mit Prägesicke und ein metallisches zweites Blech ohne Sickenstruktur zu einem flachen Element zu kombinieren. Das zweite Metallblech kann aber auch eine Prägesickenstruktur aufweisen, so dass zwei gleichartige aber zueinander spiegelsymmetrische Metallbleche zu einem flachen Element kombiniert sind.
• In einer weiteren Ausgestaltung ist ein geprägtes Metallblech parallel zum Verlauf der Prägehalbsicke so ausgeschnitten, dass einseitig oder beiderseits der Prägesicke ein Saum verbleibt, der dem Randbereich entsprechen kann. Aus dem Saum ragen einseitig oder zweiseitig vom Verlauf der Prägehalbsicke weg weisende Stege, die ebenfalls durch Ausschneiden aus dem ursprünglichen Metallblech hergestellt sind. Diese besitzen keine Sickenstruktur und sind in einer Ausführung auch nicht geprägt oder in der Blechdicke verändert. Sie können voneinander entfernt liegende Punkte im Verlauf der Prägesickenstruktur überbrücken. Die Stege können jedoch auch außerhalb der vom Prägesickenverlauf umschlossenen Fläche angeordnet sein oder die gesamte vom Verlauf der Prägehalbsicke eingeschlossene Fläche überbrücken. Mit den Stegen wird die mechanische Stabilität des insbesondere nur mit schmalem Saum ausgeschnittenen Metallblechs erhöht.
• Im Bereich der Stege kann das Metallblech auch dünner geprägt sein als die Randbereiche bzw. der Saum. Die Stege können auch mit einem freien Ende von der Prägesicke weg weisen. Sie können eine dem Randbereich/Saum entsprechende Breite aufweisen, oder auch von dieser Breite abweichen.
• Eine einfache Möglichkeit, das Metallblech im Bereich der Stege in einfacher Weise dünner zu prägen besteht darin, vor dem Prägen Löcher oder lang gestreckte Durchbrechungen im Metallblech wie z. B. eine durchbrochene Streifenstruktur in den Stegen vorzusehen, in die das Material des Metallblechs beim Prägen hineinfließen kann. Rund um die Löcher oder Durchbrechungen kann dann die Blechdicke im Bereich der Stege einfacher reduziert werden. Die Löcher/Vertiefungen können dabei so bemessen sein, dass sie nach dem Prägen durch entsprechend hinein geflossenes Metall wieder geschlossen sind. Die Verbindungsstege können auch ein stabilisierendes Gitter oder eine beliebig andere vernetzte Struktur aufweisen, um die Stabilität des Metallblechs oder des gesamten flachen Elements zu erhöhen.
• Im flachen Element können zwischen je zwei Metallblechen Weichstoffdichtungen angeordnet sein, die gesonderte Elemente darstellen oder als voll- oder teilflächige Beschichtung auf zumindest einer der Kontaktflächen zwischen zwei Metallblechen angeordnet sind.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazu gehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein dem besseren Verständnis der Erfindung und sind daher schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. So können den Figuren weder absolute noch relative Maßangaben entnommen werden.
• 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Metallblech mit Prägehalbsicke im schematischen Querschnitt,
• 2A zeigt ein erfindungsgemäßes geprägtes Metallblech, welches beiderseits der Prägehalbsicke ausgeschnitten ist,
• 2B zeigt ein erfindungsgemäßes geprägtes Metallblech, welches beidseitig geprägt ist,
• 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Metallblech in einer möglichen 2-D-Ausgestaltung in der Draufsicht,
• 4a zeigt ein erfindungsgemäßes Element im Querschnitt, umfassend ein geprägtes Metallblech und ein metallisches Blech mit Sickenstruktur,
• 4b zeigt ein erfindungsgemäßes Element mit einem unstrukturierten metallischen Blech und einem Metallblech mit Prägehalbsicke im Querschnitt,
• 5a zeigt ein Element mit einem Metallblech und mit einem metallischen Blech mit jeweils doppelter Halbsickenstruktur,
• 5b zeigt ein Element, umfassend ein Metallblech mit zwei Prägehalbsicken,
• 6 zeigt ein Element aus einem geprägten metallischen Blech und zwei metallischen Blechen mit Sickenstruktur,
• 7a zeigt ein geprägtes metallisches Blech mit einer Beschichtung,
• 7b zeigt ein geprägtes metallisches Blech mit selektiv aufgebrachtem Dichtmittel,
• 7c zeigt ein beidseitig jeweils mehrstufig geprägtes metallisches Blech,
• 8 zeigt in schematischer Draufsicht den möglichen Verlauf einer Prägehalbsicke samt diesen überbrückender Stege,
• 9 zeigt in schematischer Draufsicht ein metallisches Blech mit einer Prägesickenstruktur, die einen ersten und einen zweiten Verlauf aufweist,
• 10 zeigt ein geprägtes Metallblech mit einer Prägesickenstruktur, die einen durchbrochenen Verlauf aufweist.
• 1 zeigt eine einfache Ausführung des Elements 1, welches ein geprägtes Metallblech MB umfasst. Das Metallblech weist eine ursprüngliche Blechdicke von z. B. größer gleich 0,3 mm auf und ist mit einem Prägewerkzeug im dünner geprägten Bereich PB durch Prägen auf eine Blechdicke d3 reduziert. Dies kann beispielsweise in einfacher Weise durch Eindrücken einer Feder von einer oder zwei Seiten her erfolgen. Im einfachsten Fall ist d1 = d2 = d0 und d3 kleiner als d0.
• In einer nicht der Erfindung entsprechenden Variante ist ein Aufprägen, wodurch Bereiche des Metallblech MB dicker werden als die Ausgangsblechdicke, prinzipiell auf einer Seite oder beidseitig der Prägesicke auch möglich. Dann ist d0 die Ausgangsblechdicke, d1 und/oder d2 sind die Blechdicken im aufgeprägten Bereich. Zumindest eine Blechdicke d1 und/oder d2 ist dann größer d0. Zum Aufprägen sind allerdings höhere Prägekräfte und tief ins Material eindringende Federn erforderlich, was sich nachteilig auf die Prägekanten auswirken kann.
• Es liegt im Bereich der Erfindung, das Metallblech MB ausgehend von einer ursprünglichen Blechdicke d1 = d2 außerhalb des Randbereichs RB auf eine Blechdicke d0 (d0 kleiner d1, d2) dünner zu prägen. Weiter können die Bereiche jenseits des Randbereichs beiderseits der Prägesicke auf jeweils unterschiedliche Blechdicken heruntergeprägt sein.
• Solch relativ dünne Bleche sind deshalb geeignet, weil die Feder beim Prägen nicht tief eindringen muss, um die Prägesicke zu erzeugen. Es genügt dann eine Eindringtiefe von ca. 50 μm bei einem Versatz h1 von 25 μm. Bei dünnen Metallblechen ist auch eine nur relativ geringe Prägekraft erforderlich. Normalerweise erfolgt auch kein Aufprägen im Sinne einer Blechdickenerhöhung benachbart zum dünner geprägten Bereich. Dann ist der Höhenversatz der Prägekanten symmetrisch und h1 = h2.
• Bei entsprechender Gestaltung des Prägewerkzeugs kann gemäß einer nicht der Erfindung entsprechenden Ausführung das verdrängte Material des Metallblechs MB beiderseits in die Randbereiche RB fließen, die dabei von einer ursprünglichen Blechdicke d0 auf eine Schichtdicke d1 oder d2 verstärkt werden. Außerhalb der Randbereiche RB1, RB2 bleibt dann eine ursprüngliche Blechdicke d₀ des Metallblechs erhalten. Üblicherweise lässt sich aber ohne weitere Maßnahmen keine erkennbare Aufprägung benachbart zum dünner geprägten Bereich herstellen bzw. eine solche Aufprägung lässt sich nicht nachweisen.
• Weiterhin ist das Prägewerkzeug so gestaltet, dass das geprägte Metallblech MB in einem ersten Randbereich RB1 auf einer virtuellen unteren Auflageebene, in einem zweiten Randbereich RB2 auf der gegenüber liegenden Seite des dünn geprägten Bereichs PR dagegen an einer oberen Deckfläche anliegen kann. Gleichzeitig sind die gegebenenfalls dicker geprägten Randbereiche gegeneinander höhenversetzt, so dass in beiden Randbereichen die der Auflagefläche gegenüber liegende Kante des dicker geprägten Bereichs einen freien Abstand h1 bzw. h2 zur unteren Auflageebene aufweist. Über diesen Höhenversatz zwischen den beiden Seiten weist das geprägte Metallblech letztendlich ein elastisches Moment auf und bewirkt damit eine Federkennlinie. Deren Stärke kann durch die Dicke d0 des Metallblechs MB, die Breite der Randbereiche RB, den Unterschied zwischen der ggf. aufgeprägten Dicke d1 und der Dicke d3 im dünn geprägten Bereich PB sowie durch das E-Modul des verwendeten Blechs bestimmt werden.
• Es kann beispielsweise ein Stahlblech verwendet werden, welches nicht aus einem Federstahl besteht. Es können Blechdicken ab ca. 0,3 mm gewählt werden. Die Blechdicken können bis 3 mm gewählt werden, vorzugsweise jedoch zwischen 0,5 und 2 mm, besser zwischen 0,6 und 1,5 mm. Ausgehend von einem beispielhaft eingesetzten Metallblech einer Stärke d₀ = 0,5 mm kann im Randbereich – falls gewünscht – eine Aufdickung um bis zu 0,1 mm erreicht werden, (d1 – d₀ = 0,1 mm). Das in 1 dargestellte geprägte Blech wurde nur einseitig (von unten) mittels einer Feder geprägt. Möglich ist es jedoch auch, mittels einer zweiten, von oben auf das Metallblech einwirkenden und in dieses eindringenden zweiten Feder eine zweite Vertiefung zu verzeugen, die im vorliegenden Fall von 1 vorzugsweise nach links versetzt gegenüber der dargestellten Einprägung angeordnet wird (siehe dazu 2B).
• Die Abstände h1 und h2 des (ggf. dicker geprägten) Bereichs gegenüber der nicht anliegenden Nachbarfläche können gleich oder unterschiedlich sein. Im letzten Fall weisen dann diese Bereiche unterschiedlich ausgeprägte Dicken d1, d2 auf. Diese Abstände sind von der Geometrie des Prägewerkzeugs abhängig und können entsprechend eingestellt werden. Üblicherweise ist h1 = h2 und 0,01 mm ≤ h1, h2 ≤ 0,3 mm. In einer weiteren Ausführung gilt 0,03 mm ≤ h1, h2 ≤ 0,1 mm bei einer Ausgangsblechdicke zwischen 0,3 mm und 2,0 mm. Die Blechdicke d3 im dünner geprägten Bereich kann durch tiefes Eindringen der Feder relativ dünn gegen die Ursprungsblechdicke sein. So kann eine Ursprungsblechdicke von z. B. 1,7 mm im dünner geprägten Bereich auf eine Blechdicke d3 = 0,3 mm geprägt bzw. reduziert sein.
• 2a zeigt eine weitere Ausführungsform eines mit einer Prägehalbsicke versehenen Metallblechs. Im Unterschied zu 1 ist das Metallblech in einem wählbaren Abstand zum dünner geprägten Bereich PB ausgeschnitten. Links und rechts des dünner geprägten Bereichs PB verbleibt somit nur jeweils ein Randstreifen RS1 beziehungsweise RS2, der dem in 1 diskutierten Randbereich entsprechen oder auch davon abweichen kann. Im Bereich der Randstreifen RS1, RS2 ist die Blechdicke konstant und beiderseits des dünner geprägten Bereichs PB gleich. Zur Prägehalbsicke hin, also zum dünner geprägten Bereich PB schließt der erste Randstreifen RS1 mit einer Kante K1, der zweite Randstreifen RS2 mit einer Kante K2 ab.
• In der dargestellten Ausführung verlaufen die untere und die obere Auflagefläche AF_u und AF_o parallel zu einer Auflageebene AE beziehungsweise zu einer Deckfläche DF. Diese können virtuelle Ebenen sein, im Einsatz des Elements jedoch auch die Oberflächen benachbarter Körper, die beiderseits des Elements, hier des ausgeschnittenen Metallblechs angeordnet werden. Durch die parallele Anordnung der äußeren Oberflächen der beiden Randstreifen RS kann ohne Einwirkung von Kräften beziehungsweise bei nur gering einwirkenden Kräften vertikal auf die beiden Randstreifen die volle Breite der Randstreifen als Auflagefläche AF genutzt werden.
• Bei einer beidseitig von Auflageebene AE und Deckfläche DF her ausgeübten Kraft auf das Element 1 kommt es zu einer plastischen Verformung im dünner geprägten Bereich PB. Bei weiterer Steigerung der einwirkenden Kraft kommt es zu einer Verformung des Elements 1, so dass sich die äußeren Kanten der Randstreifen von der jeweiligen Nachbarfläche abheben und sich die Auflagefläche reduziert. Bei maximal einwirkender Kraft haben nur noch die Kanten K1, K2 beiderseits des dünner geprägten Bereichs PB Kontakt zu der jeweiligen Nachbarfläche. Hier ist es besonders vorteilhaft, den Druck der Kante auf die Nachbarfläche durch die Blechdicke d3 im dünner geprägten Bereich PB einzustellen und die Kanten K1, K2 im dünner geprägten Bereich PB anzuordnen.
• Erhöht sich die einwirkende Kraft weiter, verkürzen sich die den Freiraum bildenden Abstände h1 und h2, bis im Extremfall beide Randstreifen oben und unten auf der jeweiligen Nachbarfläche aufliegen. Im Falle unterschiedlich dicker Randstreifen (d1 ≠ d2) fungiert der Randstreifen mit der größeren Schichtdicke als Stopper, der eine weitere Kompression des Elements 1 verhindert. Dabei bleibt die Prägehalbsicke unversehrt. Beim Nachlassen der einwirkenden Kraft kann das Metallblech seine ursprüngliche Form, wie in 1 oder 2 dargestellt, einnehmen. Außerdem zeigt sich, dass über die gesamte Verformungsphase des das Metallblech MB mit der Prägesicke umfassende Element 1 stets mit zumindest einem Punkt, zumeist jedoch mit einer größeren Auflagefläche an der Nachbarfläche anliegt. Dieses Anliegen ist über den gesamten Verlauf der Prägehalbsicke gewährleistet. Aus diesem Grund ist das geprägte Metallblech MB bereits alleine hervorragend als Dichtelement geeignet. Zur Verbesserung der Dichtigkeit kann es lediglich noch mit einer elastischen Beschichtung versehen werden, beispielsweise einem organischen Fluorpolymer.
• 2B zeigt als Element 1 ein Metallblech MB mit einer darin angeordneten Prägehalbsicke, welche durch beidseitiges Einwirken eines Werkzeugs (einer Feder) eingeprägt ist. In dieser Ausführung weist das Element auf beiden Seiten je eine seitlich gegen die andere versetzte Vertiefung/Nut auf, so dass zwischen den Vertiefungen/Nuten die Blechdicke reduziert ist. Mit dieser Ausführung werden zwei relativ symmetrische Dichtkanten K1, K2 erhalten, mit denen die Abdichtfunktion des Elements 1 weiter verbessert werden kann. In dieser Ausführung ist das Element 1 auch besonders kompakt.
• Ein als Dichtelement einsetzbares geprägtes und ausgeschnittenes Metallblech MB ist in der 3 in der Draufsicht dargestellt. Obwohl hier nur rund dargestellt, kann die Prägehalbsicke einen beliebigen Verlauf nehmen und eine beliebig geformte Fläche umschließen. Der dünner geprägte Bereich PB ist von je zwei Randstreifen RS1, RS2 begrenzt, von denen je einer die Auflage nach unten beziehungsweise oben und damit die entsprechende Abdichtung gewährleisten kann. Auch hier kann beispielsweise über die Breite der Randstreifen die Federkonstante eingestellt werden und beispielsweise durch einen schmaler gewählten Randstreifen RS vorgespannt werden. Insgesamt sind die Breiten der Randstreifen beliebig einstellbar, wobei Breiten ab 1 bis ca. 3 mm gut geeignet und voll ausreichend sind. Damit lassen sich im Zusammenwirken mit Materialdicken und Materialkonstanten ein breites Spektrum gewünschter Federkonstanten und damit ein breites Spektrum gewünschter Dichtungsprobleme abdecken. Für die Dichtwirkung ist es unerheblich, ob innerhalb oder außerhalb der vom Prägesickenverlauf eingeschlossenen Fläche, die den Querschnitt eines eingeschlossenen Volumens bilden kann, ein höherer oder ein niedrigerer Druck herrscht.
• Eine spezielle Anpassung an besondere Druckverhältnisse kann über die Ausbildung eines Schichtdickenprofils im Randbereich eingestellt werden. Vorteilhaft ist es, wenn auf der Seite, wo der höhere Druck abzudichten ist, die Schichtdicke d1 ihren größten Wert aufweist. In Richtung geringerer Druck kann die Blechdicke d1 geringer gewählt werden. Das Profil kann durch dünner Prägen erzeugt werden. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, ein Profil durch Materialauftrag oder durch dicker Prägen im Randbereich zu erzeugen, insbesondere durch eine selektiv aufgebrachte Beschichtung.
• Das Profil kann keilförmig, hausdachförmig, invers-hausdachförmig oder auch gestuft sein. Auch andere Profile und insbesondere gerundete Profile sind möglich, um einen gewünschten Kraftverlauf entlang des Profils zu designen.
• Ein erfindungsgemäßes Element, welches neben dem geprägten Metallblech MB noch ein metallisches Blech FB mit oder ohne Sickenstruktur aufweist, ist beispielsweise in 4a und 4b dargestellt. In 4 ist ein mit einer Prägehalbsicke versehenes Metallblech MB, welches ein großflächiges Blech gemäß 1 oder ein ausgeschnittenes Metallblech gemäß 2 sein kann, mit einem metallischen Blech aus einem Federstahl(= Federstahlblech FB) einheitlicher Schichtdicke kombiniert.
• 4a zeigt eine Ausführung, bei der das mit der Prägehalbsicke versehene, ausgeschnittene oder großflächige Metallblech MB mit einem Federstahlblech FB mit herkömmlicher Biegesicke kombiniert ist. Die beiden Bleche werden relativ zueinander so angeordnet, dass die Biegesicke des Federstahlblechs im dünner geprägten Bereich PB des Metallblechs angeordnet ist. Dort bleibt auch bei maximaler Kompression gegenüber den benachbarten Randbereichen ein Schichtdickenminimum erhalten und insbesondere noch eine Einkerbung durch die bei der Herstellung eindringende Feder. Dadurch kann die Biegesicke des Federstahlblechs FB nicht platt gedrückt werden und bleibt so in ihrer Struktur erhalten, auch wenn beide Randbereiche bei hohem Druck auf eine Unterlage oder eine Nachbarfläche angedrückt werden. Die Randbereiche, beiderseits der Prägehalbsicke, die aufgedickt sein können, dienen bei der Kompression als Stopper. Reduziert man die einwirkende Kraft wieder, kann sich auch die Biegesicke des Federstahlblechs FB in ihre ursprüngliche Form regenerieren. Dies hat den Vorteil, dass die Abdichtfunktion auch unter wechselnden Belastungen stets aufrecht erhalten wird.
• 5 zeigt erfindungsgemäße Elemente 1, die zwei aufeinander folgende Dichtstellen aufweisen. In 5a weist das Metallblech eine erste in der Figur links dargestellte Prägehalbsicke auf, wobei der Randbereich rechts der Prägehalbsicke gegenüber dem linken Randbereich erhöht ist. Weiter rechts ist eine zweite Prägehalbsicke vorgesehen, die so geprägt ist, dass der Randbereich rechts davon wieder auf tieferem Niveau liegt. Die Prägesickenstruktur ist also im Querschnitt spiegelsymmetrisch bezüglich einer Spiegelebene, die in der Mitte zwischen den beiden Prägesicken vertikal auf dem Metallblech MB steht.
• In gleicher Weise ist das Federstahlblech FB mit zwei Biegesicken S versehen, die lateral gesehen im Bereich der Prägehalbsicke des Metallblechs angeordnet sind, deren Höhenversatz aber gegenläufig zu dem der Prägehalbsicken ist. Auf diese Weise wird sowohl im Metallblech MB als auch im Federstahlblech FB eine Vollsicke erhalten, die die gewünschte Dichtfunktion durch beiderseitiges Anlegen der jeweils mittleren Randbereiche ausüben kann.
• 5b zeigt ein flaches Element 1, welches ein geprägtes Metallblech MB mit zwei Prägehalbsicken umfasst, die stufenartig beide gleichsinnig in der Höhe versetzt sind. Auch mit einer solchen Konstruktion gelingt es, über die dargestellte Breite des Elements zwei Dichtstellen abzudichten. Ein solches Element kann dafür eingesetzt werden, zwei nahe benachbarte Dichtprobleme mit ein und demselben Element zu lösen. Ein Anwendungsbeispiel für eine solche Ausführungsform sind Zylinderkopfdichtungen, bei denen mit ein- und derselben Dichtung sowohl der Verbrennungsraum als auch außerhalb davon geführte Flüssigkeitskanäle abzudichten sind.
• Allgemein ist das Element für thermische Anwendungen besonders geeignet, da es auch ohne organische Dichtungslage auskommt. So kann das Element z. B. auch einen Auspuff am Auspuffflansch zwischen Zylinderkopf und Auspuffkrümmer abdichten.
• Eine weitere vorteilhafte Anwendung kann das Element z. B. bei Brennstoffzellenstacks finden. Hier kann dann die bipolare Platte umgebördelt und zur Abdichtung mit einer Struktur aus zumindest einer Prägehalbsicke versehen sein.
• Das Element kann auch in eine oder beide der abzudichtenden Stoßflächen integriert sein und muss daher kein separates Dichtelement sein. In diesen Fällen ist eine der abzudichtenden Stoßflächen als Metallblech mit einer Prägesickenstruktur ausgebildet.
• Eine mit einer geprägten Sickenstruktur versehene abzudichtende Stoßfläche kann auch mit geeigneten Beschichtungen oder separaten elastischen Dichtungslagen, mit Graphitdichtungen, Mehrlagenstahldichtungen und/oder Zwischenblechen mit und ohne Sickenstruktur kombiniert werden, wobei sich stets die Dichtwirkung verbessert. Dies ist von Vorteil, wenn zunehmend Dichtungen mit „Nullemission” gefordert werden.
• Der Verlauf der beiden Halbsicken gemäß einer Ausführung nach 5a oder 5b kann dabei über den vollen Umfang parallel sein, so dass einander geometrisch entsprechende Flächen von dem Sickenverlauf eingeschlossen werden. Möglich ist es jedoch auch, dass die beiden Halbsicken nur abschnittsweise parallel zueinander verlaufen. So kann ein erster Prägehalbsickenverlauf mit dem ersten dünner geprägten Bereich PB1 eine relativ große Fläche umschließen, innerhalb der eine relativ kleinere aber anders geformte Fläche vom Verlauf des zweiten dünner geprägten Bereich PB2 umschlossen wird. Möglich ist es jedoch auch, dass erste und zweite Prägehalbsicke einander nicht überlappende Flächen umschließen. Außerhalb des inneren Verlaufs können mehrere nicht überlappende Flächen von weiteren Sickenverläufen abgedichtet werden.
• 6 zeigt ein beispielhaftes aus drei Blechen ausgebildetes Element 1. Zusätzlich zu einem Metallblech MB mit Prägehalbsicke und einem ersten Federstahlblech FB1 mit gebogener Sicke S ist hier noch ein weiteres zweites Federstahlblech FB2 so ausgerichtet, dass die jeweiligen Sickenstrukturen der beiden Federstahlbleche bündig übereinander und über der Prägehalbsicke angeordnet sind, so dass sie auch bei maximaler Kompression vom dünner geprägten Bereich des Metallblechs geschützt werden.
• Wird ein solches Element als Dichtelement eingesetzt, ist es sinnvoll, zwischen je zwei aneinander liegenden Grenzflächen zumindest eine Beschichtung aus einem elastischen Dichtmaterial vorzusehen, die auf einer oder beiden Grenzflächen aufgebracht sein kann. Eine weitere Beschichtung ist vorzugsweise auf den nach außen weisenden Oberflächen des Elements 1 aufgebracht, die in innigem Kontakt mit den abzudichtenden Oberflächen benachbarter Körper treten müssen. Die jeweilige mit dem Element 1 in Kontakt tretende Nachbarfläche kann jedoch auch die Oberfläche eines weiteren metallischen Blechs und eines weiteren Federstahlblechs sein, welches strukturiert, unstrukturiert, ohne Sickenstruktur sein kann.
• 7a zeigt beispielhaft ein ausgeschnittenes Metallblech, welches einseitig eine Beschichtung B aufweist, beispielsweise eine dünne Schicht eines organischen Fluorpolymers, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE). Eine entsprechende Beschichtung kann auch auf der Unterseite dieses Elements vorgesehen sein.
• Möglich ist es jedoch auch, wie beispielsweise in 7b dargestellt, das Dichtmittel DM ausschließlich im Bereich der eingeprägten Vertiefung anzuordnen. Diese Vertiefung kann eine Dichtraupe aufnehmen und diese im Dichtungsfall gegen ein Verfließen nach außen schützen. Das zwischen den beiden Randbereichen eingeschlossene Dichtmaterial DM kann also über die gesamte Kraft-Weg-Kurve bei Einwirken einer Kraft auf das Metallblech MB und der daraus resultierenden Verformung die Dichtigkeit zur angrenzenden Nachbarfläche gewährleisten. Eine elastische Beschichtung B oder ein eine Vertiefung ausfüllendes Dichtmittel DM können dabei Oberflächenunebenheiten zwischen den abzudichtenden Flächen ausgleichen und eine gute Druckverteilung im gesamten Aufliegebereich erzeugen.
• 7c zeigt als Element 1 ein Metallblech MB mit einer darin angeordneten Prägehalbsicke, welche wie in 2b durch beidseitiges Einwirken eines Werkzeugs (einer Feder) eingeprägt ist. In dieser Ausführung weist das Element zusätzlich aber noch eine gestufte Form der Vertiefung auf. Mit dieser Ausführung werden auf beiden Oberflächen besonders gut als Reservoir zur Aufnahme eines Dichtmittels geeignete Vertiefungen geschaffen. Diese verhindern auf beiden Seiten des Metallblechs MB, dass bei starker Druckbelastung des Elements die abdichtende Beschichtung nie vollständig verdrängt werden kann und auch in einem solchen Extremfall die Abdichtung über das im Reservoir bzw. den Vertiefungen verbleibende Dichtmittel aufrecht erhalten werden kann. Mit den mehrstufigen Nuten wird die Kantenpressung an den Dichtkanten K1, K2 verringert. Der Pressungsgradient an den Dichtkanten wird ebenfalls verringert. So wird insgesamt die (weiche) Dichtungsbeschichtung geschont und deren Haltbarkeit erhöht.
• Auch die Ausführung gemäß 2b ist zur beidseitigen Aufnahme von Dichtmittel gut geeignet. Ähnlich wie in 7b ist es dabei auch möglich, das Dichtmittel DM ausschließlich im Bereich der beidseitig eingeprägten Vertiefungen anzuordnen. Diese Vertiefungen können je eine Dichtraupe aufnehmen und im Dichtungsfall ein Verfließen aus dieser Vertiefung heraus verhindern.
• Eine lokal an bestimmten ausgewählten Stellen des Metallblechs MB aufgebrachte Beschichtung kann auch metallisch sein, ist dann aber bevorzugt mit Kunststoff oder Keramik beschichtet. Auch damit kann die Dichtfunktion verbessert oder die Gleitfähigkeit an der Kontaktstelle/Auflagefläche/Gleitfläche erhöht werden. Weiter kann so der Verschleiß an der Gleitfläche verringert werden.
• Insbesondere in einem mehrschichtigen, wie in 6 dargestellten Aufbau kann es sinnvoll sein, zumindest eine der Schichten mit gleitfähigen Eigenschaften zu versehen und dafür eine Beschichtung zu wählen, die aus einem Material mit geringer Oberflächenenergie oder aus einem Material mit Schichtstruktur besteht. Die Beschichtung kann ausschließlich aus einem solchen Material bestehen oder ein solches Material umfassen, beispielsweise in Form von in der Beschichtung enthaltenen festen Partikeln. In diesem Fall spricht man von Trockenschmierstoff. Eine solche gleitfähige Beschichtung kann bei quer zur Blechebene wirkenden Kräften eine daraus resultierende laterale Versetzung zweier abzudichtender Oberflächen gegeneinander erleichtern, ohne dass dabei die Dichtwirkung während oder aufgrund der lateralen Versetzung verloren geht. Es zeigt sich, dass in einem mehrschichtigen Aufbau bereits eine einzige solche Schicht mit Gleiteigenschaften den gewünschten Zweck sehr gut erfüllt.
• 8 zeigt eine weitere Ausgestaltung des metallischen Blechs, die zu dessen erhöhter mechanischer Stabilität beiträgt. Die Prägehalbsicke im metallischen Blech weist einen Verlauf V auf, der hier nur schematisch mit einem beliebigen Querschnitt dargestellt ist. Von diesem Verlauf V abzweigend sind im metallischen Blech Stege St ausgebildet, die verschiedene Punkte im Verlauf V der Sicke überbrücken können. Die Überbrückung kann dabei außerhalb der eingeschlossenen Fläche oder quer über diese erfolgen. Möglich ist es jedoch auch, dass die Stege stummelartig ausgebildet sind und insbesondere vertikal vom Verlauf der Sicke weg weisen.
• Vorzugsweise ist das Metallblech im Bereich der Stege dünner geprägt als die entsprechenden Randbereiche. Die Dünnerprägung wird erleichtert, wenn die Breite der Stege maximal der der Randbereiche entspricht, vorzugsweise aber geringer ist. Ein schmaler Blechstreifen erfordert gegenüber einem dickeren bei einer Prägung zur Reduzierung der Dicke weniger Kräfte und ist daher leichter zu prägen.
• 9 zeigt in schematischer Draufsicht eine beispielhafte Ausgestaltung eines Elements 1, welches zumindest das dargestellte geprägte Metallblech MB umfasst. Dieses weist einen ersten Verlauf V1 auf, der eine zentrale Öffnung ZO umschließt. Außerhalb dieses ersten Verlaufs sind hier vier weitere Prägesickenstrukturen ausgebildet, die jeweils einen geschlossenen zweiten Verlauf V2 aufweisen und dabei zum Beispiel Bohrungen BL umschließen.
• 10 zeigt eine weitere Ausführung eines flachen Elements 1, bei dem ein ringförmig ausgeschnittenes Metallblech MB eine Prägehalbsicke aufweist, die einem Verlauf V folgt. Im Unterschied zu allen dargestellten vorherigen Ausführungen ist die Prägesickenstruktur hier jedoch nicht durchgehend und weist unterbrochene Abschnitte auf. Die Abschnitte selbst müssen nicht parallel zum Verlauf V ausgerichtet werden, sind aber dem Verlauf folgend angeordnet. Es ist klar, dass eine solche Prägesickenstruktur nicht zur Abdichtung geeignet ist. Dennoch wird mit einer solchen Ausführung ein flaches elastisches Element erhalten, welches gegenüber einer Kompression eine Federwirkung aufweist und welches reversibel seine ursprüngliche Geometrie wieder einnehmen kann. Ein solches Federelement ist geeignet, den Kraftschluss zwischen zwei benachbarten Körpern herzustellen, auch wenn die Körper relativ zueinander laterale oder vertikale Relativbewegungen ausführen. Über die Federkonstante des Federelements kann außerdem einer zu starken vertikalen Relativbewegung entgegen gewirkt werden.
• Neben der dargestellten runden Form können solche Feder- oder Dichtelemente in beliebigen Ausformungen realisiert werden, ohne von der erfindungsgemäßen Idee abzuweichen. Auch ist es möglich, dass die einzelnen Prägehalbsicken quer zu dem dargestellten Verlauf geprägt sind. Möglich sind dabei wellen- oder stufenförmig ausgebildete Prägehalbsicken. Wellenförmig bedeutet dabei, dass benachbarte Prägehalbsicken einen gegenläufigen Versatz des jeweiligen Randbereichs bewirken. Stufenförmig bedeutet, dass einander benachbarte Prägesicken einen gleichsinnigen Höhenversatz aufweisen und das gesamte Federelement daher mit einer durchgehenden gleichsinnig an- oder absteigenden Stufenstruktur ausgeführt ist.
• Da die Erfindung nur beispielhaft und anhand weniger Ausführungen dargestellt wurde, ist sie nicht auf diese Ausführungen begrenzt. Vielmehr sind beliebige Kombinationen von Metallblechen mit beliebiger Prägesickenstruktur mit weiteren Elementen kombinierbar, die wiederum ausgewählt sein können aus weiteren Metallblechen oder aus metallischen Blechen, insbesondere Federstahlblechen. Die Querschnittsformen dieser Bleche können von den in den Figuren idealisiert dargestellten Querschnittsformen abweichen.
• Kombinationen beliebiger Anzahlen von übereinander angeordneten Blechen stellen zusammen jeweils ein Element dar, welches als Feder- oder Dichtelement zwischen zwei von verschiedenen Seiten anliegenden Körpern angeordnet werden kann und dort die Dichtwirkung über die gesamte Auflagefläche bei gleichzeitiger Federwirkung ausüben kann. Teile des Elements bzw. einzelne Blechlagen können in die entsprechenden Stoßflächen der anliegenden Körper integriert sein.
• Bezugszeichenliste

1

Element

AE

Auflageebene

AFo

obere Auflagefläche

AFu

untere Auflagefläche

B

Beschichtung

BL

Bohrloch

d0–d3

Schichtdicken von MB

DF

Deckfläche

DM

Dichtmittel

FB

metallisches Blech oder Federstahlblech

h1, h2

Abstände

K1, K2

Kanten

MB

Metallblech

PB

dünn geprägter Bereich

RB

Randbereich

RS

Randstreifen

S

Prägesicke

St

Verbindungsstege

V

Verlauf der Prägehalbsicke

ZO

zentrale Öffnung

Claims (17)

1. Flaches Element, das elastisch verformbar ist, umfassend ein Metallblech (MB), in das eine Prägehalbsicke mit einem von einer ersten Seite des Metallblechs (MB) eingeprägten und sich zwischen einer ersten Dichtkante (K1) und einer weiteren Kante erstreckenden dünner (d3) geprägten Bereich (PB) geprägt ist, wobei sich an die erste Dichtkante (K1) eine untere Auflagefläche (AFu) und an die weitere Kante eine dazu höhenversetzte untere Fläche anschließen, und wobei innerhalb des dünner geprägten Bereichs (PB) auf einer gegenüberliegenden Seite des Metallblechs (MB) eine zweite Dichtkante (K2) gebildet ist, wobei sich an die zweite Dichtkante (K2) einerseits eine obere Auflagefläche (AFo) und andererseits eine dazu höhenversetzte obere Fläche anschließt, und beiderseits des dünner geprägten Bereichs (PB) gegeneinander höhenversetzte Randbereiche (RB1, RB2) gebildet sind, wobei ein erster Randbereich (RB1) zwischen der unteren Auflagefläche (AFu) und der oberen Fläche und ein zweiter Randbereich (RB2) zwischen der oberen Auflagefläche (AFo) und der unteren Fläche gebildet ist und eine jeweilige Dicke der Randbereiche (RB1, RB2) gegenüber der Ursprungsblechdicke unverändert ist.
2. Flaches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dünner geprägte Bereich (PB) eine weitere geprägte Vertiefung umfasst, die auf der zweiten Seite des Metallblechs (MB) zwischen der höhenversetzten oberen Fläche und der oberen Auflagefläche (AFo) angrenzend an die zweite Dichtkante (K2) gebildet ist.
3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägehalbsicke in der Ebene des Metallblechs (MB) einen durchgehenden, in sich geschlossenen Verlauf (V) aufweist, der eine Fläche umschließt, oder einem solchen Verlauf folgt, aber unterbrochen ist.
4. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu den Randbereichen (RB) äußere Bereiche angeordnet sind, die dünner als eine Ursprungsblechdicke geprägt sind.
5. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (MB) an ausgewählten Stellen einen gegen die Ursprungsblechdicke aufgedickten Bereich aufweist, der durch Materialauftrag auf das Metallblech erzeugt ist.
6. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (MB) im aufgedickten Bereich lokal eine Kunststoffbeschichtung (B) aufweist.
7. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Randbereich (RB) zur mechanischen Stabilisierung des Elements (1) noch Verbindungsstege (St) vorgesehen sind, in die keine Prägesicke oder Prägehalbsicke geprägt ist.
8. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder zwei Randbereiche (RB) quer und/oder parallel zur Prägehalbsicke ein Dickenprofil aufweisen.
9. Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Randbereich (RB) quer zur Prägehalbsicke ein Dickenprofil aufweist, so dass sich die größte Dicke des Randbereichs innen benachbart zu der vom Verlauf (V) der Prägehalbsicke umschlossenen Fläche befindet.
10. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche eine elastische, nicht metallisch anorganische oder eine organische Beschichtung (B) aufweist.
11. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche eine organische thermoplastische Beschichtung (B) aufweist, die ein Fluorpolymer umfasst.
12. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste, einen geschlossenen Verlauf (V1) aufweisende Prägehalbsicke eine erste Fläche umschließt, innerhalb der eine zweite Prägehalbsicke mit geschlossenem Verlauf (V2) angeordnet ist, die eine zweite Fläche umschließt.
13. Element nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Prägehalbsicken im Verlauf (V) einen zueinander parallelen Abschnitt aufweisen, in dem die beiden Prägehalbsicken zusammen eine zweistufige Treppe ausbilden.
14. Element nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Prägehalbsicken im Verlauf (V) einen zueinander parallelen Abschnitt aufweisen, in dem sie zusammen eine Vollsicke ausbilden.
15. Element nach einem der vorangehenden Ansprüche mit zumindest einem weiteren metallischen Blech (FB), wobei Metallblech (MB) und metallisches Blech (FB) zumindest im Bereich der Prägehalbsicke übereinander angeordnet sind.
16. Element nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Blech (FB) eine Sicke oder Halbsicke aufweist, die komplementär zur Prägehalbsicke des Metallblechs (MB) in deren Bereich angeordnet ist, wobei ein Randbereich der Prägehalbsicke des Metallblechs (MB) und ein Randbereich der Sicke oder Halbsicke des metallischen Blechs (FB) direkt übereinander angeordnet sind.
17. Element nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Blechen (FB, MB) und zumindest einer weiteren ihrer Oberflächen eine nicht-metallisch anorganische oder eine organische Beschichtung vorhanden ist.

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