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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrlagige Dichtung, insbesondere eine mehrlagige Flachdichtung, die zwei oder mehr metallische Lagen aufweist. Derartige Dichtungen werden insbesondere als Flachdichtung, beispielsweise in einem Verbrennungsmotor, in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors oder auch in einer Brennstoffzelle eingesetzt. Beispielsweise können derartige Dichtungen Zylinderkopfdichtungen oder Abgasdichtungen sein.
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Nach dem Stand der Technik weisen derartige mehrlagige metallische Dichtungen oftmals Dichtsicken auf, die abzudichtende Öffnungen, wie beispielsweise Brennraumöffnungen, Wasserlöcher oder Schraubenlöcher, abdichten. Diesen Sicken wird üblicherweise ein Verformungsbegrenzer (Stopper) nebengeordnet, der eine höhere Steifigkeit als die Sicke selbst aufweist und so die Sicke beim Verpressen zwischen den abzudichtenden Bauteilen vor einer vollständigen Verpressung schützt. Dadurch bleibt die Sicke in ihrem elastischen Bereich und kann Dichtspaltschwankungen aufgrund ihrer Federeigenschaften ausgleichen.
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Der Platzbedarf einer derartigen Sicke-Verformungsbegrenzer(Stopper)-Kombination ist nicht zu vernachlässigen. Insbesondere im Bereich der Brennraumabdichtungen ist der verfügbare Raum jedoch begrenzt, so dass für die genannten Sicke-Stopper-Kombinationen aufwändige Konstruktionen eingesetzt werden.
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Denn neben der Dichteigenschaft der Dichtsicke ist bei derartigen Dichtkonstruktionen nicht nur der Platzbedarf wesentlich, sondern auch, dass diese Dichtkonstruktionen eine hohe Dauerhaltbarkeit aufweisen. Weiterhin sollen derartige Dichtkonstruktionen flexibel bei unterschiedlichen Anforderungen einsetzbar sein.
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Die vorliegende Erfindung macht es sich also zur Aufgabe, eine Dichtung und deren Verwendung zur Verfügung zu stellen, die platzsparend flexibel einsetzbar, kostengünstig in der Herstellung und gut reproduzierbar eine hohe Dauerhaltbarkeit und eine sehr gute Abdichtung aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch die Dichtung nach Anspruch 1 und die Verwendung nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Erfindung finden sich in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 14.
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Die erfindungsgemäße Dichtung weist mindestens zwei metallische Lagen auf, die sich beide im Wesentlichen oder vollständig über die gesamte Dichtung erstrecken. Gegebenenfalls können weitere Lagen hinzukommen und unterschiedlich ausgestaltet sein.
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In den mindestens zwei metallischen Lagen befindet sich jeweils mindestens eine erste Öffnung, die in den aufeinanderliegenden Lagen ebenfalls übereinanderliegen. Bei derartigen Öffnungen kann es sich beispielsweise um Brennraumöffnungen in Zylinderkopfdichtungen oder Wasserlöcher, Schraubenlöcher in Zylinderkopf- oder anderen Dichtungen oder auch um Abgasdurchführungsöffnungen in Dichtungen des Abgasstranges eines Verbrennungsmotors handeln.
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Um diese erste Öffnung läuft in der ersten der beiden metallischen Lagen eine Dichtsicke um. Umlaufen muss dabei nicht heißen, dass die Dichtsicke nur diese Öffnung umgibt, die Dichtsicke kann vielmehr auch mehrere Öffnungen gemeinsam umgeben, dabei verläuft sie meist nicht entlang des gesamten Randes jeder Öffnung.
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Dieser Dichtsicke ist nun in der benachbarten zweiten Lage eine Profilierung zugeordnet, die als Aufdickung zur Pressungserhöhung der Dichtsicke wirken kann.
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Im Gegensatz zum herkömmlichen Stand der Technik ist diese Profilierung jedoch nicht der Sicke in Lagenebene benachbart angeordnet, sondern der Sicke unmittelbar gegenüberliegend, so dass die Profilierung zumindest teilweise auf der Sicke bzw. in der Sicke zu liegen kommt. Die Profilierung muss dabei nicht symmetrisch zur Sicke angeordnet sein, vielmehr kann ihre Breitenerstreckung unterschiedlich sein. Es ist weiterhin möglich, dass sich die Profilierung bis in die Nähe oder bis zum Umfangsrand der ersten Öffnung erstreckt.
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Diese Profilierung umläuft ebenfalls die erste Öffnung zumindest bereichsweise, wobei quer zu dieser Umlaufrichtung die Profilierung unterschiedliche Querschnitte aufweisen kann. Diese Querschnitte können sich auch im Verlauf des Umlaufs um die erste Öffnung ändern.
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Die zweite Lage definiert eine Lagenebene, die durch diejenigen Bereiche der zweiten Lage festgelegt wird, die sich quer zur Umlaufrichtung jeweils zu den beiden Seiten der Profilierung benachbart zu der Profilierung in der zweiten Lage befinden oder radial außerhalb der Profilierung an diese anschließen. Die Lagenebene verläuft also quer zur Umlaufrichtung der Profilierung und in der halben Höhe (Mitte) der zweiten Lage im genannten Bereich. Die Profilierung selbst kann aus dieser Lagenebene in eine oder beide Richtungen hervorragen.
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Erfindungsgemäß weist die Profilierung nun quer zu ihrer Umlaufrichtung um die erste Öffnung einen zumindest bereichsweise wellen- oder trapezförmigen Querschnitt auf, der mindestens eine Periode einer Welle, vorteilhafterweise mehr als eine Periode der Welle, aufweist. Eine Periode wird dabei in Analogie zu einer Sinuswelle als 360° verstanden. Eine Periode besteht also aus der Abfolge eines Wellenberges und eines Wellentales bis zum Beginn des nächsten Wellenberges. Der Querschnitt weist also mindestens einen Wellenberg und ein Wellental auf. Bevorzugt weist er jedoch mindestens zwei Wellenberge und -täler auf. Trapezförmige Querschnitte sind in diesem Zusammenhang so zu verstehen, dass jeder Wellenberg bzw. jedes Wellental im Wesentlichen einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.
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Die trapezförmige bzw. wellenförmige Profilierung ist dabei kein Rechteckstopper. Vielmehr liegt zwischen einerseits einer Tangente an einen Wellenberg bzw. an ein Wellental, vorzugsweise mittig, an eine Tangente in der Lagenebene oder an die Lagenebene selbst und andererseits einer Tangente an die Lage in der Flanke zwischen dem Wellenberg bzw. dem Wellental und einem benachbarten Wellental bzw. Wellenberg, vorzugsweise mittig oder an der Stelle maximaler Steigung der Flanke, kein rechter Winkel, sondern ein Winkel α mit 0° < α < 90° an. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäße Profilierung abgeflacht verläuft und keinen Rechteckstopper darstellt. Damit ist ein verbessertes elastisches Verhalten des Stoppers gegeben.
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Bei einem sinusförmigen Querschnitt der Profilierung gilt für den Winkel α vorzugsweise 45° ≤ α ≤ 72°, vorzugsweise 48° ≤ α ≤ 68°. Bei einem trapezförmigen Querschnitt der Profilierung gilt für den Winkel α vorzugsweise 60° ≤ α ≤ 80°, vorzugsweise 65° ≤ α 75°. Beim trapezförmigen Querschnitt entspricht die Tangente an die Lage in der Flanke einer Verlängerung der Flanke selbst. Diese Winkelbereiche sorgen für ein besonders leichtes Schließen und Öffnen der beiden Werkzeughälften beim Prägevorgang, wodurch der Verschleiß minimiert wird und die Werkzeuge besonders langlebig sind. Darüberhinaus wird bei geringem Platzbedarf eine hohe Steifigkeit der Profilierung erzielt.
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Erfindungsgemäß sind die Berge und Täler so angeordnet, dass sich diese nicht sämtlich auf einer Seite außerhalb der Lagenebene der zweiten Lage befinden. Die Profilierung ist also nicht zu einer Seite so stark ausgewölbt, dass sie sich vollständig auf einer Seite außerhalb der Lagenebene der zweiten Lage befindet.
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Eine Vollsicke weist üblicherweise nur einen Berg oder ein Tal auf und unterscheidet sich schon so von der mindestens eine Periode, d. h. einen Berg und ein Tal aufweisenden Profilierung. Weiter unterscheiden sich die beiden Elemente auch dadurch, dass die Periodenlänge der Profilierung geringer ist als das Vierfache der Dicke der Profilierungslage, während die Sicke von Sickenfuß zu Sickenfuß breiter ist als das Vierfache der Sickenlagendicke. Dies hat auch Auswirkungen auf das Federverhalten der beiden Elemente. Werden die beiden Lagen isoliert betrachtet, so beträgt der Federweg einer Profilierungslage aus einer noch nicht verbauten Dichtung bei Belastung mit 500 N/mm weniger als 40 μm, während eine Sicke in einer isolierten Lage unter gleichen Bedingungen einen Federweg von mindestens 80 μm macht, diese Werte beziehen sich auf den Belastungsast der entsprechenden Federkennlinie.
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Erfindungsgemäß sind die Dichtsicke und die gegenüberliegende pressungserhöhende Profilierung in zwei verschiedenen metallischen Lagen der Dichtung angeordnet, die sich beide im Wesentlichen über die gesamte Dichtung erstrecken. Die Dichtsicke und die Profilierung werden folglich in normale Dichtungslagen eingebracht. Es wird für sie nicht eine spezielle verkürzte Sickenlage oder Profilierungslage vorgesehen und damit der Herstellungsaufwand gering gehalten. Insbesondere reichen sämtliche Befestigungsmittelöffungen durch die Sickenlage und die Profilierungslage hindurch.
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Dies ermöglicht es, die hier erfindungsgemäß vorgeschlagene Dichtkonstruktion einfach und kostengünstig zu fertigen.
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Die erfindungsgemäße Dichtkonstruktion kann auch in solchen Dichtungen eingesetzt werden, bei denen Elastomer- oder Gummidichtelemente, meist als raupenförmige Profile, an- oder aufgebracht sind. Die Befestigung erfolgt dabei bevorzugt in symmetrischer Weise, so dass eine Anbringung an der zentral gelegenen Dichtungslage bevorzugt ist, diese kann auch eine Sicken- oder Profilierungslage sein.
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Vorzugsweise wird bei dieser Konstruktion eine oder zwei an die Lage, an der das Dichtprofil angebracht ist, angrenzende Lage(n) im Bereich des Profils und den dazu benachbarten Bereichen, etwa über die fünffache Breite der Profilierung, ausgespart. Alternativ endet/enden die Lage(n), wenn das Profil um die Dichtungsaußenkante umläuft, unmittelbar vor dem Bereich des Profils, maximal zwei Profilbreiten vor Beginn des Dichtprofils.
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Die erfindungsgemäße Dichtkonstruktion ist dadurch, dass die Dichtsicke und die Profilierung übereinander angeordnet werden, überaus platzsparend. Beispielsweise ist für eine erfindungsgemäße Dichtkonstruktion in Zylinderkopfdichtungen lediglich noch eine Breite von 1,5 bis 2,5 mm erforderlich, um eine erfindungsgemäß aufgedickte Dichtsicke zwischen verschiedenen Brennräumen anzuordnen. Nichtsdestotrotz sind bei entsprechendem Platzangebot auch breitere Konstruktionen möglich.
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Dies ermöglicht es auch, dass die erfindungsgemäße Dichtkonstruktion sehr robust gegenüber einem Versatz der Mittellinie der Profilierung relativ zur Mittellinie der Sicke ist. Im Allgemeinen ist es mit der erfindungsgemäßen Dichtkonstruktion zulässig, dass die Mittellinie der Profilierung relativ zur Mittellinie der Sicke um mehr als 0,3 mm verschoben ist, in manchen Fällen sind sogar mehr als 0,5 mm akzeptabel. Ebenso ist es nicht notwendig, dass sich die Mittellinien parallel zueinander oder im Fall eines oben geschilderten Versatzes konzentrisch zueinander erstrecken. Der Versatz kann sich auch entlang des Verlaufs der Sicke bzw. der Profilierung ändern. Idealerweise sollten sich mindestens drei Linienberührungen zwischen den Sickenfüßen erstrecken.
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Während bei den Stopper-Sicken-Dichtungskonstruktionen des Stands der Technik sowohl der Stopper als auch die Sicke beabstandet zu den Durchgangsöffnungen angeordnet sind, ist es bei der erfindungsgemäßen Dichtungskonstruktion auch möglich, dass sich die Profilierung bis an den Rand der Durchgangsöffnung erstreckt, also verlängert ist. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil die Profilierung dem betreffenden Blech im Vergleich zu einem Glattblechabschnitt mehr Steifigkeit verleiht und der Abschnitt deshalb kaum zum Flattern neigt. Diese Lösung ist häufig mit einer konzentrischen aber versetzten Anordnung der Mittellinien von Sicke und Profilierung zueinander verbunden.
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Eine Verschiebung der Mittellinien von Sicke und Profilierung kann auch von einer Verlängerung der Profilierung relativ zum Außenrand der Sicke resultieren. Die zusätzlichen quer verlaufenden Strukturen verbessern die Abdichtung gegenüber Kühlmitteln oder Schmiermitteln.
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Die erfindungsgemäße Dichtkonstruktion weist eine sehr hohe Dauerhaltbarkeit auf und kann flexibel an verschiedenste Dichtgeometrien und verschiedene Arten von Dichtungen angepasst werden.
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Dadurch, dass Beschichtungen zwar möglich, jedoch nicht zwingend erforderlich sind, wird das Herstellungsverfahren vom Prägen der Dichtsicke und der Profilierung dominiert, so dass eine kostengünstige Herstellung möglich ist. Dies alles ist trotz sehr guter Abdichtfunktionalität und hoher Reproduzierbarkeit bei der Herstellung gewährleistet.
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Erfindungsgemäß erstrecken sich die Berge und Täler nicht sämtlich auf einer Seite der Lagenebene der zweiten Lage, vorteilhafterweise kehren auf einen Wellenberg zu einer Seite der Lagenebene die benachbarten Wellentäler (und umgekehrt) zumindest bis in die Lagenebene oder auch darüberhinaus auf die dem Wellenberg gegenüberliegende Seite der Lagenebene zurück. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sämtliche Wellenberge zu einer Seite im gleichen Maß über die Lagenebene ragen. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn sämtliche Wellentäler auf einer Seite der Lagenebene im gleichen Maß relativ zur Lagenebene oder relativ zu den Wellenbergen zurückspringen. Der Versatz der Wellenberge einerseits und der Wellentäler andererseits relativ zur Lagenebene muss aber nicht identisch sein.
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Besonders vorteilhaft ist eine symmetrische Anordnung, bei der die Wellenberge und Wellentäler sich zu verschiedenen Seiten der Lagenebene erheben, wobei diese Erhebung für Wellenberge und Wellentäler jeweils gleich hoch sein kann. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn bei einer Profilierung, die sich über mehrere Perioden erstreckt, zumindest mehrere aufeinanderfolgende dieser Perioden Wellenberge und Wellentäler aufweisen, die sich jeweils etwa oder genau gleich weit über die Lagenebene hinausheben.
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Für andere Anwendungen kann es auch vorteilhaft sein, wenn sich die Wellenberge und Wellentäler, die entlang des Wellenquerschnitts aufeinander folgen, ungleich ausgebildet sind, etwa von einer geringen Amplitude zu einer größeren und dann wieder zu einer geringeren Amplitude sich verändern.
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Der Querschnitt der erfindungsgemäßen Profilierung kann trapez- und/oder wellenförmige Bereiche aufweisen, d. h. aus im Wesentlichen oder vollständig trapezförmigen Abschnitten oder im Wesentlichen oder vollständig sinusförmigen Abschnitten oder Zwischenformen dieser Geometrien bestehen. Dabei kann sich der trapez- oder wellenförmige Querschnitt kontinuierlich längs der Umlaufrichtung der Profilierung erstrecken. Der wellen- oder trapezförmige Querschnitt kann jedoch auch abschnittsweise auftreten, wobei der Querschnitt verschiedener Abschnitte in Querrichtung zur Umlaufrichtung gegeneinander versetzt sein kann. Im letzteren Falle kann eine noppenförmige Struktur als erfindungsgemäße Profilierung entstehen.
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Eine derartige noppenförmige Profilierung ist beispielsweise aus der
EP 1298365 A2 bekannt. Unter einer noppenförmigen Struktur im Sinne der vorliegenden Erfindung sollen auch die in der
EP 1298365 A2 beschriebenen noppenförmigen Strukturen verstanden sein, deren Offenbarung in die vorliegende Beschreibung durch Referenz auf die
EP 1298365 A2 aufgenommen wird.
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Eine wellenförmige oder trapezförmige Profilierung ist beispielsweise aus der
WO 01/96768 A1 und der
WO 2008/012363 A1 bekannt. Unter einer Profilierung mit wellenförmigem oder trapezförmigem Querschnitt sollen u. a. auch die in der
WO 01/96768 A1 und der
WO 2008/012363 A1 beschriebenen Strukturen mit wellenförmigem oder trapezförmigem Querschnitt verstanden sein, deren Offenbarung in die vorliegende Beschreibung durch Referenz auf die
WO 01/96768 A1 und die
WO 2008/012363 A1 aufgenommen wird.
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In einer weiteren wesentlichen vorteilhaften Weiterbildung weisen die Übergangsbereiche zwischen Bergen und Tälern der Profilierung eine im Vergleich zu den benachbarten Bergen und Tälern verringerte Dicke auf. Die Dicke der Übergangsbereiche (Flanken) ist vorteilhafterweise um 5 bis 50%, vorteilhafterweise um 10 bis 40%, besonders vorteilhafterweise um 10 bis 30% gegenüber der Dicke der Profilierung in den Bergen und Tälern verringert.
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In weiteren vorteilhaften Ausbildungsformen besitzt die Profilierung eine Breite, so dass sie sich innerhalb der Sicke zwischen den Fußpunkten der Dichtsicke erstreckt. Sie ist damit im Querschnitt schmaler oder höchstens gleich breit wie die Breite der Dichtsicke, die durch den Abstand zwischen den beiden Fußpunkten der Dichtsicke definiert ist. Vorteilhafterweise beträgt die Breite der Profilierung, gemessen von den Fußpunkten der Profilierung im Querschnitt ≥ 30%, vorteilhafterweise ≥ 50%, jedoch auch vorteilhafterweise > 100% der Breite der Dichtsicke also breiter als die Dichtsicke, gemessen im Querschnitt zwischen den Fußpunkten der Dichtsicke. Weiterhin kann die Breite der Profilierung wie oben beschrieben auf ≤ 200% der Breite der Dichtsicke beschränkt werden. Die Fußpunkte der Profilierung bzw. der Dichtsicke können dabei im unverpressten Zustand (vor Einbau) der erfindungsgemäßen Dichtung oder auch im wieder ausgebauten Zustand der erfindungsgemäßen Dichtung nach Einbau und Verpressung bestimmt werden.
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Als Material für die erste und/oder zweite Lage hat sich vorteilhafterweise Edelstahl und/oder ungehärteter oder gehärteter C-Stahl erwiesen. Das Härten kann dabei vor oder nach dem Einbringen der Profilierung erfolgen. Für viele Anwendungen bietet federharter Stahl besondere Vorteile. Die Lagen können weiterhin einseitig oder beidseitig, bereichsweise oder ganzflächig beschichtet werden, um beispielsweise die Dichtungseigenschaften der Dichtkonstruktion zu verbessern. Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn zumindest der Bereich der Sicke und/oder der Profilierung beschichtet ist, wobei die Beschichtung üblicherweise nicht am Sickenfuß bzw. am Rande der Profilierung endet, sondern noch um mindestens die halbe Sickenbreite bzw. Profilierungsbreite über die Breite der Sicke bzw. Profilierung hinausragt. Als Beschichtungen werden insbesondere solche mit einem duroplastischen Binder verwendet, da diese die Mikroabdichtung verbessern.
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Im Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Dichtungen gegeben. Dabei werden mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnet, so dass deren Beschreibung teilweise nicht wiederholt wird.
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Die in den folgenden Beispielen aufgezeigten Merkmale sind sämtlich vorteilhaft für die vorliegende Erfindung und können auch untereinander kombiniert werden, auch wenn sie aus dem Zusammenhang des jeweiligen Beispiels genommen werden.
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Es zeigen
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1 und 3 eine erfindungsgemäße Dichtung;
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2, 4 und 5 eine weitere erfindungsgemäße Dichtung;
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6 bis 13 weitere erfindungsgemäße Dichtungen im Querschnitt zur Demonstration der erfindungsgemäßen Dichtkonstruktion.
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In 1 ist eine Dichtung 1 von ihrer Unterseite her dargestellt, die zwei Brenngasöffnungen 5a und 5b aufweist. Weiterhin weist diese Dichtung 1 Schraubenlöcher 20 auf.
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Die jeweiligen Brennraumöffnungen 5a und 5b umgebend sind Dichtkonstruktionen angeordnet, die in 3 im Querschnitt A-A der 1 dargestellt wird. Die Brennraumöffnungen 5a und 5b sind dabei von Profilierungen 7a und 7b und darüber liegenden, in der 1 nicht zu erkennenden Dichtsicken umgeben. Diese sorgen für eine zuverlässige Abdichtung der Brennräume 5a und 5b.
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2 zeigt eine Zylinderkopfdichtung 1, wobei hier die untere Lage 3 sichtbar ist. Die zweite Lage 3 weist Brenngas- bzw. Brennraumöffnungen 5a, 5b und 5c auf, die von Dichtkonstruktionen mit Dichtsicken und Profilierungen 7a, 7b bzw. 7c umgeben sind. Die beiden mit Kreisen markierten Übergangsstellen zwischen Sickenabschnitten verschiedener Brennraumöffnungen und Sickenabschnitten im Steg unmittelbar zwischen den Brennraumöffnungen verdeutlichen, dass die im Wesentlichen Y-förmigen Übergänge der Profilierungen sowie deren Verläufe im Steg unterschiedlich gestaltet werden können. Im links dargestellten Beispiel macht die Profilierung 7a einen abgerundeten, ca. 20–30° Winkel und geht mit diesem in die Profilierung 7b über, während ein gerader Profilierungsabschnitt durch den Stegbereich reicht. Im rechts dargestellten Beispiel dagegen geht nur etwa die Hälfte der Profilierung 7b – die Hälfte bezieht sich auf die Profilierungsbreite – über einen spitzen Winkel in eine Hälfte der Profilierung 7c über. Die jeweils anderen Hälften der Profilierungen, nämlich diejenigen, die näher an den Brennraumdurchgangsöffnungen 5b u. 5c liegen, nähern sich zunächst einander an um sich dann auf halber Steglänge wieder von einander zu entfernen.
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3 zeigt einen Querschnitt der zweilagigen Dichtung der 1 längs des Schnittes A-A mit einer ersten Lage 2 und einer zweiten Lage 3. Die Brennraumöffnung befindet sich dabei linksseitig des dargestellten Ausschnitts und ist mit dem Bezugszeichen 5a bezeichnet.
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In 3 ist weiterhin die Tangente 20a an den Wellenberg 11 in etwa mittiger Position des Wellenberges bzw. die in diesem Beispiel hierzu parallele Tangente 20 an die Lagenebene 9 bzw. die Lagenebene 9 selbst sowie die Tangente 21 an die Flanke zwischen dem Wellenberg 11 und dem Wellental 10 eingezeichnet. Zwischen diesen ergibt sich ein Winkel α. Sämtliche vorliegenden 1 bis 13 sind lediglich schematische Zeichnungen, die die Winkelverhältnisse nicht maßstäblich wiedergeben. Der Winkel α liegt bei den in sämtlichen Ausführungsbeispielen dargestellten Profilierungen tatsächlich im Bereich zwischen 45° und 72°, je einschließlich der Bereichsgrenzen.
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Die erste Lage 2 besitzt eine Lagenebene 8 und weist eine Sicke 6 auf, die die Brennraumöffnung 5a umgibt. Die Dichtsicke 6 besitzt einen Fußpunkt 13a und einen Fußpunkt 13b. Die zweite Lage 3 der Dichtung 1 weist eine wellenförmige Profilierung 7 auf mit Wellenbergen 10 und Wellentälern 11. Diese Profilierung geht an ihren beiden Fußpunkten 14a und 14b in ebene Bereiche der zweiten Lage 3 über. Die Lagenebene 9 der zweiten Lage 3 wird durch die Fußpunkte 14a und 14b und die daran anschließenden von der Profilierung 7 weg weisenden Bereiche der Lage 3 definiert. In Fällen, bei denen sich die Profilierung 7 bis zur Durchgangsöffnung 5a erstreckt, wird die Lagenebene 9 von dem an den äußeren Fußpunkt 14b der Profilierung umlaufend angrenzenden Bereich der Lage 3 definiert.
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In 3 erheben sich nun die Wellenberge 10 und Wellentäler 11 in symmetrischer Weise um die Lagenebene 9 mit gleicher Höhe. Die Breite der Profilierung 7 ist größer als die durch die Fußpunkte 13a und 13b definierte Breite der Sicke 6. Die Profilierung 7 erstreckt sich daher unmittelbar gegenüber der Sicke 6 und ragt zu beiden Seiten geringfügig über die Fußpunkte 13a und 13b der Sicke 6 hinaus.
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4 zeigt einen Querschnitt der Dichtung aus 2 längs der Linie B-B, bei der die erste Lage 1 unten dargestellt ist und die zweite Lage 3 mit den trapezförmigen Profilierungen 7a und 7b als obere Lage dargestellt ist.
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Die Profilierungen 7a und 7b liegen wiederum Sicken 6a und 6b in der ersten Lage 2 gegenüber. In diesem Falle ist die Breite der Profilierungen 7a und 7b gleich der Breite der Sicken 6a bzw. 6b. Die konkaven Seiten der Wellentäler 11 liegen in der Lagenebene 9, während die konvexen Seiten der Wellenberge 10 sich in asymmetrischer Weise weiter aus der Lagenebene 9 erheben. Insgesamt ergibt sich eine einseitige Profilierung, bei der die Spitzen der Wellenberge (Konvexen Seiten) sich auf der Höhe der Oberfläche der Lage 3 befinden.
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In 5 ist eine weitere Dichtkonstruktion dargestellt, allerdings nicht an einer Brenngasdurchgangsöffnung sondern benachbart zu einer Kühlwasseröffnung 50 im Hinterland der Dichtung, nahe der Dichtungsaußenkante. Grundsätzlich umfasst das Hinterland vor allem den Bereich, der von den Brenngasdurchgangsöffnungen aus betrachtet, hinter den Schraubenöffnungen liegt. Der Ausschnitt in 5 entspricht weitgehend dem Schnitt C-C aus 2. Während die Sicke 15 an der Kühlwasseröffnung 50 ohne Aufdickung auskommt, ist gegenüber der Sicke 6, die parallel zu Außenkante verläuft, eine Profilierung 7 in der zweiten Lage 3 gegenüber angeordnet. Die Profilierung 7 ist so wie die Profilierung 7a und 7b in 4 ausgebildet. Hier dient die Profilierung vor allem der Abstützung und Aufdickung.
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In 6 ist wiederum eine Dichtkonstruktion dargestellt, die derjenigen aus 3 entspricht. Allerdings ist hier sowohl die erste Lage 2 als auch die zweite Lage 3 jeweils beidseitig mit einer Beschichtung 16a, 16b, 16c bzw. 16d versehen.
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7 zeigt wiederum diese Dichtkonstruktion ähnlich 3, wobei neben der bereits bisher bekannten ersten Lage, die hier als Lage 2b bezeichnet ist, und der zweiten Lage 3 eine weitere dritte Lage, hier mit dem Bezugszeichen 2a versehen, vorgesehen ist, die in symmetrischer Weise zur Lage 2b ausgebildet ist. Die Lagen 2a und 2b sind auf der der zweiten Lage 3 zugewandten Seite nicht beschichtet, sondern lediglich auf der Lage 3 abgewandten Seite, so dass zwischen den Dichtungslagen und auf den Dichtungsaußenflächen jeweils eine Beschichtung vorhanden ist. Diese Beschichtungen sind mit den Bezugszeichen 16a, 16b, 16d und 16d' bezeichnet.
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In 8 ist eine weitere Dichtkonstruktion ähnlich 3 dargestellt, die die beiden Lagen 2a und 3 aus der 7 aufweist. Jedoch ist die Lage 3 wiederum lediglich auf einer Seite mit der Beschichtung 16b versehen. An die zweite Lage 3 schließt sich eine weitere Lage 17a mit Beschichtungen 16c, 16d und eine weitere Lage 17b mit einer Beschichtung 16e an. Diese vierte Lage 17b weist eine Sicke 15 auf, die in symmetrischer Weise zur Sicke in der ersten Lage 2a ausgebildet ist. Effektiv unterscheiden sich die Ausführungsbeispiele der 7 und 8 einerseits durch eine unterschiedliche Verteilung der Beschichtungen auf den Lagenoberfläche sowie andererseits durch die zusätzliche Glattblechlage 17a, so dass das Ausführungsbeispiel der 8 für größere Dichtspalte geeignet ist als das der 7.
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9 zeigt in einem großen Ausschnitt nochmals die Dichtkonstruktion ähnlich 3, wobei hier jedoch die Sicke 6 breiter als die Profilierung 7 ausgestaltet ist.
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10 zeigt eine Dichtkonstruktion ähnlich 3, wobei hier nunmehr die Profilierung 7 deutlich breiter als die Sicke 6 ausgestaltet ist.
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In der 11 ist eine Dichtkonstruktion dargestellt, die eine erste Lage 2 mit einer Sicke 6 aufweist. Diese Lage 2 ist einseitig mit einer Beschichtung 16c versehen. Auf der anderen Seite der Lage 2 ist dieser eine zweite Lage 3 nebengeordnet, die eine Profilierung 7 aufweist. Diese Profilierung ist wie vorherstehend beschrieben gestaltet und genauso breit wie die Sicke 6. Die Wellenberge und Wellentäler der Profilierung 7 sind nun beidseitig mit je einer Beschichtung 16a und 16b vollständig gefüllt. In dieser idealisierten Darstellung wird durch die Beschichtung 16b sowie auch durch die außenseitigen Beschichtungen 16a und 16c eine verbesserte Abdichtung zwischen den oberhalb der Lage 3 und unterhalb der Lage 2 befindlichen gegeneinander abzudichtenden Elementen erzielt.
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In 11 sind die Tangenten 20 und 21 sowie der Winkel α für eine Profilierung mit trapezförmigem Querschnitt dargestellt. In diesem Falle beträgt der Winkel α erfindungsgemäß 60° bis 80°, einschließlich der Bereichsgrenzen.
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12 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Profilierung 7 in der Lage 3. Diese Profilierung weist einen wellenförmigen Querschnitt auf. Dieser Querschnitt weist vier Wellenberge 10a, 10b, 10c und 10d sowie drei dazwischen liegende Wellentäler 11a, 11b und 11c auf. Diese hier in der 12 dargestellte Profilierung erstreckt sich also über mehr als drei, nämlich knapp vier Perioden. Die Übergangsbereiche zwischen Wellenbergen und Wellentälern, die mit den Bezugszeichen 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f und 12g bezeichnet sind, sind dabei stark (um ca. 30%) gegenüber den Wellenbergen und Wellentälern verjüngt. Dies bedeutet, dass die senkrecht zu den Oberflächen der Lage 3 gemessene lokale Materialdicke der Lage in den Flanken zwischen den Wellenbergen deutlich kleiner sind als die entsprechende Materialdicke in den Wellenbergen oder Wellentälern. Diese Verjüngung der Flanken führt zu einer Versteifung der Profilierung und ermöglicht es außerdem, in einer Profilierung bei gegebener Länge der Profilierung zwischen den Fußpunkten 14a und 14b eine größere Anzahl an Wellen unterzubringen. Dies alles führt dazu, dass die Profilierung versteift werden kann, so dass sie in gezielter Weise steifer als die benachbarte aufzudickende Sicke ausgebildet werden kann. Damit wird erfindungsgemäß eine Dichtungskonstruktion zur Verfügung gestellt, die sich insbesondere bei Platzmangel für eine hervorragende Abdichtung von Öffnungen in kostengünstiger Weise herstellen lässt. Als solche Dichtungen kommen beispielsweise Flachdichtungen worunter auch insgesamt konisch oder sphärisch geformte Dichtungen, die aus einem flachen Material geformt sind – sogenannte V-Bond-Dichtungen – verstanden werden, Dichtungen für Motoraggregate und Abgasanlagen, insbesondere allgemein Zylinderkopfdichtungen auch mit sehr geringem Platzangebot, insbesondere zwischen den Brennräumen in Frage.
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In 12 sind weiterhin die Tangenten 20a an ein Wellental 11c bzw. 20b an einen Wellenberg 10d dargestellt, die beide parallel zur Lagenebene 9 verlaufen. Sie schließen mit den Tangenten 21a bzw. 21b an die Flanken 12f in etwa der Mitte der Flanke 12f einen Winkel α ein, der erfindungsgemäß zwischen 45° und 72° beträgt.
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13 zeigt nun eine weitere Dichtkonstruktion ähnlich derjenigen in 3. In diesem Fall erstreckt sich die wellenförmige Profilierung 7 bis zu der Brennraumöffnung 5. Weiterhin sind in 13 die Mittellinien 22 und 23 der Dichtsicke 6 bzw. der Profilierung 7 eingezeichnet. Es ist zu erkennen, dass diese Mittellinien gegeneinander versetzt sind. Nichtsdestotrotz ist die Profilierung 7 unmittelbar gegenüber der Sicke 6 angeordnet. Auch in dieser Figur sind die Tangenten an die Maxima der Wellenberge bzw. an die Minima der Wellentäler und die Tangenten in den Flanken von Wellentälern und Wellenbergen teilweise zur Verdeutlichung des Winkels α eingezeichnet.
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Grundsätzlich können nahezu alle metallischen Dichtungen erfindungsgemäß ausgebildet werden. Insbesondere können Zylinderkopfdichtungen mit einem Bedarf an gleichmäßiger Krafteinleitung erfindungsgemäß ausgebildet werden. Dabei sind erfindungsgemäß alle Lagenzahlen ab zweilagig möglich. Die Sicken liegen bei der erfindungsgemäßen Dichtkonstruktion immer im Krafthauptschluss. Wird die erfindungsgemäße Dichtkonstruktion sowohl am Brenngasdurchgang als auch im Hinterland eingesetzt, ist die Dickenabstimmung von Sicken und Profilierungen zwischen Brenngasdurchgangsöffnung und Hinterland der Dichtung variabel, so dass motorspezifische topographische Dickenverteilung über die gesamte Dichtung möglich sind.
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Als Beschichtung für die geprägten Lagen, die die Dichtsicke oder die Profilierung enthalten, kommen alle bisher im Stand der Technik bekannten Dichtungsbeschichtungsmaterialien in Frage.
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Die Beschichtungen dienen dabei der Verbesserung der Mikroabdichtung und/oder des Gleitreibwerts. Meist werden die eigentlichen Beschichtungen auf einer sich unmittelbar auf der Metalloberfläche befindlichen Primerschicht aufgetragen. Lediglich beispielhaft seien Beschichtungen aus Fluorpolymer wie beispielsweise FPM (Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer), Silicon-Kautschuk oder NBR-Kautschuk (Acryl-Butadien-Kautschuk), PUR (Polyurethan), NR (Naturkautschuk), FFKM (Perfluorkautschuk), SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk), BR (Butylkautschuk), FVSQ (Fluorsilicon), CSM (Chlorsulfoniertes Polyethylen) sowie Silicon- bzw. Epoxidharz genannt. Für den Auftrag dieser Beschichtungsmaterialien eignen sich insbesondere Siebdruck, Lackgießen und Sprühen.
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Daneben können auch Beschichtungen aus Polyesterharzen, PEEK (Polyetheretherketon), PTFE (Polytetrafluorethylen), PFA und MFA (beides Fluorpolymere) sowie Silicon- bzw. Epoxidharzen eingesetzt werden. Bei diesen können auch Pulverbeschichtungsverfahren eingesetzt werden.
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Die erfindungsgemäße Profilierung im Sickenbereich ermöglicht dabei eine besonders gute Haftung der Beschichtung, so dass ein ungewolltes Fließen der Beschichtung aus dem Bereich der Dichtsicke verhindert werden kann. Hierzu sind Beschichtungen einseitig, beidseitig, ganzflächig oder auch partiell möglich. Auch Gummidichtelemente können ggf. bei den erfindungsgemäßen Dichtungen zusätzlich eingesetzt werden.
