DE102017215192A1 - gasket - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flachdichtung mit mindestens einer metallischen Lage. Derartige Flachdichtungen werden in vielen Bereichen, insbesondere bei Verbrennungsmotoren, beispielsweise als Zylinderkopfdichtungen eingesetzt.The present invention relates to a flat gasket with at least one metallic layer. Such gaskets are used in many areas, especially in internal combustion engines, for example, as cylinder head gaskets.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flachdichtung mit mindestens einer metallischen Lage. Derartige Flachdichtungen werden in vielen Bereichen, insbesondere bei Verbrennungsmotoren, beispielsweise als Zylinderkopfdichtungen eingesetzt. The present invention relates to a flat gasket with at least one metallic layer. Such gaskets are used in many areas, especially in internal combustion engines, for example, as cylinder head gaskets.
Derartige Flachdichtungen weisen oftmals Durchgangsöffnungen auf für den Durchgang eines Fluides durch die Ebene der Flachdichtung. Zur Steuerung des Durchgangs des Fluides sind in der Durchgangsöffnung oftmals flächige Elemente angeordnet, die selbst häufig eine Durchflußöffnung aufweisen und so als Drossel für den Fluiddurchgang wirken. Diese flächigen Elemente werden üblicherweise gemeinsam mit der Lage der Flachdichtung aus einer metallischen Lage ausgestanzt. Um ihre Position in der Durchgangsöffnung festzulegen, sind die flächigen Elemente mit einem oder mehreren Stegen mit dem Rest der Lage verbunden. Such gaskets often have through openings for the passage of a fluid through the plane of the gasket. To control the passage of the fluid surface elements are often arranged in the passage opening, which often themselves have a flow opening and thus act as a throttle for the fluid passage. These flat elements are usually punched together with the position of the gasket from a metallic layer. In order to determine their position in the passage opening, the flat elements are connected to one or more webs with the rest of the layer.
Im Bereich des Spaltes zwischen dem flächigen Element und dem Umfangsrand der Durchgangsöffnung wird oftmals ein Elastomer angespritzt (z.B. als kantenangespritzte Metall-Elastomer-Zylinderkopfdichtung). Um im Bereich der Stege die Überhöhung durch das Elastomer gering zu halten, werden die Stege daher oftmals auf eine geringere Dicke verpresst. Hierbei lässt sich das gewünschte Ausmaß an Dickenreduktion, beispielsweise eine Reduktion auf weniger als die Hälfte der Blechdicke jedoch bei Stahlblechen nur erreichen, wenn die Stege mindestens über ihre gesamte Länge verpresst werden. Dies kann jedoch zur Erzeugung metastabiler Zustände des flächigen Elementes führen, so dass das flächige Element gegenüber der Ebene der übrigen Blechlage geneigt ist. In the area of the gap between the sheet member and the peripheral edge of the through hole, an elastomer is often molded (e.g., as an edge-injected metal-elastomer cylinder head gasket). In order to keep the elevation by the elastomer low in the area of the webs, the webs are therefore often pressed to a smaller thickness. In this case, the desired amount of thickness reduction, for example, a reduction to less than half the sheet thickness, however, can only be achieved with steel sheets, if the webs are pressed at least over their entire length. However, this can lead to the generation of metastable states of the planar element, so that the planar element is inclined relative to the plane of the rest of the sheet metal layer.
Bei Verwendung eines leicht plastisch verformbaren Metalls für die metallischen Lage wie beispielsweise Aluminium ist beim Verpressen der Stege die Gefahr der Bildung metastabiler Zustände für das flächige Element in der Durchgangsöffnung gering. Bei Verwendung harter Metalle, wie beispielsweise Kohlenstoffstahl lässt sich die Bildung von metastabilen Zuständen bisher jedoch nicht vermeiden. When using an easily plastically deformable metal for the metallic layer such as aluminum, the risk of the formation of metastable states for the planar element in the through hole is low when pressing the webs. When using hard metals, such as carbon steel, however, the formation of metastable states can not be avoided so far.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Flachdichtung mit einer metallischen Lage wie oben beschrieben zur Verfügung zu stellen, die auch bei Verwendung harter Metalle für die metallische Lage die Bildung metastabiler Zustände bei der Herstellung der metallischen Lage vermeidet. Weiterhin ist es Aufgabe, ein Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Flachdichtung anzugeben, das einfach und kostengünstig ist. Based on this prior art, it is therefore an object of the present invention to provide a flat gasket with a metallic layer as described above, which avoids the formation of metastable states in the production of the metallic layer even when using hard metals for the metallic layer. Furthermore, it is an object to provide a manufacturing method of the flat gasket according to the invention, which is simple and inexpensive.
Diese Aufgabe wird durch die Flachdichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Flachdichtung werden in den zugehörigen abhängigen Ansprüchen gegeben. Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine entsprechende Zylinderkopfdichtung zur Verfügung. This object is achieved by the flat gasket according to
Die erfindungsgemäße Flachdichtung weist mindestens eine metallische Lage auf. Diese besteht aus einem harten Metall wie Kohlenstoffstahl. Die Flachdichtung weist mindestens eine Durchgangsöffnung auf, beispielsweise eine Durchgangsöffnung für Öl oder Wasser oder andere Fluide. In dieser Durchgangsöffnung ist ein flächiges Element angeordnet, das als Drossel für den Durchgang des Fluides durch die Durchgangsöffnung dient; aus diesem Grund weist das flächige Element üblicherweise eine Durchflußöffnung auf. Das flächige Element wird unmittelbar aus der metallischen Lage gefertigt und bleibt mit dieser über mindestens zwei Stege verbunden. Die metallische Lage, das flächige Element und die sich zwischen diesen erstreckenden Stege sind also einstückig, insbesondere einstückig hergestellt, und bleiben einstückig verbunden. Die Anzahl der Stege kann dabei variieren, so sind zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Stege möglich. Die Form des flächigen Elementes kann beliebig (eine Freiform) sein, insbesondere sind Kreisformen, Ovale, Ellipsen, Vielecke, insbesondere Dreiecke oder Vierecke oder Fünfecke möglich. The flat gasket according to the invention has at least one metallic layer. This is made of a hard metal like carbon steel. The flat gasket has at least one passage opening, for example a passage opening for oil or water or other fluids. In this passage opening, a planar element is arranged, which serves as a throttle for the passage of the fluid through the passage opening; For this reason, the planar element usually has a flow opening. The sheet-like element is made directly from the metallic layer and remains connected to this via at least two webs. The metallic layer, the planar element and extending therebetween webs are thus one piece, in particular made in one piece, and remain integrally connected. The number of webs can vary, so are two, three, four, five, six or more webs possible. The shape of the planar element may be arbitrary (a free form), in particular circular shapes, ovals, ellipses, polygons, in particular triangles or squares or pentagons are possible.
Das flächige Element wird durch die mindestens zwei Stege innerhalb der Durchgangsöffnung in seiner Position gehalten. Die Stege verlaufen also von dem die Durchgangsöffnung umgebenden Bereich der metallischen Lage zu dem flächigen Element, sie verlaufen insbesondere zum Inneren des flächigen Elementes hin. Insbesondere ist zu vermeiden, dass das flächige Element einen metastabilen Zustand einnimmt, bei dem das flächige Element um > 50 µm über die Oberfläche der entsprechenden metallischen Lage übersteht. The planar element is held by the at least two webs within the passage opening in its position. The webs thus extend from the region of the metallic layer surrounding the passage opening to the planar element, in particular running towards the interior of the planar element. In particular, it must be avoided that the planar element assumes a metastable state in which the planar element protrudes by> 50 μm beyond the surface of the corresponding metallic layer.
Die Flachdichtung ist nunmehr erfindungsgemäß dadurch ausgezeichnet, dass die metallische Lage aus einem harten Metall, insbesondere Kohlenstoffstahl, besteht und die Stege in definierter Weise verprägt sind. Insbesondere sollen die Stege zwischen dem Umfangsrand der Durchgangsöffnung und dem flächigen Element, d.h. zwischen den Ansatzstellen des Steges an die äußere metallische Lage und an das flächige Element, zumindest abschnittsweise auf eine Dicke D1 verprägt sein, die geringer ist als die Dicke D2 der metallischen Lage in den Bereichen benachbart zu dem jeweiligen verprägten Steg, insbesondere zur Ausgangsdicke der metallischen Lage vor dem Verprägen. The flat gasket is now according to the invention characterized in that the metallic layer of a hard metal, in particular carbon steel, consists and the webs are embossed in a defined manner. In particular, the webs between the peripheral edge of the through hole and the sheet-like element, i. between the points of attachment of the web to the outer metallic layer and to the planar element, at least partially embossed to a thickness D1 which is less than the thickness D2 of the metallic layer in the regions adjacent to the respective embossed web, in particular to the initial thickness of the metallic Situation before the embossing.
Als Kohlenstoffstahl kann beispielsweise DC01 nach
Das Verprägen der Stege erzeugt einen verbreiterten Bereich, in dem die Dicke des Steges verringert ist. So ist es möglich, ein elastomeres Dichtelement über und/oder unter dem Steg und in dem anschließenden Spalt zwischen dem flächigen Element und dem Umfangsrand der Durchgangsöffnung anzuordnen, beispielsweise eine elastomere Dichtmasse anzuspritzen, ohne dass die metallische Lage zu sehr überhöht wird. The embossing of the webs creates a widened area in which the thickness of the web is reduced. Thus, it is possible to arrange an elastomeric sealing element above and / or below the web and in the adjoining gap between the planar element and the peripheral edge of the passage opening, for example, to inject an elastomeric sealant, without the metallic layer is too excessive.
Besonders wirksam wird die Bildung metastabiler Zustände in der erfindungsgemäßen Flachdichtung dadurch vermieden, dass die Stege so angeordnet sind, dass sich die bei ihrem Verprägen auftretenden Kräfte gegenseitig aufheben. Weiter kann die Bildung metastabiler Zustände in der erfindungsgemäßen Flachdichtung dadurch vermieden, dass die Stege nicht über ihre gesamte Länge verprägt werden. Werden diese beiden Parameter optimal gewählt, so ist es möglich, dass die Dicke D1 des Steges im verprägten Bereich ≤ 0,4, vorteilhafterweise ≤ 0,3 der Dicke D2 in benachbarten unverprägten Bereichen oder der metallischen Lage vor dem Prägen beträgt, ohne dass es zu metastabilen Zuständen des flächigen Elements kommt. Der Verpressungsgrad liegt also vorteilhafterweise bei ≥ 60%, vorteilhafterweise ≥ 70%. Vorteilhafterweise wird der Steg derart verprägt, dass die Länge B des verprägten Bereiches und die Breite A des Steges außerhalb des verprägten Bereiches die folgende Gleichung erfüllt:
B ≤ 4 A, vorteilhafterweise B ≤ 3 A. The formation of metastable states in the flat gasket according to the invention is particularly effectively avoided in that the webs are arranged so that cancel the forces occurring during their embossing each other. Furthermore, the formation of metastable states in the flat gasket according to the invention can be avoided by not embossing the webs over their entire length. If these two parameters are optimally selected, it is possible that the thickness D1 of the web in the embossed region is ≦ 0.4, advantageously ≦ 0.3 of the thickness D2 in adjacent unembossed regions or the metallic layer before embossing, without it comes to metastable states of the planar element. The degree of compression is thus advantageously 60%, advantageously ≥ 70%. Advantageously, the web is embossed in such a way that the length B of the embossed region and the width A of the web outside the embossed region fulfill the following equation:
B ≤ 4 A, advantageously B ≤ 3 A.
Außerhalb der Stegbreite A kann sich das durch das Prägen seitlich verschobene Material des Stegs jedoch über eine größere Länge E (E ≥ B) erstrecken. Outside the web width A, however, the material of the web laterally displaced by embossing can extend over a greater length E (E ≥ B).
Für die Länge B des verprägten Bereiches ist es vorteilhaft, wenn dieser kleiner oder gleich dem Abstand C von Umfangsrand der Durchgangsöffnung und Außenrand des flächigen Elementes entfernt von dem Stegbereich bzw. dem über den Umfang des flächigen Elementes gemittelten durchschnittlichen Abstand C der Außenkante des flächigen Elementes von dem Umfangsrand der Durchgangsöffnung ist, vorteilhafterweise wenn dieser ≤ 0,85 des Abstands C ist. Der verprägte Bereich ist dabei vorteilhafterweise bezüglich seiner Länge B ≤ 0,8 L, vorteilhafterweise ≤ 0,7 L, vorteilhafterweise ≤ 0,6 L, wobei L die Gesamtlänge des Steges ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Steg am Umfangsrand oder/und am äußeren Rand des flächigen Elementes in den Umfangsrand bzw. in das flächige Element in einem Bereich endet, in dem der Rand der Durchgangsöffnung oder der Rand des flächigen Elementes eine konkave Ausnehmung aufweisen. In diesem Falle ist die Länge des Steges größer als der Abstand des Umfangsrandes der Durchgangsöffnung von dem äußeren Rand des flächigen Elementes außerhalb der konkaven Ausnehmung. Mit anderen Worten ist der Spalt zwischen dem Umfangsrand der Durchgangsöffnung und dem flächigen Element im Bereich der Ansatzstellen des Steges an den Umfangsrand der Durchgangsöffnung und/oder dem äußeren Rand des flächigen Elementes vergrößert, wodurch der Steg eine größere Länge aufweisen kann. For the length B of the embossed region, it is advantageous if it is less than or equal to the distance C from the peripheral edge of the passage opening and the outer edge of the planar element away from the web region or over the circumference of the planar element averaged average distance C of the outer edge of the sheet-like element from the peripheral edge of the through-hole, advantageously when ≦ 0.85 of the distance C is. The embossed region is advantageously with respect to its length B ≦ 0.8 L, advantageously ≦ 0.7 L, advantageously ≦ 0.6 L, where L is the total length of the web. It is particularly advantageous if the web ends at the peripheral edge and / or at the outer edge of the planar element in the peripheral edge or in the planar element in a region in which the edge of the passage opening or the edge of the planar element have a concave recess. In this case, the length of the web is greater than the distance of the peripheral edge of the through hole from the outer edge of the sheet member outside the concave recess. In other words, the gap between the peripheral edge of the passage opening and the planar element in the region of the attachment points of the web to the peripheral edge of the passage opening and / or the outer edge of the planar element is increased, whereby the web can have a greater length.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen ist das flächige Element mit mehr als zwei Stegen, beispielsweise 2, 3, 4, 5 oder 6 Stegen mit dem Umfangsrand der Durchgangsöffnung verbunden. Die Stege sind derart ausgestaltet, dass die Summe der von den verpressten Stegen auf das flächige Element in der Ebene des flächigen Elementes ausgeübten Kräfte im Wesentlichen 0 ist. Dies kann sowohl für sämtliche der Stege eines flächigen Elementes gelten als auch für einzelne Gruppen der Stege des flächigen Elementes. In particularly advantageous embodiments, the planar element with more than two webs, for example, 2, 3, 4, 5 or 6 webs connected to the peripheral edge of the through hole. The webs are designed such that the sum of the forces exerted by the pressed webs on the planar element in the plane of the planar element is substantially zero. This can apply to all of the webs of a planar element as well as to individual groups of the webs of the sheet-like element.
Um diese Kräfte zu bestimmen wird zunächst für jeden der Stege an jedem der flächigen Elemente der Flachdichtung ausgehend vom abschnittsweise verprägten Steg dessen ursprüngliches Maß vor dem Anprägen des mittleren Bereiches rekonstruiert. Anschließend wird eine derartige unverprägte Flachdichtung, beispielsweise mittels Laserschneidens, hergestellt. Die freien Kräfte auf das flächige Element sind im Wesentlichen gleich 0, wenn die Verschiebung des flächigen Elementes < 0.5mm ist. Diese kann über die durch das Anprägen der Stege versachte Änderung der Abstände zwischen Aussenrand der Durchgangsöffnung und flächigem Element ermittelt werden. werden. In order to determine these forces, for each of the webs on each of the two-dimensional elements of the flat gasket, starting from the sectionally embossed web, the initial dimension of the web is first reconstructed prior to the embossing of the central region. Subsequently, such an unembossed flat gasket, for example by means of laser cutting, produced. The free forces on the planar element are essentially 0 if the displacement of the planar element is <0.5 mm. This can be determined by the insulted by the embossing of the webs change in the distances between the outer edge of the through hole and planar element. become.
So ist es beispielsweise möglich, ein flächiges Element mit beispielsweise 5 Stegen mit dem Umfangsrand der Durchgangsöffnung zu verbinden, wobei die freien Kräfte zweier Stege sich gegenseitig aufheben und die freien Kräfte der drei verbleibenden Stege sich ebenfalls gegenseitig aufheben. Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn sich die freien Kräfte der Stege auf das flächige Element gegenseitig derart aufheben, dass das flächige Element durch das Verpressen der Stege nicht verschoben bzw. um höchstens 500 μm, vorteilhafterweise um höchstens 200 μm in der Lagenebene verschoben wird. Thus, it is for example possible to connect a planar element with, for example, 5 webs with the peripheral edge of the through hole, the free forces of two webs cancel each other and cancel the free forces of the three remaining webs also mutually. Overall, it is advantageous if the free forces of the webs on the planar element cancel each other out such that the planar element is not displaced by the pressing of the webs or moved by more than 500 microns, advantageously by at most 200 microns in the layer plane.
Die metallische Lage und das flächige Element der erfindungsgemäßen Flachdichtung erstrecken sich seitlich, d.h. in ihren jeweiligen Lagenebenen. Die Lagenebenen sind dabei vorteilhafterweise definiert als die Ebenen, in denen die jeweilige neutrale Faser der metallischen Lage bzw. des flächigen Elementes in Bereichen unmittelbar benachbart zu den Stegen, insbesondere in den den Stegen unmittelbar benachbarten, unverprägten Bereichen verläuft. Die Ebenen der metallischen Lage und des flächigen Elements, vorteilhafterweise also die genannten Ebenen, in denen ihre jeweilige neutrale Faser verläuft, sind dabei im unverbauten und/oder verbauten Zustand der Flachdichtung vorzugsweise um maximal ein Viertel, vorzugsweise ein Zehntel der Dicke, insbesondere der maximalen Dicke, des flächigen Elements senkrecht zu der genannten Ebene des flächigen Elementes zueinander versetzt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die genannten Ebenen der metallischen Lage und des flächigen Elementes keinen derartigen Versatz zueinander aufweisen. The metallic layer and the flat element of the flat gasket according to the invention extend laterally, ie in their respective layer planes. The layer planes are advantageously defined as the planes in which the respective neutral fiber of the metallic layer or of the sheet-like element in areas immediately adjacent to the webs, in particular in the webs immediately adjacent, unopposed areas runs. The planes of the metallic layer and of the planar element, advantageously the said planes in which their respective neutral fibers run, are in the uninstalled and / or installed state of the flat gasket preferably at most a quarter, preferably one tenth of the thickness, in particular the maximum Thickness of the sheet-like element perpendicular to the said plane of the sheet-like element offset from one another. It is particularly advantageous if the said levels of the metallic layer and of the planar element have no such offset from one another.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist es, wenn sämtliche n Stege derart längs des Umfangsrandes der Durchgangsöffnung so angeordnet sind, dass sich zwischen zwei einander nächstliegenden Stegen ein Mindestabstand von 0,6*L/n, vorzugsweise 0,75*L/n mit L dem Umfangsrand der Durchgangsöffnung und n der Anzahl Stege an dieser Durchgangsöffnung ergibt. Handelt es sich um eine kreisförmige Durchgangsöffnung, betragen die Mindestabstände also 0,6*360°/n, vorzugsweise 0,75*360°/n. Weisen die Stege weiterhin dieselbe Form (Länge, Breite, Verpressung etc.) auf, so heben sich die von den Stegen auf das flächige Element ausgeübten freien Kräfte weitestgehend oder gar vollständig auf. A particularly advantageous embodiment is when all n webs are arranged along the peripheral edge of the passage opening so that between two adjacent webs a minimum distance of 0.6 * L / n, preferably 0.75 * L / n with L the Peripheral edge of the passage opening and n of the number of webs at this passage opening results. If it is a circular passage opening, the minimum distances are therefore 0.6 * 360 ° / n, preferably 0.75 * 360 ° / n. If the webs continue to have the same shape (length, width, compression, etc.), then the free forces exerted by the webs on the planar element cancel out as far as possible or even completely.
Im Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Flachdichtungen und Herstellungsverfahren gegeben. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet. In Figuren, in denen ähnliche oder gleiche Elemente mehrfach vorkommen, sind diese durch zusätzliche Kleinbuchstaben oder Indizes voneinander unterschieden. In Figuren, in denen gleiche oder ähnliche Elemente nur ein einziges Mal auftreten, wurde auf die Hinzufügung von diesen Kleinbuchstaben oder Indizes verzichtet. In the following, some examples of flat gaskets and manufacturing methods according to the invention are given. The same or similar reference numerals are used for the same or similar elements. In figures in which similar or identical elements occur several times, these are distinguished from one another by additional lowercase letters or indices. In figures where the same or similar elements appear only once, the addition of these lowercase letters or indices has been omitted.
Bei den nachfolgenden Beispielen wird jeweils eine Vielzahl von optionalen Merkmalen in Kombination miteinander in Form eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Diese einzelnen optionalen Ausgestaltungsoptionen können auch jeweils für sich zur Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung oder auch in beliebigen Kombinationen untereinander, auch über die einzelnen Ausführungsbeispiele hinweg, eingesetzt werden. In the following examples, a plurality of optional features are described in combination with each other in the form of an embodiment. These individual optional design options can also be used individually for the embodiment of the present invention or also in any desired combinations with one another, even over the individual exemplary embodiments.
Es zeigen Show it
Die Zylinderkopfdichtung
Weiterhin weist die metallische Lage der Zylinderkopfdichtung
Die Durchgangsöffnungen
In den flächigen Elementen
Die flächigen Elemente
Das flächige Element
In einer anderen Betrachtungsweise können die Ausnehmungen
Der Steg
In symmetrischer Weise ist der Steg
Die Länge des Steges L ist durch den maximalen Abstand zwischen dem Umfangrand
Die Länge des verprägten Bereiches wird mit B bezeichnet. Das plastisch verformte und überfließende Material erstreckt sich dabei außerhalb des Steges
Im verprägten Bereich
Hier wie bei sämtlichen weiteren erfindungsgemäßen Flachdichtungen kann generell zu einer oder zu beiden Seiten der beschriebenen metallischen Lage ein oder mehrere weitere metallische Lagen angeordnet werden. Diese können beispielsweise als Funktionslagen wie Dichtlagen oder dergleichen ausgebildet sein. Vorteilhafterweise sind derartige weitere metallische Lagen so ausgestaltet, dass sie die Anspritzung
Das flächige Element
Die Stege
Die Entfernungen zwischen den einander nächstliegenden Stegen sind in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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