DE19807198C2 - Flachdichtung und Verfahren zur Herstellung einer Flachdichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Flachdichtung mit mindestens einer metallischen Lage, die eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, und mit mindestens einem Dichtungsdurchbruch, der von aus der mindestens einen metallischen Lage durch bereichsweises Umformen gebildeten Abdichtelementen umgeben ist, beschrieben, wobei die metallische Lage (1) als Abdichtelemente eine den mindestens einen Dichtungsdurchbruch umfassende Kantung mit mindestens einer, auf der ersten Oberfläche (2) angeordneten konkaven Kante (4) und einer auf der zweiten Oberfläche (3) im Bereich der Kante (4) angeordneten und den Dichtungsdurchbruch umfassenden konvexen Aufwölbung (5) umfaßt. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Flachdichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine ein- oder mehrlagige Flach­ dichtung mit mindestens einer metallischen Lage und mindestens einem Dichtungsdurchbruch, der von aus der mindestens einen metallischen Lage durch bereichsweises Umformen gebildeten Abdichtelementen umgeben ist.

Dichtungsdurchbrüche von Flachdichtungen sind zur Ver­ besserung der Dichtwirkung in der Regel mit Abdichtele­ menten umgeben. So ist es bekannt, elastomere Wülste mit Hilfe von Beschichtungstechniken auf Flachdichtun­ gen aufzubringen. Häufig werden Abdichtelemente auch durch das bereichsweise Umformen der Flachdichtung her­ gestellt. Am gebräuchlichsten ist hierbei die Sickung einzelner Dichtungslagen.

Die DE 38 35 611 C2 beschreibt eine gesickte metalli­ sche Einlagen-Flachdichtung. Durch Prägen wird kon­ zentrisch um den Dichtungsdurchbruch einer metalli­ schen Lage in einem Bereich reduzierter Lagendicke eine Sicke hergestellt. Diese Sickung hat jedoch den Nachteil, daß sie mit einem nicht beliebig nach unten skalierbaren lateralen Platzbedarf verbunden ist, da seitlich von der Sickenerhebung noch auslaufende Randbereiche erforderlich sind, auf die ohne Einbußen bei der Reproduzierbarkeit der Sickung nicht verzich­ tet werden kann. Die von den auslaufenden Zonen be­ anspruchten lateralen Bereiche bedingen unerwünschte Mindestabstände zwischen Abdichtelement und Dichtungsdurchbruch sowie zwischen benachbarten Dich­ tungsdurchbrüchen.

In der Praxis hat sich weiterhin gezeigt, daß gesick­ te Flachdichtungen bei einer Reihe von Betriebsbedin­ gungen den an sie gestellten Anforderungen nicht voll gerecht werden. Aus diesem Grunde wird die Sickung oft mit weiteren aufwendigen Umformschritten zur Ver­ besserung der Dichtwirkung kombiniert. Die DE 38 35­ 611 C2 erwähnt beispielsweise das Verjüngen der zu sickenden Bereiche sowie das Abrunden von bei der Sickung entstandenen Ecken. Diese zusätzlichen Schritte verteuern die Herstellung der Flachdichtung jedoch erheblich.

Desweiteren ist in DE 195 48 574 A1 eine metallische Flachdichtung beschrieben, bei der ein Abdichtungs­ abschnitt aus einem inneren und einem äußeren Ring­ abschnitt gebildet ist. Die beiden Ringabschnitte werden durch Abkantung versetzt, so daß sie in par­ allel versetzten Ebenen liegen. Beim Einspannen wer­ den die Ringabschnitte verformt und durch die infolge der Spannkräfte auftretenden Kippmomente kommt der Abdichtungsabschnitt zur flächigen Anlage. Beim Ein­ spannen tritt demzufolge eine Relativbewegung zwischen Ringabschnitt und Dichtfläche auf, deren Größe von der Dimensionierung des Ringabschnittes und des Abkantradius abhängt. Da solche Bewegungen auch beim Betrieb infolge Druck- und Lastwechsel auftre­ ten, wird dem Verschleiß und demzufolge auch einer Verringerung der Dichtwirkung entgegenwirkend, die Verwendung von Festkörperschmiermittel empfohlen.

Ausgehend von diesen und weiteren Nachteilen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine ein- oder mehrlagige und mit Abdicht­ elementen versehene Flachdichtung zu schaffen, die verbesserte Abdichteigenschaften besitzt und verfah­ rensmäßig einfach und reproduzierbar herstellbar ist. Die Abdicht­ elemente sollen insbesondere einen geringen lateralen Platzbedarf aufweisen und als Alternative zu herkömm­ lichen Sicken fungieren können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Flachdichtung nach Anspruch 1 und ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 11. Die jeweiligen Unteransprüche betreffen vorteilhaf­ te Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Eine Flachdichtung mit mindestens einer metallischen Lage, die als Abdichtelemente eine den mindestens einen Dichtungsdurchbruch umgebende Kantung, welche auf ei­ ner der beiden Oberflächen der Lage mindestens eine konkave Kante definiert, und auf der gegenüberliegenden Oberfläche eine im Bereich der mindestens einen Kante angeordnete und den Dichtungsdurchbruch ebenfalls umge­ bende, konvexe Aufwölbung aufweist, ist herkömmlichen gesickten Flachdichtungen in vieler Hinsicht überlegen.

So läßt sich herstellungsbedingt die erfindungsgemäße Kante wesentlich näher am Dichtungsdruchbruch plazie­ ren, da der bei der Sickenprägung produktionstechnisch erforderliche Randbereich zwischen Sickenerhebung und Dichtungsdurchbruch entfällt. Die Kantung gewährleistet weiterhin einen geringeren Mindestabstand zwischen be­ nachbarten Dichtungsdurchbrüchen.

Erfindungswesentlich ist, daß die mindestens eine me­ tallische Lage im Bereich der durch die Kantung entste­ henden mindestens einen Kante mit einer Aufwölbung ver­ sehen ist. Die Aufwölbung weist im nichteingebauten Zustand der Flachdichtung einen Überstand über die me­ tallische Lage auf. Erfolgt die Kantung z. B. nach unten in Richtung Lagenunterseite, so bildet die Aufwölbung eine konvexe Erhebung auf der Lagenoberseite. Kante und Aufwölbung laufen dabei im wesentlichen parallel zuein­ ander. Dies bedeutet etwa bei einem kreisrunden Dichtungsdurchbruch, daß Kante und Aufwölbung konzen­ trische Kreise um den Dichtungsdurchbruch bilden, wobei diese Kreise einen nahezu gleichen und geringfügig grö­ ßeren Durchmesser als der Dichtungsdurchbruch aufwei­ sen. Die erfindungsgemäße Kantung kann selbstverständ­ lich auch zwei oder mehr konzentrische Kanten mit un­ terschiedlichen Durchmessern umfassen, wobei die Auf­ wölbung mindestens den Bereich der Kante mit dem größ­ ten Durchmesser umfaßt.

Im eingebauten Zustand der Flachdichtung führt die Kom­ bination aus Kantung und Aufwölbung um den Dichtungs­ durchbruch zu vorteilhaften linienförmigen Pressungs­ verläufen auf beiden Seiten der metallischen Lage. Auf einer Seite der metallischen Lage wird dabei eine Pres­ sungslinie durch die Aufwölbung definiert und auf der gegenüberliegenden Seite durch die Unterkante des ge­ kanteten Bereiches. Während also auf der einen Seite der Pressungsverlauf mit dem Verlauf der Aufwölbung übereinstimmt, ist bei kreisrundem Dichtungsdurchbruch der durch die Unterkante des gekanteten Bereichs defi­ nierte Durchmesser des Pressungsverlaufes auf der ande­ ren Seite geringer als der Durchmesser der Kante und i. w. identisch mit dem Durchmesser des Dichtungsdurchbru­ ches. In der Regel wird die durch die Unterkante defi­ nierte Pressungslinie eine geringere Breite aufweisen, als die durch die Aufwölbung definierte Pressungslinie. Durch die Unterkante läßt sich somit vorteilhafterweise unmittelbar angrenzend an die Dichtungsöffnung eine hohe Pressung erzielen.

Obwohl sich die erfindungsgemäße metallische Flachdich­ tung hervorragend als einlagige Dichtung eignet, kommt auch die Kombination von zwei oder mehreren erfindungs­ gemäß ausgestalteten Lagen in Betracht. Auch kann min­ destens eine erfindungsgemäß ausgestaltete Lage mit einer oder mehreren weiteren metallischen oder nicht­ metallischen Lagen kombiniert werden. Sowohl bei ein- als auch bei mehrlagigen Dichtungen können die einzel­ nen Lagen mit üblichen Beschichtungen oder zusätzlichen Abdichtelementen wie insbesondere Sicken versehen sein. Eine Umbördelung der erfindungsgemäßen Abdichtelemente ist gleichfalls denkbar.

Auf die Steifigkeit der erfindungsgemäßen Abdichtele­ mente läßt sich sowohl über die Wahl des Flachdich­ tungsmaterials als auch über die Geometrieparameter von Kantung und Wölbung Einfluß nehmen. Die erfindungsgemä­ ße Flachdichtung kann mit beliebig geformten Dichtungs­ durchbrüchen versehen sein und eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen. So kann sie beispielsweise als Zylinderkopfdichtung verwendet werden, wobei die Abschirmelemente sowohl Verbrennungsraumdurchbrüche als auch Durchbrüche für fluide Medien umgeben können.

Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung der erfin­ dungsgemäßen Flachdichtung enthält mindestens den Schritt des Kantens eines den Dichtungsdurchbruch umge­ benden Bereiches der mindestens einen metallischen Lage und den Schritt des Ausbildens der Aufwölbung. Das Kan­ ten kann zum Beispiel zugleich mit dem Stanzen des Dichtungsdurchbruches mit Hilfe einer geeignet ausge­ bildeten Auflage erfolgen. Das Kanten kann aber auch nach dem Stanzen als separater Schritt mit Hilfe eines Werkzeuges und eines entsprechenden Gegenwerkzeuges durchgeführt werden. Durch z. B. mehrmaliges Kanten las­ sen sich konzentrische Kantenverläufe realisieren.

Die Ausbildung der Aufwölbung kann dadurch erfolgen, daß die gekantete Flachdichtung mit der Unterkante auf einer planaren Auflage aufgelegt wird und eine Gegen­ halterung, die vom Dichtungsdurchbruch aus gesehen hin­ ter der Kante angreift, eine senkrechte Relativbewegung in Richtung auf die planare Auflage ausführt. Der Kan­ tungswinkel sollte weniger als 90° betragen, um ein Umfalzen des gekanteten Bereichs zu vermeiden.

Da die Kantung und gegebenenfalls auch die Aufwölbung bei geeigneter Gestaltung der Formstanzeinheit bereits zugleich mit dem Stanzendes Dichtungsdurchbruches erfolgen können, reduziert sich die Anzahl der Arbeitsgänge bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren und bevorzugten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen jeweils im Halbschnitt

Fig. 1a, 1b: die gemessenen Geometrie­ protokolle einer erfin­ dungsgemäßen einlagigen Flachdichtung;

Fig. 2a-2d: schematische Darstellun­ gen einer Flachdichtung mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten metalli­ schen Lage in Form eines- Distanzbleches; und

Fig. 3a-3d: schematische Darstellun­ gen einer Flachdichtung, mit einer und mit zwei erfindungsgemäß ausge­ stalteten metallischen Lagen in Form von Außen­ blechen.

Fig. 1a und 1b zeigen die gemessenen Geometrieproto­ kolle einer erfindungsgemäß gewölbten und gekanteten einlagigen Flachdichtung mit einer homogenen Dicke. In Fig. 1b ist zusätzlich das Geometrieprotokoll von Fig. 1a eingezeichnet. Die Flachdichtung weist eine me­ tallische Lage 1 mit einer Oberseite 3 und einer Unter­ seite 2 auf. Im Bereich der konkaven Kante 4 ist eine Aufwölbung 5 angeordnet. Der gekantete Bereich 6 erstreckt sich von der Kante 4 bis zur Unterkante 7. Durch den Randbereich 13 wird der Verlauf des Dichtungsdurchbruches definiert.

Der Randbereich 13 verläuft bevorzugt in einem rechten Winkel zu Oberseite 3 und Unterseite 2. Der rechte Win­ kel läßt sich z. B. dadurch erzielen, daß die Kantung zugleich mit dem Stanzen der Durchgangsöffnung erfolgt. Die Auflage für das zu stanzende Blech kann dabei eine Negativform (gefaste Matrize) des gekanteten Bleches darstellen. Infolge der beim Stanzvorgang auf das zu stanzende Blech wirkenden Kräfte wird das Blech während des Stanzens entsprechend der Negativform gekantet und zugleich der Randbereich 13 rechtwinkling zu Blechober- und Unterseite 3, 2 abgeschnitten.

Die Aufwölbung 5 wird im Anschluß an den Stanzvorgang dadurch ausgebildet, daß auf den gekanteten Bereich 6 vom Dichtungsdurchbruch aus gesehen vor der Kante 4 von der Unterseite 2 her eine Kraft in Richtung Oberseite 3 ausgeübt wird, während eine Gegenkraft auf der Obersei­ te 3 hinter der Kante 4 angreift. Durch diesen Vorgang wird der Randbereich 13 geringfügig aus der Senkrechten bezüglich Ober- bzw. Unterseite 3, 2 verschoben.

Der Überstand 8 der Aufwölbung 5 über die Oberseite 3 beträgt im vorliegenden Fall 0,078 mm. Die Länge des gekanteten Bereiches liegt bei der Flachdichtung nach Fig. 1 bei ungefähr 2 mm. Der Überstand 9 der Unterkante 7 über die Unterseite 2 beträgt beim Ausfüh­ rungsbeispiel 0,041 mm. Es ist jedoch gleichfalls denk­ bar, die Unterkante 7 bündig mit der Unterseite 2 zu wählen oder die Unterkante 7 bezüglich der Unterseite 2 zurückzuversetzen.

In Fig. 2 sind Flachdichtungen mit einem erfindungsge­ mäß ausgebildeten Distanzblech 1' dargestellt. Fig. 2a zeigt eine Einlagendichtung und Fig. 2b eine Zweila­ gendichtung aus einem Distanzblech 1' und einem auf der Unterseite des Distanzbleches 1' angeordneten gesickten Außenblech 10. Mit einer Zylinderkopfdichtung nach Fig. 2b lassen sich Eingrabungen der Unterkante in den Mo­ torblock oder den Zylinderkopf vermeiden.

Fig. 2c zeigt einen dreilagigen Aufbau, wobei das Distanzblech 1' zwischen zwei gesickten Außenblechen 10 angeordnet ist. Die Flachdichtung nach Fig. 2d weist zusätzlich ein Ausgleichsblech (Stopper) 11 auf, wel­ ches den Pressungsdruck im an den Dichtungsdurchbruch grenzenden Bereich der Flachdichtung optimiert.

In Fig. 3 sind Flachdichtungen mit einem oder mehreren erfindungsgemäß ausgebildeten Blechen 1", welche eine geringere Dicke und eine erhöhte Elastizität im Ver­ gleich zu dem Distanzblech 1' nach Fig. 2 aufweisen, dargestellt. Die Bleche 1" eignen sich daher insbeson­ dere auch als Außenbleche für Mehrlagendichtungen.

Fig. 3a und 3b zeigen jeweils eine ungesickte und eine gesickte Einlagendichtung, wobei die erfindungs­ gemäßen Abdichtelemente zwei Kanten 4, 4' aufweisen. In Fig. 3c ist eine vierlagige Flachdichtung mit zwei gesickten Außenblechen 1" und zwischen den Außenblechen 1" angeordneten Distanzblech 12 und Ausgleichsblech (Stopper) 11 dargestellt. Die Außenbleche 1" sind der­ art angeordnet, daß die Aufwölbungen nach außen zeigen. Bei der dreilagigen Flachdichtung gemäß Fig. 3d wurde auf das Distanzblech 12 der Dichtung gemäß Fig. 3c verzichtet, um eine geringere Bauhöhe zu erzielen.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Flachdichtun­ gen eignen sich insbesondere zur Verwendung als Flanschdichtung, etwa als Zylinderkopfdichtung, Getrie­ bedichtung, Achsdichtung, Auspuffdichtung oder Abgas­ dichtung.

Claims (16)

1. Flachdichtung mit mindestens einer metalli­ schen Lage, die eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, und mit mindestens einem Dichtungsdurchbruch, der von aus der mindestens einen metallischen Lage durch bereichsweises Umformen gebildeten Abdicht­ elementen umgeben ist, dabei die metalli­ sche Lage eine den mindestens einen Dich­ tungsdurchbruch umfassende Kantung, mit mindestens einer auf der ersten Oberfläche angeordneten konkaven Kante aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zweiten Oberfläche (3) im Be­ reich der Kante (4), den Dichtungsdurch­ bruch umfassend, eine konvexe Aufwölbung (5) ausgebildet ist und die konkave Kante (4) der Kantung in Richtung auf den Dich­ tungsdurchbruch in eine Unterkante (7), die im eingebauten Zustand eine linienförmige Pressung bewirkt, ausläuft.

2. Flachdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine metallische Lage (1) eine homogene Dicke aufweist.

3. Flachdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine metallische Lage (1) zwei oder mehrere Kanten (4) aufweist.

4. Flachdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachdich­ tung eine Einlagendichtung ist.

5. Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachdich­ tung neben der mindestens einen metalli­ schen Lage (1) eine oder mehrere weitere Lagen (10, 11, 12) aufweist.

6. Flachdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachdichtung mindestens eine Lage (10) aufweist, die auf der ersten Oberflä­ che (2) angeordnet ist.

7. Flachdichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Lage (10) auf der ersten Oberfläche (2) und mindestens eine weitere Lage (10) auf der zweiten Oberfläche (3) angeordnet ist.

8. Flachdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei metallischen Lagen (1) mindestens eine wei­ tere Lage (11, 12) angeordnet ist.

9. Flachdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Kante (4) und die Aufwölbung (5) um­ bördelt sind.

10. Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachdich­ tung eine Flanschdichtung, Zylinderkopf­ dichtung, Getriebedichtung, Achsdichtung, Auspuffdichtung oder Abgasdichtung ist.

11. Verfahren zum Herstellen einer Flachdich­ tung mit mindestens einer metallischen Lage und mit mindestens einem Dichtungsdurch­ bruch, der von aus der mindestens einen metallischen Lage durch bereichsweises Um­ formen gebildeten Abdichtelementen umgeben ist, enthaltend die Schritte

• a) Kantung eines den mindestens ei­ nen Dichtungsdurchbruch umgeben­ den Bereiches der mindestens ei­ nen metallischen Lage (1) zur Ausbildung einer oder mehrerer Kanten (4); und
• b) Aufwölben der metallischen Lage (1) im Bereich der mindestens ei­ nen Kante (4).

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantung gleichzeitig mit der Aus­ bildung des mindestens einen Dichtungs­ durchbruches erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungs­ durchbruch durch Stanzen ausgebildet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß beim Stanzen die zu stanzende Lage (1) auf einem die Negativform der gekanteten Lage bildenden Gegenwerkzeug angeordnet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine metallische Lage (1) beim Stanzen mit einem zu den Oberflächen (2, 3) der metalli­ schen Lage (1) senkrechten Randbereich (13) versehen wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufwölbung dadurch ausgebildet wird, daß auf einen gekanteten Bereich (6) der mindestens einen metallischen Lage (1) vom Dichtungsdurch­ bruch aus gesehen vor der Kante (4) eine Kraft entgegengesetzt zur Kantungsrichtung ausgeübt wird, während hinter der Kante (4) eine Gegenkraft angreift.