DE3804436A1 - Flachdichtung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flachdichtung, beispielsweise eine Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung, mit wenigstens einer Durch­ gangsöffnung, die mit einer metallischen, einen U-förmigen Quer­ schnitt aufweisenden und auf dem Öffnungsrand sitzenden Einfas­ sung versehen und mit einer Imprägniermittellösung behandelt ist.

Derartige Dichtungen werden häufig aus einem Weichstoffmaterial auf einem Blechträger hergestellt. Das Dichtungs­ material muß sich unter der Dichtpressung soweit verformen, daß bei der Montage die zur Abdichtung notwendige Anpassung an die Dichtflächen erreicht wird. Bei der Anwendung als Zylinderkopf­ dichtung hat die Metalleinfassung die Aufgabe, das Weichstoff­ material gegen die sehr heißen Verbrennungsgase abzuschirmen. Zusätzlich muß sie auch die Abdichtung gegen die unter hohem Druck stehenden Gase gewährleisten. Die im Querschnitt U-förmig über den Öffnungsrand gebogenen Einfassungen dienen hierbei zur Erzeugung einer örtlich erhöhten Flächenpressung zur Abdichtung der hohen Brennraumdrücke. Bekanntlich werden im Brennraumbereich wesentlich höhere Pressungen benötigt als bei der Abdichtung von Öl und Kühlmitteln.

Zur Sicherstellung einer ausreichenden Mikro- und Makroabdich­ tung während der ersten Anlaufumdrehungen einer neuen Verbren­ nungskraftmaschine werden die dem Motorblock und Zylinderkopf zugewandten Oberflächen der Einfassung mit elastomeren Schich­ ten überzogen, die in aufwendigen, separaten Arbeitsgängen auf­ gebracht werden müssen. Sie bestehen oftmals in ihrer Grundzu­ sammensetzung aus einem unter Wärmeeinwirkung vernetzenden Ela­ stomer auf Silikonbasis. Eine ähnliche Zusammensetzung weisen die Imprägniermittel auf, mit welchen die Flachdichtung nach dem Stanzen und Einfassen behandelt wird und die als Bindemittel dienen. Eine gleichzeitige Beschichtung der Einfassung und Imprägnierung des Weichstoffmaterials scheitert bislang daran, daß während des Abtropfvorgangs im Anschluß an die Tränkung unkontrollierte Resttropfenbildung und Ansammlun­ gen an der glatten Metalloberfläche der Einfassung unver­ meidlich sind. Deshalb sind separate Reinigungsvorgänge für die Einfassung erforderlich, um eine saubere Oberflä­ che als Grundlage für eine gleichmäßige Schichtdicke des anschließenden Elastomerüberzugs zu erreichen. Da der Rei­ nigungsvorgang sowohl eine Lösung der Ansammlungen in einem Lösungsmittel als auch ein zuverlässiges Abstreifen erfordert, ist dieser Bearbeitungsschritt mit relativ hohen Kosten verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flachdichtung der eingangs genannten Art anzugeben, deren Herstellung weniger kostenintensiv bei gleich guten Dichtungseigen­ schaften ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß wenigstens einer der U-Schenkel der Einfassung an seiner Außenoberfläche zumin­ dest bereichsweise mit einer Struktur versehen ist, deren Form und Niveau-Unterschied so bemessen sind, daß die Im­ prägniermittellösung im unbelasteten Zustand aufgrund ihrer Oberflächenspannung mit nach außen gewölbtem Meniskus in der Struktur gehalten wird.

Ein Grundgedanke der Erfindung ist somit darin zu sehen, daß die wirksame Oberfläche der Einfassung in der Weise strukturiert ist, daß eine Restmenge des Imprägniermittels fein verteilt und gleichmäßig haften bleibt, so daß nach dem Vernetzen eine ausreichende Mikro- und Makroabdichtung gewährleistet ist, während ein unkontrolliertes Ansammeln von Restmengen unterbunden wird. Da die Oberflächenspan­ nung der Imprägniermittellösung bekannt ist bzw. ohne wei­ teres ermittelt werden kann, kann die Abmessung der Aus­ nehmungen ganz gezielt im Hinblick auf das verwendete Mit­ tel gewählt werden.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sowohl der bisher üb­ liche Zwischenschritt zur Reinigung der Einfassungsflä­ chen als auch der bisher nachträglich erforderliche Be­ schichtungsvorgang entfällt und daß zugleich die Her­ stellung der Vertiefungen auf relativ einfache Weise be­ werkstelligt werden kann. Des weiteren wird der Vorteil erreicht, daß die erfindungsgemäße Flachdichtung mit sehr guter Dichtwirkung auch bei Verbrennungsmotoren ein­ gesetzt werden kann, bei welchen die gegenüberliegenden und abzudichtenden Flächen nicht aus unterschiedlichen Metallen bestehen, sondern beispielsweise eine Grauguß- Konstruktion vorliegt. Die Oberflächenkontur der Einfas­ sung im Zusammenwirken mit den fein verteilten Imprägnier­ mittelauswölbungen verhindert gemeinsam mit der nicht zusätzlich beschichteten Restfläche der Dichtung aufgrund der erhöhten Reibung eine Querbewegung der aneinanderlie­ genden Flächen und gewährleistet trotzdem die erforderli­ che Feindichtwirkung. Dieses Ergebnis wird nicht nur nach einer bestimmten Einlaufzeit des betreffenden Motors, son­ dern bereits unmittelbar nach der Montage erreicht, was durch eine Hochdruckbeaufschlagung mit einem Prüfgas nach­ gewiesen werden kann. Das Verhindern einer Querbewegung ist besonders bei speziellen Motorkonstruktionen, beispiels­ weise einem V-Motor mit einem aufgesetzten V-förmigen Ver­ teiler, von Bedeutung, weil hierbei während der Montage Querkräfte auftreten können.

Wenngleich die Vorteile der Erfindung besonders bei Flach­ dichtungen mit Weichstoffdichtmaterial erzielt werden kön­ nen, so ist sie dennoch auch grundsätzlich für Flachdich­ tungen auf Metallbasis geeignet, die aus verschiedenen Stahlblechlagen und einer Einfassung der Durchgänge be­ stehen.

Im Hinblick auf das Herstellungsverfahren, bei welchem ein abgewinkelter Belchstreifen mittels eines Preßwerkzeugs zu einem als Einfassung dienenden Bördel geformt wird, wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Struktur durch ent­ sprechende Ausformung des Preßwerkzeugs gleichzeitig mit der Ausbildung des Bördels erzeugt wird.

Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, daß bei der Erzeugung der Struktur kein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich ist. Das Werkzeug hat hierbei sowohl die Funktion eines Prägestempels als auch eines Preßwerkzeugs.

Zur Reduzierung der Preß- bzw. Prägekräfte ist es vorteil­ haft, daß die Einfassung aus einem mit einem weichen Metall beschichteten Stahlblech besteht. Als besonders geeignet erweist es sich, wenn die Beschichtung aus Aluminium besteht.

Eine besonders gleichmäßige Verteilung der haftenden Tröpf­ chen wird dadurch erreicht, daß die Struktur aus versetzt nebeneinander liegenden kraterartigen Vertiefungen und Er­ hebungen besteht. Alternativ dazu kann eine gute Dicht­ wirkung auch dadurch erreicht werden, daß die Struktur aus wenigstens einer parallel zum Öffnungsrand verlaufenden, bevorzugt keilförmigen oder U-förmigen Nut besteht.

Beispielsweise entstehen bei elektroerosiver Bearbeitung des Werkzeugs unregelmäßig nebeneinanderliegende Erhebungen und Vertiefungen, ähnlich einer Sandpapier-Oberfläche, so daß sich die elastomere Dichtschicht aus einer Vielzahl von nach außen gewölbten Punkten aufbaut, die in der Struktur verankert sind.

Die Erzeugung eines Dichtfilms wird ferner dadurch unter­ stützt, daß die Struktur aus nebeneinander liegenden Er­ hebungen und Vertiefungen besteht. Es entsteht auf diese Weise eine Art Gebirge, in welchem die Verankerung des Dichtmittels besonders gut gewährleistet ist.

Grundsätzlich erscheint es nicht erforderlich, daß die gesamte Oberfläche der Einfassung mit einer Struktur ver­ sehen ist. Vielmehr kann es auch zur Reduzierung der Gleit­ eigenschaften vorteilhaft sein, daß die Struktur wenigstens einen Streifen vorgegebener Breite auf der betreffenden Oberfläche eines U-Schenkels oder beider U-Schenkel ein­ nimmt. Zur Erzeugung mehrerer hintereinander geschalteter Dichtungszonen empfiehlt es sich, mehrere derartige Strei­ fen auf Abstand nebeneinander anzuordnen.

Zusätzlich oder als Alternative kann es sich auch als aus­ reichend erweisen, daß die Struktur an vorgegebenen Ab­ schnitten entlang des Öffnungsrandes vorhanden ist. Durch diese Maßnahme können besonders kritische Abdichtstellen individuell berücksichtigt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Aufsicht auf eine Flachdich­ tung;

Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Ein­ fassung einer Durchgangsöffnung der Flachdichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 und 4 zeigen jeweils schematisch einen Oberflächenquer­ schnitt der Einfassung gemäß Fig. 2; und

Fig. 5 und 6 zeigen jeweils schematisch eine Aufsicht auf die Einfassung gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine Zylinderkopf-Dichtung mit vier Durch­ gangsöffnungen 1 als Beispiel für eine Flachdichtung, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 versehen ist. Die Flach­ dichtung besteht aus einem herkömmlichen Verbund aus einem Weichstoffmaterial 3 auf einem innen liegenden Stahlblech­ träger. Das Weichstoffmaterial 3 ist auf bekannte Weise mit einer Imprägniermittellösung aus einem unter Wärmeeinwir­ kung vernetzenden Elastomer auf Silikonbasis versehen.

Die kreisrunden Durchgangsöffnungen 1 sind zur Abdichtung der Brennraumdurchgänge mit metallischen Einfassungen 4 versehen, die auf die Öffnungsränder aufgesetzt sind. Die Einfassungen 4 weisen einen U-förmigen Querschnitt mit zwei Schenkeln 5 auf, zwischen welchen das Weichstoffmate­ rial 3 entlang der Durchgangsöffnung 1 eingepreßt ist. In der Fig. 1 ist jeweils einer der Schenkel 5 in der Zeichen­ ebene liegend sichtbar, während der andere Schenkel ver­ deckt ist.

Fig. 2 veranschaulicht einen Teilquerschnitt entlang der Schnittlinie II-II durch die Flachdichtung 2. Die zylinder­ kopf- bzw. motorblockseitigen Schenkel 5 bzw. 6 sind an ih­ rer Außenoberfläche strukturiert, wie nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 6 im einzelnen beschrieben ist. Ein Blech­ träger für das Weichstoffmaterial 3 ist mit 23 bezeichnet.

Die Struktur kann aus keilförmigen Vertiefungen 10 und Er­ hebungen 11 bestehen wie in Fig. 3 für ein einziges Bei­ spiel dargestellt ist. Vertiefung 10 und Erhebung 11 kön­ nen in Kraterform mit etwa rundem Rand oder langgestreckt grabenförmig ausgeformt sein. Wesentlich dabei ist, daß ein vorgegebener Bereich auf der Oberfläche des betreffen­ den U-Schenkels 5, 6 quer zum Rand der Durchgangsöffnung 1 abgedeckt ist, sei es durch versetzt zueinander angeordne­ te, kraterförmige Vertiefungen 10 und/oder Erhebungen 11 oder sei es durch grabenförmige Vertiefungen 10 und/oder stegartige Erhebungen 11. Die Erhebungen 11 können dadurch entstehen daß sich das Material der Einfassung 4 an den Rändern aufwirft.

Die Ausbildung der Vertiefung 10 und der Erhebung 11 wird dadurch unterstützt, daß die Einfassung 4 aus einem Stahlblech 12 mit einer Aluminium-Beschichtung 13 besteht.

Die bereits erwähnte Imprägnierung des Weichstoffmaterials 3 erfolgt, nachdem die Struktur in die Außenoberflächen der Schenkel 5, 6 eingeprägt wurde wobei der Prägevorgang in einem Arbeitsgang mit dem Einpressen der Einfassung 4, die auch als Bördel bezeichnet werden kann, in die Flach­ dichtung 2 erfolgen kann. Aufgrund der Struktur verbleibt eine Restmenge der Imprägniermittellösung 14 auf den U-Schen­ keln 5, 6 haften und bildet nach dem Vernetzen eine Dicht­ schicht. Die Durchmesser und Niveau-Unterschiede der Struktur 9 sind dabei so bemessen, daß die Imprägniermittel­ lösung im unbelasteten Zustand aufgrund ihrer Oberflächen­ spannung gleichmäßig verteilt gehalten wird und einen Menis­ kus 15 ausbildet, der über den Rand 16 der Vertiefung 10 bzw. der Erhebung 11 nach außen gewölbt ist. Es wird also die Kapillarität der Imprägniermittellösung 14 ausgenützt.

In der Fig. 4 ist die Ausbildung einer plateauartigen Er­ hebung 17 zur Strukturierung der Außenoberflächen der Schenkel 5, 6 veranschaulicht. Innerhalb des Plateaus 17 be­ finden sich nebeneinanderliegend mehrere Reihen von Vertiefungen 10′ mit U-förmigem Querschnitt. Der Abstand der Vertiefungen 10′ ist hierbei so bemessen, daß die Im­ prägniermittellösung 14 von benachbarten Vertiefungen 10′ zu einem geschlossenen Dichtfilm verbunden wird, sobald jeweils der zugehörige Meniskus 15 durch Druckbeaufschla­ gung gemäß der gestrichelten Linie 19 abgeflacht wird. Ein entsprechender Druck wird bei der Montage der Flach­ dichtung an ihrem Bestimmungsort erzeugt, wenn die Flach­ dichtung zwischen die abzudichtenden Flächen eingesetzt ist. Durch die Nivellierung bildet sich nach dem Auspoly­ merisieren der Imprägniermittellösung ein geschlossener umlaufender Wulst.

In Fig. 5 ist anhand eines sektorförmigen Ausschnittes des Schenkels 5 ein Strukturmuster wiedergegeben, das aus zwei auf Abstand angeordneten konzentrischen Kreisringen 20 mit jeweils einer Vielzahl von kraterförmigen,versetzt zu­ einander angeordneten Vertiefungen und Erhebungen besteht, die jeweils als Punkt dargestellt sind. Durch diese Auf­ teilung in strukturierte und unstrukturierte Bereiche wird einerseits die geforderte Mindest-Rauhigkeit zur Verhinde­ rung von Querbewegungen an der Dichtstelle und andererseits die gewünschte Mikro- und Makroabdichtung erreicht.

In einem weiteren Beispiel für die Musterung zeigt Fig. 6 ringstückförmige Bereiche 21 auf dem Schenkel 5 mit kon­ zentrischen Bogenstück-Gräben und -Stegen 22.

Claims (13)

1. Flachdichtung, beispielsweise eine Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einer Durch­ gangsöffnung, die mit einer metallischen, einen U-förmi­ gen Querschnitt aufweisenden und auf dem Öffnungsrand sitzenden Einfassung versehen und mit einer Imprägnier­ mittellösung behandelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der U-Schenkel (5, 6) der Einfassung (4) an seiner Außenoberfläche zumindest bereichsweise mit einer Struktur versehen ist, deren Form und Niveau- Unterschied so bemessen sind, daß die Imprägniermittel­ lösung (14) im unbelasteten Zustand aufgrund ihrer Ober­ flächenspannung mit nach außen gewölbtem Meniskus (15) in der Struktur gehalten wird.

2. Flachdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfassung (4) aus einem mit einem weichen Me­ tall beschichteten Stahlblech (12) besteht.

3. Flachdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus Aluminium (13) besteht.

4. Flachdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur aus versetzt nebeneinander liegenden kraterartigen Vertiefungen (10) und/oder Erhebungen (11) besteht.

5. Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur aus mindestens einer parallel zum Öffnungsrand verlaufenden Nut besteht.

6. Flachdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine keilförmige Nutenausbildung vorhanden ist.

7. Flachdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine U-förmige Nutenausbildung vorhanden ist.

8. Flachdichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Öffnungsrand mindestens eine Erhebung (11) ausgebildet ist.

9. Flachdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur wenigstens einen Streifen vorgegebener Breite auf der betreffenden Oberfläche eines U-Schenkels (5, 6) einnimmt.

10. Flachdichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere derartige Streifen auf Abstand nebeneinander angeordnet sind.

11. Flachdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur an vorgegebenen Abschnitten entlang des Öffnungsrandes vorhanden ist.

12. Flachdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur auf beiden U-Schenkeln (5, 6) vorhan­ den ist.

13. Verfahren zur Herstellung einer Flachdichtung nach Anspruch 1, bei welchem ein abgewinkelter Blechstreifen mittels eines Preßwerkzeugs zu einem als Einfassung die­ nenden Falzbördel geformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur durch eine entsprechende Ausformung des Preßwerkzeugs in einem Arbeitsgang mit der Ausbildung der Einfassung (4) erzeugt wird.