DE3804436C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Flachdichtung, beispielsweise eine
Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor,
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,
wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben 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.
Eine gattungsgemäße Flachdichtung ist in der DE-OS 32 98 805
beschrieben. Hierbei sind die Dichtflächen der metallischen
Bewehrungen der Durchgangsöffnungen zumindest teilweise
mit Überzügen und/oder Auflagen versehen. In die betreffenden
Bereiche wurde eine profilierte Oberflächenstruktur
eingeprägt, um die Haftung der Überzüge bzw. Auflagen
zu verbessern. Die Rauhigkeit der geprägten Oberflächen
ist so bemessen, daß in unbelastetem Zustand eine plateauartige
und zusammenhängende Erhebung erreicht wird.
Die mit dieser flächigen Beschichtung verbundene Herabsetzung
der Reibung im eingebauten Zustand ist zwar in der Anlaufphase
eines Motors erwünscht, im weiteren Betrieb jedoch
als nachteilig anzusehen. Es müssen daher Reinigungsvorgänge
für die von Beschichtung freizuhaltenden Oberflächen
vorgenommen werden, die besonders aufwendig sind,
weil das Überzugsmaterial in den Aufrauhungen besonders gut
haftet.
Ferner ist in der DE-OS 23 04 592 eine Weichstoffdichtung
mit metallischen Randeinfassungen und/oder Auflagen beschrieben,
bei welcher die Metalloberflächen mit dem zur
Imprägnierung des Weichstoffs verwendeten Imprägniermittel
beschichtet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Flachdichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei
welcher Reinigungsvorgänge zum Entfernen des Überzugs nicht
erforderlich sind und dennoch ein ausreichender Reibungswiderstand
im motorischen Betrieb vorhanden ist bzw. bei
welcher das erwünschte Verhältnis von Aufrauhung und Gleitbeschichtung
auf einfachere Weise herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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 Oberflächenspannung
der Imprägniermittellösung bekannt ist bzw. ohne weiteres
ermittelt werden kann, kann die Abmessung der Ausnehmungen
ganz gezielt im Hinblick auf das verwendete Mittel
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 nebeneinanderliegenden 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 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 (9)
1. Flachdichtung, beispielsweise eine Zylinderkopfdichtung
für einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einer Durchgangsöffnung,
die mit einer metallischen, einen U-förmigen
Querschnitt aufweisenden und auf dem Öffnungsrand
sitzenden Einfassung versehen und mit einer Imprägniermittellösung
behandelt ist, wobei wenigstens einer der
U-Schenkel der Einfassung an seiner Außenoberfläche zumindest
bereichsweise mit einer profilierten Struktur
zur Anhaftung eines Überzuges versehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Struktur aus voneinander beabstandeten Vertiefungen (10, 10′) mit erhabenen Rändern (11, 17) besteht, deren Abmessungen abhängig von der bekannten Oberflächenspannung des Imprägniermittels gewählt sind,
daß der Überzug aus der Imprägniermittellösung (14) besteht, und daß Form und Niveau-Unterschied der Struktur so bemessen sind, daß die Imprägniermittellösung (14) im unbelasteten Zustand aufgrund ihrer Oberflächenspannung mit nach außen gewölbtem Meniskus (15) unter Bildung von separaten Imprägniermitteltröpfchen und/oder -streifen in der Struktur gehalten wird, und
daß die Imprägniermitteltröpfchen und/oder -streifen im druckbelasteten Zustand zu einem geschlossenen Dichtfilm verformt werden.
daß die Struktur aus voneinander beabstandeten Vertiefungen (10, 10′) mit erhabenen Rändern (11, 17) besteht, deren Abmessungen abhängig von der bekannten Oberflächenspannung des Imprägniermittels gewählt sind,
daß der Überzug aus der Imprägniermittellösung (14) besteht, und daß Form und Niveau-Unterschied der Struktur so bemessen sind, daß die Imprägniermittellösung (14) im unbelasteten Zustand aufgrund ihrer Oberflächenspannung mit nach außen gewölbtem Meniskus (15) unter Bildung von separaten Imprägniermitteltröpfchen und/oder -streifen in der Struktur gehalten wird, und
daß die Imprägniermitteltröpfchen und/oder -streifen im druckbelasteten Zustand zu einem geschlossenen Dichtfilm verformt werden.
2. Flachdichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einfassung (4) aus einem mit einem weichen Metall
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 nebeneinanderliegenden
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 an vorgegebenen Abschnitten entlang des
Öffnungsrandes vorhanden ist.
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