DE10021975A1 - Metallische Flachdichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft metallische Flachdichtungen für Verbrennungsmotoren. Die erfindungsgemäßen Flachdichtungen umfassen mindestens eine metallische Lage mit einer oder mehreren Öffnungen entsprechend der Anzahl und Anordnung der Brennkammern und gegebenenfalls der Kühl- und Schmiermitteldurchgänge des Verbrennungsmotors und einen rund um die Verbrennungskammeröffnung(en) angeordneten Metallring, der auf die metallische Lage laminiert und mit dieser über eine Kunststoffschicht verbunden ist. Die Kleberschicht ist dabei so ausgebildet, daß sie der Dichtung im Bereich des Metallrings plastische, plastisch/elastische oder elastische Eigenschaften verleiht. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Dichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft metallische Flachdichtungen für Verbrennungsmotoren, die mindestens eine metallische Lage mit einer oder mehreren Öffnungen entsprechend der Anzahl und Anordnung der Verbrennungskammern und gegebenenfalls der Kühl- und Schmiermitteldurchgänge des Verbrennungsmotors umfassen sowie einen rund um die Verbrennungskammeröffnung(en) angeordneten Metallring, der auf die metallische Lage laminiert und mit dieser über eine Kunststoffschicht verbunden ist. Die Erfindung betrifft desweiteren ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen metallischen Flachdichtungen.

Metallische Flachdichtungen mit einer oder mehreren Lagen enthalten zur Bildung von Überhöhungen zur Bereitstellung von Abdichtungslinien häufig Metallringe, die um die Verbrennungskammeröffnungen einer Lage herum angebracht sind. Die durch die Metallringe gebildeten Uberhöhungen dienen dabei meist auch dazu, im eingebauten Zustand der Dichtung, insbesondere bei hohen Verbrennungsdrücken mit damit einhergehendem "beating" des Zylinderkopfes, zur Bereitstellung von zusätzlichen Abdichtungslinien in einer oder mehreren Blechlagen vorgesehene Sicken vor deren vollständiger Abflachung und damit Funktionseinschränkung oder gar Zerstörung zu bewahren. Metallringe mit einer solchen Sickenschutzfunktion innerhalb einer metallischen Flachdichtung sind auch unter der Bezeichnung "Verformungsbegrenzer", "Federwegbegrenzer" oder "Stopper" bekannt.

Stopperringe werden bisher unter anderem durch Punktschweißen an bestimmten Lagen der metallischen Flachdichtung befestigt. Bei den Dichtungen gemäß der WO 97/31204 erfolgt das Befestigen durch kontinuierliches Laserschweißen. Sowohl Schweißen als auch das in diesem Zusammenhang in der DE 195 36 718-A1 vorgeschlagene Löten haben jedoch neben dem damit einhergehenden relativ großen verfahrenstechnischen Aufwand den Nachteil, daß die dabei zu erzielende Überhöhung praktisch ausschließlich durch die Blechstärke des eingesetzten Metallrings bestimmt wird. Ferner handelt es sich um eine starre Verbindung. Werden im Bereich des Stoppers plastische bzw. elastische Eigenschaften gewünscht, etwa um einen gewissen Dämpfungseffekt bezüglich des "beatings" zu erreichen, so müssen zusätzliche konstruktive Maßnahmen hinsichtlich der metallischen Lagen bzw. des Metallrings ergriffen werden, etwa die Einführung weiterer Sicken in diese Bauteile.

Die DE 196 05 871-C2 erwähnt die Möglichkeit der Befestigung eines als Überhöhung dienenden Rings durch Schweißen, Kleben oder dergleichen. Auch in diesem Fall wird der Grad der Überhöhung lediglich durch den verwendeten Metallring bestimmt. Ferner handelt es sich um eine Verbindung, die selbst keine, oder keine nennenswerten, zusätzlichen plastischen, plastisch/elastischen oder elastischen Eigenschaften im Stopperbereich der Dichtung bereitstellt.

In der EP-0 797 029-A1 und der DE 198 29 058-A1 werden Stopper auf der Basis von Duroplast-Kunststoffen beschrieben, die zusätzlich mineralische oder metallische Füllstoffe enthalten. Solche Stopper weisen im Gegensatz zu Metallringstoppern je nach ihrer Zusammensetzung plastische, plastisch/elastische oder elastische Eigenschaften auf. Insbesondere die Stopper gemäß der DE 198 29 058-A1 führen zu guten Ergebnissen, da sie aufgrund des Gehalts an metallischen Füllstoffen unter anderem vorteilhafte Wärmeleiteigenschaften aufweisen, was bei hoher Wärmeeinleitung von Vorteil ist. Gleichwohl bestehen gewisse Einschränkungen bezüglich ihrer Einsetzbarkeit in Verbrennungsmotoren mit sehr hohen Anforderungen an die Temperaturfestigkeit der Dichtung. Ferner müssen Kunststoff und Füllstoff für die jeweilige Anwendung sorgfältig ausgewählt und aufeinander abgestimmt werden, da die Betriebsbedingungen moderner Motoren mitunter in die Grenzbereiche der Standfestigkeit der Materialien führen können, die für Füllstoffe enthaltende Kunststoffstopper der genannten Art verwendet werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt entsprechend die Aufgabe zugrunde, eine metallische Flachdichtung für Verbrennungsmotoren bereitzustellen, für die eine linienförmige Überhöhung bzw. ein Stopper mit Dicht- bzw. Dicht- und Sickenschutzfunktion einfach und kostengünstig bereitgestellt werden kann, deren Konstruktion in einfacher Weise an unterschiedliche zu erzielende Überhöhungen anzupassen ist, die im Bereich der Überhöhung bzw. des Stoppers plastische, plastisch/elastische oder elastische Eigenschaften bereitstellt und eine verbesserte Standfestigkeit insbesondere bei hohen Motortemperaturen und Verbrennungsdrücken aufweist. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung der genannten metallischen Flachdichtung.

Diese und weitere Aufgaben werden durch die Dichtungen bzw. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 10 und den davon abhängigen Ansprüchen gelöst.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß durch die Verbindung eines Metallrings mit einer metallischen Lage der Dichtung über eine anspruchsgemäß ausgebildete Kunststoffschicht im Vergleich zu bekannten Dichtungen mit Stoppern auf der Basis von Duroplast-Kunststoffen eine erhöhte Temperaturbeständigkeit der so gebildeten Überhöhung erreicht wird. Gleichzeitig führt der Einsatz des Metallrings dazu, daß die Wahl der Komponenten der Kunststoffschicht für eine bestimmte Anwendung weniger kritisch ist bzw. die Einsatzbreite einer gegebenen Kunststoffzusammensetzung erweitert wird, was produktionstechnisch gesehen von Vorteil ist.

Ferner können durch die Wahl der Schichtdicke der Kunststoffschicht, insbesondere bei Verwendung von Kunststoffmassen mit hohem Füllstoffanteil, während des Herstellungsprozesses variierende Anforderungen an die zu erzielende Überhöhung in einfacher und schneller Weise erfüllt werden, ohne daß jeweils unterschiedlich starke Metallringe eingesetzt bzw. vorgehalten werden müssen.

Die erfindungsgemäßen metallischen Flachdichtungen umfassen eine oder auch mehrere metallische Lagen (je nach Ausführungsform spricht man auch von einlagigen, zweilagigen oder mehrlagigen Dichtungskonstruktionen). Bei den metallischen Lagen handelt es sich um Bleche, die entsprechend der Anzahl und Anordnung der Brennkammern des abzudichtenden Verbrennungsmotors, und gegebenenfalls den dort vorhandenen Kühl- und Schmiermitteldurchgänge, Öffnungen aufweisen.

Rund um die Verbrennungskammeröffnung(en) der metallischen Lage (bzw. im Falle von zwei- oder mehrlagigen Flachdichtungen, mindestens einer der metallischen Lagen) ist (jeweils) ein Metallring auf diese Lage laminiert (d. h. aufgelegt), der mit ihr über eine Kunststoffschicht verbunden ist. Die Kunststoffschicht ist dabei so ausgebildet, daß sie der Dichtung im Bereich des Metallrings plastische, plastisch/elastische, oder elastische Eigenschaften verleiht. Dies schließt nicht aus, daß im Bereich des Metallrings durch konstruktive Maßnahmen der Metallring selbst oder andere Bauteile der Dichtung mit weiteren Mitteln versehen sind, die plastische, plastisch/elastische oder elastische Eigenschaften verleihen, z. B. Sicken (etwa Rundsicken oder trapezförmige Sicken), Kantungen, Kröpfungen und dergleichen. Ferner kann die plastische, plastisch/elastische, oder elastische Eigenschaften verleihende Ausbildung der Kunststoffschicht erfindungsgemäß auch auf bestimmte Bereiche im Bereich des Metallrings beschränkt werden, z. B. auf den Bereich, der sich nicht in unmittelbarer Nähe zu den Zylinderschrauben befindet. Vorzugsweise vermittelt die Kunststoffschicht der Dichtung jedoch im gesamten Bereich des Metallrings, d. h. über seinen gesamten Umfang, plastische, plastisch/elastische, oder elastische Eigenschaften.

Um in der Lage zu sein, im Bereich des Metallrings plastische, plastisch/elastische oder elastische Eigenschaften zu vermitteln, muß die Kunststoffschicht dort eine gewisse Stärke aufweisen, die über die übliche Stärke von Kunststoffschichten hinausgeht, die lediglich zur Verbindung bzw. zum Verkleben von zwei Dichtungsbauteilen dienen, selbst jedoch keinen nennenswerten Beitrag zur Bauhöhe einzelner Dichtungsbereiche liefern. Die Kunststoffschichten in den erfindungsgemäßen Dichtungen haben entsprechend dort, wo sie der Dichtung plastische, plastisch/elastische, oder elastische Eigenschaften verleihen, eine Stärke von mindestens 5 µm, vorzugsweise 5-150 µm, insbesondere 5-100 µm und ganz besonders bevorzugt 10-50 µm.

Das Verhältnis der Stärke der Kunststoffschicht zur Blechstärke des Metallrings, der über die Kunststoffschicht mit der metallischen Lage verbunden ist, liegt dort ferner vorzugsweise im Bereich von 1 : 100 bis 2 : 1, insbesondere im Bereich von 1 : 30 bis 1 : 1, und besonders bevorzugt im Bereich von 1 : 15 bis 1 : 1.

Geeignete Stärken der Kunststoffschicht sowie geeignete Verhältnisse zur Blechstärke des Metallrings zur Erzielung bestimmter plastischer, plastisch/elastischer oder elastischer Eigenschaften und bestimmter Uberhöhungen können vom Fachmann unter Berücksichtigung der Eigenschaften der für die Kunststoffschicht verwendeten Zusammensetzungen bzw. der darin ggf. enthaltenen Füllstoffzusammensetzung (Art und Größe) ohne weiteres bestimmt werden.

Geeignete Kunststoffzusammensetzungen sind in diesem Zusammenhang Kunststoffe auf Duroplasten-Basis, die mindestens einen Duroplasten enthalten. Zu nennen sind hier insbesondere Epoxidharze, z. B. auf Bisphenol-A-Basis, Silikonharze, Polyamidharze, Polyamidimidharze oder Phenolharze.

Vorzugsweise werden Duroplasten verwendet, die bereits bei Raumtemperatur eine plastische Verformbarkeit zeigen. Die plastische Verformbarkeit sollte vorzugsweise bis zum Glaspunkt der Duroplasten konstant bleiben, wobei der Glaspunkt der Duroplasten möglichst hoch und vorzugsweise über 150°C, besonders bevorzugt über 180°C liegen sollte, um ein zu frühes Einbrechen der Stützfunktion zu verhindern.

Die Kunststoffzusammensetzungen können ferner fakultative Komponenten wie Additive (Entschäumer, z. B. auf der Basis von Siloxan oder Silikon, Benetzer oder Primer, letztere entweder in die Zusammensetzung eingearbeitet oder separat auf die metallische Lage aufgebracht), Vernetzungsmittel (Härter wie insbesondere aromatische Polyamine oder metallorganische Verbindungen wie Butyltitanat, Vulkanisationshilfen), Lösungsmittel (z. B. Cyclohexanon, N-Methylpyrrolidon) und/oder thermoplastische Zuschlagsstoffe wie PTFE-, PE-, PP- und PA-Pulver enthalten. Die Zugabe thermoplastischer Zuschlagsstoffe zur Kunststoffzusammensetzung erlaubt es, das Verformungsverhalten der Zusammensetzung gezielt zu beeinflussen. Bei Verwendung thermoplastischer Polymere ist z. B. eine Optimierung des plastischen Verhaltens und des Glaspunktes der Zusammensetzung möglich.

Insbesondere in Fällen, wo die Kunststoffschicht starken mechanischen oder thermischen Belastungen ausgesetzt ist bzw. eine relativ große Stärke aufweisen soll, enthält die verwendete Kunststoffzusammensetzung vorzugsweise mineralische und/oder metallische bzw. anorganische Füllstoffe zur Erhöhung ihrer Beständigkeit. In diesem Zusammenhang geeignete Kunststoffzusammensetzungen mit mineralischen Füllstoffen sind z. B. aus der EP-0 797 029-A1 bekannt.

Kunststoffzusammensetzungen mit einem Anteil an metallischen Füllstoffen, insbesondere einem geringfügig geringeren Gewichtsanteil an Füllstoff im Verhältnis zum Kunststoff, beispielsweise im Verhältnis von unter 1 : 1 bis 1 : 4, oder 1 : 1,5 bis 1 : 3, sind ebenfalls bevorzugt. Solche Zusammensetzungen sind in der DE 198 29 058-A1 beschrieben. Geeignete Füllstoffe sind in diesem Zusammenhang Metallpulver und/oder Metallfasern, z. B. Aluminiumpulver (z. B. lamellar, non-leafing, durchschnittliche Teilchengröße 10-20 µm) und/oder Whiskerfasern (z. B. mit einer Faserlänge unterhalb 10 µm).

Für Anwendungen mit besonders hoher mechanischer und thermischer Beanspruchung sind erfindungsgemäß Kunststoffzusammensetzungen mit Füllstoff bevorzugt, bei denen der Masseanteil an Füllstoff größer als der Bindemittel- bzw. Kunststoffanteil ist. Besonders gute Ergebnisse werden dabei durch die Verwendung partikelförmiger Füllstoffe erzielt, deren einzelne Partikel eine kleine Oberfläche im Verhältnis zum Partikelvolumen aufweisen, so daß in der fertigen Kunststoffschicht eine dichte Packung der einzelnen Partikel des Füllstoffes erreicht werden kann und eine relativ große Zahl dieser Partikel unmittelbar aneinandergrenzen, so daß sie sich direkt aneinander abstützen und das verwendete Bindemittel bzw. der Kunststoff im wesentlichen die Verbindungsfunktion für den Füllstoff und die aufgebrachte Kunststoffschicht sichern muß, wohingegen die Pressungen und Druckkräfte im wesentlichen von dem partikelförmigen Füllstoff getragen werden.

In diesem Zusammenhang werden vorzugsweise sphärische Füllstoffpartikel verwendet, die eine geglättete Oberfläche aufweisen. Besonders günstig sind dabei kugelförmige Partikel, die bekanntermaßen das kleinste Oberflächen/Volumen-Verhältnis erreichen.

Bei den genannten Zusammensetzungen für besonders hohe Beanspruchungen und mit hohem Füllstoffanteil sind Verhältnisse von Füllstoff zu Kunststoff von 2 : 1, also 2/3 Füllstoff und 1/3 Kunststoff, oder noch höhere Füllstoffanteile bevorzugt. Bei geeigneten Zusammensetzungen können Füllgrade oberhalb 90 Masse-% des Füllstoffes erreicht werden.

Die einzelnen Partikel des verwendeten Füllstoffes sollten dabei mittlere Korngrößen im Bereich zwischen 5 und 100 µm aufweisen, wobei mindestens 80% der Partikel in diesem Korngrößenbereich liegen sollte. Die Verwendung von Partikeln unterschiedlicher Korngrößen, durch die dichtere Packungen der einzelnen Partikel und demzufolge größere Füllgrade erreicht werden können, kann ebenfalls günstig sein.

Als Füllstoffmaterialien kommen, wie erwähnt, Metalle in Betracht, sowie Metall- Legierungen, Glas, aber auch Keramiken (vorzugsweise Siliciumnitrid bzw. Siliciumcarbid) bzw. mineralische Füllstoffe, Whiskerfasern und Graphit und Mischungen dieser Materialien.

Bei einer bevorzugten Ausbildung der vorliegenden Erfindung weist die metallische Lage, mit der der Metallring mittels der Kunststoffschicht verbunden wird, eine rund um die Verbrennungskammeröffnung der Lage angeordnete Sicke auf. Die durch den Metallring und die Kunststoffschicht gebildete Überhöhung kann in diesem Falle direkt in der Sicke (wobei es sich in diesem Falle vorzugsweise um eine trapezförmige Sicke handelt) oder daran unmittelbar angrenzend angeordnet sein. Auf diese Weise wird die Sicke im eingebauten Zustand vor dem vollständigen Abflachen geschützt. Es ist jedoch auch möglich, daß der Metallring über die Kunststoffschicht mit einem ungesickten Blech verbunden wird und eine Sicke, etwa eine trapezförmige Sicke, in einer anderen metallischen Lage der Flachdichtung vor vollständigem Abflachen schützt. Bei zwei- oder mehrlagigen Dichtungen sind insbesondere solche Konstruktionen bevorzugt, bei denen die jeweils an den Motorblock und den Zylinderkopf angrenzenden Bleche, d. h. die Außenbleche, jeweils rund um die Verbrennungskammeröffnung mit einer Sicke versehen sind, die durch mindestens eine aus einem Metallring und einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kunststoffschicht gebildete Überhöhung vor dem vollständigen Abflachen geschützt wird. In diesem Falle ist es bevorzugt, daß die Überhöhung, oder im Falle der Verwendung mehrerer Überhöhungen zum Schutz der Sicken, mindestens eine Überhöhung, unmittelbar angrenzend an die Verbrennungskammer angeordnet ist und dort eine erste Dichtlinie bildet. Die Sicke, die durch die Überhöhung geschützt wird, ist dabei auf der der Verbrennungskammeröffnung abgewandten Seite der Überhöhung angeordnet.

Geeignet sind jedoch auch Dichtungskonstruktionen, bei denen die erste Dichtlinie gegenüber der Verbrennungskammeröffnung von einer Sicke gebildet wird und die Sicke von einer erfindungsgemäß gebildeten Überhöhung, die auf der der Verbrennungskammeröffnung abgewandten Seite der Sicke angeordnet ist, vor dem vollständigen Abflachen geschützt wird.

Kombinationen der beiden vorstehend genannten Konstruktionsprinzipien sind ebenfalls von der Erfindung umfaßt. So kann etwa eine Sicke von zwei erfindungsgemäß gebildeten Überhöhungen beidseitig flankiert und somit vor vollständigem Abflachen geschützt werden, wobei eine der beiden Überhöhungen unmittelbar an die Verbrennungskammeröffnung angrenzt.

Der verwendete Metallring kann, wie vorstehend erwähnt, unter anderem flach oder gekröpft sein. Die Kröpfung wird in einer bevorzugten Ausführungsform so vorgenommen, daß der Abstand des der Verbrennungskammer abgewandten Randes des Metallrings zur darunterliegenden metallischen Lage, mit der er verbunden wird, geringer ist, als der Abstand des Randes des Metallrings, der der Verbrennungskammer zugewandt ist. Auf diese Weise wird verhindert, daß während des Herstellungsvorgangs Kunststoffmasse auf die der Verbrennungskammer abgewandte Seite des Metallrings gelangt.

Wie vorstehend erwähnt, besteht ein Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtungen darin, daß ihre Konstruktion eine einfache Anpassung an variierende Anforderungen bezüglich der zu erzielenden Überhöhung erlaubt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die insbesondere bei Leichtbaumotoren mitunter auftretenden Verzüge des Zylinderkopfes bei der Ausbildung der Stärke der Kleberschicht, bzw. ihrer Topographie, bereits berücksichtigt werden können. Insbesondere bei diesen Motoren ergibt sich ein Dichtungsspalt zwischen Motorblock und Zylinderkopf, der im größeren Abstand zu den Zylinderschrauben weiter ist, als in deren unmittelbarer Nähe. Diese Unterschiede können bei den erfindungsgemäßen Dichtungen in einfacher Weise durch entsprechend variierende Stärken der Kunststoffschicht berücksichtigt werden, wobei die Kunststoffschicht in Bereichen weiteren Abstands zu den Zylinderschrauben stärker gewählt wird, als in deren unmittelbarer Nähe.

Die vorstehend erwähnten Schwankungen in der Weite des Dichtspaltes in Abhängigkeit zur Entfernung zu den Zylinderschrauben kann jedoch auch durch solche erfindungsgemäßen Dichtungen in vorteilhafter Weise ausgeglichen werden, die keine entsprechend vorgegebene Topographie durch variierende Stärke der Kunststoffschicht aufweisen. In diesem Falle wirken sich die plastischen, plastisch/elastischen oder elastischen Eigenschaften der Kunststoffschicht auch insoweit vorteilhaft aus, als die Kunststoffschicht die entsprechende Flexibilität bzw. Verformbarkeit bereitstellt, um die genannten Schwankungen der Dichtspaltweite auszugleichen.

Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen metallischen Flachdichtung. Dabei wird in einem Schritt a) eine Kunststoffschicht rund um die entsprechend der (den) Verbrennungskammer(n) des Verbrennungsmotors vorgesehenen Öffnung(en) einer metallischen Lage der herzustellenden Flachdichtung aufgebracht. Das Aufbringen des Kunststoffs erfolgt vorzugsweise per Siebdruck, Matrizendruck oder mit einem Dispenser. Insbesondere beim Siebdruckverfahren kann man Höhe und Breite der Kunststoffschicht in einfacher Weise variieren und somit der Schicht auch ohne weiteres eine gewünschte Topographie, d. h. eine in Umfangsrichtung variierende Stärke, verleihen, indem man das verwendete Sieb entsprechend ausbildet und dimensioniert.

Das Vorlegen der Kunststoffschicht kann so erfolgen, daß der Kunststoff dabei in eine zuvor um die Verbrennungskammeröffnungen der metallischen Lage geformten Sicke aufgebracht wird. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen die Überhöhung eine gegenüber der Verbrennungskammeröffnung erste Dichtlinie bildet und eine angrenzende Sicke schützt, wird die Kunststoffschicht unmittelbar angrenzend an die Verbrennungskammeröffnung aufgetragen.

In einem weiteren Schritt b) wird der Metallring auf die vorgelegte Kleberschicht aufgelegt. Für den Fall, daß der Kunststoffschicht in Schritt a) eine bestimmte Topographie verliehen wurde, wird die Kunststoffschicht in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vor oder nach dem Auflegen des Metallrings gemäß Schritt b) vorvernetzt bzw. vollvernetzt, um ihr die nötige Viskosität bzw. Festigkeit zu verleihen, damit die vorgegebene Topographie auch während dem nachfolgenden Verpressungsschritt c) im wesentlichen erhalten bleibt. Bei Verwendung von Kunststoffzusammensetzungen auf Phenolharzbasis, deren Verwendung bei einer in Schritt a) vorgegebenen Topographie der Kunststoffschicht besonders bevorzugt ist, kann die für den nachfolgenden Verpressungsschritt c) erforderliche Festigkeit auch durch Trocknung anstelle einer Vorvernetzung oder Vollvernetzung erreicht werden, wobei die Trocknung ebenfalls sowohl vor als auch nach dem Auflegen des Metallrings gemäß Schritt b) erfolgen kann.

Anschließend erfolgt in einem Schritt c) das Verpressen des Metallrings, der im Falle einer vorvernetzten oder vollvernetzten Kunststoffschicht zur sicheren Haftung darauf gegebenenfalls mit einer Haftvermittlungsschicht bzw. Kleberschicht versehen ist, mit der metallischen Lage. Bei Verwendung einer Haftvermittler- bzw. Kleberschicht trägt diese selbst praktisch nicht zur Ausbildung der durch die Kunststoffschicht und den Metallring gebildeten Überhöhung bei. Als Haftvermittler bzw. Kleber kann sowohl der Kunststoff, auf dem die vor- bzw. vollvernetzte Kunststoffschicht basiert, wie auch ein anderer geeigneter Kunststoff verwendet werden. Allgemein erfolgt das Verpressen in der Weise, daß eine Kunststoffschichtstärke verbleibt, die in der Lage ist, der Dichtung nach dem Aushärten (bzw. im Falle der Vorschaltung eines Trocknungs- oder Vorvernetzungsschrittes, dem vollständigen Aushärten) des Kunststoffs im Bereich des auflaminierten Metallrings plastische, plastisch/elastische oder elastische Eigenschaften zu verleihen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird gleichzeitig mit dem Verpressen der Metallring in der Weise gekröpft, daß der Abstand seines der Verbrennungskammer abgewandten Randes zur darunterliegenden metallischen Lage geringer ist, als der Abstand seines der Verbrennungskammer zugewandten Randes. Es ist jedoch ebenfalls möglich, in Schritt b) einen bereits in der genannten Weise gekröpften Metallring aufzulegen. Durch die genannte Kröpfung wird verhindert, daß während dem Verpressen gemäß Schritt c) Kunststoff auf die der Verbrennungskammer abgewandte Seite des Metallrings gelangt. Gegebenenfalls überschüssiger Kunststoff wird aufgrund der Kröpfung des Metallrings in Richtung der Verbrennungskammeröffnung gedrückt, wo er zusammen mit gegebenenfalls ebenfalls vorhandenem metallischem Überstand in einem weiteren Schritt d) abgestanzt werden kann.

Das Abstanzen gemäß Schritt d) ist auch bei Verwendung eines ungekröpften Metallrings von Vorteil. In beiden Fällen erfolgt es nach einer Vorvernetzung bzw. Vollvernetzung der Kunststoffschicht.

Das Verpressen gemäß Schritt c) kann symmetrisch erfolgen, insbesondere wenn eine gleichförmige Schichtstärke der Kunststoffschicht gewünscht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt jedoch auch ein topographisches Verpressen. Beim topographischen Verpressen wird durch unterschiedlich angelegten Druck auf den Metallring ein unterschiedliches Höhenprofil der darunterliegenden Kunststoffschicht geschaffen. Dadurch ist es auf einfache Weise möglich, ein über den gesamten Umfang variierendes Höhenprofil der Kunststoffschicht, und damit der aus Kunststoff und Metallring gebildeten Überhöhung, zu schaffen.

Zusätzlich zum Verpressen bzw. Abstanzen kann in einem weiteren Schritt die metallische Lage rund um die Verbrennungskammeröffnung nach Vor- bzw. Vollvernetzung der Kunststoffschicht gesickt werden.

Das (vollständige) Aushärten des Kunststoffs kann vor oder nach dem Auflegen des Metallrings, während oder nach dem Verpressen bzw. vor dem Abstanzen oder dem zusätzlichen Sicken erfolgen. Das Aushärten wird vorzugsweise durch Erwärmen bewirkt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß eine Heizspule in die Preßform integriert wird, welche den Metallring, die metallische Lage, mit der der Metallring durch das Verpressen verbunden wird, sowie insbesondere die eingeschlossene Kunststoffschicht erwärmt. Hierzu ist während des Heizvorgangs direkter Kontakt der Preßform mit den verpreßten Lagen notwendig. Das vollständige Aushärten durch Erwärmen kann auch nach Einbau der Dichtung durch die Einwirkung der Motorwärme erfolgen. Ferner sind grundsätzlich auch andere bekannte Verfahren zum Aushärten von Kunststoffen geeignet.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung, die jedoch nicht als einschränkend zu verstehen sind, werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Sofern die Verbrennungskammeröffnung in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, befindet sie sich auf der rechten Seite der jeweiligen Dichtungskonstruktion, während sich der Zylinderkopf oberhalb und der Motorblock unterhalb der dargestellten Konstruktionen befindet.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht eines Teils einer erfindungsgemäßen einlagigen Flachdichtung, bei der die Kühl- und Schmiermitteldurchgangsöffnungen sowie die Öffnungen für die Zylinderschrauben gezeigt sind;

Fig. 2-6 Querschnitte erfindungsgemäßer einlagiger Dichtungen, bei denen die Lage der Verbrennungskammeröffnungen eingezeichnet ist;

Fig. 7-11 Querschnitte weiterer zwei- oder mehrlagiger Dichtungen gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Flachdichtung, in diesem Falle eine einlagige Konstruktion mit einer metallischen Lage 1 und Verbrennungskammeröffnungen 4. Unmittelbar um die Verbrennungskammeröffnungen 4 ist jeweils ein Metallring 2 angeordnet. Auf der der Verbrennungskammeröffnung 4 abgewandten Seite des Metallrings 2 befindet sich ferner eine konzentrisch um die Verbrennungskammer 4 und den Metallring 2 angeordnete Sicke 6.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der einfachsten Form der erfindungsgemäßen Flachdichtung. Unmittelbar um die Verbrennungskammeröffnung 4 der metallischen Lage 1 ist ein Metallring 2 angeordnet. Der Metallring 2 ist über die Kunststoffschicht 3 mit der metallischen Lage 1 verbunden. Die Kunststoffschicht 3 ist so ausgebildet, daß sie der Dichtung im Bereich des Metallrings plastische, plastisch/elastische oder elastische Eigenschaften verleiht.

Die Dichtung gemäß Fig. 3 stellt eine Abwandlung der in Fig. 2 gezeigten Konstruktion dar. Bei der gezeigten Dichtung ist wiederum ein Metallring 2 unmittelbar um die Verbrennungskammeröffnung 4 der metallischen Lage 1 angeordnet und mit der metallischen Lage 1 über die Kunststoffschicht 3 verbunden. Der Metallring weist eine Kröpfung 5 auf. Durch die Kröpfung ist der Abstand des Randes des Metallrings 2 zur metallischen Lage 1 auf der der Verbrennungskammeröffnung 4 abgewandten Seite geringer als der Abstand seines Randes zur metallischen Lage 1 auf der der Verbrennungskammer zugewandten Seite. Im vorliegenden Fall führt die Kröpfung 5 dazu, daß der der Verbrennungskammeröffnung 4 abgewandte Rand des Metallrings 2 in direkten Kontakt mit der darunterliegenden metallischen Lage 1 kommt.

Die in Fig. 4 dargestellte, einlagige Flachdichtung entspricht der Dichtung gemäß Fig. 2. Jedoch weist die Kunststoffschicht 3 in Umfangsrichtung unterschiedliche Stärken A, A' auf. Durch die Unterschiede in den Stärken A, A' der Kunststoffschicht 3 werden Unterschiede in der Dichtspaltweite ausgeglichen, wie sie sich etwa in Leichtbaumotoren in Abhängigkeit vom Abstand zu den Zylinderschrauben ergeben können.

Eine bevorzugte allgemeine Ausführungsform der Erfindung (in den Fig. 3 bzw. 4 nicht beispielhaft gezeigt) enthält einen dem in Fig. 3 dargestellten Metallring 2 entsprechenden Metallring, der jedoch in Umfangsrichtung unterschiedliche Kröpfungshöhen aufweist. Durch die Verwendung eines solchen Metallrings kann über die unterschiedlichen vorgegebenen Kröpfungshöhen bei der Herstellung während dem Verpressungsschritt c) die Schichtstärke der Kunststoffschicht gesteuert werden. In diesem Falle wird während der Dichtungsherstellung auf einen Vorvernetzungs- bzw. Trocknungsschritt vor dem Verpressungsschritt c) verzichtet und eine Topographie der durch Metallring und Kunststoffschicht gebildeten Überhöhung erst durch das Verpressen gemäß Schritt c) erreicht (topographisches Verpressen).

Die erfindungsgemäßen Dichtungen, wie etwa die in den Fig. 2-4 beispielhaft gezeigten Dichtungskonstruktionen, können auch zusätzlich rund um die Verbrennungskammeröffnung 4 angeordnete Sicken aufweisen, die durch die aus Metallring 2 und Kunststoffschicht 3 gebildete Überhöhung vor vollständiger Abflachung geschützt werden. Ferner können die erfindungsgemäßen Dichtungen, z. B. die in den Fig. 2-4 gezeigten Konstruktionen, entweder mit oder ohne zusätzlichen Sicken, mit weiteren gesickten oder ungesickten Blechen kombiniert werden, um zu bevorzugten erfindungsgemäßen Dichtungskonstruktionen zu gelangen.

In Fig. 5 ist wiederum eine einlagige Dichtungskonstruktion gezeigt, bei der die durch einen Metallring 2 und eine erfindungsgemäß ausgebildete Kunststoffschicht 3 gebildete Überhöhung innerhalb einer Sicke 6 (in diesem Falle trapezförmig) der metallischen Lage 1 angeordnet ist. Durch die in Fig. 5 gezeigte Anordnung wird die Sicke 6 vor vollständigem Abflachen im eingebauten Zustand geschützt.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer einlagigen Flachdichtung, bei der die in der metallischen Lage 1 eingeführte trapezförmige Sicke 6 durch die aus dem Metallring 2 und der Kunststoffschicht 3 gebildeten Überhöhung, die unmittelbar um die Verbrennungskammeröffnung angeordnet ist, geschützt wird. Zusätzlich zu der durch den Metallring 2 und die Kunststoffschicht 3 gebildeten Überhöhung kann eine weitere Überhöhung vorhanden sein, die sich auf der der Verbrennungskammer abgewandten Seite der Sicke 6 befindet und durch den Metallring 2' und die Kunststoffschicht 3' gebildet wird. Bei letzterer Konfiguration wird die Sicke 6 auf beiden Seiten von einer Überhöhung flankiert und somit besonders wirksam vor vollständiger Abflachung geschützt.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Dichtung handelt es sich im wesentlichen um eine Konstruktion gemäß Fig. 6. Zusätzlich zu der gesickten metallischen Lage 1 enthält die Dichtung eine metallische Lage 7 in Form eines (weiteren) Außenblechs, die ebenfalls eine Sicke 6' aufweist. Die Scheitelpunkte der in diesem Falle trapezförmig ausgebildeten Sicken 6, 6' weisen zueinander. Durch die durch den Metallring 2 und die Kunststoffschicht 3 gebildete Überhöhung werden die Sicken 6, 6' geschützt.

Fig. 8 zeigt eine Dichtung, die der in Fig. 7 dargestellten ähnelt. Zusätzlich weisen die beiden metallischen Lagen 1, 7 jeweils eine weitere Sicke 8, 8' auf, die in diesem Falle ebenfalls trapezförmig ausgebildet ist. Die Scheitelpunkte der Sicken 8, 8' weisen bei der gezeigten Dichtung voneinander weg.

Bei der in Fig. 9 dargestellten Konstruktion handelt es sich bei der metallischen Lage 1, mit der der Metallring 2 über die Kunststoffschicht 3 verbunden ist, um ein Zwischenblech, das zwischen den beiden Außenblechen 9, 9', die jeweils Sicken 10, 10' aufweisen, angeordnet ist. Die durch den Metallring 2 und die Kunststoffschicht 3 gebildete Überhöhung befindet sich in einer Vertiefung 14 der metallischen Lage 1, die zusätzlich im Bereich der Überhöhung auf ihrer dem Metallring 2 abgewandten Seite einen Vorsprung 13 aufweist. Die Vertiefung 14 und der Vorsprung 13 werden im vorliegenden Fall durch Prägung der metallischen Lage 1 bereitgestellt. Wie in Fig. 9 angedeutet, kann die durch den Metallring 2 und die Kunststoffschicht 3 gebildete Überhöhung ebensogut mit dem Außenblech 9 verbunden sein. Die durch die aus Metallring 2 und Kunststoffschicht 3 gebildete Uberhöhung und der Vorsprung 13 schützen die Sicken 10, 10' der beiden Außenbleche 9, 9'.

Fig. 10 zeigt eine Dichtung entsprechend der Konstruktion gemäß Fig. 9, bei der der Metallring 2 und die metallische Lage 1 im Bereich der durch den Metallring 2 und die Kunststoffschicht 3 gebildeten Überhöhung zusätzlich eine Sicke 11 aufweisen.

Auch die in Fig. 11 dargestellte Dichtung entspricht im wesentlichen der Konstruktion gemäß Fig. 9. Allerdings reicht in diesem Falle der Rand 12 des gesickten Außenblechs 9 nicht in den Bereich der Dichtung hinein, in dem sich die durch den Metallring 2 und die Kunststoffschicht 3 gebildete Überhöhung befindet. Die genannte Überhöhung ist so ausgebildet, daß sie über die Blechstärke der metallischen Lage 9 hinausgeht und somit die Sicke 10 vor deren vollständigen Abflachen im eingebauten Zustand schützt.

Claims (21)

1. Metallische Flachdichtung für einen Verbrennungsmotor, umfassend mindestens eine metallische Lage (1) mit einer oder mehreren Öffnungen entsprechend der Anzahl und Anordnung der Brennkammern und gegebenenfalls der Kühl- und Schmiermitteldurchgänge des Verbrennungsmotors und einen rund um die Verbrennungskammeröffnung(en) (4) angeordneten Metallring (2), der auf die metallische Lage (1) laminiert und mit dieser über eine Kunststoffschicht (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht (3) so ausgebildet ist, daß sie der Dichtung im Bereich des Metallrings (2) plastische, plastisch/elastische oder elastische Eigenschaften verleiht.

2. Flachdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht (3) mindestens einen Duroplasten enthält, insbesondere ein Epoxidharz, ein Silikonharz, ein Polyamidharz, ein Polyamidimidharz oder ein Phenolharz, und gegebenenfalls ein(en) oder mehrere Additive, Vernetzungsmittel, Lösungsmittel oder thermoplastische Zuschlagstoffe.

3. Flachdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht (3) ferner mineralische und/oder metallische bzw. anorganische Füllstoffe enthält.

4. Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Lage (1), mit der der Metallring (2) verbunden ist, und/oder ein weitere metallische Lage (7, 9, 9') der Dichtung eine Sicke (6, 6', 8, 8', 10, 10', 11) im Bereich der Verbrennungskammeröffnung (4) aufweist.

5. Flachdichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Metallring (2) und die Kunststoffschicht (3) gebildete Überhöhung die Sicke (6, 6', 8, 8', 10, 10') im eingebuten Zustand der Dichtung vor dem vollständigen Abflachen schütz.

6. Flachdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Metallring (2) und die Kunststoffschicht (3) gebildete Überhöhung unmittelbar angrenzend an die Verbrennungskammeröffnung (4) angeordnet ist, und sich die Sicke (6, 6', 8, 8', 10, 10'), die sie vor dem vollständigen Abflachen schützt, auf der der Verbrennungskammeröffnung (4) abgewandten Seite der Überhöhung befindet.

7. Flachdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring (2) so gekröpft ist, daß der Abstand seines der Verbrennungskammer abgewandten Randes zu der metallischen Lage, mit der er verbunden ist, geringer ist, als der Abstand seines der Verbrennungskammer zugewandten Randes.

8. Flachdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kröpfung (5) in Umfangsrichtung variiert.

9. Flachdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Kunststoffschicht (3) variiert, so daß die jeweiligen lokalen Pressungsdrücke im eingebauten Zustand der Dichtung infolge des jeweiligen Abstands zu den Zylinderschrauben bzw. die Bauteilsteifigkeit berücksichtigt werden.

10. Verfahren zur Herstellung einer metallischen Flachdichtung für einen Verbrennungsmotor, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

• a) Aufbringen einer Kunststoffschicht (3) rund um die entsprechend der (den) Verbrennungskammer(n) des Verbrennungsmotors vorgesehenen Öffnung(en) (4) einer metallischen Lage (1);
• b) Auflegen eines Metallrings (2) auf die Kunststoffschicht (3);
• c) Verpressen des Metallrings (2) mit der metallischen Lage (1), so daß eine Kunststoffschicht (3) verbleibt, die nach dem Aushärten des Kunststoffs der Dichtung im Bereich des Metallrings (2) plastische, plastisch/elastische oder elastische Eigenschaften verleiht.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) die Kunststoffschicht (3) in eine vorher um die Verbrennungskammeröffnung(en) (4) der metallischen Lage (1) geformte Sicke (6) aufgebracht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) die Kunststoffschicht (3) unmittelbar angrenzend an die Verbrennungskammer­ öffnung(en) (4) auf die metallische Lage (1) aufgebracht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Schritt d) in die Verbrennungskammeröffnung (4) hineinragender Überstand nach Vorvernetzung oder Vollvernetzung der Kunststoffschicht abgestanzt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Schritt die metallische Lage (1) rund um die Verbrennungskammeröffnung (4) gesickt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff zum (vollständigen) Aushärten erwärmt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht (3) mindestens einen Duroplasten enthält, insbesondere ein Epoxidharz, ein Silikonharz, ein Polyamidharz, ein Polyamidimidharz oder ein Phenolharz, und gegebenenfalls ein(en) oder mehrere Additive, Vernetzungsmittel, Lösungsmittel oder thermoplastische Zuschlagstoffe.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschicht (3) ferner mineralische und/oder metallische bzw. anorganische Füllstoffe enthält.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-17, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Kunststoffschicht (3) per Siebdruck, Matrizendruck oder mit einem Dispenser erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-18, wobei das Aufbringen der Kunststoffschicht oder das Verpressen so erfolgt, daß der Kunststoffschicht (3) dabei eine Topographie verliehen wird, die die jeweiligen lokalen Pressungsdrücke im eingebauten Zustand der Dichtung infolge des jeweiligen Abstands zu den Zylinderschrauben bzw. die Bauteilsteifigkeit berücksichtigt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bzw. 12-19, wobei der verwendete Metallring (2) so gekröpft ist, daß der Abstand seines der Verbrennungskammer (4) abgewandten Randes zur metallischen Lage (1), mit der er verbunden ist, geringer ist, als der Abstand seines der Verbrennungskammer zugewandten Randes zur metallischen Lage (1).

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der verwendete Metallring (2) in Umfangsrichtung unterschiedliche Kröpfungshöhen aufweist, über die während dem Verpressungsschritt c) die Schichtstärke der Kunststoffschicht (3) gesteuert wird.