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Die Erfindung betrifft eine Flachdichtung mit mindestens einer Metallblechlage, d. h. eine Flachdichtung, deren Dichtungsplatte im Wesentlichen aus einer oder mehreren, aufeinandergeschichteten Metallblechlagen besteht. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Zylinderkopfdichtung für Hubkolben-Verbrennungsmotoren.
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Für gewisse Anwendungsfälle benötigt eine solche Flachdichtung eine Metallblechlage, deren Dicke (Blechstärke) in einem bestimmten Bereich oder in mehreren Bereichen gegenüber der ursprünglichen Dicke (Ausgangsblechstärke) der Metallblechlage vermindert wurde. Typische Fälle solcher Flachdichtungen sind die folgenden: Ist bei einem Verbrennungsmotor der Umstand zu berücksichtigen, dass der Zylinderkopf und/oder der Motorblock eine örtlich variierende Bauteilesteifigkeit besitzt, empfiehlt es sich, die Dicke der Metallblechlage einer einlagigen Zylinderkopfdichtung bzw. die Gesamtdicke einer mehrlagigen Dichtung örtlich so zu variieren, dass überall die erforderlichen Dichtflächenpressungen erreicht werden (Höhenprofilierung der Dichtung); bei Motoren mit Zylinderlaufbuchsen muss je nach Motorkonstruktion gegebenenfalls dafür Sorge getragen werden, dass die Dichtflächenpressung zwischen der Zylinderkopfdichtung und einer Laufbuchse nicht so groß ist, dass die auf die Laufbuchse übertragenen vertikalen Kräfte zu einer Absenkung der Laufbuchse führen, was sich dadurch verhindern lässt, dass die Dicke der Zylinderkopfdichtung über der Laufbuchse geringer ist als in einem radial außerhalb der Laufbuchse liegenden Bereich der Dichtung.
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Eine örtliche Reduzierung der Dicke einer solchen Metallblechlage lässt sich beispielsweise durch Schleifen oder Abätzen erreichen; diese beiden Verfahren sind jedoch kompliziert und kostspielig. Durch Prägen lässt sich eine für eine Dichtung vorgesehene Metallblechlage, z. B. in einem ringförmigen Bereich um eine Brennraumöffnung herum, in ihrer Dicke gleichfalls nur schlecht reduzieren, und zwar aus folgenden Gründen: Der Werkstoff lässt sich aufgrund der für einen Prägevorgang ungünstigen Querschnittsverhältnisse (geringe Blechdicke im Verhältnis zur großen Blechfläche) nur sehr schwer plastisch verformen, der Verformungsvorgang ist stark abhängig von der Reibung zwischen dem Blech und dem Prägewerkzeug, es sind sehr große Werkzeugkräfte erforderlich, das Blech neigt dazu, radial außerhalb einer ringförmigen, durch Prägen in ihrer Dicke zu reduzierenden Zone Falten zu bilden, und aus allen diesen Gründen ergibt sich eine höchst unbefriedigende Prozesssicherheit.
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Eine einlagige metallische Zylinderkopfdichtung, bei der ein eine Brennraumöffnung umfassender ringförmiger Bereich eine gegenüber der Ausgangsblechstärke reduzierte Blechdicke aufweist, ist aus der
DE 970 950 B bekannt. Bei dieser Zylinderkopfdichtung ist der ringförmige, dickenreduzierte Bereich mit einer die Brennraumöffnung ringförmig umschließenden Sicke versehen, für die der die Ausgangsblechstärke aufweisende, radial außerhalb der Sicke liegende plane Bereich der Metallblechlage aufgrund seiner größeren Dicke als sogenannter Stopper wirkt, der eine übermäßige Abflachung der Sicke bei eingebauter Zylinderkopfdichtung und im Motorbetrieb verhindert. Wie bei dieser bekannten Zylinderkopfdichtung die Dickenreduzierung der Metallblechlage herbeigeführt wurde, lässt sich der
DE PS 970 950 B nicht entnehmen. Hinzugefügt sei noch, dass bei dieser bekannten Zylinderkopfdichtung der die Ausgangsblechstärke aufweisende, d. h. dickere plane Bereich der Metallblechlage bei eingebauter Dichtung im Hauptschluss liegt, der gesickte, dickenreduzierte Bereich hingegen im Nebenschluss – als ein im Hauptschluss liegender Bereich einer Flachdichtung ist ein solcher Dichtungsbereich anzusehen, in dem die eingebaute Dichtung bei vollständiger Verpressung ”auf Block” gepresst ist, d. h. in diesem Bereich gibt es bei eingebauter Zylinderkopfdichtung keine Spalte zwischen der Dichtung und dem Zylinderkopf einerseits und dem Motorblock andererseits sowie zwischen den Lagen der Dichtung, wenn es sich bei dieser um eine mehrlagige Dichtung handelt. Durch einen im Hauptschluss liegenden Bereich einer Flachdichtung werden deshalb bei höchster Pressungsbeanspruchung der Dichtung die höchsten, senkrecht zur Dichtungsebene verlaufenden Kräfte übertragen.
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Aus der
DE 197 51 293 A ergibt sich eine ein- oder mehrlagige metallische Zylinderkopfdichtung, bei der eine Metallblechlage um eine Brennraum-Durchgangsöffnung herum umgebogen und auf sich selbst zurückgefaltet wurde, so dass sich ein diese Durchgangsöffnung ringförmig umschließender Flansch ergibt, der auf der Metallblechlage aufliegt. Vor dem Umbiegen wurde in den später den Flansch bildenden ringförmigen Bereich der Blechlage eine ringförmige Nut eingeprägt, welche nach dem Umbiegen der eigentlichen Metallblechlage zugekehrt ist, und nach dem Umbiegen wurden die eigentliche Metallblechlage und der Flansch so miteinander verpresst, dass sich ringförmige, zu beiden Seiten der Nut liegende Bereiche des Flansches in die eigentliche Metallblechlage eindrücken und dabei Material der eigentlichen Metallblechlage seitlich wegfließt und in die Nut eintritt. Die eigentliche Metallblechlage und der Flansch bilden dann einen verdickten ringförmigen Bereich der Dichtung bzw. einer Dichtungslage, dessen Gesamtdicke kleiner ist als das Doppelte der Ausgangsblechstärke der Lage. Nach Sp. 2, Zeilen 33 bis 35 kann die Dichtungsdicke selektiv variiert werden, so dass man eine konturierte oder wellenähnliche Dichtungsfläche um die Brennraum-Durchgangsöffnung herum erhält. Da die vorstehend erwähnte ringförmige Nut durch Prägen erzeugt wird (ein anderes Herstellungsverfahren wäre auch viel zu kostspielig) und durch den Prägevorgang zwangsläufig eine erhebliche Kaltverfestigung des Materials des später den Flansch bildenden ringförmigen Bereichs der Blechlage erfolgt, zu der noch eine weitere Kaltverfestigung des Materials im Bereich der Biegestelle zwischen der eigentlichen Metallblechlage und dem Flansch hinzukommt, lässt sich der die Brennraum-Durchgangsöffnung umschließende ringförmige Bereich, gebildet von der eigentlichen Metallblechlage und dem Flansch, durch Prägen nur noch außerordentlich schwer mit einer selektiv variierenden Gesamtdicke versehen.
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Die Erfindung betrifft eine Flachdichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie sich aus der
DE 970 950 B ergibt; ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Aufgabe der Erfindung war es, eine solche Flachdichtung bzw. ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, welche bzw. welches sich einfacher und mit größerer Prozesssicherheit herstellen bzw. durchführen lässt.
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Diese Aufgabe lässt sich erfindungsgemäß durch eine Flachdichtung gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 lösen.
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Eine erfindungsgemäße Flachdichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der durch Prägen mindestens partiell dickenreduzierte Bereich mit mindestens einem vorgefertigten fensterartigen oder randoffenen Ausschnitt versehen ist, der einen Ausweichraum für das beim Prägen verdrängte Material bildet, wobei in der fertigen Dichtung der Ausschnitt demnach nicht mehr seine ursprüngliche, vor dem Prägevorgang vorhandene Form hat, jedoch wird der Ausschnitt normalerweise durch das beim Prägen verdrängte Material nicht vollständig zum Verschwinden gebracht, auch wenn dies je nach Gestalt und Größe des Ausschnitts nicht völlig ausgeschlossen werden soll.
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Durch den vorgefertigten, das heißt vor dem Prägevorgang erzeugten Ausschnitt (in der Regel wird es sich um mehrere Ausschnitte handeln) wird es dem Material der Blechlage erleichtert, während des Prägevorgangs seitlich wegzufließen, so dass für den Prägevorgang erheblich geringere Werkzeugkräfte erforderlich sind; ferner kann durch die Gestaltung und Anordnung des Ausschnitts bzw. der Ausschnitte vorgegeben werden, in welcher Richtung das Material während des Prägevorgangs wegfließt, und schließlich lässt sich durch einen solchen Ausschnitt bzw. solche Ausschnitte vermeiden, dass die Metallblechlage neben dem durch Prägen dickenreduzierten Bereich wellig wird oder gar eine Falte bildet. Auch führt die Erfindung dazu, dass der Einfluss der Reibungsverhältnisse zwischen der Metallblechlage und dem Prägewerkzeug auf den Verlauf des Prägevorgangs deutlich vermindert wird.
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Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, kann in einer Flachdichtung ein erfindungsgemäß dickenreduzierter Bereich überall dort vorgesehen werden, wo bei eingebauter Dichtung geringere Dichtflächenpressungen zwischen der Dichtung und den durch diese gegeneinander abzudichtenden Bauteilen erwünscht sind oder wo es darum geht, die Dicke der Metallblechlage bzw. die Gesamtdicke einer mehrlagigen Flachdichtung an die örtlich unterschiedliche Bauteilesteifigkeit der durch die Dichtung gegeneinander abzudichten Bauteile anzupassen, um die Dichtflächenpressung über die Flachdichtung zu vergleichmäßigen. Die Erfindung betrifft jedoch in jedem Fall diejenigen Bereiche einer Metallblechlage, welche eine abzudichtende Durchgangsöffnung bzw. abzudichtende Durchgangsöffnungen der Flachdichtung umgeben, und diesbezüglich wird auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Flachdichtung verwiesen.
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Die Ausschnitte haben insbesondere die Form von Ausstanzungen. Ist die Metallblechlage um eine Durchgangsöffnung herum auf sich selbst zurückgebogen bzw. zurückgefaltet und bildet so einen sogenannten Bördelfalz mit einem Blechring-artigen Flansch, oder ist auf die Metallblechlage um eine Durchgangsöffnung herum ein diese umfassender Blechring aufgeschweißt, können die Ausschnitte aber auch an dem von der Durchgangsöffnung abgewandten, d. h. radial äußeren Rand des vom Bördelfalz gebildeten Blechrings bzw. des aufgeschweißten Blechrings (in diesem Fall auch am radial inneren Rand des Blechrings) vorgesehen sein, so dass der Randbereich dieses Blechrings mit randoffenen Ausschnitten versehen ist und beispielsweise ein zahnradartiges Profil aufweist – auch solche randseitigen Aus- oder Einschnitte erleichtern ein Verdrängen des Materials des Blechrings während des Prägevorgangs radial nach außen (bezüglich der vom Blechring umschlossenen Durchgangsöffnung).
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und/oder aus der nachfolgenden Beschreibung sowie der beigefügten zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsformen einer Flachdichtung bzw. einer Metallblechlage für eine Flachdichtung. In der Zeichnung zeigen:
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1 einen Teil einer nicht erfindungsgemäßen einlagigen Zylinderkopfdichtung oder einer nicht erfindungsgemäßen Lage einer mehrlagigen Zylinderkopfdichtung im Querschnitt, wobei dieser Teil an eine Brennraum-Durchgangsöffnung der Zylinderkopfdichtung angrenzt und Prägewerkzeuge zur partiellen Dickenreduzierung der dargestellten Metallblechlage angedeutet wurden;
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2 und 3 zwei weitere nicht erfindungsgemäße Ausführungsformen einer Metallblechlage in einer der 1 entsprechenden Schnittdarstellung, jedoch ohne Prägewerkzeuge, und
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4 bis 8 fünf Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen einlagigen Zylinderkopfdichtung oder einer erfindungsgemäßen Lage einer mehrlagigen Zylinderkopfdichtung.
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Die 1 zeigt einen Teil einer als Ganzes mit 10 bezeichneten Metallblechlage mit einer Brennraum-Durchgangsöffnung 12, deren Achse mit 14 bezeichnet wurde. Um die Brennraum-Durchgangsöffnung 12 herum ist die Metallblechlage 10 auf sich selbst zurückgebogen und bildet so einen die Brennraum-Durchgangsöffnung 12 kreisringförmig umschließenden Bördelfalz 16 mit einer gleichfalls kreisringförmigen Biegestelle 18 und einem einen Blechring 20 bildenden Flansch. Zwischen der Biegestelle 18 und dem radial äußeren Rand 22 des Blechrings 20 wurde in dessen Oberseite mittels eines nicht dargestellten Prägewerkzeugs eine die Brennraum-Durchgangsöffnung 12 kreisringförmig umschließende Nut 24 eingeprägt, wobei dieser Prägevorgang vor oder nach der Herstellung des Bördelfalzes 16 durchgeführt worden sein konnte.
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In 1 ist ferner ein Prägewerkzeug angedeutet; dieses Prägewerkzeug hat einen ersten und einen zweiten Prägestempel 26a bzw. 26b, welche in vertikaler Richtung beweglich sein sollen, sowie ein Widerlager in Form einer Auflageplatte 26c für die Metallblechlage 10. Die beiden Prägestempel 26a und 26b bilden untere, kreisringförmige und zur Achse 14 der Brennraum-Durchgangsöffnung 12 konzentrische Druckflächen 26a' bzw. 26b' zum Einwirken auf den Bördelfalz 16, obwohl für gewisse Anwendungsfälle auch Ausführungsformen in Frage kommen, bei denen der Prägestempel 26a und/oder der Prägestempel 26b kein durchgehendes, kreisringförmiges Teil bildet. Wesentlich an der in 1 dargestellten Ausführungsform eines Prägewerkzeugs ist der Umstand, dass sich keiner der Prägestempel über beide Bereiche des Blechrings 20 erstreckt, welche durch die Nut 24 voneinander getrennt werden. Andererseits sei aber auch erwähnt, dass an die Stelle der beiden Prägestempel 26a und 26b ein einziger Prägestempel treten kann, welcher die Nut 24 überbrückt.
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Mit den Prägestempeln 26a und 26b lässt sich nun durch Prägen die Dicke vor allem des Blechrings 20 gegenüber der Ausgangsblechstärke der Metallblechlage 10 reduzieren, gegebenenfalls in geringerem Maße auch die Dicke des unter dem Blechring 20 liegenden Ringbereichs der Metallblechlage 10. Der Vorteil der in 1 dargestellten Ausführungsform eines Prägewerkzeugs ist vor allem darin zu sehen, dass sich infolge der beiden Prägestempel 26a und 26b die für die gewünschte Verformung erforderlichen Werkzeugkräfte reduzieren lassen. Gegebenenfalls kann die Verformung des gemäß 1 links von der Nut 24 liegenden Bereichs auch vor oder nach der Verformung des gemäß 1 rechts der Nut 24 hegenden Bereichs des Blechrings 20 erfolgen, und es ist grundsätzlich auch denkbar, mit ein und demselben Prägestempel den Bördelfalz 16 zunächst auf der einen und dann auf der anderen Seite der Nut 24 einem Prägevorgang zu unterwerfen.
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Die Nut 24 bildet einen Ausweichraum für das durch den Prägevorgang bzw. die Prägevorgänge verdrängte Material – die 1 stellt die Nut vor dem Prägen dar, sie hat nach dem Prägen selbstverständlich eine andere Querschnittsform, d. h. die Größe der von der Nut gebildeten Aussparung nimmt im Zuge des Prägens des Bördelfalzes 16 ab. Beim Prägen des gemäß 1 rechts von der Nut 24 liegenden Bereichs des Blechrings 20 führt die Nut zu Folgendem: An der Biegestelle 18 wurde das Material der Metallblechlage 10 durch das Umbiegen verfestigt, so dass beim Prägen des gemäß 1 rechten Bereichs des Blechrings 20 das verdrängte Material nur geringfügig gemäß 1 nach rechts ”wegfließen” kann, wohl aber nach links in den Bereich der Nut 24 hinein, so dass durch den von der Nut gebildeten Ausweichraum der Prägevorgang, d. h. die Dickenreduzierung, wesentlich erleichtert wird.
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Die untere Druckfläche des Prägestempels bzw. die Druckfläche 26a' und/oder die Druckfläche 26b' der Prägestempel 26a, 26b soll mit einem Höhenprofil versehen sein, und gleiches gilt für die Oberseite der Auflageplatte 26c, um zu bewirken, dass die Metallblechlage 10 bzw. der Bördelfalz 16 bereichsweise gar nicht oder in geringerem Maß dickenreduziert wird als in anderen Bereichen. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass die Metallblechlage bzw. der Bördelfalz um die Brennraum-Durchgangsöffnung 12 herum eine örtlich variierende Dicke besitzt.
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Da sich die in den 2 bis 6 dargestellten Ausführungsformen von der Ausführungsform gemäß 1 nur in der Art, Anzahl und gegebenenfalls Anordnung der Aussparungen unterscheiden, welche Ausweichräume für das beim Prägen verdrängte Material bilden, werden im folgenden die 2 bis 6 nur noch insoweit beschrieben, als sie von der Ausführungsform gemäß 1 abweichen.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die Nut 24 in dem unter dem Blechring 20 liegenden Ringbereich der Metallblechlage 10 vorgesehen, und es versteht sich von selbst, dass bei dieser Ausführungsform die Nut 24 hergestellt werden muss, ehe die Metallblechlage zur Bildung des Bördelfalzes 16 auf sich selbst zurückgefaltet wird.
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Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform sind zwei Nuten 24' und 24” vorgesehen, welche beide im Innern des Bördelfalzes 16 und einander gegenüberliegen. Natürlich müssen auch diese beide Nuten hergestellt werden, ehe die Metallblechlage zur Bildung des Bördelfalzes auf sich selbst zurückgebogen wird.
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Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen nach den 4 bis 6 haben die Ausschnitte, welche Ausweichräume für das beim Prägen verdrängte Material bilden, die Form von fensterartigen Ausstanzungen, welche um die Brennraum-Durchgangsöffnung 12 herum einen ringförmigen Kranz von im Abstand voneinander angeordneten Ausstanzungen bilden. Bei der Ausführungsform nach 4 liegen die Ausstanzungen 124 im Blechring 20 des Bördelfalzes 16, bei der Ausführungsform nach 5 liegen die Ausstanzungen 124 in dem unter dem Blechring 20 liegenden Ringbereich der Metallblechlage 10, und bei der Ausführungsform nach 6 sind sowohl im Blechring 20, als auch in dem unter diesem liegenden Ringbereich der Metallblechlage 10 Ausstanzungen 124 vorgesehen, welche jedoch zweckmäßigerweise so gegeneinander versetzt angeordnet werden, dass die Ausstanzungen nicht miteinander fluchtend bzw. deckungsgleich übereinanderliegen.
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Bei der in 7 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform haben die Ausschnitte die Gestalt von randoffenen Ausstanzungen 224, welche sich erfindungsgemäß vom radial äußeren Rand 22 des Blechrings 20 in den Letzteren hineinerstrecken. Insbesondere hat der radial äußere Randbereich des Blechrings 20 eine Zahnrad-ähnliche Kontur.
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Die erfindungsgemäße Ausführungsform nach 8 unterscheidet sich von derjenigen nach 7 nur dadurch, dass an die Stelle eines von einem Bördelfalz gebildeten Blechrings ein als separates Teil hergestellter Blechring 20' tritt, welcher mittels einer Laserschweißnaht 50 mit der Metallblechlage 10 verbunden wurde. Die als randoffene Ausstanzungen gestalteten Ausschnitte wurden wieder mit 224 bezeichnet und könnten auch im radial inneren Randbereich des Blechrings 20' vorgesehen sein.
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Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, kann der von der Metallblechlage 10 und dem Blechring 20 bzw. 20' gebildete Bereich einen höhenprofilierten sogenannten Stopper für eine elastisch deformierbare Sicke bilden, welche radial außerhalb des Blechrings 20 bzw. 20' in der Metallblechlage 10 oder in einer weiteren Metallblechlage der Dichtung ausgebildet wurde, wobei diese weitere Metallblechlage über der Metallblechlage 10 und dem Blechring liegt und die Sicke mit ihrer konvexen Seite in Richtung auf die Metallblechlage 10 vorspringt.
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Angefügt sei noch, dass an die Stelle der Ausstanzungen 224 auch Ausschnitte treten können, welche beispielsweise mittels eines Lasers ausgeschnitten wurden.
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Insbesondere dann, wenn der dickenreduzierte Bereich der Flachdichtung einen höhenprofilierten Stopper bildet, liegt dieser Bereich bei eingebauter Dichtung im sogenannten Hauptschluss.
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Wie ein Vergleich der vorliegenden Erfindung mit der Dichtung nach der
DE 970 950 B erkennen lässt, muss es sich bei dem erfindungsgemäß dickenreduzierten Bereich natürlich keineswegs um einen Bördelfalz oder einen mehrlagigen Bereich (wie in
8) handeln, sondern es kann sich auch um einen Bereich einer Metallblechlage handeln, welche in diesem Bereich weder umgebördelt, noch aufgedoppelt wurde.
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Auch können die erfindungsgemäß vorzusehenden Ausschnitte Rückhalteräume für Öl oder eine andere Flüssigkeit bilden, insbesondere dann, wenn die Ausschnitte an einer der beiden Hauptoberflächen der Metallblechlage liegen.
