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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elastische Dichtung zur statischen
Abdichtung von Kunststoffbauteilen auf dem Gebiet der Brennkraftmaschinen,
zum Beispiel einer aus Kunststoff bestehenden Zylinderkopfhaube.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine mit einem derartigen
Bauteil integrierte Dichtung.
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Dünnwandige
Deckel für
Bennkraftmaschinen, wie zum Beispiel Ventildeckel oder Zylinderkopfhauben
weisen elastische Dichtungen zur statischen Abdichtung auf. Die
bekannten Dichtungen an Zylinderkopfhauben werden in der Regel eingeknöpft oder direkt
an die Zylinderkopfhaube anvulkanisiert. Bei den anvulkanisierten
Dichtungen wird das Elastomer entweder in eine vorhandene Nut eingespritzt
und mechanisch verklemmt (
DE
42 02 860 ) bzw. formschlüssig verklemmt (
DE 197 38 275 ) oder durch ein Haftmittel
an die Oberfläche
gebunden (
GB 12 63 077 ).
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Auf
dem Gebiet der Brennkraftmaschinen besteht jedoch derzeit ein wachsender
Bedarf an Dichtungen, die fest mit abzudichtenden Bauteilen verbunden
sind. Derartige integrierte Dichtungen haben den Vorteil, dass größere Systembestandteile
in einem so genannten Modul vorgefertigt geliefert werden können. Die
Verbindung bzw. Integration von Dichtung und Bauteil oder Deckel
weist ferner technische Vorteile wie Formstabilität der Dichtung,
vorteilhafte Handhabung während
Produktion und Montage etc. auf. Typische Bauteile, an die Dichtungen
direkt angespritzt werden, um die vorstehend beschriebene Verbindung
von Bauteil und Dichtung zu erhalten, umfassen überwiegend Bauteile aus Metalldruckguss
oder Stahlblech wie zum Beispiel Zylinderkopfhauben oder Ölwannen.
Für derart
direkt angespritzte Dichtungen wird herkömmlich ein Haftvermittler verwendet,
der die notwendige Bindung zwischen Metall (Druckguss oder (Stahl-)Blech)
und Dichtung vermittelt.
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Bauteile
aus Kunststoffe, die sich vor allem durch ihre niedrige Dichte auszeichnen,
ersetzen in zunehmendem Masse deren Pendant aus Metall mit der Maßgabe, eine
Gewichtsreduktion zu erhalten, die sich unmittelbar vorteilhaft
auf den Brennstoffverbrauch der Brennkraftmaschinen auswirkt. Direkt
auf derartigen aus Kunststoff bestehenden Bauteilen von Brennkraftmaschinen
gespritzte Dichtungen sind bisher nicht geläufig.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein aus Kunststoff bestehendes Bauteil
einer Brennkraftmaschine mit einer direkt angespritzten Dichtung
bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung,
eine aus Kunststoff bestehende Zylinderkopfhaube mit direkt angespritzter
bzw. integrierter Dichtung bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird nach der Lehre der vorliegenden Erfindung gelöst, indem
ein Deckelbauteil einer Brennkraftmaschine mit integrierter elastischer Dichtung,
wie zum Beispiel eine Zylinderkopfhaube oder Ölwanne bereitgestellt wird.
Das Bauteil weist einen umlaufenden Flanschbereich zum Anordnen der
integrierten Dichtung auf. Das Bauteil basiert auf einem Kunststoff-Werkstoff,
während
die Dichtung im wesentlichen aus einem organischen Elastomerwerkstoff
gebildet ist. Das Bauteil sowie die Dichtung sind miteinander chemisch
verbunden.
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Erfindungsgemäß kann der
Flanschbereich im wesentlichen L-förmig ausgebildet sein, so dass die
Dichtung mit ihrem Dichtungsprofil auf einer Dichtungsfläche des
Flachbereichs angeordnet ist. Ferner umgreift die Dichtung den Flanschbereich
lateral, so dass die Dichtung zumindest teilweise auf der oberen
Flanschfläche
angeordnet ist.
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Vorzugsweise
ist das Bauteil aus Polyamid hergestellt. Vorteilhafterweise weist
der Elastomerwerkstoff der Dichtung eine Mooney-Viskosität ML (1+4)
bei 100°C
in einem Bereich von ungefähr
20 bis 100 und insbesondere in einem Bereich von ungefähr 25 bis
50 auf. Insbesondere ist der organische Elastomerwerkstoff ein Kautschuk
wie zum Beispiel ein Fluorkautschuk oder ein Acrylatkautschuk. Bevorzugt
besteht der organische Elastomerwerkstoff aus Polyacrylat (ACM)
oder Ethylenacrylat (AEM). Vorteilhafterweise basiert ein Vernetzungssystem
des organischen Elastomers auf Hexamethylendiamincarbamat oder N,N'-Di-Ortho-Tolylguanidin. Erfindungsgemäß kann die
chemische Bindung zwischen dem Bauteil und dem organischem Elastomerwerkstoff
der Dichtung durch einen Haftvermittler vermittelt werden.
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Bevorzugt
ist das Bauteil dünnwandig
ausgebildet.
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Erfindungsgemäß kann der
Flanschbereich ein oder mehrere Durchgänge aufweisen, die mit dem
organische Elastomerwerkstoff der Dichtung gefüllt sind, so dass ein auf der
Dichtungsfläche
angeordnete Teil der Dichtung mit einem der oberen Flanschfläche angeordnete
Teil der Dichtung mechanisch koppelbar ist. Weiterhin erfindungsgemäß kann das
Bauteil eine oder mehrere Versteifungsstrukturen aufweisen, die
von der Dichtung umfasst sind.
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Vorzugsweise
wird die Dichtung durch Aufspritzen auf das Bauteil aufgebracht.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren bereitgestellt, um ein Deckelbauteil einer Brennkraftmaschine
mit integrierter elastischer Dichtung, wie zum Beispiel einer Zylinderkopfhaube
oder Ölwanne
zu fertigen. Das Bauteil mit einem umlaufenden Flanschbereich zum
Anordnen der Dichtung wird bereitgestellt und die aus einem organischen
Elastomerwerkstoff bestehende Dichtung wird mittels eines Spitzwerkzeugs
aufgebracht. Das Bauteil und die Dichtung gehen miteinander eine
chemische Verbindung ein.
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Vorzugsweise
ist das Spitzwerkzeugs derart ausgebildet, dass die resultierende
Dichtung mit ihrem Dichtungsprofil auf einer Dichtungsfläche des Flachbereichs
angeordnet ist und den Flanschbereich lateral umgreift, so dass
die Dichtung zumindest teilweise auf der oberen Flanschfläche angeordnet ist.
Der Flanschbereich ist hierfür
im wesentlichen L-förmig
ausgebildet. Weiterhin kann das Bauteil auf eine Temperatur in einem
Bereich von ungefähr 100°C bis 150°C vorgeheizt
bereitgestellt sein.
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Die
Erfindung wird anhand nachfolgender Zeichnungen beispielhaft anhand
einer Ausführungsform
der Erfindung näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
erste schematische perspektivische Schnittansicht einer Bauteils
mit integrierter Dichtung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
zweite schematische perspektivische Schnittansicht des Bauteils
nach 1 mit Verschraubungspunkt; und
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3 eine
dritte schematische perspektivische Schnittansicht des Bauteils
nach 1 und 2 mit Verschraubungspunkt und
Blick auf das Dichtungsprofil.
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In
den Figuren wie auch in der Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen
verwendet, um gleiche oder ähnliche
Bauteile oder Elemente zu bezeichnen.
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Unter
Bezug auf 1 ist ein aus Kunststoff bestehendes
Bauteil einer Brennkraftmaschine mit integrierter Dichtung gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beispielhaft ausgeführt. Der dargestellte Bauteilausschnitt
nach 1 könnte konkret
ein Deckel, eine Zylinderkopfhaube, eine Ölwanne oder dergleichen sein.
Das mit integrierter Dichtung versehene Bauteil ist im allgemeinen
als 100 in den Figuren bezeichnet, während die angespritzte Dichtung,
die in dieser Ausführungsform
beispielhaft als Doppellippen-Dichtung ausgeführt ist, als 200 bezeichnet
ist. Das Dichtprofil der Doppellippen-Dichtung ist als 210 in
den Figuren benannt.
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Selbstverständlich sind
ebenfalls Dichtprofile mit einer Dichtlippe oder mehreren Dichtlippen
möglich.
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Das
Bauteil 100, d.h. beispielsweise der Deckel, die Zylinderkopfhaube,
die Ölwanne
etc, ist wie vorstehend beschrieben aus Kunststoff gefertigt, vorzugsweise
aus einem Polyamid. Als Dichtungssubstanz werden Elastomere verwendet,
insbesondere vorzugsweise ausgewählte
organische Elastomere und keine herkömmlichen anorganischen Elastomere
wie zum Beispiel Silikon. Aus dem Bereich der organischen Elastomere
werden vor allem Kautschuke wie zum Beispiel Fluorkautschuke (FPM),
Acrylatkautschuke, Polyacrylat-Acrylharze, Polyacrylate (ACM) und
Ethylenacrylate (AEM) bevorzugt verwendet. Für den Spitzprozess ist unter
anderem die Viskosität
und insbesondere die Mooney-Viskosität, d.h. ein Maß für die Scherviskosität, der verwendeten
organischen Elastomere zu berücksichtigen.
Je nach Werkstoffwahl und Shore A Härte sollte die Mooney-Viskosität ML (1+4)
der organischen Elastomere, gemessen bei 100°C, günstigerweise in einem Bereich
von ungefähr
20 bis 100 liegen. Um eine chemische Bindung zwischen dem aus Kunststoff
bestehenden Bauteil und der angespritzten Dichtung aus AEM oder
ACM zu gewährleisten,
sollte die Mooney-Viskosität
(ML (1+4) bei 100°C)
bei dieser Werkstoffwahl im Bereich von ungefähr 25 bis 50 liegen.
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Die
Verbindung von Bauteil aus Kunststoff und Dichtung aus einem Elastomer
kann durch direkte Haftung der Werkstoffe aneinander oder mit Hilfe eines
zusätzlich
aufgebrachten Haftvermittlers erfolgen. Alternativ kann der Kunststoff
des Bauteils bzw. das Elastomer der Dichtung modifiziert werden,
um die Haftung in Form zum Beispiel einer chemischen Bindung zu
ermöglichen.
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Ferner
ist für
eine chemische Bindung zwischen Bauteil und angespritzter Dichtung
vorzugsweise ein geeignetes Vernetzungssystem des Elastomers zu
wählen,
das chemisch kompatible bzw. eine geeignete chemische Verbindung
eingeht. Für ein
aus Polyamid bestehendem Bauteil könnte das Vernetzungssystem
auf der Basis von Hexamethylendiamincarbamat und N,N'-Di-Ortho-Tolylguanidin ausgeführt sein,
um die chemische Verbindung des Polyamid mit dem Elastomer zu gewährleisten.
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Eine
gute chemische Bindung zwischen dem Bauteil aus Kunststoff und der
angespritzten Dichtung wird ferner vorzugsweise durch vorwärmen des Bauteils
gewährleistet.
Geeigneterweise wird das Bauteil vor dem aufspritzen der Dichtung,
d.h. dem Spritzprozess, auf eine Temperatur in dem Bereich von ungefähr 100°C bis 150°C erwärmt.
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Abschließend ist
zu bemerken, dass die Kombination von Kunststoff des Bauteils und
Elastomer der Dichtung, den integriert mit dem Bauteil vorgesehen
ist, den Anforderungen der Einsatzumgebung zu genügen haben.
Das heißt,
dass die Anforderungen unter anderem bestimmend für die Auswahl
des Kunststoffs bzw. des Elastomers sind. Insbesondere sind Temperaturbeanspruchung,
Kriecheffekte des Werkstoffs (Bauteilwerkstoffs, Dichtungswerkstoffs)
und Steifigkeit zu Berücksichtigen.
Ebenso ist die Zusammenwirkung von dem Bauteil mit dem weiteren
Bauteil, gegen das die Dichtung erfolgen soll bzw. gegen dessen
Oberfläche
die Dichtung erfolgen soll, zu berücksichtigen. Insbesondere sind unterschiedliche
physikalische Eigenschaften der für die Bauteile verwendeten
Werkstoffe in diesem Zusammenhang von Interesse. So kann das aus
Kunststoff bestehende, mit integrierter Dichtung versehene Bauteil
gegen ein aus Metall gefertigtes Bauteil dichten, wobei die physikalischen
Eigenschaften insbesondere im Hinblick auf temperatur-bedingte differierende
Expansionseigenschaften und differierende Steifigkeitseigenschaften
zu berücksichtigen
sind.
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In
Zusammenwirkung mit der vorstehend beschriebenen chemischen Bindung
der angespritzten Dichtung auf Basis eines organischen Elastomers
an das Bauteil aus Kunststoff wird eine vorteilhafte neuartige Geometrie
des Bauteils mit integrierter Dichtung im Rahmen der vorliegenden
Erfindung vorgeschlagen. Die neuartige Geometrie betrifft den Flanschbereich
des Bauteils, in dem die integrierte Dichtung angeordnet ist. Unter
Bezug auf 1 ist in der perspektivischen
Schnittansicht, eine Querschnittfläche 120 des Bauteils
schematisch dargestellt. Der Flanschbereich des Bauteils ist mit
einem L-förmigen Überstand
nach außen
hin ausgebildet, d.h. der Flanschbereich ist L-förmig ausgebildet. Der L-förmige Überstand
ist in den Figuren im allgemeinen als 130 gekennzeichnet.
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Der
Flanschbereich weist eine untere Flanschfläche, im folgenden ebenso als
Dichtungsprofilfläche
bezeichnet, die im montierten Zustand des Bauteils in Richtung auf
eine Dichtungsgegenfläche
eines Gegen- oder Konterbauteils (nicht gezeigt) gerichtet ist und
eine obere Flanschfläche
auf, die parallel zu der unteren Fläche angeordnet ist und im montierten
Zustand weg von Dichtungsgegenfläche des
Gegen- oder Konterbauteils gerichtet.
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Die
Dichtung ist um den Flanschbereich herumgezogen. Das heißt dass
die Dichtung, deren Dichtprofil aus der Dichtungsprofilfläche angeordnet ist,
umfasst lateral nach außen
hin den L-förmigen Überstand
des Flanschbereichs, so dass eine seitliche Flanschfläche des
Flanschbereichs von der Dichtung decket ist, und ist zumindest teilweise
die obere Flanschfläche
des L-förmigen Überstands
des Flachbereichs überdeckend
angeordnet. Auf der oberen Flanschfläche ist eine Abdichtkante 300 vorgesehen,
bis zu der der Elastomer-Werkstoff der Dichtung geführt wird
und mit der die Dichtung vorzugsweise nach oben hin flächig abschließt. Weiterhin
weist die Dichtung ebenfalls eine Dichtkante 310 auf, die
auf der Dichtungsprofilfläche
angeordnet verläuft.
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Die
lateral den Flanschbereich umfassende Dichtung weist zudem den Vorteil
auf, dass die Dichtung bzw. das Dichtungsprofil mehr in Richtung
auf die laterale Kante des Bauteils angeordnet werden kann, so dass
der Flanschbereich besser ausgenutzt werden kann. Die ist nicht
der Fall, wenn die Dichtung vollständig auf der Dichtprofilfläche bzw.
der unteren Flanschfläche
angeordnet wäre
und dort dementsprechend beidseitig abgeprägt würde. In der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Geometrie ist die Dichtung nur einseitig, der lateralen Kante gegenüberliegend
abgeprägt.
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Das
Werkzeug bzw. das Spitzwerkzeug zum Ausbringen der gespritzten Dichtung
mit vorstehend beschriebener Dichtungsgeometrie ist mit Abprägebereichen
in Entsprechung mit der Abdichtkante 300 auf der oberen
Flanschfläche
und einer Dichtkante 310 auf der unteren Flanschfläche bzw.
der Dichtungsprofilfläche
versehen. In den Abprägebereichen dichtet
das Werkzeug während
des Spritzprozesses gegen das Bauteil ab, so dass die vorstehend
erläuterte
Dichtungsgeometrie, die eine Umfassung des Flachbereichs vorsieht,
erhalten wird.
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Zur
mechanischen Versteifung von Bauteilen aus Kunststoff, wie sie hier
diskutiert werden, werden oftmals zusätzliche Versteifungsrippen 110 oder
andere Versteifungsstrukturen gleicher Funktion einsetzt, um den
Flanschbereich des Bauteils zu versteifen, um die Dichtwirkung der
Dichtung zu gewährleisten
bzw. zu verbessern. Beispielhaft ist in 1 eine Versteifungsrippe 110 illustriert.
Die den Flansch umfassende bzw. umlaufende Dichtung umfasst bzw. umläuft die
Versteifungsrippe 110, die ebenso von einer Abdichtkante 305,
die in Verbindung mit der Abdichtkante 300 steht, umlaufen
wird.
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Das
vorstehend erläuterte
Werkzeug bzw. das Spitzwerkzeug ist in Entsprechung mit dem Verlauf
der Abdichtkanten 300 und 305 abgepasst, um die
vorstehend ausgeführte
Umfassung der Versteifungsrippen 110 bzw. der Versteifungsstrukturen durch
die Dichtungsgeometrie zu ermöglichen.
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2 zeigt
eine zweite schematische perspektivische Schnittansicht des Bauteils
entsprechend der in 1 illustrierten Ausführungsform.
Die in 2 dargestellte Schnittansicht zeigt im wesentlichen
eine Aufsicht auf die obere Flanschfläche und einen in dem Bauteil
zu dessen Montage vorgesehenen Verschraubungspunkt 150.
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Zur
beispielhaften Illustration ist das Bauteil mit drei Versteifungsrippen 110 versehen,
die jeweils eine an die Geometrie der Versteifungsrippen 110 angepasste
Abdichtkante (305) aufweisen und von der Dichtung wie vorstehend
beschrieben umfasst werden.
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Der
Verschraubungspunkt 150 zeigt beispielhaft eine Möglichkeit
auf, einen Augenbereich bzw. eine Durchführung bereitzustellen, mittels
dessen das Bauteil an dem Konterbauteil befestigt werden kann. Vorteilhafterweise
dient der Verschraubungspunkt 150 zur Durchführung einer
Schraube die in das Konterbauteil eingeschraubt wird, um das Bauteil mit
dem Dichtprofil der Dichtung gegen das Konterbauteil zu fixieren.
Bei der Fixierung wird üblicherweise
eine vorbestimmte Anpresskraft eingestellt. Zur mechanischen Stabilisierung
und/oder Versteifung eines derartigen Verschraubungspunkts 150 kann eine
Verstärkung 140 wie
beispielsweise eine Hülse vorgesehen
sein, die vorzugsweise aus einem Kunststoff-Werkstoff oder metallischen
Werkstoff gefertigt sein kann. Derartige Durchführungen bzw. Verschraubungspunkte 150 sind
vorteilhafterweise im wesentlichen im Flanschbereich angeordnet,
so dass die vorbestimmten Anpresskräfte, die durch die Fixierung
des Bauteils anhand der Verschraubungspunkte 150 erzeugt
werden, möglichst
unmittelbar auf die Dichtung bzw. das Dichtungsprofil wirken.
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Ergänzend können bei
derartigen Durchführungen
(bzw. Verschraubungspunkten 150) Entkopplungselemente zur
akustischen Entkopplung des Bauteils von dem Konterbauteil und/oder
Abstandhalter vorgesehen sein. Die Entkopplungselemente bzw. die
Abstandhalter können
hierbei zusammen mit der Dichtung angespritzt werden oder aus einem anderen
Werkstoff mit eventuell verschiedener Shore A Härte gebildet sein. Die Entkopplungselemente bzw.
die Abstandhalter können
somit ebenfalls integriert vorgesehen sein.
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Abschließend zeigt 3 eine
dritte schematische perspektivische Schnittansicht des Bauteils entsprechend
der in 1 bzw. 2 illustrierten Ausführungsform.
Die in 3 dargestellte Schnittansicht zeigt im wesentlichen
eine Aufsicht auf die Dichtprofilfläche, d.h. die untere Flanschfläche, und den
Verschraubungspunkt 150 mit Hülse 140. In der perspektivische
Schnittansicht von 3 ist das Doppellippen-Profil
der Dichtung deutlich zu erkennen. Die Dichtung wird im Bereich
des Verschraubungspunkts 150 um den Verschraubungspunkt 150 mit
Hülle 140 herum
geführt.
Bei ausreichendem Platz wird die Dichtung als Dichtlippen herumgeführt. Alternativ
ist es jedoch ebenfalls möglich,
an Engstellen, insbesondere im Bereich von Verschraubungspunkten,
wie der Verschraubungspunkt 150 das Dichtungsprofil in
Form einer Doppellippe zusammenzuführen, so dass zumindest bereichsweise
das Dichtungsprofil als Einzellippe ausgeführt ist. Äquivalentes gilt natürlich ebenso
für mehrlippige
Ausführungen
des Dichtungsprofil, das an Engstellen auf eine reduzierte Zahl
an Dichtungslippen zusammengeführt
werden kann.
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Vorteilhafterweise
kann der Flanschbereich mit zusätzlichen
Durchgängen 220 versehen
sein. Derartige Durchgänge
können
beispielsweise während
des Spritzprozesses zum Ausbringen der Dichtung mit dem Elastomer
gefüllt
werden, so dass eine unmittelbare Kopplung von auf der oberen Flanschfläche aufgebrachter
Dichtung und auf der unteren Flanschfläche aufgebrachter Dichtung
erhalten wird, die eine Stabilisierung der Dichtungsgeometrie ergänzend zu
der Bindung von Dichtung und Bauteil bewirkt. Alternative kann eine
mechanische Fixierung der Dichtung in vorstehend beschriebener Wirkung
ebenfalls durch eine zusätzliches
Fixierelement erhalten werden, das in die Durchgänge 220 eingreift oder
durch die Durchgänge 220 durchgreift.