DE102004054815B4

DE102004054815B4 - Metallische Flachdichtung, Verfahren zur Abdichtung von Bauteilen sowie Verwendung der metallischen Flachdichtung

Info

Publication number: DE102004054815B4
Application number: DE102004054815A
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl.-Ing. Blersch (FH); Jürgen Dipl.-Phys. Schneider; Günther Dipl-Ing. Unseld (FH)
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2024-11-13
Also published as: DE102004054815A1

Abstract

Metallische Flachdichtung mit mindestens einer zumindest zu einem Zylinderkopf oder zu einem Motorblock gewandten metallischen Lage, die mindestens eine zum Zylinderkopf und/oder zum Motorblock hin offene Vollsicke zur Kammerung eines verformbaren Dichtmaterials aufweist, wobei die Vollsicke mindestens eine zum Flachdichtungsrand hin gerichtete stegförmige Unterbrechung zum definierten Verdrängen von überschüssigem Dichtmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechung ein von der Vollsicke zum Flachdichtungsrand führender Auslasskanal zur Verdrängung des überschüssigen Dichtmaterials ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine metallische Flachdichtung mit mindestens einer zum Zylinderkopf und/oder zum Motorblock gewandten metallischen Lage, die mindestens eine Vollsicke zur Kammerung eines verformbaren Dichtmaterials aufweist. Die Vollsicke weist dabei stegförmige Unterbrechungen zum definierten Verdrängen von überschüssigem Dichtmaterial auf. Hierdurch kann eine zusätzliche Abdichtung der Bauteile erzielt werden, insbesondere können hierdurch auch Lunker, Porositäten und/oder Rauhigkeiten auf den Oberflächen der Bauteile abgedichtet werden.
Die Entwicklung neuer Gussverfahren hat in der letzten Zeit dazu geführt, dass bei der Herstellung von Bauteilen in Verbrennungskraftmaschinen immer häufiger größere Lunker an den Bauteiloberflächen, d.h. auch den Dichtflächen, auftreten. Bisher im Stand der Technik bekannte Flachdichtungen sind bislang nicht dazu in der Lage, eine zufrieden stellende Abdichtung solcher Lunker zu realisieren. Ähnliche Probleme können z.B. bei Bauteiloberflächen mit hoher Porosität oder hoher Rauhigkeit auftreten.
Eine Ursache für die hier auftretenden Probleme ist darin zu sehen, dass im Bereich der Verbrennungskraftmaschinen die Zylinderkopfdichtungen herkömmlicher Art meist zwar gesickt sind, dadurch aber auf die Oberfläche lediglich eine Linienpressung ausgeübt wird, die nicht in allen Fällen in der Lage ist, alle auf der Bauteiloberfläche vorhandenen Lunker, vor allem, wenn diese größere Durchmesser, z.B. bis zu 2 oder 3 mm, aufweisen, abzudichten. Diese Problematik tritt dabei sowohl bei Bauteilen in Leichtbauweise, z.B. Aluminium oder Magnesium, auf, sondern auch bei Bauteilen aus herkömmlichen Werkstoffen, wie z.B. bei Bauteilen aus Grauguss.
Aus der DE 197 04 315 A1 ist ein metallisches Dichtsystem bekannt, bei dem eine Metalldichtung und mindestens eine zusätzliche Adapterplatte so angeordnet sind, dass die Adapterplatte mindestens zwischen einem eine poröse Oberfläche aufweisenden Bauteil und der Metalldichtung liegt. Die Adapterplatte ist dabei auf der der porösen Oberfläche des Bauteils zugewandten Seite mit einer elastischen/plastischen oder klebenden Schicht versehen, um eine Abdichtung von Lunkern oder Porositäten zu realisieren.
Produktionstechnisch ist die Verwendung einer weiteren Lage, hier einer Adapterplatte, jedoch aufwendig, so dass eine Integration eines Dichtelements in die metallische Lage der Flachdichtung unter Umgehung zu sätzlicher Lagen vorzuziehen ist.
Aus US 6 508 474 B2 ist eine metallische Flachdichtung bekannt, die mindestens eine zum Zylinderkopf oder zum Motorblock hin offene Vollsicke aufweist, die zur Kammerung des Dichtmaterials vorgesehen ist.
Aus der DE 101 12 392 A1 ist eine Flachdichtung mit einer metallischen Lage bekannt, die taschenartige Ausnehmungen mit einem Boden zur Aufnahme von verformbaren Dichtelementen aufweist, die zur Abdichtung eines eine T-Stelle bildenden Dichtbereichs dienen.
Die DE 195 34 962 C2 beschreibt eine Flachdichtung für Verbrennungskraftmaschinen mit seitlich am Motorblock oder Zylinderkopf angeflanschten Bauteilen, wobei die Flachdichtung im Bereich des Spaltes zwischen Motorblock oder Zylinderkopfdichtung und dem angeflanschten Bauteil eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung mit einem Reservoir für eine plastische verfüllte Dichtmasse verbunden ist.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine metallische Flachdichtung dahingehend zu verbessern, dass kritische Dichtungsprobleme, wie die Abdichtung von Lunkern, Porositäten oder Rauhigkeiten ohne aufwendige Neukonstruktionen mittels einer massenproduktionstauglichen Flachdichtung gelöst werden können.
Diese Aufgabe wird durch die metallische Flachdichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das Verfahren zur Abdichtung von Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In den Ansprüchen 21 bis 23 werden bevorzugte Verwendungen der erfindungsgemäßen Flachdichtungen angegeben.
Erfindungsgemäß wird eine metallische Flachdichtung mit mindestens einer zum Zylinderkopf und/oder zum Motorblock gewandten metallischen Lage, die mindestens eine Vollsicke zur Kammerung eines verformbaren Dichtmaterials aufweist, bereitgestellt. Die Vollsicke weist dabei mindestens eine zum Flachdichtungsrand hin gerichtete, stegförmige Unterbrechung zum definierten Verdrängen von überschüssigem Dichtmaterial auf. Bei der Unterbrechung kann es sich z.B. um eine Unterbrechung der zum Flachdichtungsrand hin gerichteten Flanke der Vollsicke handeln. Beim Zusammenbau, d.h. beim Aufsetzen und Verspannen des Zylinderkopfes, erfolgt nun eine Verpressung und gleichmäßige Verteilung des in der Vollsicke gekammerten Dichtmaterials. Hierdurch werden dann die Lunker, Porositäten oder Rauhigkeiten der Bauteiloberfläche abgedichtet. Das überschüssige Dichtmaterial kann dabei über die mindestens eine Unterbrechung ausfließen bzw. austreten. Diese Austrittsmöglichkeit des Dichtmaterials ist wesentlich für den erfindungsgemäßen Gegenstand, da für Lunker in der Regel nicht genau bestimmt werden kann, wieviel Dichtmaterial für die Abdichtung erforderlich ist.
Neben den die Vollsicke zur Kammerung eines verformbaren Dichtmaterials aufweisenden metallischen Lagen kann die erfindungsgemäße metallische Flachdichtung selbstverständlich weitere metallische Lagen enthalten, wie es von Mehrlagen-Stahl-Dichtungen (MLS-Dichtungen) bekannt ist.
Erfindungsgemäß wesentlich ist die Unterbrechung in Form eines von der Vollsicke zum Flachdichtungsrand führenden Auslasskanals zur Verdrängung des überschüssigen Dichtmaterials angeordnet. Dies ermöglicht das Austreten bzw. Ausfließen des Dichtmaterials über den Flachdichtungsrand hinaus, so dass keinerlei Beeinträchtigung der Flächenpressung durch die Verteilung von Dichtmaterial in unerwünschten Flachdichtungsbereichen zu erwarten ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass der Auslasskanal in eine Vollsicke bzw. zwei Halbsicken eingebettet ist.
Der Auslasskanal schließt sich bevorzugt an der zum Flachdichtungsrand gerichteten Seite an die Vollsicke an.
Der Verlauf der Vollsicke kann beliebig gewählt werden. Bevorzugt verläuft die Vollsicke zwischen den Durchgangsöffnungen und dem Flachdichtungsrand. Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass die Voll sicke im wesentlichen parallel zu mindestens einem Flachdichtungsrand verläuft, wobei die Vollsicke zum Flachdichtungsrand beabstandet ist. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Vollsicke an ihren Enden von einer Hinterlandsicke, insbesondere einer Halbsicke, eingeschlossen ist. Hierdurch wird ein seitliches Austreten des Dichtmaterials aus der Vollsicke vermieden, so dass lediglich die Austrittsmöglichkeit über die mindestens eine Unterbrechung der Vollsicke erfolgen kann. Eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Flachdichtung an drei Flachdichtungsrändern eine erfindungsgemäße Vollsicke aufweist, während am verbleibenden Flachdichtungsrand eine Hinterlandsicke angeordnet ist. Es ist aber ebenso möglich, dass an sämtlichen Flachdichtungsrändern neben der Vollsicke auch noch weitere Hinterlandsicken angeordnet oder Elastomerabdichtelemente am Rand angespritzt sind. Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass die Vollsicke den Flachdichtungsrand beabstandet zu diesem umläuft.
Die für die Kammerung verwendete Vollsicke ist hinsichtlich ihrer Ausgestaltung und Geometrie keinen besonderen Erfordernissen unterworfen. Die Vollsicke kann daher sowohl symmetrisch als auch unsymmetrisch ausgebildet sein.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass in der zur Kammerung dienenden Vollsicke zumindest bereichsweise ein verformbares Dichtmaterial enthalten ist. Das Dichtmaterial besteht dabei vorzugsweise aus einem flüssigen oder pastösen Material, das besonders bevorzugt unter Druck fließfähig ist. Hierdurch wird beim Zusammenbau, d.h. der Verpressung der Flachdichtung ein einfaches Austreten des überschüssigen Dichtmaterials ermöglicht. Bevorzugt ist das Dichtmaterial nach der Vernetzung ein festes, aber elastisch verformbares Material. Beispielhaft seien hier einige bevorzugte Dichtmaterialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Silicon, einem Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), einem Fluorpolymer (FPM), einem Polyurethan, einem Acrylatelastomer und geschäumten Dichtmassen aufgezählt.
Beim Zusammenbau wird dann die Flachdichtung zwischen dem Zylinderkopf und dem Motorblock infolge Dichtflächenpressung derart verformt, dass das Dichtmaterial über den Flachdichtungsrand hinaus teilweise verdrängt wird.
Eine andere bevorzugte Variante sieht vor, dass das Dichtmaterial auf der dem Zylinderkopf bzw. auf der dem Motorblock zugewandten Seite der metallischen Lage aufgebracht ist. In Fällen, in denen vor allem eine Abdichtung gegenüber dem Zylinderkopf und darin enthaltenen Lunkern, Porositäten oder Rauhigkeiten erfolgen soll, ist die zum Zylinderkopf gewandte metallische Lage mit der darin enthaltenen Sicke alleine mit dem Dichtmaterial gefüllt, wobei überschüssiges Dichtmaterial beim Verpressen der Bauteile über die stegförmige Unterbrechung definiert verdrängt werden kann. In den Fällen, in denen der Motorblock mit seinen Lunkern, Porositäten und Rauhigkeiten abgedichtet werden soll, wird hingegen nur die dem Motorblock zugewandte metallische Lage mit der darin enthaltenen Sicke mit dem Dichtmaterial versehen. Diese beiden Varianten können auch kombiniert werden, so dass eine Abdichtung sowohl gegenüber dem Zylinderkopf als auch gegenüber dem Motorblock ermöglicht wird.
Wird eine Abdichtung sowohl gegenüber dem Zylinder kopf als auch gegenüber dem Motorblock angestrebt, so weist die Flachdichtung mindestens zwei metallische Lagen auf, wobei für eine zum Zylinderkopf gewandte erste metallische Lage das Dichtmaterial auf der dem Zylinderkopf zugewandten Seite der ersten metallischen Lage aufgebracht ist und für eine zum Motorblock gewandte zwei metallische Lage das Dichtmaterial auf der dem Motorblock zugewandten Seite der zweiten metallischen Lage aufgebracht ist. Zwischen diesen beiden äußeren metallischen Lagen können, wie aus dem Stand der Technik bekannt, weitere innenliegende metallische Lagen angeordnet sein.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Abdichtung von Bauteilen in Brennkraftmaschinen, insbesondere dem Zylinderkopf und dem Motorblock, unter Verwendung der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Flachdichtung bereitgestellt. Hinsichtlich der Verfahrensführung bestehen zwei alternative Vorgehensweisen. So kann nach der ersten Variante das Dichtmaterial auf der dem Bauteil zugewandten Seite der metallischen Lage im Bereich der Vollsicke aufgebracht werden, während nach einer zweiten Variante das Dichtmaterial auf der der Flachdichtung zugewandten Oberfläche des entsprechenden Bauteils, z.B. dem Zylinderkopf oder dem Motorblock aufgebracht wird.
Verwendung findet die erfindungsgemäße Flachdichtung insbesondere bei der Abdichtung von Lunkern, Porositäten und/oder Rauhigkeiten auf den Oberflächen von Bauteilen in Brennkraftmaschinen, insbesondere zur Abdichtung von Zylinderkopf und/oder Motorblock.
Eine weitere wichtige Anwendung der erfindungsgemäßen Flachdichtung beruht auf der Abdichtung von T-förmigen Dichtungsbereichen in Brennkraftmaschinen.
Hierzu zählt insbesondere der Dichtungsbereich an den Kontaktstellen zwischen Zylinderkopf, Motorblock und Ketten- oder Räderkasten. Durch die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Flachdichtung mit den beschriebenen Auslasskanälen können diese so ausgerichtet sein, dass sie in dem Spalt an der Kontaktstelle zwischen Zylinderkopf, Motorblock und Ketten- oder Räderkasten enden, so dass das überschüssige Dichtmaterial für die Abdichtung dieses Dichtspaltes verwendet werden kann.
Anhand der nachfolgenden Figur soll die erfindungsgemäße metallische Flachdichtung im Detail erläutert werden, ohne diese auf die hier gezeigten Ausführungsformen zu beschränken.
Die 1 bis 3 zeigen drei verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen metallischen Flachdichtung, die sich in Bezug auf die Sickenausformung unterscheiden. Aus allen drei Ausführungsformen ist zu erkennen, dass eine Vollsicke an einem Flachdichtungsrand beabstandet und parallel zu diesem verläuft. Die Vollsicke dient dabei der Kammerung eines verformbaren Dichtmaterials. Gleichzeitig weist die Vollsicke zum Flachdichtungsrand hin gerichtet stegförmige Unterbrechungen auf, die zum definierten Verdrängen von überschüssigem Dichtmaterial dienen. Bei den dargestellten Ausführungsformen weisen die einzelnen stegförmigen Unterbrechungen unterschiedliche Abstände auf. Diese Abstände können in Abhängigkeit von der lokalen Dichtproblematik beliebig gewählt werden. Ebenso ist es auch möglich, dass die einzelnen stegförmigen Unterbrechungen gleiche Abstände aufweisen.
1a zeigt eine Ausführungsform mit einer symmet risch ausgebildeten Vollsicke. Es lässt sich anhand der Schnittzeichnung (1b), die den Schnitt A-A wiedergibt, erkennen, dass in beiden metallischen Lagen 1 und 2 die Flanken der Vollsicke jeweils eine identische Länge als auch Steigung aufweisen.
In 2a ist eine Variante einer erfindungsgemäßen metallischen Flachdichtung mit einer unsymmetrischen Vollsicke dargestellt. Dies lässt sich anhand der Schnittdarstellung A-A (2b) erkennen, da die beiden metallischen Lagen 1' und 2' unterschiedliche Winkel der Flanken der Vollsicke aufweisen.
3a schließlich zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Flachdichtung, die ebenfalls eine unsymmetrische Sicke aufweist. Hier ist die Sicke so ausgeprägt, dass die metallischen Lagen 1'' und 2'' auf der zum Flachdichtungsrand gerichteten Seite, d.h. dem linken Bereich, zueinander enger beabstandet sind als auf der zur Durchgangsöffnung, z.B. der Brennraumdurchgangsöffnung, gerichteten Seite, d.h. dem rechten Bereich (s. 3b). Dies lässt sich dadurch realisieren, dass die zur Durchgangsöffnung gerichteten Flanken der Vollsicke im Vergleich zu den zum Flachdichtungsrand gerichteten Flanken eine größere Steigung bei gleicher Länge aufweisen. Der hierbei auftretende Unterschied der Höhe der jeweiligen metallischen Lagen 1'' und 2'' beträgt jeweils den Betrag x.

Claims

Metallische Flachdichtung mit mindestens einer zumindest zu einem Zylinderkopf oder zu einem Motorblock gewandten metallischen Lage, die mindestens eine zum Zylinderkopf und/oder zum Motorblock hin offene Vollsicke zur Kammerung eines verformbaren Dichtmaterials aufweist, wobei die Vollsicke mindestens eine zum Flachdichtungsrand hin gerichtete stegförmige Unterbrechung zum definierten Verdrängen von überschüssigem Dichtmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechung ein von der Vollsicke zum Flachdichtungsrand führender Auslasskanal zur Verdrängung des überschüssigen Dichtmaterials ist.
Flachdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal in eine Vollsicke oder zwischen zwei Halbsicken eingebettet ist.
Flachdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kanal an der zum Flachdichtungsrand gerichteten Seite an die Vollsicke anschließt.
Flachdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vollsicke zwischen Durchgangsöffnungen und dem Flachdichtungsrand verläuft.
Flachdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vollsicke an mindestens einem Flachdichtungsrand beabstandet und parallel zu diesem verläuft.
Flachdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vollsicke an ihren Enden von einer Hinterlandsicke, insbesondere einer Halbsicke, eingeschlossen ist.
Flachdichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vollsicke den Flachdichtungsrand beabstandet zu diesem umläuft.
Flachdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vollsicke symmetrisch oder unsymmetrisch ist.
Flachdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der mindestens einen Vollsicke zumindest bereichsweise ein verformbares Dichtmaterial enthalten ist.
Flachdichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmaterial aus einem flüssigen oder pastösen Material besteht.
Flachdichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmaterial unter Druck fließfähig ist.
Flachdichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmaterial nach der Vernetzung ein festes und elastisch verformbares Material ist.
Flachdichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Silikon, einem Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), einem Fluorpolymer (FPM), Polyurethan, Acrylatelastomer und geschäumten Dichtmassen.
Flachdichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung im zwischen dem Zylinderkopf und dem Motorblock eingebauten Zustand infolge Dichtflächenpressung derart verformt ist, dass das Dichtmaterial über den Flachdichtungsrand hinaus teilweise verdrängt ist.
Flachdichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmaterial auf der dem Zylinderkopf zugewandten Seite der metallischen Lage aufgebracht ist.
Flachdichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmaterial auf der dem Motorblock zugewandten Seite der metallischen Lage aufgebracht ist.
Flachdichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung mindestens zwei metallische Lagen aufweist, wobei für eine zum Zylinderkopf gewandte erste metallische Lage das Dichtmaterial auf der dem Zylinderkopf zugewandten Seite der ersten metallischen Lage aufgebracht ist und für eine zum Motorblock gewandte zweite metallischen Lage das Dichtmaterial auf der dem Motorblock zugewandten Seite der zweiten metallischen Lage aufgebracht ist.
Verfahren zur Abdichtung von Bauteilen in Brennkraftmaschinen unter Verwendung einer Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 und dazugehörigem Dichtmaterial.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmaterial auf der dem Bauteil zugewandten Seite der metallischen Lage im Bereich der Vollsicke aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmaterial auf der der Flachdichtung zugewandten Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird.
Verwendung der Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Abdichtung von Lunkern, Porositäten und/oder Rauhigkeiten auf den Oberflächen von Bauteilen, Zylinderkopf und/oder Motorblock, in Brennkraftmaschinen.
Verwendung der Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Abdichtung von T-förmigen Dichtungsbereichen in Brennkraftmaschinen.
Verwendung nach Anspruch 22 zur Abdichtung des Dichtungsbereichs an den Kontaktstellen zwischen Zylinderkopf, Motorblock und Ketten- oder Räderkasten.