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Die
Erfindung betrifft ein Dichtungselement zur Abdichtung von Flanschflächen
bei Brennkraftmaschinen, bestehend aus mindestens einem ringförmigen
metallischen Profilkörper.
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Es
ist bekannt, bei metallischen Zylinderkopfdichtungen, die aus mehreren
Lagen bestehen, die unterschiedlichen Lagen mit geeigneten Fügeverfahren
(z. B. Clinchen, Schweißen, Nieten) miteinander zu verbinden.
Diese Lagen können Sicken oder andere Dichtungselemente
in Form von polymeren Dichtungen aufweisen, um Fluide oder Gase
abzudichten.
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Derartige
Dichtungselemente müssen einerseits genügend Federeigenschaften
aufweisen, um statische Unebenheiten der Dichtflächen sowie
dynamische Dichtspaltschwingungen (bei Einsatz als Zylinderkopfdichtung)
auszugleichen. Zum anderen müssen diese Dichtungen steif
genug sein, um nicht derart nachzugeben, dass eine ungenügende Spannkraft
einen Ausbruch des Dichtungselementes herbeiführt.
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Es
ist ebenfalls bekannt, profilierte Metallringe zu verwenden, um
am Brennraumrand einer Brennkraftmaschine eine genügende
Vorspannung zu erzeugen. Das dabei verwendete Prinzip ist, einen metallischen
Ring derart plastisch zu verformen, dass der Dichtspalt verschlossen
wird. Wesentliche Vorraussetzung für den Betrieb einer
solchen Dichtung ist dann jedoch, dass keine Dichtspaltbewegung auftritt,
denn ein plastisch verformter Metallring bietet so gut wie keine
elastischen Eigenschaften mehr, die für den Ausgleich von
Dichtspaltschwingungen genutzt werden könnten.
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Der
GB 979,408 ist eine Abdichtung
einer Zylinderlaufbuchse zu entnehmen, die durch einen ringförmigen
metallischen Profilkörper gebildet wird, der, über
seine radiale Wanddicke gesehen, eine gleichmäßige
Höhe und ein im Wesentlichen symmetrisches Querschnittsprofil
aufweist. Zwischen Zylinderkopf und Motorblock ist eine Zylinderkopfdichtung angeordnet,
die einen radialen Freiraum zur Aufnahme dieses Profilkörpers
aufweist. Bedingt durch die nach außen gewölbte
Kontur des Dichtungselementes, die die axiale Bauhöhe der
Zylinderkopfdichtung übersteigt, wird der Profilkörper
beim Verspannen von Motorblock und Zylinderkopf innerhalb seiner
ihn aufnehmenden Nut dergestalt elastisch verformt, dass bei maximalem
Verformungsdruck der Profilkörper mit Ausnahme seiner seitlichen
Aufnahmebereiche noch einen definierten Abstand zum Nutgrund der
aufnehmenden Nut aufweist. Der Profilkörper wird aus einem
nichtrostenden Stahl hergestellt und weist zumindest nutgrundseitig
scharfkantige Übergangsbereiche von der jeweiligen radialen
Endbegrenzung in die zugehörige axiale Flanke auf. Hierbei gewähren
die scharfkantigen Übergangsbereiche die hinreichend hohe
Flächenpressung im Bereich der beiden Dichtlinien.
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Durch
die
DE 12 53 950 ist
ein Dichtring für die Abdichtung von Zylinderdeckeln bei
Brennkraftmaschinen bekannt geworden, bestehend aus mindestens einer
Lage Metallblech, wobei die Lage im Querschnitt kreisabschnittsförmig
ausgebildet ist und die Innenkante sowie die Außenkante
in einer Ebene angeordnet sind. Auch hier ist die axiale Höhe
des Dichtrings, über seine gesamte radiale Wanddicke gesehen,
gleich ausgebildet. Darüber hinaus wird in diesem Stand
der Technik vorgeschlagen, dass der Dichtring aus zwei spiegelbildlich
zueinander angeordneten Dichtringen besteht, die sich längs
eines mittleren Durchmessers berühren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Dichtelement
zur Abdichtung von Flanschflächen bei Brennkraftmaschinen
bereitzustellen, das einerseits genügend Federeigenschaften aufweist,
um statische Unebenheiten der jeweiligen Dichtfläche sowie
bedarfsweise dynamische Dichtspaltschwingungen auszugleichen. Darüber
hinaus muss das Dichtungselement steif genug sein, um nicht derart
nachzugeben, dass eine ungenügende Spannkraft einen Ausbruch
des Dichtungselementes bewirkt.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Profilkörper
aus einem Draht besteht und mindestens einen Kern- und mindestens
einen Biegebereich aufweist, wobei die Materialdicke des Drahtes
im Kernbereich größer als im jeweiligen Biegebereich
ausgebildet ist.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Der
Erfindungsgegenstand basiert auf der technischen Ausführungsform
eines Biegebalkens. Durch das Aufbringen von Kräften bzw.
das Verspannen einer solchen Geometrie zwischen zwei Platten (z.
B. zwischen Motorblock und Zylinderkopf) wird von oben, etwa in
der Mitte, der Biegebalken belastet und die Kraft durch die beiden
Auflagepunkte an den Außenseite der Unterseite abgestützt.
Dadurch sind zum einen die Auflagepunkte exakt definierbar und zum
anderen ist die Kraftverteilung zwischen den Auflagepunkten justierbar.
Weiterhin korreliert die Dicke des Biegebalkens mit der Steifigkeit
des Systems und den dem System zugeordneten Federeigenschaften (Materialauswahl).
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Unter
Zugrundelegung dieses Prinzips bieten sich erfindungsgemäß mehrere
technische Ausführungsformen an, nämlich
- – die radiale Wanddicke des Drahtes
ist dergestalt profiliert, dass sie in etwa der geometrischen Form
einer Banane entspricht;
- – der Draht weist ein derartiges Profil auf, dass die radialen
Enden unter Bildung eines Einschnitts jeweils zwei obere und zwei
untere Biegebereiche bilden;
- – der Draht weist ein derartiges Profil auf, dass radial
innen oder außen ein verdickter Kernbereich gegeben ist
und am gegenüberliegenden Ende des Querschnitts zwei Biegebereiche
gebildet sind, die im Ausgangszustand die axiale Höhe des
Kernbereichs übersteigen.
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Von
besonderem Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist,
dass zumindest die freien radialen Enden des jeweiligen Biegebereiches
in gerundeter Form vorgesehen sind. Dadurch werden Eingrabungen,
insbesondere bei dynamischen Dichtspaltschwingungen, in der das
Dichtungselement aufnehmenden Nut vermieden.
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Bei
Verwendung einer bananenförmigen Geometrie des Drahtes
weist das Profil in der Mitte den höchsten Querschnitt
auf. Zu den beiden Enden hin verjüngt sich der Querschnitt
(gleichmäßig oder ungleichmäßig).
Dies bedeutet, bei Belastung verbiegen sich die elastischen Enden.
Bei Totalkompression, wie sie sich bei einer Zylinderkopfdichtung
einstellen kann, setzt die Mitte des unteren Bogens des bananenförmigen
Profils auf der jeweiligen Flanschfläche, respektive dem
Nutgrund, auf, dergestalt, dass nur noch dieser mittlere Bereich
trägt. Durch dieses Wirkprinzip wird eine so genannte Stopperfunktion
begründet. Weiterhin wird durch den Stopperbereich eine
zusätzliche Dichtlinie definiert. Diese zusätzliche
Dichtlinie ist insbesondere für die Abdichtung vergleichsweise
hoher Drücke vorteilhaft, da im Gegensatz zum Stand der
Technik mit zwei Dichtlinien auf scharfkantige Übergangsbereiche
verzichtet werden kann.
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Diese
dem klassischen Biegebalken entsprechende Wirkweise ist auch auf
die weiteren, dem Erfindungsgegenstand zugrunde liegenden, Profile zu übertragen.
Die äußeren, Biegebereiche bildenden, Enden verbiegen
sich elastisch, bis bei Totalkompression wiederum nur der mittlere
Bereich trägt.
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Mit
dem Erfindungsgegenstand wird demnach ein Federelement mit einem
integrierten Stopperelement kombiniert. Die Stopperhöhe
bzw. die Einbauhöhe ergibt sich somit aus dem größten
Querschnitt oder den größten Querschnitten, sofern
mehrere Teilbereiche als Kernbereiche ausgebildet sind. Die Ausgestaltung
der elastischen Bereiche definieren das Federverhalten (und die
Dichtkraft) eines solchen Drahtprofils.
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Durch
gezielte Auslegung der Profildrahtgeometrie, beispielsweise durch
FEM, kann die Kontur so gewählt werden, dass sich die Dichtkraft
im Einbaupunkt exakt einstellen lässt. Dadurch wird gewährleistet,
dass sowohl die statischen Unebenheiten der jeweiligen Flanschfläche
als auch bedarfsweise dynamische Dichtspaltschwingungen ausgeglichen
werden können.
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Sofern
eine zusätzliche Mikroabdichtung erforderlich sein sollte,
kann der Profildrahtring, beispielsweise auch noch vollständig
oder nur partiell beschichtet werden.
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Einem
weiteren Gedanken der Erfindung gemäß, kann es
sich als vorteilhaft erweisen, das Drahtprofil asymmetrisch zu gestalten.
Dadurch kann die Kraftverteilung (Verzug) am Motorblock bzw. am
Zylinderkopf positiv beeinflusst werden.
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Das
erfindungsgemäße Dichtungselement kann sowohl
in Kombination mit einer Zylinderkopfdichtung als auch mit einer
Flachdichtung oder als einzelnes Dichtelement, beispielsweise im
Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, eingesetzt werden.
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Je
nachdem, ob mit diesem drahtförmigen Mediendichtelement
weitere Dichtelemente kombiniert werden sollen, können
sich unterschiedliche Anforderungen an den erfindungsgemäßen
Profildrahtdichtring ergeben. Folge Forderungen sind exemplarisch
denkbar:
- – zusätzliche (zumindest
partielle) Beschichtung für die Mikroabdichtung,
- – Fügen des Profildrahtdichtrings (es ist
auch denkbar, dass der Dichtring ähnlich wie bei einem Kolbenring
am Stoß nicht gefügt wird, sondern so verbleibt),
- – Ausbildung mindestens einer Zone bzw. eines Bereiches,
der für ein Fügeverfahren benötigt wird.
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Der
profilierte Draht ist, einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß,
aus einem Federstahl hergestellt, der vorteilhafterweise eine Streckgrenze ≥ 600
MPa aufweist.
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Hier
bieten sich bekannte austenitische oder martensitische, rostfreie
bzw. rostarme Werkstoffe an.
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Ebenfalls
denkbar ist, dass der Draht aus einem nicht rostfreien Stahl besteht.
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Der
Fachmann wird je nach Anwendungsfall das geeignete Material auswählen.
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Allgemein
kann gesagt werden, dass als Werkstoffe für den Profildraht
alle Federstähle in Betracht kommen, die elastische bzw.
federnde Eigenschaften mit sich bringen.
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Beispielhaft
seien hier austenitische Chrom-Nickel-Stähle, martensitische
Chrom-Stähle, bainitische bzw. martensitische Kohlenstoffstähle oder
Mehrphasen-Stähle genannt. Bei der Verwendung als Dichtungselement
im Abgasstrang sei auf Nickelbasislegierungen verwiesen.
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Die
Kombination aus dem geeigneten Material oder eventuell auch den
geeigneten Materialien, bedarfsweise unter Einbeziehung eines Härtungsprozesses
und/oder einer Wärmebehandlung sowie der optimierten Geometrie
(Drahtquerschnitt) stellen die Funktion des erfindungsgemäßen
Dichtungselementes je nach Einbauort unter allen Betriebszuständen
sicher.
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Je
nach Anwendungsfall, wie beispielsweise Pkw oder Nutzfahrzeug, Diesel-
oder Benzinmotor, aufgeladen (z. B. Turbo oder Kompressor) oder
nicht, kann voraussichtlich eine jeweils andere angepasste geometrische
Form des Dichtungselementes am günstigsten sein (abhängig
vom Verbrennungsdruck und der Verbrennungstemperatur kommen unterschiedliche
Querschnitte in Frage).
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Mit
Hilfe der Geometrie, der Dicke des jeweiligen Kernbereichs, des
Querschnitts des jeweiligen Biegebereichs und des ausgewählten
Materials kann eingestellt werden, welche Federwirkung und welche Einbaudicke
der Profildrahtdichtring haben soll. Je nach Einsatzfall kann – wie
bereits angesprochen – mit dem jeweiligen Kernbereich des
Drahtes eine Art Stopper realisiert werden.
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Durch
die Kombination verschiedener Querschnitte lassen sich komplexe
Geometrien erzeugen, die in Bezug auf die Anwendung die erforderlichen Federeigenschaften
aufweisen.
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Ein
weiterer großer Vorteil eines solchen Dichtungselementes
besteht darin, dass der zum Einsatz kommende Profildraht bereits
das nötige Endmaß aufweist und somit nur noch
ein Umformprozess und bedarfsweise ein Fügeprozess und
gegebenenfalls eine Wärmebehandlung durchgeführt werden
muss, um ein Mediendichtelement herzustellen. Nur unter Umständen
wird eine mechanische Nachbearbeitung von Nöten sein.
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Für
den ebenfalls bedarfsweise anzuwendenden Fügeprozess sind
sowohl kraft-, form- als auch stoffschlüssige Verfahren
vorstellbar. Es kann sich aber auch um eine Kombination handeln,
beispielsweise aus einem form- und stoffschlüssigen Verfahren
(z. B. eine mechanische Verklammerung mit anschließender
Klebung der Stossstelle).
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Von
wesentlicher Bedeutung ist, dass durch die gewählte Geometrie
des Profildrahtes in Verbindung mit dem geeigneten Material dessen
Last-/Verformungskurve sehr stark beeinflusst werden kann. Eine
ideale Lastverformungskurve wird durch eine horizontale Linie im
Lastverformungsdiagramm repräsentiert. Das bedeutet, zu
Beginn nimmt die Verformung mit steigender Last proportional zu.
Ab einem gewissen Lastniveau bleibt die Last (nahezu) gleich, während
sich das Profil weiter verformt. Erst wenn das Profil fast vollständig
verformt wurde, steigt die Last, bei nur noch geringer Verformung,
sehr stark an. Bei letztlicher Totalkompression kann nur noch die
Last gesteigert werden, und zwar ohne eine weitere Verformung herbeizuführen
(allerdings noch plastische Deformation denkbar). Von großer
Bedeutung sind in diesem Zusammenhang die Rückfederungseigenschaften
des erfindungsgemäßen Profildrahtes. Die Rückfederrate
ist ein Maß für das Verhältnis von elastischer
Verformung zu plastischer Deformation. Je geringer die plastische
Deformation beim Belasten eines solchen Profils ausfällt,
desto besser ist das Rückfederungsverhalten bei seiner Entlastung.
Im vorliegenden Fall kann mit Hilfe der Geometrie und der Materialauswahl
ein Lastverformungsverhalten erzielt werden, das dem beschriebenen
Idealfall sehr nahe kommt. Dadurch ist es möglich:
- – den Einbaupunkt eines solchen Dichtungselementes
genau zu definieren,
- – ein sehr hohes Maß an Rückfederverhalten
zu erzielen,
- – die benötigte Schraubenkraft bei gleicher
oder besserer Dichtfunktion zu minimieren,
- – die Verzöge am Motorblock oder an anderen Dichtflanschen
zu minimieren,
- – größere Dichtspaltbewegungen bzw.
-schwingungen auszugleichen.
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Der
Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels
in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es
zeigen:
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1 bis 3 Unterschiedliche
geometrische Ausgestaltungsformen eines erfindungsgemäßen
Dichtungselementes;
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4 Dichtungselement
gemäß 2 im vormontierten Zustand;
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5 Draufsicht
auf das Dichtungselement gemäß 4;
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6 Dichtungselement
gemäß 1 im vormontierten Zustand;
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7 Dichtungselement
gemäß 6 im Zustand seiner Totalkompression;
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8 Grafische
Darstellung der Last über der Durchbiegung eines erfindungsgemäßen
Dichtungselementes im Vergleich zu einer herkömmlichen
Sicke.
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1 zeigt
ein Dichtungselement 1 in Form einer Banane, die definierte
elastische (Feder-)Eigenschaften aufweist.
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Die 2 und 3 zeigen
Dichtungselemente 1', 1'' in von 1 abgeleiteten
Ausgestaltungsformen.
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Wesentliches
Merkmal aller Geometrien gemäß 1 bis 3 ist,
dass selbige einerseits mindestens einen Kernbereich 2, 2', 2'' aufweisen,
der unter Einsatzbedingungen (je nach Anordnung des Dichtungselementes)
eine Stopperfunktion übernehmen kann und andererseits mindestens
einen elastisch biegsamen Bereich 3, 4, 3', 4', 3'', 4'' beinhaltet, der
unter Einsatzbedingungen die elastische Dichtfunktion gewährleistet.
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Das
Dichtungselement 1 gemäß 1,
das die bananenförmige Geometrie aufweist, weist in seiner
Mitte den höchsten Querschnitt auf. Zu den beiden Enden 3, 4 verjüngt
sich der Querschnitt (gleichmäßig oder ungleichmäßig).
Das bedeutet, bei Belastung F verbiegen sich die jeweiligen elastischen Enden 3, 4, 3', 4', 3'', 4'' bis
bei Totalkompression nur noch der Kernbereich 2, 2', 2'' trägt.
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Mit
Hilfe des Erfindungsgegenstandes wird demzufolge ein Federelement
(Biegebereich 3, 4, 3', 4', 3'', 4'')
mit einem Stopperelement (Kernbereich 2, 2', 2'')
kombiniert. Die Stopperhöhe bzw. die Einbaudicke (sofern
nur der Profildraht – ohne weiteren Lagen – verwendet
wird) ergibt sich somit aus dem größten Querschnitt
oder den größten Querschnitten (wenn mehrere Teilbereiche
des Dichtungselementes 1, 1', 1'' als
Kernbereiche ausgebildet sind) eines solchen Profils. Die Ausgestaltung
der elastischen Bereiche 3, 4, 3', 4', 3'', 4'' definieren
das Federverhalten und die Dichtkraft eines solchen Dichtungselementes 1, 1', 1''.
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Wie
bereits angesprochen, kann das erfindungsgemäße
Dichtungselement 1, 1', 1'' nicht nur zwischen
Motorblock und Zylinderkopf angeordnet werden, sondern darüber
hinaus auch zur Abdichtung im Abgasstrang eingesetzt werden. Bedingt durch
unterschiedliche Betriebstemperaturen kommen hier auch unterschiedliche
Werkstoffe zum Einsatz.
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Sofern
das erfindungsgemäße Dichtungselement 1, 1', 1'' im
Bereich einer Zylinderkopfdichtung eingesetzt werden soll, muss
der Werkstoff für Temperaturen bis ca. 350°C einsetzbar
sein.
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Wird
das erfindungsgemäße Dichtungselement 1, 1', 1'',
beispielsweise als Abgasdichtung eingesetzt, muss es für
den Einsatz bei Temperaturen > 350°C,
bis hin zu ca. 1000°C, geeignet sein.
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Im
Folgenden werden lediglich beispielhaft einige Legierungen wiedergegeben.
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Sämtliche
Angaben sind in Gew.-%.
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A. Dichtungselement zum Einsatz im Bereich
einer Zylinderkopfdichtung
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- 1. Austenitischer Stahl
C max. 0,15%
Si
max. 2,0%
Mn max. 9,5%
P max. 0,45%
S max. 0,04%
Cr
12,0 bis 21,0%
Ni max. 16,0%
Mo max. 4,0%
Cu max.
4,0%
Fe Rest
- 2. Martensitischer Stahl
C 0,16 bis 0,50%
Si max.
1,0%
Mn max. 1,5%
P max. 0,045%
S max. 0,04%
Cr
12,0 bis 14,5%
Ni max. 0,75%
Mo max. 1,0% Fe Rest
- 3. Nicht rostfreier Stahl
C 0,50 bis 1,30%
Si max.
3,0%
Mn max. 3,0%
P max. 0,035%
S max. 0,035%
Cr
max. 2,0%
Fe Rest
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B. Dichtungselement zum Einsatz im Bereich
einer Auspuffflanschdichtung
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Je
nach Temperaturbereich (> 350°C)
können Nickelbasislegierungen oder Nickelbasis-Superlegierungen
zum Einsatz kommen. Im Rahmen der Verwendung eines derartigen erfindungsgemäßen Dichtungselementes
handelt es sich hier im Wesentlichen um Nickel-Chromstähle
mit einem Chromanteil zwischen 17 und 23% und einem Nickelanteil
zwischen 25 und 55%.
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Sämtliche
Angaben der Elemente sind in Gew.-%.
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Die
Biegebereiche des Dichtungselementes 1, 1', 1'' sind,
unabhängig davon, ob sie symmetrisch oder asymmetrisch
ausgebildet sind, mit gerundeten Endbereichen versehen, um Eingrabungen
in der jeweiligen Gegenfläche entgegenzuwirken.
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4 zeigt
einen angedeuteten vormontierten Zustand. Erkennbar ist ein Zylinderkopf 5 sowie ein
Motorblock 6, der mindestens einen Brennraum 7 beinhaltet.
Zum Einsatz soll hier ein Dichtungselement 1' gemäß 2 kommen.
Dargestellt ist der ungespannte Zustand, d. h., das Dichtungselement 1' wurde
zunächst zwischen Motorblock 6 und Zylinderkopf 5 positioniert.
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5 zeigt
das Dichtungselement 1' gemäß 4.
Das ringförmig ausgebildete profilierte Dichtungselement 1' soll
in diesem Beispiel als offener profilierter Körper erzeugt
worden sein, dessen freie Endbereiche 8, 9 durch
ein geeignetes Fügeverfahren, beispielsweise eine Schweißnaht 10,
miteinander verbunden wurden.
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Die 6 und 7 zeigen
das Dichtungselement 1 gemäß 1,
zum einen in einer Position, die der 4 entspricht
(6) und zum anderen im Zustand der Totalkompression
(7). Erkennbar ist der Kernbereich 2 sowie
die Biegebereiche 3, 4. Soll das Dichtungselement 1,
beispielsweise zwischen einem Zylinderkopf 5 und einem
Motorblock 6, verspannt werden, wird durch aufgebrachte äußere
axiale Krafteinwirkung F der jeweilige Biegebereich 3, 4 in
radialer Richtung verformt, während bei Totalkompression
der Kernbereich 2 zwischen den Dichtflächen 5', 6' eingespannt
ist und somit ein Stopperbereich 11 gebildet wird. Demzufolge
wird eine Art Dreipunktauflage 3, 4, 11 gebildet,
wobei die Biegebereiche 3, 4 elastisch verformbar
verbleiben und somit auch dynamischen Dichtschwingungen zu folgen vermögen.
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8 zeigt
eine grafische Darstellung der Last aufgetragen über der
Durchbiegung. Verglichen werden traditionelle Sicken 12 und
der erfindungsgemäße Profildraht, z. B. derjenige
gemäß 1.
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Eine
ideale Lastverformungskurve wird durch eine horizontale Linie im
Lastverformungsdiagramm repräsentiert. Das bedeutet, zu
Beginn nimmt die Verformung des Profildrahtes 1 mit steigender Last
proportional zu. Ab einem gewissen Lastniveau bleibt die Last im
Wesentlichen gleich, während sich das Profil weiter verformt.
Erst wenn das Profil nahezu vollständig verformt wurde,
steigt die Last, bei nur noch geringer Verformung, sehr stark an.
Bei Totalkompression kann nur noch die Last gesteigert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - GB 979408 [0005]
- - DE 1253950 [0006]