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Die
Erfindung betrifft ein flaches elastisch verformbares Element, wie
es insbesondere als Federelement oder als Dichtelement eingesetzt
werden kann.
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Es
sind flache Dichtungen bekannt, die mehrlagig ausgeführt sind
und zumindest ein Blech umfassen, welches entlang einer abzudichtenden
Linie angeordnete gebogene Sicken oder Halbsicken aufweist. Diese
Sicken dienen der erforderlichen elastischen Anpassung und sorgen
in Verbindung mit einer Elastomerbeschichtung auf und zwischen den Dichtungslagen
für eine
Abdichtung. Für
solche mehrlagigen Dichtungen verwendeten Dichtungsbleche sind üblicherweise
Federstahlbleche einer Dicke von 0,2 bis 0,3 mm. Je nach Anforderungsprofil
wurden bislang bis zu sieben solcher Dichtungsbleche übereinander
gepackt, um die benötigte
Elastizität
zu erzielen.
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Die
bekannten mehrlagigen Dichtungen erfordern zum Teil aufwändige Zwischenlagen,
um einerseits die benötigte
Einbaudicke zu erbringen und um andererseits so genannte Stopperbereiche
aufzunehmen. Bei einer Kompression des Dichtungsbleches dienen die
Stopperbereiche als Anschlag und schützen die Sicken der verschiedenen
Lagen von Federblechen vor irreversibler Verformung und damit vor Überlastung.
Solche Stopperbereiche wurden bislang als zusätzliche Materialschichten auf
eine Zwischenlage und insbesondere ein Zwischenblech oder das Federblech
selbst erzeugt. Stopperbereiche können z. B. durch Dickerprägen, durch Aufschweißen einer
Lage mittels eins Lasers oder durch Aufsintern von Material erzeugt
werden.
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Mehrlagige
Dichtungen erfordern zumeist eine hohe Anzahl an Dichtungslagen,
und zwar zumindest eine Dichtungslage zwischen je zwei abzudichtenden
Flächen.
Nachteil ist aber, dass mit der Anzahl der abzudichtenden Flächen das
Risiko von Undichtigkeiten steigt. Beim Einsatz mehrlagiger Dichtungen
unter hohen Druckunterschieden und insbesondere bei hohem Gasdruck
werden in Versuchen mit Motoren Undichtigkeiten insbesondere zwischen
den Dichtungslagen beobachtet.
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Ein
weiteres Problem bei mehrlagigen Dichtungen ist, dass die Elastomerbeschichtungen
oder Dichtungslagen im Betrieb Setzerscheinungen zeigen können. Diese
finden dann bevorzugt auf den hochbelasteten Stopperflächen statt,
was eine Reduzierung der Schichtdicke im Stopperbereich zur Folge
hat, die die Sicken und Halbsicken im Federstahlblech zusätzlich belasten.
Im schlimmsten Fall kann es dabei zum Sickenbruch und damit zum
Ausfall der Dichtung kommen. Beim Hinzutreten von Scher- und Horizontalkräften kann
dies darüber
hinaus zum Wegfließen
der Elastomerbeschichtung führen,
was in letzter Konsequenz ebenfalls Sickenbrüche zur Folge hat. Ein weiterer
Nachteil ist, dass Paare von Sicken-Abstützungen oder Stoppern teilweise
sehr platzaufwändig
sind und nicht für
alle abzudichtenden Geometrien passend gestaltet werden können. Dies
führt dann
dazu, dass Sicken und Stopperbereiche oft nicht direkt benachbart
sondern räumlich
voneinander getrennt angeordnet werden müssen, was nicht die optimale
Lösung
ist und zu Undichtigkeiten führen
kann.
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An
vielen Stellen ist es geometrisch nicht möglich, neben einer Sicke einen
Stopper zu platzieren. So genannte Karostopper, Wellenstopper etc. finden
deshalb nur für
die Brennraumabdichtung und zum Beispiel an den kurzen Seiten einer
Zylinderkopfdichtung Anwendung, weil es geometrisch nicht anders
geht. An anderen schmaleren Stellen der abzudichtenden Bauteile,
zum Beispiel zwischen Öl- und
Wasserlöchern
oder an weiter außen
liegenden Ölrücklauflöchern, kann
bei den üblichen
Konstruktionen kein Stopper realisiert werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein elastisch verformbares flaches
Element anzugeben, welches einen vereinfachten Aufbau aufweist und
als Dichtungselement ausgebildet die oben genannten Probleme vermeiden
kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Element nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu
entnehmen.
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Es
wird ein flaches Element angegeben, welches mindestens ein Metallblech
umfasst, in das eine Prägehalbsicke
geprägt
ist. Die Prägehalbsicke zeichnet
sich durch einen dünner
geprägten
Bereich aus, der beiderseits von einem Randbereich benachbart ist.
Die Randbereiche sind gegeneinander höhenversetzt, so dass ein erster
Randbereich gegen eine unten angrenzende virtuelle Auflagefläche einen unteren
Anschlag, der zweite Randbereich dagegen gegen eine gegenüber liegende
virtuelle Deckfläche einen
oberen Anschlag ausbilden kann. Umgekehrt hat das Element im ersten
Randbereich keinen oberen Anschlag, da es dort von der oberen Deckfläche beabstandet
ist, während
das Element im zweiten Randbereich keinen unteren Anschlag aufweist,
da es dort von einer unteren Auflageebene ebenfalls beabstandet
ist.
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Der
wesentliche Unterschied zwischen Biegung und Prägung liegt makroskopisch darin,
dass beim Prägen
plastisch gestaucht oder gestreckt wird, also der Querschnitt eines
Körpers
durch Fließen
des Materials verändert
wird, beim Biegen dagegen nicht. Biegen wurde bisher bei herkömmlichen
mit (Halb-)Sicken versehenen Dichtungsblechen angewendet. Das erfindungsgemäße Metallblech
weist zumindest einen gegenüber
der ursprünglichen Blechdicke
und somit gegenüber
nicht geprägten
Bereichen dünner
geprägten
Bereich auf. Zusätzlich aber
nicht notwendiger Weise können
einzelne Bereiche des Metallblechs auch dicker oder dünner gegenüber der
ursprünglichen
Blechdicke geprägt
sein.
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Die
Prägehalbsicke
ist nun im geprägten
Bereich elastisch und plastisch verformbar. Das Blech erfährt bei
beidseitiger Verpressung ein Moment und eine elastische Biegung,
die sich auch über
den Bereich der Prägung
hinaus auswirken und so die Kräfte aufnehmen
kann, die von oben und unten, also von einer Auflageebene und von
einer oberen Deckfläche (=
unterer und oberer Anschlag) her auf das Element einwirken. Der
Höhen- bzw. Niveau-Unterschied
der beiden Randbereiche entspricht dabei dem Abstand eines Randbereichs
zu dem der Kontaktfläche
gegenüberliegenden
Anschlag und stellt dabei den maximalen Federweg dar, den das flache
Element elastisch aufnehmen kann. Bei Randbereichen mit unterschiedlicher
Blechdicke ist der maximale Federweg der geringere der beiden genannten
Abstände.
Das Element kann auch als elastisches Element zwischen zwei benachbarten
Körpern
bzw. als Zwischenstück
zwischen deren stirnseitigen Oberflächen eingesetzt werden.
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Die
plastische Verformbarkeit im geprägten Bereich rührt daher,
dass der geprägte
Bereich durch vertikal zum flachen Element einwirkende Kräfte gestaucht
werden kann. Vorteilhaft ist der geprägte Bereich daher dünner ausgebildet
als die restlichen Bereiche des Metallblechs. Beiderseits des geprägten Bereiches
bilden die in ihrer Dicke vorzugsweise unveränderten und nicht geprägten Randbereiche
je eine Kante zum geprägten
Bereich hin aus.
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Im
Anwendungsfall ist das erfindungsgemäße flache Element zwischen
zwei Körpern
angeordnet, deren Stirnflächen
relativ zum Element hin dessen untere Auflageebene beziehungsweise
dessen obere Deckfläche
darstellen und so beiderseits gegen das flache Element pressen können.
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Bei
kleiner anliegender Kraft hat jeweils einer der Randbereiche vollen
Kontakt zu einer der Nachbarflächen,
da die jeweiligen Kontakt- oder Dichtflächen gegeneinander in der Höhe verschoben
sind. Bei größer werdender
Kraft und daraus resultierender plastischer Verformung des geprägten Bereichs verändert sich
auch die Auflagefläche
des jeweiligen Randbereichs auf der Nachbarfläche, so dass der Randbereich
bei maximaler einwirkender Kraft zuletzt nur noch auf der Kante
aufliegt. Nach einer Steigerung der anliegenden Kraft bis hin zur
Maximalverformung des erfindungsgemäßen Elements liegen die beiden
Nachbarflächen
von beiden Seiten her auf zumindest einem Randbereich auf, der dadurch
eine Stopperfunktion erfüllt.
Die Dicke dieses Randbereichs bestimmt dann die maximal mögliche gegenseitige
Annäherung
der beiden Nachbarflächen.
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Das
flache Element kann aber auch eine Stirnfläche darstellen, die gegen eine
Nachbarfläche abzudichten
ist und dazu durch die Prägung
mit der genannten Prägehalbsicke
versehen ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Stirnfläche selbst
aus dünnem
Blech von z. B. 2–3
mm Dicke besteht.
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Das
flache Element kann darüber
hinaus auch als umgebördelter
Rand eines Metallblechs ausgebildet sein, wobei die Prägehalbsicke
in diesem umgebördelten
Rand angebracht ist. Werden mehrere solcher Bleche übereinander
gestapelt, kann der umgebördelte
Rand dann wie ein Dichtelement wirken.
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Weiter
kann das flache Element auf ein Metallblech aufgeklebt, aufgeschweißt (z. B.
mittels Laser) oder anders mit dem Metallblech verbunden sein, so
dass eine integrierte Dichtung im Metallblech vorhanden ist, die
eine gesonderte Handhabung eines separaten Dichtungselements (flaches
Element) vermeidet.
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In
allen Fällen
kann das Metallblech/flache Element dabei im dünner geprägten Bereich, unter Druck und
maximaler plastischer Verformung bis hin zum beiderseitigen Anschlag
in einem der Randbereiche, das dabei „weg gedrückte” bzw. gestauchte Material
aufnehmen, erreicht dabei aber trotzdem nicht wieder die Dicke des übrigen Metallblechs.
Aus diesem Grund weist das Element auch im Anschlag noch eine Elastizität auf. Diese
führt dazu,
dass bei Reduktion der einwirkenden Kräfte das flache Element bei
vollständiger
Entlastung schließlich
wieder die ursprüngliche
Form annimmt, wobei wegen der Elastizität bis zuletzt ein Druck auf
die Anschlagbereiche erhalten bleibt, so dass das Element über die
beiden Anschlagbereiche auch bis zuletzt abdichtet.
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Erstaunlich
ist, dass das flache Element eine relativ große Elastizität auch gegenüber großen Verformungen
aufweist. In ersten Spannungsdehnungsversuchen wurden dabei auch
Elemente untersucht, die aus relativ dicken Metallblechen gefertigt
wurden. Selbst hier zeigt ein erfindungsgemäß ausgebildetes Element einen
elastischen Federweg von mehr als 10 μm, ohne dass einer der Anschläge sich
von einer der Nachbarflächen
löst.
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Ebenfalls überraschend
ist es, dass die Prägehalbsicke
des erfindungsgemäßen Elements
sich auch bei Überlastung
nicht irreversibel plastisch verformt. Selbst nach einem Reibverschleißversuch,
mit dem Thermoschockzyklen simuliert werden, bleibt die Struktur
der Prägehalbsicke
erhalten, obwohl sich das gesamte Profil des flachen Elements aufgrund großer anliegender
Normalkraft plastisch verformt und damit angepasst hat.
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Mit
dem erfindungsgemäßen flachen
Element können
daher wirksame Dichtungen erzeugt werden. Ein als Dichtung ausgebildetes
Element weist eine Prägehalbsicke
auf, die in der Ebene des Metallblechs einen durchgehenden, in sich
geschlossenen und so eine Fläche
umschließenden
Verlauf aufweist. Bei Pressung des erfindungsgemäßen Elements zwischen zwei
abzudichtende Nachbarflächen kann
im Bereich der umschlossenen Fläche
ein gegenüber
dem übrigen
Bereich erhöhter
oder reduzierter Druck gegen die Umgebung abgedichtet werden. Ein
erfindungsgemäßes Element
mit einem solchen Prägesickenverlauf
zeigt bereits ohne weitere Maßnahmen
der Kraftkonzentration auf die abzudichtenden Bereiche bereits bei
halber maximaler einwirkender Vorspannung, die z. B. über die Schraubkraft
einer Verschraubung der beiden abzudichtenden Flächen benachbarter Körper eingestellt werden
kann, hinreichend gute Fujiabdrücke,
die genau diesem in sich geschlossenen Verlauf folgen. Das zeigt,
dass bei entsprechender Beschichtung mit dem Element eine sehr gute Dichtwirkung
erzielt werden kann. Diese wird aufgrund der Elastizität des Elements über einen
weiten Bereich möglicher
Anpressdrucke aufrecht erhalten.
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Wird
das flache Element als Dichtelement eingesetzt, so kann es vorzugsweise
an zumindest einer Seite mit einer plastisch und/oder elastisch
anpassungsfähigen
Beschichtung versehen sein. Diese kann auch partiell an den Stellen
aufgebracht sein, die die Kontaktflächen der Dichtung bilden. Die
Beschichtung kann mittels Siebdruck oder Dispenser aufgebracht werden.
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Wird
das flache Element als elastisches oder allgemein Relativbewegungen
aufnehmendes Zwischenelement eingesetzt, so kann ebenfalls eine
Beschichtung vorteilhaft sein. Diese weist dann vorteilhaft gute
Gleiteigenschaften auf, ohne dabei einen zu hohen Verschleiß zu zeigen.
Eine solche Gleitbeschichtung kann als Kunststoffschicht oder auch
als Keramikbeschichtung auf dem Metallblech ausgebildet sein.
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Diese
Beschichtung dient der Mikroanpassung zwischen zwei abzudichtenden
Flächen
und damit der Abdichtung. Die Beschichtung kann ein organisches
oder anorganisches vorzugsweise nichtmetallisches Material umfassen.
Bevorzugt sind thermoplastische organische Polymere sowie natürliche und
synthetische Kautschuke.
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Für einen
Einsatz des flachen Elements in heißen und/oder aggressiven Medien
sind Beschichtungen bevorzugt, die unter diesen Bedingungen stabil
und ausreichend elastisch bleiben. Ein besonders inertes und für Dichtungszwecke
gut einsetzbares Material für
Beschichtungen wird in der Klasse der organischen Fluorpolymere
gefunden. Geeignet sind auch solche Thermoplaste, die wegen ihrer
thermischen Stabilität
als Hochleistungsthermoplaste bezeichnet werden. Diese können ausgewählt sein
aus Polyaryletherketonen wie Polyetherketon, Polyetheretherketon
oder Polyphenylensulfid. Auch LCP (flüssigkristalline Polymere) sind
geeignet.
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Vorteilhaft
können
diese Beschichtungen auch mit organischen und anorganischen Füllstoffen gefüllt sein,
um ein den gewünschten
mechanischen Eigenschaften der Beschichtungen entsprechendes Eigenschaftsprofil
einzustellen. Solche Füllstoffe können in
Partikelform oder als Fasern eingesetzt werden. Die Füllstoffe
können
metallisch, mineralisch, keramisch oder auch organisch sein. Auch Kohlenstoff
und Kohlenstofffasern sind geeignet. Den Beschichtungen können auch
Trockenschmierstoffe beigesetzt sein, um die Gleitreibung der Beschichtungen
zu reduzieren. Dies ist auch in solchen Anwendungen vorteilhaft,
bei denen das Element zwischen den Stoßflächen zweier Körper eingespannt wird,
ohne dass es während
des Betriebs zu gegenseitigen lateralen Relativbewegungen der zwei
Körper
kommt. Allein durch die Verformung der Prägehalbsicke unter Druck entstehen
Scherkräfte
an den Dichtflächen,
die mit einer entsprechend gleitfähigen Beschichtung über ein
Ausweichen des Materials kompensiert werden können.
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Trockenschmierstoffe
können
ausgewählt sein
aus Fluorpolymeren, die beispielsweise auch als Partikel und somit
als Füllstoff
der beschichtungsfähigen
Masse beigefügt
werden können.
Weitere Trockenschmierstoffe können
aus Molybdän-Sulfid, Graphit und
Bornitrid ausgewählt
sein. Sie können
als komplette Reinschichten oder als Bestandteile von anderen Beschichtungen
auf zumindest eine Oberfläche
des flachen Elements aufgebracht sein.
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Die
Prägehalbsicke
wird durch Prägen
des Metallblechs hergestellt. Dabei wird zumindest der dünner geprägte Bereich
und ein gegenseitiger Höhenversatz
der beiden Randbereiche beiderseits des dünner geprägten Bereich erzeugt. Dabei
entstehen auch die Kanten, die auf jeder Seite des Metallblechs den
dünner
geprägten
Bereich gegen die Randbereiche abgrenzen. Die Prägung kann durch ein- oder zweiseitiges
Einwirken von Prägefedern
erfolgen, wobei der dünner
geprägte
Bereich entsteht. Durch geeignete relative gegenseitige Anordnung
der beiden Federn liegt eine Kante zwar auf der jeweiligen Einwirkungsseite
neben dem Einwirkungsbereich der Feder. Die Kante kann aber durch
Einwirken einer weiteren Feder von der anderen Seite des Metallblechs
her im Bereich des dünner
geprägten
Bereichs liegen. Dies kann auch für beide Kanten zutreffen.
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Möglich ist
es jedoch auch, die Dicke des Metallblechs an anderen Stellen durch
Prägen
zu erhöhen,
insbesondere in einem oder beiden Randbereichen. In einer Ausführung weist
der dünn
geprägte Bereich
zwei Randbereiche mit unterschiedlicher Dicke auf. Auf diese Weise
wird erreicht, dass die Stoppfunktion nur im Bereich des dicker
geprägten Randbereichs
zur Verfügung
steht.
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Möglich ist
es auch, die Randbereiche mit einem Querschnittsprofil zu versehen.
Vorteilhaft kann der Randbereich an der Kante zum dünner geprägten Bereich
die größte Dicke
aufweisen und mit zunehmendem Abstand von der Kante dünner werden. Auch
das umgekehrte Dickenprofil ist möglich. Vorteilhaft wird ein
solches vorzugsweise keilförmiges Dickenprofil
in ein als Dichtungselement verwendetes flaches Element so eingebracht,
dass die dickere Seite des Randbereichs nach innen weist, also zu
der vom Verlauf der Prägehalbsicke
umschlossenen Fläche,
die Teil eines von der Dichtung abgedichteten Volumens sein kann.
Allgemein ist es vorteilhaft, die dickere Seite des Randbereichs
an der Seite des Dichtungsproblems anzuordnen, an der der größere Druck
anliegt.
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In
einer Ausführungsform
ist das Metallblech des flachen Elements so ausgeschnitten, dass
beiderseits der Prägehalbsicke
ein den Randbereich umfassender Materialstreifen verbleibt. Dieser
Randbereich kann eine minimale Breite ab ca. 1 mm aufweisen, wird
aber vorzugsweise auf eine Breite von ca. 2 bis 6 mm optimiert.
Mit einer Breite von 1–6
mm erfüllt
der Randbereich seine gewünschte
Funktion als Anschlag zuverlässig,
ohne dass Verformungen im Randbereich auftreten, die die Dichtigkeit
reduzieren könnten.
Breitere Reststreifen inklusive Randbereich sind natürlich auch
möglich.
Zusätzlich
kann durch die Prägung
eine Verfestigung des Bereichs des flachen Elements erreicht werden,
der bei beidseitig einwirkendem Druck gestaucht wird, was zusätzlich zur
Haltbarkeit des Profils beiträgt.
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Da
die Breite des Randbereichs proportional zur anfänglichen Dichtungsfläche ist,
mit der der Randbereich an der Nachbarfläche anliegt, werden zum Einen
mit einem größer werdenden
Randbereich die einwirkenden Kräfte
besser verteilt. Durch die sich dabei ergebende Flächenpressung
werden weder das Dichtungsmaterial noch die Oberfläche der
abzudichtenden Bauteile überlastet.
Weiterhin verhindert eine breiterer Randbereich und damit eine größere Dichtfläche ein
Fließen
bzw. Kriechen von weichem Beschichtungsmaterial. Eine ausreichend große Fläche ist
also eine wichtige Voraussetzung für die Langlebigkeit des flachen
Elements, wenn es z. B. als Dichtung oder druckbelastetes Zwischenstück eingesetzt
wird.
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Für eine gute
Dichtwirkung und Anpassung an die abzudichtenden Oberflächen wird
dagegen je nach Dichtungsmaterial eine Mindestpressung benötigt, mit
dem auf die Kontaktflächen
von Randbereich und anliegender Nachbarfläche ein ausreichend großer Druck
ausgeübt
wird. Wird dieser nicht erreicht, weil die Fläche zu groß ist, ist die Dichtung undicht. In
diesem Fall kann ein dünnerer
Randbereich von Vorteil sein, da er in Einzelfällen ebenfalls die Dichtwirkung
verbessern kann. Durch eine optimierte und insbesondere minimale
Breite des Randbereichs wird daher wenig Platz verschenkt, die Dichtwirkung optimiert
und die Haltbarkeit des flachen Elements verbessert.
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Da
ein Teil der auf das flache Element einwirkenden Kräfte das
Element so verformt, dass sich der äußere Randbereich von der abzudichtenden
Fläche abhebt,
wird mit einem schmaleren Randbereich auch die Kraft-Weg-Kurve verändert, die
quasi die Federwirkung symbolisiert. Über geeignete Wahl der Breite
des Randbereichs kann so zusätzlich
die Federkonstante des flachen Elements eingestellt werden.
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Ein
parallel zum Verlauf der Prägehalbsicke ausgeschnittenes
Metallblech erfordert weniger Material und führt zu einem leichteren und
kostengünstigeren
flachen Element. Ein dermaßen
im Material reduziertes erfindungsgemäßes Element ist nun auch leichter
in seiner Dicke anpassbar. Je schmaler der Randbereich, desto einfacher
ist es möglich,
das Metall dort auf die geforderte Einbaudicke beziehungsweise Stopperhöhe zu prägen. Der
Randbereich kann durch das Prägen
dadurch in seiner Dicke erhöht
oder insbesondere reduziert werden.
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Durch
Variation der Geometrie der Prägehalbsicke
können
verschiedene Verformungskurven (Kraft-Weg-Kurven) erzielt werden.
So kann der Abstand der Kanten größer oder kleiner gewählt werden.
Das Prägen
des verdünnten
Bereichs erfolgt üblicherweise
mit einer Feder. Diese kann tiefer oder weniger tief in das Material
eindringen.
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Eine
weitere Variation ergibt sich über
die Auswahl des verwendeten Metallblechs. Dessen Härte und
Dicke ist so gewählt,
dass sich die tragenden Flächen
unter der anliegenden Kraft nicht plastisch verformen. Bei Randbereichen
von ca. 2 bis 3 mm Breite reichen dann ca. 500 bis 600 Newton/mm2 beziehungsweise es kann ein solches Blech
verwendet werden, das den genannten Druck ohne plastische Verformung übersteht.
Mit dem erfindungsgemäßen Element
kann ein viel weicheres Blech verwendet werden, als dies bei bekannten
aus Federstahlblech gebogenen Mehrlagendichtungen erforderlich ist.
Ein weicheres Material ist aber leichter prägbar und erleichtert so die
Herstellung des flachen Elements. Das Metallblech kann unter anderem
ausgewählt
sein aus Stahlblechen, Weicheisenblechen, Kupferblechen oder Aluminiumblechen.
Möglich
sind jedoch auch alle anderen prägbaren
Metallbleche, wobei die Auswahl des Blechs von der Art der gewünschten
Anwendung, also der gewünschten
Funktion des Elements und den am Ort der Anwendung herrschenden
Umweltbedingungen vorgenommen wird. Weiter sind Laminate aus Blechen
und Kunststoffen geeignet oder mit Metallen verstärkte Kunststoffmaterialien.
Beispielsweise sind hochgefüllte Thermoplaste,
insbesondere mit hohen Volumenanteilen von z. B. 20 bis 90 Vol.%
Metallen gefüllte
thermoplastisches Hochleistungspolymere gut geeignet, die ausgewählt sind
aus Polyaryletherketonen, PEK, PEEK, LCP, PPS und Mischungen davon.
Eine Prägung
solcher Folien aus Verbundmaterialien wird durch sich überwiegend
in einer oder zwei Dimensionen erstreckende, relativ flache oder
lang gestreckte metallische Füllstoffpartikel
erleichtert. Möglich
ist es im Extremfall sogar, das Metallblech vollständig durch
ein gespritztes und anschließend
wie beschrieben geprägtes
Kunststoffteil zu ersetzen. Das Spritzen solcher Teile wird erleichtert,
wenn das Kunststoffteil neben dem geprägten Bereich nur noch relativ
schmale Randbereiche umfasst und ansonsten im Wesentlichen parallel
zu dem dünner
geprägten
Bereich ausgeschnitten ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Element neben
dem geprägten Metallblech
noch ein weiteres metallisches Blech, welches zumindest im Bereich
der Prägehalbsicke des
geprägten
Bleches inklusive seiner Randbereiche über oder unter dem Metallblech
angeordnet ist. Dieses metallische Blech kann vollständig plan
sein, eine einheitliche Schichtdicke aufweisen und frei von geprägten oder
gebogenen Strukturen wie Sicken oder Halbsicken sein. Es kann großflächig eingesetzt werden
oder in ähnlicher
Weise wie das Metallblech zugeschnitten sein. Dabei weist es zumindest
dessen Ausdehnung auf.
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Dieses
zusätzliche
metallische Blech erlaubt es, den vom geprägten Metallblech auf eine Nachbarfläche ausgeübten Druck
aufzunehmen und besser zu verteilen. Dies ist insbesondere dann
von Vorteil, wenn die Kontaktfläche
der Randbereiche sich infolge eines zunehmenden Drucks durch Verformung
der Halbsicke oder Prägehalbsicke
reduziert und sich allein dadurch der im Bereich der Kontaktfläche pro
Flächeneinheit
ausgeübte
Druck zusätzlich erhöht. So wird
auch bei empfindlicheren Nachbarflächen die Gefahr einer mechanischen
Beschädigung durch
den Abdruck des flachen Elements reduziert. Aus den genannten Gründen ist
es vorteilhaft, auch auf der zweiten Seite des geprägten Metallblechs
ein metallisches Blech vorzusehen, um beiderseits die Nachbarflächen zu
schonen. Weiter kann mit einem oder mehreren zusätzlichen metallischen Blechen eine
geforderte höhere
Einbauhöhe
des flachen Elements eingestellt werden.
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Möglich ist
es jedoch auch, ein Metallblech mit größerer Dicke einzusetzen und
die Eigenschaften der Prägehalbsicke
unabhängig
von der ursprünglichen
Blechdicke durch eine geeignete verbleibende Blechdicke nach dem
Prägen
im dünn
geprägten
Bereich einzustellen. Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Kante
im dünn
geprägten
Bereich angeordnet ist. Mit der Blechdicke im dünner geprägten Bereich reduziert sich
das E-Modul und damit auch die Kraft, die von der Kante auf die
z. B. dichtende Kontaktfläche
einer benachbarten Oberfläche ausgeübt wird.
So gelingt es mit der Prägung,
die Aggressivität
der Kante, mit der sie auf eine Nachbarfläche einwirkt, abzumildern und
auf ein gewünschtes Maß zu reduzieren.
Eine dünnere
Prägung
gelingt mit einer Feder, die beim Prägen tiefer in das Metallblech eindringt.
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Bevorzugt
wird das Metallblech also mit einem Federstahlblech zu einem zweilagigen
flachen Element kombiniert. Das Federstahlblech kann eine gebogene
Sickenstruktur aufweisen oder plan sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird das geprägte erste
Metallblech mit zumindest einem weiteren, metallischen zweiten Blech
kombiniert, welches eine Sicke oder eine Halbsicke aufweist. Deren
Verlauf stimmt dabei im Wesentlichen mit dem Verlauf der Prägehalbsicke
im ersten Metallblech überein.
Dementsprechend sind im flachen Element die Präge halbsicke des ersten Metallblechs und
die Sickenstruktur des metallischen zweiten Blechs so übereinander
angeordnet, dass die Sickenstruktur über oder unter dem dünner geprägten Bereich
des ersten Metallblechs angeordnet ist. Dies führt dazu, dass auch bei vollständiger Kompression des
flachen Elements die Sickenstruktur des metallischen Blechs geschützt wird,
da sie im dünner
geprägten
Bereich liegt und damit nicht vollständig komprimiert werden kann.
Dadurch wird verhindert, dass auch die Sickenstruktur des metallischen
Blechs nach Entlastung in elastischer Weise wieder ihre ursprüngliche
Struktur annehmen kann. Die Elastizität der Prägehalbsicke im ersten Metallblechs
bleibt unabhängig
von dem metallischen zweiten Blech wie bereits beschrieben erhalten.
Das zweite metallische Blech ist insbesondere ein Federstahlblech,
und die Sicke oder Halbsicke, sofern vorhanden, durch Biegen ohne
Schichtdickenveränderug
erzeugt.
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Vorteilhaft
ist es, ein erstes Metallblech mit einer Prägesicke und ein metallisches
zweites Blech mit einer gebogenen Halbsicke so zu kombinieren, dass
der Höhenversatz
durch die jeweilige Prägesickenstruktur
in den beiden Blechen in entgegen gesetzte Richtung erfolgt. Dann
berühren
sich hier die beiden Bleche über
jeweils einen ihrer Randbereiche, die gegeneinander eine entsprechende
Kontaktfläche
ausbilden. Der jeweils andere Randbereich der Sickenstruktur beider
Bleche bildet jeweils eine Kontaktfläche zu einer oberhalb beziehungsweise unterhalb
des flachen Elements gelegenen Nachbarfläche aus. Diese Nachbarfläche kann
die Stoßfläche eines
der beiden Körper
sein, zwischen denen das flache Element angeordnet ist. Die Nachbarfläche kann
aber auch die Oberfläche
eines weiteren metallischen Blechs mit oder ohne Sickenstruktur
sein. Das flache Element weist dann neben dem geprägten Metallblech
mehr als zwei metallische Bleche auf.
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Weiter
ist es möglich,
das erste Metallblech mit Prägesicke
und ein metallisches zweites Blech ohne Sickenstruktur zu einem
flachen Element zu kombinieren. Das zweite Metallblech kann aber
auch eine Prägesickenstruktur
aufweisen, so dass zwei gleichartige aber zueinander spiegelsymmetrische Metallbleche
zu einem flachen Element kombiniert sind.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist ein geprägtes Metallblech parallel zum
Verlauf der Prägehalbsicke
so ausgeschnitten, dass einseitig oder beiderseits der Prägesicke
ein Saum verbleibt, der dem Randbereich entsprechen kann. Aus dem
Saum ragen einseitig oder zweiseitig vom Verlauf der Prägehalbsicke
weg weisende Stege, die ebenfalls durch Ausschneiden aus dem ursprünglichen
Metallblech hergestellt sind. Diese besitzen keine Sickenstruktur und
sind in einer Ausführung
auch nicht geprägt
oder in der Blechdicke verändert.
Sie können
voneinander entfernt liegende Punkte im Verlauf der Prägesickenstruktur überbrücken. Die
Stege können
jedoch auch außerhalb
der vom Prägesickenverlauf
umschlossenen Fläche
angeordnet sein oder die gesamte vom Verlauf der Prägehalbsicke
eingeschlossene Fläche überbrücken. Mit
den Stegen wird die mechanische Stabilität des insbesondere nur mit
schmalem Saum ausgeschnittenen Metallblechs erhöht.
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Im
Bereich der Stege kann das Metallblech auch dünner geprägt sein als die Randbereiche
bzw. der Saum. Die Stege können
auch mit einem freien Ende von der Prägesicke weg weisen. Sie können eine
dem Randbereich/Saum entsprechende Breite aufweisen, oder auch von
dieser Breite abweichen.
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Eine
einfache Möglichkeit,
das Metallblech im Bereich der Stege in einfacher Weise dünner zu prägen besteht
darin, vor dem Prägen
Löcher
oder lang gestreckte Durchbrechungen im Metallblech wie z. B. eine
durchbrochene Streifenstruktur in den Stegen vorzusehen, in die
das Material des Metallblechs beim Prägen hineinfließen kann.
Rund um die Löcher oder
Durchbrechungen kann dann die Blechdicke im Bereich der Stege einfacher
reduziert werden. Die Löcher/Vertiefungen
können
dabei so bemessen sein, dass sie nach dem Prägen durch entsprechend hinein
geflossenes Metall wieder geschlossen sind. Die Verbindungsstege
können
auch ein stabilisierendes Gitter oder eine beliebig andere vernetzte
Struktur aufweisen, um die Stabilität des Metallblechs oder des
gesamten flachen Elements zu erhöhen.
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Im
flachen Element können
zwischen je zwei Metallblechen Weichstoffdichtungen angeordnet sein,
die gesonderte Elemente darstellen oder als voll- oder teilflächige Beschichtung
auf zumindest einer der Kontaktflächen zwischen zwei Metallblechen angeordnet
sind.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazu
gehörigen
Figuren näher
erläutert.
Die Figuren dienen allein dem besseren Verständnis der Erfindung und sind
daher schematisch und nicht maßstabsgetreu
ausgeführt. So
können
den Figuren weder absolute noch relative Maßangaben entnommen werden.
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1 zeigt
ein Metallblech mit Prägehalbsicke
im schematischen Querschnitt,
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2A zeigt
ein geprägtes
Metallblech, welches beiderseits der Prägehalbsicke ausgeschnitten ist,
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2B zeigt
ein geprägtes
Metallblech, welches beidseitig geprägt ist,
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3 zeigt
ein erfindungsgemäßes Metallblech
in einer möglichen
2-D-Ausgestaltung in der Draufsicht,
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4a zeigt
ein erfindungsgemäßes Element
im Querschnitt, umfassend ein geprägtes Metallblech und ein metallisches
Blech mit Sickenstruktur,
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4b zeigt
ein erfindungsgemäßes Element
mit einem unstrukturierten metallischen Blech und einem Metallblech
mit Prägehalbsicke
im Querschnitt,
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5a zeigt
ein Element mit einem Metallblech und mit einem metallischen Blech
mit jeweils doppelter Halbsickenstruktur,
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5b zeigt
ein Element, umfassend ein Metallblech mit zwei Prägehalbsicken,
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6 zeigt
ein Element aus einem geprägten
metallischen Blech und zwei metallischen Blechen mit Sickenstruktur,
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7a zeigt
ein geprägtes
metallisches Blech mit einer Beschichtung,
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7b zeigt
ein geprägtes
metallisches Blech mit selektiv aufgebrachtem Dichtmittel,
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7c zeigt
ein beidseitig jeweils mehrstufig geprägtes metallisches Blech,
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8 zeigt
in schematischer Draufsicht den möglichen Verlauf einer Prägehalbsicke
samt diesen überbrückender
Stege,
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9 zeigt
in schematischer Draufsicht ein metallisches Blech mit einer Prägesickenstruktur,
die einen ersten und einen zweiten Verlauf aufweist,
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10 zeigt
ein geprägtes
Metallblech mit einer Prägesickenstruktur,
die einen durchbrochenen Verlauf aufweist.
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1 zeigt
eine einfache Ausführung
des Elements 1, welches ein geprägtes Metallblech MB umfasst.
Das Metallblech weist eine ursprüngliche Blechdicke
von z. B. größer gleich
0,3 mm auf und ist mit einem Prägewerkzeug
im dünner
geprägten
Bereich PB durch Prägen
auf eine Blechdicke d3 reduziert. Dies kann beispielsweise in einfacher
Weise durch Eindrücken
einer Feder von einer oder zwei Seiten her erfolgen. Im einfachsten
Fall ist d1 = d2 = d0 und d3 kleiner als d0.
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Ein
Aufprägen,
wodurch Bereiche des Metallblech MB dicker werden als die Ausgangsblechdicke,
ist prinzipiell auf einer Seite oder beidseitig der Prägesicke
auch möglich.
Dann ist d0 die Ausgangsblechdicke, d1 und/oder d2 sind die Blechdicken
im aufgeprägten
Bereich. Zumindest eine Blechdicke d1 und/oder d2 ist dann größer d0.
Zum Aufprägen
sind allerdings höhere
Prägekräfte und
tief ins Material eindringende Federn erforderlich, was sich nachteilig auf
die Prägekanten
auswirken kann.
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Möglich ist
es jedoch auch, das Metallblech MB ausgehend von einer ursprünglichen
Blechdicke d1 = d2 außerhalb
des Randbereichs RB auf eine Blechdicke d0 (d0 kleiner d1, d2) dünner zu
prägen. Weiter
können
die Bereiche jenseits des Randbereichs beiderseits der Prägesicke
auf jeweils unterschiedliche Blechdicken heruntergeprägt sein.
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Solch
relativ dünne
Bleche sind deshalb geeignet, weil die Feder beim Prägen nicht
tief eindringen muss, um die Prägesicke
zu erzeugen. Es genügt
dann eine Eindringtiefe von ca. 50 μm bei einem Versatz h1 von 25 μm. Bei dünnen Metallblechen
ist auch eine nur relativ geringe Prägekraft erforderlich. Normalerweise
erfolgt auch kein Aufprägen
im Sinne einer Blechdickenerhöhung
benachbart zum dünner geprägten Bereich.
Dann ist der Höhenversatz
der Prägekanten
symmetrisch und h1 = h2.
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Bei
entsprechender Gestaltung des Prägewerkzeugs
kann gemäß einer
Ausführung
der Erfindung das verdrängte
Material des Metallblechs MB beiderseits in die Randbereiche RB
fließen,
die dabei von einer ursprünglichen
Blechdicke d0 auf eine Schichtdicke d1 oder d2 verstärkt werden.
Außerhalb der
Randbereiche RB1, RB2 bleibt dann eine ursprüngliche Blechdicke d0 des Metallblechs erhalten. Üblicherweise
lässt sich
aber ohne weitere Maßnahmen
keine erkennbare Aufprägung
benachbart zum dünner
geprägten
Bereich herstellen bzw. eine solche Aufprägung lässt sich nicht nachweisen.
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Weiterhin
ist das Prägewerkzeug
so gestaltet, dass das geprägte
Metallblech MB in einem ersten Randbereich RB1 auf einer virtuellen
unteren Auflageebene, in einem zweiten Randbereich RB2 auf der gegenüber liegenden
Seite des dünn
geprägten
Bereichs PR dagegen an einer oberen Deckfläche anliegen kann. Gleichzeitig
sind die gegebenenfalls dicker geprägten Randbereiche gegeneinander höhenversetzt,
so dass in beiden Randbereichen die der Auflagefläche gegenüber liegende
Kante des dicker geprägten
Bereichs einen freien Abstand h1 bzw. h2 zur unteren Auflageebene
aufweist. Über diesen
Höhenversatz
zwischen den beiden Seiten weist das geprägte Metallblech letztendlich
ein elastisches Moment auf und bewirkt damit eine Federkennlinie.
Deren Stärke
kann durch die Dicke d0 des Metallblechs MB, die Breite der Randbereiche
RB, den Unterschied zwischen der ggf. aufgeprägten Dicke d1 und der Dicke
d3 im dünn
geprägten
Bereich PB sowie durch das E-Modul des verwendeten Blechs bestimmt
werden.
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Es
kann beispielsweise ein Stahlblech verwendet werden, welches nicht
aus einem Federstahl besteht. Es können Blechdicken ab ca. 0,3
mm gewählt
werden. Die Blechdicken können
bis 3 mm gewählt
werden, vorzugsweise jedoch zwischen 0,5 und 2 mm, besser zwischen
0,6 und 1,5 mm. Ausgehend von einem beispielhaft eingesetzten Metallblech
einer Stärke
d0 = 0,5 mm kann im Randbereich – falls
gewünscht – eine Aufdickung
um bis zu 0,1 mm erreicht werden, (d1 – d0 =
0,1 mm). Das in 1 dargestellte geprägte Blech
wurde nur einseitig (von unten) mittels einer Feder geprägt. Möglich ist
es jedoch auch, mittels einer zweiten, von oben auf das Metallblech
einwirkenden und in dieses eindringenden zweiten Feder eine zweite
Vertiefung zu verzeugen, die im vorliegenden Fall von 1 vorzugsweise
nach links versetzt gegenüber
der dargestellten Einprägung
angeordnet wird (siehe dazu 2B).
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Die
Abstände
h1 und h2 des (ggf. dicker geprägten)
Bereichs gegenüber
der nicht anliegenden Nachbarfläche
können
gleich oder unterschiedlich sein. Im letzten Fall weisen dann diese
Bereiche unterschiedlich ausgeprägte
Dicken d1, d2 auf. Diese Abstände
sind von der Geometrie des Prägewerkzeugs
abhängig
und können
entsprechend eingestellt werden. Üblicherweise ist h1 = h2 und
0,01 mm ≤ h1,
h2 ≤ 0,3
mm. In einer weiteren Ausführung
gilt 0,03 mm ≤ h1,
h2 ≤ 0,1
mm bei einer Ausgangsblechdicke zwischen 0,3 mm und 2,0 mm. Die
Blechdicke d3 im dünner
geprägten
Bereich kann durch tiefes Eindringen der Feder relativ dünn gegen
die Ursprungsblechdicke sein. So kann eine Ursprungsblechdicke von
z. B. 1,7 mm im dünner
geprägten
Bereich auf eine Blechdicke d3 = 0,3 mm geprägt bzw. reduziert sein.
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2a zeigt
eine weitere Ausführungsform eines
mit einer Prägehalbsicke
versehenen Metallblechs. Im Unterschied zu 1 ist das
Metallblech in einem wählbaren
Abstand zum dünner
geprägten Bereich
PB ausgeschnitten. Links und rechts des dünner geprägten Bereichs PB verbleibt
somit nur jeweils ein Randstreifen RS1 beziehungsweise RS2, der
dem in 1 diskutierten Randbereich entsprechen oder auch
davon abweichen kann. Im Bereich der Randstreifen RS1, RS2 kann
die Blechdicke konstant und beiderseits des dünner geprägten Bereichs PB gleich sein.
Zur Prägehalbsicke
hin, also zum dünner
geprägten
Bereich PB schließt
der erste Randstreifen RS1 mit einer Kante K1, der zweite Randstreifen
RS2 mit einer Kante K2 ab.
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In
der dargestellten Ausführung
verlaufen die untere und die obere Auflagefläche AFu und
AFo parallel zu einer Auflageebene AE beziehungsweise
zu einer Deckfläche
DF. Diese können
virtuelle Ebenen sein, im Einsatz des Elements jedoch auch die Oberflächen benachbarter
Körper,
die beiderseits des Elements, hier des ausgeschnittenen Metallblechs
angeordnet werden. Durch die parallele Anordnung der äußeren Oberflächen der
beiden Randstreifen RS kann ohne Einwirkung von Kräften beziehungsweise bei
nur gering einwirkenden Kräften
vertikal auf die beiden Randstreifen die volle Breite der Randstreifen als
Auflagefläche
AF genutzt werden.
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Bei
einer beidseitig von Auflageebene AE und Deckfläche DF her ausgeübten Kraft
auf das Element 1 kommt es zu einer plastischen Verformung
im dünner
geprägten
Bereich PB. Bei weiterer Steigerung der einwirkenden Kraft kommt
es zu einer Verformung des Elements 1, so dass sich die äußeren Kanten
der Randstreifen von der jeweiligen Nachbarfläche abheben und sich die Auflagefläche reduziert. Bei
maximal einwirkender Kraft haben nur noch die Kanten K1, K2 beiderseits
des dünner
geprägten
Bereichs PB Kontakt zu der jeweiligen Nachbarfläche. Hier ist es besonders
vorteilhaft, den Druck der Kante auf die Nachbarfläche durch
die Blechdicke d3 im dünner
geprägten
Bereich PB einzustellen und die Kanten K1, K2 im dünner geprägten Bereich
PB anzuordnen.
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Erhöht sich
die einwirkende Kraft weiter, verkürzen sich die den Freiraum
bildenden Abstände
h1 und h2, bis im Extremfall beide Randstreifen oben und unten auf
der jeweiligen Nachbarfläche
aufliegen. Im Falle unterschiedlich dicker Randstreifen (d1 ≠ d2) fungiert
der Randstreifen mit der größeren Schichtdicke
als Stopper, der eine weitere Kompression des Elements 1 verhindert.
Dabei bleibt die Prägehalbsicke
unversehrt. Beim Nachlassen der einwirkenden Kraft kann das Metallblech
seine ursprüngliche
Form, wie in 1 oder 2 dargestellt,
einnehmen. Außerdem
zeigt sich, dass über
die gesamte Verformungsphase des das Metallblech MB mit der Prägesicke
umfassende Element 1 stets mit zumindest einem Punkt, zumeist
jedoch mit einer größeren Auflagefläche an der
Nachbarfläche
anliegt. Dieses Anliegen ist über
den gesamten Verlauf der Prägehalbsicke
gewährleistet.
Aus diesem Grund ist das geprägte
Metallblech MB bereits alleine hervorragend als Dichtelement geeignet.
Zur Verbesserung der Dichtigkeit kann es lediglich noch mit einer
elastischen Beschichtung versehen werden, beispielsweise einem organischen
Fluorpolymer.
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2B zeigt
als Element 1 ein Metallblech MB mit einer darin angeordneten
Prägehalbsicke, welche
durch beidseitiges Einwirken eines Werkzeugs (einer Feder) eingeprägt ist.
In dieser Ausführung
weist das Element auf beiden Seiten je eine seitlich gegen die andere
versetzte Vertiefung/Nut auf, so dass zwischen den Vertiefungen/Nuten
die Blechdicke reduziert ist. Mit dieser Ausführung werden zwei relativ symmetrische
Dichtkanten K1, K2 erhalten, mit denen die Abdichtfunktion des Elements 1 weiter
verbessert werden kann. In dieser Ausführung ist das Element 1 auch
besonders kompakt.
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Ein
als Dichtelement einsetzbares geprägtes und ausgeschnittenes Metallblech
MB ist in der 3 in der Draufsicht dargestellt.
Obwohl hier nur rund dargestellt, kann die Prägehalbsicke einen beliebigen
Verlauf nehmen und eine beliebig geformte Fläche umschließen. Der
dünner
geprägte
Bereich PB ist von je zwei Randstreifen RS1, RS2 begrenzt, von denen
je einer die Auflage nach unten beziehungsweise oben und damit die
entsprechende Abdichtung gewährleisten
kann. Auch hier kann beispielsweise über die Breite der Randstreifen
die Federkonstante eingestellt werden und beispielsweise durch einen
schmaler gewählten
Randstreifen RS vorgespannt werden. Insgesamt sind die Breiten der Randstreifen
beliebig einstellbar, wobei Breiten ab 1 bis ca. 3 mm gut geeignet
und voll ausreichend sind. Damit lassen sich im Zusammenwirken mit
Materialdicken und Materialkonstanten ein breites Spektrum gewünschter
Federkonstanten und damit ein breites Spektrum gewünschter
Dichtungsprobleme abdecken. Für
die Dichtwirkung ist es unerheblich, ob innerhalb oder außerhalb
der vom Prägesickenverlauf eingeschlossenen
Fläche,
die den Querschnitt eines eingeschlossenen Volumens bilden kann,
ein höherer
oder ein niedrigerer Druck herrscht.
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Eine
spezielle Anpassung an besondere Druckverhältnisse kann über die
Ausbildung eines Schichtdickenprofils im Randbereich eingestellt
werden. Vorteilhaft ist es, wenn auf der Seite, wo der höhere Druck
abzudichten ist, die Schichtdicke d1 ihren größten Wert aufweist. In Richtung
geringerer Druck kann die Blechdicke d1 geringer gewählt werden. Das
Profil kann durch dünner
Prägen
erzeugt werden. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, ein Profil durch Materialauftrag
oder durch dicker Prägen
im Randbereich zu erzeugen, insbesondere durch eine selektiv aufgebrachte
Beschichtung.
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Das
Profil kann keilförmig,
hausdachförmig, invers-hausdachförmig oder
auch gestuft sein. Auch andere Profile und insbesondere gerundete
Profile sind möglich,
um einen gewünschten
Kraftverlauf entlang des Profils zu designen.
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Ein
erfindungsgemäßes Element,
welches neben dem geprägten
Metallblech MB noch ein metallisches Blech FB mit oder ohne Sickenstruktur
aufweist, ist beispielsweise in 4a und 4b dargestellt.
In 4 ist ein mit einer Prägehalbsicke
versehenes Metallblech MB, welches ein großflächiges Blech gemäß 1 oder
ein ausgeschnittenes Metallblech gemäß 2 sein
kann, mit einem metallischen Blech aus einem Federstahl(=Federstahlblech FB)
einheitlicher Schichtdicke kombiniert.
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4a zeigt
eine Ausführung,
bei der das mit der Prägehalbsicke
versehene, ausgeschnittene oder großflächige Metallblech MB mit einem
Federstahlblech FB mit herkömmlicher
Biegesicke kombiniert ist. Die beiden Bleche werden relativ zueinander so
angeordnet, dass die Biegesicke des Federstahlblechs im dünner geprägten Bereich
PB des Metallblechs angeordnet ist. Dort bleibt auch bei maximaler Kompression
gegenüber
den benachbarten Randbereichen ein Schichtdickenminimum erhalten
und insbesondere noch eine Einkerbung durch die bei der Herstellung
eindringende Feder. Dadurch kann die Biegesicke des Federstahlblechs
FB nicht platt gedrückt
werden und bleibt so in ihrer Struktur erhalten, auch wenn beide
Randbereiche bei hohem Druck auf eine Unterlage oder eine Nachbarfläche angedrückt werden.
Die Randbereiche, beiderseits der Prägehalbsicke, die aufgedickt
sein können,
dienen bei der Kompression als Stopper. Reduziert man die einwirkende
Kraft wieder, kann sich auch die Biegesicke des Federstahlblechs
FB in ihre ursprüngliche
Form regenerieren. Dies hat den Vorteil, dass die Abdichtfunktion
auch unter wechselnden Belastungen stets aufrecht erhalten wird.
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5 zeigt erfindungsgemäße Elemente 1, die
zwei aufeinander folgende Dichtstellen aufweisen. In 5a weist
das Metallblech eine erste in der Figur links dargestellte Prägehalbsicke
auf, wobei der Randbereich rechts der Prägehalbsicke gegenüber dem
linken Randbereich erhöht
ist. Weiter rechts ist eine zweite Prägehalbsicke vorgesehen, die
so geprägt
ist, dass der Randbereich rechts davon wieder auf tieferem Niveau
liegt. Die Prägesickenstruktur
ist also im Querschnitt spiegelsymmetrisch bezüglich einer Spiegelebene, die
in der Mitte zwischen den beiden Prägesicken vertikal auf dem Metallblech MB
steht.
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In
gleicher Weise ist das Federstahlblech FB mit zwei Biegesicken S
versehen, die lateral gesehen im Bereich der Prägehalbsicke des Metallblechs
angeordnet sind, deren Höhenversatz
aber gegenläufig zu
dem der Prägehalbsicken
ist. Auf diese Weise wird sowohl im Metallblech MB als auch im Federstahlblech
FB eine Vollsicke erhalten, die die gewünschte Dichtfunktion durch
beiderseitiges Anlegen der jeweils mittleren Randbereiche ausüben kann.
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5b zeigt
ein flaches Element 1, welches ein geprägtes Metallblech MB mit zwei
Prägehalbsicken
umfasst, die stufenartig beide gleichsinnig in der Höhe versetzt
sind. Auch mit einer solchen Konstruktion gelingt es, über die
dargestellte Breite des Elements zwei Dichtstellen abzudichten.
Ein solches Element kann dafür
eingesetzt werden, zwei nahe benachbarte Dichtprobleme mit ein und
demselben Element zu lösen.
Ein Anwendungsbeispiel für
eine solche Ausführungsform
sind Zylinderkopfdichtungen, bei denen mit ein- und derselben Dichtung
sowohl der Verbrennungsraum als auch außerhalb davon geführte Flüssigkeitskanäle abzudichten
sind.
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Allgemein
ist das Element für
thermische Anwendungen besonders geeignet, da es auch ohne organische
Dichtungslage auskommt. So kann das Element z. B. auch einen Auspuff
am Auspuffflansch zwischen Zylinderkopf und Auspuffkrümmer abdichten.
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Eine
weitere vorteilhafte Anwendung kann das Element z. B. bei Brennstoffzellenstacks
finden. Hier kann dann die bipolare Platte umgebördelt und zur Abdichtung mit
einer Struktur aus zumindest einer Prägehalbsicke versehen sein.
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Das
Element kann auch in eine oder beide der abzudichtenden Stoßflächen integriert
sein und muss daher kein separates Dichtelement sein. In diesen
Fällen
ist eine der abzudichtenden Stoßflächen als
Metallblech mit einer Prägesickenstruktur
ausgebildet.
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Eine
mit einer geprägten
Sickenstruktur versehene abzudichtende Stoßfläche kann auch mit geeigneten
Beschichtungen oder separaten elastischen Dichtungslagen, mit Graphitdichtungen,
Mehrlagenstahldichtungen und/oder Zwischenblechen mit und ohne Sickenstruktur
kombiniert werden, wobei sich stets die Dichtwirkung verbessert.
Dies ist von Vorteil, wenn zunehmend Dichtungen mit „Nullemission” gefordert
werden.
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Der
Verlauf der beiden Halbsicken gemäß einer Ausführung nach 5a oder 5b kann
dabei über
den vollen Umfang parallel sein, so dass einander geometrisch entsprechende
Flächen
von dem Sickenverlauf eingeschlossen werden. Möglich ist es jedoch auch, dass
die beiden Halbsicken nur abschnittsweise parallel zueinander verlaufen.
So kann ein erster Prägehalbsickenverlauf
mit dem ersten dünner
geprägten
Bereich PB1 eine relativ große
Fläche
umschließen,
innerhalb der eine relativ kleinere aber anders geformte Fläche vom
Verlauf des zweiten dünner
geprägten
Bereich PB2 umschlossen wird. Möglich
ist es jedoch auch, dass erste und zweite Prägehalbsicke einander nicht überlappende
Flächen
umschließen.
Außerhalb
des inneren Verlaufs können
mehrere nicht überlappende
Flächen
von weiteren Sickenverläufen
abgedichtet werden.
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6 zeigt
ein beispielhaftes aus drei Blechen ausgebildetes Element 1.
Zusätzlich
zu einem Metallblech MB mit Prägehalbsicke
und einem ersten Federstahlblech FB1 mit gebogener Sicke S ist hier noch
ein weiteres zweites Feder stahlblech FB2 so ausgerichtet, dass die
jeweiligen Sickenstrukturen der beiden Federstahlbleche bündig übereinander und über der
Prägehalbsicke
angeordnet sind, so dass sie auch bei maximaler Kompression vom
dünner
geprägten
Bereich des Metallblechs geschützt werden.
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Wird
ein solches Element als Dichtelement eingesetzt, ist es sinnvoll,
zwischen je zwei aneinander liegenden Grenzflächen zumindest eine Beschichtung
aus einem elastischen Dichtmaterial vorzusehen, die auf einer oder
beiden Grenzflächen
aufgebracht sein kann. Eine weitere Beschichtung ist vorzugsweise
auf den nach außen
weisenden Oberflächen
des Elements 1 aufgebracht, die in innigem Kontakt mit
den abzudichtenden Oberflächen
benachbarter Körper
treten müssen.
Die jeweilige mit dem Element 1 in Kontakt tretende Nachbarfläche kann
jedoch auch die Oberfläche
eines weiteren metallischen Blechs und eines weiteren Federstahlblechs
sein, welches strukturiert, unstrukturiert, ohne Sickenstruktur
sein kann.
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7a zeigt
beispielhaft ein ausgeschnittenes Metallblech, welches einseitig
eine Beschichtung B aufweist, beispielsweise eine dünne Schicht
eines organischen Fluorpolymers, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen
(PTFE). Eine entsprechende Beschichtung kann auch auf der Unterseite
dieses Elements vorgesehen sein.
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Möglich ist
es jedoch auch, wie beispielsweise in 7b dargestellt,
das Dichtmittel DM ausschließlich
im Bereich der eingeprägten
Vertiefung anzuordnen. Diese Vertiefung kann eine Dichtraupe aufnehmen
und diese im Dichtungsfall gegen ein Verfließen nach außen schützen. Das zwischen den beiden
Randbereichen eingeschlossene Dichtmaterial DM kann also über die
gesamte Kraft-Weg-Kurve bei Einwirken einer Kraft auf das Metallblech
MB und der daraus resultierenden Verformung die Dichtigkeit zur angrenzenden
Nachbarfläche
gewährleisten.
Eine elastische Beschichtung B oder ein eine Vertiefung ausfüllendes
Dichtmittel DM können
dabei Oberflächenunebenheiten
zwischen den abzudichtenden Flächen
ausgleichen und eine gute Druckverteilung im gesamten Aufliegebereich
erzeugen.
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7c zeigt
als Element 1 ein Metallblech MB mit einer darin angeordneten
Prägehalbsicke, welche
wie in 2b durch beidseitiges Einwirken eines
Werkzeugs (einer Feder) eingeprägt
ist. In dieser Ausführung
weist das Element zusätzlich
aber noch eine gestufte Form der Vertiefung auf. Mit dieser Ausführung werden
auf beiden Oberflächen
besonders gut als Reservoir zur Aufnahme eines Dichtmittels geeignete
Vertiefungen geschaffen. Diese verhindern auf beiden Seiten des
Metallblechs MB, dass bei starker Druckbelastung des Elements die abdichtende
Beschichtung nie vollständig
verdrängt werden
kann und auch in einem solchen Extremfall die Abdichtung über das
im Reservoir bzw. den Vertiefungen verbleibende Dichtmittel aufrecht
erhalten werden kann. Mit den mehrstufigen Nuten wird die Kantenpressung
an den Dichtkanten K1, K2 verringert. Der Pressungsgradient an den
Dichtkanten wird ebenfalls verringert. So wird insgesamt die (weiche) Dichtungsbeschichtung
geschont und deren Haltbarkeit erhöht.
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Auch
die Ausführung
gemäß 2b ist
zur beidseitigen Aufnahme von Dichtmittel gut geeignet. Ähnlich wie
in 7b ist es dabei auch möglich, das Dichtmittel DM ausschließlich im
Bereich der beidseitig eingeprägten
Vertiefungen anzuordnen. Diese Vertiefungen können je eine Dichtraupe aufnehmen und
im Dichtungsfall ein Verfließen
aus dieser Vertiefung heraus verhindern.
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Eine
lokal an bestimmten ausgewählten
Stellen des Metallblechs MB aufgebrachte Beschichtung kann auch
metallisch sein, ist dann aber bevorzugt mit Kunststoff oder Keramik
beschichtet. Auch damit kann die Dichtfunktion verbessert oder die
Gleitfähigkeit
an der Kontaktstelle/Auflagefläche/Gleitfläche erhöht werden.
Weiter kann so der Verschleiß an
der Gleitfläche
verringert werden.
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Insbesondere
in einem mehrschichtigen, wie in 6 dargestellten
Aufbau kann es sinnvoll sein, zumindest eine der Schichten mit gleitfähigen Eigenschaften
zu versehen und dafür
eine Beschichtung zu wählen,
die aus einem Material mit geringer Oberflächenenergie oder aus einem
Material mit Schichtstruktur besteht. Die Beschichtung kann ausschließlich aus
einem solchen Material bestehen oder ein solches Material umfassen,
beispielsweise in Form von in der Beschichtung enthaltenen festen Partikeln.
In diesem Fall spricht man von Trockenschmierstoff. Eine solche
gleitfähige
Beschichtung kann bei quer zur Blechebene wirkenden Kräften eine
daraus resultierende laterale Versetzung zweier abzudichtender Oberflächen gegeneinander
erleichtern, ohne dass dabei die Dichtwirkung während oder aufgrund der lateralen
Versetzung verloren geht. Es zeigt sich, dass in einem mehrschichtigen
Aufbau bereits eine einzige solche Schicht mit Gleiteigenschaften
den gewünschten
Zweck sehr gut erfüllt.
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8 zeigt
eine weitere Ausgestaltung des metallischen Blechs, die zu dessen
erhöhter
mechanischer Stabilität
beiträgt.
Die Prägehalbsicke
im metallischen Blech weist einen Verlauf V auf, der hier nur schematisch
mit einem beliebigen Querschnitt dargestellt ist. Von diesem Verlauf
V abzweigend sind im metallischen Blech Stege St ausgebildet, die
verschiedene Punkte im Verlauf V der Sicke überbrücken können. Die Überbrückung kann dabei außerhalb
der eingeschlossenen Fläche
oder quer über diese
erfolgen. Möglich
ist es jedoch auch, dass die Stege stummelartig ausgebildet sind
und insbesondere vertikal vom Verlauf der Sicke weg weisen.
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Vorzugsweise
ist das Metallblech im Bereich der Stege dünner geprägt als die entsprechenden Randbereiche.
Die Dünnerprägung wird
erleichtert, wenn die Breite der Stege maximal der der Randbereiche
entspricht, vorzugsweise aber geringer ist. Ein schmaler Blechstreifen
erfordert gegenüber
einem dickeren bei einer Prägung
zur Reduzierung der Dicke weniger Kräfte und ist daher leichter
zu prägen.
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9 zeigt
in schematischer Draufsicht eine beispielhafte Ausgestaltung eines
Elements 1, welches zumindest das dargestellte geprägte Metallblech
MB umfasst. Dieses weist einen ersten Verlauf V1 auf, der eine zentrale Öffnung ZO
umschließt.
Außerhalb
dieses ersten Verlaufs sind hier vier weitere Prägesickenstrukturen ausgebildet,
die jeweils einen geschlossenen zweiten Verlauf V2 aufweisen und dabei
zum Beispiel Bohrungen BL umschließen.
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10 zeigt
eine weitere Ausführung
eines flachen Elements 1, bei dem ein ringförmig ausgeschnittenes
Metallblech MB eine Prägehalbsicke
aufweist, die einem Verlauf V folgt. Im Unterschied zu allen dargestellten
vorherigen Ausführungen
ist die Prägesickenstruktur
hier jedoch nicht durchgehend und weist unterbrochene Abschnitte
auf. Die Abschnitte selbst müssen
nicht parallel zum Verlauf V ausgerichtet werden, sind aber dem
Verlauf folgend angeordnet. Es ist klar, dass eine solche Prägesickenstruktur
nicht zur Abdickung geeignet ist. Dennoch wird mit einer solchen
Ausführung
ein flaches elastisches Element erhalten, welches gegenüber einer
Kompression eine Federwirkung aufweist und welches reversibel seine
ursprüngliche
Geometrie wieder einnehmen kann. Ein solches Federelement ist geeignet,
den Kraftschluss zwischen zwei benachbarten Körpern herzustellen, auch wenn
die Körper relativ
zueinander laterale oder vertikale Relativbewegungen ausführen. Über die
Federkonstante des Federelements kann außerdem einer zu starken vertikalen
Relativbewegung entgegen gewirkt werden.
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Neben
der dargestellten runden Form können
solche Feder- oder Dichtelemente in beliebigen Ausformungen realisiert
werden, ohne von der erfindungsgemäßen Idee abzuweichen. Auch
ist es möglich,
dass die einzelnen Prägehalbsicken
quer zu dem dargestellten Verlauf geprägt sind. Möglich sind dabei wellen- oder
stufenförmig
ausgebildete Prägehalbsicken.
Wellenförmig
bedeutet dabei, dass benachbarte Prägehalbsicken einen gegenläufigen Versatz
des jeweiligen Randbereichs bewirken. Stufenförmig bedeutet, dass einander
benachbarte Prägesicken
einen gleichsinnigen Höhenversatz
aufweisen und das gesamte Federelement daher mit einer durchgehenden
gleichsinnig an- oder absteigenden Stufenstruktur ausgeführt ist.
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Da
die Erfindung nur beispielhaft und anhand weniger Ausführungen
dargestellt wurde, ist sie nicht auf diese Ausführungen begrenzt. Vielmehr
sind beliebige Kombinationen von Metallblechen mit beliebiger Prägesickenstruktur
mit weiteren Elementen kombinierbar, die wiederum ausgewählt sein
können aus
weiteren Metallblechen oder aus metallischen Blechen, insbesondere
Federstahlblechen. Die Querschnittsformen dieser Bleche können von
den in den Figuren idealisiert dargestellten Querschnittsformen
abweichen.
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Kombinationen
beliebiger Anzahlen von übereinander
angeordneten Blechen stellen zusammen jeweils ein Element dar, welches
als Feder- oder Dichtelement zwischen zwei von verschiedenen Seiten
anliegenden Körpern
angeordnet werden kann und dort die Dichtwirkung über die
gesamte Auflagefläche
bei gleichzeitiger Federwirkung ausüben kann. Teile des Elements
bzw. einzelne Blechlagen können in
die entsprechenden Stoßflächen der
anliegenden Körper
integriert sein.
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- 1
- Element
- AE
- Auflageebene
- AFo
- obere
Auflagefläche
- AFu
- untere
Auflagefläche
- B
- Beschichtung
- BL
- Bohrloch
- d0–d3
- Schichtdicken
von MB
- DF
- Deckfläche
- DM
- Dichtmittel
- FB
- metallisches
Blech oder Federstahlblech
- h1,
h2
- Abstände
- K1,
K2
- Kanten
- MB
- Metallblech
- PB
- dünn geprägter Bereich
- RB
- Randbereich
- RS
- Randstreifen
- S
- Prägesicke
- St
- Verbindungsstege
- V
- Verlauf
der Prägehalbsicke
- ZO
- zentrale Öffnung