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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flachdichtung, wie sie insbesondere im Kraftfahrzeugbau eingesetzt wird. Derartige Flachdichtungen finden beispielsweise als Dichtungen im Ansaug- und Abgasstrang von Verbrennungsmotoren, als Zylinderkopfdichtungen oder auch als Hydrauliksystemsteuerplatten Verwendung. Hydrauliksystemsteuerplatten, wie beispielsweise Getriebesteuerplatten, weisen neben einer Fluidsteuerfunktion immer auch zugleich eine Dichtfunktion auf.
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Flachdichtungen weisen häufig einen mehrlagigen Aufbau auf. Bei derartigen mehrlagigen Flachdichtungen ist es oftmals erforderlich, die einzelnen Lagen zumindest für den Transport bis zur Endmontage miteinander zu verbinden, so dass jeweils eine Flachdichtung als Einheit gehandhabt werden kann. Dazu werden die Lagen herkömmlicherweise miteinander verschweißt, vernietet oder auch durch Umbördeln der Lagenränder miteinander verbunden.
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Diese herkömmlichen Verbindungstechniken weisen eine Vielzahl von Nachteilen auf. So hat sich in der Praxis gezeigt, dass eine Lagenverbindung über Schweißpunkte immer auch zu Schweißperlen führt, die sich nach Einbau der Flachdichtung lösen und zum Verschließen von Durchgangsöffnungen in der Flachdichtung oder einem angrenzenden Bauteil führen können. Schweißperlen führen weiterhin zu einer lokalen Aufdickung, die eine Beeinträchtigung der Dichtwirkung zur Folge haben kann. Schweißverfahren sind weiterhin lediglich bei Dichtungslagen einsetzbar, die nicht beschichtet sind. Zudem sind mittels Schweißverfahren nur starre, d.h. nicht verschiebliche Verbindungen herstellbar.
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Die Verbindung zweier Dichtungslagen mittels eines Niets führt im Bereich des Niets zu einer Aufdickung bzw. zu einem lokalen Überstand des Niets über die Dichtungslagen. Weiterhin führt ein Vernieten immer zur Spanbildung, so dass die Späne in Durchgangslöcher der Flachdichtung oder auch eines angrenzenden Bauteils verschleppt werden können. Auch hier resultieren nur nicht verschiebliche, d.h. starre Verbindungen. Nicht zuletzt erfordert eine Nietverbindung zusätzliche Bauelemente (Niete) und zusätzliche Verbindungsschritte.
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Das Umbördeln von Rändern zur Verbindung benachbarter Dichtungslagen erfordert eine gezielte Gestaltung des Randes der benachbarten Lagen, sei es durch Stufungen oder einen schrägen Verlauf, gezielte Rücksprünge oder dergleichen. Außerdem können die Dichtungslagen auf diese Weise nur an ihren Außenrändern oder an den Rändern von Durchgangsöffnungen miteinander verbunden werden. Auch ein Umbördeln führt im Bereich des Bördels ohne die oben genannten speziellen Randgestaltungen zu einer Aufdickung der Flachdichtung. Weiterhin ist das Umbördeln sowohl hinsichtlich Werkzeugherstellung als auch Durchführung des Verfahrens aufwändig.
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Dies ist auch der Fall, wenn Lagen einer Flachdichtung mittels Durchsetzfügens (Clinchen) miteinander verbunden werden. Dies ist auch der Fall beim mit dem Durchsetzfügen verwandten Toxen.
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Besondere Probleme ergeben sich dabei insbesondere, wenn die einzelnen Lagen der Flachdichtung dünn sind, so dass jedes der vorgenannten Verfahren zu einer Aufdickung der Flachdichtung an der Verbindungsstelle führt. Dies ist insbesondere bei Flachdichtungen aus Dünnblechlagen, beispielsweise aus zwei bis fünf relativ dünnen Lagen mit beispielsweise jeweils 0,25 mm Dicke besonders störend.
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Lediglich wenige Verbindungsverfahren des Standes der Technik führen zu keiner relevanten lokalen Aufdickung der Verbindungsstelle, beispielsweise Widerstandspunktschweißen und Punktschweißen. Diese führen zu lediglich geringen lokalen Aufdickungen im Bereich von 15-40 um und werden üblicherweise als „nicht aufdickend“ bezeichnet. Diese Verbindungsverfahren sind jedoch aufwendig und kostenträchtig.
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Die
DE 10 2012 003 149 A1 offenbart eine Flachdichtung mit mindestens zwei metallischen Lagen und einer Verbindungsstelle sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Flachdichtung. Bei der Flachdichtung überdecken sich die beiden metallischen Lagen und sind an mindestens einer Stelle miteinander verbunden. Die zweite Lage hat dabei zumindest eine freie Kante, die derart abgekröpft ist, dass sie längs eines Abschnitts eines Randes der ersten Lage innerhalb der Lagendicke der ersten Lage verläuft, und die freie Kante zumindest abschnittsweise senkrecht zur ersten Lage oberhalb und/oder unterhalb der zweiten Lage verläuft und somit einen senkrecht zur Lagenebene der ersten Lage wirkenden Formschluss erzeugt.
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In der
DE 10 2009 031 208 A1 wird eine Dichtungsanordnung mit mindestens einer Funktionslage als Zwischenlage für ein abzudichtendes Bauteil, offenbart. Zum Aneinanderfügen der Funktionslage und des Bauteils, ist ein Festlegebereich vorgesehen, welcher nach Umformen einen Formschluss bewirkt.
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In der
DE 102 37 555 A1 ist eine mehrlagige Dichtung offenbart, welche zumindest eine erste und eine zweite Lage umfasst sowie eine Verbindungseinrichtung durch welche die Lagen miteinander verbunden sind. Dabei umfasst die Verbindungseinrichtung ein mit der ersten Lage verbundenes Halteelement und einen in der zweiten Lage angeordnete Haltebereich. Im unverbundenen Zustand überlappen sich das Halteelement und der Haltebereich, wobei das Halteelement an dem Haltebereich vorbeibewegbar ist. Im verbundenen Zustand hintergreift das Halteelement der ersten Lage den Haltebereich derart, dass die beiden Lagen gegen ein Auseinanderbewegen der Lagen gesichert sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine mehrlagige Flachdichtung zur Verfügung zu stellen, bei der die einzelnen Dichtungslagen, auch wenn diese nur eine geringe Dicke aufweisen oder beschichtet sind, ohne wesentliche Aufdickung und ohne Verunreinigung, wie beispielsweise Spanbildung oder Abrieb, auf einfache Weise hinreichend, gezielt starr oder verschieblich, miteinander verbunden werden können. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren zur Herstellung einer Flachdichtung anzugeben, das einfach und kostengünstig durchzuführen ist, mittels einfacher und kostengünstiger Werkzeuge durchgeführt werden kann und weder zu einer wesentlichen Aufdickung noch zu einer Verunreinigung der Flachdichtung bei dennoch hinreichender, gezielt starrer oder verschieblicher, Verbindung der einzelnen Dichtungslagen führt.
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Diese Aufgabe wird durch die Flachdichtung nach Anspruch 1 oder 18 sowie das Verfahren nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemä-ßen Flachdichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.
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Als Beispiele für erfindungsgemäße Flachdichtungen sollen hier Dichtungen im Ansaug- oder Abgasstrang oder Zylinderkopfdichtungen eines Verbrennungsmotors genannt werden. Ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Flachdichtung ist eine Hydrauliksystemsteuerplatte, insbesondere eine Getriebesteuerplatte, beispielsweise eines Kraftfahrzeuggetriebes. In allen diesen Fällen wird durch das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren eine
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Flachdichtung hergestellt, bei der mindestens zwei der Lagen hinreichend während des Transportes bis zur Endmontage der Flachdichtung miteinander verbunden sind.
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Die erfindungsgemäße Flachdichtung weist mindestens eine erste und eine zweite metallische Lage auf. Diese beiden metallischen Lagen sind zumindest bereichsweise überdeckend übereinander angeordnet. Sie sind an mindestens einer Verbindungsstelle in dem überdeckenden Bereich miteinander verbunden.
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Erfindungsgemäß ist die Verbindungsstelle nun so ausgestaltet, dass die erste Lage eine Durchgangsöffnung aufweist, die auf zwei gegenüberliegenden Seiten ihres Umfangsrandes je eine freie erste Kante aufweist. Diese ersten Kanten sind zur zweiten Lage hin, d.h. senkrecht zur Lagenebene, abgekröpft.
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Die zweite Lage weist ihrerseits einen freistehenden Steg auf, der in Projektion in die Lagenebene der ersten Lage betrachtet innerhalb der Durchgangsöffnung in der ersten Lage verläuft. Ein derartiger Steg besitzt einander gegenüberliegende Kanten, von denen jeweils eine einer der freien ersten Kanten benachbart angeordnet ist. Andererseits setzt er sich an einem oder beiden Enden aus der zweiten Lage fort, ist also integraler Bestandteil der zweiten Lage.
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Die zweite Lage ist im Bereich des Steges zwischen dessen Enden zur ersten Lage hin, d.h. senkrecht zur Lagenebene, abgekröpft. Die beschriebenen Abkröpfungen der ersten und zweiten Lage sind derart ausgestaltet, dass die abgekröpften Bereiche dennoch im Wesentlichen in der Gesamtdicke der Flachdichtung, zumindest im verbauten Zustand, verlaufen, d.h. die Flachdichtung durch die Verbindungsstelle nicht wesentlich aufgedickt wird, da u.a. die Verbindungsstelle so ausgestaltet ist, dass sie den senkrecht zur Lagenebene notwendigen Bauraum zur Aufnahme der an der Verbindung beteiligten ersten und zweiten Lagen innerhalb der Dicke der Flachdichtung zur Verfügung stellt.
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Benachbarte Abschnitte der freien Kanten der ersten Lage und freien Kanten des Steges im abgekröpften Bereich der zweiten Lage sind derart ausgestaltet, dass sie einander hintergreifen und dabei einen senkrecht zur Lagenebene der ersten Lage und/oder zur Lagenebene der zweiten Lage wirkenden Formschluss erzeugen.
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Eine derartige Verbindungsstelle kann mittels einfacher Werkzeuge lediglich durch Stanzen und Prägen der ersten und der zweiten Lage unmittelbar aus den vorhandenen Lagen erzeugt werden. Es bedarf also keines weiteren Bauelementes und zum anderen tritt bei der Herstellung der Verbindung weder Spanbildung noch Abrieb auf.
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Dadurch, dass die Verbindungsstelle im verbauten Zustand nicht bzw. nicht wesentlich aufdickt, können die Verbindungsstellen auch im Pressungsbereich der Flachdichtung angeordnet sein. Eine etwaige, im unverbauten Zustand noch vorhandene geringfügige Aufdickung der Verbindungsstelle wird üblicherweise beim Verpressen der Flachdichtung zwischen den abzudichtenden Bauteilen vollständig reduziert.
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Dabei bezeichnet die Angabe, dass „benachbarte freie Kanten im Wesentlichen innerhalb der Gesamtdicke der Flachdichtung verlaufen“ einen Zustand, bei dem die Verbindungsstelle derart ausgestaltet ist, dass sie im unverbauten Zustand der Flachdichtung und noch viel mehr im verpressten Zustand, z.B. im verbauten Zustand, nicht wesentlich oder nicht aufdickt, also die Gesamtdicke der Flachdichtung an der Verbindungsstelle nicht oder nicht wesentlich größer ist als in benachbarten Bereichen, in denen die Lagen der Flachdichtung unverprägt unmittelbar flach aufeinanderliegen.
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Im verpressten Zustand der Flachdichtung bedeutet dies, dass die Dicke des Verbindungspunktes ≤ 50 µm, vorteilhafterweise ≤ 30 µm, vorteilhafterweise ≤ 20 µm, bzw. nur ≤ 20%, vorteilhafterweise ≤ 15%, vorteilhafterweise ≤ 10%, vorteilhafterweise ≤ 5% größer ist als die Summe der Dicken der einzelnen Lagen in Bereichen, in denen diese unverprägt unmittelbar aneinanderliegen. Damit verbleibt die Aufdickung der erfindungsgemäßen Verbindungspunkte innerhalb der üblichen Aufdickung, die auch für Verfahren des Standes der Technik, die üblicherweise als „nicht aufdickend“ bezeichnet werden, bekannt ist.
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Der verpresste Zustand kann dabei in Anlehnung an typische reale Verpressungsverhältnisse im verbauten Zustand als ein Zustand bestimmt werden, bei dem als Messverfahren ein runder, flacher Stempel mit einem Durchmesser von 12 mm (D = 12 mm) mit einer Kraft von 565N, alternativ ein beliebiger Stempel mit einer Flächenpressung von 5N/mm2, auf die zu prüfende Stelle gepresst wird.
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Diese Messung kann vorteilhafterweise an einer Stelle durchgeführt werden, an der sämtliche Lagen ohne Prägestrukturen unmittelbar flach aufeinanderliegen, um einen Referenzwert als „Nullpunkt“ zu bestimmen. Diese Messung wird dann an der zu bestimmenden erfindungsgemäßen Verbindungsstelle wiederholt, so dass deren Aufdickung gegenüber dem Referenzwert des Nullpunktes für den verpressten Zustand ermittelt werden kann.
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Die bei diesem exemplarischen Messverfahren eingesetzte Flächenpressung von 5N/mm2 entspricht einer typischen Flächenpressung bei verbauten Flachdichtungen mit beispielsweise einer Dichtfläche von 8000 m2 und insgesamt vier M6-Schrauben, die jeweils mit einer Schraubenkraft von 12000 N angezogen werden. Hier verbleibt dann eine Kraftreserve von 8000 N.
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Für die Messungen, die zur vorliegenden Erfindung führen, wurde eine Zug-Druck-Prüfmaschine (Zwick-Röll AllroundLine Material-Prüfmaschine, Zwick GmbH & Co. KG, Ulm, Deutschland) nach Maschinenkalibrierung, ein runder Prüfstempel mit D = 12 mm und eine Prüfkraft von 565 N eingesetzt. Die Wegstrecke des Prüfstempels zwischen der Messung am Referenzpunkt und der Messung am Verbindungspunkt wurden dabei der Bestimmung der Aufdickung des Verbindungspunktes im verpressten Zustand (als Modell für den verbauten Zustand) zugrundegelegt.
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16 zeigt den unverpressten Zustand eines erfindungsgemäßen Verbindungspunktes. Nachdem das Aufbringen des Messstempels eine Verpressung bewirkt, ist mittels des hier beschriebenen Verfahrens nur die Aufdickung analog zum verpressten Zustand zu ermitteln. Wird nun also die Verpressung eines Verbindungspunktes, wie er in 16 gezeigt ist, wie oben beschrieben simuliert, wird eine Aufdickung im verpressten Zustand von 18 µm ermittelt, so dass dieser erfindungsgemäße Verbindungspunkt fachüblich als „nicht aufdickend“ betrachtet und bezeichnet wird.
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Die erfindungsgemäße Verbindungsstelle der erfindungsgemäßen Flachdichtung erzeugt die Verbindung ausschließlich in mechanischer Weise, so dass neben dem genannten Stanzen und Prägen keine weiteren Verbindungsverfahren, insbesondere Schweißen, Nieten und Durchsetzfügen erforderlich sind. Aufgrund dieser einfachen Herstellungsverfahren und Herstellungswerkzeuge kann die erfindungsgemäße Flachdichtung kostengünstig mit einer sicheren Verbindung der Lagen untereinander hergestellt werden. Insbesondere ist die Lagenverbindung an den Verbindungspunkten miniaturisierbar. Sie ermöglicht auch die Verbindung dünner Lagen, beispielsweise einer ersten und einer zweiten Lage mit jeweils einer Lagendicke ≤ 0,25 mm, vorteilhafterweise ≤ 0,2 mm. Auch die Verbindung beschichteter Blechlagen ist möglich, da die Verbindung rein formschlüssig erfolgt und kein stoffschlüssiges Verbindungsverfahren erfordert. Ein weiterer entscheidender Unterschied zum Stand der Technik ist, dass das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren einschließlich des Verbindungsverfahrens für die einzelnen Lagen der erfindungsgemäßen Flachdichtung, auch mit ausschließlich dünnen zu verbindenden Lagen möglich ist. Es ist keinerlei dickes Basisblech, beispielsweise eine Trägerlage, erforderlich, aus deren Materialvorrat verbindende Elemente generiert werden könnten. Insbesondere ist es nicht erforderlich, in einer der zu verbindenden Lagen ein wesentliches Fließen des Materials, d.h. relatives Verschieben des Korngefüges, zu erzeugen. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist daher nicht nur mit weichen Blechmaterialien wie beispielsweise Aluminium möglich, sondern auch mit Blechen aus harten Stählen, wie beispielsweise Federstahl, oder harten Nickelbasislegierungen, bei denen üblicherweise keine anderen Fügeverfahren wie beispielsweise Durchsetzfügen möglich sind. Damit ist es möglich, auch thermisch hochbelastete Flachdichtungen, insbesondere bestehend aus dünnen Blechlagen, insbesondere aus harten Stählen oder Nickelbasislegierungen, miteinander zuverlässig zu verbinden.
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Entscheidend bei dem erfindungsgemäßen Verbindungs- und Herstellungsverfahren ist, dass der oben für die erfindungsgemäße Flachdichtung erwähnte Steg während der Verbindung zur ersten Lage hin derart verformt wird, dass der Steg an seinen Enden je eine Kröpfung aufweist. Weiterhin wird in der zweiten Lage zwischen den freien Kanten des Steges, insbesondere im abgekröpften Bereich des Steges, ein Materialreservoir hergestellt. Dies ist beispielsweise dadurch herstellbar, dass der Steg senkrecht und/oder längs zu seiner Längsrichtung zwischen seinen beiden Enden zumindest bereichsweise eine oder mehrere Vollsicken aufweist. Dadurch, dass die Gesamtbreite des Steges längs der neutralen Faser in der Sicke länger ist als der Abstand der beiden freien Kanten des Steges, kann bei unveränderter Blechdicke, wie sie beispielsweise bei der Verwendung von Blechen aus harten Stählen oder Nickelbasislegierungen gegeben ist, ein Materialreservoir geschaffen werden, das in einem letzten Schritt der Verbindung wieder flachgeprägt wird und dabei die freien Kanten des Steges seitlich verschiebt und diese dabei die freien Kanten der ersten Lage hintergreifen lässt.
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Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, das Materiareservoir in der ersten Lage auszubilden, indem entsprechende Sicken benachbart zu den freien Kanten der ersten Lage in die erste Lage eingebracht werden, die in einem abschließenden Schritt rückgeprägt werden, so dass sich die freien Kanten in überlappender Weise über den Steg schieben, so dass sie den Steg senkrecht zur Lagenebene einen Formschluss erzeugend hintergreifen.
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In beiden Fällen ist das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren auch an der fertigen Flachdichtung nachzuweisen, da im Bereich des rückgeprägten Materialreservoirs (flachgedrückte Sicke) Prägespuren verbleiben, an denen das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren nachgewiesen werden kann. So verbleibt beispielsweise bei einem als Vollsicke oder Noppe ausgebildetem Steg nach der Rückprägung der Vollsicke üblicherweise eine nachweisbare Profilierung in dem Steg, der die zwischenzeitliche Verformung des Steges als Noppe/Vollsicke anzeigt. Der Steg weist hingegen keine Öffnungen auf.
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Die Verbindungspunkte der erfindungsgemäßen Flachdichtung eignen sich, um zwei benachbarten Lagen relativ zueinander festzulegen. Durch geeignete Ausbildung der Durchgangsöffnung in der ersten Lage, d.h. bei vorbestimmter Länge deren freier Umfangskanten, und des Steges, insbesondere wenn die die freien Kanten der ersten Lage hintergreifenden Bereiche der freien Kanten des Steges eine kürzere Länge als die Länge der freien Kanten der ersten Lage aufweisen, ermöglicht es den beiden Lagen sich längs zueinander zu bewegen und dennoch eine senkrecht zur Lagenebene wirkende formschlüssige Verbindung zur Verfügung zu stellen.
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Die Lagenbewegung zwischen den beiden miteinander verbundenen Lagen wird also durch die Ausgestaltung der Durchgangsöffnung in der ersten Lage und des Steges in der zweiten Lage bestimmt.
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Bei geeigneter Wahl ist es auch möglich, die beiden Lagen nicht verschieblich aneinander zu befestigen.
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Vorteilhafterweise können die beiden Lagen auch durch mehrere derartige Verbindungspunkte miteinander verbunden sein. Werden die Verbindungspunkte so ausgebildet, dass mindestens zwei der Verbindungspunkte in der Lagenebene liegende jedoch senkrecht zueinander angeordnete - nicht parallel zueinander verlaufende - beispielsweise Stege der zweiten Lage aufweisen, so kann die Verschieblichkeit in allen Richtungen in der Lagenebene vorbestimmt werden. Bei Verwendung derartiger Verbindungsstellen, um eine bestimmte Verschieblichkeit der beiden miteinander verbundenen Lagen zueinander einzustellen, können die Stege der beiden Verbindungsstellen vorteilhafterweise unter einem Winkel zwischen 45° und 135°, vorteilhafterweise zwischen 60° und 120°, insbesondere unter nahezu oder genau 90° zueinander angeordnet sein, die Grenzwerte dieser Bereiche jeweils einschließlich oder ausschließlich.
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Die Stege selbst können vorteilhafterweise unterschiedliche Formen aufweisen, je nach beabsichtigter Wirkungsweise der Verbindungsstelle. So können die Stege eine bezüglich ihrer Längsrichtung gerade, gekrümmte, runde, ovale oder auch eckige Form aufweisen, wobei vorteilhafterweise auftretende Ecken verrundet sind.
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Vorteilhafterweise kann die Dicke mindestens einer Lage, vorzugsweise der ersten und der zweiten Lage, 0,15 mm ≤ d ≤ 0,3 mm betragen.
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In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindungen verlaufen die Kröpfungen der ersten Kanten einerseits und die Kröpfungen des Steges andererseits im Wesentlichen oder vollständig senkrecht zueinander.
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Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren bei Flachdichtungen angewendet, bei denen zumindest eine Lage oder zwei benachbarte Lagen abgesehen von Beschichtungen aus harten Stählen oder Nickelbasislegierungen, insbesondere aus einem federharten Material, beispielsweise mit einer Zugfestigkeit ≥ 1000 N/mm2 bestehen. Insbesondere bei derartigen Verbindungen stehen nach dem Stand der Technik bisher lediglich Verbindungsverfahren zur Verfügung, die entweder stoffschlüssig sind, wie beispielsweise Schweißen, wobei hier dann wiederum beschichtete Materialien ausgeschlossen sind, oder zusätzliche Verbindungselemente erfordern, wie beispielsweise Nieten oder Schrauben.
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Das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren zeigt sich in einer damit hergestellten erfindungsgemäßen Flachdichtung insbesondere dadurch, dass der Steg im Bereich der Verbindungsstelle, ein flachgeprägtes Materialreservoir wie beispielsweise eine Vollsicke aufweist. Die flachgepresste Prägestruktur kann die Form einer geschlossenen Fläche, insbesondere mit Zonen unterschiedlicher Prägestruktur, oder eine Rahmenform aufweisen. Diese Prägestruktur ist beispielsweise als senkrecht zur Lagenebene zuerst gedehnte und anschließend gestauchte Prägestruktur auch an der fertigen Flachdichtung nachweisbar. Dieser Nachweis gelingt insbesondere, wenn diese flachgepresste Prägestruktur zu den Kröpfungen am Ende des Steges der zweiten Lage beabstandet vorhanden ist, d.h. das Materialreservoir als Vollsicke innerhalb des bereits abgekröpften Bereiches des Steges angelegt wurde.
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Eine derartige Vollsicke kann insbesondere noppenförmig ausgebildet sein, beispielsweise als runde, ovale oder kegelstumpfförmige Noppe und dann an der verbliebenen Prägestruktur als geschlossene Fläche, beispielsweise mit einer Kreisform oder einer Rahmenform, nachgewiesen werden.
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Zur Verbindung von Lagen bei Flachdichtungen mit mehr als zwei metallischen Lagen können beispielsweise jeweils zwei benachbarte metallische Lagen erfindungsgemäß miteinander verbunden sein. Es ist auch möglich, bei drei oder mehr benachbarten Dichtungslagen als erste und zweite Lage jeweils die beiden äußeren Lagen erfindungsgemäß miteinander zu verbinden und zwischen diesen eine dritte oder eine weitere beliebige Anzahl von Lagen anzuordnen, die dann in Projektion in die Ebene der ersten Lage im Bereich der Durchgangsöffnung in der ersten Lage selbst eine Durchgangsöffnung, vorteilhafterweise mit weiter außen verlaufendem Umfangsrand verglichen mit dem Umfangsrand der Durchgangsöffnung in der ersten Lage, aufweisen. Alternativ können die dritte und ggf. weitere Lagen auch mit einem in Projektion in die Ebene der zweiten Lage zumindest abschnittsweise überlappenden Steg ausgeführt sein, der dann ebenfalls von Durchgangsöffnungen beidseitig eingeschlossen ist. Die Verbindung erfolgt dann so, dass die freien Kanten der ersten Lage die freien Kanten sämtlicher Stege an der Verbindungsstelle hintergreifen.
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Im Folgenden werden nun einige Beispiele erfindungsgemäßer Flachdichtungen und Herstellungsverfahren gegeben. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Elemente durchgängig gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, so dass deren Erläuterung nicht immer wiederholt wird. Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele enthalten jeweils eine Vielzahl von zwingenden und weiteren optionalen Merkmalen. Diese optionalen Merkmale können nicht nur in der in den jeweiligen Beispielen gegebenen Kombination miteinander der Weiterbildung der vorliegenden Erfindung dienen, sondern auch jeweils einzeln unabhängig von den weiteren optionalen Merkmalen der Weiterbildung der vorliegenden Erfindung dienen. Es ist auch möglich, einzelne optionale Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen herauszugreifen und miteinander in Kombination zur Weiterbildung der vorliegenden Erfindung zu nutzen.
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Es zeigen
- 1 bis 10 verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
- 11 ein Werkzeug zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Flachdichtung;
- 12 einen Schritt aus dem Prozess der Herstellung einer erfindungsgemä-ßen Dichtung;
- 13 bis 15 weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
- 16 ein Schliffbild einer erfindungsgemäßen Flachdichtung im Bereich einer Verbindungsstelle.
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1 bis 8 zeigen eine erste erfindungsgemäße Flachdichtung 1 in verschiedenen Stadien ihrer Herstellung. Diese Flachdichtung 1 weist eine erste Lage 10 sowie eine zweite Lage 20 aus dünnem Federstahlblech auf. Beide Lagen sind in 1 in einer Durchsicht in Aufsicht auf eine Verbindungsstelle 2 dargestellt, wobei die beiden Lagen 1 und 2 zur Kennzeichnung ihrer jeweiligen Ausdehnung eine unterschiedliche Schraffur aufweisen.
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Die erste Lage 10 weist eine Durchgangsöffnung 11 auf, die die Form eines Hundeknochens aufweist, wobei die beiden Abschnitte der Durchgangsöffnung 11 von Außenkanten 17 und 18 begrenzt werden. Ausgehend von einem durch einen geraden Bereich einer freien Kante 12 begrenzten mittleren Bereich erweitert sich die Durchgangsöffnung 11 in Längsrichtung der Durchgangsöffnung zu beiden Seiten und verbreitert sich hierbei. Die Verbreiterung ist in 1 mit den Bezugszeichen 16a bis 16d bezeichnet.
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Die zweite Lage 20 weist ebenfalls Durchgangsöffnungen 28a und 28b auf, die zu beiden Seiten eines Steges 21 liegen. Der Steg 21 ist zu den beiden Durchgangsöffnungen 28a und 28b durch freie Kanten 24 und 25 begrenzt, die im Bereich des geraden Abschnittes der freien Kanten 12 und 13 der ersten Lage 10 in bauchiger Weise eine Verbreiterung des Steges 21 umfassen. Dadurch hintergreift der Steg 21 an den verbreiterten Bereichen mit seinen freien Kanten 24 und 25 die freien Kanten 12 und 13 der ersten Lage 10.
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Die freien Kanten 24 und 25 des Steges 21 stellen Abschnitte der Umfangsränder 22 und 23 der Öffnungen 28a und 28b in der zweiten Lage 20 dar.
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In 1 sind weiterhin die Bemaßungen von Verbindungsstellenelementen der Verbindungsstelle 2 dargestellt. Der Steg 21 besitzt eine Gesamtlänge von 2xL01. Der mittlere Bereich der freien Kanten 12 und 13, in dem potentiell der Steg 21 diese freien Kanten 12 und 13 hintergreifen kann aufgrund seiner größeren maximalen Breite, besitzt eine Länge von 2xLR1, wobei in dieser Länge auch die Übergangsbereiche zu den verbreiterten Bereichen 16a bis 16d eingeschlossen sind.
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Ist nun die Länge LO1 gleich der Länge LR1, so ist der Steg 21 innerhalb der Verbindungsstelle 2 nicht in Längsrichtung verschieblich. Ist hingegen die Länge LO1 größer als die Länge LR1 wie im dargestellten Beispiel, so weist der Steg 21 ein Spiel in Längsrichtung auf und ermöglicht so eine Verschieblichkeit der beiden Lagen 10 und 20 gegeneinander. Die Differenz zwischen LR1 und LO1 definiert somit das Maß der Verschieblichkeit der beiden Lagen 10 und 20 gegeneinander.
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Die in 1 oberen Endpunkte der Längen LO1 und LR1 sind dabei so gewählt, dass sie den Kontaktpunkt des Steges 21 mit der oberen Kante der Durchgangsöffnung 11 bzw. den Kontaktpunkt der Aussenkante 23 des Steges 21 mit der freien Kante 13 definieren, wenn der Steg 21 bis zu seinen maximalen Endpunkten verschoben wird.
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2 zeigt einen Querschnitt durch die Verbindungsstelle der 1 längs der Linie A-A im nicht montierten Zustand und demonstriert den Zustand der Lagen 10 und 20 zu Beginn des Herstellungsverfahrens. Der Steg 21 übergreift mit seinen freien Kkanten 24 und 25 als Teil der Außenkanten 22 und 23 die erste Lage 10 im Bereich von deren freien Kanten 12 und 13. Insgesamt darf betont werden, dass 1 bis 3 nur die geometrischen Verhältnisse in beiden Lagen 10 und 20 verdeutlichen sollen, die in den 4 und 5 dargestellten Umformungen wurden aber für beide Lagen 10 und 20 unabhängig voneinander realisiert.
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3 zeigt einen Querschnitt durch die 1 längs der Linie B-B, im nicht montierten Zustand wie in 2.
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Für die Verbindung der beiden Lagen 10 und 20 wird in den Steg 21 eine Sicke bzw. eine Noppe 30 eingeprägt, der/die ein Dach 31 aufweist, siehe 4 und 5. Die Noppeweist in bei Betrachtung der 4 Füße 32c und 32d und seitlich abkröpfende Elemente 33a und 33b auf, die zu einem Noppendach bzw. Sickendach 31 sich erstrecken. Betrachtet man hingegen 5, so wird deutlich, dass sich in Längserstreckungsrichtung des Steges 21 an die Füße 32 und 32b weitere, nach oben abkröpfende Elemente 27a, 27b anschließen. Die Noppe 30 bildet ein Materialreservoir dadurch, dass bei gleichbleibender Lagendicke die abgeschrägten Bereiche in einer Projektion auf die Lagenebene zusätzliches Material bevorraten. Wie in 4 in diesem Zwischenschritt dargestellt ist, ist der Steg 21 insgesamt mit den Kröpfungen 27a und 27b gegenüber den Außenbereichen der zweiten Lage 20 derart abgekröpft, dass er auf der den Außenbereichen der Lage 20 gegenüberliegenden Seite der ersten Lage 10 verläuft. Die erste Lage 10 weist ihrerseits die freien Kanten 12 und 13 auf, die in die entgegengesetzte Richtung mittels Kröpfungen 14 und 15 abgekröpft sind. 5 zeigt einen Schnitt entsprechend der Linie B-B in 4 entsprechend dem Schnitt entsprechend der Linie A-A in 1, allerdings nicht im den 1 bis 3 entsprechenden Zustand, sondern im jeweils selben intermediären Zustand der Flachdichtung 1. Während in 4 die Schrägen der Noppe 30 an der Längsseite des Steges 21 mit den Bezugszeichen 39c und 39d bezeichnet sind, sind nunmehr die Wandungen der Noppe 30 an den beiden Endbereichen des Steges 21 mit dem Bezugszeichen 39a und 39b bezeichnet.
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Anschließend wird die Verbindungsstelle verpresst. Dabei verschieben sich die freien Kanten 24 und 25 des Steges 21 nach außen und hintergreifen die freien Kanten 12 und 13 der ersten Lage 10. Mit anderen Worten wird das durch die Noppe 30 erzeugte Materialreservoir verwendet, um die formschlüssige Verbindung zwischen der ersten Lage 10 und der zweiten Lage 20 herzustellen.
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7 und 8 zeigen die erfindungsgemäße Flachdichtung nach Fertigstellung der Verbindungsstelle 2 längs der Linie C-C in 6 für 7 und längs der Linie D-D in 6 für 8.
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Die Noppe 30 ist nunmehr verpresst, weist jedoch Prägespurenin Form von Linien, Kanten und Stufen auf, die im Steg 21 in 7 und im Steg 21 in 8 überhöht eingezeichnet sind. Anhand dieser Linien, Kanten und Stufen kann ohne weiteres das verwendete Herstellungsverfahren nachvollzogen und nachgewiesen werden.
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6 zeigt eine Aufsicht entsprechend 1 nach dem Verpressen der Verbindungsstelle 2. Eingezeichnet sind hier als Linien die verbleibenden Prägespuren bzw. Prägestrukturen, die auch an der endgültigen Verbindungsstelle 2 noch erkannt werden können.
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9A und 9B zeigen zwei Ausführungsformen für erfindungsgemäße Flachdichtungen 1 und Verbindungsstellen 2 in Schnitten entsprechend der Linie D-D in 6 (9A, 9B) und der Linie C-C in 6 (9C, 9D), allerdings ohne verbleibende Prägespuren. Dadurch, dass die beiden Kröpfungen 27a und 27b in der zweiten Lage 20 einen geringeren Abstand aufweisen als die lichte Weite der Durchgangsöffnung 11 in der ersten Lage 10, ist die zweite Lage 20 in der durch den dargestellten Schnitt wiedergegebenen Lagenebene seitlich verschieblich. 9A zeigt eine Position, bei der die zweite Lage 10 maximal mit ihrer Kröpfung 27b an der ersten Lage 10 anliegt. In 9B ist dieselbe Verbindungsstelle 2 dargestellt, nunmehr ist jedoch die Kröpfung 27a der zweiten Lage 20 bis zum Anschlag linksseitig an die erste Lage 10 versetzt. Die beiden Darstellungen in 9A und 9B zeigen daher das Spiel der zweiten Lage 20 bzgl. der ersten Lage 10 bei der dargestellten Flachdichtung.
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Ein ähnliches Spiel kann durch geeignete Ausbildung der beiden Lagen 10 und 20 längs der Linie C-C in 6 in einer senkrechten Richtung zu der Verschieblichkeit, die in den 9A und 9B dargestellt ist, ausgebildet werden. In 9C und 9D sind zwei Extrempositionen der Lage 20 bzgl. der Lage 10 in einem Schnitt längs der Linie C-C in 6 dargestellt. Die Breite des Steges 21 ist geringer als der an gleicher Stelle bestehende Abstand zwischen den beiden Kröpfungen 14 und 15. Außerdem ist der Abstand zwischen den nicht ausgelenkten Bereichen der Lage 20 größer als der Abstand zwischen den Kröpfungen 14 und 15. Dadurch kann die Lage 20 gegenüber der ersten Lage 10 verschoben werden, beispielsweise weitgehend nach rechts wie in 9C dargestellt oder weitgehend nach links wie in 9D dargestellt.
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10 zeigt eine dreilagige Flachdichtung 1, bei der eine erste Lage 10 und eine zweite Lage 20 wie oben beschrieben miteinander verbunden sind. Zwischen der ersten Lage 10 und der zweiten Lage 20 befindet sich eine weitere dritte Zwischenlage 40. Diese weist eine Durchgangsöffnung 41 auf, die eine größere lichte Weite besitzt als der Abstand der Kröpfungen 14 und 15 in der ersten Lage 10. Hierdurch ist es möglich, die Zwischenlage 40 zwischen den beiden Lagen 10 und 20 festzuhalten. 10A zeigt hierbei einen Querschnitt längs der Linie C-C entsprechend 6 und 10B einen Querschnitt längs der Linie D-D entsprechend 6.
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11 zeigt eine besondere Ausführungsform eines Prägewerkzeugs zur Herstellung einer Verbindungsstelle 2 wie vorstehend beschrieben, das zusätzlich zum Prägestempel 52 zum Verprägen der Noppe 30 noch Prägestempel 53a bis 53d aufweist, Diese dienen dazu, die Lage 20 so zu verformen, dass sich eine Sperrwirkung bezüglich ihrer Verschieblichkeit in der Lage 10 ergibt.
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12 zeigt die Wirkung des Prägewerkzeugs 50 im Bereich einer Verbindungsstelle 2 einer Flachdichtung 1 in einem Querschnitt, der der Linie E-E in 11 entspricht, also bei Vergleich mit 6 in einem Winkel von ungefähr 45° zu den beiden dort eingezeichneten Schnittlinien verläuft. Das Prägewerkzeug dient hier einerseits der Verpressung der Noppe des Steges 21 der zweiten Lage 20 über die gesamte Länge der Durchgangsöffnung 11 in der ersten Lage 1. Andererseits sind die Prägestempel 53a bis 53d so positioniert, dass sie eine Abkantung von Abschnitten der Lage 20 unmittelbar an einer Außenkante 17, 18 der Lage 10 bewirken. Die insgesamt vier derartigen Abkantungen ergeben eine Sperrwirkung bezüglich der Verschieblichkeit der Lagen 10 und 20 gegeneinander.
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13 zeigt einen Ausschnitt aus einer Flachdichtung 1, beispielsweise einer Abgaskrümmerdichtung mit einer Fluiddurchgangsöffnung 4. In der Flachdichtung 1, die in 13 in Aufsicht dargestellt ist, sind zwei Verbindungsstellen 2a, 2b angeordnet. Die Längsrichtungen der in diesen Verbindungsstellen angeordneten Stege 21 stehen dabei senkrecht aufeinander, so dass die einzelnen Lagen der Flachdichtung 1 in jeder Richtung innerhalb der Lagenebene der Flachdichtung 1 festgelegt sind. Eine Verschieblichkeit der miteinander über die Verbindungsstellen 2a und 2b verbundenen Lagen ergibt sich nur dann, wenn in beiden Verbindungspunkten der Steg innerhalb der Verbindungsstelle 2a bzw. 2b in sämtliche Richtungen innerhalb der Lagenebene der Flachdichtung 1 eine Verschieblichkeit aufweist.
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14 zeigt eine weitere Flachdichtung 1 mit zwei Verbindungsstellen 2a und 2b. Bei diesen beiden Verbindungsstellen 2a und 2b ist der jeweilige Steg 21a bzw. 21b in gleicher Erstreckungsrichtung angeordnet. Bei einer derartigen Anordnung der Verbindungsstellen 2a und 2b ist durch geeignete Ausbildung wie beispielsweise in den 9A bis 9D beschrieben, eine Verschieblichkeit einer Lage gegenüber der anderen Lage möglich.
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15 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden erfindungsgemäßen Flachdichtung 1. Da die beiden Längenmaße LO1 und LR1 nur geringfügig unterschiedlich sind, ist nur eine geringe Verschieblichkeit des Steges 21 innerhalb der Durchgangsöffnung 11 in der Lage 10 möglich. Der Steg selbst ist im mittleren Bereich oval ausgebildet und hintergreift in diesem mittleren Bereich mit seinen freien Kanten 24 und 25 die entsprechenden benachbarten Bereiche der freien Kanten 12 und 13.
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16 zeigt ein Schliffbild einer erfindungsgemäßen Flachdichtung im Bereich einer Verbindungsstelle 2. Die Orientierung entspricht dabei 7. Der Steg 21 der zweiten Lage 20 hintergreift die abgekröpften freien Kanten 12 und 13 der ersten Lage 10. Der Steg 21 weist Prägespuren auf, die in Form eines Knicks oder Abdrucks innerhalb des Steges 21 auf die zwischenzeitliche Ausformung des Steges 21 in Form einer Vollsicke bzw. einer Noppe hinweist. Die Bestimmung der Maße im unverpressten Zustand ist insbesondere mittels optischer Verfahren möglich, bei denen keine Verpressung der Verbindungsstelle erfolgt. Bei Messung mit einem dreidimensionalen Mikroskop (Alicona InfiniteFocus, Alicona Imaging GmbH, Raaba, Österreich) ergibt sich hier ΔH = 50 µm. Bei der Simulation des verpressten Zustands mit dem oben näher erläuterten Messstempel beträgt ΔH hingegen nur 18 µm. Eine Bestimmung der Aufdickung im verpressten Zustand ist hingegen mit optischen Methoden nur sehr schwer zu realisieren.
