DE202013005210U1

DE202013005210U1 - Dichtungssystem

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Publication number: DE202013005210U1
Application number: DE202013005210.4U
Authority: DE
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2023-06-08
Also published as: WO2014195417A1; DE112014002728T5; US20160090941A1; US9897038B2; CN105358881A; BR112015030455A2

Abstract

Dichtungssystem (1) enthaltend oder bestehend aus einem ersten Bauteil (10) und einem zweiten Bauteil (20) wobei das erste Bauteil (10) und das zweite Bauteil (20) an einer gemeinsamen Kontaktfläche (3) miteinander verpreßt sind und mindestens eine Durchgangsöffnung (2) der Kontaktfläche (3) aufweisen, die in das erste und/oder zweite Bauteil (10, 20) hineinragt, einer ringförmigen Nut (4), die vom ersten und zweiten Bauteil (10, 20) begrenzt wird und die die Durchgangsöffnung (2) umgibt, wobei das erste und das zweite Bauteil (10, 20) im Bereich zumindest radial außerhalb der Nut (4) aufeinander zu liegen kommen, gekennzeichnet durch eine metallische Flachdichtung (30), die sich ringförmig in der Nut (4) erstreckt, wobei die metallische Flachdichtung (30) mindestens eine metallische Lage (31) aufweist und jede ihrer Lagen (31) im unverpressten oder verpressten Zustand der Bauteile (10, 20) in einer Projektion in eine Ebene parallel zur Kontaktfläche (3) von erstem und zweitem Bauteil (10, 20) im Wesentlichen nur eine Schicht aufweist, und die metallische Flachdichtung (30) insgesamt oder jede ihrer Lagen (31) in radialer Richtung aufeinanderfolgend einen inneren Randbereich (33), einen mittleren Bereich (34) und einen äußeren Randbereich (35) aufweist, die über zwei aufeinanderfolgende, entgegengesetzt gerichtete Knickstellen (40, 41) ineinander übergehen und jeweils einen ersten in radialer Richtung nicht gekrümmten, geraden Abschnitt (33.1, 34, 35.1) aufweisen, wobei im verpressten Zustand der Bauteile (10, 20) entweder der innere Randbereich (33) an dem Nutdach (6) im ersten Bauteil (10) und der äußere Randbereich (35) an der Nutsohle (5) im zweiten Bauteil (20) jeweils zumindest bereichsweise flächig anliegen, oder der innere Randbereich (33) an der Nutsohle (5) im zweiten Bauteil (20) und der äußere Randbereich (35) an dem Nutdach (6) im ersten Bauteil (10) jeweils zumindest bereichsweise flächig anliegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dichtungssystem bestehend aus einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil und mindestens einer in beiden Bauteilen sich erstreckenden Durchgangsöffnung, insbesondere einer Durchgangsöffnung für Fluide wie beispielsweise heiße Verbrennungsgase von Verbrennungsmotoren sowie der zugehörigen metallischen Flachdichtung.
Im Stand der Technik werden einerseits zwischen beiden Bauteilen im Wesentlichen vollflächig aufliegende metallische Flachdichtungen verwendet. Die Durchgangsöffnungen werden dabei von elastischen Dichtelementen, meist unmittelbar in die Blechlage eingeformten Sicken, umgeben. Diese können im Krafthauptschluss liegen, d. h. volle Verpressung erfahren oder, entweder durch Verbau in einer Nut oder durch Einbringen eines Verformungsbegrenzungselements in die Dichtung, in den Kraftnebenschluss gebracht werden, so dass sie nur bis zur Tiefe der Nut bzw. zur effektiven Höhe des Verformungsbegrenzungselements verpresst werden können. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Sicke im Wesentlichen nur innerhalb ihres elastischen Bereichs vorgespannt wird und sie somit auch bei Belastung diesen nicht verlässt.
Durch den vollflächigen Verbau weisen diese Dichtungen immer auch Durchgangsöffnungen für Befestigungsmittel auf, d. h. sie werden zwischen den beiden gegeneinander abzudichtenden Bauteilen mit verschraubt. Ein Nachteil ergibt sich dabei aus dem großen Materialverbrauch, da die Dichtung sich über einen recht großen Bereich erstreckt, verglichen mit dem die eigentlichen Abdichtlinien umfassenden Bereich. Bei Bauteilen, die mehrere Durchgangsöffnungen aufweisen, resultiert ein wesentliches Problem dieses Dichtungstyps aus unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der abzudichtenden Bauteile und der Dichtung. Beim Kaltstart im Winter, also beispielsweise bei –20°C soll das System ebenso dicht sein wie nach längerem Betrieb mit Betriebstemperaturen von über 800°C oder bei Turboladern gar bei über 1000°C. Dem stehen große, die Durchgangsöffnungen verbindende Materialabschnitte entgegen, die eine andere Ausdehnung erfahren als die abzudichtenden Bauteile. Die Positionen der Durchgangsöffnungen werden also gegeneinander verschoben und es kommt zu Spannungen und/oder Undichtigkeiten. Zudem ist die Anpassung an die Dichtspaltbewegungen stark begrenzt.
Weiter sind aus dem Stand der Technik eingesteckte Rohre mit umlaufenden Dichtstrukturen bekannt. Diese dichten verschiedene Durchgangsöffnungen unabhängig voneinander ab. Sie sind aber sehr aufwändig in ihrer Herstellung und weisen oftmals Präzisionsprobleme auf. Gerade die Herstellung der radial verlaufenden Strukturierungen ist sehr heikel und oft führen geringe Abweichungen in den Bauteil- oder Dichtungsmaßen zu großen Dichtproblemen. Weiterhin sind die Dichtungen über ihre gesamte Länge den heißen und aggressiven Fluiden, meist Brenngasen ausgesetzt. Zur Vermeidung von Korrosion müssen deshalb extrem hochwertige und somit teure Werkstoffe eingesetzt werden. Bewegen sich beide abzudichtenden Bauteile in unterschiedlichem Maße, so tritt bei mehrflutigen Übergängen eine Zerstörung von Dichtungsrohren auf, da diese der Bewegung nicht folgen können.
Darüber hinaus werden c-, <- und ε-Ring-Profildichtungen in Nuten zur Abdichtung derartiger Dichtungssysteme eingesetzt. Sie sind jedoch nur sehr aufwändig herstellbar. Für eine nahtlose Fertigung ist ein mehrstufiger Herstellungsprozess notwendig, bei dem zudem das Material sehr stark umgeformt wird. Alternativ ist eine Herstellung aus einem zum Ring zu schließenden Blech zwar möglich, hier resultiert jedoch auch bei intensiver Nachbearbeitung immer eine Inhomogenität an der Verbindungsstelle, die als Sollbruchstelle wirken und darüber hinaus auch Undichtigkeiten bewirken kann. Darüber hinaus können diese c-, <- und ε-Ringe aufgrund des notwendigen abschließenden Rollierungsprozesses nur in kreisrunder Ausführung hergestellt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es dementsprechend, ein Dichtungssystem zur Verfügung zu stellen, das eine dauerhafte Dichtwirkung gewährleistet, mit wenig Aufwand reproduzierbar herstellbar ist und von der Passage aggressiver und heißer Medien nur in geringem Ausmaß Verschleiß erfährt.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit dem Dichtungssystem gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Dichtungssystems werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
Die vorliegende Erfindung betrifft also ein Dichtungssystem, das ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil aufweist. Das erste und das zweite Bauteil sind im Betriebszustand an einer gemeinsamen Kontaktfläche miteinander verpresst.
Das erste und das zweite Bauteil weisen jeweils eine Durchgangsöffnung in der Kontaktfläche auf. Diese Durchgangsöffnung ragt ausgehend von der Kontaktfläche in eines der Bauteile oder in beide Bauteile. Die Durchgangsöffnung kann auch durch eines der Bauteile oder beide Bauteile hindurchreichen.
Durchgangsöffnungen können beispielsweise Fluiddurchgangsöffnungen sein, insbesondere für Verbrennungsgase von Verbrennungsmotoren, oder auch Durchgangsöffnungen für Wellen oder Antriebswellen, beispielsweise für eine Läuferwelle eines Abgasturboladers.
Eine ringförmige Nut umläuft die Durchgangsöffnung beabstandet, wobei das erste und das zweite Bauteil im Bereich außerhalb der Durchgangsöffnung und insbesondere zumindest radial außerhalb der Nut aufeinander zu liegen kommen.
Die Kontaktfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil, die die Durchgangsöffnung umgibt, wird nun dadurch abgedichtet, dass in die ringförmige Nut eine ringförmige metallische Flachdichtung eingelegt ist.
Diese weist abweichend vom Stand der Technik mindestens eine metallische Lage auf, wobei im verpressten Zustand der Bauteile die Dichtung oder jede ihrer Lagen in Aufsicht, d. h. in einer Projektion in eine Ebene parallel zur Kontaktfläche, im Wesentlichen nur eine Schicht aufweist. Dies bedeutet, dass die Lage bzw. die metallische Flachdichtung keine Umbördelung aufweisen darf. Genau so wenig sind senkrecht zur Kontaktfläche verlaufende Lagenbereich vorgesehen.
Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich, wenn nichts anderes angegeben ist, auf Schnittbetrachtungen des erfindungsgemäßen Dichtsystems insgesamt oder der metallischen Flachdichtung des erfindungsgemäßen Dichtsystems.
Erfindungsgemäß weist nun jede der metallischen Flachdichtungen bzw. jede ihrer Lagen in radialer Richtung einen inneren Randbereich, einen mittleren Bereich und einen äußeren Randbereich auf, die unterschiedliche Steigungen besitzen und folglich jeweils über Knickstellen ineinander übergehen. Die Knickstelle zwischen dem inneren Randbereich und dem mittleren Bereich ist dabei gegenüber der Knickstelle zwischen dem mittleren Bereich und dem äußeren Randbereich entgegengesetzt gerichtet. Knickstellen in metallischen lagen weisen immer einen Mindestradius auf, der sich aus den Eigenschaften des Werkstoffs und dessen Dicke ergibt. Der Mindestradius der Außenkontur an einer Knickstelle in einem typischen Flachdichtungsblech beträgt 0,2 bis 0,6 mm.
Erfindungsgemäß weisen diese drei Bereiche nun nichtgekrümmte, gerade Abschnitte auf. Insbesondere der innere Randbereich und der äußere Randbereich sind so ausgebildet, dass sie bei nicht verpressten Bauteilen jeweils zumindest bereichsweise an dem Nutdach bzw. der Nutsohle flächig anliegen. Flächiges Anliegen bedeutet hier, dass die jeweiligen Bereiche nicht lediglich punktförmige oder linienförmige Berührungszonen bilden, sondern flächige Berührungszonen.
Mit einer derartigen Flachdichtung wird am inneren und am äußeren Randbereich jeweils eine flächige Abdichtzone ausgebildet.
Wird das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil verpresst, so kann die Flachdichtung gekippt werden, sodass ihre radiale Erstreckung in der Ebene der Kontaktfläche betrachtet länger wird. Der Berührungsbereich zwischen der Flachdichtung und der Nutsohle bzw. dem Nutdach verschiebt sich dabei.
Vorteilhafterweise ist der innere Randbereich und/oder der äußere Randbereich in mindestens zwei einzelne nicht gekrümmte Abschnitte gegliedert, nämlich jeweils einen ersten, in radialer Richtung nicht gekrümmten, geraden Abschnitt und einen zu diesem zum inneren bzw. äußeren Rand der Flachdichtung hin benachbarten inneren bzw. äußeren Endabschnitt. Dieser ist ebenfalls in radialer Richtung nicht gekrümmt. Beide Abschnitte, erster Abschnitt und benachbarter Endabschnitt, gehen jeweils über eine Knickstelle ineinander über. Die Flachdichtung kann nun erfindungsgemäß mit dem inneren bzw. dem äußeren Endabschnitt an Nutsohle bzw. Nutdach anliegen, wenn die Bauteile nicht miteinander verpresst sind bzw. der Dichtspalt zwischen diesen beiden Bauteilen größer ist. Sind die beiden Bauteile miteinander fest verpresst bzw. der Dichtspalt klein, so kann die Flachdichtung mit den ersten nicht gekrümmten Abschnitten an der Nutsohle bzw. dem Nutdach anliegen.
Das erfindungsgemäße Dichtsystem ermöglicht es nun, dass bei Dichtspaltschwankungen zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil die Flachdichtung sich derart dreht, dass die Anlagefläche sich zwischen dem ersten in radialer Richtung nicht gekrümmten geraden Abschnitt und dem über eine Knickstelle benachbart verbundenen inneren oder äußeren Endabschnitt verschiebt. Im Querschnitt durch die Nut erfolgt dabei im Wesentlichen oder lediglich eine Drehung der Dichtung um eine Achse, die etwa mittig in der ringförmigen Lagenausdehnung der Flachdichtung angeordnet zu denken ist. In radialer Richtung ändert die Flachdichtung folglich bei Dichtspaltschwankungen ihre Ausdehnung ebenso wie in zur Kontaktfläche senkrechter Richtung. Diese Dreh- und Kippbewegung gewährleistet eine permanente Abdichtung der Durchgangsöffnung. Hier soll nochmals betont werden, dass sich diese Beschreibung der Dreh- und Kippbewegung auf die Schnittbetrachtung bezieht. Die Bewegung der gesamten, ringförmig geschlossenen Dichtung ist sehr komplex.
Die Nut des Dichtungssystems kann in ein erstes Bauteil oder in ein zweites Bauteil eingebracht sein, auf dem das zweite Bauteil oder das erste Bauteil flächig aufliegt. Die Nut kann sich jedoch auch über die Kontaktfläche hinweg teilweise in das erste Bauteil und teilweise in das zweite Bauteil erstrecken. Es ist auch möglich, dass die Nut in einem der Bauteile enthalten ist, wobei das andere Bauteil im Bereich dieser Nut eine Feder aufweist, die sich in diese Nut erstreckt und eine Nutsohle oder ein Nutdach bildet. In letzterem Falle ist die effektive Nuthöhe geringer als die Nuttiefe in dem einen Bauteil allein ohne Berücksichtigung der in die Nut eingreifenden Feder des anderen Bauteils.
Die Ausgestaltung der metallischen Flachdichtung als Ringdichtung in der Nut mit mehreren flachen Bereichen, die über Knickstellen miteinander verbunden sind, hat die Funktion, dass auch bei einem (im Querschnitt betrachtet) Verkippen der Flachdichtung immer eine hinreichende, vorzugweise flächige Abdichtzone erhalten bleibt. Sie dient nicht einem Höhenausgleich zwischen unterschiedlich hohen Bereichen innerhalb eines Nutdaches oder einer Nutsohle sondern dem Ausgleich dynamischer Dichtspaltschwankungen. Vielmehr ist vorteilhafterweise sowohl das Nutdach als auch die Nutsohle ohne jegliche radialen und/oder zirkumferentiellen Versprünge, Kröpfungen oder Versätze ausgebildet.
Am Innen- oder Außenrand der metallischen Flachdichtung können zusätzlich Positionierungsvorrichtungen bzw. Einführhilfen vorgesehen sein, die bei der Einführung der Flachdichtung in die Nut während der Montage und/oder bei der zentrierten Halterung der Flachdichtung in der Nut während der Montage und im Gebrauch helfen. Hierzu werden beispielsweise zwei oder mehr einzelne Laschen vorgesehen, die am Innenrand sich abgewinkelt von dem inneren Rand der Flachdichtung wegerstrecken. Derartige Positioniervorrichtungen bzw. Einführhilfen haben keinerlei Dichtfunktion und werden daher hier und im gesamten vorliegenden Text bei der Erläuterung der für die Dichtfunktion relevanten Elemente des Dichtungssystems nicht weiter berücksichtigt.
Durch den Verbau der erfindungsgemäßen Flachdichtung in einer Nut wird der dichtende Bereich selbst im verbauten Zustand nicht von Befestigungsmitteln, die die beiden Bauteile und ggf. weitere Bauteile miteinander verbinden, durchgriffen.
Erfindungsgemäß kann die Flachdichtung nicht nur aus einer metallischen Lage, sondern auch aus mehreren metallischen Lagen bestehen bzw. diese enthalten. Diese Lagen können ggf. im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und so eine Verdoppelung der einlagigen Flachdichtung darstellen. Alternativ können die beiden Lagen jedoch auch sich in einem vorbestimmten Radius um die Mitte der Flachdichtung umlaufend berühren und sich dann zu einer oder beiden Seiten in radialer Richtung voneinander entfernen. Besonders vorteilhaft berühren sich die beiden Dichtungslagen im Bereich des inneren Randes oder des äußeren Randes der Flachdichtung und entfernen sich in radialer Richtung gesehen voneinander. In den Bereichen, in denen sich die beiden Lagen berühren können diese auch mittels verschiedener Verfahren, wie beispielsweise Verschweißen, Walzen, Löten und dergleichen verbunden sein.
Erfindungsgemäß besteht die metallische Flachdichtung aus einem Stahl, insbesondere einem Edelstahl oder einer Nickelbasislegierung, insbesondere einer sogenannten Superlegierung, oder enthält diese.
Im folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Dichtungssysteme gegeben. Dabei werden in sämtlichen Figuren gleiche und ähnliche Elemente mit gleichen und ähnlichen Bezugszeichen versehen und daher ggf. deren Beschreibung nicht wiederholt. In den folgenden Beispielen ist jeweils eine Kombination verschiedenster Merkmale der erfindungsgemäßen Dichtungssysteme dargestellt. Dabei sind jedoch auch einzelne dieser Merkmale ggf. isoliert von den anderen Merkmalen zur erfindungsgemäßen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung geeignet.
Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Dichtungssystem im Querschnitt;
2 ein weiteres erfindungsgemäßes Dichtungssystem im Quer schnitt;
3 Nuten erfindungsgemäßer Dichtungssysteme im Querschnitt;
4 zwei weitere verschiedene erfindungsgemäße Dichtungssysteme im Querschnitt;
5 u. 6 zwei weitere verschiedene erfindungsgemäße Dichtungssysteme im Querschnitt;
7 eine Flachdichtung eines erfindungsgemäßen Dichtsystems im Querschnitt;
8 vorteilhafte Wertebereiche und Werte für einzelne Bemaßungen der in 4 dargestellten Dichtungssysteme;
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Dichtungssystem 1, das zwei Bauteile 10 und 20 aufweist. In A sind diese beiden Bauteile 10 und 20 im nicht verpressten Zustand dargestellt. In Teilfigur B sind die beiden Bauteile 10 und 20 miteinander verpresst und in Teilfigur C sind die beiden Bauteile 10 und 20 wieder etwas voneinander entfernt. Insbesondere B und C zeigen in schematisch überhöhter Weise die Verformungen und Bewegungen bei Dichtspaltschwankungen im Betrieb der Dichtung.
Das Bauteil 20, beispielsweise ein Abgas führendes Rohr, weist eine Nut 4 auf mit einem Nutboden 5. Diese Nut 4 wird im montierten Zustand von der Oberfläche 6 des Bauteils 10, beispielsweise eines anderen Abgas führenden Rohres, als Nutdach verschlossen. In die Nut 4 ist nun eine erfindungsgemäße metallische ringförmige Flachdichtung 30 eingelegt, die eine einzelne metallische Lage 31 aufweist. Die Flachdichtung 30 ist dabei als umlaufend um eine rechtsseitig der 1A zu denkende Durchgangsöffnung, beispielsweise einen Brennraum vorzustellen. Der Brennraum wird durch den Zylinderkopf 10 und das Kurbelgehäuse 20 begrenzt.
Die Flachdichtungslage 31 weist einen inneren Randbereich 33, einen mittleren Bereich 34 und einen äußeren Randbereich 35 auf, die über Knickstellen 40 und 41 miteinander verbunden sind. Der Anstieg des mittleren Bereichs 34 ist dabei bezogen auf die Nutsohle 5 stärker als derjenige des inneren Randbereiches 33 und des äußeren Randbereiches 35.
Der innere Randbereich 33 ist in einen ersten geraden inneren Abschnitt 33.1 und einen inneren Endabschnitt 33.2 aufgeteilt, die wiederum über eine Knickstelle 42 miteinander verbunden sind. In gleicher Weise ist der äußere Randbereich 35 in einen ersten geraden äußeren Abschnitt 35.1 und einen äußeren Endabschnitt 35.2 aufgeteilt, die über eine Knickstelle 43 miteinander verbunden sind.
In 1A ist der Zustand dargestellt vor dem vollständigen Verpressen der Bauteile 10 und 20 gegeneinander. In diesem Zustand liegt der innere Endabschnitt 33.2 flächig an der dem Nutdach 6 des Bauteils 10 an. Der äußere Endabschnitt 35.2 liegt flächig am Nutboden 5 des Bauteils 20 an.
Wird jetzt das Bauteil 10 mit dem Bauteil 20 verpresst (1B), wie dies beispielsweise bei der Montage erfolgt, so wird die Flachdichtung 30 gekippt, sodass sie nunmehr mit dem ersten inneren Abschnitt 33.1 flächig am Nutdach 6 und mit dem ersten äußeren Abschnitt 35.1 am Nutboden 1 anliegt.
Treten nun im Weiteren Dichtspaltschwankungen (1C) auf, so kann sich die Flachdichtung 30 je nach zur Verfügung stehendem Raum aufrichten oder wieder legen, sodass sich der Kontaktbereich zwischen dem inneren Randbereich 33 und dem Nutdach 6 sowie zwischen dem äußeren Randbereich 35 und dem Nutboden 5 um die Knickstellen 42 und 43 bewegt.
Mit dem erfindungsgemäßen Dichtsystem ist so immer eine zuverlässige Abdichtung einer Durchgangsöffnung möglich. Insbesondere sind die erfindungsgemäßen Flachdichtungen mit einer großen Haltbarkeit und Dauerbelastbarkeit versehen, da die Materialbeanspruchungen durch die Flachdichtung mittels (im Querschnitt betrachtet) einer Drehung um ihre Mittelachse bewältigt werden. Dies vermeidet zu starke Verformungen der Lage 31 der Flachdichtung 30 und beugt damit Materialermüdung vor.
2 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Dichtsystem 1 zur Abdichtung zwischen einem ersten Bauteil 10 und einem zweiten Bauteil 20. Die 2 stellt das Dichtsystem in einem Teilschnitt in Aufsicht dar. Insbesondere ist die Nut 4 mit Nutboden 5, innerer Nutwand 7, äußerer Nutwand 8 und Nutdach 6 dargestellt. In diese Nut 4 ist nun eine erfindungsgemäße metallische Flachdichtung 30 als Ringdichtung eingelegt. Im unverpressten Zustand, wie er in 2 dargestellt ist, ist die Höhe der Flachdichtung größer als die effektive Höhe der Nut 4 nach Verpressung der Bauteile 10 und 20.
Prinzipiell ist die Flachdichtung 30 so wie in 1 ausgestaltet. Zusätzlich hierzu ist jedoch längs des inneren Umfangsrandes der Flachdichtung in regelmäßigen Abständen eine Einführungshilfe 37 angeordnet. Diese kann einstückig mit der Lage 31 der metallischen Flachdichtung 30 ausgebildet sein oder auch nachträglich an dieser angebracht. Die Einführhilfe 37 besteht aus einem abgewinkelten Steg, der sich vom inneren Umfangsrand 39 der ersten metallischen Lage 31 nach unten bzw. in Richtung der Nut 4 erstreckt. Beim Einlegen der metallischen Flachdichtung 30 wird die Einführhilfe 37 längs der inneren Nutwand 7 geführt. Da derartige Einführhilfen 37 in regelmäßigen Abständen längs des inneren Umfangsrandes der Lage 31 angeordnet sind, dient sie zugleich als Zentrierelement für die Flachdichtung 30.
Der Steg der Einführhilfe 37 weist zwei Abschnitte 37.1 und 37.2 auf, die über eine Knickstelle 45 miteinander verbunden sind. An einem Bereich 44 ist die Einführhilfe 37 am inneren Umfangsrand der Flachdichtungslage 31 befestigt.
Die beiden Abschnitte 37.1 und 37.2 sind nun so miteinander verbunden, dass die Knickstelle 45 in radialer Richtung gesehen am innersten Punkt der Einführhilfe 37 angeordnet ist. Von dieser Knickstelle 37 ausgehend erstrecken sich die beiden Bereiche 37.1 und 37.2 in einer Aufsicht auf die metallische Flachdichtung 30 radial nach Außen. Beim Einlegen der Flachdichtung 30 in die Nut 4 gleitet folglich die Knickstelle 45 längs der inneren Nutwand 7 und sichert so die korrekte Position der metallischen Flachdichtung 30 in der Nut 4.
3-a zeigt die Ausbildung der ringförmigen Nut 4 durch ein erstes Bauteil 10 und ein zweites Bauteil 20. In 3-a ist die Nuttiefe ausschließlich in dem zweiten Bauteil 20 ausgebildet.
Mit Hg ist die effektive Nuthöhe und mit Bg die effektive Nutbreite bezeichnet. Wie in 3-a zu erkennen ist, umläuft die Nut 4 in kreissymmetrischer Weise eine Mittelachse 9, die zugleich die Mittelachse der Durchgangsöffnung 2 ist.
3-b zeigt eine weitere Ausbildung der ringförmigen Nut 4 durch ein erstes Bauteil 10 und ein zweites Bauteil 20. In 3-b wird die Nut ebenfalls ausschließlich in dem zweiten Bauteil 20 ausgebildet. Das Nutdach wird von der Oberfläche des Bauteils 10 gebildet. Im Unterschied zu der Ausführungsform in 3-a ist der von der Nut 4 eingeschlossene Bereich des Bauteils 20 in seiner Oberfläche abgesenkt. Zwischen dem Bauteil 10 und dem Bauteil 20 bleibt also in dem von der Nut 4 ringförmig eingeschlossenen und begrenzten Bereich ein Spalt mit einer Höhe Hm frei. Die Durchgangsöffnung 2 ist also mit der Nut 4 in fluidgängiger Weise über diesen Spalt verbunden. Da die Abdichtung der Durchgangsöffnung durch die erfindungsgemäße Flachdichtung 30, die in die Nut 4 eingelegt ist, erfolgt, ist die Durchgangsöffnung dennoch sicher abgedichtet.
3-c zeigt eine weitere Ausbildung der ringförmigen Nut 4 durch ein erstes Bauteil 10 und ein zweites Bauteil 20. Im Gegensatz zur 3-a ist der von der Nut 4 eingeschlossene und umgegebene Bereich des Bauteils 10 derart aus dem Bauteil 10 hervorragend, dass die innere Nutwand 7 von dem Bauteil 10 und die äußere Nutwand 8 von dem Bauteil 20 gebildet werden.
4 zeigt in den Teilfiguren A und B zwei Varianten einer erfindungsgemäß eingesetzten Flachdichtung 30 innerhalb einer erfindungsgemäßen Nut 4. In den Teilfiguren A-1 und A-2 ist eine Flachdichtung 30 eingesetzt, bei der die Übergangsradien zwischen den Bereichen 33 und 34 sowie zwischen den Bereichen 34 und 35 größer sind als bei der Ausführungsform in den 4B-1 und 4B-2. Zu beachten ist, dass in 4, anders als in 1, die Durchgangsöffnung auf der in der Zeichnung rechten Seite der Figur vorgesehen ist. In den Teilfiguren B-1 und B-2 ist zusätzlich zur eigentlichen Kontur von Nut 4 und Flachdichtung 30 die neutrale Faser 45 der Flachdichtungsgeometrie angegeben.
5 zeigt die Verwendung eines erfindungsgemäßen Dichtungssystems in einem Abgasturbolader 50. In diesem Abgasturbolader 50 ist als erstes Bauteil 10 ein Turbinengehäuse 51 benachbart zu einem Lagergehäuse 52 als Bauteil 20 angeordnet. In dem Lagergehäuse 52 ist eine Läuferwelle 53 des Abgasturboladers 50 gelagert. Die beiden Bauteile 51 und 52 sind längs einer in 5 als Doppelstrich dargestellten Oberfläche des Bauteils 51 aneinander befestigt. Für den Durchtritt der Läuferwelle 53 befindet sich mittig in der Trennfläche 54 eine Durchgangsöffnung 2. Um die Trennfläche 54 im Bereich der Durchgangsöffnung 2 für die Läuferwelle 53 abzudichten, ist eine die Durchgangsöffnung 2 beabstandet ringförmig umlaufende Nut 4 vorgesehen, in der erfindungsgemäß eine Flachdichtung 30 eingelegt ist. Das vorliegende Beispiel zeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Dichtungssystem auch Durchgangsöffnungen abgedichtet werden können, die keine Fluiddurchgangsöffnungen sind, sondern z. B. dem Durchtritt mechanischer Bauteile dienen. Weiterhin zeigt 5, dass bei der vorliegenden Erfindung die Nut 4 nicht in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Durchgangsöffnung 2 angeordnet sein muss, sondern auch beabstandet zu dieser die Durchgangsöffnung 2 umgeben kann.
6 zeigt die Verwendung eines erfindungsgemäßen Dichtungssystems zur Verbindung zweier Rohre. Ein erstes Rohr 60 mit erstem Flansch 61 ist dabei als erstes Bauteil 10 längs einer Trennlinie 54 mit einem zweiten Rohr 62 mit zweitem Flansch 63 als zweitem Bauteil 20 verbunden. Beide Bauteile 10 und 20 bilden eine Durchgangsöffnung 2 aus, so dass Fluide aus dem ersten Rohr 60 in das zweite Rohr 62 und umgekehrt fließen können. Dieses Beispiel zeigt die Verwendung eines erfindungsgemäßen Dichtungssystems mit einer Nut 4 und einer Flachdichtung 30 zur ringförmigen Abdichtung einer Fluiddurchgangsöffnung 2.
7 zeigt ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen metallischen Flachdichtung 30, die hier aus flächig aufeinander liegenden und im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden metallischen Lagen 31 und 32 besteht. Die erste Lage 31 und die zweite Lage 32 sind im Verbund so ausgebildet, dass die metallische Flachdichtung 30 wiederum einen Bereich 34 und benachbart hierzu einen inneren Randbereich 33 und einen äußeren Randbereich 35 aufweisen. Die weitere Ausgestaltung der Flachdichtung ist ähnlich derjenigen in 1a.
8 zeigt nun Maße für erfindungsgemäße Ausführungsformen gemäß der in 4A und 4B dargestellten im erfindungsgemäßen Dichtungssystem verwendeten Flachdichtungen.
Dabei sind neben den Ist-Maßen für die in 4 eingesetzten Flachdichtungen auch Wertebereiche angegeben, innerhalb derer die jeweiligen Maße liegen können bzw. besonders bevorzugt liegen sollten. Die Bemaßungsangaben sind dabei jeweils im unverpressten Zustand und im verpressten Zustand gegeben.
Die in 8 angegebenen Ist-Maße für Breite, Höhe und Winkel der Flachdichtung sind offensichtlich so gewählt, dass die in 4A und 4B gewählten Ausführungsformen jeweils in den besonders bevorzugten Bereich der Soll-Maße fallen.

Claims

Dichtungssystem (1) enthaltend oder bestehend aus einem ersten Bauteil (10) und einem zweiten Bauteil (20) wobei das erste Bauteil (10) und das zweite Bauteil (20) an einer gemeinsamen Kontaktfläche (3) miteinander verpreßt sind und mindestens eine Durchgangsöffnung (2) der Kontaktfläche (3) aufweisen, die in das erste und/oder zweite Bauteil (10, 20) hineinragt, einer ringförmigen Nut (4), die vom ersten und zweiten Bauteil (10, 20) begrenzt wird und die die Durchgangsöffnung (2) umgibt, wobei das erste und das zweite Bauteil (10, 20) im Bereich zumindest radial außerhalb der Nut (4) aufeinander zu liegen kommen, gekennzeichnet durch eine metallische Flachdichtung (30), die sich ringförmig in der Nut (4) erstreckt, wobei die metallische Flachdichtung (30) mindestens eine metallische Lage (31) aufweist und jede ihrer Lagen (31) im unverpressten oder verpressten Zustand der Bauteile (10, 20) in einer Projektion in eine Ebene parallel zur Kontaktfläche (3) von erstem und zweitem Bauteil (10, 20) im Wesentlichen nur eine Schicht aufweist, und die metallische Flachdichtung (30) insgesamt oder jede ihrer Lagen (31) in radialer Richtung aufeinanderfolgend einen inneren Randbereich (33), einen mittleren Bereich (34) und einen äußeren Randbereich (35) aufweist, die über zwei aufeinanderfolgende, entgegengesetzt gerichtete Knickstellen (40, 41) ineinander übergehen und jeweils einen ersten in radialer Richtung nicht gekrümmten, geraden Abschnitt (33.1, 34, 35.1) aufweisen, wobei im verpressten Zustand der Bauteile (10, 20) entweder der innere Randbereich (33) an dem Nutdach (6) im ersten Bauteil (10) und der äußere Randbereich (35) an der Nutsohle (5) im zweiten Bauteil (20) jeweils zumindest bereichsweise flächig anliegen, oder der innere Randbereich (33) an der Nutsohle (5) im zweiten Bauteil (20) und der äußere Randbereich (35) an dem Nutdach (6) im ersten Bauteil (10) jeweils zumindest bereichsweise flächig anliegen.
Dichtungssystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Randbereich (33) an seinem Außenrand (39) einen, in radialer Richtung nicht gekrümmten inneren Endabschnitt (33.2) aufweist, der über eine Knickstelle (42) in den ersten inneren Abschnitt (33.1) übergeht, wobei im unverpressten Zustand der Bauteile (10, 20) der innere Endabschnitt (33.2) im Wesentlichen flächig am Nutdach (6) oder an der Nutsohle (5) anliegt.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Randbereich (35) an seinem Außenrand (38) einen in radialer Richtung nicht gekrümmten äußeren Endabschnitt (35.2) aufweist, der über eine Knickstelle (43) in den ersten äußeren Abschnitt (35.1) übergeht, wobei im unverpressten Zustand der Bauteile (10, 20) der äußere Endabschnitt (35.2) im Wesentlichen flächig am Nutdach (6) oder an der Nutsohle (5) anliegt.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (4) an die Kontaktfläche (3) von erstem und zweitem Bauteil (10, 20) angrenzt oder über diese hinweg ragt.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Flachdichtung (30) keinen Abschnitt aufweist, der senkrecht zur Kontaktfläche (3) von erstem und zweitem Bauteil (10, 20) verläuft.
Dichtungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Bereich (34) bereichsweise einen An- oder Abstieg aufweist, dem eine Wellenform überlagert ist.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Flachdichtung (30) mit ihrem obersten Punkt oder Bereich sich gegen das obere Bauteil (10) und mit ihrem untersten Punkt oder Bereich gegen das untere Bauteil (20) abstützt und zwischen diesen beiden Punkten elastisch federnd verpreßt ist.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (4) sowohl auf ihrer radial inneren (7) als auch auf ihrer radial äußeren Seite (8) von mindestens einem der Bauteile (10, 20) begrenzt wird.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Flachdichtung (30) im unverpressten Zustand der Bauteile (10, 20) in Projektion in die Kontaktfläche (3) von erstem und zweitem Bauteil (10, 20) eine radiale Erstreckung aufweist, die geringer als die radiale Erstreckung der Nut (4) ist.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Flachdichtung (30) im voll verpressten Zustand der Bauteile (10, 20) in Projektion in die Kontaktfläche (3) von erstem und zweitem Bauteil (10, 20) eine radiale Erstreckung aufweist, die größer ist als ihre radiale Erstreckung im unverpressten Zustand.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Höhe der Flachdichtung und der Breite der Flachdichtung im unverpressten Zustand ≤ 2, bevorzugt ≤ 1,5, besonders bevorzugt ≤ 1,2 beträgt.
Dichtungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung (30) im unverpressten Zustand eine Höhe aufweist, die um mindestens 250 μm, bevorzugt um mindestens 500 μm größer ist als die effektive Nuthöhe (Hg).
Dichtungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Erstreckung der Flachdichtung (30) im unverpressten Zustand der Bauteile (10, 20) in Projektion in die Ebene der Kontaktfläche (3) zwischen 2 und 5 mm beträgt.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Anstieg (w6) des mittleren Bereichs (34), bezogen auf die Kontaktfläche (3) zwischen den beiden Bauteilen (10, 20) im unverpressten Zustand oder im verpressten Zustand zwischen 30° und 85°, vorteilhafterweise zwischen 80° und 85°, beträgt.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstieg (w6) des mittleren Bereichs (34) relativ zu den beiden angrenzenden Randbereichen (33, 35) im unverpressten Zustand unterschiedliche Anstiegswinkel aufweist.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung (30) bezüglich ihrer außeren Form axialsymmetrisch ist und/oder keine radialen Schlitze aufweist.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass quer zur Umfangsrichtung der metallischen Flachdichtung (30) mindestens eine, sich in radialer Richtung erstreckende Schweißnaht angeordnet ist.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung (30) an ihrem Innen- und/oder Außenrand (38, 39) mindestens zwei, bevorzugt drei oder fünf Positionierungsvorrichtungen (37), insbesondere mindestens zwei, bevorzugt drei oder fünf Laschen, aufweist.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung (10) bezüglich ihrer äußeren Form, insbesondere bezüglich ihres äußeren Randes und/oder ihres inneren Randes (38, 39), eine von der Kreisform abweichende Geometrie aufweist.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung (30) aus mindestens zwei Lagen (31, 32) besteht.
Dichtungssystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung (30) aus mindestens zwei Lagen (31, 32) besteht, wobei der radiale Verlauf zweier benachbarter Lagen (31, 32) im Wesentlichen parallel zueinander ist.
Dichtungssystem (1) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung (30) aus mindestens zwei Lagen (31, 32) besteht, wobei der radiale Verlauf zweier benachbarter Lagen (31, 32) in Bezug auf die Mittelebene zwischen den beiden Lagen symmetrisch ist.
Dichtungssystem (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lagen (31, 32) sich an ihren inneren Randbereichen (36a, 36b) berühren und/oder miteinander verbunden sind.
Dichtungssystem (1) nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung (30) aus mindestens zwei Lagen (31, 32) besteht, wobei mindestens zwei der Lagen (31, 32) aus unterschiedlichem Material, insbesondere aus Metallen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen oder diese enthalten, wobei die Lagen (31, 32) vorzugsweise flächig, insbesondere mittels Walzens, miteinander verbunden sind.
Dichtungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung (30) aus genau einer Lage (31) besteht.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung (30) insgesamt oder eine ihrer Lagen (31, 32) aus einem Stahl, insbesondere einem Edelstahl, oder einer Nickelbasislegierung, insbesondere einer sogenannten Superlegierung, besteht oder diese enthalten.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nutdach (6) und/oder der Nutboden (5) im Wesentlichen nur Flächen aufweist, die parallel zur Ebene der benachbarten Bereiche der Kontaktfläche (3) verlaufen.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nutdach (6) und/oder der Nutboden (5) keine Stufen aufweisen.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Querschnitt der Nut (4) und der radiale Querschnitt der Flachdichtung (30) und/oder einer ihrer Lagen (31, 32) keinen gleichgerichteten radialen Verlauf bzw. einen verschiedenen radialen Verlauf aufweisen.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (7, 8) zwischen Nutdach (6) und Nutboden (5) senkrecht zu der Ebene der benachbarten Bereiche der Kontaktfläche (3) verlaufen.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (4) eine Breite Bg mit 3 mm 5 Bg ≤ 9 mm, vorzugsweise 3,25 mm ≤ Bg ≤ 6 mm, vorzugsweise 3,3 mm 5 Bg ≤ 5,3 mm aufweist.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (4) eine Höhe Hg mit 1,5 mm ≤ Hg ≤ 3 mm, vorzugsweise 2 mm ≤ Hg ≤ 2,6 mm aufweist.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (4) einen Innendurchmesser ihres Innenrandes D_i mit D_i ≥ 35 mm, vorzugsweise D_i ≥ 40 mm, vorzugsweise D_i ≥ 45 mm aufweist.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnung eine Fluiddurchgangsöffnung, insbesondere für Verbrennungsgase von Verbrennungsmotoren oder eine Durchgangsöffnung für eine Welle, beispielsweise eine Läuferwelle eines Abgasturboladers, ist.
Dichtungssystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche als Dichtungssystem im Abgasbereich eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs.