DE3715858C2 - Verbunddichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Verbunddichtung, welche insbesondere zum Abdichten aneinandergrenzender Teile von Motoren bestimmt ist.

Aus FR-2 528 516 ist eine Verbunddichtung für Brennkraftmaschinen bekannt, welche einen Kern aus Asbest aufweist, welcher wenig­ stens auf der Fläche, welche der Anlagefläche an dem Motorblock gegenüberliegt, mit einer metallischen Platte versehen ist, und die Verbindung beider Teile über Verankerungspunkte erfolgt.

In DE-PS 8 35 094 ist ein Verfahren zur Herstellung von Dichtun­ gen, Packungen und dergleichen aus Platten oder Folien von Asbest angegeben, bei dem man die Platten oder Folien mit Metallfolie, perforierter Metallfolie, dünnem Drahtnetz, Metallgewebe und dergleichen oder mit widerstandsfähiger anderer anorganischer Faser als Asbest, insbesondere Metallwolle, Glaswolle, Schlacken­ wolle und dergleichen, oder mit dünnen Geweben, Netzen oder ähnlichen Gebilden aus derartigen organischen Fasern versieht und diese dann zu Dichtungen, Packungen und dergleichen verarbeitet.

Aus US-A-4 333 975 ist eine ebene Dichtung bekannt, welche ein Laminat aus Schichten aus expandierter Graphitfolie und einer metallischen Verstärkungsschicht aufweist. Die Graphitfolien­ schichten sind derart angeordnet, daß sie sich mit der metalli­ schen Versteifungsschicht überlappen und diese in der Dichtung wenigstens am einem Rand derselben umgeben, wobei dieser Rand der Dichtung im Gebrauchszustand einer aggressiven Umgebung ausge­ setzt ist.

In US-A-2 089 326 ist eine Vorrichtung zur Ausformung von Zinken aus Metallblech beschrieben. Diese perforierten und mit Zacken versehenen Flächengebilde werden als Verbundflächengebilde, Ver­ bunddichtungen, Packungen und dergleichen eingesetzt. Das Verbundflächengebilde umfaßt Schichten aus nichtmetallischem Werkstoff und metallischem Werkstoff, wie Asbest und Stahl, wobei die Zinken oder Vorsprünge aus der Metallschicht oder den Metall­ schichten ausgeformt sind und sich in die nichtmetallischen Schichten zur sicheren, festen Verbindung und Verankerung der Schichten miteinander in koextensiver und überlappender Anordnung erstrecken oder in diese eingebettet sind.

Dichtungen sind allgemein formbare, auswechselbare Elemente zum Abdichten von Flächen und Kanälen zwischen aneinandergrenzenden Teilen, beispielsweise bei Brennkraftmaschinen. Als Dichtungen werden heutzutage aufwendige, mehrschichtige Erzeugnisse eingesetzt, welche für spezielle Anwendungsfälle ausgelegt sind. Bei Brennkraftmaschinen werden diese mit immer höher werdenden Betriebstemperaturen betrieben, welche einen entscheidenden Einfluß auf die Lebensdauer und die Funktionsweise der Dichtungen haben. Ferner sind Dichtungen bei Brennkraftmaschinen periodi­ schen Temperaturänderungen ausgesetzt, so daß sich die Dichtungen hierdurch bedingt wechselnd dehnen und zusammenziehen. Ferner ist die Pressung der Dichtung wesentlich, die sich aufgrund unter­ schiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der unter­ schiedlichen Materialien der Dichtung, der Halterung der Dichtung und der zugehörigen Befestigungselemente ändern kann. Idealerwei­ se sollte daher eine Dichtung ausreichend elastisch oder flexibel sein, um ihre Dichtwirkung trotz Temperatur- und Druckänderungen beizubehalten. Bei Dichtungen aus Stahl ergeben sich zunehmend Schwierigkeiten beim Einsatz bei Brennkraftmaschinen, da heutzutage Motorteile auch aus anderen Materialien als aus Stahl gefertigt werden, so daß man im Zusammenwirken mit Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten keine zufriedenstellende Funktion der Dichtungen mehr erzielen kann. Bei Graphit als Dichtungsmaterial wird dieses in Form einer Schicht eingesetzt, die zur Erzielung einer ausreichenden Festigkeit imprägniert oder mit anderen Materialien gemischt werden oder mit einem Träger versehen werden kann. Insbesondere bei den Gehäusen von Brennstoffeinspritzeinrichtungen bereitet die Abdichtung Schwierigkeiten, da hierbei hohe Temperaturen auftreten, welche sogar nach einigen Minuten nach Abschaltung der Brennkraftmaschine auf Spitzenwerte ansteigen können. Ferner müssen die Dichtungen in einer Umgebung mit Brennstoff-Luft-Ge­ misch arbeiten, welches für Dichtungsmaterialien aggressiv ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbunddich­ tung bereitzustellen, welche bei einer kostengünstigen Fertigung eine zuverlässige Aufrechterhaltung der Dichtungsfunktion gestattet.

Nach der Erfindung wird hierzu eine Verbunddichtung der gattungs­ gemäßen Art bereitgestellt, welche im Patentanspruch 1 angegeben ist. Ferner wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Verbunddichtung bereitgestellt, welches im Patent­ anspruch 12 angegeben ist.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Verbunddichtung oder des Herstellungsverfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 11 und 13 bis 15 wiedergegeben.

Nach der Erfindung umfaßt die Verbunddichtung wenigstens eine Schicht aus expandiertem Graphitmaterial, wenigstens eine Schicht aus Aluminium und eine Schicht aus einem Überzugsmaterial auf der Außenfläche der Aluminiumschicht. Zur Bereitstellung einer mecha­ nisch festen Verbindung von Graphitschicht und der wenigstens einen Aluminiumschicht hat die Aluminiumschicht eine Vielzahl von Nasen, die sich in die Graphitschicht erstrecken. Diese Nasen greifen in die Graphitschicht ein und verankern sich dort. Die Verankerungsverbindung kann durch Verpressen erreicht werden. Das Überzugsmaterial auf jener Oberfläche der Aluminiumschicht, welche von der Graphitschicht abgewandt liegt, wird vorzugsweise von einem flexiblen, formbaren Material, wie Dichtungsharz, Silikon oder dergleichen, gebildet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von bevorzugten Aus­ führungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht einer Verbunddichtung aus Aluminium und Graphit,

Fig. 2 eine Schichtansicht durch eine Aluminiumschicht mit Öffnungen und einwärts gerichteten Nasen bzw. Vor­ sprüngen,

Fig. 3 eine Schichtansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 1 zur Verdeutlichung einer ersten Ausführungsform einer Dichtung mit einer Graphitschicht und zwei Aluminium­ schichten, die mechanisch mit der Graphitschicht verbunden sind, und

Fig. 4 eine Schichtansicht einer zweiten bevorzugten Aus­ führungsform einer Verbunddichtung mit einer Graphit­ schicht und einer einzigen Aluminiumschicht, die mechanisch mit der Graphitschicht verbunden ist.

Fig. 1 zeigt eine Verbunddichtung aus Aluminium und Graphit, die allgemein mit 10 bezeichnet ist. Die Dichtung 10 stellt nur eine Ausführungsform einer Dichtung dar, z. B. zum Einbau zwischen einem Einspritzpumpengehause und dem Einlaß eines Motors. Die Form der Dichtung ist somit nur ein Beispiel und dient nur zur Erlauterung, d. h. praktisch kann jede andere Dichtungsform für besondere Anwendungs­ fälle, z. B. für den Zylinderkopf oder dgl., verwendet werden, wobei diese Dichtungen z. B. aus Blechmaterial ausgestanzt werden können.

Die Dichtung 10 hat kleinere Öffnungen 12 zur Aufnahme von Halte­ elementen, wie z. B. Schrauben oder dgl. und größere Öffnungen, wie z. B. die Öffnung 14, durch welche Fluide hindurchströmen können oder die eine Öffnung für einen Kolben oder ein anderes Maschinenteil bilden.

Die Fig. 2 und 3 zeigen in einer ersten Ausführungsform die Dichtung 10 mit einer zentral angeordneten Schicht aus expandiertem Graphit 18. Die Dicke der Graphitschicht 18 liegt zweckmäßigerweise im Bereich von etwa 0,9-1,3 mm, obwohl die Graphitschicht 18 der Dichtung 10 auch eine größere oder kleinere Dicke haben kann. Die Graphitschicht 18 wird zunächst hergestellt in Form einer flexiblen Folie oder Schicht durch Walzen, Pressen oder durch beide Methoden.

Die Dichtung 10 ist mit wenigstens einer Aluminiumschicht 20 versehen, die mechanisch mit der Graphitschicht 18 verbunden ist. Die auf diese Weise gebildete Verbunddichtung hat eine gute mechanische Festigkeit, Flexibilität, Dichtfähigkelt und sie eignet sich zum Stanzen, Schneiden und Lochen in komplexen Formen. Die Aluminiumschicht 20 hat zweckmäßiger­ weise eine Dicke von 0,15 mm und sie liegt insbesondere in einem Be­ reich von 0,07-0,23 mm.

Wie Fig. 2 zeigt, ist die Aluminiumschicht 20 gelocht unter Bildung eines versetzten Gitters aus Öffnungen 22, deren Mitten um etwa 2,5-5,0 mm versetzt sind. Zweckmäßigerweise haben die Löcher die allgemeine Form eines H, wobei die gegenüberliegenden Zungen, die beim Lochen entstehen, zu Nasen oder Ansätzen 24 geformt werden, die sich z. B. senkrecht zur Ebene der Aluminiumschicht 20 erstrecken. Die Richtung der Nasen 24 relativ zur Ebene der Aluminiumschicht 20 ist nicht kritisch, sie muß jedoch derart sein, daß die Nasen 24 in die Graphitschicht 18 eintreten oder eindringen und eine mechanische Ver­ ankerung und Halterung der Graphitschicht 18 an der Aluminiumschicht bewirken.

Fig. 3 zeigt eine Verbunddichtung 10 mit einem Paar Aluminiumschichten 20, die mechanisch mit der mittleren Graphitschicht 18 verbunden sind. Eine solche mechanische Verankerung und Befestigung wird erreicht, indem die Aluminiumschichten 20 auf die Graphitschicht 18 aufgelegt werden, wobei die Nasen 24 der Aluminium­ schichten auf die Graphitschicht 18 zu gerichtet sind und in diese eindringen. Die Schichten 18 und 20 werden dann zusammengepreßt, indem sie durch Walzen hindurchgeführt werden, oder indem ein Druck auf die übereinanderliegenden Schichten 18 und 20 durch andere geeignete Mittel, wie Pressen oder dgl. ausgeübt wird. Die Schichten 18 und 20 werden ausreichend verpreßt, so daß die Nasen 24 in die Graphitschicht 18 eindringen, in diese eingreifen und in eine im wesentlichen schräge Richtung gebogen werden, wie in Fig. 3 dargestellt ist, so daß die Aluminiumschichten 20 und insbesondere deren Nasen 24 die in der Mitte angeordnete expandierte Graphitschicht 18 mechanisch erfassen und fest verankern, wodurch eine einteilige Verbundstruktur gebildet wird.

Die Außenfläche der Aluminiumschichten 20 wird zweckmäßigerweise gleichförmig mit einem relativ weichen, formbaren Überzug 26 aus einem Dichtungsmaterial versehen, z. B. einem Herz oder Silicon mit einer Dicke von etwa 0,005-0,02 mm. Die Schicht 26 aus Überzugsmaterial bildet eine hochformbare Überzugs­ schicht und gewährleistet eine sichere und leckagefreie Abdichtung zwischen den mechanischen Elementen, zwischen welchen die Dichtung 10 angeordnet ist.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Dichtung 30, wobei eine Graphitschicht 18 mechanisch mit einer einzigen Aluminium­ schicht 20 verbunden ist, die ebenso Öffnungen 22 und Nasen 24 hat. Der einzige, aber wichtige Unterschied ist, daß bei der Dich­ tung nach Fig. 4 nur eine Aluminiumschicht 20 vorgesehen ist. Die Dichtung 30 wird in derselben Weise zusammengebaut und her­ gestellt, d. h. die Aluminiumschicht 20 wird mit Löchern 22 und Nasen 24 versehen, auf die Graphitschicht 18 aufgelegt, worauf die beiden Teile durch Walzen oder andere geeignete Preßeinrichtungen zusammengepreßt werden, um die Nasen 24 in die Graphitschicht 18 einzudrücken und dadurch die Nasen 24 so zu verformen, daß sie mechanisch sich in der Graphitschicht 18 verankern und die letztere fest mit der Aluminiumschicht 20 verbinden. Eine Schicht 26 aus relativ weichem formbarem Überzugsmaterial wird dann auf die freie Oberfläche der Aluminiumschicht 20 aufgebracht. Diese Schicht 26 aus Dichtungsmaterial entspricht im übrigen hinsichtlich Dicke und Wirkungsweise in jeder Hinsicht der Schicht 26 der Aus­ führungsform 10 nach Fig. 3.

Die Verbunddichtung aus einer expandierten Graphitschicht und Aluminiumdeckschichten bietet einige Vorteile hinsichtlich Her­ stellung, Installation und Betriebsverhalten. Die verwendeten Materialien für die Aluminiumschichten und die Graphitschicht sind konventionell und jederzeit verfügbar. Sie sind als ebene Dichtungen leicht zu handhaben, können leicht zusammengebaut und in ihre endgültige Form verpreßt werden.

Durch die Ausbildung der Nasen 24 an den Aluminiumschichten 20 wird das Aluminium kalt bearbeitet und dadurch die Festigkeit ver­ bessert. Die mechanische Verankerung der Nasen in der Graphitschicht vermeidet die Verwendung von Klebstoffen, wie dies bisher notwendig wer, um die Dichtungskomponenten miteinander zu verbinden. Hierdurch werden auch die Probleme eliminiert, die bei diesen Klebschichten infolge der hohen Temperaturen auftraten. Die mechanische Verankerung zwischen Graphitschicht 18 und Aluminiumschicht 20 gibt der Dichtung eine größere Steifigkeit. Die Vermeidung von Klebschichten verbessert ferner den Wärmetransport oder die Wärmeübertragung durch die Dichtung hindurch. Die Aluminiumschichten geben der Verbunddichtung eine höhere Stabilität, so daß sie leichter, z. B. mittels Stanzen, Lochen und Schneiden bearbeitet werden kann. Die dünne Überzugsschicht 26 aus einem Harz oder Silicon-Material bildet eine hochformbare Oberfläche, die eine sehr gute Abdichtung und auch Aufrechterhaltung der Dicht­ wirkung, auch bei niedrigen Druck-Niveaus ermöglicht.

Claims (15)

1. Verbunddichtung, insbesondere zum Abdichten aneinander­ grenzender Teile von Motoren, gekennzeichnet durch eine Schicht (18) aus expandiertem Graphitmaterial, wenigstens eine Schicht (20) aus Aluminium, die eine Vielzahl von Nasen (24) hat, die sich in die Graphitschicht (18) zur mechanisch festen Verbindung beider Schichten (18, 20) erstrecken, und eine Schicht (26) aus einem Überzugsmaterial auf der Außenfläche der Aluminiumschicht (20).

2. Verbunddichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumschicht (20) eine Dicke von etwa 0,07-0,23 mm hat.

3. Verbunddichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Aluminiumschicht (20) etwa 0,15 mm beträgt.

4. Verbunddichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (26) aus Überzugs­ material eine Harzschicht ist mit einer Dicke zwischen etwa 0,005 und 0,02 mm.

5. Verbunddichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (26) aus Überzugsmaterial eine Siliconschicht mit einer Dicke von etwa 0,005-0,02 mm ist.

6. Verbunddichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zweite Schicht (20) aus Aluminium aufweist, die eine Vielzahl von Nasen (24) hat, die sich in die Graphitschicht (18) zur festen Verbindung beider Aluminumschichten (20) mit der Graphitschicht (18) erstrecken.

7. Verbunddichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Aluminiumschichten (20) eine Dicke von etwa 0,07-0,23 mm haben, und daß die Überzugsschicht (26) eine Dicke von etwa 0,005-0,02 mm hat.

8. Verbunddichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumschicht (20) eine Vielzahl von Öffnungen (22) hat und die Nasen (24) sich von den Enden der Öffnungen (22) aus erstrecken.

9. Verbunddichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Aluminiumschicht (20) eine Vielzahl von Öff­ nungen (22) hat und die Vielzahl von Nasen (24) sich von den Rändern der Öffnungen (22) aus erstrecken.

10. Verbunddichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nasen (24) in einem Winkel zur Ebene der Dichtung verlaufen.

11. Verbunddichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Öffnung (22) ein Paar solcher Nasen (24) aufweist, die von den Rändern der Öffnung (22) ausge­ hen.

12. Verfahren zur Herstellung einer Verbunddichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Schicht aus Aluminium mit Löchern versehen wird, die wenigstens einen von ihrem Rand ausgehenden Ansatz haben, daß ferner eine Schicht aus expandiertem Graphitmate­ rial verwendet und die Aluminiumschicht auf der Graphit­ schicht angeordnet wird, wobei die Ansätze an die Graphit­ schicht angrenzen, daß die Aluminiumschicht und die Graphit­ schicht zusammengepreßt werden, um sie mechanisch mitein­ ander zu verbinden, und daß die freie Oberfläche der Aluminiumschicht mit einem elastischen Überzugsmaterial beschichtet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Aluminiumschicht vorgesehen und mit Löchern versehen wird, die wenigstens einen Ansatz haben, der von einem Rand der Löcher ausgeht, daß die Aluminiumschichten auf gegen­ überliegenden Flächen der Graphitschicht angeordnet werden, wobei die Ansätze auf die Graphitschicht zu gerichtet sind, und daß die Schichten verpreßt werden, um sie mechanisch fest miteinander zu verbinden.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze zunächst im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Aluminiumschicht ausgebildet werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenpressen der Schichten ausgeführt wird, indem die Schichten durch Walzen hindurch­ geführt werden.