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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Metalldichtung nach
dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.
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Insbesondere ist die Erfindung gerichtet auf eine
Metalldichtung zur Herstellung gasdichter Verbindungen wie
beispielsweise zwischen dem Zylinderkopf einer
Verbrennungskraftmaschine und dem Zylinderblock bzw. zwischen den
Passflächen von Rohrleitungsflanschen.
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Eine Metalldichtung der vorbeschriebenen Art ist Gegenstand
der GB-A 1 268 633.
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Asbest-, Metall- sowie durch Laminierung von Asbest und
Metall hergestellte Dichtungen sind bisher bekannt als
Motorzylinderkopfdichtungen sowie Gasdichtungen für Turbolader.
Insbesondere bei Dichtungen für die Zylinderköpfe von
Verbrennungsmotoren ist es erforderlich, die. Dichtwirkung im
Hinblick auf immer weitergehende Forderungen nach einer
Verringerung der Daugrässe und des Gewichts der Motoren zu
verbessern. Zur Erfüllung solcher betrieblicher Anforderungen
werden in jüngerer Zeit Metalldichtungen eingesetzt.
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Die vorgenannte GB-A 1 268 633 beschreibt eine aus einer
elastischen Metallplatte hergestellte und mit einer Öffnung
versehene Dichtung. Eine Anzahl von Metallringen sind an den
beiden Oberflächen der Platte angeordnet und umgeben die
Öffnung in relativ zueinander zurückgesetzter Anordnung.
Damit wird die Metallplatte durch den Druck der zu
verbindenden Bauelemente verformt.
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In dem Japanischen Gebrauchsmuster JP-U 60-18247 wird eine
aus Stahlblech hergestellte Metalldichtung beschrieben, bei
welcher in Form von Vertiefungen und Erhebungen ringförmige
Nuten auf beiden Oberflächen vorgesehen und diese
ringförmigen Nuten mit einem Dichtungsmaterial beschichtet sind, das
im wesentlichen aus Silikonharz besteht.
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Bei dieser Dichtung ist zur Ausbildung der Nuten eine
Biegebearbeitung erforderlich. Es handelt sich hierbei um ein
Wasserdichtelement für wasserdichte Verbindungen, das nicht
zum Abdichten von einer hohen Flammenhitze ausgesetzten
Zylinderbohrungen gedacht ist. Nach dem vorgenannten Stand
der Technik werden beim Festklemnen der Zylinder und des
Zylinderkopfes eines Verbrennungsmotors mit
dazwischenliegender Dichtung beispielsweise mit Hilfe von Bolzen die
Dichtung ungleichmässig zusammengepresst mit den Ergebnis,
dass je nach Einbaulage der Dichtung unterschiedliche
Dichtwirkungen erreicht werden.
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Allgemein geht bei Dichtungen die Tendenz dahin, dass die
verschraubten Bereiche und ihre Umgebung stark angezogen
sind, die Klemmkraft aber umso geringer wird, je weiter die
festzuziehenden Stellen von diesen entfernt liegen, was
bedingt ist durch die Verformung der Zylinder und des
Zylinderkopfes. Da die Zylinder und Zylinderköpfe infolge der in
den letzten Jahren immer kleiner und leichter werdenden
Motoren in immer geringeren Wanddicken ausgeführt werden, ist
eine ungleichmässige Verformung unvermeidbar.
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Die erfindungsgemässe Dichtung ist im Hinblick auf diesen
technischen Hintergrund entwickelt worden, wobei für die
Erfindung die folgende Aufgabenstellungen gegeben sind:
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung
einer Metalldichtung von äusserst einfacher Konstruktion und
dennoch hoher Dichtwirkung.
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Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer
Metalldichtung, die zum Abdichten mit gleichförmigem
Oberflächendruck geeignet ist.
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Ausserdem liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in
der Schaffung einer Metalldichtung, bei welcher das
Auftreten von Spannungskonzentrationen ausgeschlossen ist.
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Weiterhin ist die Erfindung gerichtet auf die Schaffung
einer Metalldichtung, die ein unter Innendruck stehendes Gas
mit geringem Oberflächendruck abzudichten vermag.
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Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung
einer Metalldichtung mit hervorragender Hitzefestigkeit.
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Schliesslich bezweckt die Erfindung noch die Schaffung einer
Metalldichtung, die so aufgebaut ist, dass die Haftfähigkeit
eines Materials zur Erzeugung von Oberflächendruck mit der
Oberfläche der Dichtungsbasis verbessert wird.
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Diese Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden gelöst
durch die erfindungsgemässe Dichtung mit den Merkmalen
gemäss den Ansprüchen 1 und 2.
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Es bedeuten:
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Figur 1 eine generelle Ansicht einer Metalldichtung gemäss
Ausführungsform 1-1 der vorliegenden Erfindung;
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Figur 2 eine Schnittansicht auf Linie II-II in Figur 1;
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Figur 3(a), 3(b) und 3(c) Schnittansichten, aus denen die
einzelnen Phasen der Verformung einer Metalldichtung während
des Klemmvorgangs hervorgehen;
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Figur 4 eine Schnittansicht der Ausführungsform 1-2 mit
eingebauter Flammensperre;
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Figur 5 eine Schnlttansicht der Ausführungsform 1-3
ebenfalls mit vorgesehener Flammensperre;
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Figur 6 eine Schnittansicht der Ausführungsform 1-4 mit
Flammensperre;
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Figur 7 eine Draufsicht auf die Ausführungsform 1-5 mit
unterschiedlichen Abständen zwischen den Dichtmaterialien;
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Figur 8 eine Schnittansicht der Ausführungsform 1-6, die ein
weiteres Anwendungsbeispiel zeigt;
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Figur 9 eine Schnittansicht der Ausführungsform 2-1, in
welcher die Basis aufgerauhte Oberflächen aufweist;
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Figur 10 eine Schnittansicht der Ausführungsforn 2-2, in der
die Basis mit aufgerauhten Oberflächen versehen ist;
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Figur 11 eine Schnittansicht der Ausführungsform 2-3 mit
aufgerauhten Basisoberflächen;
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Figur 12 eine Schnittansicht der Ausführungsform 2-4, in
welcher die Basis aufgerauhte Oberflächen aufweist;
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Figur 13 eine Schnittansicht der Ausführungsform 2-5, deren
Basis mit Aufrauhungen an den Oberflächen versehen ist;
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Figur 14 eine Schnittansicht der Ausführungsform 2-6 mit
einer Basis, deren Oberflächen aufgerauht sind;
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Figur 15(a) eine Draufsicht, aus welcher der generelle
Aufbau der Ausführungsform 3-1 einer weiteren Metalldichtung
gemäss der vorliegenden Erfindung ersichtlich ist;
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Figur 15(b) eine Schnittansicht auf Linie b-b in Figur 15a;
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Figur 16 eine Schnittansicht, welche die Verformung der
Metalldichtung gemäss Ausführungsform 3-1 in praktischen
Einsatz aufzeigt;
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Figur 17 eine Draufsicht auf die Ausführungsform 3-2, bei
welcher die Metalldichtung mit Schlitzen versehen ist;
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Figur 18 eine Schnittansicht der Ausführungsforn 3-3, bei
welcher die Metalldichtung mit einer Isolierabdeckung
versehen ist;
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Figur 19 eine Schnittansicht der Ausführungsform 3-4, bei
welcher die Metalldichtung eine darüberliegende
Isolierabdeckung aufweist;
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Figur 20 eine Schnittansicht der Ausführungsform 3-5, bei
welcher eine ringförmige Flammensperre vorgesehen ist;
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Figur 21 eine Schnittansicht der Ausführungsform 3-6, bei
welcher die Materialien zur Erzeugung von Oberflächendruck
eine andere Querschnittsform aufweisen;
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Figur 22 eine Schnittansicht der Ausführungsform 3-7, bei
welcher die Abstände zwischen den Oberflächendruck
erzeugenden Materialien unterschiedlich sind; und
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Figur 22 eine Schnittansicht der Ausführungsform 3-8 mit
Hilfsplatten.
Einzelbeschreibung der Ausführungsformen 1-1 bis 1-6
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Es folgt eine Beschreibung der vorteilhaftesten
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die
Zeichnungen. Die Metalldichtung 1 gemäss Figur 1 stellt die
Ausführungsform 1-1 der vorliegenden Erfindung dar, nämlich
eine Metalldichtung 1 für einen Kraftfahrzeugmotor, die
zwischen den Zylinderkopf und die Zylinder des Fahrzeugs
eingelegt wird. In dieser Ausführungsform weist die
Metalldichtung 1 vier Zylinderöffnungen 2 sowie eine Anzahl von
Bolzenlöchern 3, Wasseröffnungen 4 und Ölöffnungen 5 auf. Der
Durchmesser der Zylinderöffnungen 2 entspricht im
wesentlichen
dem der Brennkammern des Motors, wobei die
Zylinderöffnungen im Bereich der jeweiligen Brennkammern angeordnet
sind. Die Bolzenlöcher 3 dienen der Aufnahme von Bolzen zur
Befestigung der Zylinder am Zylinderkopf.
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Die Wasseröffnungen 4 dienen der Zuführung von Kühlwasser
zum Kühlen des Motors und die Ölöffnungen 5 zur Versorgung
mit Schmieröl. Bei der Basis 10 handelt es sich um eine
elastische Metallplatte. Aus einer Vielzahl bekannter
verschiedenartiger Materialien kann zur Herstellung dieser
Metallplatte jedes hitzefeste und federnde Material herangezogen
werden wie beispielsweise wärmefestes Legiermaterial,
Stahlblech (SS), Verbundmetall (SK), nichtrostender Stahl (SUS)
usw. Hergestellt wird die Basis 10 im Wege eines bekannten
Bearbeitungsverfahrens wie Stanzen, Laserschneiden usw.
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Figur 2 ist eine Schnittansicht auf Linie II-II in Figur 1.
Ein Dichtmaterial A ist mit dem Durchmesser D&sub1; sowie in
Querschnitt gesehen halbkreisförmig oder rechteckig am äusseren
Rand der Zylinderöffnung 2 in der Dichtung 1 angebracht.
Dieses Dichtmaterial A besteht aus einem für diesen Zweck
bekannten Material wie beispielsweise Silikongummi,
Fluorkautschuk oder Harz. Weiterhin ist ein Dichtmaterial B im
Durchmesser D&sub2; auf der der Oberfläche mit dem Dichtmaterial
A entgegengesetzten Seite konzentrisch mit dem Material A
und dessen inneren Rand angeordnet. Lagemässig sind die
Dichtmaterialien A und B um den Betrag λ in radialer
Richtung gegeneinander versetzt.
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Die in dieser Ausführungsform eingesetzten Dichtmaterialien
A und B besitzen Dichteigenschaften, die jedoch nicht
unbedingt erforderlich sind. Benutzt werden kann jedes Material,
das geeignet ist, wie an anderer Stelle beschrieben die
Basis 10 zu verformen und damit einen Oberflächendruck zu
erzeugen.
Weist das Material zur Erzeugung von
Oberflächendurck jedoch wie in dieser Ausführungsform sowohl elastische
als auch abdichtende Eigenschaften auf, so besteht
darüberhinaus die weitere Möglichkeit, die Dichtwirkung und die
Verformung der Basis 10 unter niedrigem Oberflächendruck zu
erzielen. Man beachte, dass die Dichtwirkung auf derjenigen
Seite des Dichtungskörpers beigestellt wird, die der mit
Oberflächendruck erzeugendem Material versehenen Oberfläche
gegenüberliegt. Aus diesem Grund ist der Begriff
"Dichtmaterial" gleichzusetzen mit dem Begriff "Material zur Erzeugung
von Oberflächendruck".
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Die Beschichtungsdicke h eines jeden der Dichtmaterialien A
und B von der jeweiligen Oberfläche der Dichtung 1 aus kann
je nach der umfangsnässigen Lage derselben unterschiedlich
sein. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, dass beim
Klemmen von Zylinderkopf und Zylindern mittels Bolzen der Spalt
zwischen diesen wie an anderer Stelle erwähnt je nach
Umfangslage variiert: je näher bei den Bolzen, umso höher die
Klemmkraft und umso geringer der Spalt, bzw. je weiter von
den Bolzen entfernt, umso grösser der Spalt. Da die Höhe des
Drucks, mit dem der Zylinderkopf über die Bolzen festgezogen
wird, als Auslegungsdruck vorgegeben ist, lässt sich die
Spaltgrösse messen.
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Die Schichtdicke h der Dichtmaterialien A und B wird zwar
entsprechend dem Abstand von jedem Klemnbolzen eingestellt
und variiert, kann aber auch konstant sein in
Anwendungsfällen, bei denen eine solche Genauigkeit bzw. Strenge nicht
gefordert ist. Die Schnittansichten Figur 3(a), 3(b) und
3(c) stellen die einzelnen Phasen der Verformung der
Dichtung 1 beim Klemmen oder Festziehen von Zylinderkopf und
Zylindern über die Zylinderkopf-Klemmbolzen dar. Figur 3(a)
zeigt den Klemmzustand zu Beginn, Figur 3(b) in der Mitte
und Figur 3(c) am Ende des Klemmvorgangs. Die aus den
Kontaktpunkten
12 und 13 der Dichtmaterialien A und B
herrührenden Gegenkräfte P&sub1; und P&sub2; wirken schiebend auf die Basis
10 in Form einer ebenen Platte ein, die damit gegen die von
ihr ausgehende elastische Kraft zu einer teilgekrümmten
Platte verformt wird.
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Da die Basis 10 aus einer Metallplatte mit Federsteifigkeit
hergestellt ist, werden aus dem Inneren der Basis 10 heraus
Gegenkräfte erzeugt, die der Verformung entgegenwirken.
Diese Gegenkräfte führen zu einer Druck- und
Gegendruck-Situation zwischen der Basis 10 einerseits und dem Zylinderkopf
und den Zylindern andererseits in der Weise, dass diese
Komponenten gegeneinder drücken, so dass Zylinderkopf und
Zylinder eine hermetische Abdichtung erfahren. Da die Dicke
der Dichtmaterialien A und B auf der Grundlage des
Verhältnisses Gegenkraft zur Klemmkraft vorbestimmt ist, kann das
Klemmen mit gleichförmigen Oberflächendruck erfolgen.
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Figur 4 zeigt die Ausführungsform 1-2, bei der eine
Flammensperre 11 auf der Basis 10 an der näher bei der Brennkammer
2 liegenden Seite angeordnet ist, welche die Basis 10 gegen
Flammen aus der Brennkammer 2 schützen und abschirmen soll.
Diese Flammensperre 11 befindet sich nur in einem
Teilbereich einer Seite der Basis 10. Sie wird auf bekannten Wege
wie beispielsweise durch Plattieren, Spritzen, Schweissen
der Metallplatte, Sintern usw. aus einem Material mit
hervorragender Hochtemperaturfestigkeit hergestellt. Die Höhe
des Dichtmaterials B ist um den Betrag Δh grösser als die
der Flammensperre 11. Da die Flammensperre 11 beim Klemmen
der Basis 10 von beiden Seiten nicht verformt wird, wirkt
der der Höhe Δh entsprechende Bereich allein als Preßsitz.
Figur 5 zeigt die Ausführungsform 1-3, bei welcher die
Flanmensperre auf sowohl der vorderen als auch der rückwärtigen
Oberfläche der Dichtungsbasis 10 vorgesehen ist. Bei der
Ausführungsform 1-4 gemäss Figur 6 umfast die Basis 10 zwei
Platten sowie eine Flammensperre 11, die in Dickenrichtung
mittig zwischen diese eingeschoben ist.
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In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 1-1 bis
1-4 sind die Dichtmaterialien A und B auf die vordere und
rückwärte Oberfläche der Basis 10 am äusseren Rand der
Zylinderöffnung und konzentrisch hierzu aufgetragen. Die
zwischen den Zylindern und dem Zylinderkopf wirkende Klemmkraft
ist hoch um jeden Bolzen herum und nimmt mit zunehmender
Entfernung vom jedem der Bolzen ab. Der Grund hierfür ist
die Verformung der Zylinder und des Zylinderkopfes, wobei
der Grad der Verformung bei der Vorbestimmung der
Bolzenklemmkraft festgelegt wird.
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Figur 7 zeigt die Ausführungsform 1-5, bei welcher der
Abstand zwischen den Dichtmaterialien A und B in radialer
Richtung der Zylinderöffnung 2 entsprechend der jeweiligen
Anderung des Verformungsgrades variiert. In einer von einem
Bolzenloch 3 entfernten Position wird ein relativ kurzer
Abstand λ&sub1; und in einer näher beim Bolzenloch liegenden
Position ein relativ langer Abstand λ&sub2; eingestellt. Im Einzelnen
wird die Position des Dichtmaterials A so verändert, dass
die Bedingung λ&sub1; < λ&sub2; erfüllt wird. In dieser Ausführungsform
ist das Dichtmaterial B lagemässig so angeordnet, dass es
bezüglich der Zylinderöffnung 2 einen konzentrischen Kreis
bildet. Die Anordnung kann aber auch so gewählt werden, dass
das Dichtmaterial A mit der Zylinderöffnung 2 konzentrisch
ist und das näher bei der Zylinderöffnung 2 liegende
Dichtmaterial B im Abstand zwischen dieser und dem Dichtmaterial
A verändert wird. Lässt die Konstruktion keinen
Zwischenabstand zu, so ist die Dicke eines jeden der Dichtmaterialien
variierbar.
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Figur 8 zeigt die Ausführungsform 1-6, bei welcher die
Metalldichtung 1 zwischen Weichstahlplatten 15 an ihrer
Oberbzw. Unterseite eingepasst ist. Beim Einbau der
Weichstahlplatten 15 in den Motor mit der Dichtung 1 zusammen werden
diese weichen Platten elastisch verformt und in die von den
Bearbeittingsriefen im Zylinderkopf und in den Zylindern (von
den groben Schneid- und Schleifwerkzeugen) gebildeten Räume
verdrängt. Damit besteht selbst bei Wärmedehnungen und
Wärmekontraktionen der Zylinder und des Zylinderkopfes
keinerlei Gefahr, dass die Dichtmaterialien A und B durch Ablösen
oder Abschaben von den Riefen verformt werden.
Einzelbeschreibung der Ausführungsformen 2-1 bis 2-6
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Bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen werden die
Dichtmaterialien A und B direkt auf die Basis 10 der
Metalldichtung 1 aufgebracht. Es gibt jedoch auch Fälle, wo diese
Materialien A und B in Abhängigkeit von ihren jeweiligen
Eigenschaften nicht fest genug an der Basis 10 haften. Die
nachfolgend erläuterten Ausführungsformen sollen die
Haftfähigkeit verbessern.
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Figur 9 ist eine im grösseren Maßstab gezeichnete Ansicht
eines die Dichtmaterialien A und B einschliessenden
Bereiches, welche die Ausführungsform 2-1 mit Aufrauhungen 21 auf
den Oberflächen der Basis 10 der Metalldichtung 1 zeigt. Die
Aufrauhungen 21 sind Flächen mit stärkeren Unebenheiten als
die übrigen Oberflächenbereiche der Basis 10. Insbesondere
handelt es sich bei den Aufrauhungen 21 um
Oberflächenbereiche mit kleinsten geometrischen Abweichungen von einer
geometrisch idealen Oberfläche, die generell als Rauhigkeit
bekannt sind. Rauhigkeit wird definiert als
Unregelmässigkeiten, die auf einer Oberfläche in geringeren Abständen als
die Tiefe in einem Ausmass vorhanden sind, dass sie fühlbar
und mit blossem Auge erkennbar sind (in dieser
Ausführungsform ca. 5 bis 15 u).
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Die Aufrauhungen 21 sind im Wege eines bekannten
Bearbeitungsverfahrens wie Sandstrahlen, Kugel strahlen,
Elektroplattieren, Chemikalienätzung usw. herstellbar. Sie sind auf
diejenigen Bereiche beschränkt, in denen die
Dichtmaterialien A und B aufgebracht werden sollen. Damit wird die
Haftung zwischen den Dichtmaterialien A, B und der Basis 10
verstärkt.
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Figur 10 zeigt die Ausführungsform 2-2 mit durch Satinieren
hergestellten Aufrauhungen 21 auf den gesamten Oberflächen
der Basis 10. Da hier die Basis 10 nicht ausschliesslich in
Teilbereichen bearbeitet wird, ist die Ausbildung der
Aufrauhungen 21 einfacher als bei der zuletzt beschriebenen
Ausführungsform. Figur 11 stellt die Ausführungsform 2-3 dar
mit einem starren Material 30 und einem weichen Material 31
zur Oberflächendruckerzeugung, wobei das starre Material 30
beispielsweise durch Plattieren, Sprühen oder Sintern
aufgebracht wird und eine rechteckige Querschnittsform
aufweist. Dagegen ist das weiche Material 31 zur
Oberflächendruckerzeugung nichtmetallisch und aus Harz, Silikon, Gummi
usw. bestehend.
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Bedingt durch den Einsatz des starren Materials 30 zur
Oberflächendruckerzeugung ist bei dieser Ausführungsform dessen
Verformung selbst beim Klemmen des Zylinderkopfes und der
Zylinder gering, so dass also das starre Material 30 als
eine Art Anschlag wirkt und eine nur geringe Menge weichen
Materials 31 zur Erzeugung von Oberflächendruck erforderlich
ist. Selbst wenn die Basis 10 so dick ist, dass die
Verformung nicht so ohne weiteres bewerkstelligt werden kann,
ermöglicht das starre Material 30 zur
Oberflächendruckerzeugung dennoch eine Verformung der Basis 10. Da ausserdem das
Oberflächendruck erzeugende starre Material 30 in
Kombination mit dem weichen Material 31 zum Einsatz kommt, lassen
sich die Vorteile beider Materialien 30 und 31 nutzen. Figur
12 zeigt die Ausführungsform 2-4, bei der ein starres
Material 30 und ein weiches Material 31 zur
Oberflächendruckerzeugung kombiniert in der gleichen Weise wie bei der
vorbeschriebenen Abwandlung eingesetzt werden.
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In dieser Ausführungsform 2-4 ist das weiche Material 31 zur
Oberflächendruckerzeugung auf jeder Oberfläche der Basis 10
angeordnet dergestalt, dass das Material 31 auf der vorderen
und das auf der rückwärtigen Oberfläche die Basis 10
zwischen sich einschliessen. Gegenüber der vorbeschriebenen
Ausführungsform ist diese Ausführung überall da hochwirksam,
wo der abzudichtende Bereich schmal ist. Bei der
Ausführungsform 2-5 gemäss Figur 13 werden ein starres Material 30
und ein weiches Material 31 zur Erzeugung von
Oberflächendruck auf ähnliche Weise kombiniert so eingesetzt, dass die
Oberfläche des starren Materials 30 zur
Oberflächendruckerzeugung mit weichem Material 31 abgedeckt ist. Die
Aussenfläche des starren Materials 30 für die
Oberflächendruckerzeugung, die eine rechteckige Querschnittsform aufweist, ist
mit weichem Material 31 überdeckt. Figur 14 stellt die
Ausführungsform 2-6 dar, bei welcher eine starres Material 30
und ein weiches Material 31 zur Erzeugung von
Oberflächendruck auf ähnliche Weise kombiniert eingesetzt werden, und
zwar in solchen Fällen, wo der Dichtbereich noch schmaler
ist als mit Bezug auf die letzte Ausführungsform erläutert.
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Die Basis 10 der Ausführungsform 2-6 wurde leicht vorgebogen
und bildet wie dargestellt mit ihrem Überstand eine
Abstufung t. Diese Abstufung t ist jedoch nicht durch
weitgehendes Verformen der Basis 10 nach dem Stand der Technik
hergestellt
und soll auch nicht ausdrücklich zur Erzeugung von
Oberflächendruck herangezogen werden. Das starre Material 30
zur Oberflächendruckerzeugung wird in einer Dicke T
aufgebracht, die grösser ist als die Abstufung t, während das
weiche Material 31 an den Seiten des starren Materials 30
vorgesehen wird. Diese Anordnung soll verhindern, dass die
Dichtfläche eines Zylinders oder des Zylinderkopfes durch
die infolge Verformung beim Klemmen abgeschrägte Kante der
Basis 10 beschädigt wird. Die Basis 10 kann
selbstverständlich aber auch eben ausgeführt sein
Einzelbeschreibung der Ausführungsformen 3-1 bis 3-8
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Die in den Figuren 15(a) und 15(b) gezeigte Metalldichtung 1
stellt die Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zum
Einsatz in einem KFZ-Benzinmotor dar. Diese Dichtung 1 weist
auf zwei Zylinderöffnungen 2, Wasseröffnungen 3,
Bolzenlöcher 4, Ölöffnungen 5 usw. Jede Zylinderöffnung 2 entspricht
einem Brennraum des Motors. Die Bolzenlöcher 4 dienen der
Aufnahme von Schrauben zur Befestigung der Zylinder am
Zylinderkopf. Die Wasseröffnungen 3 sorgen für die Zufuhr von
Kühlwasser zur Kühlung des Motors.
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Die Ölöffnungen 5 dienen zur Schmierölversorgung. Figur
15(b) ist eine Schnittansicht auf Linie b-b in Figur 15(a).
Sowohl die vordere als auch die rückwärtige Oberfläche der
Basis 10 sind mit einer Grundierung 41 versehen, die eine
ausreichende Haftung von Dichtmaterial an der Basis 10
gewährleisten soll. Ein Dichtmaterial 42 mit hohem
Gasdichtungsvermögen wird gleichförmig auf die Grundierung 41 durch
Beschichten oder Laminieren aufgebracht. Vorzugsweise wird
die Grundierung 41 so gewählt, dass eine Haftung sowohl am
Material der Dichtbasis 10 wie auch dem Dichtmaterial 42
sichergestellt ist. Aus einer Vielzahl zur Verwendung als
Grundiermittel geeigneter Kunstharze wird das Material für
die Grundierung 41 unter besonderer Berücksichtigung des
Verhältnisses zwischen dem Dichtnaterial 42 und dem Material
der Basis 10 ausgewählt. In der Praxis ist jedoch die
Grundierung 41 nicht unbedingt erforderlich, weil sie lediglich
die Haftung des Dichtmaterials 42 an der Basis 10 verbessern
soll.
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Das Dichtmaterial 42 besteht im wesentlichen aus einem Harz
mit Dichteigenschaften sowie einer hervorragenden
Ölbeständigkeit und Hitzefestigkeit wie zum Beispiel (1)
Nitrilkautschuk (NBR), (2) Silikongummi, (3) Fluorkautschuk, (4)
Teflonharz und (5) Fluorharz bzw. einem Gemisch derselben.
Es unterscheidet sich in dieser Ausführungsform funktionell
von dem Dichtmaterial der vorhergehenden Ausführungsformen:
das Dichtmaterial 42 dient nicht zur Erzeugung von
Oberflächendruck, sondern in der Hauptsache zur Verbesserung der
Dichtwirkung. Materialien 43a, 43b, 43c und 43d zur
Oberflächendruckerzeugung sind auf dem Dichtmaterial 41 entlang den
äusseren Rändern der jeweiligen Öffnungen, d.h. der
Zylinderöffnungen 2, der Ölöffnungen 5, der Wasseröffnungen 3
usw., angeordnet.
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Das Material 43a zur Erzeugung von Oberflächendruck ist
konzentrisch entlang dem äusseren Rand einer jeden
Zylinderöffnung 2 vorgesehen. Das Material 43b zur
Oberflächendruckerzeugung befindet sich auf der rückwärtigen Oberfläche der
Basis 10, und zwar von der Mitte der entsprechenden
Zylinderöffnung 2 aus gesehen jeweils an der Aussenseite des
Materials 43a. Im Einzelnen sind die Mittelpositionen der
Materialien 43a zur Oberflächendruckerzeugung um den Abstand
λ&sub2; in radialer Richtung der Zylinderöffnung 2 von denen des
Materials 43b abgesetzt. Die Materialien 43c und 43d zur
Oberflächendruckerzeugung sind auf den vorderen bzw.
rückseitigen Oberflächen der Basis 10 entlang dem äusseren Rand
derselben in gleicher Weise wie vorbeschrieben angeordnet.
Der Abstand zwischen diesen Materialien beträgt λ&sub2; und das
Verhältnis zwischen den beiden Abständen λ&sub1; > λ&sub2;.
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Die Gründe hierfür sind wie folgt: Unter dem Gesichtspunkt
des Betriebs eines Verbrennungsmotors müssen die
Zylinderöffnungen 2 selbstverständlich gasdichter sein als die
anderen Öffnungen, so dass die Materialien 43a und 43b zur
Erzeugung von Oberflächendruck näher beieinander, d.h. im
Abstand λ&sub2;, angeordnet sind. Beim Klemmen eines Zylinders 46
und eines Zylinderkopfes 45 mit dazwischenliegender
Dichtung über die Klemmbolzen wird zunächst die Oberfläche eines
jeden weichen Materials zur Oberflächendruckerzeugung
verformt (siehe Figur 16).
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Wird von der Passfläche 48 des Zylinderkopfes 45 die
Oberseite des Materials 43a zur Oberflächendruckerzeugung mit
Druck beaufschlagt, so wirkt eine nach unten gerichtete
Kraft auf die Basis 10. Gleichzeitig erfolgt von der
Passfläche 47 des Zylinders 46 ausgehend eine
Druckbeaufschlagung in Richtung Oberflächendruck erzeugendes Material 43b,
wodurch Biegespannung auf die Basis 10 einwirkt. Da die
Materialien 43a und 43b zur Erzeugung von Oberflächendruck
eine hervorragende Elastizität besitzen, erfolgt keine
Konzentration der auf die Basis 10 aufgebrachten Last. Der
Biegewinkel der Basis 10 ist beim Abstand λ&sub2; relativ gross und
beim Abstand λ&sub1; relativ klein. Im Einzelnen hat in dem
Beispiel gemäss Figur 16 der Winkel Θ&sub2; als relativ gross und
der Winkel Θ&sub1; als relativ klein zu gelten.
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Die Tatsache, dass der Winkel gross ist, bedeutet auch, dass
die auf die Basis 10 wirkende Biegespannung hoch ist. Die
der Biegespannung entgegenwirkenden Gegenkräfte führen zu
einer Druck- und Gegendruck-Situation zwischen Zylinderkopf
45 und Zylinder 46, so dass diese beiden Bauteile in einen
innigen Kontakt miteinander gebracht werden. Damit wird die
Gasdichtwirkung verstärkt. Da weiter in dieser
Ausführungsform die Dichtmaterialien 42 im Schicht- oder
Laminierverfahren auf die vorderen und rückwärtigen Oberflächen der
Basis 10 aufgebracht sind, gelangen diese in engen Kontakt
mit der Passfläche 48 des Zylinderkopfes bzw. der Passfläche
47 des Zylinders 46, was in einer weiter verbesserten
Dichtwirkung resultiert.
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Figur 17 zeigt die Ausführungsform 3-2, die eine
Metalldichtung 50 mit Schlitzen oder Stanzöffnungen in der Nähe der
Bolzenlöcher zu Gegenstand hat. Ein Material 52a zur
Erzeugung von Oberflächendruck befindet sich entlang dem äusseren
Rand einer Zylinderöffnung 51. Auf die rückwärtige
Oberfläche der Metalldichtung 50 ist entlang dem äusseren Rand des
Materials 52a ein Material 52b zur Erzeugung von
Oberflächendruck vorgesehen. Zwei Schlitze 54 und zwei
Stanzöffnungen 53 sind in der gleichen Umfangsebene, d.h. am äusseren
Rand des Materials 52b, jeweils einander gegenüberliegend
vorgesehen. Weiterhin befindet sich ein gebohrtes Bolzenloch
55 am äusseren Rand eines jeden Schlitzes 54 und einer jeden
Stanzöffnung 53. In dieser Ausführungsform wird die durch
den Bolzenklemmdruck verursachte Verformung von den
Schlitzen 54 und den Stanzöffnungen 53 aufgenommen, so dass sie
nicht bis in die Nähe der Zylinderöffnung 51 gelangen kann.
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Figur 18 zeigt die Ausführungsform 3-3, bei welcher eine
Metalldichtung 60 mit einer aus Spiegeleisen (SP),
nichtrostendem Stahl (SUS), Kupfer (Cu) oder dergleichen
bestehenden Isolierabdeckung 62 versehen ist. Der der
Zylinderöffnung 61 zugewandte Bereich 61 ist dem hohe Temperatur
führenden Verbrennungsgas ausgesetzt. Die Isolierabdeckung 62
verhindert Beschädigungen der Basis 10, der Grundierungen 41
und der Dichtmaterialien 42 durch das Verbrennungsgas. Die
plattenförmige Isolierabdeckung 62 ist nicht fest mit dem
Dichtmaterial 42 verbunden, sondern lediglich auf die
Oberfläche desselben aufgelegt und wie durch die Bezugsziffer 64
bezeichnet um das der Zylinderbohrung 61 zugewandte Ende
U-förmig herumgezogen.
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Ein Material 63a zur Oberflächendruckerzeugung ist auf der
Oberfläche der Isolierabdeckung 62 und ein Material 63b auf
der Oberfläche des Dichtmaterials auf der dem Material 63a
gegenüberliegenden Seite angeordnet. Die Isolierabdeckung 62
wird beim Zusammenklemmen von Zylinder und Zylinderkopf
verformt und damit fixiert.
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Figur 19 zeigt die Ausführungsform 3-4, die in gleicher
Weise wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit
einer Isolierabdeckung 72 in einer der Zylinderöffnung 71
zugewandten Position, und zwar nur dort, versehen ist. Bei
der Isolierabdeckung 72 handelt es sich um ein ringförmiges
Element mit U-förmigem Querschnitt. Materialien 73a und 73b
zur Oberflächendruckerzeugung befinden sich auf den
jeweiligen Oberflächen der Dichtmaterialien im entsprechenden
Abstand voneinander wie vorbeschrieben. Die Höhe t&sub2; eines
jeden dieser Materialien 73a und 73b ist grösser als die
Plattendicke t&sub1; der Isolierabdeckung 72, d.h. t&sub2; > t&sub1;. Bei
dieser Höhendifferenz handelt es sich um diejenige Länge, über
die hinweg die Basis 10 durch das Biegen verformt werden
soll.
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Bei zwischen Zylinder und Zylinderkopf eingespannter
Metalldichtung 70 wirkt die Plattendickte in dem die
Isolierabdeckung 72 aufnehmenden Bereich als eine Art Anschlag, die
ein Anstauchen der Dichtung 70 über deren Dicke hinaus
verhindert. Andererseits werden die in der Nähe der Klemmbolzen
liegenden Bereiche durch starken Oberflächendruck bis auf
die gesamte Dicke der Basis 10 einschliesslich Grundierungen
41 und Dichtmaterialien 42 verformt. Die zwischen Anschlag
und Bolzen befindlichen Materialien 73a und 73b zur
Oberflächendruckerzeugung werden in dem Spalt zwischen den
Klemmflächen verformt, wobei diese verformten Materialien
die Basis 10 biegen. Durch Anordnung der Isolierabdeckung 72
auf der Basis wird weiterhin die Haltbarkeit der
Metalldichtung 10 verbessert.
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Figur 20 zeigt die Ausführungsform 3-5, bei welcher eine
ringförmige Flammensperre 82 in gleicher Weise wie
vorbeschrieben in eine Metalldichtung 80 integriert ist. Dieser
Flammenring 82 ist aus einem ähnlichen Metall wie die
Isolierabdeckung hergestellt und dient im wesentlichen auch dem
gleichen Zweck. Er befindet sich auf der einer
Zylinderöffnung 81 zugewandten Seite der Metalldichtung 80. Materialien
83a und 83b zur Oberflächendruckerzeugung sind wie
vorbeschrieben vorgesehen. Der Flammenrlng 82 dient ausserdem als
Anschlag. Seine Plattendicke t&sub0; ist kleiner als die
Gesamthöhe t&sub3; der Basis 10 mit den Grundierungen 41, den
Dichtmaterialien 42 und den Materialien 83a und 83b zur Erzeugung
von Oberflächendruck. Die Höhendiffererenz auf einer Seite
beträgt t&sub4; > t&sub1;.
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Figur 21 ist eine Schnittansicht einer Metalldichtung 90 der
Ausführungsform 3-6, in welcher der Querschnitt der
Materialien 91a und 91b zur Erzeugung von Oberflächendruck nicht
rund, sondern dreieckig ist. Die auf die Basis 10 wirkende
Biegespannung wird stärker konzentriert als bei
Oberflächendruck erzeugenden Materialien von gerundeter
Querschnittsform.
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Figur 22 zeigt eine Metalldichtung 100 der Ausführungsform
3-7, bei der eine Anzahl von Materialien 101a, 101b, 101c,
101d und 101e zur Erzeugung von Oberflächendruck
hintereinander
in der genannten Reihenfolge in Richtung auf den
äusseren Rand der Dichtung angeordnet sind. Diese
Ausführungsform findet beispielsweise in solchen Fällen Anwendung, wo
Hochdruckgas über Flanschen relativ grossen Durchmessers
abzudichten ist. Es wird vorausgesetzt, dass der radiale
Abstand zwischen den Materialien 101a und 101b vom Mittelpunkt
der Öffnung 102 aus gesehen gleich λ1 und zwischen den
Materialien 101c und 101d gleich λ2 sind sowie die radialen
Abstände zwischen den Materialien 101c und 101d sowie 101d und
101e zur Oberflächendruckerzeugung λ3 bzw. λ4 betragen. Das
Verhältnis zwischen diesen Abständen wird vorzugsweise auf
λ1 < λ2 < λ3 < λ4 gesetzt. Je näher am äusseren Rand der
Flansche, umso grösser der Abstand zwischen jedem Paar
benachbarter Materialien zur Oberflächendruckerzeugung. Das
Prinzip der Oberflächendruckverteilting ist wie
vorbeschrieben. Diese Ausführungsform ist bestens geeignet in solchen
Fällen, wo Bolzen am äusseren Rand des Oberflächendruck
erzeugenden Materials 101e angeordnet sind.
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Figur 23 zeigt eine Metalldichtung 110 in ihrer
Ausführungsform 3-8. Eine Hilfsplatte 15 ähnlich der in Ausführungsform
1-6 eingesetzten ist auf einer der oder beiden Oberflächen
der dazwischenliegenden Materialien 111a und 111b zur
Erzeugung von Oberflächendruck vorgesehen. Diese Ausführungsform
kann beispielsweise zur Abdichtung von Flanschen mit
grosser Hitzeverformung und grosser Länge eingesetzt werden. So
wird zum Beispiel in Fällen, wo ein Abschaben von
Oberflächendruck erzeugendem Material durch die grob bearbeiteten
Flanschen bei Bewegungen derselben beispielsweise infolge
Wärmedehnung befürchtet wird, eine Hilfsplatte 15 auf der
Seite, die näher bei dem sich stärker bewegenden Flansch
liegt, oder auf jeder Seite angeordnet, wodurch ein
Abschaben der Oberflächendruck erzeugenden Materialien 111a und
111b verhindert wird.
Industrielle Anwendbarkeit
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Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf
Zylinderdichtungen für Motoren anwendbar, sondern beispielsweise auch auf
die Passflächen von Flanschen und Zylinderköpfen bei
Luftverdichtern, desweiteren zum Abdichten nicht nur gasförmi-,
ger, sondern auch flüssiger Medien.