專利名稱：用于在內(nèi)燃機中密封法蘭表面的密封元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在內(nèi)燃機中密封法蘭表面的密封元件，該密封元件由至少一 個環(huán)形的金屬型材體組成。
背景技術：
已知在由多個層組成的金屬的汽缸頭密封件中，以合適的接合方法(例如咬合連 接、焊接、鉚接)將不同構造的層相互連接。所述層能夠具有聚合物密封件形式的翻邊或者 其它密封元件，從而能夠密封流體或者氣體。這種密封元件必須一方面具有足夠的彈性性能，從而能夠補償密封面的靜態(tài)的不 平度以及動態(tài)的密封縫隙波動(在用作汽缸頭密封件時)。另一方面，該密封件必須是足夠 硬的，從而不會聽任不足的張緊力引起密封元件的斷裂的發(fā)生。同樣已知使用成型的金屬環(huán)，以便在內(nèi)燃機的燃燒室邊緣上產(chǎn)生足夠的預應力。 在此使用的原理是，金屬的環(huán)如此進行塑性變形，從而封閉密封縫隙。然而運行這種密封件 的重要的前提條件是不會出現(xiàn)密封縫隙運動，因為塑性變形的金屬環(huán)幾乎不再提供能夠用 于補償密封縫隙波動的彈性特性。從GB 979，408中獲知了汽缸套的密封件，該密封件由環(huán)形的金屬的型材體形成， 該型材體在其徑向的壁厚上看具有均勻的高度以及基本上對稱的橫截面輪廓。在汽缸頭和 發(fā)動機缸體之間布置了汽缸頭密封件，該汽缸頭密封件具有徑向的自由空間用于容納所述 型材體。由密封元件的向外拱起的超過汽缸頭密封件的軸向結構高度的輪廓，所述型材體 在由發(fā)動機缸體和汽缸頭夾緊時在容納其的凹槽中如此彈性地變形，從而在型材體的最大 的變形壓力下除了其側向的容納區(qū)域之外還具有與進行容納的凹槽的槽底之間確定的間 距。所述型材體由不銹鋼制成并且具有從各個徑向的端部邊界到配屬的軸向的側面的至少 在槽底側尖棱的過渡區(qū)域。在此，該尖棱的過渡區(qū)域確保了兩條密封線的區(qū)域內(nèi)足夠高的 表面壓力。通過DE 12 53 950公開了一種用于在內(nèi)燃機中密封汽缸蓋的密封環(huán)，該密封環(huán) 由至少一層金屬板組成，其中，該層在橫截面內(nèi)構造成圓段狀并且內(nèi)棱以及外棱布置在一 個平面內(nèi)。在此，所述密封環(huán)的軸向高度在其整個徑向壁厚上看也構造成相同的。此外，在 現(xiàn)有技術中提出，所述密封環(huán)由兩個相互對稱布置的密封環(huán)組成，所述兩個密封環(huán)沿著中 間的直徑接觸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務是提供一種用于在內(nèi)燃機中密封法蘭表面的新式的密封元件，該密 封元件一方面具有足夠的彈性性能，從而補償相應的密封表面的靜態(tài)的不平度以及需要時 補償動態(tài)的密封縫隙波動。此外，該密封元件必須是足夠硬的，從而不會聽任不足的張緊力 引起密封元件的斷裂的發(fā)生。該任務通過以下方法得到解決，即型材體由線材組成并且具有至少一個核心區(qū)域以及至少一個彎曲區(qū)域，其中，線材的材料厚度在核心區(qū)域中比在各彎曲區(qū)域中大。本發(fā)明主題的有利的改進方案可以由從屬權利要求中獲得。本發(fā)明主題基于彎曲橫梁的技術上的實施方式。通過施加力或者說在兩塊板之間 (例如在發(fā)動機缸體和汽缸頭之間)夾緊這樣的幾何構造，從彎曲橫梁的上面、大致在中間 進行加載并且力通過兩個支撐點支撐在下側的外側上。由此，一方面能夠精確地確定支撐 點并且另一方面能夠調(diào)節(jié)支撐點之間的力分布。此外，所述彎曲橫梁的厚度與系統(tǒng)的剛性 以及配屬于系統(tǒng)的彈性有關系(材料選擇)。在以所述原則為基礎的情況下，按本發(fā)明提供了多個技術上的實施方式，也就是-所述線材的徑向壁厚如此成型，使得該壁厚大致相應于香蕉的幾何形狀；-所述線材具有這樣的型廓，使得徑向的端部在形成凹口的情況下分別形成兩個 上面的以及兩個下面的彎曲區(qū)域；_所述線材具有這樣的型廓，S卩，在徑向內(nèi)部或者外部具有加厚的核心區(qū)域并且在 橫截面的對置的端部上形成了兩個彎曲區(qū)域，這兩個彎曲區(qū)域在原始狀態(tài)下超過核心區(qū)域 的軸向高度。相對于現(xiàn)有技術特別有利的是，至少將各個彎曲區(qū)域的自由的徑向端部構造成倒 圓的形狀。由此避免尤其在動態(tài)的密封縫隙波動中刻入容納密封元件的凹槽中。在使用香蕉狀幾何形狀的線材時，所述型材在中間具有最高的橫截面。該橫截面 (均勻地或者非均勻地)朝兩個端部逐漸變細。這意味著，在加載時所述彈性的端部彎曲。 在如汽缸頭密封件中可以調(diào)節(jié)的完全壓縮情況下，香蕉狀的型材的下面的拱形的中部置于 相應的法蘭表面或者槽底上，從而僅僅該中間的區(qū)域承載。通過該作用原理，所謂的阻塞件 功能是有根據(jù)的。此外，通過阻塞區(qū)域確定了額外的密封線。該額外的密封線尤其對于較 高壓力的密封來說是有利的，因為相對于具有兩條密封線的現(xiàn)有技術來說能夠放棄尖棱的 過渡區(qū)域。相應于傳統(tǒng)的彎曲橫梁的作用方式也可以傳給基于本發(fā)明主題的其它型材。形成 彎曲區(qū)域的外面的端部彈性地彎曲，直到在完全壓縮時僅中間的區(qū)域還能承載。因此，用本發(fā)明主題將彈簧元件與集成的阻塞元件進行組合。由此，從一個或多個 最大的橫截面中(只要多個部分區(qū)域構造成核心區(qū)域)獲得阻塞高度或者說安裝高度。所 述彈性區(qū)域的設計確定了這樣的線型材的彈性特性(以及密封力)。通過有針對性地設計型材線幾何形狀、例如通過有限元方法(FEM)，能夠如此選擇 所述輪廓，從而能夠精確地調(diào)節(jié)安裝點中的密封力。由此確保不僅能夠補償各個法蘭表面 的靜態(tài)的不平度，而且需要時能夠補償動態(tài)的密封縫隙波動。只要需要額外的微密封，就可以對型材線環(huán)例如進行完全的或者僅僅部分的涂層。根據(jù)本發(fā)明的其它構思，能夠證實有利的是，所述線型材構造成非對稱的。由此能 夠積極地影響發(fā)動機缸體或者說汽缸頭上的力分布(扭曲變形)。所述按本發(fā)明的密封元件不僅能夠與汽缸頭密封件組合地使用，而且能夠與平面 密封件組合地使用或者例如在內(nèi)燃機的排氣管路中用作單獨的密封元件。根據(jù)是否要與該線狀的介質密封元件組合其它的密封元件，能夠獲得對按本發(fā)明 的型材線密封環(huán)的不同的要求?？梢允痉缎缘乜紤]以下要求
-對于微密封進行額外的(至少部分的)涂層，-對型材線密封環(huán)進行接合(也可以考慮的是，該密封環(huán)類似于活塞環(huán)在觸碰處 沒有接合，而是由此保持)，-構造至少一個對于接合方法來說需要的區(qū)域或者說范圍。根據(jù)本發(fā)明的其它構思，所述成型的線材由彈簧鋼制成，該彈簧鋼有利地具有 彡600MPa的屈服極限。對此適合的是已知的奧氏體的或者馬氏體的、不銹的或者說少銹的材料。同樣可以考慮，所述線材由非不銹鋼制成。本領域技術人員根據(jù)應用情況來選擇合適的材料?？梢云毡榈卣f，作為用于型材線的材料，考慮所有帶有彈性的或者說彈動的性能 的彈簧鋼。在這里例如稱為奧氏體的鉻鎳鋼、馬氏體的鉻鋼、貝氏體的或者說馬氏體的碳鋼 或者多相鋼。對于在排氣管路中用作密封元件的情況，涉及鎳基合金。合適的材料的組合或者也許合適的多種材料的組合、根據(jù)需要在包含硬化過程和 /或熱處理以及優(yōu)化的幾何構造(線材橫截面)的情況下，在所有運行狀態(tài)下根據(jù)安裝位置 確保了按本發(fā)明的密封元件的功能。根據(jù)應用情況，例如轎車或者載貨車、柴油發(fā)動機或者汽油發(fā)動機、加載了(例如 渦輪發(fā)動機或者壓縮機)或者沒加載，所述密封元件的各個其它匹配的幾何形狀可能是最 有利的(根據(jù)燃燒壓力或者燃燒溫度考慮不同的橫截面)。借助于幾何形狀、各個核心區(qū)域的厚度、各個彎曲區(qū)域的橫截面以及所選擇的材 料能夠調(diào)節(jié)所述型材線密封環(huán)應該具有何種彈性作用以及何種安裝厚度。根據(jù)使用情況能 夠_如已經(jīng)提到的_用所述線材的各個核心區(qū)域實現(xiàn)一種阻塞件。通過不同的橫截面的組合能夠產(chǎn)生復雜的幾何構造，所述幾何構造對于應用來說 具有所需要的彈性性能。這種密封元件的其它較大優(yōu)點在于，所使用的型材線已經(jīng)具有所需要的成品尺 寸，并且由此只需實施變形過程以及根據(jù)需要實施接合過程并且必要時實施熱處理，從而 制成介質密封元件。機械的再處理只可能是急需情況。對于同樣根據(jù)需要使用的接合過程，不僅可以考慮力配合的、形狀配合的方法，也 可以考慮材料配合的方法。然而也可以是例如由形狀配合以及材料配合的方法組成的組合 (例如機械的扭接連接連同隨后粘結觸碰位置)。有重要意義的是，通過型材線的所選擇的幾何構造與合適的材料的聯(lián)系能夠非常 強烈地影響其載荷/變形曲線。理想的載荷變形曲線通過載荷變形圖中水平的線條表示。 這意味著，一開始所述變形隨著載荷的增加成比例地增加。從一定的載荷水平起，該載荷 (幾乎)保持不變，而型材繼續(xù)變形。只有當型材幾乎完全變形時，所述載荷在只有很微小 的變形時非常劇烈地上升。在最后完全壓縮時只有載荷可以上升，更確切地說不會引起其 它變形(然而還可以考慮塑性變形)。在這種相互關系中，按本發(fā)明的型材線的回彈特性 具有重要意義?；貜椔适菑椥宰冃闻c塑性變形的比的尺度。在加載這種型材時塑性變形越 小，那么在其釋放時回彈性能越好。在這種情況下，能夠借助于幾何構造以及材料選擇來實 現(xiàn)非常接近于所描述的理想情況的載荷變形性能。由此能夠
-精確地確定這種密封元件的安裝點，-實現(xiàn)非常高的程度的回彈性能，-在密封功能相同或者更好時將所需要的擰緊力降低到最低限度，-將在發(fā)動機缸體或者其它密封法蘭上的扭曲變形降低到最低限度，-補償更大的密封縫隙運動或者說密封縫隙波動。


本發(fā)明的主題根據(jù)實施例在附圖中示出并且如下進行說明。其中圖1到3示出按本發(fā)明的密封元件的不同的幾何形狀的設計方式；圖4示出處于預裝配的狀態(tài)下的按圖2的密封元件；圖5示出按圖4的密封元件的俯視圖；圖6示出處于預裝配的狀態(tài)下的按圖1的密封元件；圖7示出處于其完全壓縮的狀態(tài)下的按圖6的密封元件；圖8示出與常規(guī)的翻邊相比，載荷關于按本發(fā)明的密封元件的撓曲程度的圖線。
具體實施例方式圖1示出了香蕉形狀的密封元件1，其具有確定的彈性的(彈簧)性能。圖2和3示出了從圖1導出的設計方式的密封元件1’、1”。按圖1到3的所有幾何形狀的重要的特征是，它們一方面具有至少一個在使用條 件下(根據(jù)密封元件的布置情況)能夠承擔阻塞件功能的核心區(qū)域2、2’、2”，并且另一方面 包含至少一個可彈性彎曲的在使用條件下確保彈性的密封功能的區(qū)域3、4、3’、4’、3”、4”。按圖1的具有香蕉狀的幾何形狀的密封元件1在其中間具有最高的橫截面。該橫 截面(均勻地或者不均勻地)朝兩個端部3、4逐漸變細。這意味著，在加載F時相應彈性 的端部3、4、3’、4’、3”、4”彎曲，直到完全壓縮時僅僅還有核心區(qū)域2、2’、2”承受該載荷。因此，借助于本發(fā)明的主題將彈簧元件(彎曲區(qū)域3、4、3’、4’、3”、4”)與阻塞元件 (核心區(qū)域2、2’、2”)進行組合。由此，從這種型材的一個或多個最大的橫截面(當密封元 件1、1’、1”的多個部分區(qū)域構造成核心區(qū)域時)中獲得阻塞高度或者說安裝厚度(只要僅 僅使用型材線_不使用其他層)。彈性的區(qū)域3、4、3’、4’、3”、4”的設計確定了這種密封元 件1、1’、1”的彈性性能以及密封力。如已經(jīng)提及的，按本發(fā)明的密封元件1、1’、1”不僅能夠布置在發(fā)動機缸體和汽缸 頭之間，而且此外還能在排氣管路中用于密封。由于不同的運行溫度，這里也使用了不同的 材料。只要在汽缸頭密封件的區(qū)域中使用按本發(fā)明的密封元件1、1’、1”，那么該材料必 須能夠被用于直至大約350°C的溫度。如果按本發(fā)明的密封元件1、1’、1”例如用作排氣密封件，那么其必須適合于在> 350°C直到大約1000°C的溫度時使用。下面僅僅示例性地給出一些合金。所有的說明以重量百分比給出。A在汽缸頭密封件的區(qū)域中使用的密封元件
1.奧氏體鋼C 最多 0.15%Si 最多 2.0%Mn 最多 9. 5%P 最多 0.45%S 最多 0.04%Cr 12. 0 到 21. 0%Ni 最多 16.0%Mo 最多 4.0%Cu 最多 4.0%Fe其余部分2.馬氏體鋼C 0.16 到 0.50%Si 最多 1.0%Mn 最多 1.5%P 最多 0.045%S 最多 0.04%Cr 12. 0 到 14. 5%Ni 最多 0.75%Mo 最多 1.0%Fe其余部分3.非不銹鋼C 0.50 到 1.30%Si 最多 3.0%Mn 最多 3.0%P 最多 0.035%S 最多 0.035%Cr 最多 2.0%Fe其余部分B用在排氣法蘭密封件的區(qū)域中的密封元件根據(jù)溫度區(qū)域(> 350°C )能夠使用鎳基合金或者鎳基超合金。在使用這種按本發(fā) 明的密封元件的框架內(nèi)，在這里基本上涉及具有在17%和23%之間的鉻含量以及在25% 和55 %之間的鎳含量的鎳鉻鋼。所述元件的所有說明以重量百分比給出。所述密封元件1、1’、1 ”的彎曲區(qū)域不依賴于其是否對稱地或非對稱地構造而設有 倒圓的端部區(qū)域，以便抵抗刻入相應的對應接觸面中。圖4示出了說明性的預裝配的狀態(tài)?？梢钥闯銎最^5以及發(fā)動機缸體6，該發(fā)動 機缸體包含至少一個燃燒室7。在這里應該使用按圖2的密封元件1’。示出了沒有夾緊的 狀態(tài)，也就是說所述密封元件1’首先定位在發(fā)動機缸體6和汽缸頭5之間。
圖5示出了按圖4的密封元件1’。所述環(huán)形構成的成型的密封元件1’在該例子 中應該作為敞開的成型體制造，其自由的端部區(qū)域8、9通過合適的接合方法例如通過焊縫 10相互連接。圖6和7示出了按圖1的密封元件1，其一，處于相應于圖4的位置中(圖6)，并 且另一個處于完全壓縮的狀態(tài)下(圖7)?？梢钥闯龊诵膮^(qū)域2以及彎曲區(qū)域3、4。如果要 將密封元件1例如夾緊在汽缸頭5和發(fā)動機缸體6之間，那么通過所施加的外部的軸向力 的作用F將相應的彎曲區(qū)域3、4沿徑向變形，而在完全壓縮時所述核心區(qū)域2夾緊在密封 面5’、6’之間并且由此形成阻塞區(qū)域11。因此形成了一種三點支撐部3、4、11，其中彎曲區(qū) 域3、4可彈性變形地保持并且由此也能夠實現(xiàn)動態(tài)的密封波動(Dichtungschwingung)。圖8示出了關于撓曲程度來繪出的載荷的圖線。將傳統(tǒng)的翻邊12和按本發(fā)明的 型材線(例如按圖1的型材線)進行比較。理想的載荷變形曲線由載荷變形圖中水平的線條表示。這意味著，一開始所述型 材線1的變形隨著載荷的增加成比例地增加。從一定的載荷水平起，該載荷基本上保持不 變，而型材繼續(xù)變形。只有當型材幾乎完全變形時，所述載荷在只有很微小的變形的情況下 非常劇烈地上升。在完全壓縮時只有載荷可以上升。
權利要求
密封元件，用于在內(nèi)燃機中密封法蘭表面，所述密封元件由至少一個環(huán)形的金屬型材體組成，其特征在于，所述型材體(1、1’、1”)由線材組成并且具有至少一個核心區(qū)域(2、2’、2”)和至少一個彎曲區(qū)域(3、4；3’、4’3”、4”)，其中，所述線材(1、1’、1”)的材料厚度在所述核心區(qū)域(2、2’、2”)中比在各個所述彎曲區(qū)域(3、4；3’、4’；3”、4”)中大。
2.按權利要求1所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1、1’、1”)構造成打開的或 者封閉的環(huán)。
3.按權利要求1或2所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1)的徑向壁厚以如下方 式成型，即，所述壁厚相應于香蕉的幾何形狀。
4.按權利要求1或2所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1’)具有下述型廓，即， 徑向的端部在形成凹口的情況下分別形成兩個彎曲區(qū)域(3、3’、4、4’、3”、4”)。
5.按權利要求1或2所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1”)具有下述的型廓， 即，在徑向內(nèi)部或者外部具有加厚的核心區(qū)域(2”)并且在橫截面的對置的端部上形成兩 個彎曲區(qū)域(3”、4”)。
6.按權利要求1到5中任一項所述的密封元件，其特征在于，各個所述彎曲區(qū)域(3、 3’、4、4’、3”、4”)在原始狀態(tài)下超過所述核心區(qū)域(2、2’、2”)的軸向高度。
7.按權利要求1到6中任一項所述的密封元件，其特征在于，至少將各個所述彎曲區(qū)域 (3、4;3’、4’ 3”、4”)的自由的徑向端部區(qū)域設置成倒圓的形狀。
8.按權利要求1到7中任一項所述的密封元件，其特征在于，將各個所述彎曲區(qū)域(3、 4;3’、4’ 3”、4”)的材料厚度相同地構造。
9.按權利要求1到7中任一項所述的密封元件，其特征在于，將各個所述彎曲區(qū)域(3、 4;3’、4’ 3”、4”)的材料厚度不同地構造。
10.按權利要求1到9中任一項所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1、1’、1”)是 汽缸頭密封件的部分。
11.按權利要求1到10中任一項所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1、1’、1”) 設置在所述汽缸頭密封件的各個燃燒室通孔的區(qū)域內(nèi)。
12.按權利要求1到11中任一項所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1、1’、1”) 設置在至少一個介質通孔、如水孔或者油孔的區(qū)域內(nèi)。
13.按權利要求1到9中任一項所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1、1’、1”)是 平面密封件的部分，尤其是排氣法蘭密封件的部分。
14.按權利要求1到13中任一項所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1、1’、1”) 是燃燒空氣的輸入?yún)^(qū)域內(nèi)的和/或燃燒氣體的輸出區(qū)域內(nèi)的單個的密封元件。
15.按權利要求1到14中任一項所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1、1’、1”) 至少部分地與所述汽缸頭密封件或者排氣法蘭密封件的部分連接。
16.按權利要求1到15中任一項所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1、1’、1”) 沿徑向能運動地布置在各個開口上。
17.按權利要求1到16中任一項所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1、1’、1”) 由彈簧鋼制成。
18.按權利要求1到17中任一項所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1、1’、1”) 根據(jù)使用情況具有彡600MPa的屈服極限。
19.按權利要求1到18中任一項所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1、1’、1”) 由奧氏體的不銹的或者說少銹的材料制成。
20.按權利要求1到18中任一項所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1、1’、1”) 由馬氏體的不銹的或者說少銹的材料制成。
21.按權利要求1到18中任一項所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1、1’、1”) 由非不銹鋼制成。
22.按權利要求1到18中任一項所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1、1’、1”)由鎳基合金制成。
23.按權利要求1到18中任一項所述的密封元件，其特征在于，所述線材(1、1’、1”)由鎳基超合金制成。
24.按權利要求1到22中任一項所述的密封元件，其特征在于，密封線的確定功能的區(qū) 域至少部分地被涂層。
全文摘要
一種用于在內(nèi)燃機中密封法蘭表面的密封元件，該密封元件由至少一個環(huán)形的金屬型材體組成，其特征在于，型材體(1、1’、1”)由線材組成并且具有至少一個核心區(qū)域(2、2’、2”)和至少一個彎曲區(qū)域(3、4、3’、4’、3”、4”)，其中，線材的材料厚度在核心區(qū)域(2、2’、2”)中比在各個彎曲區(qū)域(3、4、3’、4’、3”、4”)中大。
文檔編號F16J15/08GK101910690SQ200980101736
公開日2010年12月8日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權日2008年6月21日
發(fā)明者羅爾夫·普雷恩, 雷納·卡佩爾曼, 馬蒂亞斯·施奈德 申請人:菲特爾莫古密封系統(tǒng)有限公司