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Ringförmige Dichtungsanordnung
Eine federnde Dichtungsanordnung soll fast immer nur wenig Einbauraum benötigen, eine weiche, bei der Federung möglichst gleichbleibende Federkraft aufweisen und lange Zeit brauchbar sein. Diese Forderungen erfüllen die bekannten Dichtungsformen immer nur zu einem Teil. Dies ist auch bei den Dichtungsformen der Fall, bei denen ein endloser Federring mit einem Rand ständig gegen eine Dichtungsfläche federt. Einige dieser Dichtungsformen besitzen einen, aus vollwandigem, elastischem Kunststoff bestehenden, axial oder radial federnden Federring, der die gegen die Dichtungsfläche wirkende Federkraft entweder nur durch Aufweiten (Dehnen) des elastischen Ringmateriales oder nur durch Stauchen (Zusam- menpressen) des elastischen Ringmateriales erzeugt.
Die dabei auftretende, verhältnismässig grosse elastische Materialverformung im einen oder andern Sinne bringt die Nachteile, dass sich die Federkraft schon bei kleinem Federungsweg stark ändert und sich ausserdem die Elastizität des Kunststoffes und damit die Federkraft mit der Zeit ebenfalls wesentlich ändert. Andere Dichtungsformen benützen einen, aus federndem Metallblech gefertigten Federring, dessen einer Rand in einer Halterung fest eingespannt oder wenigstens radial auswärts oder radial einwärts abgestützt ist, und dessen anderer Rand eine elastische Kunststoffscheibe federnd gegen die Dichtungsfläche presst. Für diesen Zweck ist der letztgenannte Rand häufig mit Schlitzen versehen, die federnde Zungen bilden. Bei der Federung dieser Dichtungsformen entsteht an dem abgestützten Ringrand keine Materialverformung.
Die Folgen sind, dass sich hier die Fe- derkraft schon bei kleinstem Federungsweg stark ändert und die Kunststoffscheibe häufig durch Überhitzung bald unbrauchbar wird. Ebenfalls unbefriedigend sind auch die viel angewendeten Dichtungsformen, bei denen eine ringförmige Schraubenfeder einen elastischen, an einer Stirnseite fest eingespannten Kunststoffring durch radiales Aufweiten oder durch radiales Zusammenpressen auf einer zylindrischen Dichtungsfläche zur Anlage bringt. Derartige Dichtungsformen dichten z. B. bei geringer Federspannung eine unrund
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Dichtungsstelle unzulässig gross wird und der Kunststoffring durch Überhitzung ebenfalls schnell unbrauchbar wird.
Bisher bestand allgemein die Notwendigkeit, dass zur Erzielung eines kleinen Einbauraumes eine harte Federung und damit ein starker Verschleiss an der Dichtungsstelle, d. h. auch eine verhältnismässig kurzzeitige Gebrauchsfähigkeit in Kauf genommen werden musste. Zur Beseitigung dieses erheblichen Mangels ist zum Abdichten eines Kolbens bereits ein endloser Federring vorgeschlagen worden, der mit einem ge- rundeten Rückenteil in einer Kolbenringnut gelagert ist und zur Zylinderfläche hin einen konischen Kragen besitzt.
Ein auf einer Kolbenseite auftretender Überdruck soll hier den Aussenumfang des konischen Kragens, d. h. dessen Stirnfläche, dichtend gegen die Zylinderfläche pressen und dabei den Kolbenring in der Kolbenringnut um eine ringförmige Achse etwas verdrehen, damit die Kragenstirnfläche von der Zylinderfläche wieder wegfedert, sobald der Überdruck aufhört. In Wirklichkeit federt dieser Kolbenring aber nicht in der angestrebten Weise. Bei seiner Herstellung aus ziemlich elastischem Material, z. B. weichem Kunststoff, bewirkt nämlich der Überdruck nur ein Aufweiten des Kragenrandes, aber kein federndes Verdrehen des Kolbenringes in der Kolbenringnut. Wird der Kolbenring aber aus wenig elastischem Material, z. B.
Metall, gefertigt, so verhindert die grosse Steifigkeit seines konischen Kragens sowohl die beabsichtigte Federung als auch ein Gleiten der Kolbenfläche auf der Zylinderfläche, was beides einen verstärkten Verschleiss zur Folge hat.
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Mittels der Erfindung, die eine ringförmige Dichtungsanordnung betrifft, bei welcher ein Federring, der vorzugsweise aus einer Metallfeder und einer gummiartigen Dichtungslippe besteht, mit einem seiner Ränder ständig unter Vorspannung ungefähr senkrecht gegen eine Dichtungsfläche federt, werden die Mängel der bekannten federnden Dichtungsformen dadurch beseitigt, dass zur Erzeugung eines ständig wirkenden Anpressdruckes ein endloser Federring benützt wird, der mindestens an einem seiner Ränder besonders. elastisch gestaltet ist, etwa durch Verringern der Ringwandstärke zum Ringrand hin, Anordnung von Schlitzen im Ringrand, wellenförmige Gestaltung des Ringrandes und der in einer Halterung, z.
B. einer Ringnut, gelagert ist, deren Form und Lage dem Federring ermöglicht, um eine gedachte, zwischen seinem Innenrand und seinem Aussenrand verlaufende ringförmige Verdrehungsachse gegen die Dichtungsfläche zu federn. Der Federring kann ganz aus Gummi oder einem gummiartigen Kunststoff bestehen. Er kann aber auch aus federndem Metall, z. B. Federblech, gefertigt sein, wenigstens an einem seiner Ränder Einschnitte aufweisen und mehr oder weniger von einer elastischen Kunststoffschichte bedeckt sein.
Eine ziemlich gleichbleibende Federkraft wird auch noch bei grösserem Federungsweg erreicht, wenn der Federring im radialen Querschnitt bogenförmig gestaltet ist. Bei der Abdichtung von Kugellagern u. dgl. genügt als Halterung eine an oder in einem Laufring angeordnete Nut.
Die Erfindung lässt eine sehr verschiedenartige Gestaltung der Dichtungsanordnung sowie die Herstellung des Federringes aus beliebigem federndem Material, z. B. gehärtetem Stahl, Bronze, elastischem Gummi und elastischen Kunststoffen zu. Für die beiden letztgenannten Materialien wird anschliessend die Bezeichnung "Kunststoff" gebraucht.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind an Hand der Ausführungsbeispiele gemäss den Fig. 1-9 erklärt. Diese Figuren zeigen Dichtungsanordnungen in verschiedener Anwendung und Ausgestaltung, zum Teil im Schnittund zum Teil in der Ansicht. Hiebei sind in den Fig. 1-4 Ausführungsbeispiele für radial federnde Dichtungen und in den Fig. 4-9 Ausführungsbeispiele für axial federnde Dichtungen enthalten.
Besonders einfach und raumsparend ist die Ausführungsform nach Fig. 1. Hier ist die Welle a drehbar in dem ortsfesten Gehäuse b angeordnet. Es gilt den Ringspalt c zwischen der Welle und dem Gehäuse mit einem federnden Ring abzudichten. Dazu dient der die Welle umspannende und im Gehäuse in einer
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seiner Form zunächst die im Schnitt gestrichelt gezeichnete Stellung ein. Beim Einschieben der Welle in das Gehäuse in Pfeilrichtung I verdreht sich der Kunststoffdichtungsring in der Ringnut in die ausgezogen gezeichnete Stellung und umspannt nun mit Vorspannung die Welle federnd mit überall gleichmässigem Anpressdruck, weil in dieser Stellung der als Dichtkante f wirkende innere Ringrand etwas gelängt und der äussere Ringrand g etwas gestaucht werden.
Diese durch Torsionsfederung des Kunststoffdichtungsringes erfolgende Umspannung der Welle sowie die dichtende Lagerung des Kunststoffdichtungsringes in der Ringnut bewirken zusammen das Abdichten des Ringspaltes c. Wird der Kunststoffdichtungsring e auf seiner rechten Seite etwas. gekürzt und dadurch seine Dichtkante f näher an die Torsionsdrehachse herangerückt, dann steigert ein etwa in der Pfeilrichtung II sich ausbildender Unterdruck die Anpressung der Dichtkante auf der Welle.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zeigt das Ausstatten des Kunststoffdichtungsringes e nach Fig. 1 mit einer ringförmigen Metallfeder, die aus dem Winkelring h mit daran sitzenden Reihen von Federfingern i und k besteht. Letztere federn gegen die Aussenwand des Kunststoffdichtungsringes e und drücken diese dichtend in dieRingnut d im Gehäuse b, während die Federfinger i gegen die Innenwand des Kunststoffdichtungsringes e federn und dessen Dichtkante f dichtend gegen die Welle a pressen. Bei dieser Anordnung federn ausser den Federfingern auch der Winkelring h um seine ringförmige Torsionsachse, weshalb die Dichtkante f ziemlich leicht radial aus-und einwärts schwingen, d. h. auch unrunde oder unrund umlaufende Wellen gut abdichten kann.
Mittels der dünnen und nur an der Dichtkante f etwas verstärkten Innenwand des Kunststoffdichtungsringes wird erreicht, dass der auf die Dichtkante f wirkende Anpressdruck in der Hauptsache nur durch die Torsionsfederung des Winkelringes h sowie durch die Federung seiner Federfinger erzeugt wird, so dass der Anpressdruck auch dann noch keine wesentliche Änderung erfährt, wenn sich der benützte Kunststoff mit der Zeit ändert. Ein in Pfeilrichtung II etwa eintretender Gas- oder Flüssigkeitsdruck steigert noch den Anpressdruck.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2, in den Kunststoffdichtungsring e ebenfalls ein Metallfederring eingesetzt, der aus einem Winkelring h und daran sitzenden Reihen von Federfingern i und k besteht und die Aussenwand des Kunststoffdichtungsringes gegen das umschliessende Gehäuse b, die Innenwand des Kunststoffdichtungsringes bzw. dessen Dichtkante oder Dichtfläche f aber gegen die Welle a presst. Auch. hier wird der Anpressdruck durch einen in Pfeilrichtung II
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eintretenden Gas- oder Flüssigkeitsdruck noch verstärkt.
Weil sich im vorliegenden Fall die Aussenwand des Kunststoffdichtungsringes e und die Federfinger k nur mit ihren Enden auf dem sie umschliessenden
Gehäuse b abstützen, kann sich nun auch der Winkelring h bei unrunden oder unrund umlaufenden Wellen quer zur Wellenachse verschieben, so dass auch mit sehr kurzen Federfingern, d. h. mit einem recht schmalen Dichtungsring noch eine weiche Federung sowie eine gute Dichtung erzielt werden. Zweck- mässig ist es, die Federfinger k kürzer zu machen als die Federfinger i, damit auf das Gehäuse b ein grösserer Anpressdruck ausgeübt wird als auf die Welle a. Mit Hilfe eines in das Gehäuse b eingreifen- den Wulstes 1 an der Aussenwand des Kunststoffdichtungsringes oder mit Abwinkelungen an den Feder- fingern k kann die ganze Dichtung gegen ein axiales Verschieben im Gehäuse b gesichert werden.
Die
Ausführungsform nach Fig. 3 zeigt bei einem Vergleich mit den üblichen, radial federnden Wellendich- tungen besonders deutlich die Vorteile der erfindungsgemässen Wellendichtungen.
Natürlich lassen sich die ungefähr radial federnden Dichtungen nach der Erfindung sinngemäss auch zur Abdichtung von, in Zylindern oder in andern Bohrungen hin-und herbewegten Teilen, wie Kolben oder Stangen, verwenden. Wo auftretende hohe Temperaturen den Gebrauch von Kunststoff verbieten, ist es möglich, den federnden Dichtungsring e auch aus Metall herzustellen und in einer Ringnut mit gerundetem oder eckigem Querschnitt zu lagern. Zwei Ausführungsbeispiele hiefür zeigt Fig. 4. Hier gilt es, den im Zylinder m sich auf-und abwärts bewegenden Kolben n so auszurüsten, dass ein in Pfeilrichtung II wirkender Gas- oder Flüssigkeitsdruck nicht durch den Ringspalt c zwischen Kolben und Zylinder entweichen kann. Dazu ist in der Kolbennut d der aus einem federnden Blech gepresste Metalldichtungsring e angeordnet.
Letzterer setzt sich aus einem scheibenförmigen Oberteil o und einem daran anschlie- ssenden wellenförmigen Unterteil p zusammen.
Der ganze Metalldichtungsring ist in der Kolbennut ungefähr um die nahe der Zylinderlauffläche liegende kreisförmige Torsionsachse q verdrehbar, federt an der Stelle der kreisförmigen Achse q dichtend gegen den Kolben und ragt bei ausgebautem Kolben mit seiner wellenförmigen Dichtkante f ein Stück aus dem Kolben hervor. Beim Einschieben des Kolbens in den Zylinder verdreht sich der Metalldichtungsring federnd in der Kolbennut so weit einwärts bis seine wellenförmige Dichtkante auf der Zylinderlauffläche satt aufliegt und nun auch hier eine Dichtung erfolgt. Infolge der wellenförmigen Ausbildung des radial aus-und einwärtsschwingenden Teiles des Metalldichtungsringes wird ein genügendes Federn des Metalldichtungsringes gegen die Zylinderlauffläche auch dann erreicht, wenn der Metalldichtungsring aus wenig elastischem, hitzebeständigem Material gefertigt ist.
Da sich der Metalldichtungsring auf dem Grunde der Kolbennut abstützt, wird eine gute Führung des Kolbens auch in einem schon ausgelaufenen, unrunden Zylinder erreicht, d. h. ein Kolbenklappern vermieden. Doch kann der Metalldichtungsring, wie in der Fig. 4 gestrichelt angedeutet ist, auch in einer Kolbennut mit rechteckigem Querschnitt angewendet werden, ohne auf dem Grund der Kolbennut aufliegen zu müssen, so dass Querbewegungen des Kolbens im Zylinder durch Querverschiebungen des Metalldichtungsringes in der Kolbennut ausgeglichen werden, d. h. hiefür kein Aus- und Einwärtsfedern des Metalldichtungsringes erforderlich ist. Eine zum Einsetzen des Metalldichtungsringes in die Kolbennut zweckmässige Schlitzung r des Metalldichtungsringes hinterlässt hier in dem eingesetzten Metalldichtungsring keinen Spalt.
Wegen seiner Hitzebeständigkeit und seiner guten Dichtwirkung kann der Metalldichtungsring in Verbrennungsmotoren als Kompressionsring und als Ölabstreifring dienen.
In der Fig. 4 ist noch das Abdichten zweier Planflächen mittels einer erfindungsgemässen, axial federnden Dichtungsanordnung gezeigt. Hier hat der Metalldichtungsring el den Spalt cl zwischen dem als Zylinderbüchse ausgebildeten Zylinder m und dem Zylinderkopf s eines Verbrennungsmotors federnd abzudichten, weil sich die in einem nicht dargestellten Zylinderblock eingepresste Zylinderbüchse beim Heisswerden des Verbrennungsmotors mehr längt als der Zylinderblock und dann der Spalt c enger wird als
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Ringnut d, so dass auf diese Weise ein Abdichten auch bei verschiedenen Weiten des Spaltes c erreicht wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemässe Dichtungsanordnung jedoch mit axialer Federung ist in der Fig. 5 dargestellt, wo der Kunststoffdichtungsring e eine Seite eines auf der Welle a und im Gehäuse b angeordneten Kugellagers abzudichten hat. Dieser, an seinen Rändern dünnwandige Kunststoffdichtungsring e hat im ausgebauten Zustand einen geringeren Aussendurchmesser als die Fig. 5 zeigt, weswegen er im eingebauten Zustand nach Fig. 5, infolge seiner Torsionsfederung mit seinem äusserenRand nach links dichtend gegen die ortsfesteHalterung t und mit seinem inneren Rand nach rechts
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dichtend gegen den Innenring des Kugellagers federt.
In axialer Richtung lässt sich der Raumbedarf dieser Dichtung so klein halten, dass sie mit gleicher Wirkungsweise auch innerhalb von Kugellagern mit normalen Aussenabmessungen genützt werden kann, wie aus der Fig. 6 ersichtlich ist. Hier dient dann die Nut u im Aussenring des Kugellagers als Halterung, die den durch seine Torsionsfederung dichtend gegen den Innenring des Kugellagers federnden Kunststoffdichtungsring e in axialer Richtung am äusseren Rand dichtend abstützt, aber in radialer Richtung keinen Druck ausübt.
Zum Erzielen einer besonders lange brauchbaren axialen Federung empfiehlt sich auch hier die erfindungsgemässe Anwendung eines geschlitzten, mit einer Kunststoffwand abgedeckten Metallfederringes.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 ist der Metallfederring v radial aus-und einwärts geschlitzt. Ein Teilstück dieses Metallfederringes v zeigt die Fig. 7a. Der Metallfederring v presst mittels seiner Torsionsfederung um seine ringförmige Torsionsachse den dünnwandigen Kunststoffring e einerseits dichtend gegen denInnenring des Kugellagersund anderseits dichtend gegen die äussere Seitenflanke der Ringnut u im Aussenring des Kugellagers, so dass die betreffende Kugellagerseite abgedichtet ist.
Eine andere Anordnung eines geschlitzten Metallfederringes und eines Kunststoffringes zum Abdichten eines Kugellagers zeigt die Fig. 8. Der hier angewendete Kunststoffring e besitzt an seinem Aussenrand und an seinem Innenrand je einen Hohlwulst. Mittels eines in den Aussenwulst eingesetzten federnden Drahtoder Seegerringe w wird der Aussenwulst dichtend in die im Aussenring des Kugellagers befindliche Nut u gepresst, während der nach Fig. 8a geschlitzte Metallfederring v durch seine Torsionsfederung den Innenwulst des Kunststoffringes e dichtend gegen den Innenring des Kugellagers presst und sich dabei mit
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federringes kann auch ein von aussen nach innen geschlitzter Metallfederring oder ein von aussen nach innen nicht ganz bis zur Ringmitte geschlitzter Metallfederring angewendet werden.
In Fig. 9 ist schliesslich als Ausführungsbeispiel noch eine andere erfindungsgemässe, axial federnde Dichtungsanordnung gezeigt, die eine Welle gegen einen in Pfeilrichtung Il wirkenden Gas-oder Flüssig- keitsdruck abzudichten hat und dazu ebenfalls einen Kunststoffring e und einen Metallfederring benützt.
Letzterer besteht aus einem Winkelring h und daran sitzenden Reihen von Federfingern i und k. Die Federfinger k greifen in den Aussenwulst des Kunststoffringes e ein und pressen diesen dichtend gegen die Bohrung des Gehäuses b oder in eine darin befindliche Nut u, während die Federfinger i in den Innenwulst des Kunststoffringes e eingreifen und diesen dichtend gegen den Wellenbund x pressen. Zweckmässig werden auch hier die Federfinger k etwas kürzer gemacht als die Federfinger i, um auf dem Gehäuse einen grösseren Anpressdruck zu erzielen als auf den Wellenbund. Auch bei dieser Anordnung federt der Winkelring h um seine ringförmige Torsionsachse, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3. Deren Vorteile gelten sinngemäss auch hier.
Möglich ist es auch, bei der Ausführungsform nach Fig. 9 die Federfinger k mit dem daran anliegenden Kunststoffringteil ungefähr parallel zu den Federfingern i anzuordnen und gegen eine parallel zum Wellenbund verlaufende Gehäusestirnwand federn zu lassen, was noch den Vorteil bringt, dass sich nun bei der Federung auch der Winkelring h axial mitbewegt und daher die Federung besonders weich und der Federweg sehr lang werden.
Die in den Figuren gezeigten Dichtungsanordnungen sind nur einige Ausführungsbeispiele. Die Erfindung kann noch in andern, sehr verschiedenartigen Formen gebraucht werden. So ist es möglich, jede Dichtungsanordnung in einem besonderen Blechgehäuse anzuordnen. Bef Metallfederringen lässt sich an Stelle einer radialen oder axialen Schlitzung auch eine schräge Schlitzung verwenden. Die Metallfederringe können auch aus Federstahldraht hergestellt und mit aufvulkanisiertem Kunststoff abgedeckt werden.
Anwendbar sind die erfindungsgemässen Dichtungsanordnungen in zahlreichen weiteren Fällen. Zum Beispiel lassen sich die Ausführungsformen nach den Fig. 5-8 auch zum Abdichten anderer umlaufender Ma- schinenteile verwenden. Als weitere Anwendungsmöglichkeiten seien hier nur das Abdichten von Pendelrollenlagern, Rohrkupplungen, Drehschiebern und von beliebigen, nicht bewegten Teilen erwähnt.
Wie die Ausführungsbeispiele zeigen, ist bei allen erfindungsgemässen Dichtungsanordnungen der zur
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durch Anordnung vonschlitzen in diesemRingrand oder durch wellenförmige Gestaltung dieses Ringrandes.
Weiter ist bei allen erfindungsgemässen Dichtungsanordnungen der Federring in einer Halterung gelagert, deren Form und Lage dem Federring ermöglicht, um eine gedachte, zwischen seinem Innenrand und seinem Aussenrand verlaufende ringförmige Verdrehungsachse zu federn und dabei einen Ringrand gegen die Dichtungsfläche zu pressen. Durch diese Ausbildung und Anordnung des Federringes wird erreicht, dass sich die bei der Federung auftretende elastische Materialverformung sowohl auf den Ringaussenrand als
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auch auf den Ringinnenrand verteilt und daher an keiner Stelle eine besonders grosse Materialverformung erfolgt. Die daraus sich ergebenden Vorteile sind eine weiche, bei der Federung ziemlich gleichbleibende Federkraft sowie eine lange Brauchbarkeit der Dichtungsanordnung.
Durch die in den Fig. 6 und 7 gezeigte bogenförmige Gestaltung des radialen Federringquerschnittes wird die Federkraft bei der Federung noch gleichmässiger und dadurch ein besonders grosser Federungsweg ermöglicht, weil hier bei der Federung stets eine Verringerung der elastischen Verformung am einen Ringrand eintritt, wenn sich am andern Ringrand die elastische Verformung vergrössert, weshalb die gesamte Verformungsarbeit an bei- den Ringrändern und damit die Federkraft im Federungsbereich immer ungefähr gleich gross bleiben.
Weitere Vorteile der erfindungsgemässen Dichtungsanordnungen sind ihre billige Herstellung, ihr geringer Raumbedarf und ihr leichter Einbau in Kugellagern oder an andern Stellen, welcher Einbau durch ein- faches Einschnappenlassen in eine als Halterung dienende Nut erfolgen kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Ringförmige Dichtungsanordnung, bei welcher ein Federring, der vorzugsweise aus einer Metallfeder und einer gummiartigen Dichtungslippe besteht, mit einem seiner Ränder ständig unter Vorspannung ungefähr senkrecht gegen eine Dichtungsfläche federt, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits der Federring mindestens an einem seiner Ränder in erhöhtem Masse elastisch nachgiebig gestaltet ist, etwa durch Verringern der Ringwandstärke zum Ringrand hin (Fig. 1), Anordnung von Schlitzen im Ringrand (Fig. 7 und 7a sowie 8 und 8a), wellenförmige Gestaltung des Ringrandes (Fig. 4), und anderseits der Federring in einer Halterung, z.
B. einer Ringnut, gelagert ist, deren Form und Lage auch in der Gebrauchsstellung des Federringes dessen Federung um eine gedachte, zwischen seinem Innenrand und seinem Aussenrand verlaufende ringförmige Verdrehungsachse und dadurch das Federn eines Federringrandes gegen die Dichtungsfläche ermöglichen.