DE10028503A1

DE10028503A1 - Dichtungsanordnung für hohe Drücke und Temperaturen

Info

Publication number: DE10028503A1
Application number: DE2000128503
Authority: DE
Inventors: Edi Jaeger; Claudius Neher
Original assignee: KK Holding AG
Current assignee: KK Holding AG
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 2000-06-08
Publication date: 2000-12-28

Abstract

Für hohe Drücke und Temepraturen, insbesondere für Rohrverbindungen (4, 5) von Einspritzpumpen bei Verbrennungskraftmaschinen, wird eine Dichtungsanordnung vorgeschlagen, bei der ein hochelastischer, hochfester zu einem Konus vorgeprägter Dichtungsring (9) in eine kegelförmige Ringnut (8) beim Zusammenpressen der Rohrverbindung (4, 5) eingespannt wird. Im ungespannten Zustand ist der Öffnungswinkel (alpha) des Dichtungsringes (9) kleiner als der Kegelwinkel (beta) der Ringnut (8). Die dichtenden Flächen des Ringes (9) haben eine druckabhängige maximale Oberflächenrauhigkeit. Materialabhängig sind der Öffnungswinkel (alpha) des Ringes (9) sowie seine Abmessungen so abgestimmt, dass die Federelastizität des Ringes (9) auch beim Lösen und Wiederanziehen der Rohrverbindung (4, 5) weitgehend erhalten bleibt. DOLLAR A Zur Herstellung des Ringes (9) wird aus einem Metallband eine Ringscheibe (10) gestanzt, die durch eine Prägung zu dem Ring (9) kaltverformt wird, wobei die Prägegeschwindigkeit so reguliert wird, dass die gefederte Härte des einbaufertigen Dichtringes (9) erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Seit Jahrzehnten wird in der Einspritzpumpentechnik für Verbren nungs-Motoren die Konusdichtung nach Fig. 1 verwendet. Sie ist einfach herstellbar, verlangt jedoch relativ weiche Materialien, um die Anstauchung des Kegelmantels an das Rohrmaterial zu ermög lichen. Zudem wird nach mehrmaligem Anziehen der Kegelwinkel de formiert, wodurch die Dichtungsfähigkeit nicht mehr gewährleistet wird.

Für hochbeanspruchte Motoren wurde deshalb nach einer Dichtung ge sucht, bei der härtere hochwertigere Materialien verwendet werden können; diese können jedoch nicht mehr gestaucht werden, sondern nur noch spanabhebend oder mittels Schleifverfahren hergestellt werden.

Aus der DE-C-17 75 646 ist, vor allem für in der Ballistik einge setzte Drucksensoren, eine Dichtungsanordnung bekannt, wie sie im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben ist. Bei dieser bekannten Konstruktion legt sich der zylindrische, von einem Rohr aus eben falls relativ weichen Material abgeschnittene Dichtungsring beim Verspannen an die Kegelfläche der Ringnut an. Durch eine Beauf schlagung mit einem hohen Innendruck, von beispielsweise einigen Tausend bar, wird der Dichtungsring plastisch verformt und zwi schen die Auflageflächen der Bauteile gepresst, so dass er an die sen, auch bei relativ rauhen Oberflächen, dichtend anliegt. Es hat sich nun gezeigt, dass bei beiden Dichtungsanordnungen mit rela tiv weichen Dichtungsringen eine einwandfreie Abdichtung bei mehr maligem Lösen und Wiederanziehen, oder sogar nur bei häufigen Be lastungswechseln, nicht mehr gegeben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dichtungsanordnung mit einem harten Dichtungsring zu schaffen, der die geschilderten Nachteile nicht mehr aufweist und unter Einhaltung enger Toleranzen einfach und kostengünstig herstellbar ist. Diese doppelte Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen von Anspruch 1 und mit dem Her stellungsverfahren nach Anspruch 4 gelöst.

In der Schlussphase des Anzieh-Vorganges wird der Dichtungsring vom steileren Winkel α zu einem flacheren Winkel β elastisch ver formt und durch die anschliessenden Druckimpulse in die endgültige Dichtposition gestemmt. Von Bedeutung ist, dass nach Lösen und Wiederanziehen die Verformung wiederum stattfindet, welche daher im Elastizitätsbereich des Dichtungsringes erfolgen muss.

Die erforderliche Elastizität des einbaufertigen Dichtungsringes sowie seine Dimensionen und Toleranzen unterliegen sehr häufig strengen Abnahmebedingungen. Diese werden durch das erfindungsge mässe Herstellungverfahren gewährleistet.

Die wählbaren Parameter, wie die Winkel α, β und γ sowie Abmes sungen und Härte des einbaufertigen Dichtungsringes werden empi risch bestimmt und optimiert. Aus den geforderten Stanzradien und Oberflächenrauhigkeiten sowie aus der erforderlichen Härte ergeben sich die notwendige Trowalisierzeit und die anzuwendende Prägege schwindigkeit für das Prägen des Dichtungsringes; auch die Werte für diese beiden Variablen werden durch Versuche ermittelt.

In den Unteransprüchen werden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beansprucht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 wie erwähnt den Stand der Technik für eine Dichtung von Rohrverbindungen an Einspritzpumpen;

Fig. 2A + 2B die erfindungsgemässe Dichtungsanordnung, links (A) im ungespannten und rechts (B) im gespannten Zustand;

Fig. 3 eine, aus einem Bandmetall gestanzte Scheibe;

Fig. 4 schematisch den Prägestempel für den konischen Dichtungsring, und

Fig. 5 den geprägten Dichtungsring im ungespannten Zustand.

Als zu verbindende und abzudichtende Bauteile sind in den Fig. 1 und 2 die Endbereiche von zwei Rohrleitungsstücken 1 und 2 bzw. 4 und 5 gezeigt, die von einer Überwurfmutter 3 zusammenge halten und -gepresst werden, wofür die Rohrstücke 2 und 5 ein Ge winde 6 und die Rohrstücke 1 und 4 einen Absatz 7 für die Auflage der Mutter 3 haben.

Bei der Konstruktion nach Fig. 1 sind die Enden der Rohrstücke 1 und 2 konisch ausgebildet. Wie eingangs bereits erwähnt, bestehen die Rohrstücke 1 und 2 aus relativ weichem Material, so dass sie beim Zusammenpressen gestaucht werden, wobei sich ihre Oberflächen innig miteinander "verzahnen" und so eine dichte Verbindung bil den.

Die Rohrstücke 4 und 5 der erfindungsgemässen Dichtungsanordnung nach Fig. 2 stossen stumpf aufeinander. Im Rohrstück 4 ist eine kegelförmig geöffnete Ringnut 8 mit einem Kegelwinkel β vorhanden. In diese Ringnut 8 ist ein konusförmiger Dichtungsring 9 einge legt. Im ungespannten Zustand (Fig. 2A) weist er einen Öffnungs winkel α auf, der kleiner ist als der Winkel β der Ringnut 8. Wie in Fig. 2B gezeigt, verformt sich der Dichtungsring 9 beim Anzie hen der Mutter 3 elastisch zu einem Kegelwinkel β und legt sich mit einer seiner Oberflächen an die Kegelfläche der Ringnut 8 an. Gleichzeitig wird eine seiner Kanten, die einen Stanzradius von mindestens annähernd 0.05 mm aufweist gegen die Auflagefläche des Rohrstückes 5 gepresst.

Mindestens für die Oberflächen der dichtenden Flächen und Kanten wird dabei eine maximale Rauhigkeit vorgeschrieben, die bei einer ausgeführten Dichtungsanordnung für die Abdichtung von etwa 1500 bar beispielsweise Ra ≦ 1,6 Mikrometer (µm) beträgt. Wie erwähnt ist die maximal zulässige Rauhigkeit abhängig von dem abzudichten den Druck. Je höher dieser ist, um so rauher können die "Dicht"- flächen sein.

Für die Herstellung eines Dichtungsringes 9 wird zunächst ein ge eignetes, ebenes Metallband ausgewählt, dessen Härte bei der er forderlichen Dicke noch ein Stanzen erlaubt. Bei einer Ausfüh rungsform des Dichtringes 9 hat sich ein Bandstahl der Zusammen setzung X5CrNi 1810 (DIN 1.4301) für die Abdichtung von Drücken von etwa 1500 bar und höher als besonders geeignet erwiesen. Selbstverständlich ist die Erfindung jedoch nicht auf dieses Material beschränkt. Beispielsweise kann auch ein Band aus einem anderen CrNi-Stahl oder aus Nimonite verwendet werden.

Aus dem Metallband wird in einem ersten Arbeitsgang eine ebene Ringscheibe 10 gestanzt, welche die Durchmesser D1 (aussen) und d1 (innen) aufweist und eine Dicke s hat (Fig. 3) Volumen bzw. Masse der Scheibe 10 sind materialabhängig von erheblicher Bedeutung, um beim einbaufertigen Dichtungsring 9, wie er in Fig. 5 gezeigt ist, die erforderliche Härte bei vorgeschriebenen Toleranzen für den Winkel α und die Abmessungen D2 und d2 zu gewährleisten.

Die gestanzten Scheiben 10, deren Stanzradien etwa 0,03 mm betra gen, werden anschliessend trowalisiert, um ihre Stanzradien bzw. Kanten auf mindestens annähernd, jedoch nicht über 0,05 mm "abzu runden" und bei ihnen die maximal zulässige Oberflächenrauhig keit zu erreichen. Die "Abrundung" der Stanzradien dient dabei beispielsweise dazu, die Dichtheit zwischen der Auflagefläche des Rohrstückes 5 und der Kante des Dichtringes 9 bei dem gegebenen abzudichtenden Maximaldruck sicherzustellen, ohne dass die Kante des Dichtringes 9 bleibende "Eindrücke" in der Auflagefläche hin terlässt. Die Einhaltung der gewünschten Stanzradien und Oberflä chenrauhigkeiten für die Scheibe 10 wird durch die Wahl einer em pirisch ermittelten Trowalisierzeit gewährleistet.

Die trowalisierte Scheibe 10 wird nun in eine Prägepresse einge legt, deren Stempel 11 und Matrize 12 in Fig. 4 schematisch ange deutet sind. Der Konuswinkel γ des Stempels 12 ist dabei kleiner als der Öffnungswinkle α des einbaufertigen Dichtungsringes 9. Da durch soll erreicht werden, dass beim "Zurückfedern" des Ringes 9 nach dem Prägen der geforderte Winkel α eingehalten werden kann.

Vor dem eigentlichen Prägen wird die Matrize 12 bis zum Aufliegen auf der Scheibe 10 "heruntergefahren", ehe diese durch eine do sierte Prägung kaltverformt und dabei gleichzeitig gehärtet wird.

Die empirisch ermittelte Prägegeschwindigkeit wird dabei so regu liert, dass die geforderte Härte, von beispielsweise höchstens 350 HV (Härte Vickers) erreicht, aber nicht überschritten wird.

Selbstverständlich werden beim einbaufertigen Dichtungsring und gegebenenfalls zwischen einzelnen Bearbeitungsschritten Prüfungen und Kontrollen für die Einhaltung der geforderten Eigenschaften und Toleranzen vorgenommen, ehe der Dichtungsring 9 zum Einbau freigegeben wird.

Mit der Erfindung entsteht eine Dichtungsanordnung mit einem hoch elastischen, hochfesten Dichtungsring, der auch bei hohen Drücken und Temperaturen, beispielsweise ab 1000 bar und 600 K, eine ein wandfreie Abdichtung garantiert und eine nahezu unbeschränkte Lebensdauer erreicht.

Die Herstelltechnik des erfindungsgemässen Dichtungsringes ermög licht die Kombination von hoher Materialfestigkeit, und Elastizi tät sowie hoher Einbaugenauigkeit, repetierbarer elastischer Ver formsicherheit und wirtschaftlicher Herstellung.

Referenzliste

1

,

2

,

4

,

5

Rohrstücke

3

Überwurfmutter

6

Gewinde

7

Absatz

8

Ringnut

9

Dichtungsring (einbaufertig)

10

ebene Scheibe

11

Prägestempel

12

Matrize
α Öffnungswinkel des Ringes

9

β Kegelwinkel der Ringnut

8

γ Konuswinkel des Prägestempels

11

Claims

1. Dichtungsanordnung für hohe Drücke und Temperaturen, insbeson dere für Rohrverbindungen (1 + 2; 4 + 5) von Einspritzpumpen und an Einspritzdüsen von Verbrennungsmotoren, bei welcher Dichtungsan ordnung ein erstes Bauteil (4) eine Ringnut (8) mit einer sich zu seiner Auflagefläche erweiternden Kegelfläche aufweist, und ein zweites Bauteil (5) mit einer ebenen Auflagefläche versehen ist, wobei zwischen beiden Bauteilen (4 + 5) ein metallischer Dichtungs ring (9) vorgesehen ist, der beim Verspannen der Bauteile (4 + 5) verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der federelastische Dichtungsring (9) so zu einem Konus vorgeprägt ist, dass sein Öff nungswinkel (α) im unverspannten Zustand kleiner ist als der Ke gelwinkel (β) der Ringnut (8), dass ferner mindestens die dichten den Flächen des Dichtungsringes (9) und die Auflageflächen der Bauteile (4 + 5) eine vom abzudichtenden Druck abhängige, maximale Oberflächenrauhigkeit aufweisen, und dass schliesslich der Öff nungswinkel (α) des Konus sowie Abmessungen und Härte des Dich tungsringes (9) materialabhängig so aufeinander abgestimmt sind, dass seine Federelastizität auch nach Lösen und Wiederanziehen der Dichtungsanordnung mindestens teilweise erhalten bleibt unter Ein haltung enger Fertigungstoleranzen von Ring zu Ring.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (9) aus stanzbarem Bandmetall besteht, und seine Maximalhärte nach dem Prägen höchstens etwa 350 HV ist.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (9) aus X5CrNi 1810-Stahl (DIN 1.4301) be steht und nach engen Gesamttoleranzen wirtschaftlich herstellbar ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsringes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Stanzen einer ebenen Scheibe (10) aus einem stanzbaren Bandmetall,
- Trowalisieren der gestanzten Scheibe (10) bis die Stanz radien mindestens annähernd gleich 0.05 mm und die gefor derten maximalen Oberflächenrauhigkeiten der dichtenden Flächen des Ringes (9) erreicht sind,
- Einlegen der Scheibe (10) in eine Prägepresse (11, 12) bei der der Konuswinkel (γ) des Stempels (11) kleiner ist als der geforderte Öffnungswinkel (α) des fertigen Ringes (9),
- Absenken der Matrize (12) der Presse (11, 12) bis zur Auflage auf der eingelegten Scheibe (10),
- plastisches Verformen und Härten der Scheibe (10) durch eine dosierte Prägung zum einbaufertigen Dichtungsring (9).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägegeschwindigkeit so reguliert wird, dass eine Kaltverformung entsteht, welche die Härte auf die gewünschte Grösse in repetier barer Weise bringt.