DE10061426A1 - Dichtungsanordnung mit einer ringförmigen Elastomerdichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung mit einer ringförmigen Elastomerdichtung zwischen einem Gehäuse und einer Welle oder einem Rohr sowie mit einem den Anpressdruck der Elastomerdichtung an das Gehäuse gewährleistenden, im Wesentlichen ringförmigen Federelement. Erfindungsgemäß besitzt die Elastomerdichtung zwei räumlich voneinander getrennte Dichtabschnitte, von denen der erste zwischen dem Gehäuse und der Welle (oder dem Rohr) eingespannt ist, während der zweite Dichtabschnitt vom Federelement gegen das Gehäuse gedrückt wird und von der Welle (oder dem Rohr) beabstandet ist. Die beiden Dichtabschnitte können in Axialrichtung der Welle betrachtet nebeneinander oder in Radialrichtung betrachtet im Wesentlichen übereinander liegen. Bevorzugt ist das Federelement zu Montagezwecken auf den Durchmesser der Welle zusammendrückbar, um in eine geschlossene Gehäuse-Nut eingesetzt werden zu können. Ferner können die beiden Dichtabschnitte durch eine in der Dichtung vorgesehene umlaufende Nut partiell voneinander getrennt sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung mit einer ringförmigen Elastomerdichtung zwischen einem Gehäuse und einer Welle oder einem Rohr, sowie mit einem den Anpressdruck der Elastomerdichtung an das Gehäuse gewährleistenden, im wesentlichen ringförmigen Federelement. Zum technischen Umfeld wird beispielshalber auf die DE-OS 23 04 676 verwiesen.

Für Abdichtungen zwischen einer Welle oder einem Rohr und einem zuge­ ordneten Gehäuse werden üblicherweise Dichtringe aus Elastomeren eingesetzt. Diese besitzen den Vorzug des großen Toleranzausgleiches und können bei der Montage stark verformt und deshalb auch in geschlossene Ringnuten eingesetzt werden. Aus der genannten Schrift ist es weiterhin bekannt, die Dichtwirkung einer Elastomerdichtung durch Federelemente zu verstärken, wobei mittels einer Feder beide Dichtflächen der Dichtung gegen die Dichtflächen der abzudichtenden Bauteile gedrückt werden oder die innere Dichtfläche der Dichtung auf die Welle gedrückt wird.

In diversen Anwendungsfällen werden Dichtringanordnungen benötigt, bei denen jegliche Leckage auch minimalsten Ausmaßes unterbunden ist. Beispielsweise ist diese Vorgabe auch bei Kraftfahrzeugen höchstrelevant, insbesondere unter Berücksichtigung zunehmend strengerer Emissionsvor­ schriften (bspw. in den USA), von denen bspw. auch Dichtungsanordnungen an kraftstoffführenden Rohren betroffen sind. Hier gilt es, jegliche minimalste Kraftstoff-Verdunstung (= Leckage) auch im Verbindungsbereich zwischen dem Rohr und einem Gehäuseteil, in welchem dieses Rohr mündet, zu verhindern.

Im allgemeinen zeigen die bekannten Elastomer-Dichtring-Anordnungen in der Wärme, d. h. bei Umgebungstemperaturen deutlich oberhalb dem Gefrierpunktes des Elastomermaterials, ein gutes bzw. befriedigendes Abdichtverhalten. Hingegen können bei Abkühlung insbesondere auf Werte unterhalb der sog. Glastemperatur des für die Dichtung verwendeten E­ lastomermaterials Leckagen auftreten, und zwar vermehrt dann, wenn eine wirkungsvolle Abdichtung gegenüber einem Fluid erfolgen soll, das in der Kälte relativ niedrigviskos ist, wie bspw. Gase, Kraftstoffe, Kältemittel für Klimaanlagen oder spezielle Hydrauliköle. Wenn nun aus anderen Gründen, nämlich insbesondere hinsichtlich der Beständigkeit des Dichtungsmaterials gegenüber dem abzudichtenden Medium kein anderes geeignetes Dich­ tungs-Material gefunden werden kann als ein Elastomermaterial, welches unter bestimmten Randbedingungen auch Temperaturwerte unterhalb seiner Glastemperatur oder Einfriertemperatur annimmt, so müssen geeignete Maßnahmen ergriffen werden, die dennoch jegliche Leckage ausschließen.

Ursächlich für die genannten Leckagen bei tiefen Temperaturen ist das Zusammenwirken zweier Eigenschaften bzw. Reaktionen der verwendeten Werkstoffe.

Zum einen können Elastomere bei niedrigen Temperaturen einfrieren, was bedeutet, dass ein Elastomermaterial nur innerhalb eines gewissen Gebrauchstemperaturbereiches elastisch ist, hingegen bei Abkühlung auf seine sog. Glastemperatur seine zuvor hohe Elastizität verliert. Ist nun eine Elastomer-Dichtung, wie bspw. ein O-Ring oder ein sog. Rechteckring wie üblich zwischen einem Gehäuse und dem darin geführten Rohr (oder der darin geführten Welle) bevorzugt in einer im Gehäuse vorgesehenen Ringnut eingespannt oder vorgespannt, so ist dieser vorliegende Anpressdruck zwischen Rohr (resp. Welle) und Gehäuse selbstverständlich eine notwendi­ ge Grundvoraussetzung für eine wirkungsvolle Abdichtung. Bei Unterschrei­ ten seiner sog. Glastemperatur friert jedoch das Elastomermaterial mit seinen Umgebungsmaßen ein, woraufhin neben der Elastizität auch der zuvor vorhandene Anpressdruck und somit auch die Abdichtwirkung verloren geht.

Zum anderen ist bei Abkühlung in der Dichtungsanordnung bekanntermaßen eine Schwindung festzustellen, wobei zwischen dem Elastomermaterial der Dichtung und dem zumeist metallischen Werkstoff des Gehäuses bzw. des Rohres oder der Welle eine Schwindungsdifferenz vorliegt. Polymere haben nämlich einen ca. 10-fach größeren Ausdehnungskoeffizienten als Metalle. Diese unterschiedliche Schwindung führt nun zu einer Spaltbildung insbe­ sondere zwischen dem Elastomer-Dichtring und dem umgebenden Metall- Gehäuse, die insbesondere dann, wenn gegenüber niedrigviskosen Fluiden abgedichtet werden soll, Leckagen hervorruft.

Eine Dichtungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer insbesondere auch bei niedrigen Temperaturen optimalen Dichtwirkung aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomer­ dichtung zwei räumlich voneinander getrennte Dichtabschnitte besitzt, von denen der erste zwischen dem Gehäuse und der Welle (oder dem Rohr) eingespannt ist, während der zweite Dichtabschnitt vom Federelement gegen das Gehäuse gedrückt wird und von der Welle (oder dem Rohr) beabstandet ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Bekanntermaßen besitzen ringförmige Wellen- bzw. Rohrdichtungen eine erste Dichtfläche zur Welle hin und eine zweite Dichtfläche zum umgeben­ den Gehäuse hin. Aufgrund der eingangs geschilderten Zusammenhänge schrumpft bei Abkühlung eine Elastomer-Ringdichtung auf die Welle auf und erhöht damit den Anpressdruck. Gleichzeitig reduziert sich die Anpressung zum Gehäuse und bei fortschreitender Abkühlung kann es - wie geschildert wurde - ohne Zusatzmaßnahmen außenseitig zu einer Spaltbildung zwi­ schen dem Elastomer-Dichtring und dem Gehäuse kommen. Erfindungsge­ mäß ist nun zur Vermeidung dieses Spaltbildungs-Effektes ein Federelement vorgesehen, das mindestens die äußere Dichtfläche des Elastomer- Dichtringes an das Gehäuse axial oder radial andrückt. Dabei ist dieses Federelement bevorzugt derart stark zu dimensionieren, dass die Dichtungs­ anordnung bei allen Temperaturen, insbesondere jedoch in der Kälte an das Gehäuse angedrückt wird.

Indem - wie vorgeschlagen - am erfindungsgemäßen Elastomer-Dichtring zwei räumlich voneinander getrennte Dichtabschnitte vorgesehen sind, kann jeder sog. Dichtabschnitt optimal hinsichtlich seiner vorrangigen Teil- Funktion ausgelegt werden. Somit kann sichergestellt werden, dass der erste Dichtabschnitt unter allen Umständen sicher am Rohr oder an der Welle anliegt, und zwar unabhängig vom Federelement, welches den anderen zweiten Dichtabschnitt unter allen Umständen ausreichend fest an das die Welle oder das Rohr umgebende Gehäuse andrückt. Somit wirkt das Feder­ element praktisch nur auf den zweiten Dichtabschnitt, während der erste Dichtabschnitt immer zumindest am Rohr oder der Welle abdichtend anliegt. Hinsichtlich dieser unterschiedlichen Randbedingungen können nun die beiden Dichtabschnitte des erfindungsgemäßen Dichtringes optimiert werden, wobei diese beiden Dichtabschnitte selbstverständlich ebenfalls abdichtend miteinander verbunden sind, so dass unter allen Umständen eine sichere Dichtwirkung der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung gewährleistet ist. Es sei nämlich ausdrücklich darauf hingewiesen, dass es sich bei der erfindungsgemäßen ringförmigen Elastomerdichtung trotz der Untertei­ lung in einen ersten und einen zweiten Dichtabschnitt um ein zusammen­ hängendes - und abgesehen vom Federelement - einstückiges Bauteil handelt.

Trotz der soeben erläuterten Einstückigkeit des Elastomerdichtringes können dabei durchaus seine beiden Dichtabschnitte durch eine in der Dichtung vorgesehene umlaufende Nut partiell voneinander getrennt sein, wodurch eine Relativbeweglichkeit zueinander gegeben ist, aufgrund derer jeder Dichtabschnitt im wesentlichen ungehindert den Kontakt mit seiner zugeord­ neten Dichtfläche (an der Welle oder am Rohr einerseits bzw. am Gehäuse andererseits) halten kann. Sozusagen besteht dann die Elastomerdichtung aus zwei axial aufgereihten Dichtungssegmenten, die untereinander verbun­ den sind und von denen eines, nämlich der sog. zweite Dichtabschnitt, von einer Feder an das Gehäuse angedrückt wird. Das andere Segment, nämlich der sog. erste Dichtabschnitt, hat die Grundfunktion eines O-Ringes. Da das Volumen einer die Elastomerdichtung aufnehmenden Gehäuse-Nut fast vollständig durch die erfindungsgemße Dichtungsanordnung ausgefüllt sein kann, ist die Dauer-Dichtfunktion weitgehend unabhängig vom Setzverhalten des Elastomers. Im sog. zweiten Dichtabschnitt wirkt somit das Elastomer quasi wie ein hydraulisches Kissen, das von dem Federelement an die Dichtfläche(n) gepresst wird.

Dabei können die beiden Dichtabschnitte der erfindungsgemäßen Elasto­ merdichtung in Axialrichtung der Welle oder des Rohres betrachtet neben­ einander liegen, womit sich ein relativ geringer Bauraumbedarf in Radialrich­ tung des Rohres oder der Welle ergibt, oder es können die beiden Dichtab­ schnitte in Radialrichtung der Welle oder des Rohres betrachtet im wesentli­ chen übereinander liegen, womit sich ein relativ geringer Bauraumbedarf in Axialrichtung des Rohres oder der Welle ergibt. Im Hinblick auf eine einfache und dabei auch über eine lange Lebensdauer zuverlässige Dichtwirkung ist es dabei günstig, wenn der zweite Dichtabschnitt vom Federelement im wesentlichen in Radialrichtung gegen das Gehäuse gedrückt wird.

Was das neben dem Elastomer-Dichtring zum Einsatz kommende Feder­ element betrifft, so ist es besonders vorteilhaft, wenn sich dieses für die Montage auf den Wellendurchmesser zusammendrücken lässt und somit in eine geschlossene Nut im Gehäuse eingesetzt werden kann. Besonders gut geeignet ist hierfür eine ringförmige Spiral- oder Wendelfeder, die senkrecht zur ihrer Wicklungsachse bei der Montage vorgespannt wird. Dann ist es möglich, zunächst den Elastomer-Dichtring und anschließend das entspre­ chende ringförmige Federelement in das Gehäuse einsetzen, was insgesamt die Montage der erfindungsgemäßen Elastomerdichtung vereinfacht.

Von besonderem Vorteil sind solche Federelemente, die beim Montagevor­ gang, der bei üblichen Raumtemperaturen erfolgt, auf den Wellendurchmes­ ser vorgespannt sind und durch ein Zusatzsegment auf diesem Maß gehal­ ten werden. Bei einer höheren Funktionstemperatur kann dieses Federele­ ment durch Relaxations- oder Lösungs-Prozesse des Zusatzsegmentes seinen Durchmesser vergrößern und sodann den zugeordneten Dichtab­ schnitt an das Gehäuse anpressen. Mit dieser Maßnahme wird die Montage des Federelementes vereinfacht. Ist jedoch einmalig das sog. Zusatzseg­ ment deaktiviert worden, so funktioniert das Federelement wie üblich, d. h. drückt insbesondere auch bei Kälte die zugeordnete Elastomerdichtung gegen die betreffende Dichtfläche.

Für dynamische Anwendungen der erfindungsgemäßen Dichtungsanord­ nung kann zwischen dem ersten Dichtabschnitt und der Welle ein Gleitele­ ment vorgesehen sein, so bspw. ein PTFE-Ring oder dgl., da hierdurch die Reibungsverluste verringert und die Lebensdauer der Elastomerdichtung vergrößert werden kann.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird noch auf die beigefügten, in den Fig. 1-7 lediglich schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele ver­ wiesen, in denen jeweils ein Längs-Halbschnitt durch eine erfindungsgemä­ ße Dichtungsanordnung gezeigt ist. In sämtlichen Figuren sind dabei gleiche Bauelemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Mit der Bezugsziffer 1 ist stets eine ringförmige Elastomerdichtung bezeich­ net, die in eine ringförmige Nut 3a eines Gehäuses 3 eingesetzt ist und die der Abdichtung zwischen diesem Gehäuse 3 und einer in diesem geführten Welle 4 dient. Wie weiter oben bereits ausführlich erläutert wurde, besitzt die Elastomerdichtung 1 zwei räumlich voneinander getrennte Dichtabschnitte 1a und 1b, von denen der erste Dichtabschnitt 1a zwischen dem Gehäuse 3 und der Welle 4 (hierbei kann es sich auch um ein Rohr handeln) einge­ spannt ist, während der zweite Dichtabschnitt 1b von einem Federelement 2 gegen das Gehäuse 3 gedrückt wird und dabei von der Welle 4 beabstandet ist. Auch die vorteilhafte Funktionsweise dieser Dichtungsanordnung insbe­ sondere bei Temperaturen, die unterhalb der Einfriertemperatur des Elasto­ mermaterials der Dichtung 1 liegen, wurde weiter oben bereits ausführlich erläutert.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Elastomerdichtung 1 im Quer­ schnitt rechtwinkelig bzw. L-förmig und das Federelement 2 als Stahl- Wendelfeder ausgebildet.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist das Federelement 2 eine Stahl­ bandfeder, ferner sind hier die beiden weiterhin zusammenhängenden Dichtabschnitte 1a, 1b durch eine in der Dichtung 1 umlaufende Nut 6 partiell voneinander getrennt, so dass der Dichtabschnitt 1b praktisch ungehindert bzw. unbeeinflusst vom Dichtabschnitt 1a gegen das Gehäuse 3 gedrückt werden kann. Dabei verläuft hier diese Nut 6 im wesentlichen parallel zur Längsachse 7 der Welle 4.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Dichtabschnitt 1a gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 geneigt angeordnet, so dass dieser Dicht­ abschnitt 1a im wesentlichen unter Linienberührung auf der Welle 4 aufliegt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist ähnlich dem Beispiel nach Fig. 2 eine Nut 6 im Dichtelement 1 vorgesehen, die hier jedoch im wesentlichen senkrecht zur Wellen-Längsachse 7 verläuft. Ferner ist hier zwischen dem ersten Dichtabschnitt 1a und der Welle 4 ein Gleitelement 5 vorgesehen, so bspw. ein PTFE-Ring oder dgl., da hierdurch die Reibungsverluste verringert werden und die Lebensdauer der Elastomerdichtung 1 vergrößert werden kann.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist demjenigen nach Fig. 4 ähnlich, jedoch ist hier anstelle einer Wendelfeder eine Stahlbandfeder als Feder­ element 2 vorgesehen. Hier ist das Volumen der die Elastomerdichtung 1 zusammen mit dem Federelement 2 aufnehmenden Gehäuse-Nut 3a fast vollständig durch die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung ausgefüllt, so dass die Dauer-Dichtfunktion weitgehend unabhängig vom Setzverhalten des Elastomers ist. Im sog. zweiten Dichtabschnitt 1b wirkt somit das E­ lastomer quasi wie ein hydraulisches Kissen, das von dem Federelement 2 an die zugeordnete Dichtfläche des Gehäuses 3 gepresst wird.

Gleiches gilt für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6, bei dem zwischen dem ersten Dichtabschnitt 1a, der hier im übrigen wieder vollständig mit dem zweiten Dichtabschnitt 1b zusammenhängt, und der Welle 4 ein ringförmiges Gleitelement 5 vorgesehen ist.

Während bei den soweit erläuterten Ausführungsbeispielen die beiden Dichtabschnitte 1a, 1b der Elastomerdichtung 1 in Richtung der Wellen- Längsachse 7 (d. h. in Axialrichtung) betrachtet nebeneinander liegen, sind diese beiden Dichtabschnitte 1a, 1b beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 in Radialrichtung der Welle 4 betrachtet im wesentlichen übereinander ange­ ordnet. Zwischen den beiden Dichtabschnitten 1a, 1b eine Nut 6 vorgese­ hen, die diese Dichtabschnitte 1a, 1b partiell voneinander trennt, wobei in diese ringförmige Nut 6 das Gehäuse 3 mit einem entsprechenden, bereits genannten ringförmigen Vorsprung 3b hineinragt. Diese Anordnung zeichnet sich durch geringen Bauraumbedarf in Axialrichtung aus. Auch hier ist gewährleistet, dass dann, wenn der erste Dichtabschnitt 1a aufgrund von Temperatureinflüssen (bei entsprechend niedrigen Temperaturen) praktisch nur noch auf der Welle 4 aufliegt und sich zwischen diesem ersten Dichtab­ schnitt 1a und dem Gehäuse 3, genauer einem Gehäuse-Vorsprung 3b, auf den die Elastomerdichtung 1 mit ihrer Nut 6 aufgesteckt ist, ein Spalt bildet, dennoch keine Leckage auftritt, da weiterhin der zweite Dichtabschnitt 1b vom Federelement 2 gegen das Gehäuse 3 bzw. gegen die radial äußere Seite des Gehäuse-Vorsprunges 3b angedrückt wird.

Selbstverständlich sind eine Vielzahl weiterer Abwandlungen von den gezeigten Ausführungsbeispielen möglich, ohne den Inhalt der Patentan­ sprüche zu verlassen. Stets erhält man mit den erfindungswesentlichen Merkmalen eine Dichtungsanordnung mit einem Elastomer-Dichtring, die sich insbesondere auch bei niedrigen Temperaturen unterhalb des Gefrier­ punktes des Elastomermaterials durch höchste Dichtheit auszeichnet. Grundsätzlich ist die beschriebene Dichtungsanordnung bei kostengünstigen geschlossenen Nuten einsetzbar und zeichnet sich durch gutes Dichtverhal­ ten auch bei einem Elastomermaterial mit schlechtem Setzverhalten aus. Im übrigen ist das beschriebene Wirkprinzip auch an Flachdichtungen umsetz­ bar.

Claims (7)

1. Dichtungsanordnung mit einer ringförmigen Elastomerdichtung (1) zwischen einem Gehäuse (3) und einer Welle (4) oder einem Rohr, sowie mit einem den Anpressdruck der Elastomerdichtung (1) an das Gehäuse (3) gewährleistenden, im wesentlichen ringförmigen Feder­ element (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerdichtung (1) zwei räumlich voneinander getrennte Dichtabschnitte (1a, 1b) besitzt, von denen der erste (1a) zwischen dem Gehäuse (3) und der Welle (4) oder dem Rohr eingespannt ist, während der zweite Dichtabschnitt (1b) vom Federelement (2) gegen das Gehäuse (3) gedrückt wird und von der Welle (4) oder dem Rohr beabstandet ist.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtabschnitte (1a, 1b) in Axialrichtung der Welle (4) oder des Rohres betrachtet nebeneinander liegen.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtabschnitte (1a, 1b) in Radialrichtung der Welle (4) oder des Rohres betrachtet im wesentli­ chen übereinander liegen.

4. Dichtungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Dichtabschnitt (1b) vom Federelement (2) im wesentlichen in Radialrichtung gegen das Ge­ häuse (3) gedrückt wird.

5. Dichtungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (2) zu Montagezwe­ cken auf den Durchmesser der Welle (4) zusammendrückbar ist, um in eine geschlossene Gehäuse-Nut (3a) eingesetzt werden zu können.

6. Dichtungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtabschnitte (1a, 1b) durch eine in der Dichtung (1) vorgesehene umlaufende Nut (6) par­ tiell voneinander getrennt sind.

7. Dichtungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Dichtabschnitt (1a) und der Welle (4) ein Gleitelement (5) vorgesehen ist.