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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungseinrichtung für einen
radialen Schwenkmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige
Schwenkmotore werden insbesondere im Fahrzeugbau sowie in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.
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Ein
radialer Schwenkmotor besteht in der Regel aus einem Gehäuse, das
im Inneren mindestens einen Statorflügel besitzt und an den Stirnseiten mit
Deckeln verschlossen ist und aus einem Rotor, der sich aus einer
in den Deckeln gelagerten Abtriebswelle und mindestens einem Rotorflügel zusammensetzt.
Der Rotorflügel
ist gegenüber
dem Statorflügel
des Gehäuses
nur begrenzt schwenkbar und bildet so mit dem Statorflügel mindestens
eine Druck- und eine Saugkammer aus.
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Zur
Gewährleistung
der inneren Dichtheit zwischen der Druck- und der Saugkammer ist
sowohl der Rotorflügel
als auch der Statorflügel
mit einem formangepassten Gleitdichtelement ausgerüstet, das an
den seitlichen Deckeln und an der Innenwand des Gehäuses bzw.
am Rotor anliegt. Gerade in diesem Bereich treten immer wieder große Dichtheitsprobleme
auf, weil die Dichtelemente wegen der begrenzten und immer wieder
wechselnden Drehbewegung des Rotors einem erhöhten Verschleiß unterliegen und
weil die Dichtelemente auch einem sehr großen Betriebstemperaturbereich
ausgesetzt sind.
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Zur
Lösung
dieser Probleme sind bereits einige Vorschläge bekannt.
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So
ist in der
DE 199
35 234 C1 eine Ausführungsform
des Gleitdichtelementes beschrieben, die aus einem Füllstück besteht,
das unter Vorspannung einen umlaufenden Dichtkörper trägt, wobei das Füllstück geteilt
und damit parallel längsbeweglich
zueinander ausgeführt
ist und zwischen den Füllstücken mindestens
ein Federelement angeordnet ist. Damit werden die Füllstücke durch
jeweils in entgegengesetzt zueinander wirkende Kräfte verspannt.
Nachteilig an dieser Dichtvariante ist, dass die Dichtungsleiste
aus einer Vielzahl von Einzelteilen besteht und damit teuer in der
Herstellung und aufwendig in der Montage ist. Außerdem haben die aus einem
Weichmaterial bestehenden Federelemente nur ein geringes Volumen,
sodass daher die erzeugten Vorspannkräfte auch sehr gering sind.
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Dazukommt,
dass die Federelemente nur in radialer Richtung wirken. Das alles
führt zur
Undichtigkeit.
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Aus
der
DE 199 27 619
A1 ist nun bekannt, die Wirkung eines elastischen Vorspannelementes durch
eine oder mehrere in dem Vorspannelement integrierte Metallfedern
zu unterstützen,
wobei die Metallfeder eine Membran-, Well-, Spiral- oder Druckfeder
sein kann. Durch die zusätzlichen
Metallfedern werden zwar die Vorspannkräfte für die Dichtelemente erhöht, aber
dafür ist
diese Lösung
technisch kaum auszuführen.
Die Druckfedern müssen
nämlich
in radialer und in achsparalleler Richtung bezogen auf die Drehachse
des Rotors wirken und so müssen
die Druckfedern auch in sich kreuzender Weise angeordnet werden.
Das erfordert in axialer Richtung einen sehr breiten Einbauraum,
der auf Grund der Abmessungen der Rotorflügel bzw. der Statorflügel einfach nicht
vorhanden ist.
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In
der
DE 199 27 621
A1 hingegen wird ein leistenförmiges Gleitdichtelement vorgestellt,
das aus einem ersten viereckigen Dichtrahmen aus PTFE, einem zweiten
viereckigen Dichtrahmen aus PTFE und aus einem Vorspannelement aus
einem Elastomer besteht. Beide Dichtrahmen und das Vorspannelement
sind gleich groß ausgeführt und
durch Verkleben oder durch Vulkanisation sandwichartig zu einem
Paket zusammengefügt
und beide Dichtrahmen sind sowohl in radialer als auch in axialer
Richtung zueinander versetzt angeordnet. Dabei ist das Vorspannelement
zwischen den beiden Dichtrahmen angeordnet und greift mit entsprechenden
seitlichen Überständen in
die Hohlräume
der beiden Dichtrahmen ein, sodass die beiden Dichtrahmen beim Einbau
in den Schwenkmotor durch die Kräfte
des Vorspannelementes gleichermaßen in radialer und in axialer
Richtung entgegengesetzt vorgespannt werden.
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Des
Weiteren wird in der
DE
199 18 665 A1 eine Dichtungsanordnung für einen Schwenkmotor offenbart,
welche ein streifenartig gestaltetes Füllelement und ein rahmenartig
geformtes Dichtelement umfasst. In das rahmenartig geformte Dichtelement wird
unter Zwischenschaltung eines O-Ringes ein angepasster Innenkern
eingesetzt. Das zumindest auf einer Seite des Füllelementes angeordnete aus einem
PTFE-Kunststoff bestehende Dichtelement ist einteilig ausgebildet
und weist einenends nutenförmige
Einschnitte auf, welche einen Längenausgleich
in axialer Richtung infolge einer Temperaturveränderung ermöglichen. Das Füllelement
ist als eine radial wirkende metallische Feder ausgebildet, welche
hierzu axial gerichtete Einschnitte aufweist. Dabei ist an dieser
Ausbildung insbesondere nachteilig, dass dieser Längenausgleich
lediglich in einer Richtung erfolgt, so dass Undichigkeiten nicht
gänzlich
ausgeschlossen werden können.
Zudem besteht diese Dichtungsanordnung aus verhältnismäßig vielen Einzelteilen, die
die Fertigung insgesamt erschweren und somit hohe Kosten verursachen.
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Allen
genannten Lösungen
ist gemeinsam, dass das eigentliche Dichtelement aus einem harten Kunststoff
PTFE besteht und zur Verringerung des Dichtspaltes von einem entsprechenden
Federelement belastet wird. Dabei handelt es sich bei diesem Federelement
in der Regel um einen Elastomerwerkstoff. Dichtelemente aus PTFE
besitzen zwar gute Gleiteigenschaften, wodurch sie für die Abdichtung aneinander
gleitender Bauteile eigentlich gut geeignet sind. Aus Fertigungsgründen verbleibt
aber stets ein offener Dichtspalt, durch den Drucköl überströmen kann.
Die Größe des Dichtspaltes
ist aber auch abhängig
von der Betriebstemperatur des Schwenkmotors. So vergrößert sich
der Dichtspalt mit geringer werdender Temperatur, während mit
höherer
Temperatur der Anpressdruck der Dichtelemente an die Gehäuseteile
zunimmt. Mit einem größer werdenden Dichtspalt
nimmt der Leckölstrom
zu und mit einem höheren
Anpressdruck nimmt der Verschleiß der Dichtelemente zu. Beides
ist nicht gewollt.
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Alle
die genannten Gleitdichtelemente sind also für den geforderten Temperaturbereich
von –40°C bis 130°C ungeeignet.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungseinrichtung
zu entwickeln, deren Dichtspalte zwischen den Druck- und der Saugkammern
des Schwenkmotors temperaturunabhängig sind.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Zweckdienliche
Ausgestaltungsmöglichkeiten
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
neue Dichtungseinrichtung beseitigt die genannten Nachteile des
Standes der Technik. So zeichnet sich die neue Dichtungseinrichtung
in erster Linie durch eine sehr gute Dichtfunktion aus. Das ist in
der Hauptsache auf die neuartige Kombination verschiedenartiger
Dichtelemente zurückzuführen. So bricht
die neue Dichtungseinrichtung mit dem Vorurteil, dass Weichdichtungen für quer zum
Dichtelement ausgerichtete Relativbewegungen, wie sie gerade bei
Schwenkmotoren auftreten, ungeeignet sind. Das wird durch die starren
Dichtelemente zu beiden Seiten des weichen Dichtelementes erreicht, die
zum einen eine Stützfunktion
für das
weiche Dichtelement übernehmen
und die gleichzeitig die Gehäuseteile
so glätten,
dass das weiche Dichtelement von den Unebenheiten der metallischen
Gehäuseteile
verschont bleibt.
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Die
hohe Dichtfunktion ist auch darauf zurückzuführen, dass jetzt mit den beiden äußeren starren
Dichtelementen und dem weichen inneren Dichtelement drei Dichtteile
an der Dichtfunktion beteiligt sind.
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Der
besondere Vorteil liegt aber darin, dass die Dichtungseinrichtung
ihre hohe Dichtfunktion auch über
einen hohen Temperaturbereich aufrechterhält. Die Dichtfunktion ist also
weitgehend temperaturunabhängig.
Das wird erreicht, weil die starren Dichtelemente mehrteilig ausgeführt sind
und dabei jeweils so stark von der Vorspannung durch das weiche
Dichtelement und von dem in den Ausgleichsnuten herrschenden hydraulischen
Drücken
belastet sind, dass jede Volumenschrumpfung ausgeglichen wird. Dabei
wird diese Schrumpfung in jede Richtung ausgeglichen, also nicht
nur in radialer und achsparalleler Richtung sondern auch in diagonaler
Richtung. Damit ist eine gleichbleibende hohe Dichtheit am ganzen
Umfang, also auch in den Ecken der Dichtungseinrichtung gewährleistet.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn alle weichen und starren Dichtelemente
so bemessen werden, dass sich ausreichend breite Ausgleichsnuten einstellen,
damit nach der bei Raumtemperatur durchgeführter Montage ein ausreichender
Spalt für den
Schrumpfungsausgleich verbleibt. Damit kann die Dichtfunktion auch
bei entsprechend tiefen Temperaturen aufrechterhalten bleiben.
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Vorteilhaft
ist auch, wenn das weiche Dichtelement so ausgeführt ist, dass die zu erzielende
Vorspannung größer als
die zu erwartende Schrumpfung aller an der Dichtung beteiligten
Bauteile gewählt werden
kann. Auch das ermöglicht
den Einsatz bei tiefen Temperaturen.
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Es
ist weiter von Vorteil, wenn die Ausgleichsnut als druckölführende Kanäle ausgebildet sind
und mit dem jeweiligen Druckraum des Schwenkmotors verbunden sind.
Damit können
die starren Dichtelemente mit einem hydraulischen Druck belastet
werden, dessen Kräfte
die Vorspannkräfte
unterstützen.
Das erhöht
die Dichtheit über
den gesamten Temperaturbereich.
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Es
ist auch vorteilhaft, wenn das weiche Dichtelement und die starren
Dichtelemente durch Klebung oder durch Vulkanisation unlösbar miteinander
verbunden sind. Dadurch wird die gesamte Dichtungseinrichtung zu
einem Bauteil, was den Montageaufwand des Schwenkmotors sehr verringert.
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Die
Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert werden.
Dazu zeigen:
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1 einen
Schwenkmotor im Längsschnitt,
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2 den
Rotor des Schwenkmotors in einer perspektivischen Darstellung,
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3 die
Dichtungseinrichtung im unbelasteten Zustand in einer Perspektive.
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Der
radiale Schwenkmotor gemäß der 1 besteht
in der Hauptsache aus einem äußeren Stator 1 und
einem inneren Rotor 2. Der Stator 1 setzt sich aus
einem Gehäuse 3 und
aus an beiden Stirnseiten des Gehäuses 3 angeordneten
Deckel 4 zusammen, die über
nicht dargestellte Schrauben miteinander verbunden sind. Beide Deckel 4 besitzen
je eine Lagerbohrung. Im Inneren des Gehäuses 3 befindet sich
eine zylindrische Gehäusebohrung,
die in der Länge
von zwei sich gegenüberliegenden
und radial ausgerichteten Statorflügel in zwei gegenüberliegende
Freiräume
aufgeteilt ist.
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Der
Rotor 2 besteht dagegen aus einer Abtriebswelle 5 mit
beidseitigen Lagerzapfen 6 und einem dazwischenliegenden
Zylinderteil 7. Im Bereich dieses Zylinderteils 7 sind
zwei gegenüberliegende und
radial ausgerichtete Rotorflügel 8 angeordnet. Der Rotor 2 ist
in dem Gehäuse 3 des
Stators 1 so eingepasst, dass zwischen dem Kopf des Rotorflügels 8 und
der Innenwand des Gehäuses 3 sowie zwischen
dem Kopf des Statorflügels
und der Umfangsfläche
des Zylinderteils 7 jeweils ein achsparalleler Dichtspalt 9 gebildet
ist.
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Dagegen
ergibt sich jeweils zwischen den Stirnflächen des Rotorflügels 8 und
den Stirnflächen des
Statorflügels
und den beidseitigen Innenflächen der
beiden Deckel 4 ein radialer Dichtspalt 10. Jeder Rotorflügel 8 teilt
daher einen der beiden Freiräume im
Gehäuse 3 in
einen Druckraum und in einen Ablaufraum auf, so dass sich zwei gegenüberliegende Druckräume und
zwei gegenüberliegende
Ablaufräume
ergeben. Beide Druckräume
und beide Ablaufräume
sind durch innere Kanäle 11 bzw. 12 untereinander
verbunden, während
einer der beiden Druckräume
mit einem Zulaufanschluss 13 und einer der beiden Ablaufräume mit
einem Ablaufanschluss 14 in Verbindung steht.
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Im Übergangsbereich
vom Lagerzapfen 6 zum Zylinderteil 7 ist ein Gleitdichtring 15 axial
verschiebbar auf der Abtriebswelle 5 aufgesetzt, so dass er
mit seiner radialen Gleit- und Dichtfläche in gleitender Weise an
der Innenfläche
des Deckels 4 und mit seiner axialen Dichtfläche an der
Umfangsfläche
der Antriebswelle 5 anliegt. Mit diesen beiden Dichtflächen dichtet
der Gleitdichtring 15 nach außen ab.
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Zwischen
der innenliegenden Fläche
des Gleitdichtringes 15 und dem Rotorflügel 8 bzw. dem Statorflügel besteht
ein weiterer radialer Dichtspalt 16, der zur inneren Dichtheit
die jeweils benachbarten Druck- und Ablaufräume voneinander trennt. Dieser
Dichtspalt 16 ist entsprechend der Form des Gleitdichtringes 15 gewölbt ausgebildet.
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Wie
insbesondere die 2 zeigt, besitzt jeder Rotorflügel 8 und
ebenso jeder der nicht dargestellten Statorflügel zwei parallele Schenkel 17,
die zwischen sich eine Einbaunut 18 für die neue Dichtungseinrichtung 19 ausbilden.
Diese Einbaunut 18 ist mittig angeordnet und verläuft über die
ganze Höhe
und über
die ganze Länge
des Rotorflügels 8 bzw.
des Statorflügels.
In diese Einbaunut 18 ist die Dichtungseinrichtung 19 eingepresst.
Die Dichtungseinrichtung 19 dichtet so die am Umfang und
an den Stirnseiten eines jeden Rotorflügels 8 und Statorflügels vorhandenen
Dichtspalte 9, 10 und 16 ab und sorgt
für die
innere Dichtheit zwischen den Druck- und Saugräumen des Schwenkmotors.
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Gemäß der 3 besteht
die Dichtungseinrichtung 19 aus einem weichen Dichtelement 20 aus einem
Elastomer, wie beispielsweise einem NBR, einem HNBR oder einem FPM.
Dieses Dichtelement 20 hat eine Länge und eine Höhe, die
auf die Länge und
die Tiefe der Einbaunut 18 im Rotorflügel 8 bzw. im Statorflügel abgestimmt
ist. Zu beiden Seiten des weichen Dichtelementes 20 sind
mehrere starre Dichtelemente 21, 22, 23, 24 aus
Kunststoff aufgesetzt und sandwichartig durch Klebung oder Vulkanisation
miteinander verbunden. Als Kunststoff wird vorzugsweise PTFE verwendet.
Dabei sind die starren Dichtelemente 21, 22, 23, 24 jeder
der beiden Seiten des weichen Dichtelementes 20 in ihren
Längen
und Breiten so ausgestaltet, dass sie mit ihren äußeren Dichtflächen bündig mit
dem weichen Dichtelement 20 abschließen und untereinander durch eine
radiale Ausgleichsnut 25 und eine achsparallele Ausgleichsnut 26 beabstandet
sind. Beide Ausgleichnuten 25, 26 der beiden Seiten
des weichen Dichtelementes 20 kreuzen sich, wobei sie so
angeordnet sind, dass sich die Ausgleichsnuten 25, 26 der
einen Seite nicht mit den Ausgleichsnuten 25, 26 der
anderen Seite überdecken.
In der Breite sind das weiche Dichtelement 20 und die aufgesetzten
starren Dichtelemente 21, 22, 23, 24 so
bemessen, dass sie im Sandwich-Paket die Breite der Einbaunut 18 des
Rotorflügels 8 bzw.
des Statorflügels
um eine Pressmaß übersteigt.
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Die
Breite der radialen und achsparallelen Ausgleichsnuten 25, 26 richtet
sich nach der Anzahl und nach der Größe der starren Dichtelemente 21, 22, 23, 24.
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Zur
Montage dieser Dichtungseinrichtung 19 in die Einbaunut 18 des
Rotorflügels 8 und
des Statorflügels
wird die Dichtungseinrichtung 19 im ausreichenden Maße seitlich
zusammen gedrückt,
sodass sich das weiche Dichtelement 20 in allen Längsrichtungen
ausdehnt. Dabei wandern auch die am weichen Dichtelement 20 befestigten
starren Dichtelemente 21, 22, 23, 24 in
allen Längsrichtungen
nach außen.
In diesem Zustand wird die Dichtungseinrichtung 19 in ihre
Endstellung in die Einbaunut 18 verpresst. Bei der Montage
des so komplettierten Rotors 2 mit dem Gehäuse 3 des
Schwenkmotors wird vom Gehäuse 3 Druck
auf das ausgeweitete weiche Dichtelement 20 ausgeübt, in folge
dessen das weiche Dichtelement 20 auch frontal zusammengedrückt wird.
Dabei baut das weiche Dichtelement 20 eine Vorspannung
auf, die alle starren Dichtelemente 21, 22, 23, 24 an
die betreffenden Wände
der Gehäuseteile
anpressen lässt.
Gleichzeitig verringern sich die radialen und die achsparallelen
Ausgleichsnuten 25, 26 bis auf einen vorbestimmten
Abstand. In diesem Zustand liegen das weiche Dichtelement 20 und
alle starren Dichtelemente 21, 22, 23, 24 unter
der Vorspannung des weichen Dichtelementes 20 in dichtender
Weise an den Gehäuseteilen
an. Alle betroffenen Dichtspalte 9, 10, 16 sind
so abgedichtet.
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Während des
Betriebes des Schwenkmotors gelangt Drucköl aus der jeweiligen Druckkammer seitlich
zwischen die starren Dichtelemente 21, 22, 23, 24 und
damit in die radialen und achsparallelen Ausgleichsnuten 25, 26.
Der Druck des Öles
belastet alle benachbarten starren Dichtelemente 21, 22, 23, 24 und
treibt sie auseinander. Diese Kräfte
unterstützen
also die Vorspannung aus dem weichen Dichtelement 20 auf
die starren Dichtelemente 21, 22, 23, 24.
Während
der Bewegung des Rotors 2 gleiten das weiche Dichtelement 20 und
die starren Dichtelemente 21, 22, 23, 24 an
den inneren Wänden
der Gehäuseteile
in ständig
wechselnder Richtung und haben damit einen gemeinsamen Anteil an
der Dichtfunktion. Dabei übernehmen
die starren Dichtelemente 21, 22, 23, 24 obendrein
eine Stützfunktion
für das
weiche Dichtelement 20, wodurch das weiche Dichtelement 20 geschont
wird. Die starren Dichtelemente 21, 22, 23, 24 unterliegen
aber im gleichen Maße
auf Grund der rauen Oberfläche
der Gehäuseteile
einem gewollten Abrieb, wodurch sich die fertigungstechnischen Unebenheiten
an den Innenwänden
der Gehäuseteile
mit dem Abrieb zusetzen und eine glatte Oberfläche an den Gehäuseteilen
bildet. Das verringert den fertigungsbedingten Dichtspalt und schützt das
weiche Dichtelement vor einer vorzeitigen Zerstörung.
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Bei
einem Einsatz im unteren Temperaturbereich schrumpfen alle an der
Dichtung beteiligten Bauteile in Abhängigkeit von den Werkstoffeigenschaften
und den Abmessungen im unterschiedlichen Maße, wobei die Schrumpfung des
weichen Dichtelementes 20 am größten ist. Auf Grund einer größer gewählten Vorspannung
und der vom Drucköl ausgehenden
Kräfte
in den radialen und achsparallelen Ausgleichsnuten 25, 26 werden
die starren Dichtelemente 21, 22, 23, 24 entgegen
der Schrumpfrichtung des weichen Dichtelementes 20 weiterhin
gegen die Innenwände
der Gehäuseteile
gedrückt. Während dieser
Bewegungen aller Dichtelemente 20, 21, 22, 23, 24 vergrößern sich
die radialen und achsparallelen Ausgleichsspalte. Die Dichtfunktion bleibt
also auch bei tiefen Arbeitstemperaturen aufrechterhalten.
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Bei
einem Einsatz bei höheren
Temperaturen kommt es zu einer Ausdehnung aller an der Dichtfunktion
beteiligten Bauteile. Aus den unterschiedlichen Spannungen während des
Ausdehnungsprozesses kommt es zu Kräften, die die Vorspannung des
weichen Dichtelementes 20 auf die starren Dichtelemente 21, 22, 23, 24 und
die hydraulischen Kräfte
in den radialen und achsparallelen Ausgleichsnuten 25, 26 unterstützen. Dadurch
erhöht
sich die Dichtheit.
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- 1
- Stator
- 2
- Rotor
- 3
- Gehäuse
- 4
- Deckel
- 5
- Abtriebswelle
- 6
- Lagerzapfen
- 7
- Zylinderteil
- 8
- Rotorflügel
- 9
- achsparalleler
Dichtspalt
- 10
- radialer
Dichtspalt
- 11
- Kanal
- 12
- Kanal
- 13
- Zulaufanschluss
- 14
- Ablaufanschluss
- 15
- Gleitdichtring
- 16
- radialer
Dichtspalt
- 17
- Schenkel
- 18
- Einbaunut
- 19
- Dichtungseinrichtung
- 20
- weiches
Dichtelement
- 21
- starres
Dichtelement
- 22
- starres
Dichtelement
- 23
- starres
Dichtelement
- 24
- starres
Dichtelement
- 25
- radialer
Ausgleichsnut
- 26
- achsparalleler
Ausgleichsnut