DE102008007841A1

DE102008007841A1 - Druckgespeiste Schaftdichtung

Info

Publication number: DE102008007841A1
Application number: DE102008007841A
Authority: DE
Inventors: Robert E. Missouri City Smith III
Original assignee: National Coupling Co Inc
Current assignee: National Coupling Co Inc
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2028-02-08
Also published as: NO20080988L; US20080203672A1; DE102008007841B4; BRPI0800456B1; GB2447114B; BRPI0800456A; GB2447114A; NO343777B1; GB0802206D0

Abstract

Offenbart ist eine allgemein zylindrische Schaftdichtung mit einer axialen Öffnung, die ringförmige "Lippen" oder "Beine" an einem oder beiden Enden aufweist, die durch eine flüssigkeitsgefüllte Ausnehmung getrennt sind. Die Dichtung ist dazu ausgelegt zwischen einer Aufnahme oder einem Gehäuse, die die Dichtung halten, und einem allgemein zylindrischen Schaft, der sich axial durch die Dichtung hindurch erstreckt, zu dichten. Unter Druck stehende Flüssigkeit kann in die Ausnehmung eindringen und die Lippen oder Beine in radialer Richtung zwingen, was die Dichtwirkung des Dichtglieds mit der Welle und dem Gehäuse verbessert. In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Dichtung eine innere konkave Oberfläche, wodurch die Kontaktfläche (und dadurch die Reibung) zwischen der Dichtung und dem beweglichen Schaft vermindert wird. Der äußere Umfang der Dichtung kann zum Dichten mit dem Gehäuse oder der Aufnahme mit einem oder mehreren O-Ring-Dichtungen ausgestattet sein. Die Dichtung kann aus natürlichen oder synthetischen Polymeren, Metallen oder Verbundmaterialien gefertigt sein.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Dichtungen. Insbesondere betrifft sie druckgespeiste Dichtungen für rotierende und/oder sich hin- und herbewegende Schäfte.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Das US-Patent Nr. 6,179,002 offenbart eine Unterwasserhydraulikkupplung mit einer radialen druckgespeisten Dichtung mit einer Schwalbenschwanzpassung. Die Dichtung umfasst ein Paar von flexiblen Dichtoberflächen zum Dichten mit Einsteck- und Aufnahmekupplungsgliedern und einer dazwischen liegenden Ausnehmung, die in der Kupplung einem Flüssigkeitsdruck ausgesetzt ist. Der äußere Umfang der Dichtung weist eine Schwalbenschwanzpassung auf zwischen geneigten Schultern in der Bohrung des Aufnahmeglieds und einem Dichtungshalter, der die Dichtung in der Bohrung hält. Der Schwalbenschwanzabschnitt ist derart ausgelegt, dass er eine radiale Bewegung der Dichtung in die Bohrung des Aufnahmeglieds verhindert, wenn das Einsteckkupplungsglied herausgezogen wird.
Das US-Patent Nr. 5,355,909 offenbart eine Unterwasserhydraulikkupplung mit einem Paar von hohlen Metalldichtungen, die druckgespeist sind, um zwischen dem Einsteck- und dem Aufnahmeglied der Kupplung zu dichten. Eine der hohlen Metalldichtungen ist dazu auslegt, sich radial auszudehnen, während die zweite hohle Metalldichtung entlang der Längsachse der Kupplung kompressibel ist. Diese Dichtungen stellen, wenn die Kupplung unter Druck gesetzt ist, eine flüssigkeitsdichte Dichtanordnung dar, ohne dass externe Vorspannungseinrichtungen erforderlich wären.
Das US-Patent Nr. 5,339,861 offenbart eine Unterwasserhydraulikkupplung mit einer hohlen metallenen O-Ring-Dichtung zum Dichten zwischen Einsteck- und Aufnahmegliedern. Die hohle metallene O-Ring-Dichtung ist unverlierbar zwischen einer inneren Schulter und einem Halter gehalten, der in die innere Dichtung des Aufnahmeglieds eingeführt werden kann. Der Halter kann gleitend ausgebildet sein, um die metallene O-Ring-Dichtung axial zu komprimieren. Die metallene O-Ring-Dichtung kann druckgespeist sein, so dass sich der Hohlraum der Dichtung durch Flüssigkeitsdruck in der Kupplung ausdehnt.
Das US-Patent Nr. 5,277,225 offenbart eine Unterwasserhydraulikkupplung mit einem Paar von flexiblen druckgespeisten Dichtungen. Die Dichtungen sind dazu ausgelegt, in Radialrichtung zwischen dem Einsteck- und dem Aufnahmeglied der Kupplung zu dichten, so dass keine Hydraulikflüssigkeit aus dem Ringraum zwischen der Aufnahmekammer und der äußeren Oberfläche des Einsteckgliedes herausleckt. Die Kupplung ist druckausgeglichen für einen Flüssigkeitsaustausch durch zueinander passende Durchlässe und den Ringraum zwischen den Gliedern.
Die US-Patente Nr. 5,203,374 und 5,099,882 offenbaren eine druckausgeglichene Hydraulikkupplung zur Verwendung in Unterwasser-Bohr- und -Produktionsabläufen, wobei die Kupplung radia le Durchlässe zwischen dem Einsteck- und dem Aufnahmeglied aufweist, so dass während des Verbindens oder Trennens der Kupplung oder im verbundenen Zustand kein erheblicher Flüssigkeitsdruck auf die Stirnfläche eines der Glieder ausgeübt wird. Sich gegenseitig gegenüberliegende Ventilbetätigungsmittel stehen in Kontakt miteinander, so dass sie ein gleichzeitiges Öffnen der Sperrventile bewirken und einen Flüssigkeitsfluss durch einen Ventildurchlass und dann radial durch passende Flüssigkeitswege in dem Einsteck- und Aufnahmeglied ermöglichen. Die radialen Wege des Einsteck- und Aufnahmegliedes passen an ihren längsausgerichteten Oberflächen zueinander, so dass der Flüssigkeitsdruck zwischen dem Einsteck- und Aufnahmeglied in im wesentlichen radialer Richtung wirkt und nicht auf die Stirnfläche eines der Glieder wirkt. Ein erstes Paar von Dichtungen ist an jeder Seite des radialen Durchlasses angeordnet zum Abdichten zwischen der Aufnahmekammer und dem Dichtungshalter. Ein zweites Paar von Dichtungen ist auf jeder Seite des radialen Durchlasses angeordnet zum Dichten zwischen dem Dichtungshalter und dem Einsteckglied. Die Dichtungen sind druckgespeiste Metalldichtungen.
Das US-Patent Nr. 4,854,615 offenbart ein Verbindungsstück zum Bilden einer dichten Verbindung zwischen zwei Zylindern mit großem Durchmesser oder Gehäusen eines Raketentriebwerks. Eine Zunge-/Nutanordnung nutzt eine druckgespeiste Metalldichtung, die sich radial ausdehnt, wenn die Zylinder unter internen Druck gesetzt werden. Die radiale Ausdehnung verbessert die Dichtwirkung der Metalldichtung zwischen der Zunge und der Nut. Die Metalldichtung ist in der Lage extremen Drücken und Temperaturen standzuhalten, die die Dichtwirkung von elastomeren O-Ringen nachteilig beeinflussen können.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Eine Dichtung mit „Lippen" oder „Beinen", die durch eine flüssigkeitsgefüllte Ausnehmung getrennt sind, ist dazu ausgelegt, zwischen einer Aufnahme oder einem Gehäuse, die die Dichtung halten, und einem allgemein zylindrischen Schaft, der sich in Axialrichtung durch die Dichtung hindurch erstreckt, zu dichten. Unter Druck stehende Flüssigkeit kann in den Hohlraum eintreten und die Lippen oder Beine in eine radiale Richtung zwingen, wodurch der dichtende Eingriff zwischen dem Dichtelement und dem Schaft sowie dem Gehäuse verbessert wird. Die Dichtung kann eine konkave innere Oberfläche aufweisen, um die Kontaktfläche (und damit die Reibung) zwischen der Dichtung und dem beweglichen Schaft zu minimieren. Der äußere Umfang der Dichtung kann einen oder mehrere O-Ring-Dichtungen aufweisen zum Dichten mit dem Gehäuse oder der Aufnahme.
Kurze Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnung(en)
1 zeigt eine geschnittene Teilansicht einer erfindungsgemäßen Dichtung bei der Verwendung auf einem sich hin- und herbewegenden Schaft.
2 zeigt eine geschnittene Teilansicht einer erfindungsgemäßen Dichtung, die in einem Achslager angeordnet ist, bei der Verwendung auf einem sich drehenden Schaft.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Dichtungsabschnitts der in 1 gezeigten Vorrichtung.
4 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
5 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
6 zeigt eine Schnittansicht der in den 1 bis 3 gezeigten Dichtung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In der in 1 gezeigten Ausführungsform wird eine erfindungsgemäße Dichtung 10 in einem Gehäuse oder einer Aufnahme J durch eine mit einem Gewinde versehene Haltebuchse P gehalten. Das Gehäuse J kann ein Ende eines Hydraulikzylinders darstellen. Der sich hin- und herbewegende Schaft S (der beispielsweise ein hydraulischer Kolben sein kann) erstreckt sich durch den zentralen axialen Durchlass der Dichtung 10 und der Haltebuchse P. Die Dichtung 10 steht in dichtendem Eingriff mit dem Gehäuse J und dem Schaft S. Die Haltebuchse (Halteglied) kann einen mit einem Gewinde versehenen äußeren Umfang aufweisen, der mit einer Gewindeöffnung in der Aufnahme J in Eingriff steht. Das Halteglied kann jedoch auch über andere Mittel mit dem Gehäuse oder der Aufnahme in Eingriff stehen; beispielsweise kann der Dichtungshalter gleitend in das Gehäuse eingeführt sein und mit einem Clip gehalten sein. Die Schulter H kann in der Bohrung des Gehäuses J vorgesehen sein, um die auf die Dichtung 10 ausgeübte axiale Kompression zu begrenzen, wenn die Buchse P in vollem Eingriff steht.
Der äußere Umfang 38 der Dichtung 10 kann wahlweise einen oder mehrere O-Ringe 28 in einer oder mehreren ringförmigen Nuten 26 aufweisen, die zwischen dem Körper der Dichtung 10 und der Aufnahme oder dem Achslager J dichten.
Der innere radiale Umfang der Dichtung 10 umfasst bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die in den 1 bis 3 dargestellt ist, ein Paar von sich gegenüberliegenden druckgespeisten Abschnitten für einen dichtenden Eingriff mit einem sich hin- und herbewegenden oder rotierenden Schaft S. Der Bein- oder Lippenabschnitt 14 liegt an dem Schaft an, während der Bein- oder Lippenabschnitt 16 der Dichtung an der inneren Oberfläche der Ausnehmung 30 in dem Gehäuse J anliegt. Flüssigkeitsdruck, der auf die Ausnehmung 22 wirkt, zwingt die Lippen- oder Beinabschnitte 14 und 16 radial gegen den Schaft bzw. das Gehäuse, so dass die Dichtung insbesondere bei höheren Drücken druckgespeist ist. Wenn sich der auf die Ausnehmung 22 wirkende Druck erhöht, verbessert sich der Dichtdruck. Vor dem Eingriff des Lippen- oder Beinabschnitts 14 mit dem Schaft S kann sich der Lippen- oder Beinabschnitt 14 leicht in radialer Richtung in die Bohrung erstrecken, um die Dichtung mit einer Presspassung gegen den Schaft S vorzuspannen. Alternativ kann die Dichtung vollständig auf der Druckspeisung der Dichtung beruhen, anstatt eines Vorspannens oder einer Presspassung mit dem Schaft.
Die Dichtung umfasst ferner ein gegenüberliegendes Paar von Lippen- oder Beinabschnitten 18, 20 mit einer dazwischen liegenden Ausnehmung 24. Dieser Abschnitt der Dichtung kann ebenfalls druckgespeist sein, um die Lippen- oder Beinabschnitte 18 oder 20 nach innen und außen zu zwingen zum Zwecke einer Verbesserung der Dichtung. Wenn die Dichtung 10 mit einer seitlichen Symmetrieachse versehen ist, wird es verhindert, dass die Dichtung 10 in falscher Ausrichtung eingesetzt werden kann.
Unter Bezugnahme auf 4 der Zeichnung hat die Polymerdichtung 110 in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform Lippen- oder Beinabschnitte 14, 16 mit einer dazwischenliegenden Ausnehmung 22, die druckgespeist ist, um die Dichtwirkung zu verbessern, indem die Lippen- oder Beinabschnitte radial nach innen oder außen gezwungen werden. Ein Paar von O-Ringen 28 kann auch vorgesehen sein, um mit dem Gehäuse oder der Aufnahme J zu dichten. Diese Ausführungsform ist insbesondere geeignet für Anwendungen, in denen das mit Beinabschnitten 14 und 15 versehene Ende der Dichtung einem höheren Flüssigkeitsdruck ausgesetzt ist als das gegenüberliegende Ende der Dichtung 110.
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die insbesondere bei vergleichsweise harten Dichtmaterialien wie Metallen und bearbeitbaren Kunststoffen besonders bevorzugt ist, ist in 5 gezeigt. Die Dichtung 210 hat eine äußere zylindrische Oberfläche 238 und eine innere zylindrische Oberfläche 213. Der Außenumfang 238 kann einen Abschnitt 239 mit vermindertem Durchmesser aufweisen, um dem Bein 216 eine größere Flexibilität zu verleihen. Die Oberfläche 213 kann eben sein. Die Nut 222 kann eine größere Breite haben als die Nut 22 der ersten und zweiten Ausführungsform, so dass die Beine 214 und 216 dünner und damit flexibler sind. Eine derartige dünne Ausführungsform ist insbesondere für härtere und steifere Dichtmaterialien bevorzugt. Die äußere zylindrische Oberfläche 238 kann einen oder mehrere Umfangsnuten 26 für O-Ringe 28 umfassen, die mit der Aufnahme oder dem Achslager, die die Dichtung halten, dichten. Der Innenumfang der Dichtung 210 umfasst Lippen- oder Beinabschnitte 214, 216 mit einer dazwischen liegenden druckgespeisten ausdehnbaren Ausnehmung 222. Die Ausnehmung 222 kann druckgespeist sein, so dass die Lippen- oder Beinabschnitte 214, 216 radial nach außen und innen gezwungen werden, um mit dem Schaft S und dem Achslager J zu dichten. Die Beine 214 und 216 können Vorsprünge 217 und 215 aufweisen, um den Dichtdruck auf eine kleinere Fläche zu konzentrieren. Die Dichtung 210 kann so ausgelegt sein, dass sie eine leichte radiale Presspassung mit dem Schaft S aufweist, so dass der Lippen- oder Beinabschnitt 214 (oder -vorsprung 215) sich leicht in die Bohrung des Achslagers erstreckt, so dass die Dichtung vorgespannt ist. Alternativ kann die Dichtung 210 so ausgelegt sein, dass sie einen auf die Ausnehmung 222 wirkenden Flüssigkeitsdruck benötigt, um die Dichtwirkung mit dem Schaft aufzubauen.
6 zeigt eine Dichtung 10 gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform (1 bis 3) in ausgebautem Zustand. Die Dichtung ist symmetrisch zu ihrer Langsachse, weswegen nur eine Seite dargestellt ist. Es ist ersichtlich, dass die konkave innere Oberfläche 12 der Dichtung 10 einen dichtenden Kontaktbereich 34 nahe dem Ende 40 und einen dichtenden Kontaktbereich 36 nahe dem Ende 42 aufweisen kann. Die Kontaktbereiche 34 und 36 können vergleichsweise ebene Bereiche einer ansonsten konkaven inneren Oberfläche 12 umfassen. Die Höhe der Kontaktbereiche 34 und 36 kann so ausgewählt sein, dass der gewünschte Dichtdruck pro Flächeneinheit erreicht wird. Beispielsweise wird bei einem gegebenen Flüssigkeitsdruck in der Ausnehmung oder Nut 22 der Dichtdruck pro Flächeneinheit erhöht, wenn die Höhe des Kontaktbereichs 34 vermindert wird. Die konkave Oberfläche 12 verhindert einen übermäßigen Kontakt zwischen der Dichtung 10 und dem Schaft S, wodurch die Reibung zwischen diesen beiden Elementen vermindert wird.
Dichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung können aus einem beliebigen geeigneten Material gefertigt sein. Zu den geeigneten Dichtmaterialien zählen natürliche und synthetische Polymere umfassend, jedoch nicht begrenzt auf Gummi und andere Elastomere (beispielsweise Styren-Butadien, Polybutadien, Neopren, Nitrile, Fluor-Elastomere wie VITON^TM), Fluor-Carbon-Polymere wie Tetrafluorethylen (TFE, TEFLON^TM) und fluorisierte Ethylen-Propylen(FEP)-Harze, Acetal-Harze (DELRIN^TM), Polyetheretherketon (PEEK), Polyamid-Polymere (beispielsweise Nylon), Polyurethane, Silikone sowie verschiedene Metalle oder Legierungen umfassend plattierte Metalle. Die Dichtungen können auch aus Verbundmaterialien, beispielsweise fasergefüllten oder faserverstärkten Kunststoffen gefertigt sein.
Im allgemeinen können Dichtungen aus weicheren Materialien durch Formpressen oder Extrudieren gebildet werden, während Dichtungen aus härteren Materialien bearbeitet werden können.
Zwar ist die Erfindung mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen im Detail beschrieben worden, es existieren jedoch Abwandlungen und Modifikationen im Rahmen der Erfindung, wie sie beschrieben und in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6179002 [0002]
- US 5355909 [0003]
- US 5339861 [0004]
- US 5277225 [0005]
- US 5203374 [0006]
- US 5099882 [0006]
- US 4854615 [0007]

Claims

Schaftdichtung umfassend: einen im allgemeinen zylindrischen Körper mit einem ersten Ende, einem dem ersten Ende gegenüber angeordneten zweiten Ende und einem zentralen axialen Durchlass, der so bemessen ist, dass er einen zylindrischen Schaft aufnehmen kann; und eine ringförmige Nut am ersten Ende des Körpers, die ein inneres, dem axialen Durchlass benachbartes Bein sowie ein äußeres Bein definiert, wobei letzteres zumindest einen Abschnitt des äußeren Umfangs des Körpers bildet, wobei die Nut so bemessen und angeordnet ist, dass eine Flüssigkeit, die in der Nut unter Druck steht, das innere Bein in eine radial nach innen weisende Richtung zwingt.
Schaftdichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Körper eine konkave Wand aufweist, die den zentralen axialen Durchlass definiert.
Schaftdichtung gemäß Anspruch 1, ferner umfassend eine ringförmige Nut am zweiten Ende des Körpers, die ein zweites inneres, dem axialen Durchlass benachbartes Bein sowie ein zweites äußeres Bein definiert, wobei letzteres zumindest einen Abschnitt des äußeren Umfangs des Körpers bildet, wobei die Nut so bemessen und angeordnet ist, dass eine Flüssigkeit, die in der Nut unter Druck steht, das innere Bein in eine radial nach innen weisende Richtung und das äußere Bein in eine radial nach außen weisende Richtung zwingt.
Schaftdichtung gemäß Anspruch 1, ferner umfassend eine ringförmige Nut am äußeren Umfang des Körpers.
Schaftdichtung gemäß Anspruch 4, ferner umfassend einen O-Ring in der ringförmigen Nut.
Schaftdichtung gemäß Anspruch 1, ferner umfassend eine Mehrzahl von ringförmigen Nuten am Außenumfang des Körpers.
Schaftdichtung gemäß Anspruch 6, ferner umfassend einen O-Ring in jeder der ringförmigen Nuten.
Schaftdichtung gemäß Anspruch 1, wobei der zylindrische Körper gefertigt ist aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe natürliche Polymere, synthetische Polymere, Gummi, Styren-Butadien, Polybutadien, Neopren, Nitrile, Fluor-Elastomere, Fluorcarbon-Polymere, Acetal-Harze, Polyetheretherketon, Polyamid-Polymere, Nylon, Polyurethane, Silikone, Metalle, Metalllegierungen, plattierte Metalle und faserverstärkte Kunststoffe.
Schaftdichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Flüssigkeitsdruck in der Nut das äußere Bein in eine radial nach außen weisende Richtung zwingt.
Schaftdichtung gemäß Anspruch 1, ferner umfassend einen radialen Vorsprung auf der inneren Oberfläche des inneren Beins.
Schaftdichtung gemäß Anspruch 10, wobei der radiale Vorsprung einen Innendurchmesser hat, der kleiner ist als der zylindrische Schaft, so dass die Dichtung beim Einführen des Schafts vorgespannt wird.
Achslager umfassend: einen ersten Körper mit einer allgemein zylindrischen Bohrung, die sich von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende des Körpers erstreckt; eine ringförmige Ausnehmung in der Wand der zylindrischen Bohrung; und eine Schaftdichtung, die in der ringförmigen Ausnehmung angeordnet ist und die einen allgemein zylindrischen zweiten Körper umfasst, der so bemessen ist, dass er in die ringförmige Ausnehmung passt, und ein erstes Ende, ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende sowie einen zentralen axialen Durchlass umfasst, der so bemessen ist, dass er den zylindrischen Schaft aufnimmt, sowie eine ringförmige Nut am ersten Ende des zweiten Körpers, die ein dem axialen Durchlass benachbartes Bein definiert sowie ein äußeres Bein, das zumindest einen Abschnitt des Außenumfangs des zweiten Körpers bildet, wobei die Nut derart bemessen und angeordnet ist, dass eine Flüssigkeit, die in der Nut unter Druck steht, das innere Bein in eine radial nach innen weisende Richtung zwingt.
Hydraulik-Betätigungsmittel umfassend: einen Zylinder mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende; einen Kolben in dem Zylinder; einen Kolben in dem Zylinder; einen mit dem Kolben verbundenen Schaft, der sich durch das erste Ende des Zylinders hindurch erstreckt; und eine Schaftdichtung, die am ersten Ende des Zylinders angeordnet ist und einen allgemein zylindrischen Körper mit einem ersten Ende, einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende und einem zentralen axialen Durchlass umfasst, der so bemessen ist, dass er den Schaft aufnimmt, sowie eine ringförmige Nut am ersten Ende des Körpers, die ein inneres, zu dem axialen Durchlass benachbartes Bein und ein äußeres Bein definiert, das zumindest einen Abschnitt des äußeren Umfangs des zweiten Körpers bildet, wobei die Nut derart bemessen und angeordnet ist, dass eine Flüssigkeit, die in der Nut unter Druck steht, das innere Bein in einer radial nach innen weisende Richtung zwingt.