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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Einsatzstück mit einer O-Ringdichtung
für eine
Druckfluidanlage.
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Zur
Abdichtung gegen Druckfluide sind O-Ringe aufgrund ihrer breit gefächerten
Einsatzmöglichkeiten
weit verbreitet und werden kostengünstig in zahlreichen Dimensionen
angeboten. Um ein optimales Verhalten bei der Abdichtung zu erreichen,
sind meist enge Toleranzen bei Dichtflächen und Nuten zur Aufnahme
der Ringe sowie bei der Vorspannung einzuhalten. Insbesondere bei
der Abdichtung von Schraubverbindungen besteht die Gefahr, dass
der O-Ring bei der Drehbewegung beim Einschrauben beispielsweise
durch eine nicht zentrierte Position beschädigt wird.
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Bei
Wartungen von O-Ringdichtungen ist vor einem Austausch des O-Rings
oft die korrekte Bestimmung beispielsweise des Innendurchmessers oder
des Schnurdurchmessers des Ringes nicht exakt möglich, da der Ring durch den
bereits erfolgten Dichtungseinsatz gegenüber seiner ursprünglichen Form
deformiert ist.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Anwendungssicherheit bei
der Verwendung von O-Ringen zur Abdichtung in Druckfluidanlagen
zu verbessern.
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Hierzu
richtet sich die Erfindung auf ein Einsatzstück zum Abdichten eines Gewindeloches
in einer Druckfluidanlage mit einem Flansch, einem in axialer Richtung
anschließenden
Gewindeschaft, einem Dichtungsring, der eine elastische Schnur mit kreisförmigem Querschnittsprofil
besitzt, und einer radialen, in axialer Richtung geöffneten
Nut in der gewindeseitigen Stirnseite des Flansches zur Aufnahme
des Dichtungsringes, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Breite
der Nut größer als
der Durchmesser der Schnur des Dichtungsringes ist, die radial innen
liegende Flanke der Nut vom Rand der Nut schräg bis zu dem Boden der Nut
hin so abfällt,
dass eine radiale Aufweitung des Dichtungsringes beim Abdichten
erfolgt, und der Außendurchmesser
des Gewindes kleiner als der Mittendurchmesser des Dichtungsringes
im aufgeweiteten Zustand ist.
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Ferner
richtet sich die Erfindung auf eine Druckfluidvorrichtung mit dem
erfindungsgemäßen Einsatzstück.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben
und ergeben sich des Weiteren aus der folgenden Beschreibung. Die
Beschreibung bezieht sich dabei implizit stets sowohl auf das Einsatzstück selbst
als auch auf die entsprechende Druckfluidvorrichtung mit einem Einsatzstück.
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Im
Sinne der Erfindung kann das Einsatzstück eine beliebige Vorrichtung
zum Einschrauben in eine Druckfluidanlage sein, wobei der Übergang zwischen
Druckfluidanlage und dieser Vorrichtung mit einem O-Ring gegen das
Druckfluid abgedichtet wird. Das Einsatzstück kann also beispielsweise
ein Ventil oder ein Sensor zum Einschrauben in die Druckfluidanlage
sein; bevorzugt ist eine Verschlussschraube.
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Der
Erfindung liegt die Idee zugrunde, mittels der erfindungsgemäß gestalteten
Form der Nut zur Aufnahme des O-Ringes, den O-Ring beim Abdichten
radial aufzuweiten und dabei zu zentrieren.
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Dadurch
ermöglicht
die Erfindung die Verwendung von O-Ringen mit einem größeren Toleranzbereich
sowohl des Ringdurchmessers als auch des Durchmessers der Dichtungsschnur.
Schon bei der Herstellung, aber auch bei Wartungsarbeiten, die einen
Austausch eines vorhandenen O-Ringes erfordern, erlaubt die Erfindung
auch die Verwendung von O-Ringvergleichstypen leicht unterschiedlicher
Dimensionierung gegenüber
den ursprünglich
vorgesehenen Abmessungen, ohne dabei die Leistungsfähigkeit
und Zuverlässigkeit
der Dichtwirkung zu reduzieren.
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Die
erforderlichen radialen Kräfte
für die
Aufweitung werden erfindungsgemäß mittels
der radial innen liegenden schrägen
Flanke der Nut nach dem Prinzip einer schiefen Ebene aufgebaut,
indem sich beim Einschrauben des Einsatzstückes in die Druckfluidanlage
die schräge
Flanke der planen Oberfläche
der Druckfluidanlage, die senkrecht zur axialen Richtung des Einsatzstückes ist,
annähert
und den dazwischen verpressten Dichtungsring radial nach außen drückt.
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Erfindungsgemäß ist die
Breite der Nut größer als
die Schnurstärke
des Dichtungsringes, um die Aufweitung des Radius des Dichtungsringes
zu ermöglichen.
Folglich kann sich durch die zunehmende Verpressung des Dichtungsringes
in die Nut hinein während
des Einschraubens und Abdichtens der Ring innerhalb der Nut radial
nach außen
auf die gewünschte
zentrierte Position der Aufweitung bewegen.
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Die
Erfindung sieht die Aufweitung des O-Ringes beim Abdichten auf einen
Mittendurchmesser vor, der größer als
der Außendurchmesser
des Gewindes ist. Hierbei bezeichnet der Mittendurchmesser den Durchmesser
des Ringes bzgl. des Mittelpunktes seiner Schnur, der im Falle eines
O-Ringes mit einem kreisförmigen
Querschnittsprofil der Dichtschnur genau zwischen dem Innen- und
Außendurchmesser
des Dichtungsringes liegt. Durch die Aufweitung wird sichergestellt,
dass der O-Ring beim Abdichten nur auf der planen Oberfläche, die
das Gewindeloch umgibt, aufliegt und nicht durch einen direkten
Kontakt mit dem Gewinde mechanisch beschädigt wird. In diesem Sinne
muss das erfindungsgemäße Gewindeloch
keine in besonderem Maße ausgeprägte Fase
aufweisen, vielmehr ist eine größere Fase
im Sinne der Erfindung eher hinderlich, da sie eine unnötige Aufweitung
des O-Ringes erfordert. Vorteilhafterweise unterstützt die
Erfindung damit also einfache Gewindelöcher, die kostengünstig ohne
zusätzliche
Fase produziert werden können.
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Um
diese Aufweitung des O-Ringes nach dem Prinzip der schiefen Ebene
zu bewirken, wird vorzugsweise eine Nut eingesetzt, die an der radial innen
liegenden Flanke auf einem Abschnitt von in dieser Reihenfolge zunehmend
bevorzugt mehr als 50%, 60%, 70% oder 80% ihrer Länge nur
Winkel von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mehr als 5°, 10°, 15° oder 20° und in dieser
Reihenfolge zunehmend bevorzugt weniger als 60°, 50°, 40° oder 30° relativ zur axialen Richtung
aufweist.
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Um
Beschädigungen
des O-Ringes zu vermeiden, sind die konkaven Kanten und Übergänge der
Nut vorzugsweise verrundet. Damit werden Hohlräume zwischen dem Einsatzstück und dem
Dichtungsring vermieden und ein gleichmäßiger Anpressdruck des Dichtungsringes
bewirkt. Der konvexe Übergang
am radial außen
liegenden Rand der Nut in die gewindeseitige Stirnfläche des
Flansches muss dagegen nicht verrundet sein, wenngleich sich eine Verrundung
auch nicht nachteilig auswirkt.
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Ferner
weist der Boden der Nut vorzugsweise einen Krümmungsradius größer oder
gleich dem Radius der Schnur des O-Ringes auf. Dies schützt den
Dichtungsring vor einer übermäßig gekrümmten Verformung
des Querschnittsprofils seiner Dichtungsschnur und vermeidet den
Einschluss eines sog. toten Volumens und der damit verbundenen Bewegung
in Richtung dieses Volumens bei Druckwechseln innerhalb des Druckfluids
mit resultierendem erhöhten
Verschleiß.
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Die
axiale Tiefe der Nut in der gewindeseitigen Stirnfläche des
Flansches des Einsatzstückes
ist in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt kleiner als 100%,
95% oder 90% des Durchmessers der Schnur des Ringes, so dass der
Dichtungsring in unverpresstem Zustand stets über die Stirnfläche hinausragt,
und weiterhin ist die Tiefe der Nut in dieser Reihenfolge zunehmend
bevorzugt größer als
50%, 60% oder 70% des Durchmessers der Schnur. So wird gewährleistet,
dass beim Einschrauben des Einsatzstückes der O-Ring einerseits
hinreichend, andererseits nicht zu stark verpresst wird. Dabei stellt
die gewindeseitige Stirnfläche
des Flansches beim Einschrauben des Einsatzstückes eine Anschlagfläche an die
das Gewindeloch umgebende Oberfläche
der Druckfluidanlage dar und verhindert so das zu starke Verpressen
des Dichtungsringes.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Einsatzstück ist der
Außendurchmesser
des Gewindeschafts größer als
der Innendurchmesser des O-Ringes in losem Zustand. Dies verhindert
ein Abrutschen des O-Ringes von dem nicht eingeschraubten Einsatzstück, so dass
einerseits das Einsatzstück
gemeinsam mit einer O-Ringdichtung als eine Einheit vertrieben werden
kann, andererseits die Anwendungssicherheit bei der Montage dadurch
erhöht
wird, dass die Dichtung unverlierbar mit dem Einsatzstück verbunden ist.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Nut in einem Arbeitsschritt
mit einer einachsigen Bewegung eines Drehwerkzeuges hergestellt
werden. Das verwendete Werkzeug soll bei dieser Bewegung alle Bereiche
der Flanken und des Bodens der Nut erreichen. Hierdurch lässt sich
das Einsatzstück besonders
wirtschaftlich produzieren. Die radial außen liegende Flanke der Nut
soll dazu vorzugsweise auf ihrer gesamten Länge nur Winkel von in dieser Reihenfolge
zunehmend bevorzugt mindestens 20°, 24° oder 28° zu der axialen
Richtung des Einsatzstückes
besitzen, wäh rend
der Gewindeauslauf und der gewindeseitige Bereich der Verjüngung nur
Winkel zur axialen Richtung aufweisen sollen, die kleiner oder gleich
dem zuvor gewählten
Winkel sind. Betrachtet man nämlich
eine Achse in Richtung dieses Winkels durch den in dieser Richtung
liegenden tiefsten Punkt der Nut, so zeigt der Abstand der radial
außen
liegenden Flanke der Nut von der Achse ein monotones Verhalten und
vergrößert sich
also bei Annähern
an den tiefsten Punkt an keiner Stelle. Dasselbe gilt dann auch
für den
Gewindeauslauf und den gewindeseitigen Bereich der Verjüngung, die
bzgl. der Achse gegenüber
der radial äußeren Flanke
liegen. Zur Veranschaulichung sei auf 4 des Ausführungsbeispiels
verwiesen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei
die dabei offenbarten Merkmale auch in anderen Kombinationen erfindungswesentlich
sein können.
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Im
Folgenden zeigt:
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1 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Verschlussschraube,
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2 eine
Seitenansicht wie in 1 mit einem Dichtungsring in
losem Zustand,
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3 eine
Seitenansicht wie in 1 mit einem Dichtungsring in
aufgeweitetem Zustand und
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4 eine
Seitenansicht wie in 1 mit einem Werkzeug zum Ausdrehen
der erfindungsgemäßen Nut.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Verschlussschraube
für eine
Druckfluidanlage mit einem Gewindeschaft 1 und einem Flansch 2,
d. h. Schraubenkopf. In der unteren Hälfte der 1 ist
als Darstellung eine Seitenansicht, in der oberen Hälfte ein Schnitt
mit horizontal in der Papierebene liegender Achse 3 gewählt. Der
Schraubenkopf 2 enthält
einen Innensechskant.
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2 und 3 zeigen
dieselbe Verschlussschraube wie 1, jedoch
mit dem erfindungsgemäßen Dichtungsring 9.
In 2 ist der Dichtungsring 9 in losem Zu stand
dargestellt und in 3 in aufgeweitetem Zustand.
Die folgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf
die 1, 2 und 3.
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Die
Verschlussschraube besitzt am Gewindeschaft 1 ein Gewinde 4 der
Bezeichnung M5 mit einem Außendurchmesser
von 4,9 mm und einem Kerndurchmesser von 3,93 mm. Das Gewinde 4 läuft unter
einem Winkel von 30° zur
axialen Richtung 3 aus, wobei der Gewindeauslauf 5 nahtlos
unter einem Winkel von 25° zur
axialen Richtung 3 in einen Bereich 6 einer radial
innen gelegenen Flanke der Nut übergeht.
Dieser Bereich 6 zwischen der Verjüngung und dem Boden der Nut
ist auf seiner gesamten Länge
gerade und stellt den Teil der radial innen gelegenen Flanke dar,
die den Dichtungsring 9 beim Einpressen in die Nut hinein
nach dem Prinzip der schiefen Ebene radial aufweitet.
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Der
gerade Bereich 6 grenzt tangential an den Boden 7 der
Nut, dessen Querschnittsprofil ein Kreissegment mit einem Radius
von 0,5 mm ist. An dem gegenüberliegenden
Ende des Kreissegmentes des Bodens 7 schließt unter
einem Winkel von 30° zu der
axialen Richtung 3 tangential die radial außen liegende
Flanke 8 der Nut an. Die Nut endet an der gewindeseitigen
Stirnfläche 2' des Flansches 2,
wobei der konvexe Übergang
zwischen Nut und Stirnfläche 2' bei diesem
Ausführungsbeispiel
nicht verrundet ist. Der Begriff ”tangential” bezeichnet glatte Übergänge ohne
Knick oder Stufe. Durch die tangentialen Übergänge zwischen den genannten
Bereichen wird sichergestellt, dass der Dichtungsring 9 beim
Ein- oder Ausschrauben der Verschlussschraube entlang der radial
innen gelegenen Flanke und auch des Bodens 7 der Nut ohne
mechanische Beschädigung
gleiten kann und die Dichtwirkung an den Übergängen nicht gemindert wird.
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Der
Dichtungsring 9 besitzt in losem Zustand einen Innendurchmesser
von 4 mm und einen Schnurdurchmesser von 1 mm und ist damit in der Position
des losen Zustandes, dargestellt in 2, in dem
an den Gewindeauslauf 5 anschließenden Bereich nicht oder kaum
gespannt. Er wird durch das Gewinde 4 mit dem Außendurchmesser
4,9 mm im Bereich zwischen Schaft 1 und Flansch 2 gehalten und
kann so beim Umgang mit der Verschlussschraube nicht verloren gehen.
Die Tiefe der Nut beträgt
0,8 mm, so dass der Dichtungsring 9 in aufgeweitetem Zustand,
dargestellt in 3, um 20% seines Schnurdurchmessers über die
gewindeseitige Stirnfläche 2' des Flansches 2 hinausragt.
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Die
Mitte der Schnur in aufgeweitetem Zustand liegt auf einem Radius
von 2,65 mm, so dass der Dichtungsring 9 beim Einschrauben
der Verschlussschraube in ein Gewindeloch außerhalb des Bereichs des Gewindes
auf der das Gewindeloch umgebenden Oberfläche aufliegt und dort abdichtet. Beim
Einschrauben der Verschlussschraube in ein Gewindeloch wird der
Dichtungsring 9 durch die Annäherung an die das Gewindeloch
umgebenden Oberfläche
in die Nut hineingepresst und gleichzeitig durch die radial innen
gelegene schräge
Flanke 6 aufgeweitet und bzgl. der axialen Richtung 3 der
Nut zentriert. Dabei bewegt er sich innerhalb der Nut, die eine
Breite von 1,5 mm besitzt, radial um 0,15 mm nach außen. Der
Innendurchmesser des Dichtungsringes 9 wird in diesem Ausführungsbeispiel
also von 4 mm auf 4,3 mm aufgeweitet.
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4 zeigt
die bereits in den 1–3 dargestellte
Verschlussschraube gemeinsam mit einem Werkzeug 20 zur
Herstellung der erfindungsgemäßen Nut
mittels Ausdrehen. Das Werkzeug 20 wird zum Zweck der Anfertigung
der Nut in einer eindimensionalen Bewegung entlang einer Achse 21 unter
einem Winkel von 30° zur
axialen Richtung 3 in den Bereich zwischen Gewinde 4 und
der gewindeseitigen Stirnfläche 2' des Flansches 2 geführt. Der Gewindeauslauf 5 und
die Nut mit den beiden Flanken 6, 8 und dem Boden 7 können in
einem Arbeitsschritt hergestellt werden, da von der Achse 21 aus betrachtet
kein Bereich der Nut durch einen davor liegenden Bereich der Nut
verdeckt ist, der die einachsige Bewegung des Werkzeugs 20 behindern
würde. Die
Achse 21, der Gewindeauslauf 5 und die radial außen liegende
Flanke 8 sind in diesem Ausführungsbeispiel parallel angeordnet
bei einem Winkel von 30°.
Mit zunehmender Eindringtiefe entlang der Achse 21 in die
Nut hinein verringert sich der Abstand der Ränder der Nut von der Achse 21 monoton,
d. h. er vergrößert sich
an keiner Stelle. Dadurch lässt
sich die erfindungsgemäße Nut durch
eine Drehbewegung der Verschlussschraube um die axiale Richtung 3 mit
einer eindimensionalen Bewegung des Werkzeugs 20 entlang
der Achse 21 wirtschaftlich produzieren.