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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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Aus
DE 10 2006 046 631 A1 ist eine Verschlussschraube nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit koaxialer Ringnut, die schräg in eine Firstplatte hinein nach radial innen orientiert ist, bekannt. In
DE 299 00 812 U1 wird ein Abdichtstopfen mit zwei Dichtbereichen beschrieben, wobei ein Dichtbereich formkongruent zum Gehäuse ausgebildet ist und der andere von einem Dichtungselement geformt wird. Beide Dokumente beschreiben eine Ringnut, welche so gestaltet ist, dass ein Dichtungsring beim Einsetzen der Verschlussschraube bzw. des Abdichtstopfens in die Ringnut gestaucht wird.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungsform eines Einsatzstückes mit einer Ringnut in einem Flansch anzugehen.
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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, wobei 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 abfällt, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanke der Nut 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, während 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 Zustand 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 Figur 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.
