-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung aus einem Zylinderelement,
einem im Zylinderelement aufgenommenen und zu einer axialen Hin- und
Herbewegung antreibbaren Kolben sowie einem Dichtungselement zur
Abtrennung eines vom Kolben und vom Zylinderelement begrenzten Arbeitsraums.
-
Aus
dem Stand der Technik sind ein- oder mehrteilig aufgebaute Dichtungselemente
bekannt, die entweder aus einem einheitlichen Material bestehen
oder aus Materialkombinationen hergestellt sind. Grundsätzlich
gilt, dass mehrteilig aufgebaute und/oder aus verschiedenen Materialien
gefertigte Dichtelemente üblicher Weise teuerer sind als
einteilig ausgeführte und/oder aus einem einzigen Material hergestellte
Dichtelemente und dass letztere deshalb aus Kostengründen
bevorzugt eingesetzt werden.
-
Einteilige
und aus einem einzigen Material gefertigte Dichtungselemente werden
in Fachkreisen auch als Elastomerdichtungselemente bezeichnet. Sie
sind in unterschiedlichen Querschnittsformen am Markt erhältlich.
Bekannt sind z. B. O-Ringe, Quad-Ringe oder Nut-Ringe. Quad-Ringe
und Nut-Ringe weisen entlang ihres Umfangs ausgebildete druckbeaufschlagbare
Dichtlippen auf, welche vorteilhafter Weise mit zunehmender Druckbelastung eine
verbesserte Abdichtwirkung bereitstellen. Im nicht druckbelasteten
Zustand wird die Dichtwirkung dieser Dichtungselemente in der Regel
durch eine ausreichend hohe Verpressung und einem daraus resultierenden
hohen Kontaktdruck erreicht.
-
Dennoch
können derartige Dichtungselemente eine gewisse Druckmittelleckage
nicht verhindern, insbesondere dann nicht, wenn aufgrund der Betriebsbedingungen
am Dichtungselement zeitweise Unterdruck anliegt, wie dies bei Dichtungsanordnungen
zur Abdichtung von Kolben in Zylindereinheiten üblicherweise
der Fall ist. Bei Kolben-/Zylindereinheiten besteht eine weitere
technische Herausforderung für das Dichtungselement darin,
sowohl einen statischen Zustand (ruhendes, nicht bewegtes Kolbenelement)
als auch einen dynamischen Zustand (axial betätigtes Kolbenelement)
wirksam abzudichten.
-
Der
Stand der Technik offenbart speziell für diese Fälle
verhältnismäßig komplex gestaltete, mehrteilig
ausgeführte Dichtungseinheiten, wie z. B. durch Federringe
vorgespannte Kunststoff- oder Teflon-Ringe oder sogenannte Manschettensätze.
Derartige Dichtungseinheiten haben üblicherweise asymmetrisch
geformte Dichtseiten und erzeugen ein dementsprechendes Kontaktdruckprofil.
Ein bedeutender Vorteil asymmetrischer Dichtungsprofile besteht
darin, dass sie eine ungleiche hydrodynamische Schleppströmung
bei ein- bzw. ausfahrender Kolbenbewegung bewirken, aufgrund der
eine effektive Rückförderung von Medium zurück
in den abzudichtenden Arbeitsraum erreicht werden kann. Bewegt sich
der Kolben in den Arbeitsraum hinein (Arbeitshub) wird eine vergleichsweise
starke Schleppwirkung erreicht. Bewegt sich der Kolben dagegen aus
dem abzudichtenden Arbeitsraum heraus (Saughub), so zeichnen sich
Dichtungselemente mit asymmetrischem Profil durch eine besonders
geringe Schleppströmung nach außen aus. In der
Bilanz wird damit eine effektive Rückförderung
von Medium zurück in den Arbeitsraum hinein und folglich
eine hohe Dichtungswirkung erzielt. Das physikalische Grundprinzip
auf dem die erläuterte Rückförderwirkung
beruht, ist wissenschaftlich untersucht und zählt zum Stand
der Technik (siehe beispielsweise
DE 103 60 601 A1 ).
-
Weitere
Anforderungen für dynamisch beanspruchte Dichtungsanordnungen
sind auftretende Radialbewegungen des Kolbens, die vornehmlich aufgrund
der Kolbenbetätigung ausgelöst werden. Des Weiteren
sind die Widerstandsfähigkeit eines Dichtungselements gegenüber
laufzeitbedingtem Verschleiß und die Reibungseigenschaften
von maßgeblicher Bedeutung.
-
Die
oben erläuterte rückfördernde Wirkung setzt
allerdings eine lagerichtige Montage der Dichtungseinheiten voraus.
Weiterhin von Nachteil ist die aufwändige Bauweise dieser
Dichtungseinheiten, ihr entsprechend großer Bauraumbedarf,
ihre hohen Kosten, ein Mehraufwand für das Handling bei
der Montage sowie ihre Empfindlichkeit gegenüber mechanischen
Beschädigungen.
-
Vorteile der Erfindung
-
Der
Erfindung zugrunde liegende Dichtungselemente weisen gegenüber
dem erläuterten Stand der Technik den Vorteil auf, dass
sie die Eigenschaften eines einfach und kostengünstig herstellbaren, einteiligen
Elastomerdichtungselements mit den günstigen Rückfördereigenschaften
einer mehrteilig ausgeführten Dichtungseinheit mit asymmetrischer Dichtungsgeometrie
kombinieren. Sie bewirken an den Dichtkanten ein asymmetrisches
Kontaktdruckprofil, das sich durch die mechanische Vorspannung der
Dichtungselemente im Einbauraum in Verbindung mit den elastischen
Materialeigenschaften und der Geometrie ihres Dichtungsquerschnitts
einstellt. Separate Elemente zur mechanischen Vorspannung der Dichtungselemente
sind nicht erforderlich. Weiterhin vorteilhaft ist, dass die rückfördernde
Wirkung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Dichtungselements
unabhängig von dessen Einbaulage ist.
-
Das
Dichtungselement ist dazu erfindungsgemäß symmetrisch
zu einer Mittelachse gestaltet, welche quer zur Richtung der Hubbewegung
des Kolbens verläuft. Durch diese Gestaltung wird des Weiteren
die Herstellbarkeit des Dichtungselements vereinfacht.
-
Weitere
Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
-
Zeichnung
-
Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 2 der
Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung detailliert
erläutert. Anhand von 1 werden
die für das Verständnis der Erfindung relevanten
Hintergrundinformatio nen erläutert. Beide Figuren zeigen
die Dichtungselemente im Querschnitt, wobei der Einfachheit halber
jeweils nur Halbschnitte dargestellt werden.
-
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
-
Das
in der 1 dargestellte Dichtungselement 100 ist
beispielhaft in einer Bohrung 102 eines Zylinderelements 104 zwischen
einem Stützring 106 und einem Begrenzungselement 108 ortsfest
angeordnet. Es ist ringförmig ausgebildet und dichtet mit seinem
Innenumfang gegen die Umfangsfläche eines Kolbens 110 und
am Außenumfang gegen die Bohrungswand des Zylinderelements 104 ab.
Der Kolben 110 ist relativ zum Dichtungselement 100 zu einer
hin- und hergehenden Hubbewegung H antreibbar und ist dazu verschieblich
im Begrenzungselement 108 aufgenommen. Die Hubbewegung
H verläuft in Axialrichtung der Bohrung 102. Ein
vom Dichtungselement 100 abzudichtender Arbeitsraum 112 wird
vom Kolben 110 und vom Zylinderelement 104 begrenzt
und ist in der 1 schematisch zu erkennen.
-
Das
Dichtungselement 100 ist einteilig ausgeführt
und hat einen Querschnitt mit im Wesentlichen quadratischer Grundform.
Es besteht aus einem einheitlichen Elastomermaterial, vorzugsweise aus
EPDM. Die Querschnittsform setzt sich aus vier, zumindest annähernd
rechwinklig zueinander ausgerichteten Dichtungselementseiten zusammen,
wobei diese Dichtungselementseiten jeweils unterschiedlich ausgestaltet
sind.
-
Die
in 1 nach unten weisende erste Dichtungselementseite
liegt an der Umfangsfläche des Kolbens 110 an
und bildet die Innenkontur des Dichtungselements 100. Sie
wird nachfolgend als Dichtseite bezeichnet. Die Gestaltung dieser
Dichtseite wird von zwei konvergierenden Dichtungsflanken 130, 132 unterschiedlich
großer Flankenwinkel 134, 136 bestimmt.
Eine Dichtungslippe 138 ist am Übergang von der
einen zur anderen Dichtungsflanke 130, 132 ausgebildet.
Sie wird von einem Übergangsradius gebildet, der zwischen
0,1 und 0,4 mm groß ist. Aufgrund der beiden unterschiedlich
großen Flankenwinkel 134, 136 liegt die
Dichtungslippe 138 in 1 links
abseits einer senkrecht verlaufenden Mittelachse 140 einer
Stützseite des Dichtungselements 100 und verleiht
dem Dichtungselement 100 dadurch eine asymmetrische Querschnittsform.
-
Die
erste Dichtungsflanke 130 befindet sich auf einer dem Arbeitsraum 112 zugewandten
Seite des Dichtungselements 100. Ihr Flankenwinkel 134 beträgt
zwischen 50° bis 70°. Die zweite Dichtungsfläche 132 hat
demgegenüber einen kleineren Flankenwinkel 132 von
lediglich 10° bis 45° und ist abgewandt vom abzudichtenden
Arbeitsraum 112 auf einer sogenannten Niederdruckseite
des Dichtungselements 100 angeordnet. Beide Dichtungsflanken 130, 132 sind
beispielhaft gerade ausgeführt.
-
Die
der Dichtseite gegenüberliegende Seite des Dichtungselements 100 wird
als Stützseite bezeichnet. Sie ist spiegelsymmetrisch zu
einer Mittelachse 140, welche quer zur Richtung der Hubbewegung
H des Kolbens verläuft, gestaltet und wird an ihrem niederdruck-
und hochdruckseitigen Rand von jeweils einem vorstehenden Wulst 150 begrenzt.
Die beiden Wulste 150 stützen sich an der Wandung
der Bohrung 102 ab. Eine sich symmetrisch zu beiden Seiten
der Mittelachse 140 erstreckender Aussparung 152 liegt
zwischen beiden Wulsten 150 des Dichtungselements 100.
Diese Aussparung 152 ist konkav nach innen gewölbt.
-
Die
abgewandt von dem durch den Kolben 110 und das Zylinderelement 104 begrenzten
Arbeitsraum 112 liegende Niederdruckseite des Dichtungselements 100 ist
beim Ausführungsbeispiel in Form einer geraden Flanke 154 ausgeführt.
-
Eine
dem Arbeitsraum 112 zugewandte und als Hochdruckseite bezeichnete
Seite des Dichtungselements 100 liegt dieser Niederdruckseite
gegenüber. Die Hochdruckseite ist abschnittsweise als gerade
Flanke 156 ausgebildet und mit einer angeformten Markierung 160 versehen.
Letztere erlaubt es, eine lagegerechte Montage des Dichtungselements 100 zu
gewährleisten bzw. fehlerhaft montierte Dichtungselemente 100 leicht
fest zu stellen.
-
Die
Markierung 160 ist exemplarisch anhand eines abstehenden,
umlaufenden Wulstes realisiert. Dieser erstreckt sich über
einen Teil der Hochdruckseite und geht ansatzfrei in die erste Dichtungsflanke 130 der
Dichtseite über.
-
Das
Begrenzungselement 108 weist auf seiner dem Dichtungselement 100 zugewandten
Seite eine invertiert geformte Ausnehmung 162 auf, in welche
die Markierung 160 vollständig eingreift. Im dargestellten
Zustand bewirkt die Markierung 160 deshalb keine Vergrößerung
des zwischen dem Führungselement 108 und dem Stützring 106 bestehenden
Einbauraums.
-
Die äußeren
Abmessungen des Dichtungselements 100 sind auf die Innenabmessungen
des Zylinderelements 104 bzw. auf die Außenabmessungen des
Kolbens 110 derart abgestimmt, dass sich im drucklosen
Zustand der Dichtungsanordnung und bei nicht betätigtem,
ruhendem Kolben 110 eine Verpressung des Dichtungselements 100 zwischen
8% und 25% einstellt. Das Verhältnis der Breite B zur Schnurstärke
S des Dichtungselements 100 liegt im Bereich zwischen 0,5
und 2,0 sofern sich das Dichtungselement 100 im nicht druckbelasteten
Zustand befindet. In 1 ist der Querschnitt des Dichtungselements 100 im
nicht verpressten Zustand dargestellt, da lediglich in diesem Zustand
das Querschnittsprofil deutlich erkennbar ist.
-
Aufgrund
der Verpressung des Dichtungselement 100 in Kombination
mit den unterschiedlich großen Flankenwinkeln 134, 136 der
die Dichtlippe 138 bildenden Dichtungsflanken 134, 136 stellt
sich ein vordefinierter Kontaktdruckverlauf ein, mit dem das Dichtungselement 100 gegen
die Umfangsfläche des Kolbens 110 gedrückt
wird. Den maximalen Kontaktdruck übt das Dichtungselement 100 im
Bereich seiner Dichtlippe 138 auf den Kolben 110 aus.
In axialer Richtung diesseits und jenseits der Dichtlippe 138 nimmt
der Kontaktdruck kontinuierlich ab, wobei der Gradient der Kontaktdruckabnahme
direkt im Zusammenhang mit der Größe des Flankenwinkels 134, 136 der
zugeordneten Dichtflanken 130, 132 steht und mit
dem Flankenwinkel innerhalb des zuvor angegebenen Winkelbereichs
kontinuierlich zunimmt. Dies bedeutet, dass Dichtflanken mit großem Flankenwinkel
einen steileren Abfall des Kontaktdrucks (großer Gradient)
bewirken, als Dichtflanken kleineren Flankenwinkels (kleinerer Gradient).
Wie bereits erwähnt, weist die hochdruckseitige Dichtflanke 130 einen
größeren Flankenwinkel 134 und damit einen
größeren Gradienten auf als die niederdruckseitige
Dichtflanke 132.
-
Die
unterschiedlichen Gradienten bewirken bei einer Bewegung des Kolbens 110 in
Richtung Hochdruckseite d. h. beim Einfahren des Kolbens 110 in
den Arbeitsraum 112, eine vergleichsweise hohe Schleppströmung,
so dass zuvor ausgetretenes Druckmittel in diesen vom Kolben 110 und
vom Zylinderelement 104 begrenzten Arbeitsraum 112 zurück
gefördert wird.
-
Die
Außenseiten des Dichtungselements 100 gehen an
ihren jeweiligen Rändern kontinuierlich, das heißt
ohne Absätze, Stufen, spitze Kanten oder dergleichen, ineinander über.
Ein kontinuierlicher Übergang ermöglicht einerseits
eine gute Entformbarkeit des Dichtungselements 100 aus
seiner Form bei der Herstellung und wirkt sich darüber
hinaus vorteilhaft hinsichtlich der Abdichteigenschaften des Dichtungselements 100 im
Einsatzfall aus.
-
2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das dargestellte
Dichtungselement 300 unterscheidet sich in der Gestaltung
seiner Dichtseite vom Dichtungselement 100. Erfindungsgemäß weist die
Dichtseite ein Paar von Dichtlippen 302, 304 auf, die
jeweils von zwei konvergierenden Dichtflanken 306, 308 bzw. 310, 312 unterschiedlich
großer Flankenwinkel 314, 316 bzw. 318, 320 gebildet
werden. Hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen stimmen beim
dargestellten Ausführungsbeispiel die beiden Dichtlippen 302, 304 miteinander
und mit der in 1 gezeigten Ausführung überein.
Allerdings sind die Dichtlippen 302, 304 spiegelsymmetrisch
zu einer quer zur Richtung der Hubbewegung des Kolbens verlaufenden
Mittelachse 322 durch den Querschnitt des Dichtungselements 300 angeordnet
und dadurch entgegengesetzt zueinander geneigt. Dementsprechend
sind die Dichtflanken 308 und 312 kleineren Flankenwinkels 316; 318 einander
zugewandt, während die Dichtflanken 306 und 310 mit
größerem Flankenwinkel 314; 320 voneinander
abgewandt am äußeren Rand der Dichtseite des Dichtungselements 300 angeordnet
sind. Alternativ kann die Dichtseite des Dichtungselements 300 auch
mehrere entgegengesetzt zueinander geneigte Dichtlippenpaare umfassen.
-
Die
Stützseite dieses Dichtungselements 300 stimmt
mit der des Dichtungselements 100 überein. Sie
ist spiegelsymmetrisch zur Mittelachse geformt und weist randseitig
Wulste 324, 326 und, dazwischen liegend, eine
konkav zurückspringende Ausnehmung 328 auf. Niederdruckseite
und die Hochdruckseite des Dich tungselements 300 werden von
gerade ausgeführten, senkrecht verlaufenden Flanken 330, 332 gebildet.
Insgesamt ergibt sich damit ein symmetrisches Querschnittsprofil,
das sich verhältnismäßig einfach, vorzugsweise
spritzgusstechnisch herstellen lässt.
-
Aufgrund
der bestehenden Symmetrie zur Mittelachse 322 bedarf dieses
Dichtungselement 300 keines lagegerechten Einbaus zur Darstellung
der in Zusammenhang mit der Beschreibung von 1 erläuterten
rückfördernden Wirkung. Das Dichtungselement 300 kommt
ohne Markierungen zur Erkennung einer lagerichtigen Montage aus.
-
Selbstverständlich
sind Änderungen oder Ergänzungen an den beschriebenen
Ausführungsbeispielen denkbar, ohne vom Grundgedanken der
Erfindung abzuweichen. Das der Erfindung zugrunde liegende Dichtungselementen
eignet sind insbesondere für einen Einsatz bei Kolbenpumpen
und/oder Druckspeichern in Hydroaggregaten schlupfregelbarer hydraulischer
Fahrzeugbremsanlagen.
-
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
-