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Stand der Technik
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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 gemäß den
weiteren Merkmalen des Gattungsbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus
dem Stand der Technik sind ein- oder mehrteilig aufgebaute Dichtungselemente
bekannt, die aus einheitlichem Material oder aus Verbundmaterial
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.
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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.
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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.
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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 Dichtungsprofile 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 das Kolbenelement 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 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 ).
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Nachteilig
bei derartigen Dichtungselementen ist deren aufwändige
Bauweise, ihr entsprechend großer Bauraumbedarf, ihre hohen
Kosten, ein Mehraufwand für das Handling bei der Montage
sowie ihre Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Beschädigungen.
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Weitere
Anforderungen für dynamisch beanspruchte Dichtungsanordnungen
sind auftretende Radialbewegungen des Kolbens, die vornehmlich aufgrund
der Kol benbetätigung ausgelöst werden. Weiterhin
sind die Widerstandsfähigkeit eines Dichtungselements gegenüber
laufzeitbedingtem Verschleiß und die Reibungseigenschaften
von maßgeblicher Bedeutung.
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Vorteile der Erfindung
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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 ein asymmetrisches Kontaktdruckprofil,
das sich durch die mechanische Vorspannung der Dichtungselemente
im Einbauraum in Verbindung mit den elastischen Materialeigenschaften
und der Geometrie ihres Dichtungsquerschnitts ergibt. Separate Elemente zur
mechanischen Vorspannung der Dichtungselemente sind also keine erforderlich.
Die der Erfindung zugrunde liegende konstruktive Gestaltung eines Dichtungselements
bewirkt verbesserte Hysterese-, Reibungs- und Verschleißeigenschaften,
vermag Radialbewegungen eines Kolbenelements sowie unvermeidliche
Bauraumtoleranzen der Dichtungsanordnung auszugleichen und dichtet
zuverlässig sowohl gegen anliegenden Über- als
auch gegen anliegenden Unterdruck ab. Weiterhin zeichnet sich ein
erfindungsgemäßes Dichtungselement durch einen
geringen Bauraumbedarf und ein verhältnismäßig
einfaches Handling bei der Montage aus.
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Weitere
Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
detailliert erläutert. Die 1 und 2 zeigen
verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer
Dichtungselemente jeweils im Querschnitt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Das
in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel
eines Dichtungselements 100 ist 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 und vom Zylinderelement 104 umschlossen. Der
Arbeitsraum 112 ist in der 1 lediglich
schematisch zu erkennen.
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Das
erfindungsgemäße 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.
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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 nach links
versetzt zu einer Mittelachse 140, welche quer zur Richtung
der Hubbewegung H des Kolbens 110 verläuft. Das
Dichtungselement 100 weist demnach eine asymmetrische Querschnittsform
auf.
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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.
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Die
der Dichtseite gegenüberliegende Seite des Dichtungselements 100 wird
als Stützseite bezeichnet. Sie ist im Ausführungsbeispiel
spiegelsymmetrisch zur Mittelachse 140 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 zu beiden
Seiten der Mittelachse 140 erstreckende Aussparung 152 liegt
zwischen beiden Wulsten 150 des Dichtungselements 100.
Diese Aussparung 152 ist konkav nach innen gewölbt.
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Die
abgewandt von dem durch den Kolben 110 und durch das Zylinderelement 104 begrenzten Arbeitsraum 112 liegende
Niederdruckseite des Dichtungselements 100 ist beim Ausführungsbeispiel in
Form einer geraden Flanke 154 ausgeführt.
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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. ein fehlerhaft montiertes Dichtungselement 100 fest
zu stellen. Die Markierung 160 ist exemplarisch anhand
eines senkrecht von der Hochdruckseite des Dichtungselements 100 abstehenden,
umlaufenden Wulstes realisiert. Der Wulst erstreckt sich in seinem
Querschnitt lediglich über einen Teil der Hochdruckseite
und geht ansatzfrei in die erste Dichtungsflanke 130 der
Dichtseite über. Alternativ ließe sich die Markierung 160 auch
in Form eines vorspringenden Noppens (nicht gezeigt) ausbilden.
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Das
Begrenzungselement 108 weist auf seiner dem Dichtungselement 100 zugewandten
Seite eine Aussparung 162 auf, in welche die Markierung 160 vollständig
eingreift. Im dargestellten Zustand bewirkt die Markierung 160 deshalb
keine Vergrößerung des zwischen dem Begrenzungselement 108 und
dem Stützring 106 bestehenden Einbauraums. Selbstverständlich
wäre es möglich, die Markierung 160 am
Dichtungselement 100 alternativ auch als Ausnehmung auszubilden
in die ein am Begrenzungselement 108 angeformter Wulst
eingreift, um nicht lagegerecht montierte Dichtungselemente 100 anhand
des vergrößerten Bauraumbedarfs für eine Montageeinheit
aus Dichtungselement 100 und Anlageelement 108 fest
zu stellen.
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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 Maß der Verpressung drückt
aus, dass die Schnurstärke S des Dichtungselements 100 im
unbelasteten, nicht eingebauten Zustand zwischen 8% und 25% größer
ist als die Differenz aus dem Innendurchmesser des Zylinderelements 104 und
dem Außendurchmesser des Kolbens 110.
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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 und nicht druckbeaufschlagten Zustand gezeigt,
da allein im derartigen Zustand das Querschnittsprofil deutlich
zu erkennen ist.
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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.
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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.
Zuvor ausgetretenes Druckmittel kann dadurch in diesen vom Kolben 110 und vom
Zylinderelement 104 begrenzten Arbeitsraum 112 zurück
gefördert werden.
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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 unter
Einsatzbedingungen aus.
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Das
in der 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel
eines Dichtungselements 200 weist ebenfalls eine von zwei
konvergierenden Dichtflanken 202, 204 unterschiedlicher
Flankenwinkel 206, 208 und einer dazwischen liegenden
Dichtlippe 210 gebildete Dichtseite auf. Bezüglich
dieser Dichtseite und weiterhin bezüglich der Stützseite
ist das Dichtungselement 200 zum Dichtelement 100 (1) identisch
ausgebildet. Dementsprechend weist die Stützseite wiederum
randseitig angeordnete Wulste 220, 222 und eine
zwischen diesen Wulsten 220, 222 platzierte, konkav
nach innen gewölbte Aussparung 224 auf.
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Der
Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin,
dass die vom Arbeitsraum 112 abgewandte Niederdruckseite
beim zweiten Ausführungsbeispiel nach außen gewölbt
ist, wobei sich die vorgesehene Wölbung 212 über
die gesamte Ausdehnung dieser Niederdruckseite erstreckt. Weiterhin
weist das Dichtungselement 200 eine der Niederdruckseite
gegenüberliegende Hochdruckseite mit an ihren beiden Rändern,
vergleichbar zur Stützseite, vorspringenden Wulsten 214 und
einer zwischen diesen Wulsten 214 angeordneten, konkav
nach innen gewölbten Aussparung 216 auf. Die Übergänge
an den Rändern der Außenseiten des Dichtungselements 200 erfolgen
auch bei diesem Ausführungsbeispiel kontinuierlich, so
dass sich speziell am Übergang von der Hochdruckseite zur
Stützseite dieses Dichtungselements 200 eine verhältnismäßig
schlanke und dementsprechend besonders elastische Dichtlippe 218 ausbildet.
Letztere gestattet eine besonders wirksame Abdichtung des Arbeitsraums 112 bei
steigender Druckbeaufschlagung.
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Weil
ein Dichtungselement 200 stark unterschiedlich geformte
Hoch- und Niederdruckseiten aufweist, reduziert sich die Gefahr
einer nicht lagegerechten Montage. Das Dichtungselement 200 kommt daher
ohne Markierung aus, um eine versehentlich nicht lagegerechten Montage
feststellen zu können.
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Selbstverständlich
sind Änderungen oder Ergänzungen an den beschriebenen
Ausführungsbeispielen denkbar, ohne vom Grundgedanken der
Erfindung abzuweichen. Dahingehend ist anzumerken, dass 1 ein
Dichtungselement 100 zeigt, das ortsfest am Zylinderelement 104 angeordnet
ist und dessen Dichtseite am Innenumfang (Innendichtungselement)
ausgebildet ist. Ebenso wäre jedoch ein sogenanntes außen
dichtendes Dichtungselement 100 vorstellbar, dessen Dichtseite
sich am Außenumfang befindet. Außendichtungselemente
sind am Kolbenelement 110 anzuordnen und führen
gemeinsam mit diesem eine Hubbewegung H relativ zum Zylinderelement 104 aus.
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Die
beschriebenen Ausführungsvarianten von Dichtungselementen
eignen sind insbesondere für einen Einsatz bei Kolbenpumpen
oder Druckspeichern in Hydroaggregaten schlupfregelbarer hydraulischer
Fahrzeugbremsanlagen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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