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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dachmanschettenring und einen Druckring für einen Dachmanschettendichtungssatz gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche sowie einen Dachmanschettendichtungssatz.
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Stand der Technik
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Zur Abdichtung einer axialen Relativbewegung zwischen zwei Bauteilen, wie z. B. bei Hydraulikanwendungen zwischen Kolbenstange und Zylinder bzw. Lager, werden oftmals sogenannte Dachmanschettendichtungssätze bspw. als Stangendichtung oder Kolbendichtung eingesetzt. Diese bestehen aus einem Druckring, einem oder mehreren Dachmanschetten(ringen) und einem Stützring. Ein gattungsgemäßer Dachmanschettendichtungssatz wird in
DE 199 06 733 C2 beschrieben.
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Dachmanschettendichtungssätze haben den Vorteil eines modularen Aufbaus, so dass sie zum einen einfach an die vorherrschenden Druckgegebenheiten durch Einsatz von mehr oder weniger Dachmanschetten angepasst werden können und zum anderen einfach einzubauen und auch zu warten bzw. zu ersetzen sind. Sie bieten zudem eine relative gute Dichtheit. Andererseits besteht jedoch auch eine große Reibung zwischen bewegtem Bauteil und Dichtungssatz, so dass ein großer Widerstand überwunden werden muss und auch die Abnutzung relativ groß ist. Insbesondere in der Hydraulik, wo relativ große Druckunterschiede abzudichten sind und daher oft sehr viele Manschetten benötigt werden, besteht daher Bedarf nach verbesserten, insbesondere reibungsärmeren, Dichtungsmöglichkeiten. Insbesondere in der Schwerhydraulik ist heutzutage der Einsatz von Dachmanschettendichtungssätzen kaum möglich, da die dann auftretende Reibung zu groß würde. In der Folge müssen andere Dichtkonzepte eingesetzt werden, denen jedoch die Modularität fehlt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Dachmanschettenring und einen Druckring für einen Dachmanschettendichtungssatz sowie ein Dachmanschettendichtungssatz mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung stellt die genannten Dichtungsringe für Dachmanschettendichtungssätze mit einer besonderen Geometrie bereit. Dem sich bewegenden Bauteil zugewandte Flächen schließen im Einsatz mit der Bewegungsrichtung und damit dem Bauteil bestimmte Winkel ein, so dass eine hydrodynamische Schmierung erreicht wird und gleichzeitig aufgrund der Geometrie durch die Bewegung ein Zurückpumpen des abzudichtenden Fluids von der Niederdruckseite zur Hochdruckseite stattfindet. Somit kann insgesamt die Reibung wesentlich reduziert werden, wobei gleichzeitig die Dichtheit kaum leidet. In der Folge sinken auch Abnutzung und Wartungsaufwand erheblich. Die Erfindung schafft die bspw. Möglichkeit, Dachmanschettendichtungssätze auch für die Schwerhydraulik ohne Nachteile einsetzbar zu machen. Die Erfindung schafft eine Abdichtung zwischen den sich bewegenden Bauteilen durch einen Fluidfilm gemäß einer hydrodynamischen Schmierung. Dieser Fluidfilm zusammen mit der speziellen asymmetrischen Geometrie der Dichtungsflächen ermöglicht ein Rückpumpen des Fluids. Die Erfindung reduziert die Reibung und erhält den modularen Aufbau und die damit verbundenen Vorteile herkömmlicher Dachmanschettendichtungsringsätze.
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Die Erfindung basiert auf der speziellen Ausgestaltung des Dachmanschettenrings, insbesondere der Dichtungsflächen der dem bewegten Bauteil zugewandten Seite, und auf der speziellen Ausgestaltung des Druckrings, insbesondere der dem bewegten Bauteil zugewandten Seite. Als Stützring für einen erfindungsgemäßen Dachmanschettendichtungsringsatz kann herkömmlicher Bauart sein. Der Druckring besteht vorzugsweise ganz oder zum Teil aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE), der Dachmanschettenring aus einem thermoplastischen Elastomer, z. B. Polyurethan (PUR). Der Stützring kann aus Nitrilkautschuk (NBR) bestehen.
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Ein wesentlicher Vorteil der asymmetrischen Dichtungsprofile ist, dass der hydrodynamische Fluss bei der Bewegung des Bauteils in die eine Richtung von dem hydrodynamischen Fluss bei der Bewegung des Bauteils in die andere Richtung abweicht, was zu einem effektiven Rückpumpen des abzudichtenden Fluids führt. Wenn sich das Bauteil, beispielsweise der Kolben oder die Kolbenstange, in Richtung Hochdruckseite bewegt, wird ein relativ starker Schleppfluss erzeugt. Wenn sich hingegen das Bauteil in Richtung Niederdruckseite bewegt, wird nur ein minimaler Fluidfilm erzeugt. Im Ergebnis wird dadurch effektiv Fluid zur Hochdruckseite zurückgepumpt, was einen hohen Dichtungseffekt bewirkt. Dieser Effekt wird durch die Anzahl der Dichtmanschettenringe verstärkt. Das strukturelle Konzept der Erfindung führt zu verbesserten Reibungs- und Abnutzungseigenschaften, erlaubt auch große Bewegungen des Bauteils und ist dennoch einfach zu handhaben, herzustellen, zusammenzubauen und zu warten.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dachmanschettendichtungsringsatzes in einer Axialschnittsansicht im Einsatz als Stangendichtung zwischen zwei sich axial relativ zueinander bewegenden Bauteilen.
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2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dachmanschettendichtungsringsatzes in einer Axialschnittsansicht im Einsatz als Stangendichtung zwischen zwei sich axial relativ zueinander bewegenden Bauteilen.
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3 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dachmanschettendichtungsrings in einer Axialschnittsansicht.
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4 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dachmanschettendichtungsrings in einer Axialschnittsansicht.
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5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckrings in einer Axialschnittsansicht.
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In den Figuren sind erfindungsgemäße Elemente jeweils im Axialschnitt abgebildet und werden im Folgenden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Wenngleich die abgebildeten Dachmanschettendichtungsringsätze jeweils einen Druckring, drei Dachmanschettenringe und einen Stützring umfassen, sei ausdrücklich klargestellt, dass die Erfindung auch auf einen einzelnen Stützring und einen einzelnen Dachmanschettenring gerichtet ist. Weiterhin ist die Anzahl der Ringe in einem Dachmanschettendichtungsringsatz vom Einsatzzweck abhängig und kann vom Fachmann entsprechend ausgewählt werden.
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In 1 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dachmanschettenringsatzes in einer Axialschnittsansicht dargestellt und insgesamt mit 1 bezeichnet. Ein solcher Dachmanschettendichtungsringsatz 1 wird zwischen einem sich entlang einer Achse A, welche zugleich die Ringachse (= Symmetrieachse) ist, bewegenden ersten Bauteil 3 und einem relativ zum Dachmanschettendichtungsringsatz 1 ortsfesten zweiten Bauteil 2 vorgesehen, um ein Fluid auf einer Hochdruckseite H gegenüber einer Niederdruckseite N abzudichten. Insbesondere wird ein Dachmanschettendichtungsringsatz in der Hydraulik als Stangendichtung oder als Kolbendichtung eingesetzt. Der Dachmanschettendichtungsringsatz 1 umfasst einen Druckring 8, drei Dachmanschettenringe 4 sowie einen Stützring 10. Der Druckring schließt den Dachmanschettendichtungsringsatz niederdruckseitig, der Stützring hochdruckseitig ab.
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Die zweite bevorzugte Ausführungsform 1' gemäß 2 unterscheidet sich von der ersten bevorzugten Ausführungsform 1 gemäß 1 durch eine andere Geometrie der Dachmanschettendichtungsringe 4'.
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Im Folgenden sollen zunächst die Geometrie eines bevorzugten Dachmanschettendichtungsrings 4, 4' näher erläutert werden, der im Detail in 3 bzw. 4 dargestellt ist. Der Dachmanschettenring 4 besteht vorzugsweise aus einem Elastomer, insbesondere PUR, und ist insgesamt ringförmig ausgebildet, wobei er im Axialschnitt ein V-förmiges Profil aufweist.
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Die dem sich bewegenden Bauteil 3 zugewandte Dichtungsseite, welche in der hier als Stangendichtung ausgebildeten Konfiguration gleichzeitig einen Innenumfang des Dachmanschettendichtungsrings 4 beschreibt, ist mit 5 bezeichnet. Die Ausgestaltung der Dichtungsseite 5 ist im Wesentlichen durch zwei sich von einer Dichtungslippe 13 erstreckende Dichtungsflächen 11 und 12 definiert. Die Dichtungsflächen 11 und 12 schließen jeweils mit dem Bauteil 3 unterschiedliche Winkel, hier einen Winkel a1 bzw. einen Winkel a2 ein. Die erste, niederdruckseitige Dichtungsfläche 11 schließt mit dem Bauteil 3 bzw. der Achse A den ersten Winkel a1 ein, die zweite, hochdruckseitige Dichtungsfläche 12 schließt mit dem Bauteil 3 bzw. der Achse A den zweiten Winkel a2 ein. Die Dichtungslippe 13 bildet die Verbindung der ersten und der zweiten Dichtungsfläche und kann insbesondere einen Ausrundungsradius aufweisen. Der Ausrundungsradius kann beispielsweise zwischen 0 und 0,8 mm betragen.
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Die erste, niederdruckseitige Dichtungsfläche 11 ist in Richtung eines weiteren Dachmanschettendichtungsrings oder in Richtung des Stützrings ausgerichtet. Der erste Winkel a1 liegt vorzugsweise zwischen 15 und 25 Grad. Die zweite, hochdruckseitige Dichtungsfläche 12 ist in Richtung eines weiteren Dachmanschettendichtungsrings oder in Richtung des Stützrings ausgerichtet. Der zweite Winkel a2 liegt vorzugsweise zwischen 30 und 40 Grad. Die hochdruckseitige Dichtungsfläche 12 ist im Profil im Wesentlichen gerade, die niederdruckseitige Dichtungsfläche 11 kann im Profil gekrümmt (vgl. 1 und 3) oder gerade (vgl. 2 und 4) sein.
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Der Dichtungsseite 5 ist eine dritte Dichtungsfläche 17 gegenüberliegend, die zur Abdichtung gegenüber dem ortsfesten Bauteil 2 dient. Die dritte Dichtungsfläche 17 schließt vorzugsweise mit dem zweiten Bauteil 2 bzw. der Achse A einen dritten Winkel a3 von 2 bis 8 Grad ein. An die dritte Dichtungsfläche 17 schließt sich hochdruckseitig eine Dichtungsfläche 18 an, die mit der Achse A vorzugsweise einen Winkel von etwa 90 Grad einschließt.
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Der Dachmanschettendichtungsring 4, 4' verfügt im Weiteren über drei niederdruckseitige Flächen 14, 15 und 16, die die Dichtungsseiten 5 und 17 niederdruckseitig verbinden und im Folgenden als Unterstützungsflächen bezeichnet werden. Die Unterstützungsflächen 14 und 16 schließen mit der Achse A vorzugsweise einen Winkel von 40 bis 45 Grad, vorzugsweise denselben Winkel. Die Unterstützungsfläche 15 ist gerade und steht vorzugsweise senkrecht auf der Achse A.
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Auf der Hochdruckseite finden sich entsprechende Unterstützungsflächen 19, 20 und 21, wobei die Unterstützungsflächen 19 und 21 ebenfalls vorzugsweise einen Winkel von 40 bis 45 Grad mit der Achse A, weiter bevorzugt denselben Winkel, einschließen. Die Unterstützungsfläche 20 kann gekrümmt (wie vorliegend) oder gerade (nicht gezeigt) sein.
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Der Dachmanschettendichtungsringsatz 1 umfasst weiterhin einen bevorzugten Druckring 8, der im Detail in 5 abgebildet ist. Der Druckring 8 ist ebenfalls ringförmig und hat im Axialschnitt ein im Wesentlichen rechteckiges Profil mit einer hochdruckseitigen trapezförmigen Einbuchtung zur Aufnahme eines Dachmanschettenrings. Der Druckring weist eine Dichtungsseite 9 auf, die dem sich bewegenden Bauteil 3 zugewandt ist und in der hier dargestellten Konfiguration als Stangendichtung gleichzeitig einen Innenumfang des Druckrings 8 beschreibt. Die Dichtungsseite 9 ist durch zwei Dichtungsflächen 22 und 23 gekennzeichnet, wobei die vierte Dichtungsfläche 22 parallel zum sich bewegenden Bauteil 3 bzw. zur Achse A verläuft. Niederdruckseitig schließt sich an die vierte Dichtungsfläche 22 die fünfte Dichtungsfläche 23 an, welche mit dem Bauteil 3 bzw. der Achse A vorzugsweise einen vierten Winkel a4 von 1 bis 8 Grad einschließt. Die Dichtungsflächen 22 und 23 sind im Profil im Wesentlichen linear. Zwischen den Dichtungsflächen kann ein Ausrundungsradius, vorzugsweise zwischen 0 und 0,3 mm, vorgesehen sein.
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An die fünfte Dichtungsfläche 23 schließt sich niederdruckseitig eine Dichtungsfläche 24 an, die als Antiextrusionsfläche dient und mit der Achse A bzw. dem Bauteil 3 einen Winkel von 40 bis 50 Grad, vorzugsweise 45 Grad, einschließt.
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An die Dichtungsfläche 24 schließt sich eine als Druckunterstützungsfläche bezeichnete Fläche 25 an, die den Druckring 8 sowie den Dachmanschettendichtungsringsatz 1 niederdruckseitig abschließt. Die Druckunterstützungsfläche 25 steht senkrecht auf der Achse A.
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Von der Druckunterstützungsfläche 25 erstreckt sich hochdruckseitig in einem Winkel von 90 Grad und damit parallel zur Achse A eine Fläche 26, die einen Außenumfang des Druckrings 8 beschreibt.
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Hochdruckseitig sind an dem Druckring Unterstützungsflächen 28, 29 und 30 vorgesehen, die in Form und Funktion den bereits beschriebenen Unterstützungsflächen 19, 20, 21 des Dachmanschettenrings entsprechen und die erwähnte trapezförmige Einbuchtung definieren. Die Unterstützungsflächen 28 und 30 werden über zur Achse A senkrechte Dichtungsflächen 27 bzw. 31 mit den äußeren und inneren Umfangsflächen 26 bzw. 9 verbunden.
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Der Stützring 10 ist als herkömmlicher Stützring ausgebildet.
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Die äußeren Abmessungen des Dachmanschettendichtungsringsatzes 1, 1' sowie die inneren Abmessungen des Zylinders 2 und die äußeren Abmessungen der Kolbenstange 3 sind so bemessen, dass im Stillstand und ohne Druck eine minimale Kompression bzw. Vorspannung des Dachmanschettendichtungsringsatzes 1, 1' vorhanden ist, um ein statisches Abdichten zu erreichen. In den Figuren sind die einzelnen Elemente in einem nicht-vorgespannten und nicht unter Druck gesetzten Zustand dargestellt, da nur dann die Axialschnittsprofile klar zu erkennen sind.
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Durch die Kompression des Dachmanschettendichtungsringsatzes 1, 1' und die Ausgestaltung der Dichtungsflächen 11 und 12 wird ein vorbestimmtes Kontaktdruckprofil erzeugt, womit der Dachmanschettendichtungsringsatz gegen die äußere Oberfläche des Kolbens 3 gedrückt wird. Den maximalen Anpressdruck erfährt der Dachmanschettendichtungsringsatz im Bereich der Dichtungslippe 13. Davon ausgehend nimmt der Druck auf beiden Seiten kontinuierlich ab, wobei der Gradient der Anpressdruckabnahme direkt mit der Größe der Winkel a1 und a2 der zugehörigen Dichtungsflächen 11 und 12 verknüpft ist.
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Dies führt dazu, dass die Dichtungsfläche mit dem größeren Winkel eine größere Steigung im Anpressdruckgradienten hat als die Dichtungsfläche mit dem kleineren Winkel. Diese unterschiedlichen Gradienten führen zusammen mit der Bewegung des Bauteils 3 in die Hochdruckrichtung zu einem relativ großen Schleppfluss. Zuvor gelecktes Fluid kann dadurch zurückgepumpt werden. Die Höhe des Schleppflusses kann durch den ersten Winkel a1 an der niederdruckseitigen Dichtungsfläche 11 eingestellt werden.
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Die unterschiedlichen Gradienten verursachen zusammen mit der Bewegung des Bauteils 3 in Niederdruckrichtung einen verhältnismäßig dünnen Fluidfilm, der für eine ausreichende Schmierung sorgt. Die Dicke des Fluidfilms kann durch den zweiten Winkel a2 an der hochdruckseitigen Dichtungsfläche 12 und den Ausrundungsradius der Dichtungslippe 13 eingestellt werden.
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Die Geometrie der Dichtungsflächen 11, 12 und 13 des Dachmanschettendichtungsrings 4, 4' ist so gewählt, dass bei ansteigendem Hochdruck das asymmetrische Druckprofil, mit dem der Dachmanschettendichtungsringsatz an das Bauteil 3 gepresst wird, erhalten bleibt, was die Funktionalität des asymmetrischen Druckprofils, nämlich die Fluidfilmkontrolle und einen ausreichenden Rückpumpeffekt, bereitstellt.
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Es sei deutlich gemacht, dass die im Zusammenhang mit den dargestellten Ausführungsformen beschriebenen Winkel unabhängig voneinander besondere Weiterbildungen der Erfindung darstellen. Die Grenzen der beschriebenen Winkelbereiche liegen innerhalb der Bereiche.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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