DE102011082007B3

DE102011082007B3 - Dichtung und Steuereinrichtung mit dieser Dichtung

Info

Publication number: DE102011082007B3
Application number: DE102011082007A
Authority: DE
Inventors: Matthias Schlick; Werner Döhla; Olaf Seewald
Original assignee: Rausch and Pausch GmbH
Current assignee: Rapa Automotive GmbH and Co KG
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2031-09-02

Abstract

Eine dynamische Dichtung (10) zum radialen Abdichten zweier axial relativ zueinander verschieblicher Bauteile (1, 2) umfasst einen Dichtkörper (11) aus elastomerem Material mit zwei axial beabstandeten, radial außen liegenden Dichtlippen (14a, 14b) und zwei axial beabstandeten, radial innen liegenden Dichtlippen (15a, 15b) sowie einen den Dichtkörper (11) tragenden Stützkörper (12), der aus einem härteren Material besteht als der Dichtkörper (11), insbesondere aus einem Kunststoff. Der Stützkörper (12) besitzt einen radial freiliegenden, sich in axialer Richtung zwischen zwei Dichtlippen (15a, 15b) erstreckenden Führungsabschnitt (17) zur axialen Führung des beweglichen Bauteils (2) und einen dem Führungsabschnitt (17) gegenüberliegenden Verankerungsabschnitt (16) zur Verankerung der Dichtung (10) in dem anderen Bauteil (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtung, mit der axial relativ zueinander verschiebliche Bauteile radial gegeneinander abgedichtet werden. Solche Dichtungen finden Anwendung in Steuereinrichtungen, wie zum Beispiel in Ventilen oder Stellkolben, die mittels Druckbeaufschlagung, insbesondere Pneumatikdruck, betätigt werden. Dementsprechend betrifft die Erfindung des weiteren eine Steuereinrichtung mit einer derartigen Dichtung.
Steuereinrichtungen der vorgenannten Art werden zu unterschiedlichsten Zwecken eingesetzt. Häufig müssen sie klein, leicht und preiswert sein. Sie übernehmen dabei Dichtungsfunktion in der axialen Bewegungsrichtung und dichten außerdem in radialer Richtung nach innen und außen. Typische Vertreter dieser sogenannten ”dynamischen” Dichtungen sind Tandemdichtungen, Quad-Ringe oder einfach O-Ringe. Ein Quad-Ring hat anders als ein O-Ring einen in etwa quadratischen oder X-förmigen Querschnitt mit zwei radial außen liegenden und zwei radial innen liegenden, axial zueinander beabstandeten Dichtlippen. Eine Tandemdichtung umfasst dagegen einen Stützkörper für einen radial innen liegenden O-Ring zur Abdichtung nach innen und einen radial außen liegenden O-Ring zur Abdichtung nach außen und kann mit einem Gleitring zum Beispiel aus PTFE kombiniert sein, der zwischen einem O-Ring und dem beweglichen Bauteil liegt. Der Gleitring übernimmt dabei eine Führungsfunktion für das bewegliche Bauteil. Zur Verbesserung der Führungsfunktion kann ein zusätzlicher Führungsring axial benachbart zum Gleitring Anwendung finden.
US 5 897 119 A offenbart eine Dichtungsanordnung mit zwei radial außen liegenden und zwei radial innen liegenden, axial zueinander beabstandeten Dichtlippen. Zur Führung des beweglichen Bauteils trägt der Dichtkörper einen ringförmigen Lagereinsatz auf der radial innen liegenden Seite.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine dynamische Dichtungsanordnung und eine damit ausgerüstete Steuereinrichtung vorzuschlagen, welche die vorgenannten Funktionalitäten (axiale und zweiseitig radiale Dichtungsfunktion sowie axiale Führungsfunktion) erfüllt und den vorgenannten Randbedingungen (klein, leicht, preiswert) genügt.
Diese Aufgabe wird durch eine Dichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Dementsprechend besitzt die erfindungsgemäße Dichtung einen Dichtkörper aus elastomerem Material mit zwei axial beabstandeten, radial außen liegenden Dichtlippen und zwei axial beabstandeten, radial innen liegenden Dichtlippen, so wie dies prinzipiell von Quad-Ringen bekannt ist. Darüber hinaus weist die Dichtung einen den Dichtkörper tragenden Stützkörper auf. Dieser Stützkörper besteht aus einem härteren Material als der Dichtkörper und weist einen radial freiliegenden Abschnitt auf, der sich in axialer Richtung zwischen zwei Dichtlippen erstreckt und als Führungsabschnitt mit axialer Führungsfunktion für das bewegliche Bauteil dient. Um im Betrieb der Dichtung diese axiale Führungsfunktion übernehmen zu können, muss die radiale Abmessung des Führungsabschnitts relativ zu den radialen Abmessungen der benachbarten beiden Dichtlippen entsprechend bemessen sein. Insoweit ist es wesentlich, dass sich die beiden Dichtlippen in radialer Richtung geringfügig über den Führungsabschnitt hinaus erstrecken. Denn nur dann können die beiden Dichtungslippen im Betrieb Dichtungsfunktion übernehmen, während der dazwischen liegende radial freiliegende Führungsabschnitt die axiale Führungsfunktion übernimmt.
Die erfindungsgemäße Dichtung integriert alle wesentlichen Funktionen einer dynamischen Dichtungsanordnung in einem Bauteil, denn sie dichtet die beiden relativ zueinander beweglichen Bauteile nicht nur sowohl in axialer Bewegungsrichtung als auch radial nach innen und nach außen ab, sondern sie übernimmt gleichzeitig die Führung des axial bewegten Bauteils.
Aufgrund der zwei innen liegenden und zwei außen liegenden Dichtlippen kann die Dichtung insgesamt, zumindest aber der Dichtkörper, vorteilhaft symmetrisch ausgeführt werden und dementsprechend in entgegengesetzten Bewegungsrichtungen des beweglichen Bauteils in gleicher Weise abdichten.
Vorzugsweise weist der Stützkörper auf seiner dem Führungsabschnitt gegenüberliegenden Seite einen Verankerungsabschnitt auf, über den die Dichtung mit dem anderen der beiden Bauteile fixiert werden kann. Der Verankerungsabschnitt ist wiederum zwischen zwei Dichtlippen angeordnet und erstreckt sich zu dem vorgenannten Zweck in radialer Richtung über diese beiden Dichtlippen hinaus. Der Verankerungsabschnitt kann dann beispielsweise in einer Umfangsnut des betreffenden Bauteils so verankert werden, dass sich die beiden Dichtlippen jeweils benachbart zu dieser Umfangsnut in dichtender Weise an das Bauteil anlegen.
Vorzugsweise ist der Führungsabschnitt des Stützkörpers an einer nach radial innen weisenden Oberfläche der Dichtung ausgebildet, um z. B. ein in der Dichtung laufendes, axial bewegtes Antriebselement einer Steuereinrichtung zu führen. Der dem Führungsabschnitt gegenüberliegende Verankerungsabschnitt erstreckt sich bei dieser Variante dementsprechend nach radial außen. Es ist aber grundsätzlich auch denkbar, dass der Stützkörper sowohl radial innen als auch radial außen einen freiliegenden, sich in axialer Richtung zwischen zwei Dichtlippen erstreckenden Führungsabschnitt aufweist, nämlich z. B. für den Fall, dass beide Bauteile, die mittels der erfindungsgemäßen Dichtung radial gegeneinander abgedichtet werden, bewegliche Bauteile sind. In diesem Falle würde lediglich die Dichtung stationär fixiert, während die beiden daran angrenzenden Bauteile jeweils beweglich sind.
Das elastomere Material des Dichtkörpers kann vorteilhaft im Urformprozess an den Stützkörper angeformt sein, also beispielsweise angegossen oder insbesondere im Spritzgießverfahren angespritzt sein. In dieser Weise ist die Herstellung preiswert und maßgenau.
Weiter bevorzugt ist es, wenn das elastomere Material des Dichtkörpers den Stützkörper durchsetzt. Dadurch wird eine dauerhaft stabile Verbindung zwischen diesen beiden Dichtungskomponenten geschaffen. Besonders bevorzugt ist es insoweit, wenn der Stützkörper zumindest einen axialen Durchgang aufweist, der mit elastomerem Material des Dichtkörpers gefüllt ist. So kann eine stofflich homogene Verbindung zwischen den axial zueinander beabstandeten Dichtlippen hergestellt werden.
Als elastomeres Dichtkörpermaterial wird Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) bevorzugt. Dem EPDM kann vorteilhaft PTFE zugesetzt werden. Die Härte des Dichtkörpermaterials beträgt vorzugsweise zwischen 65 und 80 Shore A, insbesondere etwa 75 Shore A.
Das Material des Stützkörpers kann metallisch sein, ist vorzugsweise aber ein polymeres Material. Der Vorteil des polymeren Materials liegt einerseits im geringeren Gewicht. Andererseits lässt sich die Dichtung dann besonders vorteilhaft im zweistufigen Spritzgussverfahren schnell und preiswert herstellen. Bei dem polymeren Material des Stützkörpers handelt es sich vorzugsweise um einen Thermoplast oder auch einen Duroplast, gegebenenfalls mit geeigneten Zusätzen zur Verbesserung der Gleiteigenschaften, und jedenfalls nicht um ein Elastomer. Bevorzugt wird der Thermoplast Polyphenylensulfid (PPS) eingesetzt. Vorteilhaft ist das Stützkörpermaterial glasfaserverstärkt, z. B. ist PPS GF40 besonders geeignet.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der anhängenden einzigen 1 dargestellt.
Gezeigt ist ein stationäres Bauteil 1 und ein bewegliches Bauteil 2, welches in entgegengesetzten Richtungen 3 relativ zu dem stationären Bauteil 1 verschieblich ist. Die beiden Bauteile 1 und 2 sind mittels einer dynamischen Dichtung 10 radial nach innen und außen gegeneinander abgedichtet. Die Dichtung 10 dichtet gleichzeitig zwei Druckräume mit unterschiedlichen Drücken P0 und P1 in axialer Richtung gegeneinander ab. Die dargestellte Dichtung 10 ist besonders geeignet für die Anwendung in Steuereinrichtungen, wie Ventilen und Steilkolben, die mittels Druckbeaufschlagung, insbesondere Pneumatikdruck, betätigt werden und bei denen ein Antriebselement mittels des beweglichen Bauteils 2 betätigt wird. Das stationäre Bauteil 1 kann eine Wandung sein, beispielsweise eine Druckkammerzwischenwand oder eine Gehäuseaußenwand.
Die Dichtung 10 besteht vorzugsweise aus lediglich zwei Komponenten, nämlich einem Dichtkörper 11 aus elastomerem Material, z. B. EPDM mit der Härte 75 Shore A und PTFE-Zusatz, und einem damit integral ausgebildeten Stützkörper 12 aus einem im Vergleich zum Dichtkörper wesentlich härteren Kunststoffmaterial, z. B. glasfaserverstärktem PPS. Die beiden Komponenten 11 und 12 der Dichtung 10 sind im zweistufigen Spritzgießverfahren hergestellt, zunächst die harte Komponente 12, welche anschließend mit der elastomeren Komponente 11 umspritzt wird. Um eine zuverlässige integrale Verbindung der beiden Komponenten sicherzustellen, ist der Stützkörper 12 mit über den Umfang verteilten Durchgängen 13 versehen, welche mit dem elastomeren Material des Dichtkörpers 11 vorzugsweise vollständig gefüllt sind.
Zumindest der Dichtkörper 11 und vorzugsweise die gesamte Dichtung 10 einschließlich des Stützkörpers 12 sind symmetrisch in der Weise aufgebaut, dass ihr axialer Querschnitt bezogen auf eine radiale Symmetrieachse klappsymmetrisch ist. So besitzt die Dichtung 10 unabhängig von der Bewegungsrichtung 3 dieselben Dichtungseigenschaften, und auch die Orientierungsrichtung bei ihrer Anordnung zwischen den beiden Bauteilen 1 und 2 ist unkritisch.
Zu beiden Seiten dieser Symmetrieachse weist der Dichtkörper 11 sowohl an seiner radial innen liegende Seite als auch an seiner radial außen liegenden Seite jeweils (mindestens) eine Dichtlippe auf, insgesamt also (mindestens) vier Dichtlippen. Zwischen den beiden äußeren Dichtlippen 14a, 14b und den beiden radial inneren Dichtlippen 15a, 15b besitzt der Stützkörper 12 jeweils einen radial freiliegenden Abschnitt 16 und 17. Der radial außen liegende Abschnitt 16 des Stützkörpers 12 erstreckt sich in radialer Richtung über die beiden benachbarten Dichtlippen 14a, 14b hinaus und bildet so einen Verankerungsabschnitt, mittels dessen die Dichtung 10 in einer Aussparung 1a, beispielsweise in einer Umfangsnut, des Bauteils 1 verankert ist.
Der auf der radial innen liegenden Seite freiliegende Abschnitt 17 des Stützkörpers 12 ist dagegen als Führungsabschnitt ausgebildet und übernimmt im Betrieb der Steuereinrichtung axiale Führungsfunktion für das axial verschiebliche Bauteil 2. Um diese Führungsfunktion gewährleisten zu können, beträgt die axiale Erstreckungslänge des Führungsabschnitts mindestens ein Drittel und vorzugsweise die Hälfte oder mehr als die Hälfte der Gesamtbreite der Dichtung 10. Das Verhältnis von Führungsabschnittlänge L und Nenndurchmesser D liegt vorzugsweise bei L/D ≥ 0,4, insbesondere L/D ≥ 0,5. Bei einem Nenndurchmesser von z. B. 5,9 mm beträgt die Führungsabschnittlänge vorzugsweise etwa 3,2 mm (Verhältnis L/D etwa 0,54).
Das bewegliche Bauteil 2 gleitet im Führungsabschnitt 17 des Stützkörpers 12. Zu diesem Zweck wird die Führung als knappe Spielpassung ausgeführt und vorzugsweise mit Öl oder Fett geschmiert. Das Minimalspiel der Passung sollte größer als 0,025 mm und das Maximalspiel kleiner als 0,150 mm sein. Vorzugsweise liegt das Spiel zwischen 0,034 und 0,102 mm. An den Führungsabschnitt 17 schließen sich beidseitig Einlaufschrägen 18 an, die die Öl- oder Fettschmierung zwischen dem Stützkörper 12 und dem beweglichen Bauteil 2 im Bereich des Führungsabschnitts 17 fördern.
Desweiteren ist von Bedeutung, dass sich die beiden Dichtlippen 15a, 15b, zwischen denen sich der Führungsabschnitt 17 des Stützkörpers 12 erstreckt, in radialer Richtung über den Führungsabschnitt 17 hinaus erstrecken, damit sie im Betrieb der Steuereinrichtung ihre Dichtungsfunktion gegenüber dem beweglichen Bauteil 2 erfüllen können. Dies ist in 1 schematisch dergestalt dargestellt, dass sich die beiden Dichtlippen 15a, 15b in das bewegliche Bauteil 2 hineinerstrecken, obwohl sie sich natürlich tatsächlich im Betriebszustand an die äußere Oberfläche des beweglichen Bauteils 2 anlegen.
Die Dichtung 10 kann auch umgekehrt so ausgebildet werden, dass der Verankerungsabschnitt 16 auf der radial innen liegenden Seite und der Führungsabschnitt 17 auf der radial außen liegenden Seite der Dichtung 10 angeordnet sind. Dies ist zweckmäßig für Anwendungen, bei denen das radial innen liegende Bauteil 2 stationär und das radial außen liegende Bauteil 1 beweglich sind. Alternativ kann anstelle des radial außen liegenden Verankerungsabschnitts 16 auch dort ein radial freiliegender Führungsabschnitt ähnlich dem Führungsabschnitt 17 vorgesehen werden. Dies ist für Anwendungen sinnvoll, bei denen beide Bauteile 1 und 2 beweglich sind. In diesem Falle würde dann die Dichtung 10 in axialer und radialer Richtung ortsfest fixiert und insoweit entsprechend angepasst werden.

Claims

Dichtung (10) zum gegenseitigen radialen Abdichten zweier axial relativ zueinander verschieblicher Bauteile (1, 2), umfassend – einen Dichtkörper (11) aus elastomerem Material mit zwei axial beabstandeten, radial außenliegenden Dichtlippen (14a, 14b) und zwei axial beabstandeten, radial innenliegenden Dichtlippen (15a, 15b) und – einen den Dichtkörper (11) tragenden Stützkörper (12), welcher aus einem härteren Material besteht als der Dichtkörper (11), wobei der Stützkörper (12) einen radial freiliegenden, sich in axialer Richtung zwischen zwei Dichtlippen (15a, 15b) erstreckenden Führungsabschnitt (17) aufweist, wobei sich diese zwei Dichtlippen (15a, 15b) in radialer Richtung über den Führungsabschnitt (17) hinaus erstrecken.
Dichtung nach Anspruch 1, wobei der Stützkörper (12) einen dem Führungsabschnitt (17) gegenüberliegenden Verankerungsabschnitt (16) aufweist, der zwischen zwei Dichtlippen (14a, 14b) angeordnet ist und sich in radialer Richtung über diese zwei Dichtlippen (14a, 14b) hinaus erstreckt.
Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Führungsabschnitt (17) des Stützkörpers (12) an einer nach radial innen weisenden Oberfläche der Dichtung (10) ausgebildet ist.
Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Material des Dichtkörpers (11) im Urformprozess an den Stützkörper (12) angeformt ist.
Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Material des Dichtkörpers (11) den Stützkörper (12) durchsetzt.
Dichtung nach Anspruch 5, wobei der Stützkörper (12) zumindest einen axialen, mit dem Material des Dichtkörpers (11) gefüllten Durchgang (13) besitzt.
Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Material des Stützkörpers (12) ein polymeres Material ist.
Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der axiale Querschnitt von zumindest dem Dichtkörper (11) bezogen auf eine radiale Symmetrieachse klappsymmetrisch ist.
Steuereinrichtung, umfassend ein mittels Druckbeaufschlagung, insbesondere Pneumatikdruckbeaufschlagung, axial verschiebliches erstes Bauteil (1) und ein stationäres zweites Bauteil (2), relativ zu dem das erste Bauteil (1) axial verschieblich geführt ist, wobei die beiden Bauteile (1, 2) mittels einer Dichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 radial gegeneinander derart abgedichtet sind, dass der Führungsabschnitt (17) des Stützkörpers (12) der Dichtung (10) im Betrieb der Steuereinrichtung axiale Führungsfunktion für das axial verschiebliche Bauteil (1) übernimmt.