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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Dichtring zur Abdichtung zwischen zwei Bauteilen, die um eine Drehachse gegeneinander verdrehbar sind, wobei der Dichtring die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Dichtringe zur Ausbildung von Radialwellendichtungen.
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STAND DER TECHNIK
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Dichtungen haben die Aufgabe, einen begrenzten Bereich oder Raum so abzudichten, dass flüssige und/oder gasförmige Medien diesen Bereich oder Raum nur in einem begrenzten Maße verlassen können. Eine absolute Abdichtung, die keinen Austritt von Medien aus einem abgedichteten Bereich mehr zulässt, existiert nicht. Dies gilt insbesondere für Dichtungen zwischen gegeneinander bewegten Bauteilen. Von "technisch dicht" wird gesprochen, wenn ein zuvor definierter Abdichtungsgrad erfüllt ist.
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Viele Dichtungen, insbesondere zwischen gegeneinander bewegten Bauteilen, wie beispielsweise Radialwellendichtungen und Leitringdichtungen, sind Verschleißteile. Damit ändert sich ihr Abdichtungsgrad über ihrer Verwendungsdauer, im Regelfall verschlechtert er sich. Diese Dichtungen sind dann zu ersetzen, wenn ein vorher definierter Mindestabdichtungsgrad nicht mehr erreicht wird.
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Die Dichtlippe eines Dichtrings, der zur Abdichtung zwischen zwei um eine Drehachse gegeneinander verdrehbaren Bauteilen vorgesehen ist, soll im Betrieb keinen unmittelbaren Kontakt zu dem ihr gegenüberliegenden Bauteil haben. Die Dichtlippe soll vielmehr über einen dünnen Schmierfilm von diesem Bauteil getrennt bleiben. Auch wenn dies eingehalten wird, entsteht im Anlagebereich der Dichtlippe, insbesondere bei hohen Drehzahlen, viel Wärme, und diese Wärme erwärmt auch die Dichtlippe und den sich daran anschließenden Dichtkörper des Dichtrings.
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Wenn der Schmierfilm zwischen der Welle und der Dichtlippe nicht mehr intakt ist oder wenn das Schmiermittel bereits mit einer hohen Temperatur an die Dichtstelle gelangt oder wenn die Drehzahl der Welle sich erhöht hat oder wenn irgendein tribologischer Effekt zur Erhöhung der Wärmeerzeugung im Kontaktbereich der Dichtlippe führt, steigt die pro Zeiteinheit in dem Kontaktbereich erzeugte und auch über die Dichtlippe und den Dichtkörper abzuführende Wärmemenge an. Dies führt allgemein zu einer stärkeren Ausdehnung der Werkstoffe, aus denen der Dichtring ausgebildet ist. In der Folge wachsen die Anpresskräfte der Dichtlippe an das ihr gegenüberliegende und sich ihr gegenüber bewegende Bauteil. Dadurch werden die Reibungskräfte im Kontaktbereich der Dichtlippe und somit auch die Wärmeproduktion in diesem Kontaktbereich erhöht. Hiermit geht ein erhöhter Verschleiß einher, der die Lebensdauer des Dichtrings negativ beeinflusst. Wenn umgekehrt durch die stärkere Ausdehnung des Dichtungswerkstoffs die Anpresskraft der Dichtlippe an das ihr gegenüberliegende Bauteil reduziert wird, verschlechtert sich der Abdichtungsgrad.
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Aus der
DE 10 2008 017 347 A1 ist ein Radialwellendichtring mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt, bei dem eine Entkopplung eines radialen Versatzausgleichs von der Dichtfunktion durch ein starres, radial steifes Zwischenelement realisiert ist. Auf diese Weise soll bei druckbeaufschlagtem Radialwellendichtring ein geringerer Verschleiß an der Dichtlippe bei gleichbleibender oder sogar optimierter Dichtfunktion erreicht werden. Darüber hinaus ist eine Kompensation einer temperaturbedingten Aufweitung der Radialwellendichtring vorgesehen. Dazu kann das radial steife Zwischenelement, welches ein elastisches Strukturelement des Radialwellendichtring in zwei elastische Einzel-Strukturelemente unterteilt, so ausgebildet sein, dass es bei Erhitzung wie eine Tellerfeder in einen anderen Zustand springt. Damit ergibt sich eine sprunghafte Formänderung. Hierdurch soll auch bei hohen Temperaturen die Ausdehnung und ein damit einhergehender Radialkraftverlust kompensiert bzw. die Radialkraft sogar erhöht werden können. In einer anderen Ausführungsform des bekannten Radialwellendichtrings wird eine lokale Versteifung des elastischen Strukturelements durch eine Beschichtung auf der Unterseite ausgebildet, die bei Wärmeeinwirkung bewirkt, dass sich das elastische Strukturelement in Form einer Membran derart verformt, dass die Dichtlippe an eine abzudichtende Welle angedrückt wird und damit die Temperaturausdehnung sowie die verbundene Radialkraftabnahme teilweise oder ganz kompensiert wird.
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Aus der
DE 40 05 007 A1 ist ein Radialdichtring für Wellen, insbesondere für hohe Wellendrehzahlen und hohen Öldruck, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt. Dabei sind Dehnungs- bzw. Schrumpfkörper vorgesehen, die den Anpressdruck von Dichtlippen bei steigender Temperatur erhöhen.
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Sowohl der aus der
DE 10 2008 017 347 A1 bekannte Radialwellendichtring als auch der aus der
DE 40 05 007 A1 bekannte Radialdichtring ist rotationssymmetrisch um die jeweilige Drehachse ausgebildet.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dichtring zur Abdichtung zwischen zwei Bauteilen, die um eine Drehachse gegeneinander verdrehbar sind, aufzuzeigen, mit dem effizienter als bislang eine thermische Ausdehnung des Elastomerwerkstoffs in Bezug auf die Dichtkraft kompensiert wird.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Dichtring mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des Dichtrings sind in den abhängigen Patentansprüche definiert.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein erfindungsgemäßer Dichtring zur Abdichtung zwischen zwei Bauteilen, die um eine Drehachse gegeneinander verdrehbar sind, weist einen Ringkörper, der als Materialverbund zwischen einem Elastomerwerkstoff und mindestens einem weiteren Werkstoff ausgebildet ist, zur drehfesten und dichten Verbindung mit dem einen Bauteil und eine von dem Ringkörper abstehende und in Umfangsrichtung um die Drehachse umlaufende Dichtlippe aus dem Elastomerwerkstoff zur Anlage mit einer Dichtkraft an dem anderen Bauteil auf. Der Materialverbund des Ringkörpers und die geometrische Form des Dichtrings sind so aufeinander abgestimmt, dass eine thermische Ausdehnung des Elastomerwerkstoffs in Bezug auf die Dichtkraft kompensiert wird. Der Ringkörper umfasst mindestens einen segmentierten Ring.
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Segmentiert bedeutet dabei nicht, dass der segmentierte Ring nur nicht geschlossen ist. So ist ein geschlitzter Ring, der beispielsweise eine zusätzliche Ringfeder eines erfindungsgemäßen Dichtrings ausbilden kann, kein segmentierter Ring, weil er nur ein einziges Segment umfasst.
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Der natürliche Aufbau eines Dichtrings ist rotationssymmetrisch. Bei einem rotationssymmetrischen Dichtring können jedoch thermische Änderungen der Ausdehnung von Bestandteilen des Materialverbunds des Ringkörpers nur in begrenztem Maße für eine Kompensation der thermischen Ausdehnung des Elastomerwerkstoffs genutzt werden. Deshalb nimmt die vorliegende Erfindung von einem gänzlich rotationssymmetrischen Aufbau des Dichtrings Abstand.
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Mit dem segmentierten Ring des Ringkörpers des erfindungsgemäßen Dichtrings sind viel stärkere Auslenkungen in radialer Richtung und damit viel stärkere Kompensationseffekte bei gleicher thermischer Ausdehnung möglich, als bei nur geschlossenen Ringen wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient von Elastomerwerkstoff im Vergleich zu beispielsweise Stahl um eine Zehnerpotenz höher ist. Das heißt, es müssen besonders effektive Maßnahmen zur Kompensation der thermischen Ausdehnung des Elastomerwerkstoffs ergriffen werden.
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Der segmentierte Ring des erfindungsgemäßen Dichtrings weist mindestens drei, vorzugsweise mindestens vier, noch mehr bevorzugt mindestens sechs und konkret beispielsweise acht bis 16 Segmente in rotationssymmetrischer Anordnung um die Drehachse auf. Die Anzahl der Segmente muss also nicht sehr groß sein. In der Regel bleibt sie jedenfalls kleiner als 32. Oft überschreitet sie nicht 24, in der Regel auch nicht 20. Wichtig ist vor allem die Unterteilung des segmentierten Rings in die Segmente, die den einzelnen Segmenten einen im Wesentlichen uneingeschränkten Bewegungsfreiheitsgrad in radialer Richtung zu der Drehachse infolge von thermischen Ausdehnungsänderungen gibt. Insbesondere ist dieser Bewegungsfreiheitsgrad nicht durch die Materialsteifigkeit der Segmente in Verbindung mit der Formsteifigkeit eines geschlossenen Rings eingeschränkt.
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Da die Wärmeerzeugung an der Dichtlippe sowie der Wärmeabfluss über den Ringkörper und entsprechend die Wärmeverteilung über den Dichtring auch unsymmetrisch sein können, kann auch ein unsymmetrisches Design des Dichtkörpers z. B. mit einer ungeraden Anzahl der Segmente oder unterschiedlichen Längen und/oder Dicken der einzelnen Elemente sinnvoll sein.
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Es versteht sich, dass der segmentierte Ring des erfindungsgemäßen Ringkörpers in den Materialverbund des Ringkörpers so integriert ist, dass er im Bereich jedweder Dichtflächen des Dichtkörpers zu keiner Profilierung des Dichtrings in Umfangsrichtung um die Drehachse führt, welche die Dichtwirkung der Dichtfläche durch unerwünschte Abständ zu ihrer Gegenfläche beeinträchtigt.
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Besonders effektiv sind die Segmente des segmentierten Rings bei der Kompensation der thermischen Ausdehnung des Elastomerwerkstoffs, wenn sie sich an einem geschlossenen Stützring oder an Segmenten eines Stützrings des Dichtrings abstützen, die in fester Ausrichtung mit einem geschlossenen Ring des Stützrings verbunden sind. Dieser Stützring kann derart aus einem Metall oder einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet sein, dass er selbst keine wesentliche Formveränderung über dem Temperaturbereich erfährt, in dem der erfindungsgemäße Dichtring zum Einsatz kommt.
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In einem konkreten Ausführungsbeispiel umfasst der segmentierte Ring zwei Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die Bimetall-artig miteinander verbunden sind. Durch die Segmentierung wirkt sich der Bimetall-Effekt in radialer Richtung zu der Drehachse aus. So kann auch die große thermische Ausdehnungsänderung von Elastomerwerkstoff einfach kompensiert werden.
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Grundsätzlich kann ein Bimetall-Effekt auch gegenüber dem Elastomerwerkstoff hervorgerufen werden, aus dem die Dichtlippe ausgebildet ist. Dafür muss der Elastomerwerkstoff wegen seiner geringeren Materialsteifigkeit selbst nicht einmal in Form eines segmentierten Rings vorgesehen werden. Bevorzugt sind die beiden Materialien mit den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die Bimetall-artig miteinander verbunden sind, jedoch zusätzlich zu dem Elastomerwerkstoff vorgesehen, beispielsweise in Form verschiedener Metalle und/oder faserverstärkter Kunststoffe. Die Größe des Bimetall-Effekts kann nicht nur durch die Auswahl der Materialien bzw. deren Wärmeausdehnungskoeffizienten sondern auch deren seitlichen Abstand eingestellt werden.
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Der segmentierte Ring kann auch ein Material mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten umfassen, und zwar sowohl als eines von zwei Bimetall-artig miteinander verbundenen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten als auch allein. Als Material mit dem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist insbesondere die Verwendung einer Formgedächtnislegierung möglich.
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Die Dichtlippe des erfindungsgemäßen Dichtrings weist typischerweise radial nach innen zu einer rotierenden Welle, die das andere Bauteil ausbildet.
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Hinsichtlich der Querschnittsgestalt des segmentierten Rings des erfindungsgemäßen Dichtrings in radialer und axialer Schnittrichtung zu der Drehachse kann ein bogenförmiger oder Lförmiger Verlauf der Segmente vorteilhaft sein. Insbesondere können zwei von dem Dichtring erfasste Ringe, von denen mindestens einer segmentiert ist, einen bogenförmigen oder Lförmigen Querschnitt aufweisen, wobei sie sich so partiell überlappen, dass sie zusammen einen U-förmigen Querschnitt zeigen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Dichtring kann eine Schmutzlippe parallel zu der Dichtlippe verlaufen. Eine Schmutzlippe ist ungeschmiert und liegt nicht an einer Gegenfläche an; sie schützt den geschmierten Bereich vor Verunreinigung.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
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Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
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1 ist ein radialer Schnitt durch einen an einer Welle anliegenden erfindungsgemäßen Dichtring, wobei der Dichtring nur auf einer Seite der Welle wiedergegeben ist.
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2 ist eine axiale Draufsicht auf den Dichtring gemäß 1; und
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3 ist ein radialer Schnitt durch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtrings an einer Welle, wobei der Dichtring wieder nur auf einer Seite der Welle dargestellt ist.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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In 1 ist ein Dichtring 10 gezeigt, der als Radialwellendichtung zwischen einem radial außenliegenden Bauteil 11, das hier nur schematisch angedeutet ist, und einer Welle 4, die um eine Drehachse 12 umläuft, vorgesehen ist. Der Dichtring 10 weist einen Ringkörper 13 und eine davon radial nach innen abstehende Dichtlippe 3 auf. Von dem Ringkörper 13 steht auch noch eine weitere, schmalere und über ein Festkörpergelenk beweglich abgestützte Schmutzlippe 8 schräg nach innen ab. Die Dichtlippe 3 liegt an der Welle 4 an, aber im Betrieb des Dichtrings 10 nicht direkt, sondern über einen Schmierfilm aus einem Schmiermittel, welches in 1 nicht separat dargestellt ist. Die Schmutzlippe 8 liegt nicht direkt an der Welle 4 an und schützt den mit dem Schmiermittel geschmierten Bereich vor Verunreinigungen. Die Dichtlippe 3 und die Schmutzlippe 8 sind aus einem Elastomerwerkstoff 9 ausgebildet, der auch wesentliche Teile des Ringkörpers 13 ausmacht.
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Der Ringkörper 13 umfasst einen Außenring 6, der dichtend an dem Bauteil 11 anliegt. Weiterhin umfasst der Ringkörper 13 einen Stützring 1 aus Metall, der sich teilweise innerhalb des Außenrings 6 und teilweise von dort radial nach innen innerhalb des Elastomerwerkstoffs 9 erstreckt. Der Stützring 1 ist ein geschlossener Ring von L-förmigem Querschnitt. Der Stützring 1 überlappt teilweise mit einem J- oder bogenförmigen segmentierten Ring 14, dessen Segmente 2 in Umfangsrichtung um die Drehachse 12 verteilt sind. Gemeinsam bilden der Stützring 1 und der segmentierte Ring 14 eine U-förmige Anordnung aus. Die Segmente 2 sind hier auf einer äußeren Oberfläche 7 des Elastomerwerkstoffs 9 angeordnet und strukturieren diese in Umfangsrichtung um die Drehachse 12. Hierdurch wird aber die Dichtfunktion des Dichtrings 10 nicht beeinträchtig, weil diese Oberfläche 7 weder an dem Bauteil 11 noch an der Welle 4 anliegt. Die Segmente 2 sind aus einem Material ausgebildet, das sich bei Temperaturerhöhung zusammenzieht. Es deformiert damit den Ringkörper 13 derart, dass zumindest die Dichtlippe 3 von der Oberfläche der Welle 4 abgerückt wird. Hierdurch wird eine thermische Ausdehnung des Elastomerwerkstoffs 9 über dieselbe Temperaturerhöhung ausgeglichen. Wenn die Segmente 2 des segmentierten Rings 14 auf der gegenüberliegenden Oberfläche 15 des Elastomerwerkstoffs 9 angeordnet wären, würde ein entsprechender Effekt bei einer Ausdehnung des Materials der Segmente 2 mit einem Temperaturanstieg erzielt. Es versteht sich, dass es hierbei jeweils auf eine relative negative oder positive Ausdehnung der Segmente 2 gegenüber dem restlichen Ringkörper 13, insbesondere dem Stützring 1 ankommt.
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Ein als endlose Spiralfeder ausgebildeter Federring 5 ist vorgesehen, um die Dichtlippe 3 definiert auf die Welle 4 hin zu beaufschlagen. Durch eine thermische Ausdehnung des Elastomerwerkstoffs 9, beispielsweise in Folge erhöhter Reibung zwischen der Dichtlippe 3 und der Welle 4, kann diese definierte Beaufschlagung verloren gehen. Mit der gezielten Deformation des Ringkörpers 13 aufgrund der thermischen Ausdehnungsänderung der Segmente 2 wird die definierte Beaufschlagung jedoch aufrechterhalten.
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2 zeigt den Dichtring 10 mit dem Dichtkörper 13 und der Dichtlippe 3 in einer axialen Ansicht mit Blickrichtung auf die Segmente 2 des segmentierten Rings 14 auf der Oberfläche 7. Dabei ist angedeutet, dass der Federring 5 aus einer endlosen Spiralfeder besteht. Der segmentierte Ring 14 besteht hier aus insgesamt acht Segmenten 2, die rotationssymmetrisch um die Drehachse 12 herum verteilt angeordnet sind.
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Die Ausführungsform des Dichtrings 10 gemäß 3, in der das Bauteil 11 nicht wiedergegeben ist, unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 in folgenden Details. Der segmentierte Ring 14 mit seinen Segmenten 2 ist hier nicht auf einer Oberfläche 7 oder 15 des Elastomerwerkstoffs 9 angeordnet, sondern in den Elastomerwerkstoff 9 eingebettet. Die einzelnen Segmente 2 sind in ihrem Überlappungsbereich mit dem Stützring 1 Bimetall-artig mit in diesen Überlappungsbereich ausgebildeten Segmenten des Stützrings 1 verbunden. Die Segmente 16 stehen von einem geschlossenen Ring 17 des Stützrings 1 radial nach innen ab. Das Material der Segmente 2 weist hierbei einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Material des Stützrings 1 auf, so dass die Dichtlippe 3 durch den auftretenden Bimetall-Effekt von der Welle 4 weg entlastet wird. So wird eine thermische Ausdehnung des Elastomerwerkstoffs 9 kompensiert. Bei umgekehrten Verhältnissen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten wäre die Reihenfolge der Segmente 16 und 2 von der Dichtlippe 3 weg zu tauschen, um durch den dann auftretenden Bimetall-Effekt dieselbe Kompensation der Ausdehnung des Elastomerwerkstoffs 9 mit zunehmender Temperatur zu erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stützring
- 2
- Segment
- 3
- Dichtlippe
- 4
- Welle
- 5
- Federring
- 6
- Außenring
- 7
- Oberfläche
- 8
- Dichtlippe
- 9
- Elastomerwerkstoff
- 10
- Dichtring
- 11
- Bauteil
- 12
- Drehachse
- 13
- Ringkörper
- 14
- segmentierter Ring
- 15
- Oberfläche
- 16
- Segment
- 17
- geschlossener Ring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008017347 A1 [0007, 0009]
- DE 4005007 A1 [0008, 0009]
