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Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zum Abdichten zweier gegeneinander beweglicher Maschinenelemente.
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Rotationsverteiler werden beispielsweise in Baumaschinen eingesetzt, um Medien, wie zum Beispiel Hydraulikflüssigkeiten und/oder Schmiermittel in verschiedene Kanäle zu verteilen, damit diese zu entsprechenden Stelle der Maschine geleitet werden. Dabei ist es oft erforderlich, dass die Medien von einer zentralen Stelle, beispielsweise einem Vorratsbehälter, über eine zentrale Verteilereinrichtung unter hohem Druck, der in Einzelfällen bis zu mehreren 100 bar beträgt, in die Leitungen verteilt werden.
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Rotationsverteiler weisen in bekannten Ausführungen eine Welle auf, die in einem Gehäuse gelagert ist, welches von mehreren Kanälen durchzogen ist, so dass das zu verteilenden Medium mit hohem Druck in die Kanäle gepumpt werden kann. Die Welle führt dabei eine rotierende oder schwenkende Bewegung aus, durch die ein oder mehrere der Kanäle Medium aufnehmen und transportieren können. Es ist bei derartigen Anwendungen unerlässlich, die einzelnen Kanäle gegeneinander, als auch zur Umgebung auf der rotierenden oder schwenkenden Welle abzudichten, sowohl um das Eindringen von Medien aus der Umgebung in das Innere der Maschine zu verhindern, als auch eine Kontamination der Umwelt durch das durch die Drehdurchführung zu leitende Medium zu verhindern. Aufgrund der Kombination von hohen Druckdifferenzen (mehrere hundert bar) mit hohen Gleitgeschwindigkeiten zwischen 2 jeweils benachbarten Kanälen oder dem Abschlusskanal und der Umgebung und dem Innenraum, stellt diese Anwendung hohe Anforderungen an die Dichtung. Bei allen möglichen Betriebszuständen muss eine sichere Abdichtung der drehenden Welle gewährleistet sein und eine Leckage weitgehend verhindert werden.
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Es sind bereits Dichtungsanordnungen aus dem Stand der Technik bekannt, die diese Anforderungen teilweise erfüllen.
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So ist beispielsweise aus der
DE10145914A1 eine Dichtungsanordnung bekannt, bei der eine Dichtring mit einer Dichtfläche an einer Welle anliegt. Der Dichtring wird durch einen Spannring an die Welle gedrückt. Beide Ringe sind in einer Nut im Gehäuse gelagert. Unter hohen Drücken verformt sich der Dichtring, so dass auf der Niederdruckseite eine zusätzlich Dichtkante an der Welle anliegt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Dichtung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung gelöst. Es wird eine Dichtungsanordnung zum Abdichten zweier gegeneinander beweglicher Maschinenelemente angegeben, aufweisend folgende Merkmale.
- - Einen Gleitring mit einer Dichtfläche, die zumindest bei sich nicht bewegenden Maschinenelementen zum abdichtenden Anliegen an einer Gegenfläche eines der Maschinenelemente vorgesehen ist,
- - Einen Vorspannring, durch den eine in Richtung der Gegenfläche wirkende Kraft auf den Gleitring ausübbar ist,
- - Der Gleitring weist entlang seines Umfangs mehrere axial außen an die Dichtfläche angrenzende, sich axial und radial in den Gleitring erstreckende Ausnehmungen auf.
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Die gegeneinander beweglichen Maschinenteile können beispielsweise eine sich drehende Welle und ein die Welle umgebendes Gehäuse sein, wie sie in zahlreichen Anwendungen zu finden sind. Zwischen Gehäuse und Welle befindet sich typischerweise ein Spalt, so dass die Welle eine Dreh- oder Schwenkbewegung ausführen kann. In diesem Beispiel können der Vorspannring und der Gleitring in einer Nut des Gehäuses angeordnet sein, wobei die Dichtfläche des Gleitrings in Richtung der Welle ausgerichtet ist. Durch die Dichtungsanordnung wird ein Innenraum des Gehäuses, der ein Medium, beispielsweise ein Schmiermittel oder eine Hydraulikflüssigkeit enthält von der Umgebung abgedichtet, so dass das Medium nicht austritt. Gleichzeitig oder alternativ lassen sich Fremdpartikel und - flüssigkeiten aus der Umgebung vom Innenraum und dem Medium fernhalten.
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Durch den Vorspannring wird der Gleitring mit einer Kraft beaufschlagt, durch die die Dichtfläche in Richtung der Gegenfläche gedrückt wird. Bei stehender Welle wird die Dichtfläche an die Gegenfläche gedrückt, so dass eine Dichtwirkung erzielt wird. Bei Bewegung der Welle hingegen würde ein direkter Kontakt der Dichtfläche mit der Gegenfläche der Welle einen hohen Verschleiß zur Folge haben. Daher wird in diesem dynamischen Fall zwischen Dichtfläche und Gegenfläche ein dünner Schmierfilm erzeugt. Dazu wird eine definierte Menge an Medium aus dem Gehäuse unter den Gleitring gefördert. Hier ist es essentiell, genau die auf die Anwendung und die herrschenden Druckverhältnisse zwischen Innenraum und Umgebung abgestimmte Menge an Medium einzulassen, so dass eine Leckage weitestgehend verhindert wird.
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Aufgrund adhäsiver Kräfte und der Viskosität des Mediums wird dieses bei Bewegung der Welle von dieser mitgezogen und so am axial dem Innenraum zugewandten Ende des Gleitrings parallel vorbei bewegt. In typischen Anwendungen herrscht dabei ein Druck im Innenraum von beispielsweise 400 bar, was eine hohe Anforderung an die Dichtungsanordnung darstellt. Zudem befindet sich Medium in den Ausnehmungen, wobei es in diesem aufgrund ihrer axialen und radialen Ausdehnung im Gleitring nicht nur parallel zur Seite des Gleitrings geführt wird, sondern in einem Abschnitt auf die durch die Ausnehmungen gebildete Dichtkante mit einer senkrechten Bewegungskomponente zuläuft. Dadurch ergibt sich in diesem Abschnitt eine aktive Förderwirkung des Mediums unter die Dichtfläche in der Ausnehmung, der in Bewegungsrichtung hinten liegt. Das Medium breitet sich von dieser Kante unter der Dichtfläche aus, so dass sich ein Schmierfilm bildet und die Dichtung vor Verschleiß geschützt ist.
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Es ist zudem vorteilhaft, wenn Vorspannring und Gleitring in einer Nut des Gehäuses derart angeordnet sind, dass der Druck des Innenraums auch auf den Vorspannring wirken kann. Der Vorspannring ist derart ausgebildet, dass bei Erhöhung des Drucks durch dessen Wirkung auf den Vorspannring eine Erhöhung der auf den Gleitring ausgeübten Kraft resultiert. Der Gleitring wird in der Folge stärker auf die Gegenfläche gedrückt und somit die Dichtwirkung erhöht.
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Analog funktioniert eine Dichtungsanordnung, bei dem die Dichtfläche radial nach außen gegen ein sich bewegendes Maschinenteil wirkt. Die Erfindung lässt sich somit bei innen und außen dichtende Anwendungen einsetzen.
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Bevorzugt sind die Ausnehmungen sind axial und in Umfangsrichtung in die Dichtfläche übergehend ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine verbesserte und definierte Förderwirkung des Mediums.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bilden Innenflächen der Ausnehmungen in Umfangsrichtung einen Winkel von 10° bis 35° mit der Dichtfläche. Unter dem Winkel soll hier und im Folgenden derjenige der beiden Winkel, die eine im Berührpunkt der Innenfläche liegende Tangente an die Innenfläche mit einer entsprechenden Tangente an die Dichtfläche bilden (beide Winkel zusammen ergeben als Nebenwinkel zwingend 180°), der geometrisch nicht innerhalb des Gleitrings liegt. Dieser kann im Beispiel einer abzudichtenden Welle auch als der Winkel bezeichnet werden, den die Tangente an die Innenfläche mit der Tangente an die Wellenoberfläche bzw. die Gegenfläche bildet. Bei vorliegenden Fall liegt der Winkel innerhalb der Ausnehmung, die sich folglich in Richtung der Dichtfläche verjüngt. Durch den vergleichsweise flachen Winkelbereich ergibt sich eine verbessere Förderwirkung. Der Winkel ist entsprechend der Anwendung abzustimmen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bilden die Innenflächen der Ausnehmungen in axialer Richtung einen Winkel von 35° bis 55° mit der Dichtfläche. In axialer Richtung ist eine möglichst hohe Dichtwirkung zu erzielen, so dass hier ein steilerer Winkel im Vergleich zur Umfangsrichtung vorteilhaft ist. Auch hier liegt eine Verjüngung der Ausnehmung in dieser Richtung vor, die jedoch weniger stark ausgeprägt ist als in Umfangsrichtung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen den Ausnehmungen liegende axiale Außenflächen des Gleitrings derart ausgebildet, dass sie einen Winkel zwischen 70° und 90° mit der Dichtfläche bilden. Hier ist die Dichtwirkung maximal zu wählen, um eine Leckage weitgehend zu verhindern. Eine Dichtkante mit einem Winkel von 90° wäre besonders bevorzugt, ist aber aus fertigungstechnischen Gründen kaum umzusetzen. Jedoch ist bereits bei einem Winkel von 80° eine ausreichend hohe Dichtwirkung gewährleistet. Es sind auch Ausführungen möglich, bei denen der Winkel zwischen 70° und 110° liegt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausnehmungen in axialer Richtung bogenförmig ausgebildet. Somit ergibt sich ein gleichmäßiger und definierter Schmiermitteleintrag unter den Gleitring entlang der bogenförmigen Kante der Ausnehmung. Derartige Ausnehmungen sind zudem mit wenig Aufwand herstellbar.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausnehmungen in radialer Richtung bogenförmig ausgebildet. Somit ergibt sich ein gleichmäßiger Druckaufbau, der die Förderwirkung positiv beeinflusst.
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Insgesamt sind die Ausnehmungen schalenartig ausgebildet, beispielsweise in Form eines Teils einer Zylindermantelfläche, als Viertelkugel oder als Viertelellipsoids.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind an beiden axialen Enden des Gleitrings Ausnehmungen ausgebildet. Die Dichtungsanordnung ist insofern doppelt wirkend und kann in beiden Richtungen entsprechend abdichten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bilden die Außenflächen des Gleitrings und die Innenflächen der Ausnehmungen mit der Dichtfläche eine im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Dichtkante, die wellenähnlich geformt ist. Darunter ist hier zu verstehen, dass die an sich kreisförmige Grundstruktur der Dichtkante durch die bogenförmigen Ausnehmungen wellenartige Abschnitte enthält, die axial von der Kreislinie ausgehend ausgeformt sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die gegenüberliegende Ausnehmungen in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet. Dadurch ist zwischen den Ausnehmungen stets eine ausreichend breite Dichtfläche vorhanden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Gleitring radial im Vorspannring liegend ausgebildet und der Vorspannring eine radial nach innen wirkende Kraft auf den Gleitring ausübend ausgebildet ist. Dies ist für innen dichtende Anwendungen vorteilhaft.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind im Folgenden Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit den Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Dichtungsanordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine Detailansicht der Dichtungsanordnung im eingebauten Zustand,
- 3 eine Detailansicht der Dichtungsanordnung,
- 4 eine Schnittdarstellung der Dichtungsanordnung und
- 5 eine Seitenansicht der Dichtungsanordnung.
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In der 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. In einem hier nur angedeuteten Gehäuse 1 ist eine Welle 3 drehbar angeordnet. Zwischen dem Gehäuse 1 und einer Außenfläche 5 der Welle 3 besteht ein Spalt 7. Die Welle 3 ist entsprechend bezüglich ihres Außendurchmessers derart dimensioniert, dass sie berührungsfrei innerhalb der Öffnung im Gehäuse 1 platzierbar ist. Im Gehäuse 1 ist eine Nut 9 ausgebildet, in der eine Dichtungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung angeordnet ist. Die Dichtungsanordnung umfasst einen Spannring 11 und einen als Gleitring ausgeführten Dichtring 13. Der Spannring 11 ist beispielsweise aus einem Gummi-Elastomer gefertigt. Der passende Werkstoff wird konkret entsprechend der Anwendungsparameter mit der passenden Temperatur- bzw. Chemikalienbeständigkeit ausgewählt. Der Spannring 11 ist derart dimensioniert, dass er fest in der Nut 9 setzt. Er liegt dabei dichtend an Außenflächen der Nut 9 an. Der Dichtring 13 ist beispielsweise aus Polyurethan oder einem mit Kohle- oder Glasfaser gefühlten PTFE gefertigt. Er weist eine in Kontakt mit der Außenfläche 5 stehende Dichtfläche 15 auf, die bei Stillstand der Welle 3 berührend an der Außenfläche 5 anliegt.
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Der Außendurchmesser des Dichtrings 13 ist derart auf den Innendurchmesser des Spannrings 11 abgestimmt, dass durch den Spannring 11, innerhalb dem der Dichtring 13 angeordnet ist, eine radial nach innen wirkende Kraft auf den Dichtring 13 ausgeübt wird. Der Dichtring 13 wird also durch den Spannring 11 mit seiner Dichtfläche 15 auf die Außenfläche 5 der Welle 3 gedrückt. Bei still stehender Welle 3 wird so eine hohe Dichtwirkung erzielt. Durch die Dichtungsanordnung wird ein mit einem Medium, beispielsweise einer Hydraulikflüssigkeit gefüllter Hochdruckbereich H von einer Umgebung U abgedichtet. In der 1 ist schematisch ein Schmierfilm 18 angedeutet, der sich durch Rotation der Welle 3 zwischen dem Dichtring 13 und der Welle 3 ausgebildet hat. Er besteht aus dem Medium, mit dem der Hochdruckbereich H gefüllt ist. Der Schmierfilm 18 weist bei typischen Anwendungen eine Dicke 0,05 bis 0,20 mm auf und ist in der 1 nicht maßstabsgetreu, sondern deutlich zu dick dargestellt.
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Zum Aufbau des Schmierfilms 18 sind im Dichtring 13 entlang des Umfangs Kavernen 17 ausgebildet, deren Funktionen in den nachfolgenden Figuren erläutert wird.
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In der 2 ist die Dichtungsanordnung nochmals ohne die Welle 3 dargestellt. Die Kavernen 17 sind beidseitig an den axialen Enden des Dichtrings 13 ausgebildet und erstrecken sich sowohl radial, als auch axial von Dichtkanten 19 des Dichtrings 13 schalenartig in diesen hinein. Die in ihrer Grundform kreisförmige Dichtkante 19 weist in axialer Richtung bogenförmige Teilstücke auf. Die Dichtkante 19 weist somit einen wellenähnlichen Verlauf aus. Die jeweils gegenüber liegenden Kavernen 19 sind entlang des Umfangs leicht versetzt angeordnet, damit zwischen ihnen noch eine Dichtfläche 15 mit ausreichender Breite besteht, so dass eine Extrusion des Dichtrings 15 in den Spalt 7 bei hohem Druck weitestgehend minimiert wird.
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Zur Optimierung der Dichtfunktion wird bei sich aufbauendem Druck im Bereich H das Medium den erhöhten Druck axial auf den Dichtrings ausüben. Zudem wird das Medium in die Nut 9 eindringen bzw. den Druck innerhalb der Nut 9 auch auf den Spannring 11 ausüben. Der Spannring 11 wird dadurch deformiert und übt seinerseits einen erhöhten Druck auf den Dichtring 13 aus. Dieser wird in der Folge stärker auf die Welle 3 gedrückt, so dass dessen Dichtwirkung verstärkt wird. Außerdem dichtet der Spannring 11 die Innenflächen der Nut 9 ab, so dass auch dort kein Medium austreten kann.
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In der 3 ist eine weitere Ansicht der Dichtungsanordnung gezeigt. Der Dichtring 13 weist an wenigstens einer Stelle entlang seines Umfangs eine Nut 20 auf, die sich radial außen an eine der Kavernen 17 anschließt und sich in Richtung des Spannrings 11 erstreckt. In der vergleichsweise engen Nut 9 kann es vorkommen, dass der Dichtring 13 mit seiner Seitenfläche 21 an der Wand der Nut 9 haftet und sich so der erhöhte Druck nicht auf den Spannring 11 auswirken kann. Durch die Nut 20 ist hingegen sichergestellt, dass auch bei haftendem Dichtring 13 der Druck über die Nut 20 auf den Spannring 11 wirken kann.
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Während einer Dreh- oder Schwenkbewegung der Welle 3 ist es erforderlich, die Dichtfläche 15 zu schmieren. Anhand einer der Kavernen 17' ist der Aufbau des Schmierfilms verdeutlicht. Bei Rotation der Welle 3, im gewählten Beispiel in Richtung des Pfeils 23 wird das im Bereich H befindlichen Medium in der Nähe der Außenfläche 5 der Welle 3 von dieser durch Haftkräfte und Viskosität mitgenommen, es werden also in Richtung des Pfeils 23 wirkende Kräfte auf das Medium ausgeübt. Es kommt zu einer Bewegung des Mediums in derselben Richtung. In der Kaverne 17', sowie in allen anderen dem Bereich H zugewandten Kavernen 17, trifft das sich bewegende Medium im hier unten dargestellten und durch einen dickere Linie hervorgehobenen Bereich 19' auf die Dichtkante 19. In diesem Bereich hat die Kraft eine senkrecht zur Dichtkante 19 stehende Komponente und bewirkt daher in Verbindung mit der sich verjüngenden Kaverne 17' ein Eindringen des Mediums unter die Dichtfläche 15, was durch mehrere Pfeile 25 dargestellt ist.
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In der 4 ist die Dichtungsanordnung in einer Schnittansicht schematisch dargestellt. Der Spannring 11 liegt radial außerhalb des Dichtrings 13 und drückt dessen Dichtfläche 15 auf die Außenfläche 5 der Welle 3. Der Spannring 11 ist radial innen leicht verjüngt ausgeführt und liegt auf einer Außenfläche des Dichtrings 13 in einer radialen Vertiefung, die durch zwei ringartige Erhöhungen 27 gebildet sind. So wird der Spannring 11 axial auf dem Dichtring 13 gehaltert.
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Die axialen Seitenflächen 21 des Dichtrings 13 schließen mit der Außenfläche 5 einen Winkel β möglichst nahe von 90° ein, um eine möglichst hohe Dichtwirkung zu erzielen. Realistische Werte liegen zwischen 75° und 90°, Werte um 80° erzeugen bereits eine gute Dichtwirkung. Bei nicht drehender Welle 3 ist so eine maximale Dichtigkeit der Dichtungsanordnung gewährleistet. Auch bei drehender Welle 3 ist eine hohe Dichtigkeit gegen den hohen Druck im Medium gewährleistet.
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Der Schnitt der 4 ist derart gelegt, dass er genau in der Mitte der Kaverne 17' liegt. Die Innenfläche 31 der Kaverne 17' schließt in ihrer Mitte, also in der Schnitteben der Darstellung, mit der Dichtfläche 15 bzw. der Außenfläche 5 einen Winkel α von 30° bis 55° ein. Bevorzugt sind 45°. So wird eine ausreichende Dichtwirkung in axialer Richtung erreicht.
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In der 5 ist eine Seitenansicht der Dichtungsanordnung ausschnittsweise dargestellt.
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Der an der Außenfläche 5 angrenzenden Rand der Kavernen 17 schließt mit der Dichtfläche 15 bzw. der Außenfläche 5 einen Winkel γ zwischen 10° und 45° ein. Insbesondere axial außen am Dichtring 13 schließen die Ränder der Kavernen 17 einen Winkel zwischen 15° und 30° ein. Der Winkel ist also signifikant kleiner als der Winkel zwischen den Seitenflächen 21 des Dichtrings 3 und der Welle 3. Deshalb kann das Schmiermittel leicht aus den Kavernen 17 unter die Dichtfläche 15 dringen.
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Eine weitere Nut 20 ist ebenfalls dargestellt. Sie schließt sich hier nicht an eine Kaverne 17 an sondern ist von dieser unabhängig platziert. Durch sie wird ein Anhaften des Dichtrings 13 an den Seitenfläche der Nut 9 verhindert.
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Die Dichtkante 19 ist durch die Kavernen 17 nicht radial verrundet sondern liegt auf ihrem gesamten Umfang dichtend bzw. auf dem Schmierfilm gleitend an der Außenfläche 5 der Welle 3 an. So ist es möglich, auch für die axialen Bewegungsanteile und für statische Anwendungsprofile eine hohe Dichtwirkung zu erzielen.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Dichtung außen dichtend ausgeführt, der Aufbau folglich radial genau umgekehrt. Ein außen liegendes bewegliches Teil ist statisch und dynamisch durch eine analog wirkende Dichtungsanordnung abgedichtet.
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Die vorliegende Erfindung kann vorteilhaft bei allen Arten von Rotationsverteilern in allen Bereichen des Maschinenbaus eingesetzt werden, unter anderem für Einbauräume nach ISO 3320 und ISO 7425. Andere Einsatzgebiete sind Drehdurchführungen der Mobilhydraulik, Abfüllanlagen in der Lebensmittelindustrie, Bohrgeräte in der Öl- und Gasförderung, sowie die Robotertechnik.
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In bevorzugten Ausführungen besteht der Dicht- oder Gleitring aus einem thermoplastischen mit einem hohen Anteil an Festschmierstoff gefüllten Polyurethanelastomer mit einer Härte von ca. 57 Shore-D. Der Spannring hingegen besteht beispielsweise aus Nitrilkautschuk (NBR). Der Spannring hat vorteilhaft einen rechteckigen Profilquerschnitt, so dass ein fester und verdrehsicherer Sitz im Gehäuse möglich ist. Er kann sich im Einbauraum nicht verdrillen und ist sowohl spanend als auch im Formwerkzeug einfach herstellbar. Für weniger schwere Belastungsfälle kann auch ein O-Ring als Vorspannelement eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 3
- Welle
- 5
- Außenfläche
- 7
- Spalt
- 9
- Nut
- 11
- Spannring
- 13
- Dichtring
- 15
- Dichtfläche
- 17, 17'
- Kaverne
- 18
- Schmierfilm
- 19
- Dichtkante
- 20
- Nut
- 21
- Seitenfläche
- 23, 25
- Pfeil
- 27
- Erhöhung
- U
- Umgebung
- H
- Hochdruckseite
- α
- Winkel
- β
- Winkel
- γ
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO 3320 [0040]
- ISO 7425 [0040]
