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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Dichtkolben für eine hydraulische Dehnspannhalterung und eine solche Dehnspannhalterung.
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Eine hydraulische Dehnspannhalterung hält ein Werkzeug oder ein Werkstück mittels hydraulischem Druck. Ein Beispiel für eine Dehnspannhalterung ist ein Dehnspannfutter. Zum Ein- oder Aufspannen des Werkzeugs oder des Werkstücks weist die Dehnspannhalterung eine Dehnhülse auf, mit einer Wandung und einer Druckkammer, in welcher ein Fluid enthalten ist. Die Druckkammer ist über eine Bohrung in der Dehnspannhalterung zugänglich. In diese Bohrung ist ein Dichtkolben eingesetzt, mittels welchem auf das Fluid und somit auf die Wandung Druck ausgeübt wird. Dabei sind der Druck und somit auch die Verspannung des Werkzeugs oder des Werkstücks in oder an der Dehnhülse dadurch einstellbar, dass der Dichtkolben in der Bohrung verfahren wird, z.B. durch Hinein- oder Herausschrauben. Entsprechend wird mehr oder weniger Druck ausgeübt.
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In der US 2005 / 0 184 472 A1 wird ein Hydraulikhalter beschrieben, welcher einen Schaft umfasst, zum Zusammenstecken mit einer rotierenden Bearbeitungsvorrichtung, ein Frontstück in axialer Ausrichtung mit dem Schaft und mit einer axialen Bohrung und einen fest in der Bohrung montierten Hydraulikeinsatz. Dabei kann der Hydraulikeinsatz betätigt werden, um ein Werkzeug oder ein Werkstück in der inneren Bohrung festzuklemmen. Weiter wird ein Kolben beschrieben, durch dessen Längsbewegung eine Hydraulikflüssigkeit komprimierbar ist.
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Die Dichtigkeit des Dichtkolbens innerhalb der Bohrung der Dehnspannhalterung ist von wesentlicher Bedeutung für deren optimalen Betrieb. Eine Leckage des Fluids aus der Druckkammer heraus soll soweit wie möglich vermieden werden. Da der Dichtkolben aber beweglich sein muss, ist eine Abdichtung schwierig, zumal durch wiederkehrende Bewegung des Dichtkolbens beim jeweiligen Ein- und Ausspannen eines Werkzeugs oder eines Werkstücks der Dichtkolben mit der Zeit verschleißt, wodurch die Dichtwirkung abnimmt.
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Aufgabe der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Dichtkolben zur Verwendung in einer hydraulischen Dehnspannhalterung anzugeben. Der Dichtkolben soll möglichst lange eine möglichst hohe Dichtigkeit gewährleisten. Weiter soll eine entsprechende Dehnspannhalterung mit einem solchen Dichtkolben angegeben werden.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Dichtkolben mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Dehnspannhalterung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Dichtkolben gelten sinngemäß auch für die Dehnspannhalterung und umgekehrt.
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Im Kern zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Dichtkolben insbesondere dadurch aus, dass dieser eine insgesamt stumpfe und in axialer Richtung betrachtet lange Dichtlippe aufweist. Dieses Konzept wird nachfolgend ausführlicher beschrieben.
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Der Dichtkolben ist ausgebildet zur Verwendung in einer hydraulischen Dehnspannhalterung. Die Dehnspannhalterung weist eine Bohrung auf, in welche der Dichtkolben beim bestimmungsgemäßen Gebrauch eingesetzt ist. Der Dichtkolben dichtet eine Druckkammer der Dehnspannhalterung gegenüber der Umgebung ab. Der Dichtkolben ist in der Bohrung verfahrbar, wodurch die Dehnspannhalterung je nach Richtung spannbar und lösbar ist. In der Druckkammer ist ein Fluid angeordnet, welches seinerseits auf eine Wandung z.B. einer Dehnhülse drückt, in welcher ein Werkzeug oder Werkstück verspannbar ist. Das Fluid ist beispielsweise ein Öl. Durch ein Herein- oder Herausfahren des Dichtkolbens in die Bohrung oder aus dieser heraus wird entsprechend Druck auf das Fluid und die Wandung sowie ein darin oder daran verspanntes Werkzeug oder Werkstück ausgeübt.
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Vorliegend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass die Dehnspannhalterung ein Dehnspannfutter ist, welches eine insbesondere zylindrische Dehnhülse aufweist, welche einen Hohlraum umringt, in welchen ein Werkzeug oder ein Werkstück einsetzbar ist und in welchem das Werkzeug oder Werkstück durch Betätigung des Dichtkolbens verspannbar ist.
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Der Dichtkolben weist einen Stift auf, welcher sich in einer axialen Richtung erstreckt. Weiter weist der Dichtkolben eine Dichtung auf, welche sich an den Stift anschließt und ebenfalls in der axialen Richtung erstreckt. Mit anderen Worten: der Stift und die Dichtung erstrecken sich entlang einer gemeinsamen Längsachse und sind bezüglich dieser Längsachse konzentrisch und hintereinander angeordnet. Die Längsachse erstreckt sich in axialer Richtung. Senkrecht zur axialen Richtung ist eine radiale Richtung. Die Dichtung folgt in axialer Richtung insbesondere unmittelbar auf den Stift. Der Stift dient zur Betätigung des Dichtkolbens von außen her. Die Dichtung zeigt dagegen ins Innere der Dehnspannhalterung und steht insbesondere im Kontakt mit dem Fluid in der Druckkammer. Der Stift wird daher auch als oberer oder äußerer Teil des Dichtkolbens bezeichnet, die Dichtung demgegenüber als unterer oder innerer Teil des Dichtkolbens.
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Die Dichtung weist einen Dichtungsschaft auf, welcher sich an den Stift anschließt und welcher einen Schaftradius aufweist. Der Schaftradius ist in radialer Richtung gemessen, also senkrecht zur Längsachse. Der Schaftradius entspricht vorzugsweise einem Stiftradius des Stifts oder einem Innenradius der Bohrung oder beides. Weiter weist die Dichtung einen Dichtkopf auf, welcher sich an den Dichtungsschaft anschließt. Der Dichtkopf schließt sich insbesondere unmittelbar an den Dichtungsschaft an, d.h. ohne weitere dazwischenliegende Abschnitte. Der Dichtungsschaft dient vorrangig insbesondere der Führung der Dichtung in der Bohrung und ist daher bezüglich der Bohrung vorzugsweise mit Spiel gefertigt.
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Der Dichtkopf weist eine insbesondere vollständig umlaufende Dichtlippe auf, welche einen Dichtradius aufweist, welcher größer ist als der Schaftradius. Auch der Dichtradius ist in radialer Richtung gemessen, also senkrecht zur Längsachse. Die Dichtlippe bildet in radialer Richtung eine Kontaktfläche, zur Anlage an und Abdichtung gegen eine Innenwand einer Bohrung in der Dehnspannhalterung. Mit anderen Worten: der Dichtradius ist größer als ein Innenradius der Bohrung, also bezüglich dieser mit Übermaß gefertigt, sodass sich eine Presspassung ergibt und die Dichtlippe in eingesetztem Zustand dichtend an der Innenwand der Bohrung anliegt. Die Dichtlippe ist somit derjenige Teil des Dichtkopfs, welcher in eingesetztem Zustand mit der Innenwand der Bohrung in Kontakt steht und dabei insbesondere in radialer Richtung komprimiert wird, sodass eine Dichtwirkung realisiert ist. Die eigentliche Dichtwirkung des Dichtkolbens insgesamt wird also insbesondere ausschließlich durch den Dichtkopf realisiert und speziell überwiegend oder ausschließlich durch die Dichtlippe. Die Kontaktfläche der Dichtlippe bestimmt auch wesentlich eine Außenkontur des Dichtkopfs insgesamt, wobei die Außenkontur im Querschnitt entlang der Längsachse zu betrachten ist und den Dichtkopf in radialer Richtung begrenzt.
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Die Dichtlippe weist in axialer Richtung gemessen eine Dichtlänge auf, welche größer ist als die Differenz zwischen dem Dichtradius und dem Schaftradius. Die Differenz wird auch als Überstand oder als Dichtungsstärke bezeichnet. Vorzugsweise beträgt die Dichtlänge wenigstens das 1,5-fache, besonders bevorzugt wenigstens das 2-fache der Differenz zwischen Dichtradius und Schaftradius. Die Dichtlänge ist nach oben hin grundsätzlich lediglich durch die Länge des gesamten Dichtkopfs begrenzt und beträgt in einer geeigneten Ausgestaltung höchstens das 5-fache der Differenz zwischen Dichtradius und Schaftradius.
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Vorzugsweise weist der gesamte Dichtkolben lediglich eine einzige Dichtlippe auf.
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Aufgrund der speziellen Dichtlänge weist die Dichtlippe eine insgesamt längliche, d.h. lange, und auch stumpfe Form auf, im Gegensatz zu den demgegenüber spitzen Dichtlippen in den eingangs genannten Dokumenten
EP 1 737 594 B1 und
DE 10 2017 002 144 A1 . Die erfindungsgemäß speziell geformte und dimensionierte Dichtlippe weist diverse Vorteile auf. Zum Einen ist die Dichtlippe an sich besonders massiv ausgebildet, speziell im Gegensatz zu einer spitzen und dadurch flachen und dünnen Dichtlippe, und daher besonders gut vor einer versehentlichen Beschädigung beim Einsetzen in die Bohrung der Dehnspannhalterung geschützt. Eine solche Beschädigung würde ansonsten zu einer undichten Dehnspannhalterung führen und bereits von Beginn an zu einer Leckage, d.h. zu einem ungewollten Austritt von Fluid aus der Druckkammer. Weiter ist eine besonders große Kontaktfläche realisiert, wodurch die Dichtwirkung insgesamt verbessert ist. Speziell beim Einfahren in die Bohrung wirkt eine hohe Kraft auf den Dichtkopf und die Dichtlippe. Je stärker und massiver die Dichtlippe ausgebildet ist, umso besser hält diese einem entsprechenden Druckaufbau stand. Eine Leckage von Fluid wird durch die spezielle Dichtlippe reduziert oder gänzlich verhindert. Zudem ist der Dichtkolben auch beim wiederholten Verfahren und Belasten besonders widerstandsfähig und verschleißt dadurch besonders langsam. Im Ergebnis bleibt ein Werkzeug oder Werkstück in oder an der Dehnspannhalterung besonders zuverlässig auch über längere Zeit gespannt und fest gehalten.
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Der Stift besteht geeigneterweise aus einem steifen Werkstoff, vorzugsweise einem Metall, insbesondere aus Stahl. Der Stift ist insbesondere rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse. Der Stift ist zweckmäßigerweise ein Zylinder. Vorzugsweise ist der Stift einstückig gefertigt, d.h. monolithisch. Zweckmäßigerweise ist der Stift durch ein zusätzliches Stellglied bewegbar, welches insbesondere konzentrisch zum Dichtkolben in die Bohrung eingeführt ist und entlang der Längsachse auf eine Oberfläche, d.h. auf einer der Dichtung abgewandten Seite, des Stifts wirkt. Das Stellglied ist z.B. eine Schraube und die Bohrung der Dehnspannhalterung weist ein geeignetes Gewinde zur Führung der Schraube auf.
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Die Dichtung besteht vorzugsweise aus einem elastischen Werkstoff, insbesondere einem Kunststoff, sodass die Dichtung sich optimal an die Bohrung anpasst und dadurch die Druckkammer abdichtet. In einer geeigneten Ausgestaltung besteht die Dichtung aus einem thermoplastischen Polyurethan, kurz TPU. Zweckmäßigerweise weist der Werkstoff allgemein eine möglichst gute Chemikalienbeständigkeit speziell gegenüber dem Fluid in der Druckkammer auf sowie weiter eine möglichst gute Verschleißfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, Formbarkeit hinsichtlich der Herstellung, Elastizität hinsichtlich des Einsetzens in die Bohrung, Lebensdauer und Dichtwirkung sowie Reibeigenschaften speziell gegenüber der Innenwand der Bohrung. Der Stift ist insbesondere rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse. Bevorzugterweise ist die Dichtung einstückig gefertigt, d.h. monolithisch. Die Dichtung wird vorzugsweise durch ein Spritzgussverfahren hergestellt und dabei insbesondere rotationssymmetrisch.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Dichtlippe in axialer Richtung gemessen wenigstens 1 mm lang, d.h. weist eine Dichtlänge von wenigstens 1 mm auf. Zweckmäßigerweise ist die Dichtlippe höchstens 2 mm lang, besonders bevorzugt ist die Dichtlippe wenigstens 1 mm und höchstens 1,3 mm lang. Diese Längen ergeben eine insgesamt lange und stumpfe Dichtlippe mit vorteilhafter Dichtwirkung.
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In einer lediglich beispielhaften, dabei jedoch geeigneten Ausgestaltung für eine Bohrung mit einem Innenradius von 6 mm plus einer Toleranz nach oben hin weist der Stift ein Untermaß auf, z.B. einen Durchmesser von 5,9 mm, der Dichtungsschaft weist einen Schaftradius von 3 mm auf und die Dichtlippe einen Dichtradius von 3,3 mm, d.h. allgemein ein Übermaß bezüglich der Bohrung. Die Dichtung ist insgesamt etwa so lang wie breit, z.B. 6 mm lang, wobei der Dichtungsschaft eine Schaftlänge zwischen 2 mm und 3 mm aufweist und der Dichtkopf entsprechend zwischen 3 mm und 4 mm lang ist. Die Dichtlippe weist eine Dichtlänge zwischen 1 mm und 1,3 mm auf. Die Dichtlippe ist vorzugsweise etwa mittig entlang des Dichtkopfs ausgebildet. Für Bohrungen mit anderen Innenradien ergeben sich entsprechend andere Abmessungen. Beispielhafte und zugleich vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich insbesondere durch Skalierung der für die 6-mm-Bohrung genannten Werte oder Übertragung von deren Verhältnissen zueinander auf andere Innenradien.
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Die Kontaktfläche verläuft allgemein insbesondere ringförmig um die Längsachse herum. Die Dichtlippe ist entsprechend insbesondere als ein scheibenförmiger Längsabschnitt des Dichtkopfs ausgebildet und steht in radialer Richtung gegenüber dem übrigen Dichtkopf und auch speziell gegenüber dem Dichtungsschaft hervor. Die Dichtlippe liegt insbesondere in einer Ebene senkrecht zur Längsachse. Für die Dichtlippe und speziell für die Außenkontur, welche durch den Verlauf der Kontaktfläche gegeben ist, sind verschiedene Ausgestaltungen geeignet, solange sich insgesamt eine entsprechend lange und stumpfe Form ergibt.
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In einer ersten geeigneten Ausgestaltung ist die Dichtlippe zylindrisch ausgebildet, sodass die Kontaktfläche gerade ist und in axialer Richtung verläuft, d.h. parallel zur Längsachse. Die Dichtlippe verläuft somit parallel zur Innenwand der Bohrung.
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In einer zweiten geeigneten Ausgestaltung ist die Dichtlippe insbesondere konvex ausgebildet, d.h. insbesondere ballig und nach außen gewölbt. Insbesondere ist die Dichtlippe auch insgesamt kantenfrei. In einer Schnittansicht entlang der Längsachse betrachtet weist die Dichtlippe einen entsprechenden Krümmungsradius auf, welcher in einer bevorzugten Ausgestaltung wenigstens 1 mm beträgt. Im Grenzfall eines unendlich großen Krümmungsradius ergibt sich insbesondere die zuvor genannte gerade Ausgestaltung.
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Grundsätzlich ist eine Ausgestaltung möglich und geeignet, bei welcher die Dichtlippe allein den gesamten Dichtkopf bildet, sodass die Dichtung lediglich aus dem Dichtungsschaft und der daran angefügten Dichtlippe besteht. Zweckmäßigerweise weist der Dichtkopf dagegen in einer Variante noch einen oder mehrere weitere Längsabschnitt auf, wie nachfolgend näher erläutert ist.
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In einer geeigneten Ausgestaltung weist der Dichtkopf einen Verbindungsabschnitt auf, welcher den Dichtungsschaft mit der Dichtlippe verbindet, wobei entlang des Verbindungsabschnitts sich der Radius des Dichtkopfs kontinuierlich vom Schaftradius auf den Dichtradius aufweitet. Der Verbindungsabschnitt ist somit ein Aufweitungsabschnitt, welcher derart ausgebildet ist dass der Radius der Dichtung ausgehend vom Dichtungsschaft und entlang der Längsachse bis zur Dichtlippe hin kontinuierlich aufgeweitet ist. Am Übergang vom Verbindungsabschnitt zur Dichtlippe ergibt sich insbesondere bei einer geraden Dichtlippe möglicherweise eine Kante, welche vorzugsweise abgerundet ist. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Verbindungsabschnitt kegelstumpfförmig, sodass sich der Radius in axialer Richtung konstant aufweitet. Insgesamt stabilisiert der Aufweitungsabschnitt auf vorteilhafte Weise die Dichtlippe und stützt diese sozusagen beim Einfahren in die Bohrung hinein ab, sodass ein Umklappen der Dichtlippe nach oben hin, d.h. in Richtung des Dichtungsschafts verhindert wird. Aufgrund des Verbindungsabschnitts ist ein kontinuierlicher Übergang vom Dichtungsschaft zur Dichtlippe ausgebildet, wodurch letztere insgesamt eher wie eine Verdickung des Dichtkopfs wirkt und gerade nicht wie eine an diesen angefügt Stufe. Der Verbindungsabschnitt weist in axialer Richtung gemessen eine Länge auf, welche vorzugsweise wenigstens 75% und höchstens 150% der Dichtlänge der Dichtlippe entspricht.
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Zusätzlich oder alternativ weist der Dichtkopf in einer geeigneten Ausgestaltung einen Endabschnitt auf, welcher sich auf derjenigen Seite der Dichtlippe, welche dem Dichtungsschaft gegenüberliegt, an die Dichtlippe anschließt. Bei einem zusätzlich vorhandenen Verbindungsabschnitt ist dann die Dichtlippe von diesem Verbindungsabschnitt und dem Endabschnitt in axialer Richtung gleichsam eingerahmt und sandwichartig zwischen diesen angeordnet. Entlang des Endabschnitts reduziert sich der Radius des Dichtkopfs kontinuierlich vom Dichtradius auf einen Endradius. Der Endabschnitt bildet insbesondere ein Ende des Dichtkopfs und auch des gesamten Dichtkolbens. Endseitig weist der Endabschnitt eine Umlaufkante auf, welche einen Übergang zu einer Frontfläche des Dichtkopfs bildet. Vorzugsweise ist die Umlaufkante abgerundet ausgebildet und weist hierzu in einer geeigneten Ausgestaltung einen Krümmungsradius zwischen 0,5 mm und 1 mm auf. Der Endabschnitt ist vorzugsweise kegelstumpfförmig und derart orientiert, dass sich der Radius in axialer Richtung und zur Frontfläche hin konstant verjüngt. Der Endradius beträgt vorzugsweise wenigstens 90 % und höchstens 100 % des Schaftradius. Der Endabschnitt weist in axialer Richtung gemessen eine Länge auf, welche vorzugsweise wenigstens 75% und höchstens 150% der Dichtlänge der Dichtlippe entspricht. Insbesondere entspricht die Länge des Endabschnitts in etwa der Länge des Verbindungsabschnitts.
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Denkbar und ebenfalls geeignet ist gegenüber der oben genannten Ausgestaltung des Endabschnitts auch eine Ausgestaltung, bei welcher dieser nicht zur Frontfläche hin verjüngt ist, sondern derart umgekehrt orientiert ist, dass der Radius konstant ist oder sich ausgehend von der Dichtlippe zur Frontfläche hin aufweitet. Die oben genannten Abmessungen lassen sich dabei vorteilhaft übertragen. Unterhalb der Dichtlippe ist dann eine Stufe ausgebildet, an welcher der Endabschnitt gegenüber der Dichtlippe nach innen hin zurückgesetzt ist, sodass also der Radius sozusagen schlagartig und diskontinuierlich reduziert ist, z.B. auf den Schaftradius. Ausgehend hiervon bleibt der Radius entweder konstant oder weitet sich nach unten, also zur Frontfläche hin und von der Dichtlippe weg, auf den Endradius auf, überschreitet dabei jedoch nicht den Dichtradius. In dieser Ausgestaltung mit umgekehrt verjüngtem Endabschnitt ist der Druckkammer eine besonders große Fläche zugewandt, was insbesondere hinsichtlich des Angreifens des Drucks am Dichtkopf vorteilhaft ist.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher ein Verbindungsabschnitt mit einem Endabschnitt kombiniert ist, wobei sich der Radius jeweils zur Dichtlippe hin aufweitet, also von der Dichtlippe weg jeweils verjüngt. Zweckmäßigerweise sind der Verbindungsabschnitt und der Endabschnitt dabei jeweils kegelstumpfförmig ausgebildet und schließen einen Innenwinkel ein, welcher wenigstens 110° beträgt, bevorzugt wenigstens 145°, und geringer ist als 180°. Dadurch ist die Dichtlippe insgesamt als Verdickung ausgebildet und die Dichtung erscheint insgesamt pilzförmig.
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Vorzugsweise weist der Dichtkopf im Querschnitt entlang der Längsachse betrachtet eine ausschließlich konvexe Außenkontur auf. Die Übergänge zwischen den diversen Längsabschnitten, also dem Verbindungsabschnitt, der Dichtlippe und dem Endabschnitt, sind dabei zusätzlich insbesondere kontinuierlich und vorzugsweise abgerundet ausgebildet, sodass keine Stufen vorhanden sind, sondern sich eine insgesamt glatte Außenkontur des Dichtkopfs ergibt Gleiches gilt zweckmäßigerweise auch für den Übergang vom Dichtkopf zum Dichtungsschaft. Speziell bei einer konvexen Dichtlippe gehen der Verbindungsabschnitt und der Endabschnitt jeweils geeigneterweise knickfrei, kantenfrei oder stufenfrei in die Dichtlippe über. Der gesamt Dichtkopf weist somit im Querschnitt entlang der Längsachse betrachtet eine insgesamt konvexe Außenkontur auf.
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In einer geeigneten Ausgestaltung weist der Dichtkopf, speziell insbesondere der Endabschnitt, eine Frontfläche auf, in welche eine Vertiefung, auch als Mulde bezeichnet, eingebracht ist. Die Vertiefung ist derart ausgebildet, dass der Dichtkopf bei frontseitiger Beaufschlagung mit Druck in radialer Richtung aufgeweitet wird. Die Vertiefung verteilt demnach den Druck derart auf den Dichtkopf, dass auf diesen sozusagen von innen heraus und nach außen eine Kraft wirkt.
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Die Vertiefung ist geeigneterweise kugelförmig, genauer kugelabschnittsförmig, z.B. halbkugelförmig ausgebildet. Andere Formen sind jedoch auch möglich und geeignet. Die Vertiefung weist zweckmäßigerweise eine Tiefe auf, welche zwischen 0,5 mm und 2 mm beträgt. In einer geeigneten Ausgestaltung ist die Vertiefung so tief wie der Endabschnitt lang ist. Die Vertiefung ist grundsätzlich für verschiedene Formen des Dichtkopfs und speziell des Endabschnitts geeignet, darunter für einen Dichtkopf, welcher sich zur Frontfläche hin verjüngt oder aufweitet oder welcher gerade ausgebildet ist.
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Zwischen dem Stift und der Dichtung des Dichtkolbens ist eine Schnittstelle ausgebildet, welcher insbesondere aufgrund des Übergangs von einem zum anderen Werkstoff besonders beansprucht ist. Je nach Ausgestaltung setzen sich hier mit der Zeit Verunreinigungen ab, welche zu einer Beschädigung vor allem der Dichtung führen können.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Dichtkolben zweiteilig ausgebildet, indem der Stift und die Dichtung lediglich lose miteinander verbunden sind. Im Gegensatz zu z.B. einer Steckkupplung, ergibt sich eine besonders vorteilhafte Auflage des Stifts auf der Dichtung, wodurch ein Eindringen von Verunreinigungen reduziert ist, sodass der Dichtkolben insgesamt eine längere Lebensdauer aufweist.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung weisen der Stift und der Dichtkopf jeweils eine Anlagefläche auf, über welche der Stift und der Dichtkopf aneinander anliegen. Die Anlageflächen bilden somit die oben genannte Schnittstelle. Vorzugsweise sind die Anlageflächen jeweils durchgängig und plan ausgebildet.
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Der Stift und die Dichtung liegen also plan aneinander an, auf eine Steckkupplung oder dergleichen wird verzichtet, sodass auch hierdurch ein Eindringen von Verunreinigungen vorteilhaft reduziert ist.
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Die oben beschriebenen drei Konzepte betreffend 1.) die lange Dichtlippe 2.) die Richtung der Verjüngung des Endabschnitts und 3.) die Vertiefung in der Frontfläche sind allgemein voneinander unabhängig und beliebig miteinander kombinierbar, sodass sich weitere, nicht explizit genannte und dennoch vorteilhafte Ausführungsformen ergeben.
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Speziell wird das oben beschriebene Konzept mit der Vertiefung in der Frontfläche auch unabhängig von dem Merkmal, dass die Dichtlippe in axialer Richtung gemessen eine Dichtlänge aufweist, welche größer ist als die Differenz zwischen dem Dichtradius und dem Schaftradius, als eigenständig erfinderisch angesehen, da auch durch diese frontseitige Vertiefung allein bereits eine verbesserte Dichtwirkung erzielt wird. Mit anderen Worten: die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Dichtkolben, welcher eine Frontfläche aufweist, in welche eine Vertiefung eingebracht ist, welche derart ausgebildet ist, dass der Dichtkopf bei frontseitiger Beaufschlagung mit Druck in radialer Richtung aufgeweitet wird. Die Anmelderin behält sich die Einreichung einer Teilanmeldung vor, gerichtet auf einen solchen Dichtkolben.
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Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtkolbens wie beschrieben, wobei der Dichtkopf vorzugsweise durch ein Spritzgussverfahren hergestellt wird, d.h. als ein Spritzgussteil. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten ergeben sich analog aus den obigen Ausführungen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine Dehnspannhalterung mit einem Dichtkolben,
- 2 einen Dichtkolben,
- 3 den Dichtkopf des Dichtkolbens aus 2,
- 4 eine Variante des Dichtkopfs aus 3,
- 5 eine weitere Variante des Dichtkopfs aus 3,
- 6 eine weitere Variante des Dichtkopfs aus 3.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt in einer Schnittansicht und stark schematisiert eine hydraulische Dehnspannhalterung 2, welche hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit ein Dehnspannfutter ist. Die Dehnspannhalterung 2 weist eine zylindrische Dehnhülse 4 auf, welche einen Hohlraum 6 umringt, in welchen ein nicht näher dargestelltes Werkzeug oder Werkstück einsetzbar ist und in welchem dieses durch Betätigung eines Dichtkolbens 8 verspannbar ist. Ein Ausführungsbeispiel für den Dichtkolben 8 ist in 2 in einer Seitenansicht gezeigt. Die Dehnspannhalterung 2 weist eine Bohrung 10 auf, in welche der Dichtkolben 8 eingesetzt ist. Der Dichtkolben 8 dichtet eine Druckkammer 12 der Dehnspannhalterung 2 gegenüber der Umgebung ab. Der Dichtkolben 8 ist in der Bohrung 10 verfahrbar, wodurch die Dehnspannhalterung 2 je nach Richtung spannbar und lösbar ist. In der Druckkammer 12 ist ein Fluid angeordnet, welches auf eine Wandung der Dehnhülse 4 drückt. Durch ein Herein- oder Herausfahren des Dichtkolbens 8 in die Bohrung 10 oder aus dieser heraus wird entsprechend Druck auf das Fluid und die Dehnhülse 4 sowie ein darin oder daran verspanntes Werkzeug oder Werkstück ausgeübt.
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Der Dichtkolben 8 aus 1 ist in 2 in einer Seitenansicht näher gezeigt. Die in 2 gezeigte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass bei dieser der Dichtkolben 8 eine insgesamt stumpfe und in axialer Richtung A betrachtet lange Dichtlippe 14 aufweist. Der Dichtkolben 8 weist einen Stift 16 auf, welcher sich in einer axialen Richtung A erstreckt, und eine Dichtung 18, welche sich unmittelbar an den Stift 16 anschließt und sich ebenfalls in der axialen Richtung A erstreckt. Insgesamt erstrecken sich der Stift 16 und die Dichtung 18 entlang einer gemeinsamen Längsachse L und sind bezüglich dieser konzentrisch und hintereinander angeordnet. Die Längsachse L erstreckt sich in axialer Richtung A. Senkrecht zur axialen Richtung A ist eine radiale Richtung R. Der Stift 16 dient zur Betätigung des Dichtkolbens 8 von außen her. Die Dichtung 18 zeigt dagegen ins Innere der Dehnspannhalterung 2 und steht im Kontakt mit dem Fluid in der Druckkammer 12.
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Der Dichtkolben 8 in den 1 und 2 ist zweiteilig ausgebildet, indem der Stift 16 und die Dichtung 18 lediglich lose miteinander verbunden sind. Im Gegensatz zu z.B. einer ebenfalls geeigneten Steckkupplung ergibt sich eine Auflage des Stifts 16 auf der Dichtung 18 derart, dass ein Eindringen von Verunreinigungen reduziert ist. Weiter weisen der Stift 16 und die Dichtung 18 jeweils eine Anlagefläche A1, A2 auf, über welche der Stift 16 und die Dichtung 18 aneinander anliegen. Die Anlageflächen A1, A2 bilden somit eine Schnittstelle und sind hier jeweils durchgängig und plan ausgebildet. Auf eine Steckkupplung oder dergleichen wird verzichtet.
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Die Dichtung 18 aus den 1 und 2 ist im Detail und in einer Schnittansicht entlang der Längsachse L in 3 gezeigt. Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Dichtung 18 sind jeweils in den 4, 5, 6 ebenfalls in einer Schnittansicht entlang der Längsachse L der Dichtung 18 gezeigt. Die gezeigten, diversen Ausgestaltungen des Dichtkopfs 18 werden nachfolgend näher erläutert.
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Die Dichtung 18 weist einen Dichtungsschaft 20 auf, welcher sich an den Stift 16 anschließt und welcher in radialer Richtung R gemessen einen Schaftradius Rs aufweist. Der Schaftradius Rs entspricht hier einem Innenradius Ri der Bohrung 10. Weiter weist die Dichtung 18 einen Dichtkopf 22 auf, welcher sich unmittelbar an den Dichtungsschaft 18 anschließt. Der Dichtungsschaft 20 dient vorrangig der Führung der Dichtung 18 in der Bohrung 10.
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Der Dichtkopf 22 weist eine vollständig umlaufende Dichtlippe 14 auf, welche einen Dichtradius Rd aufweist, welcher größer ist als der Schaftradius Rd. Die Dichtlippe 14 bildet in radialer Richtung R eine Kontaktfläche 24, zur Anlage an und Abdichtung gegen eine Innenwand 25 der Bohrung 10. Hierzu ist der Dichtradius Rd größer als der Innenradius Ri der Bohrung 10, also bezüglich dieser mit Übermaß gefertigt, sodass sich eine Presspassung ergibt und die Dichtlippe 14 in eingesetztem Zustand dichtend an der Innenwand 25 der Bohrung 10 anliegt. Die Dichtlippe 14 ist somit derjenige Teil des Dichtkopfs 22, welcher in eingesetztem Zustand mit der Innenwand 25 der Bohrung 10 in Kontakt steht und dabei in radialer Richtung komprimiert wird, sodass eine Dichtwirkung realisiert ist. In sämtlichen gezeigten Ausführungsvarianten weist der gesamte Dichtkolben 8 lediglich eine einzige Dichtlippe 14 auf. Die Kontaktfläche 24 der Dichtlippe 14 bestimmt auch wesentlich eine Außenkontur K des Dichtkopfs 22 insgesamt.
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In allen gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Dichtung 18 rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse L. Auch der in den 1 und 2 gezeigte Stift 16 ist rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse L.
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Wie aus den 3 bis 5 deutlich wird, weist die Dichtlippe 14 in diesen Ausführungsbeispielen in axialer Richtung A gemessen eine Dichtlänge Ld auf, welche größer ist als die Differenz zwischen dem Dichtradius Rd und dem Schaftradius Rs. Aufgrund der speziellen Dichtlänge Ld weist die Dichtlippe 14 eine insgesamt längliche, d.h. lange, und auch stumpfe Form auf, im Gegensatz zu einer demgegenüber spitzen Dichtlippe 14 wie z.B. in 6 gezeigt. Damit ist die Dichtlippe 14 an sich besonders massiv ausgebildet und realisiert eine besonders große Kontaktfläche 24.
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Mit Bezug zu den 3 und 4 wird nachfolgend ein konkretes Zahlenbeispiel zur Dimensionierung der Dichtung 18 angegeben. Die Dichtlippe 14 ist wenigstens 1 mm und höchstens 1,3 mm lang, in den 3 und 4 konkret 1,3 mm. Diese Längen ergeben eine insgesamt lange und stumpfe Dichtlippe 14. Für eine Bohrung 10 mit einem Innenradius Ri von 6 mm plus einer Toleranz nach oben hin weist der in 3 und 4 nicht näher gezeigte Stift 16 ein Untermaß auf, z.B. einen Durchmesser von 5,9 mm. Der Dichtungsschaft 20 weist einen Schaftradius Rs von 3 mm auf und die Dichtlippe 14 einen Dichtradius Rd von 3,3 mm. Die Dichtung 14 ist insgesamt etwa so lang wie breit, hier insgesamt 6 mm lang, wobei der Dichtungsschaft 20 eine Schaftlänge Ls zwischen 2 mm und 3 mm aufweist, hier 2,6 mm, und der Dichtkopf 22 entsprechend zwischen 3 mm und 4 mm lang ist, hier 3,4 mm. Die Dichtlippe 14 ist etwa mittig entlang des Dichtkopfs 22 ausgebildet. Für Bohrungen 10 mit anderen Innenradien Ri ergeben sich entsprechend andere Abmessungen. Entsprechend ergeben sich weitere Ausführungsvarianten durch Skalierung der beispielhaft genannten Werte oder durch Übertragung von deren Verhältnissen zueinander auf andere Innenradien Ri.
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Zur Ermittlung beispielhafter, geeigneter Ausführungsformen ist in den 3 bis 6 jeweils ein Maßstab M angegeben, welcher jedoch den Umfang der Erfindung nicht auf die gezeigten Dimensionen und Verhältnisse dieser untereinander beschränkt. Vielmehr ergeben sich weitere geeignete Ausführungsformen bereits gemäß dem rein schematischen Gehalt der 3 bis 6 durch Variation der Abmessungen und deren Verhältnis zueinander zumindest innerhalb der vorstehend und nachfolgend angegebenen Grenzwerte. Sofern keine Grenzen explizit angegeben sind, ergeben sich geeignete Grenzen durch Anwendung eines Faktors von 1/2 bis 2 auf die explizit angegebenen Werte.
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Die Kontaktfläche 24 verläuft allgemein ringförmig um die Längsachse L herum. Die Dichtlippe 14 ist entsprechend als ein scheibenförmiger Längsabschnitt des Dichtkopfs 22 ausgebildet und steht in radialer Richtung R gegenüber dem übrigen Dichtkopf 22 und dem Dichtungsschaft 20 hervor. Die Dichtlippe 14 liegt in einer Ebene senkrecht zur Längsachse L. Für die Dichtlippe 14 und insgesamt für die Außenkontur K, welche durch den Verlauf der Kontaktfläche 24 maßgeblich bestimmt ist, sind verschiedene Ausgestaltungen geeignet, solange sich wie in den 3, 4, 5 gezeigt insgesamt eine entsprechend lange und stumpfe Form ergibt.
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Im Ausführungsbeispiel der 3 ist die Dichtlippe 14 zylindrisch ausgebildet, sodass die Kontaktfläche 24 gerade ist und in axialer Richtung A verläuft, d.h. parallel zur Längsachse L und somit auch parallel zur Innenwand 25 der Bohrung 10. Im Ausführungsbeispiel der 4 dagegen ist die Dichtlippe 14 konvex ausgebildet, d.h. ballig und nach außen gewölbt. Insgesamt ist die Dichtlippe 14 in 4 auch kantenfrei. In der in 4 gezeigten Schnittansicht entlang der Längsachse L weist die Dichtlippe 14 einen entsprechenden Krümmungsradius K1 auf, welcher hier wenigstens 1 mm beträgt.
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In den gezeigten Varianten weist der Dichtkopf 14 noch mehrere weitere Längsabschnitte auf. Grundsätzlich ist aber auch eine nicht gezeigte Ausgestaltung möglich und geeignet, bei welcher die Dichtlippe 14 allein den gesamten Dichtkopf 22 bildet, sodass die Dichtung 18 lediglich aus dem Dichtungsschaft 20 und der daran angefügten Dichtlippe 14 besteht.
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In allen gezeigten Ausführungsbeispielen weist der Dichtkopf 22 einen Verbindungsabschnitt 26 auf, welcher den Dichtungsschaft 20 mit der Dichtlippe 14 verbindet, wobei entlang des Verbindungsabschnitts 26 sich der Radius des Dichtkopfs 22 ausgehend vom Schaftradius Rs am Dichtungsschaft 20 zur Dichtlippe 14 hin kontinuierlich auf den Dichtradius Rd aufweitet. Vorliegend ist der jeweilige Verbindungsabschnitt 26 kegelstumpfförmig, andere Formen sind jedoch möglich und grundsätzlich ebenfalls geeignet. Der Verbindungsabschnitt 26 weist in axialer Richtung A gemessen eine Länge Lv auf, welche hier wenigstens 75% und höchstens 150% der Dichtlänge Ld entspricht.
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Zusätzlich weist der Dichtkopf 22 in sämtlichen der hier gezeigten Ausführungsbeispielen einen Endabschnitt 28 auf, welcher sich auf derjenigen Seite der Dichtlippe 14, welche dem Dichtungsschaft 20 gegenüberliegt, an die Dichtlippe 24 anschließt. Der Endabschnitt 28 ist hier jeweils kegelstumpfförmig und bildet ein Ende des Dichtkopfs 22 und auch des gesamten Dichtkolbens 8. Entlang des Endabschnitts 28 reduziert sich der Radius des Dichtkopfs 22 kontinuierlich vom Dichtradius Rd auf einen Endradius Re. In den 3 und 4 ist der Endabschnitt 28 derart orientiert, dass sich der Radius in axialer Richtung A und zur Frontfläche 32 hin konstant verjüngt. Dabei schließen der Verbindungsabschnitt 26 und der Endabschnitt 28 einen Innenwinkel W ein, welcher wenigstens 110° beträgt und geringer ist als 180°, sodass die Dichtlippe 14 insgesamt als Verdickung ausgebildet ist und die Dichtung 18 insgesamt pilzförmig erscheint. Weiter weist in den 3 und 4 der Endabschnitt 28 endseitig eine Umlaufkante 30 auf, welche einen Übergang zur einer Frontfläche 32 des Dichtkopfs 22 bildet und hier abgerundet ausgebildet ist, mit einem Krümmungsradius K2 zwischen 0,5 mm und 1 mm auf. Dadurch ist der Endradius Re entsprechend reduziert. In axialer Richtung A gemessen weist der Endabschnitt 28 eine Länge Le auf, welche hier wenigstens 75% und höchstens 150% der Dichtlänge Ld der Dichtlippe 14 entspricht und in etwa der Länge Lv des Verbindungsabschnitts 26 entspricht.
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In den 5 und 6 ist der Endabschnitt 28 gegenüber den in 3 und 4 gezeigten Varianten nicht zur Frontfläche 32 hin verjüngt ist, sondern derart umgekehrt orientiert, dass der Radius sich ausgehend von der Dichtlippe 14 zur Frontfläche 32 hin aufweitet. Die oben genannten Abmessungen lassen sich dabei übertragen, der Endradius Re ist dann entsprechend größer als der Radius direkt unterhalb der Dichtlippe 14, sodass dort wie in 5 und 6 erkennbar eine entsprechende Stufe ausgebildet ist, an welcher der Endabschnitt 28 gegenüber der Dichtlippe 14 nach innen hin zurückgesetzt ist.
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Im Querschnitt entlang der Längsachse L betrachtet weist der Dichtkopf 22 in den 3 und 4 eine ausschließlich konvexe Außenkontur K auf. Die Übergänge zwischen den diversen Längsabschnitten, also dem Verbindungsabschnitt 26, der Dichtlippe 14 und dem Endabschnitt 28, sind dabei kontinuierlich und zusätzlich auch abgerundet ausgebildet, sodass insgesamt keine Stufen vorhanden sind, sondern sich eine insgesamt glatte Außenkontur K des Dichtkopfs 22 ergibt. Speziell in 4 gehen der Verbindungsabschnitt 26 und der Endabschnitt 28 jeweils knickfrei, kantenfrei und stufenfrei in die Dichtlippe 14 über.
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In den Ausführungsbeispielen der 5 und 6 weist der Dichtkopf 22, speziell der Endabschnitt 28 eine Vertiefung 34 auf, welche in die Frontfläche 32 eingebracht ist. Die Vertiefung 34 ist derart ausgebildet, dass der Dichtkopf 22 bei frontseitiger Beaufschlagung mit Druck in radialer Richtung R aufgeweitet wird. Die Vertiefung 34 verteilt demnach den Druck derart auf den Dichtkopf 22, dass auf diesen sozusagen von innen heraus und nach außen eine Kraft wirkt. Die Vertiefung 34 ist hier jeweils kugelabschnittsförmig ausgebildet. Andere Formen sind jedoch auch möglich und grundsätzlich geeignet. Die Vertiefung 34 weist eine Tiefe T auf, welche zwischen 0,5 mm und 2 mm beträgt und hier in etwa der Länge Le des Endabschnitts 28 entspricht.
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Die im Zusammenhang mit den 4 bis 6 beschriebenen drei Konzepte betreffend 1.) die lange Dichtlippe 14, 2.) die Richtung der Verjüngung des Endabschnitts 28 und 3.) die Vertiefung 34 in der Frontfläche 32 sind allgemein voneinander unabhängig und beliebig miteinander kombinierbar, sodass sich weitere, nicht explizit gezeigte Ausführungsformen ergeben. Speziell ist wie aus 6 erkennbar das Konzept mit der Vertiefung 34 auch unabhängig von der Dichtlänge Ld sogar mit einer spitzen Dichtlippe 14 kombinierbar.
