DE102021111383A1

DE102021111383A1 - sealing arrangement

Info

Publication number: DE102021111383A1
Application number: DE102021111383.0A
Authority: DE
Inventors: Patrick Klein; Ardijian Halili; Klaus Hocker; Steffen Daniel
Original assignee: ElringKlinger AG; ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH
Current assignee: ElringKlinger AG; ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH
Priority date: 2021-05-03
Filing date: 2021-05-03
Publication date: 2022-11-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung, die für einen Einsatz als hochdynamisch und stark belastete Hydraulikdichtung ausgebildet ist.Um eine Dichtungsanordnung 1 unter Verbesserung der Handhabung bei der Montage zu schaffen, wird nun vorgeschlagen, dass der Dichtungskörper 3 und der Stützring 4 miteinander verbunden sind.The present invention relates to a sealing arrangement designed for use as a highly dynamic and heavily loaded hydraulic seal. In order to create a sealing arrangement 1 while improving handling during assembly, it is now proposed that the sealing body 3 and the support ring 4 are connected to one another.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung, die für einen Einsatz als hochdynamisch und stark belastete Hydraulikdichtung ausgebildet ist, um in Systemen für variable Kompression bzw. sogenannten VCS-Systemen eingesetzt zu werden. Derartige Einsatzbereiche für eine Dichtungsanordnung, umfassend einen Dichtungskörper, einen Stützring und ein Federelement, sind beispielsweise in der WO 2017/075646 A1 oder der WO 2021/068018 A1 offenbart.The present invention relates to a seal arrangement which is designed for use as a highly dynamic and heavily loaded hydraulic seal in order to be used in systems for variable compression or so-called VCS systems. Such areas of application for a sealing arrangement comprising a sealing body, a support ring and a spring element are, for example, in WO 2017/075646 A1 or the WO 2021/068018 A1 disclosed.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Ansätze bekannt, die einen mehrteiligen Aufbau einer derartigen Dichtungsanordnung mit einem Dichtungskörper vorsehen, das durch ein Federelement vorgespannt ist und in einer Einbaulage unter axialer Sicherung in einer Dichtungsnut gegen einen Stützring gehalten angeordnet ist, wie beispielsweise in der US 10,801,622 B2 und der DE 10 2019 213 479 A1 offenbart.Numerous approaches are known from the prior art, which provide a multi-part structure of such a sealing arrangement with a sealing body, which is pretensioned by a spring element and is held in a mounting position with axial securing in a sealing groove against a support ring, as for example in U.S. 10,801,622 B2 and the DE 10 2019 213 479 A1 disclosed.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art unter Verbesserung der Handhabung bei der Montage zu schaffen.The object of the present invention is to provide a device of the type mentioned above while improving handling during assembly.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Dichtungskörper und der Stützring miteinander verbunden sind. Dadurch, dass der Dichtungskörper und der Stützring erfindungsgemäß durch die Verbindung schon vor einer Montage mechanisch eine Baugruppe bilden, wird eine ungewollte Verschiebung dieser Bauteile gegeneinander oder gar deren Trennung z.B. auf einem Transport von einem Dichtungshersteller zu dem Ort der Montage in einen Dichtungseinbauraum, sicher vermieden.According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1 in that the sealing body and the support ring are connected to one another. Due to the fact that the sealing body and the support ring according to the invention mechanically form an assembly through the connection even before assembly, an unintentional displacement of these components relative to one another or even their separation, e.g. during transport from a seal manufacturer to the place of assembly in a seal installation space, is reliably avoided .

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach sind der Dichtungskörper und der Stützring miteinander formschlüssig verbunden. Ein nach dem Stand der Technik meist einfacher rechteckiger Querschnitt eines Stützrings kann in einem Dichtungskörper nicht formschlüssig gehalten werden. Durch eine geringe Änderung der Querschnittsform eines Stützrings wird nun ohne zusätzliche Mittel und/oder Einzelteile und Fertigungsschritte erreicht, dass der Stützring formschlüssig mit dem Dichtungskörper verbunden ist. Vorteilhafterweise sind Stützring und Dichtungskörper damit auch während der Montage ausreichend formschlüssig verbunden, so dass eine möglichst zuverlässige Montage einer Dichtungsanordnung bzw. Dichtungsbaugruppe als mechanische Einheit aus Dichtungskörper mit Federelement und Stützring möglich ist. Eine derartige Montage kann sogar vollautomatisch erfolgen. Durch diese Weiterbildung wird erreicht, dass auch dann, wenn die Dichtungsanordnung automatisch in einen Einbauraum montiert wird und dabei eine Kraft auf das Dichtungskörper auf eine dem Stützring gegenüberliegenden Seite einwirkt, der Stützring nicht aus der Aussparung bzw. dem Einbauraum herausfallen kann. Eine solche Montage kann also zuverlässig und störungsfrei ablaufen und für hohe Stückzahlen erfindungsgemäßer Dichtungsanordnungen kostengünstig durchgeführt werden.Advantageous developments of the invention are the subject matter of the dependent claims. Accordingly, the sealing body and the support ring are positively connected to one another. According to the prior art, a mostly simple, rectangular cross section of a support ring cannot be held in a sealing body in a form-fitting manner. A slight change in the cross-sectional shape of a support ring means that the support ring is positively connected to the sealing body without additional means and/or individual parts and manufacturing steps. Advantageously, the support ring and the sealing body are thus sufficiently positively connected during assembly, so that the most reliable possible assembly of a sealing arrangement or sealing assembly is possible as a mechanical unit made up of a sealing body with a spring element and a support ring. Such assembly can even take place fully automatically. This development ensures that the support ring cannot fall out of the recess or the installation space even if the sealing arrangement is automatically installed in an installation space and a force acts on the sealing body on a side opposite the support ring. Such an assembly can therefore take place reliably and trouble-free and can be carried out inexpensively for large numbers of sealing arrangements according to the invention.

Gemäß einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung ist ein Formschluss zwischen dem Stützring und dem Dichtungskörper in Form eines Wulstes an dem Dichtungskörper und einer korrespondierenden bzw. in Annäherung kongruenten Ausnehmung an dem Stützring realisiert. Die Wulst und die Ausnehmung bilden so eine formschlüssige Haltevorrichtung zum sicheren Fixieren des Stützrings an oder in dem Dichtungskörper.According to an essential development of the invention, a form fit between the support ring and the sealing body is realized in the form of a bead on the sealing body and a corresponding or approximately congruent recess on the support ring. The bead and the recess thus form a form-fitting holding device for securely fixing the support ring on or in the sealing body.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Stützring symmetrisch ausgebildet. Ausgehend von einem Stützring der durch einen Formschluss in einer Aussparung des Dichtungskörpers gehalten wird ist dieses Merkmal darauf gerichtet, die entsprechende Ausnehmung an dem Stützring symmetrisch auszuführen. Ein symmetrisch gestalteter Stützring hat einen Vorteil bei der Vormontage, nämlich, dass der Stützring zum Einbau in die Aussparung des Dichtungskörpers nicht orientiert werden muss. Dies ermöglich eine Kosteneinsparung bereits bei der Herstellung der Dichtungseinheit.In one embodiment of the invention, the support ring is symmetrical. Based on a support ring that is held in a recess of the sealing body by a positive fit, this feature is aimed at making the corresponding recess on the support ring symmetrical. A symmetrically designed back-up ring has an advantage during pre-assembly, namely that the back-up ring does not have to be oriented for installation into the recess of the seal body. This enables cost savings to be made even during the manufacture of the sealing unit.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein asymmetrischer Stützring vorgesehen, da dieser eine optimale funktionsgerechte Gestaltung von Dichtungskörper und Stützring erlaubt. Ein druckabgewandt anliegender Teil des Stützrings wird bei asymmetrischer Formgebung vergleichsweise weniger geschwächt. Andernfalls können zumindest kleine Hohlräume geschaffen werden, die der Dichtungskörper durch teils starke Deformation stofflich kompensieren müsste.In a preferred embodiment of the invention, an asymmetrical support ring is provided, since this allows an optimal functional design of the sealing body and the support ring. A part of the support ring that lies away from the pressure is weakened comparatively less in the case of an asymmetrical shape. Otherwise, at least small cavities can be created, which the sealing body would have to compensate for in terms of material through sometimes severe deformation.

Vorzugsweise ist der Stützring Produkt eines Spritzgießverfahrens. Dabei ist ein Anspritzpunkt verlieft in der druckabgewandten Stirnfläche positioniert. Es wird bevorzugt, den Stützring in einem Verfahren herzustellen, bei dem keine Zusammenflussstelle erzeugt wird, da die Dichtungsanordnung hochdynamisch und mechanisch höchst beansprucht wird. Alternativ ist der Stützring Produkt einer spanenden Bearbeitung aus einem Halbzeug. Hochleistungsthermoplaste können eine Wärmebehandlung unterzogen werden, um ihre tribologischen Eigenschaften zu optimieren. PEEK-basierte Werkstoffe tempert man dazu bei einer Temperatur von ca. 200 bis 250°C über mehrere Stunden hinweg nach einer definierten Aufheizung und einer anschließenden definierten Abkühlung. Dadurch wird die kristalline Struktur der Polymermatrix verändert und eine höhere Verschleißbeständigkeit erzielt, wie dem Fachmann von verschiedenen Materialien her grundsätzlich bekannt ist. Auch für andere Hochleistungspolymere wird eine Wärmebehandlung zur Optimierung der tribologischen Eigenschaften häufig vorgesehen.The support ring is preferably the product of an injection molding process. An injection point is positioned in the face facing away from the pressure. It is preferred to produce the support ring in a method in which no point of confluence is produced, since the sealing arrangement is subjected to highly dynamic and mechanical stresses. Alternatively, the support ring is the product of machining from a semi-finished product. High performance thermoplastics can be heat treated to optimize their tribological properties. For this purpose, PEEK-based materials are tempered at a temperature of approx. 200 to 250°C for several hours after defined heating and subsequent defined cooling. Thereby the crystalline structure of the polymer matrix is changed and greater wear resistance is achieved, as is fundamentally known to the person skilled in the art from various materials. Heat treatment to optimize the tribological properties is also often provided for other high-performance polymers.

In einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung ist eine Verformungsreserve an dem Dichtungskörper vorgesehen, die in einer Ausführungsform dadurch auf einfache Weise geschaffen ist, dass der Dichtungskörper über den in die Ausnehmung montierten Stützring geringfügig hervorstehend ausgebildet ist. Das hervorstehende Volumen sollte dann in etwa der Summe der Hohlräume, die es aufzufüllen gilt, entsprechen. Für eine nachfolgend hinsichtlich ihrer Geometrie noch genauer angegebene Hochdruckdichtung, welche für einen Betrieb unter Drücken oberhalb 500, 600 oder 1000 bar vorgesehen ist, liegt ein derartiger Vorsprung zwischen etwa 0,1mm und 0,5 mm. Im Betrieb wird sich dieser Dichtungskörper bei anstehendem Druck so verformen, dass alle druckabgewandten Hohlräume mit Dichtungsmaterial ausgefüllt werden. Der Dichtungskörper, der aus einem PTFE-Verbundwerkstoff, einem thermoplastisch verarbeitbarem Fluorkunststoff oder anderen ausreichend verformbaren Kunststoffen besteht, verformt sich aufgrund solch hoher Drücke plastisch und bildet den Einbauraum nach kurzer Zeit ab. Aus fertigungstechnischen Gründen, z.B. Toleranzen, können ein Stützring und ein Dichtungskörper nicht vollständig passgenau zueinander hergestellt werden. Kleine Hohlräume zwischen Dichtungskörper und Einbauraum, zwischen Dichtungskörper und Stützring und zwischen Stützring und dem Einbauraum sind in der Praxis kaum vermeidbar. Diese Hohlräume können sich grundsätzlich an allen Übergängen des Stützrings zu benachbarten Bauteilen ergeben und werden wie vorstehend erwähnt bei Hochdruckbeaufschlagung mit dem weicheren Dichtungsmaterial ausgefüllt. Das dazu notwendige Material fließt demnach aus der ursprünglichen Dichtungsgeometrie in diese Hohlräume und füllt diese aus. Das Fließen des Materials bedingt deshalb an dem Dichtungskörper eine Formänderung, die sich grundsätzlich negativ auf die Lebensdauer der Dichtungsanordnung durch Reduzierung der Verschleißreserve oder durch ungünstige Geometrieänderung auswirkt, wie z.B. Änderung der Anlagewinkel und Änderung der Flächenpressungsverläufe in den dynamischen Dichtbereichen. Diesem nachteiligen Effekt einer so entstehenden Formänderung des Dichtungskörpers wird durch eine Verformungsreserve an dem Dichtungskörper vorteilhaft auf einfache und kostengünstige Weise entgegengewirkt, indem die Verformungsreserve als eine Materialanhäufung vorgesehen ist. Die Aufgabe dieser Verformungsreserve besteht also nur darin, sich in vorhandene Hohlräume zu verformen. Diese Materialanhäufungen sind vorzugsweise an der druckabgewandten Rückseite des Dichtungskörpers angebrachte erhabene radial umlaufende und oder unterbrochene z.B. spitz zulaufende Wulste. Diese spitze Form erlaubt es, den Ort der beginnenden plastischen Deformation aufgrund der Druckbeanspruchung festzulegen, so dass sich dort Spannungen Abstützkräfte zunächst konzentrieren.In an essential development of the invention, a deformation reserve is provided on the sealing body, which in one embodiment is created in a simple manner in that the sealing body is designed to protrude slightly beyond the support ring mounted in the recess. The protruding volume should then roughly correspond to the sum of the cavities that need to be filled. For a high-pressure seal, which is specified in more detail below with regard to its geometry and is intended for operation under pressures above 500, 600 or 1000 bar, such a projection is between approximately 0.1 mm and 0.5 mm. During operation, this sealing body will deform when the pressure is applied in such a way that all the cavities facing away from the pressure are filled with sealing material. The sealing body, which consists of a PTFE composite material, a thermoplastically processable fluoroplastic or other sufficiently deformable plastic, deforms plastically due to such high pressures and forms the installation space after a short time. For manufacturing reasons, e.g. tolerances, a support ring and a sealing body cannot be manufactured to fit one another completely. In practice, small cavities between the sealing body and the installation space, between the sealing body and the support ring and between the support ring and the installation space can hardly be avoided. In principle, these cavities can arise at all transitions of the support ring to adjacent components and, as mentioned above, are filled with the softer sealing material when high pressure is applied. The material required for this flows from the original seal geometry into these cavities and fills them. The flow of the material therefore causes a change in shape on the sealing body, which basically has a negative effect on the service life of the sealing arrangement by reducing the wear reserve or by unfavorable changes in geometry, such as changing the contact angle and changing the surface pressure curves in the dynamic sealing areas. This disadvantageous effect of a change in shape of the sealing body occurring in this way is advantageously counteracted in a simple and cost-effective manner by a deformation reserve on the sealing body, in that the deformation reserve is provided as an accumulation of material. The task of this deformation reserve is therefore only to deform into existing cavities. These accumulations of material are preferably raised, radially circumferential and/or interrupted, e.g. This pointed shape makes it possible to determine the location of the beginning of the plastic deformation due to the compressive stress, so that stresses and supporting forces are initially concentrated there.

Ein Einsatz von Dichtungsanordnungen unter sehr hohen Drücken kann bei eher kleinen Bauraumabmessungen kostengünstig realisiert werden. Auch in automotiven Anwendungen sind extreme Hochdruckanwendungen nur in kleinen Durchmessern bzw. Baugrößen von Dichtungsanordnungen wegen der Bauteilgewichte denkbar. In bevorzugten Ausführungsformen ist eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung keiner als 50mm im Außendurchmesser. Bevorzugt sind Größen kleiner als 30mm im Außendurchmesser. Ein Profilquerschnitt des Dichtungskörpers beträgt radial maximal 5 mm und axial maximal 10 mm.A use of sealing arrangements under very high pressures can be implemented inexpensively with rather small installation space dimensions. In automotive applications, too, extreme high-pressure applications are only conceivable in small diameters or sizes of sealing arrangements because of the component weights. In preferred embodiments, a sealing arrangement according to the invention is no more than 50 mm in outside diameter. Sizes smaller than 30 mm in outside diameter are preferred. A profile cross section of the sealing body is a maximum of 5 mm radially and a maximum of 10 mm axially.

Weiter wird bevorzugt, dass die Dichtungsanordnung insgesamt radial nur weniger als 4mm dick und axial weniger als 7mm lang ist. Die Dichtlippendicken sind vorzugsweise ungleich ausgeführt, um der dynamischen Dichtlippe zur Vergrößerung deren Verschleißreserve eine um bis zu ca. 50 % größere Dicke zu verleihen.It is further preferred that the sealing arrangement as a whole is only less than 4 mm thick radially and less than 7 mm long axially. The sealing lip thicknesses are preferably designed to be unequal in order to give the dynamic sealing lip a thickness that is up to approximately 50% greater in order to increase its wear reserve.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Dichtungskörper aus einem PTFE-Werkstoff, einem PTFE-Verbundwerkstoff oder aus thermoplastisch verarbeitbaren Fluorthermoplasten, ggf. mit Faser oder Partikelverstärkung. Diese Werkstoffe werden insbesondere für Anwendungen bei hohen Temperaturen über 120°C, 130°C oder 150°C eingesetzt. Für eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung ist in einer Ausführungsform ein PTFE-Verbundwerkstoff mit einer Bronzefüllstoff sowie Kohlenstofffasern und/oder Kohle bzw. Graphit vorgesehen. Auch andere metallische Füllstoffe, z.B. Edelstahl, sind hier aussichtsreich denn diese Füllstoffe sind in der Lage, anfallende Reibungswärme schneller abführen zu können als z.B. polymere, mineralische oder keramische Füllstoffe. Ferner erhöhen Füllstoffe die Robustheit der Dichtung durch hohe Verschleißbeständigkeit und hohe Extrusionsfestigkeit und Werkstoffhärte, ohne jedoch die Deformations- und Dichtfähigkeit einzuschränken. Des Weiteren sind bekannte Füllstoffe wie Kohle und Graphite sowie weitere Fasern wie Glasfasern, Mineralfasern und Polymerfasern wie Aramid als Verstärkungsstoffe einsetzbar. Auch mineralische und keramische Füllstoffe können in einer solch extremen Anwendung vorteilhaft wirken.In a preferred embodiment of the invention, the sealing body consists of a PTFE material, a PTFE composite material or thermoplastically processable fluorothermoplastics, possibly with fiber or particle reinforcement. These materials are used in particular for applications at high temperatures above 120°C, 130°C or 150°C. In one embodiment, a PTFE composite material with a bronze filler and carbon fibers and/or carbon or graphite is provided for a sealing arrangement according to the invention. Other metallic fillers, e.g. stainless steel, are also promising here because these fillers are able to dissipate frictional heat more quickly than e.g. polymer, mineral or ceramic fillers. Furthermore, fillers increase the robustness of the seal through high wear resistance and high extrusion resistance and material hardness, without restricting the deformation and sealing ability. Furthermore, known fillers such as carbon and graphite and other fibers such as glass fibers, mineral fibers and polymer fibers such as aramid can be used as reinforcing materials. Mineral and ceramic fillers can also have an advantageous effect in such an extreme application.

Eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung ist als Stangendichtung oder gleichermaßen als Kolbendichtung ausgebildet. Die vorstehend genannten Vorteile sind in beiden Anwendungsfällen realisierbar.A sealing arrangement according to the invention is designed as a rod seal or equally as a piston seal. The advantages mentioned above can be realized in both applications.

Eine erfindungsgemäße Dichtung ist insbesondere für Drücke >500bar und Dichtungseinbauräume vorgesehen, bei denen das radiale Spaltmaß zwischen den beiden abzudichtenden Bauteilen kleiner als 0,1mm, 0,05 mm oder vorzugsweise kleiner als 0,03mm ist.A seal according to the invention is intended in particular for pressures >500 bar and seal installation spaces in which the radial gap dimension between the two components to be sealed is less than 0.1 mm, 0.05 mm or preferably less than 0.03 mm.

In einer besonders bevorzugten Verwendung ist einer erfindungsgemäße Dichtungsanordnung ein Dichtelement druckseitig vorgelagert, so dass diese Anordnung auch für einen Einsatz in Regionen noch höherer Drücke einsetzbar ist. Im Zusammenspiel mit einem vorgeschalteten Dichtelement insbesondere in Form eines Kolbenrings kann eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung auch für noch höhere Betriebsdrücke einsetzbar sein, und so beispielsweise etwa für über 700 bar, 800 bar oder gar über 1000 bar eingesetzt werden. Dabei kann der Kolbenring aus einem geeigneten metallischen Werkstoff gefertigt werden, z.B. Grauguss, Sphäroguss oder Stahl. Auch Hochleistungsthermoplaste sind für moderatere Hochdruckanwendungen geeignet. Metallische Kolbenringwerkstoffe bieten darüber hinaus guten Schutz gegen Kavitations- oder Mikrodieselschäden, die z.B. in schlecht entlüfteten hydraulischen Systemen leicht auftreten können. Insbesondere in hochdynamischen Anwendungen kann ein metallischer Kolbenring sehr hohe Druckspitzen abmildern und so der Dichtung zu einer wesentlich längeren Lebensdauer verhelfen. Der metallisch ausgeführte Kolbenring hat optional eine ballige Außenumfangsfläche, damit eine gute hydrodynamische Schmierung gefördert wird.In a particularly preferred use of a sealing arrangement according to the invention, a sealing element is mounted on the pressure side, so that this arrangement can also be used in regions with even higher pressures. In interaction with an upstream sealing element, in particular in the form of a piston ring, a sealing arrangement according to the invention can also be used for even higher operating pressures, and can thus be used for example for over 700 bar, 800 bar or even over 1000 bar. The piston ring can be made of a suitable metallic material, e.g. gray cast iron, nodular cast iron or steel. High-performance thermoplastics are also suitable for more moderate high-pressure applications. Metallic piston ring materials also offer good protection against cavitation or microdiesel damage, which can easily occur in poorly bled hydraulic systems, for example. In highly dynamic applications in particular, a metallic piston ring can mitigate very high pressure peaks and thus help the seal to have a significantly longer service life. The metallic piston ring optionally has a crowned outer peripheral surface to promote good hydrodynamic lubrication.

Eine im Wesentlichen dreiecksförmige Ausnehmung auf der druckzugewandten Seite eines Kolbenrings verbessert die Druckaktivierung, indem der Zugang der Fluiddruckstöße zur Rückseite des Kolbenrings strömungstechnisch erleichtert wird. Damit erfolgen eine schnellere Druckaktivierung des Kolbenrings, eine effektivere Dichtwirkung und damit ein besserer Schutz der dahinter befindlichen Dichtung. Durch den vorgeschalteten Kolbenring kann die Lebensdauer der Dichtung um ein Vielfaches verlängert werden.A generally triangular shaped recess on the pressure side of a piston ring improves pressure activation by fluidically facilitating access of fluid pressure surges to the backside of the piston ring. This results in faster pressure activation of the piston ring, a more effective sealing effect and thus better protection of the seal located behind. The service life of the seal can be extended many times over by the upstream piston ring.

Werden ein metallischer oder polymerer Kolbenring zusammen mit der erfindungsgemäßen Dichtung eingesetzt, so ist es vorteilhaft zwischen diesen beiden Dichtelementen eine Nut vorzusehen, welche die Aufgabe hat etwaige Druckstöße, die durch den Stoß des Kolbenrings gelangen können, durch Verwirbelungseffekte oder durch Querschnittserweiterung bzw. Verteilung in Umfangsrichtung abzubremsen. Damit wird eine punktuelle Belastung der dahinterliegenden erfindungsgemäßen Dichtung vermieden. Lokale Schäden an der Dichtung durch Auswaschungen und insbesondere Kaviatations- oder Mikrodieseleffekt werden so an der Dichtung weitgehend verhindert.If a metallic or polymeric piston ring is used together with the seal according to the invention, it is advantageous to provide a groove between these two sealing elements, which has the task of absorbing any pressure surges that can occur through the impact of the piston ring, through turbulence effects or through cross-sectional expansion or distribution in decelerate circumferential direction. This avoids a punctiform loading of the underlying seal according to the invention. Local damage to the seal due to leaching and, in particular, cavitation or microdiesel effects are largely prevented in this way.

Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer und vereinfachter Darstellung:

1: eine Schnittansicht einer Dichtungsanordnung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels;
2: eine Schnittansicht einer Dichtungsanordnung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels;
3a bis 5c: jeweils eine Schnittansicht eines Ausschnitts aus einer bekannten Dichtungsanordnung um einen Stützring herum und zwei darauf aufbauende Ausführungsbeispiele;
6: eine Schnittansicht eines Ausschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels;
7: eine Detailansicht einer Schnittansicht eines Ausschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels;
8: eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels und
9a bis 9c: Schnittansichten von aus dem Stand der Technik bekannten Dichtungsanordnungen.

Further features and advantages of embodiments according to the invention are explained in more detail below with reference to exemplary embodiments using the drawing. It shows in a schematic and simplified representation:

1 1: a sectional view of a sealing arrangement according to a first exemplary embodiment;
2 1: a sectional view of a sealing arrangement according to a second exemplary embodiment;
3a until 5c : each a sectional view of a detail from a known sealing arrangement around a support ring and two exemplary embodiments based thereon;
6 : a sectional view of a detail of a further embodiment;
7 : a detailed view of a sectional view of a section of a further embodiment;
8th : a sectional view of a further embodiment and
9a until 9c 1: Sectional views of sealing arrangements known from the prior art.

Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz von Ausführungsbeispielen der Erfindung in Form einer Kolbendichtung dargestellt und beschrieben. Es ist aber für den Fachmann offensichtlich, dass in gleicher Weise auch eine Anpassung auf andere Einsatzfälle möglich ist, wie u.a. der als Stangendichtung.The same reference symbols are always used for the same elements or method steps throughout the various figures. Without restricting the invention, only one use of exemplary embodiments of the invention in the form of a piston seal is illustrated and described below. However, it is obvious to the person skilled in the art that an adaptation to other applications is possible in the same way, such as that as a rod seal.

9a bis 9e stellen Schnittansichten von aus dem Stand der Technik bekannten Dichtungsanordnungen 1 dar. Dabei stellt 9a eine Grundform einer Dichtungsanordnung 1 dar, in der in einer Dichtnut 2 als geschlossenem Einbauraum ein Dichtungskörper 3 in Form eines O-Rings zusammen mit einem Stützring 4 eine Abdichtung in einem Dichtspalt s gegen einen Druck p bewirkt. Der O-Ring 3 aus einem elastomeren Material ist dem Druck p ausgesetzt und verformt sich, was durch den Stützring 4 begrenzt wird. Der Dichtungskörper 3 und der Stützring 4 füllen hierbei eine Tiefe h der Dichtnut 2 voll aus und dichten über den Dichtspalt s gegenüber einer Gegenfläche ab. 9a until 9e represent sectional views of known from the prior art sealing assemblies 1. It represents 9a represents a basic form of a sealing arrangement 1 in which in a sealing groove 2 as a closed installation space a sealing body 3 in the form of an O-ring together with a support ring 4 causes a seal in a sealing gap s against a pressure p. The O-ring 3 made of an elastomeric material is subjected to the pressure p and deforms, which is limited by the support ring 4 . The sealing body 3 and the support ring 4 fill a depth h of this Sealing groove 2 fully and seal against a counter surface via the sealing gap s.

9b bis 9d stellen eine in eine geschlossene, halboffene und offene Dichtnut 2 eingesetzte Dichtungsanordnung 1 dar, in die ein Dichtungskörper 3 mit einer Feder 5 als federvorgespannter Nutring eingesetzt ist. Die dem Druck p zugewandte Seite des Dichtungskörpers 3 weist eine umlaufende ungefähr v- oder u-förmige Ausnehmung auf. So ergeben sich zwei Dichtlippen bzw. Arme 6, 7, die jeweils abdichtend mit dem Grund der Dichtnut 2 und andererseits mit dem zweiten Dichtungspartner in Kontakt stehen. Endbereiche der Dichtlippen 6, 7 weisen Verdickungen 8, 9 auf, die einer Erhöhung der Dichtigkeit sowie als Verschleißreserven dienen. In den Abbildungen ist jeweils eine unverformte Kontur der Dichtungsanordnung 1 dargestellt. An einer druckabgewandten Seite des Dichtungskörpers 3 ist ein Stützring 4 eingesetzt. Hier füllt der Stützring 4 im Vergleich mit der Anordnung von 9a nicht länger die Dichtnut 2 in voller Tiefe h aus. Zum Einbau kann diese Dichtungsanordnung 1 entsprechend geweitet werden, oder sie muss zumindest einen geschlitzten Stützring 4 aufweisen. 9b until 9d represent a sealing arrangement 1 inserted into a closed, half-open and open sealing groove 2, in which a sealing body 3 with a spring 5 is inserted as a spring-loaded grooved ring. The side of the sealing body 3 facing the pressure p has an approximately V-shaped or U-shaped circumferential recess. This results in two sealing lips or arms 6, 7, each of which is in sealing contact with the bottom of the sealing groove 2 and on the other hand with the second sealing partner. End areas of the sealing lips 6, 7 have thickenings 8, 9, which serve to increase the tightness and as wear reserves. An undeformed contour of the sealing arrangement 1 is shown in each of the illustrations. A support ring 4 is inserted on a side of the sealing body 3 facing away from the pressure. Here the support ring 4 fills in comparison with the arrangement of 9a no longer the sealing groove 2 in full depth h. This sealing arrangement 1 can be widened accordingly for installation, or it must have at least one slotted support ring 4 .

Die Abbildung der 9e zeigt schließlich eine aus der Hydraulik für Drücke über 300 bar her bekannte Dichtungsanordnung 1, in der das Dichtungskörper 3 durch ein über einem Grund einer geschlossenen Dichtnut 2 als Feder 5 dienenden O-Ring vorgespannt ist. Wie in den Dichtungsanordnungen 1 der 9b bis 9d ist an einer druckabgewandten Seite des Dichtungskörpers 3 ein Stützring 4 eingesetzt. Während 9c eine Anordnung einer Dichtungsanordnung 1 in einer halboffenen Nut 2 darstellt, ist in 9d eine offene Nut 2 skizziert, die auf einer druckbeaufschlagten Seiten nach dem Einsetzen der Dichtungsanordnung 1 durch einen Ring 10 geschlossen ist.The illustration of 9e finally shows a sealing arrangement 1 known from hydraulics for pressures above 300 bar, in which the sealing body 3 is prestressed by an O-ring serving as a spring 5 over a bottom of a closed sealing groove 2 . As in the sealing assemblies 1 of 9b until 9d a support ring 4 is inserted on a side of the sealing body 3 facing away from the pressure. While 9c shows an arrangement of a sealing arrangement 1 in a half-open groove 2 is in 9d an open groove 2 is outlined, which is closed by a ring 10 on a pressurized side after the sealing arrangement 1 has been inserted.

Um eine Dichtungsanordnung 1 unter Verbesserung der Handhabung bei der Montage zu schaffen wird nun vorgeschlagen, dass der Dichtungskörper 3 und der Stützring 4 miteinander verbunden sind. Mit einer Baugruppe aus dem Dichtungskörper 3 und dem Stützring 4 wird eine ungewollte Verschiebung dieser Bauteile gegeneinander oder gar deren Trennung z.B. auf einem Transport von einem Dichtungshersteller zu dem Ort der Montage in einen Dichtungseinbauraum, sicher vermieden. In den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen ist, beginnend mit der Skizze von 1, ein Formschluss zwischen dem Stützring 4 und dem Dichtungskörper 3 in Form eines Wulstes 11 an dem Dichtungskörper 3 und einer korrespondierenden und in Annäherung kongruenten Ausnehmung 11 an dem Stützring 4 realisiert. Die Wulst 8 und die Ausnehmung 12 bilden so eine formschlüssige Haltevorrichtung zum sicheren Fixieren des Stützrings 4 an oder in dem Dichtungskörper 3 zur Bildung einer einstückigen Dichtungsanordnung 1.In order to create a sealing arrangement 1 while improving the handling during assembly, it is now proposed that the sealing body 3 and the support ring 4 are connected to one another. With an assembly of the seal body 3 and the support ring 4, an unwanted displacement of these components relative to one another or even their separation, for example during transport from a seal manufacturer to the place of assembly in a seal installation space, is reliably avoided. In the exemplary embodiments presented below, starting with the sketch of 1 , a positive connection between the support ring 4 and the sealing body 3 in the form of a bead 11 on the sealing body 3 and a corresponding and approximately congruent recess 11 on the support ring 4 is realized. The bead 8 and the recess 12 thus form a form-fitting holding device for securely fixing the support ring 4 on or in the sealing body 3 to form a one-piece sealing arrangement 1.

2 zeigt eine Schnittansicht der Dichtungsanordnung 1 gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels. Hier ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel von 1 der Stützring 4 symmetrisch zu einer Mittelachse M ausgeführt. Damit wird ein Zusammenbau erleichtert. 2 shows a sectional view of the sealing arrangement 1 according to a second embodiment. Here is compared to the embodiment of 1 the support ring 4 is designed symmetrically to a central axis M. This facilitates assembly.

Eine asymmetrische Ausformung der Querschnittsfläche erlaubt jedoch eine Optimierung einer funktionsgerechte Gestaltung eines Dichtungskörpers 3 und eines zugehörigen Stützrings 4. Demnach wird angestrebt, einen druckabgewandt anliegender Teil des Stützrings 4 durch eine asymmetrischer Formgebung vergleichsweise weniger zu schwächen. Andernfalls können zumindest kleine Hohlräume beispielsweise zwischen Dichtungskörper 3 und Stützring 4 geschaffen werden, die der Dichtungskörper 3 durch teils starke Deformation stofflich kompensieren müsste. Dieser Schwund von Dichtungsmaterial könnte sogar zu einer vorzeitigen Undichtigkeit einer derartigen Dichtungsanordnung 1 führen.However, an asymmetrical shape of the cross-sectional area allows a functional design of a sealing body 3 and an associated support ring 4 to be optimized. Accordingly, an attempt is made to weaken a part of the support ring 4 that faces away from the pressure comparatively less by means of an asymmetrical shape. Otherwise, at least small cavities can be created, for example between the sealing body 3 and the support ring 4, which the sealing body 3 would have to compensate for in terms of material through sometimes severe deformation. This loss of sealing material could even lead to premature leakage of a sealing arrangement 1 of this type.

Die 3a bis 5c stellen daher jeweils eine Schnittansicht eines Ausschnitts aus einer bekannten Dichtungsanordnung 1 dar und zwei darauf aufbauende Ausführungsbeispiele gemäß vorliegender Erfindung. In den Abbildungen der 3b, 4b und 5b ist eine im Querschnitt ungefähr quadratische Wulst 12 am Dichtungskörper 3 mit angepasster Ausnehmung 11 am Stützring 4 dargestellt. Die Abbildungen der 3c, 4c und 5c zeigen eine rampenartig verlaufende Wulst 12. Die hier vereinfacht in kantiger Kontur dargestellten Übergänge am Dichtungskörper 3 und dem Stützring 4 sind in der Praxis mit Rundungen für eine beschädigungsfreien Einbau versehen.the 3a until 5c therefore each represent a sectional view of a section of a known sealing arrangement 1 and two exemplary embodiments based thereon according to the present invention. In the illustrations of 3b , 4b and 5b a bead 12 with an approximately square cross section is shown on the sealing body 3 with an adapted recess 11 on the support ring 4 . The illustrations of 3c , 4c and 5c show a ramp-like bead 12. The transitions on the sealing body 3 and the support ring 4, shown here in simplified form with an angular contour, are in practice provided with curves for damage-free installation.

6 zeigt eine Schnittansicht eines Ausschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels. Hierin wird ausgehend von den skizzierten Beispielen der 3c und 5c in überzeichneter Form auf den Umstand hingewiesen, dass sich u.a. aufgrund normaler Fertigungsgegebenheiten Hohlräume 13 zwischen dem Dichtungskörper 3 und dem Stützring 4 angrenzend an die Dichtnut 2 sowie dem Dichtungskörper 3 und der Dichtnut 2 angrenzend bilden können. An dem Dichtungskörper 3 ist zur stofflichen Kompensation eine Verformungsreserve 14 vorgesehen, die hier im Querschnitt als Nase ausgebildet ist. Am Dichtungskörper 3 bildet die Verformungsreserve 14 einen radial geschlossenen Wulstring, der in einer Einbaulage durch den Betriebsdruck p so stark gegen die Dichtnut 2 gedrückt wird, dass das Material der Verformungsreserve 14 zum Verfüllen der fertigungsbedingt vorhandenen Hohlräume 13 abfließt, wie durch die beiden Pfeile angedeutet. 6 shows a sectional view of a detail of a further embodiment. This is based on the outlined examples of 3c and 5c in exaggerated form to the fact that cavities 13 between the sealing body 3 and the support ring 4 adjacent to the sealing groove 2 and the sealing body 3 and the sealing groove 2 can form adjacent due to normal manufacturing conditions. A deformation reserve 14 is provided on the sealing body 3 for material compensation, which is designed here in cross section as a nose. On the seal body 3, the deformation reserve 14 forms a radially closed bead ring, which is so strongly pressed in an installed position by the operating pressure p against the sealing groove 2 that the material of the deformation reserve 14 to fill the fer due to existing cavities 13 drains, as indicated by the two arrows.

7 stellt eine Detailansicht einer Schnittansicht eines Ausschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels in Fortführung des grundlegenden Ansatzes von 6 dar. Hier werden gegenüber dem vorangehenden Ausführungsbeispiel Verformungsreserven 14 gleich an drei Stellen in Kontakt mit einer Dichtnut 2 dadurch bereitgestellt, dass der Dichtungskörper 3 über den in die Ausnehmung montierten Stützring 4 geringfügig hervorstehend ausgeformt ist. 7 shows a detailed view of a sectional view of a section of a further embodiment in continuation of the basic approach of 6 Here, in contrast to the previous exemplary embodiment, deformation reserves 14 are provided at three points in contact with a sealing groove 2 in that the sealing body 3 is formed slightly protruding over the support ring 4 mounted in the recess.

8 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels, das für extrem hohe Drücke p ausgelegt ist. Hier ist der Dichtungsanordnung 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel von 2 in einer Einbaulage druckseitig ein Dichtelement in Form eines Kolbenrings 15 in einer Nut 16 vorgelagert angeordnet. Zudem ist zwischen der Dichtungsanordnung 1 und dem druckseitig vorgelagert angeordneten Dichtelement eine im Wesentlichen dreiecksförmige Ausnehmung 17 in Form einer radial geschlossenen Nut vorgesehen. Ein metallischer Kolbenring 15 ist als erste Maßnahme zur Druckminderung ausgebildet und mindert insbesondere Druckspitzen. Die Nut 16 bewirkt durch eine Verwirbelung eine weitere Druckminderung, so dass eine Belastung auf die Dichtungsanordnung 1 wesentlich gemildert ist. 8th shows a sectional view of another embodiment that is designed for extremely high pressures p. Here is the seal assembly 1 according to the embodiment of FIG 2 in an installation position, a sealing element in the form of a piston ring 15 is arranged upstream in a groove 16 on the pressure side. In addition, a substantially triangular recess 17 in the form of a radially closed groove is provided between the sealing arrangement 1 and the sealing element arranged upstream on the pressure side. A metallic piston ring 15 is designed as the first measure to reduce the pressure and in particular reduces pressure peaks. The groove 16 brings about a further reduction in pressure through turbulence, so that a load on the sealing arrangement 1 is significantly reduced.

Eine Dichtungsanordnung 1 gemäß eines der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ist keiner als 50mm im Außendurchmesser und weist bevorzugt eine Größe kleiner als 30 mm im Außendurchmesser auf. Dabei beträgt ein Profilquerschnitt des Dichtungskörpers 3 radial maximal 5 mm und axial maximal 10 mm. Die Dichtungsanordnung 1 ist insgesamt radial nur weniger als 4mm dick und axial weniger als 7 mm lang. Eine derartige Dichtungsanordnung 1 ist als Stangendichtung oder gleichermaßen als Kolbendichtung ausgebildet. Ein radiales Spaltmaß s zwischen den abzudichtenden Bauteilen ist kleiner als 0,1 mm bis 0,05 mm, vorzugsweise kleiner als 0,03 mm.A sealing arrangement 1 according to one of the exemplary embodiments described above is less than 50 mm in outside diameter and preferably has a size smaller than 30 mm in outside diameter. A profile cross section of the sealing body 3 is radially at most 5 mm and axially at most 10 mm. Overall, the sealing arrangement 1 is less than 4 mm thick radially and less than 7 mm long axially. Such a sealing arrangement 1 is designed as a rod seal or equally as a piston seal. A radial gap dimension s between the components to be sealed is less than 0.1 mm to 0.05 mm, preferably less than 0.03 mm.

Bezugszeichenlistereference list

11: Dichtungsanordnungsealing arrangement
22: Dichtnutsealing groove
33: Dichtungskörperseal body
44: Stützringsupport ring
55: Federelementspring element
66: Dichtlippe / Arm des Dichtungskörpers 3Seal lip/arm of seal body 3
77: Dichtlippe / Arm des Dichtungskörpers 3Seal lip/arm of seal body 3
88th: Verdickung am Endbereich des Arms 6Thickening at the end of the arm 6
99: Verdickung am Endbereich des Arms 7Thickening at the end of the arm 7
1010: Ringring
1111: Wulst an dem Dichtungskörper 3Bead on the seal body 3
1212: Ausnehmung an dem Stützring 8Recess on the support ring 8
1313: Hohlraumcavity
1414: Verformungsreservedeformation reserve
1515: Kolbenringpiston ring
1616: Nut für den Kolbenring 15Groove for the piston ring 15
1717: im Wesentlichen dreiecksförmige Ausnehmung / radial geschlossene Nut Essentially triangular recess/radially closed groove
hH: Tiefe der Dichtnut 2Depth of sealing groove 2
MM: Symmetrieachse des Stützrings 8Axis of symmetry of the support ring 8
pp: DruckPrint
ss: Dichtspalt / radiales SpaltmaßSealing gap / radial gap dimension

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

WO 2017/075646 A1 [0001]
WO 2021/068018 A1 [0001]
US10801622B2 [0002]
DE 102019213479 A1 [0002]

Claims

A sealing arrangement (1) which is designed for use as a highly dynamic and heavily loaded hydraulic seal, comprising a sealing body (3), a support ring (4) and a spring element (5), characterized in that the sealing body (3) and the support ring ( 4) are connected to each other.

Sealing arrangement according to the preceding claim, characterized in that the sealing body (3) and the support ring (4) are connected to one another by positive locking

Sealing arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a form fit between the support ring (4) and the sealing body (3) in the form of a bead (11) on the sealing body (3) and a corresponding or approximately congruent recess (12). the support ring (4) is realized.

Sealing arrangement according to the preceding claim, characterized in that the support ring (4) is designed asymmetrically.

Sealing arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the support ring (4) is the product of an injection molding process, with an injection point being positioned in the end face of the support ring (4) facing away from the pressure.

Sealing arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the sealing body (3) consists of a PTFE material, a PTFE composite material or thermoplastically processable fluorothermoplastics, preferably with fiber or particle reinforcement.

Sealing arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a deformation reserve (14) is provided on the sealing body (3), which is preferably provided in that the sealing body (3) protrudes slightly beyond the support ring (4) mounted in the recess or the deformation reserve (14) is designed as a nose.

Sealing arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the sealing arrangement (1) has an outside diameter of less than 50 mm and preferably a size smaller than 30 mm in outside diameter, with a profile cross-section of the sealing body (1) radially at most 5 mm and axially at most 10 mm and the sealing arrangement (1) is only less than 4 mm thick radially and less than 7 mm long axially and/or the sealing arrangement (1) is designed as a rod seal or equally as a piston seal, with a radial gap dimension (s) between the components to be sealed is less than 0.1 mm to 0.05 mm, preferably less than 0.03 mm.

Use of a sealing arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that in an installation position, a sealing element is arranged upstream of the sealing arrangement (1) on the pressure side, in particular a sealing element in the form of a piston ring (15) in a separate sealing groove (16).

Use of a sealing arrangement (1) according to the preceding claim, characterized in that an essentially triangular recess (17) in the form of a radially closed groove is provided in an installation position between the sealing arrangement (1) and the sealing element arranged upstream on the pressure side.