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Die Erfindung betrifft einen Rotationsdichtsatz und eine Rotationsdichtungsanordnung. Rotationsdichtsätze sind zwischen rotierenden oder oszillierenden Komponenten verbaut, um Schmierflüssigkeiten im System zu halten und das Eindringen von Schmutz und Wasser in den Dicht- bzw. Lagerspalt der Komponenten zu verhindern. Derlei Rotationsdichtsätze sind in innen- oder außendichtender Ausführung verfügbar und weisen einen Dichtring auf, der mit einem gummielastisch verformbaren Vorspannelement, etwa in Form eines O-Rings, gegen die Dichtfläche eines Maschinenteils vorgespannt wird. Sind die Dichtsätze ohne ein biegesteifes Halteelement für den Dichtring ausgeführt, so können diese in geschlossene Haltenuten eines Maschinenteils eingebaut werden Diese Dichtsätze sind bei vergleichsweise großen Betriebsdrücken und kleinen Rotationsgeschwindigkeiten einsetzbar.
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Dichtsätze mit einem ringförmig geschlossenen Halteelement können nur in Dichtungshaltestrukturen in Form einer halb-offenen, d.h. einer zur Bewegungsachse der abzudichtenden Maschinenteile axialen Richtung einseitig offenen, Haltenut verbaut werden und sind in der Regel nur für relativ niedrige Betriebsdrücke geeignet.
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Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, einen Rotationsdichtsatz anzugeben, der in die genannten halboffenen Haltenuten eingebaut werden kann und der dennoch auch bei größeren Betriebsdrücken eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Rotationsdichtungsanordnung mit einem verbesserten Rotationsdichtsatz anzugeben.
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Die den Rotationsdichtsatz betreffende Aufgabe wird durch einen Rotationsdichtsatz gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Rotationsdichtungsanordnung weist die in Anspruch 11 angegebenen Vorteile auf.
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Der erfindungsgemäße Rotationsdichtsatz dient dem Abdichten eines Dichtspalts zwischen einem ersten und einem zweiten Maschinenteil, die um eine Bewegungsachse relativ zueinander bewegbar, d.h. rotierbar oder oszillierend bewegbar, angeordnet sind, umfassend:
- • ein zähelastisch verformbares oder gegenüber den im normalen Betriebseinsatz auftretenden Kräften biegesteifes Halteelement, das in oder an einer Dichtungshaltestruktur eines der Maschinenteile anordenbar ist;
- • ein gummielastisch verformbares Vorspannelement;
- • ein Dichtring mit einer Zentralachse Z, der mit seiner niederdruckseitigen Seitenflanke am Halteelement abgestützt ist und welcher einen dynamischen Dichtabschnitt aufweist, der mittels des Vorspannelements in einer zur Zentralachse radialen Richtung gegen eine Dichtfläche des zweiten Maschinenteils dynamisch dichtend vorspannbar ist.
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Erfindungsgemäß ist das Vorspannelement am Halteelement befestigt, insbesondere angespritzt oder festgeklebt, und weist einen sich in radialer Richtung erstreckenden Hinterschnitt für den Dichtring auf, sodass der Dichtring durch das Vorspannelement am Halteelement in axialer Richtung lagefixiert oder im Wesentlichen in axialer Richtung lagefixiert halterbar ist. Der erfindungsgemäße Rotationdichtsatz kann damit vorkonfektioniert und vormontiert auf kostengünstige Weise bereitgestellt und vereinfacht in einer halboffenen Haltenut eines Maschinenteils montiert werden. Das Halteteil kann den Dichtring über eine ausreichend große radiale Erstreckung abstützen und so einer unerwünschten niederdruckseitigen Extrusion des Dichtrings in einen Dichtspalt entgegenwirken. Das Halteteil ist vorzugsweise ringförmig geschlossen ausgeführt. Durch das Halteelement können mittels des Rotationsdichtsatzes auch größere hochdruckseitig am Dichtring angreifende Betriebsdrücke gedichtet werden. Dadurch, dass das Vorspannelement den Dichtring zumindest abschnittsweise in einer radialen Richtung umgreift, kann durch das am Halteelement angeformte, d.h. angespritzte oder angeklebte, Vorspannelement eine gewünschte Anpresskraft des Dichtrings an die Dicht- oder Gegenlauffläche des jeweiligen Maschinenteils zuverlässig eingestellt werden.
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Der Dichtring kann nach einer bevorzugten Weiterbildung einen Außenumfang D aufweisen, der sich in axialer Richtung zur Hochdruckseite H des Dichtrings hin verringert. Mit anderen Worten ist die Außenumfangsseite des Dichtrings im Querschnitt des Dichtrings axial in Richtung auf die Hochdruckseite zur Zentralachse hin unter einem spitzen Winkel schräg verlaufend ausgeführt. Dadurch kann der Dichtring mittels des Vorspannelements auch axial in Richtung auf und/oder gegen das Halteelement gepresst werden. Dies ist für eine nochmals weiter verbesserte Lagesicherung des Dichtrings relativ zum Halteelement/Vorspannelement günstig.
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Das Vorspannelement weist vorzugsweise im Querschnitt eine hochdruckseitige Seitenflanke auf, die zumindest abschnittsweise in axialer Richtung nach außen konvex gewölbt, d. h. bombiert, ausgeführt ist. Dadurch kann eine besonders große Radialkraft bzw. Axialkraft auf den Dichtring ausgeübt werden. Eine entsprechend große Radialkraft kommt dem Dichtvermögen des Radialdichtsatzes zugute. Die Axialkraft bewirkt eine zuverlässige Anpressung des Dichtrings gegen das Halteelement bzw. eine zwischen dem Halteelement und dem Dichtring angeordnete Stützfahne.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Vorspannelement ein oder mehrere radiale Hinterschnitte aufweisen, in den/die sich der Dichtring bzw. ein Halteflansch des Dichtrings jeweils hineinerstreckt. Dadurch kann eine besonders sichere relative Lagefixierung des Dichtrings und des Vorspannelements erreicht werden. Dies ist einerseits für eine sichere und zügige Montage des Radialdichtsatzes von Vorteil. Andererseits kann der Rotationsdichtsatz dadurch auch ggf. im Betriebseinsatz anzutreffenden Druckumkehrlagen standhalten. Dies ungeachtet der fehlenden hochdruckseitigen Nutflanke der zur Montage des Rotationsdichtungssatzes vorgesehenen offenen Haltenut. Gleichzeitig kann der Dichtring einen kleinen Querschnitt besitzen, was für die Herstellungskosten günstig ist.
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Das Halteelement weist nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine L-förmige Querschnittsform mit einem ersten und mit einem zweiten Halteschenkel auf, wobei der erste Halteschenkel im Montagezustand des Rotationsdichtsatzes parallel oder im Wesentlichen parallel zur Zentralachse des Dichtrings und der zweite Halteschenkel zur Zentralachse orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal verlaufend angeordnet ist. Der zweite Halteschenkel kann so bemessen sein, dass sich dieser im Montagezustand des Rotationsichtsatzes nahezu bis zur Dichtfläche des die Dichtfläche aufweisenden Maschinenteils erstreckt. Dadurch kann ein besonders wirkungsvoller Extrusionsschutz des Dichtrings erreicht werden.
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Der Dichtring kann nach der Erfindung im Montagezustand über eine am zweiten Halteschenkel anliegende oder an diesem, etwa durch Anspritzen oder Ankleben, befestigte Stützfahne (= Stützflansch) des Vorspannelements am zweiten Halteschenkel des Halteelements abgestützt sein. Die genannte Stützfahne kann erfindungsgemäß eine keilförmige Querschnittsform aufweisen und sich bezüglich der Zentralachse in einer von dem Dichtabschnitt des Dichtrings wegweisenden radialen Richtung verjüngen. Dadurch kann eine radial wirkende Abstützung des Dichtrings am Halteelement erreicht werden. Der Rotationsdichtungssatz eignet sich dadurch nochmals besser zum Abdichten großer Betriebsdrücke.
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Zwischen dem freien Endabschnitt des zweiten Schenkels des Halteelements und dem Dichtring kann erfindungsgemäß ein Spalt bzw. ein Freiraum ausgebildet sein. In diesen Spalt bzw. Freiraum kann sich der Dichtring bei einer hochdruckseitigen Druckbeaufschlagung hineinverformen.
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Zwecks eines nochmals breiteren Einsatzspektrums des Rotationsdichtsatzes kann der Dichtring zusätzlich mit einem Extrusionsschutzring versehen sein. Der Extrusionsschutzring ist bezüglich des Dichtabschnitts des Dichtrings in axialer Richtung zur Niederdruckseite hin versetzt angeordnet. Unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten sowie auch im Hinblick auf eine einfache Montage des Rotationsdichtsatzes kann der Extrusionsschutzring in einer Ausnehmung des Dichtrings geklemmt gehalten angeordnet oder aber zumindest abschnittsweise im Material des Dichtrings eingebettet sein. Im letztgenannten Fall kann der Dichtring an dem Extrusionsschutzring kostengünstig angespritzt sein.
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Der Dichtring kann darüber hinaus erfindungsgemäß an einem Stützring in radialer Richtung abgestützt sein. Der Stützring ist vorzugsweise hochdruckseitig des Dichtabschnitts des Dichtrings angeordnet. Durch den Stützring kann eine Kontaktpressung des Dichtabschnitts des Dichtrings gegen die Dicht- bzw. Gegenlauffläche eines Maschinenteils zuverlässig auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt werden. Dies kommt der Standzeit des Dichtrings zugute.
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Der Dichtring kann insbesondere aus PTFE (Polytetrafluorethylen) oder einem anderen zähelastischen Dichtungswerkstoff bestehen, der dem Fachmann geeignet erscheint. Es versteht sich, dass das Polymermaterial des Dichtrings einen oder mehrere Zuschlagstoffe enthalten kann, durch die dessen Materialeigenschaften, beispielsweise dessen Reibkoeffizient, elektrische Leitfähigkeit, mechanische Stabilität, Beständigkeit gegenüber Chemikalien usw., dem Bedarf entsprechend eingestellt werden kann.
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An dem zweiten Halteschenkel des Halteelements kann nach der Erfindung eine Staublippe angeformt sein. Dadurch kann der Dichtspalt im Betriebseinsatz des Rotationsdichtsatzes nochmals besser gegenüber dem Eintritt von Verunreinigungen geschützt werden.
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Die Rotationsdichtungsanordnung umfasst erfindungsgemäß ein erstes Maschinenteil und ein zweites Maschinenteil, die unter Ausbildung eines Dichtspalts voneinander beanstandet und entlang/um eine Bewegungsachse relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, wobei das erste Maschinenteil eine Dichtungshaltestruktur, insbesondere in Form einer halboffenen Haltenut, und das zweite Maschinenteil eine Dichtfläche aufweist, wobei in der Dichtungshaltestruktur ein Rotationsdichtsatz gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist und wobei der Dichtring mit seinem Dichtabschnitt an der Dichtfläche des zweiten Maschinenteils vollumfänglich dynamisch dichtend anliegt. Das die Dichtfläche aufweisende Maschinenteil kann insbesondere eine Welle, beispielsweise in einem Antriebsstrang eines Fahrzeugs, oder eines Handwerkzeugs sein.
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Die Rotationsdichtungsanordnung kann nach der Erfindung mehrere Rotationsdichtsätze aufweisen, die in axialer Richtung hintereinanderliegend in der halboffenen Haltenut des die Haltenut aufweisenden Maschinenteils angeordnet sind. Dadurch weist die Rotationsdichtungsanordnung ein nochmals größeres Einsatzspektrum auf. Durch die seriell hintereinander, bevorzugt „auf Stoß“ angeordneten Rotationsdichtsätze kann eine sogenannte Zwischenraumdruckkaskade eingestellt werden, bei der die Zwischenraumdrücke eines Fluids (Schmiermittel etc.) zwischen den einzelnen Dichtringen in Richtung der Niederdruckseite stufenweise abnehmen. Die Rotationsdichtungsanordnung kann insbesondere als eine sogenannte Drehdurchführung für ein Fluid ausgebildet sein. Die Rotationsdichtsätze können in diesem Fall zu einer Symmetrieebene spiegelsymmetrisch in der Haltenut angeordnet sein.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine Rotationsdichtungsanordnung mit einem ersten und mit einem zweiten Maschinenteil, die relativ zueinander rotierbar angeordnet sind, wobei ein zwischen den beiden Maschinenteilen ausgebildeter Dichtspalt mit einem Rotationsdichtungssatz mit einem am Halteelement angeformten, insbesondere angespritzten oder festgeklebten, Vorspannelement gedichtet ist, das zur axialen Lagefixierung des Dichtrings einen radialen Hinterschnitt für den Dichtring aufweist, in einer Schnittdarstellung;
- 2 eine weitere Rotationsdichtungsanordnung in einer Schnittdarstellung;
- 3 eine weitere Rotationsdichtungsanordnung in einer Schnittdarstellung;
- 4 eine weitere Rotationsdichtungsanordnung in einer Schnittdarstellung;
- 5 eine weitere Rotationsdichtungsanordnung in einer Schnittdarstellung;
- 6 eine weitere Rotationsdichtungsanordnung in einer Schnittdarstellung;
- 7 eine weitere Rotationsdichtungsanordnung, bei der das Vorspannelement eine Stützfahne aufweist, die sich abschnittsweise in einer radialen Richtung zwischen dem Halteelement und dem Dichtring erstreckt, in einer Schnittdarstellung.
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1 zeigt eine Rotationsdichtungsanordnung 10 in einer Schnittdarstellung. Die Rotationsdichtungsanordnung 10 weist ein erstes und ein zweites Maschinenteil 12, 14 auf, die unter Ausbildung eines Dichtspalts 16 voneinander beabstandet und um eine mit L bezeichnete Bewegungsachse relativ zueinander bewegbar sind. Das erste Maschinenteil 12 weist eine Dichtungshaltestruktur auf, die hier als eine zur Hochdruckseite H des Dichtspalts 16 hin offene Haltenut 18 ausgebildet ist. Der Dichtspalt 16 bzw. die Hochdruckseite H des Dichtspalts 16 ist mittels eines Rotationsdichtungssatzes 20 gegenüber der Niederdruckseite N abgedichtet.
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Der Rotationsdichtsatz 20 umfasst ein Halteelement 22, ein daran befestigtes, hier angespritztes, Vorspannelement 24, einen Dichtring 26 mit einer Zentralachse Z und - optional - eine an dem Halteelement angespritzte Staublippe 28. Die Zentralachse Z des Dichtrings fällt im Montagezustand der Rotationsdichtsatzes 20 mit der Bewegungsachse der beiden Maschinenteile 12, 14 zusammen.
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Das Halteelement 22 ist aus einem biegesteifen Material und kann insbesondere aus Metall, einem zähelastisch verformbaren Kunststoff oder einem Verbundwerkstoff bestehen. Das Halteelement weist gemäß 1 einen L-förmigen Querschnitt mit einem ersten und einem zweiten Halteschenkel 30, 32 auf, die über einen Rückenabschnitt 34 miteinander verbunden sind. Der erste Halteschenkel 30 ist im Montagszustand der Rotationsdichtsatzes 20 zur Bewegungsachse L parallel oder im Wesentlichen parallel verlaufend ausgebildet, während der zweite Halteschenkel 32 zur Bewegungsachse L orthogonal oder im Wesentlichen Orthogonal verlaufend ausgerichtet ist. Insoweit schließen die beiden Schenkel einen Winkel γ von 90° ein.
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Am ersten und zweiten Halteschenkel 30, 32 ist das Vorspannelement 24 befestigt. Das Vorspannelement 24 besteht aus einem gummielastisch verformbaren Material, insbesondere aus Gummi oder aus einem Elastomer. Das Vorspannelement 24 weist eine hochdruckseitige Seitenflanke 36 auf, die sich axial in Richtung auf die Hochdruckseite vorwölbt, d. h. konvex ausgeformt ist.
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Das Vorspannelement 24 dient dazu, den Dichtring 26 mit seinem Dichtabschnitt 38 umlaufend dynamisch dichtend gegen die Gegenlauf- oder Dichtfläche 40 des zweiten Maschinenteils 14 vorzuspannen. Das Vorspannelement 24 sitzt dazu auf der Außenumfangsseite 42 des Dichtrings 26 breitbasig auf. Die Außenumfangsseite 42 kann bezüglich der Zentralachse Z des Dichtrings zumindest abschnittsweise zylindrisch ausgeführt sein. Das Vorspannelement 24 dient darüber hinaus einer axialen Lagesicherung des Dichtrings 26 relativ zum Vorspannelement 24 bzw. Halteelement 22. Das Vorspannelement 24 weist diesbezüglich einen Hinterschnitt 44 auf, der sich in einer radialen Richtung erstreckt und in den sich ein Halteflansch 46 des Dichtrings 26 hineinerstreckt.
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Der Halteflansch 46 ist zwischen dem zweiten Halteschenkel 32 des Halteelements 22 und dem Vorspannelement 24 in axialer Richtung geklemmt gehalten angeordnet.
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Durch das Vorspannelement 22 kann der Dichtring 26 in axialer Richtung gegen den zweiten Halteschenkel 32 des Halteelements 22 gepresst werden. Konstruktionsbedingt ergibt sich so eine einfache Vormontage des Rotationsdichtsatzes 20, eine einfache Montage im gezeigten Einbauzustand sowie eine unverlierbare Halterung des Dichtrings 26 am Vorspannelement 22.
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Der zweite Halteschenkel 32 des Halteelements 22 erstreckt sich in einer radialen Richtung in den Dichtspalt 16 hinein, um den Dichtring 26 niederdruckseitig abzustützen und so bei größeren Betriebsdrücken einer unerwünschten axialen Extrusion des Dichtrings 26 in den Dichtspalt 16 entgegenzuwirken.
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2 zeigt einen weiteren Rotationsdichtsatz 20, der sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen darin unterscheidet, dass das Vorspannelement 22 einen zweiten Hinterschnitt 44, hier in Form einer Ringnut, aufweist, in die sich ein zweiter Halteflansch 46 des Dichtrings 26 hineinerstreckt. Die beiden Hinterschnitte 44 des Vorspannelements 24 sind in axialer Richtung voneinander beabstandet. Das Vorspannelement 22 und der Dichtring 26 sind bei dieser Ausführungsform nochmals zuverlässiger relativ zueinander lagefixiert. Dadurch kann eine besonders verliersichere Anbindung des Dichtrings 26 am Vorspannelement 24 erreicht werden.
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3 zeigt einen weiteren Rotationsdichtsatz 20, bei dem der Dichtring 26 eine im Schnitt zur Hochdruckseite H hin in Richtung auf die Zentralachse Z schräg verlaufende Außenumfangsseite 42 aufweist. Mit anderen Worten verkleinert sich der Außendurchmesser D des Dichtrings 26 axial in Richtung der Hochdruckseite H. Das Vorspannelement 24 liegt an dieser rampenförmigen Außenumfangsseite 42 des Dichtrings 26 formschlüssig an. Das Vorspannelement 24 übt auf den Dichtring eine Kraft F auf, deren Kraftkomponenten eine Radialkraft FR und eine Axialkraft FA sind. Durch die Radialkraft FR wird der Dichtring 26 mit seinem Dichtabschnitt 38 gegen die Dichtfläche 40 und durch die Axialkraft FA in einer axialen Richtung gegen den zweiten Halteschenkel 32 des Halteelements 22 gepresst.
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4 zeigt ein zu 3 ähnliche Ausführungsform eines Rotationsdichtsatzes 20. Hier weist das Vorspannelement 24 eine ringwulstartig konvex ausgeführte hochdruckseitige Seitenflanke 36 auf. Dadurch kann mittels des Vorspannelements 24 eine besonders große Kraft F mit den Kraftkomponenten der Radialkraft FR und Axialkraft FA ausgeübt werden. Dies ist für Hochdruckanwendungen günstig.
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Gemäß der in 5 gezeigten Ausführungsform kann der Dichtring 26 zusätzlich mit einem Extrusionsschutzring 48 versehen sein, der in einer Ausnehmung des Dichtrings angeordnet ist bzw. der im Material des Dichtrings zumindest abschnittsweise eingebettet gehalten ist. Der Dichtring 26 kann dem Extrusionsschutzring 48 insbesondere angespritzt sein. Zu beachten ist, dass der Extrusionsschutzring 48 den zweiten Halteschenkel 32 in einer axialen Richtung abschnittsweise überlappen kann. Dadurch ist der Dichtring 26 selbst bei Hochdruckanwendungen gegen eine unerwünschte axiale Extrusion in den Dichtspalt 16 hinein geschützt. Der Extrusionsschutzring 48 besteht vorzugsweise aus Metall.
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Gemäß der in 6 gezeigten Rotationsdichtungsanordnung 20 kann der Dichtring 26 zusätzlich an einem Stützring 50 in radialer Richtung abgestützt sein. Der Stützring 50 besteht vorzugsweise aus einem biege- bzw. verformungssteifen Material, insbesondere aus Metall. Der Stützring 50 ist von der Dichtfläche 40 beabstandet angeordnet.
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7 zeigt eine weitere Rotationsdichtungsanordnung 20. Hier weist das Vorspannelement 24 eine Stützfahne 52 auf, die sich zwischen dem zweiten Halteschenkel 32 des Halteelements 22 und dem Dichtring 26 radial in Richtung der Zentralachse Z bzw. der Dichtfläche 40 des zweiten Maschinenteils erstreckt. Die Stützfahne 52 ist ringförmig ausgeführt und dem Vorspannelement 24 angeformt. Zu beachten ist, dass die Stützfahne 52 im Querschnitt keilförmig ausgeführt ist. Die Stützfahne 52 weist mit anderen Worten eine axiale Breite b auf, die in Richtung auf die Dichtfläche 40 zunimmt. Die Außenumfangsseite des Dichtrings 26 ist zur Hochdruckseite hin unter einem spitzen Winkel α zur Zentralachse Z bzw. Bewegungsachse L schräg verlaufend angeordnet. Durch entsprechende Vorgabe des Winkels α mit 10° ≤ α ≤ 40° lassen sich die Kraftkomponenten FA und FR einstellen. Der Keilwinkel β der Stützfahne 52 beträgt vorzugsweise zwischen 3° und 7°. Dadurch ergibt sich im Querschnitt bezüglich der um den Winkel β verkippte Anordnung der lokalen Dichtringmittelebene 54 des Dichtrings 26 im unbelasteten Einbauzustand. Der Winkel β begünstigt eine große Druckbelastbarkeit des Rotationsdichtsatzes 20. Wird die Hochdruckseite H druckbeaufschlagt, so führt dies unter einer elastischen Kompression der Stützfahne des Vorspannelements zu einem auf den Dichtring wirkenden Moment, durch das sich der Winkel β verkleinert.
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Bei den vorstehend beschriebenen und in den Fign. gezeigten Ausführungsformen des Rotationsdichtsatzes 20 ist das Dichtelement 26 vorzugswiese aus einem zähelastisch verformbaren Material, bevorzugt aus PTFE (Polytetrafluorethylen) ausgebildet. PTFE bietet neben seiner Eignung für Hochdruckanwendungen eine nahezu universelle Chemikalien-Beständigkeit, eine hohe TemperaturBeständigkeit, hervorragende Gleiteigenschaften und ist (nahezu) komplett resistent gegen eine unerwünschte Wasseraufnahme.
