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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine J-förmige Press-in-Place-Dichtung (PIP), z. B. für eine Schnittstelle zwischen Komponenteen aus unterschiedlichen Materialien.
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Einführung
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Eine Dichtung ist ein mechanisches Komponente, das den Raum zwischen zusammenpassenden Oberflächen ausfüllt, um im Allgemeinen das Austreten einer Flüssigkeit aus oder in die verbundenen Objekte zu verhindern, während die Dichtung unter Druck steht. Dichtungen ermöglichen es, „nicht ganz perfekte“ Passflächen an Maschinenteilen zu verbinden, ohne dass es zu Leckagen kommt, indem die Dichtung Unregelmäßigkeiten der Oberfläche ausgleicht. Dichtungen halten auch externe Verunreinigungen von der resultierenden Baugruppe fern. Dichtungen werden in der Regel aus Folien oder geformten Materialien wie Papier, Naturkautschuk, synthetischem Kautschuk, Metall oder einem Kunststoffpolymer hergestellt.
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In Situationen, in denen eine Verbindung zwischen zwei zueinander passenden Komponenteen unter Druck steht oder die zueinander passenden Komponentee aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wird die Abdichtung einer solchen Verbindung noch schwieriger. Außerdem kann bei solchen Verbindungen ein unbeabsichtigter Flüssigkeitsaustritt zu einem Funktionsausfall des abgedichteten Systems führen. Typischerweise kann ein solches Leck zusätzliche Unannehmlichkeiten verursachen, indem es zu einem Flüssigkeitsaustritt kommt, der eine Säuberung erforderlich macht. Die Auslegung und Auswahl einer Dichtung für eine bestimmte Anwendung kann sich daher als entscheidend für die Zuverlässigkeit des betreffenden Systems und die Zufriedenheit des Systembenutzers erweisen.
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Beschreibung der Erfindung
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Einpressdichtung (Engl.: Press-in-Place, PIP-Dichtung) für eine Schnittstelle zwischen benachbarten Komponenten, wobei die PIP-Dichtung eine zylindrische Struktur aufweist, die entlang einer Längsachse angeordnet und in einer Querschnittsansicht durch eine J-Form gekennzeichnet ist. Die zylindrische Struktur ist so konfiguriert, dass sie innerhalb einer ersten Komponente angeordnet ist und von einer zweiten Komponente gegen die erste Komponente zusammengedrückt wird, wenn die PIP-Dichtung in der Schnittstelle installiert ist. Die J-Form umfasst einen ersten Stammabschnitt mit einer ersten Länge, die orthogonal zur Längsachse angeordnet ist und sich in Richtung dieser Achse erstreckt. Der erste Stammabschnitt ist so konfiguriert, dass er von der zweiten Komponente zusammengedrückt wird, um einen Dichtungsdruck zwischen der ersten und der zweiten Komponente zu erzeugen, wenn die PIP-Dichtung in der Schnittstelle installiert ist. Die J-Form umfasst auch einen zweiten Stammabschnitt mit einer zweiten Länge, die länger als die erste Länge ist und orthogonal zur Längsachse angeordnet ist und sich in Richtung dieser erstreckt. Der zweite Schaft ist so konfiguriert, dass er die zylindrische Struktur stabilisiert, wenn die PIP-Dichtung in der Schnittstelle installiert ist. Die J-Form umfasst ferner einen dritten Basisabschnitt, der parallel zur Längsachse angeordnet ist und den ersten Stammabschnitt mit dem zweiten Stammabschnitt verbindet. Der dritte Abschnitt definiert auch eine Konkavität zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt.
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Der erste Stammabschnitt kann eine Spitze aufweisen, die so gestaltet ist, dass sie mit der zweiten Komponente in Kontakt kommt, wenn die PIP-Dichtung in der Schnittstelle installiert ist. Die Spitze kann in der Querschnittsansicht abgeschrägt sein.
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Die zylindrische Struktur kann aus einem elastischen Material geformt oder konstruiert sein.
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Das elastische Material kann aus Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) bestehen.
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Das Material kann eine Shore A-40 Härte aufweisen.
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Die zylindrische Struktur kann so gestaltet sein, dass sie mit einem Fluid in Kontakt kommt. Das PIP-Dichtungsmaterial kann aufgrund seiner chemischen Beständigkeit gegenüber dem Fluid ausgewählt werden.
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Das Fluid kann mindestens eines der folgenden sein: feuchte Luft, Wasserstoffgas und Kühlmittel auf Glykolbasis.
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Die jeweiligen Übergänge zwischen dem ersten Stammabschnitt, dem zweiten Stammabschnitt und dem dritten Basisabschnitt können durch gekrümmte Profile definierte Biegungen aufweisen.
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Die zylindrische Struktur kann einen kreisförmigen oder ovalen Umriss in einer Ebene orthogonal zur Längsachse haben.
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Die zylindrische Struktur kann eine unregelmäßige Kontur in einer Ebene orthogonal zur Längsachse aufweisen.
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Eine Fluid-Druck-Verbindungsbaugruppe, die eine erste und eine zweite Komponente und die Press-in-Place-Dichtung (PIP) für eine Schnittstelle dazwischen umfasst.
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Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsform(en) und der besten Art(en) zur Ausführung der beschriebenen Offenbarung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen ohne weiteres ersichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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- 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Schnittstelle zwischen benachbarten Komponenten, gemäß der vorliegenden Offenbarung.
- 2 ist eine schematische perspektivische Nahaufnahme einer Ausführungsform einer J-förmigen Einpressdichtung (PIP) für die in 1 dargestellte Schnittstelle gemäß der Offenbarung.
- 3 ist eine schematische Nahaufnahme der in 1 gezeigten PIP-Dichtung im Querschnitt, gemäß der Offenbarung.
- 4 ist eine schematische perspektivische Nahaufnahme einer anderen Ausführungsform der PIP-Dichtung, die durch die in 3 gezeigte Querschnittsseitenansicht dargestellt ist, gemäß der Offenbarung.
- 5 ist eine schematische perspektivische Nahaufnahme einer anderen Ausführungsform der PIP-Dichtung, die durch die in 3 gezeigte seitliche Querschnittsansicht dargestellt ist, gemäß der Offenbarung.
- 6 ist eine schematische Nahaufnahme einer Querschnitts-Seitenansicht der PIP-Dichtung, die in einem installierten und komprimierten Zustand innerhalb der in 1 gezeigten Schnittstelle zwischen benachbarten Komponenten gemäß der Offenbarung dargestellt ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Fachleute auf dem Gebiet der Technik werden erkennen, dass Begriffe wie „oben“, „unten“, „aufwärts“, „abwärts“, „oberhalb“, „unterhalb“, „links“, „rechts“ usw. für die Figuren beschreibend verwendet werden und keine Einschränkungen des Umfangs der Offenbarung darstellen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, zeigt 1 eine Baugruppe 10, die an Komponenten angrenzt - eine erste Komponente 12 und eine zweite Komponente 14. Die Baugruppe 10 umfasst eine Verbindung mit einer Schnittstelle 10A (dargestellt in 6) zwischen den Komponenten 12 und 14. Die Schnittstelle 10A kann so gestaltet sein, dass sie ein unter Druck stehendes Fluid abdichtet. Im Allgemeinen werden die erste Komponente 12 und die zweite Komponente 14 aneinander befestigt, um eine robuste Baugruppe zu bilden.
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Wie in 3 dargestellt, weist die Schnittstelle 10A in einer Querschnittsansicht einen allgemein ringförmigen Spalt 16 zwischen der ersten und der zweiten Komponente 12, 14 auf, der so konfiguriert ist, dass er eine Press-in-Place-Dichtung (PIP-Dichtung; Einpressdichtung) 18 zur Abdichtung der Schnittstelle aufnehmen kann. Der Spalt 16 wird zwischen der ersten und zweiten Komponente 12, 14 erzeugt, wenn die erste Komponente in die zweite Komponente eingesetzt wird. Die PIP-Dichtung 18 wird im Allgemeinen im Spalt 16 zwischen der ersten und der zweiten Komponente 12, 14 eingeklemmt und zusammengedrückt, wenn die erste und die zweite Komponente miteinander verbunden werden. Die kontrollierte Verformung der PIP-Dichtung 18 soll einen ausreichenden Dichtungsdruck an der Schnittstelle 10A erzeugen, ohne das PIP-Dichtungsmaterial übermäßig zu belasten.
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Die erste und die zweite Komponente 12, 14 können aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, z. B. eine der beiden Komponenten aus Metall und die andere aus Kunststoff. Während ihrer Lebensdauer kann die Schnittstelle 10A einem beträchtlichen Temperaturgefälle und Spaltveränderungen ausgesetzt sein. Mit der eingebauten PIP-Dichtung 18 soll die Schnittstelle 10A jedoch einem erheblichen Fluiddruck standhalten und abdichten. In den Baugruppen, in denen die Schnittstelle 10A zur Abdichtung von unter Druck stehendem Fluid verwendet wird, kann die betreffende Schnittstelle als „Fluiddruckverbindung“ bezeichnet werden, und mit der eingesetzten PIP-Dichtung 18 kann die gesamte Baugruppe als „Fluiddruckverbindungsbaugruppe“ bezeichnet werden.
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Typischerweise spricht man von einer großen Spaltabweichung bei einer Verbindung, wenn die Konstruktions- und/oder Fertigungstoleranzen der zueinander passenden Komponenten einen erheblichen Prozentsatz der Dicke der verwendeten Dichtung ausmachen. In einer solchen Situation kann die tatsächliche Kompression der Dichtung in der montierten Verbindung bei maximaler Materialbeschaffenheit der zusammenpassenden Komponenten, d.h. wenn diese Komponenten ihre maximal zulässige Größe erreicht haben, etwa 20-35 % ihrer Dicke überschreiten und zu einer zusätzlichen Belastung dieser Komponenten führen. Andererseits kann die Kompression der Dichtung in einer solchen Situation unter minimalen Materialbedingungen der zusammenpassenden Komponenten, d.h. wenn diese Komponenten ihre minimal zulässige Größe haben, geringer sein als idealerweise erforderlich, um Druckfluid ohne Leckage zurückzuhalten.
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Wie in den 2, 4 und 5 gezeigt, ist die PIP-Dichtung 18 ein durchgehendes Materialband und weist eine allgemein zylindrische Struktur 20 auf, die entlang einer Längsachse X angeordnet ist. Die PIP-Dichtung 18 kann als „monostrukturell“ bezeichnet werden, was bedeutet, dass die zylindrische Struktur 20 aus einer einheitlichen, ununterbrochenen Masse eines bestimmten Materials ohne daran befestigte Teile oder Abschnitte aus einem anderen Material hergestellt wird. Die zylindrische Struktur 20 kann eine kreisförmige Form (dargestellt in 2) oder eine ovale Form (dargestellt in 4) in einer Ebene Y orthogonal zur Längsachse X haben. Alternativ kann die zylindrische Struktur 20 eine unregelmäßige Kontur oder Form (dargestellt in 5) in der Ebene Y orthogonal zur Längsachse X haben, um die Form einer bestimmten Schnittstelle zwischen den ersten und zweiten Komponenten 12, 14 anzupassen.
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Wie in 1 gezeigt, können die erste Komponente 12 und die zweite Komponente 14 entsprechende Durchgänge 12A und 14A zur Beförderung eines Fluids dazwischen definieren. Wie in den 2, 4 und 5 zusätzlich gezeigt, umgibt die zylindrische Struktur 20 einen offenen inneren Bereich 20A. Der offene innere Bereich 20A ist so konfiguriert, dass er einen Abschnitt der zweiten Komponente 14 aufnimmt und zentriert. Eine solche Verbindung würde einen kontinuierlichen Fluiddurchgang von der ersten Komponente 12 zu der zweiten Komponente 14 erzeugen und dadurch den Transfer eines Arbeitsfluids zwischen den Durchgängen 12A, 14A erleichtern. Die zylindrische Struktur 20 ist so konfiguriert, dass sie innerhalb der ersten Komponente 12, beispielsweise innerhalb einer geformten oder bearbeiteten Tasche 12-1, angeordnet ist und von der zweiten Komponente 14 gegen die erste Komponente gedrückt wird, wenn die PIP-Dichtung 18 in der Schnittstelle 10A installiert wird. Dementsprechend kann die PIP-Dichtung 18 während des Zusammenbaus der Schnittstelle 10A zunächst in die Tasche 12-1 gedrückt und dann durch das zweite Komponente 14 zusammengedrückt werden, wenn die ersten und zweiten Komponente 12, 14 aneinander befestigt werden.
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Die zylindrische Struktur 20 kann aus einem elastischen oder nachgiebigen Material geformt oder anderweitig hergestellt sein. Insbesondere kann das Material der zylindrischen Struktur 20 so gewählt werden, dass es eine Shore A-40-Härte aufweist. Die Shore-A-Härteskala misst im Allgemeinen die Härte von flexiblen Formgummis, deren Härte von sehr weich und flexibel über mittel und etwas flexibel bis hin zu hart und fast gar nicht flexibel reicht. Halbstarre Kunststoffe können auch am oberen Ende der Shore-A-Skala gemessen werden. Das nachgiebige Material der PIP-Dichtung 18 kann insbesondere bei einer Ausführung der Schnittstelle 10A nützlich sein, die einem erheblichen Flüssigkeitsdruck standhalten und ihre strukturelle und dichtende Integrität beibehalten muss. In einer solchen Ausführungsform kann die zylindrische Struktur 20 beispielsweise auf 25-47 % ihrer Dicke zusammengedrückt werden, wenn die zweite Komponente 14 an der ersten Komponente 12 befestigt wird.
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In einer Ausführungsform, in der die zylindrische Struktur 20 mit einem bestimmten Fluid in Kontakt kommen und dieses abdichten soll, kann das spezifische Material der PIP-Dichtung 18 auf der Grundlage seiner Kompatibilität mit dem durch die Schnittstelle 10A beförderten Arbeitsfluid ausgewählt werden. Darüber hinaus kann das Material der zylindrischen Struktur 20 so gewählt werden, dass es dem projizierten Temperaturbereich und Druck an der Schnittstelle 10A zuverlässig standhält. Insbesondere an der Schnittstelle zwischen den ersten und zweiten Komponenten 12, 14 einer Kraftfahrzeug-Antriebsstrang-Baugruppe kann der Temperaturbereich -30 bis +110 Grad Celsius betragen. Außerdem kann bei einer solchen Kraftfahrzeug-Antriebsstrang-Variante der Schnittstelle 10A ein Flüssigkeitsdruck im Bereich von 350 kPa erforderlich sein. Darüber hinaus kann das Material der PIP-Dichtung 18 auf der Grundlage seiner Beständigkeit gegenüber der Diffusionsfähigkeit von Flüssigkeiten und seiner chemischen Beständigkeit gegenüber der betreffenden Flüssigkeit ausgewählt werden. Ein solches Fluid kann z. B. feuchte Luft, Wasserstoffgas oder ein Kühlmittel auf Glykolbasis (~50 Volumenprozent) sein. Ein beispielhaftes Material für die zylindrische Struktur 20, das die oben genannten Anforderungen erfüllt, ist Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Gummi.
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Die zylindrische Struktur 20 ist ferner gekennzeichnet durch eine J-Form 22 in einer Querschnittsansicht entlang des Abschnitts 3-3 in den 2, 4 und 5, die in 3 dargestellt ist. Wie in 3 gezeigt, umfasst die J-Form 22 einen ersten Stammabschnitt 24 mit einer ersten Länge L1, die orthogonal zur Längsachse X angeordnet ist und sich zu dieser hin erstreckt. Der erste Stammabschnitt 24 ist so konfiguriert, dass er durch die zweite Komponente 14 zusammengedrückt wird, um einen Dichtungsdruck zwischen der ersten und der zweiten Komponente 12, 14 zu erzeugen, wenn die PIP-Dichtung 18 in der Schnittstelle 10A (in 6 gezeigt) installiert ist. Die J-Form 22 umfasst auch einen zweiten Stammabschnitt 26 mit einer zweiten Länge L2, der orthogonal zur Längsachse X angeordnet ist und sich zu dieser hin erstreckt. Wie dargestellt, ist die zweite Länge L2 länger als die erste Länge L1. Die zweite Länge L2 ist so konfiguriert, dass sie die zylindrische Struktur 20 in einer Richtung orthogonal zur Längsachse X stabilisiert, wenn die PIP-Dichtung 18 in der Schnittstelle 10A installiert ist. Der zweite Stammabschnitt 26 definiert eine allgemein ebene Oberfläche 26A, die so konfiguriert ist, dass sie mit der zweiten Komponente 14 in Kontakt kommt, wenn die zweite Komponente in den offenen Innenbereich 20A der zylindrischen Struktur 20 eingeführt wird.
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Die J-Form 22 weist zusätzlich einen dritten Basisabschnitt 28 auf, der parallel zur Längsachse X angeordnet ist. Der dritte Basisabschnitt 28 verbindet den ersten Stammabschnitt 24 mit dem zweiten Stammabschnitt 26, wodurch eine Konkavität oder eine Vertiefung 30 zwischen dem ersten und dem zweiten Stammabschnitt 24, 26 definiert wird. Die Vertiefung 30 ist so gestaltet, dass sie einen geordneten Kontakt zwischen der zweiten Komponente 14 und der ersten Stammabschnitt 24 sowie dem zweiten Stammabschnitt 26 mit der ebenen Fläche 26A erleichtert. Die Vertiefung 30 ist auch so gestaltet, dass sie die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts und/oder einer Störung der zweiten Komponente 14 mit dem dritten Basisabschnitt 28 minimiert. Wie in 3 zu sehen ist, umfasst die J-Form 22 Übergänge 32 zwischen dem ersten Stammabschnitt 24, dem zweiten Stammabschnitt 26 und dem dritten Basisabschnitt 28. Wie dargestellt, können die Übergänge 32 Biegungen 32A umfassen, die durch gebogene oder gerundete Profile definiert sind. Die gekrümmten Profile der Biegungen 32A können das kontrollierte Zusammendrücken der PIP-Dichtung 18 erleichtern, ohne dass einzelne Abschnitte 24, 26, 28 während der Herstellung der Baugruppe 10 kollabieren oder umklappen.
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Der erste Stammabschnitt 24 kann eine Spitze 24-1 aufweisen, die so gestaltet ist, dass sie mit der zweiten Komponente 14 in Kontakt kommt, wenn die PIP Dichtung 18 in der Schnittstelle 10A installiert wird. Die Spitze 24-1 kann abgeschrägt oder verjüngt sein, wie in der Querschnittsansicht 2-2 gezeigt, um das Einführen des zweiten Komponente 14 in den offenen inneren Bereich 20A zu erleichtern, der von der zylindrischen Struktur 20 umgeben ist. Die Verjüngung der Spitze 24-1 kann durch Hinterschneidungen 34 erfolgen, die in 3 dargestellt sind. Die Hinterschneidungen 34 können zusätzlich dazu beitragen, das Zusammendrücken der Spitze 24-1 zwischen der ersten und der zweiten Komponente 12, 14 innerhalb der Tasche 12-1 zu erleichtern, um eine Kompression der PIP-Dichtung 18 in der Fluiddruckverbindung zu erzeugen und Maßabweichungen der Bestandteile zu widerstehen und gleichzeitig eine zuverlässige leckfreie Leistung zu liefern.
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Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren sind unterstützend und beschreibend für die Offenbarung, aber der Umfang der Offenbarung wird ausschließlich durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen zur Durchführung der beanspruchten Offenbarung im Detail beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Designs und Ausführungsformen zur Durchführung der Offenbarung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Darüber hinaus sind die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen oder die in der vorliegenden Beschreibung erwähnten Merkmale verschiedener Ausführungsformen nicht unbedingt als voneinander unabhängige Ausführungsformen zu verstehen. Vielmehr ist es möglich, dass jedes der in einem der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale mit einem oder mehreren anderen gewünschten Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden kann, was zu anderen Ausführungsformen führt, die nicht in Worten oder durch Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben sind. Dementsprechend fallen solche anderen Ausführungsformen in den Rahmen des Anwendungsbereichs der beigefügten Ansprüche.
