DE10293217T5

DE10293217T5 - Dichtung aus Polymer/Metall-Laminat-Konstruktionen

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Publication number: DE10293217T5
Application number: DE10293217T
Authority: DE
Inventors: John W. Fountain Valley Kosty; Jon M. Brea Lenhert; Michael A. Orange Macisaac
Original assignee: Saint Gobain Performance Plastics Corp
Current assignee: Saint Gobain Performance Plastics Corp
Priority date: 2001-08-13
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-04-22
Also published as: CA2425163A1; KR100508325B1; EP1423629A4; NO20031661D0; WO2003016754A3; JP2005500482A; WO2003016754A2; AU2002345975A1; US6830641B2; NO20031661L; EP1423629A2; KR20030046496A; US7384494B2; US20030031828A1; RU2003112617A; RU2256114C2; CA2425163C; US20050140097A1

Abstract

Dichtungsvorrichtung, hergestellt durch ein Formgebungsverfahren, in dem eine Kompositkonstruktion in eine gewünschte Dichtungsvorrichtungsform geformt wird, wobei die Kompositkonstruktion ein polymeres Material umfasst, dass vor dem Formgebungsschritt auf einem steifen nicht-polymeren Substrat angeordnet wird, und wobei die Dichtungsvorrichtung einen Dichtungskörper mit einem aus dem steifen Substrat geformten Gehäuseelement und einem nachgiebigen, aus dem polymeren Material geformten Dichtungselement umfasst.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Dichtungsvorrichtungen, die aus Laminat-Konstruktionen geformt sind, und insbesondere Dichtungsvorrichtungen, z.B. Dichtungsringe, die aus Polymer/Metall-Laminatbahn-Konstruktionen geformt sind, sowie Verfahren zu deren Herstellung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Dichtungsvorrichtungen, wie z.B. Dichtungsringe oder Ähnliches, zur Bereitstellung einer Dichtung zwischen zwei sich gegenüberliegenden Dichtungsflächen sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Solche Dichtungsvorrichtungen können verwendet werden, um eine leckfreie Verbindung zwischen zwei in Bezug aufeinander statische Dichtungsflächen und/oder zwischen Dichtungsflächen, die gegeneinander dynamisch sind, z.B. zwischen einer statischen und einer dynamischen oder zwischen zwei dynamischen Dichtungsflächen, bereitzustellen. Ein Beispiel einer sogenannten dynamischen Dichtungvorrichtung ist ein Dichtungsring, der zwischen einem statischen Gehäuse und einer dynamischen, Gleitringdichtungsfläche oder einer Kolbendichtungsfläche angeordnet sind.
Solche Dichtungsvorrichtungen können in Abhängigkeit des Anwendungsbereichs unterschiedlich aufgebaut sein. Beispielsweise können die Dichtungsringe als Lippendichtungen aufgebaut sein, die eine oder mehrere Lippenelemente umfassen, die so entworfen sind, dass sie weg von dem Dichtungskörper ragen, um mit der dynamischen Dichtungsfläche in Berührung zu stehen, oder als verstärkte Dichtung, die ein oder mehrere Dichtungselemente umfasst, das oder die durch ein in dem Dichtungsring angeordnetes Verstärkungselement in Berührung mit der dynamischen Dichtungsfläche gedrückt werden. Solche Dichtungsringe können für Öl- oder Nicht-Öl-Abdichtungsanwendungen eingesetzt werden, oder für jede Art der Gas- oder Fluid-Abdichtungsanwendung.
Lippendichtungen sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt und können so aufgebaut sein, dass sie ein unflexibles, metallisches Element und ein relativ verformbares nichtmetallisches, z.B. polymeres, Dichtungselement enthalten. Das metallische Dichtungselement liegt üblicherweise in der Form eines Gehäuses vor, das so gestaltet ist, dass es sowohl in eine vorgegebene Stopfbüchse für eine Dichtung passt und dass es gleichzeitig ein Aufbringungssubstrat für das nichtmetallische Dichtungselement bereitstellt. Insbesondere ist das metallische Dichtungselement in der Form eines ringförmigen Gehäuses gestaltet, das so ausgelegt ist, dass es eine vorbestimmte Kompression oder Spannung auf das an ihm angebrachte nichtmetallische Dichtungselement, das die Dichtungslippe bildet, ausübt. In einigen Fällen kann das ringförmige Gehäuse aus mehreren unterschiedlichen unflexiblen Dichtungselementen aufgebaut sein, die zusammen in einer vorgegebenen Anordnung angebracht sind, um eine die gewünschte Spannungs- oder Kompressionsbelastung auf das nichtmetallische Dichtungslippenelement sowohl bereitzustellen als auch aufrechtzuerhalten.
Verstärkte Dichtungen sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt und können so aufgebaut sein, dass sie einen Dichtungskörper umfassen, der in Abhängigkeit von dem vorgesehenen Anwendungsbereich entweder aus einem metallischen oder nichtmetallischen Material gebildet wird, und ein Verstärkungselement, das innerhalb des Dichtungskörpers angeordnet ist, um einen Bereich des Dichtungskörpers in Berührung mit der dynamischen Dichtungsfläche zu zwingen. In einem Anwendungsbeispiel umfasst die verstärkte Dichtung einen ringförmigen Dichtungskörper, der aus einem relativ flexiblen oder verformbaren polymeren Material gebildet ist, und einen Verstärker, der aus einem metallischen Material gebildet ist, das in einer Rinne angeordnet ist, welche die U-förmige Gestalt der Dichtung vorgibt. In Abhängigkeit von der speziellen Anwendung können solche U-förmige Dichtungen verwendet werden, um eine radiale Dichtungsfläche bereitzustellen, beispielsweise zwischen einer radial ausgerichtete dynamischen Dichtungsfläche und einer inneren oder äußeren Durchmesseroberfläche des Dichtungskörpers, oder um eine axiale Dichtungsfläche, beispielsweise zwischen einer axial ausgerichteten Dichtungsfläche und einer inneren oder äußeren Durchmesseroberfläche des Dichtungskörpers bereitzustellen.
Solche bekannten Lippendichtungen und verstärkte Dichtungen werden gemäß eines Mehrschrittverfahrens hergestellt, das sowohl das Formen der verschiedenen Dichtungselemente, beispielsweise dem metallischen Dichtungselement und/oder dem Polymerdichtungselement, und dem Zusammenfügen der verschiedenen Dichtungselemente umfasst. Beispielsweise werden bekannte Lippendichtungen dadurch hergestellt, dass zuerst die metallische Hülse, die ein einteiliges oder mehrteiliges metallisches Element sein kann, durch Bearbeitungs- und/oder Formungsverfahren geformt wird, und dann separat die Lippen aus polymeren Material durch Bearbeitungs- und/oder Formungsverfahren geformt werden. Wenn die separaten metallischen und polymeren Dichtungselement geformt sind, werden sie mittels herkömmlicher chemischer und/oder mechanischer Anbringungstechniken verbunden.
Dieses Herstellungsverfahren, das die separate Herstellung der jeweiligen Dichtungselemente sowie deren Anbringung erfordert, ist sowohl zeitaufwendig als auch arbeitsintensiv, was sowohl die Produktionsrate und die Herstellungskosten beeinflusst.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach Dichtungsvorrichten mit vereinfachtem Aufbau, der eine Herstellung ermöglicht oder unterstützt, die einen oder mehrere Herstellungsschritte vermeidet, wodurch sowohl die Produktionsrate als auch die mit dieser Produktion verbundenen Arbeits- und/oder Materialkosten gesenkt werden. Es ist ebenfalls wünschenswert, dass solche Dichtungsvorrichtungen eine Effektivität der Produktion ermöglichen ohne dadurch die Dichtungseigenschaften verglichen mit herkömmlichen Dichtungen zu verschlechtern. Des Weiteren ist es wünschenswert, dass diese Dichtungsvorrichtungen zur Nachrüstung in bereits bestehende Dichtungsgehäuse geeignet sind, so dass sie herkömmliche Dichtungen ersetzen können, wobei keine oder nur minimale Veränderungen an den Dichtungsgehäusen notwendig werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dichtungsvorrichtungen werden gemäß den der Erfindung zu Grunde liegenden Prinzipien durch Formen einer vorgeformten Kompositkonstruktion, die ein mit Polymer laminiertes Metallsubstrat umfasst, gebildet. Die Dichtungsvorrichtung kann in Abhängigkeit der speziellen Dichtungsanwendung unterschiedlich gestaltet sein, wird allerdings im Allgemeinen ein steifes Gehäuseelement (das aus dem metallischen Substratanteil der Konstruktion gebildet ist) und einem daran angebrachtem, relativ nachgiebigem Dichtungselement (das aus dem polymeren Material gebildet ist) umfassen. Alternativ können die erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtungen so aus der Kompositkonstruktion aufgebaut werden, dass das metallische Substrat als rückstellfähiges Element vorliegt, um eine gewünschte Belastungskraft auf das nachgiebige Dichtungselement auszuüben.
Dichtungsvorrichtungen, die aus solchen Laminat- oder Kompositkonstruktionen hergestellt sind, weisen gegenüber auf herkömmliche Art und Weise hergestellten Dichtungsvorrichtungen einen Vorteil in der Herstellung auf, insofern, dass die Verwendung von solchen vorgeformten Laminatkonstruktionen die folgenden Schritte vermeidet: (1) separates Herstellen und Formen von Dichtungsgliedern (d.h. Herstellen und Formen einzelner Gehäuse- und Dichtungselemente) und (2) anschließendes Zusammenbringen oder -fügen der separat hergestellten Dichtungsglieder. Vielmehr können die erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtungen durch ein einfaches Verfahren, in dem beide Dichtungsglieder gleichzeitig geformt werden, hergestellt werden, wodurch ein Reduzierung von Arbeitskraftkosten, Materialkosten und eine Erhöhung der Herstellungsrate erreicht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich werden, wenn diese durch den Bezug auf die Beschreibung, Patentansprüche und Zeichnungen besser verstanden wird, wobei:
1 eine Querschnitt-Seitenprojektionsansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Multiteil-Dichtungsanordnung ist, die eine herkömmliche Lippendichtung bildet;
2 eine Querschnitts-Seitenprojektionsansicht einer anderen aus dem Stand der Technik bekannten Multiteil-Dichtungsanordnung ist, die eine herkömmliche Lippendichtung bildet;
3A eine schematische Querschnitts-Seitenprojektionsansicht durch ein Blatt eines Polymer-Laminat-Konstruktionsmaterials ist, der zur Herstellung von Dichtungsringen gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
3B eine perspektivische Ansicht eines Blatts eines Polymer-Laminat-Konstruktionsmaterials ist, das zur Herstellung einer Lippendichtung gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
4 eine Querschnitts-Seitenprojektionsansicht ist, die eine Ringdichtung in der Form einer gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung aus einer Polymer-Laminatkonstruktion hergestellten Lippendichtung darstellt;
5A bis 5C Querschnitts-Seitenprojektionsansichten sind, die unterschiedliche Ausführungsformen installierter Lippendichtungen darstellen, die gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung aus einer Polymer-Laminatkonstruktion hergestellt wurden;
6 eine Draufsicht von oben auf eine erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung ist, die aus einer Polymer-Laminatkonstruktion hergestellt wurde, die ein Metallsubstrat umfasst, das so aufgebaut ist, dass es eine gewünschte Rückfederung bereitstellt;
7 eine Querschnitts-Seitenprojektionsansicht ist, die eine installierte L-förmige Dichtung darstellt, die gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung aus einer Polymer-Laminatkonstruktion hergestellt wurde;
8A und 8B Querschnitts-Seitenprojektionsansichten sind, die U-becherförmige Dichtungen darstellen, die gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung aus einer Polymer- Laminatkonstruktion und in axialen Stopfbüchsen für Dichtungen installiert wurden, um eine axiale Abdichtung zu leisten;
9A eine Querschnitts-Seitenprojektionsansicht ist, die eine U-becherförmige Dichtung, die gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung aus einer Polymer-Laminatkonstruktion hergestellt wurde und die in einer radialen Stopfbüchse für eine Dichtung installiert wurde, um radiale eine Abdichtung zu leisten;
9B eine Querschnitts-Seitenprojektionsansicht ist, die eine erfindungsgemäße U-becherförmige Dichtung mit einer Lippendichtungsanordnung zeigt und die aus einer Polymer-Laminatkonstruktion hergestellt wurde;
10 eine Querschnitts-Seitenprojektionsansicht einer erfindungsgemäßen Lippendichtung ist, die aus einer Polymer-Laminatkonstruktion geformt wurde und die ein einzelnes, steifes Substrat umfasst, um eine gewünschte Kraft auf ein einzelnes, nachgiebiges Dichtungselement auszuüben;
11 eine Querschnitts-Seitenprojektionsansicht einer erfindungsgemäßen Lippendichtung ist, die aus einer Polymer-Laminatkonstruktion geformt wurde und die zwei Dichtungselemente mit zwei miteinander verbundenen steifen Substraten umfasst;
12 eine Querschnitts-Seitenprojektionsansicht einer erfindungsgemäßen Lippendichtung ist, die aus einer Polymer-Laminatkonstruktion geformt wurde und die zwei Dichtungselemente mit zwei miteinander verbundenen steifen Substraten umfasst, wobei eines der Enden der steifen Substrate so ausgelegt ist, dass es eine gewünschte Kraft auf ein Dichtungselement ausübt;
13 eine Querschnitts-Seitenprojektionsansicht einer erfindungsgemäßen Lippendichtung ist, die aus einer Polymer-Laminatkonstruktion geformt wurde und die zwei Dichtungselemente und ein aus einem vollständig steifen und einem teilweise steifen Anteil zusammengefügtes Substrat umfasst;
14 eine Querschnitts-Seitenprojektionsansicht einer erfindungsgemäßen Lippendichtung ist, die aus einer Polymer-Laminatkonstruktion geformt wurde und die zwei Dichtungselemente und ein aus einem vollständig steifen und einem teilweise steifen Anteil zusammengefügtes Substrat umfasst, wobei eines der Substratenden so ausgelegt ist, dass es eine gewünschte Kraft gegen ein Dichtungselement ausübt;
15 eine Querschnitts-Seitenprojektionsansicht einer erfindungsgemäßen Lippendichtung ist, die aus einer Polymer-Laminatkonstruktion geformt wurde und die zwei Dichtungselemente und zwei getrennte steife Substrate umfasst;
16 eine Querschnitts-Seitenprojektionsansicht einer erfindungsgemäßen Lippendichtung ist, die aus einer Polymer-Laminatkonstruktion geformt wurde und die zwei Dichtungselemente und zwei getrennte steife Substrate umfasst, wobei eines der Enden der steifen Substrate so ausgelegt ist, dass es eine gewünschte Kraft auf ein Dichtungselement ausübt;
17 eine Querschnitts-Seitenprojektionsansicht einer erfindungsgemäßen Lippendichtung ist, die aus einer Polymer-Laminatkonstruktion geformt wurde und die zwei miteinander verbundene Dichtungselemente umfasst;
18 eine Querschnitts-Seitenprojektionsansicht einer erfindungsgemäßen Lippendichtung ist, die aus einer Polymer-Laminatkonstruktion geformt wurde und die zwei Dichtungselemente mit miteinander verbundenen steifen Substraten umfasst, wobei die Dichtungselemente ähnlich ausgerichtet sind; und
19 eine Querschnitts-Seitenprojektionsansicht einer erfindungsgemäßen Lippendichtung ist, die aus einer Polymer-Laminatkonstruktion geformt wurde und die ein Dichtungselement umfasst, das auf einer Oberfläche ein Gewinde trägt.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Dichtungsvorrichtungen dieser Erfindung können als Dichtungsringe oder als lineare Dichtungen mit einem relativ steifen, z.B. metallischen, Substrat und einem nachgiebigen, d.h. nichtmetallischen, Element ausgeführt sein und sind aus einem Substrat hergestellt, auf das vor der Formung ein polymeres Material laminiert wurde. Die Verwendung solcher Laminat-Substrat-Konstruktionen ermöglicht die Herstellung von Dichtungen in einem einzelnen Formgebungsschritt, die sowohl ein relativ steifes Element als auch ein relativ flexibles nichtmetallisches Element umfassen, ohne die separaten Schritte der Herstellung sowohl der relativ steifen Substratelemente als auch des flexiblen Dichtungselements und ohne den anschließenden Schritt des Zusammenfügens der beiden Materialien durchführen zu müssen, wodurch die zur Herstellung benötigte Zeit und die damit verbundenen Arbeitskosten verringert werden.
Dichtungsvorrichtungen, die gemäß Prinzipien dieser Erfindung konstruiert wurden, können in einer Vielzahl unterschiedlicher Formen, z. B. als ringförmige Dichtungen, lineare Dichtungen oder Ähnliches ausgeführt werden. Z. B. können Dichtungsvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung, die als Ringdichtung in ausgelegt sind, als Lippendichtungen, verstärkte Dichtungen und andere wohlbekannte Typen von Dichtungen ausgeführt werden, die sowohl ein relativ unflexibles metallisches Element (das dazu verwendet wird, um eine statische Berührungsoberfläche zu einer Stopfbüchse für eine Dichtung bereitzustellen) als auch ein relativ flexibles polymeres Element (das dazu verwendet wird, eine Berührungsoberfläche zu einer dynamischen Dichtungsfläche bereitzustellen) umfasst. Dementsprechend gilt, dass obwohl spezielle Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Dichtungen beschrieben und dargestellt werden, erfindungsgemäße Dichtungen und Verfahren zu deren Herstellung auch anders ausgelegt sein können als hier explizit beschrieben und/oder dargestellt wird.
1 zeigt eine herkömmliche, aus dem Stand der Technik bekannte Lippendichtungen 10, die vier unabhängige Dichtungselemente umfasst, die alle unabhängig voneinander durch Bearbeitungs- oder Formgebungsverfahren geformt und anschließend zusammengebaut werden. Im Detail umfasst die Lippendichtungen 10 ein ringförmiges Gehäuse 12, das aus einem strukturell steifen Material, wie z. B. Metall, geformt werden kann und dass eine äußere Oberfläche umfasst, die dazu ausgelegt ist, gegen eine statische Dichtungsfläche innerhalb einer Stopfbüchse plaziert zu werden. In diesem Beispiel umfasst das äußere Gehäuse 12 eine sich axial erstreckende Oberfläche 14, eine sich radial erstreckende Oberfläche 16 und eine nach innen hinausragende Lippe 18, welche die Außenkante der sich axial erstreckenden Oberfläche 14 definiert. Allgemein gesprochen sind die verbleibenden drei Lippendichtungselemente innerhalb des äußeren Gehäuses zwischen der sich radial erstreckenden Oberfläche 16 und der hinausragenden Lippe 18 angeordnet.
In 1 von rechts nach links gehend, weg von der sich radial erstreckenden Oberfläche 16, umfasst die Lippendichtung einen Dichtungsring 20, der aus einem metallischen, polymeren und/oder elastomeren Material, z. B. einem Nitrilelastomer, gebildet sein kann. Der Dichtungsring 20 ist zwischen dem äußeren Gehäuse 12, entlang einer seiner axialen Oberflächen, und dem Dichtungselement 22, entlang der anderen seiner axialen Oberflächen, angeordnet. Das Dichtungselement 22 weist eine ringförmige Anordnung auf und erstreckt sich in radiale Richtung nach innen, weg von der sich axial erstreckenden Oberfläche 14 des äußeren Gehäuses. In dieser beispielhaften Ausführungsform einer Lippendichtung ist das Dichtungselement 22 so ausgeführt, dass es eine 90 Grad Biegung nach außen, weg von der sich radial erstreckenden Oberfläche 16 des äußeren Gehäuses aufweist, die den Lippen-Teil 24 der Dichtung bildet. Das Dichtungselement wird vorzugsweise aus einem nachgiebigen Material, z. B. einem polymeren Material, geformt, dass eine leckfreie Abdichtung gegen eine dynamische Schaftoberfläche bereitstellt.
Abschließend ist ein inneres Gehäuse 26 innerhalb des äußeren Gehäuses positioniert und zwischen dem Dichtungselement 24 und der hinausragenden Lippe 18 des Gehäuses angeordnet. Das innere Gehäuse umfasst eine sich axial erstreckende Oberfläche 28, die an einem Teil der sich axial erstreckenden Oberfläche 14 des äußeren Gehäuses positioniert ist, und eine sich radial nach innen erstreckende Oberfläche 30, die an einer axialen Oberfläche des Dichtungselement 24 positioniert ist. Das innere Gehäuse, das äußere Gehäuse und der Dichtungsring sind zusammen so angeordnet, dass sie das Dichtungselement innerhalb der Lippendichtung halten. Des Weiteren sind das innere und das äußere Gehäuse so ausgelegt, dass sie eine gewünschte Kompressionsbelastung auf das Dichtungselement ausüben und aufrechterhalten, um eine abdichtende Wechselwirkung mit einer dynamischen Schaftoberfläche zu erreichen, wenn die Lippendichtung zum Betrieb in einer Stopfbüchse angebracht wird.
Wie oben bereits kurz erwähnt umfassen solche aus dem Stand der Technik bekannten Lippendichtungen eine Vielzahl individueller Elemente, die einzeln hergestellt und anschließend zusammengefügt werden müssen. Damit die Lippendichtung seine Funktion erfolgreich ausführen kann, müssen des Weiteren alle der separaten Elemente sowohl innerhalb einer definierten Fertigungstoleranz gefertigt als auch richtig zusammengesetzt oder verbunden werden. Unzureichende Dimensionierung oder Auslegung der Elemente und/oder unzureichender Zusammenbau der Elemente kann zu einer Lippendichtung führen, die entweder nicht fähig ist, eine leckfreie Abdichtung bereitzustellen, oder die fähig sein kann, eine Abdichtung für eine verkürzte Lebensdauer bereitzustellen.
2 zeigt einen anderen Typ einer aus dem Stand der Technik bekannten Lippendichtungen 32, die sich von der oben beschriebenen und in 1 gezeigten Dichtung dadurch unterscheidet, dass sie nur aus zwei Elementen aufgebaut ist. Dieses Beispiel eines Dichtungselements ist in dem US-Patent Nr. 5,198,053 beschrieben, dessen Inhalt durch Bezugnahme aufgenommen wird. In diesem Beispiel umfasst die Lippendichtung ein ringförmiges Gehäuse 34, das aus einem strukturell steifen Material, z. B. Metall, geformt ist, und eine sich radial erstreckende Oberfläche 36 und eine sich axial erstreckende Oberfläche 38 aufweist. Wie die oben beschriebene Lippendichtung hat das Gehäuse 34 eine äußere Oberfläche, die so ausgelegt ist, dass sie gegen eine statische Oberfläche einer Stopfbüchse platziert werden kann.
Ein Dichtungselement 40 ist aus einem nachgiebigen Material, z. B. einem polymeren und/oder elastomeren Material, geformt und ist entlang der sich axial erstreckenden Oberfläche 38 des Gehäuses angeordnet. Das Dichtungselement 40 umfasst eine Lippe 42, die sich in axialer Richtung eine Distanz über das Gehäuse hinaus erstreckt und die so ausgelegt ist, dass sie einen abdichtenden Kontakt gegenüber einer dynamischen Schaftoberfläche bereitstellt. Ein geeigneter Kleber 44 wird zwischen dem Dichtungselement 40 und dem Gehäuse angebracht und wird dazu verwendet, das Dichtungselement an das Gehäuse anzubringen.
Dieses Beispiel einer aus dem Stand der Technik bekannten Lippendichtungen 32 wird durch das Verfahren hergestellt, dass zuerst das metallische Gehäuses geformt wird, um eine Gehäuseanordnung bereitzustellen, die innerhalb einer bekannten Stopfbüchse für eine Dichtung montiert werden kann, und um eine gewünschte Belastungskraft auf das Dichtungselement auszuüben, um einen Kontakt mit einer dynamischen Schaftoberfläche zu erreichen, wenn die Lippendichtung in der Stopfbüchse installiert ist. Das Dichtungselement wird separat von dem metallischen Gehäuse durch ein herkömmliches Formgebungsverfahren hergestellt. Nach dem Formen des Gehäuses und des Dichtungselements wird das Dichtungselement durch ein Haftmittel an das vorgeformte Gehäuse angebracht. Während diese, aus dem Stand der Technik bekannte Lippendichtung nicht die gleiche hohe Anzahl an Elementen aufweist, die notwendig sind, um die Vorrichtung zu vervollständigen, wie bei der in 1 gezeigten Lippendichtung, ist zur Herstellung dieser Lippendichtung immer noch ein Multi-Schritt-Verfahren notwendig, in dem das Gehäuse und das Dichtungselement einzeln durch Bearbeitungs- und/oder Formgebungsverfahren hergestellt werden, mit anschließendem Zusammenbau der einzelnen Dichtungsglieder.
Zum Zwecke der Reduzierung sowohl der Anzahl der Herstellung- als auch Montageschritte zur Herstellung von Dichtungsringen, werden die erfindungsgemäßen Dichtungsringen aus einer Polymer/Metall-Laminatkonstruktion geformt. 3A zeigt eine beispielhafte Laminatkonstruktion 46, die zur Verwendung zur Herstellung von Dichtungsringen gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung geeignet ist, umfassend eine Polymerschicht von gewünschter Dicke, die auf einem relativ steifen Substrat 50 angeordnet ist. Die Polymerschicht 48 kann in Abhängigkeit der jeweiligen Dichtungsanwendung aus einer Vielzahl unterschiedlicher, erhältlicher Polymere gefertigt sein, da in der vervollständigten Ausführungsform des Dichtungsringes die Polymerschicht als Dichtungselement dient.
Beispielhafte Arten von polymeren Materialien, die zur Herstellung der Laminatkonstruktion geeignet sind, schließen alle Arten von organischen Polymeren ein, die an die Oberfläche des relativ steifen Substrats gebunden werden können. Beispiele organischer Polymere schließen, ohne darauf eingeschränkt zu sein, Polypropylen, Polyethylen, Nirtril-Elastomere, Fluoropolymere, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), Fluorethylenpropylen (FEP), Perfluoralkoxyfluorkohlenstoffharze (PFA), Polychlorotrifluorethylen (PCTFE), Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymer (ECTFE), Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer (ETFE), Polyvinylidenflourid (PVDF), Polyvinylfluorid (PVF) Acetal, Polycarbonat, Polyimide, Polyether-Etherketon (PEEK), Polysulfone, (z.B. Polyethersulfone), Polyamid (Nylon), Polyphenylensulfid, Polyurethan, Polyester, Polyphenylenoxid, und deren Mischungen (z.B. Copolymere) und Legierungen ein. Andere geeignete Materialien zur Bildung der Polymerschicht sind in den US-Patenten mit den Nummern US 5,573,846 , US 4,632,947 und US 5,971,617 beschrieben, deren Inhalt jeweils durch Bezugnahme aufgenommen wird. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Polymerschicht 48 aus PTFE gebildet.
Zusätzlich zu dem polymeren Material kann die Polymerschicht einen oder mehrere Füllstoffe und/oder Pigmente umfassen, um bestimmte, gewünschte Dichtungseigenschaften, wie beispielsweise mechanische Festigkeit, Schmierfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und/oder elektrische Leitfähigkeit, Verschleißbeständigkeit oder Erscheinung, d. h. Farbe, bereitzustellen. Beispielsweise kann das polymere Material bestimmte Schmiermittel, wie beispielsweise Graphit, umfassen, wenn das Dichtungsmittel eine friktionsarme, verschleißbeständige Oberfläche aufweisen soll. Beispiele für Füllstoffe schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Graphit, Kohlenstoff, Aluminiumoxid, keramische Materialien, Glas, Bronze, Molybdändisulfid, Siliziumcarbid, aromatische Polyester, Fluorpolymere und deren Gemische ein. Die Anteile an Füllstoffen und/oder Pigmenten, die zur Bildung der Schicht aus polymeren Material verwendet werden, können in Abhängigkeit der Art des ausgesuchten polymeren Materials und der speziellen Art der Anwendung der Dichtung variiert werden. Die Schicht aus polymerem Material 48 wird an das Substrat 50 gebunden, wobei ein geeignetes Bindungsmittel 52, dass zwischen den beiden angeordnet ist, verwendet wird. Das Bindungsmittel ist auf einfache Weise sowohl mit der Oberfläche des Substrats und der Polymerschicht kompatibel, um die Haftung zwischen den beiden zu verbessern. Geeignete Bindemittel schließen Fluorpolymere, wie z. B. PFA, MFA, ETFE, FEP, PCTFE, PVDF, aushärtende Haftmittel, wie z. B. Epoxy-, Polyimid-Haftmittel und Niedertemperatur-Heißkleber, wie EVA und Polyether/Polyamid-Copolymer (Pebox). Beispiele geeigneter Bindemittel sind sowohl in den US-Patenten Nr. 5,573,846 und Nr. 5,971,617 beschrieben. In einer beispielhaften Ausführungsform, in der das polymere Material PTFE ist, kann ein geeignetes Bindungsmittel jedes aus einer Vielzahl von Hochtemperatur-Thermoplast-Filmmaterialien, wie PFA und ETFE, sein.
Das Substrat 50 kann aus einer Vielzahl verschiedener Materialien hergestellt werden, in Abhängigkeit der speziellen, durch die Dichtungsanwendung geforderten Eigenschaften. Beispielhafte Substratsmaterialien schließen metallische Substrate und Metalle, wie Stahl, Aluminium, Titan, rostfreier Stahl, herkömmlicher gezogener Stahl für Stahlbleche, Messing oder andere Legierungen ein. Das Substrat kann auch aus nichtmetallischen Materialien, wie Plastik, Keramiken oder Glas- und/oder Kohlenstofffasern verwendende Komposite, geformt sein. Die Substratsoberfläche kann unbehandelt belassen oder unter Verwendung verschiedener Techniken wie Galvanisierung, Chromat- oder Phosphatbehandlungen, Eloxierung, mechanischem Sandstrahlen, Ätzen und/oder chemischem Beizen behandelt werden. Beispiele geeigneter Substratmaterialien sind in den beiden US-Patenten mit den Nummern US 5,573,846 und US 5,971,617 beschrieben. Das Substrat kann flach, z. B. in der Form eines Blatts, oder nicht-planar, z. B. mit einer gekrümmten oder röhrenförmigen Anordnung, sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Polymer-Laminatkonstruktion als PTFElaminiertes Metallblatt vor, das unter der Produktbezeichnung Norglide von der Saint Gobain Corporation erhältlich ist. Sollte dies erwünscht sein, kann die Polymer-Laminatkonstruktion eine weitere (optionale) Deckschicht 54 umfassen, die über der exponierten Oberfläche des Substrats angeordnet ist, z. B. zum Zwecke des Schutzes der Substratoberfläche vor Beschädigungen während nachfolgender Handhabung. Die Deckschicht 54 wird unter Verwendung eines Bindungsmittels 52, das aus den oben beschriebenen Arten von Bindungsmittelmaterialien ausgewählt ist, an das Substrat geklebt.
Zusätzlich kann die Polymer-Laminatkonstruktion so ausgelegt sein, dass das laminierte polymere Material eine Oberflächenbehandlung aufweist wie sie in dem US-Patent Nr. 5,971,617 beschrieben ist. 3B zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer solchen Laminatkonstruktion 55, wobei die Schicht aus polymerem Material 48 so konstruiert ist, dass sie eine definierte Oberflächenkonfiguration aus erhobenen Strukturen 57, die sich aus der Oberfläche nach oben erstrecken, aufweist. In dieser besonderen Ausführungsform haben die erhobenen Strukturen eine hexagonale Form. Es sollte jedoch klar sein, dass die spezielle Konfiguration der Oberfläche der Schicht aus polymerem Material in Abhängigkeit der speziellen Konstruktion der Dichtungsvorrichtung und der speziellen Dichtungsanwendung variieren kann und wird.
Die Laminatkonstruktion wird durch Aufbringen des Bindemittels und der Polymerschicht durch geeignete Spray-, Tauch- oder andere Beschichtungsverfahren auf das Substrat hergestellt. Verfahren zur Herstellung der Laminatkonstruktion sind in den beiden US-Patenten Nr. US 5,573,846 und US 5,971,617 beschrieben. Die Laminatkonstruktion weist eine Dicke der Polymerschicht auf, die in Abhängigkeit der Dichtungsanwendung und Auswahl des Polymermaterials variieren kann.
In einer beispielhaften Ausführungsform für Standard-Dichtungsanwendungen kann die Dicke der Polymerschicht im Bereich von 0,1 mm bis 2 mm liegen. Zusätzlich kann das Substrat eine Schichtdicke aufweisen, die in Abhängigkeit des speziellen, ausgewählten Materials und der Dichtungsanwendung variieren kann. Da die Substratschicht sowohl als äußeres Gehäuse der Dichtung, das zur Anbringung der Dichtung innerhalb einer Stopfbüchse, als auch als Mittel zur Ausübung zur Ausübung einer gewünschten Kompression- oder Belastungskraft auf das Dichtungselement dient, müssen beispielsweise beide diese Funktionen bei der Festlegung der Dicke des Substrats berücksichtigt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform, in der das Substrat in der Form eines Metallblatts vorliegt, kann die Dicke des Substrats in dem Bereich von 0,05 mm bis 2 mm liegen.
4 zeigt einen Dichtungsring, der gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung in der Form einer Lippendichtung 56 konstruiert wurde. Die Lippendichtung 56 umfasst einen Dichtungskörper, der aus der oben beschriebenen und der in 3 dargestellten Polymer-Laminatkonstruktion konstruiert wurde. Der Lippendichtungskörper umfasst ein metallisches Substrat 58 und eine friktionsarme Schicht aus der Dichtungs-Polymerverbindung 60, die zumindest in einem Teilbereich des Substrats haftend mit diesem verbunden ist. Die Dichtungs-Polymerverbindung 60 steht in rückstellfähigen Kontakt mit einer Dichtungsfläche, um eine leckfreie Abdichtung gegenüber dieser zu bewerkstelligen. Die Dichtungsfläche kann in Bezug auf die Dichtungs-Polymerverbindung 60 statisch oder dynamisch sein.
Das metallische Substrat 58 liegt in der Form eines steifen Gehäuses vor, das so ausgelegt ist, dass es sowohl die Anbringung in einer Stopfbüchse erleichtert als auch eine gewünschte Kompression- oder Belastungskraft auf die Dichtungs-Polymerverbindung 60 ausübt, wenn diese gegen eine Dichtungsfläche, wie z. B. eine dynamische Schaftoberfläche, installiert wird. In dieser besonderen Ausführungsform umfasst das Gehäuse 58 eine sich axial erstreckende Oberfläche 62, die über einen in etwa 90 Grad gerundeten Teil in eine sich radial erstreckende Oberfläche 64 übergeht. Es sollte klar sein, dass dies nur ein Beispiel einer Anordnung für eine Lippendichtung ist und das andere Lippendichtungsanordnungen ebenfalls als von dieser Erfindung umfasst angesehen werden sollen.
Die Dichtungs-Polymerverbindung 60 liegt in der Form eines Dichtungselements vor, das so ausgelegt ist, dass es eine leckdichte Abdichtung bewerkstelligt, wenn es in Wechselwirkung mit einer dynamischen Schaftoberfläche gebracht wird. Das Dichtungselement ist entlang der sich axial und radial erstreckenden Oberflächen 62 und 64 anhaftend an das Gehäuse angebracht und umfasst einen nach innen hinausragenden Bereich 66, der sich über den inneren Durchmesser 68 des Gehäuses erstreckt und der an der Dichtungslippe 70 endet.
Ein Schlüsselmerkmal dieser Lippendichtung 56 ist, dass es aus einer Laminatkonstruktion hergestellt wurde, die bereits vor der Formung der Dichtung in der Form einer zweiteiligen Konstruktion vorliegt. Somit ermöglicht die Verwendung solch einer Laminatkonstruktion die Formung der Lippendichtung ohne ein separates Dichtungsglied formen und ohne anschließend die separaten Dichtungsglieder zusammenbauen zu müssen. Die erfindungsgemäße Lippendichtung wird einfach hergestellt durch Hernehmen der Laminatkonstruktion, welche die bereits vorab mit dem Substrat zusammengefügte Polymerschicht umfasst, und Formen und Schneiden der vorgefertigten Laminatkonstruktion in die gewünschte Dichtungsanordnung. Die Möglichkeit, Dichtungen aus solchen Laminatkonstruktionen auf diese Weise herzustellen, erhöht im Vergleich mit nach herkömmlichen Verfahren hergestellten herkömmlichen Dichtungen die Herstellungseffizienz sowohl in der Form erhöhter Produktionsraten als auch reduzierter Arbeitskosten.
Lippendichtungen, die aus solchen Laminatkonstruktionen hergestellt werden, können durch Verfahrenabläufe hergestellt werden, die optional Formpressen, Gesenkformen, Kompressionsprägen, Flüssig- oder Fest-Hydroformen, chemisches Ätzen oder Schneiden mit kohärentem Laserlicht oder Schneiden mit einem Flüssigkeitsstrahl einschließen. Diese Verfahren können, müssen aber nicht, zur Herstellung des Endprodukts aus dem verbundenen, flachen Ausgangsmaterial oder vorgefertigten Rohlingen verwendet werden.
Obwohl die in 4 gezeigte Lippendichtung in der Form eines Dichtungsrings beschrieben wurde, können auch lineare Dichtungen mit der gleichen allgemeinen Querschnittsanordnung konstruiert werden. Der Begriff „lineare Dichtungen" soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung so verstanden werden, dass damit eine Dichtungsvorrichtung bezeichnet wird, die zwischen zwei benachbarten Dichtungselementen verwendet wird, die nicht konzentrisch zueinander angeordnet sind. Ein Beispiel für eine Anwendung einer linearen Dichtung ist die Verwendung in einer Tür im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik, wo die Dichtung dazu verwendet wird, eine leckdichte Abdichtung zwischen der Tür und dem Rumpf des Flugzeugs bereitzustellen.
Die 5A bis 5C zeigen unterschiedliche Ausführungsformen von Lippendichtungen, die gemäß den Prinzipien dieser Erfindung unter Verwendung von Polymer-Laminatkonstruktionen hergestellt wurden. 5A zeigt eine Lippendichtung 72, die innerhalb einer Stopfbüchse oder Nut 73 installiert wurde und die einen Dichtungskörper mit einem metallischen Substrat in der Form eines nach innen ausgerichteten, steifen Gehäuseelements 74 und eine auswärts positionierte, friktionsarme Polymerschicht in der Form eines Dichtungselements 76, dass zwischen dem Gehäuseelement und der Stopfbüchse 73 angeordnet ist, um eine Dichtungsgrenzfläche in einer ungehärteten Bohrung (engl.: „softbore") bereitzustellen, umfasst. In dieser Ausführungsform einer Lippendichtung ist das Gehäuseelement 74 so entworfen, dass es eine innere Verstärkung des Dichtungselements 76 bereitstellt, um das Dichtungselements sowohl gegen eine Oberfläche der Stopfbüchse 73 und eine dynamische Dichtungsfläche 78 zu drücken. Wie in der oben beschriebenen und in 4 gezeigten Ausführungsform einer Lippendichtung umfasst das Dichtungselement dieser Lippendichtung 72 eine Dichtungslippe 80, die nach außen, weg von dem steifen Gehäuseelement 74, hinausragt, um eine nachgiebige, leckdichte Abdichtung gegenüber der dynamischen Dichtungsfläche 78 bereitzustellen.
5B zeigt eine Lippendichtung 82, die innerhalb einer Stopfbüchse oder Nut 84 installiert ist und die einen Dichtungskörper mit einem Dichtungskörper mit einem metallischen Substrat in der Form eines außen angeordneten, steifen Gehäuseelements 86 und einer inneren positionierten, friktionsarmen Schicht aus einer Dichtungs-Polymerverbindung in der Form eines Dichtungselements 88 umfasst. In dieser speziellen Ausführungsform einer Lippendichtung ist das Gehäuseelement 86 zwischen der Stopfbüchse 84 und der Dichtungsfläche 88 angeordnet, um eine Dichtungs-Grenzfläche in einer Metallbohrung bereitzustellen. In dieser Ausführungsform einer Lippendichtung ist das Gehäuseelement 86 so ausgelegt, dass es eine äußere Verstärkung des Dichtungselements 88 bewerkstelligt, um das Dichtungselement gegen eine dynamische Dichtungsfläche 90 zu drücken. Wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen von Lippendichtungen umfasst das Dichtungselement dieser Lippendichtung 82 eine Dichtungslippe 92, die nach außen, weg von dem steifen Gehäuseelement 86, hinausragt, um eine nachgiebige, leckdichte Abdichtung gegen die dynamische Dichtungsfläche 90 zu bewerkstelligen.
5C zeigt eine Lippendichtung 94, die innerhalb einer Stopfbüchse oder Nut 96 installiert ist und die, wie die Lippendichtung der 5B, einen Dichtungskörper mit einem metallischen Substrat in der Form eines nach außen ausgerichteten steifen Gehäuseelements 96 und einer inneren angeordneten, friktionsarmen Schicht aus einer Dichtungs-Polymerverbindung in der Form eines Dichtungselements 98. Die Lippendichtung gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist ähnlich der oben beschriebenen und in 5B gezeigten Ausführungsform, außer der Gestaltung des Dichtungselements 98. Im Speziellen ist das Dichtungselement so ausgelegt, dass es einen Bereich aufweist, der nach außen, weg von dem Gehäuseelement 96, hinausragt und der bestimmte gewünschte Oberflächenmerkmale aufweist, die zum Zweck der Verbesserung der Abdichtung gegen eine dynamische Dichtungsfläche 108 bereitgestellt werden.
Z. B. kann das Dichtungselement 98 der Lippendichtung eine äußere Oberfläche 100 umfassen, die eine Prägung aufweist oder auf anderem Wege behandelt wurde, um eine oder mehrere Rippen oder Rillen 102 zu umfassen, die mit sich wiederholenden Abstandsintervallen entlang der Oberfläche des Dichtungselements radial angeordnet sind. In dieser beispielhaften Ausführungsform weist die äußere Oberfläche 100 eine Vielzahl auf ihr angeordneter Windungen auf, die so ausgelegt sind, dass sie jegliche aus der Dichtung austretende Flüssigkeit nach oben, zurück entlang der Schaftoberfläche führt und somit als ein hydrodynamisches Lippengewinde wirkt. Die gewünschten Oberflächenmerkmale können durch kaltgeformtes hydrodynamisches Prägen oder durch andere aus dem Stand der Technik bekannte Oberflächenbehandlungsverfahren erzeugt werden.
Jede der oben beschriebenen und in den 5A bis 5C gezeigten Lippendichtungen ist auf die gleiche Art und Weise hergestellt worden, wie oben im Zusammenhang mit der in 4 gezeigten Lippendichtung beschrieben, d. h. aus einem Ausgangsmaterial aus einem Polymer/Metall-Laminatblatt.
Des Weiteren kann die Lippendichtung so ausgelegt sein, dass sie ein Dichtungselement 98 mit einem Belastungsmittel 106 aufweist, das angrenzend zu der Dichtungslippe 106 angeordnet ist, um die Dichtungslippe 106 weiter in einen abdichtenden Kontakt mit der dynamischen Dichtungsfläche 108 zu zwingen. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Lippendichtung so ausgelegt, dass sie eine Dichtungslippe 102 mit einem Steg 110 aufweist, der nach außen in einer Richtung senkrecht zu der Lippe hinausragt und der so ausgelegt ist, dass es ein Belastungsmittel gegen diese hält. In solch einer beispielhaften Ausführungsform liegt das Belastungsmittel 104 in der Form einer Belastungsfeder, z. B. einer metallischen, in sich geschlossenen ringförmigen Belastungsfeder, die sich radial um eine innere Oberfläche des Dichtungselements erstreckt und die durch Zusammenwirken mit dem Steg 110 innerhalb dieser gehalten wird. Wie oben bereits erwähnt, hilft die Belastungsfeder dabei, den Lippendichtungsbereich des Dichtungselements gegen die dynamische Dichtungsfläche zu zwingen, um eine leckdichte Abdichtung mit dieser sicherzustellen.
6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtung, wobei der metallische Substratsbereich 110 des Laminatblatt-Ausgangsmaterials in die Form einer Federscheibe gebracht wurde. Obwohl dieses spezielle Beispiel so ausgelegt wurde, dass es eine kontinuierliche Struktur, d. h. eine Struktur in der die einzelnen Substratglieder, die die Feder bilden, miteinander verbunden sind, bildet, sollte es klar sein, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Substrat in einer Vielzahl unterschiedlicher Arten (umfassend unabhängige oder kontinuierliche/integrale Substratglieder, in Abhängigkeit von der jeweiligen Konfiguration der Dichtungsvorrichtung und/oder Dichtungsanwendung) ausgelegt sein kann.
Erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtungen, die ein aus dem metallischen Substrat geformtes Belastungsmittel umfassend, können über eine Anzahl unterschiedlicher Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann das metallischen Substrat durch Laserschnitt oder andere Schneidarten oder Musterungsverfahren zu den gewünschten Belastungsmittel geformt werden. Das so genannte Belastungsmittel wird dann mit dem polymeren Material laminiert und die Laminatkonstruktion wird dann in die gewünschte Konfiguration der Dichtungsvorrichtungen geformt. Alternativ kann das metallische Substrat durch Ätzen oder äquivalente Verfahren nach dem Formen der Polymer-Laminatkonstruktion in die gewünschte Konfiguration des Belastungsmittels geformt werden. Die so geformte Polymer-Laminatkonstruktion wird dann zu der gewünschten Konfiguration der Dichtungsvorrichtungen geformt.
7 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer L-förmigen Dichtungsvorrichtungen, in der Form einer Ringdichtung, wobei die Dichtung sowohl in einer zum äußeren Durchmesser der Dichtung und einer zum inneren Durchmesser der Dichtung gerichteten Konfiguration verwendet wird. Solch eine L-förmige Ausführungsform einer Ringdichtung kann verwendet werden, um eine Dichtung zwischen entweder einer inneren diametrischen Dichtungsfläche (d. h. einer zylindrischen Bohrungen) oder einer äußeren diametrischen Dichtungsfläche (zylindrischen Schaft) und einer konzentrischen, senkrecht zur Achse der Zylinderoberfläche verlaufenden Oberfläche bereitzustellen.
Die L-förmigen Dichtungsringe sind jeweils zu einer L-förmigen Konfiguration geformt und sind jeweils in einer entsprechenden Stopfbüchse 116 angeordnet. Die Dichtungsringe 114 sind beide aus der oben beschriebenen Polymer/Metall-Laminatkonstruktion geformt, d. h. dem blattförmigen Ausgangsmaterial in einer bevorzugten Ausführungsform, und umfassen eine Dichtungskörper mit einem steifen, metallischen Gehäuse 118 und einem daran laminierten Dichtungselement 120. Wie zuvor beschriebenen ist das steife metallische Gehäuse 118 so ausgelegt, dass es dem Dichtungsring die nötige Form verleiht und das Dichtungselement gegen die gegenüberliegend angeordnete dynamische Oberfläche (nicht gezeigt) führt. Solche L-förmigen Dichtungsringe werden auf die gleiche Weise hergestellt wie oben im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Lippendichtungen beschriebenen, d. h. durch geeignete Formgebungstechniken. Es sollte klar sein, dass obwohl die erfindungsgemäßen L-förmigen Dichtungen in der Form von Dichtungsringen beschrieben wurden, erfindungsgemäße L-förmige Dichtungen auch linear sein können, um eine Dichtung zwischen zwei nicht-zylindrischen Oberflächen bereitzustellen.
Die 8A und 8B zeigen Ausführungsformen axialer U-becherförmiger Dichtungen, die gemäß Prinzipien dieser Erfindung hergestellt wurden, und üblicherweise zur Abdichtung zwischen zwei parallelen, flachen Oberflächen verwendet werden. Insbesondere zeigt 8A einen U-becherförmigen Dichtungsring 122, der in einer nach innen weisenden, axialen Stopfbüchse 124 angeordnet ist. Der U-becherförmige Dichtungsring ist aus der oben beschriebenen Polymer/Metall-Laminatkonstruktion, d. h. dem blattförmigen Ausgangsmaterial einer bevorzugten Ausführungsform, in die Form eines „U"s gebracht worden und umfasst einen Dichtungskörper mit einem nach innen angeordneten, steifen metallischen Gehäuse 126 und einem polymeren Dichtungselement 128, das an das Gehäuse laminiert wurde und zwischen der Stopfbüchse 124 und dem Gehäuse angeordnet ist. Der Dichtungsring 122 ist innerhalb der Stopfbüchse angeordnet, wobei eine erste, in axiale Richtung weisende Oberfläche 130 gegen eine angrenzende Oberfläche der Stopfbüchse angeordnet ist und eine zweite in axiale Richtung weisende Oberfläche 132 gegen eine dynamische Dichtungsfläche 134 angeordnet ist. Das metallische Gehäuse 126 ist so ausgelegt, dass er dem Dichtungsring die nötige Form verleiht und dass er die in axiale Richtung weisenden Oberflächen des Dichtungselements 128 jeweils gegen die Oberfläche der Stopfbüchse und der dynamischen Dichtungsfläche führt.
8B zeigt einen U-becherförmigen Dichtungsring, der in einer nach außen gerichteten, axialen Stopfbüchse 138 angeordnet ist. Wie die in 8a gezeigte Ausführungsform einer Ringdichtung ist dieser U-becherförmige Dichtungsring aus der oben beschriebenen Polymer/Metall-Laminatkonstruktion, d. h. dem blattförmigen Ausgangsmaterial einer bevorzugten Ausführungsform, in die Form eines „U"s gebracht und umfasst einen Dichtungskörper mit einem innen angeordneten, steifen metallischen Gehäuse 140 und einem an das Gehäuse laminierten, polymeren Dichtungselement 142, dass zwischen der Stopfbüchse 138 und dem Gehäuse angeordnet ist. Der Dichtungsring 136 ist innerhalb der Stopfbüchse so positioniert, dass eine erste, in axiale Richtung weisende Oberfläche 144 gegen eine angrenzende Oberfläche der Stopfbüchse angeordnet ist und eine zweite, in axiale Richtung weisende Oberfläche 146 gegen eine dynamische Dichtungsfläche 148 angeordnet ist. Das metallische Gehäuse 140 ist so ausgelegt, dass es dem Dichtungsring die nötige Form verleiht und die in axiale Richtung weisenden Oberflächen des Dichtungselements 142 jeweils gegen die Oberfläche der Stopfbüchse und der dynamischen Dichtungsfläche führt.
In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Dichtungsringe aus den 8A und 8B innerhalb einer Stopfbüchse, die innerhalb eines axialen Endes eines zylindrischen Gliedes angeordnet ist, um eine gewünschte Dichtung zwischen einer angrenzend positionierten Oberfläche am axialen Ende eines Kolbenglieds bereitzustellen. Alternativ können die Dichtungsringe innerhalb einer Stopfbüchse am axialen Ende eines Kolbenglieds angeordnet werden, um eine gewünschte Dichtung gegenüber einer angrenzend positionierten Oberfläche am axialen Ende eines zylindrischen Glieds bereitzustellen.
9A zeigt einen erfindungsgemäßen radialen, U-becherförmigen Dichtungsring 150, der in einer radial gespaltenen Stopfbüchse 152, die durch die Oberflächenglieder 154 und 156 gebildet wird, angeordnet ist. Erfindungsgemäße radiale, U-becherförmige Dichtungsringe werden typischerweise dazu verwendet, um einen Hohlraum zwischen zwei unterschiedlichen, konzentrisch angeordneten Oberflächen abzudichten. Der U-becherförmige Dichtungsring ist aus der oben beschriebenen Polymer/Metall-Laminatkonstruktion, d. h. dem bahnförmigen Ausgangsmaterial in einer bevorzugten Ausführungsform, ist in die Form eines „U"s gebracht worden und umfasst einen Dichtungskörper mit einem innen angeordneten steifen metallischen Gehäuse 158 und einem polymeren Dichtungselement 160, dass an das Gehäuse laminiert ist und zwischen der Stopfbüchse 152 und dem Gehäuse angeordnet ist. Der Dichtungsring 150 ist innerhalb der Stopfbüchse so positioniert, dass eine erste, in radiale Richtung weisende Oberfläche 162 gegen eine angrenzende Oberfläche der Stopfbüchse angeordnet ist und eine zweite, in radiale Richtung weisende Oberfläche 164 gegen eine dynamische Dichtungsfläche 166 angeordnet ist. Das metallische Gehäuse 158 ist so ausgelegt, dass es dem Dichtungsring die notwendige Form verleiht und die in radiale Richtung weisende Oberflächen des Dichtungselement 160 jeweils gegen die entsprechende Oberfläche der Stopfbüchse und die dynamische Dichtungsfläche führt.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Dichtungsring aus 9A innerhalb einer Stopfbüchse angeordnet, die entlang eines inneren Durchmessers eines zylindrischen Gliedes positioniert ist, um eine gewünschte Dichtung gegen eine dazu konzentrisch angeordnete Oberfläche eines Kolbenglieds bereitzustellen. Alternativ kann der Dichtungsring innerhalb einer Stopfbüchse, die entlang eines äußeren Durchmessers eines Kolbenglieds positioniert ist, angeordnet sein, um eine gewünschte Dichtung gegen eine dazu konzentrisch angeordnete Oberfläche eines zylindrischen Gliedes bereitzustellen.
9B zeigt eine erfindungsgemäße U-becherförmige Ringdichtung 167, die in etwa ähnlich den oben beschriebenen und in den 8A, 8B und 9A gezeigten Ringdichtungen ist, außer der Tatsache, dass sie ein oder mehrere in axiale Richtung weisende Enden umfasst, die radial auswärts angeordnet sind, um eine Dichtungslippe 169 zu bilden. Die Dichtungslippe kann in Abhängigkeit der jeweiligen Dichtungsanwendung am inneren und/oder äußeren Durchmesser des Dichtungsring des positioniert sein.
Jede der oben beschriebenen und in den 8A , 8B und 9 gezeigten Ausführungsformen der U-becherförmigen Dichtungsringe werden auf die gleiche Art und Weise hergestellt wie oben für die erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Lippendichtungen beschrieben, d. h. durch geeignete Formgebungstechniken. In einer beispielhaften Ausführungsform sind solche U-becherförmigen Dichtungen aus der Laminatkonstruktion, z. B. einem blattförmigen Ausgangsmaterial, unter Verwendung von Stanzverfahren, Fest/Flüssig-Hydroformen oder anderen Formgebungsverfahren hergestellt. Optional kann dieses Verfahren mit thermischer Unterstützungen, chemischen Ätzen, Schneiden mit kohärentem Laserlicht oder Fluidstrahlschneiden durchgeführt werden.
Wie für die anderen beschriebenen und gezeigten erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtungen können die U-becherförmigen Dichtungen auch mit einer linearen Konfiguration hergestellt werden, um eine Dichtung zwischen anderen als kreisrunden Dichtungsflächen bereitzustellen.
10 zeigt einen Dichtungsring in der Form einer Lippendichtung 71, die ähnlich der oben beschriebenen und in 4 gezeigten Dichtung ist. Die Lippendichtung 170 umfasst einen Dichtungskörper, der aus der oben beschriebenen und in 3 gezeigten Polymer-Laminatkonstruktion hergestellt wurde. Der Körper der Lippendichtung umfasst ein metallisches Substrat 172 und eine friktionsarme Schicht aus der Dichtungs-Polymerverbindung 174, die zumindest mit einem Teil des Substrats anhaftend verbunden ist. Die Dichtungs-Polymerverbindung 174 ist in rückstellfähigen Kontakt mit einer Dichtungsfläche, um gegenüber dieser einer leckfreie Abdichtung zu bewerkstelligen. Die Dichtungsfläche kann gegenüber der Dichtungs-Polymerverbindung 174 statisch oder dynamisch sein.
Das metallische Substrat 172 liegt als steifes Gehäuse vor, das so ausgelegt ist, dass es sowohl die Anbringung in einer Stopfbüchse für eine Dichtung erleichtert und eine gewünschte Kompressions- oder Belastungskraft auf die Dichtungs-Polymerverbindung 174 ausübt, wenn die Dichtungen gegen eine Dichtungsfläche, wie eine dynamische Schaftoberfläche, installiert wird. Die Dichtungs-Polymerverbindung 174 liegt als Dichtungselement vor, das so ausgelegt ist, dass es eine leckfreie Abdichtung bewerkstelligt, wenn sie in Wechselwirkung mit einer dynamischen Schaftoberfläche gebracht wird. Das Dichtungselement ist entlang der sich axial und radial erstreckenden Oberflächen 176 und 178 anhaftend an das Gehäuse angebracht und umfasst einen nach innen hinausragenden Bereich, der sich über den inneren Durchmesser 182 des Gehäuses erstreckt und der an der Dichtungslippe 184 endet.
In dieser besonderen Ausführungsform ist das Ende 182 am inneren Durchmesser des Gehäuses 172 so ausgelegt, dass es eine axial ausgerichtete Biegung oder einen „kick" (engl.) aufweist, die oder der bereitgestellt werden, um eine gewünschte, Zwang ausübende Kraft auf das Dichtungselement zu übertragen. Diese Biegung hilft dabei, das Dichtungselement axial nach vorne zu zwingen, was zum Zweck der Verbesserung der Dichtungseigenschaften der Dichtung erwünscht ist. Eine solche Biegung kann während des Formgebungsverfahrens bereitgestellt werden.
11 zeigt einen erfindungsgemäßen Dichtungsring 186, der aus zwei miteinander verbundenen Polymer-Laminatkonstruktionen, wie sie oben beschrieben und in 3 gezeigt sind, aufgebaut ist. In dieser besonderen Ausführungsform eines Dichtungsrings umfasst der Körper der Lippendichtung zwei metallische Substrate 188 und 190, die so ausgelegt sind, dass sie gegeneinander passen, und die beiderseits an den am äußeren Durchmesser gelegenen Enden 192 miteinander verbunden sind. Die metallischen Substrate können mittels herkömmlicher Metallverbindungstechniken, z. B. Punktschweißen oder Klebeverbindungen, miteinander verbunden werden. Der Dichtungsring umfasst zwei als Dichtungselemente vorliegende Dichtungs-Polymerverbindungen, von denen jedes an ein entsprechendes metallisches Substrat 188 und 190 verbunden ist. Die metallischen Substrate sind so ausgelegt, dass sie dem Dichtungsring die gewünschte Form verleihen, um sowohl die Anbringung in einer Stopfbüchse zu erleichtern und eine gewünschte Kompressions- oder Belastungskraft auf die Dichtungs-Polymerverbindung 192 und 194 auszuüben, wenn diese gegen eine Dichtungsfläche, wie eine dynamische Schaftoberfläche, installiert wird.
In dieser besonderen Ausführungsform bildet das Dichtungselement 192 einen äußeren Durchmesser des Dichtungsrings. Die Verwendung einer Polymerverbindung, um den äußeren Durchmesser des Dichtungsrings zu bilden, kann in ausgesuchten Anwendungen erwünscht sein, so wenn eine relativ nachgiebige Berührungsfläche des Dichtungsrings notwendig ist, um eine einwandfreie Anbringung in der Stopfbüchse sicherzustellen. In dieser beispielhaften Ausführungsform ragen die Dichtungselemente in entgegengesetzte Richtungen in axiale Richtung, weg von den jeweiligen Metallsubstraten, hinaus. Jedes Dichtungselement umfasst axial nach außen hinausragende Bereiche 196 und 198, die sich beide über den jeweiligen inneren Durchmesser 200 und 202 der metallische Substrate erstrecken. Jedes Dichtungselement umfasst eine Dichtungslippe 204 und 206, dass ein terminales Ende des jeweiligen hinausragenden Bereichs definiert.
Dichtungsringe, die zwei Dichtungselemente umfassen, können in Anwendungen, die zusätzlich zu einer ersten Dichtung eine Abstreifdichtung erfordern, wünschenswert sein, um unerwünschte Fremdkörper von der ersten Dichtung fernzuhalten, und tragen somit zu einer Steigerung der effektiven Lebensdauer der Dichtung bei. Dichtungsringe, die zwei Dichtungselemente umfassen, werden in der gleichen Weise und mit den gleichen Materialien wie oben beschriebenen hergestellt, d. h. durch einen einzelnen Formgebungsschritt. Allerdings ist als zusätzlicher Schritt das Zusammenfügen der beiden geformten Dichtungsringe erforderlich.
12 beschreibt einen Dichtungsring, der dem oben beschriebenen und in 11 gezeigten Dichtungsring ähnlich ist, mit der einzigen Ausnahme, dass eines der Metallsubstrate 210 ein Ende 212 am inneren Durchmesser aufweist, dass eine axial ausgerichtete Biegung oder einen „kick" (eng.) aufweist. Diese Biegung wird bereitgestellt, um eine gewünschte, Zwang ausübende Kraft auf das Dichtungselement 214 auszuüben, um dabei zu helfen, das Dichtungselement axial nach vorne zu zwingen, was gewünscht ist, um die Dichtungseigenschaften der Dichtung zu verbessern. Eine solche Biegung kann während des Formgebungsverfahrens bereitgestellt werden.
13 zeigt einen erfindungsgemäßen Dichtungsring 216, der aus zwei miteinander verbundenen Polymer-Laminatkonstruktionen, wie oben beschrieben und in 3 gezeigt, aufgebaut wird. Diese besondere Ausführungsform eines Dichtungsrings ist ähnlich der oben beschriebenen und in 11 gezeigten, mit der Ausnahme, dass sie ein Paar aus einem partiellen, metallischen Substrat 218 und einem Dichtungselement 220 umfasst, d. h. dass die metallischen Substrate und die jeweiligen Dichtungselemente nicht die gleiche Länge aufweisen. In dieser Ausführungsform sind die metallischen Substrate 218 und 222 nur entlang einer teilweisen Länge miteinander verbunden, da das Metallsubstrat 222 keinen in axiale Richtung hinausragenden Bereich aufweist, um dem Metallsubstrat 222 zu folgen. Somit definiert das Metallsubstrat 222 einen äußeren Durchmesser des Dichtungsrings, um innen oder gegen eine Stopfbüchse oder Ähnlichem angebracht zu werden. Des Weiteren umfasst das Dichtungselement 220 in dieser Ausführungsform keinen in axiale Richtung hinausragenden Bereich, wie der des Dichtungselement 224.
Die Metallsubstrate der 218 und 222 werden mittels herkömmlicher Techniken miteinander verbunden, z. B. durch Schweißen oder Klebverbindungen, und werden entlang angrenzend positionierter, sich in radiale Richtung erstreckender Bereiche 226 und 228 miteinander verbunden. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Metallsubstrate zusammengeschweißt, und Zugang zu dem Schweißbereich wird durch eine durch das Dichtungselement 220 geführte Öffnung erreicht.
Wie in der Ausführungsform der in 11 gezeigten Ringdichtung ragen die Dichtungselemente in entgegengesetzte, axiale Richtungen, weg von den jeweiligen Metallsubstrat, hinaus. Jedes Dichtungselement umfasst axial nach außen hinausragende Bereiche 232 und 234, die sich beide über die inneren Durchmesser 236 und 238 der jeweiligen Metallsubstrate hinaus erstrecken. Jedes Dichtungselement umfasst eine Dichtungslippe 204 und 206, die ein terminales Ende des jeweiligen hinausragenden Bereichs definiert.
14 zeigt einen erfindungsgemäßen Dichtungsring 244 der aus zwei zusammengefügten Polymer-Laminatkonstruktionen, wie sie oben beschrieben und in 3 gezeigt sind, hergestellt wurde. Diese besondere Ausführungsform des Dichtungsrings ähnelt der oben beschriebenen und in 13 gezeigten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass das Metallsubstrat 246 ein Ende 248 am inneren Durchmesser umfasst, das so ausgelegt ist, dass es eine axial ausgerichtete Biegung oder einen „kick" aufweist, der bereitgestellt wird, um eine gewünschte Zwang ausübende Kraft auf das Dichtungselement 250 zu übertragen. Diese Biegung hilft dabei, das Dichtungselemente 250 axial nach vorne zu zwingen, was zum Zwecke der Verbesserungen der Dichtungseigenschaften der Dichtung erwünscht ist. Eine solche Biegung kann während des Formgebungsverfahrens bereitgestellt werden.
15 zeigt einen erfindungsgemäßen Dichtungsring 252, der aus zwei zusammengefügten Polymer-Laminatkonstruktionen, wie sie oben beschrieben und in 3 dargestellt sind, aufgebaut ist. In dieser besonderen Ausführungsform des Dichtungsrings umfasst der Körper der Lippendichtung zwei metallische Substrate 254 und 256 und entsprechende Dichtungs-Polymerverbindungen 258 und 260, die Dichtungselemente bilden. Anders als in der in 11 gezeigten Ausführungsform des Dichtungsrings umfasst diese Ausführungsform des Dichtungsrings keine zusammengefügten Metallsubstrate und keinen durch eine Polymerverbindung gebildeten äußeren Durchmesser. Stattdessen sind die Metallsubstrate 254 und 256 durch das Dichtungselement 258 getrennt und der äußere Durchmesser des Dichtungsrings wird durch das Metallsubstrat 254 gebildet.
Die beiden Metallsubstrat/Polymerverbindungs-Paare, die den Dichtungsring 252 bilden, sind anstatt durch Schweißen oder eine Bindung durch mechanisches Einhaken miteinander verbunden. In diesem Beispiel sind die beiden Paare durch herkömmliche Roll- und Umfalztechnik miteinander verbunden. Im Besonderen ist das Metallsubstrat 256 so dimensioniert und geformt, dass es in die axialen und radialen Abmessungen des Paars aus Metallsubstrat 254 und Dichtungselemente 258 passt. Das Metallsubstrat 256 und das entsprechende Dichtungselement 260 werden gegenüber dem Dichtungselement 258 dadurch in Position gehalten, dass das Ende 262 am äußeren Durchmesser des Metallsubstrats 254 radial, nach innen gefaltet wird, wodurch ein Endbereich 264 des Dichtungselements 258 gegen ein Ende 266 des Metallsubstrat 256 gepresst wird. Diese Zwang ausübende Kraft bewirkt die Ausbildung eines mechanischen Verschlusses zwischen den beiden Paaren.
Wie in der in 11 gezeigten Ausführungsform des Dichtungsrings, sind die metallischen Substrate so ausgelegt, dass sie dem Dichtungsring die gewünschte Form verleihen und dass sie sowohl die Anbringung in einer Stopfbüchse erleichtern und eine gewünschte Kompressions- oder Belastungskraft auf die Dichtungs-Polymerverbindungen 268 und 270 ausübende, wenn diese gegen eine Dichtungsfläche, wie eine dynamische Schaftoberfläche, installiert werden. Die Dichtungselemente ragen in entgegengesetzten, axialen Richtungen, weg von den jeweiligen Metallsubstraten, hinaus. Jedes Dichtungselement umfasst in axialer Richtung nach außen hinausragende Bereiche, die sich jeweils über die entsprechenden Enden 272 und 274 am inneren Durchmesser der Metallsubstrate hinaus erstrecken, und umfassen des Weiteren eine Dichtungslippe 276 und 278, die ein terminales Ende der beiden jeweiligen hinausragenden Bereiche definiert.
Dichtungsringe, die zwei Dichtungselemente umfassen, werden in der gleichen Weise und mit den gleichen Materialien wie oben beschriebenen hergestellt, d.h. durch einen einzelnen Formgebungsschritt. Allerdings ist als zusätzlicher Schritt das Zusammenfügen der beiden geformten Dichtungsringe erforderlich.
16 zeigt einen erfindungsgemäßen Dichtungsring 280, der aus zwei zusammengefügten Polymer-Laminatkonstruktionen, wie sie oben beschriebenen und in 3 gezeigt sind, aufgebaut ist. Diese besondere Ausführungsform des Dichtungsrings ist ähnlich der oben beschriebenen und in 15 gezeigten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass das Metallsubstrat 282 an seinem inneren Durchmesser ein Ende 282 umfasst, das so ausgelegt ist, dass es eine axial ausgerichtete Biegung oder einen „Kick" (engl.) aufweist, der bereitgestellt wird, um eine gewünschte, Zwang ausübende Kraft auf das Dichtungselement 286 auszuüben. Die Biegung hilft dabei, das Dichtungselement 286 axial nach vorne zu zwingen, was zum Zweck der Verbesserungen der Dichtungseigenschaften der Dichtung erwünscht ist. Eine solche Biegung kann während des Formgebungsverfahrens bereitgestellt werden.
17 zeigt einen erfindungsgemäßen Dichtungsring 288, der aus zwei zusammengefügten Polymer-Laminatkonstruktionen, wie sie oben beschriebenen und in 3 gezeigt sind, aufgebaut ist. In dieser speziellen Ausführungsform des Dichtungsrings umfasst der Körper der Lippendichtung zwei metallische Substrate 290 und 292 und entsprechende Dichtungs-Polymerverbindungen 294 und 296, die Dichtungselemente bilden. Anders als in der in 11 gezeigten Ausführungsform des Dichtungsrings, umfasst diese Ausführungsform des Dichtungsrings ebenfalls keine zusammengefügten Metallsubstrate und weist ebenfalls keinen durch eine Polymerverbindung gebildeten äußeren Durchmesser auf. Stattdessen wird der äußere Durchmesser des Dichtungsrings durch das Metallsubstrat 290 gebildet und die beiden Dichtungselemente 294 und 296 sind miteinander verbunden und beide sind zwischen den beiden Metallsubstraten angeordnet.
Wie die Ausführungsform des Dichtungsrings, die oben beschrieben und in 15 gezeigt ist, sind die beiden Metallsubstrat/Polymerverbindungs-Paare, die den Dichtungsring 288 bilden, durch mechanisches Einhaken und nicht durch Schweißen oder eine Bindung miteinander verbunden. In diesem Beispiel sind die beiden Paare durch herkömmliche Roll- und Falztechniken miteinander verbunden. Im Besonderen ist das Metallsubstrat 292 so bemessen und geformt, dass es innerhalb die axialen und radialen Abmessungen des durch das Metallsubstrat 290 und das Dichtungselement 294 gebildeten Paares passt. Das Metallsubstrat 292 und das entsprechende Dichtungselement 296 werden gegenüber dem Dichtungselement 290 dadurch in Position gehalten, dass ein Ende 298 am äußeren Durchmesser des Metallsubstrats 290 radial nach innen gefaltet wird, wodurch ein Endbereich 300 des Dichtungselements 294 gegen ein Ende 302 des Dichtungselement 296 gepresst wird. Diese Zwang ausübende Kraft führt zur Ausbildung eines mechanischen Verschlusses zwischen den beiden Paaren.
Wie die anderen beschriebenen und gezeigten Ausführungsformen der Dichtungsringe, die zwei Dichtungselemente umfassen, sind die metallischen Substrate so ausgelegt, dass sie dem Dichtungsring die gewünschte Form verleihen und sowohl die Anbringung in einer Stopfbüchse erleichtern und eine gewünschte Kompressions- oder Belastungskraft auf die Dichtungs-Polymerverbindungen 294 und 296 ausüben, wenn diese gegen eine Dichtungsfläche, wie eine dynamische Schaftoberfläche, installiert werden. Die Dichtungselemente ragen in entgegengesetzte, axialen Richtungen, weg von den jeweiligen Metallsubstraten, hinaus. Jedes Dichtungselement umfasst axial nach außen hinausragende Bereiche, die sich jeweils über die entsprechenden Enden 304 und 306 am inneren Durchmesser der Metallsubstrate erstrecken, und die des Weiteren jeweils eine Dichtungslippe 308 und 310 umfassen, die ein terminales Ende der beiden jeweiligen hinausragenden Bereiche definieren. Dichtungsringe, die zwei Dichtungselemente umfassen, werden in der gleichen Weise und mit den gleichen Materialien wie oben beschriebenen hergestellt, d.h. durch einen einzelnen Formgebungsschritt. Allerdings ist als zusätzlicher Schritt das Zusammenfügen der beiden geformten Dichtungsringe erforderlich.
18 zeigt einen erfindungsgemäßen Dichtungsring 312, der aus zwei zusammengefügten Polymer-Laminatkonstruktionen, wie sie oben beschrieben und in 3 gezeigt sind, aufgebaut ist. Wie die in 11 gezeigte Ausführungsform umfasst in dieser Ausführungsform des Dichtungselements der Körper der Lippendichtung zwei metallische Substrate 314 und 316, die so ausgelegt sind, dass sie gegeneinander passen, und die an den beiderseitigen, am äußeren Durchmesser gelegenen Enden 318 miteinander verbunden sind. Die beiden metallischen Substrate 314 und 316 können durch herkömmliche Techniken zur Metallverbindung miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Punktschweißen oder Klebverbindung. Der Dichtungsring umfasst zwei in der Form von Dichtungselementen vorliegenden Dichtungs-Polymerverbindungen 320 und 322, die beide jeweils an ein Metallsubstrat 314 und 316 gebunden sind. Die Metallsubstrate sind so ausgelegt, dass sie dem Dichtungsring die gewünschte Form verleihen und sowohl die Anbringung in einer Stopfbüchse erleichtern und eine gewünschte Kompressions- oder Belastungskraft auf die Dichtungs-Polymerverbindungen 320 und 322 ausüben, wenn diese gegen eine Dichtungsfläche, wie eine dynamische Schaftoberfläche, installiert werden.
Diese Ringdichtung ist der in 11 gezeigten ähnlich, außer der Tatsache, dass beide der Dichtungselemente 320 und 322 hinausragende Bereiche 324 und 326 umfassen, die in die gleichen, und nicht in entgegengesetzte, axialen Richtungen ausgerichtet sind. Zusätzlich sind die Metallsubstrate 314 und 316 so ausgelegt, dass sie unterschiedlich bemessene, d. h. unterschiedlich lange, am inneren Durchmesser gelegene Enden 328 und 330 umfassen. Im Besonderen ist das Metallsubstrat 314 so ausgelegt, dass es ein am inneren Durchmesser gelegenes Ende 328 aufweist, dass radial nach innen über eine Distanz, die größer ist als die zum am inneren Durchmesser des Metallsubstrat gelegenen Endes 330, erstreckt. Dies ist vorgesehen, um eine gewünschte, Zwang ausübende Kraft gegen das Dichtungselemente 320 auszuüben, und dadurch die radial nach auswärts gerichtete Biegung des hinausragenden Bereichs 324 des Dichtungselements zu kontrollieren, wenn diese in Berührung mit einer Dichtungsfläche gebracht wird. Wie die anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen von Dichtungsringen mit zwei Dichtungselementen umfasst jedes Dichtungselement eine Dichtungslippe 332 und 334, die ein terminales Ende des jeweiligen hinausragenden Bereichs definiert.
19 zeigt einen Dichtungsring in der Form einer Lippendichtung 336, der ähnlich dem oben beschriebenen und in 10 gezeigten Dichtungsring ist. Diese Ausführungsform eines Dichtungsrings umfasst eine ein Dichtungselement bildende Dichtungs-Polymerverbindung, das einen hinausragenden Bereichs 340 mit einer Dichtungsfläche 342 umfasst, die so ausgelegt ist, dass sie eine Vielzahl darauf angebrachter Windungen, d. h. solchen wie in 5C gezeigt, umfasst. Im Besonderen ist die Dichtungsfläche 342 so gestaltet, dass sie eine Gewindeoberfläche aufweist, um ein hydraulisches Pumpen von aus der Dichtung austretender Flüssigkeit zu bewirken. Die Gewindeoberfläche ist so ausgerichtet, dass sie Flüssigkeit, die zwischen der Dichtungsfläche 342 des Dichtungselements und einer angrenzenden Dichtungsfläche, z. B. einem rotierenden Schaft, nach oben zu der Quelle der Flüssigkeit hinführt, und damit mitwirkt, Flüssigkeitsaustritt aus der Dichtung unter Kontrolle zu halten.
In allen der oben beschriebenen und gezeigten Ausführungsformen der Ringdichtungen ist das Metallgehäuse des Dichtungskörpers so ausgelegt, dass es sowohl die grundlegende, notwendige Form der Ringdichtungen bereitstellt, als auch eine gewünschte Zwang ausübende Kraft auf das Dichtungselement ausübt, um eine gewünschte leckfreie Dichtung zu bewirken. Um die gewünschte, Zwang ausübende Kraft zu erreichen, kann es notwendig sein, den metallischen Substratanteil der Laminatkonstruktion, der das Gehäuseelement bildet, speziell zu konfigurieren. Wenn es beispielsweise erwünscht ist, dass die Zwang ausübende Kraft einen gewissen Grad an Rückstellfähigkeit oder Elastizität aufweisen soll, kann es wünschenswert sein, dass das Substrat eine röhrenförmige Konfiguration aufweist, um eine solche Rückstellfähigkeit zu erreichen. Wenn man mit einem Substrat aus einem blattförmigen Ausgangsmaterial arbeitet, kann es alternativ erwünscht sein, dass spezielle Bereiche des Metallsubstrats der Laminatkonstruktion, welches das Metallgehäuse bildet, geätzt oder auf andere Weise entfernt werden, um eine federgleiche Rückstellung zu erreichen, das heißt eine Ausführung in der Art einer Federscheibe zu wählen, wie es oben beschrieben und in 6 gezeigt ist. Solche Modifikationen des Substrates können vor oder nach der Laminierung mit dem polymeren Material vorgenommen werden. Im Endeffekt wird die Art und Weise, wie das Metallsubstrat modifiziert wird, von der speziellen Ausführungsform der Dichtungsvorrichtung und der Dichtungsanwendung abhängen.
Andere Modifikationen und Variationen von Dichtungsringen, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert sind, werden sich dem Fachmann erschließen. Es sollte daher klar sein, dass die vorliegende Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der nachfolgenden Patentansprüche auch anders als im Speziellen beschrieben ausgeführt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Dichtungsvorrichtungen dieser Erfindung werden durch das Verfahren aus Abscheiden eines polymeren Materials auf ein metallisches Substrat, um eine Kompositkonstruktion zu bilden, und Formen der Kompositstruktur in die Form einer Dichtungsvorrichtung hergestellt. Die so geformte Dichtungsvorrichtung umfasst ein Gehäuseelement, das aus dem metallischen Substrat gebildet ist, und einem Dichtungselement, das entlang einer Oberfläche des Gehäuseelements angeordnet und aus dem polymeren Material gebildet ist, um gegen eine Dichtungsfläche plaziert zu werden. Dichtungsvorrichtungen gemäß dieser Erfindung können zu einer Vielzahl unterschiedlicher Dichtungstypen geformt werden, z. B. Lippendichtungen, L-förmige Dichtungen und U-becherförmige Dichtungen, die verstärkt oder unverstärkt sein können. Dichtungsvorrichtungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung unter der Verwendung solcher vorgeformter Konpositkonstruktionen hergestellt wurden, ermöglichen die Bildung in einem einzigen Formgebungsschritt, ohne dass einzelne Dichtungsglieder sowohl hergestellt und geformt werden müssen und ohne dass separat geformte Dichtungsglieder vereinigt oder verbunden werden müssen.
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Claims

Dichtungsvorrichtung, hergestellt durch ein Formgebungsverfahren, in dem eine Kompositkonstruktion in eine gewünschte Dichtungsvorrichtungsform geformt wird, wobei die Kompositkonstruktion ein polymeres Material umfasst, dass vor dem Formgebungsschritt auf einem steifen nicht-polymeren Substrat angeordnet wird, und wobei die Dichtungsvorrichtung einen Dichtungskörper mit einem aus dem steifen Substrat geformten Gehäuseelement und einem nachgiebigen, aus dem polymeren Material geformten Dichtungselement umfasst.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das polymere Material so ausgelegt ist, dass es einen Bereich mit vergrößerter Oberfläche aufweist, der eine Vielzahl von Stegen und Tälern umfasst.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Dichtungselement über eine Länge des Gehäuseelements hinausragt und eine Dichtungslippe zum Abdichten gegenüber einer Dichtungsfläche umfasst.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Dichtungsvorrichtung durch zwei Kompositkonstruktionen gebildet wird, die miteinander verbunden sind und jeweils ein steifes Substrat und ein entsprechendes polymeres Material umfassen.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei jedes polymere Material ein separates nachgiebiges Dichtungselement bildet.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Dichtungselement eine Dichtungsfläche umfasst, die eine Kontaktoberfläche aufweist, die ausgelegt ist, um Fluid-Undichtigkeit zu widerstehen.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Gehäuseelement in Nachbarschaft zu einem Ende am inneren Durchmessser des Gehäuses einen verformten Bereich aufweist, der eine gewünschte, Zwang ausübende Kraft auf das verformbare Dichtungselement ausübt.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Gehäuseelement eine Anordnung mit L-förmigem Querschnitt aufweist.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Gehäuseelement eine Anordnung mit U-förmigem Querschnitt aufweist.
Dichtungsvorrichtung, hergestellt gemäß dem Verfahren aus: Abscheiden eines polymeren Materials auf ein steifes, nicht-polymeres Substrat, um so eine Kompositkonstruktion zu erhalten, und Formen der Kompositstruktur in eine gewünschte Form, wobei die Dichtungsvorrichtung einen Dichtungskörper mit einem Gehäuseelement, das aus dem steifen Substrat gebildet ist, einem Dichtungselement, das aus dem polymeren Material gebildet und entlang einer Oberfläche des Gehäuseelements angeordnet ist, um gegen eine dynamische Dichtungsfläche plaziert zu werden, umfasst.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei das Gehäuseelement in der Form eines metallischen Rings vorliegt und einen äußeren Durchmesser der Dichtungsvorrichtung definiert, wobei das Dichtungselement einwärts in radialer Richtung vom Gehäuseelement angeordnet ist und wobei das Dichtungselement eine nach außen, in Richtung weg von dem Gehäuseelement, hinausragende Kontaktoberfläche zur Plazierung gegen die dynamische Dichtungsfläche umfasst.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei das Gehäuseelement in der Form eines metallischen Rings vorliegt und einen inneren Durchmesser der Dichtungsvorrichtung definiert, wobei das Dichtungselement auswärts in radialer Richtung vom Gehäuseelement angeordnet ist, und wobei das Dichtungselement eine nach außen, in Richtung weg von dem Gehäuseelement, hinausragende Kontaktoberfläche zur Plazierung gegen die dynamische Dichtungsfläche umfasst.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei das polymere Material einen Bereich mit vergrößerter Oberfläche umfasst, der durch eine Vielzahl topologischer Oberflächenstrukturen bereitgestellt wird.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei das Gehäuseelement so ausgelegt ist, dass es dem Dichtungselement einen festgelegten Grad an Rückstellfähigkeit verleiht.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Dichtungsvorrichtung aus zwei Kompositkonstruktionen gebildet ist, die miteinander verbunden sind und von denen jedes ein steifes Substrat und ein jeweiliges polymeres Material umfasst.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei die zwei Kompositkonstruktionen zwischen steifen Substraten miteinander verbunden sind.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei die zwei Konpositkonstruktionen durch mechanisches Ineinandergreifen miteinander verbunden sind und wobei die steifen Substrate durch eines der beiden polymeren Materialien voneinander getrennt sind.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 15, umfassend duale Dichtungselemente, die jeweils aus polymeren Kompositkonstruktionsmaterialien gebildet sind, und wobei jedes Dichtungselement eine Distanz, weg von dem jeweiligen steifen Substrat, nach außen hinausragt und eine Dichtungsfläche, zum In-Berührung-Bringen mit einer benachbarten, dynamischen Dichtungsfläche bei Inbetriebnahme.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 18, wobei jedes der Dichtungselemente nach außen, in Richtung weg von einem jeweiligen steifen Substrat in die im Wesentlichen gleiche Richtung hinausragt.
Dichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei das Gehäuseelement angrenzend an ein Ende am inneren Ende des Gehäuses einen verformten Bereich aufweist, der eine gewünschte, Zwang ausübende Kraft auf das verformbare Dichtungselement ausübt.
Verfahren zur Herstellung einer Dichtungsvorrichtung aus einer vorgeformten Polymer/Metall-Laminat-Konstruktion, wobei das Verfahren die folgenden Schritt umfasst: Plazieren einer Schicht aus polymeren Material auf ein Metallsubstrat und chemisches Verbinden der Schicht aus des polymeren Material mit dem Metallsubstrat, um so eine Polymer/Metall-Laminat-Konstruktion zu bilden, Formen der Polymer/Metall-Laminat-Konstruktion in eine gewünschte Form und Zurichten der geformten Konstruktion in eine gewünschte Dichtungsvorrichtunganordnung, wobei die Dichtungsvorrichtung: ein aus dem metallischen Substrat geformtes Gehäuseelement und ein aus dem polymeren Material geformtes Dichtungselement mit einer nach außen, in Richtung weg von dem Gehäuseelement, hinausragenden Kontaktoberfläche zur abdichtenden Plazierung gegen eine dynamische Dichtungsfläche bei Inbetriebnahme umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei die Polymer/Metall-Laminat-Konstruktion vor dem Formen blattförmig vorliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei das polymere Material so konfiguriert ist, dass es vor dem Formen einen aus einer Vielzahl von topographischen Strukturen gebildeten Bereich mit vergrößerter Oberfläche aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei das Gehäuseelement in der Form eines Rings mit einer L-förmigen Konfiguration vorliegt und die Kontaktfläche des Dichtungselements sich radial nach innen in Richtung weg von dem Gehäuseelement erstreckt.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei die Dichtungsvorrichtung aus zwei Polymer/Metall-Laminat-Konstruktionen gebildet wird und des Weiteren den Schritt umfasst, dass die zwei geformten Gehäuseelemente und jeweiligen Dichtungselemente miteinander verbunden werden.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei der Schritt des Verbindens umfasst, dass die zwei Gehäuseelemente miteinander verbunden werden.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei der Schritt des Verbindens das Verformen eines Bereichs zumindest eines der Gehäuseelemente in Richtung eines angrenzend positionierten Bereichs des anderen der Gehäuseelemente umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei während des Verbindungsschritts die beiden Polymer/Metall-Laminat-Konstruktionen so verbunden werden, dass die beiden Gehäuseelemente miteinander in Berührung gebracht werden.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei während des Verbindungsschritts die beiden Polymer/Metall-Laminat-Konstruktionen so verbunden werden, dass die beiden Dichtungselement miteinander in Berührung gebracht werden.
Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei während des Verbindungsschritts die beiden Polymer/Metall-Laminat-Konstruktionen so miteinander verbunden werden, dass die beiden Gehäuseelemente durch eines der Dichtungselemente voneinander getrennt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei während des Formgebungsschritts das Gehäuseelement in Nachbarschaft zu einem Ende am inneren Durchmesser des Gehäuseelements einen verformten Bereich aufweist, um eine gewünschte, Zwang ausübende Kraft auf das Dichtungselement auszuüben.