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Technischer Bereich
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Ringdichtung für hydraulische und pneumatische
Anwendungen.
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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, dass Dichtungen essentielle Elemente für verschiedene
pneumatische und hydraulische Vorrichtungen sind, wie beispielsweise Zylinder
und Aktuatoren im Allgemeinen, Ventile etc.
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In
den meisten Anwendungen ergibt sich das Problem, dass eine Abdichtung
zwischen einem beweglichen Bauteil, beispielsweise einer Welle,
einem Kolben, oder einem Ventilgehäuse und einem Hohlraum oder
einer Kammer, in welcher ein solches Bauteil untergebracht ist,
geschaffen werden muss. Zu diesem Zweck werden Ringdichtungen verwendet, welche
in einen auf dem beweglichen Bauteil gefertigten Sitz eingepasst
werden, und welche mit der Wand des Hohlraums oder der Kammer (oder
anders herum) gleitend zusammenwirken.
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Die
am häufigsten
verwendeten Arten von Dichtungen umfassen O-Ringe, welche bevorzugt
in statischen Anwendungen eingesetzt werden, und auf alle Fälle in Anwendungen,
die keiner besonderen Belastung ausgesetzt sind, und Dichtlippen,
welche im Gegensatz dazu für
dynamische Anwendungen (gleitende oder rotierende Dichtungen) geeignet sind.
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Ein
mit herkömmlichen
Dichtungen verbundenes Problem ist, dass der Kontaktdruck zwischen der
Dichtung und der Oberfläche,
auf welcher sie gleitet, vergleichsweise hoch sein muss, um eine
effiziente Abdichtung zu erreichen. Dieses bedeutet einen großen Verlust
an Effizienz aufgrund von Reibung, und unerwünschte Belastungsspitzen sowohl in
der Berührfläche als
auch im Querschnitt.
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Es
sind auch Dichtungen mit einem zweiflügeligen Querschnitt bekannt,
welcher länglich
in radialer Richtung ist, und welche im Grunde die Form einer 8
aufweisen; diese Dichtungen lösen
dieses Problem nur teilweise, obwohl sie zum Zweck der Reduzierung
des Effizienzverlusts aufgrund von Reibung entwickelt wurden.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
Ziel dieser Erfindung ist es, eine Ringdichtung zu schaffen, die
sowohl für
statische als auch für
dynamische Anwendungen geeignet ist, und die eine Lösung für die mit
den oben genannten bekannten Dichtungen verbundenen Probleme bietet.
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Das
zuvor stehend genannte Ziel wird durch diese Erfindung erreicht,
weil es einen Ring aus polymerem Material vorsieht, welcher einen
im Wesentlichen eiförmigen
Querschnitt aufweist, dessen Längsachse
sich in radialer Richtung befindet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung sind unten zwei Ausführungsbeispiele durch nicht
einschränkende
Beispiele und mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen erklärt, in welchen
gilt:
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1 ist
ein Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer Dichtung
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung
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2 zeigt
ein Beispiel einer Anwendung der in 1 gezeigten
Dichtung, welche teilweise geschnitten und in vergrößertem Maßstab dargestellt ist,
in einer zusammengebauten und drucklosen Position;
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3 zeigt
einen Querschnitt ähnlich
dem der 2, wobei sich die Dichtung in
Arbeitsposition befindet und Druck ausgesetzt ist;
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4 ist
ein Querschnitt einer zweiten Form einer Dichtung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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5 zeigt
ein Beispiel der Anwendung einer in 4 gezeigten
Dichtung, welche teilweise geschnitten und in vergrößertem Maßstab dargestellt ist,
in einer zusammengebauten und drucklosen Position;
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6 zeigt
einen Querschnitt ähnlich
dem der 5, wobei sich die Dichtung in
Arbeitsposition befindet und Druck ausgesetzt ist;
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Beste Art der Ausführung der
Erfindung
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Mit
Bezug auf die 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 als
Ganzes eine Ringdichtung aus polymerem Material, und bevorzugt aus
elastomerem Material.
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Die
Dichtung 1 mit der Achse A weist einen Querschnitt S auf,
der im Wesentlichen eiförmig
ist, dessen Längsachse
sich in radialer Richtung erstreckt und der in Bezug auf eine mittlere
Ebene M, die senkrecht auf der Achse A steht, symmetrisch ist.
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Insbesondere
ist, wie in 2 deutlich zu sehen ist, der
Querschnitt S der Dichtung 1 in einer radial äußeren Richtung
durch einen Umfangsbogen C1 begrenzt, der einen Radius r1 und einen Öffnungswinkel
(Winkelgröße) α aufweist,
in einer radial inneren Richtung durch einen Umfangsbogen C2 begrenzt,
der einen Radius r2, welcher kleiner ist als der Radius r1 des Bogens
C1, und einen Öffnungswinkel (Winkelgröße) β aufweist,
und ist seitlich begrenzt durch ein Paar gerader Seiten F, die von
den Enden des Bogens C2 ausgehen, auseinanderstreben, während sie
sich radial auswärts
erstrecken, und die bezüglich
der Ebene M um einen Winkel Y geneigt sind, der praktischerweise
zwischen 15° und
10° beträgt.
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Die
Seiten F sind mit den Enden des Bogens C1 durch Längen L verbunden,
die eine Länge
l aufweisen, welche in diesem Beispiel gerade und parallel zu der
Ebene M sind. Alternativ können
diese geraden Längen
durch abgerundete Bögen
ersetzt werden.
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Der
Querschnitt S weist eine maximale radiale Dimension oder Höhe h (1)
auf, welche durch den Abstand zwischen denjenigen Punkten definiert ist,
an denen die Bögen
C1 und C2 die Ebene M schneiden. Der Querschnitt S weist zudem eine
maximale axiale Größe oder
Breite w auf, welche durch den Abstand zwischen den äußersten
Punkten des Bogens C1 definiert ist.
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Die
typischen Dimensionen des Querschnitts S sind miteinander gemäß folgender
Beziehungen verbunden:
- [1] 0,45 ≤ r1/h ≤ 0,55
- [2] 0,20 ≤ r2/h ≤ 0,28
- [3] 0,65 ≤ w/h ≤ 0,75
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Gemäß des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
weisen die oben beschriebenen Dimensionen des Querschnitts S die
folgenden Werte auf:
r1 = 1,92 mm
α = 172,6°
r2 = 1,30 mm
β = 104°
l =
0,45 mm
h = 5,45 mm
w = 3,84 mm
Y = 18,244°
woraus
sich die folgenden bevorzugten dimensionalen Beziehungen ergeben:
r1/h
= 0,500
r2/h = 0,238
w/h = 0,704
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Die
Dichtung 1 ist geeignet, um in einen Sitz 2 mit
rechteckigem Querschnitt eingepasst zu werden, der hergestellt wurde
auf dem Umfang einer Aussenfläche 3 eines
teilweise gezeigten Bauteils 4, beispielsweise eines Kolbens,
das dichtend innerhalb eines Bauteils 9 gleitet, welches
durch eine zylindrische Mantelfläche 6 (teilweise
dargestellt) begrenzt ist, beispielsweise die Innenfläche des
Rohrs 9 eines pneumatischen Zylinders. Der Sitz 2 ist
durch eine zylindrische Grundfläche 7 und
zwei seitliche Wände 8 begrenzt.
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Der
Sitz 2 weist eine Breite W auf, welche durch den Abstand
der seitlichen Wände 8 definiert ist,
und eine Höhe
H, welche durch den Abstand zwischen der Grundfläche 7 und der zylindrischen
Oberfläche 6 in
radialer Richtung definiert ist.
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Die
Breite W des Sitzes 2 ist vorzugsweise gleich der Breite
w des Querschnitts S der Dichtung 1, sodass diese mit vernachlässigbarem
Spiel in axialer Richtung eingepasst wird, d.h. im Wesentlichen ohne
Vorspannung.
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Die
Höhe H
des Sitzes 2 ist geringer, vorzugsweise um einige Zehntel
Millimeter, als die Höhe h
des Querschnitts S der Dichtung 1; gemäß des oben beschriebenen bevorzugten
Ausführungsbeispiels
beträgt
diese Höhe
5,15 mm.
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Im
Einsatz wird die Dichtung 1 mit geringer radialer Vorspannung
zwischen der Grundfläche 7 des
Sitzes 2 und der zylindrischen Mantelfläche 6 des Hohlraums 5 eingepasst.
Die Dichtung 1 teilt das zwischen den Oberflächen 3 und 6 befindliche
Volumen in zwei Kammern 10 und 11, welche abgedichtet voneinander
getrennt sind. In dem dargestellten Beispiel weist der radiale Abstand
zwischen den Oberflächen 6 und 7 den
Wert 5,40 mm auf; das Übermass
der Dichtung beträgt
daher 0,05 mm.
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Der
Betrieb der Dichtung 1 läuft wie folgt ab.
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Wenn
sie einem Druckunterschied zwischen den Kammern 10 und 11 ausgesetzt
wird, befindet sich die Dichtung 1 in der in 3 angedeuteten
Position, wobei sich die Seite niedrigen Drucks F in Kontakt mit
der entsprechenden Seitenwand 8 des Sitzes 2 befindet.
Dies liegt daran, dass der Kontakt zwischen der Länge L der
Seite hohen Drucks und der jeweiligen Wand 8 keine Abdichtung
sicherstellt, und der Druck daher auf der Seite F der Seite hohen Drucks
wirkt, was eine „Kipp"bewegung des Querschnitts
S im Wesentlichen um die durch die gegenüberliegende Länge L definierte „Drehachse" verursacht.
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Aufgrund
der Geometrie des Querschnitts S hat das zuvor erwähnte Kippen
eine weitere Verringerung des Übermaßes in Bezug
auf den Einbauzustand zur Folge, und führt damit zu geringen Reibungsverlusten
aufgrund der relativen Gleitbewegung zwischen der Dichtung 1 und
der Oberfläche 6. Weiterhin
wird die Verformung des Materials, das die Dichtung bildet, stark
reduziert, weil eine der geraden Seiten F an der jeweiligen Seitenwand 8 des
Sitzes 2 unter der Einwirkung der Druckkräfte anliegt.
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Tests,
die mit einer pneumatischen Druckversorgung von 6 bar durchgeführt wurden,
haben bestätigt,
dass nicht nur die effektive Abdichtung aufrecht erhalten wird,
sondern dass die Dichtung 1 verglichen mit einer bekannten
Flügeldichtung
niedriger Reibung eine Verringerung der Reibungskräfte um 75–80% in
einem Geschwindigkeitsbereich zwischen 0,02 m/s und 0,06 m/s und
eine Verringerung der Reibungskräfte
um 55–60%
in einem Geschwindigkeitsbereich zwischen 0,06 m/s und 0,6 m/s ermöglicht.
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Die
Dichtung 1 ist also vergleichsweise einfach und kostengünstig herzustellen,
weil sie einen soliden konvexen Querschnitt aufweist, der unter Verwendung
einer herkömmlichen
Form hergestellt werden kann.
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Dank
seiner abgerundeten Form ohne schwache oder dünne Bereiche ist die Dichtung
auch stark und kann bequem nicht nur in Zylindern sondern auch in
Ventilgehäusen
eingesetzt werden, ohne die Gefahr der Beschädigung, wenn sie die Öffnungen
der genannten Ventile passieren.
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Ein
weiterer Vorteil der Dichtung ist die Tatsache, dass sie keinen
besonderen Sitz benötigt, sondern
in einem herkömmlichen
rechteckigen Sitz eingesetzt werden kann. Sie benötigt daher
keine besondere zusätzliche
Bearbeitung, und kann als Ersatzteil verwendet werden, um bestehende
Dichtungen zu ersetzen.
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In
den 4 bis 6 ist eine Dichtung offenbart,
welche ein zweites Ausführungsbeispiel
bildet und als Ganzes mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet
wird. Die Dichtung 12 weist einen Querschnitt S auf, der
mit demjenigen identisch ist, der mit Bezug auf die Dichtung 1 beschrieben
wurde, ist aber „umgedreht", d.h. C1 ist der
innere Bogen und C2 ist der äussere
Bogen.
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Die
Dichtung 12 ist geeignet, um in einen Sitz 13 mit
rechteckigem Querschnitt eingepasst zu werden, welcher hergestellt
wurde auf dem Umfang der Innenfläche 14 eines
hohlen Bauteils 15 (teilweise dargestellt), beispielsweise
dem Kopf eines pneumatischen Zylinders. Der Sitz 13 weist
eine Grundfläche 16 und
zwei Seitenwände 17 auf.
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Die
Dichtung 12 ist geeignet um in einer unter Vorspannung
eingepassten Art mit der zylindrischen Oberfläche 18 eines Schafts 19,
beispielsweise des Schafts eines pneumatischen Zylinders zusammen
zu wirken, welcher axial innerhalb des hohlen Bauteils 15 gleitet.
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Der
Querschnitt S ist derart positioniert, dass der Bogen C1 in Kontakt
mit der Oberfläche 18 steht, welche
sich bezüglich
der Dichtung selbst bewegt, und der Bogen C2 in Kontakt mit der
Grundfläche 16 des
Sitzes 13 steht.
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Die
Dimensionen des Querschnitts S und des Sitzes 13 sind die
gleichen wie diejenigen, die mit Bezug auf auf die Dichtung 1 beschrieben
wurden.
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Das
Verhalten der Dichtung 12, wenn sie unter Druck steht,
ist ebenso gleichwertig demjenigen, das mit Bezug auf die Dichtung 1 beschrieben
wurde: der Querschnitt S dreht sich in einer solchen Weise, dass
die Seite F der Seite mit niedrigem Druck an der entsprechenden
Seitenwand 17 des Sitzes 13 anliegt.
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Die
Vorteile der Dichtung 12 im Vergleich mit den anderen bekannten
Arten sind den für
die Dichtung 1 beschriebenen vollkommen gleichwertig.
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Schliesslich
ist es klar, dass die oben beschriebenen Dichtungen 1 und 12 Gegenstand
von Modifikationen und Varianten sein können, ohne vom Umfang der Patentansprüche abzuweichen.
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Insbesondere
kann die Dichtung, indem das Material in geeigneter Weise geändert, aber
die Form unverändert
gelassen wird, in vorteilhafter Weise in hydraulischen Anwendungen
eingesetzt werden, in welchen sich die vorherrschenden Drücke im Bereich von
mehreren zehn bis mehreren hundert bar bewegen.
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Der
Querschnitt S kann verändert
werden, solange die Form des Profils qualitativ ähnlich, d.h. Im Wesentlichen
eiförmig,
aufrechterhalten wird. Beispielsweise können die Bögen C1 und C2 durch Bögen von
Kurven einer anderen Art ersetzt werden, beispielsweise durch Bögen einer
Parabel oder eine Ellipse. Die Längen
L, die zwischen den Seiten F und den Bögen C1 (translator: "...und C2...") angebracht sind,
können
weggelassen werden oder gebogen anstatt gerade sein.
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Zusammenfassung
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Eine
Ringdichtung niedriger Reibung (1) für pneumatische und hydraulische
Anwendungen mit einem soliden konvexen Querschnitt(S), welcher eine
im Wesentliche ovale Form aufweist, deren Längsachse sich in radialer Richtung
erstreckt; die Dichtung 1 ist geeignet, um in einen Sitz
(2) mit einem rechteckigen Querschnitt in einem ersten
Bauteil (4) eingepasst zu werden, und um mit der Oberfläche (6)
eines zweiten Bauteils 9, welches koaxial mit dem ersten
Bauteil ist, gleitend zusammenzuwirken; die Querschnittsfläche der
Dichtung ist in radialer Richtung begrenzt durch einen ersten und
zweiten Umfangsbogen (C1, C2), die jeweils mit der Oberfläche 6 des
zweiten Bauteils (9) und einer Grundfläche (7) des Sitzes
(2) zusammenwirken, und die Krümmungsradieen aufweisen, die
jweiels größer oder kleiner
sind, und ist seitlich begrenzt durch ein Paar gerader Seiten (F),
die von dem zweiten Bogen (C2) aus in Richtung des ersten Bogens
(C1) divergieren.