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Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zwischen zwei relativ
zueinander vierdrehbaren Rohrstücken mit einem Dichtungsring aus elastischem Werkstoff,
der zwischen zwei zur Drehachse radialen oder annähernd radialen Flächen der relativ
zueinander vierdrehbaren Teile unter axialer Einspannung eingelegt ist, wobei die
eine der an den radialen Flächen anliegenden Dichtflächen des Dichtungsrings im
nicht eingespannten Zustand radial nach außen hin in eine konische, sich von der
ihr zugeordneten radialen Fläche entfernenden Abschrägung übergeht.
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Dichtungsanordnungen dieser Art sind bekannt. Sie weisen einen Dichtungsring
auf, dessen im nicht eingespannten Zustand abgeschrägte Radialfläche im eingespannten
Zustand ganz als Dichtungsfläche dient. Dadurch wird das Widerstandsdrehmoment beim
Verdrehen der Rohrstöcke relativ hoch.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das Widerstandsdrehmoment beim Verdrehen
der Rohrstöcke unter Aufrechterhaltung einer relativ hohen Dichtwirkung des Dichtungsrings
zu erniedrigen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Dichtungsanordnung eingangs genannter
Art dadurch gekennzeichnet, daß die konische Abschrägung des Dichtungsrings in seinem
eingespannten Zustand mit einer Radialebene der Drehachse einen Winkel zwischen
23 und 25° einschließt und daß der Abstand der radial äußeren Kante der konischen
Abschrägung_ in axialer Richtung von einer gedachten Verlängerung der an die konische
Abschrägung angrenzenden Dichtfläche um eine Strecke von der Größe 1,78 bis
2,29 mm zurückspringt.
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Bei einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung bleibt die konische
Abschrägung des Dichtungsrings im eingespannten Zustand konisch. Nur die an die
abgeschrägte Fläche angrenzende radial innere Fläche wirkt als Dichtfläche. Die
genannten Bemessungsangaben sind kritisch, weil, wie noch später erläutert wird,
nur in den angegebenen Bereichen eine erhebliche Erniederung des Widerstandsdrehmoments
bei ausreichend hoher Dichtungswirkung eintritt.
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Ist die an die konische Abschrägung angrenzende Dichtfläche in bekannter
Weise ebenfalls leicht konisch, so schließt diese Dichtfläche mit einer Radialebene
bevorzugt einen Winkel von etwa 3° ein. Dadurch erhöht sich die Dichtwirkung, ohne
daß das Widerstandsdrehmoment merkbar erhöht wird.
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Aus dem gleichen Grund wird, wenn die der konischen Abschrägung gegenüberliegende
Dichtfläche des Dichtungsrings in bekannter Weise ebenfalls leicht derart konisch
ist, daß sich der Querschnitt des Dichtungsrings in radialer Richtung nach außen
hin verjüngt, diese gegenüberliegende Dichtfläche bevorzugt so gelegt, daß sie mit
einer Radialebene einen Winkel von etwa 10° einschließt.
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Liegt der Dichtungsring in an sich bekannter Weise in einer Dichtkammer
mit rechteckigem oder annähernd rechteckigem Querschnitt, welche an einer ihrer
Kanten in einen Dichtkammerspalt, vorzugsweise einen axial verlaufenden Dichtkammerspalt,
übergeht, und ist ein den Dichtungsring umfassender Verstärkungsring im Bereich
dieser Kante vorge-rsehen, so geht bevorzugt die Dichtkammer an einer ihrer radial
äußeren Kanten in den Dichtkammerspalt über, und es liegt die konische Abschrägung
im Bereich der anderen radial äußeren Kante der Dichtkammer. Bei einer solchen Anordnung
des Dichtungsrings in der Dichtkammer ergibt sich bei niedrigem Widerstandsdrehmoment
eine besonders gute Dichtwirkung.
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Zur Erfüllung der Aufgabe der Erfindung haben sich für den Dichtungsring
besonders elastomere Werkstoffe bewährt, die einen Durometerwert von 70 bis 80 auf
der Härteskala A nach S h o r e aufweisen.
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Die Figuren erläutern die Erfindung. Es stellt dar F i g.1 einen Schnitt
durch eine Drehverbindung, bei der die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung angewandt
ist, F i g. 2 einen vergrößerten Schnitt durch den Dichtungsring der F i g. 1 in
seinem freien Zustand, F i g. 3 einen Teilschnitt zu F i g. 1 in vergrößertem Maßstab,
F i g. 4 den Verlauf des maximalen zur Verdrehung der relativ zueinander drehbaren
Teile aufzuwendenden Drehmoments in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel der konischen
Abschrägung, F i g. 5 den Verlauf des maximalen Drehmoments in Abhängigkeit von
der axialen Abmessung des Dichtungsrings an seinem radial äußeren Umfang.
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F i g.1 zeigt einen Teilschnitt durch eine typische Drehverbindung.
Die dort im besonderen gezeigte Dichtung ist natürlich nicht nur bei Drehverbindungen
anwendbar, sondern z. B. auch bei Wellenabdichtungen und ähnlichen Anwendungszwecken.
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Die Drehverbindung in der F i g.1 ist mit 10 bezeichnet. Sie
setzt sich zusammen aus axial aneinander anschließenden, Strömungsmittel führenden
Leitungsteilen 11 und 12, welche relativ zueinander verdreht werden können. Sie
umfaßt weiter die üblichen Kugellager 13; diese sind aufgebaut aus Kugeln, welche
in Laufrinnen eingelegt sind. Eine Staubdichtung 14 verhindert das Eindringen von
Fremdkörpern in die Kugellager. Der Dichtungssatz ist mit 8 bezeichnet. Er ist in
einer Dichtungsringkammer ausgebildet von den Flächen der relativ zueinander vierdrehbaren
Leitungsteile 11 und 12. Der Leitungsteil 11 weist eine äußere zylindrische
Fläche 16 und eine radiale ebene Fläche 17 auf. Die Schnittkante zwischen diesen
Flächen bildet die eine der radial äußeren Kanten der Dichtungsringkammer. Der andere
Leitungsteil 12 zeigt eine ebene radiale Fläche 18 gegenüber der ebenfalls ebenen
und radialen Fläche des ersten Leitungsteiles 11. Die radiale Fläche 18 bildet zusammen
mit der zylindrischen Fläche 16 des ersten Leitungsteiles 11 die andere radial äußere
Kante der Dichtungsringkammer.
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Weiter umfaßt die Dichtung einen Dichtungsring 20 aus elastomerem
Werkstoff, der in der Dichtungs-CD untergebracht ist.
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Der Dichtungsring kann aus natürlichem Gummi, GR-S, Hycar, Neopren,
Butyl oder ähnlichen elastomeren Stoffen aufgebaut sein. Der elastomere Werkstoff
hat einen Durometerwert zwischen 70 und 80, gemessen auf der Härteskala A nach S
h o r e. Butylgummi ist besonders wirksam, wenn Gase abgedichtet werden sollen.
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Mit dem Dichtungsring 20 ist ein Verstärkungsring 21 vereinigt; dieser
Verstärkungsring 21 liegt bei derjenigen Kante der Dichtungsringkammer, welche durch
den Schnitt der Radialfläche 18 des Leitungsteiles 12 und der zylindrischen Umfangsfläche
16 des Leitungsteiles 11 gebildet ist und welche nach der Atmosphäre hin durch einen
anschließenden axial verlaufenden Ringspalt offen ist. Ein solcher Verstärkungsring
ist
dann notwendig, wenn hohe Drücke abzudichten sind; die bisher beschriebene und dargestellte
Konstruktion ist üblich; um die spezielle erfindungsgemäße Ausbildung der Dichtung
verstehen zu können, muß auf F i g. 2 verwiesen werden.
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In F i g. 2 sind verschiedene Längen- und Winkelmaße eingezeichnet
und mit Bezugsziffern versehen. Die angegebenen Maße sind teils kritisch, teils
nicht. In der weiteren Beschreibung wird die Kante der Dichtung, welche mit dem
Verstärkungsring 21 vereinigt ist, als die vordere Kante der Dichtung bezeichnet.
An die Kontur des Verstärkungsringes schließt sich eine im wesentlichen radiale
oder leicht konische Dichtfläche 22 an, welche in dichtende Berührung mit der anliegenden
Fläche 18 des Leitungsteiles 12 tritt. Die radiale Abmessung der Dichtfläche 22
ist mit b bezeichnet; die Dichtfläche 22 ist gegen eine Radialebene unter einem
kleinen Winkel z geneigt. Auf der anderen Seite des Dichtungsringes befindet sich
eine weitere, nämlich die rückwärtige Dichtfläche 23, die mit der Radialfläche 17
des Leitungsteiles 11 in Berührung steht, auch wenn die Dichtung unbelastet ist.
Die radiale Abmessung der Dichtfläche 23 ist mit b1 bezeichnet. Die Dichtfläche
23 bildet einen Winkel y mit einer Radialebene. Die radial innere Fläche 24 des
Dichtungsringes verläuft zwischen den zwei radial inneren Kanten a und a' der Dichtflächen
22 bzw. 23. Der Winkel, den die radial innere Begrenzungsfläche 24 des Dichtungsringes,
d. h. der Fläche, die dem Strömungsmitteldruck ausgesetzt ist, mit der Achse einschließt,
ist unkritisch; in der F i g. 2 verläuft Fläche 24 im wesentlichen in axialer Richtung.
An dem äußeren Umfang des Dichtungsringes liegt eine zylindrische Umfangsfläche
26 in dichtender Berührung an der zylindrischen Fläche 16 des Leitungsteiles
11 an. Die zylindrische Umfangsfläche 26 gehört einem Absatz des Dichtungsringes
an. Die axiale Ausdehnung des Absatzes ist in F i g. 2 mit e bezeichnet. Die axiale
Abmessung w des Dichtungsringes zwischen den Kanten a und ci gemessen und
die radiale Ausdehnung h zwischen der Kante a' und dem äußeren Umfang gemessen,
sind in F i g. 2 ebenfalls eingezeichnet.
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Zwischen der rückwärtigen Dichtfläche 23 und dem Absatz 26 erstreckt
sich eine konische Abschrägung 30, welche ein wesentliches Element des Erfindungsvorschlages
darstellt. Wenn diese Abschrägung vorhanden ist, so verringert sich das Drehmoment,
welches zur Relativverdrehung der beiden Leitungsteile erforderlich ist. Die Abschrägung
30 bildet einen Winkel x mit einer Radialebene. Die Größe dieses Winkels ist eine
kritische Größe. Der optimale Wert für den Winkel x liegt bei 24°. Eine gute Drehmomentcharakteristik
liegt aber auch noch in dem Bereich zwischen 23 und 25° vor. Eine weitere ebenfalls
kritische Größe, die allerdings in einem größeren kritischen Bereich d veränderlich
ist, ist die Strecke d
in F i g. 2. Diese Strecke entspricht dem Abstand zwischen
einem Punkt p und einem Punkt c. Der Punkt c liegt auf der Schnittlinie der konischen
Abschrägung 30 und der zylindrischen Umfangsfläche 26. Der Punkt p ist ein konstruierter
Punkt. Er liegt auf der gedachten Schnittlinie einer Verlängerung der rückwärtigen
Dichtfläche 23 und einer Verlängerung der zylindrischen Umfangsfläche 26 des Absatzes.
Es hat sich herausgestellt, daß bei Dichtungen mit über 3,75 cm Nenndurchmesser
die Größe von d zwischen 1,78 bis 2,28 mm liegen sollte, um günstige Resultate zu
erhalten.
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Die entscheidende Bedeutung der Größe des Winkels x ist in F i g.
4 graphisch aufgezeigt. In dieser graphischen Darstellung ist das maximale Drehmoment
dargestellt, in Abhängigkeit von Winkel x, der in Grad aufgetragen ist. Eine Drehverbindung
mit einem Nenndurchmesser von 7,5 cm hat die Versuchsergebnisse erbracht, die in
F i g. 4 dargestellt sind; die Größe der Strecke d war dabei 1,78 mm. In der ordinaten
Richtung entsprechen 100% derjenigen Dichtungsform, bei der in der Ecke p der F
i g. 2 keine Abschrägung vorhanden ist. Bei zunehmender Größe des Winkels x nimmt,
wie aus der graphischen Darstellung zu ersehen, der Prozentsatz des maximal aufzuwendenden
Drehmoments ab. Wenn ein kritischer Winkel von 24° erreicht ist, so liegt die Größe
des maximalen Drehmoments bei etwa 22%; dieser Prozentsatz entspricht dem kleinsten
Wert, der überhaupt erreicht werden kann. In der Gegend von 24° hat die Kurve annähernd
eine Spitze. Das maximale Drehmoment nimmt deshalb sehr rasch zu, wenn der Winkel
x von dem kritischen Wert von 24° abweicht. Die kritische Bedeutung des Winkels
x ist völlig überraschend.
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F i g. 5 zeigt, daß auch die Größe d eine gewisse kritische Bedeutung
hat. Die graphische Darstellung der F i g. 5 ist mit dem gleichen Versuchsgerät
gewonnen worden, wie die Kurve der F i g. 4. Auch in F i g. 5 entspricht die Ordinate
dem Prozentsatz des maximalen Drehmoments; 100% des maximalen Drehmoments liegen
dann vor, wenn die Strecke d gleich Null ist, wenn also die Abschrägung wieder voll
ausgefüllt, d. h. nicht vorhanden ist. Wenn die Abmessung d größer wird (und
der Winkel x dabei auf einem Wert von 24° bleibt), so nimmt der Prozentsatz
des maximalen Drehmoments rasch ab. Wenn die Größe d einen Wert von 1,78 mm erreicht,
so erreicht der Prozentsatz des maximalen Drehmoments einen Minimalwert von ungefähr
22 0/0. Unerwarteterweise besitzt die Kurve an dieser Stelle die Neigung Null, so
daß ein weiterer Anstieg der Größe d auf den Prozentsatz des maximalen Drehmoments
keine Einwirkung hat; dieses bleibt vielmehr konstant, bis die Größe d den Wert
2,29 mm erreicht hat. In F i g. 5 ist der kritische Bereich für die Größe d mit
r bezeichnet. An der oberen Grenze dieses Bereiches, d. h. bei 2,29 mm, geht die
dichtende Berührung der rückwärtigen Dichtfläche mit der anliegenden Fläche 17 verloren.
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In manchen Fällen hängt die maximal zulässige Größe für die Strecke
d vom Durchmesser der Dichtung ab. Während bei einem Dichtungsdurchmesser von 10
cm die Größe von d zwischen 1,78 und 2,69 mm liegen darf, kann die Größe 2,69 mm
für b bei einem Dichtungsdurchmesser von 3,25 cm zu groß sein, da die dichtende
Berührung dann an der rückwärtigen Dichtfläche 23 bei höheren Drücken leicht verlorengehen
kann. Für kleinere Dichtungen ist deshalb im Bereich höherer Drücke der Bereich
Y der Größe d etwas enger, als in F i g. 5 aufgezeigt.
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Der Grund für die kritische Größe des Winkels x und für den verhältnismäßig
engen Bereich optimaler Werte für die Größe d ist nicht völlig bekannt. Eine rohe
Erklärung läßt sich aus F i g. 3 herleiten. Man weiß, daß Gummi und ganz allgemein
jeder elastomere Werkstoff dann, wenn er eingeschlossen ist, sich
ähnlich
verhält wie eine Flüssigkeit, d. h. insbesondere inkompressibel ist. Auch wenn Gummi
nicht eingeschlossen ist, so kann die Einwirkung von Kompressionskräften auf einander
gegenüberliegenden Flächen eines Gummikörpers nur eine Verminderung des Abstandes
zwischen diesen beiden Flächen verursachen unter Deformation oder Ausbeulung in
den jeweils anderen Richtungen, in denen eine Begrenzung nicht vorgesehen ist. Das
Verhalten eines Gummikörpers unter der Einwirkung von Kompressionskräften ist weitgehend
festgelegt durch den sogenannten »Formfaktor<c. Der Formfaktor ist definiert
als das Verhältnis einer Kompressionskräfte unterworfenen Fläche und der nicht eingeschlossenen
Flächen, der Flächen also, die sich ausbeulen können. Wenn man z. B. eine Gummischeibe
mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Stärke von 3 mm nimmt, so hat diese einen
Formfaktor 4 und erleidet bei der Einwirkung von Kräften an ihren Stirnflächen keine
wesentlichen Deformationen. Wenn man andererseits einen Gummikörper mit einem Formfaktor
von weniger als 1 nimmt, so kann dieser unter Einwirkung komprimierender Kräfte
leicht verformt werden.
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Man erkennt aus F i g. 3, daß der Dichtungsring einen kleinen Formfaktor
besitzt. Es ist ein Ringelement getüpfelt eingezeichnet, dessen radiale Ausdehnung
f ist. Die Dimension f entspricht der radialen Ausdehnung einander entsprechender
gegenüberliegender Dichtflächen des Dichtungsringes, die mit den zugehörigen Flächen
der Leitungsteile in dichtender Berührung stehen. Der getüpfelte Gummiring hat einen
verhältnismäßig kleinen Formfaktor und macht es möglich, ohne übergroße axiale Vorspannkraft
eine Verformung des gesamten Dichtungsringes einzuleiten, solange keine Druckmittelbelastung
vorhanden ist. Die Versuche haben ergeben, daß der Winkel x der konischen Abschrägung
30 aus im einzelnen unbekannten Gründen die Ausbeulung des Gummis in der getüpfelten
Zone maßgebend beeinflußt. Die obere Grenze der Größe d (2,29 mm) erklärt sich daraus,
daß bei überschreitung dieses Wertes die radiale Abmessung b 1 (F i g. 2) der rückwärtigen
Dichtfläche 23 zu klein wird, um noch eine wirksame Dichtung zu gewährleisten. Eine
Dichtung mit einer komprimierten Säule, wie sie in F i g. 3 getüpfelt angedeutet
ist, bringt dennoch bei Einhaltung der angegebenen Abschrägungskonizität ein niederes
Anfangswiderstandsmoment und ein niederes Dauerwiderstandsmoment. Die notwendige
Anfangsdichtwirkung ist gewährleistet. Diese Anfangsdichtwirkung wird selbsttätig
verstärkt durch die Einwirkung des Strömungsmitteldruckes, wenn sich dieser aufbaut.
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Wie man aus F i g. 3 ersieht, üben die Flächen 17 und 18 Kompressionskräfte
in Richtung der Pfeile 31 aus. Wenn die konische Abschrägung 30 nicht vorhanden
wäre, d. h., wenn das Eck bei p ausgefüllt wäre, so hätten die einer axialen Deformation
sich widersetzenden Flächen eine radiale Ausdehnung, die mit g bezeichnet ist. Der
Formfaktor des Gummikörpers wäre dann wesentlich höher, und das Anfangswiderstandsmoment
wäre ebenso wie- das Dauerwiderstandsmoment stark vergrößert und in vielen Fällen
zu groß.
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Tabelle I gibt ein Beispiel einer typischen erfindungsgemäßen Dichtung
mit einem Nenndurchmesser von 10 cm an.
| Tabelle I |
| Außendurchmesser |
| der Dichtung .............. 127 mm |
| Axiale Ausdehnung der Dich- |
| tung im freien Zustand (w) . . 12,7 mm |
| Radiale Ausdehnung der" Dich- |
| tung im freien Zustand (h) .. 9,5 mm |
| Radiale Ausdehnung der Dicht- |
| fläche 22 (b) ............... 4,7 mm |
| Radiale Ausdehnung der Dicht- |
| fläche 23 (bd} .............. verändert sich
mit |
| der Größe d |
| Versetzung der äußeren Kante |
| derkonischenAbschrägung (d) 1,78 bis 2,29 mm |
| Axiale Ausdehnung |
| des Absatzes (e) ... . ........ 3,0 bis 3,56
mm |
| verändert sich mit |
| der Größe d |
| Konizität der vorderen Dicht- |
| fläche (z) .................. 9° 46' |
| Konizität der rückwärtigen |
| Dichtfläche (y) ............. 3° 49' |
| Kritischer Winkel der konischen |
| Abschrägung (x) ........... 23 bis 25° |
Tabelle II enthält die Daten, die man mit einer Drehverbindung von 3,75 mm Nenndurchmesser
bei erfindungsgemäßer Ausbildung der Dichtungsanordnung erhalten hat. Es sind nebeneinander
gestellt eine Drehverbindung mit herkömmlicher Dichtung, d. h. mit sehr geringer
konischer Abschrägung an der Kante p (F i g. 2) und eine ähnliche erfindungsgemäß
ausgebildete Dichtung, bei der der Abschrägungswinkel den kritischen Wert von 24°
und die Größe d den Wert von 1,78 mm hatte.
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Tabelle II läßt erkennen, daß das minimale Widerstandsmoment, d. h.
das Widerstandsmoment unmittelbar nach dem Zusammenbau bei einer älteren Dichtung
39,4 cm war.DasDauerwiderstandsmoment, d. h. das Widerstandsmoment, das sich nach
Stehenlassen über Nacht einstellte, betrug 282 kg/cm. Andererseits war bei einer
erfindungsgemäß ausgebildeten Dichtung das Widerstandsmoment nach dem Zusammenbau
nur 7,88 kg cm und das Dauerwiderstandsmoment, d. h. das sich nach Stehenlassen
über Nacht einstellende Widerstandsmoment nur 39,4 kg cm, also nicht mehr als das
Anfangswiderstandsmoment bei den älteren Dichtungen.
| Tabelle Il |
| Widerstandsmoment bei einer Dichtung |
| von 2,5 und 3,75 mm Nenndurchmesser |
| Widerstands- Dauer- |
| moment widerstands- |
| nach dem moment |
| Zusammenbau |
| Geringfügige |
| konische |
| Abschrägung .... 39,4 kg cm 282 kg cm |
| Konische Abschrä- |
| gung von 24°; |
| d = 1,78 mm ... 7,88 kg cm 39,4 kg cm |
| Tabelle III |
| Widerstandsmomente bei einer Dichtung |
| von 10 cm Nenndurchmesser |
| Widerstands- Dauer- |
| moment widerstands- |
| nach dem moment |
| Zusammenbau |
| Geringfügige |
| konische |
| Abschrägung .... 1350 kg cm 14 330 kg cm |
| Konische Abschrä- |
| gung von 24°; |
| d = 2,29 mm ... 474 kg cm 1215 kg cm |
Tabelle III zeigt die Widerstandsmomentdaten bei einer Drehverbindung von 10 cm
Nenndurchmesser. Aus der Tabelle kann man ersehen, daß bei einer älteren Dichtung
mit nur geringfügiger konischer Abschrägung das Drehmoment von einem Wert von 1350
kg cm unmittelbar nach dem Zusammenbau auf einen Wert von 14 330 kg cm stieg, wenn
die Dichtung über Nacht stehengelassen wurde. Auf der anderen Seite stieg bei einer
erfindungsgemäßen Dichtung mit einer konischen Abschrägung von 241 und bei einer
Größe d von 2,28 mm von nur 474 kg cm auf nur 1215 kg cm. Dies bedeutet eine Verbesserung
von 1200 % für das Dauerwiderstandsmoment bei größeren Drehverbindungen.
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Vergleicht man die Tabellen II und III, so sieht man, daß das Problem
des Dauerwiderstandsmoments bei steigender Kupplungsgröße zunimmt. So tritt z. B.
bei einer Drehverbindung älterer Art eine Vergrößerung des Dauerwiderstandsmoments
von 5000 % ein, wenn der Durchmesser um 167% steigt. Bei einer erfindungsgemäßen
Drehverbindung dagegen steigt das Dauerwiderstandsmoment gegenüber dem Anfangswiderstandsmoment
nur um 332%. Insgesamt ist die Verbesserung also 1500%.
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Die erfindungsgemäße Dichtung und eine mit ihr ausgerüstete Drehverbindung
hat ein lange bestehendes Bedürfnis gelöst, insofern, als die Widerstandsmomente
beim Verdrehen insbesondere dann, wenn die Drehverbindungen eine Zeitlang gestanden
sind, wesentlich herabgesetzt wurden.