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Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum
Herstellen einer als Lippendichtung wirkenden metallischen Ringscheibe
zur Verwendung in einer solchen Dichtungsanordnung.
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Eine Dichtungsanordnung mit einer
metallischen Ringscheibe, die einen Grundbereich zur Halterung der
Ringscheibe an einem von zwei gegeneinander abzudichtenden Bauteilen
aufweist, der über einen
gekrümmten
Bereich in einen konisch verlaufenden Kegelbereich übergeht,
dessen freier Umfangsrand unter elastischer Vorspannung an dem anderen
der gegeneinander abzudichtenden Bauteile anliegt, ist beispielsweise
aus der
GB PS 222 844 bekannt.
Am inneren Umfangsbereich des Kegelbereiches sind Schlitze ausgebildet,
die die Elastizität
des Kegelbereiches vergrößert. Wenn
hohe Dichtigkeiten erforderlich sind, werden mehrere Ringscheiben
mit ihren Schlitzen gegeneinander versetzt hintereinander angeordnet.
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Eine weitere Dichtungsanordnung mit
einer Ringscheibe mit einem konisch verlaufenden Kegelbereich ist
aus der
GB PS 633 626 bekannt.
Dort wird eine Ringscheibe verwendet, deren Grundbereich insgesamt
in einem elastischen Ringteil aufgenommen ist, so daß die Ringscheibe
in der Lage ist, Desachsierungen oder Unrundheiten zweier relativ zueinander
verdrehbaren Bauteile, die mit der Dichtungsanordnung gegeneinander
abgedichtet werden sollen, auszugleichen.
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Die
US PS 2,226,273 zeigt eine Dichtungsanordnung
zur Abdichtung von Kolbenstangen, wobei eine Mehrzahl von metallischen
Ringscheiben mit konisch verlaufenden Kegelbereichen in gegenseitiger Anlage
derart gepackt sind, daß an
den freien Enden der Kegelbereiche vorgesehene Schlitze gegenseitig versetzt
sind.
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Die
DE 31 26 716 C2 zeigt eine Dichtungsanordnung
mit mindestens einem hülsenförmigen, metallischen
Dichtelement zur Abdichtung einer Wand gegen ein die Wand durchsetzendes
Bauteil, wobei der am freien Ende des hülsenförmigen Dichtelements gebildete
Dichtbereich infolge Dehnung beim Zusammenbau mindestens bis zur
Streckgrenze beansprucht ist und der Spannbereich des Dichtelements
mitverformt ist.
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Die Hochdruckförderung und -dosierung von Klebern,
Pasten, Dämmstoffen
usw. stellt ein wachsendes Anwendungsgebiet dar, wobei an die Standzeiten,
Druckfestigkeiten und Dichtigkeitsanforderungen entsprechender Systeme
hohe Anforderungen gestellt sind, da sie insbesondere auch im Automobilbau
eingesetzt werden.
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Üblich
ist, für
Hochdruckpumpen und Dosierer die Verwendung von Dichtungen oder
Dichtungspackungen aus Kunststoffen oder, in Einzelfällen aus Leder
unterschiedlichster Konstruktion. Abhängig vom zu verarbeitenden
Material und notwendigen Materialdrücken wird die Konstruktion
und der Werkstoff der Dichtungen dem Anwendungszweck angepaßt. Grundsätzlich arbeiten
alle solchen Dichtungen relativ "weich" und dichten auf
harten, metallischen Oberflächen
mit möglichst
geringen Rauhigkeiten. Die Dichtungen sind hinsichtlich Konstruktion
und Materialauswahl meist von Hochdruck-Hydraulik-Dichtungen abgeleitet,
wobei die Geometrie so ausgelegt sein kann, daß durch den Druck des abzudichtenden
Mediums eine "Servo-Wirkung„ entsteht, d.h.
daß die
Dichtwirkung durch den Druck vergrößert wird.
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4 und 5 zeigen einen herkömmlichen Dosierer,
wobei 5 die im Dosierer
gem. 4 verwendete Dichtung
im Detail zeigt.
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Gem. 4 ragt
eine Kolbenstange 2 durch Gehäuseteile 3 und 4 in
einen Druckraum 5 ein, in den ein Einlaßkanal 6 führt und
aus dem ein Auslaßkanal 7 führt. In
den Kanälen
sitzen nicht dargestellte Ventile, so daß sich der Druckraum bei einem
Rückwärtshub der
Kolbenstange 2 mit dem zu dosierenden Medium füllt, das
bei einer Vorwärtsbewegung der
Kolbenstange 2 aus dem Auslaßkanal herausgedrückt wird.
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Durch die beiden, beispielsweise über eine nicht
dargestellte Schraubverbindung miteinander verschraubten Gehäuseteile 3 und 4 verläuft eine Bohrung,
die im Gehäuseteil 4 geringfügig größer als im
Gehäuseteil 3 ausgebildet
ist, so daß ein
Ringspalt 8 vorhanden ist, der den Druckraum 5 mit
dem Auslaßkanal 7 verbindet.
Zur Führung
der Kolbenstange 2 sind in der Wand der Bohrung innerhalb
des Gehäuseteils 3 zwei
Führungsbuchsen 9 vorgesehen,
die die Kolbenstange 2 radial im wesentlichen spielfrei
und axial beweglich führen.
Zur Abdichtung gegenüber
dem von links her wirkenden Druck P (Pfeil) des Mediums ist eine
Primärdichtung 10 und eine
Sekundärdichtung 12 vorgesehen.
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Die Primärdichtung ist in einem Ringraum angeordnet,
der dadurch gebildet ist, daß das
Gehäuseteil 3 mit
einem Ringansatz 14 in eine Ringausnehmung 16 des
Gehäuseteils 4 eingreift,
wobei ein axialer Zwischenraum verbleibt, der den Ringraum bildet,
in den die Primärdichtung 10 eingesetzt
ist. Die Primärdichtung 10 weist
einen als doppelte Lippendichtung wirksamen U-Ring z.B. aus PTFE-Compound
Werkstoff mit eingelegtem O-Ring aus Elastomer-Werkstoff zur statischen
Vorspannung auf.
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Die Sekundärdichtung 12 ist ebenfalls
als Ringdichtung ausgebildet und in einer Ringnut 18 des Gehäuseteils 4 aufgenommen,
wobei ein elastomerer O-Ring zur Vorspannung des Dichtelements radial
außerhalb
des Dichtelements angeordnet ist.
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Zur Ableitung eventuell durchtretender
geringer Materialmengen und zur Kühlung ist ein Spülmittelkanal 20 vorgesehen.
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Im Praxisbetrieb stellen sich mit
der Dichtungsanordnung gemäß 2 folgende Probleme: Bei der Verwendung
zum Auspressen hochviskoser Kleber und Dichtpasten dringen nach verhältnismäßig kurzer
Laufzeit geringe Mengen des Klebers gemäß 2 von
links nach rechts durch die Dichtungsanordnung, insbesondere die
Primärdichtung 16 hindurch,
da die Kleber bzw. Dichtpasten auf der Oberfläche der Kolbenstange 2 haften.
Infolge der Kompressibilität
der pastösen
Medien werden geringste Mengen in den Tälern der Oberflächenrauhigkeiten
durch die Dichtung hindurch transportiert; nach dem Transport durch
die Dichtung expandieren die pastösen Medien und werden abgestreift.
Nach einer Betriebszeit von wenigen Monaten bei üblicherweise 300–1500 Zyklen
pro Tag nimmt der Effekt durch Verschleiß der Dichtung noch zu, so
daß eine Überholung
der Förder-
bzw. Dosiereinrichtung erforderlich wird.
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Wenn die zu fördernden bzw. zu dosierenden Medien
abrasive Füllstoffe
(Metallpartikel oder mineralische Partikel, z.B. Quarzmehl) enthalten,
wie es bei Antidröhnbeschichtungen
und Unterbodenschutz üblich
ist, erzeugen diese Partikel an Stellen hoher Strömung und
vor allem im Bereich der Primärdichtung
hohen Verschleiß.
Die Partikel bzw. Teilchen werden in die relativ weichen Dichtungsteile
gedrückt und
wirken dann wie Schleifkörper.
Dies führt
zu sehr schnellem Verschleiß und
zur Riefenbildung in der Oberfläche
der Kolbenstange und/oder der zylindrischen Gehäuseinnenfläche. Die Dichtungsanordnung
hat eine kurze Standzeit und es sind teure Reparaturen erforderlich.
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Entsprechend liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung zu schaffen die auch
zum Abdichten von hochviskosen Klebern und Dichtpasten sowie von
fluiden Medien geeignet ist, die abrasive Füllstoffe enthalten. Der Erfindung liegt
weiter die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer
in einer solchen Dichtungsanordnung verwendbaren Ringdichtung anzugeben.
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Der die Dichtungsanordnung betreffende
Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs
gelöst.
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Danach zeichnet sich die erfindungsgemäß vorgesehene,
metallische Ringscheibe vor allem dadurch aus, daß sie in
einer dichtenden Kante endet und daß die innere Umfangsfläche der
metallischen Ringscheibe, die von der dichtenden Kante ausgeht, gegenüber der
dichtenden Kante zurückspringt,
d. h. nicht an dem Bauteil anliegt, das abzudichten ist. Dadurch
ist gewährleistet,
daß die
dichtende Kante sicher an der abzudichtenden Gegenfläche anliegt
und das unter Druck stehende Material, insbesondere darin enthaltener
Partikel, nicht zwischen der inneren Umfangsfläche des Kegelbereiches und
der Gegenfläche
hindurchgelangen können.
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Der Anspruch 2 ist auf ein vorteilhaftes
Material für
die Ringscheibe gerichtet.
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Mit den Merkmalen der Ansprüche 3 und
4 wird eine besonders vorteilhafte Materialpaarung erreicht.
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Die Merkmale der Ansprüche 5 und
6 werden vor allem dann eingesetzt, wenn das zu fördernde Medium
durch Kleber, wie Polyurethankleber, oder vergleichbare Pasten gebildet
ist.
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Die Ansprüche 7 bis 9 sind auf weitere
vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung gerichtet.
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Der das Herstellverfahren betreffende
Teil der Erfindungsaufgabe wird nüt den Merkmalen des Anspruchs
10 gerichtet, das durch die Merkmale des Anspruchs 11 in vorteilhafter
Weise weitergebildet wird.
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Die Funktionstüchtigkeit der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung
beruht u.a. auf folgendem:
- – Durch die Verwendung der
relativ harten metallischen Ringscheibe können sich keine Partikel in die
Dichtung drücken.
- – Der
Verschleiß der
metallischen Ringscheibe ist außerordentlich
gering.
- – Bei
einer Dichtungskontur mit schmaler spitzwinkliger Anlagefläche wird
das Material von der Außenfläche des
beweglichen Bauteils, wie der Kolbenstange, abgestreift und die
Partikel schwimmen im fluiden Medium vor der Dichtlippe her.
- – Die
Dichtung kann mehrteilig sein; die eigentliche Dichtlippe wird durch
eine definierte Feder- bzw. Vorspannkraft angedrückt und besitzt eine ausreichende
Nachsetzmöglichkeit.
Dadurch wird eine lange Standzeit erreicht.
- – Der
Einbauraum der Dichtung wird so gestaltet, daß gegebenenfalls nach längerer Einsatzdauer in
geringer Menge durchtretendes Material beispielsweise durch einen
Spülmittelkanal
abgeleitet werden kann.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer
Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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Es stellen dar:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung,
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2 einen
Längsschnitt
durch eine abgeänderte
Ringscheibe,
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3 einen
Längsschnitt
durch eine axiale Wellendichtung,
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4 einen
Längsschnitt
durch einen herkömmlichen
Dosierer und
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5 einen
Längsschnitt
durch eine herkömmliche
Dichtungsanordnung.
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In 1 sind
für der
Dichtungsanordnung gemäß 5 funktionsgleiche Bauteile
die gleichen Bezugszeichen verwendet, so daß diese Teile nicht nochmals
erläutert
werden.
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Der Unterschied der Dichtungsanordnung gemäß 1 gegenüber der der 5 liegt vor allem in der Ausbildung der
Primärdichtung 22,
die im Ausschnitt a) in vergrößertem Maßstab dargestellt ist:
Der Ansatz 14 des Gehäuseteils 3 ist
an seinem axial und radial äußeren Ende
mit einer Ringnut 24 ausgebildet, in der ein Dichtring 26 aus
elastomerem Werkstoff in Form eines O-Rings angeordnet ist, der einen
in sich ebenen, ringförmigen
Grundbereich 28 einer Ringscheibe 30 aus federhartem
Edelstahl an eine Gegenfläche
der Ringausnehmung 16 des Gehäuseteils drückt. Der Dichtring 26 bewirkt,
daß kein Material
aus dem Druckraum gehäuseseitig
außerhalb
der Ringscheibe 30 in den Raum hinter der Primärdichtung 22 gelangen
kann.
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Der Grundbereich 28 der
Ringscheibe 30, die bevorzugt zwischen 0,1 und 0,3 mm dick
ist, geht über
einen gekrümmten
Bereich in einen Kegelbereich 32 über, dessen freies Ende an
der Außenfläche der
Kolbenstange 2 unter elastischer Vorspannung anliegt. Der
Winkel zwischen dem konisch verlaufenden Kegelbereich 32 und
der Achse der Kolbenstange 2 ist kleiner als 90° und beträgt beispielsweise
zwischen 20 und 50°.
Das gemäß 1 linke vordere Ende des
Kegelbereiches 32 ist durch eine scharfe Kante 34 gebildet,
die im Auschnitt b) gegenüber
dem Ausschnitt a) in vergrößertem Maßstab dargestellt
ist. Von der Kante 34 aus verläuft die innere Umfangsfläche 36 des
vorderen Endes des Kegelbereiches 32 bevorzugt nicht parallel
zur Achse der Kolbenstange 6, sondern springt etwas zurück und bildet
mit ihr einen Winkel α von
weniger als 10°,
vorzugsweise 5°.
Die der Ringausnehmung 16 zugewandte Stirnfläche des
Gehäuseteils 4 ist
abgeschrägt,
sodaß eine
dem Kegelbereich 32 entsprechende Schrägfläche 37 gebildet ist,
mittels der Platz für
den Kegelbereich 32 geschaffen ist.
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Auf folgende Details der beschriebenen Dichtungsanordnung,
die vorteilhaftennreise vorhanden sind, wird besonders hingewiesen:
- – Die
Ringscheibe 30 bzw. das vordere Ende des Kegelbereiches 32 muß mit Vorspannung
an der Außenfläche der
Kolbenstange 2 anliegen, so daß von Anfang an gewährleistet
ist, daß aus
dem Ringspalt 8 (1b)
zwischen der Einlaßkanal 6 und
dem Gehäuseteil 32 kein
unter Druck stehendes Medium zwischen dem Kegelbereich 32 und der
Kolbenstange 2 hindurchdringen kann, sondern der Kegelbereich 32 in
verstärkte
Anlage an die Kolbenstange 2 gedrängt wird.
- – Das
vordere Ende des Kegelbereiches 32 mit der Kante 34 und
der Umfangsfläche 36 muß eine sehr
exakt definierte Geometrie mit engen Toleranzen aufweisen.
- – Die
Oberfläche
der Kante 34 und der Umfangsfläche 36 muß eine sehr
geringe Oberflächenrauhigkeit
haben und für
einen geringen Verschleiß relativ
hart sein.
- – Die
Gegenfläche
der Kolbenstange 2 muß ebenfalls
eine geringe Rauhigkeit und eine große Härte aufweisen.
- – Idealerweise
sollte die Paarung zwischen dem vorderen Ende des Kegelbereiches 32 und
der Außenfläche der
Kolbenstange 6 möglichst
geringe Losbrechkräfte
benötigen
(geringerer "Stick-Slip" Effekt).
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Die vorgenannten Eigenschaften sind
mit üblichen
Werkstoffen und Fertigungsverfahren nur schwierig zu erreichen.
Besonders die Herstellung der Ringscheibe 30 und die erforderliche
Härte der Gegenfläche der
Kolbenstange 2 erfordern neue Herstellverfahren.
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Die Ringscheibe 30 wird
daher wie folgt hergestellt: Aus federhartem Blech mit einer Dicke
bevorzugt zwischen 0,1 und 0,3 mm (je nach Anwendungszweck) wird
eine Ringscheibe beispielsweise mittels Laser- oder Wasserstrahlschneiden oder durch
Stanzen hergestellt. Anschließend
wird die noch ebene Ringscheibe durch Tiefziehen oder Drücken so
umgeformt, daß der
Kegelbereich 32 entsteht und über einen Übergangsradius mit dem im wesentlichen
unverformten Grundbereich 28 verbunden ist. Der Durchmesser
des Kegelbereiches 32 an dessen vorderen Ende ist dabei
etwas kleiner als der Durchmesser der Kolbenstange 2, gegen
die abgedichtet werden soll, so daß im eingebauten Zustand der
Kegelbereich 32 mit Vorspannung an der Kolbenstange 2 anliegt.
Die Vorspannung und die Servowirkung (zusätzliche Anpressung bei Druckbeaufschlagung)
sowie das Nachsetzverhalten sind somit über den Durchmesser des freien
Endes des Kegelbereiches 32, den Kegelwinkel und die mechanischen
Eigenschaften des Materials der Ringscheibe 30 bestimmt.
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Die Ringscheibe 30 mit dem
Grundbereich 28 und dem Kegelbereich 32 wird anschließend im Bereich
der Kante 34 spanend fein bearbeitet, um die erforderliche
Oberflächengüte zu erreichen.
Die spanende Bearbeitung erfolgt vorteilhafterweise durch Honen.
Um die gewünschte
Spitzwinkligkeit der Dichtkante 34 bzw. den gewünschten
Verlauf der Umfangsfläche 36 zu
erreichen, wird die Ringscheibe 30 im Kegelbereich 32 elastisch
aufgeweitet und in diesem Zustand bearbeitet, da nur zylindrisch
gehont werden kann.
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Der Einbau in das Gehäuseteil 4 mit
Hilfe des Dichtrings 26 sorgt für einen sicheren Halt der Ringscheibe 30 und
für eine
Abdichtung gegenüber
Material, das zwischen der Ringscheibe 30 und dem Gehäuseteil 4 eindringt.
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Die metallische Ringscheibe 30 kann
in vorhandene Geräte
nachgerüstet
werden, indem entsprechende Ausgleichsringe mit einer Nut für den Dichtring 26 vorgesehen
werden.
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Übliche
Kolbenstangen haben einsatzgehärtete
Oberflächen,
die durch Schleifen und zusätzliches
Polieren fein bearbeitet sind und gegebenenfalls noch mit einer
zusätzlichen
Hartchromschicht versehen sind. Die damit erzielbare Oberfläche ist bezüglich Härte und
Oberflächengüte nur eingeschränkt tauglich.
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Für
eine überlegene
Funktionstüchtigkeit
der Dichtungsanordnung wird daher die Oberfläche der Kolbenstange 2 mittels
einer a-C:H-Beschichtung versehen, die eine annähernd diamantharte, amorphe
Kohlenstoffschicht von geringer Dicke (etwa 3–5 μm) mit besonders guten Gleiteigenschaften
aufweist. Das vordere Ende des Kegelbereiches 32 kann ebenfalls
mit einer a-C:H-Beschichtung
versehen werden.
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Die a-C:H-Beschichtung wird aus der
Gasphase (Plasma) in Vakuum abgeschieden und läßt sich sehr gut auf Stahlteile
auftragen. Die Verarbeitungstemperatur liegt deutlich unterhalb
der Anlaßtemperatur
für einsatzgehärteten Stahl.
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Mit Hilfe der vorgenannten Maßnahmen
ergibt sich für
die gesamte Abdichtungsproblematik bei der Hochdruckverarbeitung
von Klebern, Pasten, Dämmstoffen
usw., insbesondere wenn diese mit abrasiven Stoffen angereichert
sind, überlegene
Eigenschaften.
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Die Ringscheibe kann aus jedwelchem
geeigneten federharten Material bestehen und muß nicht zwangsläufig aus
Edelstahl sein.
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Der Dichtring 26 kann alternativ
auch auf der dem Gehäuseteil 4 zugewandten
Seite der Grundbereiches 28 angeordnet sein.
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2 zeigt
eine abgeänderte
Ausführungsform
einer Ringscheibe 30, bei der der Grundbereich 28 über einen
zylindrischen Bereich 40 in den Kegelbereich 32 übergeht.
Das Gehäuseteil 4 weist
anstelle der Schrägfläche 37 (1a)) eine Abstufung auf.
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Die geschilderte Dichtungsanordnung
kann in vielfältiger
Weise eingesetzt werden, z. B. für
- – radiale
Abdichtung drehender Wellen oder Drehdurchführungen,
- – axiale
Abdichtung drehender Wellen und
- – Abdichtung
von Kolben in Zylindern.
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a) Radiale Wellendichtung:
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Bei innerer Abdichtung kann der Aufbau
der Dichtung wie in 1 dargestellt
sein, wobei die Ringscheibe 30 im Gehäuse feststeht und sich die Welle
relativ dazu dreht.
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Bei äußerer Abdichtung kann die Ringscheibe
auf der Welle befestigt sein und sich mit dieser drehen. Die Gegenlauffläche wird
dann von einer zylindrischen Buchse gebildet, die an ihre Innenfläche entsprechend
behandelt ist.
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Die Ringscheibe weist dann einen
ausgehend von ihrem Innnendurchmesser h planen, ringförmigen Grundbereich
und einen sich nach außen konisch
aufweitenden Kegelbereich auf. Die Dichtkante an Außenumfang
wird durch Rundschleifen oder Läppen,
gegebenenfalls auch im vorgespannten Zustand, fein bearbeitet.
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b) Axiale Wellendichtung
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Bei still stehender Ringscheibe ist
diese Dichtung gem. 3 aufgebaut.
Eine Stirnfläche 70 einer
Hohlwelle 72 bildet eine Anlagefläche für die Ringscheibe 30,
deren gehäusefest
eingespannter Grundbereich radial verläuft. Einer zentralen Bohrung 74 der
Hohlwelle 72 wird unter Druck stehendes Fluid zugeführt. Die
Ringscheibe wird im vorgespannten Zustand am stirnseitigen Rand
des Kegelbereiches durch Planschleifen oder Läppen fein bearbeitet. Die Gegenlauffläche wird
durch einen Ring oder einen ringförmigen Absatz auf der Welle
bzw. deren Stirnfläche
gebildet und ist im Bereich des Reibkontakts oder insgesamt entsprechend
gehärtet und
beschichtet.
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Bei mitlaufender Ringscheibe ist
die Ausbildung ähnlich
wie bei der außen
dichtenden radialen Wellendichtung; lediglich die Dichtkante bzw.
die Umfangsfläche 36 verläuft axial.
Die Ringscheibe 30 wird im vorgespannten Zustand am stirnseitigen
Rand des Kegelbereiches (größerer Durchmesser)
durch Planschleifen oder bevorzugt Läppen fein bearbeitet. Die Gegenlauffläche wird
durch einen Ring im Gehäuse
gebildet und ist im Bereich des Reibkontaktes oder insgesamt entsprechend
gehärtet
und beschichtet.
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Es versteht sich, daß weitere
Kombinationen der beschriebenen Bauformen, je nach Anwendungsfall,
denkbar sind, beispielsweise axial stillstehend mit Abdichtung an
der Wellemaußenseite,
z.B. bei einer großen
Welle stirnseitig, mit höherem
Druck auf der Wellenseite, oder axial mitlaufend am kleineren Durchmesser,
z.B. bei einer großen
Welle mit höherem
Druck auf der Gehäuseseite.
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c) Kolbendichtung
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Für
die Abdichtung eines oszillierenden Kolbens in einem Zylinder (z.B.
bei Hochdruckpumpen) wird die Bauform der Dichtungsanordnung entsprechend
der mitlaufenden Wellendichtung gewählt, und die Laufbuchse wird
an der Innenfläche
gehärtet
und beschichtet. Gegebenenfalls können zwei gleiche Ringscheiben
gegeneinander spiegelbildlich eingebaut werden, um beidseitig oder
wechselseitig wirksamen Druck abzudichten.