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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dichtring zum Abdichten eines Spalts zwischen einem ersten Maschinenteil mit einer Nut und einem zweiten zu dem ersten Maschinenteil konzentrischen und beweglichen Maschinenteil, der im Querschnitt gesehen im wesentlichen drei ineinander übergehende Dichtringbereiche umfaßt: Einen ersten Dichtringbereich mit zwei voneinander beabstandeten Absätzen, die jeweils eine am Nutgrund der Nut anlegbare Absatzkante umfassen, die zur anderen Absatzkante einen Abstand L1 besitzt; einen zweiten Dichtringbereich, bei dem die Absätze zu einer Anlagefläche des zweiten Maschinenteils hin in geneigt auseinanderlaufende Dichtringflanken übergehen, die sich bis zu Flankenkanten erstrecken; einen dritten Dichtringbereich mit einer Dichtringfläche zur Anlage am zweiten Maschinenteil, der sich an die Flankenkanten anschließt und über den die Flankenkanten miteinander verbunden sind, wobei der Dichtring von den Absatzkanten bis zur Dichtfläche eine Erstreckung h1 besitzt.
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Ein derartiger Dichtring ist beispielsweise durch die
DE 43 23 266 C2 bekanntgeworden.
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Der Dichtring bildet zusammen mit den Maschinenteilen eine Dichtungsanordnung, in der der Dichtring ortsfest in dem einen Maschinenteil montiert werden kann. Das andere Maschinenteil ist gegenüber diesem Maschinenteil beweglich, vorzugsweise kann es gegenüber diesem Maschinenteil rotieren. Der Dichtring ist gegenüber radial und axial auf den Dichtring wirkenden Kräften flexibel gestaltet. Wenn beispielsweise eine Seite des Dichtrings mit Hochdruck beaufschlagt wird, so kann sich der Dichtring druckabhängig verformen. Die druckabhängigen Verformungen des Dichtrings sind reversibel, d. h., bei fallendem Fluiddruck an der Hochdruckseite bildet sich der Dichtring selbständig in seine Ausgangsprofilierung zurück.
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Der bekannte Dichtring kann mit einer maßlichen Interferenz in die Nut des Maschinenteils eingebaut werden. Unter maßlicher Interferenz ist das Übermaß eines Dichtrings bezogen auf einen Einbauraum (Nut, profilierter Abschnitt) zu verstehen. D. h., wenn ein Dichtring mit Übermaß gefertigt ist, so kann er nur unter Materialverpressung in den Einbauraum eingebracht werden. ist ein derartiger Dichtring montiert, so befindet er sich unter einer gewissen Eigenvorspannung im Einbauraum.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den bekannten Dichtungsring derart weiterzubilden, daß das Reibkraft- und Extrusionsverhalten im Bereich der dynamischen Abdichtung sowohl bei geringer bzw. nicht vorhandener Fluiddruckbeaufschlagung als auch bei Druckbeaufschlagung verbessert wird.
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Bei einem erfindungsgemäßen Dichtring ist der zweite Dichtringbereich derart ausgebildet, daß infolge einer Druckbeaufschlagung der Dichtring zur Niederdruckseite hin verschwenken kann.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Übergangsbereich zwischen dem ersten und zweiten Dichtringbereich seitliche Ausnehmungen mit Ausnehmungsflanken und einem Ausnehmungsgrund vorgesehen sind, daß die Ausnehmungen eine Profilposition h2 zwischen der Mitte der Ausnehmungen und der Dichtfläche und eine Ausnehmungsbreite h3 zwischen den Ausnehmungsflanken aufweisen und mit ihren Ausnehmungsgründen einen Dichtringsteg mit einer Stegbreite L2 begrenzen, wobei gilt: L2 = (0,3 bis 1,0)·L1; h2 = (0,2 bis 0,8)·h1; H3 = (0,06 bis 0,6)·h1.
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Der erfindungsgemäße Dichtring weist eine Körpergeometrie auf, die es erlaubt, daß die Übermaße bezogen auf die Nut im Bereich der statischen Abdichtung am Nutgrund über zwei vorstehende Absätze und auf die Absätze abgestimmte Ausnehmungen kompensiert werden. Diese Maßnahmen gewährleisten, daß die Reibwerte im dynamischen Abdichtbereich kleingehalten werden können, d. h. an der dynamisch wirkenden Dichtfläche wird der Dichtring nicht gedehnt. Materialermüdungen sind deshalb in diesem Bereich auch auszuschließen, wenn der Dichtring im nichtfluidruckbeaufschlagten Zustand (0-bar-Bereich) verwendet wird. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Dichtrings können deshalb große Interferenzen realisiert werden, ohne daß ein hohes Reibkraftniveau bei Niederdruck oder ohne Druckbeaufschlagung im Bereich der dynamischen Abdichtung entsteht. Die radiale Vorspannung des erfindungsgemäßen Dichtrings ist damit flexibel über den veränderbaren Formwiderstand des Dichtrings im Bereich der statischen Abdichtung einstellbar. Weiterhin können mit dem erfindungsgemäßen Dichtring Toleranzen in einem weiten Bereich ohne eine Verschlechterung der Dichtfunktion ausgeglichen werden.
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Im drucklosen Zustand der Dichtungsanordnung wird die durch die maßliche Interferenz bedingte Vorspannkraft des Dichtrings auf das zweite Maschinenteil im Bereich der statischen Abdichtung definiert abgebaut.
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Wird der erfindungsgemäße Dichtring druckbeaufschlagt, so legt er sich mehr oder weniger stark an einer ortsfesten Fläche innerhalb der Nut an. Dabei verformt sich der Dichtring derart, daß sich im dynamischen Abdichtbereich ein Pressungsmaximum einstellt, das sich mit steigendem Druck verstärkt. Der Dichtring liegt in einem zunehmenden Maße nur noch in Linienberührung auf der Anlagefläche des zweiten Maschinenteils. Der Dichtring kann unter Druck zur Niederdruckseite hin flexibel ausweichen, indem er sich aus der Ausgangslage verschwenkt, um bei fallendem Druck wieder in die Ausgangslage zurückzuschwenken. Bei steigendem Fluiddruck ist eine noch weitere Entlastung in dem oben angesprochenen dritten Dichtringbereich möglich, weil sich der Dichtring innerhalb des ersten Dichtringbereiches verformen und Spannungen abbauen kann. Der durch Absätze zum Nutgrund hin begrenzte Freiraum wird durch eine in radialer Richtung wirkende Druckkomponente des anliegenden Druckmediums geschlossen.
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Die erfindungsgemäßen Ausnehmungen zwischen dem ersten und zweiten Dichtringbereich gewährleisten es, daß eine Entlastung innerhalb des dynamischen Abdichtbereichs auch bei geringer Fluiddruckbeaufschlagung eintritt. Aus diesem Grund ergeben sich reduzierte Reibmomente (Reibungskräfte) im Bereich der Dichtfläche. Die Neigung zur Spaltextrusion tritt gegenüber dem bekannten Dichtring in geringerem Maße auf.
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In einer Ausführungsform des Dichtrings sind die Ausnehmungen auf einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite unterschiedlich tief und/oder breit ausgebildet. Dies hat den Vorteil, daß der Dichtring über die Dimensionierung der Ausnehmungen an unterschiedlichste Dichtungsprobleme einfach anpaßbar ist. Durch die unterschiedliche Wahl von Ausnehmungen kann das Zusammenspiel zwischen den verformbaren Absätzen und den Ausnehmungen noch verbessert werden. Derartige Dichtringgeometrien tragen dazu bei, spezielle fallspezifische Probleme lösen zu können.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist der Dichtring symmetrisch aufgebaut. Dies hat den Vorteil, daß der Dichtring erleichtert montiert werden kann, ohne daß auf eine bestimmte Einbaulage geachtet werden müßte.
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Die Absätze des ersten Dichtringbereichs können beispielsweise aufgrund der gewählten Dichtringmaterialien spreizbar ausgebildet sein und miteinander einen druckabhängig veränderbaren Winkel einschließen. Die Absätze übernehmen die Funktion von Scharnieren, die sich druckabhängig mehr oder weniger stark öffnen oder schließen. Durch das gummielastische Material, z. B. Polyurethan, oder eine Mischung von verschiedenen gummielastischen Materialien, ist es möglich, daß der erfindungsgemäße Dichtring die Dichtfunktion immer druckangepaßt übernehmen kann.
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Eine besondere Verwendung des erfindungsgemäßen Dichtrings ergibt sich für Drehdurchführungen in der Hydraulik, insbesondere bei Baggern und ähnlichen Geräten. Der erfindungsgemäße Dichtring entspricht damit allen erweiterten Anforderungen, die im Hydraulikbereich gestellt werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung, anhand der Zeichnung, die wesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Es zeigt:
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1 einen erfindungsgemäßen Dichtring im Querschnitt ohne einen beispielsweise durch eine Nut gebildeten Einbauraum, für den dieser Dichtring vorgesehen ist,
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2 einen weiteren erfindungsgemäßen Dichtring im Querschnitt ohne Einbauraum.
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Die Erfindung ist in den Figuren schematisch dargestellt, so daß die wesentlichen Merkmale der Erfindung gut zu erkennen sind. Die Darstellungen sind nicht notwendigerweise maßstäblich zu verstehen.
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Die Querschnittsgeometrie eines Dichtrings 10 nach 1 läßt sich im wesentlichen in drei Dichtringbereiche 11, 12 und 13 unterteilen. Der erste Dichtringbereich 11 ist gekennzeichnet durch die spreizbar ausgebildeten Absätze 14 und 15. Die Absätze 14 und 15 besitzen jeweils eine Absatzkante 16 bzw. 17. Absatzflächen 18 und 19 weisen einen gemeinsamen Schnittpunkt 20 auf, so daß die Absätze 14 und 15 einen Öffnungswinkel α miteinander einschließen. Ansonsten sind die verschiedensten Absatzkonturen denkbar. In der 1 ist der Dichtring 10 im Fertigungszustand gezeigt. Im Einbauzustand wird der Dichtring 10 unter Vorspannung in eine nicht dargestellte Nut eines Maschinenteils eingebaut, so daß sich der Winkel α bereits durch eine Verformung beim Einbau verändert. Unter Druckbeaufschlagung wird sich der Winkel α stetig verringern. An Stelle der Nut kann das Maschinenteil auch lediglich einen profilierten Abschnitt aufweisen, mit dessen Hilfe der Dichtring 10 vorgespannt gehalten werden kann.
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Unterhalb der beiden Absätze 14 und 15 sind Ausnehmungen 21 und 22 eingearbeitet. Die Ausnehmungen 21 und 22 können unterschiedlich tief und breit mit unterschiedlicher Querschnittsgeometrie ausgebildet sein. Die Ausnehmungen 21 und 22 weisen Ausnehmungsflanken 23 bis 26 auf. Die Ausnehmungsflanken 23 bis 26 enden jeweils an einem Ausnehmungsgrund 27 bzw. 28. Ein Übergangsbereich zwischen dem ersten Dichtringbereich 11 und dem zweiten Dichtringbereich 12 wird durch die Ausnehmungen 21 und 22 definiert. Erfindungsgemäß ist es erforderlich, daß sich die Ausnehmungen 21, 22 innerhalb eines Dichtringbereichs 12 befinden, der einerseits durch die Absätze 14 und 15 und andererseits durch Flankenkanten 29 und 30 begrenzt wird. An die Ausnehmungen 21 und 22 schließen sich Dichtringflanken 31 und 32 des zweiten Dichtringbereichs 12 an. Der dritte Dichtringbereich 13 zeichnet sich durch eine ballige Dichtfläche 33 aus, über die die Flankenkanten 29 und 30 miteinander verbunden sind. Es ist auch möglich, bei einer anderen Ausführungsform statt der balligen, runden Gestaltung des Dichtringbereichs 13 einen Dichtringbereich mit Polygonzügen vorzusehen, die keilspaltartige Anlageformen der Dichtfläche 33 am zweiten Maschinenteil bilden können. Die Dichtfläche 33 grenzt an die Flankenkanten 29 und 30 unter Ausbildung von Stufen 34 und 35 an.
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Wenn der Dichtring 10 in Pfeilrichtung 36 druckbeaufschlagt wird, kann der Dichtring 10 in diese Pfeilrichtung 36 verschwenken, wobei die Absätze 14 und 15 verstärkt im Bereich des Nutgrunds angepreßt werden. Im Bereich der Dichtfläche 33 kann daher eine Entlastung eintreten. Auch ohne Druckbeaufschlagung kann die Dichtfläche 33 bei einer Rotation des zweiten Maschinenelements entlastet werden, weil die Absätze 14 und 15 mit den Ausnehmungen 21 und 22 federnd zusammenwirken können. Der erste Dichtringbereich 11 weist eine erhöhte Flexibilität auf.
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Die Flexibilität des Dichtrings 10 wird entscheidend dadurch bestimmt, wie die Absätze 14 und 15 ausgebildet und angeordnet sind, und in welcher Weise die Ausnehmungen 21 und 22 eingearbeitet sind. Ein erster Parameter für die Güte der Flexibilität stellt die Tiefe der Ausnehmungen 21 und 22 dar. Die Absatzkanten 16 und 17 definieren einen Abstand L1. Die Ausnehmungsgründe 27 und 28 begrenzen eine Stegbreite L2. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde L2 = 0,5 L1 gewählt. Wichtig ist es, daß sich die Ausnehmung 21 bzw. 22 mindestens bis zu einer gedachten lotrechten Linie erstreckt, die von den Absatzkanten 16 bzw. 17 zur Dichtfläche 33 verläuft. Die Ausnehmungen 21 und 22 durchdringen dann die von den Absatzkanten 16 und 17 ausgehenden Spannungszonen des eingebauten und verpressten Dichtrings 10.
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Ein weiterer Parameter besteht darin, die Anordnung der Ausnehmungen 21 und 22 über die Profilhöhe des Dichtrings 10 zu definieren. Eine Erstreckung h1 kennzeichnet die Profilhöhe von den Absatzkanten 16 bzw. 17 bis zur Dichtfläche 33. Mit einer Profilposition h2 ist der Abstand zwischen den Mitten der Ausnehmungen 21 und 22 und der Dichtfläche 33 gemeint. Das Verhältnis von h2 zu h1 beträgt im Ausführungsbeispiel 0,8. Zwingend erforderlich ist es, daß sich die Ausnehmungen 21 und 22 zwischen den Seitenkanten 37 und 38 und den Flankenkanten 29 und 30 befinden.
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Darüber hinaus wirkt es sich auf das Flexibilitätsverhalten des Dichtrings 10 aus, wie groß eine Ausnehmungsbreite h3 in bezug auf die Höhe h1 gewählt ist. Nur ab einer bestimmten Größe der Ausnehmungsbreite h3 können die Absätze 14 und 15 bei geringer Fluiddruckbeaufschlagung in Pfeilrichtung 36 die Dichtfläche 33 entlasten. h3:h1 beträgt bei dem Dichtring 10 0,133.
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In der 2 ist eine Querschnittsdarstellung eines Dichtrings 40 zu erkennen. Der Dichtring 40 weist drei Dichtringbereiche auf, die unterschiedlichen Funktionen zuzuordnen sind. Ein erster Dichtringbereich 41 kann unterschiedlich elastisch verformt werden, um den dritten Dichtringbereich 43 im Bereich der dynamischen Abdichtung zu entlasten. Absätze 44 und 45 sind spreizbar und unter einem Winkel α miteinander verbunden. Absatzkanten 46 und 47 besitzen einen Abstand L1 zueinander. Absatzflächen 48 und 49 können mit einem nicht dargestellten Nutgrund einen Freiraum begrenzen, der sich druckabhängig verändern kann. Ausnehmungen 51 und 52 unterstützen das elastische, druckabhängig verformbare Reaktionsverhalten der Absätze 44 und 45. Die Ausnehmungen 51 und 52 umfassen Ausnehmungsflanken 53 bis 56 und Ausnehmungsgründe 57 und 58.
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Der zweite Dichtringbereich 42 erstreckt sich bis zu den Flankenkanten 59 und 60. Dichtringflanken 61 und 62 bieten breite Angriffsflächen für eine Druckbeaufschlagung, so daß der Dichtring 40 verschwenken kann, indem die Dichtfläche 63 entlastet wird und linienhaft an einem zweiten Maschinenteil anliegt. Die Dichtfläche 63 ist unter Ausbildung von Stufen 64 und 65 mit den Dichtringflanken 61 und 62 verbunden. Die Ausnehmungen 51 und 52 befinden sich in einem von Seitenkanten 66 und 67 und den Flankenkanten 59 und 60 begrenzten Bereich. h1 bezeichnet die Profilhöhe des Dichtrings 40 von der Dichtfläche 63 bis zu den Absatzkanten 46 und 47. h2 definiert eine Profilposition zwischen der Mitte der Ausnehmung 51 bzw. 52 und der Dichtfläche 63. h3 betrifft die Ausnehmungsbreite zwischen den Ausnehmungsflanken 55 bis 56. L2 dient der Bemaßung der Stegbreite. In dem Ausführungsbeispiel betragen die Verhältnisse L2:L1 = 0,8, h2:h1 = 0,8 und h3:h1 = 0,133.
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Ein Dichtring 10 kann zum Abdichten eines Spalts zwischen zwei zueinander konzentrischen und gegeneinander beweglichen Maschinenteilen eingesetzt werden. Das erste Maschinenteil besitzt eine Nut zur Aufnahme des Dichtrings 10. Der Dichtring 10 umfaßt im Querschnitt gesehen zwei voneinander beabstandete Absätze 14, 15, deren Absatzkanten 16, 17 einen Abstand L1 zueinander besitzen. Der Dichtring 10 besitzt von den Absatzkanten 16, 17 bis zur Dichtfläche 33 eine Erstreckung h1. Ausnehmungen 21, 22 weisen eine Profilposition h2 zwischen der Mitte einer Ausnehmung 21, 22 und der Dichtfläche 33 und eine Ausnehmungsbreite h3 zwischen den Ausnehmungsflanken 23–26 auf und begrenzen mit ihren Ausnehmungsgründen 27, 28 einen Dichtringsteg mit einer Stegbreite L2. Dabei gilt: L2 = (0,3 bis 1,0)·L1; h2 = (0,2 bis 0,8)·h1; h3 = (0,06 bis 0,6)·h1. Das Reibkraft- und Extrusionsverhalten im Bereich der dynamischen Abdichtung wurde dadurch sowohl bei geringer bzw. nicht vorhandener Fluiddruckbeaufschlagung als auch bei Fluiddruckbeaufschlagung verbessert.
