DE19818475A1 - Fluiddichtungsanordnung und Verfahren zur Abdichtung - Google Patents
Fluiddichtungsanordnung und Verfahren zur AbdichtungInfo
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Abstract
Es ist häufig erforderlich, flüssigkeits- oder gasgefüllte Volumina gegen die Umgebung abzudichten. Dichtelemente sollen zugleich Spiel, laterale Toleranzen, temperaturvariationsbedingte Abmessungsänderungen usw. kompensieren. In der technischen Hydraulik sind O-Ringe üblich. Zur kostengünstigen und dennoch guten Abdichtung mit hinreichender Elastizität wird nun vorgeschlagen, daß zur Abdichtung von gegeneinander beweglichen Teilen an wenigstens einem Teil an der Grenzfläche zum anderen Teil eine Ausnehmung vorgesehen wird, beide Teile zusammengefügt werden und die Ausnehmung mit einer Dichtmasse durch einen Angußkanal befüllt wird. Die Dichtmasse wird mit hohem Druck von z. B. 500 bis 2000 bar eingespritzt und kann durch insbesondere induktives Erwärmen des Teiles konditioniert bzw. vulkanisiert werden.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem
Oberbegriff des Anspruch 1 und ein Verfahren nach dem unab
hängigen Verfahrensanspruch.
Es ist häufig erforderlich, Volumina gegen die Umgebung, bei
spielsweise andere Volumina oder mechanische Teile, fluid
dicht, d. h. flüssigkeits- oder gasdicht, abzudichten. Dies
ist z. B. bei bewegten Kolben eines hydraulischen oder pneuma
tischen Druckzylinders oder einer Wellendurchführung der
Fall. Zugleich sollen mit den Dichtelementen oft auch Spiel,
laterale Toleranzen, temperaturvariationsbedingte Abmes
sungsänderungen usw. kompensiert werden.
In der technischen Hydraulik, beispielsweise bei Kraftstoffe
inspritzventilen, Servolenkungen, Antiblockierbremssystemen,
Stoßdämpfern und dergleichen, sind preiswerte Dichtungen zur
Aufrechterhaltung eines Drucks und zur Verhinderung eines
Fluidverlustes gewünscht. Bei der Einspritzung von Kraftstoff
in den Brennraum sind ebenfalls Dichtungen erforderlich. Der
artige System sind in einer Vielzahl von Schriften. Beispiele
finden sich etwa in der DE 43 06 072 C2, DE 43 06 073 C1, DE
44 06 522 C1, DE 44 12 948 A1, sowie DE 44 42 649 C2.
Es ist üblich, die für die gewünschten Zwecke notwendigerwei
se elastischen Dichtelemente durch O-Ringe zu realisieren,
die mit engen Toleranzen und hoher Oberflächengüte aus teuren
Grundmaterialien wie Synthesekautschuk hergestellt werden und
welche in eine präzise bemessene und gefertigte Nut einge
bracht werden müssen, ohne daß bei der Montage eine Beschädi
gung des O-Ringes auftritt. Eine durch O-Ringe realisierte
Fluiddichtung ist daher teuer.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Neues für die ge
werbliche Anwendung bereit zustellen und insbesondere, jedoch
nicht ausschließlich, eine kostengünstige und dennoch gute
Abdichtung zu erzielen, die eine hinreichende Elastizität
aufweisen kann.
Die Lösung der Aufgabe wird unabhängig beansprucht; bevorzug
te Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, das Dich
telement in der Ausnehmung selbst herzustellen und so auf
teure Anpassungen zu verzichten.
Anstelle einer teuren Oberflächenbearbeitung zur Herstellung
Präzisions-O-Ringes, die allgemein nur bei teurem Grundmate
rial möglich ist, erfolgt nun eine formgenaue Herstellung,
obwohl auch die Ausnehmung keine besonders aufwendige Bear
beitung erfordert. Dabei verbleibt das Dichtelement nach sei
ner Herstellung im Werkzeug und muß nicht mehr montiert wer
den, was den Montageaufwand verringert. Durch das bei der
Montage der beiden Teile anfangs noch fehlende Dichtelement
ist auch der Kraftaufwand wegen der verringerten Reibung
niedriger. Eine Beschädigung des Dichtelementes bei der Zu
sammenfügung wird ebenfalls sicher vermieden.
Die Dichtmasse ist vorzugsweise ein Elastomer und bevorzugt
gewählt, um die Ausnehmung optimal zu füllen. In Einzelfällen
soll ein Spalt zwischen den beiden Teilen ausgefüllt werden,
aber oft soll auch ein zu starkes Einwandern der Masse zwi
schen die beiden Teile, etwa zwischen Kolben und Zylinder
verhindert werden. Um diese Forderungen mit gewünschten
Endeigenschaften der Dichtmasse zu vereinen, werden der
Spritzdruck, die Plastizität, die Ausnehmungsgeometrie und
die Temperatur der Dichtmasse geeignet gewählt; erforderli
chenfalls kann ein Teil oder beide Teile auf eine Temperatur
bzw. mit einem Temperaturverlauf aufgeheizt werden, bei der
die Dichtmasse die zum Einspritzen notwendige Viskosität er
hält, die Dichtmasse aushärtet, eine Gummidichtmasse in der
Ausnehmung vulkanisiert oder eine Keramikdichtmasse einge
brannt wird.
Durch die Temperaturbehandlung und gegebenenfalls nach einer
Warteperiode können gewünschte Eigenschaften der fertigen
Dichtmasse erreicht werden.
Eine etwaige Schrumpfung bei Vulkanisieren des Dichtelementes
wird kompensiert, wenn die Dichtmasse mit hohem Druck von
z. B. 500 bis 2000 bar eingespritzt wird, worauf die Dichtma
sse die Ausnehmung immer mit einem gewissen Anpressdruck ge
gen das andere Teil ausfüllt und eine Abdichtung stets ge
währleistet. Eine vollständige Ausfüllung der Ausnehmung kann
erreicht werden, indem zusätzlich zur Angußöffnung noch eine
Abflußöffnung für im Überschuß eingespritzte Dichtmasse vor
gesehen wird und/oder indem die Ausnehmung durch die Anguß
öffnung oder andere Bohrungen vor oder während des Einsprit
zens evakuiert wird.
Das Dichtelement füllt die Ausnehmung wenigstens weitgehend
aus, ist also damit nach innen allgemein formschlüssig und
reicht auf der Außenseite bis an das gegenüberliegende Teil
heran.
Bei Zylinder-Kolben-Anordnungen oder anderen Anordnungen, wo
eines der Teile in das andere eingeschoben wird, läuft die
Ausnehmung um bzw. am eingeschobenen Teil um.
Die Ausnehmung kann als Nut gebildet sein. Durch die im Ver
gleich zur Tiefe geringe Breite der Nut kann das Material
elastische Verformungen besonders gut aufnehmen.
Bevorzugt wird die Dichtmasse bei der Herstellung über einen
Angußkanal in die Ausnehmung eingebracht. Alternativ wäre es
möglich, die Dichtmasse vor der Zusammenfügung in die Ausneh
mung einzuschmieren oder auf andere Weise einzubringen, dann
die beiden Teile zusammenzufügen und danach die Dichtmasse
auszuhärten.
Es ist bevorzugt, wenn der wenigstens einen Ausnehmung im ei
nen Teil eine weitere Ausnehmung gegenüberliegt und beide mit
Dichtmasse aufgefüllt sind. Wenn dies nur während der Auf
füllung der Ausnehmung der Fall ist, kann die Dichtmasse in
den gegenüberliegenden Ausnehmungen nach Erhärten durch Ver
schiebung der Teile abgeschert werden.
Es kann jedoch auch bevorzugt sein, die Verbindung zwischen
den beiden Teilen über die Dichtmasse bestehen zu lassen.
Dies ist besonders bevorzugt bei piezoelektrisch oder magne
tostriktiv betätigten Kraftstoffeinspritzern. Derartige Akto
ren sind kurzhubig mit Stellwegen von etwa 0,1 bis 0,2% der
Aktorlänge. Der kleine Hub im Mikrometerbereich eines noch
vertretbar langen Aktors wird typisch hydraulisch übersetzt,
indem der Aktor über einen großflächigen Kolben Flüssigkeit
in einem Zylinder mit deutlich geringerem Querschnitt bewegt.
Im Betrieb des piezoelektrischen oder magnetostriktiven Ak
tors ist dieser gegen das Fluid im Zylinder abzudichten.
Nur für die Montage mußten dafür im Stand der Technik bei Re
lativbewegung von Kolben und Zylinder abrollbare O-Ringe ver
wendet werden, was durch die Formung in der Ausnehmung ver
mieden wird. Nunmehr ist eine dauerhafte Verbindung von zwei
gegenüberliegenden Ausnehmungen ermöglicht, bei welcher der
geringe Hub des Aktors und somit des davon betätigten Kolbens
keine Dichtmassenabscherung bewirkt oder erfordert. Es kann
auch Dichtmasse zwischen Zylinder und Kolben gelangen, was
die Abdichtung weiter verbessert.
Es können auch mehrere voneinander getrennte, insbesondere
längs einer Teileachse axial gegeneinander versetzte und um
laufende Ausnehmungen vorgesehen sein, um die Dichtwirkung zu
verbessern und die Betriebszuverlässigkeit zu erhöhen. Diese
axial gegeneinander versetzten Ausnehmungen werden bevorzugt
über einen gemeinsamen Angußkanal versorgt. Dazu werden vor
zugsweise in einem Kolben axial versetzte Ausnehmungen am An
gußkanal vorbeigefahren und sukzessive befüllt. Dann können
die Dichtmassen in den Ausnehmungen gemeinsam wärmebehandelt
oder gefestigt werden. Der Angußkanal kann nach der Ausneh
mungsauffüllung mit Dichtmasse und/oder einer Dichtschraube
fluiddicht verschlossen sein.
Die Dichtmasse ist bevorzugt elastisch und spritzgußfähig und
kann aus gefülltem oder ungefülltem Kunststoff, Verbundmate
rialien oder aus Keramik bestehen. Die Verwendung von Keramik
ist vorteilhaft bei Verbrennungsmotoren, wo diese Art der
Funktionskeramik durch reduzierte Reibung den Verschleiß ver
mindert, was den Treibstoffverbrauch senkt und durch die Ab
riebfestigkeit die Lebensdauer erhöht. Für die Kolbendichtung
kann die Dichtmasse von der Kolbenunterseite eingegossen wer
den, so daß im Zylinderkopf keine Angußbohrungen erforderlich
sind.
Die Erfindung wird im folgenden durch weitere Ausführungsbei
spiele anhand der schematischen Zeichnungen beschrieben. In
diesen zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Kraftstoffein
spritzvorrichtung
Fig. 2 einen Schnitt längs Linie II-II von Fig. 1
Fig. 3 eine erfindungsgemäß abgedichtete Exzenter-
Pleuelanordnung im Montagezustand
Fig. 4 die Exzenter-Pleuelanordnung von Fig. 3 im Be
trieb mit Kolbendichtung
Fig. 5 eine Exzenter-Pleuelanordnung von Fig. 3 im Be
trieb mit Stangendichtung
Fig. 6 a-d verschiedene Dichtungsanordnungen.
Nach Fig. 1 umfaßt eine allgemein mit 1 bezeichnete Fluid
dichtungsanordnung bei einem Kraftstoffeinspritzventil-
Betätiger ein mit Anschlüssen 2 versehenes Piezoelement 2a,
das in einer von einem Gehäuse 3 gebildeten Kammer 3a ange
ordnet ist. Das Piezoelement 2a drückt einerseits gegen den
Gehäuseboden 3b und andererseits gegen einen von einer Tel
lerfeder 4 in Richtung auf das Piezoelement 2a vorgespannten
Kolben 5. Der Kolben 5 ist in einem Zylinder 6 durch Variati
on der über den Anschlüssen 2 am Piezoelement 2a anliegenden
Spannung hin- und herbewegbar.
Der Zylinder 6 ist mit Fluid 7 gefüllt, welches mit einem
Fluidkanal 7a kommuniziert, der einen deutlich kleineren
Durchmesser als der Zylinder 6 aufweist. Der Fluidkanal 7a
ist wiederum als Zylinder gebildet, in welchem ein weiterer
Kolben 8 oder ein anderes zu bewegendes Element angeordnet
ist. Diese Anordnung wirkt als Hubverstärker für Piezoelement
2a.
Der Kolben 5 und der Zylinder 6 bilden eine Fluiddichtungsan
ordnung, die einen Eintritt des Fluids 7 in die Kammer 3a
verhindert.
Erfindungsgemäß umfaßt die Fluiddichtungsanordnung neben dem
Kolben 5 und dem Zylinder 6, die zwei gegeneinander bewegli
che Teile darstellen, ein Dichtelement 9, das in einer Aus
nehmung 10 in einem der beiden Teile, nämlich im Kolben 5 an
geordnet ist.
Das Dichtelement 9 besteht aus spritzgußfähigem, elastischem
Material 11, welches gleichfalls eine Angußöffnung 12 und ei
ne Abflußöffnung 12a im Zylinder 6 ausfüllt und auch in durch
Fertigungstoleranzen oder Temperaturvariation verursachte
Paß-Spalte zwischen Kolben 5 und Zylinder 6 vorliegt.
Aufgrund des nur kleinen Hubs des Piezoelementes bewegt sich
der Kolben allenfalls wenig, so daß im Betrieb die Dichtung
nicht abgeschert wird.
Das Dichtelement 9 wird erfindungsgemäß wie folgt herge
stellt: Der Kolben 5 wird in den Zylinder 6 eingesetzt und in
seine Ruheposition mit Tellerfeder 4 vorgespannt. Dann wird
Rohdichtmasse in die Angußöffnung 12 eingespritzt, bis sie
auf der gegenüberliegenden Seite bei Abflußöffnung 12b aus
tritt. Danach wird die Anordnung aufgeheizt, um der Rohdicht
masse ihre Endeigenschaften zu verleihen. Dies kann bei
spielsweise bei einer Gummirohdichtmasse durch Vulkanisieren
erfolgen, wozu die ganze Anordnung erwärmt wird oder ein Teil
der Anordnung etwa induktiv lokal erwärmt wird. Zugleich kann
auch die Rohdichtmasse 9 in den Kanälen 12 behandelt werden,
was die Kanäle abdichtet.
Fig. 3 und 4 zeigen eine weitere Zylinder-Kolben-Anordnung
20 als Fluiddichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfin
dung, die der vorstehend beschriebenen weitgehend gleich ist.
Wie zuvor umfaßt die Zylinder-Kolben-Anordnung 20 einen in
einem Zylinder 21 zu bewegenden Kolben 22, der mit einem zu
bewegenden Element, hier einer Pleuelstange 23 verbunden ist.
Kolben 22 weist eine Kolbennut 24 auf, die eine Ausnehmung
zur Aufnahme von Dichtmasse darstellt und in welche über An
gußöffnung 25 bei der Herstellung in der gezeigten Kolbenpo
sition Dichtmasse 26 eingeführt wird, um die Zylinder-Kolben-
Anordnung abzudichten. Überschüssige Dichtmasse kann dabei
über Abflußöffnung 27 entweichen.
Die Dichtmasse kann eine keramische Dichtmasse sein und in
der Kolbennut 24 eingebrannt werden.
Anders als im ersten Ausführungsbeispiel ist der Hub des Kol
bens 22 aber groß. Der große Hub würde die Dichtmasse in Kol
bennut 24 spätestens bei Inbetriebnahme von der in Angußöff
nung 25 verbliebenen Dichtmasse abscheren. Damit nicht die
Dichtmasse bei jedem Bewegungszyklus über die Kolbennut 24
reibt, erfolgt die Befüllung der Kolbennut in einer Position,
welche im Betrieb später nicht mehr eingenommen wird, vgl.
Fig. 2 und 3. Die Temperaturbehandlung zur Fertigstellung der
Dichtmasse kann dann in dieser Stellung oder nach Einfuhr des
Kolbens 22 in eine Betriebsposition erfolgen.
Das Ausführungsbeispiel der Zylinder-Kolben-Anordnung 30 von
Fig. 5 ist jenem der Fig. 2 und 3 weitgehend ähnlich, aber
die Ausnehmung für die Dichtmasse 31 ist nicht im Kolben 32,
sondern im Zylinder 33 vorgesehen. Der Kolben hat somit eine
reine Stangenform und man erhält eine konventionell nur äu
ßerst schwer zu realisierende Stangendichtung.
Die Fig. 6 stellen noch einmal verschieden erfindungsgemäße
Dichtungsvarianten nebeneinander, nämlich in Fig. 6a einsei
tige Stangen- (unten) bzw. Kolbendichtungen (oben), in Fig.
6b beidseitige Verbunddichtungen, in Fig. 6c Trapezdichtungen
mit trapezförmigen Ausnehmungen zur Dichtmassenaufnahme und
in Fig. 6d eine multiple Kolbendichtung, bei der über eine
einzige Angußöffnung 41 eine Mehrzahl von axial gegeneinander
versetzten Ausnehmungen sukzessive befüllt werden, um die Ab
dichtung unter Erhöhung der Betriebssicherheit zu verbessern.
Bei den um den Kolben umlaufenden Ausnehmungen in Zylindern
oder Wellen bildet die Dichtmasse somit erfindungsgemäß einen
am Ort der Verwendung gefertigten O-Ring.
Claims (17)
1. Fluiddichtungsanordnung mit wenigstens zwei fluiddicht ge
geneinander beweglichen Teilen, wovon wenigstens eines wenig
stens eine Ausnehmung umfaßt, welche an der Grenzfläche bei
der Teile in das eine Teil hineinvertieft ist und in welcher
ein an das andere Teil fluiddicht reichendes Dichtelement
vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement durch eine die Ausnehmung allgemein form schlüssig ausfüllende und bis an das gegenüberliegende Teil reichende Dichtmasse gebildet ist.
dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement durch eine die Ausnehmung allgemein form schlüssig ausfüllende und bis an das gegenüberliegende Teil reichende Dichtmasse gebildet ist.
2. Fluiddichtungsanordnung nach Anspruch 1, worin eines der
Teile in das andere eingeschoben ist und die Ausnehmung um
bzw. am eingeschobenen Teil umläuft.
3. Fluiddichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, worin eines der beiden Teile ein Kolben und das an
dere ein Zylinder, insbesondere ein Hydraulik- oder Pneuma
tikzylinder ist.
4. Fluiddichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
worin eines der Teile eine Welle und das andere ein Wellenla
ger und/oder eine Wellendurchführung ist.
5. Fluiddichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, worin die Ausnehmung als Nut gebildet ist.
6. Fluiddichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, worin die Ausnehmung mit einem Angußkanal für Dicht
masse kommuniziert.
7. Fluiddichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, worin der wenigstens einen Ausnehmung im einen Teil
eine zumindest zeitweilig, vorzugsweise insbesondere während
des Angusses, gegenüberliegende weitere Ausnehmung zugeordnet
ist, welche ebenfalls mit Dichtmasse aufgefüllt ist.
8. Fluiddichtungsanordnung, worin ein Teil mehrere voneinan
der getrennte, insbesondere längs einer Teileachse axial ge
geneinander versetzte und umlaufende Ausnehmungen aufweist.
9. Fluiddichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
worin einer Mehrzahl von Ausnehmungen ein gemeinsamer Anguß
kanal zugeordnet ist.
10. Fluiddichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
worin der Angußkanal nach der Ausnehmungsauffüllung mit
Dichtmasse und/oder einer Dichtschraube fluiddicht verschlos
sen ist.
11. Fluiddichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, worin die Dichtmasse ein Elastomer ist und/oder aus
spritzgußfähigem Material besteht und insbesondere aus ge
fülltem oder ungefülltem Kunststoff, Verbundmaterialien oder
aus Keramik ausgewählt ist.
12. Verfahren zur Abdichtung von gegeneinander beweglichen
Teilen, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem Teil
an der Grenzfläche zum anderen Teil eine Ausnehmung vorgese
hen wird, beide Teile zusammengefügt werden und die Ausneh
mung mit einer Dichtmasse durch einen Angußkanal ausgespritzt
wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, worin die Dichtmasse und/oder
wenigstens ein Teil vor, bei und/oder nach Einspritzen durch
Erwärmen, insbesondere induktives Erwärmen insbesondere in
duktives Erwärmen des Teiles konditioniert, insbesondere vul
kanisiert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, worin die Dichtmasse
nach Ausspritzen der Ausnehmung vom gegenüberliegenden Teil,
insbesondere einer darin vorgesehenen gegenüberliegenden Aus
nehmung durch Relativbewegung beider Teile abgeschert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, worin ein
Teil oder beide Teile auf eine Temperatur bzw. mit einer Tem
peraturkurve aufgeheizt werden, die der Masse eine gewünschte
Viskosität bei der Auffüllung der Ausnehmung verleiht, sie
aushärtet oder vulkanisiert.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, worin die
Dichtmasse mit hohem Druck von z. B. 500 bis 2000 bar einge
spritzt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, worin die
Dichtmasse im Überschuß eingespritzt wird und überschüssige
Dichtmasse durch wenigstens eine zusätzlich zur Angußöffnung
vorhandene Abflußöffnung entweicht und/oder worin die Ausneh
mung durch die Angußöffnung oder andere Bohrungen vor oder
während des Einspritzens evakuiert wird.
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