DE19818475A1 - Fluiddichtungsanordnung und Verfahren zur Abdichtung - Google Patents

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.

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.