DE19818475C2 - Fluiddichtungsanordnung und Verfahren zur Abdichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach den Merkmalen 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.

In DD-PS 225 177 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung dichter Verbindungen beschrieben, bei dem zwei Bauteile nach ihrer Fixierung an ihren Stoßstellen mit einer Dichtmasse verbunden werden.

Aus WO 89/12771 wird ein Methode zur Einfüllung einer Dicht­ masse zwischen einen stationären und einem beweglichen Teil beschrieben, welche sich zur Nachfüllung der Dichtmasse wäh­ rend des Betriebs eignet. Die Dichtmasse und das bewegliche Teil gleiten dabei aufeinander.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Neues für die ge­ werbliche Anwendung bereitzustellen 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 den Ausnehmungen 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.

Der wenigstens einen Ausnehmung im einen Teil liegt wenig­ stens teilweise eine weitere Ausnehmung gegenüber und beide Ausnehmungen sind mit Dichtmasse aufgefüllt. Dabei besteht eine Verbindung zwischen den beiden Teilen über die Dichtma­ sse.

Das Dichtelement füllt die Ausnehmungen weitgehend aus, ist also damit nach innen allgemein formschlüssig und reicht auf der Außenseite bis in das gegenüberliegende Teil hinein.

Dies ist besonders vorteilhaft bei piezoelektrisch oder ma­ gnetostriktiv betätigten Kraftstoffeinspritzern. Derartige Aktoren 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 über­ setzt, indem der Aktor über einen großflächigen Kolben Flüs­ sigkeit in einem Zylinder mit deutlich geringerem Querschnitt bewegt. Im Betrieb des piezoelektrischen oder magnetostrikti­ ven Aktors ist dieser gegen das Fluid im Zylinder abzudich­ ten.

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.

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.

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.

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, 4 eine erfindungsgemäß abgedichtete Exzenter- Pleuelanordnung im Montagezustand,

Fig. 4a-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 Tellerfeder 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 hauptsächlich in einer Ausnehmung 10 in einem der beiden Teile, nämlich im Kolben 5 angeordnet 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 zeigt eine weitere Zylinder-Kolben-Anordnung 20 als Fluiddichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die der vorsehend beschriebenen weitgehend gleich ist. Wie zuvor umfaßt die Zylinder-Kolben-Anordnung 20 einen in einem Zylin­ der 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 Angußöffnung 25 bei der Herstellung in der gezeigten Kolbenposition Dichtma­ sse 26 eingeführt wird, um die Zylinder-Kolben-Anordnung ab­ zudichten. Überschüssige Dichtmasse kann dabei über Abfluß­ öffnung 27 entweichen.

Die Dichtmasse kann eine keramische Dichtmasse sein und in der Kolbennut 24 eingebrannt werden.

Die Fig. 4 stellen noch einmal verschieden erfindungsgemäße Dichtungsvarianten nebeneinander, nämlich in Fig. 4a weitge­ hend einseitige Kolbendichtungen, in Fig. 4b beidseitige Ver­ bunddichtungen, in Fig. 4c Trapezdichtungen mit trapezförmi­ gen Ausnehmungen zur Dichtmassenaufnahme und in Fig. 4d eine multiple Kolbendichtung, bei der über eine einzige Angußöff­ nung 41 eine Mehrzahl von axial gegeneinander versetzten Aus­ nehmungen sukzessive befüllt werden, um die Abdichtung 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 (13)

1. Fluiddichtungsanordnung, aufweisend

• - wenigstens zwei fluiddicht gegeneinander bewegliche Teile, von denen
• - das eine Teil wenigstens eine Ausnehmung umfaßt, welche an der Grenzfläche beider Teile in das eine Teil hineinver­ tieft ist, und
• - das andere Teil wenigstens eine weitere Ausnehmung umfaßt, welche der wenigstens einen Ausnehmung in einem Teil we­ nigstens teilweise gegenüberliegt,
• - ein Dichtelement, welches durch eine Dichtmasse gebildet ist, wobei die Dichtmasse mittels mindestens eines mit mindestens einer Ausnehmung kommunizierenden Angußkanales in beide Ausnehmungen einbringbar ist und das einstückig ausgebildete Dichtelement mindestens die eine Ausnehmung und die weitere Ausnehmung allgemein formschlüssig aus­ füllt und sich gegenseitigen Bewegungen der beiden Teile anpaßt.

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 Pneu­ matikzylinder ist.

4. Fluiddichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, worin die Ausnehmung als Nut gebildet ist.

5. Fluiddichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, worin ein Teil mehrere voneinander getrennte, insbe­ sondere längs einer Teileachse axial gegeneinander versetzte und umlaufende Ausnehmungen aufweist.

6. Fluiddichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, worin einer Mehrzahl von Ausnehmungen ein gemeinsa­ mer Angußkanal zugeordnet ist.

7. Fluiddichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, worin der Angußkanal nach der Ausnehmungsauffüllung mit Dichtmasse und/oder einer Dichtschraube fluiddicht ver­ schlossen ist.

8. 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.

9. Verfahren zur Abdichtung von gegeneinander beweglichen Teilen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - an wenigstens einem Teil an der Grenzfläche zum anderen Teil eine Ausnehmung vorgesehen wird,
• - am anderen Teil an der Grenzfläche zum einen Teil wenig­ stens teilweise eine weitere Ausnehmung vorgesehen wird,
• - beide Teile zusammengefügt werden und
• - beide Ausnehmungen mit einer Dichtmasse durch mindestens einen Angußkanal ausgespritzt werden,
• - die Dichtmasse verfestigt wird, so daß das aus der Dicht­ masse entstandene einstückige Dichtelement mit beiden Tei­ len formschlüssig zusammenwirkt und sich gegenseitigen Be­ wegungen der beiden Teile anpaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, 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.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, worin ein Teil oder beide Teile auf eine Temperatur bzw. mit einer Temperaturkurve aufgeheizt werden, die der Masse eine gewünschte Viskosität bei der Auffüllung der Ausnehmung verleiht, sie aushärtet oder vulkanisiert.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, worin die Dichtmasse mit hohem Druck von z. B. 500 bis 2000 bar einge­ spritzt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, 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.