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Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung mit einem elastischen Dichtring und einem Stützring, zur fluiddichten Abdichtung eines radialen Spaltes zwischen einem inneren ersten Bauteil in Form einer Welle und einem äußeren zweiten Bauteil in Form einer Wellenaufnahme, wobei der Stützring an einem Haltebereich, vorzugsweise einer umfänglich umlaufenden Nut, des ersten Bauteils oder des zweiten Bauteils angeordnet und zumindest in einer axialen Richtung gehaltert ist, und wobei der Dichtring an einem Anlagebereich des Stützrings und an einem Außenumfang des ersten Bauteils oder an einem Innenumfang des zweiten Bauteils dichtend anliegt.
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Dichtungsanordnungen werden zumeinst als Wellen- oder Kolbendichtung eingesetzt, um einen Austritt des in den radialen Spalt zwischen den Bauteilen eingebrachten Schmier- oder Arbeitsmittels wie eines Öls zu verhindern. Der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil ergebende radiale Spalt wird hierbei teilweise durch den Stützring abgedeckt, um eine Extrusion des Dichtringes durch den Spalt oder unerwünschte Deformationen oder Lageveränderungen des Dichtringes bei hohen Temperaturen und hohen, insbesondere schwankenden, Drücken zu verhindern. Es besteht das Bedürfnis, eine hohe und gleichbleibende Dichtigkeit der Dichtungsanordnung bei hohen Drücken und Temperaturen und einem großen Spaltmaß zwischen den beiden Bauteilen zuverlässig zu erzielen.
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Dichtungsanordnungen, insbesondere für ein geringes Spaltmaß, sind bereits aus
US 2,462,586 ,
US 3,166,832 ,
EP 1 437 536 A2 und
DE 10 2004 050 584 A1 bekannt. Für große Spaltmaße stellen sich die genannten Probleme jedoch verstärkt und die vorbekannten Dichtungsanordnungen sind hierfür nur bedingt einsetzbar. Es wird dann zumeist auf Vorsatzstücke oder Flansche zurückgegriffen, zwischen denen dann der Dichtring angeordnet ist. Dies erhöht jedoch den Montageaufwand beträchtlich und führt zu einer erhöhten Gefahr von Montagefehlern und Leckagen.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung zu realisieren, bei welcher auch bei einem großen Spaltmaß zwischen dem ersten und zweiten Bauteil eine sichere Abdichtung des Spaltes gegeben ist und welche einfach und zuverlässig montierbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Dichtring in einer umlaufenden Nut des Stützrings angeordnet ist und der Stützring zumindest eine quer zu dessen Umfang verlaufende Durchtrennung aufweist. Damit ist es ermöglicht, den Stützring in den vorzugsweise als Nut ausgebildeten Haltebereich des ersten oder des zweiten Bauteils anzuordnen, wobei der Dichtring sicher in der Stützringnut aufgenommen ist. Durch die Durchtrennung des Stützringes ist dieser einfach an dem entsprechenden Haltebereich des korrespondierenden Bauteils festlegbar. Die zumindest eine Durchtrennung erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Stützringquerschnitt, durchtrennt den Stützring also vollständig an einer Stelle oder einem Umfangsbereich. Der Stützring kann unter weiterer Öffnung der Durchtrennung aufgeweitet werden und so in Axialrichtung oder bei entsprechender Aufweitung auch in Radialrichtung auf die Welle aufgeschoben werden. Wird der Stützring in einer Wellenaufnahme gehaltert, so kann der Stützring durch die mindestens eine radiale (vollständige) Durchtrennung gegebenenfalls unter radialer Verengung in die zugeordnete Wellenaufnahme eingeführt werden. Der Stützring kann dann an dem Haltebereich des jeweiligen Bauteils, beispielsweise der Welle, zumindest in einer axialen Richtung verschiebungssicher festgelegt werden. Die beiden der Stützringdurchtrennung benachbarten Bereiche desselben können durch eine Gelenkverbindung, insbesondere ein Filmscharnier, verbunden sein, vorzugsweise unter Ausbildung eines einteiligen Stützringes. Der Stützring kann auch mehrere durch Gelenke (insbesondere Filmscharniere) verbundene Bereiche aufweisen, wobei die Gelenke den Stützring zu einem einteiligen Bauteil verbinden können. Die Gelenke ermöglichen jeweils eine Aufweitung des Stützringes, wenn dieser auf einer Welle axial gehaltert ist, oder eine gelenkige Einbauchung bzw. Umfangsverkleinerung des Stützringes, falls dieser an einer Wellenaufnahme axial gehaltert wird.
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Der Haltebereich an dem jeweiligen Bauteil kann z. B. in Form von Umfangsausnehmungen, insbesondere einer Umfangsnut, ausgebildet sein, in welche ein Haltebereich des Stützringes eingreift und so diesen an dem jeweiligen Bauteil axial sichert. „Axial gesichert” schließt ein, dass der gehalterte Stützring ein gewisses axiales Spiel haben kann, was bevorzugt ist, gegebenenfalls aber auch kein axiales Spiel hat. Die niederdruckseitige Nutflanke an dem Bauteil (z. B. der Welle) kann dann als Anlagefläche bzw. Anschlag für den Stützring dienen. Vorzugsweise weist der Haltebereich des Stützring als Haltemittel mindestens einen radial vorstehenden Vorsprung zum Eingriff in die Umfangsausnehmung des Bauteils auf, vorzugsweise mehrere umfänglich verteilt angeordnete Vorsprünge oder einen umlaufenden Halteflansch.
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Der Stützring ist von dem jeweiligen Bauteil, an welchem der Stützring nicht gehaltert ist (welches vorzugsweise das zweite Bauteil bzw. die Wellenaufnahme ist), in Einbaulage durch einen Spalt beabstandet, welcher durch den Dichtring abgedichtet wird. Hierbei kann die Verdrehbarkeit des Stützringes zu dem ersten und/oder dem zweiten Bauteil gewahrt bleiben. Der Dichtring kann an dem an dem jeweiligen Bauteil montierten Stützring in zumindest einer Axialrichtung gesichert sein, vorzugsweise in beiden Axialrichtungen, z. B. in der Nut des Stützringes angeordnet sein. Vorzugsweise liegt der Dichtring in Einbaulage dichtend an zumindest einer Nutflanke des Stützrings an. Der Dichtring kann vorzugsweise einen im Wesentlichen rechteckigen oder trapezförmigen, gegebenenfalls auch dreieckigen oder anders geformten, Querschnitt aufweisen. Die Dichtfläche des Dichtringes an dem Stützring und/oder die gegenüberliegende mit Fluiddruck beaufschlagte Dichtringfläche können jeweils unabhängig voneinander in einem Winkel von ± ≤ 30–45° oder vorzugsweise ± ≤ 15–20° oder ± ≤ 5–10° zu einer Normalen zur Wellenlängsachse angestellt sein.
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Vorzugsweise weist der Dichtring an mindestens einer Stelle bzw. einem Umfangsbereich eine quer zu dessen Umfang verlaufende, also radiale, durchgehende Durchtrennung auf. Hierdurch kann unter Öffnung der Durchtrennung der Dichtring aufgeweitet werden, beispielsweise in Axial- und/oder Radialrichtung, und in aufgeweitetem Zustand in die Stützringnut eingebracht werden. Hierzu kann der aufgeweitete Dichtring über eine Nutflanke des Stützringes geschoben und anschließend unter Schließung des Dichtringes entspannt werden. Durch die Durchtrennung wird eine Überdehnung des Dichtrings beim Einbringen in die Stützringnut vermieden. Die beiden sich an der Durchtrennung gegenüberliegen Endbereiche des Dichtringes können schlossartig ineinandergreifen, also jeweils sich in Wellenlängsrichtung hintergreifende Bereiche aufweisen, welche in axialer Richtung eine Art Labyrinthdichtung bilden. Es können – unabhängig voneinander – an jedem der Endbereiche ein oder zwei oder mehr in Umfangsrichtung vorstehende Bereiche vorgesehen sein, welche in Wellenlängsrichtung vor oder hinter einem Bereich des gegenüberliegenden Endbereichs des Dichtringes angeordnet sind. So können die Endbereiche beispielsweise gabelförmig ineinandergreifen. Die Dichtigkeit der Dichtringanordnung, insbesondere auch bei schwankenden Drücken, wird hierdurch erhöht.
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Die Endbereiche der Durchtrennung bzw. der Durchtrennungen an dem Stützring können entsprechend zu der Enden der Durchtrennung des Dichtringes ausgebildet sein, also ebenfalls in Wellenlängsrichtung einander hintergreifende Bereiche aufwiesen, so dass eine axiale Verschiebung der Stützringendbereiche in einer oder beiden Axialrichtungen unterbunden wird.
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Gegebenenfalls kann der Dichtring durchgehend ausgebildet sein, wenn dieser ausreichend elastisch deformierbar ist, was jedoch aufgrund der damit notwendigen starken Dehnung des Dichtringes bei dessen Montage nicht bevorzugt ist.
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Ist der Stützring an einer Welle montiert, so kann der aufgeweitete Dichtring über den montierten Stützring übergezogen und in der radial auswärts offenen Nut desselben eingesetzt werden (ist der Stützring an der Wellenaufnahme festgelegt, so kann der Dichtring in die radial einwärts offene Stützringnut eingesetzt werden). Vorzugsweise wird, um Überdehnungen des Dichtringes bei der Montage zu vermeiden, zunächst der Stützring an dem ersten oder zweiten Bauteil montiert und dann anschließend der Dichtring an dem montierten Stützring befestigt, also in der Aufnahmenut des Stützringes angeordnet.
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Vorzugsweise wird der an dem korrespondierenden (ersten oder zweiten) Bauteil montierte Stützring von dem Dichtring zusammengehalten, also der Dichtring umgibt spielfrei oder mit gewissem, vorzugsweise geringem, Spiel den Stützring, entweder lose spielfrei oder vorzugsweise mit einer gewissen (vorzugsweise geringen) radialen Vorspannung an dem Nutgrund des Stützringes anliegend. Vorzugsweise ist hierbei der Stützring an einer Welle montiert und der Dichtring in einer radial auswärts offenen Stützringnut gehaltert, so dass der Dichtring mit einer radial einwärts gerichteten Spannung bzw. zusammmenziehenden Kraft an dem Nutgrund anliegt sobald die Stützringsegmente radial auswärts voneinander weg bewegt werden. Hierdurch kann die vormontierte Baugruppe von Stütz- und Dichtring (nicht an dem ersten bzw. zweiten Bauteil montiert) zusammenhängend bevorratet werden.
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Besonders bevorzugt ist der Stützring zwei- oder mehrteilig ausgebildet, beispielsweise drei- oder vierteilig, bezogen auf dessen radiale Durchtrennung. In Bezug auf die axiale und/oder radiale Erstreckung ist jedes Teilsegment des Stützringes vorzugsweise einstückig, was die Montage erleichtert und Leckagen minimiert. Der Stützring kann insbesondere zwei Stützringsegmente umfassen, die sich umfänglich im Wesentlichen über einen Winkelbereich von 180° erstrecken und sich zu einem vollumfänglichen Stützring ergänzen. Vorzugsweise sind die Segmente zumindest im Wesentlichen starr (auch unter Betriebsbedingungen der die Dichtringsanordnung umfassenden Vorrichtung) und erstrecken sich um 180°; gegebenenfalls auch jeweils um 180° ± 5° oder 180° ± 10° oder in besonderen Fällen auch um 180° ± 20°.
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Der axiale Spalt zwischen Stützring und Welle ermöglicht, dass auch Segmente größer 180° ohne elastische Verformung derselben an der Welle montiert werden können.
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Die radiale Durchtrennung des Stützringes in mehrere zusammenfügbare Segmente ermöglicht, dass der Stützring durch nachfolgendes Aneinanderfügen der einzelnen Segmente aus verschiedenen Umfangsrichtungen an dem korrespondierenden Bauteil zusammenfügbar ist. Ein Aufweiten eines nur einfach durchtrennten Stützringes, was mit entsprechenden Deformationen von Teilbereichen des Stützringes einhergeht, wird vermieden. Die Segmente können einzeln oder gruppenweise um das jeweilige Bauteil, d. h. das erste oder zweite Bauteil gruppiert und an dem Haltebereich desselben, z. B. einer umlaufenden Nut oder Vertiefungen desselben, in welche Haltebereiche des Stützringes eingreifen, festgelegt werden. Die Stützringmontage wird hierdurch vereinfacht. Gegebenenfalls können zwei oder mehrere oder sämtliche Segmente des Stützringes aber miteinander verbunden sein, z. B. verliersicher verbunden sein, so dass die Segmente zu einer Baugruppe zusammengefügt sind, beispielsweise durch einen im Nutgrund eingelegten Haltering aus einem elastomeren Material wie einen O-Ring, Filmscharniere oder dergleichen. Der Haltering besteht vorzugsweise aus einem elastomeren Material. Der Haltering kann bei montiertem Stützring spielfrei oder mit einer Vorspannung am Grund der Stützringnut anliegen. Der Haltering kann einer Trennung der aneinanderliegenden Segmente entgegenwirken. Die Segmente können dann einerseits als zusammenhängende Baugruppe gehandhabt, hergestellt oder bevorratet werden, was vorteilhaft ist, andererseits können die Segmente nacheinander folgend an dem Haltebereich des korrespondierenden Bauteils positioniert oder festgelegt werden. Zumeist ist es ausreichend, wenn der Stützring aus zwei Segmenten besteht, welche getrennt oder miteinander gelenkig oder lageveränderlich verbunden sein können. Hierdurch ist die Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines radialen Spaltes mit einem besonders großen Umfang besonders angepasst.
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Besonders bevorzugt ist der Stützring zu dem diesen halternden Bauteil, vorzugsweise der Welle, durch einen vollumfänglich umlaufenden Spalt beabstandet. Dieser Spalt erstreckt sich vorzugsweise über ≥ 50–75% der axialen Erstreckung des Stützringes, besonders bevorzugt über ≥ 80–90% derselben, insbesondere bevorzugt über ≥ 95–98% oder zu 100% derselben. Unter Umständen kann der Stützring sich mit einem geringen Teilbereich an dem Umfang der Welle abstützen, ganz besonders bevorzugt stützt sich der Stützring nicht mit einem Teilbereich an dem Wellenumfang bzw. dem Umfang des den Stützring halternden Bauteils ab, so dass sich der Spalt über die gesamt Länge (axiale Erstreckung) des Stützringes erstreckt. Vorzugsweise ist der Stützring außerhalb und/oder innerhalb der Aufnahmenut des den Stützring halternden Bauteils durch einen Umfangsspalt von dem den Stützring haltenden Bauteil beabstandet (der Umfangsspalt verläuft also konzentrisch zur Welle). Besonders bevorzugt erstreckt sich der Umfangsspalt über ≥ 50–75% der axialen Erstreckung des Stützringes, welche auf der Niederdruckseite desselben axial von der Aufnahmenut für den Stützring vorsteht, besonders bevorzugt über ≥ 80–90% derselben, insbesondere bevorzugt über ≥ 95–98% oder über 100% derselben. Der Stützring kann mit dem diesen halternden Bauteil somit vorzugsweise nur eine sich in radialer Richtung erstreckende Anlagefläche (also parallel zur Nutflanke des halternden Bauteils) aufweisen. Der Stützring ist somit in radialer Richtung vorzugsweise nur durch den Dichtring innerhalb des Spaltes zwischen den beiden Bauteilen zentriert. Eine solche Ausführungsform ist besonders reibungsarm und somit für schnell rotierende Wellen besonders ausgelegt und akzeptiert größere radiale Toleranzen von Welle und Wellenaufnahme.
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Besonders bevorzugt weist der Stützring keinen Anlagebereich an dem diesen axial halternden Bauteil auf, welcher (i) niederdruckseitig oder (ii) vorzugsweise nieder- und hochdruckseitig axial von dem den Stützring axial halternden Haltebereich beabstandet ist. Die Niederdruckseite ist hierbei die Seite des Dichtringes, welche dem druckbeaufschlagtem Fluid abgewandt ist. Ist das halternde Bauteil als Welle und der den Stützring axial halternde Haltebereich (axialer Haltebereich) als Umfangsausnehmung oder Umfangsnut ausgebildet, in welche jeweils der Stützring mit einem Haltebereich eingreift, so weist der Stützring vorzugsweise keinen Anlagebereich an der Welle auf, welcher (i) niederdruckseitig des axialen Stützringhaltebereiches oder (ii) nieder- und hochdruckseitig des axialen Haltebereiches der Welle angeordnet ist. Vorzugsweise ist also der Stützring (i) niederdruckseitig des axialen Haltebereiches der Welle oder (ii) nieder- und hochdruckseitig des axialen Haltebereiches durch einen umfänglich umlaufenden Spalt von der Welle beabstandet. Besonders bevorzugt erstreckt sich hierbei, was im Rahmen der Erfindung allgemein gelten kann, der Stützring nur niederdruckseitig von dem axialen Haltebereich der Welle, so dass hochdruckseitig des axialen Haltebereichs vorzugsweise kein Stützringbereich vorgesehen ist, gegebenenfalls aber vorgesehen sein kann.
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Vorzugsweise ist die radial verlaufende Dichtfläche des Dichtringes an dem Stützring axial versetzt zu dem Haltebereich des Stützringes an dem diesen halternden Bauteil angeordnet (im Folgenden vereinfacht lediglich mit „der axiale Versatz” wiedergegeben). Vorzugsweise ist der Dichtring insgesamt axial versetzt zu der Stützringhalteausnehmung oder -nut angeordnet. Ist der Stützring an einer Welle axial gehaltert, der Stützring also radial außenumfänglich an der Welle angeordnet, so liegt vorzugsweise ein axialer Versatz der Dichtringanlagefläche zur Niederdruckseite des Dichtringes hin vor, also die Dichtringanlagefläche an dem Stützring ist zur Niederdruckseite hin gegenüber der Stützringanlagefläche an dem diesen halternden Bauteil versetzt.
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Der axiale Versatz ist vorzugsweise so weit bemessen, dass die von radial außen auf den Stützring einwirkende Druckkraft des Fluids größer ist als die von innen wirkende entgegen gesetzte Druckkraft des Fluids, woraus eine zentripetale Kraft resultiert, die den Stützring an den Durchtrennungen zusammenpresst und dort abdichtet. Vorzugsweise ist dieser axiale Versatz ≥ 10–20% oder ≥ 25–33% oder vorzugsweise ≥ 50–75% der Dichtringstärke (axiale Erstreckung des Dichtringes), besonders bevorzugt ≥ 100–150% der Dichtringsstärke, wodurch für viele Anwendungsfälle ein ausreichender Druck an den aneinanderliegenden Stirnseiten der durch die Durchtrennung getrennten Stützringsegmente erzielt wird. Der axiale Versatz kann in den meisten Fällen ≤ 500% oder ≤ 300–400% oder auch ≤ 200–250% der Dichtringsstärke sein, gegebenenfalls auch ≤ 100–150% oder ≤ 50–75% derselben, beispielsweise im Bereich von 10–500% derselben.
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Ist der Stützring an einer Wellenaufnahme axial gehaltert, der Stützring also radial innenumfänglich an der Wellenaufnahme angeordnet, so liegt vorzugsweise ein axialer Versatz der Dichtringanlagefläche zur Hochdruckseite des Dichtringes hin vor, also die Dichtringanlagefläche an dem Stützring ist zur Hochdruckseite hin gegenüber der Stützringanlagefläche an dem diesen halternden Bauteil versetzt.
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Vorzugsweise weist jedes der Segmente einen Haltebereich zur axialen Sicherung oder Festlegung an dem korrespondierenden Bauteil (erstes oder zweites Bauteil), beispielsweise der Welle, auf, z. B. einen radial vorstehenden Vorsprung, welcher in einer Aufnahe des Bauteils halterbar ist. Vorzugsweise weist jedes der Segmente einen Umfangsnutabschnitt auf, so dass die Umfangsnutabschnitte der zusammengesetzten Segmente eine durchgehende Umfangsnut des Stützringes zur Aufnahme des Dichtringes ausbilden.
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Die jeweilige Durchtrennung des Stützrings kann schlossartig ineinander greifende Bereiche aufweisen, welche sich in radialer und/oder axialer Richtung des Stützringes hintergreifen können. Hierdurch kann ein Verschieben der Segmente relativ zueinander zu verhindert werden.
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Die Weite der Aufnahme oder Nut des ersten Bauteils oder des zweiten Bauteils zur Halterung des Stützringes kann derart bemessen sein, dass der Stützring in dieser ein axiales Spiel aufweist, beispielsweise um Druck- und/oder Temperaturschwankungen auffangen zu können. Ferner wird hierdurch die Montage des Stützringes erleichtert.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch die Weite der den Dichtring aufnehmenden Stützringnut derart bemessen sein, dass der Dichtring ein axiales Spiel in der besagten Nut aufweist, beispielsweise um Druck- und/oder Temperaturschwankungen auffangen zu können. Die Nutflanken können das axiale Dichtringspiel begrenzen.
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Nach einer anderen Ausführungsform kann der Dichtring auch axial verschiebungssicher in der Stützringnut aufgenommen sein, vorzugsweise auch hier mit einem an dem jeweiligen Bauteil mit axialem Spiel gehalterten Stützring.
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Vorzugsweise weist die Stützringnut einen Nutgrund mit einer zur Niederdruckseite des Dichtrings hin ansteigenden Steigung auf, so dass sich bei Druckbeaufschlagung der Dichtring die Steigung hochbewegt und hierdurch radial gegen das abzudichtende Bauteil gedrückt wird, um die Abdichtung der Anordnung mit erhöhter Sicherheit und schnellerem Ansprechverhalten zu realisieren. Die Passung des Dichtringes gegenüber dem abzudichtenden Bauteil wird hierdurch wesentlich verbessert. Die Steigung kann ≥ –2° oder ≥ 3–5° betragen, vorzugsweise ≥ 7°, die Steigung kann ≤ 25–30° betragen, vorzugsweise ≤ 15–20°, insbesondere ca. 10°. Die dem Nutgrund zugewandte Fläche des Dichtringes kann hierbei mit dem Nutgrund einen Spalt ausbilden. Vorzugsweise verlaufen die Dichtringfläche und der Nutgrund nicht parallel, so dass sich der Spalt zu der Niederdruckseite des Dichtringes hin verringert, vorzugsweise in axialer Richtung kontinuierlich verringert. Hierdurch wird der Dichtring im Zusammenwirken mit der axialen Fluidströmung in Richtung des abzudichtenden Bauteils radial aufgeweitet.
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Unter Umständen kann die Dichtringfläche auch parallel zur Wellenachse verlaufen oder einen geringeren Winkel zu dieser einnehmen als der Nutgrund.
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Die beiden Nutflanken des Stützringes der Dichtringaufnahmenut weisen vorzugsweise eine unterschiedliche Höhe bzw. radiale Erstreckung auf, also einen unterschiedlichen Abstand zu dem gegenüberliegenden abzudichtenden Bauteil. Die druckseitige, erste Nutflanke des Stützrings weist vorzugsweise eine geringere radiale Erstreckung auf als die zweite, niederdruckseitige Nutflanke des Stützringes. Durch die höhere niederdruckseitige Nutflanke wird der Spalt zum abzudichtenden Bauteil hin verringert und die Anlagefläche für den Dichtring erhöht, also die Dichtigkeit der Anordnung auch bei hohen oder schwankenden Drücken verbessert. Anderseits wird durch die niedrigere Nutflanke die Druckbeaufschlagung des Dichtringes durch das Fluid erleichtert, entsprechend auch eine Druckentlastung des Dichtringes bei nachlassendem Fluiddruck, so dass der Dichtring schneller auf Druckschwankungen reagiert.
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Besonders bevorzugt liegt der Stützring bei Druckbeaufschlagung mit dem Fluid mit einen radial vorstehenden Anlagebereich an zumindest einer Nutflanke der Nut des den Stützring halternden Bauteils, vorzugsweise des ersten Bauteils, also der Welle, abdichtend an, so dass dieser Bereich nicht nur den Stützring axial haltert sondern auch auf der dem Dichtring gegenüberliegenden Stützringseite eine Abdichtung gegenüber dem den Stützring halternden Bauteil ergibt.
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Die axiale Erstreckung des Stützrings kann größer sein als die radiale Weite des Spaltes zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil. Durch diese große axiale Erstreckung des Stützringes wird auch ein großer axialer Versatz des Dichtringes ermöglicht, mit den oben beschriebenen Vorteilen.
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Um einen ausreichend großen radialen Anlagebereich für den Stützring bereitzustellen und damit eine sichere stützringseitige Abdichtung (also zwischen Stützring und dem diesen halternden Bauteil) zu realisieren muss die radiale Erstreckung dieses Anlagebereichs größer sein als der von dem Dichtring abgedichtete Spalt zwischen dem Stützring und dem jeweils gegenüberliegenden Bauteil (z. B. der Wellenaufnahme), vorzugsweise um mehr als den Faktor 1–3 oder mehr als den Faktor 3–5.
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Der sich radial erstreckende Anlagebereich des Dichtrings kann hierbei bei Druckbeaufschlagung durch das Fluid axial versetzt zu dem Anlagebereich des Stützrings an dem diesen halternden Bauteil (z. B. der Welle) angeordnet sein, insbesondere niederdruckseitig versetzt.
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Der Stützring weist vorzugsweise ein in Bezug auf den elastischen Dichtring höheres Elastizitätsmodul auf und ist zumindest im Wesentlichen starr, auch unter Anwendungsbedingungen. Der Stützring kann aus einem metallischen Werkstoff oder einem faserverstärktem oder anderen hochfesten Kunststoffmaterial bestehen. Der Dichtring besteht vorzugsweise aus einem polymeren, besonders bevorzugt thermoplastischem Material wie bspw. PAI, PAEK, PEEK, PI, PTFE oder andere geeigneten Kunststoffen, oder gegebenenfalls einem elastomeren Material, beispielsweise HNBR.
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Das thermoplastische Material kann ein in einem Spritzgussverfahren oder als Pulver in einem Direktformungsverfahren wie Presssintern verarbeitbares Material sein. Vorzugsweise ist das Dichtringmaterial ein nicht vernetztes Polymer, insbesondere Hochpolymer. Vorzugsweise weist das Dichtringmaterial keine ungesättigten, vernetzbaren Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen wie C-C Doppel- oder Dreifachbindungen auf, zumindest mit einem Gehalt von ≤ 3–5% oder vorzugsweise ≤ 1–2% oder ≤ 0,2–0,5% oder auch ≤ 0,05–0,1% bezogen auf die Gesamtzahl der organischen Kohlenstoffatome des Materials.
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Das Stützringmaterial weist vorzugsweise ein Elastizitätsmodul im Bereich von 5.000 bis 500.000 MPa auf. Das E-Modul des Dichtrings ist vorzugsweise ein Vielfaches geringer.
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Der Dichtring weist vorzugsweise eine Shore D-Härte auf, welche vorzugsweise ≥ 10–20 Shore D oder ≥ 30–40 Shore D ist, besonders bevorzugt ≥ 50 Shore D. Die Härte kann insbesondere ≤ 80–90 Shore D sein oder ≤ 60–70 Shore D, besonders bevorzugt im Bereich von 50–70 Shore D liegen (jeweils bestimmt nach DIN 53505 und DIN 7868). Vorzugsweise besteht der Dichtring aus einem selbstschmierenden Material, wie beispielsweise einem Fluor-haltigem Polymer. Vorzugsweise besteht der Dichtring aus einem selbstschmierenden Material, wie z. B. einem Fluorpolymer.
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Die Weite des abzudichtenden radialen Spaltes zwischen erstem und zweitem Bauteil kann ≥ 125% der Höhe des Dichtrings betragen, z. B. bis 1000% der Höhe desselben oder auch darüber hinaus. Insbesondere kann die Spaltweite zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil ≥ 150% oder ≥ 175%, insbesondere ≥ 200–250% oder ≥ 300–400%, im speziellen ≥ 500% der Höhe des Dichtrings betragen. Andererseits kann die Spaltweite zwischen den Bauteilen auf ≤ 800–1000% oder ≤ 400–600%, besonders bevorzugt ≤ 300% der Dichtringhöhe beschränkt sein, so dass der Dichtring eine zuverlässige Spaltabdichtung des Dichtringsanordnung bewirkt. Die „Höhe” des Dichtringes ist hier die radiale Erstreckung der Materialhöhe des Dichtringes an einem Querschnittsbereich.
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Der Stützring ist vorzugsweise gegenüber dem diesen axial halternden Bauteil, z. B. der Welle, verdrehbar gehaltert (bei nicht mittels des abzudichtenden Fluids druckbeaufschlagter Dichtungsanordnung und/oder bei Betriebsbedingungen der die Dichtringanordnung umfassenden Vorrichtung bzw. Maschine), also zumindest um einen Umfangsbereich oder vorzugsweise vollumfänglich frei rotierbar.
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Unabhängig oder in Kombination mit dem oben Gesagten ist der Dichtring vorzugsweise gegenüber dem Stützring verdrehbar gehaltert (bei nicht mittels des abzudichtenden Fluids druckbeaufschlagter Dichtungsanordnung und/oder bei Betriebsbedingungen der die Dichtringanordnung umfassenden Vorrichtung bzw. Maschine), also zumindest um einen Umfangsbereich oder vorzugsweise vollumfänglich frei rotierbar.
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Unabhängig oder in Kombination mit dem oben Gesagten ist vorzugsweise der Dichtring gegenüber dem anderen beiden von erstem und zweitem Bauteil, an welchem der Stützring nicht gehaltert ist, zumeist der Wellenaufnahme, verdrehbar gehaltert (bei nicht mittels des abzudichtenden Fluids druckbeaufschlagter Dichtungsanordnung und/oder bei Betriebsbedingungen der die Dichtringanordnung umfassenden Vorrichtung bzw. Maschine), also zumindest um einen Umfangsbereich oder vorzugsweise vollumfänglich frei rotierbar.
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Besonders bevorzugt sind Stützring und Dichtring unabhängig voneinander gegenüber der Welle und/oder Wellenaufnahme frei rotierbar. Dies ist vorzugsweise bei nicht mittels des abzudichtenden Fluids druckbeaufschlagter Dichtungsanordnung und bei Betriebsbedingungen der die Dichtringanordnung umfassenden Vorrichtung bzw. Maschine gegeben.
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„Verdrehbar” heißt in diesem Zusammenhang jeweils „verdrehbar um die Wellenachse”. Die Verdrehbarkeit ist in Bezug auf die genannten Paarungen der Bauteile jeweils vollumfänglich um die Wellenachse zu verstehen. Eine „verdrehbare Halterung” bei Betriebsbedingungen der die Dichtringanordnung umfassenden Vorrichtung bzw. Maschine heißt, dass bei rotierender Welle unter Betriebsbedingen auch eine Rotation der jeweils genannten Bauteile der Bauteilpaarungen erfolgt, also z. B. des Stützringes gegenüber der Welle, des Dichtringes gegenüber dem Stützring und/oder des Dichtringes gegenüber dem äußeren Bauteil, der Wellenaufnahme. „Frei rotierbar” umfasst, dass ein gewisser Reibschluss zwischen den jeweils beiden frei gegeneinander rotierbaren Teilen vorliegen kann, der Rotationsbereich jedoch nicht beschränkt ist.
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Die Summe der Rotationen der drei Bauteilpaarungen (Reibpaarungen) inneres Bauteil (Welle) – Stützring – Dichtring – äußeres Bauteil (Wellenaufnahme) ist gleich der Rotation von Welle gegenüber Wellenaufnahme. Durch Formschluss (z. B. Haltenocken, Federn usw.) kann die Rotation zwischen einer oder zwei Reibpaarungen unterdrückt werden. Durch Kraftschluss/Reibschluss (z. B. durch entsprechende Nutgestaltung wie V-Nuten, Abstimmung der Materialpaarungen usw.) kann die Rotation zwischen einer oder zwei Reibpaarungen vollständig unterdrückt oder verringert werden. Gegebenenfalls – wenn auch nicht bevorzugt – kann durch geeignete Maßnahmen die Rotation des Stützringes gegenüber dem den Stützring halternden Bauteil und/oder des Dichtringes gegenüber dem Stützring unterdrückt sein.
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Die höhere relative Rotationsgeschwindigkeit kann jeweils bei den Teilen mit der verschleißärmeren Materialpaarung vorliegen. Hierzu kann beispielsweise die Reibschlusswirkung des Stützringes gegenüber den an diesem anliegenden und rotatorisch bewegbaren Teilen, dem den Stützring halternden Bauteil und dem Dichtring, geeignet eingestellt werden.
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Insbesondere kann der Haltebereich des Stützringes, mittels welchem dieser an dem jeweiligen Bauteil axial gehaltert ist, auf der dem Dichtring radial gegenüberliegenden Stützringseite angeordnet sein. Beispielsweise ist der Haltebereich radial innenliegend und der Dichtring radial außenliegend an dem Stützring angeordnet. Vorzugsweise weist die Dichtungsanordnung nur Dichtringe auf, welche an nur einem Bauteil aus der Gruppe von erstem und zweitem Bauteils dichtend anliegen, insbesondere der Wellenaufnahme, gegebenenfalls auch der Welle. Besonders bevorzugt weist die Dichtungsanordnung nur einen Dichtring auf.
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Der Dichtring kann eine Dichtfläche aufweisen, welche an das Bauteil, an welchem der Stützring nicht axial gehaltert ist, anlegbar ist, eine dem Nutgrund der Stützringnut zugewandte Basisfläche und ein druckseitige und niederdruckseitige Seitenfläche, wobei die druckseitige Seitenfläche von dem Fluid druckbeaufschlagt ist und die niederdruckseitige Fläche dem Fluidraum abgewandt ist. Unabhängig voneinander weisen die druckseitige und die niederdruckseitige Seitenfläche des Dichtringes einen Winkel von ≤ ±45°, vorzugsweise ≤ ±30° oder ≤ ±15–20°, vorzugsweise ≤ ±5–10° oder besonders bevorzugt ≤ ±1,5–3° zur senkrecht zur Wellenachse angeordneten Hauptebene der Dichtungsanordnung auf, vorzugsweise sind die druckseitige und niederdruckseitige Seitenfläche des Dichtringes parallel zur Hauptebene der Dichtungsanordnung, welche senkrecht zur Wellenachse angeordnet ist, angeordnet. Die dem Nutgrund der Stützringnut zugewandte Basisfläche des Dichtringes kann in einem Winkel von ≤ ±30° oder ≤ ±15–20°, vorzugsweise ≤ ±5–10° oder besonders bevorzugt ≤ ±1,5–3° zur Wellenachse bzw. zur Hauptachse der Dichtungsanordnung ausgerichtet sein, vorzugsweise in Kombination mit den oben genannten Anordnungen der druckseitigen und/oder der niederdruckseitige Seitenfläche des Dichtringes. Die druckseitige und/oder niederdruckseitige Seitenfläche des Dichtringes ist vorzugsweise in der Form einer gekappten Kegelstumpffläche oder einer Kreissegmentfläche ausgebildet, und ist unabhängig hiervon oder in Kombination hiermit vorzugsweise im Querschnitt geradlinig ausgeführt. Die Basisfläche des Dichtringes ist vorzugsweise in der Form einer gekappten Kegelstumpffläche oder einer Zylinderfläche ausgebildet, und ist unabhängig hiervon oder in Kombination hiermit vorzugsweise im Querschnitt geradlinig ausgeführt.
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Die Erfindung wird anhand der, in der beigefügten Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform einer Dichtungsanordnung, mit Querschnittsdarstellung (1a), Seitenansicht eines Stützringssegments und eines Dichtringes (1b), eine Draufsicht auf die Anordnung nach 1b (1c), eine perspektivische Darstellung der Anordnung nach 1c (1d), eine Detaildarstellung des Ausschnittes B des Dichtringes der Anordnung (1e), eine Seitenansicht des Dichtringes (1f), eine Draufsicht des Dichtrings (1g), eine Detaildarstellung des Ausschnittes C (1h);
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2 eine Dichtungsanordnung gemäß der ersten Ausführungsform in Einbausituation in Schnittdarstellung (2a, 2b);
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3 eine Schnittdarstellung einer Dichtungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform in Schnittdarstellung mit unterschiedlichen Bezugsziffern (3a, 3b);
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4 eine schematische Darstellung der Dichtungsanordnung im Querschnitt.
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Gleiche Bauteile sind in den Figuren mit demselben Bezugzeichen versehen.
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Die Dichtungsanordnung 1 gemäß der ersten Ausführungsform nach den 1, 2 weist einen Dichtring 2 und einen Stützring 3 mit einer umlaufenden Nut 3a auf. Der Dichtring 2 ist in der Nut 3a des Stützrings 3 angeordnet und weist eine Durchtrennung in radialer Richtung auf. Die beiden sich gegenüberliegen Enden des Dichtringes an der Durchtrennung weisen jeweils zwei sich gegenüberliege Nut- und Federbereiche N, F auf, die in Einbaulage schlossartig ineinandergreifen, so dass die Federn bzw. vorspringenden Stege einander in axialer Richtung hintergreifen und in axialer Richtung eine Art Labyrinthdichtung bilden. Durch die Dichtanordnung wird ein mit Fluid druckbeaufschlagter Raum (z. B. Öldruckraum) abgedichtet, welcher in den Figuren links der Dichtanordnung angeordnet ist.
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Der Stützring 3 umfasst zwei Stützringsegmente 3', 3'', von denen nur ein Segment in den Figuren darstellt ist. Dieses Segment erstreckt sich im Wesentlichen umfänglich über einen Winkelbereich von 180°. Die beiden Segmente ergänzen sich zu einem nicht dargestellten vollumfänglichen Stützring. Die beiden Segmente sind baugleich ausgeführt.
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Die Enden der Segmente können Nut- und Federbereiche aufweisen, die im Wesentlichen analog zu denen des Dichtrings 2 ausgebildet sind und in Einbaulage einander hintergreifen bzw. ineinandergreifen, oder geradlinig ausgeführt sein.
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Der Dichtring 2 ist mit axialem Spiel in der Stützringnut 3a angeordnet. Die Stützringnut 3a weist eine druckseitige, erste Nutflanke 3c und eine zweite beabstandete niederdruckseitige Nutflanke 3d auf, zwischen welchen die Nut angeordnet ist.
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Zur Abdichtung eines radialen Spaltes 4 zwischen einem inneren ersten Bauteil 5 in Form einer Welle 5a, und einem äußeren zweiten Bauteil 6 in Form einer Wellenaufnahme 6a ist der den Dichtring 2 tragende Stützring 3 in Einbaulage in einer umfänglich umlaufenden Nut 7 der Welle 5a angeordnet und axial gehaltert, nach dem Ausführungsbeispiel mit Spiel gehaltert. Der Stützring bzw. die beiden Stützringsegmente sind im Wesentlichen starr ausgebildet, hier aus einem metallischen Werkstoff. Der Dichtring besteht aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial mit einer Härte von 50 Shore D.
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Die Montage kann derart erfolgen, dass zunächst die beiden Segmente des Stützring 3 nacheinander derart umfänglich um die Welle 5a angeordnet werden, so dass der Stützring 3 mit einem radialen Anlagebereich 3RB der Höhe RB teilweise in die umlaufende Nut 7 der Welle 5a eingreift. Der Anlagebereich 3RB ist Teil bzw. Stirnfläche des umlaufenden Flansches 3F. Anschließend wird der Dichtring 2 unter Öffnung der Durchtrennung 2a des Dichtrings 2 seitlich auf den vormontierten Stützring 3 aufgeschoben, so dass der Dichtring 2 in der umlaufenden Nut 3a des Stützrings angeordnet ist und die sich gegenüberliegenden Enden der Durchtrennung des Dichtrings 2 ineinandergreifen. Das Ineinandergreifen der Endbereiche bzw. allgemein das Schließen des Dichtringes kann durch elastische Rückstellkräfte desselben erfolgen. Die Dichtungsanordnung ist derart ausgebildet, dass – ohne Druckbeaufschlagung durch das Fluid und vorzugsweise auch im Betriebszustand der die Dichtungsanordnung umfassenden Vorrichtung oder Maschine – der Stützring gegenüber der Welle frei rotieren kann. Der Dichtring kann ferner gegenüber dem Stützring frei rotieren. Unabhängig hiervon kann der Dichtring frei gegenüber der Wellenaufnahme rotieren, gegen welche der Dichtring abdichtet. Im druckbeaufschlagtem Zustand liegt der Dichtring abdichtend an der Wellenaufnahme 6a an, ferner liegt der Dichtring im druckbeaufschlagtem Zustand abdichtend an der Nutflanke 3d des Stützringes an. Der Stützring liegt ferner mit seinem radialen Anlagebereich 3RB abdichtend an der Wellennutflanke an. Dieser abdichtende Anlagebereich des Stützringes an der Wellennutflanke kann der einzige Anlagebereich des Stützringes an der Welle sein, was allgemein im Rahmen der Erfindung der Fall sein kann.
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Der Dichtring (ohne Druckbeaufschlagung oder fluiddruckbeaufschlagt unter Betriebsbedingungen der die Dichtungsanordnung umfassenden Vorrichtung oder Maschine) kann spielfrei ohne Anpresskraft oder mit gewissem, vorzugsweise geringem, Spiel oder mit einer gewissen, vorzugsweise geringen Anpresskraft an dem Nutgrund des Stützringes anliegen, so dass der Dichtring gegenüber dem Stützring verdrehbar ist. Gegebenenfalls kann die Dichtungsanordnung auch so ausgebildet sein, dass der Dichtring beim Betrieb der jeweiligen Vorrichtung oder Maschine nur geringfügig oder nicht gegenüber dem Stützring rotiert, Dichtring und Stützring jedoch jeweils gegenüber dem ersten und dem zweiten Bauteil rotieren.
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Die Weite NW der Nut 7 der Welle 5a ist derart bemessen, dass der Stützring 3 ein axiales Spiel in dieser aufweist (2b). Bei Druckbeaufschlagung des Stützringes durch das Fluid wird der Stützring an die niederdruckseitige Nutflanke gedrückt und liegt an dieser abdichtende mit seiner umlaufenden Fläche 3RB an. Durch das axiale Spiel des Stützrings 3 in der Nut 7 lassen sich dessen Segmente in radialer Richtung reibungsarm aufeinander zu bewegen.
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Die druckseitige erste Nutflanke 3c der Nut 3a weist eine geringere radiale Erstreckung N1 auf als die radiale Erstreckung N2 der zweiten beabstandeten Nutflanke 3d. Ein steigender Druck des abzudichtenden Fluids wird hierdurch direkt an den Dichtring weitergeleitet. Ferner ist der Nutgrund 3b hier mit einer Steigung versehen, nämlich zur Niederdruckseite hin ansteigend, wobei die Steigung ca. 10° beträgt. Durch Druckbeaufschlagung durch das Fluid wird der Dichtring dann gegen die niederdruckseitige Nutflanke und in Anstiegsrichtung der Steigung Δ in Richtung des abzudichtenden Bauteils 6 verschoben. Dadurch wir der Venturieffekt zwischen Dichtring und Bauteil 6 verstärkt, um eine besonders zuverlässige Abdichtung zu realisieren. Der Dichtring ist in druckbeaufschlagtem Zustand (also insbesondere auch bei Betriebsdruck der Maschine) geringfügig von dem Nutgrund beabstandet, er kann aber auch noch mit dem Endbereich des Nutgrundes, welcher benachbart der niederdruckseitigen Nutflanke 3d ist, zur Anlage kommen. Der Dichtring 2 weist einen rechteckigen Querschnitt auf (ohne hierauf beschränkt zu sein), die Abdichtungsfläche gegenüber dem Stützring und die gegenüberliegende Fläche des Dichtringes verlaufen also parallel zu einer Normalen der Wellenlängsachse. Die Stützringnut 3a weist bis auf die genannte Steigung ebenfalls einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, genauer gesagt also einen trapezförmigen Querschnitt. Der Dichtring ist zwar elastisch, um diesen unter Aufweitung auf dem Stützring montieren bzw. unter Öffnung/Schließen des Schlosses Temperaturschwankungen ausgleichen lassen zu können. Die Elastizität des Dichtringes ist derart an den Betriebsdruck des Fluis angepasst, dass der Dichtring durch den Fluiddruck aufweitbar und durch den Fluiddruck an die mit der Umfangsfläche des Dichtringes korrespondierende Dichtfläche des ersten oder zweiten Bauteils, vorzugsweise der Wellenaufnahme, angepresst wird.
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Zwischen dem Stützring 3 und der Wellenaufnahme 5a verbleibt in Einbaulage ein Spalt S (2b). Der Dichtring 2 ist wie oben beschrieben in der umlaufenden Nut 3a des Stützrings 3 angeordnet, wobei der Dichtring 2 an einem Anlagebereich AW1 des Stützrings 3 und an einem an dem Innenumfang der Wellenaufnahme 6a ausgebildeten Anlagebereichs AW2 dichtend anliegt. Der sich radial erstreckende Anlagebereich 3RB des Stützrings 3 an der Welle 5a ist in axialer Richtung gegenüber dem sich radial erstreckenden Anlagebereich AW1 des Dichtrings 2 am Stützring 3 zur Hochdruckseite hin versetzt angeordnet. Der Versatz kann etwa der Dichtringbreite entsprechen. Im Betriebszustand wird der Stützring auf der radial innen liegenden Fläche nur bis zum Anlagebereich 3RB vom Fluid mit Druck beaufschlagt. Auf der radial außen liegenden Fläche wird der Stützring aber bis zum Anlagebereich AW1 vom Fluid mit Druck beaufschlagt. Dadurch ist die radial von außen auf den Stützring einwirkende Druckkraft des Fluids größer als die von innen wirkende entgegen gesetzte Druckkraft des Fluids. Daraus resultiert eine radial von außen nach innen gerichtete (zentripetale) Kraft, die die beiden Segmente aus denen der Stützring besteht zusammendrückt. Die beiden radialen Stützring Durchtrennungen sind als planparallele 90° Stöße ausgelegt. Die Stoßfläche entspricht dem Querschnitt aus 2a. Die resultierende, zentripetale Kraft durch die Druckbeaufschlagung presst die Stoßflächen an den jeweils beiden Enden der Segmente zusammen, und dichtet sie dadurch ab.
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Die Erstreckung eines axialen Bereichs AB des Stützrings 3, welcher außerhalb der Nut 7 dem ersten Bauteil 5 gegenüberliegt, beträgt ca. 100% der Spaltweite SE zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil 5, 6. Im Weiteren ist die axiale Erstreckung AE des Stützrings 3 größer als die Weite SE des radialen Spalts 4 zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil 5, 6. Damit ist ein besonders stabiler Sitz des Stützrings gegeben.
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Der radiale Umfangsbereich 3m des Stützringes innerhalb der Nut 7 des ersten Bauteils und der radiale Umfangsbereich 3n des Stützringes außerhalb der Haltenut 7 des ersten Bauteils sind jeweils durch einen Umfangsspalt S2, S3 von dem Außenumfang des ersten Bauteils, hier der Welle, radial beabstandet. Der Stützring ist also zu dem diesen halternden Bauteil, hier der Welle, in radialer Richtung durch einen vollumfänglich umlaufenden Spalt beabstandet, welcher sich über ≥ 50–75% (nämlich 100%) der axialen Erstreckung des Stützringes, welche auf der Niederdruckseite desselben axial von der Aufnahmenut für den Stützring vorsteht, erstreckt. Alternativ oder zusätzlich ist ferner der Stützring auch über ≥ 50–75% (nämlich 100%) dessen Erstreckung innerhalb der Aufnahmenut durch einen konzentrisch zur Welle verlaufenden Umfangsspalt S2 von dem den Stützring aufnehmenden und axial sichernden Bauteil, also der Welle, radial beabstandet. Der Stützring ist also über dessen gesamte axiale Erstreckung innerhalb und außerhalb der Aufnahmenut durch konzentrisch zur Welle verlaufende Umfangsspalt S2, S3 von dem den Stützring aufnehmenden und axial sichernden Bauteil, also der Welle, radial beabstandet. Der Stützring weist also keinen axialen Anlagebereich an dem diesen axial halternden Bauteil auf, welcher niederdruckseitig von dem den Stützring axial halternden Haltebereich beabstandet ist, und auch keinen Anlagebereich mit dem diesen halternden Bauteil an dessen Haltebereich und auch keinen zu dem Haltebereich bzw. der Umfangsnut hochdruckseitig angeordneten Anlagebereich.
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Um einen ausreichend großen radialen Anlagebereich für den Stützring bereitzustellen und damit eine sichere Abdichtung zu realisieren ist der radiale Anlagebereich RB des Stützringes d größer als der Spalt S zwischen Stützring 3 und dem zweiten Bauteil 6.
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In der Nut, genauer gesagt dem Nutgrund, der den Dichtring aufnehmenden Nut des Stützringes ist ein Haltering 37 aus einem elastomeren Material, hier in Form eines O-Ring, eingelegt, welcher mehrere oder sämtliche Segmente des Stützringes miteinander verbindet, hier verliersicher verbindet, so dass die Segmente zu einer Baugruppe zusammengefügt sind, was die Montage des Stützringes an dem diesen halternden Bauteil erleichtert. Gegebenenfalls können die Stützringsegmente auch durch Filmscharniere (nicht dargestellt) miteinander verbunden sein. Der Haltering kann gegebenenfalls auch außerhalb der Nut, z. B. an den Nutflanken oder einem axial zu der Nut versetzten Abschnitt des Stützringes angeordnet sein.
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Die in der 3 dargestellte zweite Ausführungsform stellt eine Abwandlung der ersten Ausführungsform dar. Sofern sich aus dem Nachfolgenden nichts anderes ergibt, sei auf das oben Gesagte vollinhaltlich verwiesen.
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Bei dieser Ausführungsform der Dichtungsanordnung 8 ist der für den Dichtring eingesetzte Werkstoff ein Elastomer wie HNBR. Die Weite W2 der Nut des Stützrings 10 ist hier derart bemessen, dass der Dichtring 11 ohne axiales Spiel in dieser angeordnet ist. Ferner weisen die erste und die zweite Nutflanke 10a, 10b des Stützrings 10 eine radiale Erstreckung gleiche Länge N3 auf. Ferner entspricht die Erstreckung SE des Spalts 4 zwischen erstem und zweitem Bauteil 5, 6 etwa dem 4-fachen der Höhe DH2 des Dichtrings 11.
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Wie in dem ersten Ausführungsbeispiel weist der Stützring 10 einen umlaufenden Flansch 10F auf, welcher in die Nut des ersten Bauteils 5 eingreift und dieses axial sichert, aber mit axialem Spiel. Der radiale Anlagebereich 10RB des Stützrings am ersten Bauteil 5, welcher den Stützring axial haltert, ist in Bezug auf die Nut 7 des Stützrings 3 axial versetzt angeordnet. Der Anlagebereich 10RB ist Teil des Flansches 10F. Zur Abdichtung zwischen den Bauteilen ist der Dichtring 11 in Einbaulage zwischen Stützring 3 und dem zweiten Bauteil 6 abdichtend verpresst bzw. eingepasst. Der Dichtring 2 ist wie oben beschrieben in der umlaufenden Nut 7 des Stützrings 3 angeordnet, wobei der Dichtring 11 an einem Anlagebereich AW1a des Stützrings 3 und an einem an dem Innenumfang der Welleaufnahme 6a ausgebildeten Anlagebereichs AW2a dichtend anliegt.
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4 verdeutlicht noch einmal allgemein im Rahmen der Erfindung das Wirkprinzip der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung mit Versatz der Anlageflächen. Der sich radial erstreckende Anlagebereich A1 des Stützrings an dem diesen halternden Bauteil, hier der Welle, genauer der Wellennutflanke, ist gegenüber dem radialen Anlagebereich A2 des Dichtrings am Stützring axial beabstandet (W1), genauer gesagt axial zur Hochdruckseite hin versetzt (die Hochduckseite der Dichtungsanordnung ist allgemein die fluidführende, zumeist mit einem Öldruck beaufschlagte, Seite der Dichtungsanordnung und die Niederdruckseite ist die gegenüberliegende Seite, welche gegenüber dem Fluid bzw. Öldruckraum abgedichtet ist). Der Anlagebereich A1 des Stützringes an der Welle und/oder der Anlagebereich A2 des Dichtringes am Stützring sind hier zugleich jeweils als Abdichtbereiche zwischen den genannten Bauteilen ausgebildet. Die zentripetale Kraft F resultiert daher, dass in dem fluidführenden bzw. bei Betrieb mit Fluiddruck beaufschlagtem Bereich der Dichtungsanordnung (also auch unter Berücksichtigung des mit druckbeaufschlagtem Fluid (Öldruck) beaufschlagten Spaltes S4 zwischen Dichtring und Stützring im Bereich des Stützringnutgrundes 3b) aufgrund des Versatzes die Gesamtfläche der radial einwärts gerichteten druckbeaufschlagten Fläche der Dichtungsanordnung (bezogen auf die Fluiddruckrichtung) größer als die radial auswärts gerichtete druckbeaufschlagten Fläche derselben ist (siehe Pfeile). Im Stützringbereich bis zur Anlagefläche A1 an der Wellennutflanke heben sich die radial ein- und auswärts gerichteten Kräfte somit auf. Dies gilt auch bspw. wenn die Dichtringnut 3 am Stützring sich teilweise auf Höhe des Spaltes S2 und teilweise auf Höhe des niederdruckseitigen Spaltes S3 erstreckt. Hierdurch werden die Stützringsegmente bzw. der Stützring im Bereich seiner Durchtrennung zusammengedrückt und so die Abdichtung im Durchtrennungsbereich wesentlich verbessert. Die entlang der axialen Erstreckungen W2 und W3 radial ein- und auswärts wirkenden radialen Druckkräfte heben sich auf. Der axiale Versatz W1 ist also so weit bemessen, dass die von radial außen auf den Stützring einwirkende Druckkraft des Fluids genügend größer ist als die von innen wirkende entgegen gesetzte Druckkraft des Fluids. Daraus resultiert die zentripetale Kraft, die den Stützring an den Durchtrennungen zusammenpresst und dort abdichtet. Der axiale Versatz beträgt hier ca. 200% der Dichtringstärke (axiale Erstreckung des Dichtringes), kann aber auch < 100% betragen, so dass der Dichtring bspw. teilweise auf Höhe der Wellennut angeordnet ist. Eine Verkippung der Dichtringsegmente zu einer Ebene senkrecht zur Wellenachse erfolgt jedoch nicht, da die Verbindungslinie der Zentripetalkräfte die axiale Ausdehnung des Stützringes nicht verlässt, also die Segmente sich gegeneinander abstützen. Ferner werden die beiden Segmente durch axiale Druckkräfte (Fluiddruck) an die Nutflanke der Wellennut angepresst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dichtungsanordnung
- 2
- Dichtring
- 2a
- Durchtrennung
- 3
- Stützring
- 3'
- Stützringsegment
- 3a
- Nut
- 3b
- Nutgrund
- 3c
- erste Nutflanke
- 3d
- zweite Nutflanke
- 3F
- umlaufender Flansch
- 3m
- radialer Umfangsbereich
- 3n
- radialer Umfangsbereich
- 3RB
- radialen Anlagebereich
- 4
- Spalt
- 5
- erstes Bauteil
- 5a
- Welle
- 6
- zweites Bauteil
- 6a
- Wellenaufnahme
- 7
- Nut
- 7a
- Nutflanke
- 8
- Dichtungsanordnung
- 10
- Stützring
- 10a
- erste Nutflanke
- 10b
- zweite Nutflanke
- 10F
- umlaufenden Flansch
- 10RB
- radiale Anlagebereich
- 11
- Dichtring
- A
- Schnittebene
- B
- Ausschnitt
- C
- Ausschnitt
- Δ
- Steigung
- N
- Nutbereich
- F
- Federbereich
- NW
- Nutweite
- H1
- radiale Erstreckung
- H2
- radiale Ersteckung
- W1
- Weite
- NW
- Weite
- S
- Spalt
- S2
- Umfangsspalt
- S3
- Umfangsspalt
- AW1
- Anlagebereich
- AW2
- Anlagebereich
- RB
- radiale Anlagebereich
- AE
- axiale Erstreckung
- SE
- Erstreckung
- H1
- radiale Erstreckung
- H2
- radiale Erstreckung
- AB
- axialer Anlagebereich
- NT
- Tiefe
- DH1
- Höhe
- W2
- Weite
- N3
- Länge
- DH2
- Höhe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2462586 [0003]
- US 3166832 [0003]
- EP 1437536 A2 [0003]
- DE 102004050584 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 53505 [0036]
- DIN 7868 [0036]
