DE2643229A1

DE2643229A1 - Druckausgeglichene dichtung

Info

Publication number: DE2643229A1
Application number: DE19762643229
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Forch
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 1976-09-25
Filing date: 1976-09-25
Publication date: 1978-03-30
Also published as: FR2365738A1; NO151130C; SE7710585L; NO772678L; FR2365738B1; SE430358B; US4304414A; US4172599A; NO151130B; DE2643229C3; DE2643229B2

Description

DR. HELGA WEISSENFELD 6940 Weinheim/Bergstr.

Dipl. Chemikerin U Höhnerweg 2

' Telefon 06201 OBKHX+ 8618 OO

Telex 04 65 531

24. September 1976 Mo/Sch S 153/Deu

Anmelderin: Firma Carl Freudenberg, Weinheim

Druckausgeglichene Dichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Dichtung mit einem Dichtelement aus einem elastomeren Werkstoff zum druckausgeglichenen Abdichten eines flüssigen oder gasförmigen Mediums, insbesondere im Dichtspalt zwischen relativ zueinander beweglichen Maschinenteilen.

Es ist bekannt, zur Abdichtung von Flüssigkeiten Wellendichfcringe zu verwenden, wie sie beispielsweise in der DIN 3760 beschrieben werden. Diese Wellendichtringe bestehen im allgemeinen aus einem Versteifungsring aus Metall, der ein winkelförmiges Profil aufweist, wobei an dessen nach innen weisendem Steg ein Dichtelement aus einem elastomeren Werkstoff unter Zwischenschaltung einer Membran anvulkanisiert ist.

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Das Dichtelement weist eine Diehtlippe auf, welche gewöhnlich durch* eine aufgelegte Zugfeder gegen die abzudichtende Welle gepreßt wird«

Mit der Verwendung von Dichtungen dieser Art ist allgemein der Nachteil verbunden, daß sie selbst in der Ausführungsform sogenannter abgestützter Bauarten maximal bis su Drücken von Io kp/cm eine befriedigende Abdichtwirkung gewährleisten» Sind höhere Drücke abzudichten, so ist es notwendig, entweder mehrere derartige Dichtungen gegebenenfalls unter Einbeziehung eines hydraulischen Sperrsystems in Reihe hintereinander zu schalten, oder auf ein anderes Dichtungssystem überzugehen, beispielsweise auf eine Gleitringdichtung. Beide Möglichkeiten können jedoch nicht immer befriedigen. Gleitringdichtungen haben den Nachteil eines außerordentlich hohen Beschaffungspreises, während bei der Verwendung von hydraulisch in Reihe hintereinander geschalteten Wellendichtringen häufig keine ausreichende Betriebssicherheit erzielt werden kann.

Bei dem Bestreben, die Druckstabilität des einzelnen Dichtringes zu verbessern und damit, den Vorteil seiner einfachen Herstellbarkeit in einen höheren Gebrauchswert einzubringen, ergeben sich insofern Schwierigkeiten, als die Druckfestigkeit dieser Dichtringe durch verschiedene technische Randbedingungen begrenzt ist.

Einer der wesentlichsten Faktoren dürfte darin zu sehen sein, daß der anstehende hydraulische Druck unmittelbar zu einer Steigerung der Anpresskraft der Diehtlippe gegen die abzudichtende Fläche führt, was unkontrollierte überhitzungen des die Diehtlippe bildenden elastomeren Werkstoffes oder Veränderungen des Anstellwinkels der Diehtlippe gegen die abzudichtende Fläche zur Folge haben kann.

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Eine andere Schwierigkeit kann sich daneben insofern ergeben, als es im allgemeinen nicht möglich ist, von einem konstanten Druck des anstehenden Mediums auszugehen. Beispielsweise in einer Anwendung als Pumpendichtung ergibt sich vielmehr aus jedem einzelnen Maschinenanlauf ein allmählicher Druckanstieg Dia zum Nennwert, wobei unter UmstAnden auch noeh kritisch« Drehzahlen mit erheblichen Wellenschwingungen durchfahren werden müssen. Eine statisch eingestellte Anpresskraft der Dichtlippe an die abzudichtende Fläche auf einen Nennwert scheidet aus diesen Gründen für derartige Anwendungsfälle aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abdichtung von unter hohem Druck stehenden Medien zu entwickeln, das unter Verwendung einer einfach zu fertigenden Dichtung ähnlich den bekannten Wellendichtringen durchgeführt werden kann und das die vorstehend genannten Schwierigkeiten überwindet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, bei dem der auf das Dichtelement einwirkende Druck in eine dessen Dichtkantenanpressung erhöhende und eine die Dichtkantenanpressung verringernde Komponente derart zerlegt wird, daß die daraus resultierende Kraft die Dichtkante in Abhängigkeit von dem anstehenden Druck jeweils nur so fest gegen die abzudichtende Fläche preßt, wie es zur Gewährleistung einer guten Abdichtung erforderlich ist.

Nach einer besonderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß das Dichtelement zur Erzeugung der einander entgegengesetzt gerichteten Kräfte verwendet wird, indem es so ausgebildet wird, daß es im Profil einem zweiseitigen

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Hebel entspricht, der,auf einer Seite über eine Membran beweglich an einem Versteifungsring befestigt,am entgegengesetzten Ende ein© Dichtkante und dazwischen ein Lager aufweist, wobei die hydraulisch wirksame Fläche des Dichtelementes zwischen dem Lager und der Dichtkante größer ist als die entsprechende Fläche zwischen dem Lager und der Membran» Besonders vorteihaft läßt sich das Verfahren durchführen durch Verwendung eines Dichtringes, dessen Versteifungsring ein winkelförmiges Profil und an dem nach innen weisenden Steg ein Dichtelement aufweist, das,über eine Membran mit ihm verbunden, bei im wesentlichen zylindrischem Profil am entgegengesetzten Ende eine Dichtlippe oder -kante aufweist und dessen Lager durch einen Ring gebildet wird, der auf seiner Innenseite angeordnet und dort gegebenenfalls in eine Nut eingebettet sein kann. Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß das Dichtelement ein winkelförmig ausgebildetes Profil aufweist, dessen radialer Schenkel über eine Membran an dem Außendurehmesser des Versteifungsringes befestigt ist, während im Bereich seines Innendurchmessers auf der dem abzudichtenden Medium abgewandten Seite ein ringförmig vorgezogener Wulst als Lager vorgesehen ist, der an dem Versteifungsring anliegt, und der gegebenenfalls durch einen Stützring zweckmäßigen Profils verstärkt «ein kann. Nach einer weiteren besonderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß der Versteifungering im Bereich seines Innendurchmessers auf der dem abzudichtenden Medium zugewandten Seite eine Abstützkante aufweist, welche das Lager für das Dichtelement bildet, wobei dieses abweichend von einem winkelförmigen Profil gegebenenfalls auch ein in radialer Richtung geripptes Dreiecks- oder ein anderes zweckmäßiges Profil aufweisen kann. Der radiale Steg des Dichtelementes kann in einer weiteren Ausgestaltungsform auch im wesentlichen von der Membran gebildet werden, wobei diese

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gegebenenfalls durch eine auf Zug beansprachbare Verstärkungseinlage verstärkt sein kann, die sich gegebenenfalls bis in den radialen Teil des Dichtelementes erstreckt. Hinsichtlich der verwendeten Verstärkungseinlage eignet sich insbesondere ein textiles Flächengebilde oder ein Drahtgebilde* welches in das Dichtelemenfe eingebettet oder auf dessen Oberfläche aufgeklebt oder aufgeschweißt sein kann, Die Durchführung des erfindungsgemäßen Äbdichtungsverfahrene ist nicht auf die Ausbildung von Wellendichtringen beschränkt» sondern es ist ebenfalls möglich, das Verfahren bei der Ausbildung von Kolben-Gichtringen zur Anwendung au bringen.

Einzelne beispielhafte Ausführungsformen von Dichtungen sur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der beigefügten Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert:

Figur 1 zeigt einen druckausgeglichenen Wellendichtring mit einem im wesentlichen axial ausgerichteten Dichtelement 1, das auf einem eingelegten Ring 2 abgestützt wird.

Figur 2 zeigt einen entsprechenden Ring mit einem im Profil winkelförmig ausgebildeten Dichtelement 1, welches durch den radialen Steg des Versteifungsringes 3 und durch den ringförmigen Wulst 2 des Dichtelementes abgestützt wird.

Figur 3 zeigt eine alternative Ausführung mit winkelhebelartiger Wirkungsweise des elastoraeren Dichtelementes« wobei dieses ein in radialer Richtung geripptes Dreiecksprofil aufweist und auf einer Abstützkante 3.1 des Versteifungsringes gelagert ist.

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Figur H seigt einen druckausgeglichenen Dichtring mit winkelhebe!mäßiger Punktionsweise des Diehtelesnentesj, wobei dessen radial verlaufender Steg im wesentlichen durch die Membran 1.3 gebildet wirds welche eine auf Druck beanspruchbare Verstärkungseinlage aufweist«

Figur 5 entspricht in seiner Funktion der Figur H₃ wobei jedoch die dynamisch wirkende Dichtkante 1.1 in Anpassung an den Verwendungszweck als Kolbendichtung auf ihrem Außendurchmesser angeordnet ist.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Abdichtverfahrens beruht im wesentlichen darauf, daß das verwendete Dichtelement im Profil einem zweiseitigen Hebel entspricht, bei dem die beiderseits des Drehpunktes wirksamen hydraulischen Flächen so aufeinander abgestimmt sind, daß die Abdichtkante in Abhängigkeit von dem anstehenden Druck jeweils nur so fest gegen die abzudichtende Fläche gepreßt wird, wie es zur Gewährleistung einer guten Abdichtwirkung erforderlich ist.

Unter Berücksichtigung dieser fundamentalen Bedingung ergeben sich außerordentlich vielfältige Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der speziellen Ausführung der erfindungsgemäßen Dichtung.

Die beigefügten Zeichnungen zeigen diesbezüglich einige wichtige Ausführungsformen_s der Gegenstand der Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.

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Das Dichtelement in der Figur 1 entspricht im Profil einem zweiseitig wirksamen, geradlinigen Hebel, in den Figuren 2-3 einem Winkelhebel, in den Figuren k-5 einem Kipphebel. Die Aussteifung erfolgt in den Figuren 1 und 2 durch eine in dessen Zug- und/oder Druckzone einvulkanisierte oder aufgeklebte Versteifungseinlage 1.4, in den Figuren 3 und 4 durch eine statisch günstige Formgebung des Dichtelementes aus dem elastomeren Werkstoff. Figur 5 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der in dem Dichtelement in den auf Zug bzw. Biegung beanspruchten Zonen zusätzliche Verstärkungselemente aus einem abweichenden Werkstoff eingebettet sind, beispielsweise in Form von Stahlnadeln.

Die Anwendung solcher oder abweichender Verstärkungselemente ist mit keinen besonderen Schwierigkeiten verbunden, sofern dadurch die radiale Beweglichkeit der Dichtlippe, die bei ringförmigen Dichtungen mit einer Durchmesserveränderung verbunden ist, nicht beeinträchtigt wird. Bei ihrer Festlegung handelt es sich im Einzelfall somit zumeist darum, eine gute statische Aussteifung in radialer bzw.in axialer Richtung zu erzeugen, die jedoch in Umfangsrichtung unwirksam sein soll. Es sind in diesem Sinn« radiale und/oder axiale Verstärkungselemente oder -maßnahmen inmer besonders vorteilhaft anzuwenden, während Flächengebilde mit isotropen Festigkeitseigenschaften, beispielsweise Bleche oder Siebe, ungeeignet sind. Können Gewebe zur Anwendung, dann sollten dieie nach Möglichkeit einen zentral orientierten Aufbau aufweisen. Häufig können die statischen und dynamischen Eigenschaften des Dichtelementes auch durch die Verwendung kombinierter Verstärkungselemente verbessert werden.

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Auch hinsichtlich der Abstützung des Dientelementes auf einem Lagerpunkt bestehen unterschiedliche Möglichkeiten. Das Dichtelement in Figur 1 ist auf einem einfachen auf der Innenseite angeordneten Stützring 2 gelagerts der gegebenenfalls auch aus einem Werkstoff mit guten Gleiteigensehaften bestehen kann, beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen oder aus Rotguß. Eine derartig© ausführungsform kann sich insbesondere dann auf die Standzeit der Dichtlipp© positiv auswirken_s wenn "ein solcher Stütsring gleichzeitig zur radialen Führung .des Dichtelementes durch di© abzudichtende Welle verwendet wird., und wenn häufig kritische Drehzahlen mit starken radialen Wellenschwingungen durchfahren werden müssen»

Die Abstützung des Dichtelementes in Figur 2 erfolgt durch einen einvulkanisierten Ring, der zur Gewährleistung einer gleichbleibenden Beweglichkeit des radialen Schenkels des Dichtelementes ein geschlitztes V-Profil aufweist. An seiner Stelle ist auch die Verwendung einer auf Block gewickelten Schraubenzugfeder möglichj die gegebenenfalls auch lose aufgelegt oder aufgeklebt sein kann. Eine derartige Ausführungsform zeichnet sich insbesondere durch eine hervorragende radiale Beweglichkeit der Dichtlippe aus. Die Abstützung des Dichtelementes in den Figuren 3-5 erfolgt durch eine druckseitig vorgezogene Abstützkante 3«i des Versteifungsringes 3.

Da es unter praktischen Anwendungsbedingungen oft erwünscht ist, eine gewisse Mindestanpressung der Dichtlippe gegen die abzudichtende Fläche nicht zu unterschreiten, werden auch bei dem erfindungsgemäßen Dichtelement häufig sekundäre Anpressmittel verwendet, beispielsweise Wurmfedern 1.2. Figur 5 zeigt ein anderes derartiges Hilfsmittel in Form von einem geschlossenzellig geschäumten, elastischen Kunststoffschaum, der in dem Hohlraum 6 zwischen dem radialen Steg des Dichtelementes und dem Versteifungsring angeordnet ist. 109813/0281

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Selbstverständlich ist #s zur Ersielung des gleichen Zweckes auch möglich», diesen Raum durch Einleitung eines unter Druck stehenden Gases oder einsr Flüssigkeit vorzuffÄnnen und hierbei durch Veränderung dee Druckes di@ Anpressung der Diohtlippe gegebenenfalls in ganz gezielter Weis·« su

Der besondere Vorteil das erfindungsgemäßen Verfahrens zur druckftusgegliebenen Abdichtung flüssiger oder gasförmiger Medien besteht darin, d&JS es in einfacher und zuverlässiger Weise die Abdichtung hoher Drücke im Bereich dee Dichtspaltes von relativ sueinander bewegten Maschinenteilen gewährleistet. Pie verwendeten Dichtungen weisen einen außerordentlich geringen Verschleiß auf, und dieser wirkt sich insbesondere positiv bei häufig auftretenden starken radialen Schwingungen der abzudichtenden Welle aus. Im Bereich niedriger Drücke angewendet, ergibt sich aus ihrer Verwendung eine wesentlich verbesserte Lebensdauer.

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Claims

Patentansprüche:

Verfahren und Dichtung mit einem Dichtelement aus einem elastomeren Werkstoff zum druckausgeglichenen Abdichten eines flüssigen oder gasförmigen Mediums insbesondere im Dichtspalt zwischen relativ zueinander beweglichen Maschinenteilen, dadurch gekennzeichnet, daß der auf das Dichtelement einwirkende Druck in eine dessen Dichtkantenanpressung erhöhende und eine die Dichtkantenanpressung verringernde Komponente derart zerlegt wird, daß die daraus resultierende Kraft die Dichtkante in Abhängigkeit von dem anstehenden Druck jeweils nur so fest gegen die abzudichtende Fläche preßt, wie es zur Gewährleistung einer guten Abdichtwirkung erforderlich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement zur Erzeugung der einander entgegengesetzt gerichteten Kräfte verwendet wird, indem es so ausgebildet wird, daß es im Profil einem zweiseitigen Hebel entspricht, der, auf einer Seite über eine Membran beweglich an einem Versteifungsring befestigt, am entgegengesetzten Ende eine Dichtkante und dazwischen ein Lager aufweist, wobei die hydraulisch wirksame FLäche des Dichtelementes zwischen dem Lager und der Dichtkante größer ist als die entsprechende Fläche zwischen dem Lager und der Membran.
3. Dichtung für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Versteifungsring (3) mit winkelförmigem Profil an dem nach innen weisenden Steg ein Dichtelement (1) aufweist, da·, über eine Membran (1.3) mit ihm verbunden, bei im wesentlichen zylindrischem Profil

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am entgegengesetzten Ende eine Dichtlippe oder -kante (1.1) aufweist, und dessen Lager durch einen Ring (2) gebildet wird, der auf eeiner Innenseite angeordnet und gegebenenfalls in eine Nut eingebettet ist.
4. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein im Profil winkelförmig ausgebildetes Dichtelement (1) aufweist, dessen radialer Schenkel über eine Membran (1.3) an dem Außendurchmesser des Versteifungsringes (3) befestigt ist, während im Bereich seines Innendurchmessers auf der dem abzudichtenden Medium abgewandten Seite als Lager ein ringförmig vorgezogener Wulst vorgesehen ist, der an dem Versteifungering (3) anliegt, und der gegebenenfalls durch einen Stützring (2) zweckmäßigen Profils verstärkt sein kann.
5. Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Versteifungsring (3) im Bereich seines Innendurchmessers auf der dem abzudichtenden Medium zugewandten Seite eine Abstützkante (3.1) aufweist, welche das Lager für das Dichtelement (1) bildet, wobei dieses, abweichend von einem winkelförmigen Profil, gegebenenfalls auch ein in radialer Richtung geripptes Dreiecks- oder ein anderes zweckmäßiges Profil aufweisen kann.
6. Dichtung nach Anspruch 4 und 5» dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Steg des Dichtelem«ntes (1) im wesent lichen durch die Membran (1.3) gebildet wird, wobei diese eine auf Zug beanspruchbare Verstärkungsein lage (1.4) aufweist, die sich gegebenenfalls bis in dep radialen Teil des Dichtelementes (1) erstreckt.

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Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinlage (1.¹O aus einem zentral orientierten textlien Plächengebilde oder Drahtgebilde besteht, welches in das Dichtelement (1) eingebettet, oder auf dessen Oberfläche aufgeklebt oder aufgeschweißt ist.

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