DE2827097A1

DE2827097A1 - Dichtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2827097A1
Application number: DE19782827097
Authority: DE
Inventors: Pier Luigi Dr Panigati
Original assignee: Etablissement dOccident
Current assignee: Etablissement dOccident
Priority date: 1977-06-27
Filing date: 1978-06-21
Publication date: 1979-01-18
Also published as: BR7804051A; CH612256A5; FR2396221B1; ES471040A1; CA1113135A; IT1097109B; NL7806695A; JPS5442555A; SE7807213L; MX147559A; GB2000234B; IT7824795A0; FR2396221A1; GB2000234A; US4466624A; AR213779A1

Description

BE 18 430

Etablissement d'Occident, Vaduz

(Liechtenstein)

DichtungsVorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsvorrichtung zwischen zwei relativ zueinander beweglichen, zylindrischen Körpern, von denen der eine einen Sitz zur Aufnahme eines aus elastischem Material bestehenden Dichtungsringes aufweist, der im Ruhezustand der beiden Körper ein vorbestimmtes Spiel gegenüber der Dichtungsfläche des anderen Körpers aufweist, und mit Flanken versehen ist, von denen wenigstens eine einen Winkel mit der entsprechenden Flanke des Sitzes bildet, um es dem Dichtungsring zu ermöglichen, unter Wirkung des Druckes eines in den freien Raum zwischen den beiden Körpern auf einer Seite des Sitzes eindringenden Fluidums um seine Torsionsachse zu rotieren und sich dabei gegen die eine der beiden als Dichtungsflächen vorgesehenen Flanken des Sitzes anzulegen.

Es sind bereits solche Vorrichtungen bekannt, insbesondere diejenige nach dem Schweizer Patent Nr. 560 340, in welchem der ringförmige Sitz längs seines ümfanges einen V-förmigen Querschnitt bildet, während die Ringdichtung einen Querschnitt aufweist, der im wesentlichen durch gegen den Grund des Sitzes hin konvergierende Flanken

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gebildet ist. In dieser bekannten Vorrichtung ist der Oeffnungswinkel des Sitzes grosser als der Winkel der beiden Flanken des Dichtungsringes, welche von der der Dichtungsfläche des andern Körpers gegenüberliegenden Lauffläche des Dichtungsringes gegen dessen Spitze am Grund des nutförmigen Sitzes hin konvergieren. Der in einem gewissen radialen Abstand von der Längsmittelachse des zylindrischen Körpers und des Dichtungsringes gemessene Abstand der beiden Flanken des Sitzes voneinander ist also stets grosser als der entsprechende Abstand der Flanken des Dichtungsringes. Der Dichtungsring kann mit der genannten Dichtungsfläche des andern Körpers, mit welcher er zusammen seine Dichtfunktion ausüben muss, im Ruhezustand bedarfsweise in Berührung stehen oder auch einen geringfügigen Abstand von dieser Dichtungsfläche aufweisen. Im weiteren muss der Dichtungsring ohne jeglichen Druck auf den Grund des ringförmigen Sitzes aufliegen, weil er sich andernfalls in einer instabilen Gleichgewichtslage befinden würde und infolge des Druckes gegen die eine oder andere Flanke des Sitzes gezogen würde, statt, wie dies tatsächlich der Fall ist, sich in symmetrischer Lage zum Sitz zu befinden. Wenn nun ein Fluidum unter Druck in den freien Raum eindringt, der durch die eine Flanke des Sitzes und die entsprechende Flanke des Dichtungsringes gebildet ist, übt es auf den Dichtungsring Kräfte aus, die ihrerseits Reaktionen auslösen und so ein Drehmoment erzeugen, das über die ringförmige Torsionsachse des Dichtungsringes verteilt ist. In der Praxis verschiebt das unter Druck stehende Fluidum den Dichtungsring um eine Längeneinheit, die entweder unendlich oder endlich klein sein kann, je nach dem vorhandenen Spiel, bis die Spitzen der unteren Lippen, mit welchen der

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Dichtungsring sich auf den Grund des Sitzes abstützt, in Berührung mit der entsprechenden Flanke des ringförmigen Sitzes treten. Diese Berührung erzeugt eine Reaktion seitens der Sitzflanke auf dem Dichtungsring und bewirkt dadurch eine Drehung des Dichtungsringes um seine Torsionsachse, an deren Ende die eine oder andere der äusseren Spitzen des Dichtungsringes sich anhebt, d.h. ihren radialen Abstand vergrössert. Diese Anhebung oder Abstandsvergrösserung bewirkt dann den Kontakt mit der Dichtungsfläche des gegenüberliegenden Körpers unter entsprechender Dichtwirkung.

Der Zweck der Erfindung besteht darin, einige Nachteile dieser bekannten und ähnlichen Dichtungsvorrichtungen zu vermeiden. Erfindungsgemäss wird dies durch eine Dichtungsvorrichtung der eingangs erwähnten Gattung dadurch erreicht, dass der Dichtungsring einen Querschnitt aufweist, der sich aus einem der Dichtungsfläche des andern Körpers entlang erstreckenden ersten Teil und wenigstens einem weiteren, vom ersten Teil aus sich im wesentlichen radial erstreckenden weiteren Teil zusammensetzt, wobei sich derjenige Punkt, in welchem die Torsionsachse den Querschnitt senkrecht durchdringt, im ersten Teil befindet.

Die Erfindung wird anhand verschiedener Ausführungsformen, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch die Dichtungsvorrichtung der bereits bekannten Art, zwecks Erläuterung der grundsätzlichen Aspekte der Erfindung , und

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Fig. 2 bis 7 verschiedene Ausführungsformen des Sitzes und des Dichtungsringes der erfindungsgemässen Dichtungsvorrichtung im Ruhezustand des Dichtungsringes.

In Fig. 1 ist schematisch eine Dichtungsvorrichtung zwischen zwei Körpern dargestellt, die sich relativ zueinander bewegen, wie insbesondere ein Zylinder 1 und ein Kolben 2; üblicherweise wird diese Relativbewegung durch eine Verschiebung des Kolbens 2 infolge des Druckes eines Fluidums bewirkt, der auf eines seiner beiden Enden einwirkt. Damit dieses Zylinderkolbenaggregat auch tatsächlich funktioniert, ist es wesentlich, dass das Fluidum nicht zum gegenüberliegenden Ende des Kolbens 2 vordringen kann. Dies wird durch eine Dichtungsvorrichtung 3 verhindert, die einen Dichtungsring 4 aufweist, der sich beispielsweise in einer ringförmigen Nut des Kolbens 2, die als Sitz für diesen Dichtungsring dient, befindet, und welcher im Betriebszustand sich während der Verschiebung gegen die Dichtungsfläche 6 des Zylinders 1 anlegt.

Wird ein Fluidum unter Druck eingegeben, dringt dieses in den Raum 7 ein, der zwischen der Flanke 8 des Dichtungsringes 4 und derjenigen des Sitzes 5 gebildet ist, wodurch es auf den Dichtungsring Kräfte ausübt, die ihrerseits Reaktionen auslösen, sodass insgesamt ein Drehmoment gebildet wird, das sich längs der ringförmigen Achse 9 (Torsionsachse) des Ringes verteilt. Betrachtet man den Querschnitt des Dichtungsringes, so ersieht man, dass sich dabei die im wesentlichen zur Dichtungsfläche 6 parallele Seite 10 des Dichtungsringes 4 neigt, wodurch sich, in der Figur gesehen, einzelne Punkte dieser Linie, die sich an

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deren Ende befinden, anheben. Schliesslich kommt einer derselben, beispielsweise der Punkt 11, mit der Dichtungsfläche 6 in Berührung, wodurch die gewünschte Dichtwirkung zustandekommt.

Um die Haftreibung zwischen Dichtungsring 4 und Dichtungsfläche 6 herabzusetzen, wird ein bestimmtes Ruhespiel 12 vorgesehen, das sich je nach den unvermeidlichen Fabrikationstoleranzen bis auf den Wert 0 verringern kann. Will man diese Möglichkeit vermeiden, muss ein Spiel von grösserem Nennwert vorgesehen werden. Dies wiederum kann bei ungünstiger Summierung der Toleranzen zu einem übergrossen Spiel führen; übergross deswegen, weil dann der zur Rotation des Dichtungsringes notwendige Minimaldruck des Fluidums zu gross wird und daher für das gute Funktionieren der Vorrichtung nicht mehr zulässig ist.

Somit liegen die Grenzen der bekannten Vorrichtung darin, dass es unmöglich ist, das Spiel zwischen Dichtungsring und Dichtungsfläche mit grösster Freizügigkeit festzulegen und gleichzeitig den zur Dichtwirkung notwendigen Minimaldruck innerhalb vernünftiger Grenzen zu halten. Dies soll im folgenden noch erläutert werden.

Wie schon erwähnt, rotiert der Dichtungsring infolge der Resultierenden der auf ihn wirkenden Kräfte und seine Torsionsachse 9. Somit hat die Lage dieser Achse, die sich aus der Querschnittsform des Dichtungsringes 4 sowie aus dessen Durchmesser ergibt, entweder einen Einfluss auf die Gesamtheit der elastischen Reaktionen des Dichtungsringes gegenüber dieser Rotation (Torsion) oder auf die Gesamtheit der Anhebung der obersten Punkte des Dichtungsringes wie

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des schon erwähnten Punktes 11, durch welche Anhebung schliesslich die Dichtwirkung herbeigeführt wird.

Die maximale Anhebung der Dichtungspunkte oder, was gleichbedeutend ist, der minimale Rotationswinkel des Dichtungsringes, ergibt sich somit dann, wenn die Torsionsachse 9 den geringstmöglichen Radialabstand und den grösstmöglichen Axialabstand von diesen Punkten aufweist.

In Fig. 1 bedeutet dies, dass der Axialabstand d der

Torsionsachse 9 beispielsweise vom Punkt 11, der von ihr am weitesten entfernt ist, so gross wie möglich sein muss, um die maximale Anhebung dieses Punktes bei der Rotation gemäss dem Pfeil 13 zu bewirken, während die Radialdistanz d zwischen Torsionsachse und dem genannten Punkt so klein wie möglich sein muss.

Gleichzeitig mit der Vergrösserung des Axialabstandes steigt aber auch der elastische Widerstand des Dichtungsringes gegen Torsion. Aus der Optimierung dieser gegensätzlichen Bedürfnisse ergibt sich für jeden Fall die maximale Anhebung des Dxchtungspunktes (oder die minimale Rotation) bei minimalem Druck des einwirkenden Fluidums.

Somit bedingt das Vorhandensein eines gewissen Spieles zwischen Dichtungsring 4 und Körper 1 einen minimalen Druck auf die eine Flanke 8 des Dichtungsringes (oder eine ■minimale Druckdifferenz, wenn beide Flanken unter Druck stehen), um die Dichtwirkung herbeizuführen. Mit der Dreiecksform des Dichtungsringes gemäss Fig. 1 ist die Möglichkeit der Aufrechterhaltung eines Minimaldruckes bei Vorhandensein eines Spiels 12, das als zweckmässig erachtet

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wird, äusserst begrenzt. Man kann zwar die Form und Abmessungen des Dreieckes verändern; um die Torsionsachse näher an die Dichtungsfläche heranzuführen und um die Dichtungspunkte des Dichtungsringes von der Achse zu entfernen, kann man die Basis des Dreieckes vergrössern, unter gleichzeitiger Verringerung seiner Höhe, oder man kann auch andere Dreiecksformen wählen. Alle diese Massnahmen bedingen jedoch komplizierte Berechnungen, weil das beste Resultat sich aus einer Optimierung von gegensätzlichen Effekten ergibt, wenn es sich überhaupt ergibt. Das Anheben der Torsionsachse mit entsprechender Verbreiterung der Basis des Dreiecks bewirkt nämlich beispielsweise eine Vergrösserung des elastischen Widerstandes gegenüber Torsion.

Mit der vorliegenden Erfindung hingegen wird der Bewegungsspielraum zur Aufrechterhaltung des minimalen Dichtungsdruckes wesentlich grosser, wie aus den Figuren 2 bis 6 hervorgeht, die verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemässen Dichtungsvorrichtung darstellen.

In Fig. 2 ist ein Dichtungsring 4 gezeigt, der im wesentlichen T-förmig ist und teilweise im Sitz 5 untergebracht ist. Der Dichtungsring weist einen axialen Hauptteil· l·4a auf, der sich im Zwischenraum zwischen den beiden Körpern 1 und 2 befindet und sich über die Mündung des Sitzes 5 hinaus erstreckt, und einen weiteren Teil 15a, der direkt in radialer Richtung gegen den Grund 16a des Sitzes 5 führt. Betrachtet man diese Ausbildung in Ueberlagerung zu derjenigen gemäss Fig. 1, welche in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet ist, so ersieht man, dass bei gleicher Länge L und gleicher Höhe H die Torsionsachse 9a radial weiter vom Grund des Sitzes oder von der Längsachse der Vorrichtung

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entfernt ("angehoben") ist als die Torsionsachse 9 ; somit ergibt sich bei gleichem Rotationswinkel eine grössere Anhebung des Punktes 11. Gleichzeitig bietet der T-förmige Dichtungsring wegen seiner relativ grösseren Materialkonzentration um die Symmetrieachse herum einen geringeren elastischen Widerstand gegen die Verdrehung.

Gleiches kann vom Dichtungsring nach der Fig. 3 gesagt werden, der im wesentlichen eine U-Form aufweist, mit zwei an den Enden des Hauptteils 14b angebrachten Lippen 15b, die sich gegen den Grund 16b des dreieckförmigen Sitzes hin erstrecken und dabei eine abnehmende Breite aufweisen. Dadurch, dass von der ursprünglichen dreieckigen Form Material am unteren Teil der Querschnittsform in ähnlicher Weise wie bei Fig. 2 weggelassen wurde, ergibt sich ohne weiteres, dass die Torsionsachse 9b dieser Form höher als die Achse 9 der Dreieckform gemäss Fig. 1 liegt. Auch hier wird somit der Punkt 11 bei gleichem Drehwinkel stärker angehoben. Gleichzeitig ergibt die innere Materialreduktion eine Verringerung des elastischen Widerstandes und damit einen geringeren Betriebsdruck.

Aufgrund des obigen kann in analoger Weise die Ueberlegenheit der Formen des Dichtungsringes gemäss den Fig. 4 und 5 gezeigt werden, bei welchen die Dichtung auf der Innenseite des Ringes stattfindet. Beide Dichtungsvorrichtungen wirken nur in einer Richtung, d.h. das Fluidum tritt von einer Seite her ein, und die Dichtung findet auf der anderen Seite statt. Einzelheiten dieser beiden Ausführungsformen werden später noch erläutert.

Bei dieser Gelegenheit darf nochmals an den wesentlichen Umstand und an die Nützlichkeit des dargestellten Dichtungs-

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ringes erinnert werden, der zur Dichtungsfläche ein Spiel aufweist, welches mit grosser Freizügigkeit vorbestimmt werden kann.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass durch dieses Spiel die Haftreibung auf 0 herabgesetzt werden kann. Dies ist bei sich relativ zueinander bewegenden Dichtungsteilen der Fall, wie zum Beispiel bei fluidumsdynamischen Zylindern, Spulen in Druckventilen und dergleichen.

In all diesen Fällen kann das Spiel vorbestimmt werden, wenn man den Dichtungsring nicht nur als Dichtorgan, sondern auch als Steuerorgan für das Fluidum verwenden will.

Die Ausführungsformen des Dichtungsringes nach den Fig. 4 und 5 weisen im wesentlichen eine L-Form auf und sind in Sitzen 5 von rechteckigem Querschnitt gelagert. Der Hauptteil 14c bzw. 14d erstreckt sich wie in allen Ausführungsformen in axialer Richtung der Vorrichtung, während der andere Teil 15c bzw. 15d, der sich gegen den Grund 16c bzw. 16d erstreckt, zu den radialen Flanken 17c bzw. 17d des Sitzes geneigt ist, mit diesem somit einen Winkel bildet. Mit diesen Varianten ergibt sich eine Dichtwirkung nur in einer Strömungsrichtung des Druckfluidums. In der Gegenrichtung hingegen kann dieses durchströmen. Es ergibt sich von selbst, dass es unter ähnlichen Bedingungen wünschenswert ist, dass dieser Durchgang so gross wie möglich ist, dass somit das Spiel zwischen Dichtungsring 4 und Dichtungsfläche 6 den grösstmöglichen Wert annehmen soll, der noch mit der gegenteiligen Forderung nach absoluter Dichthaltung bei Strömung in der Gegenrichtung verträglich ist; dabei soll der Durchströmungsdruck so gering wie möglich sein. Mit der vor-

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liegenden Erfindung kann aufgrund des vorher Gesagten die beste Optimierung all dieser Forderungen erreicht werden.

Weitere Varianten folgen aus den Fig. 6 und 7, in welchen die Nut, welche bisher den Sitz bildete, durch einen Sitz 5' in Form eines ringförmigen Vorsprunges ersetzt ist, der mit jedem der inneren Flanken der Dichtung einen Winkel bildet, wobei die letztere im wesentlichen eine U-Form aufweist. Diese Winkel ermöglichen es, dass bei Einwirkung eines Druckes auf die eine oder andere Seite der Dichtung eine Rotation derselben und damit die gewünschte Dichtwirkung erfolgt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 stützt sich der Dichtungsring mittels der unteren Flanke 19 seines Hauptteiles 14e auf eine Kante 20 an der Umfangsflache des Vorsprunges 5', welche Oberfläche somit in zwei Teile 21a, 21b unterteilt wird, die je einen Winkel mit der erwähnten Flanke 19 des Dichtungsringes bilden. Wenn der Berührungspunkt zwischen dieser Flanke und der Kante mit der Torsionsachse 9e zusammenfällt, was zum Teil von den gewählten Dimensionen für den Hauptteil 14e und für die anderen Teile 15e abhängt, erhält man die beste Wirkungsweise dieser Ausführungsform.

Die beiden Teile 15e sind an ihrem unteren Ende teilweise in Vertiefungen 22a, 22b gelagert, um im Ruhezustand des Dichtungsringes ein stabiles Gleichgewicht zu ermöglichen.

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Der Vorsprung 5¹ in Fig. 7 ist lediglich von rechteckiger Form, und der Dichtungsring besteht aus zwei Hälften 4', 4", die im Querschnitt mit den Ausführungsformen nach den Fig. 4 und 5 identisch sind. Beide Hälften sind unter sich über den Vorsprung 5' hinweg mittels eines weichen ringförmigen Membrans 23 verbunden. Die Membran 23 muss deswegen weich sein, um die Rotation der einen oder anderen Hälfte 4', 4" zu ermöglichen, ohne dass deren Bewegung auf die andere Hälfte übertragen wird. Beide Hälften können übrigens gleichzeitig rotieren und sich gleichzeitig in Berührung mit der entsprechenden Dichtungsfläche befinden, auch in Gegenwart zweier gleicher Drücke; unter derartigen Bedingungen ist keine der vorher betrachteten Ausführungsformen in der Lage, zu rotieren und damit ab-

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zudichten.

Für alle dargestellten Ausführungsformen kann die Lage, insbesondere das Anheben, der Torsionsachse 9 dadurch gewählt werden, dass man für den Hauptteil 14 ein anderes Material als für die Teile 15 verwendet; insbesondere kann der Teil 14 aus einem Material von wesentlich höherem spezifischem Gewicht als dasjenige für die Teile 15 sein.

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Claims

Maxton ■ Maxton

Langmaack

Patentanwälte S Köln 51, Pferdmengwstr. 50

Patentansprüche

Dichtungsvorrichtung zwischen zwei relativ zueinander beweglichen, zylindrischen Körpern, von denen der eine einen Sitz zur Aufnahme eines aus elastischem Material bestehenden Dichtungsringes aufweist, der im Ruhezustand der beiden Körper ein vorbestimmtes Spiel gegenüber der Dichtungsfläche des anderen Körpers aufweist, und mit Flanken versehen ist, von denen wenigstens eine einen Winkel mit der entsprechenden Flanke des Sitzes bildet, um es dem Dichtungsring zu ermöglichen, unter Wirkung des Druckes eines in den freien Raum zwischen den beiden Körpern auf einer Seite des Sitzes eindringenden Fluidums um seine Torsionsachse zu rotieren und sich dabei gegen die eine der beiden als Dichtungsflächen vorgesehenen Flanken des Sitzes anzulegen, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (4) einen Querschnitt aufweist, der sich aus einem der Dichtungsfläche (6) des andern Körpers (1) entlang erstreckenden ersten Teil (14) und wenigstens einem weiteren, vom ersten Teil (14) aus sich im wesentlichen radial erstreckenden weiteren Teil zusammensetzt, wobei sich derjenige Punkt, in welchem die Torsionsachse (9) den Querschnitt senkrecht durchdringt, im ersten Teil (14) befindet.
2. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, in welcher der Sitz eine Nut ist, in welcher sich mindestens der grösste Teil des Dichtungsringes befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (4) eine T-Form aufweist, von welcher der Hauptteil (14a) über die

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Mündung der Nut (5) hinausragt, während der andere Teil (15a) sich geradlinig in radialer Richtung bis zum Grund (16a) der Nut erstreckt.
3. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, in welcher der Sitz eine Nut von dreieckiger Form ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Dichtungsringes (4) zwei Lippen (15b) aufweist, die an den axialen Enden des Hauptteils (14b) angebracht sind und sich unter abnehmender Breite gegen den Grund (16b) der Nut hin erstrecken.
4. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, in welcher der Sitz eine Nut von rechteckiger Form mit radialen Flanken ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (4) im wesentlichen eine L-Form aufweist, in welchen der sich gegen den Nutgrund (16c, 16d) erstreckende Teil (15c, 15d) in bezug auf die Flanken (17c, 17d) der Nut geneigt ist.
5. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sitz ein ringförmiger Vorsprung (5¹) auf der Oberfläche des betreffenden Körpers (2) ist, der an seiner Umfangsfläche eine Kante (20) trägt, und dass der Dichtungsring im wesentlichen eine U-Form aufweist und symmetrisch auf dieser Kante (20) aufsitzt, um mit jeder der angrenzenden Flanken (21a, 21b) einen Winkel zu bilden, wobei der freie Teil (15e) jedes radialen Teils des Dichtungsringes teilweise in einer seitlichen Vertiefung (22a, 22b) des Vorsprunges (5¹) gelagert ist.

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6. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sitz ein ringförmiger Vorsprung (5¹) von rechteckiger Form auf der Oberfläche des betreffenden Körpers (2') ist, und dass der Dichtungsring aus zwei Hälften (4¹, 4") besteht, von denen jede eine L-Form aufweist, sich auf einer Seite des Vorsprungs befindet und mit der anderen über eine ringförmige Membran (23) verbunden ist, die weich genug ist, um die individuelle Rotation jeder Hälfte des Dichtungsringes um ihre eigene Torsionsachse (9f, 9f") zu ermöglichen.
7. Dichtungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptteil

(14) des Dichtungsringes (4) aus einem Material besteht, dessen spezifisches Gewicht höher als dasjenige des übrigen Teiles (15) des Dichtungsringes ist.

Sb/jg/8.5.1978

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