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Kolbenstangendichtung mit temperaturabhängig ver-
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änderlicher Anpreßkraft Die Erfindung betrifft eine Dichtung für
die Kolbenstange eines hydraulischen, hydropneumatischen oder pneumatischen Aggregates,
insbespndere eines Schwingungsdämpfers, wobei die Kolbenstange in einen Raum einfährt-,.
welcher eine Fluidfüllung besitzt und am kolbenstangenaustrittsseitigen Ende die
Dichtung sowie die Kolbenstangenführung trägt und diese Dichtung unter Einwirkung
eines Andrückelementes steht.
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Bei einer solchen bekannten Kolbenstangendichtung wird die nicht lippe
mittels einer Wurmfeder gegen die Kolbenstange gedrückt.
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Außerdem wird die Dichtlippe durch den im Behälter bzw. Zylinder herrschenden
Innendruck-zusätzlich angedrückt. Um bei tiefen Temperaturen eine sichere Abdichtung
zu erhalten, is-t es erforderlich, kälteunempfindliche Gummimischungen zu verwenden
und diese mit einem stärkeren Ändrückelement zu versehen.
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Bei den im Kraftfahrzeug eingebauten hydraulischen Schwingungsdämpfern
mit und ohne Gasvorspannung müssen die Kolbens-tangendichtungen in einem Temperaturbereich
von -400C bis +12006 bzw.
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bei hoch beanspruchten Schwingungsdämpfern von -40°C bis +2000C eine
sichere Abdichtung des Innenraumes nach außen gewährieisten.
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Die bekannte-n Dichtungen erfüllen diese Forderung nach Dichtigkeit
bei tiefen Temperaturen nur unvollkommen. Dies trifft vor allem für Federbeine unter
Momentenbelastung zu, in denen die Kolbenstange im Rahmen des Führungsspieles aus
der Mitte verschoben wird. Speziell Gasdruckdämpfer neigen bei tiefen Temperaturen
zu Undichtigkeiten. Verantwortlich hierfür sind der sinkende Gasdruck und die nachlassende
Eigenvorspannung und Elastizität der Gummidichtung. Dieser verringerten Radialkraft
der Dichtung bei tiefen Temperaturen steht die dickere und schwerer abzustreifende
ölschicht
auf der Kolbenstange gegenüber. Die Verwendung vQn. kältebeständigeren Gummiqualitäten
wirkt sich häufig nachteilig bei hohen Temperaturen aus und stärkere Wurmfedern
als Andrückelemente bewirken erhöhte Reibung und zunehmenden Verschleiß in allen
Temperaturbereichen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten
Konstruktionen zu vermeiden und eine Dichtung zu schaffen, die im gesamten Temperaturbereich
eine einwändfreie Abdichtung gewährleistet und ein Minimum an Verschleiß und Reibung
aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, daß ein zuzusätzliches
Bauteil mit der Dichtung in Verbindung steht, welches eine temperaturabhängig wirkende
Formänderung besitzt. Diese zusätzlich an der Dichtung wirkenden Mittel gewährleisten
eine einwandfreie Abdichtung über den gesamten Temperaturbereich, indem die Anpreßkraft
der Dichtung gegen die Kolbenstange im kritischen Temperaturbereich erhöht wird.
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Entsprechend einem Merkmal der Erfindung ist das Bauteil so aus-gebildet,
daß dieses bei niedrigen Temperaturen eine zusätzliche Radialkraft auf die Dichtung
ausübt. Mit einem solchen Bauteil werden Vorkehrungen getroffen, die mit sinkender
Temperatur eine überproportionale Erhöhung des Anpreßdruckes der Dichtung gewährleisten.
Im-Hinblick auf die bekannten Dichtungen, deren Anpreßkraft aus Rücksicht auf tiefe
Temperaturen im Bereich über OOC überhöht ist, ermöglicht das erfindungsgemäße Bauteil
ein Absenken der Anpreßkraft für die häufig vorkommenden Temperaturen von mehr als
2000. Hierdurch wird der Dichtungsverschleiß und die Reibung verringert. Der bei
tiefen Temperaturen wirkende zusätzliche Anpreßdruck, welcher durch das zusätzliche
Bauteil ausgeübt wird, wird vorteilhaft so gesteuert, daß die Anpreßkraft im kritischen
Bereich der Minustemperaturen nicht absinkt, sondern entweder konstant bleibt oder,
wenn erforderlich, sogar ansteigt.
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Wie die Erfindung zeigt, besteht das Bauteil aus einem Material mit
großer Wärmeausdehnung'und ist erfindungsgemäß als Ring ausgebildet, welcher im
Bereich seines Innendurchmessers mit der der Dichtfläche abgewandten Fläche der
Dichtung in Verbindung steht.
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Solche Materialien mit großer thermischer Längenausdehnung sind
beispielsweise-Aluminiumo
Aluminiumlegierungen, Bronze-,-verschiedene Kunststoffe und ähnliche Werkstoffe.
Die einfache Ausbildung als Ring und die erfindungsgemäße Anordnung auf der Dichtung
bewirken, daß dadurch bei tiefen Temperaturen ein zusätzliches Anpressen der Dichtung
gegen die Kolbenstange- -erzielt wird. Die Einwirkung des Ringes auf die Dichtung
kann hierbei direkt sein oder entsprechend einem weiteren Merkmal dadurch erfolgen,
daß zwischen dem Ring und der Dichtung ein elastischer Zwischenring angeordnet ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Bauteil als blabstreifring
ausgebildet und weist- eine mit der Dichtung zusammenwirkende Anlagefläche auf.
Der vom Innendurchmesser des blabstreifringes und der Kolbenstange gebildete Spalt
ändert sich demzufolge temperaturabhängig und wird bei tiefen Temperaturen kleiner,
während die ölzähigkeit zunimmt. Diese daraus resultierende erhöhte Abstreifkraft
bewirkt, daß während der Auswärtsbewegung der Kolbenstange vom Ölabstreifring- eine
Anpreßkraft auf die Dichtung übertragen wird. Da die- Abstreifkraft außerdem von
der Kolbenstangengeschwindigkeit abhängig ist, wird die Anpreßkraft der Dichtung
gegen die Kolbenstange nicht nur temperaturabhängig, sondern auch geschwindigkeitsabhängig
gesteuert. Besonders vorte-ilhaft ist es hierbei, daß die Anlagefläche durch einen
im.Ölabstreifring angeordneten Innenkonus gebildet wird. Um den Aufbau eines hohen
Schleppdruckes vor der Dichtlippe zu verhindern, ist erfindungsgemäß der Ölabstreifring
mit einer im wesentlichen radial verlaufenden Ablaufbohrung versehen.
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Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Bauteil
durch einen Ring mit relativ großer axialer Ausdehnung gebildet, der mit einem auf
die Dichtung wirkenden Anpreßring in Verbindung steht. Hier wird die axiale Längenänderung
zur Steuerung der Anpreßkraft der Dichtung ausgenützt. Hierbei ist es besonders
zweckmäßig, wenn Zusatzfedern angeordnet werden, die sich einerseits in einem zylinderfesten
Bauteil und andererseits am Anpreßring abstützen. Dadurch wird es auf einfache Weise
möglich, die Wirkung des Anpreßringes bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur
wie beispielsweise 200C auszuschalten, während bei Unterschreiten dieser Temperatur
die axiale Verkürzung des Ringes mit relativ großer axialer Ausdehnung ein Andrücken
des Anpreß-
~rines an der Dichtung durch die Zusatzfedern ermöglichtwird.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden merkmalsgemäß dadurch
erhalten, daß das Bauteil aus einem Verbundwerkstoff mit großer Wärmeformänderung
gebildet wird. Solche Bauteile bestehen beispielsweise aus Bimetall, welches sich
bei Temperaturänderung sehr stark verformt. Ein solches Bauteil kann entsprechend
der Erfindung durch mindestens eine Scheibe gebildet werden, die infolge Temperaturänderung
eine Durchschirmung erfährt. Diese Scheibe wird erfindungsgemäß an ihrem äußeren
Durchmesser in axialer Richtung zum Behälter fixiert und steht im Bereich ihres
inneren Durchmessers mit der Dichtung in Verbindung, wobei entsprechend weiteren
Merkmalen zwischen der Scheibe und der Dichtung ein Anpreßring angeordnet sein kann
und dieser Anpreßring mindestens eine der Dichtung zugekehrte Anlagefläche aufweist,
die durch eine bogenförmig oder schräg verlaufende Mantellinie gebildet wird. Zur
Aufnahme des Anpreßringes ist es vorteilhaft, wenn die Dichtung mit einer entsprechenden
Aussparung versehen ist.
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Die Erhöhung der Anpreßkraft der Dichtung kann auf einfache Weise,
wie die Erfindung zeigt, dadurch erzielt werden, daß das Bauteil durch mehrere tellerfederartig
ausgebildete und aus einem Verbundwerkstoff bestehende Ringe gebildet wird, die
sich einerseits in einem behälterfesten Bauteil und andererseits an einem über eine
Schrägfläche auf die Dichtung wirkenden Anpreßring abstützen.
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Wenn, wie ein Merkmal der Erfindung zeigt, das Bauteil durch einen
mit einem umgebördelten Ende versehenen Zylinder gebildet ist und das umgebördelte
Ende die Anlagefläche an der Dichtung bildet, erhält man eine sehr einfache Ausführungsform,
da das Steuerteil und die Anlagefläche einstückig ausgebildet sind.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Bauteil mit einer
Füllung versehen, welche bei niedrigen Temperaturen eine Volumenvergrößerung aufweist.
Erfindungsgemäß kann die Füllung aus Wasser bestehen, wobei die Volumenvergrößerung
infolge Aggregatzustandsänderung von Wasser in Eis gebildet wird.
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Die erfindungsgemäße temperaturabhängige Steuerung der Anpreßkraft
der Dichtung ist ohne weiteres auch mit einer Dichtung möglich, die im vorgegebenen
Temperaturbereich eine überproportionale Kontraktion ausführt. Erfindungsgemäß wird
dies beispielsweise dadurch erreicht, daß das Bauteil in der Dichtung eingelagert
ist, An Hand der Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
Es zeigt: Fig. 1 einen Zweirohrschwingungsdämpfer im Längsschnitt; Fig. 2 die Führungs-
und-Dichtungseinheit eines Einrohrschwingungsdämpfers; Fig. 3 die Führungs- und
Dichtungseinheit, wobei zwischen dem Ring und der Dichtung ein Zwischenring angeordnet
ist; Fig. 4 die Kombination des dlabstreifringes- mit einem Innenkonus, der auf
die Dicht lippe drückt; Fig. 5 einen labstreifring, dessen axiale Verlängerung in
die Aussparung der Kolbenstangendichtung eingreift; Fig. 6 einen temperaturabhängig
veränderlichen Ölabstreifring, dessen Stirnfläche mit der Dichtung zusammenwirkt;
Fig. 7, 8 und 9 Ausführungsformen, bei denen der temperaturabhängig wirkende Ring
über axiale Längenänderung auf die Dichtung wirkt; Fig.10, 11, 12 und 13 Ausführungsformen-für
ditemperaturabhängige Anpressung der Dichtung mittels Bimetallelementen; Fig.14,
15 und 16 temperaturabhängig wirkende Körper, deren Volumen bei niederen Temperaturen
zunimmt, und Fig.17 ein Diagramm für die von der Dichtung auf die Kolbenstange ausgeübte
Radialkraft in Abhängigkeit der Temperatur.
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Der in Fig. 1 gezeigte Zweirohrdämpfer besitzt einen Zylinder 1, der
mittels der Kolbenstangenführung 3 im Behälter 2 zentriert ist. Dabei entsteht zwischen
Zylinder 1 und Behälter 2 ein Ringraum, der als Ausgleichsraum dient und eine teilweise
Gas- und Flüssigkeitsfüllung aufweist. Der Innenraum des Zylinders 1 ist mit einer
Flüssigkeitsfüllung versehen, welche in der üblichen Weise über im Kolben und Bodenventilkörper
angeordnete Dämpfeinrichtungen die Bewegung der Kolbenstange 4 hydraulisch dämpft.
Da die Wirkungsweise der im Kraftfahrzeugbau eingesetzten Schwingungsdämpfer hinreichend
bekannt ist, erübrigt sich deren Beschreibung.
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Zur Abdichtung der Kolbenstange 4 gegenüber der im Zylinder 1 befindlichen
Flüssigkeitsfüllung ist die Dichtung 5 in einer Aussparung 8 der Kolbenstangenführung
3 angeordnet. Um eine entsprechende Anpressung dieser Dichtung 5 an die Kolbenstange
4 zu gewährleisten, wird beispielsweise als Andrückelement für die Dichtung die
Wurmfeder 6 vorgesehen. Gerade für Kolbenstangendichtungen bei hydraulischen Schwingungsdämpfern
ist eine Abdichtung bei niederen Temperaturen insofern problematisch, als die nachlassende
Eigenvorspannung und Elastizität der Gummidichtung vorhanden ist und dem eine dickere
und schwerer abzustreifende ölschicht auf der Kolbenstange gegenübersteht. Entsprechend
Fig. 1 ist hier ein Ring 7 vorgesehen, der im Bereich seines Innendurchmessers mit
der der Dichtfläche abgewandten Fläche der Dichtung 5 in Verbindung steht. Dieser
Ring 7 besteht aus einem Material mit großer Wärmeausdehnung wie beispielsweise
Kunststoff oder Aluminium.
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Bei niederer Temperatur verringert sich der Durchmesser dieses Ringes
7 und bewirkt dadurch eine zusätzliche Anpreßkraft der Dichtung 5 an der Kolbenstange
14.
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In Fig. 2 ist die Dichtungs- und Führungseinheit für einen Einrohrschwingungsdämpfer
gezeigt, wobei an der Innenwand des Zylinders 1 der nicht gezeigte Dämpfkolben gleitet.
Die Kolbenstangendichtung 9 ist im Längsschnitt etwa U-förmig ausgebildet und weist
dadurch die Aussparung 10 auf in welcher der aus einem Material mit großer Wärmeausdehnung
gebildete Ring angeordnet ist.
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Die Fig. 3 zeigt ebenfalls einen Einrohrschwingungsdämpfer, wobei
zwischen Kolbenstangendichtung und Ring 7 ein elastischer Zwischenring
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vorgesehen ist, dessen auf die Dichtung 11 wirkende Radialkraft bei abnehmender
Temperatur durch die Durchmesserverkleinerung des Ringes 7 entsprechend vergrößert
wird.
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Bei diesen Ausführungsformen nach den Figuren 1- bis 3 wirkt der aus
einem Material mit großer Wärmeausdehnung bestehende Ring 7 in radialer Richtung
auf die Kolbenstangendichtung 5 bzw. 9 und 11.
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Tiefe Temperaturen bewirken, daß sich der Durchmesser des mit geringer
axialer Länge ausgebildeten Ringes 7 verringert und dadurch eine zusätzlich zur
Wurmfeder 6 bzw. zum Fülldruck des Einrohrschwingungsdämpfers wirkende Dichtungsradialkraft
gebildet wird.
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Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen Ölabstreifringe 13, die aus einem Material
mit großer Wärmeausdehnung bestehen. Hierdurch wird ein temperaturabhängiger Spalt
zwischen der Kolbenstange 4 und dem Innendurchmesser des ölabstreifringes 13 erzielt.
Dieser Ölabstreifring 13 ist so ausgebildet, daß er eine der Dichtung zugekehrte
Wirkfläche besitzt, die in Fig. 6 als ebene Fläche dargestellt ist und auf den elastischen
Zwischenring 12 und- die Kolbenstangendichtung 11 wirkt, während inden Figuren 4
rund 5 ein Innenkonus 14 vorgesehen ist.-Bei tiefen Temperaturen verengt sich der
Ringspalt zwischen Kolbenstange 4 und Innendurchmesser des ÖlabstreiSringes 13,
wobei gleichzeitig die Zähigkeit des Dämpfungsfluids zunimmt. Die Folge ist eine
erhöhte Abstreifkraft.
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Während der Auswärtsbewegung der Kolbenstange 4 wird die Ab-streifkraft
über die Wirkfläche - ebene Fläche in Fig. 6 bzw. Innenkonus 14 nach den Figuren
4 und 5 - auf die Kolbenstangendichtung 5, 9 oder 11 übertragen. In Fig. 5 greift
dabei die den Innenkonus 114 aufweisende Verlängerung des ölabstreifringes 13 in
eine Aussparung 10 der Kolbenstangendichtung 9 ein und drückt dabei die Dichtlippe
gegen die Kolbenstange 4. Um einen hohen Schleppdruck vor der Dichtlippe zu vermeiden,
ist der ijlabstreifring 13 mit eine ner Ablaufbohrung 15 versehen. Der Ölabstreifring
13 kann durch ein federndes Element in seiner Lage gehalten werden. Fig. 4 zeigt
eine solche Feder 16, die sich einerseits an der Kolbenstangenführung und andererseits
am ölabstreifring 13 abstützt.
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Die Figuren 7, 8 und 9 zeigen einen aus einem Material mit großer
Wärmeausdehnung beStehenden Ring 17, der in Axialrichtung relativ
lang
ausgebildet ist. In Fig. 7 wirkt dieser Ring 17 auf den Konuskörper 19, der von
den Tellerfedern 18 beaufschlagt ist. Die axiale Längenänderung des Ringes 17 bei
tiefen Temperaturen bewirkt, daß sich der Ring 17 verkürzt und dadurch der Konuskörper
19 infolge der Kraft der Tellerfedern 18 gegen die Dichtung 5 gedrückt wird. In
den Figuren 8 und 9 steht der Ring 17 über eine Scheibe 20 und einen Anpreßring
21 mit der Dichtung 9 bzw. 11 in Verbindung. Entsprechend Fig. 8 ragt der Anpreßring
21 in die Aussparung 10 der Kolbenstangendichtung 9 und drückt mit seinen konischen
Flächen die Dichtlippe bei Verkürzung des Ringes 17 unter der Einwirkung der Tellerfedern
18 gegen die Kolbenstange 4.
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In Fig. 9 ist die Scheibe 20 mit einem bogenförmig ausgebildeten Anpreßring
21 versehen, der gegen den elastischen Zwischenring 12 und die Kolbenstangendichtung
11 unter Einwirkung der Tellerfeder 18 bei Verkürzung des Ringes 17 drückt.
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Die Figuren 10, 11, 12 und 13 zeigen zusätzliche Andrückelemente,
die aus einem Verbundwerkstoff mit großer Wärmeformänderung gebildet sind. Es handelt
sich hier im wesentlichen um Bauteile aus Bimetall. Nach Fig. 10 besteht dieses
Bauteil aus tellerfederartig ausgebildeten Ringscheiben 24, die auf den Anpreßring
23 wirken und bei niederen Temperaturen die konische Fläche des Anpreßringes 23
gegen die Dichtung 5 drücken. Entsprechend Fig. 11 besteht das temperaturabhängig
wirkende Bauteil aus der Bimetallscheibe 22, die an ihrem äußeren Durchmesser in
axialer Richtung zum Zylinder 1 fixiert ist und im Bereich ihres inneren Durchmessers
den Anpreßring 21 trägt, der in die Aussparung 10 der Kolbenstangendichtung 9 eingreift.
Die in Fig. 12 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der nach Fig.
11 im wesentlichen darin, daß der auf der Bimetallscheibe 22 angeordnete Anpreßring
21 sowohl gegen die Kolbenstangendichtung 11 als auch gegen den elastischen Zwischenring
12 drückt. In Fig. 13 besteht der Bimetallkörper aus einem Rohrstück 25, welches
ein umgebördeltes Ende 26 besitzt und damit bei tiefen Temperaturen gegen die Dichtung
5 drückt und dieser eine erhöhte Anpressung zur Kolbenstange 4 verleiht, Bei den
Ausführungsformen nach den Figuren 14, 15 und 16 bestehen die temperaturabhängig
wirkenden Steuerelemente aus einem Bauteil, welches mit einer Füllung versehen ist,
die bei niedrigen Temperaturen
eine Volumenvergrößerung aufweist.
Hierbei- wird u. a. die Aggregatzustandsänderung ausgenützt, beispielsweise von
Wasser in Eis. Dieser mit der Füllung 7 versehene Körper ist in Fig. 14 in der Aussparung
8 der Kolbenstangenführung 3 so angeordnet, daß der Hohlraum fast völlig ausgefüllt
ist. In Fig. 15 liegt der mit-der Füllung versehene Körper 27 in der Aussparung
10 der Kolbenstangendichtung 9, während in Fig. 16 der Körper 27 so angeordnet ist,
daß er im wesentlichen auf den elastischen Zwischenring 12 wirkt.
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In allen Fällen wird durch die temperaturabhängig wirkende Steuerung
des Anpreßdruckes der Dichtung die Radialkraft der Dichtung bei tiefen Temperaturen
so beeinflußt, daß die Abdichtung einwandfrei gewährleistet ist. In Fig. 17 ist
das Diagramm dargestellt, welches über der Temperatur aufgetragen die Dichtungsradialkraft
zu kraft zeigt. Die strichpunktierte Kurve 28 zeigt den'Radialkraftverlauf einer
herkömmlichen Dichtung in Abhängigkeit der Temperatur. Durch die Kurve 29 ist der
Radialkraftverlauf der temperaturabhängig gesteuerten Dichtung gezeigt, wobei zwischen
-40°C und +20 0C entsprechend den gestellten Anforderungen unterschiedliche Dichtungsradialkraftverläufe
durch die temperaturabhängig wirkende Steuerung erzielt werden. So ist es ohne weiteres
möglich, in diesem Bereich zwischen -400C und +20 0C eine konstant verlaufende Dichtungsradialkraft
zu erzielen als auch eine ansteigende Dichtungsradialkraft mit sinkender Temperatur.
Weiter zeigt dieses Diagramm, daß die Dichtungsradialkraft bei den häufig vorkommenden
Temperaturen oberhalb von 20°C infolge der temperaturabhängigen Steuerung abgesenkt
werden kann, wodurch sich die Reibung und der Dichtungsverschleiß wesentlich verringern..
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