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LIELLEDICHTUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung
von Flüssigkeiten an rotierenden Wellen.
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Zur reibungsarmen Abdichtung von Flüssigkeiten an hydraulischen Halben
und Kolbenstangen werden seit langem Hunststoffringe, insbesondere aus Werkstoffen
auf der Basis von Polytetrafluoräthylen (PTFE) verwendet. Die radiale Dichtpressung
zwischen dem als dynamischem Dichtring wirkenden Kunststoffring und seiner zylindrischen
Gegengleitfläche wird durch ein radiales Übermaß sowie durch einen Spannring aus
Gummi oder Metall erzeugt, wobei der abzudichtende Druck entweder über die Querdehnung
des Gummispannrings oder direkt durch Einwirkung auf die Oberfläche des Dichtrings
zusätzlich die dichtende Anpressung erhdht.
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Die Anwendung solcher Dichtungsanordnungen, bestehend aus einem radial
angepreßten Dichtring mit als Sekundärdichtung wirkendem Spannring, zur Abdichtung
von Flüssigkeiten an rotierenden Wellen'scheitert , insbesondere bei der Abdichtung
hoher Drücke, an dem nicht beherrschbaren Gleitverhalten des Dichtrings . Sobald
nämlich bei einer derartigen Dichtungsanordnung im Betrieb die Radialkraft zwischen
Dichtring und der metallischen Gegengleitfläche (Wellen- oder Bohrungsoberfläche)
einen Grenzwert überschreitet, wird der Dichtring infolge Haftreibung relativ zur
Gegengleitfläche zur Ruhe kommen und im selben Moment relativ zum Spannring gleiten.
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Dieser Zustand kann von Anfang an dadurch eintreten, daß der Dichtring
im Bereich der gewählten Passung schan ein so großes Übermaß aufweist, daß die dadurch
entstehende radialkraft allein schon zum Haften an der eigentlich als Gegengleitfläche
bestimmten Umfangsfläche führt. Dieser Zustand kann aber auch erst während des Betriebs
infolge einer thermischen Dehnungsdifferenz zwischen einem in der Welle eingebauten
Dichtring und der als Gegendichtfläche wirksamen Bohrung eintreten.
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Dieser Zustand des relativen Gleitens wischen Spannring und Oichtring
,insbesondere unter hoher Flächenpressung, führt nun aber sehr rasch zum Ausfall
der Dichtung infolge einer Überhitzung des aus Elastomeren bestehenden Spannrings.
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Nehen einer hohen Flächenpressung wirken sich bei diesem Geschehen
vor allem der Mangel an Schmierstoff in der Kontaktfläche zwischen Dichtring und
Spannring sowie die die Wärmeableitung behindernde Isolierwirkung der Werkstoffe
des Dichtrings und des Spannrings nachteilig aus.
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Ein weiterer, ganz allgemeiner Nachteil der Wellendichtungen besteht
darin, daß , im Gegensatz zu axialbewegten Kolben-oder Stangendichtungen, die Reibungswärme
der Gleitdichtflächen vorwiegend nur durch Wärmeleitung in der Gegengleitfläche
abgeführt wird. Das Vorbeigleiten einer kühlenden Stangenoberfläche in Verbindung
mit einem stets erneuerten Schmierfilm fehlt hier völlig, ErfindungsgemäG werden
diese Nachteile dadurch beseitigt,daS zwischen Dichtring und Spannring ein Zwischenring
so eingebaut wird , daS die Spannkraft des Spannrings über den Zwischenring auf
den Dichtring übertragen wird und daß der Dichtring mit Fdrdernuten versehen wird,
so daß durch eine intensive Strömung in unmittelbarer Nähe der Gleitdichtflächen
die Reibungswärme bei einem für die Dichttei'le zuträglichen Temperaturniveau abgeführt
wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung wird die platzsparende
Bauweise der bekannten Dichtring-Spannring-Anordnungen im wesentlichen beibehalten.
Vorzugsweise besteht der Zwischenring ebenso wie der Dichtring aus Kunststoff auf
der Basis von PIPE. Die Dichtungsanordnung läßt nun ohne die genannten Nachteile
alle möglichen Arten der Relativbewegung des Dichtrings zu (vgl.Fig.1): Der Dichtring
1 kann am Zwischenring 2 und gleichzeitig an der Stirnfläche 7 haften und dabei
relativ zur Umfangsdichtfläche 8 gleiten. Er kann andererseits auch an der Umfangsdichtfläche
8 haften und relativ zum Zwischenring 2 und zur Stirnfläche 7 gleiten. Daneben kann
ebenso'ohne irgend einen Nachteil'der Fall eintreten, daß
der Dichtring
1 sich mit der W1-nkelgeschwindigReic D 4 relativ zur Umfangsdichtfläche 8 und mit
einer von C>1 verschiedenen Winkelgeschwindigkeit 0 2 relativ zum Zwischenring
und zur Stirnfläche 7 dreht.
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Wegen der unterschiedlichen Reibungszahlen PTFE/PTFE einerseits und
PTFE/Gummi andererseits wird ein relatives Gleiten zwischen Spannring 3 und Zwischenring
2 praktisch nicht auf -treten. Es kann jedoch mit Sicherheit durch zusätzliches
Aufrauhen der Oberfläche 4 bzw.durch Einbringen eines Haftmittels zwischen Spannring
3 und Zwischenring 2 vermieden werden. Sei Verwendung von metallischen Spannringen
wird eine gute Haftung zwischen Spannring und Zwischenring dadurch erreicht, daß
die Feder an den diskreten Berührstellen elastisch-plastisch in die Oberfläche 4
des Zwischenrings eindringt.
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Der Zwischenring 2 hat vorzugsweise die Form eines tellerfederartigen
Kegelmantelabschnitts. Ein solcher Zwischenring leitet die Anpresskraft Fs des schräg
zur Wellenachse zusammengedrückten Spannrings 3 so auf den Dichtring 1 weiter, daß
dieser mit einer axialen Komponente Fa an die Stirndichtfläche 7 angepreßt wird.
Gleichzeitig wird die in der Umfangsdichtfläche 8 wirkende , übermaßbedingte Radialkraft
noch durch eine radiale Spannkraftkomponente verstärkt.
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Entsprechend den Wirkflächen werden die Dichtkräfte Fa und Fr noch
durch den abzudichtenden Druck vergräßert.
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Ein tellerfederartiger Zwischenring 2 braucht nun nicht ursprünglich
kegelig hergestellt zu werden. Ein ursprünglich als ebene Ringscheibe hergestellter
Zwischenring nimmt beim einbaubedingten Überstreifen über eine Wellenoberfläche
wegen der stärkeren, teilweise plastischen Dehnung seines Innendurchmessers von
selbst eine Kegelmantelform an. Somit können in fertigungstechnisch und wirtschaftlich
günstiger Weise sowohl der Dichtring 1 als auch der Zwischenring 2 als axialsymmetrische,
ebene Ringe mit rechteckigem Querschnitt hergestellt werden.
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Um die Reibungswärme von den relativ zueinander gleitenden Dicht-und
Anpreßflächen bei möglichst niederem Temperaturniveau abzuführen,werden in die an
die Gleitdichtflächen angrenzenden Oberflächen des Dichtrings Ringnuten 11 sowie
relativ zur Gleitrichtung schräg angeordnete Fördernuten 13 eingearbeitet. 8ei einer
relativen Gleitbewegung zwischen den angrenzenden Flächen erzeugen die Fördernuten
durch Umlenkung der hydrodynamischen Schleppströmung eine intensive Strömung der
abzudichtenden Flüssigkeit in unmittelbarer Nähe der Gleitdichtflächen. Damit diese
Strömung immer und unabhängig vom jeweiligen Zustand des relativen Gleitens des
Dichtrings zu seinen angrenzenden Bauteilen zustandekommt, werden den Dichtring
durchdringende Kanäle 12 vorgesehen, die den Ringkanal im Bereich der Umfangsfläche
mit dem Ringkanal in Bereich der Stirnfläche verbinden. Auf diese Weise wirkt der
abzudichtende Druck nun auch direkt radial auf den Dichtring ein.Der Spannring hat
hier ausschließlich die Funktionen der eXastischen Voranpressung des Dichtrings
und der kraftschlüssigen bzw. formschlüssigen Mitnahme des Dichtrings.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand weiter Ausführungsbeispiele
beschrieben: Fig.1 zeigt eine Anordnung der erfindungsgemäßen Dichtunc in einer
Wellennut.Der Dichtring 1 berührt die Bohrung infolge seiner kuppenartigen Abrundung
außen entlang der schmalen Beruhrzone 8 und stirnseitig entlang der Berührzone 7.
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Der Zwischenring 2 hat im Bereich der Berührfläche zum Dichtring durchgehende
Nuten 21 durch die die abzudichtende Flüssigkeit auch in den linken Ringraum unter
den Dichtring gelangen kann. Der Spannring 3 wirkt als Feder und als Mitnehmer und
ist vorzugsweise ein Elastomer-O-Ring. Im Bereich der Berührrläche 4 zwischen Spannring
und Dichtring werden durch Aufrauhen, Rändeln,usw. des Zwischenrings oder durch
Einbringen eines Haftmittels bei der Montage Vorkehrungen zur Verstärkung der Haftung
des Zuischenrings am Spannring getroffen. Bei Rotation der Welle 5 relativ zum Außenteil
6 drehen sich der Spannring 3 und der Zwiscn3nring 2 immer durch Haften mit der
Winkelgeschwindigkeit der
Welle. Der Dichtring 1 indessen~kann entsprechend
d im Betrieb veränderlichen Reibungsverhältnissen ebenfalls mit der Welle umlaufen
oder aber in der Bohrung haften und dabei relativ zur Stirnfläche 7 und zum Zwischenring
2 gleiten. Ebenso kann der Dichtring auch mit einer Drehzahl kleiner als die Wellendrehzahl
umlaufen.
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Fig.2 zeigt eine Anordnung der Dichtung in einer Gehäusenut. Der Dichtring
hat einen Im wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit den schmalen Berührflächen
8 und 7. Zum Zwecke des Überleitens des abzudichtenden Drucks in den äußeren, freien
Ringraum zwischen Spannring und Dichtring sind hier in den Dichtring durchgehende
Nuten 14 eingearbeitet. Infolge der Kegelmantelform des Zwischenrings 2 wird auch
hier die Spannkraft Fs des Spannrings schräg zur Wellenachse auf den Dichtring übergeleitet
, so daß sich eine radiale Anpreßkraftkomponente Fr und eine axiale Anpreßkraftkomponente
Fa an den Dichtflächen des Dichtrings ergibt. Diesen Anpreßkraften überlagern sich
unter der Einwirkung des abzudichtenden Drucks entsprechende druckabhängige Anpreßkräfte
in radialer und in axialer .Richtung. 8ei Rotation der Welle 5 stehen hier dr Spannring
3 und der Zwischenring 2 immer still relativ zum nicht rotierenden Außenteil. Der
Dichtring 1 indessen kann auch hier entweder stillstehen oder umlaufen, ohne daß
die Wirksamkeit oder die Betriebssicherheit bei der einen oder anderen Bewegungsart
beeinträchtigt wird.
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Fig.3 zeigt eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung, bei der der
Zwischenring 2 den Dichtring 1 auf einer gemeinsamen zylindrischen Umfangsfläche
berührt. Der Dichtring weist Ringnuten 11 mit Verbindungsbohrungen 12 auf, wobei
sich jeweils Fördernuten 13 im Bereich der Umfangsdichtfläche und im Bereich der
gemeinsamen Berührfläche anschließen. Wie bei den herkömmlichen Kolbendichtungen
mit Dichtring und Spannring wirkt auch bei der in Fig. 3 gezeigten Dichtungsanordnung
der Spannring 3 als Nebenabdichtung. Die Stirnfläche 7 ist hier nur Gleitfläche
aber keine eigentliche Dichtfläche.
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Fig.4 zeigt eine Dichtungsanordnung mit einem Zwischenring 2 der den
Spannring 3 auf drei Seiten umgibt und der hochdruckseitig an einem durch einen
Stift 51 drehgesicherten und von einem Sprengring 53 gehaltenen Ring 52 abgestützt
ist. Eine solche offene Nut ist vorzusehen, wenn bei kleinen Wellendurchmessern
oder bei großen radialen Dicken der Spann-Zwischen- und Dichtringe ein aufgeweitetes
Überstreifen über die Welle nicht möglich ist.
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Fig.5 zeigt eine Ausführung mit schräg zur Wellenachse abgestütztem
0-Ring als Spannring und Nebenabdichtung 3.
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Der Zwischenring 2 liegt hier an der verlängerten Stirndichtfläche
7 an. Der Dichtring 1 hat einen im wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt.
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Fig.6 zeigt eine Dichtungsanordnung mit einem Dichtring 1, der einen
kreisfdrmigen Querschnitt hat und über einen gewölbten Zwischenring 2 von einem
Elastomer-Quadring 3 angepresst wird. auch hier wirkt der Spannring 3 gleichzeitig
als Nebendichtung und der Zwischenring wird durch die Wirkung des abzudichtenden
Drucks stirnseitig an die Nutwand angelegt.
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Fig.7 zeigt eine Anordnung mit einem Dichtring 1 mit Fördernuten 13
. Der tellerfederförmige Zwischenring 2 liegt hier infolge des abzudichtenden Drucks
an der verlan;-erten ., kegelmantelförmigen Nutseitenwand 7 an, an der sich auch
der Dichtring abstützt. Als Spannring ist hier ein Elastomer-Quadring verwendet.
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Fig. zeigt eine fertigungstechnisch besonders einfacne unc wirtschaftliche
Variante der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung. Hier werden sowohl der Dichtring
1 als auch der Zwischenring 2 als axialsymmetrische, ebene Ringe mit rechteckförmigem
Querschnitt hergestellt. Beim Einbau in eine Wellennut wird der Zwischenring beim
Überstreifen über die Wellenoberfläche an seinem Innendurchmesser wesentlich starker
gedehnt als an seinem Außendurchmesser. Bei Verwendung verstärkter RtFE-Werkstoffe
erfährt dabei der Innendurchmesser des Zwischenrings eine
plastische,
bleibende Dehnung, die bei der Rückverformung nach dem Einschnappen des Zwlschenrings
in die Wellennut diesem eine kegelmantelartige Form aufprägt. Der anschließend übergestreifte
Dichtring 1 behält indessen nach seinem Einschnappen in die Wellennut seinen axialsymmetrischen
Rechteckquerschnitt , da er sich zwangsläufig an der zylindrischen Fläche 8, an
der Stirnfläche 7 und am kegeligen Zwischenring 2 abstützt.
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Auch hier kann zum Zweck einer sicheren Haftung zwischen Spannring
3 und Zwischenring 2 die gemeinsame Kontaktfläche 4 aufgerauht sein Fig.9 zeigt
eine Variante der Dichtungsanordnung mit einem im querschnitt dreieckförmigen Dichtring
1 der vorzugsweise im Verhältnis zu seiner Größe sehr schmale Dichtflächen 7 und
8 aufweist, die dann durch angrenzende Ringnuten 11, Fördernuten 13 und Verbindungskanäle
12 ergänzt sind. Der Zwischenring 2 hat in seiner Berührfläche mit dem Dichtring
Nuten 21, die hier zur Begünstigung der Schmierfilmbildung und damit der Herabsetzung
der Reibuung in dieser Serührfläche im Falle eines relativen Gleitens führen. Als
Spannring ist hier beispielhaft ein diagonal vorgespannter Elastomer-Quadring verwendet.
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Fig.10 zeigt eine Dichtungsanordnung mit einem Dichtring 1, Zwischenring
2 und einem Spannring 3m aus spiralgewendeltem Metallband.
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Fig.11 zeigt eine Variante der in Fig.8 gezeigten Anordnung wobei
als Spannring hier eine ringfärmige Schenkelfeder 3m1 aus mehrfach radial geschlitztem
Metallband verwendet ist.
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Die Feder wird durch einen Stift 10 verdrehgesichert.
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In den Figuren 12 und 13 sind schließlich Anordnungen der Dichtung
gezeigt, bei denen der Zwischenring 2 den Dichtring 1 in einer gemeinsamen, radialen
Stirnfläche berühren . Die Ausführung der die Kühl strömung erzeugenden Elemente
entspricht der bei Fig. 9 besprochenen.
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In Fig. 12 erfolgt die hier ausschließlich axiale Voranpressung durch
den zwischen einen Ring 52 und den Zwischenring 2 eingespannten Spannring 3, der
hier ein Elastomer -O-Ring ist. Der Ring 52 ist mittels eines
Hakensprengrings
10 gegen Verdrehen relativ zum Innenteil gesichert-und axial festgelegt.
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Bei der Ausführung nach Fig 13 erfolgt die axiale Anpressung durch
zwei hintereinandergeschaltete, durch den Ring 54 getrennte Wellfedern 31m Der Zwischenring
ist hier mittels eines Stiftes 21 gegenüber dem angrenzenden Bauteil gegen Verdrehen
gesichert,
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