DE3126716C2 - Abdichtanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abdichtanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Abdichtanordnung ist aus der US-PS 21 57 299 bekannt, bei der das Dichtelement, das im Schnitt eine im wesentlichen keilförmige Form aufweist, beim Zusammenbau höchstens bis zur Elastizitätsgrenze beansprucht wird. Hierbei muß eine genügend große Vorpressung am Zylinder vorhanden sein, damit die Dichtelemente wirksam werden, d. h. die Anpreßkraft muß so groß wie möglich gemacht werden. Wenn man anstrebt, das Dk-htelement beim Zusammenbau höchstens bis zur Elastizitätsgrenze zu beanspruchen, ist dies in der Praxis kaum möglich, da sowohl das Dichtelement als auch der Zylinder mit Toleranzen gefertigt werden müssen und demnach nur in Sonderfällen die Elastizitätsgrenze erreicht wird.

Außerdem ist aus der US-PS 30 98 662 eine sehr spezielle Lippendichtung bekannt, bei der die nötige Anpassung dadurch erzielt wird, daß der hierfür verwendete austenitische Werkstoff durch Unterkühlung auf — 100⁰C in einen martensitischen umgewandelt wird. Allein dies ist sehr aufwendig.

Ferner sind Abdichtanordnungen bekannt, bei denen lippenartige Dichtelemente verwendet werden, die hülsenförmig aufgebaut sind und mit einem Ende an dem unbeweglichen Teil der Abdichtanordnung befe-J5 stigt sind und mit der Innenseite unter Vorspannung an dem axial beweglichen und/oder drehbaren Zylinder dichtend anliegen, wobei die abzudichtende Druckdifferenz auf die Außenseite einwirkt.

Die Voraussetzung für die Wirksamkeit solcher Dichtelemente besteht darin, daß sie mit genügender Vorpressung am Zylinder anliegen, damit sich überhaupt eine Druckdifferenz aufbauen kann, welche das Dichtelement dann stärker an den Zylinder anpressen kann. Bei der Ausbildung eines solchen Dichtelements aus Metall ist die erforderliche Vorpressung größer als bei Dichtelementen aus weichen, sich leicht verformbaren Kunststoffen od. dgl. Zur Erzielung der nötigen Vorpressung ist es nicht ausreichend, wenn der Dichtbereich des metallischen Dichtelements durch den Zylinder radial aufgeweitet wird und mit der sich ergebenden Rückfederungskraft am Zylinder anliegt. Eine solche auch plastische Verformung im Dichtberich ist bei Absperrorganen mit dünnwandigen Metallelementen (z. B. Klappen) bekannt und dort in vielen Fällen ausreichend, weil es sich um eine statische Abdichtanordnung handelt und oftmals die Dichtheitsanforderungen nicht so hoch wie bei Stopfbuchsen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abdichtanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die sich für hohe Betriebstemperaturen und dynamische Beanspruchungen, wie sie für Stopfbüchsen oder dergl. benötigt werden, eignet und bei der die Anpreßkraft im ringförmigen Dichtbereich genügend groß und in einfacher und praktischer Weise erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Da der Spannbereich zwar mitgedehnt wird, aber nicht am Zylinder anliegt, wirkt er im Sinne einer

Verstärkung der durch Verformung des Dichtbereichs über die Streckgrenze erzielten Vorpreßkraft. Damit der Spannbereich zur Wirkung kommen kann, muß er also im wesentlichen zylindrisch verlaufen, d. h. er darf keine Abschnitte aufweisen, die mehr als 45° gegen die Zylinderachse geneigt sind. Bei stärkerer Neigung wird die Verformung so klein, daß sich praktisch keine elastische Rückfederung ergibt, welche die Vorpressung verstärken könnte. Die beste Verformung des Spannbereiches ergibt sich natürlich dann, wenn er zylindrisch knapp über dem Zylinder verläuft. Auch eine zusätzliche Druckunterstützung durch den Spannbereich ist möglich, weil diese ja nur dort wirksam werden kann, wo das dünnwandige Metall nach außen verformt ist und daher mit seiner elastischen Kraft gegen den Zylinder in gleicher Richtung wie die Druckkräfte wirkt. Es ist daher vorteilhaft, wenn mindestens die Hälfte des Spannbereichs zwischen Befestigunsstelle und Dichtbereich des Dichtelements liegt, so daß mindestens diese Hälfte mit dem abzudichtenden Differenzdruck beaufschlagbar ist und daher druckabhängig die Pressung im Dichtbereich verstärkt.

Es können lippenartige Dichtelemente ausgebildet werden, die an einem Ende radial verlaufende Abschnitte zur dichten Befestigung aufweisen, wobei mehrere dieser Dichtelemente zu einem Paket verbunden werden können, so daß mehrere Dichtbereiche zur Wirkung kommen. Es ist auch möglich, zwischen diesen einzelnen Dichtelementen schmierende Werkstoffe, wie z. B. Graphit, zwischenzuschalten, um den Verschleiß der Dichtbereiche zu vermindern. Eine besonders vorteilhafte Ausführung, die einstückig ist und mehrere Dichtbereiche aufweist, ergibt sich dann, wenn das Dichtelement einen längeren zylindrischen Abschnitt aufweist, der unter gegenseitigem Axialabstand angeordnete Abschnitte kleineren Innendurchmessers als Dichtbereiche aufweist, die zum zugeordneten Zylinder ein der gewünschten Beanspruchung entsprechendes Untermaß aufweisen. Die zwischen diesen Dichtbereichen liegenden Teile des metallischen Zylinders wirken dann als Spannbereich, die in großem Ausmaß die Verformung der Dichtbereiche mitmachen und mit ihrer elastischen Rückstellkraft die Vorpressung auf den Dichtbereichen vergrößern sowie eine Verstärkung der Anpreßkraft durch den Differenzdruck ermöglichen. Die Vorpressung kann zusätzlich noch durch eine Feder verstärkt werden, die am Außenumfang des Dichtbereiches und/oder des Spannbereiches radial nach innen auf diese Bereiche einwirkt. (Federn zur Beaufschlagung von Dichtelementen sind an sich z. B. aus der FR-PS 6 44 421 bekannt.) Die Wirkung solcher Federn ist beim erfindungsgemäßen Dichtelement besonders gut, weil ja Dichtbereich und Spannbereich bereits mit elastischen Kräften gegen den Zylinder wirken, so daß diese Teile nicht durch die Feder verformt werden müssen.

Die erfindungsgemäße Abdichtanordnung ibt nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel.

Dabei soll jeweils eine Abdichtung zwischen einem Gehäuse 1 und einer sich darin drehenden und sich dabei axial verschiebenden Spindel 2 erzielt werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung weist drei metallische Dichtelemente 3 auf; jedes dieser Elemente weist einen radialen Befestigungsabschnitt 3' auf, an den sich, gegen den Raum höheren Drucks gerichtet, ein konischer Abschnitt 3" unter einer Neigung von 15° gegen die Spindelachse anschließt der in einen an der zylindrischen Spindel 2 anliegenden Abschnitt 3'" übergeht Es bildet also der zylindrische Abschnitt 3'" den Dichtbereich und der konische Teil 3" den Spannbereich des Dichlelements 3.

Beispielsweise hat bei einem Spindeldurchmesser von 24 mn das Dichtelement 3 bei einer Wandstärke von 0,3 mm vor Einbringen der Spindel 2 einen Innendurchmesser von 23,85 mm. Beim Einführen der Spindel 2 und Dehnung des Dichtbereichs 3"' auf ihren Innendurchmesser ergibt sich eine Dehnung von 0,53%. Bei dem verwendeten Material, einem austenitischen Stahl, beträgt die Streckgrenze (σ 0,2) etwa 21 kp/mm². Da bei der Entlastung, d. h. bei Entfernen der Spindel 2, die Entspannung nach einer Hook'schen Gerade erfolgt, ergibt sich eine Rückfederung von 0,01 %, was zeigt daß die durch Einführen der Spindel 2 erzeugte Dehnung die Streckgrenze überschritten hat Die sich bei Entfernen der Spindel 2 ergebende Durchmesserreduktion beträgt ^2υ demnach etwa 0,024 mm. Dieser Rückfederungsweg genügt, um eine gute Anpassung des Dichtbereiches an die Spindel 2 zu gewährleisten. Die dabei auftretende Flächenpressung errechnet sich nach der aus dem Kesselbau stammenden Formel für die Beanspruchung bei dünnwandigen zylindrischen Hohlkörpern. Der in diese Formel einzusetzende Innendruck entspricht im vorliegenden Fall der Flächenpressung zwischen Dichtbereich und Spindel 2. Unter der Annahme, daß bei der Drehung von 0,62% die Spannung nicht wesentlich über die Streckgrenze angestiegen ist, ergibt sich eine Flächenpressung von 0,525 kp/mm². Diese Flächenpressung ist an sich niedrig. Würde sich an diesen ringförmigen Dichtbereich unmittelbar mit kleinem Übergangsradius der radial verlaufende Befestigungs-3j abschnitt 3' anschließen, ergäbe sich eine Flächenpressung, die für eine einwandfreie Abdichtung zu gering ist, da der radiale Befestigungsabschnitt 3' als starrer, in radialer Richtung praktisch unverformbarer Körper anzusehen ist. Auch die Druckverstärkung durch Beaufschlagung der Außenseite des Dichtelementes 3 mit dem höheren Druck würde nur auf die Fläche des Dichtbereiches zur Wirkung kommen. Beim erfindungsgemäßen Dichtelement 3 schließt jedoch an den ringförmigen Dichtbereich, dessen Ringbreite ungefähr 1,5 mm beträgt, der konische Abschnitt 3" an, der infolge seiner schwachen Neigung als praktisch zylindrisch anzusehen ist und in seiner Breite, d. h. Axialerstreckung, mindestens viermal so groß ist wie die Ringbreite des Dichtbereichs. Da bei Einführen der Spindel 2 der konische Abschnitt 3" mitverformt wird, kommt auch seine Rückfederungskraft im Sinne einer Verstärkung der Vorpressung zur Wirkung. Es ist anzunehmen, daß er sich etwa im Verhältnis der Breiten von Spannbereich zu Dichtbereich vergrößert. Im vorliegenden Fall beträgt also der Faktor mindestens 4 und somit die im Dichtbereich wirksam werdende Flächenpressung etwa 2,5 kp/mm², wobei berücksichtigt ist, daß der Übergang des konischen Spannbereiches in den radialen Befestigungsabschnitt 3' sicher nicht wirksam wird. Dieser Spannbereich kommt auch druckverstärkend zur Wirkung, weil der auf die Außenseite des konischen Spannbereichs wirkende Differenzdruck in gleicher Richtung wirkt wie die elastische Rückstellkraft und also nicht den Konus verformen muß. Es sind drei derartige Dichtelemente 3 vorgesehen, wobei zwischen diesen Schichten 4 aus Blähgraphit vorgesehen sind und das gesamte Paket ist in der sie aufnehmenden Gehäusebohrung durch eine

Stopfbüchsenbrille 5 oder dergl. abgedichtet festgehalten. Der Blähgraphit dient vor allem zur Abdichtung der Dichtelemente 3 untereinander und gegen das Gehäuse 1, aber auch durch den Kontakt mit der Spindel 2 zur Schmierung, weil bei der Axialbewegung an der ι Spindeloberfläche Graphitteilchen hängen bleiben und zwischen Dichtbereich und Spindel 2 eingezogen werden. Es kann also bei geeigneter Wahl des Spindelmaterials von einer Gleitbeschichtung für die Dichtelemente 3 abgesehen werden. ι ο

Die aus F i g. 2 ersichtliche Abdichtungsanordnung weist nur ein Dichtelement 7 auf, das im wensentlichen aus einem radial verlaufenden Befestigungsabschnitt T und einem im wesentlichen zylindrisch verlaufenden Abschnitt 7" besteht. Der radiale Befestigungsabschnitt T ist unter Zwischenschaltung einer Flachdichtung 6 mit dem Gehäuse 1 mittels der Stopfbüchsenbrille 5 fest verbunden. Beim im wesentlichen zylindrischen Abschnitt 7" des Dichtelementes 7 sind in den beiden Hälften der Zeichnung verschiedenartige, in der Funktion aber praktisch gleichwertige Lösungen dargestellt. Im linken Teil von F i g. 2 weist ein exakt zylindrischer Abschnitt 7" mit Axialabstand zueinander angeordnete Vorsprünge T" auf, welche die Dichtbereiche bilden; bei dem in der rechten Zeichnungshälfte von F i g. 2 dargestellten Dichtelement 7 ist der im wesentlichen zylindrisch verlaufende Abschnitt 7" mit ringförmigen Einwölbungen T" versehen, die mit den Abschnitten kleinsten Innendurchmessers an der Spindel 2 mit Spannung anliegen und die Dichtbereiche jo bilden. Bei beiden Ausbildungen schließt der zu einem Dichtbereich gehörende Spannbereich beidseitig an, wobei bei der Ausbildung nach der rechten Hälfte von F i g. 2 infolge der Ausbildung der Einwölbungen T" mit relativ schwach geneigten Flanken die Spannbereiche beim Einbringen der Spindel 2 ausreichend mitverformt werden. Es ist auch möglich, daß die Spannbereiche von Bereichen unterbrochen sind, die nicht praktisch zylindrisch verlaufen, d. h. eine Neigung von über 45° zur Zylinderachse aufweisen. Diese Abschnitte zählen also nicht zum Spannbereich, der aber durch solche Abschnitte unterbrochen sein kann.

Die Funktion ist bei beiden Ausbildungen gleich. Beipielsweise bei einem Spindeldurchmesser von 40 mm beträgt der Innendurchmesser in den Dichtbereichen vor Einführen der Spindel 39 mm, was einer Dehnung nach Einführen von etwa 2,56% entspricht. Beim Entlasten des Dichtelementes 7 durch Entfernen der Spindel 2 wird das Dichtelement 7 im zylindrischen Teil 7" um etwa 0,14% zurückfedern, was einer Durchmesserverminderung im Dichtbereich von 0,055 mm entspricht. Bei einer Wanddicke des Dichtelements von 0,6 mm und bei der Annahme, daß sich bei der doch erheblichen Dehnung eine Verfestigung des austenitischen rostfreien Materials auf etwa 30 kp/mm² ergibt, würde sich bei der ausschließlichen Aufweitung des Dichtbereiches dort eine Flächenpressung von 0,9 kp/mm² ergeben. Da die Spannbereiche, welche mitgedehnt werden, etwa dreimal so iang wie die Dichtbereiche sind, kann sich eine Verstärkung der Vorpreßkraft auf etwa 2,5 kp/mm² ergeben. Da die Vorpressung auf diese Weise ausreichend ist, kann sich an der Außenseite des Dichtelementes 7 Druck aufbauen. Das Dichtelement 7 ist mit seinem gesamten zylindrischen Teil vorgespannt, so daß die Druckdifferenz über die ganz Länge des zylindrischen Teils 7" voll zur Wirkung kommt, mit Ausnahme des freien Endes am untersten Dichtbereich, weil dort beide Seiten des Spannbereiches mit dem gleichen Druck beaufschlagt sind. Da die Einführung eines länger wirksamen Schmiermittels nicht möglich ist, wird es bei diesem Ausführungsbeispiel vorteilhaft sein, mindestens einen der beiden zusammenwirkenden Teile mit einer Gleitbeschichtung zu versehen.

Eine Vergrößerung der Vorpressung könnte bei dem im rechten Teil der F i g. 2 dargestellten Element dadurch erreicht werden, daß in den Abschnitten der ringförmigen Einwölbungen 7'", welche am Innenumfang die Dichtbereiche bilden, am Außenumfang endlose, vorgespannte Spiralfedern vorgesehen sind. Die Druckunterstützung ändert sich durch Anordnung der Federn nicht und wie bei der der Ausführungsform ohne Feder durch die Größe des Bereiches zwischen dem obersten und dem untersten Dichtbereich gegeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Abdichtanordnung mit mindestens einem hülsenförmigen, metallischen Dichtelement (3,7) zur Abdichtung einer Wand (1) gegen einen sie durchsetzenden, axial beweglichen und/oder drehbaren Zylinder (2), das mit einem Ende an der Wand (1) dicht befestigt ist und mit der Innenseite unter Vorspannung am Zylinder (2) dichtend anliegt, wobei anschließend zum ringförmigen Dichtbereich (3'", T") ein mindestens dreimal so breiter, im wesentlichen zylindrisch verlaufender .Spannbereich (3", 7") vorgesehen ist und die abzudichtende Druckdifferenz auf die Außenseite einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (3, 7) dünnwandig ist, im wesentlichen konstante Dicke aufweist und der Dichtbereich (3'", 7'") infolge Dehnung beim Zusammenbau mindestens bis zur Streckgrenze (o 0,2) beansprucht und der Spannbereich (3", 7") mitverformt ist.

2. Abdichtanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Hälfte des Spannbereichs (3", 7") des Dichtelements (3, 7) zwischen der Befestigungsstelle und dem Dichtbereich (3'", 7"') verläuft.

3. Abdichtanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (3) mit konstanter Dicke, vorzugsweise aus Blech, ausgebildet ist und einen zur Befestigung dienenden, vorzugsweise radial verlaufenden Abschnitt (3'), und einen anschließenden, praktisch zylindrischen Abschnitt als Spannbereich (3") aufweist, der an seinem freien Ende als Dichtbereich einen Abschnitt (3'") kleineren inneren Durchmessers aufweist, der zum zugeordneten Zylinder (2) ein der gewünschten Beanspruchung entsprechendes Untermaß aufweist.

4. Abdichtanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (3) unter gegenseitiger Abdichtung am Befestigungsabschnitt (3') mit gleich ausgebildeten Dichtelementen (3) zu einem Dichtungspaket verbunden ist, vorzugsweise unter Zwischenschaltung schmierender Abdichtungen (4), z. B. aus Graphit.

5. Abdichtanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (7) einen zur Befestigung dienenden, vorzugsweise radial verlaufenden Abschnitt (7'), und einen anschließenden, praktisch zylindrischen Abschnitt (7") als Spannbereich aufweist, der zur Bildung mehrerer Dichtbereiche mit unter gegenseitigem Abstand angeordneten Abschnitten (7'") kleineren Innendurchmessers versehen ist, der zum zugeordneten Zylinder (2) ein der vorgesehenen Beanspruchung entsprechendes Untermaß aufweist.

6. Abdichtanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (7) mit konstanter Dicke, vorzugsweise aus Blech, ausgebildet ist und die Dichtbereiche als wulstähnliche ringförmige Einwölbungen (7'") kleineren Innendurchmessers gebildet sind.

7. Abdichtanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an den Befestigungsabschnitt (7') des Dichtelements (7) ein zylindrischer Abschnitt (7") vorgesehen ist, der zur Bildung der Dichtbereiche nach innen Verdickungen (T") kleineren Innendurchmessers aufweist.

8. Abdichtanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtbereich (3'", 7'") und/oder der Spannbereich (3", 7") des Dichtelements (3, 7) am Außenumfang von einer radial nach innen wirkenden Feder beaufschlagt sind.