DE3526699C2 - Hochdruckfluiddichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit Fluiddichtungen und betrifft insbesondere eine Hochdruckfluiddichtung für Hochdruckver­ hältnisse, bei denen insbesondere eine hin- und hergehende Bewegung oder Gleitbewegung eines abgedichteten Teils axial durch die Dichtungsöffnung auftritt.

Bei den jüngsten Anwendungen gewisser hydraulischer Mechanis­ men wie beispielsweise Kraftfahrzeugservolenkungen treten oftmals zunehmend höhere Drucke und Arbeitsverhältnisse auf, die mit so hohen Belastungen verbunden sind, daß die bekann­ ten Dichtungskonstruktionen überprüft werden müssen.

Bekannte Mechanismen, die bei einem Druck auf einer gegebenen Höhe arbeiten müssen, werden aufgrund höherer Bewegungsge­ schwindigkeiten oder Bewegungsbereiche Verhältnissen ausge­ setzt, die mit stärkeren Belastungen verbunden sind. Beispiele für diese Anwendungen sind Stangen oder ähnliche Bauteile, die über Radiallippenwellendichtungen vom sogenannten Wischerblatt­ typ abgedichtet sind. Dabei bewegt sich die Stange axial durch eine Öffnung in der Dichtung und ist der Lippenteil der Dich­ tung einem Fluid unter Druck ausgesetzt, der manchmal einige 100 bar bis über 1000 bar erreichen oder diese Werte überschreiten kann.

Bei diesen Anwendungen können starke Abnutzungen der Dichtun­ gen selbst, in den abgedichteten Teilen, wenn sie unzureichend geschmiert sind, oder Undichtigkeiten auftreten, wenn im abge­ dichteten Bereich die Dichtung unzureichend dicht ist. Jeder geschmierte Mechanismus einschließlich hydraulischer Mechanis­ men fällt vollständig aus, wenn Undichtigkeiten auftreten, so daß die Versorgung an Schmiermittel oder Arbeitsfluid vollstän­ dig ausfällt.

Aus der US-PS 3 871 669 ist eine Fluiddichtung bekannt, die an das Problem der Abdichtung exzentrisch rotierender Wellen angepaßt ist. Diese Fluiddichtung stellt keine Hochdruck­ fluiddichtung dar. Sie weist einen Lippenkörper auf, welcher über einen sich winkelig erstreckenden flexiblen Bereich mit einem starren Gehäuse verbunden ist. Der Lippenkörper ist mit einem Vorsprung ausgeführt, welcher in dem Lippenkörper und somit in der Lippe und dem flexiblen Bereich integriert ist. Der Vorsprung befindet sich auf derselben Seite des Lippenkör­ pers wie der flexible Bereich und liegt zwischen diesem und der Dichtlippe. Der Vorsprung erfüllt hier keine Dichtfunktion, da er eine exzentrisch rotierende Welle auf ungefähr dem halben Wellenumfang nicht berührt und eine nicht exzentrische Welle überhaupt nicht berührt. Der Vorsprung verhindert, daß die Dichtlippe bei radialer Wellenbewegung ausgeflacht wird. Im Normalzustand liegt der Vorsprung nicht an der Welle an und hat auch bei Exzenterbewegung der Welle keine Dichtfunktion.

Die DE-OS 21 13 557 zeigt eine Fluiddichtung mit einem elasto­ meren Dichtlippenkörper, der zwischen einer Fluidseitenfläche und einer Luftseitenfläche eine primäre Dichtlippe und mehrere Hilfsrippen aufweist. Sowohl die primäre Dichtlippe als auch die Hilfsdichtrippen liegen im Einbauzustand der Dichtung fluiddichtend an einem Maschinenelement an. Das heißt, sowohl die primäre Dichtlippe als auch die Hilfsdichtrippen bilden bereits bei verschwindendem Fluiddruck Dichtflächen mit dem Maschinenelement. Bei hohem Fluiddruck werden diese Druck­ flächen größer und mit größerem Anpreßdruck an das Maschinen­ element gedrückt. Dies erschwert die Schmierung dieser Dicht­ flächen, was zur Beschädigung der Dichtung und damit zur Beschädigung des gesamten Mechanismus führt. Bei dieser Fluiddichtung folgt mit zunehmendem Fluiddruck eine verhältnis­ mäßig unwesentliche Dichtflächenvergrößerung, wobei nicht dafür gesorgt wird, daß sich die Schmierung dieser Dichtflächen mit zunehmendem Fluiddruck vergrößert. Diese Fluiddichtung ist somit nicht mehr für hohe Drücke von 1000 bar und mehr ge­ eignet.

Es ist Aufgabe, eine Dichtung bereitzustellen, die einem geringeren Verschleiß ausgesetzt ist und einen geringeren Widerstand zeigt, ohne daß die Dichtungswirkung verlorengeht.

Durch die Erfindung wird eine Radiallippendichtung geschaffen, die einen Lippenteil aufweist, dessen Luft- und Ölseiten einen Dichtlippenkörper bilden, der mit einem radial inneren Teil eines Dichtungsgehäuses verbunden ist, wobei die sogenannte Luftseite der Dichtlippe so profiliert ist, daß sie in einer Kombination eine Mehrlippendichtungsfläche, unter einem Druck eine kontrollierte Biegung und ein ausgezeichnetes Halten des Schmiermittels zeigt, so daß sie bei vielen Anwendungszwecken leistungsfähiger arbeitet.

Die erfindungsgemäße Fluiddichtung umfaßt ein Dichtungsgehäuse und einen elastomeren Lippenkörper, der damit verbunden ist, wo­ bei der Lippenkörper ringförmig ausgebildet ist und eine kegel­ stumpfförmige Ölseitenfläche, die mit einer kegelstumpfförmi­ gen Luftseitenfläche entlang im wesentlichen eines Kreises zu­ sammenstößt, so daß sich ein in Umfangsrichtung verlaufendes Dichtungsband ergibt, wobei die kegelstumpfförmige Luftseiten­ fläche eine Reihe von axial beabstandeten Rippen mit abgerunde­ tem Profil und allmählich ansteigendem Innendurchmesser auf­ weist, die durch Fluidhaltenuten beabstandet sind, und der gesamte Dichtungskörper in eine feste dichtende Ineingriff­ nahme mit einer zugehörigen Welle durch den fortschreitend zu­ nehmenden Kontakt der Rippen mit der abgedichteten hin- und her­ beweglichen Welle bei zunehmendem Druck im abgedichteten Bereich gedrückt werden kann.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine vergrößerte vertikale Teilschnittansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Dichtung.

Fig. 2 zeigt in einer Teilansicht der in Fig. 1 darge­ stellten Dichtung die Lage bestimmter Elemente so wie sie hergestellt werden.

Fig. 3 zeigt in einer Fig. 2 ähnlichen, jedoch vergrößer­ ten Schnittansicht die Dichtung in ihrer Anfangs­ benutzungslage.

Fig. 4 zeigt in einer Fig. 3 ähnlichen Ansicht dieselbe Dichtung in einer weiteren Benutzungslage.

Fig. 5 zeigt in einer weiter vergrößerten Ansicht das Aus­ führungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dichtung in der Benutzungslage bei maximalem Druck.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist eine Dichtung, die in das Gehäuse einer Servolenkung eingebaut ist, das unter Druck zu setzen ist und in dem das hin- und herbewegliche Element der Endabschnitt einer Zahnstange eines Zahnstangengetriebes einer Kraftfahrzeugservolenkung ist.

Fig. 1 zeigt im einzelnen ein Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Dichtung 20, die in das Gehäuse 22 eingebaut ist und in einer Aussparung 24 im Gehäuse 22 durch einen Sprengring 26 oder ähnliches festgehalten ist, der in einer Sicherungsring­ nut 28 angeordnet ist.

Die Dichtung 20 umfaßt einen elastomeren Dichtlippenkörper­ teil 21 und ein Dichtungsgehäuse 30, das in der dargestellten Weise einen axial verlaufenden Gehäuseringflansch 32 und einen radial verlaufenden Ringflansch 34 aufweist, der in einem ra­ dial innen liegenden Gehäuserand oder einem Dichtungskörperverbin­ dungsteil 36 endet. Die Außenfläche 38 des Gehäuses ist fluid­ dicht in der Aussparung 24 aufgenommen und eine nicht dargestellte sekundäre Dichtung wie beispielsweise eine Außengummihülse oder ein anderes Element kann dazu benutzt wer­ den, den dichten Abschluß in der Aussparung 24 zu erzielen. Der Dich­ tungskörper 21 weist einen Verbindungsbereich 40 und einen Innen­ flächenbereich 42 auf, der dem Fluid ausgesetzt ist, das im abge­ dichteten Bereich gehalten ist, wobei der Innenflächenbereich 42 eine Ring­ federnut 44 aufweist, die um den Dichtlippenkörper 21 herum in be­ kannter Weise verläuft und eine in sich geschlossene ringför­ mige Schraubenfeder 46 aufnehmen kann.

Die Dichtung weist weiterhin eine etwa kegelstumpfförmige Öl­ seitenfläche 48, die radial innen von einem sogenannten Entnah­ megratrest 50 verläuft, wobei die kegelstumpfförmige Ölseiten­ fläche 48 mit einer kegelstumpfförmigen Luftseitenfläche 52 zusammenstößt, um ein Dichtungsband 54 zu bilden, das etwa kreisförmig verläuft. Auf der Luftseite der Dichtung und axial außen vom Dichtungsband 54 befindet sich eine erste Hilfs­ rippe 56, die vom Dichtungsband 54 durch eine Fluidhaltenut 58 ge­ trennt ist. Eine Fluidhaltenut 60, die axial und radial außen von der Hilfsdichtrippe 56 verläuft, liefert einen Zwischenraum zwischen der Hilfsdichtrippe 56 und einer zweiten Hilfsdichtrippe 62. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel trennt eine weitere Fluidhaltenut 64 die zweite Hilfsdichtrippe 62 von einer dritten Hilfsdichtrippe 66.

Aus Fig. 2 ist beispielsweise ersichtlich, daß die innersten Flächen 68, 70, 72 der Hilfsdichtrippen 56, 62, 66 einen allmählich zunehmenden Durchmesser mit zunehmendem Abstand vom Dichtungs­ band 54 oder im Verlauf vom Dichtungsband 54 axial nach außen haben. Dabei ist unter dem Begriff "axial außen" ein Abstand vom Inneren des Dichtungsbereiches 55 in Fig. 1 und 2 in Rich­ tung auf das Äußere oder die Luftseite 57 in Fig. 1 und 2 zu verstehen.

Der Begriff "radial außen" (= von Dichtfläche radial weg) versteht sich von selbst, gilt je­ doch insbesondere für einen zunehmenden Durchmesser bei einer Anwendungsform, bei der das abgedichtete Element durch die Mitte der Dichtung geht, statt um seine Außenseite zu verlaufen, wie es der Fall bei einer radial nach außen wirkenden Nasen­ dichtung ist.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Innenflächen 68, 70, 72 der Hilfsdichtrippen 56, 62, 66 längs und etwa parallel zur Haupter­ streckung des Dichtlippenkörpers 21 verlaufen, wie es durch eine gestrichelte Linie 75 in Fig. 2 dargestellt ist. Die Gegen­ linie 76 in Fig. 2, die die Tangente an die Hilfsdichtrippen 56, 62, 66 ist, ver­ läuft in der dargestellten Weise im wesentlichen parallel dazu und schließt einen gegebenen Winkel Θ zu einer gedachten Hori­ zontalachsenlinie 78 ein, die parallel zur Achse des abgedich­ teten Elementes verläuft. Auf dem Gebiet der Dichtungen wird der Winkel des Luftseitenteils des Dichtlippenkörpers 21 oft als Tonnenwinkel bezeichnet. Im vorliegenden Fall ist der Ton­ nenwinkel der Winkel des Dichtungskörpers als Ganzem oder der Winkel, der aus der Folge von Punkten abgeleitet wird, die entlang der jeweiligen innersten Außenflächen der Hilfsdichtrippen 56, 62, 66 liegen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist das abgedichtete Element ein hin- und herbeweglicher Stangenteil 80 einer Zahn­ stange mit einem Außenflächenteil 82, der auf das Dichtungs­ band 54 trifft, um eine primäre Dichtung zu bilden. Wie es durch Pfeile 84 angegeben ist, ist die eine Dichtung erfordern­ de Bewegung eine Axial- oder Querbewegung, die zu einer wischer­ blattartigen Dichtungswirkung führt.

In Fig. 3 ist die Beziehung des Winkels Θ zwischen den Linien 75, 76 und 78 so dargestellt, wie sie tatsächlich im eingebauten Zustand ist, wobei die innerste Hilfsdichtrippe 56 mit ihrer innersten Außenfläche 68 in einem geringen Abstand von dem Außenflächenteil 82 der abgedichteten Stange oder Welle 80 liegt. Folglich besteht zwi­ schen dem primären Dichtungsband 54 und dem Außenflächenteil 82 ein kleiner sogenannter Restspielraum oder eine kleine Restüberla­ gerung.

Aus Fig. 4, die eine etwas schematische Darstellung zeigt, ist ersichtlich, daß das Dichtungsband 54 in Kontakt mit dem Außenflächenteil 82 der Welle 81 steht und daß die erste Hilfsdichtrippe 56 diese Oberfläche gleichfalls berührt, wobei die Fluidhaltenut 58 zwischen dem primären Dichtungsband 54 und der Hilfsdichtrippe 56 etwas abgeflacht ist. In Fig. 4, die die Anordnung unter einem mäßigen Druck zeigt, verlaufen die Linien 75, 78 derart, daß der Winkel Θ einen geringeren Wert hat, da der Dichtlippenkörper 21 einen etwa mehr zylindrischen Querschnitt einnimmt.

Fig. 5 zeigt die Dichtung 20 schematisch im eingebauten Zu­ stand über einer Stange oder Welle 80 in dem Fall, in dem ein höherer Druck im abgedichteten Bereich 55 dazu geführt hat, daß das Dichtungsband 54 sowie alle Hilfsdichtrippen 56, 62 und 66 mit dem Außenflächenteil 82 der Welle 80 in Berührung gekommen sind.

Fig. 5 zeigt, daß aufgrund des hydraulischen Druckes, der auf die Fläche 42 des Dichtlippenkörpers 21 ausgeübt wird, wie es durch Pfeile dargestellt ist, der gesamte Körper sich so gebo­ gen hat, daß der Winkel Θ sehr klein ist und der Dichtlippenkör­ per 21 als ganzes eng über der Welle 80 liegt. In dieser Darstellung sind weiterhin die Fluidhaltenuten 58, 60, 64 so gezeigt, daß sie eine meßbare Fluidmenge aufgenommen haben und dieses Fluid für Schmierungszwecke halten. Das vermindert in vorteilhafter Weise den Abrieb oder Verschleiß insbesondere unter Hochdruckverhält­ nissen. Die Breite des Dichtungsbandes 54 ist in Fig. 5 sche­ matisch mit A bezeichnet und die von den jeweiligen Hilfsdichtrip­ pen 56, 62, 66 gebildeten Dichtungsbänder haben in der darge­ stellten Weise fortschreitend abnehmende Breiten B, C und D. Die am nächsten liegende oder den kleinsten Außendurchmesser aufweisende Hilfsdichtrippe 56 ist somit zu der Form B mit einer er­ heblichen Kontaktbreite zur zugehörigen Welle 80 abgeflacht. Die zweite Hilfsdichtrippe 62 ist gleichfalls zu einem Kontakt mit der Welle 80 abgeflacht, liefert jedoch ein etwas schmaleres Dichtungsband oder ein Dichtungsband mit geringerer Breite oder einem soge­ nannten Fußabdruck C, wobei eine begrenzte Kontaktfläche D mit einer jedoch noch geringeren Breite dort vorgesehen ist, wo die Innenfläche 72 mit größtem Durchmesser oder die dritte Hilfslippe oder -rippe 66 die Welle trifft.

Aus dem obigen ist ersichtlich, daß mit zunehmendem Druck sich die Wellendichtung 20 nach unten auf die Welle 80 verformt, daß je­ doch aufgrund der besonderen Biegung das Kontaktmuster eine zunehmende Breite zeigt und mit beabstandeten Hilfsdichtrippen versehen ist, die jeweils paarweise Schmiermittel zwischen jeder Hilfsdichtrippe und der zugehörigen benachbarten beabstandeten Hilfsdichtrippe halten können. Obwohl die gehaltene Schmiermittelmenge nicht groß ist, ist sie meßbar und kann ein derartiges Schmiermittel immer über die gesamte Außenfläche der abgedichteten Welle vorhanden sein. Beim Fehlen derartiger Fluidhaltenuten und Hilfsdichtrippen hat es sich herausgestellt, daß der hohe Druck, der bei derartigen hydrau­ lischen Abdichtungen auftritt, dazu neigt, das Fluid vom Be­ reich unter der primären Lippe 54 herauszudrücken und die Dich­ tungskraft über annehmbare Grenzwerte hinaus zu erhöhen. In Kombination mit dem Mangel an Schmiermittel führt das zu einem frühzeitigen Ausfall der Dichtungen mit bekanntem Aufbau.

Gemäß der Erfindung kann die progressive Wirkung, die die er­ findungsgemäße Dichtung liefert, nicht nur das Schmiermittel halten und ein Herausdrücken des Schmiermittels vom Bereich unter diesen kritischen Bereichen verhindern, sondern auch die Last fortschreitend verteilen, so daß die benötigten Dichtungs­ kräfte beibehalten jedoch über mehrere Nasen oder Rippen ver­ teilt werden, um den Aufbau eines zu hohen Druckes oder eine unangemessene örtliche Kraftkonzentration zu vermeiden.

Wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, kann eine charak­ teristische sich konisch erweiternde Nut 90 vorgesehen sein, um ein Sperreinlageelement oder ein das Herausdrücken verhinderndes Element wie beispielsweise einen Nylonring aufzunehmen, wie er in der US PS 3 495 843 darge­ stellt ist. Dieser Dichtungsring kann an seiner Stelle durch die der Dichtung eigene Greifwirkung gehalten werden oder ein Hilfssperring sein, wie er bei bestimmten Anwendungszwecken bevorzugt sein kann. Ein derartiger Hilfsring kann bei der er­ findungsgemäßen Dichtung vorgesehen sein.

Es hat sich herausgestellt, daß die erfindungsgemäße Dichtung wesentlich leistungsfähiger ist, eine höhere Zuverlässigkeit und einen geringeren Verschleiß zeigt und gleichzeitig in der Lage ist, einen hohen Druck abzudichten, der bei problemati­ schen Anwendungszwecken der genannten Art auftreten kann.

Claims (9)

1. Hochdruckfluiddichtung zum Abdichten der Fluidseite zweier relativ zueinander beweglicher Maschinenele­ mente (22, 80) von deren Luftseite, umfassend:

• - ein starres, an einem Rand eines ersten (22) der beiden Maschinenelemente (22, 80) anzubringendes, ringförmiges Dichtungsgehäuse (30),
• - einen mit dem Dichtungsgehäuse (30) verbundenen, ringförmigen, elastomeren Dichtlippenkörper (21), der mit einer primären Dichtlippe (54) unter Bil­ dung eines kreisförmigen, primären Dichtungsbands an einem zweiten (80) der beiden Maschinenelemente (22, 80) anliegt, sich von dem primären Dichtungs­ band fluidseitig etwa kegelmantelförmig von dem zweiten Maschinenelement (80) weg erstreckt und luftseitig an das primäre Dichtungsband anschlie­ ßend mehrere durch Fluidhaltenuten (58, 60, 64) getrennte Hilfsdichtrippen (56, 62, 66) aufweist, dadurch gekennzeichnet,

daß die Hilfsdichtrippen (56, 62, 66) und die Fluid­ haltenuten (58, 60, 64) in druckentlastetem Einbau­ zustand entlang einer luftseitigen, von dem primären Dichtungsband aus etwa kegelmantelförmig vom zweiten Maschinenelement (80) weg verlaufenden Wandfläche (52) eines zwischen der primären Dichtlippe (54) und dem Dichtungsgehäuse (30) sich erstreckenden, dem Fluiddruck ausgesetzten Wandbereichs (40) des Dicht­ lippenkörpers (21) vorgesehen sind und mit wach­ sendem Abstand von dem primären Dichtungsband einen zunehmenden Abstand von dem zweiten Maschinenelement (80) haben und daß der zwischen der primären Dicht­ lippe (54) und dem Dichtungsgehäuse (30) sich er­ streckende Wandbereich (40) abhängig vom Fluiddruck mit wachsendem Fluiddruck derart zum zweiten Maschi­ nenelement (80) hin ausgelenkt wird, daß die Hilfs­ dichtrippen (56, 62, 66) der Reihe nach nacheinander unter Aufrechterhalten der Fluidhaltenuten (58, 60, 64) in Dichtkontakt mit dem zweiten Maschinenelement (80) treten.

2. Hochdruckfluiddichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtlippenkörper (21) zur Aufnahme einer die primäre Dichtlippe (54) an das zweite Maschi­ nenelement (80) drückenden, in sich geschlossenen, ringförmigen Schraubenfeder (46) eine ringförmige Federnut (44) aufweist.

3. Hochdruckfluiddichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Federnut (44) mit dem primären Dichtungsband im wesentlichen fluchtet.

4. Hochdruckfluiddichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit zunehmendem Fluiddruck an dem zweiten Maschinenelement (80) anliegenden Kontaktflächen der Hilfsdichtrippen (56, 62, 66) ein abgerundetes Pro­ fil aufweisen.

5. Hochdruckfluiddichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der primären Dichtlippe (54) und dem Dichtungsgehäuse (30) sich erstreckende Wandbe­ reich (40) luftseitig außerhalb der Hilfsdichtrippen (56, 62, 66) und wenigstens teilweise innerhalb des Dichtungsgehäuses (30) eine Ringnut (90) zur Auf­ nahme eines Einlageelements aufweist, das die Bie­ gung des Dichtlippenkörpers (21) am Gehäuserand (36) begrenzt.

6. Hochdruckfluiddichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungsgehäuse (30) einen etwa L-förmigen Querschnitt mit einem zur Aufnahme in einer Ausspa­ rung (24) des ersten Maschinenelements (22) bestimm­ ten axialen Flansch (32) und einem mit dem Dicht­ lippenkörper (21) verbundenen radialen Flansch (34) aufweist.

7. Hochdruckfluiddichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Maschinenelement (22) radial außerhalb des zweiten Maschinenelements (80) angeordnet ist, und daß die Hilfsdichtrippen (56, 62, 66) mit wach­ sendem Abstand von der primären Dichtlippe (54) einen zunehmenden Innendurchmesser aufweisen.

8. Hochdruckfluiddichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei Hilfsdichtrippen (56, 62, 66) vorgesehen sind.