DE3604137A1 - Dichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtung, mit einem Gleitring bzw. einer Gleitfläche und einem mit diesem bzw. dieser eine gemeinsame Dichtungsfläche bildenden Dichtungsring, der gegen den Gleitring bzw. die Gleitfläche durch vorgespannte Federelemente gedrückt wird.

Axial oder radial gerichtete Dichtungen für rotierende oder in Längsrichtung bewegte Maschinenteile mit planen, zylindrischen oder kugelförmigen Dichtungsflächen sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Der erforderliche Anpreßdruck an der Dichtungsfläche zwischen dem rotierenden oder hin- und herlaufenden Gleitring und dem dem Maschinengehäuse zugeordneten Dichtungsring wird üblicherweise durch vorgespannte Federelemente in Form von Schraubenfedern erzeugt, die auf den Dichtungsring konstant drücken. Solche auch Gleitringdichtungen umfassende Dichtungen sind wie alle anderen Dichtungsarten in der Regel Massenerzeugnisse und werden vielfach in Förderpumpen im Heizungsbau, für Chemie-, Abwasser- und Tauchpumpen verwendet. Neben der Forderung nach wirtschaftlicher Herstellung und billigen Materialkosten ist bei möglichst geringem Baugewicht eine gedrängte Einbauweise bzw. eine möglichst kurze axiale Einbaulänge und absolute Dichtheit über eine lange Lebensdauer vorrangig. Diesen Forderungskatalog erfüllen die bekannten Ausführungen von durch mechanische Federelemente vorgespannte Dichtungen insgesamt betrachtet immer noch nicht vollständig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine neue Dichtung zu schaffen, die alle die vorgenannten positiven Eigenschaften in sich vereinigt und dabei eine zuverlässige Funktionsweise für viele Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere solche mit betrieblich extremen Anforderungen, wie sie z. B. bei Brennkraftmaschinen mit großer thermischer Belastung auftreten, garantiert.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Dichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß das oder die Federelemente über die Kinematik der "schiefen Ebene" mit einseitigem Keilschub auf den Dichtungsring in Richtung zur gemeinsamen Dichtungsfläche zwischen dem Gleitring bzw. der Gleitfläche und dem Dichtungsring hin drückend angeordnet sind.

In bevorzugter Ausführung der Erfindung ist die Dichtung gekennzeichnet durch einen oder mehrere, insbesondere zwei nebeneinander angeordnete, geschlitzte Federringe mit schräger Druckfläche, die mit einer gleichschrägen Gegendruckfläche des Dichtungsringes korrespondieren spannschlüssig mit jeweils einer Druckkomponente in Richtung senkrecht zur gemeinsamen Dichtungsfläche zwischen dem Gleitring bzw. der Gleitfläche und dem Dichtungsring auf die Gegendruckfläche des Dichtungsringes mit einer aus der Tangensbeziehung zwischen der radialen Vorspannkraft der Federringe und dem Neigungswinkel der Druckflächen resultierenden Kraft drückend angeordnet sind.

Eine Ausführungsform der Erfindung bei einer Dichtung mit einer radial gerichteten Dichtungsfläche zeichnet sich durch einen oder mehrere, insbesondere zwei radial außerhalb der schrägen Gegendruckfläche des Dichtungsringes angeordnete, geschlitzte Federringe mit radial nach innen gerichtetem Spannschluß aus.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung bei einer Dichtung zeichnet sich durch einen oder mehrere, radial innerhalb der schrägen Gegendruckfläche des Dichtungsringes angeordnete, geschlitzte Federringe mit zwei radial nach außen gerichtetem Spreizdruck aus.

Weitere erfindungsgemäße und die Erfindung ausgestaltende Merkmale gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt in der Anwendung der Kinematik der schiefen Ebene mit einseitigen Keilschub, da hierdurch auf engstem Raum große Dichtungskräfte erzeugt werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der kostengünstigen Herstellung solcher Dichtungen, da diese zum einen gegnüber den bekannten Ausführungen weniger Einzelteile aufweisen und dieselben relativ einfache Drehteile oder gängige Normteile bzw. Standardteile darstellen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäße Dichtung trotz hoher Dichtkräfte wenig Einbauraum benötigt und eine kurze Einbaulänge erfordert, da aus der Verwendung von schrägen Druckflächen durch Nebeneinanderanordnung des Dichtungsringes und der Federringe eine gedrängte Bauweise resultiert. Ferner zeichnet sich die erfindungsgemäße Dichtung dadurch aus, daß sich ihre relevanten Bauteile aus metallischen oder insbesondere keramischen Werkstoffen dickwandig ausführen lassen, wodurch sich günstige Voraussetzungen für die Lösung auch problematischer Abdichtungsprobleme ergeben, wie dies beispielsweise bei der Abdichtung sphärischen Flächen der Fall ist. Schließlich ist auch die Herstellung einfach.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt und deren Funktionsweisen sind in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 zwei verschiedene axiale Dichtungen gemäß der Erfindung mit planen Dichtungsflächen,

Fig. 3 eine Dichtung gemäß der Erfindung mit einer sphärischen Dichtungsfläche in perspektivischer Ansicht,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV gemäß Fig. 3,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V gemäß Fig. 3 und

Fig. 6 die Anordnung eines den Frischgaseinlaß und den Abgasauslaß steuernden Drehschiebers für die Kolbenbrennkraftmaschine mit in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Dichtungen.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind in einem Dichtungsgehäuse 1 ein Dichtungsring 2, zwei geschlitzte Federringe 3 und 4 mit radial nach innen gerichtetem Spannschluß sowie zwei statische Dichtungsringe 5 eingebaut. Bei der dargestellten axialen Dichtung erfolgt der Dichtungsschluß durch eine axiale Dichtungsfläche 6 des Dichtungsringes 2 und der Gegendichtungsfläche 7 eines rotierenden Gleitringes 8. Die notwendige Kraft für den Dichtungsschluß wird erzeugt durch die radial nach innen gerichteten Spannkräfte R der beiden geschlitzten Federringe 3 und 4, insofern, als durch die schräge Druckfläche 9 dieser beiden Federringe 3 und 4 und durch die gleich schräge Gegendruckfläche 10 des Dichtungsringes 2 die radialen Spannkräfte R in eine Normalkraftkomponente und in die axiale Druckkomponente A zerlegt wird, deren Größe aus der Tangensbeziehung zwischen der Größe der radialen Spannkräfte R und dem Neigungswinkel α der schrägen Druckflächen 9 und 10 resultiert. Der axiale Zustellweg a für den Dichtungsring 2 wird bestimmt durch den radialen Abstand r zwischen dem radial inneren Gehäusering 11 und dem Federring 4. Nach dem Einbau der statischen Dichtungsringe 5, der Federringe 3 und 4 und des dynamischen Dichtungsringes 2 in Dichtungsgehäuse 1 bildet das Ganze eine fertige Baueinheit, nachdem der vordere Rand 12 des radial äußeren Gehäuseringes 13 radial abgebogen worden ist. Die beiden Federringe 3 und 4 sind auf ihrer Rückseite mit Überströmnuten 14 versehen, so daß sich der größere Druck p ₁ im abzudichtenden Raum 15 vor den Federringen 3 und 4 bis in den Raum 16 nach den Federringen 3 und 4 fortpflanzen kann. Der größere Druck p ₁ wirkt somit über die Federringe 3 und 4 auf die schräge Gegendruckfläche 10 des Dichtungsringes 2 und addiert sich als Druckkomponente A′ zur axialen Druckkomponente A.

Gemäß Fig. 2 funktioniert die dynamische axiale Dichtung ähnlich wie die in Fig. 1, doch wirken hier die geschlitzten Federringe 17 und 18 als Spreizringe mit einer Vorspannkraft R′ radial nach außen. Der Dichtungsring ist mit 19 bezeichnet. Sein axialer Zustellweg a′ wird bestimmt durch den radialen Abstand r′ zwischen dem radial äußeren Gehäusering 13 und dem Federring 17. Auch die Federringe 17 und 18 sind auf ihrer Rückseite mit Überströmnuten 14 versehen, so daß sich der hier größere Druck p ₂ bis hinter die Federringe 17 und 18 in den Raum 20 hinein ausbreitet und somit über die Federringe 17 und 18 auf die schräge Gegendruckfläche 10 des Dichtungsringes 19 zusätzlich zur Druckkomponente A als Druckkomponente A′ auswirken kann.

Zum Ausgleich eines möglichen Axialschlages des rotierenden Gleitringes 8 besteht die Möglichkeit, die schrägen Druckflächen 9 der Federringe 3 und 4 bzw. 17 und 18 und/oder die Gegendruckfläche 10 der Dichtungsringe 2 und 19 ballig bzw. die eine Fläche ballig und die andere hohlkugelförmig auszuführen. Ferner sind die Federringe 3 und 4 bzw. 17 und 18 mit ihren Ringstößen versetzt zueinander angeordnet, bei zwei Federringen 3 und 4 bzw. 17 und 18 um 180° in Umfangsrichtung, wodurch eine gleichmäßigere Druckverteilung auf den Dichtungsring 2 bzw. 19 zustande kommt. Eine Verdrehung der Dichtungsringe 2 bzw. 19 in Umfangsrichtung wird durch den Eingriff des umgebogenen Randes 12 des Gehäuseringes 13 in eine Ausnehmung 2′ im Dichtungsring 2 bzw. in eine Ausnehmung 19′ im Dichtungsring 19 verhindert.

In Fig. 3 ist eine sphärische Dichtung perspektivisch dargestellt. Radialschnitte durch diese sind in den Fig. 4 und 5 gezeigt.

Wie aus den vorgenannten Figuren ersichtlich, wird der mit einer sphärischen Dichtungsfläche 21 ausgeführte Dichtungsring 22 durch zwei Federringe 17 und 18 mit einer Funktionswirkung wie bei der in Fig. 2 dargestellten Dichtung, also mit einer Spreizwirkung, gegen die rotierende Gleitfläche 23′ einer Drehschieberkugel 23 gedrückt, die in Fig. 6 übersichtlich gezeigt wird. Das Dichtungsgehäuse 24 weist auf einem Teil seines Umfanges einen Haltebund 25 (Fig. 4) zur Fixierung des Dichtungsringes 22 auf. Um diesen leichter einsetzen zu können, ist das Dichtungsgehäuse 24 mit Schlitzen 26 versehen, so daß ein Zurückbiegen des Steges 27 innerhalb der Elastizität des Werkstoffes des Dichtungsgehäuses möglich ist. Die vorbeschriebene Dichtung dient zur Abdichtung des Verbrennungsraumes 28 gegenüber dem Schmierölumlaufsystem 29. Das Schmieröl 30 nimmt seinen Weg aus dem Bereich der Dichtungsfläche 21 über Rücklaufbohrungen 31, Öltaschen 32, einen Ringkanal 33, Ablaufbohrungen 34. einen Umlaufkanal 35 und Rücklaufkanäle 36. Die Dichtungsfläche 21 ist über ein Drittel ihrer Länge, benachbart zu den Federringen 17 und 18, unmittelbar anliegend an die Gleitfläche 23′ der Drehschieberkugel 23 ausgeführt, während die anderen zwei Drittel der Länge einen Dichtungsspalt 37 aufweisen.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, wird der Kugeldrehschieber 23 durch ein Schraubenradgetriebe 38 angetrieben und besitzt einen Frischgaseinlaß 39 und einen Abgasauslaß 40, die im Gleichlauf zu den einzelnen Motortakten an den Verbrennungsraum 28 angeschlossen werden, der andererseits vom Arbeitskolben 41 begrenzt wird.

Das dargestellte Kugeldrehschiebersystem weist eine mit 42 bezeichnete sphärische Dichtung gemäß den in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigten Dichtungen zum Schutz des Schmierölsystems vor den heißen Verbrennungsgasen sowie zwei axiale plane Dichtungen 43 und 44 gemäß den in Fig. 1 oder in Fig. 2 gezeigten Dichtungen zur Abdichtung des Schmierölsystems gegenüber dem Kühlwassersystem 45 auf.

Wie sich aus den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sofort ersehen läßt, können der Gegenring, der das statische Bauelement bildet, und der Dichtungsring gemeinsam mit den Spannelementen, den statischen Dichtringen und dem Dichtungsgehäuse rotieren, wobei eine zusätzliche Radialkraft - Zentrifugalkraft - auf die Spannringe drückt, so daß über die eingangs erwähnte Tangentialbeziehung eine zusätzliche resultierende Kraft auf der Dichtfläche erzielbar ist.

Claims (18)

1. Dichtung, mit einem Gleitring bzw. einer Gleitfläche und einem mit diesem bzw. dieser eine gemeinsame Dichtungsfläche bildenden Dichtungsring, der gegen den Gleitring bzw. die Gleitfläche durch vorgespannte Federelemente gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring durch das Federelement oder die Federelemente (3 und 4 bzw. 17 und 18) unter Anwendung der Kinematik der "schiefen Ebene" mit einseitigem Keilschub in Richtung zur gemeinsamen Dichtungsfläche (6, 7 bzw. 21) zwischen dem Gleitring bzw. Gleitfläche (8 bzw. 23 a) und dem Dichtungsring (2 bzw. 19 bzw. 22) hin einwirkend in der Dichtungsstellung gespannt gehalten ist.

2. Dichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen oder mehrere, insbesondere zwei nebeneinander angeordnete, geschlitzte Federringe (3 und 4 bzw. 17 und 18) mit schräger Druckfläche (9), die mit einer gleichschrägen Gegendruckfläche (10) des Dichtungsrings (2 bzw. 19) korrespondieren und spannschlüssig mit jeweils einer Druckkomponente (A) in Richtung senkrecht zur gemeinsamen Dichtungsfläche (6, 7 bzw. 81) zwischen dem Gleitring bzw. Gleitfläche (8 bzw. 23 a) und dem Dichtungsring (2 bzw. 19 bzw. 22) auf die Gegendruckflächen (10) des Dichtungsringes (2 bzw. 19 bzw. 22) mit einer aus der Tangensbeziehung zwischen der radialen Vorspannkraft (R bzw. R′) der Federringe (3 und 4 bzw. 17 und 18) und dem Neigungswinkel (α) der Druckflächen (9 und 10) resultierenden Kraft (A) drückend angeordnet sind.

3. Dichtung nach Anspruch 1 und 2 für eine radiale Dichtungsfläche, gekennzeichnet durch einen oder mehrere, insbesondere zwei radial außerhalb der schrägen Gegendruckfläche (10) des Dichtungsringes (2) angeordnete, geschlitzte Federringe (3 und 4) mit radial nach innen gerichtetem Spannschluß mit der Spannkraft (R).

4. Dichtung nach Anspruch 1 und 2 für eine radial gerichtete oder kugelringförmige Dichtungsfläche, gekennzeichnet durch einen oder mehrere, (radial) innerhalb der schrägen Gegendruckfläche (10) des Dichtungsringes (19 bzw. 22) angeordnete, geschlitzte Federringe (17 und 19) mit radial nach außen gerichtetem Spreizdruck (R′).

5. Dichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Federringe (3 und 4 bzw. 17 und 18) an ihrer am Dichtungsgehäuse (1) anliegenden Abstützfläche Überströmnuten (14) zum Übertritt von im abzudichtenden Druckraum unter dem höheren Druck stehenden Medium zur Beaufschlagung der übrigen schrägen Druckfläche (10) und der Federringe (3 und 4 bzw. 17 und 18) mit dem Druck dieses Mediums aufweisen.

6. Dichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring (2 bzw. 19 bzw. 22) und die geschlitzten Federringe (3 und 4 bzw. 17 und 18) im Dichtungsgehäuse (1) vormontiert sind und mit diesem eine Einbaueinheit bilden, wobei am Dichtungsgehäuse (1) eine besondere Randzone (12) vorgesehen ist, die nach dem Einbau der einzelnen Dichtungsbauteile parallel zur Dichtungsfläche (6, 7) gerichtet umgebogen wird.

7. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die besondere Randzone (12) in Umfangsrichtung betrachtet in radial außen am Dichtungsring (2 bzw. 19) vorgesehene Ausnehmungen (2′ bzw. 19′) zur Verdrehsicherung desselben eingreifen.

8. Dichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die schräge Druckfläche (9) der Federringe (3 und 4 bzw. 17 und 18) leicht ballig ausgebildet ist.

9. Dichtung nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckgegenfläche (10) des Dichtungsringes (2 bzw. 19) leicht ballig ausgeführt ist und die Druckfläche (9) der Federringe (3 und 4 bzw. 17 und 18) entsprechend hohlkugelförmig ausgebildet ist.

10. Dichtung nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren geschlitzten Federringen (3 und 4 bzw. 17 und 18) die einzelnen Federringe mit ihren Ringstößen in Umfangsrichtung zueinander versetzt und gegen Verdrehung, z. B. durch Stifte gesichert sind, z. B. bei zwei Federringen um 180° und bei drei Federringen um 120°.

11. Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand (r) zwischen dem radial innen angeordneten Federring (4) und der benachbarten Fläche des Gehäuseinnenringes (11) der Abnützungsstrecke (a) des Dichtungsringes (2) proportional ist; (Fig. 1).

12. Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand (r′) zwischen dem radial außen angeordneten Federring (17) und der benachbarten Fläche des Gehäuseaußenringes (13) der Abnützungsstrecke (a′) des Dichtungsringes (19) proportional ist (Fig. 2).

13. Dichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Dichtungsring (22) Ölrücklaufbohrungen (31) vorgesehen sind, die in im Dichtungsgehäuse (24) angeordnete Öltaschen (32) münden, die mit einem Ringkanal (33) verbunden sind, aus dem Ablaufbohrungen (34) zu im Maschinengehäuse angeordnete Ölringkanäle (35) führen, die mit Ölrücklaufkanälen (36) verbunden sind; (Fig. 3 bis 5).

14. Dichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, insbesondere für einen Kugeldrehschieber einer Brennkraftmaschine zum Abdichten des heißen Verbrennungsraumes gegenüber dem Schmierölsystem, dadurch gekennzeichnet, daß die kugelringförmige Dichtungsfläche (21) des Dichtungsringes (22) zum Schmierölzulauf hin auf etwa zwei Drittel ihrer Länge als Spaltabdichtung und zum Verbrennungsraum (28) hin als Gleitabdichtung ausgeführt ist.

15. Dichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungsgehäuse (24) auf einem Teil seines Umfanges einen Haltebund (25) für den Dichtungsring (22) aufweist.

16. Dichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungsgehäuse (24) in Richtung zum Haltebund (25) hin mit Schlitzen (26) versehen ist, um ein Zurückbiegen innerhalb der Eigenelastizität des Werkstoffes des dichtungsringseitigen Steges (27) des Dichtungsgehäuses (24) zum Zwecke des Einbaues des Dichtungsringes (22) zu ermöglichen.

17. Dichtung nach Anspruch 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der dichtungsringseitige Steg (27) an seinem Außenrand zwei gegenüberliegende Ausnehmungen (46) zum Durchtritt der Welle (47) des Kugeldrehschiebers (23) aufweist.

18. Dichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenring (8) das statische Bauelement bildet und der Dichtungsring (2 bzw. 19) gemeinsam mit den Spannelementen (3 und 4 bzw. 17 und 18), den statischen Dichtringen (5) und dem Dichtungsgehäuse (1 bzw. 13) rotiert und von einer zusätzlichen Radialkraft (Zentrifugalkraft) auf die Spannringe (17 und 18) gedrückt ist, welche sich quadratisch proportional zur Drehzahl verhält, durch die über die Tangensbeziehung eine zusätzliche resultierende Kraft auf der Dichtfläche erzielbar ist.