DE3620539A1 - Dichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtung für die Durchtrittsstelle einer axialbeweglichen Stange eines hydraulischen Geräts durch eine Gehäusewand eines flüssigkeitsgefüllten Raums, der zeitweilig unter Überdruck steht.

Es sind verschiedene Ausführung solcher Dichtungen bekannt, bei denen ein Dichtring aus einem zähelastischen Kunststoff auf der Basis von PTFE oder aus einem härteren Elastomer-Werkstoff mit einer an seiner inneren Umfangsfläche angebrachten Dichtkante infolge übermaßbedingter Spannung an der Stange dichtend anliegt, während er an seiner Außenseite durch einen Spannring aus einem weicheren Elastomer-Werkstoff zusätzlich radial angepreßt und abgedichtet wird, und wobei der Dichtring und der Spannring in einer Gehäusenut eingebaut sind.

Des weiteren sind Stangendichtungen bekannt, bei denen der Dichtring an seiner inneren Umfangsfläche zwei Dichtkanten und dazwischen eine von einer oder mehreren Teilflächen gebildete Innenfläche aufweist, wobei zwischen dieser und der Stange ein Ringraum entsteht. Derartige Dichtringe werden nachfolgend "Doppelkantenringe" genannt. Das Anbringen von zwei Dichtkanten an einem Dichtring hat zum Ziel, mittels des auf dem Tandemprinzip/1/beruhenden Zusammenwirkens von Abstreifen und Rückfördern das Entstehen von auf der Niederdruckseite abtropfender Leckage zu verhindern. Könnte dieses Ziel mittels eines Doppelkantenrings erreicht werden, so ergäbe sich im Vergleich zu Tandemanordnungen mit zwei Dichtkantenringen ein besonderer wirtschaftlicher Vorteil, da der Doppelkantenring zum einen wesentlich weniger Bauraum beansprucht und zum anderen auch als Element und hinsichtlich der Montage kostengünstiger ist.

Bei einem Doppelkantenring wird während des Ausfahrens der Stange aus dem flüssigkeitsgefüllten Raum infolge der von der bewegten Stange erzeugten Schleppströmung die diesem Raum zugewandte Dichtkante geringfügig angehoben. Dabei bildet sich zwischen dieser Dichtkante und der Stangenoberfläche ein Spalt. Im Ringraum des Doppelkantenrings sammelt sich Flüssigkeit an, weil die durch den Spalt hindurchgeschleppte Flüssigkeitsschicht von der zweiten Dichtkante abgestreift wird. Die derartig bewirkte Speicherung von Flüssigkeit im Ringraum zwischen den beiden Dichtkanten ist an sich erwünscht, denn sie ermöglicht bei einer an sich bekannten, günstigen Gestaltung der an die Dichtkanten anschließenden Flächen im Prinzip ein unmittelbares Zurückschleppen gespeicherter Flüssigkeit in den flüssigkeitsgefüllten Raum, wenn die Stange wieder in diesen einfährt. Ein besonders dicker, die Dichtkante abhebender Schmierfilm entsteht beim Ausfahren der Stange aus einem ölgefüllten Raum, wenn das Öl sehr kalt und darum extrem zähflüssig ist. Auch aus diesem Grund ist es an sich vorteilhaft, mindestens zwei Dichtkanten hintereinanderzuschalten. Die von der ersten Dichtkante im Schmierfilm erzeugte Flüssigkeitsreibung erwärmt das kalte Öl und die Abstreifwirkung der zweiten Dichtkante wird verbessert.

Das Ziel, auf diese Weise Leckage zu vermeiden, wird jedoch infolge systembedingter Nachteile mit den herkömmlichen Doppelkantenringen nicht erreicht. Ein wesentlicher Nachteil herkömmlicher Doppelkantenringe hängt mit deren physikalischer Dichtwirkung zusammen.

Im Vergleich zu den bekannten Tandemanordnungen mit zwei Dichtringen, die jeweils eine Dichtkante aufweisen und in größerem axialen Abstand voneinander in getrennten Gehäusenuten angeordnet sind, weist ein einzelner Doppelkantenring einen wesentlich kleineren, flüssigkeitsspeichernden Ringraum zwischen den Dichtkanten auf. Dies hat die nachteilige Folge, daß beim Doppelkantenring unter ungünstigen Betriebsbedingungen nach verhältnismäßig kurzer Zeit der Ringraum völlig mit der eingeschleppten Flüssigkeit gefüllt ist. Wird sodann weiter Flüssigkeit in den Ringraum hineingeschleppt, so bildet sich im Ringraum zwischen den Dichtkanten unmittelbar ein (nachfolgend "Zwischendruck" genannter) Druck Pz, der wesentlich größer werden kann, als der auf die Dichtung einwirkende Druck P der abzudichtenden Flüssigkeit. Ursache dafür ist einerseits die dichtende Abstreifung der äußeren, niederdruckseitigen Dichtkante und andererseits der hohe Strömungswiderstand des Spalts zwischen der bewegten Stange und der inneren Dichtkante, durch den, falls das System dicht bleiben soll, der eingeschleppte Flüssigkeitsstrom entgegen der Schlepprichtung wieder in den abzudichtenden Raum zurückströmen müßte. Ein auf diese Weise entstehender, hoher Zwischendruck bewirkt nun in unerwünschter Weise eine hydraulische Entlastung und somit eine Verminderung der Anpressung der Dichtkanten an die Stange. Dabei kann die äußere Dichtkante drastisch entlastet werden, mit der Folge, daß auch die Dicke des unter der äußeren Dichtkante hindurch in den drucklosen Umgebungsraum geschleppten Flüssigkeitsfilms drastisch zunimmt. Da aber andererseits während des Zurückfahrens der Stange in den abzudichtenden Raum der Ringraum zwischen den Dichtkanten wieder zum Teil durch Schleppwirkung leergepumpt wird, ist während dieser Bewegungsphase der Zwischendruck klein und die äußere Dichtkante steht wieder unter hoher Anpressung. Infolgedessen wird der auf der Stangenoberfläche haftende, dicke Flüssigkeitsfilm von der äußeren Dichtkante abgestreift und es entsteht Leckage.

Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil eines Doppelkantenrings dadurch beseitigt, daß der Dichtring mindestens einen Kanal, eine Bohrung oder dergleichen aufweist, der eine beliebig geformte, zwischen den Dichtkanten liegende Innenfläche des Dichtrings durch diesen hindurch mit seiner vom Spannring bedeckten Außenfläche verbindet. Die erfindungsgemäße Anordnung wirkt in der Art eines Überdruckventils. Sobald der Zwischendruck Pz den Wert der Flächenpressung Pf, mit der der Spannring auf der Mündung des Kanals aufliegt, überschreitet, hebt der Spannring von dieser Öffnung ab und die unter der inneren Dichtkante momentan in den Zwischenraum geschleppte Flüssigkeit kann über den Kanal und zwischen dem angehobenen Spannring und der Außenfläche des Dichtrings hindurch wieder in den abzudichtenden Raum zurückfließen. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung hat es der Dichtungskonstrukteur in der Hand, die Differenz (Pz-P) zwischen dem Zwischendruck Pz und dem Druck P der abzudichtenden Flüssigkeit auf einen so niedrigen Wert einzustellen, daß unter allen Betriebsbedingungen eine genügend hohe Anpressung und damit die Dichtwirkung der äußeren Dichtkante des Doppelkantenrings erhalten bleibt.

Erfindungsgemäß wird ein erwünscht niederer Wert der maximal möglichen Druckdifferenz Pz-P dadurch eingestellt, daß die Einmündung des Kanals in die Außenfläche des Dichtrings an eine Stelle gelegt wird, an der die Flächenpressung Pf, mit der der Spannring am Dichtring anliegt, nur wenig größer ist als der abzudichtende Druck P. Infolge der automatischen Dichtwirkung eine zwischen die äußere Nutwand und die Außenfläche des Dichrings mit Übermaß eingespannten Elastomer-Spannrings ist in der gesamten Berührfläche von Spannring und Dichtring die Flächenpressung immer größer als der abzudichtende Druck P. Wird vorzugsweise als Spannring ein O-Ring gewählt, so wird erfindungsgemäß die Mündung des Kanals in die Außenfläche des Dichtrings so angeordnet, daß sie sich in der Nähe des dem abzudichtenden Raum zugewandten Endes der Berührfläche von Dichtring und Spannring befindet. Da in diesem Bereich der Berührfläche die Flächenpressung Pf nur wenig größer ist, als der abzudichtende Druck P und die Flächenpressung zugleich in Richtung zum abzudichtenden Flüssigkeitsraum hin abnimmt, in der entgegengesetzten Richtung jedoch zunimmt, ist gesichert, daß die Druckdifferenz Pz-P unter allen Betriebsbedingungen gering ist, und daß die durch die Mündung austretende Flüssigkeit immer in den abzudichtenden Raum zurückfließt. Vorzugsweise weist der Dichtring mehrere Kanäle auf, wodurch in vorteilhafter Weise der Strömungswiderstand gegenüber der rückströmenden Flüssigkeit gering ist, was wiederum dazu beiträgt, daß der Wert der maximal möglichen Druckdifferenz Pz-P klein bleibt.

Die Einmündung der Kanäle kann in vorteilhafter Weise auch derart gestaltet sein, daß in die Außenfläche des Dichtrings eine schmale Ringnut eingearbeitet ist, in die die Kanäle einmünden. Diese Ringnut ist erfindungsgemäß in der Nähe des dem abzudichtenden Raum zugewandten Endes der Berührfläche zwischen Dichtring und Spannring angeordnet und wird vom Spannring bedeckt. Die in den einzelnen Kanälen zurückströmende Flüssigkeit vereinigt sich bei dieser Anordnung zunächst in der Ringnut, bevor sie bei druckbedingtem Abheben des Spannrings schließlich in den abzudichtenden Raum zurückfließt.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Variante der Dichtung besteht der Dichtring aus zwei Teilringen, wobei jeder Teilring eine Dichtkante aufweist. Die Teilringe werden vom abzudichtenden Druck axial aneinander angepreßt und berühren sich an ebenen oder an kegelförmigen Stirnflächen, die zusammen die Teilfuge der beiden Teilringe bilden. Die Flüssigkeit wird bei dieser Ausführungsform in besonders einfacher und vorteilhafter Weise vom Ringraum zwischen den Dichtkanten der Teilringe zu dem vom Spannring bedeckten Ende der Teilfuge geführt, indem in diejenigen Stirnfläche eines der beiden Teilringe, mit der dieser am anderen Teilring anliegt, mindestens eine durchgehende Nut eingearbeitet ist. Das vom Spannring bedeckte Ende der Teilfuge an der äußeren Umfangsfläche der beiden Teilringe, in die Nut einmündet, befindet sich erfindungsgemäß an einer Stelle, an der die Flächenpressung Pf, mit der der Spannring an der Stelle der Teilfuge an den Teilringen anliegt, nur geringfügig größer ist als der abzudichtende Druck P.

Bei einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Dichtung, bei der der Dichtring ebenfalls aus zwei Teilringen besteht, wird vorzugsweise die das "Überdruckventil" bildende Stelle derart gestaltet, daß der in seiner Stirnfläche die durchgehende Nut aufweisende Teilring am äußeren Ende der Nut einen ringförmigen Absatz aufweist, der vorzugsweise ebenso tief ist wie die Nut, und der zusammen mit dem anderen, an ihm anliegenden Teilring eine Ringnut bildet.

Die bei der zweckgerechten Gestaltung einer Dichtung mit einem aus zwei Teilringen bestehenden Dichtring zu lösende Aufgabe, nämlich die zurückströmende Flüssigkeit aus einem etwa in der Mitte der Gehäusenut angeordneten Ringraum zwischen den Dichtkanten zu einem näher am abzudichtenden Raum liegenden äußeren Ende der Teilfuge der Teilringe zu führen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Teilfuge von Kegelflächen gebildet wird, nämlich einer konvexen Kegelfläche an dem einen Teilring und einer dazu konformen, konkaven Kegelfläche an dem anderen Teilring. Die durchgehende Nut ist dabei vorzugsweise in die konvexe Kegelfläche eingearbeitet.

Um sicherzustellen, daß der abzudichtende Druck zu jeder Zeit ungedrosselt auf die Stirnfläche des Spannrings einwirkt und somit dessen radiale Spannwirkung maximal aktiviert, ist vorzugsweise in bekannter Art in die dem abzudichtenden Raum zugewandte Stirnfläche des Dichtrings mindestens eine radial durchgehende Nut eingearbeitet.

Nachfolgend wird die Erfindung mittels der die Funktion beschreibend Fig. 1 und der zwei Ausführungsbeispiele zeigenden Fig. 2 und 3 weiter erläutert.

Fig. 1 erläutert anschaulich die Funktion der erfindungsgemäßen Dichtung. Sie zeigt den Dichtring und den Spannring sowie die unter dem Druck P auf diese einwirkende abzudichtende Flüssigkeit. Während der Ausfahrbewegung der Stange bildet sich an der hochdruckseitigen Dichtkante ein hydrodynamischer Spalt, durch den infolge einer Schleppströmung Flüssigkeit in den Zwischenraum gelangt. Infolge der Abstreifwirkung der niederdruckseitigen Dichtkante füllen sich der Zwischenraum sowie der Rückführkanal mit Flüssigkeit. Bei weiterem Einschleppen von Flüssigkeit. gelangen der Zwischenraum und der Rückführkanal unter den Zwischendruck Pz. Der Spannring liegt infolge Übermaß und zusätzlich unter der Einwirkung des abzudichtenden Druckes P an der gesamten Außenfläche des Dichtrings mit einem von der Form, vom Elatizitätsmodul und vom Übermaß des Spannrings abhängigen Verlauf der Flächenpressung an. Die Mündung des Rückführkanals ist zunächst vom Spannring dicht verschlossen. Sobald der Zwischendruck Pz den Wert der Flächenpressung Pf des Spannrings an der Mündung des Rückführkanals überschreitet, hebt die Flüssigkeit im Rückführkanal des Spannring örtlich an und fließt sodann zur Hochdruckseite in den unter dem Druck P stehenden flüssigkeitsgefüllten Nutraum zurück. Die Anordnung funktioniert daher in der Art eines Überdruckventils. Der in der Fig. 1 beispielsweise gezeichnete Verlauf der Flächenpressung zwischen Spannring und Dichtring entspricht etwa den Verhältnissen, wenn als Spannring ein O-Ring verwendet wird. Das Maximum der Flächenpressung liegt dabei etwa in der Mitte der Berührfläche zwischen Spannring und Dichtring. Mit der erfindungsgemäß zwischen dieser Mitte und dem hochdruckseitigen Ende der Berührfläche angeordneten Mündung des Rückführkanals wird erreicht, daß die Flächenpressung Pf an der Mündung nur geringfügig höher ist als der Druck P der abzudichtenden Flüssigkeit. Somit ist erreicht, daß erfindungsgemäß der maximale Zwischendruck Pz unter allen Betriebsbedingungen nur geringfügig größer werden kann, als der abzudichtende Druck.

Fig. 2 zeigt eine Dichtung mit dem einteiligen Dichtring 1 und dem Spannring 2, die gemeinsam in eine Nut der Gehäusewand 3 eingebaut sind. Die abzudichtende Flüssigkeit dringt zwischen der Gehäusebohrung 32 und der Stange 4 in den Innenraum 33 der Gehäusenut ein. Der Spannring ist mit Übermaß in den Raum zwischen der äußeren Umfangsfläche 31 der Gehäusenut und der Außenfläche 21 des Dichtrings eingespannt. Der Dichtring weist eine dem abzudichtenden Raum 34 zugewandte, innere Dichtkante 11 und eine dazu axial versetzt angeordnete, äußere Dichtkante 12 auf. Ein Kanal 14 im Dichtring verbindet den von der Oberfläche der Stange 4, den Dichtkanten 11 und 12 und der zwischen den Dichtkanten liegenden Innenfläche 13 des Dichtrings gebildeten Ringraum 20 mit der Außenfläche 21 des Dichtrings. Die Mündung 214 des Kanals in die Außenfläche 21 ist bedeckt vom Spannring. Die Mündung ist zwischen dem hochdruckseitigen Ende 22 der Berührfläche von Spannring und Dichtring und der Mitte dieser Berührfläche angeordnet. In die dem abzudichtenden Raum zugewandte Stirnfläche des Dichtrings sind radiale Nuten 15 eingearbeitet.

Fig. 3 zeigt eine Dichtung mit einem zweiteiligen Dichtring, bestehend aus den Teilringen 1 und 1 a. Die Teilringe und der Spannring 2 sind gemeinsam in eine Nut der Gehäusewand 3 eingebaut. Die abzudichtende Flüssigkeit dringt durch die Gehäusebohrung 32 in den Innenraum der Nut ein. Der die Dichtkante 11 aufweisende Teilring 1 liegt mit einer konvexen, kegeligen Stirnfläche 16 an einer dazu konformen, kegeligen Stirnfläche 17 des die Dichtkante 12 a aufweisenden Teilrings 1 a an. Von der Innenfläche 13 des Teilrings 1 ausgehend erstreckt sich die in die kegelige Stirnfläche des Teilrings 1 eingearbeiteten Nut 14 bis zu dem in dem Teilring 1 eingearbeiteten ringförmigen Absatz 18. Dieser Absatz bildet zusammen mit der kegelförmigen Stirnfläche 17 des Teilrings 1 a eine vom Spannring bedeckte Ringnut 214. Der Spannring ist mit Übermaß in den Raum zwischen der äußeren Umfangsfläche 31 der Nut und den Außenflächen der Teilringe des Dichtrings eingespannt. Die Ringnut 214 ist zwischen den am Teilring 1 befindlichen hochdruckseitigen Ende 22 der gemeinsamen Berührfläche des Spannrings mit den Teilringen und der Mitte dieser Berührfläche angeordnet. In die dem abzudichtenden Raum zugewandte Stirnfläche des Dichtrings sind radiale Nuten 15 eingearbeitet.

Claims (3)

1. Dichtung für die Durchtrittsstelle einer axialbeweglichen Stange eines hydraulischen Geräts durch eine Gehäusewand mit folgenden Merkmalen des Oberbegriffs:

• die Dichtung besteht aus einem Dichtring 1 aus einem zähelastischen Kunststoff oder härteren Elastomer-Werkstoff und einem Spannring 2 aus einem weicheren Elastomer-Werkstoff,
  der Dichtring und der Spannring sind gemeinsam in einer Nut der Gehäusewand 3 angeordnet,
  der Spannring ist mit einer durch Übermaß hervorgerufenen, radialen Vorspannung zwischen die Umfangsfläche 31 der Nut und die Außenfläche 21 des Dichtrings dichtend eingespannt,
  der Dichtring und der Spannring weisen eine gemeinsame Berührfläche mit einem dem abzudichtenden Raum zugewandten Ende 22 auf,
  der Dichtring weist an seiner Stange 4 zugewandten Innenfläche zwei axial zueinander versetzte, ringförmige Dichtkanten 11 und 12 auf, mit denen er die Stange dichtend berührt,
  der Dichtring weist zwischen den Dichtkanten eine die Stange nicht berührende, beliebig gestaltete Innenfläche 13 auf,
  die abzudichtende Flüssigkeit dringt durch den von der Stange 4 und einer Gehäusebohrung 32 gebildeten Spalt in den Nutraum 33 ein und ihr Druck belastet die hochdruckseitigen Oberflächen des Spannrings und des Dichtrings, wobei sich der Spannring und der Dichtring an die niederdruckseitige Stirnfläche der Nut anlegen.

Die Dichtung ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

• der Dichtring weist mindestens einen von der Innenfläche 13 bis zur Außenfläche 21 durchgehenden Kanal 14 auf,
  jede von der Einmündung eines Kanals 14 in die Außenfläche 21 gebildete Öffnung 214 ist vom Spannring 2 bedeckt und liegt zwischen dem hochdruckseitigen Ende 22 und der Mitte der gemeinsamen Berührfläche von Dichtring und Spannring.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring zweiteilig ist und aus den Teilringen 1 und 1 a besteht, wobei sich die Dichtkante 11 am Teilring 1 und die Dichtkante 12 am Teilring 1 a befindet, und daß der Kanal 14 von einer Nut gebildet wird, die in diejenige Stirnwand eines der beiden Teilringe eingearbeitet ist, mit der dieser Teilring an dem anderen Teilring anliegt.