DE4333047C1 - Dichtungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines kreisring­ förmigen Umfangsspalts zwischen zwei relativ zueinander beweglich angeordne­ ten Maschinenteilen, wobei das erste Maschinenteil durch eine Schwenkbewe­ gungen ausführende Welle gebildet ist, wobei die Welle eine Gehäusedurchgangsbohrung eines als zweites Maschinenteil ausgebildeten Gehäuses durchdringt, umfassend einen Dichtring aus elastomerem Werkstoff, der die Welle mit einer ersten Dichtfläche unter radialer Vorspannung außenumfangsseitig dichtend umschließt und in einer in Richtung der Welle ge­ öffneten, im wesentlichen rechteckig begrenzten Nut angeordnet ist sowie zu­ mindest die dem abzudichtenden Medium abgewandte axiale Begrenzungsfläche der Nut mit zumindest einer zweiten Dichtfläche dichtend berührt.

Eine derartige Dichtungsanordnung ist aus der DE 32 43 597 C1 bekannt. Zur Abdichtung von Schwenkbewegungen oder axialen und/oder radialen Verlage­ rungen weist der Dichtring einander kegelig durchschneidende Flächen auf, die als Stützfläche ausgebildet und auf der Welle dichtend gelagert sind. Außerdem ist eine sich in axialer Richtung erstreckende, umfangsseitig umlaufende Dicht­ lippe vorgesehen, die sich an einer axialen Begrenzungswandung der Nut dich­ tend abstützt. Um jede Justierarbeit während der Montage zu vermeiden und ei­ ne gute Funktionssicherheit zu gewährleisten, selbst dann, wenn betriebsbe­ dingt radial, axiale und Winkelverlagerungen der beiden Teile relativ zueinander auftreten, weist die Dichtung eine kurze axiale Erstreckung auf und ist innerhalb der Nut derart angeordnet, daß sie Radialauslenkungen der abzudichtenden Welle zu folgen vermag, ohne daß sich eine nennenswerte Veränderung des Anpreßdrucks auf der Oberfläche der Welle und somit eine Veränderung des Abdichtungsergebnisses ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß stufenförmig abgesetzt Wellen sicher abgedichtet werden können bei Drücken innerhalb des abzudich­ tenden Raums im Bereich von 250 bar und daß der Dichtring in fertigungstech­ nischer Hinsicht einfach und in wirtschaftlicher Hinsicht kostengünstig herstell­ bar ist. Die Dichtungsanordnung soll gleichbleibend gute Gebrauchseigenschaf­ ten während der gesamten Gebrauchsdauer aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprü­ che Bezug.

Zur Lösung der Aufgabe ist es vorgesehen, daß der Dichtring im Querschnitt im wesentlichen die Form eines Parallelogramms aufweist, daß die erste und die zweite Dichtflä­ che im wesentlichen rechtwinklig ineinander übergehend ausgebildet sind, daß die Welle auf der dem abzudichtenden Medium zugewandten Seite des Dicht­ rings einen stufenförmig erweiterten Außendurchmesser aufweist, daß der durch die Erweiterung gebildete Radialvorsprung der Welle die dem abzudichtenden Medium zugewandte axiale Begrenzungsfläche der Nut bildet, an die eine vierte Dichtfläche des Dichtrings dichtend anlegbar ist, daß die vierte Dichtfläche im Bereich ihrer radial außenseitigen Begrenzung im wesentlichen rechtwinklig in die dritte Dichtfläche des Dichtrings übergeht, daß die dritte Dichtfläche die au­ ßenumfangsseitige Begrenzung der Nut dichtend berührt, daß die erste und die vierte sowie die zweite und die dritte Dichtfläche durch abgeschrägte Teilberei­ che des Dichtrings ineinander übergehend ausgebildet sind, daß der zweite Teil­ bereich auf der dem Medium abgewandten Seite mit der Begrenzungswandung der Nut und der erste Teilbereich mit der Welle und dem Radialvorsprung jeweils einen zweiten und einen ersten Hohlraum begrenzen, daß die Hohlräume mittels einer kanalförmigen Verbindungsöffnung durch den Dichtring verbunden sind und daß in zumindest einen der Hohlräume ein druckbeaufschlagbares hydrauli­ sches Steuermedium einspeisbar ist.

Hierbei ist von Vorteil, daß ein derartig ausgebildeter Dichtring innerhalb der be­ schriebenen Dichtungsanordnung zur sicheren Abdichtung von Drücken im Be­ reich von 250 bar zur Anwendung gelangen kann. Derartige Drücke entstehen beispielsweise in Schwenkmotoren, in denen die beanspruchte Dichtungsanord­ nung als äußere Axialdichtung zur Anwendung gelangen kann und Wellen mit stufenförmig abgesetztem Durchmesser abdichtet. Schwenkmotoren werden zur Umwandlung von hydraulischer oder pneumatischer Druckenergie in kinetische Energie eingesetzt. Die Druckenergie wird genutzt, um Schwenkbewegungen zu erzeugen. Ein Anwendungsbeispiel ist die Verwendung von Schwenkmotoren zur Stabilisierung der Bewegung von Karosserien bei Kurvenfahrt von Kraft- oder Schienenfahrzeugen. Die Schwenkmotoren sind dazu beispielsweise mit einer Steuerungs-Elektronik signalleitend verbunden. Die Elektronik wertet die Daten bezüglich des Lenkwinkels, der Fahrgeschwindigkeit und der jeweiligen Querbeschleunigung aus, um die fliehkraftbedingte Neigung der Karosserie, relativ zum Fahrwerk zu reduzieren oder vollständig auszugleichen.

Zur Funktion der Abdichtung wird folgendes ausgeführt:
Durch die im wesentlichen parallelogrammförmige Gestalt des Dichtrings wirkt senkrecht auf die abgeschrägten Teilbereiche der beiden Stirnseiten eine An­ preßkraft, die durch den relativen Überdruck, der innerhalb des abzudichtenden Raums vorhanden ist, bewirkt wird. Bereits durch diesen Überdruck bedingt erfolgt eine Anpressung der Dichtbereiche an die Begrenzungsflächen der Nut. Häufig ist der Druck aus dem abzudichtenden Raum nicht ausreichend, um eine sichere Abdichtung zu gewährleisten. Für diesen Fall ist es vorgesehen, daß in zumindest einem der Hohlräume, die durch die abgeschrägten Teilbereiche des Dichtrings und die Nut begrenzt sind, ein druckmittelbeaufschlagbares hydrauli­ sches Steuermedium, beispielsweise Hydrauliköl einspeisbar ist, wobei die Ver­ größerung des relativen Überdrucks durch die Verbindungsöffnung an beiden Teilbereichen des Dichtrings gleichermaßen anliegt. In Abhängigkeit von der Größe des relativen Überdrucks, der für eine sichere Abdichtung des abzudich­ tenden Mediums innerhalb des abzudichtenden Raums benötigt wird, erfolgt ei­ ne Druckerhöhung innerhalb der Hohlräume die eine proportional vergrößerte Anpressung des Dichtrings an der Oberfläche der abzudichtenden Welle und den Begrenzungswandungen der Nut bewirkt. Derartige Dichtungsanordnungen bieten sich insbesondere zur Abdichtung stufenförmig abgesetzter Wellen in Ge­ häusedurchgangsbohrungen an, wobei die Nut, in der der Dichtring angeordnet ist, durch den Wellenabsatz das Gehäuse gebildet ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Dichtring spiegelbildlich zu einer sich diagonal durch die Nut erstreckenden Achse symmetrisch ausgebildet sein. Dadurch, daß in beiden Hohlräumen bei Druckbeaufschlagung ein über­ einstimmender Druck auf den Dichtring wirkt, dichten bei einer derartigen Aus­ gestaltung sämtliche Dichtflächen, die einander diagonal gegenüberliegen, mit gleicher Dichtkraft ab. In Abhängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten des Anwendungsfalles, insbesondere in Abhängigkeit vom Druck, der im abzudich­ tenden Raum herrscht, kann die Dichtwirkung des Dichtrings durch die Höhe des Aktivierungsdrucks, mit dem die Hohlräume beaufschlagbar sind, eingestellt werden.

Die zweite und/oder die vierte Dichtfläche kann eine Ausdehnung in radialer Richtung aufweisen, die 0,3 bis 0,6 mal, bevorzugt halb so groß ist, wie die Er­ streckung der Nut in gleicher Richtung. Ebenso kann die erste und/oder die dritte Dichtfläche eine Ausdehnung in axialer Richtung aufweisen, die 0,3 bis 0,6 mal, bevorzugt halb so groß ist, wie die Erstreckung der Nut in gleicher Richtung. Bei Druckbeaufschlagung des Dichtrings mit seinen Dichtbereichen und der Anpressung an den beiden gegeneinander abzudichtenden Teilen, ist dieser durch eine derartige Ausgestaltung in seiner Lage sicher positioniert und geführt, so daß Verkantungen, die zu Undichtigkeiten führen könnten, zuver­ lässig ausgeschlossen werden. Außerdem ist die Flächenpressung auf die Dicht­ flächen im Vergleich zu Dichtlippen, die durch Kegelflächen gegrenzt und im wesentlichen entlang einer Umfangslinie gegen die Welle und/oder das Gehäuse abdichten, deutlich reduziert. Dadurch ist eine wesentlich verlängerte Gebrauchs­ dauer bei übereinstimmend guten Abdichtungsergebnissen zu erzielen.

Die Verbindungsöffnung kann im Übergangsbereich zwischen den abgeschräg­ ten Teilbereichen und den sich in radialer Richtung erstreckenden zweiten und vierten Flächen angeordnet sein und sich im wesentlichen in axialer Richtung des Dichtrings erstrecken. Hierbei ist von Vorteil, daß die druckbeaufschlagba­ ren Flächen der abgeschrägten Teilbereiche nur unwesentlich verkleinert wer­ den, so daß eine vergleichsweise große hydraulisch wirksame Fläche erhalten bleibt, um mit einem vorgegebenen Druck eine möglichst große Anpreßkraft und somit eine gute Dichtwirkung zu erhalten. Davon abweichende Ausgestaltungen, bei denen sich die Verbindungsöffnung beispielsweise senkrecht zu der diagonal durch die Nut verlaufenden Achse erstreckt, sind ebenfalls möglich.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Teilbereiche eine, im Querschnitt des Dicht­ rings betrachtet, im wesentlichen viertelkreisförmig eingewölbte Oberfläche aufweisen. Eine derartige Oberflächengestalt bewirkt im Vergleich zu eben aus­ gebildeten Teilbereichen eine vergrößerte hydraulisch wirksame Flächen, so daß bei vorgegebenem gleichem Aktivierungsdruck eine vergleichsweise höhere Kraft oder eine gleichbleibende Kraft bei relativ verringertem Aktivierungsdruck erzielt werden kann. In Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall kann die Größe der Dichtkraft den Erfordernissen angepaßt werden, in dem die Teilberei­ che eine voneinander abweichende hydraulisch wirksame Fläche aufweisen. Da­ her kann zum Beispiel die Anpreßkraft auf die Umfangsfläche der Welle und den Radialvorsprung durch die erste und vierte Dichtfläche relativ zur Anpreßkraft auf die zweite und dritte Dichtfläche vergrößert werden, in dem der erste Hohl­ raum, der von der ersten und vierten Dichtfläche begrenzt wird, einen eben aus­ gebildeten ersten Teilbereich aufweist und der zweite Hohlraum, der von der zweiten und dritten Dichtfläche begrenzt wird, eine gewölbte Oberfläche mit vergleichsweise größerer hydraulisch wirksamer Fläche.

Der Dichtring weist während der bestimmungsgemäßen Verwendung eine dia­ gonale Dichtachse auf, die im wesentlichen der Achse, die sich diagonal durch die Nut erstreckt, entspricht. Hierbei ist von Vorteil, daß stufenförmig abge­ setzte Wellen, die innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind, problemlos abge­ dichtet werden können. Die Nut, in der der Dichtring angeordnet ist, ist in einem derartigen Fall in axialer Richtung auf der dem abzudichtenden Medium abge­ wandten Seite von einer Begrenzungswandung des Gehäuses gebildet, ebenso wie außenumfangsseitig, wobei die erste Dichtfläche auf der Welle und die dem abzudichtenden Medium zugewandte Stirnseite des Dichtrings an den sich in radialer Richtung erstreckenden Absatz der Welle dichtend angepreßt ist.

Der abzudichtende Raum kann in axialer Richtung jeweils durch identisch aus­ gebildete Ringe abgedichtet sein, die die Welle dichtend umschließen, wobei die Dichtringe, das Gehäuse und die Welle bevorzugt entlang einer Radialebene spiegelbildlich angeordnet sind. Durch eine derartige Ausgestaltung wird eine bezüglich des Herstellungsaufwands günstigere Fertigung der Dichtungsanord­ nung bewirkt.

Die zuvor beschriebene Dichtungsanordnung gelangt bevorzugt als Drehdruck­ dichtung zum Abdichten von Schwenkmotoren mit einem Druck innerhalb des abzudichtenden Raums, der bis zu 250 bar beträgt, zur Anwendung. Zur Ab­ dichtung von Schwenkmotoren, bei denen häufig ein stufenförmiger Wellenabsatz sowohl in axialer als auch in radialer Richtung im Bereich der sich in radialer Richtung erstreckenden Stirnfläche abgedichtet werden muß, ebenso wie das entsprechend stufenförmig ausgebildete Gehäuse (Stator), hat sich eine Verwendung der beanspruchten Dichtungsanordnung als besonders vorteilhaft bewährt. Eine ausgezeichnete Abdichtung der relativ zueinander schwenkbeweglichen beweglichen Flächen während der gesamten Gebrauchsdauer des Schwenkmotors ist gegeben, wobei der Druck, der die Hohlräume bedarfsweise beaufschlagt, an den Druck des abzudichtenden Medi­ ums angepaßt werden kann. Durch diese Optimierung ist der abrasive Verschleiß des Dichtrings auf ein Minimum begrenzt.

Um ein Spaltextrusion des Dichtrings in den kreisringförmigen Umfangsspalt zwischen dem Gehäuse und der Welle zu verhindern, kann ein Backring, der bei­ spielsweise aus Polytetrafluorethylen besteht, innerhalb der Nut angeordnet sein.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeich­ nungen weiter verdeutlicht.

Es zeigt

Fig. 1 einen Schwenkmotor, bei dem die erfindungsgemäße Dich­ tungsanordnung zur Anwendung gelangt,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem Schwenkmotor gemäß Fig. 1 in vergrößerter Darstellung und

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des Dichtrings in quergeschnittener Darstellung.

In Fig. 1 ist ein Schwenkmotor gezeigt, umfassend einen Stator 25 der einen Rotor 21 außenumfangsseitig umschließt, wobei der Rotor 21 und der Stator 25 durch eine Dichtungsanordnung gegeneinander abgedichtet sind. Der Rotor 21 ist als stufenförmig abgesetzte Welle 2, ausgebildet, wobei der Stator 22 das Gehäuse 4 bildet.

In Fig. 2 ist eine Ausschnitt aus dem Schwenkmotor gemäß Fig. 1 in vergrößer­ ter Darstellung gezeigt, wobei der Dichtring 5 innerhalb einer Nut 7 angeordnet ist. Die Nut 7 wird durch den sich in radialer Richtung erstreckenden Absatz der Welle 2 gebildet und außenumfangsseitig und auf der dem abzudichtenden Me­ dium 10 abgewandten Seite 11 durch das Gehäuse 4. Innerhalb des Gehäuses 4 ist eine Steuerdruckleitung 23 angeordnet, um die Hohlräume 16, 17, die der Dichtring 5 mit der Nut 7 begrenzt, bedarfsweise mit einem relativen Überdruck zu beaufschlagen. Der Rotor 21 ist außenumfangsseitig mit Flügeln 27 verse­ hen, die ihrerseits außenseitig Dichtleisten 26 aufnehmen, wobei die Dichtleisten 26 die Flügel 27 gegen Stator 22 abdichten. Auf der dem abzudichtenden Me­ dium 10 abgewandten Seite 10, 11 ist der Dichtring 5 mit einer ersten 6 und ei­ ner zweiten Dichtfläche 9 versehen, wobei die erste Dichtfläche 6 die Welle 2 außenumfangsseitig dichtend berührt und die zweite Dichtfläche 9 mit dem Gehäuse dichtend in Eingriff ist. Auf der dem abzudichtenden Medium zuge­ wandten Seite ist der Dichtring mit einer dritten 24 und vierten Dichtfläche 25 versehen, wobei die dritte Dichtfläche 24 umfangsseitig am Gehäuse 4 und die vierte Dichtfläche 25 am Radialvorsprung der Welle 2 dichtend angepreßt ist. Der Dichtring 5 ist sowohl unter radialer als auch unter axialer Vorspannung in­ nerhalb der Nut 7 gehalten und dichtet ohne zusätzliche Druckaktivierung Drücke bis ca. 80 bar ab. Sollen demgegenüber deutlich höhere Drücke, beispiels­ weise im Bereich von 250 bar abgedichtet werden, ist eine zusätzliche extreme Druckbeaufschlagung des Dichtrings 5 erforderlich. Dabei werden die Hohlräume 16, 17 mit Überdruck beaufschlagt, so daß sich alle vier Dichtflächen 6, 9, 24 und 25 unter erhöhter Anpreßkraft an die jeweils benachbarten Dichtbereiche der Nut 7 anlegen.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel des Dichtrings 5 gezeigt, der in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen zur Anwendung gelangt. Die Abmessun­ gen des Dichtrings 5 in radialer und axialer Richtung sind derart bemessen, daß er während der bestimmungsgemäßen Verwendung unter radialer und axialer Vorspannung innerhalb der Nut 7 gehalten ist. Im hier dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel sind die abgeschrägten Teilbereiche 12, 13 mit gerundeter Ober­ fläche ausgebildet, und die Verbindungsöffnung 18 erstreckt sich in axialer Richtung und verbindet die Hohlräume 16, 17 miteinander. Die hydraulisch wirksame Fläche ist durch eine derart gestaltete, gerundete Oberfläche und die Anordnung der Verbindungsöffnung vergleichsweise groß, so daß der Dichtring 5 eine ausgezeichnete Abdichtung während der gesamten Gebrauchsdauer der Dichtungsanordnung gewährleistet.

Claims (9)

1. Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines kreisringförmigen Umfangs­ spalts zwischen zwei relativ zueinander beweglich angeordneten Maschi­ nenteilen, wobei das erste Maschinenteil durch eine Schwenkbewegungen ausführende Welle gebildet ist, wobei die Welle eine Gehäusedurchgangsbohrung eines als zweites Maschinenteil ausgebildeten Gehäuses durchdringt, umfassend einen Dichtring aus ela­ stomerem Werkstoff, der die Welle mit einer ersten Dichtfläche unter ra­ dialer Vorspannung außenumfangsseitig dichtend umschließt und in einer in Richtung der Welle geöffneten, im wesentlichen rechteckig begrenzten Nut angeordnet ist sowie zumindest die dem abzudichtenden Medium ab­ gewandte axiale Begrenzungsfläche der Nut mit zumindest einer zweiten Dichtfläche dichtend berührt, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (5) im Querschnitt im wesentlichen die Form eines Parallelogramms aufweist, daß die er­ ste (6) und die zweite Dichtfläche (9) im wesentlichen rechtwinklig inein­ ander übergehend ausgebildet sind, daß die Welle (2) auf der dem abzu­ dichtenden Medium (10) zugewandten Seite des Dichtrings (5) einen stu­ fenförmig erweiterten Außendurchmesser aufweist, daß der durch die Er­ weiterung gebildete Radialvorsprung der Welle (2) die dem abzudichten­ den Medium (10) zugewandte axiale Begrenzungsfläche der Nut (7) bildet, an die eine vierte Dichtfläche (25) des Dichtrings (5) dichtend anlegbar ist, daß die vierte Dichtfläche (25) im Bereich ihrer radial außenseitigen Begrenzung im wesentlichen rechtwinklig in die dritte Dichtfläche (24) des Dichtrings (5) übergeht, daß die dritte Dichtfläche (24) die außenum­ fangsseitige Begrenzung der Nut (7) dichtend berührt, daß die erste (6) und die vierte (25) sowie die zweite (9) und die dritte Dichtfläche (24) durch abgeschrägte Teilbereiche (12, 13) des Dichtrings (5) ineinander übergehend ausgebildet sind, daß der zweite Teilbereich (13) auf der dem Medium (10) abgewandten Seite (11) mit der Begrenzungswandung der Nut (7) und der erste Teilbereich (12) mit der Welle (2) und dem Radial­ vorsprung jeweils einen zweiten und einen ersten Hohlraum (16, 17) be­ grenzen, daß die Hohlräume (16, 17) mittels einer kanalförmigen Verbin­ dungsöffnung (18) durch den Dichtring (5) verbunden sind und daß in zumindest einen der Hohlräume (16, 17) ein druckmittelbeaufschlagbares hydraulisches Steuermedium einspeisbar ist.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (5) spiegelbildlich zu einer sich diagonal durch die Nut (7) er­ streckenden Achse (19) symmetrisch ausgebildet ist.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und/oder die vierte Dichtfläche (9, 25) eine Ausdehnung in radialer Richtung aufweist, die 0,3 bis 0,6 mal so groß ist, wie die Er­ streckung der Nut (7) in gleicher Richtung.

4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder die dritte Dichtfläche (6, 24) eine Ausdehnung in axialer Richtung aufweist, die 0,3 bis 0,6 mal so groß ist, wie die Er­ streckung der Nut (7) in gleicher Richtung.

5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsöffnung (18) im Übergangsbereich zwischen den ab­ geschrägten Teilbereichen (12,13) und den sich in radialer Richtung er­ streckenden zweiten und vierten Dichtflächen (9, 25) angeordnet ist und sich im wesentlichen in axialer Richtung des Dichtrings (5) erstreckt.

6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbereiche (12, 13) jeweils eine, im Querschnitt des Dichtrings (5) betrachtet, im wesentlichen viertelkreisförmig eingewölbte Oberfläche aufweist.

7. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (5) während der bestimmungsgemäßen Verwendung ei­ ne diagonale Dichtachse aufweist, die im wesentlichen der Achse (19) entspricht.

8. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der abzudichtende Raum in axialer Richtung jeweils durch identisch ausgebildete Dichtringe (5) abgedichtet ist, die die Welle (2) dichtend um­ schließen und daß die Dichtringe (5), das Gehäuse (4) und die Welle (2) entlang einer Radialebene (20) gespiegelt angeordnet sind.

9. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Verwendung als Drehdruckdichtung zum Abdichten von Schwenkmotoren mit einem Druck innerhalb des abzudichtenden Raums, der bis zu 250 bar beträgt.