DE69114454T2

DE69114454T2 - Dichtung mit Druckfeder.

Info

Publication number: DE69114454T2
Application number: DE69114454T
Authority: DE
Inventors: Peter J Balsells
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-12-03
Filing date: 1991-11-30
Publication date: 1996-07-11
Anticipated expiration: 2011-12-01
Also published as: JPH04266664A; US5265890A; DE69114454D1; EP0490204A1; ATE130079T1; EP0490204B1

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Dichtungen für Hin- und Herbewegungs- und Drehbewegungsanwendungen und insbesondere Dichtungen, die durch eine Feder belastet oder unter Spannung stehen, wobei die Dichtungen von der Art sind, wie sie in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7 beschriebenen sind.
Dichtungen werden allgemeinen aus einem elastischen Material gebildet und werden, wenn sie zwischen benachbarten Oberflächen angeordnet sind, zusammengedrückt, damit dazwischen eine Dichtung gebildet wird, die den Durchtritt von Fluiden verhindert. Die innewohnenden Charakteristiken des elastischen Materials beschränken die Belastungsfähigkeit von Dichtungen, die aus dem elastischen Material hergestellt sind. Allgemein gesagt führt die Auslenkung einer elastischen Dichtung zu einer Dichtungskraft, die über einen Auslenkungsbereich der Dichtung unbeständig verläuft. Dies führt zu einer schlechten Dichtfähigkeit, wenn das elastische Material nicht ausreichend ausgelenkt wird, und zu einem übermäßigen Verschleiß der Dichtung, wenn sie einer größeren Auslenkung unterworfen wird.
Um diese Charakteristiken zu überwinden, sind Dichtungen in Verbindung mit Federn verwendet worden, beispielsweise gekippte Schraubenfedern, die so hergestellt werden können, daß innerhalb eines bestimmten Auslenkungsbereichs die sich ergebende Kraft relativ konstant bleibt. Die Vorteile dieser Arten von Federn sind in dem US-Patent Nr. 4,655,462 von Balsells ausgeführt.
Wenn eine gekippte Schraubenfeder in Kombination mit einem elastischen Material verwendet wird, um eine Dichtung zu bilden, werden Parameter, beispielsweise die Schraubenfederabmessung, der Windungsabstand, der Drahtdurchmesser, der Winkel, unter dem die Windungen bezüglich einer Mittellinie der Feder gekippt sind, neben anderen verwendet, um die elastischen Charakteristiken der Feder und die Gesamtelastikcharakteristiken der Feder maßzuschneidern, um die Erfordernisse einer vorgeschlagenen Anwendung zu erfüllen.
In der anhängigen US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 496,329 ist eine Kombination aus einer Feder und einem elastischen Material offenbart, welches um eine Mehrzahl von Windungen herum und zwischen ihnen angeordnet ist, um die von der Feder als Reaktion auf die Auslenkung der Feder entlang einer Belastungsrichtung ausgeübte Kraft zu modifizieren.
Die offengelegte GB-Veröffentlichung GB 21 69 378 A beschreibt eine Schraubenfeder, die eine Mehrzahl von miteinander in einer beabstandeten Beziehung verbundenen Windungen aufweist, um eine Schraubenwindungsstruktur zu bewirken, die vorgewählte spitze Winkel bezüglich einer Mittellinie der Feder zeigt, damit eine konstante Kraft in einer Belastungsrichtung etwa normal zu der Mittellinie ausgeübt wird. Die Feder wird in einer Arbeitsbeziehung zu einem Dichtungsmaterial angeordnet, um ein Dichten zwischen zusammenwirkenden Teilen zu ermöglichen und um einen Durchtritt von dort vorbeifließendem Fluid zu verhindern.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 19 30 805 offenbart eine Schraube, die eine progressive Belastungslinie mit einem Draht eines Durchmessers zwischen 1 und 2 cm aufweist und zur besonderen Verwendung in Fahrzeugen bestimmt ist. Die Feder wird in Verbindung mit einer elastischen Beschichtung hergestellt, die aus Polyvinylchlorid einer Dicke von 0,5 bis 1,0 mm besteht. Diese Anmeldung offenbart auch ein Verfahren zum Beschichten der Feder mit dem Kunststoff.
Bezüglich der oben genannten Merkmale des Stands der Technik ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Schraubenfederdichtung, insbesondere von der in der GB 21 69 378 A beschriebenen Art, derart zu verbessern, daß die Lebensdauer der Dichtung verlängert wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Dieses Ziel wird in Übereinstimmung mit der Erfindung durch die kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 und 9 in Verbindung mit ihren entsprechenden Oberbegriffen und durch das Verfahren des Anspruches 14 erreicht.
Es ist herausgefunden worden, daß die Verwendung einer Federanordnung, einschließlich Schraubenfedern mit einem flexiblen Material in und um die Windungen herum, eine Federspanneranordnung ergibt, die in Kombination mit einer Dichtung verwendet wird, was überraschenderweise die Lebensdauer der Dichtung verlängert, obwohl der Federspanner in keinem Kontakt mit der Dichtungsfläche steht, sondern das elastische Dichtungsmaterial von einer von der Dichtungsoberfläche beabstandeten getrennten Position vorspannt.
Die Dichtungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weist allgemein ein elastisches Element auf, das wenigstens eine Dichtungsfläche hat und eine Einrichtung einschließt, welche eine Nut in der Oberfläche definiert, wobei die Nut von der Dichtungsfläche beabstandet ist. Eine Feder ist innerhalb der Nut angeordnet, und eine flexible Einrichtung, die in der Nut mit der Feder angeordnet ist, ist vorgesehen, um die Zeitdauer zu verlängern, in der die Dichtungsfläche den Durchtritt eines Fluids effektiv verhindern kann, wenn sie an der sich relativ dazu bewegenden Oberfläche aufliegt. Die Zeitdauer ist relativ zu der Zeit verlängert, die die Dichtungsfläche den Durchtritt eines Fluids verhindern kann, wenn sie an der sich dort hindurch relativ bewegenden Oberfläche anliegt, wenn die flexible Einrichtung nicht in der Nut vorhanden ist. Daher bewirkt die flexible Einrichtung, daß die Lebensdauer des elastischen Ringelements sich vergrößert, wenn die flexible Einrichtung in der Nut mit der Feder angeordnet ist, im Vergleich zu der Feder allein.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die flexible Einrichtung in der Feder und um sie herum angeordnet und kann einen hohlen oder ausgefüllten Querschnitt aufweisen. Zusätzlich kann die flexible Einrichtung an die Feder gebunden oder nicht gebunden sein, aber in jedem Fall ist sie nicht an das elastische Element gebunden.
Insbesondere kann die Dichtungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein elastisches Ringelement mit wenigstens einer Dichtungsfläche aufweisen, die zum Anliegen an eine rotierende und/oder sich hin- und herbewegende Oberfläche ausgebildet ist, um den Durchtritt eines Fluids zu verhindern. Die Nut kann eine Umfangsnut sein, und die Feder kann eine Mehrzahl von Windungseinrichtungen aufweisen, die miteinander in einer beabstandeten getrennten Beziehung verbunden sind, um die Federanordnung zu veranlassen, eine Kraft in einer Belastungsrichtung etwa normal zu der Dichtungsfläche als Reaktion auf die Auslenkung der Federanordnung entlang der Belastungsrichtung auszuüben. Die flexible Einrichtung, die um die Mehrzahl von Windungseinrichtungen herum und dazwischen angeordnet ist, ist betreibbar, sowohl um die von der Federanordnung als Reaktion auf die Auslenkung der Federanordnung ausgeübte Kraft zu modifizieren als auch um die Lebensdauer des elastischen Ringelementes zu vergrößern gegenüber der Lebensdauer des elastischen Ringelementes, wenn die flexible Einrichtung nicht vorhanden ist.
Eine andere Ausführungsform der Federanordnung kann eine erste Mehrzahl von Windungseinrichtungen und eine zweite Mehrzahl von Windungseinrichtungen aufweisen, wobei die zweite Mehrzahl von Windungseinrichtungen innerhalb der ersten Mehrzahl von Windungseinrichtungen angeordnet ist, um die Federanordnung zu veranlassen, eine ungefähr konstante Kraft auszuüben.
Die flexible Einrichtung kann eine Beschichtung aus flexiblem Material auf der Feder aufweisen und kann von ausreichender Dicke sein, um die Lebensdauer der Dichtung um mehr als 300% zu verlängern. Insbesondere kann das elastische Element Polytetrafluorethylen aufweisen und kann das flexible Material ein Silikonelastomer sein.
Ein Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, um die Lebensdauer einer Dichtung zu verlängern, umfaßt das Beschichten einer Feder mit einem flexiblen Material und das Anordnen der beschichteten Feder in einem beabstandeten Verhältnis zu der Dichtungsfläche der Dichtung in einer Position zum Vorspannen der Dichtungsfläche gegen die Dichtungsfläche.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung ergibt sich durch die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Radialdichtung, die für Hin- und Herbewegungsanwendungen geeignet ist und allgemein eine Mehrzahl von Windungen aufweist, welche derart miteinander verbunden sind, daß eine radial elastische gekippte Schraubenfeder gebildet wird, wobei die Feder in einer Nut zusammen mit einem flexiblen Material angeordnet ist;
Fig. 2 zeigt eine perspektivie Ansicht einer Axialdichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, die allgemein ein elastisches Element und eine Feder aufweist, wobei die Feder eine Mehrzahl von Windungen aufweist, die derart miteinander verbunden sind, daß eine schraubenförmige axial elastische Schraubenfeder gebildet wird, die in einer Nut zusammen mit einem flexiblen Material angeordnet ist;
Fig. 3 zeigt eine Belastungs-Auslenkungs-Kurve für eine Federanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, um eine Nomenklatur zu definieren;
Fign. 4a, b, c, d, e und g zeigen im Querschnitt eine Vielzahl von Federanordnungen, die federn mit gekippten Windungen verwenden, für eine Anzahl von dynamischen Anwendungen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 zeigt eine runde Feder, die mit einem einen hohlen Kern aufweisenden Elastomer gefüllt ist, in einer Dichtungsanordnung;
Fign. 6a und b zeigen ein Elastomer, das mit einem V-förmigen, flachen, geraden Abschnitt einer Feder gefüllt ist, geeignet zur Verwendung mit einem elastischen Material, um eine Federanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu bilden;
Fig. 7 zeigt eine axiale Feder mit einer unregelmäßigen Form, die mit einem einen hohlen Querschnitt aufweisenden elastischen Material in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gefüllt ist;
Fign. 8 bis 10 zeigen verschiedene Innenquerschnittskonfigurationen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 zeigt eine Feder mit einem teilweise gefüllten elastomeren Material, das über die Wicklung hinaus entlang eines Bereiches der kleineren Achse der Feder und rundum und zwischen der Windung vorsteht, welche eingekapselt oder beschichtet sein kann;
Fign. 12, 14 zeigen Abänderungen und eine Einschließung oder Einkapselung von Windungen der vorliegenden Erfindung mit einem Elastomer oder einem Kunststoff;
Fign. 15a, b, c zeigen Querschnittsansichten einer Feder und eines Elastomers, die relative Positionen des Elastomers bezüglich den Windungen der Feder zeigen;
Fign. 16a und b zeigen Ansichten einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei eine Federanordnung eine erste und eine zweite Mehrzahl von Windungseinrichtungen aufweist, die in derselben Richtung entlang einer gemeinsamen Mittellinie gekippt und voneinander getrennt sind;
Fign. 17a und b zeigen eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die erste und zweite Mehrzahl von Windungseinrichtungen in entgegengesetzten Richtungen gekippt sind.

Detailbeschreibung

In Fig. 1 ist eine Dichtungsvorrichtung 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt, die allgemein ein elastisches Element 12 mit Dichtungsflächen 14, 16 und mit einer Form zeigt, welche eine Nut 20 definiert, die eine Eingriffsfläche 22 bereitstellt, welche von der Dichtungsfläche 14 durch eine dünne Lippe 26 beabstandet ist.
Eine Feder 30 mit gekippten Windungen, die unten beschrieben ist, wird innerhalb der Nut 20 in einer Position angeordnet, die die Eingriffsfläche 22 vorspannt. Ein flexibles oder gelartiges Material 32, das um die Feder 30 herum angeordnet ist, stellt ein Mittel dar, um die Zeitdauer, in der die Dichtungsfläche 22 den Durchtritt eines Fluids (nicht gezeigt) blockieren kann, wenn sie an einer Oberfläche (nicht gezeigt) anliegt, die sich relativ dazu bewegt, zu vergrößern gegenüber der zweiten Zeitdauer, in der die Dichtungsfläche 14 den Durchtritt eines Fluids effektiv blockieren kann, wenn sie an der sich relativ bewegenden Oberfläche anliegt, wenn das Material 32 in der Nut 20 nicht vorhanden ist, wie später detaillierter beschrieben ist.
Die Kombination des Materials 32 mit der Feder vergrößert die Lebensdauer der Dichtung 10 wesentlich. Das elastische oder gelartige Material 32 kann an die Feder gebunden sein oder um den Federquerschnitt herumfließen, ohne daran befestigt zu sein. Das Material 32 kann ein Elastomer, ein Kunststoff, eine Paste, eine Dichtmasse, ein Fett, ein Wachs oder irgend ein geeignetes Material sein, aber vorzugsweise ein Material wie beispielsweise Silikon RTV 732, das von Dow Corning erhältlich ist. Es wird angenommen, daß das Material 32 die Federkraft effektiv verteilt und Totvolumen verringert, aber es der Feder trotzdem ermöglicht, eine charakteristische Belastungs-Auslenkungs-Charakteristik aufrecht zu erhalten, wie unten detaillierter beschrieben ist.
Die Kombination der vorliegenden Erfindung muß von dem unterschieden werden, was in dem US-Patent Nr. 3,183,010 von Bram gezeigt ist, wo ein an eine Feder gebundenes Elastomer vorgesehen ist, um das Elastomer zu stützen.
Eine alternative Ausführungsform 40 der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in axialen Belastungsanwendungen weist ein elastisches Element 42 mit Dichtungsflächen 44 und 46 und mit einer Form auf, die eine Nut 50 mit einer Innenfläche 52 definiert, die von der Dichtungsfläche 44 durch eine dünne Lippe 54 getrennt ist. Ähnlich wie bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform 10 ist ein elastisches Material 56 in der Nut 50 angeordnet, um die Lebensdauer der Dichtungsvorrichtung 40 zu verlängern, wie unten detaillierter beschrieben ist.
Während irgend eine Anzahl von Federn vorteilhaft in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, wie unten beschrieben ist, sind gekippte Schraubenfedern besonders geeignet, wie sie zum Beispiel in der anhängigen US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 496,329, die am 20.03.1990 angemeldet worden ist, beschrieben sind, deren Beschreibung und Zeichnung hiermit durch Bezugnahme übernommen werden, um gekippte Schraubenfedem zu beschreiben, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, und die zusätzlich eine Anordnung eines Elastomers in und um solche Schraubenfedern herum beschreibt.
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Belastungs-Auslenkungs-Kurve 60, um die Charakteristiken von elastischen Schraubenfedern mit gekippten Windungen darzustellen, die zur Verwendung in den Dichtungen 10, 40 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird die Feder 30, 58, wenn eine Belastung an die Feder 30, 58 angelegt wird, in einer im wesentlichen linearen Weise ausgelenkt, wie durch das Liniensegment 62 gezeigt ist, bis sie einen minimalen Belastungspunkt 64 (Punkt minimaler Belastung) erreicht, welcher den Punkt darstellt, bei dem nach der anfänglichen Auslenkung die Belastung relativ konstant zu bleiben beginnt. Man sollte beachten, daß für eine axial elastische Feder 58 die Belastung axial und für eine radial elastische Feder 30 die Belastung radial angelegt wird.
Zwischen dem minimalen Belastungspunkt 64 und einem maximalen Belastungspunkt 66 kann die Belastungs-Auslenkungs-Kurve konstant sein oder einen leichten Anstieg zeigen, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Der Bereich zwischen dem minimalen Belastungspunkt 64 und dem maximalen Belastungspunkt 66 ist als der Arbeitsauslenkungsbereich 68 bekannt. Die Feder 30, 58 ist normalerweise für einen Betrieb innerhalb dieses Bereiches belastet, wie durch einen Punkt 70 angezeigt ist. Ein Belasten der Feder 30, 58 jenseits des maximalen Belastungspunktes 66 führt zu einer abrupten Auslenkungsreaktion, bis ein Endpunkt 72 erreicht ist, welcher zu einem permanenten Hartwerden der Feder als Ergebnis des Überbelastung führt. In Fig. 3 ist auch der gesamte Auslenkungsbereich 74 gezeigt, welcher definiert ist als die Auslenkung zwischen der unbelasteten Feder und dem maximalen Belastungspunkt 66.
In den Fign. 4a-g sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt, die für dynamische Anwendungen geeignet sind. Genauer gesagt, umfaßt die Dichtung 80 ein elastisches Element 82 mit einer Nut 84 darin, um eine Feder 86 mit Elastomer 88 mit einem hohlen Querschnitt aufzunehmen, wodurch dorthindurch ein zentraler Leerraum 90 geschaffen wird. Das elastische flexible Material 88 kann von dem oben beschrieben Typ sein, und das elastische Element 82 kann aus irgend einem geeigneten Material sein, aber vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE), welches beispielsweise mit Graphit, wie allgemein bekannt, gefüllt oder ungefüllt sein kann.
Fig. 4b zeigt eine Dichtung 92 mit einem elastischen Element 94, welches zwei Nuten 96, 98 zum Tragen von Federn 100, 102 mit elastischem Material 104, 106 mit einem hohlen Querschnitt aufweist. Die Dichtung 92 ist für Drehbewegungs-, Hin- und Herbewegungs- und statische Anwendungen geeignet, und zusätzlich stellen die Feder 102 und das Elastomer 106 eine sekundäre Halteeinrichtung dar, um eine zusätzliche Dichtungsfähigkeit und bessere Eingriffswirkungen bereitzustellen, damit so eine mögliche Bewegung der Dichtungsanordnungen 92 in dynamischen Anwendungen, hauptsächlich in Dreh- und Oszillierungsanwendungen, verringert wird.
In Fig. 4c ist eine Dichtungsvorrichtung 110 gezeigt, die zwei elastische Elemente 112 und 114 aufweist, jedes mit Nuten 116, 118 zum Tragen einer Feder 120 und von elastischem Materials 122 darin. Eine Federanordnung 126, die in Fig. 4d gezeigt ist und in einem Gehäuse 128 zum Abdichten gegen eine Welle 130 montiert ist, weist ein elastisches Element 132 mit einem Flansch 134 auf, um die Dichtung in der dynamischen Anwendung aufzunehmen. Wie in Fig. 4d gezeigt ist, ist eine Feder 136 vollständig von dem elastischen Material 138 innerhalb der Nut 140 des elastischen Elements 132 umgeben, wobei das elastische Material 138 ein ausgefülltes oder hohles (nicht gezeigt) Zentrum aufweist.
Eine dynamische Dichtungsvorrichtung 142 ist in Fig. 4e gezeigt, welche allgemein ein elastisches Element 144, eine Feder 146 und das elastische Material 148 aufweist, die alle innerhalb einer Nut 150 in dem Gehäuse 152 angeordnet sind.
In einer anderen Anwendung in Fig. 4f ist eine Federanordnung 154 in einer Spritzen(156)-Anwendung verwendbar, bei der das elastische Material 158 die Feder 160 und das elastische Material 162 innerhalb einer Nut 163 trägt, um das elastische Element 158 mit einem Anschlußstück 164 zu verriegeln.
Fig. 4g zeigt eine Dichtungsvorrichtung 143, die ähnlich der in Fig. 4f gezeigten ist und ein elastisches Element 145 und eine Feder 161 für Anwendungen aufweist, die einen sehr kleinen Durchmesser betreffen.
Während die obigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer Feder mit gekippten Windungen beschrieben worden sind, können andere Federarten, beispielsweise eine runde, bandartige Feder 170 in einer Dichtung 172 mit einem Elastomer oder einem Kunststoff 174 verwendet werden, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Jede Anzahl von Federkonfigurationen kann verwendet werden, beispielsweise die in den Fign. 6a und b gezeigte Konfiguration, bei der eine flache U- oder V-förmige Feder 180 von einem Elastomer 182 umgeben angeordnet ist. Danach können die Feder 180 und das Elastomer 182 in irgend einem geeigneten elastischen Material (nicht gezeigt) zum Dichten in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung angeordnet werden.
Während die Federanordnungen 10, 40, die in den Fign. 1 und 2 gezeigt sind, eine ungefähr kreisförmige Form aufweisen, sollte beachtet werden, daß irgend welche unregelmäßige Formen, beispielsweise die in Fig. 7 gezeigte Federanordnung 248, verwendet werden können, die ein elastisches Material 250 mit einem ausgefüllten oder hohlen Querschnitt aufweist. Wenn das gewählte elastische Material trägt, im Gegensatz zu einem gelartigen Material, können die Federn 30, 58 durch irgend ein Herstellungsverfahren gefüllt werden, das für das verwendete Elastomer geeignet ist, wobei hierzu Extrusion-, Gieß-, Feder-Verfahren oder irgend ein anderes geeignetes Verfahren gehört, um das Elastomer oder den Kunststoff 32, 56 in die Feder 30, 58 und um sie herum zu füllen, wobei sie entweder ausgefüllt wird oder ein hohler Querschnitt frei gelassen wird.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Fign. 8 bis 12 gezeigt. In Fig. 8 sind Windungen 252 mit einem inneren Elastomer 254 gezeigt, wobei die Windungen 252 eine elliptische Form haben und das Elastomer 254 einen kreisförmigen Leerraum 256 aufweist. Fig. 9 zeigt elliptisch ausgebildete Windungen 256 mit einem Elastomer 258 mit einer versetzten oder ungefähr rechteckigen hohlen Querschnittsöffnung 260, während Fig. 10 elliptisch ausgebildete Windungen 262 mit einem Elastomer mit einer unregelmäßig geformten Öffnung 266 zeigt, welche zwei im wesentlichen kreisförmige Querschnittsbereiche 268, 268' aufweist.
Das elastische Material kann innerhalb der Windungen 252, 256, 262 angeordnet sein, wie in den Fign. 8, 9 und 10 gezeigt ist, oder alternativ kann, wie in Fig. 11 gezeigt ist, ein Elastomer 268A an einer Seite 270A von Windungen 272A angeordnet sein. Diese Ausführungsform ist am nützlichsten in Anwendungen, bei denen eine größere Verteilung der Belastung an der einen Seite 270A der Windungen 272A wünschenswert ist.
Andere Ausführungsformen 270, 272, 274 der vorliegenden Erfindung sind jeweils in den Fign. 12 bis 14 gezeigt, wobei die Ausführungsformen 271, 272, 274 Windungen 278, 280, 282 und Elastomere 286, 288, 290 aufweisen. Die Ausführungsform 270 weist einen offenen Bereich 290 durch die Windungen 278 auf, um den Durchtritt eines Fluids (nicht gezeigt) für ein Druckveränderungskühlen oder für Schmierzwecke zu ermöglichen.
Wie aus Fig. 13 zu ersehen ist, kann das Elastomer 288 als eine Beschichtung sowohl auf der Innenseite 294 als auch auf der Außenseite 296 der Windung 280 angeordnet sein, während Fig. 14 das Elastomer 290 entlang der Außenseite durch die Windungen 282 hindurch angeordnet zeigt. Alle diese Ausführungsformen beeinflussen unterschiedlich die Kraft-Auslenkungs-Charakteristiken der Ausführungsformen 271, 272, 274 in Abhängigkeit von der Anwendung der Ausführungsformen 271, 272, 274.
Die Fähigkeit, eine relativ konstante Kraft innerhalb einer bestimmten Auslenkung zu erhalten, wird durch eine Zahl von Parametern beeinflußt, von denen all die in Betracht zu ziehen sind, die den Querschnitt des Elastomers und dessen Anordnung einschließen, wie in den Fign. 8 bis 14 angezeigt ist, nämlich die Dicke des Elastomers, die Position des Elastomers oder des Kunststoffs relativ zu den Windungen, die Flexibilität des Elastomers, der Grad der Bindung zwischen den Windungen 252, 256, 262, 270A, 278, 280, 282 und den entsprechenden Elastomeren 254, 256, 264, 268A, 286, 288, 288A, 290, der Abstand zwischen den Windungen 252, 256, 262, 270A, 278, 280, 282, der Drahtdurchmesser, die Windungshöhe und die Windungsbreite neben anderen Überlegungen.
Die verschiedenen Positionen des Elastomers oder des Kunststoffes relativ zu den Windungen sind in den Fign. 15a, b und c gezeigt, die die Windungen 292, 294, 296 bzw. die Elastomere 293, 295 und 297 zeigen. Wie in Fig. 15a gezeigt ist, weist das Elastomer 293 die Form eines Rohres auf, in welches die Windungen 292 eingefügt sind. Alternativ könnte das Elastomer oder das Kunststoffmaterial 293 an den Windungen 292 angeformt oder extrudiert werden. In dieser Ausführungsform tritt das Elastomer oder das Kunststoffmaterial 293 nicht signifikant in Räume zwischen den Windungen 292 ein. Wie in Fig. 15b gezeigt ist, füllt das Elastomer 295 teilweise die Räume zwischen den Windungen 294, so daß das Elastomer oder der Kunststoff 295 den Außenbereich der Windungen 294 abdeckt, und die Räume zwischen den Windungen 294 bis zu einem Punkt unterhalb der Spitze 299 der Windung. Die Tiefe des Elastomers oder des Kunststoffes 295 zwischen den Windungen steuert die von den Windungen 294 erzeugte Kraft. Wie in Fig. 15c gezeigt ist, ist alternativ das Elastomer oder der Kunststoff 297 bündig mit der Außenseite 299a der Windung 296, aber erstreckt sich teilweise zwischen den Windungen 296 und natürlich um sie herum. In dieser Ausführungsform bestimmt die Tiefe des Elastomers oder des Kunststoffes 297 von der Oberfläche 299a nach innen zwischen die Windungen 256 den Grad der Flexibilität der Windungen.
Man sollte beachten, daß, wenn eine gekippte Schraubenfeder mit einem Elastomer gefüllt wird, besonders in einem Außenbereich der Windung die dort angreifende Kraft einheitlicher übertragen wird und der an den zusammenpassenden Teilen wirkende Druck wesentlich geringer ist.
Es ist unerwarteterweise herausgefunden worden, daß die Kombination des elastischen oder flexiblen Materials 32, 56 mit der Feder 30 und 56 innerhalb des elastischen Materials 12, 14 zu einer Dichtungslebensdauer führt, die wesentlich länger ist, als wenn die Feder 30, 38 innerhalb des elastischen Elements 12, 42 ohne das elastische Material 32, 36 verwendet wird.
Diese Ergebnisse treten auf, wenn das elastische Element 12, 42 aus einem elastischen Material, beispielsweise Silikon, Kunststoff, Fluorsilikonen, PTFE, Elastomeren gebildet wird, entweder an die Feder 38, 58 gebunden oder nicht gebunden. Zusätzlich können gelartige Materialien, beispielsweise Paste und Dichtungsmittel, Dichtungsmasse, und Fette, Wachse verwendet werden.
Wie in der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 496,329 ausgeführt ist, führt die Kraft, die von der mit einem elastischen Material 32, 56 gefüllten Feder 30, 58 entwickelt wird, zu einer Kraft, die wesentlich höher als die Feder allein ist. In diesem Fall kann eine Feder mit einem kleineren Durchmesser verwendet werden, die mehr Schraubenfedern und somit eine bessere Verteilung einer Belastung erlaubt.
Wie in Fig. 4f gezeigt ist, kann bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die in einer Verriegelung-/Halte-Ausführungsform 154 verwendet werden, das Elastomer außerdem so wirken, daß eine mögliche Rotation der Feder 160 verringert wird. In diesem Fall kann die Feder 160 mit einem Material gefüllt sein, das einen höheren Reibungskoeffizienten aufweist, um die Möglichkeit einer Bewegung zu verringern. Dieses Material kann ein Polyurethan-Elastomer sein, welches eine hohe Reibung aufweist, oder ein Hochtemperaturkunststoff sein, beispielsweise Polyphenylensulfid (POPS) oder Polyetherketon (PEEK).
Eine Serie von durchgeführten Tests bestätigt die verlängerte Lebensdauer der Dichtungen 10, 132, die ein elastisches Material 32, 138 verwenden, welches PTFE und ein Elastomer mit einem hohlen Querschnitt aufweist, welches aus Dow Corning RTF 732 gebildet ist. Die Spezifikationen des Tests sowie die verwendete Dichtung sind in den Tabellen 1 und 2 für identische elastische Elemente 12, 132 und Federn 30, 136 dargestellt, einmal ohne das elastische Material 32, 138 als Kontrolle und einmal mit dem elastischen Material entweder an die Feder 30, 136 gebunden oder nicht an die Feder 30, 136 gebunden.
Das Binden des elastischen Materials 32, 138 an die Feder 30, 136 kann auf bekannte herkömmliche Weise gesteuert werden, beispielsweise indem die Drahtfeder geätzt wird und indem die Feder vor der Anbringung des elastischen Materials grundiert oder nicht grundiert wird und indem ein Freisetzungsmaterial so angewendet wird, daß keine Bindung zwischen dem elastischen Material 32, 138 und den Federn 30, 136 auftritt.
Die Tabelle 1 zeigt den Vergleichstest, der eine sich hin und herbewegende Welle und die Dichtung 10 verwendet, während Tabelle 2 die Ergebnisse eines rotierenden Vergleichstests für die Dichtung 10 zeigt. Tabelle 1 Testvergleich bei Hin- und Herbewegung Vergleich Dichtungsleistung mit verschiedenen Federspannern A) Feder mit gekippten Windungen B) Feder mit gekippten Windungen; grundiert und gefüllt mit Elastomer hohlen Querschnitts (an Feder gebundenes Elastomer) C) Feder mit gekippten Windungen; gefüllt mit Elastomer hohlen Querschnitts (keine Bindung des Elastomers an Feder) Testbedingungen Art des Federspanners Durchschnitt von 3 Tests Geschwindigkeit Hub Druck Wellendurchmesser Wellenmaterial Härte Oberflächenbearbeitung Leckage nach Zyklen Dichtungsrate Dichtungsmaterial Dichtungsinnendurchmesser Dichtungsaußendurchmesser Dichtungsart rostfreier Stahl verstäriktes Graphit PTFE U-förmig - federgespannt Kommentare: (1) Mit einem Silikon-Elastomer gefüllte Feder liefert eine wesentlich größere Verläßlichkeit als eine grundierte Feder und eine einfache gekippte Feder (2) Elastomer: Dow Corning RTV 732. Tabelle 2 Testvergleich bei Drehbewegung Vergleich Dichtungsleistung mit verschiedenen Federspannern A) Feder mit gekippten Windungen B) Feder mit gekippten Windungen; grundiert und gefüllt mit Elastomer hohlen Querschnitts (an Feder gebundenes Elastomer) C) Feder mit gekippten Windungen; gefüllt mit Elastomer hohlen Querschnitts (keine Bindung des Elastomers an Feder) Testbedingungen Art des Federspanners Durchschnitt von 3 Tests Geschwindigkeit Druck Wellendurchmesser Medium Temperatur Wellenmaterial Härte Oberflächenbearbeitung Leckage nach Zeit von Leckagerate Dichtungsrate Dichtungsmaterial Dichtungsinnendurchmesser Dichtungsaußendurchmesser Dichtungsart Stickstoff-Gas rostfreier Stahl PTFE - Graphit - Fiber U-förmig - federgespannt Kommentare: (1) Mit einem Silikon-Elastomer gefüllte Feder liefert eine wesentlich größere Verläßlichkeit als eine grundierte Feder und eine einfache gekippte Feder (2) Elastomer: Dow Corning RTV 732.
Man kann ersehen, daß ohne Wechsel des elastischen Elements 12 oder seiner Dichtungsflächen 14, 16, die innere Vorspannung der kombinierten Feder 30 und das elastische Material 32 bewirken, daß die Lebensdauer der Feder das 2,8-fache der Lebensdauer der Feder ohne das Elastomer ist, wenn das Elastomer an die Feder gebunden ist, und das 3,5-fache der Lebensdauer ist, wenn das Elastomer nicht an die Feder gebunden ist. Diese Erhöhung der Lebensdauer ist wirklich unerwartet.
Ähnlich betrug bei dem Rotationstest die Lebensdauer der Dichtung 92 mit der gebundenen Elastomerfeder das 3,1-fache der Lebensdauer des elastischen Federelements allein und das 4,3-fache der Lebensdauer der Feder und des elastischen Elements allein, wenn das Elastomer nicht an die Feder gebunden ist.
In den Fign. 16a und 16b ist eine alternative Ausführungsform einer Federanordnung 300 gezeigt, die eine erste Mehrzahl von Windungen 302 aufweist, welche miteinander in einer beabstandeten Beziehung verbunden sind, um die Federanordnung 300 zu veranlassen, eine ungefähr konstante Kraft in einer Belastungsrichtung normal in einer Tangente zu einer Mittellinie 304 auszuüben. Wie oben in Verbindung mit der Mehrzahl von Windungen 302 beschrieben ist, ist ein elastisches Material 306 um die Mehrzahl von Windungen 302 herum und zwischen diesen mit einem hohlen Querschnitt 308 angeordnet, was ein Mittel darstellt, um die von der Feder(302)-Anordnung 300 als Reaktion auf die Auslenkung der Federanordnung 300 entlang einer Belastungsrichtung ausgeübte Kraft zu modifizieren, wie oben beschrieben ist.
Innerhalb der Mehrzahl von Windungen 302 ist eine zweite Mehrzahl von Windungen 310 angeordnet, die miteinander in einer beabstandeten Beziehung verbunden sind und in einer zusammenwirkenden Beziehung im Innern der ersten Mehrzahl von Windungen angeordnet sind, um die Federanordnung 300 zu veranlassen, eine ungefähr konstante Kraft in einer Belastungsrichtung etwa normal zu der Mittellinie 304 auszuüben.
Ein elastisches Material 312, das um die Mehrzahl von Windungen 310 herum und zwischen ihnen angeordnet ist, weist einen hohlen Querschnitt 314 auf. Fig. 16b zeigt eine Querschnittsansicht der Federanordnung 300 und zeigt auch, daß die elastischen Materialien 306, 312 von einander durch eine Lücke 320 dazwischen getrennt sein können, um dazwischen eine Relativbewegung zuzulassen, wenn die Federanordnung 300 belastet wird.
Ähnlich wie bei der Federanordnung 300 weist eine in den Fign. 17a und b gezeigte Federanordnung 330 eine erste Mehrzahl von Windungen 332, wobei ein elastisches Material 334 dort herum angeordnet ist, und eine zweite Mehrzahl von Windungen 336 innerhalb des elastischen Materials 338 dort herum auf. Die Konfiguration der ersten und zweiten Mehrzahl von Windungen 332, 336 und des elastischen Materials 334, 338 ist gleich der in den Fign. 16a und b gezeigten Windungsanordnung 300, außer daß die erste Mehrzahl von Windungen 332 in einer entgegengesetzten Richtung relativ zu der zweiten Mehrzahl von Windungen 336 entlang einer Mittellinie 342 gekippt ist. Die Leistung der in den Fign. 16a, b und 17a, b gezeigten Ausführungsformen ist gleich der oben in Verbindung mit der Federanordnung 10 beschriebenen, wobei sich der Bereich der Konstruktionsmöglichkeiten der Kraft-Auslenkung-Kurven weiter erstreckt.
Obwohl oben eine spezielle Anordnung einer Dichtungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, um die Art und Weise darzustellen, in der die Erfindung vorteilhaft verwendet werden kann, ist zu beachten, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Folglich sollten jegliche und alle Modifikationen, Variationen oder äquivalente Anordnungen, die den angesprochenen Fachleuten entgegentreten, als innerhalb der Lehre der Erfindung liegend, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, angesehen werden.

Claims

1. Dichtungsvorrichtung, die ein nachgiebiges Element (12) mit mindestens einer Dichtfläche (14, 16) darauf und einer Eingriffsfläche (22) aufweist, wobei die Eingriffsfläche (22) von der Dichtfläche (14, 16) beabstandet ist und eine Feder (30) in einer Position angeordnet ist, in der sie die Eingriffsfläche (22) vorbelastet, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein flexibles oder gelartiges Material (32) aufweist, das um die Feder (30) herum angeordnet ist, um die Zeitspanne, in der die Dichtfläche (14, 16) das Durchlassen von Flüssigkeit dorthindurch effektiv verhindern kann, zu erhöhen.

2. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Eingriffsfläche (22) eine Nut (20) aufweist und die Feder (30) innerhalb der Nut (20) angeordnet ist.

3. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 2, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das flexible oder gelartige Material (32) in und um die Feder (30) herum angeordnet ist und einen vollen Querschnitt aufweist.

4. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 2, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das flexible gelartige Material (32) in und um die Feder (30) herum angeordnet ist und einen hohlen Querschnitt aufweist.

5. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das flexible oder gelartige Material (32) mit der Feder (30) verbunden ist, aber nicht mit dem nachgiebigen Element (12) verbunden ist.

6. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das flexible gelartige Material (32) nicht mit der Feder (30) oder dem nachgiebigen Element (12) verbunden ist.

7. Dichtungsvorrichtung, die ein nachgiebiges Element (12) mit mindestens einer Dichtfläche (14, 16) darauf und einer Nut (12) darin aufweist, wobei die Nut (12) von der Dichtfläche beabstandet ist und ein Federaufbau (300) innerhalb der Nut (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Federaufbau eine erste Vielzahl von Windungen (302), die untereinander jeweils in einem beabstandeten Verhältnis verbunden sind, um zu bewirken, daß der Federaufbau (300) eine im allgemeinen konstante Kraft in einer Belastungsrichtung annähernd normal zur Dichtfläche (14, 16) in Reaktion auf die Auslenkung des Federaufbaus (300) entlang der Belastungrichtung ausübt, eine zweite Vielzahl von Windungen (310), die untereinander jeweils in einem beabstandeten Verhältnis verbunden sind und innerhalb der ersten Vielzahl von Windungen (302) und in einem kooperierenden Verhältnis dazu vorgesehen sind, um zu bewirken, daß die Federanordnung (300) eine im allgemeinen konstante Kraft in einer Belastungsrichtung annähernd normal zu der Dichtfläche (14, 16) in Reaktion auf die Auslenkung der Federanordnung (300) entlang der Belastungsrichtung ausübt, und ein flexibles oder gelartiges Material (306) beinhaltet, das in der Nut (12) mit der Federanordnung (300) angeordnet ist, um die Zeitspanne, in der die Dichtfläche den Durchgang von Flüssigkeit dorthindurch effektiv verhindern kann, wenn sie gegen eine sich relativ dazu bewegende Fläche gedrückt wird, zu

vergrößern.

8. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 7, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das flexible oder gelartige Material (306) in und um die erste und zweite Vielzahl von Windungen (302, 310) herum angeordnet ist und einen vollen Querschnitt aufweist.

9. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 7, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das flexible oder gelartige Material (306) in und um die erste und zweite Vielzahl von Windungen (302, 310) herum angeordnet ist und einen hohlen Querschnitt aufweist.

10. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das flexible oder gelartige Material (306) mit mindestens der ersten und zweiten Vielzahl von Windungen (302, 310) verbunden ist und nicht mit dem nachgiebigen Element (12).

11. Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das flexible oder gelartige Material (306) weder mit der ersten und zweiten Vielzahl von Windungen (302, 310) noch mit dem nachgiebigen Element (12) verbunden ist.

12. Verfahren zum Verlängern der Lebensdauer einer Dichtung (10), wobei die Dichtung (10) mindestens eine Dichtfläche (14, 16) darauf aufweist, das die Schritte umfaßt, eine Feder (30) mit einem flexiblen oder gelartigen Material (32) zu beschichten und die beschichtete Feder (30) in einem beabstandeten Verhältnis zu der Position der Dichtfläche (14, 16) zum Vorbelasten der Dichtfläche (14, 16) gegen eine äußere Fläche anzuordnen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das flexible oder gelartige Material (32) nicht mit der Feder (30) verbunden wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das flexible oder gelartige Material (32) ausreichend verdickt ist, um die Lebensdauer der Dichtung (10) um mindestens 300 % zu verlängern.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12, 13 oder 14, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das flexible oder gelartige Material (32) ein Silikonelastomer ist und die Dichtung (10) Polytetrafluorethylen aufweist.