WO2010015438A1 - Dichtungsanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung aus einem Zylinderelement (104), einem antreibbaren, axial geführten Kolben (110), einem Dichtungselement (100; 200) und einem vom Kolben (110) und vom Dichtungselement (100; 200) begrenzten abzutrennenden Arbeitsraum (112). Die Erfindung ist auf die konstruktive Gestaltung des Querschnitts des Dichtungselements (100; 200) gerichtet. Der Querschnitt weist eine Dichtseite mit wenigstens einer aus zwei konvergierenden Dichtflanken (130, 132) gebildeten Dichtlippe (138; 210), eine Stützseite mit von zwei am Rand dieser Stützseite angeordneten vorspringenden Wülsten (150; 220, 222) und wenigstens einer zwischen den Wülsten (150; 220, 222) ausgebildeten Aussparung (152; 224), eine dem abzudichtenden Raum (112) zugewandte Hochdruckseite und eine dazu gegenüberliegende Niederdruckseite auf. Das Dichtungselement (100; 200) ist einteilig ausgeführt und aus einem einheitlichen Elastomermaterial, vorzugsweise aus EPDM hergestellt. Im eingebauten Zustand wirkt das Dichtungselement auf den Kolben (110) mit einem asymmetrischen Kontaktdruckverlauf ein und hat in wenigstens einer der Bewegungsrichtungen des Kolbens (110) eine rückfördernde Wirkung.

Description

Beschreibung

Titel Dichtungsanordnung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung aus einem Zylinderelement, einem im Zylinderelement aufgenommenen und zu einer axialen Hin- und Herbewegung antreibbaren Kolben sowie einem Dichtungselement zur Abtrennung ei- nes vom Kolben und vom Zylinderelement begrenzten Arbeitsraums gemäß den weiteren Merkmalen des Gattungsbegriffs des Anspruchs 1.

Aus dem Stand der Technik sind ein- oder mehrteilig aufgebaute Dichtungselemente bekannt, die aus einheitlichem Material oder aus Verbundmaterial herge- stellt sind. Grundsätzlich gilt, dass mehrteilig aufgebaute und/oder aus verschiedenen Materialien gefertigte Dichtelemente üblicher Weise teuerer sind als einteilig ausgeführte und/oder aus einem einzigen Material hergestellte Dichtelemente und dass letztere deshalb aus Kostengründen bevorzugt eingesetzt werden.

Einteilige und aus einem einzigen Material gefertigte Dichtungselemente werden in Fachkreisen auch als Elastomerdichtungselemente bezeichnet. Sie sind in unterschiedlichen Querschnittsformen am Markt erhältlich. Bekannt sind z. B. O-Ringe, Quad-Ringe oder Nut-Ringe. Quad-Ringe und Nut-Ringe weisen entlang ihres Umfangs ausgebildete druckbeaufschlagbare Dichtlippen auf, welche vorteilhafter Weise mit zunehmender Druckbelastung eine verbesserte Abdichtwirkung bereitstellen. Im nicht druckbelasteten Zustand wird die Dichtwirkung dieser Dichtungselemente in der Regel durch eine ausreichend hohe Verpres- sung und einem daraus resultierenden hohen Kontaktdruck erreicht. Dennoch können derartige Dichtungselemente eine gewisse Druckmittelleckage nicht verhindern, insbesondere dann nicht, wenn aufgrund der Betriebsbedingungen am Dichtungselement zeitweise Unterdruck anliegt, wie dies bei Dichtungsanordnungen zur Abdichtung von Kolben in Zylindereinheiten üblicherweise der Fall ist. Bei Kolben-/Zylindereinheiten besteht eine weitere technische Herausforderung für das Dichtungselement darin, sowohl einen statischen Zustand (ruhendes, nicht bewegtes Kolbenelement) als auch einen dynamischen Zustand (axial betätigtes Kolbenelement) wirksam abzudichten.

Der Stand der Technik offenbart speziell für diese Fälle verhältnismäßig komplex gestaltete, mehrteilig ausgeführte Dichtungseinheiten, wie z. B. durch Federringe vorgespannte Kunststoff- oder Teflon- Ringe oder sogenannte Manschettensätze. Derartige Dichtungseinheiten haben üblicherweise asymmetrisch geformte Dichtungsprofile und erzeugen ein dementsprechendes Kontaktdruckprofil. Ein be- deutender Vorteil asymmetrischer Dichtungsprofile besteht darin, dass sie eine ungleiche hydrodynamische Schleppströmung bei ein- bzw. ausfahrender Kolbenbewegung bewirken, aufgrund der eine effektive Rückförderung von Medium zurück in den abzudichtenden Arbeitsraum erreicht werden kann. Bewegt sich der Kolben in den Arbeitsraum hinein (Arbeitshub) wird eine vergleichsweise starke Schleppwirkung erreicht. Bewegt sich das Kolbenelement dagegen aus dem abzudichtenden Arbeitsraum heraus (Saughub), so zeichnen sich Dichtungselemente mit asymmetrischem Profil durch eine besonders geringe Schleppströmung nach außen aus. In der Bilanz wird damit eine effektive Rückförderung von Medium in den Arbeitsraum hinein und folglich eine hohe Dich- tungswirkung erzielt. Das physikalische Grundprinzip auf dem die erläuterte

Rückförderwirkung beruht, ist wissenschaftlich untersucht und zählt zum Stand der Technik (siehe beispielsweise DE 103 60 601 Al).

Nachteilig bei derartigen Dichtungselementen ist deren aufwändige Bauweise, ihr entsprechend großer Bauraumbedarf, ihre hohen Kosten, ein Mehraufwand für das Handling bei der Montage sowie ihre Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Beschädigungen.

Weitere Anforderungen für dynamisch beanspruchte Dichtungsanordnungen sind auftretende Radialbewegungen des Kolbens, die vornehmlich aufgrund der KoI- benbetätigung ausgelöst werden. Weiterhin sind die Widerstandsfähigkeit eines Dichtungselements gegenüber laufzeitbedingtem Verschleiß und die Reibungseigenschaften von maßgeblicher Bedeutung.

Vorteile der Erfindung

Der Erfindung zugrunde liegende Dichtungselemente weisen gegenüber dem erläuterten Stand der Technik den Vorteil auf, dass sie die Eigenschaften eines einfach und kostengünstig herstellbaren, einteiligen Elastomerdichtungselements mit den günstigen Rückfördereigenschaften einer mehrteilig ausgeführten Dichtungseinheit mit asymmetrischer Dichtungsgeometrie kombinieren. Sie bewirken ein asymmetrisches Kontaktdruckprofil, das sich durch die mechanische Vorspannung der Dichtungselemente im Einbauraum in Verbindung mit den elastischen Materialeigenschaften und der Geometrie ihres Dichtungsquerschnitts er- gibt. Separate Elemente zur mechanischen Vorspannung der Dichtungselemente sind also keine erforderlich. Die der Erfindung zugrunde liegende konstruktive Gestaltung eines Dichtungselements bewirkt verbesserte Hysterese-, Reibungsund Verschleißeigenschaften, vermag Radialbewegungen eines Kolbenelements sowie unvermeidliche Bauraumtoleranzen der Dichtungsanordnung auszuglei- chen und dichtet zuverlässig sowohl gegen anliegenden Über- als auch gegen anliegenden Unterdruck ab. Weiterhin zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Dichtungselement durch einen geringen Bauraumbedarf und ein verhältnismäßig einfaches Handling bei der Montage aus.

Weitere Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung detailliert erläutert. Die Figuren 1 und 2 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Dichtungselemente jeweils im Querschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele - A -

Das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines Dichtungselements 100 ist in einer Bohrung 102 eines Zylinderelements 104 zwischen einem Stützring 106 und einem Begrenzungselement 108 ortsfest angeordnet. Es ist ring- förmig ausgebildet und dichtet mit seinem Innenumfang gegen die Umfangsflä- che eines Kolbens 110 und am Außenumfang gegen die Bohrungswand des Zylinderelements 104 ab. Der Kolben 110 ist relativ zum Dichtungselement 100 zu einer hin- und hergehenden Hubbewegung H antreibbar und ist dazu verschieblich im Begrenzungselement 108 aufgenommen. Die Hubbewegung H ver- läuft in Axialrichtung der Bohrung 102. Ein vom Dichtungselement 100 abzudichtender Arbeitsraum 112 wird vom Kolben und vom Zylinderelement 104 umschlossen. Der Arbeitsraum 112 ist in der Figur 1 lediglich schematisch zu erkennen.

Das erfindungsgemäße Dichtungselement 100 ist einteilig ausgeführt und hat einen Querschnitt mit im Wesentlichen quadratischer Grundform. Es besteht aus einem einheitlichen Elastomermaterial, vorzugsweise aus EPDM. Die Querschnittsform setzt sich aus vier, zumindest annähernd rechwinklig zueinander ausgerichteten Dichtungselementseiten zusammen, wobei diese Dichtungsele- mentseiten jeweils unterschiedlich ausgestaltet sind.

Die in Fig. 1 nach unten weisende erste Dichtungselementseite liegt an der Um- fangsfläche des Kolbens 110 an und bildet die Innenkontur des Dichtungselements 100. Sie wird nachfolgend als Dichtseite bezeichnet. Die Gestaltung dieser Dichtseite wird von zwei konvergierenden Dichtungsflanken 130, 132 unterschiedlich großer Flankenwinkel 134, 136 bestimmt. Eine Dichtungslippe 138 ist am Übergang von der einen zur anderen Dichtungsflanke 130, 132 ausgebildet. Sie wird von einem Übergangsradius gebildet, der zwischen 0,1 und 0,4 mm groß ist. Aufgrund der beiden unterschiedlich großen Flankenwinkel 134, 136 liegt die Dichtungslippe 138 in Figur 1 nach links versetzt zu einer Mittelachse

140, welche quer zur Richtung der Hubbewegung H des Kolbens 110 verläuft. Das Dichtungselement 100 weist demnach eine asymmetrische Querschnittsform auf. Die erste Dichtungsflanke 130 befindet sich auf einer dem Arbeitsraum 112 zugewandten Seite des Dichtungselements 100. Ihr Flankenwinkel 134 beträgt zwischen 50° bis 70°. Die zweite Dichtungsfläche 132 hat demgegenüber einen kleineren Flankenwinkel 132 von lediglich 10° bis 45° und ist abgewandt vom abzu- dichtenden Arbeitsraum 112 auf einer sogenannten Niederdruckseite des Dichtungselements 100 angeordnet. Beide Dichtungsflanken 130, 132 sind beispielhaft gerade ausgeführt.

Die der Dichtseite gegenüberliegende Seite des Dichtungselements 100 wird als Stützseite bezeichnet. Sie ist im Ausführungsbeispiel spiegelsymmetrisch zur

Mittelachse 140 gestaltet und wird an ihrem niederdruck- und hochdruckseitigen Rand von jeweils einem vorstehenden Wulst 150 begrenzt. Die beiden Wulste 150 stützen sich an der Wandung der Bohrung 102 ab. Eine sich zu beiden Seiten der Mittelachse 140 erstreckende Aussparung 152 liegt zwischen beiden Wülsten 150 des Dichtungselements 100. Diese Aussparung 152 ist konkav nach innen gewölbt.

Die abgewandt von dem durch den Kolben 110 und durch das Zylinderelement 104 begrenzten Arbeitsraum 112 liegende Niederdruckseite des Dichtungsele- ments 100 ist beim Ausführungsbeispiel in Form einer geraden Flanke 154 ausgeführt.

Eine dem Arbeitsraum 112 zugewandte und als Hochdruckseite bezeichnete Seite des Dichtungselements 100 liegt dieser Niederdruckseite gegenüber. Die Hochdruckseite ist abschnittsweise als gerade Flanke 156 ausgebildet und mit einer angeformten Markierung 160 versehen. Letztere erlaubt es, eine lagegerechte Montage des Dichtungselements 100 zu gewährleisten bzw. ein fehlerhaft montiertes Dichtungselement 100 fest zu stellen. Die Markierung 160 ist exemplarisch anhand eines senkrecht von der Hochdruckseite des Dichtungselements 100 abstehenden, umlaufenden Wulstes realisiert. Der Wulst erstreckt sich in seinem Querschnitt lediglich über einen Teil der Hochdruckseite und geht ansatzfrei in die erste Dichtungsflanke 130 der Dichtseite über. Alternativ ließe sich die Markierung 160 auch in Form eines vorspringenden Noppens (nicht gezeigt) ausbilden. Das Begrenzungselement 108 weist auf seiner dem Dichtungselement 100 zugewandten Seite eine Aussparung 162 auf, in welche die Markierung 160 vollständig eingreift. Im dargestellten Zustand bewirkt die Markierung 160 deshalb keine Vergrößerung des zwischen dem Begrenzungselement 108 und dem Stützring 106 bestehenden Einbauraums. Selbstverständlich wäre es möglich, die Markierung 160 am Dichtungselement 100 alternativ auch als Ausnehmung auszubilden in die ein am Begrenzungselement 108 angeformter Wulst eingreift, um nicht lagegerecht montierte Dichtungselemente 100 anhand des vergrößerten Bauraumbedarfs für eine Montageeinheit aus Dichtungselement 100 und AnIa- geelement 108 fest zu stellen.

Die äußeren Abmessungen des Dichtungselements 100 sind auf die Innenabmessungen des Zylinderelements 104 bzw. auf die Außenabmessungen des Kolbens 110 derart abgestimmt, dass sich im drucklosen Zustand der Dichtungs- anordnung und bei nicht betätigtem, ruhendem Kolben 110 eine Verpressung des Dichtungselements 100 zwischen 8% und 25% einstellt. Das Maß der Verpressung drückt aus, dass die Schnurstärke S des Dichtungselements 100 im unbelasteten, nicht eingebauten Zustand zwischen 8% und 25% größer ist als die Differenz aus dem Innendurchmesser des Zylinderelements 104 und dem Außendurchmesser des Kolbens 110.

Das Verhältnis der Breite B zur Schnurstärke S des Dichtungselements 100 liegt im Bereich zwischen 0,5 und 2,0 sofern sich das Dichtungselement 100 im nicht druckbelasteten Zustand befindet. In Figur 1 ist der Querschnitt des Dichtungs- elements 100 im nicht verpressten und nicht druckbeaufschlagten Zustand gezeigt, da allein im derartigen Zustand das Querschnittsprofil deutlich zu erkennen ist.

Aufgrund der Verpressung des Dichtungselement 100 in Kombination mit den un- terschiedlich großen Flankenwinkeln 134, 136 der die Dichtlippe 138 bildenden

Dichtungsflanken 134, 136 stellt sich ein vordefinierter Kontaktdruckverlauf ein, mit dem das Dichtungselement 100 gegen die Umfangsfläche des Kolbens 110 gedrückt wird. Den maximalen Kontaktdruck übt das Dichtungselement 100 im Bereich seiner Dichtlippe 138 auf den Kolben 110 aus. In axialer Richtung dies- seits und jenseits der Dichtlippe 138 nimmt der Kontaktdruck kontinuierlich ab, wobei der Gradient der Kontaktdruckabnahme direkt im Zusammenhang mit der Größe des Flankenwinkels 134, 136 der zugeordneten Dichtflanken 130, 132 steht und mit dem Flankenwinkel innerhalb des zuvor angegebenen Winkelbereichs kontinuierlich zunimmt. Dies bedeutet, dass Dichtflanken mit großem Flankenwinkel einen steileren Abfall des Kontaktdrucks (großer Gradient) bewirken, als Dichtflanken kleineren Flankenwinkels (kleinerer Gradient). Wie bereits erwähnt, weist die hochdruckseitige Dichtflanke 130 einen größeren Flankenwinkel 134 und damit einen größeren Gradienten auf als die niederdruckseitige Dichtflanke 132.

Die unterschiedlichen Gradienten bewirken bei einer Bewegung des Kolbens 110 in Richtung Hochdruckseite, d. h. beim Einfahren des Kolbens 110 in den Arbeitsraum 112, eine vergleichsweise hohe Schleppströmung. Zuvor ausgetretenes Druckmittel kann dadurch in diesen vom Kolben 110 und vom Zylinderele- ment 104 begrenzten Arbeitsraum 112 zurück gefördert werden.

Die Außenseiten des Dichtungselements 100 gehen an ihren jeweiligen Rändern kontinuierlich, das heißt ohne Absätze, Stufen, spitze Kanten oder dergleichen ineinander über. Ein kontinuierlicher Übergang ermöglicht einerseits eine gute Entformbarkeit des Dichtungselements 100 aus seiner Form bei der Herstellung und wirkt sich darüber hinaus vorteilhaft hinsichtlich der Abdichteigenschaften des Dichtungselements 100 unter Einsatzbedingungen aus.

Das in der Fig. 2 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel eines Dichtungselements 200 weist ebenfalls eine von zwei konvergierenden Dichtflanken 202, 204 unterschiedlicher Flankenwinkel 206, 208 und einer dazwischen liegenden Dichtlippe 210 gebildete Dichtseite auf. Bezüglich dieser Dichtseite und weiterhin bezüglich der Stützseite ist das Dichtungselement 200 zum Dichtelement 100 (Figur 1) i- dentisch ausgebildet. Dementsprechend weist die Stützseite wiederum randseitig angeordnete Wulste 220, 222 und eine zwischen diesen Wülsten 220, 222 platzierte, konkav nach innen gewölbte Aussparung 224 auf.

Der Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die vom Arbeitsraum 112 abgewandte Niederdruckseite beim zweiten Ausführungsbei- spiel nach außen gewölbt ist, wobei sich die vorgesehene Wölbung 212 über die gesamte Ausdehnung dieser Niederdruckseite erstreckt. Weiterhin weist das Dichtungselement 200 eine der Niederdruckseite gegenüberliegende Hochdruckseite mit an ihren beiden Rändern, vergleichbar zur Stützseite, vorspringenden Wülsten 214 und einer zwischen diesen Wülsten 214 angeordneten, konkav nach innen gewölbten Aussparung 216 auf. Die Übergänge an den Rändern der

Außenseiten des Dichtungselements 200 erfolgen auch bei diesem Ausführungsbeispiel kontinuierlich, so dass sich speziell am Übergang von der Hochdruckseite zur Stützseite dieses Dichtungselements 200 eine verhältnismäßig schlanke und dementsprechend besonders elastische Dichtlippe 218 ausbildet. Letztere gestattet eine besonders wirksame Abdichtung des Arbeitsraums 112 bei steigender Druckbeaufschlagung.

Weil ein Dichtungselement 200 stark unterschiedlich geformte Hoch- und Niederdruckseiten aufweist, reduziert sich die Gefahr einer nicht lagegerechten Mon- tage. Das Dichtungselement 200 kommt daher ohne Markierung aus, um eine versehentlich nicht lagegerechten Montage feststellen zu können.

Selbstverständlich sind Änderungen oder Ergänzungen an den beschriebenen Ausführungsbeispielen denkbar, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzu- weichen. Dahingehend ist anzumerken, dass Figur 1 ein Dichtungselement 100 zeigt, das ortsfest am Zylinderelement 104 angeordnet ist und dessen Dichtseite am Innenumfang (Innendichtungselement) ausgebildet ist. Ebenso wäre jedoch ein sogenanntes außen dichtendes Dichtungselement 100 vorstellbar, dessen Dichtseite sich am Außenumfang befindet. Außendichtungselemente sind am Kolbenelement 110 anzuordnen und führen gemeinsam mit diesem eine Hubbewegung H relativ zum Zylinderelement 104 aus.

Die beschriebenen Ausführungsvarianten von Dichtungselementen eignen sind insbesondere für einen Einsatz bei Kolbenpumpen oder Druckspeichern in Hyd- roaggregaten schlupfregelbarer hydraulischer Fahrzeugbremsanlagen.

Ansprüche

Claims

Ansprüche

1. Dichtungsanordnung aus einem Zylinderelement (104), einem im Zylinderelement (104) aufgenommenen und zu einer axialen Hin- und Herbewegung antreibbaren Kolben (110) und einem Dichtungselement (100; 200) zur Ab- dichtung eines vom Kolben (110) und vom Zylinderelement (104) begrenzten

Arbeitsraums (112), wobei das Dichtungselement (100; 200) eine Dichtseite, eine der Dichtseite gegenüberliegende Stützseite, eine dem abzudichtenden Arbeitsraum (112) zugewandte Hochdruckseite und eine vom Arbeitsraum (112) abgewandt liegende Niederdruckseite aufweist und wobei die Dichtseite wenigstens eine, von zwei konvergierenden Dichtflanken (130, 132; 202, 204) unterschiedlich großer Flankenwinkel (134, 136; 206, 208) gebildete Dichtlippe (138; 210) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (100; 200) ein einteilig ausgeführtes Bauteil ist, das aus einem einheitlichen Elastomermaterial, vorzugsweise aus EPDM, besteht und dass die Stützseite des Dichtungselements (100; 200) wenigstens eine, von vorspringenden Wülsten (150) begrenzte Aussparung (152; 224; 328) aufweist.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wulste jeweils an den äußeren Rändern der Stützseite angeordnet sind.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützseite des Dichtungselements (100; 200) spiegelsymmetrisch zu einer Mittelachse (140; 230) ausgebildet ist, die quer zur Richtung einer Hubbewegung (H) des Kolbens (110) verläuft.

4. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verpressung des Dichtungselements (100; 200; 300) im montierten, hydraulisch nicht beaufschlagten Zustand zwischen 8 % und 25 % beträgt.

5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (100; 200; 300) im nichteingebauten und im nicht druckbelasteten Zustand einen Breiten-/Schnurstärken- Verhältnis (B:S) von 0,5 bis 2,0 aufweist.

6. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der größere Flankenwinkel (134; 206) der Dichtflanke (130; 202) einer Dichtlippe (138; 210) 50° bis 70° beträgt und dass der kleinere Flankenwinkel (136; 208) 10° bis 45° beträgt.

7. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, das Dichtungselement (100) wenigstens eine Markierung (160) zur Feststellung einer lagerichtigen Montage dieses Dichtungselements (100) aufweist.

8. Dichtungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Markierung (160) auf der Hochdruckseite des Dichtungselements (100) angeordnet und in Form eines vom Dichtungselement (100) abstehenden, umlaufenden Wulstes ausgebildet ist.

9. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (100; 200) eingesetzt ist bei einer Kolbenpumpe und/oder einem Druckspeicher eines Hydroaggregats einer schlupfregelbaren hydraulischen Fahrzeugbremsanlage.