WO2012107279A2 - Dichtungselement für kreiskolbenmaschine - Google Patents

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WO2012107279A2
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Uwe Koch
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Markus Alber
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Elringklinger Ag
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    • F05C2225/04—PTFE [PolyTetraFluorEthylene]

Definitions

  • the present invention relates to a sealing element for a rotary piston machine for sealing a run in an annular gap, rotatable about a rotation axis lever, wherein the sealing element is rotationally symmetrical with respect to the axis of rotation.
  • a rotary piston engine is z. As described in the published patent application DE 10 2007 001 021 AI. This comprises an annular channel, which is curved along an at least partial arc of a circle, and in which a piston can be displaced by pressurization with a fluid in a movement along the circular arc. This movement is transmitted via a lever connected to the piston on a rotary body having a coaxial with the annular channel axis of rotation. With the rotary piston engine, a torque can thus be directly generated by hydraulic forces, in contrast to a conventional hydraulic piston, which generates a linear force.
  • the lever is designed as a substantially circular traction sheave, which rotates with the piston about the axis of rotation and the edge region is guided in an annular gap in the wall of the annular channel.
  • this annular gap must extend over the entire length of the circular arc which is to be available for a movement of the piston, ie in extreme cases along the entire circumference of a circle.
  • This places high demands on the required sealing of the annular channel against leakage of the hydraulic fluid between the walls of the annular channel and the lever.
  • the tightness must be ensured both in the static state (stop of the piston and the lever) and in the dynamic state (movement of the piston and the lever) as well as under pressure. be guaranteed different pressures of the hydraulic fluid, which may typically be up to about 150 bar.
  • the sealing element of the aforementioned type in that the sealing element comprises a dynamic range and a static range
  • the dynamic range has an axial sealing surface facing the annular gap, and a radial sealing surface facing the interior of an annular channel surrounding the annular gap of the rotary piston engine;
  • the static region is used for fixing the sealing element to the rotary piston machine, and wherein in the static region, a channel is formed, which is acted upon by a fluid.
  • two sealing elements For sealing the lever of a rotary piston engine two sealing elements according to the invention are respectively provided, which are arranged on opposite sides of the annular gap and abut the axial sealing surfaces on opposite surfaces of the disc-shaped lever.
  • the sealing elements are fixed to the rotary piston engine by e.g. are received in corresponding recesses of the wall of the annular channel.
  • the dynamic region along whose axial and radial sealing surface the lever or the piston slides during operation of the rotary piston engine, must assume the seal with respect to the hydraulic fluid.
  • the contact pressure or surface pressure between the sealing surfaces and the moving parts must therefore be at least as great as the pressure of the hydraulic fluid on the pressurized side of the piston (system pressure).
  • the contact pressure should not be too high to avoid unnecessary friction losses.
  • the thus required variation of the contact pressure is effected according to the invention characterized in that the formed in the static region of the sealing member channel is acted upon by the pressurized hydraulic fluid.
  • This loading is thus carried out from the static side (via corresponding feeds for the hydraulic fluid), wherein the pressure in the channel is transferred from the static region to the dynamic region of the sealing element and thus a counter-pressure acting on the sealing surfaces is generated.
  • the contact pressure of the sealing element increases in accordance with the pressure of the hydraulic fluid in the annular channel, against which the seal is to take place.
  • the sealing effect of the sealing element according to the invention is thus more or less self-regulating when the channel is exposed to the hydraulic fluid.
  • the self-regulating effect in the application of the channel with the hydraulic fluid can be adjusted so that both in the static and in the dynamic state a sufficient contact force is present, for.
  • a surface pressure which is about 10% above the system pressure.
  • the dynamic range and the static range of the sealing element according to the invention may consist of the same material.
  • the sealing element may be formed in one piece in this case in particular. Suitable materials are in particular fluoropolymers such as PTFE or TFE copolymers in question.
  • the sealing element comprises a first sealing part, which forms the dynamic range, and a second sealing part, which forms the static area.
  • the second sealing part is connected along the sealing surfaces opposite sides of the first sealing member with this.
  • the first and second sealing parts are each rotationally symmetrical with respect to the axis of rotation, i.
  • the sealing element has in each case substantially the same cross-sectional shape along various planes containing the axis of rotation. According to the annular channel of the rotary piston engine, the sealing element may extend along the entire circumference of a circle, i. be annular, or only along a partial arc.
  • the immediate dynamic sealing function is adopted in the two-piece embodiment of the sealing element according to the invention by the first sealing part.
  • This is preferably formed from a non-elastomeric fluoropolymer.
  • Fluoropolymers in particular PTFE or TFE copolymers (see below), are distinguished by high abrasion resistance, high chemical and thermal resistance and low frictional resistance. The latter property is essential because the axial sealing surface of the first sealing part extends over the entire extent of the lever in the circumferential direction and is therefore relatively large. Excessively high friction would lead to considerable losses in power transmission as well as heavy lever wear.
  • the non-elastomeric fluoropolymers also have, in particular, a low distribution of frictional force, ie the static friction and the sliding friction are approximately the same or differ only insignificantly. As a result, an undesirable stick-slip effect, ie a jerky initiation of movement of the piston, can be largely avoided.
  • the dynamic range or the first sealing part of the sealing element according to the invention also has a radial sealing surface through which this seal is supplemented.
  • the radial sealing surface forms a part of the peripheral surface of the annular channel and is in each case partially against the piston, which moves along the annular channel.
  • the radial sealing surface thus contributes (in addition to the seal of the piston) for sealing the pressurized side of the piston against the non-pressurized side.
  • the axial sealing surface and the radial sealing surface abut each other along an edge, which is formed in a circle or in the form of a partial circular arc. This edge runs along the outer circumference of the lever.
  • the second sealing part is preferably formed of an elastomeric material in a two-piece sealing element according to the invention. This achieves a certain bias, i. the first sealing part is pressed against the lever due to the elastic properties of the second sealing part. This contact force is sufficient at least for the static state of the rotary piston engine, i. for the case when the piston is not in motion and the fluid imparting the movement is not or only slightly pressurized.
  • the axial sealing surface of the dynamic region or of the first sealing part can lie in a plane perpendicular to the axis of rotation.
  • the entire axial sealing surface bears against the surface of the lever, which is also perpendicular to the axis of rotation.
  • the axial sealing surface is inclined with respect to a plane perpendicular to the axis of rotation.
  • the axial sealing surface is then only in the region of the edge between the axial and the radial sealing surface on the surface of the lever.
  • the dynamic range is slightly deformed by the action of the channel with the hydraulic fluid and the inclined axial sealing surface pressed in the direction of the lever, ie, the effective sealing surface is continuously increased with increasing hydraulic pressure until the entire axial sealing surface bears against the lever.
  • the inclination of the axial sealing surface is desirably not more than 8 °, with an inclination in the range of 1 ° to 3 ° being particularly preferred.
  • the choice of the appropriate angle of inclination is i.a. also depends on the material chosen (eg on the nature of the non-elastomeric fluoropolymer of the first seal part).
  • the axial sealing surface has one or more grooves.
  • the effective sealing surface can be reduced or distributed over a larger area in the radial direction, which is particularly advantageous in order to adapt the extent of the axial sealing surface to the geometry of the channel formed in the static region.
  • the grooves may be arranged concentrically around the axis of rotation or have a twist to return hydraulic fluid which has penetrated between the sealing surface and the lever, by the rotation of the lever in the direction of the annular channel.
  • the grooves may also serve as a reservoir for a lubricant (e.g., grease) applied to the sealing surface.
  • the non-elastomeric fluoropolymer of the first seal member preferably comprises, as already mentioned above, a homopolymeric PTFE or a copolymer of tetrafluoroethylene with at least one comonomer.
  • the at least one comonomer is preferably selected from hexafluoropropylene, perfluoroalkyl vinyl ethers, perfluoro (2,2-dimethyl-l, 3-dioxole) and chlorotrifluoroethylene.
  • Hompolymeres PTFE is characterized by an extremely high thermal and chemical resistance and by a very low coefficient of friction, whereby it can be used advantageously in the context of the present invention.
  • PTFE although it is a thermoplastic polymer, due to its extremely high melt viscosity is not from the melt, so z. B. by injection molding, processable.
  • a first sealing part made of PTFE can be produced in particular by machining (eg turning).
  • Copolymers of tetrafluoroethylene and the above-mentioned fluorine compounds are referred to as a modified PTFE at a relatively low comonomer content, which is also not melt-processible. However, with a slight increase in the comonomer content, it is possible to obtain melt-processible fluoropolymers while retaining the advantageous properties of the PTFE almost completely.
  • Such copolymers are z.
  • a first sealing part made of such a material may e.g. produced by injection molding, which is more efficient in terms of production technology than a machining operation.
  • a melt processable TFE copolymer having a melting point in the range 315-324 ° C is offered by the ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH under the trademark Moldflon ®.
  • the fluoropolymer may additionally contain one or more fillers.
  • fillers are known in the art and include, for. As graphite, carbon fibers, molybdenum sulfide and high-performance thermoplastics such.
  • polyether ketones As polyether ketones, polyphenylene sulfides, polyetherimides, etc.
  • type and amount of fillers depends in particular on the type of fluoropolymer used.
  • the elastomeric material of the second sealing part preferably comprises a thermoplastic elastomer, in particular an elastomeric polyurethane.
  • Elastomeric polyurethane has sufficient elasticity to provide the necessary preload of the sealing element in the static state, but at the same time it is hard enough to be machined.
  • the thermoplastic property allows production of the second sealing part, for example by means of injection molding.
  • elastomeric polyurethane has high chemical resistance, compressive strength and wear resistance.
  • thermoplastic elastomers in principle other, typically non-thermoplastic elastomers with a sufficient chemical resistance to the hydraulic fluid can be used for the second sealing part in the context of the invention, such as.
  • fluororubber nitrile rubber, silicone rubber or EPDM.
  • the first and second sealing parts of the sealing element according to the invention may be connected together in different ways, e.g. by a form or adhesion.
  • the two sealing parts are materially connected to one another.
  • a cohesive connection ensures a lasting stability of the sealing element and for the best possible transmission of force between the first and the second sealing part, in particular also when the channel of the second sealing part with the hydraulic fluid.
  • the two sealing parts can be glued together, for example, by means of a suitable adhesive or adhesion promoter.
  • a suitable adhesive or adhesion promoter In the case of the fluoropolymers of the first sealing part, however, this often requires a preceding surface treatment, for example by means of plasma etching or by means of sodium ammonia etching. It is particularly favorable if the second sealing part is melted onto the first sealing part. This requires corresponding thermoplastic properties of the material of the second sealing part, as they are for. B. are given in elastomeric polyurethane. An additional adhesive can be dispensed with in this case.
  • first and the second sealing part are produced by coextrusion of the non-elastomeric fluoropolymer and the elastomeric material.
  • both materials are thermoplastically processable, which is the case in particular when using a thermoplastic TFE copolymer for the first sealing part.
  • the production of such a sealing element is particularly efficient since neither of the two sealing parts has to be produced by machining (eg turning).
  • the channel formed in the static portion and in the second sealing portion, respectively makes it possible to increase the pressing force of the axial sealing surface to the surface of the lever by introducing the pressurized hydraulic fluid into the channel.
  • this also applies, albeit to a lesser extent, to the contact force of the radial sealing surface (or a portion of the radial sealing surface) on the piston.
  • the channel runs along its circumferential direction, in accordance with the rotational symmetry of the sealing element, and the delivery of the fluid is conveniently effected via one or more fluid feeds in the wall of the annular channel of the rotary piston machine ending in the recess receiving the sealing element.
  • the channel is closed towards the first sealing part.
  • the fluid introduced into the channel does not come into contact with the first sealing part, but the force transmission takes place over a region of the elastomeric material of the second sealing part.
  • This design allows the channel to open outwardly along the entire circumference of the sealing member without the second sealing member losing its structural integrity.
  • the second sealing part can be produced by injection molding as well as by machining (eg turning) without any special effort.
  • the channel formed in the second sealing part can be undercut, in such a way that widens the bottom portion of the channel in the direction of the radial sealing surface of the first sealing part.
  • the thickness of the elastic material between the channel and the first sealing member is reduced in the radial direction and the pressing force of the radial sealing surface due to the pressurization of the channel is enhanced.
  • the channel formed in the second sealing part is open towards the first sealing part.
  • the hydraulic fluid introduced into the channel comes into direct contact with the first sealing part, in particular with a region of the first sealing part having the axial sealing surface, so that the force transmission is particularly effective.
  • the channel may not be open to the outside along the entire circumference of the sealing member, otherwise the second sealing member would lose its structural integrity.
  • one or more apertures are provided in the second sealing member, which preferably extend axially through the second sealing member and terminate in the channel.
  • the channel is delimited by a cross-sectionally trough-shaped metal profile which is likewise open toward the first sealing part.
  • the metal profile is gives a steel profile.
  • the sealing element according to the invention is particularly suitable for use in a rotary piston machine, as described for example in DE 10 2007 001 021 AI.
  • the present invention thus also relates to a rotary piston machine having at least one annular channel curved along an at least partially circular arc, in which a piston is movably supported, and an annular gap introduced into the wall of the annular channel, in which a lever rotatable about a rotation axis coaxial with the annular channel is guided, wherein the rotary piston machine comprises at least two sealing elements according to the invention, which are received in corresponding recesses of the wall of the annular channel, so that the axial sealing surfaces of the two sealing elements are respectively oriented towards opposite surfaces of the lever and the radial sealing surfaces of the sealing elements to the interior of the annular channel oriented and abuts a portion of the radial sealing surfaces on the piston.
  • the sealing elements are held positively and / or non-positively in the recesses of the wall of the annular channel. It is particularly advantageous if the sealing elements are glued into the recesses, since in this way a particularly stable connection can be created.
  • the bond creates, in particular, a rotationally secure fixing of the sealing elements. opposite the wall.
  • a polyurethane adhesive is preferably used, in particular if the second sealing part is formed from an elastomeric polyurethane.
  • Figure 1 a first embodiment of a sealing element according to the invention
  • FIG. 2 shows a detail of a rotary piston machine according to the invention with two sealing elements according to FIG. 1;
  • Figure 3 a second embodiment of a sealing element according to the invention.
  • Figure 4 a third embodiment of a sealing element according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a sealing element according to the invention, which is designated as a whole with 10.
  • the sealing element 10 is rotationally symmetrical in the form of a ring or a partial circular arc, wherein in the figure 1, a cross section along a plane containing the axis of rotation is shown.
  • FIG. 2 shows a section of a rotary piston machine 12 according to the invention, which has two sealing elements 10 according to the invention as shown in FIG 1 includes. Structure and function of such a rotary piston engine are described in detail in DE 10 2007 001 021 AI.
  • the sealing element 10 comprises a first sealing part 14 and a second sealing part 16, both of which are rotationally symmetrical with respect to the axis of rotation.
  • the first sealing part 14 forms a dynamic range and the second sealing part 16 forms a static area of the two-piece sealing element 10.
  • the first sealing member 14 is formed of a non-elastomeric fluoropolymer (eg, PTFE or a melt-processable TFE copolymer), and the second sealing member 16 is formed of an elastomeric material (e.g., an elastomeric polyurethane).
  • the two sealing parts 14 and 16 are integrally connected to each other, for. B. by melting the second seal member 16 on the first seal member 14.
  • the seal member 10 may also be prepared by coextrusion of the two seal parts 14 and 16.
  • the first sealing member 14 includes a radial portion 18 having a radial sealing surface 20 and an axial portion 22 having an axial sealing surface 24.
  • the radial sealing surface 20 and the axial sealing surface 24 abut each other along an edge 26, the edge 26 being annular ,
  • the second sealing part 16 is radially offset in relation to the radial region 18 and axially relative to the axial region 22.
  • the axial sealing surfaces 24 of the two sealing elements 10 are respectively oriented towards opposite surfaces 28 of a lever 30.
  • the lever 30 is a substantially circular traction sheave which is fixedly connected on the one hand to a piston 32 and on the other hand to a rotary body (eg a shaft) not shown in FIG.
  • the piston 32 is movably mounted in an annular channel 34, and the lever 30 is rotatably guided in an annular gap 36 which is introduced into the wall 38 of the annular channel 32, about the axis of rotation.
  • the axial sealing surface 24 of the first sealing member 14 is inclined relative to a plane perpendicular to the axis of rotation, which corresponds to the surface 28 of the lever 30 by an angle of about 2 °.
  • the axial sealing surface 24 In the unpressurized state of the sealing member 10 is therefore the axial sealing surface 24 only in the region of the edge 26 on the surface 28, which is sufficient for a seal against the hydraulic fluid in the annular channel 34 in the static, ie unpressurized state.
  • the axial sealing surface 24 has a plurality of grooves 40, whereby the effective sealing surface can be reduced or distributed over a larger area in the radial direction.
  • the radial sealing surface 20 of the first sealing part 14 faces the interior of the annular channel 34 and abuts the piston 32 in sections.
  • the radial sealing surface 20 thus contributes to the sealing of the pressurized side of the piston 32 to the non-pressurized side.
  • a channel 42 is formed, which extends along the entire circumference of the sealing element 10.
  • the channel 42 is closed to the first seal member 14 and open to the outside throughout.
  • the channel 42 is acted upon by one or more fluid feeds 43 in the wall 38 with the pressurized hydraulic fluid.
  • a force is transmitted to the axial region 22 of the first sealing part 14 (and to a lesser extent to the radial region 18), so that the inclination of the axial sealing surface 24 is increasingly lifted and finally the entire axial sealing surface 24 on the surface 28 of the lever 30th is applied.
  • the sealing effect of the sealing element 10 according to the invention thus increases in accordance with the pressure of the hydraulic fluid to be sealed in the annular channel 34 of the rotary piston engine 12.
  • the sealing element 10 of the invention allows by its structure and the choice of materials an optimal sealing effect both in the static state (due to the bias of the elastic material of the second sealing part 16) as well as in the dynamic state (by the pressurization of the channel 42).
  • the sealing elements 10 are received in corresponding recesses 44 of the wall 38 of the annular channel 34 and held there positively and / or non-positively.
  • the sealing elements 10 are glued into the recesses 44, z. B. by means of a polyurethane adhesive.
  • FIG 3 shows a second embodiment of a sealing element according to the invention, which is designated as a whole with 50.
  • the seal member 50 is constructed in accordance with the seal member 10 according to the first embodiment except for the differences described below, wherein the same or corresponding elements are respectively provided with the same reference numeral.
  • the radial sealing surface 20 of the sealing element 50 has a smaller extent in the axial direction, i. the radial sealing surface 20 is smaller.
  • the channel 42 is undercut in the second sealing part 16, i. the bottom portion 52 of the channel 42 has an extension 54 in the radial outward direction.
  • FIG. 4 shows a third exemplary embodiment of a sealing element according to the invention, which as a whole is designated 60.
  • the sealing element 60 also corresponds to the sealing element 10 according to the first exemplary embodiment except for the differences in construction described below.
  • the channel 42 formed in the second sealing part 16 is open toward the first sealing part 14 and is delimited by a steel profile 62, which is trough-shaped in cross-section and likewise open toward the first sealing part 14.
  • the pressure of the introduced into the channel 42 hydraulic fluid is transmitted directly to the axial portion 22 of the first seal member 14.
  • the steel profile 62 prevents deformation of the elastic material of the second sealing part 16 by the pressure of the hydraulic fluid.
  • the steel profile 62 protects the channel 42 from being adversely affected when the second sealing part 16 melts onto the first sealing part 14.
  • the channel 42 is closed outwards along the circumference of the second sealing part 16.
  • the introduction of the fluid into the channel 42 via one or more holes 64 which extend in the axial direction through the second sealing member 16 and the steel profile 62.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dichtungselement für eine Kreiskolbenmaschine zur Abdichtung eines in einem Ringspalt geführten, um eine Drehachse rotierbaren Hebels, wobei das Dichtungselement rotationssymmetrisch in Bezug auf die Drehachse ausgebildet ist. Das Dichtungselement umfasst einen dynamischen Bereich und einen statischen Bereich, wobei der dynamische Bereich eine axiale Dichtfläche aufweist, die dem Ringspalt zugewandt ist, und eine radiale Dichtfläche, die dem Inneren eines den Ringspalt umgebenden Ringkanals der Kreiskolbenmaschine zugewandt ist; und wobei der statische Bereich zur Festlegung des Dichtungselements an der Kreiskolbenmaschine dient, und wobei in dem statischen Bereich ein Kanal ausgebildet ist, der mit einem Fluid beaufschlagbar ist.

Description

Dichtungselement für Kreiskolbenmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dichtungselement für eine Kreiskolbenmaschine zur Abdichtung eines in einem Ringspalt geführten, um eine Drehachse rotierbaren Hebels, wobei das Dichtungselement rotationssymmetrisch in Bezug auf die Drehachse ausgebildet ist.
Eine Kreiskolbenmaschine ist z. B. in der Offenlegungsschrift DE 10 2007 001 021 AI beschrieben. Diese umfasst einen Ringkanal, der entlang eines zumindest teilweisen Kreisbogens gekrümmt ist, und in dem ein Kolben durch Druckbeaufschlagung mit einem Fluid in eine Bewegung entlang des Kreisbogens versetzt werden kann. Diese Bewegung wird über einen mit dem Kolben verbundenen Hebel auf einen Drehkörper übertragen, der eine mit dem Ringkanal koaxiale Drehachse aufweist. Mit der Kreiskolbenmaschine kann somit durch hydraulische Kräfte unmittelbar ein Drehmoment erzeugt werden, im Gegensatz zu einem herkömmlichen Hydraulikkolben, der eine lineare Kraft erzeugt.
Bei einer derartigen Kreiskolbenmaschine ist der Hebel als eine im Wesentlichen kreisrunde Treibscheibe ausgebildet, die mit dem Kolben um die Drehachse rotiert und deren Randbereich in einem Ringspalt in der Wandung des Ringkanals geführt wird. Dieser Ringspalt muss sich prinzipbedingt über die gesamte Länge des Kreisbogens, der für eine Bewegung des Kolbens zur Verfügung stehen soll, ausdehnen, d.h. im Extremfall entlang des gesamten Um- fangs eines Kreises. Dies stellt hohe Anforderungen an die erforderliche Abdichtung des Ringkanals gegen ein Austreten des Hydraulikfluids zwischen den Wandungen des Ringkanals und dem Hebel . Dabei muss die Dichtigkeit sowohl im statischen Zustand (Stillstand des Kolbens und des Hebels) als auch im dynamischen Zustand (Bewegung des Kolbens und des Hebels) sowie bei unter- schiedlichen Drücken des Hydraulikfluids, die typischerweise bis zu ca. 150 bar betragen können, gewährleistet sein.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dichtungselement für eine derartige Kreiskolbenmaschine vorzuschlagen, mit dem diese Anforderungen in hohem Maße erfüllt werden können.
Diese Aufgabe wird bei dem Dichtungselement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Dichtungselement einen dynamischen Bereich und einen statischen Bereich umfasst,
wobei der dynamische Bereich eine axiale Dichtfläche aufweist, die dem Ringspalt zugewandt ist, und eine radiale Dichtfläche, die dem Innenraum eines den Ringspalt umgebenden Ringkanals der Kreiskolbenmaschine zugewandt ist; und
wobei der statische Bereich zur Festlegung des Dichtungselements an der Kreiskolbenmaschine dient, und wobei in dem statischen Bereich ein Kanal ausgebildet ist, der mit einem Fluid beaufschlagbar ist.
Zur Abdichtung des Hebels einer Kreiskolbenmaschine sind jeweils zwei erfindungsgemäße Dichtungselemente vorgesehen, die an gegenüberliegenden Seiten des Ringspalts angeordnet sind und deren axiale Dichtflächen an gegenüberliegenden Oberflächen des scheibenförmigen Hebels anliegen. Die Dichtungselemente sind an der Kreiskolbenmaschine festgelegt, indem sie z.B. in korrespondierenden Aussparungen der Wandung des Ringkanals aufgenommen sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Dichtungselement muss der dynamische Bereich, an dessen axialer und radialer Dichtfläche der Hebel bzw. der Kolben beim Betrieb der Kreiskolbenmaschine entlanggleiten, die Abdichtung gegenüber dem Hydraulikfluid übernehmen. Die Anpresskraft bzw. Flächenpressung zwischen den Dichtflächen und den beweglichen Teilen muss also mindestens so groß sein wie der Druck des Hydraulikfluids auf der druckbeaufschlagten Seite des Kolbens (Systemdruck). Andererseits sollte die Anpresskraft aber auch nicht zu hoch sein, um unnötige Reibungsverluste zu vermeiden.
Die somit erforderliche Variierung der Anpresskraft wird erfindungsgemäß dadurch bewirkt, das der in dem statischen Bereich des Dichtungselements ausgebildete Kanal mit dem unter Druck stehenden Hydraulikfluid beaufschlagt wird. Diese Beaufschlagung erfolgt also von der statischen Seite her (über entsprechende Zuführungen für das Hydraulikfluid), wobei der Druck in dem Kanal von dem statischen Bereich auf den dynamischen Bereich des Dichtungselements übertragen wird und somit ein auf die Dichtflächen wirkender Gegendruck erzeugt wird. Auf diese Weise erhöht sich die Anpresskraft des Dichtungselements entsprechend dem Druck des Hydraulikfluids in dem Ringkanal, gegen das die Abdichtung erfolgen soll . Die Dichtwirkung des erfindungsgemäßen Dichtungselements ist somit - bei Beaufschlagung des Kanals mit dem Hydraulikfluid - mehr oder weniger selbstregulierend.
Durch eine entsprechende Auslegung der Geometrie des Dichtungselements sowie die Wahl der verwendeten Materialien, auf die im Folgenden noch näher eingegangen wird, kann die selbstregulierende Wirkung bei der Beaufschlagung des Kanals mit dem Hydraulikfluid so angepasst werden, dass sowohl im statischen als auch im dynamischen Zustand jeweils eine ausreichende Anpresskraft vorliegt, z. B. eine Flächenpressung, die etwa 10% über dem Systemdruck liegt.
Der dynamische Bereich und der statische Bereich des erfindungsgemäßen Dichtungselements können aus demselben Material bestehen. Das Dichtungselement kann in diesem Fall insbesondere einstückig ausgebildet sein. Als geeignete Materialien kommen dabei insbesondere Fluorpolymere wie PTFE oder TFE-Copolymere in Frage.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Dichtungselement ein erstes Dichtungsteil, welches den dynamischen Bereich bildet, und ein zweites Dichtungsteil, welches den statischen Bereich bildet. Das zweite Dichtungsteil ist dabei entlang der den Dichtflächen gegenüberliegenden Seiten des ersten Dichtungsteils mit diesem verbunden. Eine solche zweistückige Ausbildung des Dichtungselements ermöglicht die Verwendung unterschiedlicher Materialien für den dynamischen und den statischen Bereich, sodass die Eigenschaften der beiden Bereiche im Wesentlichen unabhängig voneinander optimiert und eine besonders vorteilhafte Funktionstrennung ermöglicht wird.
Das erste und das zweite Dichtungsteil sind jeweils rotationssymmetrisch in Bezug auf die Drehachse ausgebildet, d.h. das Dichtungselement weist entlang verschiedener die Drehachse enthaltender Ebenen jeweils im Wesentlichen dieselbe Querschnittsform auf. Entsprechend dem Ringkanal der Kreiskolbenmaschine kann sich das Dichtungselement entlang des gesamten Umfangs eines Kreises erstrecken, d.h. ringförmig ausgebildet sein, oder nur entlang eines teilweisen Kreisbogens.
Die unmittelbare dynamische Dichtungsfunktion wird bei der zweistückigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtungselements durch das erste Dichtungsteil übernommen. Dieses ist bevorzugt aus einem nicht-elastomeren Fluorpolymer gebildet. Fluorpolymere, insbesondere PTFE oder TFE-Copoly- mere (siehe unten), zeichnen sich durch eine hohe Abriebfestigkeit, eine hohe chemische und thermische Widerstandsfähigkeit sowie einen geringen Reibungswiderstand aus. Letztere Eigenschaft ist von wesentlicher Bedeutung, da sich die axiale Dichtfläche des ersten Dichtungsteils über die gesamte Ausdehnung des Hebels in Umfangsrichtung erstreckt und somit relativ groß ist. Eine zu hohe Reibung würde zu erheblichen Verlusten bei der Kraftübertragung sowie zu einem starken Verschleiß des Hebels führen.
Die nicht-elastomeren Fluorpolymere weisen insbesondere auch eine geringe Reibkraftstreuung auf, d.h. die Haft- und die Gleitreibung sind in etwa gleich oder unterscheiden sich nur unwesentlich. Dadurch kann ein unerwünschter Stick-Slip-Effekt, also ein ruckartiges Inbewegungsetzen des Kolbens, weitgehend vermieden werden. Neben der axialen Dichtfläche, die ganz oder teilweise an der Oberfläche des Hebels anliegt und damit den wesentlichen Teil der Abdichtung des Ringkanals nach außen übernimmt, weist der dynamische Bereich bzw. das erste Dichtungsteil des erfindungsgemäßen Dichtungselements auch eine radiale Dichtfläche auf, durch die diese Abdichtung ergänzt wird. Die radiale Dichtfläche bildet dabei einen Teil der Umfangsfläche des Ringkanals und liegt jeweils abschnittsweise an dem Kolben an, der sich entlang des Ringkanals bewegt. In diesem Abschnitt trägt die radiale Dichtfläche somit (neben der Dichtung des Kolbens) zur Abdichtung der druckbeaufschlagten Seite des Kolbens gegenüber der nicht-druckbeaufschlagten Seite bei .
Die axiale Dichtfläche und die radiale Dichtfläche stoßen entlang einer Kante aneinander, die kreisförmig bzw. in Form eines teilweisen Kreisbogens ausgebildet ist. Diese Kante verläuft entlang des Außenumfangs des Hebels.
Das zweite Dichtungsteil ist bei einem zweistückigen erfindungsgemäßen Dichtungselement bevorzugt aus einem elastomeren Material gebildet. Dadurch wird eine gewisse Vorspannung erreicht, d.h. das erste Dichtungsteil wird aufgrund der elastischen Eigenschaften des zweiten Dichtungsteils an den Hebel angepresst. Diese Anpresskraft ist zumindest für den statischen Zustand der Kreiskolbenmaschine ausreichend, d.h. für den Fall, wenn der Kolben nicht in Bewegung ist und das die Bewegung vermittelnde Fluid nicht oder nur mit einem geringen Druck beaufschlagt ist.
Die axiale Dichtfläche des dynamischen Bereichs bzw. des ersten Dichtungsteils kann in einer zur Drehachse senkrechten Ebene liegen. In diesem Fall liegt bereits im statischen Zustand (d.h. ohne Druckbeaufschlagung des Kanals) die gesamte axiale Dichtfläche an der Oberfläche des Hebels an, die ebenfalls senkrecht zur Drehachse ist. Häufig ist jedoch eine so große effektive Dichtfläche im statischen Fall nicht erforderlich. Daher ist es bevorzugt, wenn die axiale Dichtfläche gegenüber einer zu der Drehachse senkrechten Ebene geneigt ist. Im statischen, d.h. drucklosen Zustand liegt die axiale Dichtfläche dann nur im Bereich der Kante zwischen der axialen und der radialen Dichtfläche an der Oberfläche des Hebels an. Im dynamischen Zustand wird durch die Beaufschlagung des Kanals mit dem Hydraulikfluid der dynamische Bereich geringfügig verformt und die geneigte axiale Dichtfläche in Richtung des Hebels gedrückt, d.h. die effektive Dichtfläche wird mit zunehmendem Hydraulikdruck kontinuierlich vergrößert, bis die gesamte axiale Dichtfläche an dem Hebel anliegt.
Die Neigung der axialen Dichtfläche beträgt günstigerweise nicht mehr als 8°, wobei eine Neigung im Bereich von 1° bis 3° besonders bevorzugt ist. Die Wahl des geeigneten Neigungswinkels ist u.a. auch vom gewählten Material (z. B. von der Art des nicht-elastomeren Fluorpolymers des ersten Dichtungsteils) abhängig.
Günstig ist es, wenn die axiale Dichtfläche eine oder mehrere Rillen aufweist. Hierdurch kann die effektive Dichtfläche verkleinert bzw. über einen größeren Bereich in Radialrichtung verteilt werden, was insbesondere vorteilhaft ist, um die Ausdehnung der axialen Dichtfläche an die Geometrie des in dem statischen Bereich ausgebildeten Kanals anzupassen. Die Rillen können konzentrisch um die Drehachse angeordnet sein oder einen Drall aufweisen, um Hydraulikfluid, das zwischen die Dichtfläche und den Hebel eingedrungen ist, durch die Rotation des Hebels in Richtung des Ringkanals zurückzuführen. Daneben können die Rillen auch als Reservoir für ein Schmiermittel (z.B. Schmierfett) dienen, welches auf die Dichtfläche aufgebracht ist.
Das nicht-elastomere Fluorpolymer des ersten Dichtungsteils (oder eines einstückigen Dichtungselements) umfasst, wie bereits oben angesprochen, bevorzugt ein homopolymeres PTFE oder ein Copolymer von Tetrafluorethylen mit mindestens einem Comonomer. Das mindestens eine Comonomer ist bevorzugt ausgewählt aus Hexafluorpropylen, Perfluoralkylvinylethern, Perfluor- (2,2-dimethyl-l,3-dioxol) und Chlortrifluorethylen. Hompolymeres PTFE zeichnet sich durch eine äußerst hohe thermische und chemische Beständigkeit aus sowie durch einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten, wodurch es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden kann. Allerdings ist PTFE, obwohl es sich um ein thermoplastisches Polymer handelt, aufgrund seiner außerordentlich hohen Schmelzviskosität nicht aus der Schmelze, also z. B. mittels Spritzguss, verarbeitbar. Ein erstes Dichtungsteil aus PTFE kann insbesondere durch zerspanende Bearbeitung (z.B. Drehen) hergestellt werden.
Copolymere aus Tetrafluorethylen und den oben genannten Fluorverbindungen werden bei einem relativ geringen Comonomeranteil als modifiziertes PTFE bezeichnet, welches ebenfalls nicht schmelzverarbeitbar ist. Bei geringfügiger Erhöhung des Comonomeranteils können jedoch Fluorpolymere erhalten werden, die aus der Schmelze verarbeitbar sind, wobei die vorteilhaften Eigenschaften des PTFE fast in vollem Umfang erhalten bleiben. Derartige Copolymere sind z. B. in der EP 1 263 877 Bl beschrieben. Ein erstes Dichtungsteils aus einem solchen Material kann z.B. durch Spritzguss hergestellt werden, was herstellungstechnisch effizienter ist als eine zerspanende Bearbeitung.
Ein schmelzverarbeitbares TFE-Copolymer mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 315 bis 324 °C wird von der ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH unter der Marke Moldflon® angeboten.
Das Fluorpolymer kann zusätzlich einen oder mehrere Füllstoffe enthalten. Durch solche Füllstoffe können die Eigenschaften von Fluorpolymeren, insbesondere die Druckstabilität und Verschleißfestigkeit, weiter verbessert werden. Geeignete Füllstoffe sind aus dem Stand der Technik bekannt und umfassen z. B. Graphit, Kohlenstofffasern, Molybdänsulfid und Hochleistungsthermoplaste wie z. B. Polyetherketone, Polyphenylensulfide, Polyetherimide usw. Die Auswahl von Art und Menge der Füllstoffe hängt insbesondere auch von der Art des verwendeten Fluorpolymers ab. Bei einem zweistückigen Dichtungselement umfasst das elastomere Material des zweiten Dichtungsteils bevorzugt ein thermoplastisches Elastomer, insbesondere ein elastomeres Polyurethan. Dieses verfügt über eine Reihe von Eigenschaften, durch die es sich für einen Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung in besonderem Maße eignet. Elastomeres Polyurethan weist eine ausreichende Elastizität auf, um die nötige Vorspannung des Dichtungselements im statischen Zustand zu erzeugen, gleichzeitig ist es aber hart genug, um spanabtragend bearbeitet zu werden. Alternativ wird durch die thermoplastische Eigenschaft eine Herstellung des zweiten Dichtungsteils z.B. mittels Spritzguss ermöglicht. Zusätzlich weist elastomeres Polyurethan eine hohe Chemikalienbeständigkeit, Druckfestigkeit und Verschleißfestigkeit auf.
Alternativ zu elastomerem Polyurethan oder anderen thermoplastischen Elastomeren können für das zweite Dichtungsteil im Rahmen der Erfindung prinzipiell auch andere, typischerweise nicht-thermoplastische Elastomere mit einer ausreichenden chemischen Beständigkeit gegen das Hydraulikfluid zum Einsatz gelangen, wie z. B. Fluorkautschuk, Nitrilkautschuk, Silikonkautschuk oder EPDM .
Das erste und das zweite Dichtungsteil des erfindungsgemäßen Dichtungselements können auf verschiedene Weise miteinander verbunden sein, z.B. durch einen Form- oder Kraftschluss. Bevorzugt sind die beiden Dichtungsteile jedoch stoffschlüssig miteinander verbunden. Eine stoffschlüssige Verbindung sorgt für eine dauerhafte Stabilität des Dichtungselements sowie für eine möglichst optimale Kraftübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Dichtungsteil, insbesondere auch bei Beaufschlagung des Kanals des zweiten Dichtungsteils mit dem Hydraulikfluid.
Die beiden Dichtungsteile können z.B. mittels eines geeigneten Klebemittels oder Haftvermittlers miteinander verklebt werden. Im Fall der Fluorpolymere des ersten Dichtungsteils ist hierfür jedoch häufig eine vorangehende Oberflächenbehandlung z.B. mittels Plasma-Ätzen oder mittels Natrium-Ammoniak- Ätzung erforderlich . Besonders günstig ist es, wenn das zweite Dichtungsteil auf das erste Dichtungsteils aufgeschmolzen ist. Dies erfordert entsprechende thermoplastische Eigenschaften des Materials des zweiten Dichtungsteils, wie sie z. B. bei elastomerem Polyurethan gegeben sind. Auf ein zusätzliches Klebemittel kann in diesem Fall verzichtet werden.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, dass das erste und das zweite Dichtungsteil durch Coextrusion des nicht-elastomeren Fluorpolymers und des elastomeren Materials hergestellt sind. Dies setzt voraus, dass beide Materialien thermoplastisch verarbeitbar sind, was insbesondere bei Verwendung eines thermoplastischen TFE-Copolymers für das erste Dichtungsteil der Fall ist. Die Herstellung eines solchen Dichtungselements ist besonders effizient, da keines der beiden Dichtungsteile durch zerspanende Bearbeitung (z. B. Drehen) hergestellt werden muss.
Wie bereits beschrieben, ermöglicht es der in dem statischen Bereich bzw. in dem zweiten Dichtungsteil gebildete Kanal, die Anpresskraft der axialen Dichtfläche an die Oberfläche des Hebels durch die Einleitung des unter Druck stehenden Hydraulikfluids in den Kanal zu erhöhen. Je nach Ausführung des Kanals gilt dies auch, wenn auch meist in einem geringeren Ausmaß, für die Anpresskraft der radialen Dichtfläche (bzw. eines Abschnitts der radialen Dichtfläche) an den Kolben. Der Kanal verläuft - entsprechend der Rotationssymmetrie des Dichtungselements - entlang dessen Umfangsrichtung, und die Zuführung des Fluids erfolgt günstigerweise über eine oder mehrere Fluidzu- führungen in der Wandung des Ringkanals der Kreiskolbenmaschine, die in der Aussparung, welche das Dichtungselement aufnimmt, enden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem zweistückigen Dichtungselement ist der Kanal zu dem ersten Dichtungsteil hin geschlossen. Bei dieser Variante kommt also das in den Kanal eingeleitete Fluid nicht mit dem ersten Dichtungsteil in Kontakt, sondern die Kraftübertragung erfolgt über einen Bereich des elastomeren Materials des zweiten Dichtungsteils. Durch diese Gestaltung wird ermöglicht, dass der Kanal nach außen hin entlang des gesamten Umfangs des Dichtungselements offen ist, ohne dass das zweite Dichtungsteils seine strukturelle Integrität verliert. Das zweite Dichtungsteil kann in diesem Fall ohne besonderen Aufwand sowohl durch Spritzgießen als auch durch zerspanende Bearbeitung (z.B. Drehen) hergestellt werden.
Der in dem zweiten Dichtungsteil gebildete Kanal kann hinterschnitten sein, und zwar in der Weise, dass sich der Bodenbereich des Kanals in Richtung der radialen Dichtfläche des ersten Dichtungsteils erweitert. Dadurch wird die Dicke des elastischen Materials zwischen dem Kanal und dem ersten Dichtungsteils in Radialrichtung verringert und die Anpresskraft der radialen Dichtfläche in Folge der Druckbeaufschlagung des Kanals wird verstärkt. Durch die Gestaltung der Geometrie des Kanals bzw. des Dichtungselements insgesamt kann dieser Effekt über einen weiten Bereich variiert und an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der in dem zweiten Dichtungsteil gebildete Kanal zu dem ersten Dichtungsteil hin offen. Das in den Kanal eingeleitete Hydraulikfluid kommt in diesem Fall unmittelbar mit dem ersten Dichtungsteil, und zwar insbesondere mit einem die axiale Dichtfläche aufweisenden Bereich des ersten Dichtungsteils, in Kontakt, sodass die Kraftübertragung besonders effektiv ist. In diesem Fall kann der Kanal allerdings nicht nach außen hin entlang des gesamten Umfangs des Dichtungselements offen sein, da sonst das zweite Dichtungsteil seine strukturelle Integrität verlieren würde. Zur Einleitung des Fluids in den Kanal sind daher ein oder mehrere Durchbrüche (z.B. Bohrungen) in dem zweiten Dichtungsteil vorgesehen, die bevorzugt in Axialrichtung durch das zweite Dichtungsteil verlaufen und in dem Kanal enden.
Bei einem zu dem ersten Dichtungsteil hin offenen Kanal ist es günstig, wenn der Kanal von einem im Querschnitt wannenförmigen, ebenfalls zu dem ersten Dichtungsteil hin offenen Metallprofil begrenzt wird. Das Metallprofil ist bevor- zugt ein Stahlprofil . Durch ein solches Profil kann die Querschnittsform des Kanals stabilisiert werden, insbesondere gegen eine Verformung des elastischen Materials des zweiten Dichtungsteils durch das unter Druck stehende Fluid. Des Weiteren kann durch das Metallprofil eine Beeinträchtigung der Geometrie des Kanals vermieden werden, wenn das aus einem thermoplastischen Elastomer gebildete zweite Dichtungsteil auf das erste Dichtungsteil aufgeschmolzen wird.
Wie bereits eingangs erwähnt, eignet sich das erfindungsgemäße Dichtungselement insbesondere zum Einsatz bei einer Kreiskolbenmaschine, wie sie beispielsweise in der DE 10 2007 001 021 AI beschrieben ist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit auch eine Kreiskolbenmaschine mit mindestens einem entlang eines zumindest teilweisen Kreisbogen gekrümmten Ringkanal, in dem ein Kolben beweglich gelagert ist, und einem in die Wandung des Ringkanals eingebrachten Ringspalt, in dem ein um eine mit dem Ringkanal koaxiale Drehachse rotierbarer Hebel geführt ist, wobei die Kreiskolbenmaschine mindestens zwei erfindungsgemäße Dichtungselemente umfasst, die in korrespondierenden Aussparungen der Wandung des Ringkanals aufgenommen sind, sodass die axialen Dichtflächen der zwei Dichtungselemente jeweils zu gegenüberliegenden Oberflächen des Hebels hin orientiert sind und die radialen Dichtflächen der Dichtungselemente zu dem Inneren des Ringkanals hin orientiert sind und ein Abschnitt der radialen Dichtflächen an dem Kolben anliegt.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kreiskolbenmaschine wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Dichtungselement erläutert.
Die Dichtungselemente sind in den Aussparungen der Wandung des Ringkanals formschlüssig und/oder kraftschlüssig gehalten. Besonders günstig ist es, wenn die Dichtungselemente in die Aussparungen eingeklebt sind, da auf diese Weise eine besonders stabile Verbindung geschaffen werden kann. Die Verklebung schafft insbesondere eine verdrehsichere Festlegung der Dichtungsele- mente gegenüber der Wandung. Bevorzugt kommt dabei ein Polyurethankleber zum Einsatz, insbesondere wenn das zweite Dichtungsteil aus einem elastomeren Polyurethan gebildet ist.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Kreiskolbenmaschine wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Dichtungselement erläutert.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen im Einzelnen :
Figur 1 : ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dichtungselements;
Figur 2 : einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Kreiskolbenmaschine mit zwei Dichtungselementen gemäß der Figur 1;
Figur 3 : ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dichtungselements; und
Figur 4: ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dichtungselements.
Die Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dichtungselements, welches als Ganzes mit 10 bezeichnet ist. Das Dichtungselement 10 ist rotationssymmetrisch in Form eines Rings oder eines teilweisen Kreisbogens ausgebildet, wobei in der Figur 1 ein Querschnitt entlang einer die Drehachse enthaltenen Ebene gezeigt ist.
Die Figur 2 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Kreiskolbenmaschine 12, die zwei erfindungsgemäße Dichtungselemente 10 gemäß der Figur 1 umfasst. Aufbau und Funktion einer derartigen Kreiskolbenmaschine sind im Detail in der DE 10 2007 001 021 AI beschrieben.
Das Dichtungselement 10 umfasst ein erstes Dichtungsteil 14 und ein zweites Dichtungsteil 16, die beide rotationssymmetrisch in Bezug auf die Drehachse ausgebildet sind. Das erste Dichtungsteil 14 bildet einen dynamischen Bereich und das zweite Dichtungsteil 16 einen statischen Bereich des zweistückigen Dichtungselements 10.
Das erste Dichtungsteil 14 ist aus einem nicht-elastomeren Fluorpolymer gebildet (z. B. aus PTFE oder einem schmelzverarbeitbaren TFE-Copolymer), und das zweite Dichtungsteil 16 ist aus einem elastomeren Material gebildet (z.B. aus einem elastomeren Polyurethan). Die beiden Dichtungsteile 14 und 16 sind stoffschlüssig miteinander verbunden, z. B. durch Aufschmelzen des zweiten Dichtungsteils 16 auf das erste Dichtungsteil 14. Das Dichtungselement 10 kann aber auch durch Coextrusion der beiden Dichtungsteile 14 und 16 hergestellt sein.
Das erste Dichtungsteile 14 umfasst einen radialen Bereich 18 mit einer radialen Dichtfläche 20 und einen axialen Bereich 22 mit einer axialen Dichtfläche 24. Die radiale Dichtfläche 20 und die axiale Dichtfläche 24 stoßen entlang einer Kante 26 aneinander, wobei die Kante 26 ringförmig bzw. kreisbogenförmig ist. Das zweite Dichtungsteil 16 ist gegenüber dem radialen Bereich 18 radial nach innen und gegenüber dem axialen Bereich 22 axial versetzt.
In der Kreiskolbenmaschine 12 sind die axialen Dichtflächen 24 der beiden Dichtungselemente 10 jeweils zu gegenüberliegen Oberflächen 28 eines Hebels 30 hin orientiert. Bei dem Hebel 30 handelt es sich um eine im Wesentlichen kreisrunde Treibscheibe, die einerseits mit einem Kolben 32 und andererseits mit einem in der Figur 2 nicht dargestellten Drehkörper (z.B. einer Welle) fest verbunden ist. Der Kolben 32 ist in einem Ringkanal 34 beweglich gelagert, und der Hebel 30 ist in einem Ringspalt 36, der in die Wandung 38 des Ringkanals 32 eingebracht ist, um die Drehachse rotierbar geführt. Die axiale Dichtfläche 24 des ersten Dichtungsteils 14 ist gegenüber einer zur Drehachse senkrechten Ebene, die der Oberfläche 28 des Hebels 30 entspricht, um einen Winkel von ca. 2° geneigt. Im drucklosen Zustand des Dichtungselements 10 liegt daher die axiale Dichtfläche 24 nur im Bereich der Kante 26 an der Oberfläche 28 an, was für eine Abdichtung gegen das in dem Ringkanal 34 befindliche Hydraulikfluid im statischen, d.h. drucklosen Zustand ausreichend ist. Die axiale Dichtfläche 24 weist mehrere Rillen 40 auf, wodurch die effektive Dichtfläche verkleinert bzw. über einen größeren Bereich in Radialrichtung verteilt werden kann.
Die radiale Dichtfläche 20 des ersten Dichtungsteils 14 ist dem Inneren des Ringkanals 34 zugewandt und liegt abschnittsweise an dem Kolben 32 an. Die radiale Dichtfläche 20 trägt somit zur Abdichtung der druckbeaufschlagten Seite des Kolbens 32 zur nicht druckbeaufschlagten Seite bei .
In dem zweiten Dichtungsteil 16 ist ein Kanal 42 ausgebildet, der sich entlang des gesamten Umfangs des Dichtungselements 10 erstreckt. Der Kanal 42 ist zu dem ersten Dichtungsteil 14 hin geschlossen und nach außen durchgehend offen. Im dynamischen Zustand der Kreiskolbenmaschine 12 wird der Kanal 42 über eine oder mehrere Fluidzuführungen 43 in der Wandung 38 mit dem unter Druck stehenden Hydraulikfluid beaufschlagt. Dadurch erfolgt eine Kraftübertragung auf den axialen Bereich 22 des ersten Dichtungsteils 14 (und in geringerem Ausmaß auch auf den radialen Bereich 18), sodass die Neigung der axialen Dichtfläche 24 zunehmend aufgehoben wird und schließlich die gesamte axiale Dichtfläche 24 an der Oberfläche 28 des Hebels 30 anliegt. Die Dichtwirkung des erfindungsgemäßen Dichtungselements 10 steigt somit entsprechend dem Druck des abzudichtenden Hydraulikfluids in dem Ringkanal 34 der Kreiskolbenmaschine 12.
Das erfindungsgemäße Dichtungselement 10 ermöglicht durch seinen Aufbau sowie die Wahl der Materialien eine optimale Dichtwirkung sowohl im statischen Zustand (aufgrund der Vorspannung durch das elastische Material des zweiten Dichtungsteils 16) als auch im dynamischen Zustand (durch die Druckbeaufschlagung des Kanals 42).
Die Dichtungselemente 10 sind in korrespondierenden Aussparungen 44 der Wandung 38 des Ringkanals 34 aufgenommen und dort formschlüssig und/oder kraftschlüssig gehalten. Bevorzugt sind die Dichtungselemente 10 in die Aussparungen 44 eingeklebt, z. B. mittels eines Polyurethanklebers.
Die Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dichtungselements, welches als Ganzes mit 50 bezeichnet ist. Das Dichtungselement 50 ist mit Ausnahme der im Folgenden beschriebenen Unterschiede entsprechend dem Dichtungselement 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut, wobei gleiche oder einander entsprechende Elemente jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen sind.
Im Vergleich zum Dichtungselement 10 weist die radiale Dichtfläche 20 des Dichtungselements 50 in Axialrichtung eine geringere Ausdehnung auf, d.h. die radiale Dichtfläche 20 ist kleiner. Um dennoch eine ausreichende Dichtwirkung in diesem Bereich auch im dynamischen Zustand zu gewährleisten, ist der Kanal 42 in dem zweiten Dichtungsteil 16 hinterschnitten, d.h. der Bodenbereich 52 des Kanals 42 weist eine Erweiterung 54 in Radialrichtung nach außen auf. Dadurch befindet sich weniger elastomeres Material zwischen dem Kanal 42 und dem radialen Bereich 18 des ersten Dichtungsteils 14, sodass die Druckbeaufschlagung des Kanals 42 einen stärkeren Einfluss auf die Erhöhung der Anpresskraft der radialen Dichtfläche 20 an den Kolben 32 hat.
Die Figur 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dichtungselements, welches als Ganzes mit 60 bezeichnet ist. Auch das Dichtungselement 60 entspricht bis auf die im Folgenden beschriebenen Unterschiede im Aufbau dem Dichtungselement 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Bei dem Dichtungselement 60 ist der in dem zweiten Dichtungsteil 16 ausgebildete Kanal 42 zu dem ersten Dichtungsteil 14 hin offen und wird von einem im Querschnitt wannenförmigen Stahlprofil 62 begrenzt, welches zu dem ersten Dichtungsteil 14 hin ebenfalls offen ist. Bei dieser Variante wird der Druck des in den Kanal 42 eingeleiteten Hydraulikfluids unmittelbar auf den axialen Bereich 22 des ersten Dichtungsteils 14 übertragen. Das Stahlprofil 62 verhindert dabei eine Verformung des elastischen Materials des zweiten Dichtungsteils 16 durch den Druck des Hydraulikfluids. Außerdem schützt das Stahlprofil 62 den Kanal 42 vor einer Beeinträchtigung beim Aufschmelzen des zweiten Dichtungsteils 16 auf das erste Dichtungsteil 14.
Bei dem Dichtungselement 60 ist der Kanal 42 nach außen hin entlang des Umfangs des zweiten Dichtungsteils 16 geschlossen. Die Einleitung des Fluids in den Kanal 42 erfolgt über eine oder mehrere Bohrungen 64, die in Axialrichtung durch das zweite Dichtungsteil 16 sowie das Stahlprofil 62 verlaufen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Dichtungselement (10; 50; 60) für eine Kreiskolbenmaschine (12) zur Abdichtung eines in einem Ringspalt (36) geführten, um eine Drehachse rotierbaren Hebels (30), wobei das Dichtungselement (10; 50; 60) rotationssymmetrisch in Bezug auf die Drehachse ausgebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Dichtungselement (10; 50; 60) einen dynamischen Bereich (14) und einen statischen Bereich (16) umfasst,
wobei der dynamische Bereich (14) eine axiale Dichtfläche (24) aufweist, die dem Ringspalt (36) zugewandt ist, und eine radiale Dichtfläche (20), die dem Inneren eines den Ringspalt (36) umgebenden Ringkanals (34) der Kreiskolbenmaschine (12) zugewandt ist; und
wobei der statische Bereich (16) zur Festlegung des Dichtungselements (10; 50; 60) an der Kreiskolbenmaschine (12) dient, und wobei in dem statischen Bereich (16) ein Kanal (42) ausgebildet ist, der mit einem Fluid beaufschlagbar ist.
2. Dichtungselement (10; 50; 60) nach Anspruch 1, wobei das Dichtungselement (10; 50; 60) ein erstes Dichtungsteil (14) umfasst, welches den dynamischen Bereich (14) bildet, und ein zweites Dichtungsteil (16), welches den statischen Bereich (16) bildet.
3. Dichtungselement (10; 50; 60) nach Anspruch 2, wobei das erste Dichtungsteil (14) aus einem nicht-elastomeren Fluorpolymer gebildet ist.
4. Dichtungselement (10; 50; 60) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das
zweite Dichtungsteil (16) aus einem elastomeren Material gebildet ist.
5. Dichtungselement (10; 50; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die axiale Dichtfläche (24) des ersten Dichtungsteils (14) gegenüber einer zu der Drehachse senkrechten Ebene geneigt ist.
6. Dichtungselement (10; 50; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die axiale Dichtfläche (24) eine oder mehrere Rillen (40) aufweist.
7. Dichtungselement (10; 50; 60) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das nicht-elastomere Fluorpolymer ein homopolymeres PTFE um- fasst oder ein Copolymer von Tetrafluorethylen mit mindestens einem Comonomer.
8. Dichtungselement (10; 50; 60) nach Anspruch 7, wobei das Fluorpolymer einen oder mehrere Füllstoffe enthält.
9. Dichtungselement (10; 50; 60) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das elastomere Material ein thermoplastisches Elastomer umfasst, insbesondere ein elastomeres Polyurethan.
10. Dichtungselement (10; 50; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 9, wobei das erste und das zweite Dichtungsteil (14, 16) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
11. Dichtungselement (10; 50; 60) nach Anspruch 10, wobei das zweite Dichtungsteil (16) auf das erste Dichtungsteil (14) aufgeschmolzen ist.
12. Dichtungselement (10; 50; 60) nach Anspruch 10, wobei das erste und das zweite Dichtungsteil (14, 16) durch Coextrusion des nicht-elasto- meren Fluorpolymers und des elastomeren Materials hergestellt sind.
13. Dichtungselement (10; 50) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei der in dem zweiten Dichtungsteil (16) gebildete Kanal (42) zu dem ersten Dichtungsteil (14) hin geschlossen ist.
14. Dichtungselement (60) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei der in dem zweiten Dichtungsteil (16) gebildete Kanal (42) zu dem ersten Dichtungsteil (14) hin offen ist.
15. Dichtungselement (60) nach Anspruch 14, wobei der Kanal (42) von einem im Querschnitt wannenförmigen, zu dem ersten Dichtungsteil (14) hin offenen Metallprofil (62) begrenzt wird.
16. Kreiskolbenmaschine (12) mit mindestens einem entlang eines zumindest teilweisen Kreisbogens gekrümmten Ringkanal (34), in dem ein Kolben (32) beweglich gelagert ist, und einem in die Wandung (38) des Ringkanals (34) eingebrachten Ringspalt (36), in dem ein um eine mit dem Ringkanal (34) koaxiale Drehachse rotierbarer Hebel (30) geführt ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kreiskolbenmaschine (12) mindestens zwei Dichtungselemente (10; 50; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst, die in korrespondierenden Aussparungen (44) der Wandung (38) des Ringkanals (34) aufgenommen sind, sodass die axialen Dichtflächen (24) der zwei Dichtungselemente (10; 50; 60) jeweils zu gegenüberliegenden Oberflächen (28) des Hebels (30) hin orientiert sind und die radialen Dichtflächen (20) der Dichtungselemente (10; 50; 60) zu dem Inneren des Ringkanals (34) hin orientiert sind und ein Abschnitt der radialen Dichtflächen (20) an dem Kolben (32) anliegt.
17. Kreiskolbenmaschine (12) nach Anspruch 16, wobei die Dichtungselemente (10; 50; 60) in die Aussparungen (44) eingeklebt sind.
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