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Vorrichtung zur dichtenden Verbindung von zwei Leitungsteilen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur dichtenden Verbindung von zwei Leitungsteilen, z. B. von Rohren, bestehend aus wenigstens zwei Verbindungsteilen mit hohlkonischen Anpressflächen und einem zwischen diesen angeordneten Dichtungsring aus einem plastisch verformbaren,'aber elastische Eigenschaften besitzenden Material, vos dem mindestens eine Stirnfläche konisch abgeschrägt ist.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass mindestens einer der Verbindungsteile in seiner hohlkonischen Anpressfläche eine in Richtung konische Stirnfläche des Dichtungsringesvorkragend. e, an sich bekannte Ringkante enthält, welche die Anpressfläche in eine äussere steile und eine innere schwachkonische Teilfläche unterteilt und einen Radius besitzt, der kleiner ist als derjenige Radius, welcher der Mitte der Dichtungsringwandung zugeordnet ist.
Es ist zwar schon vorgeschlagen worden, den Stirnbereich eines Dichtungsringes plastisch zu verformen und eine Fliesswirkung zu erzielen. Der einzelne Verschraubungsteil besitzt hiebei eine einfache hohlkonische Anpressfläche, die auf die konische Stirnfläche des Dichtungsringes einwirkt. Beide Flächen besitzen ungleiche Neigungswinkel, so dass zwischen ihnen ein Keilspalt gebildet ist. Die Verformung ist unkontrolliert, weshalb eine gesicherte Abdichtung und Halterung des Rohres nicht gewährleistet ist.
Befindet sich zwischen den Verschraubungsteilen kein Spiel, so kann sich auch keine Fliessverformung bilden, da der Ring blockieren würde.
Weiterhin ist es beiReduzierverbindungen bekannt, zwischen dem Dichtungsring und einer Überwurfmutter eine Reduzierscheibe vorzusehen, deren Bohrungskante beim Anziehen der Mutter auf die schräge Stirnfläche des Dichtungsringes einwirkt. Dadurch kann jedoch lediglich eine axiale Kraftübertragung von der Mutter auf den Dichtungsring bewirkt werden, wobei die Kante sich geringfügig in den Dichtungsring eindrückt. Eine gezielte plastische Verformung des Dichtungsringes kann beim vorbekanhten Gegenstand nicht eintreten.
Demgegenüber besteht die Wirkung der erfindungsgemässen Anordnung darin, durch das Eindringen der Ringkante in den Dichtungsring eine gezielte Materialverdrängung zu erreichen, die zur Bildung stark verdichteter kragenartige Abscherzonen führt. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass es gelingt, unter höchsten Drücken stehende Rohrleitungen ohne Verwendung von Schneidringen abzudichten und festzuhalten.
Im Sinne der Erfindung empfiehlt es sich, die durch die Ringkante gebildete innere Konusteilfläche so auszubilden, dass sie mit der Rohrkörperachse einen Winkel bis 250, vornehmlich 5-120, einschliesst.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das vornehmlich für Stossverbindungen einsetzbar ist, kann darin bestehen, dass die der konischen Stirnfläche des Dichtungsmittels gegenüberliegende andere Stirnfläche mindestens eine kreisförmige Vertiefung unter Bildung mindestens einer grat- förmigen Ringkante besitzt, die beim Anziehen der Verschraubungsteile auf eine plane Anpressfläche eines Verschraubungsteiles auftrifft und dort eine dichtende Abscherzone bildet.
In jedem Falle empfiehlt es sich erfindungsgemäss, den Dichtungsring mindestens in dem an der konischen Stirnfläche liegenden Bohrungsbereich mit an sich bekannten rillenartigen Vertiefungen in der Bohrungswandung zu versehen. Diese Rillen bewirken eine gute Verklammerung auf der Rohroberfläche, ohne das Rohr einzuschnüren oder zu beschädigen, wie dies bei Schneideringen der Fall ist.
Eine Weiterentwicklung der erfindungsgemässen Lehre kann auch darin bestehen, dass ausser der Ring-
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treten in den freien Raum zwischen diesen Teilflächen 2b, 3b und der Oberfläche des Rohres 1 gezwungen.
Im weiteren Verlauf des Mutterdruckes quillt das verdrängte Material förmlich in diesen Keilspalt, wo es zufolge der Schräge der Konusteilflächen 2b. 3b unter erheblicher Krafteinwirkung in radialer Richtung verdichtet wird. Um Toleranzunterschiede aufzufangen, empfiehlt es sich, die Mutter 3 mit einem Spiel 3c zu versehen.
NachBeendigung derAnziehbewegung nimmt der Dichtungsring 4 die Gestalt gemäss Fig. 2 an, wobei die an den Stirnseiten entstandenen Kragen 4b charakteristisch sind. Im Bereiche dieser Kragen 4b ist die Rohroberfläche einwandfrei abgedichtet, und es entsteht ein so fester Scherverbund, dass selbst bei höchsten Drücken von beispielsweise ilber 1000 atü keine Aufhebung der Dichtung oder eine Relativbewegung zwischen Rohr 1 und Dichtungsring 4 möglich ist. Im Gegenteil, jede Bewegungstendenz des Rohres 1 in axialer Richtung verursacht eine noch grössere Kontraktion der Scherstellen im Bereiche der Kragen 4b infolge der radiale Reaktionskräfte ausübenden Konusteilflächen 2b und 3b.
Fig. 3 veranschaulicht in vergrösserter Darstellung die angenäherte Kongruenz der verdrängten Materialmasse 4'einerseits und der entstandenenScherflächen derKragenausbildungen 4b anderseits, wobei in diesem Beispiel angenommen ist, dass zwischen dem Dichtungsring 4 und der Rohroberfläche 1 ein Spiel 5 vorhanden ist, das bei den Scherstellen 4b aufgefüllt ist.
Die gleiche Scherwirkung besteht natürlich auch zwischen den Konusteilflächen 2a, 2b und 3a, 3b und den Stirnflächen 4a des Dichtungsringes 4, die nach der Verschraubung einen Abdruck der Konusteilflächen 3a, 3b, 2a, 2b darstellen.
Bei den durchgeführten Versuchen hat sich z. B. die Dimensionierung der Winkel mit Ci = 350, ss = 100 und y = 400 bewährt. Es hat sich hiebei herausgestellt, dass eine Veränderung der Winkel zwar eine
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Knickkanten 2', 3 I in bezug auf die Stirnflächen 4a des Dichtungsringes 4 dem Prinzip nach gewahrt bleibt. In solchen Fällen, bei denen z. B. sehr weiches Rohrmaterial vorgesehen ist, kann der Winkel a auch angenähert gleich gross wie der Winkel y sein.
Diese Massnahme ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Gefahr besteht, dass durch die Ringverformung eine Beschädigung des Rohres zu befürchten ist, denn die annähernd parallelen Teilflächen 3a, 4a der Verschraubungsteile 2, 3 und des Dichtungsringes 4 fangen einen Teil der Anpresskraft auf.
Zufolge der erfindungsgemässen Ringkanten braucht man nur eine geringe Anzugskraft anzuwenden, um einen hohen spezifischen Flächendruck auf die konisch abgeschrägte Stirnfläche des Dichtungsringes auszuüben. Das Wesentliche der Erfindung besteht hiebei darin, dass die durch die hiächenpressung bedingte zwangläufige Verformung des Dichtungsringes eine bewusst gezielte Materialverdrängung, die der Wirkung eines Fliessvorganges entspricht, zur Folge hat, wobei die Materialverdrängung so gesteuert wird, dass eine zusätzliche Umklammerung des zu dichtenden Rohres mit dem verformten Dichtungsmaterial mit der Wirkung einer sehr grossen Dichtigkeit und einer ausserordentlich hohen Scherfestigkeit erreicht wird.
Aus diesem Grunde soll als Material für den erfindungsgemässen Dichtungsring ein plastisch verformbaresMaterial verwendet werden, das aber nach der unterDruck erfolgenden Verformung wieder elastische bzw. sogar gesteigert elastische Eigenschaft besitzt. Es scheiden also weiche Metalle, wie Blei, aus. Hingegen eignen sich für den erfindungsgemässen Zweck unter anderem Stahl, Aluminium, Messing, Kupfer usw.
Die erfindungsgemässe Wirkung erkennt man daran, dass die verformten Dichtungsringe an mindestens einer Stirnseite einen konisch sich verjüngenden Kragen besitzen und dass alle Poren und Rauhigkeiten der Rohroberfläche ausgefüllt sind.
In Fig. 4 ist die eine Stirnfläche des Dichtungsringes 4 als Stossverbindung ausgebildet. Es ist hiebei die Kreisnut 4d vorgesehen, die in Verbindung mit den Konusflächen 4e die Ringkanten 4c bildet, die beim Anziehen der Überwurfmutter 3 auf die Stirnwand 2d des Apparateteiles 2 auftreffen und dort unter der Wirkung der hohen spezifischen Flächenpressung plastisch verformt werden, wobei die Verformung einen Teil der Kreisnut 4c auffüllt. Der verbleibende Hohlraum wirkt als Drossel, denn sollte das unter hohem Druck stehende Medium durch die innere Scherstelle 4c hindurchdringen, dann ist dessen Druck so reduziert, dass die einwandfreie Dichtung durch die äussere Scherstelle 4c gewährleistet ist.
Es wird weiterhin gezeigt, dass zwischen Rohr 1 und Anschlussteil 2 ein Abstand m vorhanden ist, der beispielsweise etwa 5 mm betragen kann. Derartige Stossverbindungen können auch zum Abdichten von Rohren miteinander verwendet werden, wobei der Teil 2 als mittlerer Verschraubungsteil ausgebildet ist.
Der Dichtungsring 4 gemäss Fig. 5 besitzt an Stelle der Stosskanten 40 (vgl. Fig. 4) eine Form entsprechend der Fig. 1, wobei die Stirnflächen 4f nicht spitz ausgebildet zu sein brauchen. Diese Form eignet sich bei niederen Belastungsdrücken, und sie besitzt den Vorteil, dass dieser Ring 4 sowohl für Rohrver-
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schraubung als auch für Stossverbindung geeignet ist. Durch dessen symmetrische Ausbildung kann kein Einbaufehler entstehen.
Demgegenüber besitzt der Dichtungsring 4 gemäss Fig. 6 die Stosskanten 4i, zwischen denen die Ringnut 4d im Sinne der Fig. 4 ausgebildet ist. Bei Stossverbindung wirkt dieser Ring folglich wie derjenige gemäss Fig. 4. Bei Rohrverschraubungen wirken sich hingegegen die Stosskanten 4i nicht nachteilig aus.
Die Fig. 7 veranschaulicht den Gedanken, nur einen Verschraubungsteil, in diesem Falle ist es die Überwurfmutter 3, mit zwei Konusteilflächen 3a und 3b zu versehen, so dass die Wirkung der Knickkante an einer Stirnfläche 4a des Dichtungsringes 4 gewahrt bleibt. Hingegen besitzt das Mittelstück 2 lediglich eine Konusfläche 2c, die mit der Stirnfläche 4a des Dichtungsringes 4 einen Winkel einschliesst. Derartige Verschraubungsteile sind für bekannte Klemm- und Schneidringe in sehr grossen Mengen auf d- ; m Markt, so dass es von grosser volkswirtschaftlicher Bedeutung ist, wenn die Dichtungsringe 4 gemäss der Erfindung in bereits vorhandenen Verschraubungsteilen verwendet werden können.
Im Sinne der Fig. 7 stellt also das Mittelstück 2 einen vorhandenen Teil dar, wohingegen die Mutter 3 erfindungsgemäss ausgebildet ist.
In Fig. 8 ist ein Lösungsweg gezeigt, der das Ziel verfolgt, mehr als zwei Scherstellen an der Rohroberfläche durch Anordnung mehrerer hintereinanderliegender Dichtungsringe zu erzeugen, um dadurch die Druckfestigkeit noch zu erhöhen. Hiebei sind zwei Dichtungsringe 4 und ein Druckring 6 vorgesehen, der aus hartem bzw. gehärtetem Material wie die Überwurfmutter 3 besteht. Dieser Druckring 6 weist die analogenKonusteilf11ichen 6a, 6b und die Knickkanten 6'wie die Überwurfmutter 3 bzw. das Verschrau- bungselement 2 auf.
Von den Knickkanten 6'gehen somit auch die hohen spezifischen Flächenpressungen
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zahl der Dichtungs- und Druckringe 4 bzw. 6 kann weitgehend variiert werden,
Eine Verstärkung der erfindungsgemässen Wirkung wird gemäss Fig. 9 und 10 dadurch erreicht, dass oberhalb oder/und unterhalb derRingkante 3'mehrere Ringnebenkanten 7 vorgesehen sind, die die Konusteilflächen 3ä, 3b unterbrechen. Die Wirkung dieser Ringnebenkanten 7 und der Ringkante 3'besteht darin, dass bei leichtem Anziehen der Verschraubungsteile 2, 3 zunächst eine dieser Kanten 3'oder 7 auf die Stirnfläche 4a des Dichtungsringes 4 auftrifft und eine plastische Verformung des Dichtungsring-Materials hervorruft.
Bei weiterem Anziehen der Verschraubungsteile werden weitere Nebenkanten 7 an der Verformungsarbeit beteiligt, so dass schon zu einem frühen Zeitpunkt, bei dem die Verdrehung der Verschraubungstelle noch keine Kraftanstrengung erfordert, eine hinreichend gute Abdichtung eingetreten ist. Wenn hingegen alle Kanten 3', 7 wirksam sind, entsteht ein derartig grosser Widerstand, dass die Bedienungsperson vom weiteren Anziehen abgehalten wird.
Ein weiterer Einfluss der Nebenkanten 7 besteht darin, dass erhebliche Toleranz-Unterschiede zwischen den Verschraubungsteilen 2, 3 und dem Dichtungsring 4 nunmehr unerheblich sind, d an die Stelle der Ringkante 3'mindestens eine der vorhandenen Nebenkanten7 tritt, wenn durch Toleranz-Unterschiede die Ringkante 3'an einer Stelle auf die Dichtungsringoberfläche 4a auftrifft, bei der normalerweise nicht die erwünschte volle Wirkung erzielt werden könnte.
Im Beispiel der Fig. 9 und 10 ist weiterhin gezeigt, dass auch der Dichtungsring 4 Hauptkanten 9 und Nebenkanten 10 besitzen kann. Die Hauptkante 9 ist hiebei durch die Stirnkante des Dichtungsringes 4 gebildet, wohingegen die Nebenkanten 10 durch spanlose oder spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden. Wenn der Dichtungsring 4 weicher als dasMaterial des Rohres 1 ist, werden sich diese Kanten 9, 10 beim plastischen Verformen des Dichtungsringes 4 an der Rohroberfläche 1 ebenfalls plastisch verformen und einzelne Scherzone bilden.
Soll eine erhöhte Wirkung hinsichtlich Standfestigkeit bei sehr hohen
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4 härter als das desRohres 1, jedoch weicher als das der Verschraubungsteile 2, 3 vorzusehen, u. zw. mit der Massgabe, dass die Kanten 9, 10 des Dichtungsringes 4 auf die Rohroberfläche l radial aufgepresst werden und in diese leicht eindringen. Die Eindringtiefe ist hiebei mit nur einigen Hundertstel Millimetern wesentlich kleiner als bei den bekannten Schneidringen. Mit der Vielzahl der an beiden Seiten des Dichtungsringes 4 vorhandenen, hintereinanderliegenden, ringförmigen Eingriffstellen addiert sich sowohl die Halterungs- als auch Dichtungsleistung.
Da eine längere Rohrstrecke 1 von beiden Seiten des Dichtungsringes 4 umfasst wird, entsteht einehohe Widerstandsfähigkeit gegen Einschnürung des Rohres 1 sowie eine grosse Festigkeit gegen Schwingungen, Erschütterungen, Verbiegungen und Temperaturschwankungen, so dass alle vorbekanntenAusführungsformen übertroffen werden, ohne dass eine störende Rohroberflächen-Beschädigung bzw. eine Montagebehinderung eintritt. Wie Fig. 10 zeigt, kann die Verbindung auch so ausgebildet sein, dass der Dichtungsring 4 die Rohrstossstelle überbrückt. Hiebei genügt die gezielte plastische Verformung, das einzelne Rohr zu halten und abzudichten.
Wenn sehr weiche oder spröde Rohre, z. B. aus Kunststoff, abzudichten sind, empfiehlt sich eine Ausbildung nach Fig. 11, bei der der Dichtungsring 4 einen zusätzlichen inneren Dichtungsring 13, vor-
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zugsweise aus Kunststoff, trägt. Die Ringkante 3'der Verschraubungsteile 2, 3 sowie gegebenenfalls Nebekanten sollen auf den vorzugsweisen metallischen Dichtungsring 4 einwirken, der zu diesem Zwecke die konische Stirnfläche 4a besitzt. Durch die Verformung des Dichtungsringes 4 wird der innere Dichtungsring 13 mitverformt und auf die Rohroberfläche 1 gepresst. Damit die Übertragung der Verformung des Dichtungsringes 4 hinreichend sicher erfolgt, empfiehlt es sich, die Bohrung des Dichtungsringes 4 mit einer Aufrauhung 14 zu versehen.
Auch die Innenfläche der Bohrung des Dichtungsringes 13 soll mindestens an denStirnbereichen, die verformt werden, mit Kanten 15 versehen sein, damit eine hinreichende Verankerung an der Rohroberfläche 1 erfolgen kann.
Die Lehre der Erfindung ist auch bei Stossverschraubungen anwendbar. Im Beispiel der Fig. 12 besitzt die Stossfläche des Dichtungsringes 4 mehrere Ringkanten 16, welche in die Oberfläche des Armaturenteiles 17 eindringen oder sich an ihr plastisch verformen. Zwischen den einzelnen Ringkanten 16 kann das in der Leitung vorhandene Medium nicht nach aussen hindurchdringen, da diese Stellen wie Labyrinthe und Drosseln wirken.
Wie Fig. 13 zeigt, kann auch ein einzelner Verschraubungsteil, z. B. das mittlere Verschraubungsstück 2, die Funktion des Dichtungsringes übernehmen, der hiebei eingespart werden kann. Die Ringkante 3'trifft auf den zungenartigen Fortsatz 18 auf und dringt in dessen konische Stirnfläche 19 ein. Die Mutter besteht hiebei aus härterem Material als die Zunge. Wenn sich an die Ringkante 3'eine zylin- drische Bohrungsfläche anschliesst, wie gezeigt, so resultiert lediglich eine graduelle Verminderung der Dicht- und Halterungswirkung, da das in diesen Spalt hineingeförderte Material keine radiale Kontraktion mehr erfährt.
Hinsichtlich des Gedankens, die Dichtungsmittel 4 zugleich als Befestigungsmittel zur Befestigung der Anschlusszapfen 21 in Bohrungen 28 auszubilden, ist die Erfindung am Beispiel einer T-förmigen Anschlussvorrichtung gemäss Fig. 14 gezeigt, bei der der Hohlzapfen 21 in die Bohrung des Verschraubungsteiles A nach dem Aufsetzen des Dichtungsringes 4" und der Mutter 3"eingeführt und dort nachträglich fest verbunden wird. Diese Verbindung kann beispielsweise mit Hilfe eines Lötringes 22 stattfinden, der bei Erwärmung der gesamten Anschlussvorrichtung zerfliesst und sich zwischen die freien Räume innerhalb der Bohrung verteilt und die Verbindung und Abdichtung herbeiführt.
In dem Beispiel der Fig. 14 ist weiterhin angenommen, dass mit dem Verschraubungsteil A die Rohre D mit Hilfe der Dichtungsringe B und der Überwurfmuttern C fest verbunden werden sollen. Für die Funktion der Verbindung des Hohlzapfens 21 im Apparateteil 23 ist es vollkommen unwesentlich, welche konstruktive Ausbildung die Teile besitzen. Es ist auch unbeachtlich, ob Rohre, Leitungen oder Schläuche mit dem Apparat 23 fest verbunden werden sollen.
DerHohlzapfen 21 besitzt einerseits das Aussengewinde 24, auf das die Mutter 3" aufgeschraubt wird.
An der freien Stirnseite ist die bundartige Verdickung 25 vorgesehen. Sowohl die Mutter 3" als auch die bundartige Verdickung 25 besitzen nach innen zurückspringende konische Stirnflächen 26, zwischen denen der Dichtungsring 4", der ebenfalls entsprechende konische Stirnflächen 27 besitzt, eingeordnet ist. Die derart zusammengesetzte Anschlussvorrichtung wird in die gewindelose Bohrung 28 des Apparates 23 eingesteckt, u. zw. so tief, bis die vordere Stirnfläche der Mutter 3" an der Vorderfläche des Apparates 23 anliegt. Nunmehr wird der Verschraubungsteil A in die gewünschte Lage gebracht, woraufhin die Mutter 3" unter Festhalten des Verschraubungsteiles A angezogen wird. Während des Verdrehens der Mutter 3" hat der Hohlzapfen 21 das Bestreben, aus der Bohrung 28 herausgezogen zu werden.
Durch das Anliegen der Mutter 3" an der Vorderfläche des Apparates 23 entsteht jedoch eine entgegengerichtete Reaktionskraft, so dass der Dichtungsring 4"plastisch verformt wird. Die Verformung kann hiebei radial nach innen, d. h. auf die zylindrische Oberfläche des Hohlzapfens 21 erfolgen. Da das Material des Dichtungsringes 4"jedoch nicht entweichen kann, wird zugleich auch eine Verformung in Richtung der Bohrungswandung 28 erfolgen.
Es ist aber auch im Sinne des Ausführungsbeispieles nach Fig. 14 möglich, die konischen Stirnflächen 27 des Dichtungsringes 4" so auszubilden, dass beim Anziehen der Mutter der Dichtungsring sofort in Richtung der Bohrungswandung 28 plastisch verformt wird.
Eine gezielte plastische Verformung des Dichtungsringes 4" wird im Sinne des Beispieles der Fig. 15 wiederum dadurch erreicht, dass die Verschraubungsteile 3" und 21 der Anschlussvorrichtung mit Ringkanten 3'versehen sind, die in Richtung der konischen Stirnflächen des Dichtungsringes 4"vorragen. Neben diesen Ringkanten 3'oder ah Stelle dieser Ringkanten können Ringnebenkanten vorgesehen sein, die vorteilhafterweise so ausgebildet sind, dass sie nacheinander auf die konische Stirnfläche des Dichtungsringes 4"einwirken. Auf diese Weise werden auch Toleranz-Unterschiede in den einzelnen Vorrichtungsteilen hinsichtlich ihrer Einwirkung auf die Funktion vollständig ausgeschieden. Auch der Dichtungsring 4" kann die Ringkanten 9 und 10 im Sinne der Fig. 9 besitzen.
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Wenn in den Apparaten 23 Gewindebohrungen 29 vorhanden sind, empfiehlt sich im Sinne von Fig. 16 die Verwendung von Zwischenverschraubungsteilen 30, deren glatte oder aufgerauhte Bohrungswandung 31 die Funktion der Bohrungswandung 28 gemäss Fig. 14 übernimmt. Der Teil 30 ist mittels der Ringkante 32 gegenüber dem Apparateteil 23 abgedichtet.
'PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur dichtenden Verbindung von zwei Leitungsteilen, z. B. Rohren, bestehend aus wenigstens zweiVerbindungsteilen mit hohlkonischen Anpressflächen und einem zwischen diesen angeordneten Dichtungsring aus einem plastisch verformbaren, aber elastische Eigenschaften besitzenden Material, von dem mindestens eine Stirnfläche konisch abgeschrägt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Verbindungsteile in seiner hohlkonischen Anpressfläche eine in der Richtung der konischen Stirnfläche des Dichtungsringes vorkragende, an sich bekannte Ringkante enthält, welche die Anpressfläche in eine äussere steile und eine innere schwachkonische Teilfläche unterteilt und einen Radius besitzt, der kleiner ist als der Radius, welcher der Mitte der Dichtungsringwandung zugeordnet ist.