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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abdichtung von
Leitungen, Armaturen oder Aggregaten, die zur Führung eines mit einem gegenüber einem
Vergleichsdruck erhöhten
Druck beaufschlagten Fluids bestimmt sind, umfassend ein erstes
Bauteil und ein zweites Bauteil, zwischen denen ein abzudichtender
Spalt besteht, sowie mindestens eine elastisch deformierbare Umfangsdichtung,
die in einer Nut angeordnet ist, welche umfangsgemäß in einem
der beiden Bauteile ausgebildet ist, und umfassend ein Stützelement
für die
Umfangsdichtung, an dem die Umfangsdichtung unter der Wirkung des erhöhten Drucks
zur Anlage kommt.
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Anordnungen
dieser Art sind bekannt, wobei die entsprechenden Stützelemente
durch Stütz-
oder Back-Ringe gebildet sind. Der Einsatz dieser Stützringe
wird für
Hochdruckanwendungen empfohlen, wenn der erhöhte Druck, mit dem das Fluid
beaufschlagt wird, etwa 100 bar bzw. 10 MPa oder mehr erreicht.
Durch die Stützringe
soll dabei eine bei diesen hohen Drücken auf der druckabgewandten
Seite der Umfangsdichtungen, insbesondere bei O-Ringen, auftretende
Spaltextrusion vermieden werden.
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Entsprechend
dieser Funktion werden für
die Stützringe
extrusionsfeste Werkstoffe, wie z. B. gefülltes oder ungefülltes Polytetrafluorethylen
(PTFE) oder auch Polyurethan (PUR), eingesetzt. Diese Werkstoffe
zeigen aber keine ausreichende Elastizität, um sie in eine Umfangsnut
mit einer für
die Umfangsdichtung üblichen
Größe einführen zu
können. Daher
werden die Stützringe
in der Regel in ihrem Umfang geschlitzt. Diese Schlitzung ist einerseits teuer,
da sie einen zusätzlichen
Fertigungsschritt darstellt, und andererseits sind geschlitzte Ringe auch
in aufwändigerer
Weise zu montieren als ungeschlitzte. Des Weiteren stellt ein Schlitz
nachteiligerweise grundsätzlich
immer eine Schwachstelle im Dichtungssystem dar. Dies ist beispielsweise
nachweisbar, indem Drehverschraubungen mit geschlitzten Ringen entsprechenden
Dauerversuchen unterzogen werden.
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Es
gibt zwar auch nicht geschlitzte Ausführungsformen von Stützringen,
die jedoch nur für
den Einsatz in sogenannten geteilten Umfangsnuten geeignet sind,
welche durch Zusammensetzen zweier Bauteile gebildet werden. Eine
Ausnahme bildet dabei der sogenannte Parbak®-Stützring,
der aus Nitril-Butadien-Rubber (NBR) mit einer Shore-A-Härte von
90 – und
so auch mit einer entsprechenden, für eine Montage geeigneten Elastizität – als ungeschlitzter
Ring unter anderem für
geschlossene Nuten angeboten wird. Dieser Ring lässt sich unter Aufweitung auch
in eine ungeteilte Nut einführen,
erfüllt aber
aufgrund seiner Elastizität
die Funktion, eine Spaltextrusion zu vermeiden, nur unbefriedigend.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung
der eingangs genannten zu Art schaffen, die bei technologisch und
materialökonomisch
günstiger
Fertigung und Montage unter Einhaltung der geforderten Dichtheit
eine Spaltextrusion der Umfangsdichtung wirksam verhindert.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
dass das Stützelement
derart geometrisch und/oder werkstofftechnisch gestaltet ist, dass durch
das Zusammenwirken des Stützelementes
mit der Umfangsdichtung unter der Wirkung des erhöhten Druckes
das Stützelement
zumindest teilweise radial nach außen bewegt wird und den Spalt
zwischen den Bauteilen verschließt.
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In
bevorzugter Ausführung
kann dabei vorgesehen sein, dass das Stützelement mindestens eine Schrägfläche aufweist,
die in Richtung der Wirkung des erhöhten Druckes zur Längsachse
hin in einem Winkel derart zuläuft,
dass durch das Zusammenwirken des Stützelementes mit der Umfangsdichtung
unter der Wirkung des erhöhten
Druckes das Stützelement
zumindest teilweise radial nach außen bewegt wird und den Spalt
zwischen den Bauteilen verschließt.
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Die
bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Stützelementes
führt dazu,
dass an der Schrägfläche eine
Keilwirkung eintritt. Diese besteht darin, dass die axial gerichtete
Kraft, die durch die Druckbeaufschlagung auf die Umfangsdichtung
auftritt und auf das Stützelement übertragen
wird, an der Schrägfläche in eine
axiale und eine radiale Komponente zerlegt wird. Durch das Zusammenwirken
dieser Komponenten, insbesondere der auftretenden Radialkomponente
der Kraft, wird das Stützelement dann
zumindest teilweise radial nach außen bewegt.
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Die
Erfindung kann dabei – je
nachdem, wie das Stützelement
ausgebildet ist – zwei
technische Lösungsansätze bzw.
Grundvarianten umfassen.
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Gemäß der ersten
Variante ist das Stützelement
als separates Ringteil, also als Stützring, ausgebildet, der jedoch – im Vergleich
zu den bekannten Stützringen – mit einer
gegenüber
der Nuttiefe reduzierten Ringbreite ausgeführt ist. Dies wird in vorteilhafter
Weise aufgrund der durch die Schrägfläche auftretenden Keilwirkung
möglich,
die gewährleistet, dass
der Stützring
einerseits im drucklosen Zustand an der Umfangsdichtung gehalten
wird und andererseits bei Druckbeaufschlagung durch ein Anpressen der
Umfangsdichtung radial aufgeweitet wird. Er verschließt so den
Spalt und verhindert eine Spaltextrusion der Umfangsdichtung. Die
Nut für
den Stützring und
die Umfangsdichtung wird dabei an einer Nutflanke auf der druckbelasteten
Seite in ihrer Höhe, vorzugsweise
auf etwa die Hälfte
der Maximalhöhe, reduziert,
so dass der umfangsgemäß geschlossene Dichtring
ohne Aufweitung montiert werden kann. Im Gegensatz zu einer vollständig offenen
Nut wird dabei aber vorteilhafterweise die Umfangsdichtung in der
Nut immer noch an der Nutflanke mit der reduzierten Höhe gegen
eine axiale Bewegung fixiert und so insbesondere gegen ein Herausgleiten
aus der Nut gesichert.
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Gemäß dem zweiten
Lösungsansatz
ist das Stützelement
mit dem Vorteil einer möglichen
einstückigen
Fertigung als Bestandteil eines der Bauteile ausgebildet. Auf einen
Stützring
wird also komplett verzichtet. Durch die erfindungsgemäße und eine gleichzeitig
elastische Gestaltung der Wand der Umfangsnut, an der die Umfangsdichtung
zur Anlage kommt – z.
B. als dünner
biegsamer Steg – wird
der Spalt bei Druckbeaufschlagung durch ein Anpressen der Umfangsdichtung
geschlossen und eine Spaltextrusion der Umfangsdichtung ist nicht
mehr möglich.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der
folgenden Beschreibung enthalten.
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Anhand
mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele
soll im Folgenden die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 einen
Ausschnitt einer axial geschnittenen Darstellung einer ersten Ausführung einer
erfindungsgemäßen Anordnung
im drucklosen Zustand,
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2 in
einer Darstellung wie in 1, die erste Ausführung einer
erfindungsgemäßen Anordnung
im druckbeaufschlagten Zustand,
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3 einen
Ausschnitt einer axial geschnittenen Darstellung einer zweiten Ausführung einer
erfindungsgemäßen Anordnung
im drucklosen Zustand,
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4 in
einer Darstellung wie in 3, die zweite Ausführung einer
erfindungsgemäßen Anordnung
im druckbeaufschlagten Zustand,
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5 einen
Ausschnitt einer axial geschnittenen Darstellung einer dritten Ausführung einer
erfindungsgemäßen Anordnung
im drucklosen Zustand,
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6 in
einer Darstellung wie in 5, die dritte Ausführung einer
erfindungsgemäßen Anordnung
im druckbeaufschlagten Zustand,
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7 einen
Ausschnitt einer axial geschnittenen Darstellung einer vierten Ausführung einer
erfindungsgemäßen Anordnung
im drucklosen Zustand,
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8 in
einer Darstellung wie in 7, die vierte Ausführung einer
erfindungsgemäßen Anordnung
im druckbeaufschlagten Zustand,
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9 einen
Ausschnitt einer axial geschnittenen Darstellung einer fünften Ausführung einer
erfindungsgemäßen Anordnung
im drucklosen Zustand,
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10 in
einer Darstellung wie in 9, die fünfte Ausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung
im druckbeaufschlagten Zustand,
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11 einen
Ausschnitt einer axial geschnittenen Darstellung einer sechsten
Ausführung
einer erfindungsgemäßen Anordnung
im drucklosen Zustand,
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12 in
einer Darstellung wie in 11, die
sechste Ausführung
einer erfindungsgemäßen Anordnung
im druckbeaufschlagten Zustand,
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13 einen
Ausschnitt einer axial geschnittenen Darstellung einer siebten Ausführung einer
erfindungsgemäßen Anordnung
im drucklosen Zustand,
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14 in
einer Darstellung wie in 13, die
siebte Ausführung
einer erfindungsgemäßen Anordnung
im druckbeaufschlagten Zustand,
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15 einen
Ausschnitt einer axial geschnittenen Darstellung einer achten Ausführung einer
erfindungsgemäßen Anordnung
im drucklosen Zustand,
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16 in
einer Darstellung wie in 15, die
achte Ausführung
einer erfindungsgemäßen Anordnung
im druckbeaufschlagten Zustand.
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In
den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. einander
entsprechende Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen,
so dass sie in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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Wie
zunächst
aus den zeichnerischen Darstellungen in 1 und 2 zu
ersehen ist, weist eine erfindungsgemäße Anordnung zur Abdichtung von
Leitungen, Armaturen oder Aggregaten, die zur Führung eines mit einem gegenüber einem
Vergleichsdruck p2 erhöhten Druck p1 beaufschlagten Fluids
bestimmt ist, ein erstes Bauteil 1 und ein zweites Bauteil 2 auf,
zwischen denen ein abzudichtender Spalt 3 besteht. Der
Spalt 3 ist fertigungstoleranzbedingt unvermeidbar. In
den Figuren ist er aus Gründen
der Übersichtlichkeit überproportional
vergrößert dargestellt.
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Des
Weiteren weist die Anordnung mindestens eine elastisch deformierbare
Umfangsdichtung 4 auf, die in einer Nut 5 angeordnet
ist. Die Nut 5 verläuft
umfangsgemäß in einem
der beiden Bauteile 1, 2, im dargestellten Fall
in dem zweiten Bauteil 2. Die Nut 5 weist einen
Nutgrund 5a sowie eine Nutflanke 5b auf der Seite
des erhöhten
Druckes p1 und eine Nutflanke 5c auf
der Seite des Vergleichsdruckes p2 auf.
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Schließlich umfasst
die Anordnung ein Stützelement 6 für die Umfangsdichtung 4,
an dem die Umfangsdichtung 4 unter der Wirkung des erhöhten Drucks
p1 zur Anlage kommt.
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In
der ersten bis dritten sowie in der sechsten bis achten Ausführung der
Erfindung, die in 1 bis 6 sowie 11 bis 16 gezeigt
sind, ist dieses Stützelement 6 dabei
als separates, umfangsgemäß geschlossenes
Ringteil 6a, also als ungeschlitzter Stützring, ausgebildet, während es
in der vierten und fünften
Ausführung,
auf die sich 7 bis 10 beziehen,
als, insbesondere einstückiger,
Bestandteil 6b eines der Bauteile 1, 2,
vorzugsweise des zweiten Bauteils 2, ausgebildet ist.
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In
der ersten bis fünften
Ausführung
ist gemäß der Erfindung
vorgesehen, dass das Stützelement 6 bzw. 6a, 6b auf
seiner der Umfangsdichtung 4 zugewandten Seite eine Schrägfläche 7 aufweist, durch
deren Keilwirkung im Zusammenwirken mit der Umfangsdichtung 4 das
Stützelement 6, 6a, 6b zumindest
teilweise radial nach außen
bewegt bzw. aufgeweitet wird und dadurch im mit dem erhöhten Druck
p1 beaufschlagten Zustand, der jeweils in 2, 4, 6, 8 und 10 gezeigt
ist, bzw. im Betriebszustand den Spalt 3 zwischen den Bauteilen 1, 2 verschließt.
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Hierbei
ist für
eine hohe Funktionalität
der erfindungsgemäßen Anordnung
von Bedeutung, dass die Schrägfläche 7 zur
Längsachse
X-X unter einem – in 1 und 7 bezeichneten – Winkel μ1 steht. Damit
ist das Eintreten einer Keilwirkung an der Schrägfläche 7 beabsichtigt.
Die Keilwirkung besteht dabei darin, dass die axial gerichtete Kraft,
die durch die Druckbeaufschlagung auf die Umfangsdichtung 4 auftritt,
an der Schrägfläche 7 in
eine axiale und eine radiale Komponente zerlegt wird, welche im
Zusammenwirken das Stützelement 6, 6a, 6b zumindest teilweise
radial nach außen bewegen.
Um dies zu erreichen, ist der Winkel 11 ein spitzer, wobei
die Schrägfläche 7 in
Richtung der Wirkung des erhöhten Druckes
p1 zur Längsachse
X-X hin konvergiert.
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Das
Material, aus dem das Stützelement 6a in
der ersten bis dritten und auch der sechsten bis achten Ausführung besteht,
ist dabei bevorzugt ein extrusionsfester Werkstoff, wie ein Metall,
gefülltes oder
ungefülltes
Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyurethan (PUR), während das
Material, aus dem das Stützelement 6b in
der vierten und fünften
Ausführung
besteht, bevorzugt der Werkstoff ist, aus dem auch das jeweilige
Bauteil 1, 2 besteht, wie ein Metall oder ein
Kunststoff, beispielsweise ungefülltes oder
gefülltes,
vorzugsweise glasfaserverstärktes, Polyamid
(PA).
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Die
in 1 und 2 dargestellte erste Ausführung einer
erfindungsgemäßen Anordnung zeichnet
sich insbesondere durch ihre vorteilhaft konstruktive Einfachheit
aus. Die auf der Seite des erhöhten
Druckes p1 liegende Nutflanke 5b der
Nut 5 weist darin eine Höhe Hmin auf, die gegenüber einer Höhe Hmax
der auf der Seite des Vergleichsdruckes p2 liegenden
Nutflanke 5c reduziert ist. Die Höhe Hmin der auf der Seite des
erhöhten
Druckes p1 liegenden Nutflanke 5b kann
etwa 25 bis 65 Prozent, vorzugsweise etwa 35 bis 50 Prozent, der
Höhe Hmax
der auf der Seite des Vergleichsdruckes p2 liegenden
Nutflanke 5c betragen. Dadurch ist eine Spaltweite Smax
auf der Seite des erhöhten
Druckes p1 größer als eine Spaltweite Smin
auf der Seite des Vergleichsdruckes p2.
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Das
Stützelement 6 ist,
wie bereits erwähnt, als
separates, umfangsgemäß geschlossenes
Ringteil 6a ausgebildet, das auch als Stützring bezeichnet werden
kann. Dieses Ringteil 6a weist eine maximale Ringbreite
B auf, die sich aus der Differenz aus der Höhe Hmax der auf der Seite des
Vergleichsdruckes P2 liegenden Nutflanke 5c und
der Höhe
Hmin der auf der Seite des erhöhten
Druckes p1 liegenden Nutflanke 5b ergibt.
Der Maximalwert der Ringbreite B ist damit geringfügig kleiner
als die Spaltweite Smax auf der Seite des erhöhten Druckes p1.
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Das
Ringteil 6a weist des Weiteren einen derart dimensionierten
minimalen Innenradius Ri auf, dass es in montagetechnisch einfacher
Weise ohne Aufweitung über
die auf der Seite des erhöhten
Druckes p1 liegende Nutflanke 5b geführt werden
kann.
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Durch
das Vorhandensein der erfindungsgemäß vorgesehenen Schrägfläche 7 hat
das Ringteil 6a in der ersten Ausführung der Erfindung einen etwa dreieckigen
Querschnitt. Die Schrägfläche 7 bildet die
Hypotenuse des etwa rechtwinkligen Dreiecks. Von den beiden Katheten
verläuft
eine achsparallel zur Längsachse
X-X, während
die andere senkrecht dazu steht und an der ebenfalls senkrecht zur
Längsachse
X-X verlaufenden Nutflanke 5c auf der Seite des Vergleichsdrucks
p2 anliegt.
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Die
Keilwirkung der Schrägfläche 7 ermöglicht es
dabei, dass das Ringteil 6a einerseits in dem in 1 gezeigten
drucklosen Zustand an der Umfangsdichtung 4 gehalten wird.
Die Umfangsdichtung 4 ihrerseits wird durch die auf der
Seite des später
erhöhten
Druckes p1 liegende Nutflanke 5b,
deren Höhe
Hmin zwar reduziert, aber nicht auf Null reduziert ist, gegen eine
axiale Bewegung in Richtung der Längsachse X-X fixiert und so
gegen ein Herausgleiten aus der Nut 5 gesichert.
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Bei
der in 2 dargestellten Druckbeaufschlagung mit dem erhöhten Druck
p1 führt
die Keilwirkung der Schrägfläche 7 durch
ein Anpressen der Umfangsdichtung 4 zu einer radialen Aufweitung
des Ringteils 6a. Dadurch wird der Spalt 3 verschlossen, und
eine Spaltextrusion der Umfangsdichtung 4 kann nicht stattfinden.
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Die
in 3 und 4 gezeigte zweite Ausführung einer
erfindungsgemäßen Anordnung
unterscheidet sich von der ersten Ausführung durch veränderte Gestaltungen
des Ringteils 6a und der Nut 5. Das Ringteil 6a wird
darin vorteilhafterweise im Gegensatz zur ersten Ausführung nicht
nur axial, sondern auch radial fixiert bzw. zentriert.
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Das
Ringteil 6a hat hier einen etwa trapezförmigen Querschnitt, indem es
in axialer Richtung X-X länger
ausgeführt
ist als bei der ersten Ausführung. Die
erfindungsgemäß vorgesehene
Schrägfläche 7 bildet
eine kurze Seite des Trapezes. Die gegenüberliegende kurze Seite verläuft etwa
rechtwinklig zur Achsrichtung X-X, während die beiden langen Seiten parallel
zueinander und achsparallel verlaufen. Die Breite B des Ringteils
ist – abgesehen
von dem Bereich der Schrägfläche 7 – somit über die
Länge des Ringteils 6a hinweg
konstant.
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Die
Nut 5 ist bei dieser Ausführung auf der Seite des Vergleichsdruckes
p2 gestuft ausgeführt, wobei die Höhe Hs der
Stufe etwa genauso groß ist wie
die Höhe
Hmin der Nutflanke 5b auf der Seite des erhöhten Druckes
p1.
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Die
auf der Seite des Vergleichsdruckes p2 liegende
Nutflanke 5c ist durch die Stufung aus zwei axial zueinander
versetzten Flankenabschnitten 5c1, 5c2 gebildet,
welche durch einen achsparallel verlaufenden Zwischenabschnitt 5d miteinander
verbunden sind. Um diesen Zwischenabschnitt 5d herum ist
radial außenliegend
ein (nicht bezeichneter) Ringraum gebildet, der das Ringteil 6a – ausgenommen
des Bereiches, in dem sich seine Schrägfläche 7 befindet – aufnimmt.
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Von
den beiden axial zueinander versetzten Flankenabschnitten 5c1, 5c2 verläuft ein
Flankenabschnitt 5c2, und zwar der, der einen auf der Seite
des Vergleichsdruckes p2 liegenden Abschluss
der Nut 5 bildet, rechtwinklig zur Längsachse X-X. Der andere, mehr
in einem mittleren Bereich der Nut 5 liegende Flankenabschnitt 5c1 verläuft schräg zur Längsachse
X-X.
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Dieser
Flankenabschnitt 5c1 ist dabei so ausgerichtet, dass er
im Montagezustand mit der Schrägfläche 7 des
Ringteils 6a konvergiert und vorzugsweise einen stumpfen
Winkel bildet. Damit wird vorteilhafterweise vermieden, dass in
der Nut 5 an der Übergangsstelle
zum Ringteil 6a ein Versatz und somit eine scharfe Kante
entsteht. Der Gefahr einer Beschädigung
der Umfangsdichtung 4 wird somit vorgebeugt.
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Die
dritte Ausführung
einer erfindungsgemäßen Anordnung,
welche durch 5 und 6 veranschaulicht
wird, weist ähnlich
wie die zweite Ausführung
eine Stufung der Nut 5 auf.
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Die
Geometrie von Nut 5 und Ringteil 6a ist bei dieser
Ausführung
noch stärker
auf die Vermeidung scharfer Kanten ausgerichtet. Hierzu ist am Übergang
von dem im mittleren Bereich der Nut liegenden Flankenabschnitt 5c1 zu
dem achsparallel verlaufenden Zwischenabschnitt 5d eine
Verrundung 5e vorgesehen.
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Die
Höhe Hs
der Stufe ist bei dieser Ausführung
größer als
die Höhe
Hmin der Nutflanke 5b auf der Seite des erhöhten Druckes
p1. Über
die Länge des
Ringteils 6a hinweg nimmt in Anpassung an diese Stufengestaltung
die Breite des Ringteils 6a im Bereich der Schrägfläche 7 zunächst zu,
um dann – zulaufend
auf einen Bereich des Ringteils 6a, der im Montagezustand
an der Verrundung 5e in der Nut 5 zur Anlage kommt – wieder
abzunehmen und um dann im Ringraum um den achsparallel verlaufenden Zwischenabschnitt 5d einen
Wert zu erreichen, der sich als Differenz aus der Höhe Hmax
der Nutflanke 5c und der Höhe Hs der Stufe ergibt.
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Bei
den in 7 bis 10 dargestellten Ausführungen
einer erfindungsgemäßen Anordnung ist
das Stützelement 6 als,
insbesondere einstückiger,
Bestandteil 6b eines der Bauteile 1, 2,
konkret des zweiten Bauteiles ausgebildet. Auf einen Stützring wird
komplett verzichtet.
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Die
dargestellten Beispiele zeigen jeweils in der Nut 5 angeordnete,
als federelastische Stege gestaltete Ausführungen des Stützelementes 6b.
Durch die Anpassung der Umfangsdichtung 4 an die an diesen
Stegen befindliche, erfindungsgemäß vorgesehenen Schrägfläche 7 auf
der druckbelasteten Seite wird der Steg jeweils deformiert und der
Spalt 3 bei Druckbeaufschlagung geschlossen. Die dazu erforderliche
Elastizität
der Stege kann unter Berücksichtigung
der Druckdifferenz zwischen dem erhöhten Druck p1 und
dem Vergleichsdruck p2 und unter Berücksichtigung
der mechanischen Kenngrößen, insbesondere
des Elastizitätsmoduls
des Materials des Bauteils 2 über eine mittlere Stegbreite
SB der Stützelemente 6b eingestellt
werden.
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Wie
auch aus den zeichnerischen Darstellungen in 7 bis 10 hervorgeht,
können
dabei – im
Sinne einer hohen Funktionalität
und des Vermeidens eines Brechens der Stege bei der unter dem erhöhten Druck
p1 auftretenden Biegebelastung – die Stege
mit einem Fuß versehen
sein, der eine größere Stegbreite
SB aufweist als das freie Ende der Stege. D. h. die Stege können sich
radial nach außen
verjüngen.
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Die
vierte und die fünfte
Ausführung
der Erfindung unterscheiden sich im Detail durch die alternative
Ausführung
der Stege voneinander.
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Bei
der in 7 und 8 dargestellten vierten Ausführung fußt der Steg
auf dem Nutgrund 5a und erstreckt sich schräg zur Längsachse
X-X radial nach außen über die
gesamte Höhe
Hmax der Nut 5. Dadurch ist in der Nut 5 hinter
dem Steg eine größere Nutkammer 5f gebildet.
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Bei
der fünften
Ausführung
in 9 und 10 fußt der Steg in einem radial
außenliegenden Bereich
der auf der Seite des Vergleichsdruckes p2 liegenden
Nutflanke 5c, wobei er sich zur Bildung der Schrägfläche 7 ebenfalls
schräg
zur Langsachse X-X radial nach außen erstreckt. Der Steg kann
dadurch im Sinne einer höheren
Stabilität
kürzer
ausgeführt werden
als bei der vierten Ausführung
und ein hinter dem Steg gebildeter Kammerraum 5g kann viel
kleiner ausfallen als die Nutkammer 5f der vierten Ausführung. Eine
radiale (nicht bezeichnete) Breite des Kammerraums 5g kann
also in der Größenordnung der
Spaltweite Smin des Spaltes 3 liegen, z. B. etwa zwei-
bis dreimal so groß wie
diese Spaltweite Smin sein.
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Die
in 11 und 12 dargestellte
sechste Ausführung
einer erfindungsgemäßen Anordnung ist ähnlich aufgebaut
wie die in 5 und 6 dargestellte
dritte Ausführung
der Erfindung. Das Spezifikum dieser sechsten Ausbildung besteht
dabei darin, dass die erfindungswesentliche Schrägfläche, die in dieser Ausführung mit
dem Bezugszeichen 107 bezeichnet ist, nicht auf der der
Umfangsdichtung 4 zugewandten, sondern ausschließlich auf
der der Umfangsdichtung 4 abgewandten Seite des Stützelementes 6, 6a, 6b angeordnet
ist. Dabei läuft
die Schrägfläche 107 in
Richtung der Wirkung des erhöhten
Druckes p1 zur Längsachse X-X hin in einem stumpfen
Winkel μ2
zu. Die Schrägfläche 7 divergiert in
Richtung der Wirkung des erhöhten
Druckes p1 im Hinblick auf die Längsachse
X-X. Der stumpfe Winkel μ2
kann dabei insbesondere im Bereich zwischen 95° und 165°, vorzugsweise zwischen 150° und 100°, liegen.
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Bei
dieser Ausführung
der Erfindung kommt es durch das Zusammenwirken des Stützelementes 6 bzw. 6a mit
der Umfangsdichtung 4 unter der Wirkung des erhöhten Druckes
p1 ebenfalls dazu, dass das Stützelement 6a zumindest
teilweise radial nach außen
bewegt wird und den Spalt 3 zwischen den Bauteilen 1, 2 verschließt. Die
Umfangsdichtung 4 wirkt hier jedoch nicht unmittelbar auf
die Schrägfläche 107,
da sich die Schrägfläche 107 auf
der der Umfangsdichtung 4 abgewandten Seite des Stützelementes 6a befindet.
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Die
bei dieser Ausführung
mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnete Fläche, auf die die Umfangsdichtung 4 unmittelbar
wirkt, braucht – wie
dargestellt – daher
auch nicht als Schrägfläche ausgebildet
sein, sondern kann rechtwinklig zur Längsachse X-X verlaufen. Die
Keilwirkung, welche dazu führt,
dass die durch den erhöhten
Druck p1 auftretende, axial gerichtete Kraft
in Komponenten mit unterschiedlicher Kraftwirkungsrichtung, wovon
insbesondere eine in radialer Richtung wirkt, zerlegt wird, tritt
hier mittelbar – gewissermaßen erst „hinter” dem Stützelement 6a – und zwar
an einer Grenze zwischen der Schrägfläche 107 und dem komplementär ausgebildeten
ersten Flankenabschnitt 5c1 auf, der auf der Seite des Vergleichsdruckes
p2 in der Umfangsnut 5 angeordneten
Nutflanke 5c ausgebildet ist und an dem die Schrägfläche 107 anliegt.
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Unter
diesem Gesichtspunkt ist auch zu konstatieren, dass in der dritten
Ausführung
der Erfindung (5 und 6) zwei
Schrägflächen 7, 107 vorhanden
sind, die im Belastungsfall durch den erhöhten Druck p1 das
Stützelement 6a radial
nach außen
drängen
bzw. aufweiten, die Schrägfläche 7 auf der
der Umfangsdichtung 4 zugewandten Seite und die Schrägfläche 107 auf
der der Umfangsdichtung 4 abgewandten Seite des Stützelementes 6a.
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Die
siebte und achte Ausführung
der Erfindung, welche in 13 bis 16 dargestellt
sind, sind wiederum der ersten bis dritten und der sechsten Ausführung ähnlich,
indem das Stützelement 6 als separates
Ringteil 6a ausgebildet ist. Sie unterscheiden sich jedoch
von den genannten Ausführungen dadurch,
dass am Ringteil 6a keine Schrägflächen vorhanden sind. Die Ringteile 6a sind
mit rechteckigem bzw. quadratischem Querschnitt ausgebildet. Die
wie in der sechsten Ausführung
mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnete Fläche, auf die die Umfangsdichtung 4 unmittelbar
wirkt, ist nicht als Schrägfläche ausgebildet
sein, sondern verläuft
im unbelasteten Zustand rechtwinklig zur Längsachse X-X. Das gleiche trifft
auch auf die „rückseitige” Fläche 27 des Ringteils 6a zu,
die der auf der Seite der Umfangsdichtung 4 liegenden Fläche 17 gegenüberliegt.
Der Verschluss des Spaltes 3 wird hier – ähnlich wie bei den Stegen gemäß der vierten
und fünften
Ausführung – allein
durch eine Deformation des Stützelementes 6 bewirkt.
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Auch
bei der siebten und achten Ausführung der
Erfindung ist an der auf der Seite des Vergleichsdruckes p2 liegenden Nutflanke 5c durch zwei
axial zueinander versetzte Flankenabschnitte 5c1, 5c2 eine
Stufung ausgebildet, wobei wiederum die hier rechtwinklig zur Längsachse
X-X verlaufenden Flankenabschnitte 5c1, 5c2 durch
einen achsparallel verlaufenden Zwischenabschnitt 5d miteinander
verbunden sind. Um diesen Zwischenabschnitt 5d herum ist radial
außenliegend
ein (nicht bezeichneter) Ringraum gebildet, der das Ringteil 6a aufnimmt.
Das Ringteil 6a füllt
dabei im unbelasteten Zustand – etwa den
Bereich des Spaltes 3 ausgenommen – den Ringraum vollständig aus.
Das Ringteil 6a liegt einseitig mit der Fläche 27,
die der auf der Seite der Umfangsdichtung 4 liegenden Fläche 17 gegenüberliegt
an dem Flankenabschnitt 5c2 der Nutflanke 5c an,
der mehr auf der Seite des Vergleichsdruckes p2 liegt. Anderseitig
weist – wie 13 und 15 zeigen – die auf
der Seite Umfangsdichtung 4 liegende Fläche 17 im unbelasteten
Zustand einen Überstand 8 gegenüber dem
Flankenabschnitt 5c1 der Nutflanke 5c auf, an
dem die Umfangsdichtung 4 zur Anlage kommt.
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Unter
der Wirkung des erhöhten
Druckes p1 wird dann – wie 14 und 16 zeigen – der Überstand 8 unter
axialer Stauchung und Deformation des Ringteils 6a durch
die Umfangsdichtung 4 in den Ringraum gepresst, und das
Ringteil 6a verschließt
dabei den Spalt 3, indem es – aufgrund seiner Inkompressibilität – bei der
Stauchung gleichzeitig radial aufgeweitet wird.
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Die
siebte und achte Ausführung
der Erfindung unterscheiden sich dabei voneinander durch die geometrischen
Verhältnisse
von Breite B des Ringteils 6a und Höhe Hmin der auf der Seite des
erhöhten
Druckes p1 liegenden Nutflanke 5b der
Nut 5 zueinander und zur Höhe Hmax der auf der Seite des Vergleichsdruckes
p2 liegenden Nutflanke 5c. Der Höhe Hmin
der auf der Seite des erhöhten
Druckes p1 liegenden Nutflanke 5b der
Nut 5 entspricht hier jeweils gleichzeitig auch die Höhe der Stufung
der anderen Nutflanke 5c, in der der Zwischenabschnitt 5d zwischen
den beiden Flankenabschnitten 5c1, 5c2 verläuft.
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Die
Breite B des Ringteils 6a entspricht jeweils der Differenz
zwischen der Höhe
Hmax der auf der Seite des Vergleichsdruckes p2 liegenden
Nutflanke 5c und der Höhe
Hmin. So kann das Ringteil 6a bei seiner Montage in einfacher
durch ein axiales Einschieben – bis
in den Ringraum über
den Zwischenabschnitt 5d hinein – montiert werden kann.
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Gemäß der siebten
Ausführung
der Erfindung beträgt
die Höhe
Hmin der auf der Seite des erhöhten
Druckes p1 liegenden Nutflanke 5b der
Nut 5 und insbesondere auch die Höhe der Stufung der anderen
Nutflanke 5c, etwa 50 Prozent der (Gesamt-)Höhe Hmax
der auf der Seite des Vergleichsdruckes p2 liegenden
Nutflanke 5c, während
dieser Wert gemäß der achten
Ausführung
etwa nur halb so groß ist.
Auf diese Weise ist bei der achten Ausführung eine Trennstelle zwischen
Ringteil 6a und Nutstufe in Richtung auf den Nutgrund 5a hin
verlagert. Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass bei Beaufschlagung
durch den erhöhten
Druck p1, der ja auch – wie dargestellt – immer
zu einer Deformation der Umfangsdichtung 4 führt, die
Stelle in einem radial gesehen mittleren Bereich, an der lokal der
höchste
Druck an der Umfangsdichtung 4 auftritt, nicht mit der
Trennstelle zwischen Ringteil 6a und Nutstufe zusammenfällt. Auf
diese Weise wird einer Beschädigung
der Umfangsdichtung 4 vorgebeugt.
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Wie
bereits aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, ist die
Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst
auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen.
So veranschaulichen die exemplarisch dargestellten Ausführungen,
dass insbesondere die unterschiedlichsten Ausführungen von Stützelementen 6, 6a, 6b in
den Rahmen der Erfindung fallen können.
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Des
Weiteren kann der Fachmann zusätzliche
vorteilhafte technische Maßnahmen
vorsehen, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So
wurde beispielsweise vorstehend noch nicht erwähnt, dass auch die Dimensionierung
des – in 1 und 7 bezeichneten – Winkels μ1, unter
dem die Schrägfläche 7 zur
Längsachse
X-X steht, für
eine hohe Funktionalität
der erfindungsgemäßen Anordnung
von Bedeutung ist.
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Im
Falle der ersten bis dritten Ausführung der Erfindung muss der
Winkel μ1
in erster Linie derart groß gewählt werden,
dass die an der Schrägfläche 7 entstehende
radiale Komponente der Kraft ausreicht, um das Stützelement 6a aufzuweiten.
Für hohe
Werte des Druckes p1 kann dabei der Winkel μ größer gewählt werden
als für
niedrige.
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Im
Falle der vierten und fünften
Ausführung der
Erfindung sollte der Winkel μ1
unter zusätzlicher Berücksichtigung
dessen gewählt
werden, dass der Spalt 3 durch die kreisbogenförmige Bewegung
des freien Endes des als Steg ausgebildeten Stützelementes 6b verschlossen
werden muss. Der Steg sollte aus Stabilitätsgründen unter Berücksichtigung
eines Toleranzmaßes
für seine
Länge nach
einem Spaltverschluss immer noch in einem Winkel von weniger als
90° zur
Längsachse
X-X stehen.
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Unter
diesem Aspekt sollte gelten: μ1 < arcsin (1 – Smin/R), wobei R eine
in 7 eingezeichnete Biegelänge des Steges und Smin die
zu verschließende
Spaltweite des Spaltes 3 ist.
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Generell
sind für
den eingangs genannten Druckbereich und die vorstehend genannten
Werkstoffe Winkel μ1
im Bereich zwischen 15° und
85°, vorzugsweise
zwischen 30° und
80°, als
optimal anzusehen.
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Ferner
ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im Anspruch 1
definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch
jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller
insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet,
dass grundsätzlich praktisch
jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens
ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt
werden kann. Insofern sind die Ansprüche lediglich als ein erster
Formulierungsversuch für
eine Erfindung zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes
Bauteil
- 2
- zweites
Bauteil
- 3
- Spalt
zwischen 1 und 2
- 4
- Umfangsdichtung
- 5
- Umfangsnut
in 2
- 5a
- Nutgrund
von 5
- 5b
- Nutflanke
von 5 auf der Seite von p1
- 5c
- Nutflanke
von 5 auf der Seite von p2
- 5c1
- erster
Flankenabschnitt von 5c
- 5c2
- zweiter
Flankenabschnitt von 5c
- 5d
- Zwischenabschnitt
zwischen 5c1 und 5c2
- 5e
- Verrundung
zwischen 5c1 und 5d (5, 6)
- 5f
- Nutkammer
von 5 (7, 8)
- 5g
- Kammerraum
in 5 (9, 10)
- 6
- Stützelement
(allgemein)
- 6a
- 6 in
Ausführung
als Ringteil
- 6b
- 6 in
Ausführung
als Bestandteil von 2
- 7
- Schrägfläche an 6 (1 bis 10)
- 17
- Fläche an 6,
rechtwinklig zu X-X (11 bis 16)
- 27
- Fläche an 6,
rechtwinklig zu X-X, gegenüber
zu 17 (13 bis 16)
- 107
- Schrägfläche an 6 (11 und 12)
- B
- Ringbreite
von 6a
- Hmax
- maximale
Nuthöhe
von 5
- Hmin
- reduzierte
Höhe von 5b (1 bis 6)
- Hs
- Stufenhöhe (5, 6)
- p1
- erhöhter Druck
- p2
- Vergleichsdruck
- R
- Biegelänge von 6b (7)
- Ri
- Innenradius
von 6a
- SB
- Stegbreite
von 6b
- Smax
- maximale
Spaltweite von 3
- Smin
- minimale
Spaltweite von 3
- X-X
- Längsachse
von 1, 2
- μ1
- Winkel
zwischen 7 und X-X (1, 7)
- μ2
- Winkel
zwischen 107 und X-X (11, 12)