DE2931603C2 - - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
- F16J15/00—Sealings
- F16J15/56—Other sealings for reciprocating rods
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
- F16J15/00—Sealings
- F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
- F16J15/32—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Sealing Devices (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtung gemäß dem Gattungs
begriff des Anspruchs 1. Solche Dichtungen sollen eine fluid
dichte Abdichtung zwischen zwei einander gegenüberliegenden
Flächen ergeben, die relativ zueinander oder in ihrer Gesamtheit
gegenüber einer Gehäusewand verstellbar sind und im Regelfall aus
Metall bestehen.
Dichtungen generell haben im allgemeinen die Form eines Ringes
oder einer kreisförmigen Scheibe und bestehen aus Gummi-, Plastik
material oder anderen natürlichen oder künstlichen Polymeren. Die
Dichtungen sind dicht zwischen den einander gegenüberliegenden
vorzugsweise metallischen Flächen angeordnet und erhöhen durch
Deformation die Dichtwirkung mit ansteigender Druckdifferenz
zwischen den beiden Bereichen zu beiden Seiten der Dichtung.
Solche Dichtungen sind of elastisch vorgespannt, z. B. durch eine
geeignete Feder, um eine gute Dichtwirkung auch bei niedrigen
Drücken zu ergeben.
Dichtungen mit einem Stapel von Ringen gemäß dem Gattungsbegriff
des Anspruchs 1 sind ebenfalls bekannt, und bei ihnen haben alle
Ringe eines solchen Stapels aus Polymer einerseits und alle Ringe
des gleichen Stapels aus einem im Verhälnis dazu steiferen Mate
rials andererseits jeweils eine gleiche Dicke, d. h. die Dicke der
Elstomerringe ist anders als die der Ringe aus steiferem Material,
bleibt aber über die Höhe des Stapels konstant (DE-GM 69 38 938,
CH-PS 24 26 87).
Auf eine holzylindrische Packung mit einem gattungsgemäßen
Stapel von Ringen wirkt der Fluiddruck in Achslängsrichtung des
Zylinders. Da sich die Packung in dieser Richtung jedoch nicht
über das Maß ihrer Kompressibilität
hinaus verformen kann, erhöht sich bei größeren Drücken
unter dem axialen Fluiddruck der Radialdruck der Packung
gegen die Flächen, zwischen denen die Packung angeordnet
ist. Dabei ist der Druck des Fluids natürlich am einen Ende
der Packung bzw. Dichtung höher als am anderen, und die
Druckverteilung ist nicht über die Länge der Dichtung gleich.
Der Radialdruck ist dabei am Ende der Packung mit hohem Fluid
druck am niedrigsten und steigt exponential zum anderen
Packungs- bzw. Dichtungsende an. Dieses Phänomen ist darge
stellt und beschrieben auf Seite 143 von "Machine Design"
vom 20. Januar 1977.
Die nicht-gleichmäßige Verteilung des radialen Druckes in
der Dichtung ist gewöhnlich nicht ein Problem bei relativ
niedrigen Temperaturen und Drücken (z. B. unter 3000 psi),
weil die elastomere Natur des Dichtungswerkstoffes sich
dabei anpassen kann. Werden jedoch Polymer-Dichtungen bei
hohen Temperaturen angewendet, so reduzieren diese höheren
Temperaturen die physikalischen Eigenschaften des Dichtungs
materials erheblich, so daß sie sich weniger an die nicht-
einheitliche radiale Druckverteilung anpassen können. Das
kann dann zu Dichtungsfehlern führen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Überwindung dieses
Problemes durch Anwendung einer Dichtung bzw. Packung, bei
der die radiale Druckverteilung wesentlich gleichförmiger ist, so
daß die Dichtung in einem weiten Druckbereich anwendbar ist, in
dem der Polymer der Dichtung stabil ist. Diese Wirkung soll auch
bei sehr hohen Druckdifferenzen und in einem weiten Druckbereich
vorliegen, z. B. vom Vakuum bis zu 40 000 psi.
Die Erfindung ist auf die Kenntnis gestützt, daß der Kompressions-
Modul eines Polymerstückes proportional dem Konturfaktor dieses
Stockes ist. Diese Beziehung ist auf Seite 34 von "Engineering
Design With Natural Rubber", 4. Auflage 1974 der "The Malaysian
Natural Rubber Producer′s Research Association", London, England,
erörtert. Der Ausdruck "Konturfaktor" bezeichnet das Verhältnis
des belasteten Bereiches des Polymerstückes, d. h. der Oberfläche
quer zur Längsrichtung der Dichtung zu dem von Kräften freige
haltenen Bereich des Stückes, d. h. den Flächen parallel zur Längs
richtung der Dichtung. Das bedeutet, daß für den gleichen bela
steten Bereich der Kompressions-Modul umso größer ist, je dünner
die Dichtung in axialer Richtung ist.
Davon ausgehend soll bei der Lösung der Aufgabe mit der Erfin
dung eine Packung aufgezeigt werden, bei der der Kompressions-
Modul exponential mit der Entfernung vom Bereich des hohen Druckes
ansteigt, um den radialen Druckanstieg, den die Packung
erfährt, kompensieren zu können.
Die dadurch definierte Aufgabe der Erfindung wird erfindungs
gemäß dadurch gelöst, daß bei einer gattungsgemäßen Dichtung die
Dicke der Elastomer-Ringe in der einen Längsrichtung des Stapels
geringer wird.
Als ein Ergebnis der Erfindung wird jeder Elastomer-Ring nach
außen um etwa das gleiche Maß gedehnt, wodurch wiederum vermieden
bzw. die Gefahr verringert wird, daß die Dichtung über ihre Länge
ungleich trägt. Dabei verhält sich die Mehrzahl der Elastomer-
Ringe nicht wie eine einzige Elastomer-Packung mit der üblicher
weise nicht-einheitlichen radialen Druckverteilung.
Das Ergebnis der Verwendung der steiferen Metallringe wird ver
bessert, wenn sie ständig mit den Elastomer-Ringen verbunden
sind, mit denen sie sich berühren, so daß eine Baueinheit aus
einem einstückigen Stapel abwechselnder Elastomer-Ringe und
steiferer Ringe entsteht.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben
sich aus dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungs
beispiel und dessen nachfolgender Beschreibung. In der
Zeichnung zeigt
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch
eine flüssigkeitsbetätigte Kolbenzylindereinheit, die
Dichtungen gemäß der Erfindung aufweist, und
Fig. 2 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung in
größerem Maßstab und mit zur Verdeutlichung der
dargestellten Teile weggebrochenen Teilen eine
Dichtung gemäß der Erfindung.
Zur Illustration der Erfindung ist in Fig. 1 der Einbau von
Dichtungen gemäß der Erfindung in eine Kolbenzylindereinheit
dargestellt. Jede Dichtung weist einen Stapel bzw. ein
"Paket" von scheiben- bzw. ringförmigen Dichtelementen auf.
Es versteht sich, daß solche Dichtungen bei sehr unterschied
lichen Vorrichtungen zur Anwendung kommen können, und zwar
insbesondere als "bewegliche" Dichtungen zwischen zwei relativ
zueinander beweglichen Teilen, die vorzugsweise aus Metall
bestehen. Die Bewegungen können, wie im Ausführungsbeispiel
angenommen, translatorische Bewegungen oder Rotationsbewe
gungen sein.
Die Kolben-Zylinder-Einheit schließt einen Zylinder 10 mit
einer Innenbohrung 11 und zwei Öffnungen 12, 13 in der Seiten
wand ein. In der Bohrung 11 ist ein Kolben 14 axial verstellbar
gelagert, der auf dem Ende 15 einer Kolbenstange 16 gelagert
ist, dessen Querschnitt gegenüber der übrigen Kolbenstange
verringert ist. Das im Querschnitt verringerte Kolbenende 15
ist mit einem Gewinde versehen, so daß der Kolben mittels
einer auf die Kolbenstange aufgeschraubten Mutter 17 gegen
die Schulter 18 der Kolbenstange in Anlage gehalten ist, die
der Übergang zwischen den Kolbenstangenteilen mit verschiedenen
Querschnitten bildet. In einem erweiterten Bohrungsteil
des Kolbens 14 ist eine O-Ring-Dichtung 21 angeordnet, die
das Kolbenstangenende 15 umgibt und verhindert, daß sich eine
Leckströmung zwischen den beiden Kolbenseiten entlang dem
Bereich zwischen Kolben 14 und Kolbenstangenende 15 ausbildet.
Zwischen dem Kolben 14 und der Schulter 18 ist eine Scheibe
19 angeordnet, deren Außendurchmesser gleich dem oder etwas
geringer als der Durchmesser der Zylinderbohrung 11 ist. Die
Kolbenstange 16 ist verschiebbar durch eine Bohrung 20 in
einer Endplatte des Zylinders 10 hindurchgeführt.
Im Betrieb der Vorrichtung wird die Öffnung 12 ein Hochdruck-
Fluid, wie Luft oder Öl, zugeführt und an der Öffnung 13
Fluid abgeführt, um den Kolben 14 und die Kolbenstange 16
in der Darstellung der Fig. 1 nach rechts zu verstellen.
Dabei handelt es sich um eine konventionelle Funktion.
Am Ende 23 ist der Querschnitt des Kolbens 14 etwa gleich
dem oder geringfügig kleiner als der Querschnitt der Bohrung
11. Zwischen diesem Kolbenende und der Scheibe 19 ist der
Kolbendurchmesser verringert, um eine Ringnut 24 zur Auf
nahme einer Dichtung 25 zu ergeben. Der Durchmesser der
Bohrung 20 ist auf dem größten Teil ihrer Länge etwas größer
als der Durchmesser der Kolbenstange 16, um eine weitere
Ringnut zur Aufnahme einer weiteren Dichtung 26 zu bilden.
Die Dichtungen 25 und 26 sind entsprechend der Erfindung
ausgebildet.
Wie es sich am besten aus Fig. 2 ergibt, schließt jede
Dichtung einen Stapel 29 aus Elastomer-Ringen 30-36 ein,
die mit Ringen 37 eines Ringstapels aus einem gegen Druck
in hohem Maße widerstandsfähigen Material, wie Metall,
abwechselnd angeordnet sind. Obwohl für das gewählte Aus
führungsbeispiel sieben Elastomer-Ringe gewählt sind, können
auch mehr oder weniger solcher Ringe gewählt werden. Vor
zugsweise sind die Ringe 30-37 durch einen geeigneten Kleber
dauerhaft miteinander verbunden, so daß die Ringe zusammen
als bauliche Einheit zur Dichtung verwendet werden können.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, daß die beiden Endringe
des gesamten Ringstapels 29 Metallringe 37 sind, so daß
der Ringstapel an seinen beiden Enden starr und abriebfest
ist. Die Elastomer-Ringe 30-36 werden in Längsrichtung des
Ringstapels zunehmend dünner, d. h. Ring 31 ist dünner als
Ring 30, Ring 32 ist dünner als Ring 31, Ring 33 ist dünner
als Ring 32 usw. Die Metallringe 37 können demgegenüber alle
die gleiche Dicke haben.
Die auf dem Kolben 14 angeordnete Dichtung 25 besteht aus
zwei Ringstapeln 29 in Tandemanordnung. Zwischen den Ring
stapeln ist ein konventioneller O-Ring 39 aus einem Elstomer
und zwischen diesem O-Ring und jedem Stapel ist ein Sicherungs
ring 40 aus relativ steifem Material, beispielsweise ent
sprechendem Plastikmaterial angeordnet. Der O-Ring 39 erhöht,
wenn überhaupt, nur geringfügig den Dichtungseffekt der
Stapel 29; der hauptsächliche Zweck des O-Ringes ist es, auf
die Stapel 29 eine federnde axiale Belastung aufzubringen.
Deshalb könnte der O-Ring 39 durch jedes geeignete Federmittel
ersetzt werden, das den Federstapeln 29 eine gewünschte Vor
spannung zu vermitteln vermag. Jeder Sicherungsring 40 hat eine
flache Seite 42, die mit dem Endring 37 des jeweiligen Feder
stapels zusammenwirkt und eine konkave Seite 43, die einen
guten Sitz für den O-Ring 29 bildet.
Bei der Dichtung 25 liegen die dicksten Ringe 30 der
Stapel 29 dem O-Ring 39 näher, während die dünnsten
Ringe 36 der Endfläche 23 des Kolben 14 und der Platte 19
näher liegen. Wird der Kolben 14 in der Bildebene nach rechts
bewegt, d. h. wirkt Hochdruckfluid auf die linke Kolbenseite,
dann wirkt der Stapel 29 rechts vom O-Ring 39 als Hauptdich
tung zwischen Kolben und Zylinderwand. Wird der Kolben 14
nach links bewegt, d. h. wirkt Hochdruckfluid auf die rechte
Kolbenseite ein, dann wirkt der Dichtungsstapel 29 links vom
O-Ring 39 als Hauptdichtung. Auf diese Weise ist während der
Kolbenbewegung das Stapelende des jeweils wirksamen Stapels
mit dem dicksten Ring 30 näher dem Hochdruckbereich als das
Kolbenende mit dem dünnsten Ring 36. Auf diese Weise wird
die ungleichmäßige radiale Druckwirkung, wie sie bei solchen
Anordnungen und üblichen Dichtungen üblicherweise vorliegt,
kompensiert und die radiale Druckwirkung ist innerhalb jedes
Stapels im wesentlichen gleichmäßig. Als Ergebnis hiervon
wird keiner der Ringe 30-36 mehr als die anderen radial
nach außen gepreßt und es wird keiner der Ringe bei Gleit
bewegungen gegenüber der Wand der Zylinderbohrung 11 mehr als
die anderen Ringe tragen.
Der Stapel 29 der Dichtung 26 ist in entsprechender Weise
mit einem O-Ring 39 und einem Sicherungsring 40 versehen,
wobei auch hier der O-Ring dem Stapel eine elastische Vor
spannung vermittelt. Mit einem Sprengring 46, der in eine
Ringnut in der Wand der Bohrung 20 eingesetzt ist, wird
die Dichtung 26 an der ihr zugeordneten Stelle gehalten,
wobei ein Abstandsring 47 zwischen dem Sprengring 46 und
dem Ende des Stapels 29 angeordnet ist. Innerhalb der Dich
tung 26 ist das Ende des Stapels 29 mit dem dicksten Ring 30
das dem O-Ring 39 nähere Ende, weil auf diese Weise der
dickste Ring dem Hochdruckbereich der Bohrung 11 möglichst
nahe ist.
Die Abmessungen der Ringe 30-37 sind von dem Werkstoff ab
hängig, aus dem sie bestehen und von den Bedingungen der
Umgebung, in der die Dichtung verwendet wird. Trotzdem soll
zum besseren Verständnis der Erfindung eine Dichtung näher
definiert werden, wie sie sich als besonders brauchbar erwiesen
hat. Die Elastomer-Ringe 30-36 bestanden dabei aus Nitril
kautschuk und hatten die folgenden Abmessungen:
Außendurchmesser1,870×2,54 cm
Innendurchmesser1,505×2,54 cm
Dicke:
Ring 300,094×2,54 cm Ring 310,047×2,54 cm Ring 320,032×2,54 cm Ring 330,023×2,54 cm Ring 340,019×2,54 cm Ring 350,016×2,54 cm Ring 360,014×2,54 cm
Ring 300,094×2,54 cm Ring 310,047×2,54 cm Ring 320,032×2,54 cm Ring 330,023×2,54 cm Ring 340,019×2,54 cm Ring 350,016×2,54 cm Ring 360,014×2,54 cm
Die Metallringe waren 0,03×2,54 cm dick und hatten die
Innen- und Außendurchmesser der Gummiringe.
Claims (7)
1. Dichtung mit einem Stapel von Ringen, von denen einige aus
einem Elastomer und einige aus einem im Verhältnis dazu stei
feren Material bestehen, wobei Ringe aus den beiden verschie
denen Materialien in Längsrichtung des Stapels abwechselnd
aufeinanderfolgen und dabei die steifen Ringe nur über die
Elastomer-Ringe, die Elastomer-Ringe nur über die steifen
Ringe untereinander in Verbindung stehen,
dadruch gekennzeichnet,
daß die Dicke der Elastomer-Ringe (30-36) in der einen Längs
richtung des Stapels zunehmend geringer wird.
2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
jeder Ring mit dem im Stapel jeweils nächstfolgenden
Ring verbunden ist.
3. Dichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Endringe des Stapels starre Ringe sind.
4. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder der Ringe einen rechteckigen
Querschnitt hat.
5. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die steifen Ringe aus Metall be
stehen.
6. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet
durch ihre Druckvorspannung in Richtung ihrer Längsachse.
7. Verwendung einer Dichtung nach zumindest einem der
Ansprüche 1-6 zum Einbau zwischen zwei Druckquellen
unterschiedlich hoher Drücke in der Weise, daß das
Ende der Dichtung mit dem dicksten Elastomer-Ring
der Druckquelle mit höherem Druck zugekehrt ist.
Priority Applications (1)
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DE (1) | DE2931603A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3807245A1 (de) * | 1988-03-05 | 1989-09-14 | Mauser Werke Oberndorf | Dichtungsring |
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RU2614550C1 (ru) * | 2015-10-05 | 2017-03-28 | Акционерное общество "ПАРМ-ГИНС" | Механическое уплотнение |
RU2680290C2 (ru) * | 2017-05-03 | 2019-02-19 | Сергей Григорьевич Просвиров | Механическое уплотнение |
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CH242687A (de) * | 1945-04-17 | 1946-05-31 | Denzler & Co | Stopfbüchse. |
DE6938938U (de) * | 1969-10-06 | 1970-03-26 | Otto Entwicklungsbuero | Dichtungspackung zur spaltabdichtung |
-
1979
- 1979-08-03 DE DE19792931603 patent/DE2931603A1/de active Granted
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DE3807245A1 (de) * | 1988-03-05 | 1989-09-14 | Mauser Werke Oberndorf | Dichtungsring |
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