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Anordnung zur Abdichtung eines verschiebbaren
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zylindrischen Körpers in einer Gehäuseöffnung Die Erfindung bezieht
sich auf eine Anordnung zur Abdichtung eines verschiebbaren zylindrischen Körpers,
beispielsweise einer Kolbenstange, in einer einem Druckraum zugeordneten Gehäuseöffnung
oder dgl., bestehend aus einer in die Gehäuseöffnung eingearbeiteten Kammer zur
Aufnahme einer dünnwandigen Dichtungshülse aus Kunststoff, insbesondere Polytetrafluoräthylen,
und eines die Dichtungshülse umschließenden Dichtungsringes aus gummielastischem
Werkstoff, der unter einer durch den Kammerquerschnitt bestimmbaren Vorspannung
an der Dichtungshülse anliegt.
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Aus der- DE - AS 1 284 767 ist eine Einrichtung zum Abdichten der
Kolbenstange eines Stoßdämpfers bekannt, bei der in eine die Kolbenstange umgebende
Ausnehmung ein radial und axial vorgespannter Di chtungsbl ock aus nachgiebigem
Werkstoff eingesetzt ist, der mit mehreren Dichtungsrippen an der Kolbenstange anliegt.
Eine solche Abdichtung hat zwa.r eine lange Lebensdauer und eine hohe -Funktionssicherheit,
ist aber mit dem Nachteil einer erhöhten Reibung behaftet, die sich insbesondere
bei radführenden McPherson-Federbeinen komfortstörend bemerkbar macht. Durch den
Schleppölfilm entsteht nämlich zwischen je zwei Dichtungsrippen ein Druckabfall
und damit über den gesamten Dichtweg eine Druckkaskade, die linear, progressiv oder
degressiv sein kann und von der Pressungsverteilung der einzelnen Dichtungsrippen
abhängig ist. Eine optimale.
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Abstimmung der Dichtungsrippen einer Zwei- oder Mehrrippendichtung
kann nur empirisch erfolgen, was in der Praxis kaum durchführbar ist, da Änderungen
an der Dichtung Formwerkzeugänderungen erfordern und somit ein rasches und wirtschaftliches
Anpassen der Dichtpressungen an Betriebszustände, wie Druck, Temperatur, Gl-eitgeschwindigkeit,
Ul und Kolbenstangenoberfläche nicht möglich.ist.
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Aus der DE-AS 20 57 o27 ist eine hydraulisch beaufschlagte Dichtung,
insbesondere für Kolben und Kolbenstangen bekannt, die aus einem in einer ringförmigen
Kammer eingesetzten D-tchtelement aus elastischem Kunststoff besteht.
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Dieses Dichtelement ist von einem im Querschnitt runden.
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oder ovalen Elastomerring umschlossen, der in die das Dichtelement
aufnehmende Kammer zwischen Dichtelement und Kammergrund eingesetzt ist, und das
Dichtelement, das keine Eigennachstellung besitzt, gegen den Kolben bzw.
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die Kolbenstange.preßt. Dem Dichtelement ist zusätzlich an der dem
Druckraum zugewandten Seite ein Stützring derart vorgeordnet, daß die Berührungsebene
zwischen Dichtelement und Stützring etwa mit der Mittelebene des Elastomerringes
zusammenfällt. Trotz des Elastomerringes ist die Dichtheit einer solchen Anordnung,
insbesondere für Stoßdämpfer, nicht befriedigend, weil der Stützring den Elastomerring
an der ausreichenden Nachstellung der Dichtlippe dann hindert, wenn diese sich stark
setzt und nicht ausreichend steht, wie dies bei Werkstoffen mit ausgeprägter Kaltflußneigung,
z.B. Polytetrafluoräthylen, der Fall ist,. und weil die Kammerung des Dichtelementes
die Ausbildung des für die Durchlässigkeit der Rückschleppströmung erforderlichen
Keilspalts druckabgewandterseits verhindert.
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Aus der DE-OS,;.3 25 ooo und dem Aufsatz "Der Weg zur Stufe von Prof.
Dr..-Ing. H.K. Müller ("fluid", Zeitschrift für Hydraulik und Pneumatik, Heft 4/75)
ist eine Dichtungsanordnung bekannt, bei der ein aus Polytetrafluoräthylen bestehender
Dichtungsring ebenfalls von einem Elastomerring gegen einen Kolben bzw. eine Kolbenstange
gepreßt wird.
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Dichtungen aus Polytetrafluoräthylen unterscheiden sich in ihrem Verhalten
grundsätzlich von Dichtungen aus Gummi oder elastomeren Kunststoffen. Während das
viskoelastische Verha'lten von Gummi weitgehend dem eines Kelvin'schen Stoffes mit
dominanter Elastizität entspricht, ähnelt dasjenige von Polytetrafluoräthylen dem
eines Maxwell-'schen Stoffes mit' dominanter Viskosität. Die elastischen und viskosen
Konstanten sind unterschiedl-ich; Gummi ist weichelast.isch und niedrigviskos, Polytetrafluoräthylen
dagegen hartelastisch und hochviskos.
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Dichtungen aus Polytetrafluoräthylen sind nur auf Dauer wirksam, wenn
die erforderliche hohe Dichtpressung durch Fremdelemente aufgebracht wird, wi-e
es hier durch den Elastomerring der Fall ist. Der Dichtungsring weist dabei an seiner
dem Kolben bzw. der Kolbenstange zugewandten Fläche eine eingear-beitete Stufe auf,
die die für eine gute Abdichtung erforderliche Bildung einer Dichtkante mit sich
anschließendem Keilspalt ermöglicht.
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Trotz dieser Ausbildung tritt noch immer eine Leckage auf9 die erst
durch eine Tandemanordnung, weitgehend in Grenzen zu halten ist. Diese bringt aber
den Nachteil eines größeren Platzbedarfes, ungünstiger Einbauverhältnisse und höherer
Kosten mit sich. Darüber hinaus ist die Einarbeitung der Stufe mit einem zusätzlichen
Arbeitsaufwand verbunden.
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Aus der DE - OS 30 14 797 ist schließlich eine Dichtungsanordnung
bekannt, bei der das ebenfalls aus Polytetrafluoräthylen bestehende Dichtelement
einen L-förmigen Querschnitt aufweist, dessen die Kolbenstange oder den Kolben axial
umschließender Schenkel an seinem Ende radial einwärts abgeschrägt ist. Dieser axia-l
verlaufende Schenkel bzw. das hülsenartige Teil des Dichtelementes ist von einem
gummiel.astis.chen Ring umspannt, der Y-förmigen Querschnitt aufweist. Ein Schenkel
abschnitt
dieses Ringes wird im Einbauzustand von dem Kolben bzw.
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der Kolbenstange radial nach augen verformt und liegt mit einer Dichtlippe
an diesem Teil an. Durch den vorgespannten Ring liegt der hülsenartige Teil des
Dichtelementes nur als "Quetschdichtung", ähnlic.h einer Dichtungspackung, an dem
Kolben bzw. der Kolbenstange an.
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Das verjüngte Ende des hülsenartigen Teiles wird, infolge der Form
des gummielastischen Ringes, von dieser Vorspannung nicht beeinflußt und übernimmt
daher nicht die Funktion einer Dichtlippe. Eine einfache und wirtschaftliche Abstimmung
der Dichtpressungen ist hier nicht möglich. Aufgrund der Form des Dichtelementes
und des gummielastischen Ringes ist diese bekannte Dichtungsanordnung aufwendig
und teuer. Der L-förmige'Querschnitt des Dichtelementes kann nur durch ei-nen zusätzlichen
Bearbeitungsvorgang errei.ch.t werden.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine zwei Dichtlippen
aufweisende Dichtungsanordnung zu schaffen, die bei langer Lebensdauer einen einfachen~Aufbau
besitzt und damit preiswert hergestellt werden kann, leckfrei. arbeitet, im kleinsten
Einbauraum-bei minimaler Reibung ohne Wartung untergebracht werden kann und bei.
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der die Abstimmung der Dichtlippenpressungen auf einfache und wirtschaftliche
Weise möglich ist.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe-dadurch gelöst, daß sowohl
die Dichtungshülse als auch der D-ichtungsring im wesentlichen rechteckigen Querschnitt
aufweisen, daß, die Dichtungshülse den zylindrischen Körper in an sich bekannter
Weise mit geringfügigem, radialem Spiel umschließt und unter der Vorspannung des
Dichtungsringes an ihrem dem Druckraum zugewandten Ende eine Dichtlippe bildet,
von der sich ein Keilspalt nach außen erstreckt, und daß der Dichtungsring die Dichtungshülse
in Richtung
auf den Druckraum überragt und durch die Stützung der
Dichtungshülse und die von der Kammer bestimmte Vorspannung mit Abstand von der
Dichtungshülse ebenfalls eine Dichtlippe bildet.
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Diese Dichtungsanordnung arbeitet bei langer Lebensdauer leckfrei
und kann in kleinem Einbau untergebracht werden. Der feine Abrieb der Dichtungshülse
aus Kunststoff in unmittelbare-r -Nähe der Dichtlippe aus gummielastischem Werkstoff
verringert die Reibung derselben.
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Dadurch können höhere Dichtpressungen der Dichtlippe aus gummielastischem
Werkstoff bis in die Nähe des Trockenlaufes mit noch akzeptablen Reibwerten verwirklicht
werden. Durch die Länge des axialen überstandes des gummielastischen Dichtungsringes
kann die Pressung der beiden Dichtlippen feinfühlig aufeinander abgestimmt werden.
Bei dieser Dichtungsanordnung entstehen die für eine optimale.Dichtung erforderliche
Pressungsverteilung in der Kontaktzone und der für eine ausreichende Durchlässigkeit
gegenüber der Rückschleppströmung erforderliche Keilspalt bei beiden Dichtlippen
zwangsläufig und müssen nicht erst durch zusätzliche Formmerkmale in fertigungstechnisch
aufwendiger Weise erzeugt werden. Durch die Dichtungshülse ist zusätzlich eine begrenzte
seitliche Zwangsführung der Dichtlippe des Dichtungsringes gegeben9 was besonders
bei größerem kardanischen und Querspiel der Kolbenstange -in der Regel vorhanden
bei dünnen biegenachgiebigen Kolben stangen und Führungslagern mit größerem Lagerspiel
-von' Vorteil für die Dichtheit ist.
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Durch die Anordnung eines abgestuften Ringraumes vor der Kammer in
Richtung auf den Druckraum kann der Werkstoff des Dichtungsringes frei fließen,
und die Ausbildung der Dichtlippe desselben wird begünstigt Zusätzlich wird bei
Druckbeaufschlagung die Anpreßkraft der Dichtlippe vergrößert.
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Zur Abstimmung der Dichtlippenpressungen trägt in besonderem Maße
der Querschnitt der die Dichtungshülse und den gummielastischen Dichtungsring aufnehmenden
Kammer bei, deren radiale Ausdehnung kleiner ist als der radiale Querschnitt von
Dichtungshülse und Dichtungsring. Dabei ist eine konische oder abgestufte Mantelfläche
der Kammer von Vorteil.
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Ein Freiraum am druckabg.ewandten Ende der Kammer stel-lt den gummielastischen
Dichtungsring dort teilweise oder völlig frei und ermöglicht dadurch in einfacher
und voft teilhafter Weise das Aufbringen größerer Kippmomente auf die Dichtungshülse
zum Zwecke größerer Dichtlippenpressung oder steilerer Kippstellung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Dabei zeigen Fig. 1 eine in eine nur halbseitig im Schnitt gezeichnete
Kammer eingebaute Dichtungsanordnung und Fign.2-5. die Dichtungsanordnung der Fig.
1 mit jeweils g.eringfügig abgeänderten Kammern.
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In den Figuren 1 - 5 der Zeichnung ist jeweils von einem an sich bekannten
hydraulischen Zweirohr-Schwingungsdämpfer nur ein Gehäuseteil 1 ausschnittsweise
dargestellt, das eine Bohrung 2 zur Aufnahme einer nur angedeuteten Kolbenstange
3 aufweist. . In dem Gehäuseteil 1 ist eine ringförmige, die Kolbenstange 3 umschließende
Kammer 4 vorgesehen, die einseitig'offen ausgebildet und durch einen Montagering
la-.verschließbar ist. Gemäß der Fig. 1 besitzt die Kammer 4 rechteckigen Querschnitt.
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An diese Kammer 4 schließt sich in den gezeichneten Aus führungsbeispielen
in Richtung auf einen in Fig. 1 nur angedeuteten Druckraum 5 ein gegenüber der Kammer
4 abgestufter Ringraum 6 an.
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In diese Kammer 4 ist eine Dichtungshülse 7 aus Polytetrafluoräthylen
eingesetzt, deren Innendurchmesser -in Abhängigkeit vom Durchmesser der Kolbenstange
-um etwa 0,05 - 0,2 mm größer ist als der Außendurchmesser der Kolbenstange 3. Sie
kann i.n einfacher Weise durch Abtrennen von einem Rohr, also ohne zusätzliche Bearbeitung,
hergestellt werden. Die Länge der Dichtungshülse i ist dabei deutlich kürzer als
die axiale Ausdehnung der Kammer 4. Diese Dichtungshülse 7 ist von einem Dichtungsring
9 mit rechteckigem Querschnitt aus gummielastischem Werkstoff umschlossen, dessen
zumindest radiale Querschnittausdehnung größer ist als der freie radiale Querschnitt
zwischen de.r Dichtungshülse 7 und dem Grund der Kammer 4. Dadurch ist der Dichtungsring
9 vorgespannt und drückt die Dichtungshülse 7 an ihrem gegen die Kammer 4 gerichteten
Ende gegen die Kolhenstange 3.
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Dadurch wird eine Dichtlippe 8 geformt, die ständig unter einer vorbestimmbaren
Preßkraft, deren Kraftlinienverlauf schematisch in Fig. 1 gezeigt ist, an der Kolbenstange
3 anliegt. Die Vorspannung des Dichtungsrin-ges 9 und die Anpreßkraft der Dichtlippe
8 werden somit vom Querschnitt des Dichtungsringes 9 im Verhältnis zum Querschnitt
der Kammer 4 bestimmt. Von der Dichtlippe 8 erstreckt sich, durch die Vorspannung
des Dichtungsringes 9 bedingt, ein im Querschnitt keilförmiger Spalt 8a axial nach
außen.
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Da der Ring 9 die Kammer 4 ausfüllt und die Dichtungshülse 7 kürzer.a-ls
die Kammer 4 ausgebildet ist, ragt der Dichtungsring -9 über die Dichtungshülse
7 hinaus und liegt an der dem Ringraum 6 zugewandten Wandung der Kammer 4 an. Durch
die Vorspannung des Dichtungsringes 9 und die Stützwirkung der Dichtungshülse 7
wird an diesem Ende des Dichtungsringes 9 eine Dichtlippe 10 geformt, die ebenfalls
ständig mit einer vorbestimmbaren Preßkraft,
deren Kraftlinienverlauf
ebenfalls in Fig. 1 schematisch gezeigt ist, an der Kolbenstange 3 anliegt. Von
der Dichtl.ippe 10 erstreckt sich ein im Querschnitt keilförmiger Spalt 1(la in
Richtung auf die Dichtlippe 8.
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Dabei stellt der Ringraum 6 sicher, daß der Werkstoff des Dichtungsringes
9 frei fließen kann.
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Neben dem bereits erwähnten Querschnittsverhäitnis von Dichtungsring.9
und Kammer 4 und der damit verbundenen Vorspannung ist auch das Längenverhältnis
von Dichtungshülse 7 und Dichtungsring 9, insbesondere aber die Oberstandslänge
des Dichtungsringes 9, entscheidend für die Größe und den Verlauf der Anpreßkraft
der Dichtlippen 8 und 10.
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Während in der Fig. 1 die Mantelfläche 11 der Kammer 4 zylindrisch
ausgebildet ist, weist die Mantelfläche 11a gemäß Fig. 2 eine konische Form auf.
In der Fig. 3 ist die Mantelfläche llb der Kammer 4 abgestuft ausgebildet, wobei
hier der übergang zwischen den beiden Stufen konisch ist. Die Mantelfläche 11c der
Kammer 4'der Fig. 4 besteht aus einem zylindrischen und einem konischen Teil. Dabei
ist der konische Teil so gewählt, daß ein Freiraum 12 am dem dem Druckraum 5 abgewandten
Ende der Kammer 4 entsteht.. Auch bei dem in Fig. 5 -gezeichneten Ausführungsbeispiel
ist ein Freiraum 12a vorhanden. Hier weist die Mantelfläche lid eine rechtwinklig
abgestufte Form auf. Durch die Formgebung der Mantelfläche 11 - 11d der Kammer 4
wird die Kippstellung und damit der Keilspalt 8a der Dichtungshülse 7 wesen: lich
beeinflußt. Dazu trägt allerdings auch-die Größe des Innendurchmessers der Dichtungshülse
7 bei.
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In Abänderung dieser Ausführungsbeispiele ist die Dichtungsanordnung
nach der Erfindung auch bei der Abdichtung eines Kolbens in einem Zylinder wirksam9
wenn sich die Dichtungskammer im Kolben befindet und die Dichtungshülse aus Polytetrafluoräthylen
den Dichtungsring aus gummiel-astischem Werkstoff umgreift.
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Bezugszeichenliste: 1 Gehäuseteil la Montagering 2 Bohrung 3 Kolbenstange
4 Kammer 5 Druckraum 6 Ringraum 7 Dichtungshülse 8 Dichtlippe 8a Keilspalt 9 Dichtungsring
10 Dichtlippe 10a Keilspalt 11 Mantelfläche 11a Mantelfläche 11b Mantelfläche 11c
Mantelfläche 11d Mantelfläche 12 Freiraum 12a Freiraum