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"A b d i c h t a n o r d n u n g"
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Die Erfindung betrifft eine Abdichtanordnung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Es sind Abdichtanordnungen bekannt, bei denen lippenartige Dichtelemente
verwendet werden, die hülsenförmig aufgebaut sind und mit einem Ende an dem unbeweglichen
Teil der Abdichtanordnung befestigt sind und mit der Innenseite unter Vorspannung
an dem axial beweglichen und/oder drehbaren Zylinder dichtend anliegen, wobei die
abzudichtende Druckdifferenz auf die Außenseite einwirkt.
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Die Voraussetzung für die Wirksamkeit solcher Dichtelemente besteht
darin, daß sie mit genügender Vorpressung am Zylinder anliegen, damit sich überhaupt
eine Druckdifferenz aufbauen kann, welche das Dichtelement dann stärker an den Zylinder
anpressen kann. Bei der Ausbildung eines solchen Dichtelements aus Metall ist die
erforderliche Vorpressung größer als bei Dichtelementen aus weichen, sich leicht
verformbaren Kunststoffen oder dergl.. Zur Erzielung der nötigen Vorpressung ist
es nicht ausreichend, wenn der Dichtbereich des metallischen Dichtelaments durch
den Zylinder radial aufgeweitet wird und mit der sich ergebenden Rückfederungskraft
am Zylinder anliegt. Eine solche auch plastische Verformung im Dichtbereich ist
bei Absperrorganen mit dAnnwandigQn Metallelementen (z.B.
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Klappen) bekannt und dort in vielen Fällen ausreichend, weil es sich
um eine statische Abdichtanordnung handelt und oftmals die Dichtheitsanforderungen
nicht so hoch wie bei Stopfbüchsen sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abdichtanordnung nach dem Okerbegriff
des Anspruchs 1 zu schaffen, die sich für hohe Betriebstemperaturen und dynamische
Beanspruchungen, wie sie für Stopfbüchsen oder dergl. benötigt werden, eignet und
bei der die Anpreßkraft im ringförmigen Dichtbereich genügend groß ist.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß ein metallisches Dichtelement
anschließend zum ringförmigen Dichtbereich einen minbestens dreimal so breiten,
im wesentlichen zylindrisch verlaufenden Spannbereich aufweist, wobei der Dichtbereich
infolge Dehnung beim Zusamnenbau mindestens bis zur Streckgrenze (d 0,2) beansprucht
und der Spannbereich mitverformt ist. Da der Spannbereich zwar mitgedehnt wird,
aber nicht am Zylinder anliegt, wirkt er im Sinne einer Verstärkung der durch Verformung
des Dichtbereichs über die Streckgrenze erzielten Vorpreßkraft. Damit der Spannbereich
zur Wirkung kommen kann, muß er also im wesentlichen zylindrisch verlaufen, d.h.
er darf keine Abschnitte aufweisen, die mehr als 450gegen die Zylinderachse geneigt
sind. Bei stärkerer Neigung wird die Verformung so klein, daß sich praktisch keine
elastische RUckfederung ergibt, welche die Vorpressung verstärken könnte.
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Die beste Verformung des Spannbereiches ergibt sich natürlich dann,
wenn er zylindrisch knapp Uber dem Zylinder verläuft. Auch eine zusätzliche Druckunterstützung
durch den Spannbereich ist mbglich, weil diese ja nur dort wirksam werden kann,
wo das durinwandige Metall nach außen verformt ist und daher mit seiner elastischen
Kraft gegen den Zylinder in gleicher Richtung wie die Druckkräfte wirkt. Es ist
daher vorteilhaft, wenn mindestens die Hälfte des Spannbereiches zwischen Befestigungsstelle
und Dichtbereich des Dichtelementes liegt, so daß mindestens diese Hälfte mit dem
abzudichtenden Differenzdruck beaufschlagbar ist und daher druckabhängig die Pressung
im Dichtbereich verstärkt.
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Es können lippenartige Dichtelemente ausgebildet werden, die an einem
Ende radial verlaufende Abschnitte zur dichten Befestigung aufweisen, wobei mehrere
dieser Dichtelemente zu einem Paket verbunden werden kannen, so daß mehrere Dichtbereiche
zur Wirkung kommen. Es ist auch möglich, zwischen diesen einzelnen Dichtelementen
schmierende
Werkstoffe, wie z.B. Graphit, zwischenzuschalten, um
den Verschleiß der Diditbereiche zu vermindern. Eine besonders vorteilhafte Ausführung,
die einstückig ist und mehrere Dichtbereiche aufweist, ergibt sich dann, wenn das
Dichtelement einen längeren zylindrischen Abschnitt aufweist, der unter gegenseitigem
Axialabstand angeordnete Abschnitte kleineren Innendurchmessers als Dichtbereiche
aufweist, die zum zugeordneten Zylinder ein der gewansehten Beanspruchung entsprechendes
Untermaß aufweisen. Die zwischen diesen Dichtbereichen liegenden Teile des metallischen
Zylinders wirken dann als Spannbareich, die in großem Ausmaß die Verfcrmmg der Dichtbereiche
mitmachen und mit ihrer elastischen Rückstellkraft die Vorpressung auf den Dichtbareichern
sowie eine Verstärkung der; Anpreßkraft durch den Differenzdruck ermdglichen. Die
Vorpressung kann zusätzlich noch durch eine Feder verstärkt werden, die am Außenumfang
des Dichtbereiches und/oder des Spannbereiches radial nach innen auf diese Bereiche
einwirkt. Die Wirkung solcher Federn ist beim erfindungsgemäßen Dichtelement besonders
gut, weil ja Dichtbereich und Spannbereich bereits mit elastischen Kräften gegen
den Zylinder wirken, so daß diese Teile nicht durch die Feder verformt werden mUssen.
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Die soll eine Abdichtung zwischen einem Gehause 1 und einer sich darin
drehenden und sich dabei axial verschiebenden Spindel 2 erzielt werden.
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Die Anordnung weist drei metallische Dichtelemente 3 auf; jedes dieser
Elemente weist einen radialen Befestigungsabschnitt 3' auf, an den sich, gegen den
Raum höheren Drucks gerichtet, ein konischer Abschnitt 3" unter einer Neigung yu,
150 gegen die Spindelachso anschließt, der in einen an der zylindrischen Spindel
2 anliegenden Abschnitt 3"' übergeht. Es bildet also der zylindrische Abschnit 3"'
den Dichtbereich und der konische Teil 3" den Spannbereich des Dichtelementes 3.
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Beispielswbise hat bei einem Spindelduraimesser von 24 mm das Dichtelement
3 bei einer Wandstärke von 0,3 mm vor Einbringen der Spindel 2 einen Innendurchmesser
von 23,85 mm. Beim Einführen der Spindel 2 und Dehnung des Dichtbereiches 3"' auf
ihren Innendurchmesser ergibt sich eine Dehnung von 0,63 %. Bei da verwandeten Material,
einem austenitischen Stahl, beträgt die Streckgrenze (@ 0,2) etwa 21 kp/mm2. Da
bei der Entlastung, d.h. bei Entfernen der Spindel 2, die Entspannung nach
einer
Hook'schen Gerade erfolgt, ergibt sich eine Rückfederung von 0,01 %, was zeigt,
daß die durch Einführen der Spindel 2 erzeugte Dehnung die Streckgrenze überschritten
hat. Die sich bei Entfernen der Spindel 2 ergebende Durchmesserreduktion beträgt
demnach etwa 0,024 mm. Dieser Rückfederungsweg genügt, um eine gute Anpassung des
Dichtbereiches an die Spindel 2 zu gewährleisten. Die dabei auftretende Flächenpressung
errechnet sich nach der aus dem Kesselbau stammenden Formel fUr die Beanspruchung
bei dUnnwandigen zylindrischen Hohlkörpern. Der in diese Formel einzusetzende Innendruck
entspricht im vorliegenden Fall der Flächenpressung zwischen Dichtbereich und Spindel
2. Unter der Annahme, daß bei der Drehung von 0,62 % die Spannung nicht wesentlich
über die Streckgrenze angestiegen ist, ergibt sich eine Flächenpressung van 0,525
kp/m2. Diese Flächenpressung ist an sich niedrig. WUrde sich an diesen rineförmigen
Dichtbereich urinittelbar mit kleinem Ubernangsradius der radial verlaufende Befestigungsabsnitt
3' anschließen, ergäbe sich eine Flächenpressung, die fAr eine einwandfreie Abdichtung
zu gering ist, da der radiale Befestigungsabschnitt 3' als starrer, in radialer
Richtung praktisch unverformt barer Körper anzusehen ist. Auch die Drucrerstärkung
durch Beaufscclagung der Außense:Lte des Dichtelementes 3 mit dem höheren Druck
würde nur auf die Fläche des Dichtbereiches zur Wirkung kommen Beim erfindungsgemäßen
Dichtelement 3 schließt jedoch an den ringförmigen Dichtbereich, dessen Ringbreite
ungefähr 1,5 mm beträgt, der konische Abschnitt 3" an, der infolge seiner schwachen
Neigung als praktisch zylindrisch anzusehen ist und in seiner Breite, d.h. Axialerstreckung,
mindestens viermal so groß ist wie die Ringbreite des Dichtbereichs. Da bei Einführen
der Spindel 2 der konische Abschnitt 3" mitverformt wird, kommt auch seine Rückfederungskraft
im Sinne einer Verstärkung der Vorpressung zur Wirkung. Es ist anzunehmen, daß ß
er sich etwa im Verhältnis der Breiten von Spannbereich zu Dichtbereich vergrößert.
Im vorliegenden Fall beträgt also der Faktor mindestens 4 und sanit die im Dichtbereich
wirksam werdende Flächenpressung etwa 2,5 kp/mm2, wobei berücksichtigt ist, daß
der Ubergang des konischen Spannbereiches in den radialen Befestigungsabschnitt
3' sichernicht wirksam wird. Dieser Spannbereich kommt auch druckverstärkend zur
Wirkung, weil der auf die Außenseite des konischen Spannbereichs wirkende Differenzdruck
in gleicher Richtung wirkt wie die
elastische Rückstellkraft und
also nicht den Konus verformen mLß. Es sind drei derartige Dichtelemente 3 vorgesehen,
wobei zwischen diesen Schichten 4 aus BlShqraphit vorgesehen sind und das gesamte
Paket ist in der sie aufnehmenden Gehäusebohrung durch eine Stopfbüchsenbrille 5
oder dergl. abgedichtet festgehalten. Der Blähgraphit dient vor allem zur Abdichtung
der Dichtelemente 3 untereinander und gegen das Gehäuse 1, aber auch durch den Kontakt
mit der Spindel 2 zur Schmierung, weil bei der Axialbewegung an der Spindeloberfläche
Graphitteilchen hängen bleiben und zwischen Dichtbereich und Spindel 2 eingezogen
werden. Es kann also bei geeigneter Wahl des Spindelmaterials vcn einer Gleitbeschichtung
für die Dichtelemente 3 abgesehen wenden.
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Die aus Fig. 2 ersichtliche Abdichtungsanordnung weist nur ein Dichtelement
7 auf, das im wesentlichen aus einem radial verlaufenden Befestigungsabsehnitt 7'
und einem im wesentlichen zylindrisch verlaufende Abschnitt 7" besteht. Der radiale
Befestigungsabschnitt 7' ist unter Zwischenschaltung einer Flachdichtnng 6 mit dem
Gehäuse 1 mittels der Stopfbüchsenbrille 5 fest verbunden. Beim im wesentlichen
zylindrischen Abschnitt 7" des Dichtelementes 7 sind in den beiden Hälften der Zeichnung
verschiedienartige, in der Funktion aber praktisch gleich wertige Lösungen dargestellt.
Im linken Teil von Fig. 2 weist ein exakt zylindrischer Abschnitt 7" mit Axialabstand
zueinander angeordnete Vorsprünge 7"' auf, welche die Dichtbereiche bilden; bei
dem in der rechten Zeichnungshälfte von Fig. 2 dargestellten Dichtelement 7 ist
der im wesentlichen zylindrisch verlaufende Abschnitt 7" mit ringfdrmigen Einwölbungen
7"' versehen, die mit den Abschnitten kleinsten Innendurchmessers an der Spindel
2 mit Spannung anliegen und die Dichtbereiche bilden. Bei beiden Ausbildungen schließt
der zu einem Dichtbereich gehörende Spannbereich beidseitig an, wobei bei der Ausbildung
nach der rechten Hälfte von Fig. 2 infolge der Ausbildung der Einwölbungen 7"' mit
relativ schwach geneigten Flanken die Spannbereiche beim Einbringen der Spindel
2 ausreichend mitverformt werden. Es ist auch möglich, daß die Spannbereiche vcn
Bereichen unterbrochen sind, die nicht praktisch zylindrisch verlaufen, d.h. eine
Neigung von über 45° zur Zylinderachse aufweisen. Diese Abschnitte zählen also nicht
zum Spannbereich, der aber durch solche Abschnitte unterbrochen sein kann.
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Die Funktion ist bei beiden Ausbildungen gleich. Beispielsweise bei
einem Spindeldurchmesser von 40 mm beträgt der Innendurchmesser in den Dichtbereichen
vor Einführen der Spindel 39 mn, was einer Dehnung nach Einführen vai etwa 2,56
% entspricht. Beim Entlasten des Dichtelementes 7 durch Entfernen der Spindel 2
wird das Dichtelement 7 im zylindrischen Teil 7" um etwa 0,14 % zurückfedern, was
einer Durchmesserverminderung im Dichtbereich von 0,055 mm entspricht. Bei einer
Wanddicke des Dichtelements von 0,6 mn und bei der Annahme, daß ß sich bei der doch
erheblichen Dehnung eine Verfestigung des austenitischen rostfreien Materials auf
etwa 30 kp/mm' ergibt, würde sich bei der ausschließlichen Aufweitung des Dichtbereiches
dort eine Flächenpressung von 0,9 kp/mm2 ergeben. Da die Spannbereiche, welche mitgedehnt
werden, etwa dreimal so lang wie die Dichtbereiche sind, kann sich eine Verstärkung
der Vorpreßkraft auf etwa 2,5 kp/mm2 ergeben. Da die Vorpressung auf diese Weise
ausreichend ist, kann sich an der Außenseite des Dichtelementes 7 Druck aufbauen.
Das Dichtelement 7 ist mit seinem gesamten zylindrischen Teil vorgespannt, so daß
die Druckdifferenz über die ganze länge des zylindrischen Teils 7" voll zur Wirkung
kommt, mit Ausnahme des freien Endes am untersten Dichtbereich, weil dort beide
Seiten des Spannbereiches mit dem gleichen Druck beaufschlagt sind. Da die Einführung
eines länger wirksamen Schmiermittels nicht möglich ist, wird es bei diesen Ausführungsbeispiel
vorteilhaft sein, mindestens einen der beiden zusammenwirkenden Teile mit einer
Gleitbeschichtung zu versehen.
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Eine Vergrößeeng der Vorpressung könnte bei dem im rechten Teil der
Fig. 2 dargestellten Element dadurch erreicht werden, daß in den Abschnitten der
ringförmigen Einwölbungen 7"', welche am Innenumfang die Dichtbereiche bilden, am
Außenumfang endlose, vorgespannte Spiralfedern vorgesehen sind. Die Druckunterstützung
ändert sich durch Anordnung der Federn nicht und wie bei bei der Ausführungsform
ohne Feder durch die Größe des Bereiches zwischen dan obersten und dem untersten
Dichtbereich gegeben.