DE3642721A1 - Ringdichtungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ringdichtungsanordnung zwischen einer Hoch- und einer Niederdruckseite an einem ersten Maschinenteil, das relativ zu einem zweiten Maschinenteil drehend und/oder hin- und hergehend bewegt ist, mit einem das erste Maschinenteil durch eine Dichtkante dynamisch abdichtenden Dichtring aus zähelastischem Werkstoff, beispielsweise Polytetrafluoräthylen und mit wenigstens einem aus gummielastischem Werkstoff gefertigten, statischen Dichtelement, welches zwischen dem Dichtring und dem zweiten Maschinenteil zur Hochdruckseite hin statisch abdichtet.

Bei einer bekannten Ringdichtungsanordnung dieser Art (DE-PS 32 17 118) kann sich der von der Hochdruckseite des Systems herrührende, hydraulische oder pneumatische Druck über das statische Dichtelement trotz eines Stütz­ ringes bis unmittelbar zur Dichtkante des dynamisch wirkenden Dichtrings hin fortpflanzen, so daß der Anpreß­ druck dieser Dichtkante an dem abzudichtenden, ersten Maschinenteil vom herrschenden Systemdruck abhängig ist. Hieraus ergeben sich vom gerade herrschenden Systemdruck abhängige Verschiebe- und Reibkräfte im Bereich der Dicht­ kante, was zu unerwünscht hohen Verschleißwerten der Ring­ dichtung führen kann. Dasselbe gilt auch für weiterhin bekannte Dichtungsanordnungen dieser Art, bei denen zwei statische Dichtelemente vorgesehen sind, weil das unmittelbar der Hochdruckseite zugewandte Dichtelement den hydraulischen Druck auf das zweite, gewöhnlich radial über der Dichtkante liegende Dichtelement über­ trägt, so daß der Anpreßdruck der Dichtkante wiederum vom Systemdruck abhängt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ringdichtungsanordnung der angegebenen Gattung so zu verbessern, daß die radiale Anpressung und damit die Reibkraft des am Dichtring vorgesehenen Dichtkantenbereichs vom Systemdruck unabhängig ist und hierdurch die Ring­ dichtung eine erhöhte Standzeit sowie ein besseres Leck­ verhalten aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein besonderes, vom statischen Dichtelement getrenntes, den Dichtring umschließendes Spannelement vorgesehen ist, welches, ohne eine direkte Dichtwirkung auszuüben, die Dichtkante dieses Ringes mit bestimmter radialer Vorspannung an das erste Maschinenteil anlegt, und daß das statische Dichtelement so am Dichtring angeordnet ist, daß es dessen Dichtkante praktisch keine Vorspannung erteilt.

Erfindungsgemäß sind also zwei separate Elemente vorgesehen, nämlich das Spannelement und das statische Dichtelement, von denen das erste Element lediglich der radialen Vor­ spannung und das zweite Element ausschließlich der Abdichtung dient. Somit läßt sich beispielsweise auch bei wechselndem Systemdruck durch entsprechende Ausbildung des Spannelementes ein konstanter Anpreßdruck im Bereich der Dichtkante einstellen, bei dem der Verschleiß des Dicht­ rings trotz guter Abdichtungswirkung minimal ist.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungs­ formen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung.

Es zeigen:

Fig. 1-4 verschiedene Ausführungsformen von Ringdichtungsanordnung mit getrennter statischer Dicht- und radialer Vorspannfunktion;

Fig. 5 und 6 Ringdichtungsanordnungen gemäß Fig. 1 mit einem starren Gehäuse;

Fig. 7 eine Ringdichtungsanordnung mit abgewandeltem Spannelement und

Fig. 8 und 9 weiterhin abgewandelte Spann­ elemente für eine Ringdichtungs­ anordnung gemäß Fig. 1-7.

In Fig. 1 ist ein erstes Maschinenteil 1 in Gestalt einer axial hin- und herbewegten Achse oder einer um ihre Achse rotierenden Welle dargestellt, die in einem zweiten Maschinenteil 2, von dem auf der Zeichnung lediglich ein oberer Abschnitt dargestellt ist, gelagert ist. Der Abdichtung zwischen dem Maschinenteil 1 und dem Maschinen­ teil 2 dient eine allgemein mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnete Ringdichtungsanordnung, die als wesentlichen Teil einen das erste Maschinenteil 1 umschließenden Dicht­ ring 4 aus zähelastischem Werkstoff, beispielsweise aus Poly­ tetrafluoräthylen (PTFE) umfaßt, wobei dieser Werkstoff auch z. B. durch Glasfasern od. dgl. verstärkt sein kann.

Der Dichtring 4 liegt mit einer Dichtkante 5 abdichtend am Maschinenteil 1 an. Diese Dichtkante braucht nicht scharf zu sein, es kann sich auch um einen flächigen Bereich handeln, der abdichtend am Maschinenteil 1 anliegt. In dem in Fig. 1 links von der Dichtkante 5 gelegenen Bereich zwischen den beiden Maschinenteilen 1 und 2 herrscht Hochdruck, was durch Punkte angeordnet ist. Die in Fig. 1 rechts von der Dichtkante 5 gelegene Seite ist die Niederdruckseite der Anordnung. Der Dichtring 4 weist an seiner Außenseite zwei Aussparungen 6 und 7 auf. In der Aussparung 6 ist ein ringförmiges Dichtelement 8, beispielsweise ein O-Ring aus gummi­ elastischem Werkstoff angeordnet, der unter der Wirkung des auf der Hochdruckseite der Dichtkante 5 herrschenden Druckes eine Abdichtung zwischen dem Dichtring 4 und dem Maschinenteil 2 bewirkt. Wie dargestellt, ist das Dicht­ element 8 soweit von der Dichtkante 5 entfernt, daß es im Zusammenhang mit der Querschnittsform des Dichtringes 4 auf dessen Dichtkante 5 praktisch keinen Anpreßdruck ausüben kann. In der Aussparung 7 ist räumlich getrennt von dem statisch abdichtenden Dichtelement 8 ein nicht­ abdichtendes Spannelement 9 in Gestalt einer ringförmig gebogenen Schraubenzugfeder angeordnet, die den Dicht­ ring 4 im Bereich seiner Dichtkante 5 mit vorbestimmter Kraft gegen das Maschinenteil 1 preßt. Das Spannelement 9 bewirkt an der eine dynamische Abdichtung gegen das Maschinenteil 1 ausübenden Dichtkante 5 einen konstanten Anpreßdruck, der vom Systemdruck auf der Hochdruckseite unabhängig ist. Wegen des Dichtelements 8 kann sich insbesondere der Systemdruck gar nicht bis zum Spannelement 9 fortpflanzen und sich somit auf die Dichtkante 5 auswirken, da das Spannelement 9 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 auf der Niederdruckseite des Dichtelements 8 liegt.

Unabhängig von dem auf der Hochdruckseite herrschenden Systemdruck liegt also die Dichtkante 5 mit vorgegebenem Anpreßdruck am Maschinenteil 1 an. Es ist durch entsprechende Gestaltung des Querschnitts der Ring­ dichtung 4, durch entsprechende Wahl des Abstandes des Dichtelements 8 von der Dichtkante 5 und ein passend gewähltes Verhältnis der Außen- und Innenflächen 11 bzw. 12 des Dichtrings 4 möglich, mit Bezug auf die aus dem herrschenden Systemdruck resultierende, den Dichtring 4 beaufschlagende Kraft eine Art "Schwebezustand", also eine nahezu vollständige Kraftkompensierung zu erreichen oder auch eine resultierende Kraft einzustellen, welche den Dichtring 4 leicht radial nach außen drückt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten, abgewandelten Ausführungs­ form sind für einander entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet. Der wesentliche Unterschied zwischen den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 besteht darin, daß die ringförmige Nut oder Aussparung 6, welche das Dichtelement 8 aufnimmt, an der äußersten Stirnseite des Dichtrings 4 angeordnet ist.

In Fig. 3 weist der die dynamische Abdichtung gegen das Maschinenteil 1 bewirkende Dichtring 14 keine den Aussparungen 6, 7 entsprechende Ringnuten an seiner Außenseite auf. Ringförmige Nuten 16,17 zur Aufnahme eines Dichtelements 18 bzw. eines Spannelements 19 sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 im Maschinenteil 2 ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform liegt weiterhin im Gegensatz zu den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 das Spannelement 19 nicht auf der Niederdruckseite der Dichtkante 15 sondern - wegen der anderen Anordnung des Dichtelements 18 - auf der Hochdruckseite. Da das Spann­ element 19 jedoch als druckunempfindliches Teil ausgebildet ist, beispielsweise als ringförmig gebogene Schraubenfeder, wird ihre Form vom herrschenden System­ druck (pneumatischer oder hydraulischer Druck) nicht beeinflußt. Trotz ihrer Anordnung auf der Hochdruckseite übt somit das Spannelement 19 auf die Dichtkante 15 stets den gleichen Anpreßdruck aus. Das zwischem dem Dichtring 14 und dem Maschinenteil 2 abdichtende statische Dicht­ element 18 trennt wiederum die Hochdruck- von der Nieder­ druckseite des Systems. Aus Fig. 3 ergibt sich klar, daß auch bei einer unter Druck auftretenden Verformung des ringförmigen Dichtelements 18 diese Verformung zu keiner Druckeinwirkung im Bereich der Dichtkante 15 führt. Im übrigen weist der Dichtring 14 auf seiner den Dichtelement 18 abgewandten Stirnseite eine oder mehrere Kanäle 13 auf, über welche sich der Hochdruck bis zur Außenseite des Dichtrings 14 und bis zum Dicht­ element 18 hin ausbilden kann.

Die Ringdichtungsanordnung nach Fig. 4 entspricht in Aufbau und Wirkungsweise wiederum grundsätzlich den Anordnungen nach Fig. 1 und 2. Im Unterschied zu diesen Figuren sind in Fig. 4 allerdings zwei ringförmige Dichtelemente 28 in entsprechenden ringförmigen Nuten des Dichtrings 24 angeordnet, welche bewirken, daß ein ebenfalls in einer ringförmigen Aussparung des Dichtrings 24 angeordnetes Spannelement 29 auf der Niederdruckseite liegt und somit unabhängig vom herrschenden Systemdruck die Dichtkante 25 des Dichtrings 24 mit konstanter Kraft gegen das Maschinenteil 1 drückt. Auch der Dichtring 24 weist wiederum Kanäle 23 auf, über welche sich der Hochdruck bis zum Dichtelement 28 hin fortpflanzen kann. Das zweite, in Fig. 4 in der Mitte gelegene Dichtelement 28 dient zur weiteren Abdichtung, falls das andere, vorgeschaltete Dichtelement 28 nicht vollständig abdichtet.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Ausführungsformen im wesentlichen dadurch, daß ein Dichtring 34 mit Dichtkantenbereich 35 sowie mit Dichtelement 38 und Spannelement 39 in einem starren Gehäuse 41 angeordnet sind, welches durch eine ringförmige Stirnscheibe 42 abgedeckt ist und (in Fig. 5 von links her) in eine entsprechende Ausnehmung des Maschinenteils 2 eingeschoben wird. Entsprechendes gilt für die Ausführungsform gemäß Fig. 6, bei welcher die Stirnscheibe 42 aus Fig. 5 entfallen ist und ein Gehäuse 51 einstückig ausgebildet ist.

Wie bereits mehrfach erläutert, muß das Spannelement 9, 19 oder 29 keine Dichtungsfunktion ausüben. Es dient lediglich dazu, die Dichtkante des Dichtrings mit bestimmter radialer Vorspannung an das erste Maschinenteil 1 anzulegen. Eine ringförmig in sich geschlossene Schraubenfeder kann diesem angestrebten Zwecke dienen. Ebenso geeignet ist gemäß Fig. 7 eine ringförmig gebogene, mit ihrer einen Seite in das Maschinenteil 2 eingespannte Blattfeder 52, die mit ihrem freien Rand ringsum im Dichtkantenbereich 55 radial gegen das abzudichtende Maschinenteil 1 preßt. Ein ringförmiges Dichtelement 58 dient bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 wiederum der Trennung des Hoch- vom Niederdruck­ bereich.

Die Fig. 8 und 9 zeigen weiterhin mögliche Ausbildungen eines Spannelements. Fig. 8 zeigt eine wellenförmig gebogene Feder 61, die Fig. 9 eine C-förmige Feder 62. Die Federn 61, 62 können anstelle der Feder 9, 19, 29, 39 und 52 eingesetzt werden.

Da bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1, 2 und 4 bis 7 wegen der Lage der Dichtelemente 8, 28, 38 und 58 die Spannelemente 9, 29, 39 und 52 immer im Niederdruckbereich liegen und also keine Druckverformung erfahren, könnten dort auch nichtmetallische Dichtungen aus gummielastischem Material, beispielsweise O-Ringe eingesetzt werden. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3, bei welcher das Spannelement 19 auf der Hochdruckseite liegt, muß hingegen ein durch Druckwirkung unverformbares Spannelement 19, 52, 61, 62, vorzugsweise aus Metall, vorgesehen werden, weil andernfalls eine Druckverformung dieses Spannelements zu einer vom herrschenden Systemdruck abhängigen, und damit unerwünschten radialen Vorspannung der Dichtkante 15 gegen das Maschinenteil 1 führen würde.

Die im Zusammenhang mit Fig. 5 und 6 beschriebenen Gehäuse 41, 42 bzw. 51 können aus Kunststoff oder Metall gefertigt werden.

Die beschriebene Ringdichtungsanordnung liefert die folgenden Vorteile: durch die Trennung der Dicht- und Vorspannfunktion (Dichtelement/Spannelement) und der damit ermöglichten, geometrischen Gestaltung des Dichtringes ist eine genaue Abstimmung druckverstärkender und druck­ entlastender Einflüsse auf die Dichtkante dieses Dicht­ ringes möglich. Selbst eine völlige Unabhängigkeit der Dichtkantenpressung vom Systemdruck ist erreichbar. Durch entsprechende Ausbildung der Dichtringgeometrie sowie Ausbildung und Anordnung des statischen Dicht­ elements sowie des Spannelements kann eine genau definierte radiale Dichtkantenpressung eingestellt werden. Die beschriebene Ringdichtungsanordnung eignet sich zur Abdichtung drehender und/oder axial bewegter Maschinenteile. Durch genau einstellbare Dichtkanten­ pressungen, die auch bei wechselnden Systemdrücken unabhängig von denselben sind, können Verschiebe- oder Stellkräfte beweglicher Maschinenteile unter allen Betriebsbedingungen exakt beherrscht werden. Dies bedeutet beispielsweise bei Kolben-Zylinder-Aggregaten eine lastunabhängige hohe Positioniergenauigkeit bewegter Maschinenteile.

Claims (10)

1. Ringdichtungsanordnung zwischen einer Hoch- und einer Niederdruckseite an einem ersten Maschinenteil, das relativ zu einem zweiten Maschinenteil drehend und/oder hin- und hergehend bewegt ist, mit einem das erste Maschinenteil durch eine Dichtkante dynamisch abdichtenden Dichtring aus zähelastischem Werkstoff, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, und mit wenigstens einem aus gummielastischem Werkstoff gefertigten, statischen Dichtelement, welches zwischen dem Dichtring und dem zweiten Maschinenteil zur Hochdruckseite hin statisch abdichtet, dadurch gekennzeichnet, daß ein besonderes, vom statischen Dichtelement (8) getrenntes, den Dichtring (4) umschließendes Spann­ element (9) vorgesehen ist, welches ohne direkte Dichtwirkung auszuüben, die Dichtkante (5) dieses Ringes (4) mit bestimmter radialer Vorspannung an das erste Maschinenteil (1) anlegt, und daß das statische Dichtelement (8) so am Dichtring (4) angeordnet ist, daß es dessen Dichtkante (5) praktisch keine Vorspannung erteilt.

2. Ringdichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das statische Dichtelement (8) das Spannelement (9) zur Hochdruckseite hin abdichtet.

3. Ringdichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement (19) auf der Hochdruckseite angeordnet ist.

4. Ringdichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement aus gummi­ elastischem Werkstoff besteht.

5. Ringdichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement (9, 19) als schlauchförmige Schraubenfeder ausgebildet ist.

6. Ringdichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement eine ringförmige Blattfeder (52) ist.

7. Ringdichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement (61) als ringförmige Wellenfeder ausgebildet ist.

8. Ringdichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannelement (62) als weitgehend geschlossener C-Ring ausgebildet ist.

9. Ringdichtungsanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das statische Dichtelement (18) den Dichtring (14) axial vorspannt.

10. Ringdichtungsanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Dichtring (34), statisches Dichtelement (38) und Spannelement (39) von einem starren Gehäuse (41, 42; 51) umschlossen sind.