DE3129113C2

DE3129113C2 -

Info

Publication number: DE3129113C2
Application number: DE3129113A
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Cippenham Slough Berkshire Gb Luxford; Grant Anthony Bathurst Walk Iver Buckinghamshire Gb Masom
Original assignee: John Crane UK Ltd
Current assignee: John Crane UK Ltd
Priority date: 1980-07-24
Filing date: 1981-07-23
Publication date: 1991-01-10
Also published as: AU541043B2; DE3129113A1; AU7310781A; IN155066B; JPS5743060A; JPS6260581B2; CA1146989A; NL185237B; NL8103496A; FR2489464A1; BE889705A; FR2489464B1; CH641258A5; US4378119A; SG78684G

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mechanische Flächendichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist eine mechanische Flächendichtung dieser Art aus der DE-PS 8 76 344 bekannt. Das Faltenbalgteil einer solchen Flächendichtung muß sowohl eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um der Druckdifferenz zwischen seiner radial inneren Seite und seiner radial äußeren Seite zu widerstehen bzw. die daraus resultierende Last aufzunehmen, als auch in seiner Längsrichtung ausreichend flexibel sein, um eine sichere Dichtung zwischen den Dichtungsflächen auch bei deren Abnutzung zu gewährleisten. Diese beiden Anforderungen stehen sich aber bezüglich des zu verwendenden Werkstoffs sowie der Abmessungen des Faltenbalgs entgegen. In dem geschilderten bekannten Fall befinden sich die Scheitel der Faltungen mit dem kleineren Krümmungsradius auf der Hochdruckseite der Dichtung. Da gerade diese Abschnitte die am höchsten beanspruchten Stellen sind, ergeben sich erhebliche Belastungen, wenn der Faltenbalg axial vorgespannt wird, um eine ausreichende Anlage zwischen den Dichtflächen zu erreichen. Die Bemessung müßte also nach den unter diesen Umständen auftretenden Spitzenwerten erfolgen, wodurch sich eine erhebliche Wandstärke ergäbe, die jedoch die Elastizität bzw. Flexibilität beeinträchtigt.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Flächendichtung derart weiterzubilden, daß das Faltenbalgteil sowohl die aufgrund der Druckdifferenz einwirkende Last aufnehmen als auch eine sichere Dichtung der abzudichtenden Flächen sicherstellen kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Bei dieser Gestaltung wird unter dem Betriebsdruck der Scheitel auf der Überdruck seite zusammengedrückt und der Scheitel auf der Unterdruck seite auseinandergedrückt, wodurch die auf die Scheitel wirkenden unterschiedlichen Spannungen soweit ausgeglichen werden, daß insgesamt auch bei Überlagerung mit Kräften aus der Vorspannung eine insgesamt geringere Beanspruchung und im übrigen gleichmäßige Beanspruchung des Faltenbalgteils erreicht wird. Aus diesem Grunde kann die Faltenbalgeinheit aus einem dünneren Material hergestellt werden, was eine größere Flexibilität und gleichmäßige Belastung gewährlei stet, wodurch sowohl die Dichtfunktion als auch die Lebens dauer verbessert werden.

Wesentliche Verbesserungen bezüglich der Flexibilität oder der Druck-Belastungsgrenze von erfindungsgemäß aufgebauten Faltenbalgeinheiten können dadurch erreicht werden, daß die Verhältnisse der Radien der Scheitel der zu der Hochdruck seite gerichteten Faltungen der Faltenbalgeinheit zu denen zu der Niederdruckseite der Faltenbalgeinheit gerichteten von 3 : 2 oder größer verwendet werden. Es ist vorzuziehen, Verhältnisse von 2 : 1 bis 6 : 1 zu verwenden.

Anhand des folgenden Beispiels werden die Vorteile erläutert, die bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Faltenbalgs erzielbar sind.

Beispiel

Drei Faltenbalgeinheiten A, B und C sind aus demselben Material hergestellt worden; jede von ihnen hatte einen Außendurchmesser von 66,58 mm, einen Innendurchmesser von 53,42 mm und eine Wanddicke von 0,18 mm. Alle drei Einheiten wurden mit flach gewölbten Faltungen versehen, die Wandungen der Faltungen waren im wesentlichen senk recht zu der Achse der Faltenbalgeinheit, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist.

Die Faltenbalgeinheit A hatte einen herkömmlichen symme trischen Aufbau, der Radius der inneren und äußeren Scheitel der Faltungen war gleich und die Teilung der Faltungen 7,21 mm. Die Faltenbalgeinheiten B und C wurden erfindungsgemäß ausgebildet, wobei der Radius der äußeren Scheitel der Faltungen doppelt so groß wie der der inne ren Scheitel war, und die Teilung der Faltungen 5,67 mm für die Faltenbalgeinheit B und 7,1 mm für die Falten balgeinheit C war.

Wenn diese Faltenbalgeinheiten durch eine kontrollierte axiale Verschiebung zusammengedrückt wurden, um eine axiale Ausgangskraft von 300 N zu erzeugen,

zeigten die Einheiten A und B eine ähnliche Druck-Be lastbarkeit, die Einheit B zeigte jedoch eine 45%-Verbesserung bezüglich der Flexibilität gegenüber der Faltenbalgeinheit A, und
die Faltenbalgeinheiten A und C zeigten ähnliche Flexibilitäten, die Faltenbalgeinheit C zeigte jedoch eine 31%-Verbesserung der Druck- Belastbarkeit gegenüber der Faltenbalgeinheit A.

Wie das vorhergehende Beispiel zeigt, zeigen die erfin dungsgemäßen Faltenbalgeinheiten entweder eine verbesser te Flexibilität, so daß die Faltenbalgeinheiten verkürzt oder dazu verwendet werden können, eine Dichtung mit einem größeren Abrieb d. h. einer erhöhten Lebensdauer zu ermöglichen, oder sie zeigen verglichen mit herkömmlichen Faltenbalgeinheiten mit symmetrischem Aufbau eine verbes serte Druck-Belastbarkeit. Selbstverständlich können die erfindungsgemäßen Falten balgeinheiten derart ausgelegt werden, daß sich sowohl Verbesserungen bezüglich der Flexibilität als auch der Druck-Belastbarkeit ergeben; so daß eine Optimierung gemäß den speziellen Erfordernissen möglich ist.

Die verschiedensten Variationen können, ohne daß der erfindungsgemäße Gedanke verlassen wird, erfolgen. Bei spielsweise können in dem Fall, da die Dichtung einem hohen Druck innerhalb der Faltenbalgeinheit ausgesetzt ist, die Radien der Scheitel der Faltungen umgekehrt werden.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der mechanischen Flächendichtung wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben, das im Schnitt dargestellt ist.

Wie in der Figur gezeigt ist, weist eine mechanische Flä chendichtung zwischen einer Welle 10 und einem Gehäuse 11 beispielsweise einer Pumpe ein erstes ringförmiges Dicht element bzw. eine Dichtung 12 auf, die in einer Ausnehmung des Gehäuses 11 gehalten und gegenüber diesem mittels eines gummielastischen "O"-Rings 13 abgedichtet ist.

Die Dichtfläche 14 eines ringförmigen Flächendichtungselements 15 ist in Dichtkontakt mit der Dichtung 12 mittels einer Faltenbalgeinheit 16 gehalten, die an einem Bund 17 befestigt ist, der an der Welle 10 mittels einer Reihe von in Umfangsrichtung beabstandeten Madenschrauben 23 oder anderen geeigneten Befestigungsmitteln befestigt ist, und gegenüber diesem durch einen "O"-Ring 18 abgedichtet ist. Das Flächendichtungselement 15 ist in das Ende der Faltenbalgeinheit 16 preß-eingepaßt; ein gummielastischer "O"-Ring 20, der in der äußersten Faltung bzw. Windung der Faltenbalgeinheit 16 ge halten ist und das Flächendichtungselement 15 dienen dazu, eine fluiddichte Dichtung zwischen Faltenbalgeinheit 16 und Flächendichtungs element 15 herzustellen. Das andere Ende der Faltenbalgein heit 16 ist an dem Bund 17 angeschweißt, es kann jedoch an dem Bund auch auf andere geeignete Weise, durch die sich eine fluiddichte Verbindung ergibt, beispielsweise durch Gesenkschmieden oder Hartlöten angebracht sein.

Die Metall-Faltenbalgeinheit 16 weist eine Reihe von Rippen bzw. Wellungen auf; der Radius der Scheitel 21 der Wellungen, die von der Welle 10 weggerichtet sind, ist größer als der Radius der Scheitel 22 der Wellungen, die hin zu der Welle 10 gerichtet sind, wobei das Verhältnis 4 : 1 ist.

Die vorstehend beschriebene Dichtung ist so aufgebaut, daß die Faltenbalgeinheit 16 unter Druck steht und das Dicht flächenelement 15 hin zu der Dichtung 12 beaufschlagt, so daß die Dichtfläche 14 des Flächenelements 15 in einem Dichteingriff mit der Dichtung 12 steht.

Im Betrieb ist die Dichtung einer Druckdifferenz über ihre Flächen ausgesetzt; in einem Bereich P außerhalb der Falten balgeinheit 16 ist der Druck höher als der im Innenraum der Faltenbalgeinheit 16.

Diese Druckdifferenz erzeugt eine axiale Ausdehnungskraft proportional zu der Druckdifferenz. Diese axiale Kraft ver stärkt die ursprünglich an das Flächendichtungselement 15 auf grund der in Axialrichtung komprimierten Faltenbalgeinheit 16 angelegte Kraft. Als Folge dieser addierten Kräfte, die im Betrieb angelegt sind, ist die zwischen der Dichtung 12 und dem Flächendichtungselement 15 angelegte Last in einem großen Bereich der Betriebsbedingungen lediglich etwas größer als die Last, die zur Herstellung einer wirksamen Dichtung unter den betrieblichen Bedingungen erforderlich ist. Hierdurch kann der Antrieb des Flächendichtungselements 15 minimiert werden.

Diese Betriebsart ist selbst nicht neu. Die vorliegende Dichtung weist einen neuartigen Aufbau der Faltenbalg einheit 16, der eine bessere Kontrolle der Funktion der Faltenbalgeinheit erlaubt. Beispielsweise muß die Faltenbalgeinheit, damit sie den Druckdifferenzen, denen sie ausgesetzt ist, widerstehen kann, eine ausreichende Form steifigkeit aufweisen, d. h. aus einem Material mit ausrei chender Festigkeit und Dicke gefertigt sein. Der beanspruchte Aufbau erlaubt, daß die Faltenbalgeinheit 16 mit einer geringeren Wandstärke gefer tigt werden kann, als es für eine Faltenbalgeinheit 16 mit herkömmlichem symmetrischen Aufbau notwendig wäre, die dergleichen Druckdifferenz standhält. Die Verwendung von Material mit geringerer Dicke führt dazu, daß die Faltenbalgeinheit 16 eine größere axiale Flexibilität hat; folglich kann bei Verwendung der Faltenbalgeinheit 16 diese ursprünglich stärker zusammengedrückt werden, wodurch sich eine gleichförmigere Belastung des Flächendichtungselements 15 ergibt.

Der hydraulische Gleichgewichtsdurchmesser der geformten Falten balgeinheit 16 ist im wesentlichen konstant, und während das mit der Faltenbalgeinheit 16 verbundene Flächendichtungselement 15 so ausgelegt werden muß, daß sich eine gleichmäßige Dichtwirkung ergibt, besteht keine Notwendigkeit für eine Rückhaltering-Anord nung, die bei geschweißten Balgen zur Kompensierung der Änderung des hydrauli schen Gleichgewichtsdurchmessers erforderlich ist. Das Flächendichtungsele ment 15 kann deshalb in das Ende der Faltenbalgeinheit 16 wie vorstehend beschrieben eingepaßt werden. Während bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein "O"-Ring 20 verwendet wird, um eine Dichtung zwischen der Faltenbalgeinheit 16 und dem Flächendichtungselement 15 herzu stellen, kann hierauf verzichtet werden, wenn die Passung zwischen dem Flächendichtungselement 15 und der Faltenbalgein heit 16 an sich ausreichend ist, um eine fluiddichte Verbindung herzu stellen. Um Herstellungstoleranzen auszugleichen, kann in diesem Fall eine Zwischenschicht aus einem geeigneten Dichtmittel aufgetragen werden. Alternativ können das Ende der Faltenbalgeinheit 16 nach außen und die Außenfläche des Flächendichtungselements 15 entsprechend angeschrägt werden.

Bei dieser Art von Preß-Einpaßverbindung ist es notwen dig, eine axiale Aufnahme des Flächendichtungselements 15 für die Faltenbalgeinheit 16 vorzusehen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß das Flächendichtungselement 15 an der Wandung der ersten Wellung der Faltenbalgeinheit 16 anliegt, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Bei dieser Anordnung wird jedoch die Flexibilität der ersten Wellung des Balgens durch das Flächendichtungselement 15 gestört, wo durch die Gesamtflexibilität des Balgs verringert wird. Es ist deshalb wünschenswert, das Flächendichtungsele ment 15 von der Wandung der ersten Wellung bzw. Rippe zu trennen und die Anlage zu diesem Zweck am Endabschnitt der Faltenbalgeinheit 16 vorzusehen. Während die vorstehend beschriebene Preß-Einpaßverbindung insbesondere für Flächendichtungselemente 15 aus zerbrechlichem Material, wie beispielsweise Kohlenstoff geeignet ist, können alterna tiv Kohlenstoff-Flächendichtungselemente 15 in einem Metall ring gehalten werden, mit dem die Faltenbalgeinheit 16 durch Gesenkschmieden, Hartlöten oder Schweißen verbunden ist. Gesenkschmieden bzw. Schmieden kann auch dazu ver wendet werden, den Faltenbalg direkt mit dem Flächendichtungs element 15 zu verbinden, wenn das Flächendichtungselement 15 aus einem harten Material, wie einem gesinterten Metall carbid oder -nitrid gefertigt ist.

Mit dem in dieser Beschreibung verwendeten Ausdruck "Faltenbalgeinheit" sind jegliche Faltenbalgein heiten mit einem einstöckigen Aufbau gemeint, wie bei spielsweise aus einem rohrförmigen Metall-Rohstück durch geeignete Herstellungsverfahren wie beispielsweise Walzen gefertigte Faltenbalgeinheiten. Die Falten balgeinheit 16 kann auch aus anderen flexiblen ela stischen Materialien, beispielsweise aus harten Kunst stoffmaterialien wie Polytetrafluoräthylen, gefertigt sein.

Wenn es beispielsweise notwendig ist, Korrosion von Metall-Faltenbalgeinheiten zu verhindern, kann die Faltenbalgeinheit 16 mit enem Mehrlagenaufbau ausgebildet werden, wobei mindestens eine Oberfläche des Metall-Faltenbalgs von einem nichtmetallischen Material bedeckt ist.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Wandungen der Faltenbalgeinheit 16 zueinander parallel; Änderung in der Charakteri stik d. h. in der Flexibilität und in der Druck-Belastbarkeit der Faltenbalgeinheit, können dadurch erzielt werden, daß der Aufbau der Wandungen zwischen den Scheiteln 21, 22 der Faltungen geändert wird, so können beispielsweise die Wandungen kontinuierlich zwischen den Scheiteln 21, 22 der Faltungen gekrümmt sein, um einen mehrfach zusammenhän genden Aufbau zu bilden.

Claims

1. Mechanische Flächendichtung, die eine Dichtung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil, die relativ zueinan der drehbar sind, bewirkt, und die bei Gebrauch einer Druck dfferenz ausgesetzt ist,
mit einem ersten Flächendichtungselement, das in fluiddich ter Weise an dem ersten Bauteil angebracht ist und eine erste Dichtungsfläche aufweist, und
einem zweiten Flächendichtungselement, das eine zweite Dich tungsfläche aufweist, die gegen die erste Dichtungsfläche des ersten Flächendichtungselementes gedrückt wird, und das an dem zweiten Bauteil über ein flexibles Faltenbalgteil be festigt ist, das eine Vielzahl von Faltungen aufweist, deren Scheitel auf einer radial inneren bzw. einer radial äußeren Seite des Faltenbalgteils unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Faltenbalgteil (16) im ein gebauten Zustand unter einer in seiner Axialrichtung wirken den Druckspannung steht und auf das zweite Flächendichtungs element (15) eine Last ausübt, die die zweite Dichtungsfläche (14) gegen die erste Dichtungsfläche drückt und mit dieser im Dichtungseingriff hält, und daß der Krümmungsradius der zur Überdruckseite der Flächendichtung gerichteten Scheitel (21) größer als der Krümmungsradius der zur Unterdruckseite der Flächendichtung gerichteten Scheitel (22) ist.

2. Mechanische Flächendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Radien der Scheitel (21) der Faltungen, die zu der Hochdruckseite der Falten balgeinheit (16) gerichtet sind, zu den Radien der Scheitel (22), die zur Niederdruckseite der Faltenbalgeinheit (16) gerichtet sind, mindestens 3 : 2 ist.

3. Mechanische Flächendichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Verhältnis der Radien der Scheitel (21) der Faltungen, die zur Hochdruckseite der Faltenbalg einheit (16) gerichtet sind, zu den Radien der Scheitel (22), die zur Niederdruckseite der Einheit (16) gerichtet sind, zwischen 2 : 1 und 6 : 1 liegt.

4. Mechanische Flächendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen der Faltungen der Faltenbalgeinheit (16) parallel sind, wenn diese keinem Druck ausgesetzt ist.

5. Mechanische Flächendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen der Faltungen der Faltenbalgeinheit (16) gekrümmt sind, wenn diese keinem Druck ausgesetzt ist.

6. Mechanische Flächendichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faltenbalgeinheit (16) aus Metall gefertigt ist.

7. Mechanische Flächendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Faltenbalgeinheit (16) aus einem steifen Kunststoffmaterial gefertigt ist.

8. Mechanische Flächendichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faltenbalgein heit (16) einen Mehrschichtaufbau hat.

9. Mechanische Flächendichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Flächen dichtungselement (15) durch Preßsitz mit der Faltenbalgein heit (16) verbunden ist.

10. Mechanische Flächendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Flächen dichtungselement (15) in einen Haltering eingesetzt ist, der in fluiddichter Weise an der Faltenbalgeinheit (16) angebracht ist.

11. Mechanische Flächendichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Endabschnitt der Faltenbalgeinheit (16) an den Haltering geschmiedet, gelötet oder geschweißt ist.

12. Mechanische Flächendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Flächen dichtungselement (15) aus einem harten Material gefertigt und der Endabschnitt der Faltenbalgeinheit (16) direkt an das Flächendichtungselement angeschmiedet ist.