DE3526699A1

DE3526699A1 - Hochdruckfluiddichtung

Info

Publication number: DE3526699A1
Application number: DE19853526699
Authority: DE
Inventors: William M. Gurnee Ill. Riley jun.
Original assignee: Chicago Rawhide Manufacturing Co Inc
Current assignee: Chicago Rawhide Manufacturing Co Inc
Priority date: 1984-08-09
Filing date: 1985-07-25
Publication date: 1986-02-20
Anticipated expiration: 2005-07-26
Also published as: JPS61112865A; AU583523B2; US4560177A; DE3526699C2; IT1183916B; GB2162909B; GB2162909A; SE458470B; FR2568970A1; SE8503461L; IT8567716A0; FR2568970B1; JPH0621664B2; AU4459985A; MX165918B; CA1256910A; GB8519886D0; SE8503461D0

Description

Hochdruckfluiddichtung

Die Erfindung befaßt sich mit Fluiddichtungen und betrifft insbesondere eine Hochdruckfluiddichtung für Hochdruckverhältnisse, bei denen insbesondere eine hin- und hergehende Bewegung oder Gleitbewegung eines abgedichteten Teils axial durch die Dichtungsöffnung auftritt.

Bei den jüngsten Anwendungen gewisser hydraulischer Mechanismen wie beispielsweise Kraftfahrzeugservolenkungen treten oftmals zunehmend höhere Drucke und Arbeitsverhältnisse auf, die mit so hohen Belastungen verbunden sind, daß die bekannten Dichtungskonstruktionen überprüft werden müssen.

Bekannte Mechanismen, die bei einem Druck auf einer gegebenen Höhe arbeiten müssen, werden aufgrund höherer Bewegungsgeschwindigkeiten oder Bewegungsbereiche Verhältnissen ausgesetzt, die mit stärkeren Belastungen verbunden sind. Beispiele für diese Anwendungen sind Stangen oder ähnliche Bauteile, die über Radialnasenwellendxchtungen vom sogenannten Wischerblatttyp abgedichtet sind. Dabei bewegt sich die Stange axial durch eine öffnung in der Dichtung und ist der Nasenteil der Dichtung einem Fluid unter Druck ausgesetzt, der manchmal einige TO Mega-Pascal bis über 100 Mega-Pascal erreichen oder diese Werte überschreiten kann.

Bei diesen Anwendungen können starke Abnutzungen der Dichtungen selbst, in den abgedichteten Teilen, wenn sie unzureichend geschmiert sind, oder Undichtigkeiten auftreten, wenn im abgedichteten Bereich die Dichtung unzureichend dicht ist. Jeder geschmierte Mechanismus einschließlich hydraulischer Mechanismen fällt vollständig aus, wenn Undichtigkeiten auftreten, so daß die Versorgung an Schmiermittel oder Arbeitsfluid vollstän-

dig ausfällt.

Es werden Dichtungen benötigt, die einem geringeren Verschleiß ausgesetzt sind und einen geringeren Widerstand zeigen, ohne daß die Dichtungswirkung verlorengeht.

Durch die Erfindung wird eine Radialnasendichtung geschaffen, die einen Nasenteil aufweist, dessen Luft- und ölseiten einen Dichtungsnasenkörper bilden, der mit einem radial inneren Teil eines Dichtungsgehäuses verbunden ist, wobei die sogenannte Luftseite der Dichtungsnase so profiliert ist, daß sie in einer Kombination eine Mehrnasendichtungsflache.unter einem Druck eine kontrollierte Biegung und ein ausgezeichnetes Halten des Schmiermittels zeigt, so daß sie bei vielen Anwendungszwecken leistungsfähiger arbeitet.

Die erfindungsgemäße Fluiddichtung umfaßt ein Dichtungsgehäuse und einen elastomeren Nasenkörper, der damit verbunden ist, wobei der Nasenkörper ringförmig ausgebildet ist und eine kegelstumpf förmige ölseitenflache, die mit einer kegelstumpfförmigen Luftseitenfläche entlang im wesentlichen eines Kreises zusammenstößt, so daß sich ein in Umfangsrichtung verlaufendes Dichtungsband ergibt, wobei die kegelstumpfförmige Luftseitenfläche eine Reihe von axial beabstandeten Rippen mit abgerundetem Profil und allmählich ansteigendem Innendurchmesser aufweist, die durch Schmiermittelhalterillen beabstandet sind, und der gesamte Dichtungskörper in eine feste dichtende Ineingriffnahme mit einer zugehörigen Welle durch den fortschreitend zunehmenden Kontakt der Rippen mit der abgedichteten hin- und herbeweglichen Welle bei zunehmendem Druck im abgedichteten Bereich gedrückt werden kann.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.

Figur 1 zeigt eine vergrößerte vertikale Teilschnittansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Dichtung.

Figur 2 zeigt in einer Teilansicht der in Figur 1 dargestellten Dichtung die Lage bestimmter Elemente so wie sie hergestellt werden.

Figur 3 zeigt in einer Figur 2 ähnlichen, jedoch vergrößerten Schnittansicht die Dichtung in ihrer Anfangsbenutzungslage .

Figur 4 zeigt in einer Figur 3 ähnlichen Ansicht dieselbe Dichtung in einer weiteren Benutzungslage.

Figur 5 zeigt in einer weiter vergrößerten Ansicht das Ausführung sbeispiel der erfindungsgemäßen Dichtung in der Benutzungslage bei maximalem Druck.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist eine Dichtung, die in das Gehäuse einer Servolenkung eingebaut ist, das unter Druck zu setzen ist und in dem das hin- und herbewegliche Element der Endabschnitt einer Zahnstange eines Zahnstangengetriebes einer Kraftfahrzeugservolenkung ist.

Figur 1 zeigt im einzelnen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dichtung 20, die in das Gehäuse 22 eingebaut ist und in einer Senke 24 im Gehäuse 22 durch einen Sprengring 26 oder ähnliches festgehalten ist, der in einer Sicherungsringnut 28 angeordnet ist.

Die Dichtung 20 umfaßt einen elastomeren Dichtungsnasenkörperteil 21 und ein Dichtungsgehäuse 30, das in der dargestellten Weise einen axial verlaufenden Gehäuseringflansch 32 und einen radial verlaufenden Ringflansch 34 aufweist, der in einem radial innen liegenden Rand oder einem Dichtungskörperverbindungsteil 36 endet. Die Außenfläche 38 des Gehäuses ist fluiddicht in der Dichtungsgehäusesenke 24 aufgenommen und eine

nicht dargestellte sekundäre Dichtung wie beispielsweise eine Außengummihülse oder ein anderes Element kann dazu benutzt werden, den dichten Abschluß in der Senke zu erzielen. Der Dichtungskörper 21 weist einen Verbindungsteil 40 und einen Innenflächenteil 42 auf, der dem Fluid ausgesetzt ist, das im abgedichteten Bereich gehalten ist, wobei die Fläche 42 eine Ringfedernut 44 aufweist, die um den Dichtungskörper herum in bekannter Weise verläuft und eine in sich geschlossene ringförmige Schraubenfeder aufnehmen kann.

Die Dichtung weist weiterhin eine etwa kegelstumpfförmige Ölseitenflache 48, die radial innen von einem sogenannten Entnahmegratrest 50 verläuft, wobei die kegelstumpfförmige ölseitenfläche 48 mit einer kegelstumpfförmigen Luftseitenfläche 52 zusammenstößt, um ein Dichtungsband 54 zu bilden, das etwa kreisförmig verläuft. Auf der Luftseite der Dichtung und axial außen vom Dichtungsband 54 befindet sich eine erste Hilfsrippe 56, die vom Dichtungsband 54 durch eine Umfangsnut 58 getrennt ist. Eine Nut 60, die axial und radial außen von der Rippe 56 verläuft, liefert einen Zwischenraum zwischen der Rippe 56 und einer zweiten Hilfsrippe 62. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel trennt eine weitere Nut 64 die zweite Rippe 62 von einer dritten Rippe 66.

Aus Figur 2 ist beispielsweise ersichtlich, daß die innersten Flächen 68, 70, 72 der Hilfsrippen 56, 62, 66 einen allmählich zunehmenden Durchmesser mit zunehmendem Abstand vom Dichtungsband 54 oder im Verlauf vom Dichtungsband 54 axial nach außen haben. Dabei ist unter dem Begriff "axial außen" ein Abstand vom Inneren des Dichtungsbereiches 55 in Figur 1 und 2 in Richtung auf das Äußere oder die Luftseite 57 in Figur 1 und 2 zu verstehen.

Der Begriff "radial außen" versteht sich von selbst, gilt . jedoch insbesondere für einen zunehmenden Durchmesser bei einer Anwendungsform, bei der das abgedichtete Element durch die Mitte

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der Dichtung geht, statt um seine Außenseite zu verlaufen, wie es der Fall bei einer radial nach außen wirkenden Nasendichtung ist.

Aus Figur 2 ist ersichtlich, daß die Innenflächen 68, 70, 72 der Rippen 56, 62, 66 längs und etwa parallel zur Haupterstreckung des Dichtungskörpers verlaufen, wie es durch eine gestrichelte Linie 75 in Figur 2 dargestellt ist. Die Gegenlinie 76 in Figur 2, die die Tangente an die Rippen ist, verläuft in der dargestellten Weise im wesentlichen parallel dazu und schließt einen gegebenen Winkel Θ zu einer gedachten Horizontalachsenlinie 78 ein, die parallel zur Achse des abgedichteten Elementes verläuft. Auf dem Gebiet der Dichtungen wird der Winkel des Luftseitenteils des Dichtungsnasenkörpers oft als Tonnenwinkel bezeichnet. Im vorliegenden Fall ist der Tonnenwinkel der Winkel des Dichtungskörpers als Ganzem oder der Winkel, der aus der Folge von Punkten abgeleitet wird, die entlang der jeweiligen innersten Außenflächen der Hilfsrippen liegen.

Bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung ist das abgedichtete Element ein hin- und herbeweglicher Stangenteil 80 einer Zahnstange mit einem Außenflächenteil 82, der auf das Dichtungsband 54 trifft, um eine primäre Dichtung zu bilden. Wie es durch Pfeile 84 angegeben ist, ist die eine Dichtung erfordernde Bewegung eine Axial- oder Querbewegung, die zu einer wischerblattartigen Dichtungswirkung führt.

In Figur 3 ist die Beziehung des Winkels zwischen den Linien 75, 76 und 78 so dargestellt, wie sie tatsächlich im eingebauten Zustand ist, wobei die innerste Rippe 56 mit ihrer innersten Außenfläche 68 in einem geringen Abstand von der Fläche 82 der abgedichteten Stange oder Welle 80 liegt. Folglich besteht zwischen dem primären Dichtungsband 54 und der Wellenfläche 82 ein kleiner sogenannter Restspielraum oder eine kleine Restüberlagerung .

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Aus Figur 4, die eine etwas schematische Darstellung zeigt, ist ersichtlich, daß das Dichtungsband 54 in Kontakt mit der Wellenfläche 82 steht und daß die erste Hilfsrippe 56 djlese Oberfläche gleichfalls berührt, wobei die Nut 52 zwischen dem primären Dichtungsband und der Hilfsrippe 56 etwas abgeflacht ist. In Figur 4, die die Anordnung unter einem mäßigen Druck zeigt, verlaufen die Linien 75, 78 derart, daß der Winkel θ einen geringeren Wert hat, da der Dichtungskörper 22 einen etwa mehr zylindrischen Querschnitt einnimmt.

Figur 5 zeigt die Dichtung 20 schematisch im eingebauten Zustand über einer Stange oder Welle 80 in dem Fall, in dem ein höherer Druck im abgedichteten Bereich 55 dazu geführt hat, daß das Dichtungsband 54 sowie alle Hilfsrippen 56, 62 und 66 mit der Außenfläche 82 der Welle 80 in Berührung gekommen sind.

Figur 5 zeigt, daß aufgrund des hydraulischen Druckes, der auf die Fläche 42 des Dichtungskörpers 22 ausgeübt wird, wie es durch Pfeile dargestellt ist, der gesamte Körper sich so gebogen hat, daß der Winkel Θ sehr klein ist und der Dichtungskörper als ganzes eng über der Welle liegt. In dieser Darstellung sind weiterhin die Nuten 52, 60, 64 so gezeigt, daß sie eine meßbare Fluidmenge aufgenommen haben und dieses Fluid für Schmierungszwecke halten. Das vermindert in vorteilhafter Weise den Abrieb oder Verschleiß insbesondere unter Hochdruckverhältnissen. Die Breite des Dichtungsbandes 54 ist in Figur 5 schematisch mit A bezeichnet und die von den jeweiligen Hilfsrippen 56, 62, 66 gebildeten Dichtungsbänder haben in der dargestellten Weise fortschreitend abnehmende Breiten B, C und D. Die am nächsten liegende oder den kleinsten Außendurchmesser aufweisende Hilfsrippe 56 ist somit zu der Form B mit einer erheblichen Kontaktbreite zur zugehörigen Welle abgeflacht. Die zweite Hilfsrippe ist gleichfalls zu einem Kontakt mit der Welle abgeflacht, liefert jedoch ein etwas schmaleres Dichtungsband oder ein Dichtungsband mit geringerer Breite oder einem sogenannten Fußabdruck C, wobei eine begrenzte Kontaktfläche D mit

einer jedoch noch geringeren Breite dort vorgesehen ist, wo die Innenfläche 72 mit größtem Durchmesser oder die dritte Hilfsnase oder -rippe 66 die Welle trifft.

Aus dem obigen ist ersichtlich, daß mit zunehmendem Druck sich die Wellendichtung nach unten auf die Welle verformt, daß jedoch aufgrund der besonderen Biegung das Kontaktmuster eine zunehmende Breite zeigt und mit beabstandeten Rippen versehen ist, die jeweils paarweise Schmiermittel zwischen jeder Rippe und der zugehörigen benachbarten beabstandeten Rippe halten können. Obwohl die gehaltene Schmiermittelmenge nicht groß ist, ist sie meßbar und kann ein derartiges Schmiermittel immer über die gesamte Außenfläche der abgedichteten Welle vorhanden sein. Beim Fehlen derartiger Nuten und Rippen hat es sich herausgestellt, daß der hohe Druck, der bei derartigen hydraulischen Abdichtungen auftritt, dazu neigt, das Fluid vom Bereich unter der primären Nase herauszudrücken und die Dichtungskraft über annehmbare Grenzwerte hinaus zu erhöhen. In Kombination mit dem Mangel an Schmiermittel führt das zu einem frühzeitigen Ausfall der Dichtungen mit bekanntem Aufbau.

Gemäß der Erfindung kann die progressive Wirkung, die die erfindungsgemäße Dichtung liefert, nicht nur das Schmiermittel halten und ein Herausdrücken des Schmiermittels vom Bereich unter diesen kritischen Bereichen verhindern, sondern auch die Last fortschreitend verteilen, so daß die benötigten Dichtungskräfte beibehalten jedoch über mehrere Nasen oder Rippen verteilt werden, um den Aufbau eines zu hohen Druckes oder eine unangemessene örtliche Kraftkonzentration zu vermeiden.

Wie es in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, kann eine charakteristische sich konisch erweiternde Nut 90 vorgesehen sein, um ein Sperreinlageelement oder ein das Herausdrücken

verhinderndes Element wie beispielsweise einen

Nylonring aufzunehmen, wie er in der US PS 3 495 843 dargestellt ist. Dieser Dichtungsring kann an seiner Stelle durch die der Dichtung eigene Greifwirkung gehalten werden oder ein Hilfssperring sein, wie er bei bestimmten Anwendungszwecken bevorzugt sein kann. Ein derartiger Hilfsring kann bei der erfindungsgemäßen Dichtung vorgesehen sein.

Es hat sich herausgestellt, daß die erfindungsgemäße Dichtung wesentlich leistungsfähiger ist, eine höhere Zuverlässigkeit und einen geringeren Verschleiß zeigt und gleichzeitig in der Lage ist, einen hohen Druck abzudichten, der bei problematischen Anwendungszwecken der genannten Art auftreten kann.

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Claims

Patentanwälte Dux:-= Ing.:H; WeicjkmÄnn, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Di"pl:-Ing. F. A^Weickm'änn, Dipl.-Chem. B. Huber Dr.-Ing. H. LisKA, Dipl.-Phys. Dr. J. Prechtel 8000 MÜNCHEN 86 Z 5. J U 11 1985 POSTFAC H 860 820 MÖHLSTRASSE 22 TELEFON (0 89) 98 03 52 TELEX 5 22 621 TELEGRAMM PATENTWHCKMANN MC)NCHFN P/ha Chicago Rawhide Manufacturing Company 900 North State Street Elgin, Illinois 60120 V.St.A. Hochdruckfluiddichtung PATENTANSPRÜCHE . (

1. Hochdruckfluiddichtung gekennzeichnet durch ein ringförmiges Dichtungsgehäuse (30) aus einem relativ starren Material, das bei der Benutzung in einem Element eines abzudichtenden Maschinenmechanismus aufgenommen werden kann,und einen ringförmigen elastomeren Dichtungsnasenkörper (21), der mit einem Teil mit einem Rand des ringförmigen Gehäuses (30) verbunden ist, wobei der Nasenkörper (21) wenigstens teilweise von kegelstumpfförmigen Luft- und Ölseitenflächen (48,52) begrenzt ist, die einander längs eines im wesentlichen kreisförmigen geometrischen Ortes treffen, um ein primäres Dichtungsband (54) zu bilden, längs dem der Dichtungsnasenkörper (21) bei der Benutzung mit einem anderen Element (80) des Maschinenmechanismus in fester fluiddichter Ineingriffnähme im entlasteten Zustand des Nasenkörpers (21) in Berührung steht, wenn das Fluid im Bereich des Maschinenmecha-

nismus einen ersten Druck hat, wobei die kegelstumpfförmige Luftseitenfläche (52) des Nasenkörpers (21) eine Vielzahl von Hilfsdichtungsrippen (56,62,66) aufweist, die axial durch Fluidhaltenuten (58,60,64) beabstandet sind, jede der Hilfsrippen (56,62,66) einen Flächenbereich aufweist, der mit dem anderen Element (80) in Berührung kommen kann, und so bemessen ist, daß es einen fortschreitend größeren Abstand vom anderen Element (80) in Richtung vom primären Dichtungsband (54) weg aufweist, die kegelstumpfförmige Luftseitenfläche (52) des Dichtungskörpers (21) so ausgebildet und angeordnet ist, daß bei dem ersten Druck die Ränder der Hilfsrippen (56,62,66) im Abstand vom anderen Element (80) verlaufen und daß mit zunehmendem Druck in dem Bereich der Dichtungskörper (21) radial so gebogen wird, daß die Ränder von zusätzlichen Rippen (56,62, 66) mit dem anderen Element (80) in Berührung kommen, um für einen höheren Dichtungsbandkontaktbereich zu sorgen und Dichtungsfluid in den Nuten (58,60,64) zwischen benachbarten Hilfsrippen (56,62,66) einzufangen.

2. Fluiddichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungskörper (21) eine ringförmige Federnut (44) aufweist, die etwa radial in einer Linie zu einem Teil des primären Dichtungsbandes (54) ausgerichtet ist, und eine in sich geschlossene ringförmige Schraubenfeder in der Nut (44) angeordnet ist.

3. Fluiddichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen der Hilfsrippen (56, 62,66) ein abgerundetes Profil an ihren Rändern haben, mit denen sie mit dem anderen Element in Berührung kommen können.

4. Fluiddichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ringnut (90) für ein ein Herauspressen verhinderndes Element, die axial außen von den Hilfsrippen (56,62,66)

₍ und wenigstens teilweise axial innen vom Rand des Dichtungsgehäuses (30) verläuft, wobei die Nut (90) ein

Einlageelement aufnehmen kann, um eine zu große Biegung des Dichtungskörpers (21) neben dem Gehäuserand (36) zu verhindern.

5. Fluiddichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß das Gehäuseelement (30) einen etwa L-förmigen Querschnitt hat und einen axialen Flansch (32) mit einer Fläche zur Aufnahme in einer Senke (24) im ersten Maschinenelement und einen radialen Flansch (34) aufweist, dessen wenigstens eine Außenfläche den Rand (36) des ringförmigen Gehäuses (30) umfaßt, mit dem der Dichtungsnasenkörper (21) verbunden ist.

6. Fluiddichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Element des Mechanismus radial außen vom anderen Element (80) liegt und daß die Hilfsrippen (56,62,66) einen allmählich ansteigenden Innendurchmesser mit wachsender axialer Entfernung vom primären Dichtungsbandbereich (54) des Nasenkörpers (21) aufweisen.

7. Fluiddichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei Hilfsrippen (56,62,66) vorgesehen sind.

8. Abgedichteter hydraulischer Mechanismus mit einem ersten Maschinenelement, in dem eine Wellenaufnahmeöffnung und eine Dichtungsaufnahmesenke (24) vorgesehen sind,und mit einem zweiten Maschinenelement (80) in Form einer Welle, die sich durch die Öffnung erstreckt, gekennzeichnet durch eine Fluiddichtung (20), die einen ringförmigen Gehäuseteil (30) mit einem Dichtungsbefestigungsflansch (32) , der eng in der Senke (24) aufgenommen ist, und mit einem Dichtungskörperverbindungsteil (34), und einen ringförmigen elastomeren Dichtungskörperteil (21) umfaßt, dessen wenigstens eine Außenfläche mit dem Verbindungsteil (34) verbunden ist, wobei der Dichtungs-

körper (21) kegelstumpfförmige Luft- und ölseitenflächen (48,52) aufweist, die einander längs eines im wesentlichen kreisförmigen geometrischen Ortes treffen, um ein primäres Dichtungsband (54) zu bilden, das im entspannten Zustand des Dichtungskörpers (21) fluiddicht mit der Welle (80) in Berührung steht, die Luftseitenfläche (52) eine Vielzahl von axial beabstandeten Hilfsdichtungsrippen (56,62,66) aufweist, von denen jede eine innere, die Welle in Berührung nehmende Fläche aufweist und von der benachbarten Rippe durch wenigstens eine Fluidhaltenut (58,60,64) beabstandet ist, die Wellenberührungsflächen einen fortschreitend zunehmenden Durchmesser in Richtung von dem primären Dichtungsband (54) weg aufweisen, der Nasenkörper (21) ausreichend biegsam ist, so daß bei zunehmendem Fluiddruck im abgedichteten Bereich sich der Nasenkörper (21) allmählich so biegt, daß die Kontaktfläche fortschreitend mit der Wellenfläche in Berührung kommt und dabei Fluid in den Nuten (58,60,64) eingefangen wird, um die Schmierung der Wellenfläche zu erhöhen.

9. Abgedichteter Mechanismus nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungskörper (21) eine Federnut (44) aufweist, in der eine in sich geschlossene ringförmige Schraubenfeder (46) aufgenommen ist.

10. Abgedichteter Mechanismus nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei Hilfsrippen (56,62,66) vorgesehen sind.

11. Abgedichteter Mechanismus nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) einen etwa L-förmigen Querschnitt hat.