DE4042082C2

DE4042082C2 - Dichtungsring

Info

Publication number: DE4042082C2
Application number: DE19904042082
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Kuroki
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1990-12-28
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2010-12-29
Also published as: DE4042082A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dichtungsring der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art sowie auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Derartige Dichtungsringe sind insbesondere für rotierende, schwingende oder hin- und herbewegende Teile geeignet, die einer hydraulischen Steuerung unterworfen sind, wie zum Beispiel in einem automatischen Schaltgetriebe oder in einem Servolenkungsmechanismus eines Kraftfahrzeugs.

Ein derartiger Dichtungsring ist aus der GB-A-1 455 780 bekannt. Der bekannte Dichtungsring ist aus Polytetrafluoräthylen (im folgenden als PTFE bezeichnet) hergestellt und weist bessere Reibungsverringerungs- und Abriebfestigkeitseigenschaften auf, als früher verwendete Gußeisen-Dichtungsringe für Servolen kungsmechanismen. Bei diesem bekannten Dichtungsring besteht das Füllmaterial aus langen Kohlenstoffasern, die auf einen Wickel kern aufgewickelt und dann mit dem PTFE getränkt werden. Auf diese Weise soll eine größere Steifigkeit der Dichtungsringe erzielt werden, damit die Verwendung von Abstützringen entfallen kann. Das Aufwickeln der Kohlenstoffasern stellt jedoch einen kostenaufwendigen Arbeitsvorgang dar.

Aus der DE-A1-24 28 155 ist weiterhin ein Verfahren zur Herstel lung von Dichtungsringen bekannt, bei dem ein faseriges Füll material in Fluorelastomeren durch Walzen so ausgerichtet wird, das der überwiegende Teil der Fasern in Radialrichtung der Dichtungsringe ausgerichtet ist. Hierdurch soll die bleibende Druckverformung der Dichtungsringe verringert werden.

Derartige bekannte Dichtungsringe werden in vielen Fällen in eine Nut eingesetzt, die in einer Innenoberfläche eines Zylin ders ausgebildet ist, um auf diese Weise einen Bereich zwischen dem Zylinder und einem beweglichen Bauteil abzudichten, das in dem Zylinder angeordnet ist. Der Dichtungsringkörper ist mit einem Schnittbereich versehen, der je nach seiner Form einen geraden Schnitt, einen Vorspannschnitt, ein Stufenschnitt oder dergleichen aufweist, und der mit dem Vorspannschnitt versehene Dichtungsring wurde in weitem Umfang verwendet, weil er stabile Dichtungseigenschaften über einen weiten Temperaturbereich aufweist.

Bei den bekannten Dichtungsringen, die mit einem Vorspannschnitt versehen sind, besteht jedoch die Neigung, daß sie durch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten beeinflußt werden, was zu Problemen führt. Weil der Dichtungsringkörper aus Kunststoff material einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient des aus Metall, wie zum Beispiel Aluminium, hergestellten Zylinders ist, ergibt sich selbst in einem Fall, in dem der Schnitteil so ein gestellt ist, daß er bei üblichen Temperaturen die Leckmenge, beispielsweise eines Öls im wesentlichen verringert, eine Vergrößerung eines Spaltes an den Stoßstellen der geschnittenen Enden des Dichtungsringkörpers bei einer Temperatur, die höher als die übliche Temperatur ist, was zu einer Vergrößerung der Leckmenge führt. Andererseits ergibt sich selbst in einem Fall, in dem die Stoßstelle so eingestellt ist, daß das Auslecken bei hohen Temperaturen im wesentlichen verringert ist, eine Vergrößerung des Spaltes an der Stoßstelle, weil das Ausmaß des Schrumpfens des Dichtungsringkörpers größer ist als das des Zylinders, so daß sich ebenfalls eine Vergrößerung der Leckmenge bei üblichen Temperaturen ergibt.

Weiterhin weist in dem Fall, in dem die Leckmenge bei üblichen Temperaturen verringert ist, der Dichtungsring bei höheren Temperaturen einen Festsitz bezüglich des Zylinders auf, so daß der minimale Druck, das heißt der minimale Betätigungsdruck des Dichtungsringkörpers, der in der Nut beweglich ist, in nachteiliger Weise vergrößert ist.

Die beschriebenen Probleme ergeben sich aus den Maßänderungen des Spaltes an der Stoßstelle des Dichtungsringkörpers aufgrund der Temperaturänderung, das heißt mit anderen Worten aufgrund der Tatsache, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Dichtungsringkörpers größer als der des Zylinders ist. Um in wirksamer Weise die Maßänderungen des Spaltes zu verringern, ist es möglich, den Bereich der Toleranzen des Außendurchmessers des Dichtungsringkörpers gering zu halten (beispielsweise auf ungefähr 0,04 mm bei einem Ringdurchmesser von 56 mm), doch ist diese Vorgehensweise schwierig und in vielen Fällen können mangelhafte Produkte auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Dichtungsring sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen, bei dem sich eine einfache Herstellung ergibt und in wirkungsvoller Weise Dichtungsfehler und Erhöhungen des minimalen Betätigungsdruckes vermieden werden, der durch die Maßdifferenz zwischen dem Dichtungsringkörper und dem Zylinder hervorgerufen wird, in dem der Dichtungsringkörper angebracht ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 bzw. 4 ange gebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Dichtungsring zur Abdichtung eines Raumes zwischen einem Zylinder und einem in den Zylinder eingesetzten beweglichen Bauteil geschaffen, der im wesentlichen aus einem Dichtungsringkörper besteht, der in eine in der Innenumfangsfläche des Zylinders ausgebildete Nut eingesetzt ist, wobei der Dichtungsringkörper aus Äthylen-Tetrafluoräthylen und einem Füllmaterial aus Kohlenstoffasern mit einem Längen- Durchmesser-Verhältnis von ungefähr 5 bis 400 durch derartiges Spritzgießen hergestellt, daß die Kohlenstoffasern in einer Umfangsrichtung des Dichtungsringkörpers ausgerichtet sind.

Es wurde erfindungsgemäß festgestellt, daß die Ausrichtung der Kohlenstoffasern einen wesentlichen Einfluß auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Dichtungsringkörpers hat.

Bei der erfindungsgemäßen Ausrichtung der Kohlenstoffasern ergeben sich thermische Ausdehnungskoeffizienten des Dichtungs ringkörpers, die im wesentlichen gleich denen des Zylinders sind, und zwar unabhängig von Temperaturänderungen, so daß der Anlagezustand des Dichtungsringes gegen den Zylinder über den gesamten Temperaturbereich in stabiler Weise konstant gehalten werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Draufsicht einer Ausführungsform des Dichtungsrings,

Fig. 2 eine teilweise Schnittansicht des in einen Zylinder eingesetzten Dichtungsringes nach Fig. 1,

Fig. 3A eine Schnittansicht des Dichtungsringes, der nach einem Angußzapfen-Formverfahren unter Verwendung einer Angußzapfen-Einspritzöffnung hergestellt ist,

Fig. 3B eine perspektivische Ansicht eines mit Hilfe des Angußzapfen-Formverfahrens hergestellten Dichtungsringes,

Fig. 4A eine Schnittansicht des Dichtungsringes in einem Formverfahren mit scheibenartiger Materialzuführung unter Verwendung einer scheibenartigen Einlaßöffnung,

Fig. 4B eine perspektivische Ansicht eines Dichtungsringes, der nach dem Formverfahren mit scheibenartiger Materialzuführung hergestellt ist,

Fig. 5 eine graphische Darstellung, die die Leckmengen in Abhängigkeit von der Temperatur gemäß dem Stand der Technik und für die Ausführungsform der Erfindung zeigt.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Ausführungsform des Dichtungs ringes dargestellt. Dieser Dichtungsring besteht im wesentlichen aus einem Dichtungsringkörper 1, der aus einem Kunststoffma terial hergestellt ist. Der Dichtungsringkörper 1 ist in Fig. 2 in eine Nut 3 eingesetzt, die in dem Innenumfangsteil eines Zylinders 2 ausgebildet ist, um auf diese Weise einen Spalt zwischen der Innenoberfläche des Zylinders 2 und einer Außen oberfläche eines beweglichen Teils 4 abzudichten. Der Dichtungs ringkörper 1 ist mit einem Schnittbereich 9 versehen, an dem beide Schnittenden in einer Ringform miteinander verbunden sind. Der Dichtungsringkörper 1 besteht aus einem Fluorid-Kunststoff material 5 wie zum Beispiel PTFE oder Nylon mit einer geringen Reibung und einer hohen Abnutzungsbeständigkeit, sowie aus einem Füllmaterial 6 in Form von Kohlenstoffasern und/oder Zusatzmit teln, die mit dem Kunststoffmaterial gemischt werden, um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Dichtungsringkörpers 1 in wirkungsvoller Weise zu verringern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es erwünscht, das Füllmaterial und/oder die Zusatzmittel in einer derartigen Menge hinzuzumischen, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Dichtungsringkörpers 1 im wesentlichen gleich dem des Materials des Zylinders 2 ist, der zum Beispiel aus Aluminium hergestellt ist. Insbesondere werden die Kohlenstoffasern 6 so angeordnet, daß die Ausrichtung dieser Fasern 6 parallel zur Umfangsrichtung des Dichtungsringkörpers 1 verläuft. Der thermische Ausdehnungs koeffizient von 1 bis 2 × 10^-5(1/°C) wird für den Fall ausgewählt, daß der Zylinder 2 aus Eisen, Aluminium oder ähnlichem Material besteht.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird ein Äthylen-Tetra fluoräthylen (ETFE) (Molekularbetrag 1 × 10⁵ bis 1 × 10⁶ unter Einschluß von Kohlenstoffasern (Längen-Durchmesser- Verhältnis von 5 bis 400) mit 20 Gewichtsprozent verwendet, und im einzelnen wurde bei einem Beispiel, bei dem das Füllmaterial parallel zur Umfangsrichtung ausgerichtet ist, ein thermischer Ausdehnungskoeffizient (α) von 1.5 bis 2.0 × 10^-5(1/°C) erzielt. Im Vergleich mit einem üblichen Dichtungsring, der einen Dichtungsringkörper mit einem Vorspannungsschnittbereich aufweist und aus einem Material hergestellt ist, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α) von 7 bis 8 × 10^-5 (1/°C) aufweist, wurde die Leckmenge gemäß einer Ausführungsform des Dichtungsringes beträchtlich verringert.

Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung zum Vergleich der Dichtungseigenschaften von bekannten Dichtungsringen und von Ausführungsformen der Dichtungsringe, wobei die mit A bezeichnete Kurve die Leckmenge bei Verwendung üblicher Dichtungsringe zeigt, während die mit B bezeichnete Darstellung die Leckmenge bei Verwendung des Dichtungsringes gemäß der beschriebenen Ausführungsform zeigt. Bei der graphischen Darstellung sind die Leckmengen für die Toleranzbereiche (äußere Durchmesser) der Dichtungsringkörper von 0.1 mm gezeigt. Weiterhin wurde dieses Experiment unter Verwendung eines Automatikgetriebeöls unter einem Druck von 10 Kg/cm² ausgeführt.

Wie dies aus dieser graphischen Darstellung zu erkennen ist, wurde die geringste Leckmenge im wesentlichen über den gesamten Temperaturbereich mit einer Ausführungsform des Dichtungsringes erzielt, und insbesondere ist zu erkennen, daß sich im Fall des Toleranzbereichs des Außendurchmessers des Dichtungsringkörpers von 0.1 mm die Leckeigenschaften des üblichen Dichtungsringes stark ändern, während sich die der Ausführungsform des Dichtungsringes nur geringfügig ändern. Entsprechend kann der Toleranzbereich im Fall des Dichtungsringes mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bezüglich der Leckmenge des Öls groß gemacht werden.

Ein Verfahren zur Ausbildung des vorstehend beschriebenen Dichtungsringes umfaßt vorzugsweise ein Angußzapfen- Spritzformverfahren, wobei eine Angußzapfenöffnung P an einem Umfangsteil angeordnet wird, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, und, wie dies in Fig. 3B gezeigt ist, kann die Ausrichtung des Füllmaterials sehr leicht parallel zur Umfangsrichtung des Dichtungsringkörpers ausgebildet werden. Weiterhin kann die Steuerung dieser Ausrichtung weiterhin präzise dadurch durchgeführt werden, daß die Angußzapfenöffnung gegenüber der Durchmesserrichtung E in eine Richtung C geneigt wird, so daß sich ein scharfer Winkel bezüglich der Umfangsrichtung ergibt.

Fig. 4A zeigt zum Vergleich ein Spritzformverfahren mit scheibenartiger Materialzuführung, bei dem eine scheibenförmige Angußöffnung verwendet wird, und im Vergleich dieses Verfahrens mit dem Angußzapfen-Spritzformverfahren nach Fig. 3A verläuft bei dem Verfahren mit scheibenartiger Materialzuführung die Ausrichtung des Füllmaterials 6 senkrecht zur Umfangsrichtung des Dichtungsringkörpers, wie dies in Fig. 43 gezeigt ist. Bei dem Verfahren nach Fig. 4 wird ein zylindrisch geformtes Material 7 durch die scheibenförmige Angußöffnung geformt, und das geformte Material 7 wird dann mit Hilfe eines Schneidwerkzeugs S auf Ringform abgeschnitten, um den Dichtungsringköper 1 zu bilden. Daher verläuft die Strömungsrichtung des Formmaterials in Axialrichtung des zylindrisch geformten Materials 7, und das Füllmaterial 6 ist damit entlang dieser Strömungsrichtung ausgerichtet.

Aufgrund dieser Tatsache ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Dichtungsringes, der nach dem Angußzapfenverfahren hergestellt wurde, 1.5 bis 2.0 × 10^-5 (1/°C), während der thermische Ausdehnungskoeffizient des nach dem Scheibenangußverfahren hergestellten Dichtungsringes 4 bis 5 × 10^-5(1/°C) betrug. Ein wesentliches Merkmal der beschriebenen Ausführungsform des Dichtungsringes besteht darin, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Dichtungsringkörpers 1, der aus einem Harzmaterial hergestellt ist, gleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Zylinders 2 gemacht wird.

Der auf diese Weise gebildete Dichtungsringkörper 1 wird bei seiner praktischen Verwendung an einem Schnittbereich geschnitten und der Dichtungsringskörper 1 wird dann in die Nut 3 des Zylinders 2 eingesetzt, wobei der Außendurchmesser des Dichtungsringkörpers 1 bei der üblichen Temperatur im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der Nut 3 ist, so daß die Fläche des Spaltes zwischen den beiden Schnittenden des Dichtungsringkörpers 1 konstant gehalten wird, das heißt auf einem Minimum, und zwar unabhängig von der Temperatur, so daß die Leckmenge des Öls über den gesamten Temperaturbereich beträchtlich verringert werden kann. Zusätzlich ergibt sich kein Festsitz aufgrund der Ausdehnung des Dichtungsringkörpers 1 bei hohen Temperaturen zwischen dem Dichtungsringkörper 1 und dem Innenumfang des Zylinders 2, so daß der minimale Betätigungsdruck verringert werden kann, und beispielsweise ist bei der beschriebenen Ausführungsform der minimale Betätigungsdruck auf einen Wert unterhalb von 0.2 kg/cm² verringert.

Wie dies weiter oben beschrieben wurde, wird der thermische Ausdehnungskoeffizient des Dichtungsringkörpers durch Zumischen des Füllmaterials in das Kunststoffmaterial des Körpers im wesentlichen gleich dem des Zylinders gemacht, in den der Dichtungsring eingesetzt ist, so daß der Anlagezustand des Dichtungsringes gegen den Zylinder in stabiler Weise konstant gehalten werden kann, und zwar unabhängig von Temperaturänderungen, so daß selbst in einem Fall, in dem der Dichtungsringkörper mit dem Schnitteil versehen ist, der Spalt zwischen den aneinander anliegenden geschnittenen Enden des Dichtungsringkörpers konstant gehalten werden kann, wodurch die Leckmenge durch diesen Spalt über den gesamten Temperaturbereich auf ein Minimum erniedrigt werden kann. Zusätzlich tritt selbst bei einem Hochtemperaturbetrieb kein Festsitz zwischen dem Dichtungsringkörper und dem Innenumfang des Zylinders auf, so daß der minimale Betätigungsdruck in wirksamer Weise verringert werden kann. Weiterhin kann in dem Fall, in dem die Größe der thermischen Ausdehnung bezüglich der zulässigen Leckmenge klein ist, der Toleranzbereich des Außendurchmessers groß sein, wodurch die Produktivität für die Produkte vergrößert wird.

Claims

1. Dichtungsring mit einem Dichtungsringkörper, der zwischen der Innenfläche eines Zylinders und einem in diesen eingesetzten beweglichen Element befestigt ist und einen Raum zwischen dem Zylinder und dem beweglichen Element abdichtet, wobei der Dichtungsringkörper aus einem fluorhaltigen, mit einem Füll material verstärkten Kunststoffmaterial hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial (6) durch Kohlenstoffasern mit einem Längen-/Durchmesserverhältnis von 5 bis 400 gebildet ist und mit dem fluorhaltigen Kunststoff material gemischt wird, daß der Dichtungsringkörper (1) aus Äthylen-Tetrafluoräthylen (5) und dem Füllmaterial (6) durch derartiges Spritzgießen hergestellt ist, daß sich eine Ausrich tung der Kohlenstoffasern in Umfangsrichtung des Dichtungsring körpers (1) ergibt, so daß der Dichtungsringkörper (1) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der im wesentlichen gleich dem des aus Eisen oder Aluminium oder deren Legierungen bestehenden Zylinders (2) ist.

2. Dichtungsring nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das fluorhaltige Kunststoffmaterial (5) eine niedrige Reibung und hohe Abrieb festigkeit aufweist.

3. Dichtungsring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsringkörper (1) mit einem Schnittbereich (9) mit einer Vorspannform versehen ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsringkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein fluorhaltiges Kunststoffmaterial mit einem Füllmaterial mit Kohlenstoffasern gemischt und zur Herstellung des Dichtungsringkörpers im Spritz gußverfahren derart verwendet wird, daß die Ausrichtung der Kohlenstoffasern in Umfangsrichtung des Dichtungsringkörpers verläuft, und daß der Anteil des Füllmaterials in dem fluorhal tigen Kunststoffmaterial derart ist, daß der thermische Ausdeh nungskoeffizient des Dichtungsringkörpers im wesentlichen gleich dem des Zylinders ist.