DE10154789B4

DE10154789B4 - Wellendichtring

Info

Publication number: DE10154789B4
Application number: DE10154789A
Authority: DE
Inventors: Günther Dr. Hacker; Rolf Johnen; Wolfgang Schmitt
Original assignee: Dichtungstechnik G Bruss GmbH and Co KG
Current assignee: Dichtungstechnik G Bruss GmbH and Co KG
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2021-11-09
Also published as: DE20121487U1; DE10154789A1; US6860486B2; US20030085527A1

Abstract

Wellendichtring für eine Welle mit folgenden Merkmalen:
(a) der Wellendichtring hat eine Dichtlippe (1) aus einem Elastomer;
(b) die Dichtlippe (1) ist biegeweich mit einer Biegeelastizität dimensioniert, welche zur abdichtenden Anpressung eines Dichtabschnittes der Dichtlippe (1) an den Umfang (3) der Welle unter Verzicht auf ein zusätzliches Anpressmittel ausreicht;
(c) die Dichtlippe (1) ist wellenseitig mit mindestens einem ersten, den Umfang der Dichtlippe (1) endlos umgebenden, wellenförmigen geschlossenen Rückförderkanal (55, 56, 57) versehen, welcher austretendes Medium bei drehender Welle zum abzudichtenden Raum (M) hin zurückfördert und zur Umgebungsseite (U) abgesperrt ist;
(d) der Dichtabschnitt der Dichtlippe (1) liegt über eine vorbestimmte axiale Länge (L) auf dem Umfang (3) der Welle auf, wobei diese Länge (L) mindestens so bemessen ist, dass die Dichtlippe (1) sowohl mit ihrem mediumseitigen, vorderen Rand (6) als auch mit dem umgebungsseitigen hinteren Rand (7) des Rückförderkanals (55) vollständig auf dem Umfang...

Description

Die Erfindung betrifft einen Wellendichtring mit einer Dichtlippe aus einem Elastomer.
In den letzten Jahren wurden Wellendichtringe aus elastomeren Werkstoffen bei anspruchsvollen Anwendungen, wie in modernen Verbrennungsmotoren, zunehmend durch Wellendichtringe mit Dichtlippen aus Polyetrafluoräthylen (PTFE) ersetzt. Bei solchen Wellendichtringen ist vorgeschlagen worden, einen in montiertem Zustand des Wellendichtringes auf einem Oberflächenbereich der Welle anliegenden Dichtabschnitt mit einem Gewinde zu versehen, welches abzudichtendes Medium (Schmiermittel) bei drehender Welle zum abzudichtenden Raum hin zurückfördert (vgl. H. K. Müller "Abdichtung bewegter Maschinenteile", 1990, Medienverlag Ursula Müller, Seite 42, 43, Bild 18-RD).
Bei solchen Wellendichtringen mit Dichtlippe aus PTFE ist problematisch, dass sie nur "dynamisch", d. h. bei rotierender Welle, abdichten, und das auch nur in einer Drehrichtung, jedoch "statisch", d. h. bei stillstehender Welle, undicht sind.
Bei Radial-Wellendichtringen mit im wesentlichen radial verlaufender Dichtlippe aus einem elastomeren Werkstoff sind sogenannte hydrodynamische Dichthilfen bekannt, die nach Art eines "Scheibenwischers" arbeiten (vgl. Seite 39, 40 und Bild 14-RD im oben zitierten Buch von H. K. Müller). Derartige Wellendichtringe sind in der Regel mit einer Ringwendelfeder, auch "Wurmfeder" genannt, zur Anpressung der Dichtlippe an den Wellenumfang versehen. Die von der Wurmfeder erzeugte radiale Anpressung, welche die auf den Wellenumfang bezogene Anpresskraft der Dichtlippe an die Wellenoberfläche darstellt, liegt gewöhnlich in einem Bereich zwischen 0,8 und 1,6 N/cm.
Fehlerhafte oder vergessene Montage der Feder oder Abspringen der Feder bei der Handhabung des Wellendichtringes vor oder während des Einbaus verursachten Frühausfälle. Die Gestaltung der elastomeren Dichtlippe mit einer Spitze, welche mit nahezu Linienberührung und sehr hoher Flächenpressung an der Welle anliegt, führten zu sehr hohen Übertemperaturen und zu unerwünschten chemischen Reaktionen des abzudichtenden Mediums und/oder des elastomeren Dichtungsmaterials und damit zu Schädigungen in der Kontaktzone der Dichtlippe. Dies verkürzte in aller Regel die Lebensdauer.
Es ist auch ein Radialwellendichtring vorzugsweise aus PTFE bekannt, der eine Rückfördereinrichtung in Gestalt einer an die Dichtkante anschließenden Nut aufweist, wobei diese Rückfördereinrichtung von in Umfangsrichtung verlaufenden, sinusförmigen Wellungen gebildet ist, welche ein in Richtung des abzudichtenden Raumes keilförmiges Innenprofil aufweisen ( EP 0 798 498 B1 ). Dieser bekannte Radialwellendichtring soll unabhängig von der Drehrichtung der abzudichtenden Welle wirksam sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wellendichtring mit einer Dichtlippe aus einem Elastomer zu schaffen, der auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten und Schwingungsbelastungen der Welle unabhängig von deren Drehrichtung zuverlässig dynamisch abdichtet, höhere Lebensdauer als bekannte Wellendichtringe mit elastomerer Dichtlippe aufweist, statische Dichtheit gewährleistet und Frühausfälle vermeidet, wobei außerdem einfache und damit billige Herstellung gewährleistet sein soll.
Diese Aufgabe wird durch Patentanspruch 1 gelöst.
Ein Wellendichtring nach der Erfindung hat zumindest innerhalb einer vorbestimmten axialen Länge, über welche seine Dichtlippe an der Wellenoberfläche anliegt, mindestens einen, den Umfang der Dichtlippe endlos umgebenden, gewellten geschlossenen Rückförderkanal, welcher austretendes Medium bei drehender Welle zum abzudichtenden Raum zurückfördert und darüberhinaus die Welle im Kontaktbereich mit der Dichtlippe mit dem Medium benetzt hält, d. h. schmiert.
Die biegeweiche oder "biegeschlaffe" Ausgestaltung der aus einem Elastomer bestehenden Dichtlippe ermöglicht, dass sich die Dichtlippe aufgrund ihrer eigenen Biegeelastizität in montiertem Zustand mit einem Dichtabschnitt über die vorbestimmte Länge tangential an den Umfang der Welle anschmiegt, wobei die Biegeelastizität so bemessen sein soll, dass sie unter Verzicht auf die übliche Wurmfeder eine dynamische Abdichtung in beiden Drehrichtungen der Welle gewährleistet, weil der Dichtabschnitt aufgrund seiner Biegeweichheit oder – schlaffheit Schwingungsbewegungen der Welle folgt.
Dadurch, dass der Dichtabschnitt über einen Flächenbereich einer vorbestimmten axialen Länge an der Oberfläche der Welle anliegt, welche den vorderen mediumseitigen Rand und den hinteren umgebungsseitigen Rand des ersten Rückförderkanals überdeckt, ist die Anpressung gegenüber einer herkömmlichen Lösung vermindert, bei der die Dichtlippe lediglich über eine Spitze an die Wellenoberfläche mittels einer Wurmfeder mit hoher spezifischer Pressung angedrückt ist. Dies vermindert die Reibung, so dass keine die Dichtlippe schädigenden Übertemperaturen mehr erzeugt werden können, was maßgeblich zur Lebensdauererhöhung beiträgt.
Der mediumseitige Rand der Dichtlippe kann ungewellt sein, kann jedoch auch parallel zu dem oder den Rückförderkanälen gewellt sein.
In beiden Fällen ist fertigungstechnisch von Vorteil, wenn der mediumseitige Rand der Dichtlippe radial außen einen axialen zylindrischen Ringvorsprung aufweist. Dies vereinfacht die Konstruktion eines Formwerkzeuges zur Herstellung der Dichtlippe bedeutend.
Damit der die "Dichtkante" bildende erste Rückförderkanal aus dem abzudichtenden Raum übertretendes Medium zuverlässig in diesen zurückfördert, wird er erfindungsgemäß einschließlich der vorderen und hinteren beiden Ränder vollständig von der Länge "L" überdeckt, über welche die Dichtlippe anliegt. Dabei ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, dass der umgebungsseitige hintere Rand mit mindestens gleich hoher Anpressung wie der mediumseitige vordere Rand des ersten Rückförderkanals an den Umfang der Welle angedrückt ist. Die Dichtlippe ist so zu dimensionieren, dass diese Bedingung auch bei exzentrischem Einbau des Wellendichtringes und/oder bei exzentrisch laufender Welle gewährleistet ist.
Beispielsweise durch die in Merkmal (f) des Anspruchs 1 angegebene Wahl des Winkels β (2) kann der Konstrukteur die Anpressdruckverteilung in der geschilderten, gewünschten Weise einstellen.
Bei Dichtmanschetten aus einem elastomeren Werkstoff mit einer Härte von etwa 70 bis 80 IRHD liegt der Winkel β in einem Bereich zwischen 0° und 5°, vorzugsweise zwischen 1° und 3°.
Bevorzugt folgen auf den ersten Rückförderkanal axial mit Abstand zur Umgebungsseite hin weitere Rückförderkanäle.
Vorzugsweise sind der oder die Rückförderkanäle sinusförmig oder entsprechend einem Wellenzug aus miteinander verbundenen, abwechselnd gegenläufig gekrümmten Kreisbogenabschnitten gewellt.
Ein Wellendichtring gemäß der Erfindung dichtet auch bei stillstehender Welle, also statisch. Bei rotierender Welle dichtet der Wellendichtring dynamisch in beiden Drehrichtungen der Welle.
Der Verzicht auf ein zusätzliches Anpressmittel, wie eine Wurmfeder, vermindert zum einen die Anpressung der Dichtmanschette an die Welle und ermöglicht zum anderen die Herstellung aus einem Stück, was die Zuverlässigkeit erhöht und die Herstellkosten senkt. Praxiswerte für die Wahl der mittleren radialen Anpressung bezogen auf den Umfang der Welle liegen dabei für elastomere Dichtmanschetten bei 0,8 N/cm, dem bisher in der Praxis untersten erreichbaren Wert für herkömmliche Radial-Wellendichtringe, und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 und 0,4 N/cm.
Wellendichtringe nach der Erfindung sind vor allem für Anwendungen geeignet, bei denen in beiden Drehrichtungen abgedichtet und hohe Übertemperaturen in der Kontaktzone zwischen Dichtung und Welle vermieden werden müssen, um dort unerwünschte chemische Reaktionen des Dichtrings mit dem abzudichtenden Medium zu vermeiden. Solche Anwendungen finden sich im Kraftfahrzeug vor allem bei Schaltgetrieben, stufenlosen Wandlern nachgeschalteten Zahnradgetrieben, Ausgleichsgetrieben und Achsen.
Vorteilhafte Weiterbildungen, insbesondere vorteilhafte Dimensionierungsmaßnahmen, sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Teilquerschnitt durch einen Wellendichtring mit elastomerer Dichtlippe gemäß der Erfindung;
2 einen Ausschnitt in größerem Maßstab des Wellendichtringes nach 1;
3 eine Stirnansicht eines noch nicht eingebauten Wellendichtringes gemäß der Erfindung.
Ein in den Figuren gezeigter Wellendichtring für eine Welle deren Umfang mit 3 bezeichnet ist, weist eine Dichtmanschette mit Dichtlippe 1 aus einem Elastomer auf, die direkt an ein Versteifungsblech 2 anvulkanisiert ist. Die Dichtlippe ist aufgrund ihrer Dimensionierung biegeweich bzw. "biegeschlaff" und nicht wie sonst üblich durch eine gesonderte Feder, wie eine Wurmfeder an den Umfang 3 der Welle angedrückt.
In nicht montiertem Zustand ist die Dichtlippe 1 radial gestreckt (s. 3) mit einem Innendurchmesser, der kleiner als der Außendurchmesser der abzudichtenden Welle ist. In montiertem Zustand ist die Dichtlippe 1 in Richtung parallel zur Achse der Welle wie gezeigt umgebogen, derart, dass die Dichtlippe 1 tangential an die Welle anläuft und mit einem zylindrischen Teil einer axialen Länge L auf dem Umfang der Welle unter einer leichten, allein durch die Biegeelastizität der Dichtlippe 1 verursachten Anpressung flächig aufliegt. Die Dichtlippe ist so dimensioniert, dass die auf den Umfang 3 der Welle bezogene Anpressung in einen Bereich zwischen 0,1 und 0,8 N/cm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,4 N/cm zu liegen kommt.
Auf der der Umgebungsseite U zugewandten Seite der Dichtlippe 1 sind sinusartig gewellte Rückförderkanäle in Form von endlosen Nuten 55, 56, 57 eingeschnitten, wobei sich zumindest die erste Nut 55 innerhalb der Länge L des zylindrischen Teils der Dichtmanschette erstreckt, so dass aus dem abzudichtenden Raum M entwichenes Medium von der Nut 55 in diesen Raum M über den mediumseitgen, vorderen Rand 6 der Dichtlippe 1 zurückgefördert werden kann. Dieser Rand 6 ist bei dem gezeigten Beispiel parallel zur Nut 55 mit gleicher Amplitude und gleicher Periode gewellt. Die Länge L ist so gewählt, dass zumindest die beiden auf den me diumseitigen Rand 6 folgenden Nuten 55 und 56 vollständig von der Wellenoberfläche der Welle dicht abgedeckt sind, das heißt sowohl der Rand 6 als auch die umgebungsseitigen hinteren Ränder 7, 9 durchgehend in Dichtkontakt mit der Oberfläche der Welle 3 sind, so dass zumindest diese Nuten 55, 56 nicht mit der Umgebungsseite U kommunizieren und somit ein Lecken zur Umgebungsseite U unmöglich ist.
Die Nut 55 hat prinzipiell gleiche Krümmung wie der mediumseitige Rand 6 der Dichtlippe, welcher am Umfang 3 der Welle anliegt.
Aus der 2 sind vorteilhafte Dimensionsierungsmaßnahmen ersichtlich, welche die Abmessungen der Dichtlippe 1 betreffen und nachfolgend erläutert sind.
In den Figuren sind der abzudichtende oder mediumseitige Raum mit "M" und die Umgebungsseite mit "U" bezeichnet.
Bei dem in 2 dargestellten Ausschnitt der Dichtlippe, welche hier ebenso wie in 1 in um 90° umgebogenem, auf der (hier nicht gezeigten) Welle montiertem Zustand gezeichnet ist, sind drei Rückförderkanäle 55, 56, 57 ausschnittweise dargestellt. Es bedeuten:

L: – axiale Länge des Kontaktbereiches der Dichtlippe mit der Welle
t/b: – Tiefe/Breite der Nuten
l: – axialer Abstand zweier Nuten
H: – Gesamtdicke der Dichtlippe 1
h: – wirksame Dicke der Dichtlippe 1 im Bereich der Nuten
A: – Achsrichtung der Welle
T: – Tangente an Ränder 6 und 7
β: – Neigungswinkel der Tangente bezüglich A
X: – Amplitude der Wellung der Nuten.

Die in 2 dargestellten Nuten 55, 56 und 57 sind zur Umgebungsseite U hin jeweils durch hintere Ränder 7, 9 begrenzt. Der auf die erste Nut 55 folgende Rand 7 ragt weiter radial nach innen als der mediumseitige vordere Rand 6. Dies ist in 2 durch die Tangente T an Rand 6 und deren Neigungswinkel β zur Achsrichtung A des Umfangs 3 der Welle verdeutlicht, wobei diese gestrichelt gezeichnete Tangente T von der Spitze des Randes 6 aus geht. Man erkennt aus 2, um welche Beträge die unverformt dargestellten Ränder 7, 9 radial gestaucht werden (die jeweilige Stauchung ergibt sich aus dem in 2 nach rechts zunehmenden Abständen zwischen Tangente T und Umfang 3 der Welle), was zu der gewünschten höheren Anpressung dieser Ränder an den Umfang 3 der Welle führt. Der Winkel β beträgt in der Praxis bei Einsatz eines Elastomers mit einer Härte zwischen 70 bis 80 Shore-A zwischen 1° bis 5°, vorzugsweise zwischen 1° und 3°.
Aufgrund dieser Dimensionierung ist erreicht, dass der hintere Rand 7, 9 und 11 jeweils mit einer höheren Anpresskraft an den Umfang der Welle 3 gedrückt gehalten wird als der vordere Rand 6. Dies gewährleistet eine sichere Absperrung der Nut 55 zur Umgebungsseite U.
Da aufgrund der statischen Andrückung der Dichtlippe 1 an die Welle 3 im Bereich L die dort befindlichen Nuten 55 und 56 nicht mit der Umgebungsseite 4 kommunizieren, ist ein Auslaufen von Schmieröl bei stillstehender Welle 3 zur Umgebungsseite U zuverlässig verhindert und damit "statische" Dichtheit gewährleistet.
Untersuchungen der Erfinder haben ergeben, dass folgende Verhältnisse und Abmessungsbereiche zu beachten sind, um das gewünschte Biegeverhalten der Dichtlippe 1 zu erhalten:
L/l ≥ 2,0; bevorzugt: 2,3 < L/l ≤ 3,2;
0,25 mm < h ≤ 1 mm; bevorzugt: 0,5 mm < h ≤ 0,9 mm.
1° < β ≤ 5°; bevorzugt: 1° < β ≤ 3°
L/X < 1,0
Die endlosen Nuten 55, 56 und 57 dienen außer der Rückförderung von Medium (Öl) zur Mediumseite M einer Benetzung der Dichtlippe 1 in deren Kontaktbereich L mit der Welle und tragen dadurch sowohl zu einer guten Abdichtung als auch zu einer hohen Lebensdauer des Wellendichtringes bei.
Die Fertigung einer in Umfangsrichtung gewellten Dichtkante der Dichtlippe bedingt eine komplizierte Konstruktion des Formwerkzeuges. Wird indessen der oberhalb der Rückförderkanäle liegende Teil der Dichtlippe in axialer Richtung durch einen zylindrischen Ringvorsprung 10 (1 und 2) verlängert, kann dieser Ringvorsprung lotrecht zur Umfangsrichtung berandet werden. Die gesamte Formgebung der gewellten Rückförderkanäle kann dann in den Kern eines herkömmlichen dreiteiligen Formwerkzeuges eingearbeitet werden, was die Werkzeugkosten drastisch reduziert und ein bedeutend einfachere Handhabung des Formwerkzeuges in der Fertigung ermöglicht.
Der mediumseitige Rand 6 kann dabei wie die Rückförderkanäle 55 bis 57 gewellt, jedoch auch kreisrund ausgeführt sein.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

Wellendichtring für eine Welle mit folgenden Merkmalen: (a) der Wellendichtring hat eine Dichtlippe (1) aus einem Elastomer; (b) die Dichtlippe (1) ist biegeweich mit einer Biegeelastizität dimensioniert, welche zur abdichtenden Anpressung eines Dichtabschnittes der Dichtlippe (1) an den Umfang (3) der Welle unter Verzicht auf ein zusätzliches Anpressmittel ausreicht; (c) die Dichtlippe (1) ist wellenseitig mit mindestens einem ersten, den Umfang der Dichtlippe (1) endlos umgebenden, wellenförmigen geschlossenen Rückförderkanal (55, 56, 57) versehen, welcher austretendes Medium bei drehender Welle zum abzudichtenden Raum (M) hin zurückfördert und zur Umgebungsseite (U) abgesperrt ist; (d) der Dichtabschnitt der Dichtlippe (1) liegt über eine vorbestimmte axiale Länge (L) auf dem Umfang (3) der Welle auf, wobei diese Länge (L) mindestens so bemessen ist, dass die Dichtlippe (1) sowohl mit ihrem mediumseitigen, vorderen Rand (6) als auch mit dem umgebungsseitigen hinteren Rand (7) des Rückförderkanals (55) vollständig auf dem Umfang (3) der Welle aufliegt; (e) der umgebungsseitige hintere Rand (7) des ersten Rückförderkanals (55) ist mit mindestens gleicher Anpressung an den Umfang (3) der Welle angedrückt wie der mediumseitige vordere Rand (6) des erstem Rückförderkanals (55); (f) die Tangente (T) an den mediumseitigen vorderen Rand (6) und an den umgebungsseitigen hinteren Rand (7) des ersten Rückförderkanals (55) bei unverformt gedachtem Wellendichtring ist unter einem Neigungswinkel (β) im Bereich zwischen 1° und 5° zur Achsrichtung (A) der Welle geneigt.
Wellendichtring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mediumseitige Rand (6) der Dichtlippe (1) parallel zu der oder den Rückförderkanälen (55, 56, 57) gewellt ist.
Wellendichtring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mediumseitige Rand (6) der Dichtlippe radial außen einen axialen zylindrischen Ringvorsprung (10) aufweist.
Wellendichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umgebungsseite (U) hin mindestens ein weiterer Rückförderkanal (56, 57) axial auf den ersten Rückföderkanal (55) folgend vorgesehen ist.
Wellendichtring nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückförderkanäle (55, 56, 57) zueinander konform mit jeweils gleicher Amplitude und Periode gewellt sind.
Wellendichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Rückförderkanäle (55, 56, 57) sinusförmig verlaufen.
Wellendichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Rückförderkanäle (55, 56, 57) von miteinander verbundenen, einander abwechselnd gegenläufig gekrümmten Kreisbogenabschnitten gebildet sind.
Wellendichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Rückförderkanal als umlaufende, endlose Nut (55, 56, 57) mit einem Verhältnis der Tiefe (t) zur Breite (b) im Bereich von 0,3 bis 1,0 ausgebildet ist.
Wellendichtring nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Tiefe (t) zur Breite (b) im Bereich zwischen 0,3 und 0,7 liegt.
Wellendichtring nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Dicke (h) der Dichtlippe (1) im Gebiet der Nut (55, 56, 57), gemessen vom Nutgrund, im Bereich 0,25 bis 1 mm liegt.
Wellendichtring nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Dicke (h) im Bereich zwischen 0,5 und 0,9 mm liegt.
Wellendichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die abdichtende Anpressung der Dichtlippe bezogen auf den Umfang der Welle im Bereich zwischen 0,1 bis 0,8 N/cm, liegt.
Wellendichtring nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die abdichtende Anpressung im Bereich zwischen 0,2 bis 0,5 N/cm liegt.
Wellendichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand (l) zweier benachbarter Rückförderkanäle (55, 56, 57) kleiner als die Amplitude (X) der sinusartigen Wellung der Rückförderkanäle (55, 56, 57) ist.
Wellendichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (β) der Tangente (T) 1° bis 3° beträgt.