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Die Erfindung betrifft ein Dichtelement zum Abdichten einer bestimmungsgemäß zum Drehen vorgesehenen Welle an einer Durchtrittsöffnung eines Gehäuseteils für die Welle.
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Insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen und Getrieben im Automobilbereich werden an dort eingesetzte Wellendichtungen besondere Anforderungen hinsichtlich Lebensdauer, Reibleistung und Montagesicherheit gestellt. Dabei sind Radialwellendichtringe mit Dichtlippen aus chemisch hoch beständigen Polytetrafluorethylen (PTFE) und einer spiralförmigen Förderstruktur, beispielsweise für ein synthetisches Öl der Verbrennungskraftmaschine, bekannt. Dabei werden zur Minderung der Reibleistung die durch die Welle aufgeweiteten Lippenquerschnitte bis in den Bereich der PTFE-Korngröße reduziert und die ohnehin guten Gleiteigenschaften des PTFE teilweise durch Füllstoffe, wie Graphit oder Molybdändisulfid begünstigt. Dabei bedarf die für die genannte Anwendung optimierte Dichtungsgestaltung bei der Montage einer besonderen Sorgfalt, um Beschädigungen des im Vergleich zu Fluorpolymerdichtungen relativ unelastischen Dichtlippenmaterials aus PTFE zu vermeiden. Weiterhin wird zum Nachweis der ordnungsgemäßen und beschädigungsfreien Positionierung der Dichtlippe die Wellendichtung nach ihrem Einbau immer häufiger einer automatisierten Druck- und/oder Vakuumprüfung am Montageband der Verbrennungskraftmaschine oder des Getriebes unterzogen. Aufgrund der geringen Elastizität der PTFE-Dichtlippe, ihrer niedrigen spezifischen Anlagekraft zur Welle, ihrer durch ihre Glasfaserfüllstoffe amorphen Struktur der Wellenkontaktfläche und ihrer zur Atmosphäre hin offenen spiralförmigen Ölrückförderstruktur kann ihr Kontaktbereich zur Welle nicht ohne weitere Zusatzstoffe ausreichend gasdicht verschlossen werden. Deswegen ist bei vorgenannten Druck- und/oder Vakuumprüfungen der Dichtspalt temporär zu verschließen, beispielsweise unter Verwendung von sich im Betrieb des Getriebes oder der Verbrennungskraftmaschine verflüchtigenden Wachsen oder Fetten. Dabei kann ein fehlerhaftes Auftragsverfahren für das Wachs oder eine montagebedingte Beschädigung der Wachsschicht bei den Prüfungen am Montageband bei besagter Druck- und/oder Vakuumprüfung zu einer Scheinundichtigkeit führen, was mit Nachteil zur Rückweisung der eigentlich einwandfreien Wellendichtung und damit des Getriebes oder der Verbrennungskraftmaschine führt.
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Die Druckschrift
DE 101 17 881 A1 offenbart eine Vorrichtung mit einem Radialwellendichtring, welcher zum Abdichten einer zum Drehen bestimmten Welle vorgesehen ist. Der Radialwellendichtring dichtet an einer Durchtrittsöffnung eines Gehäuses für die Welle ab. Hierbei ist ein Elastomerteil des Radialwellendichtrings mit einem Versteifungsteil verbunden. Ein erster Dichtbereich des Elastomerteils dichtet statisch ab an dem Gehäuse. Ein zweiter Dichtbereich des Elastomerteils umfasst einen Dichtabschnitt, der abdichtend an der Welle anliegt. Ferner weist der Dichtabschnitt eine gewindeartige Rückförderstruktur für ein Rückfördern eines Leckagefluids in einen abzudichtenden Raum auf.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Dichtelement zu schaffen, das bei einfacher und damit kostengünstiger Herstellbarkeit sowohl bei bestimmungsgemäßem Betrieb als auch zu Prüf- und Testzwecken gute Dichteigenschaften aufweist.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß Anspruch beinhaltet ein Dichtelement zum Abdichten einer bestimmungsgemäß zum Drehen vorgesehenen Welle an einer Durchtrittsöffnung eines Gehäuseteils für die Welle folgende Merkmale:
- – Ein Versteifungsteil und ein mit dem Versteifungsteil verbundenes Elastomerteil,
- – das Elastomerteil umfasst einen ersten Dichtbereich für ein statisch abdichtendes Anliegen am Gehäuseteil,
- – das Elastomerteil umfasst einen zweiten Dichtbereich mit einem zum abdichtenden Anliegen an der Welle ausgebildeten und vorgesehenen Dichtabschnitt, der für ein Rückfördern eines Leckagefluids in einen abzudichtenden Raum eine gewindeartige Rückförderstruktur umfasst und der bei bestimmungsgemäß an der Welle anliegendem Dichtabschnitt an seinem freien axialen Ende mit einer auf einem Kreiszylindermantel verlaufenden, in Umfangsrichtung in sich geschlossenen Linie ausgebildet ist, die wenigstens bei sich nicht drehender Welle zum abdichtenden Anliegen an der Welle vorgesehen ist, wobei der Gewindegang der Rückförderstruktur mit einer Breite zwischen 0,4 und 0,9 mm ausgebildet ist.
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Das erfindungsgemäße Dichtelement bietet dabei, unter Berücksichtigung der anwendungsspezifischen Anforderungen an Dichtheit, Lebensdauer, Reib- und Verlustleistung, den Vorteil des automatisierten Einbaus und Überprüfung durch eine nachgeschaltete Gasleckageprüfung. Dadurch, dass der dynamische Dichtbereich aus einem Elastomermaterial hergestellt ist, weist der Dichtabschnitt insbesondere gegenüber einer vergleichbaren Ausführung aus PTFE eine höhere Elastizität auf, woraus aufgrund des elastischen Anlagevermögens des Dichtabschnitts, insbesondere der auf dem Kreiszylindermantel radial umlaufenden, in sich geschlossenen Linie an einer Gegenlauffläche der Welle ein definierter statisch gasdichter Kontakt möglich ist, woraus wiederum mit Vorteil besagte Druck- und/oder Vakuumprüfung ohne ein Aufbringen von Zusatzmaterialien auf den Dichtabschnitt möglich ist. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Dichtelement zur Erzielung einer möglichst geringen Reibleistung gegenüber vergleichbaren bekannten Ausbildungen durch einen wandstärkenreduzierten Dichtabschnitt und damit einhergehend mit einer niedrigen spezifischen Radialkraft besonders angepasst ausgebildet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch eine obere Hälfte eines Dichtelements in einer ersten Ausführungsform,
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2 eine Ausschnittsvergrößerung des in der 1 mit X gekennzeichneten Bereichs,
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3 einen Längsschnitt durch eine obere Hälfte des Dichtelements der 1 an einer anderen Umfangsstelle,
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4 ein bezüglich der 2 alternativ gestaltetes freies axiales Ende des Dichtabschnitts, und
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5 einen Längsschnitt durch eine obere Hälfte eines Dichtelements in einer zweiten Ausführungsform.
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Die 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Längsschnitt durch eine obere Hälfte eines Dichtelements in einer ersten Ausführungsform. Dabei umfasst das ringförmige Dichtelement ein Versteifungsteil 2 sowie ein mit dem Versteifungsteil 2 verbundenes, einstückig ausgebildetes Elastomerteil 5. Das Versteifungsteil 2 ist dabei beispielsweise aus einem Blech ausgebildet. Das Elastomerteil 5 ist aus einem Elastomermaterial, insbesondere einem Fluorelastomer, das PTFE-Nanopartikel beinhalten kann, ausgebildet und durch ein Anvulkanisieren an das Versteifungsteil 2 mit diesem verbunden.
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Dabei umfasst das Elastomerteil 5 einen ersten Dichtbereich 10, dessen Außenmantel zum statisch dichten Anliegen an einem nicht dargestellten Gehäuseteil im Bereich einer Durchtrittsöffnung für eine abzudichtende, ebenfalls nicht dargestellte Welle ausgebildet ist. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Verbrennungsmotor, wobei auf der linken Seite der 1 ein Ölraum des Motors angeordnet ist und sich auf der rechten Seite der 1 beispielsweise eine der Umgebungsatmosphäre zugehörige Luftseite des Verbrennungsmotors befindet.
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Weiterhin umfasst das Elastomerteil 5 einen zweiten Dichtbereich 20, der bei bestimmungsgemäßem Einbau des Dichtelements einen im Wesentlichen hohlzylinderartigen, an der nicht dargestellten Welle anliegenden Dichtabschnitt 22 umfasst. Dieser mit einer gewindeartigen Rückförderstruktur ausgebildete Dichtabschnitt 22 geht dann zur rechten Seite hin glatt in einen sich trompetenartig aufweitenden Abschnitt 24 über. In der dargestellten Ausführungsform ragt somit der trompetenartige Abschnitt 24 mit sich in den Ölraum hinein verkleinernden Querschnitt in den Ölraum hinein. Schließlich ist das Elastomerteil 5 zur Luftseite hin eine sekundäre Dichtlippe 30 ausbildend gestaltet.
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In anderen Ausführungsformen kann das Dichtelement der 1 beispielsweise unter Weglassung der sekundären Dichtlippe 30, auch vertikal gespiegelt am Versteifungsteil 2 befestigt sein, so dass der trompetenartige Abschnitt 24 zur Luftseite hin den Ölraum erweiternd angeordnet ist, wobei dabei die Förderstruktur für eine Rückförderwirkung zum Ölraum hin gegebenenfalls entsprechend anzupassen ist.
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Wenigstens der Innenmantel des hohlzylinderartigen Dichtabschnitts 22 ist dabei mit der gewindeartigen Rückförderstruktur ausgebildet, die bei einem Drehen der Welle mit bestimmungsgemäßer Drehrichtung eine Rückförderwirkung auf zwischen der Welle und dem Dichtabschnitt 22 vordringendes Öl ausübt.
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Am linken, also am freien axialen Ende des Dichtabschnitts 22 endet der Gewindegang der Rückförderstruktur an einem kreisringartigen, radial umlaufenden, in sich geschlossenen, einen kreiszylindermantelartigen Innenmantel aufweisenden Bereich 26 des Dichtabschnitts 22, der wenigstens bei sich nicht drehender Welle zum abdichtenden Anliegen an der Welle vorgesehen ist. Dieser ringartige Bereich 26 des Dichtabschnitts 22 bildet dabei im Zusammenhang mit den Materialeigenschaften des Elastomermaterials die Voraussetzung, dass das Dichtelement auch bei sich nicht drehender Welle gasabdichtend an der Welle anliegt, so dass zur Kontrolle des korrekten Einbaus des Dichtelements und der Dichtwirkung der Verbrennungsmotor im Rahmen seines Montageprozesses, ohne dass zwischen dem Dichtabschnitt 22 und der Welle weitere Materialien aufgetragen werden müssen, einer Druck- und/oder Vakuumprüfung unterzogen werden kann.
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Dabei ist der Übergang des Gewindegangs der Rückförderstruktur in den ringartigen Bereich 26 derart gestaltet, dass der Gewindegang mit sich verringernder Tiefe aber mit in sich gleichproportioniert bleibendem Profil in den ringartigen Bereich 26 übergeht. Dabei wurde erkannt, dass ein derart gestalteter Übergang bei vergleichsweise einfacher Herstellbarkeit ein Rückförderverhalten dahingehend positiv beeinflusst, dass bei sich drehender Welle und rückzuförderndem Öl ein Aufschwimmen des ringartigen Bereichs 26 begünstigt ist und somit nach dem Aufschwimmen überhaupt erst eine Rückförderung stattfinden kann.
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Die 2 zeigt dazu eine Ausschnittsvergrößerung des Dichtabschnitts, wobei der Bereich der Ausschnittsvergrößerung in der 1 mit X gekennzeichnet ist. Dabei erkennt man, dass die Rückförderstruktur sägegewindeartig ausgebildet ist, wobei das dreieckartige Profil des Gewindegangs derart ausgebildet ist, dass der Schenkel des Dreiecks, der auf der Seite des freien axialen Endes des Dichtabschnitts 22 liegt, gegenüber der Wellenhauptachse mit einem kleineren Neigungswinkel α ausgebildet ist als der andere Schenkel. Besagter Neigungswinkel α ist dabei beispielsweise im Bereich um 15° herum ausgebildet. Weiterhin ist die radiale Dicke D des ringartigen Bereichs mit etwa 0,6 mm ausgebildet. In anderen Ausführungsformen kann aber besagte Dicke zur Anpassung einer spezifischen Anpresskraft durchmesserabhängig angepasst werden. Die Breite B des Gewindegangs beträgt dabei außerhalb des Übergangsbereichs zum freien Ende ebenfalls ca. 0,6 mm. Die Tiefe T des Gewindegangs ist dabei mit etwa 0,15 mm ausgebildet. Die Steigung S des eingängigen Gewindegangs beträgt etwa 0,75 mm. Weiterhin ist der Grund des Gewindegangs mit einer Verrundung mit einem Radius R2 von kleiner 0,1 mm ausgebildet. Am Übergang des Gewindegangs hin zu dem ringartigen Bereich 26 ist weiterhin eine Kantenverrundung mit einem Radius R1 von etwa 0,1 mm vorgesehen. Vorgenannte Maßangaben beziehen sich dabei auf einen Wellendurchmesser von ca. 50 mm. Insbesondere durch das gewählte Verhältnis von der Tiefe T zur Breite B werden dabei in Verbindung mit dem dreieckartigen Profil des Gewindegangs besonders gute Rückfördereigenschaften erzielt.
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In einer alternativen, in der 4 ausschnittsweise dargestellten Ausführungsform kann der Übergang des Gewindegangs in einen ringartigen Bereich 26' auch derart ausgebildet sein, dass der Gewindegang der Rückförderstruktur mit unveränderter Tiefe und abnehmender Breite in den ringartigen Bereich übergeht. Dies bedeutet, dass bei einem dreieckartigen Gewindegangprofil der Gewindegang im Übergangsbereich rechteckartig, insbesondere entsprechend einer Trapezhälfte geformt ist und hinsichtlich seiner Breite abnimmt. Gegenüber den 1 und 2 ist dabei der ringartige Bereich 26' gemäß der 4 im Sinne eines Verbiegens bzw. Öffnens hin zur linken Seite mehr membranartig gestaltet. Weiterhin ist bei dieser Ausführungsform von besonderem Vorteil, dass einem Zusetzen der Rückförderstruktur in besagtem Übergangsbereich aufgrund der Formgebung des Gewindegangs im Übergangsbereich entgegengewirkt ist.
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Die 3 zeigt schließlich einen Längsschnitt durch das Dichtelement der 1 an einer anderen Umfangsstelle, wobei man erkennt, dass das Elastomerteil 5 an seiner linken Stirnseite hin zum Versteifungsteil 2 punktuelle Unterbrechungen aufweist. Besagte punktuelle Unterbrechungen resultieren dabei aus einer spritzgusstechnischen Herstellung des Elastomerteils 5, bei dem das Elastomermaterial an das Versteifungselement 2 angespritzt wird, wobei die punktuellen Unterbrechungen durch eine entsprechende Haltevorrichtung des Versteifungsteils 2 während des Spritzgießens bedingt sind.
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Die 5 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Längsschnitt durch eine obere Hälfte eines Dichtelements in einer zweiten Ausführungsform. Dabei unterscheidet sich das Dichtelement der 5 von dem der 1 bis 4 im Wesentlichen dadurch, dass das Elastomerteil zwar aus einem einheitlichen Elastomermaterial, aber zweistückig derart ausgebildet ist, dass der erste Dichtbereich 10'' und der zweite Dichtbereich 20'' voneinander materialtechnisch getrennt ausgebildet sind. Ansonsten gilt das vorausgehend zu den 1 bis 4 Beschriebene für die Ausführungsform der 5 entsprechend. Vergleichbare Bauelemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichennummer, ergänzt um zwei Hochstriche bezeichnet.
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In anderen Ausführungsformen sind natürlich auch Kombinationen der vorausgehend beschriebenen Ausführungsformen möglich.
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In anderen Ausführungsformen kann die Rückförderstruktur sich natürlich auch auf den trompetenartigen Abschnitt forterstreckend ausgebildet sein und/oder auch als eine mehrgängige schraubengangartige Nut ausgebildet sein, wobei bei Mehrgängigkeit auch, insbesondere sichelartige Nuten wie in der
deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2006 025 799.5 beschrieben eingesetzt werden können. Dabei kann die Rückförderstruktur wenigstens drei in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Nuten umfasst, wobei eine der Nuten sich in einem Segment des Dichtabschnitts erstreckend ausgebildet sein kann, das kleiner gleich einem Umfangswinkel von 120° aufweist. Weiterhin kann wenigstens eine der Nuten bogenartig verlaufend, sich mit wenigstens einer weiteren, ebenfalls bogenartig ausgebildeten Nut sich kreuzend, und/oder wenigstens eine der Nuten zu der axialen Seite hin, zu der hin rückzufördern ist, mit einer sich vergrößernder Breite ausgebildet sein. Ferner kann wenigstens eine der Nuten rampenartig in den Bereich mit besagte Linie übergehend und/oder die Nuten können mit einer derartigen radialen Breite ausgebildet sein, dass dazwischen lediglich Stege verbleiben, deren Anlagefläche an der Welle im Bereich des Dichtabschnitts auf einem Kreiszylinder verlaufen.
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In anderen Ausführungen kann der Gewindegang alternativ oder ergänzend an wenigstens einer Stelle abseits des freien axialen Endes durch einen Steg unterbrochen sein, so dass die Gewindespitzen in einem 360°-Bereich um die Stegstelle herum, zusammen mit dem Steg eine auf einem Kreiszylindermantel verlaufende, in Umfangsrichtung in sich geschlossene Linie bilden, die wenigstens bei sich nicht drehender Welle an der Welle anliegt.
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In einer Ausführungsform kann das Gehäuseteil beispielsweise als ein Deckelelement ausgebildet sein, in dem das Dichtelement entsprechend angeordnet ist, wobei das Deckelelement am übrigen Gehäuse des Verbrennungsmotors angeschraubt und/oder mittels einer Dichtmasse angeklebt wird, wozu das Dichtelement mit wenigstens einer entsprechend ausgebildeten Nut für die Dichtmasse gestaltet sein kann.
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In einer anderen Ausführungsform kann ein Dichtelement natürlich auch so ausgebildet sein, dass das Elastomerteil den Außenmantel des Versteifungsteils nicht vollständig umschließt, so dass bei einem entsprechend geformten Versteifungsteil sowohl Teile des Versteifungsteils als auch Teile des Elastomerteils bestimmungsgemäß zur Anlage am Gehäuseteil kommen.
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In anderen Ausführungsformen kann die sekundäre Dichtlippe auch aus einem Vlieswerkstoff ausgebildet sein, womit dann auch beim Anliegen der sekundären Dichtlippe an der Welle eine gewisse Atmungsaktivität bzw. ein Filtereffekt bewirkt werden können.
