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Gegenstand
der Erfindung ist eine Dichtung, bei der eine Entkopplung des radialen
Versatzausgleichs von der Dichtfunktion durch ein starres, radial steifes
Zwischenelement realisiert wird und dadurch insbesondere bei druckbeaufschlagten
Dichtungen eine geringen Verschleiß an der Dichtlippe bei gleichbleibender
oder sogar optimierter Dichtfunktion erlaubt. Die Kompensation temperaturbedingter
Aufweitung ist ebenfalls vorgesehen. Das vorgeschlagene Design hat
zudem Vorteile bei der Montage der Dichtung.
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Stand der Technik
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Der
konventionelle Radialwellendichtring besteht aus einem (z. B. metallischen)
Außenring,
an den sich ein Elastomer-Dichtelement anschließt. Das Elastomer-Dichtelement
hat im Querschnitt eine Kontur, die einem Biegebalken ähnlich ist
und Membran genannt wird. Während
die eine Seite der Membran fest mit dem Außenring verbunden ist, sitzt
an dem anderen Ende eine Dichtlippe, welche z. B. durch eine Spiralfeder
angedrückt
wird, um radialen Verschleiß,
Setzverhalten und Temperaturausdehnung an der Dichtlippe zu kompensieren.
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Bei
dem konventionellen Design befindet sich somit ein durchgehendes
elastisches Strukturelement zwischen dem Außenring und der Dichtung. Bei
einem Wellenversatz gibt diese elastische Struktur in der Richtung
des Versatzes nach. Dies hat unweigerlich Auswirkungen auf die Druckverteilung
an der Dichtlippe. In Richtung des Versatzes ist der Druck am höchsten,
in entgegengesetzter Richtung ist der Druck geringer. Wird die Dichtung
zudem mit einem Druck beaufschlagt, so wird das elastische Strukturelement
radial an die Welle gedrückt.
Je länger
das Element, desto größer die
umlaufende Fläche,
desto größer die
resultierende Kraft an der Dichtlippe. Eine hohe Kraft an der Dichtlippe
führt unweigerlich
zu einem höheren
Verschleiß.
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Ein
weiterer Nachteil konventioneller Radialwellendichtringe ist die
Montage. Durch die derzeitige Gestaltung befindet sich die Dichtung
vor der Montage in einer entspannten Position, wobei jedoch eine Überdeckung
zwischen Dichtlippe und Wellendurchmesser besteht. Dadurch ist es
schwierig, die Dichtung auf eine Welle zu ziehen. Teilweise gibt
es aus diesem Grund spezielle Werkzeuge, was jedoch den Montageaufwand
erhöht.
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dichtung zu schaffen,
welche den Versatzausgleich von der Dichtfunktion weitestgehend unabhängig macht
und bei der Druckbeaufschlagung einen geringen Verschleiß zu Folge
hat. Das Design sollte eine einfache Montage der Dichtung erlauben.
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Darstellung der Erfindung
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Hauptmerkmal
der Erfindung ist ein radial steifes Zwischenelement, welches das
o. g. elastische Strukturelement der Dichtung in zwei elastische Einzel-Strukturelemente
unterteilt. Die elastischen Einzel-Strukturelemente werden im folgenden
A-Feder (Federelement zwischen Außenring und dem SR-Element)
bzw. B-Feder (Federelement zwischen dem SR-Element und der Dichtlippe)
genannt. Durch das Zwischenelement wird der Wellenversatz durch die
Feder A (welches vorteilhafter Weise weicher ist als Feder B) ausgeglichen.
Das Zwischenlement kompensiert den Wellenversatz, d. h. es befindet
sich nahezu konzentrisch zu der sich drehenden Welle. Zusätzlich kompensiert
das Zwischenelement (je nach radialer Steifigkeit) den Innendruck,
der zwischen Außenring
und Zwischenring radial anliegt. Dadurch ist der Druckanstieg an
der Dichtlippe durch den Innendruck stark gemindert. Das radial
steife Zwischenelement steht stellvertretend für eine Zone, in der eine höhere Steifigkeit
realisiert wird, was z. B. auch durch Beschichtungen (z. B. Propfungen)
oder auch Zwischenlagen, Ringe etc. realisiert werden kann. Das
Prinzip ist auf jede Art von Dichtung übertragbar, bei der ein Wellenversatz
auszugleichen ist. Auf die gleiche Art können auch andere Wellenlagen (z.
B. Schiefstellung) ausgeglichen werden. Die Erfindung ist anhand
von konkreten Ausführungsbeispielen
detailliert erläutert.
Dabei werden die Bezeichnungen wie folgt definiert (X bezeichnet
die Nummer der Figur):
- X0
- Dichtung
- X1
- Außenring
- X2
- Fixierung Außenring
zu Innenring
- X3
- Elastomerfederelement
- X3A
- Elastomerfeder, auf
Seiten des Außenringes
- X3B
- Elastomerfeder, auf
Seiten der Dichtlippe
- X4
- Dichtlippe
- X5
- Spiralfeder (bei konv.
Radialwellendichtringen)
- X6
- Versteifungselement
oder Versteifung
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Es
folgt eine Liste der Ausführungsbeispiele.
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1a:
Radialwellendichtring (RWDR), Basis-Ausführung
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1b:
RWDR, schematische Darstellung
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1c:
RWDR mit Versteifung
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1d:
RWDR mit Versteifung, schematische Darstellung
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2:
RWDR mit zwei Versteifungen
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3:
RWDR mit beiderseitigen Versteifung
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4 RWDR
mit Kurzstufenprofil als Versteifung
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5 RWDR
mit Langstufenprofil als Versteifung
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6 RWDR
mit Wellenprofil als Versteifung
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7 RWDR
mit Zwischenring als Versteifung
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8 RWDR
mit O-Ring als Versteifung
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9 RWDR
mit Zusatzring als Versteifung
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10 RWDR
mit Beschichtung(en) als Versteifung
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11 RWDR
mit füllstoffabhängiger Versteifung
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12 RWDR
mit Ringeinlage als Versteifung
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13 RWDR
mit ...
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14 RWDR
mit Beschichtung als Versteifung
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15 RWDR
mit Rippe als Versteifung
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16 RWDR
mit Kurzstufenprofil als Versteifung
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17 RWDR
mit Breitstufenprofil als Versteifung
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18 RWDR
mit Rippe und axialer Rippe als Versteifung
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19 RWDR
mit Rippe und axialer Rippe als Versteifung
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19A RWDR mit Rippe und Einbauhilfe
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19B RWDR mit Rippe und Einbauhilfe (eingebauter
Zustand)
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1a zeigt
einen Radialwellendichtring 10 in bekannter Bauart mit
Außenring 11.
Die am Außenring
durch eine Fixierung 12 (Klebung, Spritzguss) fixierte
Membrane 13 ist hier im Schnitt zu sehen. Die Dichtlippe 14 liegt
im Einbauzustand auf der Welle 17 (im Querschnitt gezeigt)
auf. Die Welle wird im weiteren nicht mehr dargestellt.
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Bild 1b zeigt
eine einfache schematische Darstellung, wobei die (radial-)elastische
Funktion der Membrane durch eine Feder symbolisiert wird. Wird nun
wie in 1c eine umlaufende, radiale Versteifung 16 auf
der Membran angebracht, so führt
dies dazu, dass die Membran nun aus zwei elastischen Bereichen 13A und 13B besteht,
welche durch eine Versteifung 16 verbunden sind, siehe auch 1d.
Die Unterteilung in zwei elastische Bereiche hat einen großen Vorteil.
Zum einen kann ein Versatzausgleich mit der Feder 13A realisiert
werden und zum anderen erfolgt die Dichtungsfunktion durch die Feder 13B,
welche sich an der Versteifung 16 abstützt und an die Welle (im Bild
nach unten) gedrückt wird.
Zum anderen kann ein an der Dichtung anliegender Druck zu einem
großen
Teil kompensiert werden, da die Versteifung den Druckanteil pA trägt und nur
der Druck pB auf die Dichtlippe drückt. Damit sind Dichtungen
mit einer solchen Versteifung auch bei höheren Drücken einsetzbar als ohne Versteifung.
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Die
Versteifung 16 in 1c kann
so ausgeführt
werden, dass Sie bei Erhitzung wie eine Tellerfeder in einen anderen
Zustand 16' springt
(gestrichelt dargestellt). Dadurch lässt sich auch bei hohen Temperaturen
die Ausdehnung und damit der Radialkraftverlust kompensieren bzw.
die Radialkraft sogar erhöhen.
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2 zeigt
eine Abwandlung von 1c, wobei hier zwei Versteifungen
auf der Membran aufgebracht sind.
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3 zeigt
eine Versteifung, welche auf beiden Seiten der Membran eine Ausstülpung hat
und somit einen sehr hohe Steifigkeit realisiert. Die untere Ausstülpung, welche
auch auf der Welle aufliegen kann, kann auch Zusatzfunktionen übernehmen
(z. B. Staubschutz).
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In 4 ist
die Versteifung durch den senkrechten Teil 46 einer stufenförmigen Membran
realisiert. Die Bereiche 43A und 43B sind dabei
radial nachgiebig.
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In 5 ist
die stufenförmige
Membran noch durch einen S-Schlag erweitert, sodass die Steifigkeit in
radialer Richtung noch weiter zunimmt.
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6 zeigt
einen Radialwellendichtring bei dem die Versteifung durch ein wellenförmiges Profil 66 der
Membran erfolgt. Hierbei ist darauf zu achten, dass die radiale
Steifigkeit in der Mitte des Wellenprofils möglichst hoch ist.
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In 7 ist
ein starrer Zwischenring 73B als Versteifung eingebracht
worden. An diesen Zwischenring kann auf beiden Seiten die Membran
anvulkanisiert werden (der Zwischenring kann vor dem Einspritzen
des Elastomers in die Spritzgussform eingebracht werden.
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In 8 wird
ein O-Ring 86 mit einem hohen Elastizitätsmodul in eine vorgesehene
Nut eingebracht und fixiert, wo er eine Versteifung bewirkt.
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In 9 wird
ein Zwischenring mit hohem Elastizitätsmodul (Stahl, Aluminium,
Polymer etc.) einvulkanisiert oder auf andere Art fixiert (z. B.
Klemmung, Klebung).
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In 10 wird
die Versteifung durch Beschichtung 106', z. B. Pfropfung, Vlies- oder
Folieneinlage und eine versprödende
Laserbehandlung. Die Versteifung kann oberhalb (106') oder unterhalb (106'') oder auf beiden der Membran erfolgen.
Wird die Beschichtung auf der unteren Seite angebracht, so kann
dies bei Wärmeeinwirkung
bewirken, dass sich die Membran derart verformt, dass die Dichtlippe an
die Welle gedrückt
wird und damit die Temperaturausdehnung und die damit verbundene
Radialkraftabnahme teilweise oder ganz kompensiert werden kann.
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In 11 wird
die Versteifung durch entsprechende Füllstoffanreicherung (z. B.
mit dem Füllstoff Wollastonit,
der eine hohe Steifigkeit bei guter Dehnbarkeit besitzt, prinzipiell
sind aber alle Füllstoffe denkbar,
die eine höhere
Steifigkeit bewirken) in der Mitte der Membran realisiert, welche
eine versteifende Wirkung besitzt. Die Füllstoffanreicherung kann auch
an der oberen oder unteren Seite realisiert werden (s. 10).
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In 12 wird
die Versteifung in Form eines steifen Einlageringes realisiert.
Der Ring kann aus Metall oder einem steifen Polymer bestehen.
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In 13 wird
die Versteifung durch einen Drahtring 136 realisiert. Der
Drahtring kann geschlossen oder offen sein. Alternativ kann auch
eine (Feder-)Drahtspirale mit einer oder mehreren Windungen verwendet
werden.
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In 14 ist
eine Energie einsparende Dichtung, d. h. ein Radialwellendichtring
ohne Wurmfederm zu sehen, der sich durch geringe Reibung auszeichnet
und z. B. in in vielen Anwendungen zur Minimierung des CO2-Ausstoßes beiträgt. Auch
hier können
die in 6 angesprochenen Maßnahmen (Beschichtung, Pfropfung,
Laserbehandlung etc.) zum Tragen kommen, um eine Versteifung 146' bzw. 146'' zu realisieren.
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In 15 ist
eine Energie einsparende Dichtung gezeigt, welcher in der Mitte
der Membran eine Versteifung in Form einer Rippe aufweist. Die Rippe kann
auch auf einer Seite (hier rechts) mit einer steifen Beschichtung
versehen werden, um ein umklappen wie in 1c zu realisieren.
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In 16 ist
bei der Energie einsparenden Dichtung ein Stufenprofil zu sehen.
Der senkrechte Anteil bewirkt dabei eine lokale Versteifung 166.
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In 17 ist
die Energie einsparende Dichtung mit einem verdickten Stufenprofil
zu sehen. Die Versteifung 176 ist hier ebenfalls in dem
senkrechten Zwischenstück
begründet.
Beide Ausführungen 16 und 17 sind
leicht zu fertigen, da konventionelle Fertigung
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18 zeigt
eine Ausführung ähnlich 1c,
wo zusätzlich
zu einer Versteifung in Form einer Rippe axiale Rippen eingefügt werden,
die eine radiale Punktsteifigkeit realisieren. Zudem können die
axialen Rippen auch um einen Drehpunkt realisiert durch die Rippe 186 kippen.
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19 zeigt
die analoge Anordnung wie 18 für eine Energie
einsparende Dichtung.
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20a und 20b zeigen,
wie eine kippfähige
Versteifung 206 und ein zusätzlicher Ausleger 207 in
Kombination dazu führen
können,
einen Radialwellendichtring leichter zu montieren. Durch das Aufziehen
wird der Ausleger 207 nach außen gedrückt und gleichzeitig die Versteifung 206 leicht
gekippt. Da die Versteifung sich in einem instabilen Gleichgewicht
befand, kippt sie nun der Wellen entgegen und drückt die Dichtung an die Welle.
Dies kann in analoger Weise auch bei der Energie einsparenden Dichtung
realisiert werden.