DE102008031287B4

DE102008031287B4 - Dichtvorrichtung für ein Maschinenelement, insbesondere für ein Wälz- oder Gleitlager

Info

Publication number: DE102008031287B4
Application number: DE102008031287.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schwarz Sergej
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2028-07-03
Also published as: DE102008031287A1

Abstract

Dichtvorrichtung für ein Maschinenelement mit einer zu dichtenden Öffnung (8), wobei die Dichtvorrichtung eine Schallsendevorrichtung aufweist, wobei die Schallsendevorrichtung eine stehende Schallwelle nahe der Öffnung (8) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallsendevorrichtung eine einzige Schallquelle umfasst, die zusammen mit einer Reflektorfläche (12, 13) die stehende Schallwelle erzeugt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Dichtvorrichtung nach Anspruch 1 für ein Maschinenelement, insbesondere für ein Wälz- oder Gleitlager.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Lagern, speziell von Wälz- oder Gleitlagern, beschrieben, wobei es sich versteht, dass sie sinngemäß auch auf andere Maschinenelemente, insbesondere auf andere Antriebselemente wie Kupplungen oder Wellen übertragbar ist.
Der Stand der Technik für Dichtvorrichtungen, insbesondere für Dichtvorrichtung für Lager wie Wälz- oder Gleitlager, kennt Dichtungen aus einem Material wie Kunststoff, wobei die Dichtung an das Korpus des Lagers nahe dessen Öffnung angeordnet wird und die Öffnung im wesentlichen verschließt, so dass ein Eindringen von Fremdkörpern in das Maschinenelement durch die Öffnung zumindest unterdrückt wird. Derartige Dichtungen sind aus zwei voneinander getrennten, beabstandeten Bauteilen ausgebildet, wobei die Bauteile bei einer schleifenden Dichtung einander berühren oder bei einer Spalt- oder Labyrinthdichtung einander nur nahekommen, ohne in Kontakt miteinander zu geraten. Problematisch erweist sich hierbei, dass manchen Fällen ein Schmiermedium durch die Dichtung treten muss, um das Lager zu schmieren; das Schmiermedium kann beispielsweise Wasser oder Luft sein, wenn das Wälz- oder Gleitlager mittels Wasser oder Luft geschmiert werden soll. Die Dichtung behindert den Eintritt des Schmiermediums durch die Öffnung, wobei das die Dichtung durchtretende Schmiermedium wiederum die Dichtung mechanisch stark belastet. Als Abhilfe können Filter vor der Öffnung vorgesehen sein, beispielsweise geeignete Vliese oder Netze, die zumindest grobe Partikel aus dem Wasser oder der Luft bzw. dem Schmiermedium mechanisch abhalten können.
GB 1 537 629 A beschreibt eine Dichtvorrichtung für einen drehbaren Verschluss eines Behältnisses eines Kernreaktors, wobei die Dichtvorrichtung eine Sammelnut für Partikel enthält. Der nicht näher beschriebenen Dichtvorrichtung ist eine Wartungseinheit mit einer Ultraschallsendevorrichtung zugeordnet, die auf die Sammelnut gerichtete Ultraschallsignale sendet, wobei die Ultraschallsignale zur Entfernung der in der Sammelnut gesammelten oder dort festgesetzten Partikel dienen. Die durch die Ultraschallsignale losgelösten Partikel der Sammelnut werden dann weggesaugt.
JP S62177399 A (Abstract) beschreibt eine Schmiervorrichtung für eine gelagerte Welle, wobei die Schmiervorrichtung einen Tank mit Schmieröl aufweist, in dem eine Ultraschallsendevorrichtung angeordnet ist. Die Ultraschallsendevorrichtung fördert Schmieröl aus dem Tank über eine Leitung auf die Welle.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine einfache, speziell materiallose, Dichtvorrichtung anzugeben, das auch in einer verunreinigten Umgebung Partikel von dem Lager bzw. Maschinenelement fernhält.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Dichtvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Die Schallsendevorrichtung, insbesondere die Ultraschallsendevorrichtung, erzeugt nahe der Öffnung des Maschinenelementes eine stehende Schallwelle, insbesondere eine stehende Ultraschallwelle. Eine derartige stehende (Ultra-)Schallwelle stelle eine Abfolge von Schwingungsbäuchen und Schwingungsknoten dar, bei denen Druckunterschiede zwischen den Schwingungsbäuchen und den Schwingungsknoten eine Förderwirkung auf Partikel entfalten, so dass die Partikel dort, wo keine oder nur vernachlässigbare Druckunterschiede auftreten, festgehalten und räumlich fixiert werden. Ein Eindringen der festgehaltenen Partikel in die Öffnung des Lagers bzw. allgemeiner in das Maschinenelement wird damit verhindert.
Die (Ultra-)Schallsendevorrichtung behindert den Fluss des Mediums in die Öffnung nur unwesentlich. Eine derartige (Ultra-)Schallsendevorrichtung kann nachträglich, bei bereits in Einbaustellung befindlichen Lager, eingebaut werden, und gewartet werden, ohne das Lager in der Funktion zu beeinträchtigen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Schallsendevorrichtung, insbesondere die Ultraschallsendevorrichtung, eine einzige Schallquelle, insbesondere eine einzige Ultraschallquelle, umfasst, die zusammen mit einer Reflektorfläche die stehende Schallwelle, insbesondere die stehende Ultraschallwelle, erzeugt. Ein derartiger Aufbau bietet die Möglichkeit, eine Mantel- oder Stirnfläche des Lagers bzw. des Maschinenteils als Teil der Dichtvorrichtung zu nutzen. Das von der (Ultra-)Schallquelle abgestrahlte Signal wird an der Reflektorfläche reflektiert und überlagert sich mit dem abgestrahlten Signal, so dass die Überlagerung eine stehende Welle bildet.
Alternativ hierzu kann in einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Ultraschallsendevorrichtung zwei oder mehr Ultraschallquellen umfasst, die in definierter Phasenlage zueinander die Ultraschallsignale abstrahlen, so dass die Überlagerung der abgestrahlten Ultraschallsignale ein räumlich stabiles Schallfeld ergibt. Diese Alternative ist insbesondere dann geeignet, wenn keine geeignete Reflektorfläche zur Verfügung steht (insbesondere, wenn keine Mantel- oder Stirnfläche des Lagers als Reflektorfläche geeignet ist) oder wenn keine geeignete Reflektorfläche zusätzlich eingebaut werden kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Reflektorfläche an dem Korpus des Maschinenelementes nahe dessen Oberfläche angeordnet ist. Die Reflektorfläche kann dabei eine der Außenflächen des Korpus des Maschinenelementes oder eine zusätzlich vorgesehene, im Hinblick auf die (Ultra-)Schallsendevorrichtung angeordnete Fläche sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Reflektorfläche der Schallsendevorrichtung, insbesondere der Ultraschallsendevorrichtung, im wesentlichen unmittelbar gegenüber steht. Auf diese Weise lässt sich auf platzsparende Weise ein räumlich begrenztes, definiertes Feld mit einer stehenden (Ultra-)Schallwelle erzeugen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Reflektorfläche der Schallsendevorrichtung, insbesondere der Ultraschallsendevorrichtung, zwei Teilflächen umfasst, die untereinander einen Winkel einschließen. Die beiden Teilflächen können relativ zueinander sowie relativ zu der (Ultra-)Schallsendevorrichtung so angeordnet werden, dass die stehende Welle unmittelbar vor der Öffnung des Maschinenelementes ausgebildet wird.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher beschrieben und erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dichtvorrichtung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein als Wälzlager 1 ausgebildetes Maschinenelement, wobei das Wälzlager 1 einen Außenring 2, einen Innenring 3 und Wälzkörper 4 umfasst. Das Wälzlager 1 nimmt mit dem Innenring 3 eine Welle 5 auf, die eine Achse 6 verkörpert und eine axiale Richtung definiert.
Das Wälzlager 1 befindet sich in einem Medium, speziell mit Partikeln verschmutzten Meerwasser. Das Wasser tritt an einer Öffnung 8 in den Zwischenraum 7 ein. Das Medium könnte auch Luft oder ein anderes Medium sein, in dem sich Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen, ausbreiten können. Das Wälzlager 1 ist um die Achse 6 drehsymmetrisch, so dass die Öffnung 8 eine ringförmige Spaltöffnung darstellt.
Dem Wälzlager 1 ist eine Dichtvorrichtung 9 zugeordnet, die insbesondere bewirkt, dass die Partikel aus dem Wasser entfernt werden, bevor das Wasser in das Wälzlager 1 eintritt und den Zwischenraum 7 zwischen dem Innenring 3 und dem Außenring 2 durchströmt.
Die Dichtvorrichtung 9 umfasst eine Schallsendevorrichtung 10, speziell eine Ultraschallsendevorrichtung, mit einer einzigen Ultraschallquelle 11, die als flächiger Ultraschallsendekopf ausgebildet ist und die Ultraschallwellen einer bestimmten Wellenlänge abstrahlt. Die Welle 5 ragt bis an den Ultraschallsendekopf heran, so dass die von dem Ultraschallsendekopf abgestrahlten Ultraschallwellen nicht oder nur in vernachlässigbaren Maße von dem Ende der Welle 5 reflektiert werden. Die Abstrahlfläche des Ultraschallsendekopfes steht im wesentlichen senkrecht zu der Achse 6 und ist parallel zu den Stirnflächen 12, 13 des Außenrings 2 bzw. des Innenrings 3 ausgerichtet.
Zwischen den Stirnflächen 12, 13 und dem Ultraschallsendekopf der Ultraschallquelle 11 bildet sich eine stehende Schallwelle aus, also eine Abfolge von Bereichen mit hohem und niedrigem Druck, wobei die Bereiche im wesentlichen drehsymmetrisch zu der Achse 6 und annähernd senkrecht zu der Achse 6 ausgerichtet sind, insbesondere in der Nähe der Welle 5. Hierzu wirken die Stirnflächen 12, 13 als Reflektorflächen für die Signale des Ultraschallsendekopfes der Ultraschallquelle 11. Die Reflektorflächen 12, 13 stehen der Ultraschallquelle 11 der Ultraschallsendevorrichtung im wesentlichen unmittelbar gegenüber. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bereichen niedrigen Drucks beträgt die Hälfte der Wellenlänge der Ultraschallstrahlung, die die Ultraschallquelle 11 abstrahlt. Zu beachten ist, dass in 1 der Abstand der Bereiche niedrigen Drucks vergrößert dargestellt ist und insbesondere in Bezug zu den übrigen Bestandteilen des Wälzlagers 1 bzw. der Dichtvorrichtung 9 nicht maßstäblich ist.
1 zeigt zwei benachbarte Bereiche 14, 15 mit geringem Druckunterschied, die durch einen Bereich 16 mit hohem Druckunterschied getrennt sind. Der hohe Druckunterschied in dem Bereich 16 drängt Partikel in die Bereiche 14, 15 mit niedrigen Druckunterschied, so dass die Partikel sich in den Bereichen 14, 15 ansammeln und dort, räumlich beabstandet von der Öffnung 8, gehalten werden, insbesondere also nicht in den Zwischenraum 7 gelangen können.
Sofern es erforderlich ist, die Dichtvorrichtung 9 zu reinigen, speziell also die in den Bereichen 14, 15 gesammelten Partikel zu entfernen, kann vorgesehen sein, die Frequenz des Ultraschallsendekopfes langsam zu erhöhen. Dabei verschieben sich die Bereiche 14, 15 hin zu dem Ultraschallsendekopf und weg von der Öffnung 8, so dass die Partikel von der Öffnung 8 weiter entfernt werden. Zusätzlich entstehen nahe der Öffnung 8 neue Bereiche mit einem geringen Druckunterschied, in der sich Partikel sammeln können, in denen allerdings noch keine oder nur wenige Partikel aufgenommen sind, wenn die Erhöhung der Frequenz des Ultraschallsendekopfes in einem kurzen Zeitraum erfolgt.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, bei dem die Schallsendevorrichtung als Ultraschallsendevorrichtung ausgebildet war und Ultraschallsignale, insbesondere Ultraschallimpulse einer festen Frequenz, abgestrahlt hat. Es versteht sich, dass auch andere Frequenzbereiche für die Schallsendevorrichtung vorgesehen sein können.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasste die Ultraschallsendevorrichtung eine einzige Ultraschallquelle 11; als zweite Ultraschallquelle mit deren Signalen die Impulse der Ultraschallquelle 11 interferieren und die stehende Welle mit den Bereichen 14, 15 und 16 ausbilden konnte, wirkten die Stirnflächen 12, 13, die als Reflektorflächen für die Ultraschallquelle 11 vorgesehen waren. Damit konnten die Ultraschallsignale der Ultraschallquelle 11 mit ihren eigenen, an den Reflektorflächen 12, 13 zu der Ultraschallquelle 11 hin reflektierten Signalen interferieren. Es versteht sich, dass in einer nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsform auch eine zweite Ultraschallquelle vorgesehen sein kann, deren Signale mit denen der Ultraschallquelle 11 interferieren, um die stehende Welle auszubilden. Eine derartige Anordnung erfordert keine Reflektorflächen, allerdings eine phasengerechte Abstrahlung der beiden Ultraschallquellen. Allerdings können Reflektorflächen zusätzlich vorgesehen sein, um die Anordnung der stehenden Welle in Bezug auf die Öffnung 8 zu bestimmen.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel waren die Stirnflächen 12, 13 als Reflektorflächen für die Ultraschallquelle 11 ausgebildet; speziell waren die Reflektorflächen 12, 13 an dem Korpus des Wälzlagers 1 nahe der Öffnung angeordnet. Es versteht sich, dass zusätzliche Reflektorflächen vorgesehen sein können, insbesondere für den Fall, dass Außenflächen des Korpus des Maschinenteils, speziell des Wälzlagers 1 nahe dessen Öffnung 8, als Reflektorflächen für Ultraschallsignale ungeeignet sind. In 1 ist eine im wesentlichen konische Reflektorfläche 17 dargestellt, die in der Querschnittsdarstellung zwei Teilflächen 18, 19 aufweist. Diese konische Reflektorfläche 17 kann zusätzlich oder anstelle der Stirnflächen 12, 13 vorgesehen sein und bewirkt, dass sich die stehende Welle insbesondere im Bereich der Achse 6 konzentriert, also nahe der Öffnung 8 einen Abstand zu der Öffnung 8 einhält. Diese konische Reflektorfläche 17 kann Teil der nicht weiter dargestellten Lageraufnahme sein, in der das Wälzlager 1 mit dem Außenring 2 angeordnet ist, oder zusätzlich zu der Lageraufnahme bzw. zusätzlich zu dem Wälzlager 1 ausgebildet werden. Die Stirnflächen 12, 13 des Wälzlagers 1 können mit einem Ultraschall-absorbierenden Medium, beispielsweise Moosgummi, bedeckt sein, so dass die stehende Welle nur durch die konische Reflektorfläche 17 ausgebildet wird. Die konische Reflektorfläche 17 kann auch für den Fall vorgesehen sein, dass die geometrische Abmessung bzw. Gestaltung der Stirnflächen 12, 13 des Wälzlagers 1 als Reflektorfläche für die Ultraschallquelle 11 ungünstig ist, beispielsweise wenn die Stirnflächen eine auf die Ultraschallquelle 11 hin gewölbte Gestalt aufweisen. Es versteht sich, dass die zusätzliche Reflektorfläche 17 nicht unbedingt konisch zulaufend ausgebildet sein muss, speziell kann die Reflektorfläche 17 auch mindestens abschnittsweise sphärisch oder elliptisch ausgestaltet sein, so dass ein Brennpunkt ausgebildet wird, an dem die Partikel fokussiert werden.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel war die Ultraschallquelle 11 außerhalb des Korpus des Wälzlagers 1 angeordnet. Es versteht sich, dass die Ultraschallquelle 11 auch in dem Zwischenraum 7 angeordnet sein kann und die Ultraschallsignale aus dem Wälzlager 1 hinaus abstrahlen kann, um außerhalb der Öffnung 8, aber an die Öffnung 8 nahe angrenzend, eine stehende Ultraschallwelle auszubilden und bereitzustellen. Im Fall einer in dem Zwischenraum 7 angeordneten einzigen Ultraschallquelle können die Innenseiten des Zwischenraums 7, speziell die inneren Mantelflächen 20, 21 des Innenrings 3 bzw. des Außenrings 2 des Wälzlagers 1 die Funktion der Reflektorfläche erfüllen, so dass – ähnlich wie im oben beschriebenen Fall mit den als Reflektorflächen wirkenden Stirnflächen 12, 13 des Innen- oder Außenrings 2, 3 – das Wälzlager 1 bzw. allgemeiner das Maschinenelement zumindest abschnittsweise Teil der Dichtvorrichtung ist. Bei einer in dem Zwischenraum 7 angeordneten Ultraschallquelle 11 kann zusätzlich außerhalb des Zwischenraums 7 eine von dem Wälzlager 1 baulich getrennte Reflektorfläche angeordnet sein, so dass sich zwischen dieser Reflektorfläche und der Ultraschallquelle 11 in dem Zwischenraum 7 die stehende Ultraschallwelle ausbildet. In diesem Fall umfasst die Dichtvorrichtung kein Bestandteil des Wälzlagers 1, also insbesondere keinen Abschnitt der beiden Lagerringe 2, 3 oder des Wälzkörpers 4.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war die Dichtvorrichtung 9 die einzige Dichtung für die Öffnung 8. Es versteht sich, dass zusätzlich zu der Dichtvorrichtung 9 auch eine weitere Dichtung, beispielsweise eine aus dem Stand der Technik bekannte Labyrinth- oder Spaltdichtung, vorgesehen sein kann. In diesem Fall wirkt die Dichtvorrichtung 9 zusammen mit der weiteren Dichtung, speziell als Partikelfilter für die weitere Dichtung. Die Dichtvorrichtung 9 kann ständig zusammen mit der weiteren Dichtung vorgesehen sein oder nur im Bedarfsfalle eingebaut bzw. zugeschaltet werden, beispielsweise im Fall des Austauschs der weiteren Dichtung oder bei deren Erstmontage bzw. falls für eine Zeit die weitere Dichtung einer verschmutzten, Partikel enthaltenden Strömung ausgesetzt wird.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Außenring
3: Innenring
4: Wälzkörper
5: Welle
6: Achse
7: Zwischenraum
8: Öffnung
9: Dichtvorrichtung
10: Ultraschallsendevorrichtung
11: Ultraschallquelle
12: Stirnfläche Außenring
13: Stirnfläche Innenring
14: Bereich
15: Bereich
16: Bereich
17: konische Reflektorfläche
18: Teilfläche
19: Teilfläche
20: innere Mantelfläche von Außenring 2
21: innere Mantelfläche von Innenring 3

Claims

Dichtvorrichtung für ein Maschinenelement mit einer zu dichtenden Öffnung (8), wobei die Dichtvorrichtung eine Schallsendevorrichtung aufweist, wobei die Schallsendevorrichtung eine stehende Schallwelle nahe der Öffnung (8) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallsendevorrichtung eine einzige Schallquelle umfasst, die zusammen mit einer Reflektorfläche (12, 13) die stehende Schallwelle erzeugt.
Dichtvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schallsendevorrichtung eine Ultraschallsendevorrichtung (10) ist, wobei die Schallquelle eine Ultraschallquelle (11) ist, und wobei die stehende Schallwelle eine stehende Ultraschallwelle ist.
Dichtvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorfläche (12, 13) an dem Korpus des Maschinenelementes (1) nahe dessen Oberfläche angeordnet ist.
Dichtvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorfläche (12, 13) der Schallsendevorrichtung im wesentlichen unmittelbar gegenüber steht.
Dichtvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorfläche (12, 13) der Schallsendevorrichtung eine auf die Öffnung (8) zulaufende konische Fläche (17) ist.
Maschinenelement mit einer Dichtvorrichtung (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verfahren zur Dichtung einer Öffnung (8) eines Maschinenelementes umfassend den Schritt: Bereitstellen einer stehenden Schallwelle nahe der Öffnung (8) des Maschinenelementes, dadurch gekennzeichnet, dass die stehende Schallwelle von einer einzige Schallquelle zusammen mit einer Reflektorfläche (12, 13) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Maschinenelement ein Wälzlager (1) oder ein Gleitlager ist.