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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Radialwellendichtringe, und insbesondere Radialwellendichtsysteme
mit integrierter Lauffläche.
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Stand der Technik
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Zur
Abdichtung von Wellen, wie etwa Kurbelwellen in Fahrzeugen, werden
Radialwellendichtringe verwendet. Diese bieten über eine
an die Welle anliegende Dichtlippe mit radial wirkender Dichtkraft eine
Abdichtung gegen Flüssigkeiten (wie etwa Öl) und
eindringenden Schmutz. Allerdings tragen bis an die Dichtlippe vordringende
Schmutzpartikel mit der Zeit dazu bei, dass die Dichtung verschleißt
und somit die erwünschte Dichtwirkung nicht mehr gegeben ist.
Schließlich führt der Schmutzeintrag oft zu einem Totalausfall
der Dichtung. Solche Partikel können auch in abzudichtenden
Flüssigkeiten enthalten sein, etwa in verschmutztem Öl.
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Um
den Dichtungsbereich vor Schmutz zu schützen, werden im
Stand der Technik oftmals zusätzliche Staublippen oder
Schmutzlippen auf der Luftseite der Dichtung verwendet, die ebenfalls
an der Welle anliegen. Diese sind aber natürlich durch den
Kontakt mit der Welle ebenso einem ständigen Verschleiß durch
dazwischen geratende, abrasive Schmutzpartikel ausgesetzt. Andererseits
bietet eine nicht anliegende Staublippe nur einen begrenzten Schutz.
Eine deutliche Verbesserung für die Dichtwirkung und Haltbarkeit
solcher Radialwellendichtungen wurde schließlich mit einem
System erreicht, bei dem durch ein integriertes Laufflächenelement
mit einseitig hochgezogenem Rand Schmutz von den Dichtlippen und
Staublippen ferngehalten wird. Das Laufflächenelement der
Dichtung wird direkt auf die Welle aufgepresst, so dass die Dichtung
nicht mehr auf der Welle selbst läuft, sondern auf der
integrierten Lauffläche dieses Elements. Dieses Dichtungssystem
ist auch unter dem Begriff „Flat Install”-Dichtung
bekannt.
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Ein
Nachteil solcher und anderer Wellendichtringe mit integrierter Lauffläche
ist, dass eine Bearbeitung der Lauffläche oder eine Veränderung
des Materials dieses Laufflächenelements nur mit einigem
Aufwand möglich ist. Das Laufflächenelement muss
einerseits über die Beschaffenheit der Oberfläche
eine gute Abdichtung ermöglichen, andererseits muss es
die gesamte Dichtkraft aufnehmen und fest auf der Welle aufsitzen.
Durch die komplexe Form mit hochgezogenem Rand und die notwendigen
Materialbedingungen muss dieses Laufflächenelement in einem
aufwändigen und kostenintensiven mechanischen Bearbeitungsprozess
hergestellt werden, um die notwendige Oberflächenqualität
der Lauffläche zu erreichen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Wellendichtring bereitzustellen,
der eine integrierte Lauffläche und gleichzeitig eine vereinfachte
Bearbeitung dieser Lauffläche erlaubt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben, wobei
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1 zwei Wellendichtringe nach dem Stand
der Technik im Schnitt zeigt;
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2 eine
erfindungsgemäße Dichtungsanordnung im Schnitt
zeigt; und
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3 eine
alternative erfindungsgemäße Anordnung mit einem
Hülsenanschlag zeigt.
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Beschreibung beispielhafter
Ausführungsformen
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In 1a ist
ein Radialwellendichtring nach dem Stand der Technik gezeigt. Wie
bereits in der Einleitung beschrieben, wird die Dichtwirkung einer solchen
Dichtung über die Anpressung einer elastomeren Dichtlippe 2,
z. B. aus PTFE, in radialer Richtung an die Welle 10 erreicht.
Die Dichtlippe 2 ist auf einem Träger 4 angebracht,
der fest mit einem Gehäuse verbunden sein kann oder z.
B. dort eingepresst werden kann. Um eine gute Abdichtung zu erreichen
und den Abrieb und somit Verschleiß der Dichtlippe möglichst
gering zu halten, sind hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität
der Welle 10 im Kontaktbereich 12 der Dichtlippe 2 gestellt.
Unter anderem darf die Oberflächenrauheit üblicherweise bestimmte
Grenzwerte nicht überschreiten, und eine Schleifstruktur,
die zusammen mit der Drehbewegung der Welle Fluid in den Dichtraum
fördern könnte, muss vermieden werden. Daher muss
die Welle in diesem Bereich 12 entsprechend durch Schleifverfahren
bearbeitet werden. Allerdings sorgen Schmutzpartikel, die im Betrieb
von der Luftseite oder auch der Fluidseite der Wellendichtung bis
zur Dichtlippe vordringen, für einen ständigen
Verschleiß der Dichtung durch Abrieb. Sowohl die Dichtlippe 2 als auch
die bearbeitete Lauffläche der Welle 10 kann durch
abrasive Partikel beschädigt werden und die Dichtwirkung
verschlechtern oder sogar aufheben. Eine ebenfalls an der Welle
anliegende Staublippe 6 kann das Eindringen von Schmutz
und Staub bis zu einem gewissen Grad verringern, ist aber demselben Verschleiß ausgesetzt
und kann besonders unter harten Betriebsbedingungen eine Leckage
nicht vollständig verhindern.
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1b zeigt
ein weiteres Wellendichtring-System. Um eindringende Schmutzpartikel
von der Dichtlippe
2 fernzuhalten, wird in diesem System neben
dem eigentlichen Dichtelement ein zusätzliches Laufflächenelement
20 verwendet,
das direkt auf der Welle
10 aufgebracht und fixiert wird.
Das Laufflächenelement
20 läuft mit der
Welle
10 mit und umfasst mindestens einen hülsenförmigen
Bereich. Die Dichtlippe
2 des Dichtelements, die wieder
auf einem Trägerelement
4 aufgebracht bzw. angespritzt ist,
steht somit in Kontakt mit einem Bereich des Laufflächenelements
20,
so dass anstelle der Oberfläche der Welle
10 nun
die Oberfläche des Laufflächenelements
20 im
Dichtungsbereich entsprechend bearbeitet werden muss. An mindestens
einer Seite ist der Rand des Laufflächenelements
20 in
diesem Beispiel radial nach oben gezogen, also näherungsweise
senkrecht zur Wellenoberfläche. Im Bereich dieses hochgezogenen
Rands sind vom Trägerelement
4 wegführend
vor der Dichtlippe zwei nicht an der Lauffläche anliegende
Staublippen in näherungsweise axialer
22 bzw.
radialer
24 Richtung vorgesehen, so dass eine Art labyrinthische
Kammer entsteht, welche ein Vordringen von Schmutzpartikeln bis
zur Dichtlippe
2 effektiv verhindert. Der Effekt wird zusätzlich
durch die Fliehkraft im Betrieb verstärkt, da Partikel,
die nur in den ersten Teilbereich der Dichtung eindringen, durch
die Drehbewegung der Welle
10 und damit des Laufflächenelements
20 wieder
herausgeschleudert werden können und nicht weiter zur Dichtlippe
gelangen. Wenn der hochgezogene Laufflächenrand so gestaltet
wird, dass er mit dem Rand des Dichtelements abschließt,
kann die vollständige Dichtung (also Dichtelement und Laufflächenelement)
auf einfache Weise mittels eines planen Werkzeugs in das Wellengehäuse
eingepresst werden. Dieses Dichtungssystem ist unter dem Namen „Flat
Install” bekannt; weitere Details sind beispielsweise der
WO 03/083330 zu entnehmen.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung wird nun auf ein Laufelement 20 einer
beliebigen integrierten Wellendichtung, das im Einsatz direkt auf
die Welle 10 aufgesetzt wird, ein zusätzliches Bauteil
in Form einer Hülse 30 aufgebracht. Eine beispielhafte
Ausführungsform, basierend auf dem System aus 1b,
ist in 2 gezeigt. Diese Laufhülse 30 kann
nach Bedarf bearbeitet werden und aus geeigneten Materialien hergestellt
werden. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, wird die Laufhülse
mindestens in dem Kontaktbereich der Dichtung angeordnet, so dass
die Außenfläche der Laufhülse nun die Lauffläche
der Dichtung bildet. Somit ist keine Bearbeitung der Oberfläche
des komplex gestalteten Laufelements mehr nötig, sondern
die gesamte Oberflächenbearbeitung sowie die Materialauswahl für
die Lauffläche kann auf die deutlich einfacher herzustellende
Hülse verlagert werden. Die übrigen Bestandteile
des Dichtungssystems können beliebig aufgebaut sein, in
dem Beispiel aus 2 sind wieder das Trägerelement 4 mit
den angespritzten Staublippen 22 und 24 vorhanden.
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Die
Hülse 30 kann auch mit sehr geringer Materialdicke
gefertigt werden, da die gesamte Krafteinwirkung der Dichtung auf
das direkt darunter liegende Laufelement 20 übertragen
wird. Aus demselben Grund können auch Materialien verwendet
werden, die für das Laufelement selbst nicht in Frage kommen
würden. Mögliche Materialien sind unter anderem
Stahl, wie etwa korrosionsfreier Stahl, aber auch Aluminium, hochfeste
Kunststoffe, Keramiken und jedes andere als Lauffläche
geeignete Material. Damit kann auch die Dichtwirkung im Vergleich
zu bisherigen Dichtungen noch wesentlich verbessert werden, da nun
beim Auswahl des Materials für die Laufhülse 30 und
der anliegenden Dichtlippe 2 nur auf optimale Dichteigenschaften
der jeweiligen Materialpaarung geachtet werden muss, während
die übrigen Eigenschaften und Materialkosten für
solche dünnen Hülsen nur eine vergleichsweise
geringe Rolle spielen. Es sollte beachtet werden, dass die in 2 und 3 gezeigten
Größenverhältnisse nicht den tatsächlichen
Materialdicken entsprechen sollen, sondern nur zur Skizzierung des
Dichtungsaufbaus gewählt wurden.
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Die
Herstellung solcher Hülsen kann sehr einfach durch Bearbeitung
entsprechender Rohre erreicht werden. Die Oberfläche beliebig
langer Rohrstücke kann wie gewünscht bearbeitet
werden, und anschließend oder sogar im gleichen Bearbeitungsschritt
können die Rohrstücke durch herkömmliche Trennverfahren
auf die benötigte Hülsenlänge geschnitten
werden. Somit ist eine gleichzeitige Bearbeitung einer Vielzahl
von Hülsen möglich, was sowohl Fertigungszeiten
als auch Kosten im Vergleich zur Herstellung einzelner, oberflächenbehandelter Laufflächenelemente
deutlich reduziert. Da die Länge einer Hülse leicht
zu verändern ist, können so auch in wenigen Schritten
Hülsen für unterschiedliche Dichtungsmodelle hergestellt
werden. Somit könnten bestimmte Laufflächen auf
diese Weise als Hülsen standardisiert werden und in Dichtungen
verschiedener Bauart eingesetzt werden.
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Als
Bearbeitung der Oberfläche kommen beispielsweise Schleifprozesse
in Frage, wobei für die Bearbeitung von Rohren bekannte
Standardschleifverfahren angewendet werden können. Ebenso
können Drehverfahren oder andere spanende Bearbeitungsverfahren
zur Herstellung der gewünschten Oberfläche eingesetzt
werden. Üblicherweise wird als Lauffläche eine
Oberfläche hoher Güte mit einer maximalen Rauheit
und drallfreiem Schliff gewünscht, doch es ist ebenso möglich,
bestimmte Schliffbilder zu erzeugen, so dass eine Mikrostruktur mit
bestimmten Funktionen entsteht. Eine solche Struktur kann wiederum,
insbesondere im Zusammenspiel mit der Dichtlippe und anderen Bestandteilen
der Dichtung, die Dichtwirkung verbessern.
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Die
Oberfläche kann außerdem optional z. B. durch
Harten des Rohres oder einzelner Hülsen, durch Aufbringen
von Hartbeschichtungen (wie etwa Titanoxidschichten) oder anderen
Schutzschichten vor Abnutzung geschützt werden. Wieder
ergibt sich ein Vorteil daraus, dass nicht das gesamte, auf der Hülse
aufgebrachte Laufelement mit solchen Verfahren behandelt werden
muss, sondern nur die Laufhülse selbst, die sich auf den
geringen Bereich der Dichtlippe beschränken kann und damit
wesentlich schmaler als das ganze Laufelement sein kann. Andererseits
ist, je nach Einsatzbereich, nicht zwingend eine Beschichtung oder
andere Behandlung der Laufhülse notwendig. Zum Beispiel
treten beim Einsatz von Edelstahl keine Probleme mit Korrosion auf.
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Die
fertige Hülse wird dann schließlich auf das Laufelement
der Dichtung aufgebracht. Die Fixierung der Hülse auf diesem
Element kann beispielsweise durch Aufpressen, Aufschrumpfen (z.
B. im Fall von Kunststoffhülsen) oder Aufkleben erreicht werden.
Die Wahl des Fixierungsverfahren und der verwendeten Hilfsmittel
(Klebemittel, Hitzeeinwirkung etc.) hängt wesentlich von
den verwendeten Materialien für Laufelement und Hülse
sowie vom gewünschten Einsatzbereich der Dichtung ab.
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Bei
der Herstellung einer Dichtung mit integriertem Laufelement kann
das Laufelement 20 mit einer geringen Vertiefung 26 von
der Länge der Hülse oder mit mindestens einem
Anschlag 26 versehen werden, so dass die Laufhülse
beim darauffolgenden Aufschieben automatisch in der richtigen Position
angeordnet wird. Dies ist in 3 skizziert.
Die Vertiefung im Laufelement kann zum Beispiel so bemessen sein,
dass nach Aufbringen der Laufhülse eine stufenlose Fläche
entsteht, so dass also die Dicke des Laufelements im Bereich der
Hülse gerade um die Dicke der Laufhülse selbst
verringert ist. Die Länge der Vertiefung soll mindestens
der Länge der Laufhülse entsprechen, kann sich
aber auch einseitig bis zum Ende des Laufelements (wie in 3)
oder über fast die gesamte Länge des Laufelements
erstrecken. Insbesondere für den Fall von aufgeschrumpften Laufhülsen
kann das Laufelement auch beidseitig leichte Anschläge
aufweisen, oder sowohl Länge als auch Tiefe der Vertiefung
können im wesentlichen der Abmessung der Laufhülse
entsprechen, so dass eine feste Einbauposition für die
Hülse gebildet wird.
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Ebenso
kann auf dem Laufelement eine Struktur vorgesehen sein, die den
Halt der Hülse auf dem Laufelement verbessert. Wahlweise
kann auch die Innenseite der Laufhülse mit einer entsprechenden
Struktur versehen werden, so dass die beiden Strukturen zumindest
teilweise ineinandergreifen und einen festen Sitz der Hülse
sicher stellen. Alternativ kann die Laufhülse auf der Innenseite
mit einer Beschichtung (z. B. elastomere Schicht) versehen werden,
die den Halt auf dem Laufelement verbessert, oder bereits in einem
der vorherigen Schritte (z. B. noch als ganzes Rohr) innen mit einem
Klebemittel beschichtet werden, um das anschließende Aufkleben
der Hülse zu vereinfachen.
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Da
die Hülse direkt auf das Laufelement aufgebracht wird,
kann die fertige Dichtung im Fall der oben beispielhaft beschriebenen
Flat-Install-Systeme weiterhin problemlos in einem Teil mittels
eines planen Werkzeugs gegen das Kurbelgehäuse eingepresst
werden. Auf diese Weise ist auch die einfache Handhabung durch den
Benutzer weiter gewährleistet. Insgesamt verändert
die erfindungsgemäße Laufhülse den generellen
Aufbau von Wellendichtungen mit integrierter Lauffläche
nicht, so dass alle Vorteile der Laufflächenintegration
vollständig bestehen bleiben. Damit ist ein Einsatz solcher
Laufhülsen auch bei jedem beliebigen Wellendichtungssystem
möglich und nicht auf die als Beispiel beschriebenen Flat-Install-Dichtungen
beschränkt. Die zusätzliche Hülse auf
dem Laufelement ist bei anderen Dichtungen mit PTFE-Dichtlippen,
aber ebenso auch mit anderen Dichtanordnungen einsetzbar. Bei Abnutzung der
Lauffläche ist es auch möglich, die teuren Trägerelemente
der Dichtung, also das Laufelemente und das eigentliche Dichtelement,
zu erhalten und nur die Hülse selbst auszutauschen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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