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Die Erfindung betrifft einen Radialwellendichtring, aufweisend einen Versteifungsring und ein mit dem Versteifungsring verbundenes Elastomerteil, das eine Dichtlippe aufweist mit einem ersten Dichtabschnitt, der zum Rückfördern eines Leckagefluids bei einer sich drehenden Welle mit einer gewindeartigen Rückförderstruktur versehen ist, und mit einem zweiten Dichtabschnitt, der zum gasdichten Anliegen an einer stehenden Welle eine kreiszylindermantelförmige Dichtfläche aufweist.
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Die
DE 10 2007 036 625 A1 beschreibt ein Dichtelement zum Abdichten einer bestimmungsgemäß zum Drehen vorgesehenen Welle an einer Durchtrittsöffnung eines Gehäuseteils für die Welle, mit einem Versteifungsteil und ein mit dem Versteifungsteil verbundenes Elastomerteil, das einen ersten Dichtbereich für ein statisch abdichtendes Anliegen am Gehäuseteil umfasst und das einen zweiten Dichtbereich umfasst 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.
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Die
EP 1 998 088 A1 beschreibt einen Dichtungsring mit einer Dichtlippe, die eine unter radialer Vorbelastung abzudichtende Welle abdichtend umfasst, wobei die Dichtlippe ein Oberflächenprofil aufweist, das als eine Rückführvorrichtung auf der der Welle zugewandten Seite ausgeführt ist, wobei die Dichtlippe an ihrem freien Ende mindestens eine Umfangserhöhung aufweist, die über das Oberflächenprofil hinwegragt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Radialwellendichtring zu schaffen, bei dem die Rückfördereigenschaften im Betrieb des Radialwellendichtrings mit guten Dichteigenschaften bei Prüf- und Testzwecken verbessert ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Radialwellendichtring, aufweisend einen Versteifungsring und ein mit dem Versteifungsring verbundenes Elastomerteil, das eine Dichtlippe aufweist mit einem ersten Dichtabschnitt, der zum Rückfördern eines Leckagefluids bei einer sich drehenden Welle mit einer gewindeartigen Rückförderstruktur versehen ist, und mit einem zweiten Dichtabschnitt, der zum gasdichten Anliegen an einer stehenden Welle eine kreiszylindermantelförmige Dichtfläche aufweist, bei dem die kreiszylindermantelförmige Dichtfläche eine Mikrostruktur aufweist, wobei die Mikrostruktur von Kanälen gebildet wird, die Verlängerungen aufweisen, die in die gewindeartige Rückförderstruktur des ersten Dichtabschnitts hineinreichen.
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Als Mikrostruktur werden Erhebungen und/oder Vertiefungen in der glatten, d. h. ebenen kreiszylindermantelförmigen Dichtfläche des zweiten Dichtabschnitts verstanden, bei der die Erhebungen eine Höhe und/oder die Vertiefungen eine Tiefe aufweisen, die deutlich kleiner ist, als die Höhe und/oder Tiefe der zum Rückfördern eines Leckagefluids vorgesehenen gewindeartigen Rückförderstrukturen.
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Insbesondere werden als Mikrostruktur Erhebungen und/oder Vertiefungen in der glatten, d. h. ebenen kreiszylindermantelförmigen Dichtfläche des zweiten Dichtabschnitts verstanden, die eine Höhe bzw. Tiefe aufweisen, die kleiner ist als 0,1 Millimeter, insbesondere kleiner als 0,08 Millimeter, d. h. kleiner als 80 Mikrometer sind.
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Die Mikrostrukturen können unterschiedliche Gestalt, d. h. Muster aufweisen. Die Mikrostrukturen sind jedoch derart auszubilden, dass Verbindungskanäle zwischen dem abzudichtenden Fluidraum, insbesondere Ölraum und der davon abgedichteten Umgebung bzw. dem ersten Dichtabschnitt, der zum Rückfördern des Leckagefluids, insbesondere Öls, bei einer sich drehenden Welle mit einer gewindeartigen Rückförderstruktur versehen ist, geschaffen werden.
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Üblicherweise sind Radialwellendichtringe mit einem Dichtabschnitt, der zum Rückfördern eines Leckagefluids bei einer sich drehenden Welle mit einer gewindeartigen Rückförderstruktur versehen ist, ausgebildet, so dass bei einer sich drehenden Welle das Leckagefluid, insbesondere Leckageöl wieder in den Ölraum zurücktransportiert werden kann. In dieser Ausgestaltung durchziehen die Rückförderstrukturen die gesamte Anlagebreite der Dichtlippe an der Welle, so dass Gas zwischen der Dichtlippe und der Welle hindurchströmen kann. Bei stillstehender Welle dichtet folglich ein solcher Radialwellendichtring nicht gasdicht ab. In einer anderen üblichen Ausgestaltung wird deshalb zwischen dem Fluidraum bzw. Ölraum und dem Dichtabschnitt, der zum Rückfördern des Leckagefluids mit einer gewindeartigen Rückförderstruktur versehen ist, ein zweiter Dichtabschnitt vorgesehen, der zum gasdichten Anliegen an einer stehenden Welle eine kreiszylindermantelförmige Dichtfläche aufweist. Um eine Gasdichtigkeit zu erreichen ist dieser zweite Dichtabschnitt im Allgemeinen stets glatt, d. h. ebenmäßig ausgebildet.
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So kann das Elastomerteil einen zweiten Dichtbereich umfassen 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. Ein solches 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 Ausfürung 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 möglich ist.
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Indem erfindungsgemäß ein zweiter Dichtabschnitt vorgesehen ist, der zum gasdichten Anliegen an einer stehenden Welle eine kreiszylindermantelförmige Dichtfläche aufweist, die eine Mikrostruktur aufweist, bleibt eine Gasdichtigkeit bei stehender Welle erhalten und bei sich drehender Welle ist das Rückfördervermögen des ersten Dichtabschnitts, der die gewindeartigen Rückförderstrukturen für das Leckagefluid aufweist, verbessert. Bei stillstehender Welle ruht dabei Leckagefluid bzw. Leckageöl in den Mikrostrukturen, so dass eine Gasdichtigkeit im Stillstand erhalten bleibt. Andererseits gewährleisten die Mikrostrukturen bei sich drehender Welle Durchgänge für das Leckagefluid bzw. Leckageöl, so dass von den gewindeartigen Rückförderstrukturen des ersten Dichtabschnitts rückgefördertes Leckagefluid bzw. Leckageöl den zweiten Dichtabschnitt überwinden bzw. passieren kann, wodurch das Rückfördervermögen des Radialwellendichtrings insgesamt verbessert ist.
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Mit einer erfindungsgemäßen Mikrostruktur kann es entbehrlich sein, dass der zweite Dichtabschnitt derart ausgebildet sein muss, dass während einer sich drehenden Welle der zweite Dichtabschnitt aufschwimmt, um überhaupt erst eine Rückförderung des Leckagefluid bzw. Leckageöl zu ermöglichen. Mit einer erfindungsgemäßen Mikrostruktur kann der zweite Dichtabschnitt derart ausgebildet sein, dass er bei sich drehender Welle nicht aufschwimmt oder zumindest weniger aufschwimmt, als dies bei glatter kreiszylindermantelförmiger Dichtfläche notwenig wäre. Insgesamt kann dadurch auch die Dichtwirkung verbessert sein.
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In allen erfindungsgemäßen Ausführungen kann beispielsweise Öl als Leckagefluid verstanden werden.
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Die Mikrostruktur kann ausgebildet sein, Kanäle zu bilden, die bei stehender Welle aufgrund einer Benetzung mit dem Leckagefluid gasdicht sind und bei sich bestimmungsgemäß drehender Welle eine Rückfördern des Leckagefluids über die an der Welle anliegenden kreiszylindermantelförmigen Dichtfläche hinweg durch die Kanäle zulassen. Die Kanäle können gerade, gekrümmt oder gebogen ausgeführt sein. Es können Kanäle mit unterschiedlichen Verläufen miteinander kombiniert sein. Insbesondere können gleichartige Kanäle, insbesondere gerade verlaufende Kanäle in einer Vielzahl in gleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet auf der kreiszylindermantelförmigen Dichtfläche ausgebildet sein.
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In allen Ausführungsformen der Erfindung kann die Mikrostruktur ausgebildet sein, Kanäle zu bilden, die sich über die vollständige axiale Breite der kreiszylindermantelförmigen Dichtfläche erstrecken. Mit anderen Worten verbinden die Kanäle einen Ölraum mit dem Ringspalt, der von der Welle und dem ersten Dichtabschnitt, welcher zum Rückfördern des Leckagefluids bei einer sich drehenden Welle mit der gewindeartigen Rückförderstruktur versehen ist, gebildet wird. Der zweite Dichtabschnitt bzw. die kreiszylindermantelförmige Dichtfläche liegt somit zwischen dem ersten Dichtabschnitt und dem Ölraum.
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Die Mikrostruktur kann ausgebildet sein, gerade Kanäle zu bilden, insbesondere gerade Kanäle zu bilden, die in einem spitzen Anstellwinkel, insbesondere in einem Anstellwinkel von 15 Grad bis 25 Grad, zu einem Dichtkantenauslauf der kreiszylindermantelförmigen Dichtfläche ausgerichtet sind. Durch die Ausbildung der Kanäle mit einem Anstellwinkel, insbesondere mit einem Anstellwinkel von 15 Grad bis 25 Grad, weist die Mikrostruktur auch eine Förderwirkung auf. Die Förderrichtung der Mikrostrukturen entspricht der Förderrichtung des ersten Dichtabschnitts.
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In allen Ausführungsformen der Erfindung kann die Mikrostruktur Stege und/oder Nuten bilden, welche eine Strukturtiefe von 1 bis 80 Mikrometer, insbesondere von 5 bis 50 Mikrometer aufweist. Stege und Nuten können sich abwechseln. Nuten können dadurch gebildet werden, dass ebene Abschnitte der kreiszylindermantelförmigen Dichtfläche von zwei Stegen begrenzt werden. Stege können dadurch gebildet werden, dass ebene Abschnitte der kreiszylindermantelförmigen Dichtfläche von zwei Nuten begrenzt werden.
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In allen Ausführungsformen der Erfindung können die Mikrostruktur, insbesondere die Kanäle, die Stege und/oder die Nuten unmittelbar an den ersten Dichtabschnitt anschließen.
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In allen Ausführungsformen der Erfindung können die Mikrostruktur, insbesondere die Kanäle, die Stege und/oder die Nuten sich in die gewindeartige Rückförderstruktur des ersten Dichtabschnitts fortsetzen bzw. hineinreichen.
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Gemäß einer Ausführung der Erfindung können zwei oder mehrere Kanäle, Stege und/oder Nuten der Mikrostruktur jeweils einem Auslauf der gewindeartige Rückförderstruktur zugeordnet sein und/oder sich auf einen Steg oder in eine Nut der gewindeartigen Rückförderstruktur des ersten Dichtabschnitts fortsetzen bzw. hineinreichen.
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In allen Ausführungsformen der Erfindung können die Mikrostrukturen, insbesondere die Kanäle, die Stege und/oder die Nuten mittels bekannter Laserbearbeitungsverfahren auf die kreiszylindermantelförmige Dichtfläche aufgebrachte bzw. eingebrachte Mikrostrukturen, Kanäle, Stege und/oder Nuten sein.
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In allen Ausführungsformen der Erfindung können die Mikrostrukturen, insbesondere die Kanäle, die Stege und/oder die Nuten während der Herstellung des Radialwellendichtrings dadurch erzeugte Mikrostrukturen, Kanäle, Stege und/oder Nuten sein, dass korrespondierende Negativstrukturen mittels bekannter Laserbearbeitungsverfahren auf eine Oberfläche eines Formwerkzeuges zur Herstellung des Radialwellendichtrings aufgebracht bzw. eingebracht sind.
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Zusammenfassend kann die Erfindung somit eine Lösung insbesondere für reibungsreduzierte Radialwellendichtringe aus Elastomer-Werkstoffen bereitstellen.
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Reibungsreduzierte Radialwellendichtringe aus Elastomer-Werkstoffen werden unter Anderem mit einer spiralförmigen Ölrückfördereinrichtung und einem statischen Damm zur Gasdichtheit im Stillstand ausgeführt. Dieser Damm, der den erfindungsgemäß zweiten Dichtabschnitt bildet, der zum gasdichten Anliegen an einer stehenden Welle eine kreiszylindermantelförmige Dichtfläche aufweist, kann eine Überwachung einer funktionsgerechten Montage einer Dichtlippe bzw. eines Radialwellendichtrings dadurch gewährleisten, dass bei einer Gasdichtheitsprüfung einer Maschine, wie beispielsweise eines Motors, der eine Welle und einen erfindungsgemäßen Radialwellendichtring aufweist, der Damm bzw. der zweite Dichtabschnitt mit seiner kreiszylindermantelförmigen Dichtfläche im Stillstand der Welle gasdicht an der Welle anliegt.
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Der Damm bzw. der zweite Dichtabschnitt mit einer glatten kreiszylindermantelförmigen Dichtfläche verschließt lokal die Ölrückfördereinrichtung (gewindeartige Rückförderstruktur) und mindert oder verhindert sogar das Rückfördervermögen der Dichtlippe.
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Die Erfindung verfolgt das Ziel, durch gerichtete Mikrostrukturen auf dem Kontaktband des statischen Dammes bzw. des zweiten Dichtabschnitts beispielsweise Kanäle und/oder Stege zu erzeugen, die mindestens bei einer Fluidbenetzung, beispielsweise mit einem Öl ausreichend gasdruckdicht sind um evtl. geforderten Montage-Endkontrollen, bei stehende Welle, zu genügen, auf die außerdem im Betrieb der Dichtung d. h. bei sich drehender Welle, einen Rücktransport des Leckagefluids, insbesondere des Öles zwischen Wellenoberfläche und Damm zu fördern.
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Ein Merkmal von reibungsreduzierten Radialwellendichtungen mit elastomerem Flächenträger und Rückförderspirale ist der sehr geringe Abrieb und damit der geringe Verschleiß der elastomeren Dichtlippenkontaktbereiche. Dabei können die Fördermechanismen im Mikrometerbereich auch über die Lebensdauer der Dichtung aufrechterhalten werden.
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Mit den bekannten Laserbearbeitungstechnologien stehen Fertigungsverfahren zur Erzeugung von Stegen oder Nuten in hinreichender Präzision zur Verfügung. Diese Förderstrukturen, d. h. Mikrostrukturen können direkt in die Dichtlippe des Wellendichtrings eingebracht werden oder im Dichtlippen bildenden Formteil des Vulkanisierwerkzeuges eingebracht werden. Die Strukturtiefe kann im Bereich von 1 μm bis 80 μm, vorzugsweise im Bereich von 5 μm bis 50 μm ausgeführt werden.
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Ein Anstellwinkel der Förderstrukturen, d. h. der Mikrostrukturen kann im Bereich von 15 Grad bis 25 Grad zum Dichtkantenauslauf betragen.
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Mindestens ein Förderelement kann bis hin zu einer Vielzahl sich teilweise radial überdeckenden Elementen ausgeführt werden.
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Derartige kapillare Mikrostrukturen an der Dichtlippe des Wellendichtrings bzw. an dem zweiten Dichtabschnitt unterstützen die Ölrückförderung unterhalb des statischen Dammes, bilden gleichzeitig aber auch Schmierstoffdepots in der Kontaktzone, welche die Reibung und Temperaturentwicklung in kritischen Betriebspunkten positiv beeinflussen.
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Ein gering offener Querschnitt der Förderelemente bildet unter statischen Bedingungen einen ausreichend großen Druckverlust über seine Länge, so dass Abdrückprüfungen beispielsweise eines Verbrennungsmotors überstanden werden, ohne dass es zu Undichtigkeiten bei der Abdrückprüfung kommt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind exemplarisch in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch eine obere Hälfte eines Radialwellendichtrings mit einem erfindungsgemäßen zweiten Dichtabschnitt, dessen kreiszylindermantelförmige Dichtfläche eine Mikrostruktur aufweist;
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2a eine schematische Darstellung einer Abwicklung eines Ausschnitts aus dem ersten und zweiten Dichtabschnitt in einer Draufsicht in einer ersten Ausführung;
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2b eine schematische Darstellung einer Abwicklung eines Ausschnitts aus dem ersten und zweiten Dichtabschnitt in einer Draufsicht in einer zweiten Ausführung.
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Die 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Längsschnitt durch eine obere Hälfte eines Radialwellendichtrings 1. Dabei weist der Radialwellendichtring 1 einen Versteifungsring 3 sowie ein mit dem Versteifungsring 3 verbundenes, einstückig ausgebildetes Elastomerteil 5 auf. Der Versteifungsring 3 ist dabei beispielsweise aus einem Blech hergestellt. Das Elastomerteil 5 ist aus einem Elastomermaterial, insbesondere einem Fluorelastomer, das PTFE-Nanopartikel beinhalten kann, ausgebildet und durch ein Anvulkanisieren an den Versteifungsring 3 mit diesem verbunden.
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Das Elastomerteil 5 weist einen statischen Dichtbereich 7 auf, 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 kann es sich beispielsweise um einen Verbrennungsmotor handeln, 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 befindet.
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Das Elastomerteil 5 weist eine Dichtlippe 9 auf, die bei bestimmungsgemäßem Einbau des Radialwellendichtrings 1 an der nicht dargestellten Welle anliegt. Die Dichtlippe 9 weist einen ersten Dichtabschnitt 11 auf. Dieser erste Dichtabschnitt 11 ist mit einer gewindeartigen Rückförderstruktur 13 versehen. Die gewindeartige Rückförderstruktur 13 ist in 1 stark überzeichnet dargestellt, um die gewindeartigen Gänge der Rückförderstruktur 13 und deren Übergang bzw. Auslauf in einen zweiten Dichtabschnitt 15 deutlicher sichtbar zu machen. Statt der dargestellten drei Umläufe von Gängen kann die Rückförderstruktur 13 auch weniger als drei Gänge, bis hin zu einem Gang aufweisen. Die Steigen der Gänge ist tatsächlich deutlich kleiner als dargestellt. Die Steigen der Gänge kann beispielsweise 0,7 oder 0,75 mm betragen.
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An einem dem Ölraum zugewandten, freien Ende trägt die Dichtlippe 9 den zweiten Dichtabschnitt 15. Der zweiten Dichtabschnitt 15 weist eine erfindungsgemäße Mikrostruktur 17 auf. Die Mikrostruktur 17 ist auf einer kreiszylinderförmigen Dichtfläche 19 des zweiten Dichtabschnitts 15 aufgebracht bzw. eingebracht.
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Wie im Ausführungsbeispiel der 1 dargestellt, können die Mikrostrukturen 17 ausgebildet sein, Kanäle zu bilden, die bei stehender Welle (nicht dargestellt) aufgrund einer Benetzung mit dem Leckagefluid gasdicht sind und bei sich bestimmungsgemäß drehender Welle ein Rückfördern des Leckagefluids über die an der Welle anliegenden kreiszylindermantelförmigen Dichtfläche 19 hinweg durch die Kanäle zulässt.
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Die Kanäle der Mikrostrukturen 17 erstrecken sich über die vollständige axiale Breite der kreiszylindermantelförmigen Dichtfläche 19. Die Mikrostrukturen 17 schließen sich unmittelbar an den ersten Dichtabschnitt 11 an.
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In den 2a und 2b ist jeweils eine Abwicklung eines Ausschnitts aus dem ersten Dichtabschnitt 11 und dem zweiten Dichtabschnitt 15 in einer Draufsicht d. h. ein Segment des Radialwellendichtrings 1 von innen betrachtet dargestellt.
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Die 2a und 2b zeigen insoweit einen Bogenabschnitt der Dichtlippe 9. Der erste Dichtabschnitt 11 trägt die gewindeartige Rückförderstruktur 13, die zum Rückfördern eines Leckagefluids bei einer sich drehenden Welle vorgesehen ist. Auf einer einem Ölraum 21 zugewandten Seite der Dichtlippe 9 schließt sich der zweite Dichtabschnitt 15, der zum gasdichten Anliegen an einer stehenden Welle die kreiszylindermantelförmige Dichtfläche 19 aufweist, an.
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Der zweite Dichtabschnitt 15 bzw. die kreiszylindermantelförmige Dichtfläche 19 weist die Mikrostruktur 17 auf. Die gewindeartige Rückförderstruktur 13 besteht aus einer abwechselnden Anordnung von Fördernuten 13a und Förderstegen 13b. Die gewindeartige Rückförderstruktur 13 bzw. die abwechselnde Anordnung von Fördernuten 13a und Förderstegen 13b ist in den 2a und 2b stark überzeichnet d. h. mit einer deutlich größeren Steigung und mit deutlich größeren Breiten von Fördernuten 13a und Förderstegen 13b dargestellt, um den Übergang vom ersten Dichtabschnitt 11 in den zweiten Dichtabschnitt 15 besser visualisieren zu können. Die Mikrostruktur 17 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel der 2a von geraden Kanälen gebildet, die in einem spitzen Anstellwinkel zu einem Dichtkantenauslauf der kreiszylindermantelförmigen Dichtfläche 19 ausgerichtet sind.
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In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel gemäß 2b setzen sich die Kanäle in Form von Verlängerungen 23 in die gewindeartige Rückförderstruktur des ersten Dichtabschnitts fort bzw. die Verlängerungen 23 der Kanäle reichen in die gewindeartige Rückförderstruktur hinein. Dies ist in 2b durch die Verlängerungen 23 der Mikrostruktur 17 gegenüber der Ausführung gemäß 2a aufgezeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Radialwellendichtring
- 3
- Versteifungsring
- 5
- Elastomerteil
- 7
- statischer Dichtbereich
- 9
- Dichtlippe
- 11
- erster Dichtabschnitt
- 13
- Rückförderstruktur
- 15
- zweiter Dichtabschnitt
- 17
- Mikrostruktur
- 19
- Dichtfläche
- 21
- Ölraum
- 23
- Verlängerungen
