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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Dichtsystem für eine Lageranordnung, insbesondere zum Betrieb in Meerwasser, Seewasser, Schmutzwasser oder in einem verschmutzten oder aggressiven flüssigen Medium.
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Hintergrund der Erfindung
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Die Lagerung einer Welle erfolgt oftmals über Wälzlager, wobei die Welle in einem Gehäuse oder dergleichen über das Wälzlager drehbar angeordnet ist. Wälzlager werden zur Reduzierung von Reibung mit einem Schmierstoff versorgt. Problematisch wird die Lagerung von Wellen, wenn diese zum Beispiel als Antriebswellen für Schiffsschrauben in einer aggressiven Umgebung – in diesem Beispiel Meerwasser – eingesetzt werden. Dann ist es notwendig, die Wälzlager vor dem Meerwasser zu schützen, um die Versorgung mit Schmierstoff zu gewährleisten und eine Korrosion des Wälzlagers zu vermeiden.
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Beispielsweise offenbart die Druckschrift
DE 692 388 eine Vorrichtung zur Abdichtung einer Welle, die in verschiedenen Flüssigkeiten laufen kann. Es wird eine Vorrichtung zur Abdichtung von Schraubenwellen bei Schiffen vorgestellt, wobei die Vorrichtung eine äußere und eine innere Zwischenkammer aufweist, wobei die beiden Kammern voneinander durch eine erste Dichtung und ein Wälzlagerraum von der inneren Zwischenkammer durch eine zweite Dichtung getrennt sind. In der äußeren Zwischenkammer befindet sich Meerwasser, wohingegen in der inneren Zwischenkammer ein Schmieröl angeordnet ist. Durch einen Ausgleichstank wird sichergestellt, dass der Druck in der inneren und der äußeren Zwischenkammer stets gleich ist, sodass eine Druckänderung der Flüssigkeit auf der einen Seite einer Druckänderung der Flüssigkeit auf der anderen Seite entspricht. Hierdurch wird eine Verbesserung der Abdichtung zwischen den Zwischenkammern erreicht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lageranordnung vorzuschlagen, welche den Schutz und/oder die Schmierung einer Wälzlagereinrichtung verbessert. Diese Aufgabe wird durch eine Lageranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Im Rahmen der Erfindung wird eine Lageranordnung für eine Welle vorgeschlagen. Die Lageranordnung ist beispielsweise als Lager für Unterwasserturbinen von Gezeiten- oder Strömungskraftwerken, als Lager von Fluss-Wasserturbinen, als Lager in Industriepumpen, als Lager für Maschinen und Fördergeräte der Offshore- und Marinetechnik, als Lager für Schiffsantriebe etc. ausgebildet.
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Die Lageranordnung weist einen Wälzlagerraum, einen Sperrraum einen Mediumraum und einem Vorratsraum auf. Insbesondere ist der Vorratsraum zwischen dem Sperrraum und dem Mediumraum angeordnet. Wälzlagerraum, Sperrraum, Mediumraum und/oder Vorratsraum sind insbesondere als ein Ringraum beziehungsweise Ringräume oder als Abschnitte davon ausgebildet, welche umlaufend zu einer Drehachse der Lageranordnung positioniert sind.
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Die Lageranordnung umfasst eine Wälzlagereinrichtung zur Lagerung der Welle gegenüber einer Umgebungskonstruktion. Die Umgebungskonstruktion kann beispielsweise als ein Gehäuse der Lageranordnung ausgebildet sein. Die Wälzlagereinrichtung ist in dem Wälzlagerraum angeordnet und der Wälzlagerraum sowie der Sperrraum ist mit einem flüssigem Sperrmedium gefüllt. Bei der Wälzlagereinrichtung kann es sich um ein ein- oder mehrreihiges Wälzlager handeln. Es können auch mehrere Wälzlager nebeneinander angeordnet sein.
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Die Lageranordnung umfasst einen inneren Dichtungsabschnitt, wobei der innere Dichtungsabschnitt den Vorratsraum gegenüber dem Wälzlagerraum/Sperrraum abgrenzt, wobei der Vorratsraum mit einem Fett gefüllt ist. Insbesondere ist der innere Dichtungsabschnitt zwischen dem Vorratsraum und dem Sperrraum angeordnet. Der Sperrraum ist mit einem flüssigen Sperrmedium befüllt oder befüllbar. Besonders bevorzugt ist in dem Wälzlagerraum ebenfalls das Sperrmedium angeordnet, sodass die Wälzlagereinrichtung in dem Sperrmedium läuft und durch dieses geschmiert und/oder gekühlt wird.
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Ferner umfasst die Lageranordnung einen äußeren Dichtungsabschnitt, wobei der äußere Dichtungsabschnitt den Mediumraum gegenüber dem Vorratsraum abgrenzt. insbesondere ist der äußere Dichtungsabschnitt zwischen dem Mediumraum und dem Vorratsraum angeordnet. Der Mediumraum ist mit einem flüssigen Arbeitsmedium gefüllt. Bei dem flüssigen Arbeitsmedium handelt es sich insbesondere um das Arbeitsmedium, in dem die Welle angeordnet ist.
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Besonders bevorzugt ist der innere und/oder der äußere Dichtungsabschnitt als ein berührender Dichtungsabschnitt ausgebildet. Der innere und/oder der äußere Dichtungsabschnitt kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein.
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Die Lageranordnung, insbesondere der Sperrraum und der Wälzlagerraum, erfordert keine permanente Versorgung mit Sperrmedium, das auch zur Schmierung der Wälzlagereinrichtung dienen kann.
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In anderen Worten, das flüssige Arbeitsmedium und das Fett werden zum Sperren gegen das Sperrmedium verwendet. Hierbei kann das flüssige Arbeitsmedium als auch das Fett die speziell gestaltete Lageranordnung, insbesondere die Wälzlager und die Dichtungsabschnitte, kühlen und schmieren. Insbesondere das Fettdepot vermindert das Eindringen von flüssigem Arbeitsmedium in die Wälzlagereinrichtung, als auch eine Leckage von Sperrmedium nach außen.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass mindestens einer der Dichtungsabschnitte eine Dichtrichtung und eine Durchlassrichtung als Gegenrichtung zu der Dichtrichtung aufweist. Unter der Dichtrichtung wird die axiale Richtung verstanden, welche eine höhere Dichtigkeit aufweist als die Durchlassrichtung. Insbesondere ist der mindestens eine Dichtungsabschnitt hinsichtlich der Dichtwirkung asymmetrisch ausgebildet, wobei die Dichtwirkung in Dichtrichtung größer als in die Durchlassrichtung ausgebildet ist.
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In Abhängigkeit der Ausgestaltung der Erfindung ist wahlweise die Durchlassrichtung des äußeren Dichtungsabschnitts von dem Mediumraum in den Vorratsraum gerichtet, sodass das flüssige Arbeitsmedium aus dem Mediumraum in Richtung des Vorratsraum führbar ist und/oder die Durchlassrichtung des inneren Dichtungsabschnitts von dem Vorratsraum in den Sperrraum/Wälzlagerraum gerichtet, so dass das Fett aus dem Vorratsraum in Richtung des Wälzlagerraums führbar ist.
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Vorzugsweise weist der Wälzlagerraum keinen Auslass für das Sperrmedium auf. Auf diese Weise wird eine Durchströmung der Wälzlagereinrichtung mit Sperrmedium verringert und ein mögliches Aufschäumen des Sperrmediums verhindert. Alternativ weist der Wälzlagerraum eine verschließbare Öffnung auf, der bei Inbetriebnahme der Lageranordnung zur Füllung des Wälzlagerraums/Sperrraums oder ein Nachjustieren der Füllmenge des Sperrmediums dienen kann. Auch hier wird die Durchströmung der Wälzlagereinrichtung mit Sperrmedium verringert und ein mögliches Aufschäumen des Sperrmediums verhindert.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung weißt eine Förderwirkung des mindestens einen Dichtungsabschnitts auf. Die Förderwirkung wird durch die Relativbewegung von Welle relativ zu dem Dichtungsabschnitt erreicht und ist ansonsten insbesondere fremd- und/oder zusatzenergiefrei umgesetzt. Eine derartige Relativbewegung ist zum Beispiel durch eine Rotation der Welle und/oder eine radiale Auslenkung, insbesondere Vibration, der Welle gegeben. Da das Fett eine höhere Druckviskosität als das flüssige Arbeitsmedium und das Sperrmedium aufweist, wirkt es dichtend. Durch die anstehende Förderwirkung wird somit eine Abdichtung gegen die Wälzlagerung erreicht. Das Arbeitsmedium kann also die Wälzlagereinrichtung nicht erreichen, so dass der Schutz und/oder die Schmierung der Wälzlagereinrichtung gesichert sind und somit die Standzeit der Wälzlagereinrichtung verbessert wird.
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Bei einer besonders bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mindestens einer der Dichtungsabschnitte, vorzugsweise beide Dichtungsabschnitte einen Radialwellendichtlippenabschnitt aufweisen. Beispielsweise kann mindestens einer der Dichtungsabschnitte einen Radialwellendichtring mit einem derartigen Radialwellendichtlippenabschnitt, insbesondere gemäß der DIN 3761, aufweisen. Der Radialwellendichtlippenabschnitt weist eine Bodenseite und eine Stirnseite auf, wobei die Bodenseite und die Stirnseite des Radialwellendichtlippenabschnitts durch ein asymmetrisches Pressungsprofil an der Dichtkante gegeben sind. Insbesondere gemäß der Definition der DIN 3761 ist der bodenseitige Winkel des Pressungsprofils kleiner als der stirnseitige Winkel. Durch die unterschiedlichen Winkel wird die zuvor beschriebene Förderwirkung erreicht, sodass ein gerichteter Förderstrom von der Bodenseite zur Stirnseite gegeben ist.
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Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Radialwellendichtlippenabschnitt mit der Bodenseite dem Mediumraum zugewandt ist, so dass, je nach Anordnung der Radialwellendichtlippenabschnitte im äußeren oder inneren Dichtungsabschnitt, das flüssige Arbeitsmedium aus dem Mediumraum in Richtung des Vorratsraums beziehungsweise das Fett aus dem Vorratsraum in Richtung des Sperrraums/Wälzlagerraums führbar ist und insbesondere gefördert wird. Die Förderrichtung entspricht der Durchlassrichtung des Dichtungsabschnitts.
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Optional ergänzend können mittels geeigneter Dichthilfen, wahlweise auf den Gegenlaufflächen des Radialwellendichtlippenabschnitts oder an der Dichtkante des Radialwellendichtlippenabschnitts selbst, gezielt die Förderrate eingestellt werden. Hierbei können beispielsweise Oberflächenmodifikationen zu Änderungen der Förderrate führen.
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Insbesondere in dieser konstruktiven Ausgestaltung wird sichergestellt, dass bei einer Relativbewegung zwischen der Welle und dem mindestens einen Dichtungsabschnitt ein Förderstrom aktiv erzeugt wird, sodass das flüssige Arbeitsmedium an dem Fett ansteht und/oder das Fett an dem Sperrmedium ansteht.
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Bei einer Alternative oder Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens einer der Dichtungsabschnitte einen Axialwellendichtlippenabschnitt mit einer Anlageseite und einer Freiseite umfasst. Mit der Anlageseite liegt der Axialwellendichtlippenabschnitt an einer auf einer Radialebene zu der Drehachse der Lageranordnung ausgerichteten Dichtfläche an. Die Dichtfläche wird z. B. durch eine umlaufende Nut oder einen Einstich in der Welle gebildet. Der Axialwellendichtlippenabschnitt ist mit der Anlageseite in Richtung des Mediumraums zugewandt.
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Bei einer Weiterbildung ist es auch möglich, dass mindestens einer der Dichtungsabschnitte sowohl mindestens einen Radialwellendichtlippenabschnitt als auch mindestens einen Axialwellendichtlippenabschnitt aufweist, welche besonders bevorzugt in der beschriebenen Weise orientiert sind.
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Die Dichtwellenabschnitte, insbesondere die Radialwellendichtlippenabschnitte und/oder die Axialwellendichtlippenabschnitte können aus Polymeren (wie z. B. Elastomer, Thermoplast, PTFE) oder einer Werkstoffkombination (wie z. B. Elastomer mit Gewebeverstärkung) oder einem Gewebe (wie z. B. Vlies) ausgebildet sein oder bestehen. Die Gegenlauffläche der Dichtwellenabschnitte kann oberflächenbehandelt oder beschichtet sein.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Mediumraum mit einer Arbeitsumgebung der Lageranordnung strömungstechnisch verbunden oder wird durch die Arbeitsumgebung gebildet. Der Mediumraum kann somit offen zu der Arbeitsumgebung ausgestaltet sein.
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Besonders bevorzugt ist das Arbeitsmedium als Meerwasser, Seewasser, Schmutzwasser oder als ein verschmutztes flüssiges Medium ausgebildet. Dagegen ist es bevorzugt, dass das Sperrmedium zum Beispiel als Polyglykol, Öl oder gefiltertes Wasser realisiert ist. Vorzugsweise ist das Sperrmedium biokompatibel ausgebildet, so dass ein Ausfließen in den Mediumraum und somit in die Umgebung der Lageranordnung umwelttechnisch sicher ist.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist beidseitig zu dem Wälzlagerraum mindestens ein innerer Dichtungsabschnitt und mindestens ein äußerer Dichtungsabschnitt mit zwischenliegendem Vorratsraum angeordnet. Auf diese Weise ist die Wälzlagereinrichtung beidseitig vor einem Eindringen des Arbeitsmediums geschützt.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung kann zudem vorgesehen sein, dass vor dem äußeren Dichtungsabschnitt ein Grobschmutzfilter eingesetzt ist, um Grobschmutz von dem Sperrraum abzuhalten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie den beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Lageranordnung als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 in ähnlicher Darstellung wie in der 1 eine konkretisierte Darstellung einer Lageranordnung als ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 zeigt eine Lageranordnung 1 in einem schematischen Längsschnitt entlang einer Drehachse 2 der Lageranordnung 1 als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Lageranordnung 1 umfasst eine Welle 3, welche gegenüber einer Umgebungskonstruktion 4, wie zum Beispiel einem Gehäuse, über eine Wälzlagereinrichtung 5 um die Drehachse 2 drehbar gelagert ist. Mindestens ein Ende, vorzugsweise beide Enden der Welle 3, laufen in einer Arbeitsumgebung A.
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Beispielsweise ist die Lageranordnung als ein Lager für Unterwasserturbinen von Gezeiten- oder Strömungskraftwerken, Fluss-Wasserturbinen, als ein Lager in Industriepumpen, als ein Lager in der Lebensmittelindustrie, als ein Lager für Maschinen und Fördergeräte der Offshore- und Marinetechnik oder als ein Lager für Schiffsantriebe ausgebildet. In diesen Ausgestaltungen liegt in der Arbeitsumgebung A ein flüssiges Arbeitsmedium an, welches je nach Einsatzzweck Meerwasser, Seewasser, verschmutztes Fluid, Säuren, Basen etc. sein kann.
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Um die Lebensdauer der Wälzlagereinrichtung 5 zu erhöhen, ist ein Wälzlagerraum 6 von den durch die Arbeitsumgebung gebildeten Mediumraum 7 durch einen Vorratsraum 17 und Sperrraum 8 getrennt. Der Sperrraum 8 und der Wälzlagerraum 6 können auch einen gemeinsamen Raum mit darin befindlichen Wälzlagern bilden. Wälzlagerraum 6, Mediumraum 7, Vorratsraum 17 und Sperrraum 8 erstrecken sich als Ringräume beziehungsweise Ringteilräume um die Welle 3. Zwischen dem Sperrraum 8 und dem Vorratsraum 17 ist jeweils ein innerer Dichtungsabschnitt 9 angeordnet, zwischen dem Vorratsraum 17 und dem Mediumraum 7 ist jeweils ein äußerer Dichtungsabschnitt 10 angeordnet.
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In dem Mediumraum 7 ist das Arbeitsmedium und in dem Sperrraum 8 ein Sperrmedium angeordnet, welche jeweils als Flüssigkeiten ausgebildet sind. In dem Vorratsraum 17 ist ein Fett angeordnet, welches eine höhere Druckviskosität als die anderen beiden Flüssigkeiten ausgebildet sind.
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Der innere und der äußere Dichtungsabschnitt 9, 10 sind jeweils so ausgebildet, dass diese eine Durchlassrichtung D und dazu gegenläufig eine Sperrrichtung aufweisen. Durchlassrichtung D und Sperrrichtung sind so ausgebildet, dass ein Übertreten von Fluid in Sperrrichtung verhindert und in Durchlassrichtung D in geringem Maße ermöglicht wird. Insbesondere ist der innere und/oder der äußere Dichtungsabschnitt 9, 10 als eine berührende Dichtung ausgebildet.
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Im Betrieb führt der Aufbau dazu, dass das flüssige Arbeitsmedium vom Mediumraum 7 in Durchlassrichtung D des äußeren Dichtungsabschnitts 10 gegen den Vorratsraum 17 geführt wird. Diese Führung des flüssigen Arbeitsmediums hat den Vorteil, dass das flüssige Arbeitsmedium gegen das Fett im Vorratsraum 17 aufgrund der höheren Druckviskosität des Fetts ansteht und sich kaum vermischt.
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Weiter führt der Aufbau dazu, dass das Fett im Vorratsraum 17 in Durchlassrichtung D des inneren Dichtungsabschnitts 9 gegen den Sperrraum 8 geführt wird. Diese Führung des Fetts hat den weiteren Vorteil, dass das Fett gegen das Sperrmedium ansteht. Fett das in den Sperrraum 8 und/oder den Wälzlagerraum 6 gelangt, hat wie das Sperrmedium eine vorteilhafte Schmierwirkung für das Wälzlager.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der Wälzlagerraum 6 und der Sperrraum 8 bei der Inbetriebnahme der Lageranordnung 1 mit dem Sperrmedium geflutet ist.
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Optional kann vor dem äußeren Dichtabschnitt 10 eine Filterscheibe 16 vorgesehen sein, welche in dem Gehäuse 4 festgelegt ist und welche einen kleinen Spalt zu der Welle 3 bildet, sodass Grobschmutzpartikel zurückgehalten werden.
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Die 2 zeigt eine mögliche konstruktive Ausgestaltung der Lageranordnung 1 aus 1. In dieser Ausgestaltung ist zu erkennen, dass die Wälzlagereinrichtung 5 durch zwei Wälzlager 14a, b, in diesem Beispiel Kugelwälzlager, gebildet ist. Der innere und der äußere Dichtungsabschnitt 9, 10 sind jeweils durch einen Radialwellendichtring gebildet, wobei jeder der Radialwellendichtringe eine Bodenseite B und eine Stirnseite S aufweist. Die Bodenseite B beziehungsweise Stirnseite S der Radialwellendichtringe wird durch den Anstellwinkel des Radialwellendichtlippenabschnitts definiert, wobei auf der Bodenseite ein kleinerer Winkel zwischen der Welle 3 und dem Radialwellendichtring vorgesehen ist als auf der Stirnseite. Insbesondere ist ein bodenseitiger Winkel alpha der Dichtlippe des Radialwellendichtrings gegenüber der Welle 3 kleiner als der stirnseitige Winkel beta. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden die Winkel alpha und beta nur an einem Radialwellendichtring kenntlich gemacht.
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In Bezug auf einen gemeinsamen Vorratsraums 17 sind die Radialwellendichtringe derart hintereinander angeordnet, sodass je eine Bodenseite und eine Stirnseite zueinander zugewandt sind (Tandemanordnung). Eine Besonderheit der Radialwellendichtringe ist es, dass diese im Betrieb der Welle 3 eine Förderwirkung in Durchlassrichtung von der Bodenseite zur Stirnseite entwickeln. Die Förderwirkung entsteht durch die unterschiedlichen Winkel alpha und beta von Bodenseite und Stirnseite der Dichtlippe.
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In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung (nicht graphisch dargestellt) wird auf den Vorratsraum und das Fett verzichtet. In dieser Ausführungsform wird über zumindest mittels eines Dichtungsabschnitts das Arbeitsmedium gegen das im Lager befindliche Sperrmedium geführt; das Arbeitsmedium steht also an dem Sperrmedium an.
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In den beschriebenen Ausführungsformen wird das mögliche Eindringen des flüssigen Arbeitsmediums in die mit Sperrmedium gefüllte Wälzlagerung in Kauf genommen, da das Austreten von Sperrmedium oder Fett in die Arbeitsumgebung vermindert wird. Weiterhin kann vorteilhaft auf einen mit Sperrmedium gefüllten Druckausgleichsbehälter verzichtet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lageranordnung
- 2
- Drehachse
- 3
- Welle
- 4
- Umgebungskonstruktion (Gehäuse)
- 5
- Wälzlagereinrichtung
- 6
- Wälzlagerraum
- 7
- Mediumraum
- 8
- Sperrraum
- 9
- innerer Dichtungsabschnitt
- 10
- äußerer Dichtungsabschnitt
- 14a, b
- Wälzlager
- 15
- Filterscheibe
- 17
- Vorratsraum
- 18
- Öffnung
- A
- Arbeitsumgebung
- B
- Bodenseite
- D
- Durchlassrichtung
- S
- Stirnseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 3761 [0017]
- DIN 3761 [0017]
