DE102015224044A1

DE102015224044A1 - Dichtungselement und Dichtungsanordnung

Info

Publication number: DE102015224044A1
Application number: DE102015224044.4A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Rudin; Holger Mildenberger; Thomas Stöhr
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2016-10-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dichtungselement aus Elastomer, insbesondere in Form einer Dichtungsscheibe (14) zur Abdichtung zwischen Maschinenelementen (04, 06). Das Dichtungselement weist ein Elastomer auf, in dem als Füllstoff Carbon-Nano-Tubes eingelagert sind. Dabei liegt der Anteil der Carbon-Nano-Tubes im Füllstoff oberhalb der Perkolationsschwelle zur Ausbildung einer guten elektrischen Leitfähigkeit. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Dichtungsanordnung (02), welche das erfindungsgemäße Dichtungselement umfasst.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Dichtungselement aus Elastomer zur Abdichtung zwischen Maschinenelementen, wobei das Dichtungselement insbesondere die Form einer Dichtungsscheibe aufweisen kann. Die Erfindung betrifft außerdem eine Dichtungsanordnung, welche das erfindungsgemäße Dichtungselement umfasst.
Hintergrund der Erfindung
Speziell in schnell rotierenden Lagern können elektrische Lagerströme, beispielsweise bei magnetischer Asymmetrie, auftreten. Diese Lagerströme verursachen, durch Stromdurchgang an Wälzlagerkomponenten, Elektroerosion an den Maschinenelementen. Beispielsweise kommt es an Wälzkörpern zu Riffelbildung bzw. Lagerprofilierung.
Möglichkeiten um Lagerströme abzuleiten sind beispielsweise der Einsatz von Erdungsbürsten. Zur Vermeidung von Lagerströmen kommen beispielsweise elektrisch isolierenden Keramikbeschichtungen zur Anwendung. Bei der Verwendung von auf den Dichtungen aufgebrachten elektrisch leitfähigen Folien kann es zum Zerreißen der Folien durch mechanische Einflüsse kommen. Auch die Stromableitung über Dichtungen mit elektrisch leitfähigen Elastomeren ist generell in Erwägung gezogen worden. Diese weisen aufgrund der jeweils gewählten Materialzusammensetzung jedoch nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf, besitzen eine geringere Elastizität oder verschleißen schnell. Die elektrische Leitfähigkeit von elastischen Dichtungen ist von der Füllstoffart und dem Füllstoffgehalt des Elastomers abhängig.
In der US 8 992 091 B2 ist eine Lagerdichtung beschrieben, welche einen elastischen Dichtungskörper umfasst. Der elastische Dichtungskörper ist mit Graphit beschichtet. Auf dem elastischen Dichtungskörper wird dadurch ein leitender Pfad bereitgestellt, um einen Stromdurchgang über die Wälzkörper zu vermeiden. Da das elektrisch leitfähige Material vorrangig äußerlich am Dichtkörper aufgebracht ist, kann das Material durch Verschleißabgetragen werden. Somit ist der leitende Pfad nicht aufrecht zu halten und ein unerwünschter Stromdurchgang durch Wälzlagerkomponenten findet nach kurzer Zeit dennoch statt.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein Dichtungselement zur Verfügung zu stellen, bei dem Lagerströme über einen leitenden Pfad sicher und dauerhaft abgeleitet werden und somit kein oder allenfalls ein minimierter Stromdurchgang durch die Wälzlagerkomponenten erfolgt. Weiterhin ist eine Dichtungsanordnung mit einem solchen Dichtungselement bereitzustellen.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Dichtungselement gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Dichtungsanordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 3.
Das erfindungsgemäße Dichtungselement dient der Abdichtung eines Raumes zwischen Maschinenelementen, besonders bevorzugt zur Abdichtung eines Wälzlagerraumes, welcher sich zwischen einem ersten Maschinenelement und einem demgegenüber um eine Achse rotierbaren zweiten Maschinenelement erstreckt. Das Dichtungselement ist aus einem Elastomer gebildet, welches mit einer Armierung verstärkt sein kann. Bevorzugt ist das Dichtungselement in Form einer elastischen Dichtungsscheibe ausgebildet, die bevorzugt dicht und rotationsfest am ersten Maschinenelement zu befestigen ist. Die Dichtungsscheibe ist an einer ihrer umlaufenden Kanten bevorzugt dichtend am zweiten Maschinenelement anliegend und weist eine Achse auf, die mit der oben beschriebenen Achse der Rotation zusammenfällt. Die elastische Dichtungsscheibe bestimmt die äußere Form des Dichtungselements. Die Dichtungsscheibe ist durch ein Elastomer gebildet, welches durch seine Zusammensetzung eine elektrisch leitfähige Eigenschaft aufweist. Das Elastomer der Dichtungsscheibe besitzt dazu einen eingelagerten Füllstoff, der erfindungsgemäß durch Carbon-Nano-Tubes (Kohlenstoffnanoröhren) gebildet ist, wobei der Anteil der Carbon-Nano-Tubes im Elastomer oberhalb der Perkolationsschwelle liegt, zur Ausbildung einer guten elektrischen Leitfähigkeit.
Die Carbon-Nano-Tubes, kurz CNT, im Elastomer der Dichtungsscheibe bilden einen leitenden Pfad für elektrischen Strom. Die durch die Carbon-Nano-Tubes gebildeten Pfade bzw. kleinen Strukturen im Elastomer, haben einen geringen elektrischen Widerstand und stehen somit als elektrisch leitfähige Pfade zur Verfügung. Diese elektrisch leitenden Pfade ermöglichen das Ableiten von Strom über das Dichtelement. Das heißt der Strom wird vom ersten Maschinenelement über die Dichtungsscheibe zu dem zweiten Maschinenelement geleitet. Somit wird ein Stromdurchgang durch andere Wälzlagerkomponenten, wie beispielsweise Wälzkörper, abgewendet. Dadurch wird Elektroerosion an den Maschinenelementen verhindert. Ohne Füllstoffe besitzt das Elastomer prinzipiell isolierende Eigenschaften.
Bevorzugt liegt der Füllstoffanteil der Carbon-Nano-Tubes im Elastomer der Dichtungsscheibe oberhalb der Perkolationsschwelle, um eine gute elektrische Leitfähigkeit zu realisieren. Die Perkolationstheorie beschreibt allgemein das Ausbilden von zusammenhängenden Gebieten bei zufallsbedingtem Besetzen von Strukturen. Hier wird unter der Perkolationsschwelle die Schwelle verstanden, ab der das Elastomer, in Abhängigkeit vom Füllstoffanteil eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzt. Besonders bevorzugt liegt der Anteil des Carbon-Nano-Tube-Füllstoffs im Elastomer im Bereich zwischen 6 und 15 Volumen-%. In diesem Bereich wird, neben der guten elektrischen Leitfähigkeit, die Flexibilität des Elastomers gewahrt, da die Elastizität durch den Anteil des Füllstoffs im Elastomer beeinflusst wird.
Es hat sich gezeigt, dass Carbon-Nano-Tubes im Vergleich zu Graphit oder Ruß eine deutlich höhere elektrische Leitfähigkeit besitzen, bei gleichem Füllstoffanteil im Elastomer. D.h., wenn die Perkolationsschwellen von Carbon-Nano-Tubes und Graphit betrachtet werden, ist die Perkolationsschwelle der Carbon-Nano-Tubes deutlich niedriger.
Da der Carbon-Nano-Tube-Füllstoff in das Elastomer eingebunden ist, können die etablierten Geometrien der Dichtungsscheibe erzeugt werden, wodurch auch der Herstellungsprozess, die Fertigungsverfahren und die Montage der Dichtungsscheibe gleich bleiben.
Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung dient der Abdichtung eines Raumes zwischen einem ersten Maschinenelement und einem um eine Achse rotierbaren zweiten Maschinenelement, zwischen denen sich das erfindungsgemäße Dichtungselement befindet.
Die Dichtungsanordnung umfasst bevorzugt eine der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Dichtungselements. Bevorzugt weist die Dichtungsanordnung auch solche Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Dichtungselement beschrieben sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform sitzt das Dichtungselement, welches als eine Dichtungsscheibe gebildet ist, am ersten Maschinenelement form- und kraftschlüssig fest. Besonders bevorzugt sitzt die Dichtungsscheibe in einem Einstich bzw. in einer Nut am ersten Maschinenelement fest, um einen festen Sitz zu realisieren.
Die bevorzugt kreisförmige, besonders bevorzugt kreisringförmige Dichtungsscheibe ist dazu ausgebildet, dichtend an einer Anlauffläche am zweiten Maschinenelement zum Anliegen zu kommen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dichtungsscheibe dazu ausgebildet, radial dichtend am zweiten Maschinenelement zum Anliegen zu kommen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Dichtungsscheibe dazu ausgebildet, axial dichtend am zweiten Maschinenelement zum Anliegen zu kommen.
Erfindungsgemäß umfasst die elastische Dichtungsscheibe bevorzugt eine umlaufende Dichtlippe, die radial ausgerichtet ist. Diese ist dazu ausgebildet, berührend an der Anlauffläche des zweiten Maschinenelementes in radialer Richtung zum Anliegen zu kommen. Alternativ ist die Dichtlippe axial ausgerichtet und liegt an der Anlauffläche axial dichtend an.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist in die elastische Dichtungsscheibe eine sich um die Achse erstreckende Armierung ganz oder teilweise integriert. Die Armierung dient der mechanischen Verstärkung der Dichtungsscheibe. Dadurch wird ein fester Sitz auf oder in dem jeweiligen Maschinenelement gewahrt. Besonders bevorzugt bildet die Armierung eine kreisringförmige Scheibe, mit einer Achse die mit der Achse der Dichtungsscheibe zusammenfällt. Bevorzugt besitzt die Armierung einen rechteckigen Querschnitt. Alternative Ausführungsformen der Armierung sind möglich.
Das erste Maschinenelement ist bevorzugt durch ein Gehäuse bzw. einen äußeren Lagerring gebildet. Das zweite Maschinenelement ist bevorzugt durch eine Welle bzw. einen inneren Lagerring gebildet. Die Dichtungsscheibe sitzt dabei bevorzugt fest in einer Öffnung des Gehäuses, wobei ein Teil der Welle bzw. ein Teil des inneren Lagerrings als Anlauffläche dient. Die Öffnung des Gehäuses weist einen bevorzugt kreisförmigen Querschnitt mit einem Einstich auf, in dem die Dichtungsscheibe bevorzugt fest sitzt. Die Welle ist durch die Öffnung hindurchgeführt. Zwischen dem Gehäuse und der Welle bzw. dem inneren Lagerring ist mindestens ein Wälzkörper platziert. Außerdem ist bei einer bevorzugten Ausführungsform ein Wälzkörperkäfig zwischen dem Gehäuse und der Welle eingebracht.
Selbstverständlich kann alternativ auch das zweite Maschinenelement das erste Maschinenelement umschließen.
Das erfindungsgemäße Dichtungselement, sowie die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung können in verschiedene Lager, insbesondere in Wälzlager eingebaut werden. Es ist ein großer Einsatzbereich gegeben, da das Dichtungselement in einer breiten Größenpalette ausgeführt werden kann. Außerdem kann das erfindungsgemäße Dichtungselement in verschiedenen Dichtungen realisiert werden, beispielsweise als Radialwellendichtring, Kassettendichtung oder Dichtscheibe. Einsatzbereiche der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung sind beispielsweise in der Industrie, insbesondere in der Automobilindustrie, aber auch in der Medizintechnik oder bei Windkraftanlagen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung. Dabei zeigt:
1 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt in einer Schnittansicht einen Ausschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung 02. Die Dichtungsanordnung 02 umfasst ein ein erstes Maschinenelement bildendes Gehäuse 04 (bzw. einen äußeren Lagerring), in welchem eine ein zweites Maschinenelement bildende Welle 06 (bzw. ein innerer Lagerring) um eine Achse (nicht dargestellt) rotierbar gelagert ist. Die Achse bildet somit die Achse der Rotation und ist auch eine mittlere Symmetrieachse der Welle 06. Die Welle 06, bzw. der innere Lagerring, ist rotierbar, während das Gehäuse 04, bzw. der äußere Lagerring, ruht. Zwischen dem Gehäuse 04 und der Welle 06 befindet sich mindestens ein Wälzkörper 08. Die Wälzkörper 08 werden in einem Wälzkörperkä10 geführt.
Die Dichtungsanordnung 02 umfasst weiterhin eine in eine kreisrunde Öffnung 12 des Gehäuses 04 eingepresste kreisringförmige Dichtungsscheibe 14, welche den Raum, in welchem die Wälzkörper 08 angeordnet sind, an der Welle 06 radial abdichtet. Die Dichtungsscheibe 14 bildet ein erfindungsgemäßes Dichtungselement. Sie besteht aus einem Elastomer. Die Dichtungsscheibe 14 sitzt drehfest und dicht in einem im Gehäuse 04 eingebrachten Einstich 16.
Die Dichtungsscheibe 14 dient der Abdichtung des Raumes zwischen dem Gehäuse 04 und der Welle 06 und schützt somit den Innenraum des Gehäuses 04 vor äußeren Einflüssen. Die gezeigte Anordnung trägt lediglich beispielhaften Charakter. Die Dichtungsscheibe 14 kann zur Abdichtung beliebiger Maschinenelemente dienen. Sie ist vorzugsweise als berührende dynamische Dichtung ausgeführt.
Das Elastomer der Dichtungsscheibe 14 weist einen elektrisch leitfähigen Füllstoff auf. Mindestens ein leitender Pfad für elektrischen Strom ist durch den Füllstoff realisiert. Der elektrisch leitfähige Füllstoff wird erfindungsgemäß durch Carbon-Nano-Tubes gebildet. Besonders bevorzugt liegt der Anteil des Carbon-Nano-Tube-Füllstoffs im Elastomer im Bereich zwischen 6 und 15 Vol.-%. Der mindestens eine, durch die Carbon-Nano-Tubes realisierte, elektrische Pfad in der Dichtungsscheibe 14, verhindert Stromdurchgänge durch Wälzlagerkomponenten. Durch die Bereitstellung eines Weges mit geringerem elektrischem Widerstand werden Stromdurchgänge über rollende Komponenten umgangen. Somit wird Elektroerosion an den Bauteilen vermieden oder deutlich reduziert.
Die Dichtungsscheibe 14 verjüngt sich in einem Abschnitt, der berührend an der Welle 06 anliegt, wodurch eine umlaufende Dichtlippe 18 ausgebildet ist. Die Dichtlippe 18 ist in der dargestellten Ausführungsform zweimal abgewinkelt, d. h. sie bildet zum berührenden Bereich hin einen Winkel kleiner 90°.
In der dargestellten Ausführungsform ist in der Dichtungsscheibe 14 umlaufend um die Achse eine kreisringförmige Armierung 20 zur Verstärkung der Dichtungsscheibe 14 eingelassen. Die Armierung 20 befindet sich teilweise im Bereich der Dichtlippe 18. In diesem Bereich ist die Armierung 20 einmalig gleichlaufend zur Dichtlippe 18 abgewinkelt. Die Armierung 20 besitzt auf der gegenüberliegenden Umfangsseite einen L-förmigen Querschnitt. Die Armierung 20 besteht bevorzugt aus einem Metall, besonders bevorzugt aus einem Metallblech. Die Armierung 20 stabilisiert die elastische Dichtungsscheibe 14 und gewährleistet einen festen Sitz der Dichtungsscheibe 14 in der Öffnung 12 des Gehäuses 04.
Auf der gegenüberliegenden Umfangsseite der Dichtungsscheibe 14, d. h. gegenüber der Dichtlippe 18 im Bereich des L-förmigen Querschnitts der Armierung, ist der elastomere Anteil der Dichtungsscheibe 14 vergrößert. Dieser Bereich der Dichtungsscheibe 14 liegt in dem Einstich 16 des Gehäuses 04 an. Dadurch wird ein besserer Sitz realisiert.
Bezugszeichenliste

01
02: Dichtungsanordnung
03
04: Gehäuse / äußerer Lagerring
05
06: Welle / innerer Lagerring
07
08: Wälzkörper
09
10: Wälzkörperkäfig
11
12: Öffnung
13
14: Dichtungsscheibe
15
16: Einstich
17
18: Dichtlippe
19
20: Armierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8992091 B2 [0004]

Claims

Dichtungselement (14) aus einem Elastomer, insbesondere in Form einer Dichtungsscheibe zur Abdichtung zwischen Maschinenelementen (04, 06), dadurch gekennzeichnet, dass im Elastomer Carbon-Nano-Tubes als Füllstoff eingelagert sind, wobei der Anteil der Carbon-Nano-Tubes im Füllstoff oberhalb der Perkolationsschwelle zur Ausbildung einer guten elektrischen Leitfähigkeit liegt.
Dichtungselement (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Carbon-Nano-Tubes im Elastomer zwischen 6–15 Volumen-% beträgt.
Dichtungsanordnung (02) zur Abdichtung eines Raumes zwischen einem ersten Maschinenelement (04) und einem um eine Achse rotierbaren zweiten Maschinenelement (06), zwischen denen sich ein Dichtungselement (14) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 ausgebildet ist.
Dichtungsanordnung (02) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement als Dichtungsscheibe (14) gebildet ist, welche eine umlaufende Dichtlippe (18) aufweist, die am ersten Maschinenelement (04) dicht und drehfest angebracht ist und an einer Anlauffläche am zweiten Maschinenelement (06) dichtend anliegt.
Dichtungsanordnung (02) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (14) eine im Elastomer ganz oder teilweise eingeschlossene Armierung (20) aufweist.
Dichtungsanordnung (02) nach einem der Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenelemente (04, 06) durch Lagerringe gebildet sind, zwischen denen Wälzkörper (08) angeordnet sind.
Dichtungsanordnung (02) nach einem der Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Maschinenelement durch ein Gehäuse (04) gebildet ist, und das zweite Maschinenelement durch eine Welle (06) gebildet ist, wobei die Dichtungsscheibe (14) fest in einer Nut (16) im Gehäuse (04) sitzt, und wobei die Welle (06) koaxial durch die Dichtungsscheibe (14) hindurchgeführt ist.