DE102016222544A1

DE102016222544A1 - Dichtungsscheibe mit einer superhydrophoben Oberfläche

Info

Publication number: DE102016222544A1
Application number: DE102016222544.8A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Rudin; Thomas Stöhr
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-11-16
Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2018-05-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement (7) zur Abdichtung zwischen zwei Maschinenelementen (2, 3), welches als Dichtungsscheibe ausgebildet ist und aus einem biegesteifen Ringkörper (8) besteht, an dem ein elastisches Dichtungsmaterial (9) angeordnet ist.Zur Reduzierung der Reibungsverluste im Kontaktbereich der Oberfläche des Dichtungselements (7) mit einem Lagerfett ist vorgesehen, dass das elastische Dichtungsmaterial (9) an seiner Oberfläche kegelförmige Erhebungen aufweist, die jeweils einen Basisdurchmesser (D) und eine Höhe (H) aufweisen, welche im Mikrometerbereich liegen. Ein Lagerfett, welches zwischen den beiden Maschinenelementen (2, 3) und dem Dichtungselement (7) angeordnet ist, übt hierdurch nur noch geringe Adhäsionskräfte auf das Dichtungselement (7) aus, wodurch beispielsweise ein Wälzlager (1) mit einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden kann.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement zur Abdichtung zwischen zwei Maschinenelementen, welches als Dichtungsscheibe ausgebildet ist und aus einen biegesteifen Ringkörper besteht, an dem ein elastisches Dichtungsmaterial angeordnet ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Dichtungsanordnung, die mit einem solchen Dichtungselement aufgebaut ist.
Hintergrund der Erfindung
Eine gattungsgemäße Dichtungsscheibe ist aus der DE 10 2015 224 044 A1 bekannt. Gemäß einer dortigen Ausführungsform dient sie zur Abdichtung in einem Wälzlager. Bei dieser bekannten Dichtungsscheibe sind Nano-Teilchen in das elastische Material der Dichtungsscheibe eingelagert. Hierdurch ist die elektrische Leitfähigkeit der Dichtungsscheibe im Vergleich zu konventionellen Dichtungsscheiben erhöht, so dass im Wälzlager während dessen Betrieb gegebenenfalls entstehende elektrische Lagerströme fern von den Wälzkörpern und den Laufbahnen der Lagerringe zwischen einem drehbaren und einem drehfest angeordneten Lagerring über die Dichtungsscheibe weitergeleitet werden können. Der Volumenanteil der Nano-Teilchen am Gesamtvolumen des Elastomers der Dichtungsscheibe beträgt dabei zwischen 6% bis 15%.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich nicht mit der Umlenkung von elektrischen Lagerströmen, sondern mit einer Reduzierung des Wirkungsgradverlusts einer Drehlagerung von Maschinenelementen. Ein solches drehbares Maschinenelement ist beispielsweise eine Welle, welche über ein Wälzlager oder ein Gleitlager in einem Gehäuse gelagert aufgenommen ist. Bekanntermaßen sind bei einem Wälzlager radial zwischen einem ersten Lagerring und einem zweiten Lagerring Wälzkörper angeordnet, welche auf Laufbahnen der beiden Lagerringe abrollen. Um einen reibungsarmen Betrieb dieses Wälzlagers zu gewährleisten, sind solche Wälzlager üblicherweise mit einem Lagerfett gefüllt. Um ein ungewolltes Austreten des Lagerfetts aus dem Wälzlager sowie das Eindringen von Schmutz und Wasser in den mit Lagerfett gefüllten Innenraum des Wälzlagers zu verhindern, weisen solche Wälzlager an deren axialen Enden Dichtungsanordnungen auf, welche durchweg als Dichtungsscheiben ausgebildet sind. Diese Dichtungsscheiben sind dabei mit einem radialen, kreisförmigen Ende an dem drehfest angeordneten Lagerring festgelegt, und berühren mit deren radial anderem Ende abdichtend den drehbaren Lagerring.
Wenngleich sich derartige Dichtungsanordnungen in vielen unterschiedlichen Bauformen in der Praxis bewährt haben, sind dennoch weitere Verbesserungen möglich. Da das Lagerfett, welches zwischen den beiden Lagerringen angeordnet ist, auch an der fettraumnahen Seite der Dichtungsscheibe mit einer Adhäsionskraft anhaftet, entstehen bei einer Drehung des drehbaren Lagerrings ungünstigerweise Scherkräfte zwischen der Dichtungsscheibe und dem Lagerfett, welche den Wirkungsgrad des Wälzlagers nachteilig beeinflussen und dadurch auch die Erwärmung des Wälzlagers im Betrieb unerwünscht erhöhen. Diese Scherkräfte entstehen beim Betrieb eines Wälzlagers, wenn Lagerfett von der fettraumnahen Seite der Dichtungsscheibe abgerissen wird, oder wenn dort anhaftendes Lagerfett dichtungsscheibennah zu einer Strömungsbewegung im rotierenden Wälzlager gezwungen wird. Die gleichen Effekte entstehen in einem Gleitlager, da bei diesem im Vergleich zum Wälzlager lediglich die Wälzkörper fehlen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Dichtungselement vorzustellen, welches die geschilderten Reibungsverluste des Lagerfetts an dem Dichtungselement vermeidet oder zumindest vermindert. Dieses Dichtungselement soll für Dichtungsanordnungen an einem Wälzlager und an einem Gleitlager geeignet sein.
Beschreibung der Erfindung
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Dichtungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. In einem weiteren unabhängigen Anspruch ist eine Dichtungsanordnung definiert, welche mit einem solchen Dichtungselement aufgebaut ist. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den jeweils zugeordneten abhängigen Ansprüchen genannt.
Demnach geht die Erfindung aus von einem Dichtungselement zur Abdichtung zwischen zwei Maschinenelementen, welches als Dichtungsscheibe ausgebildet ist und aus einen biegesteifen Ringkörper besteht, an dem ein elastisches Dichtungsmaterial angeordnet ist. Dieses Dichtungselement ist zur Lösung der gestellten Aufgabe dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Dichtungsmaterial an seiner Oberfläche kegelförmige Erhebungen aufweist, die jeweils einen Basisdurchmesser und eine Höhe aufweisen, welche im Mikrometerbereich liegen.
Auf die Oberfläche des Dichtungselements sind daher keine mikroskopisch kleinen Teilchen aufgebracht oder durch eingemischte Teilchen dort ausgebildet, sondern die erwähnten Erhebungen an der Oberfläche des Dichtungsmaterials sind integraler Bestandteil desselben.
Durch die Ausbildung der Oberfläche des Dichtungselements mit den erwähnten Erhebungen wird eine geringere Anhaftungsfähigkeit des Lagerfetts an dem Dichtungselement erreicht, denn die sehr dicht nebeneinander angeordneten sehr kleinen Erhebungen bilden eine sehr viel größere Oberfläche als beispielsweise eine konventionelle, im mikroskopischen Bereich annähernd plane oder leicht raue Oberfläche. Die so, im mikroskopischen Maßstab, geschaffene vergrößerte Oberfläche des Dichtungselements wirkt fettabstoßend. Da die von dem Lagerfett auf das Dichtungselement wirkenden Adhäsionskräfte im Vergleich zu konventionellen Dichtungsanordnungen dadurch reduziert sind, sind dadurch im Betrieb beispielsweise eines Wälzlagers dessen Reibungsverluste reduziert. Außerdem begünstigten die Erhebungen am Dichtungselement eine Fettrückführung ins Lagerinnere. Zudem wirken die Erhebungen an der Oberfläche des Dichtungselements nicht nur fettabstoßend, sondern zugleich auch wasserabstoßend und schmutzabweisend.
Gemäß einer Ausführungsform eines die Merkmale der Erfindung aufweisenden Dichtungselements ist vorgesehen, dass der Kontaktwinkel, mit dem ein Tropfen auf der die Erhebungen aufweisenden Oberfläche des Dichtungselements aufliegt, mehr als 150°, vorzugsweise 160° bis 180° beträgt. Der Kontaktwinkel ist bekanntermaßen ein Winkel zwischen einer planen Oberfläche und einer Tangente an einem dort aufliegenden Flüssigkeitstropfen, wobei die Tangente dort beginnt, wo der Flüssigkeitstropfen seinen größten Auflagedurchmesser auf der Oberfläche aufweist.
Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn vorgesehen ist, dass die Erhebungen einen Basisdurchmesser im Bereich von 5 µm bis 25 µm aufweisen, deren Höhe im Bereich von 10 µm bis 50 µm liegt, und der Abstand der Erhebungen zueinander 5 µm bis 25 µm beträgt. Zudem sollte bei den Erhebungen das Verhältnis zwischen deren Höhe und deren Basisdurchmesser einen Wert von 1 bis 5 aufweisen. Die Oberfläche des Dichtungselements mit den erwähnten Erhebungen ist vorzugsweise in einer Form mit dazu inverser Oberflächengeometrie erzeugt worden.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Erhebungen an der Oberfläche des Dichtungselements nicht nur an der dem Lagerfett zugewandten Seite des Dichtungselements ausgebildet sind, sondern auch an einer von einem Innenraum zwischen den beiden Maschinenelementen fernen Außenseite des Dichtungselements. Dies kann insbesondere dann günstig sein, wenn das so beschichtete Dichtungselement ein Bestandteil einer Dichtungsanordnung ist, in der mehrere solche Dichtungselemente axial hintereinander angeordnet sind, beispielsweise zur Ausbildung einer Labyrinthdichtung oder Kassettendichtung.
Die Erfindung betrifft auch eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung eines Innenraumes zwischen einem drehbar angeordneten ersten Maschinenelement und einem drehfest angeordneten zweiten Maschinenelement, zwischen denen sich ein Dichtungselement erstreckt, wobei das Dichtungselement die gerade geschilderten Merkmale von wenigstens einem der Patentansprüche aufweist.
Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass das Dichtungselement als Dichtungsscheibe ausgebildet ist, welche an ihrem einen radialen Ende einen kreisförmigen Halteabschnitt aufweist, der am drehfest angeordneten zweiten Maschinenelement festgelegt ist, und die an ihrem anderen radialen Ende eine kreisförmige Dichtlippe aufweist, welche an dem drehbaren ersten Maschinenelement abdichtend anliegt.
Gemäß einer ersten Ausführungsform dieser Dichtungsanordnung ist vorgesehen, dass die beiden Maschinenelemente durch zwei koaxial und übereinander angeordnete Lagerringe gebildet sind, zwischen denen Wälzkörper angeordnet sind. Es liegt also ein Wälzlager vor. Abweichend davon kann aber auch auf die Anordnung von Wälzkörpern verzichtet sein, so dass wir es hier mit einem Gleitlager zu tun haben.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Dichtungsanordnung ist vorgesehen, dass das zweite Maschinenelement durch ein Gehäuse gebildet ist, dass das erste Maschinenelement eine Welle ist, welche koaxial in einer Bohrung des zweiten Maschinenelements angeordnet ist, und dass das als Dichtungsscheibe ausgebildete Dichtungselement radial außen in einer Ringnut in dem zweiten Maschinenelement befestigt ist.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter verdeutlicht, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt ist. In den Zeichnungen zeigen

1 einen teilweisen Querschnitt durch eine an einem Kugellager ausgebildete Dichtungsanordnung mit einem Dichtungselement gemäß der Erfindung,
2 eine sehr stark vergrößerte schematische Draufsicht auf die Oberfläche des Dichtungselements gemäß 1, auf der kegelförmige Erhebungen erkennbar sind, und
3 eine schematische Seitenansicht einer der kegelförmigen Erhebungen gemäß 2.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Demnach zeigt 1 ein Kugellager, welches einen drehbar angeordneten Lagerinnenring 2 und einen drehfest angeordneten Lageraußenring 3 aufweist. Der Lagerinnenring 2 könnte auch als eine Welle und der Lageraußenring 3 als ein Gehäuse mit einer Gehäusebohrung ausgebildet sein, welche jeweils Laufbahnen für radial zwischen diesen in einem Innenraum 12 angeordnete kugelförmige Wälzkörper 4 aufweisen. Die Wälzkörper 4 sind in einem Lagerkä5 angeordnet und werden durch diesen geführt sowie auf Abstand zueinander gehalten.
An dem einen hier erkennbaren axialen Ende des Kugellagers ist eine Dichtungsanordnung 1 vorhanden, mittels der ein in dem Innenraum 12 angeordnetes Lagerfett aus diesem Innenraum 12 nicht austreten kann. Hierzu weist die Dichtungsanordnung 1 ein scheibenförmiges Dichtungselement 7 auf, welches aus einem biegesteifen Ringkörper 8 und einem diesen Ringkörper 8 zumindest teilweise umgebenden elastischen Dichtungsmaterial 9 besteht. Das scheibenförmige Dichtungselement 7 weist an seinem radial äußeren Ende einen kreisförmigen Halteabschnitt 13 und an seinem radial inneren Ende eine Dichtlippe 14 auf. Die Dichtlippe 14 berührt hierbei abdichtend die radiale Außenmantelfläche des Lagerinnenrings 2. Der Halteabschnitt 13 ist in einer ringförmigen Nut 6 des Lageraußenrings 3 festgelegt.
Wie insbesondere die 2 und 3 zeigen, weist die Oberfläche 10 des Dichtungselements 7 mikroskopisch kleine Erhebungen 15 auf, die materialeinheitlich Bestandteil des elastischen Dichtungsmaterials 9 sind. Die Erhebungen weisen eine derartige Geometrie auf und sind derartig an der Oberfläche 10 ausgebildet, dass der Kontaktwinkel für einen dort angeordneten Flüssigkeitstropfen 160° bis 180° beträgt. Die Erhebungen 15 weisen in dem dargestellten, nicht maßstäblich gezeichneten Ausführungsbeispiel einen Basisdurchmesser D von 10 µm auf, und deren Höhe H beträgt 50 µm, so dass das Aspektverhältnis den Wert von fünf aufweist. Der Abstand S der Erhebungen 15 zueinander beträgt etwa 15 µm. Die Oberfläche 10 des Dichtungselements 7 mit dessen Erhebungen 15 ist in einer Form mit dazu inverser Oberflächengeometrie erzeugt worden, in die der Ringkörper 8 und dass diesen umgebende elastische Dichtungsmaterial 9 eingefügt wurden.
Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Dichtungselement 7 sowohl an seiner zum Innenraum 12 weisenden Seite 11 als auch an seiner innenraumfernen Seite eine Oberfläche 10 auf, welche mit den geschilderten Erhebungen 15 versehen sind. Hierdurch kann ein solches Dichtungselement 7 auch vorteilhaft in einer Tandem-Dichtung oder Kassettendichtung mit zwei axial hintereinander angeordneten Dichtungselementen 7 verwendet werden.
Die Erhebungen 15 an der Oberfläche 10 des Dichtungselements 7 reduzieren die Anhaftfähigkeit insbesondere des Lagerfetts, so dass im Betrieb des Kugellagers dessen Reibungsverluste verringert sind. Da die so gestaltete Oberfläche 10 des Dichtungselements 7 zudem auch hinsichtlich seiner Fähigkeit zu Abweisung von Wasser und Schmutz verbessert ist, sind auch diese Schutzfunktionen des erfindungsgemäß ausgebildeten Dichtungselements 7 im Vergleich zu bekannten technischen Lösungen verbessert.
Bezugszeichenliste

1: Dichtungsanordnung
2: Erstes Maschinenelement, Lagerinnenring
3: Zweites Maschinenelement, Lageraußenring
4: Wälzkörper
5: Lagerkäfig
6: Ringnut im Lageraußenring
7: Dichtungselement
8: Biegesteifer Ringkörper des Dichtungselements
9: Elastisches Dichtungsmaterial des Dichtungselements
10: Oberfläche des Dichtungsmaterials
11: Innenraumnahe Seite des Dichtungsmaterials
12: Innenraum zwischen den Lagerringen
13: Halteabschnitt des Dichtungselements
14: Dichtlippe des Dichtungselements
15: Kegelförmige Erhebung
D: Basisdurchmesser einer Erhebung
H: Höhe einer Erhebung
S: Abstand der Erhebungen zueinander

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015224044 A1 [0002]

Claims

Dichtungselement (7) zur Abdichtung zwischen zwei Maschinenelementen (2, 3), welches als Dichtungsscheibe ausgebildet ist und aus einem biegesteifen Ringkörper (8) besteht, an dem ein elastisches Dichtungsmaterial (9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Dichtungsmaterial (9) an seiner Oberfläche kegelförmige Erhebungen aufweist, die jeweils einen Basisdurchmesser (D) und eine Höhe (H) aufweisen, welche im Mikrometerbereich liegen.
Dichtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (15) einen Basisdurchmesser (D) im Bereich von 5 µm bis 25 µm aufweisen.
Dichtungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (15) eine Höhe (H) im Bereich von 10 µm bis 50 µm aufweisen.
Dichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (S) der Erhebungen (15) zueinander 5 µm bis 25 µm beträgt.
Dichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Erhebungen (15) das Verhältnis zwischen deren Höhe (H) und deren Basisdurchmesser (D) einen Wert von 1 bis 5 aufweist.
Dichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Erhebungen (15) versehene Oberfläche in einer Form mit dazu inverser Oberflächengeometrie erzeugt wurde.
Dichtungsanordnung (1) zur Abdichtung eines Innenraumes (12) zwischen einem drehbar angeordneten ersten Maschinenelement (2) und einem drehfest angeordneten zweiten Maschinenelement (3), zwischen denen sich ein Dichtungselement erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (7) die Merkmale von wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
Dichtungsanordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (7) als Dichtungsscheibe ausgebildet ist, welche an ihrem einen radialen Ende einen kreisförmigen Halteabschnitt (13) aufweist, der am drehfest angeordnetem zweiten Maschinenelement (3) festgelegt ist, sowie an ihrem anderen radialen Ende eine kreisförmige Dichtlippe (14) aufweist, welche an dem drehbaren ersten Maschinenelement (2) abdichtend anliegt.
Dichtungsanordnung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Maschinenelemente (2, 3) durch zwei koaxial und übereinander angeordnete Lagerringe gebildet sind, zwischen denen Wälzkörper (4) angeordnet sind.
Dichtungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Maschinenelement (3) durch ein Gehäuse gebildet ist, dass das erste Maschinenelement (2) eine Welle ist, welche koaxial in einer Bohrung des zweiten Maschinenelements (3) angeordnet ist, und dass das als Dichtungsscheibe ausgebildete Dichtungselement (7) radial außen in einer Ringnut (6) des zweiten Maschinenelements (3) befestigt ist.