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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung. Die Erfindung betrifft außerdem eine Lageranordnung mit der Dichtungsanordnung.
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Hintergrund der Erfindung
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In der
DE 10 2011 077 729 A1 wird eine Wälzlagerdichtung mit Elastomer basierter Vordichtung beschrieben. Die Dichtungsanordnung ist insbesondere eine Kassettendichtung mit einem Trägerring mit mindestens einer Dichtlippe und einem Abdeckring. Die Dichtlippe bildet einen ständig schleifenden Dichtkontakt an dem Abdeckring. Weiterhin weist der an einem radial ausgerichteten Trägerringteil angeordnete elastische Teil einen axialen Überstand auf, der ein radiales Endstück des Abdeckrings zumindest teilweise abdeckt. Der Überstand übernimmt teilweise die Dichtfunktion.
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Die
DE 10 2010 015 200 A1 beschreibt eine Kassettendichtung mit einer Dichtscheibe und einer Schleuderscheibe, die beide L-förmig ausgebildet sind. Die Dichtscheibe weist mindestens eine elastische Dichtlippe auf, die mit der Schleuderscheibe in Kontakt steht. Weiterhin ist der axiale Profilschenkel der Schleuderscheibe, welcher fest an einem Lagerring angeordnet ist, mit einem zusätzlichen Stabilisierungsring befestigt.
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Aus der
DE 10 2008 030 710 A1 ist eine Kassettendichtung bekannt, die zwischen zwei rotierbaren und koaxial angeordneten Elementen einer Baugruppe angeordnet ist. Die Kassettendichtung umfasst eine Dichtscheibe und eine Schleuderscheibe, die beide im Wesentlichen L-förmige Querschnitte aufweisen. Die Dichtscheibe umfasst mindestens eine Dichtlippe, die mit der Schleuderscheibe in Kontakt steht. Weiterhin umfasst die Schleuderscheibe eine Dichtlippe, welche bei Stillstand oder niedrigen Drehzahlen des Elements an der Dichtscheibe anliegt. Ab einer definierten Drehzahl hebt sich die axial ausgerichtete Dichtlippe der Schleuderscheibe aufgrund wirkender Fliehkräfte von der Dichtscheibe in radialer Richtung ab. Bei axialer Verlagerung des Elements auf der die Schleuderscheibe angeordnet ist, liegt die Dichtlippe der Schleuderscheibe entweder nicht mehr an der Dichtscheibe an oder sie kommt an dem Element, an dem die Dichtscheibe angeordnet ist, zum Anliegen. Somit kann bei einer axialen Verschiebung bzw. einem Lagerspiel keine Abdichtung gegenüber einem Medium gewährleistet werden oder es besteht eine zu hohe Flächenpressung, die zu hoher Reibleistung mit einhergehender Erwärmung und Verschleiß führt.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine Dichtungsanordnung zur Verfügung zu stellen, welche eine geringe Reibleistung aufweist und die Dichtheit bei axialen Verlagerungen im Lager gewährleistet.
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Beschreibung der Erfindung
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Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch eine Dichtungsanordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch eine Lageranordnung gemäß dem Anspruch 10.
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Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung dient der Abdichtung eines Raumes gegenüber einem Medium. Der Raum wird zwischen einem radial außen liegenden Maschinenelement und einem radial innen liegenden Maschinenelement aufgespannt, die um eine gemeinsame Rotationsachse rotierbar sind. Die Dichtungsanordnung umfasst einen Trägerring, der sich axial erstreckt. Der Trägerring ist an dem radial außen liegenden Maschinenelement anbringbar. Weiterhin umfasst die Dichtungsanordnung ein Dichtelement, das vorzugsweise aus einem Metall besteht und an dem Trägerring drehfest befestigt ist. Das Dichtelement weist einen etwa U-förmigen Querschnitt mit einem radial außen liegenden und einem radial innen liegenden Dichtelementschenkel auf. Die Dichtelementschenkel erstrecken sich axial. Vorzugsweise liegt das Dichtelement mittels dem dem Trägerring naheliegenden bzw. dem radial außen liegenden Dichtelementschenkel an. Weiterhin umfasst die Dichtungsanordnung einen Laufring, der an dem radial innen liegenden rotierbaren Maschinenelement befestigt wird. Der Laufring ist zumindest teilweise elastisch ausgebildet. Bevorzugt besteht der elastische Teil des Laufrings aus einem Elastomer. Der Laufring weist eine elastische Dichtlippe auf, die axial ausgerichtet ist und sich in den U-förmigen Querschnitt des Dichtelements erstreckt. Während des Stillstands der Maschinenelemente liegt die Dichtlippe dichtend an dem radial innen liegenden Dichtelementschenkel an, wobei die Dichtlippe insbesondere an einer radial außen liegenden Dichtfläche des radial innen liegenden Dichtelementschenkels dichtend anliegt. Mit zunehmender Drehzahl des innen liegenden Maschinenelements, auf dem der Laufring angeordnet ist, verringert sich die Flächenpressung der Dichtlippe an dem Dichtelement aufgrund einer durch wirkende Fliehkräfte einwirkende Radialkraft, welche die Dichtlippe radial nach außen treibt. Die auf die Dichtlippe wirkende Radialkraft bewirkt die gegenüber dem radial innen liegenden Dichtelementschenkel verringerte Flächenpressung. Ab einer vorbestimmten Drehzahl des innen liegenden Maschinenelements ist die Radialkraft größer als die durch die Dichtlippe im statischen Zustand auf das Dichtelement aufgebrachte Flächenpressung, sodass die Dichtlippe abhebt und eine zum radial innen liegenden Dichtelementschenkel beabstandete Position einnimmt. Die Dichtfläche des radial innen liegenden Dichtelementschenkels, an dem die Dichtlippe anliegt, steigt gegenüber der Rotationsachse in einem Winkel zwischen 5° und 35° in Richtung zum freien Ende der Dichtlippe hin an. Der Winkel ist so gewählt, dass die Dichtlippe des Laufrings im Stillstand an dem Dichtelementschenkel dichtend anliegt. Die Abdichtung durch die Dichtungsanordnung funktioniert unter Verwendung des Effekts der Fliehkraft und ist somit fliehkraftgeregelt.
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Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung hat den Vorteil, dass durch Ausnutzung der Fliehkraft die Flächenpressung bzw. Kontaktpressung zwischen dem Laufring und dem Dichtelement entsprechend der Drehzahl des radial inneren Maschinenelements veränderbar, insbesondere verringerbar ist und dadurch Reibung und damit einhergehende Reibwärme sowie Lagertemperaturerhöhungen verringert werden. Die Dichtungsanordnung führt somit zu einer verbesserten Energiebilanz. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Verschleiß der Dichtungsbauteile aufgrund der geringeren Reibung verringert wird. Insbesondere wird der Verschleiß am axialen Ende der Dichtlippe verringert.
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Die Dichtlippe ist vorzugsweise so ausgeführt, dass sie gegenüber der Rotationsachse in einem Winkel zwischen 10° und -10° geneigt ist, wobei sie beim Stillstand der Maschinenelemente an der radial außen liegenden Dichtfläche des radial innen liegenden Dichtelementschenkels anliegt. Durch den bevorzugten Winkel ist eine Entlastung oder ein Abheben der Dichtlippe, während der Rotation des radial innen liegenden Maschinenelements, von dem radial innenliegenden Dichtelementschenkel gesichert.
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Während des Stillstands der Maschinenelemente zueinander liegt die Dichtlippe bevorzugt mit einer Fläche an dem Dichtelementschenkel an, die in ihrer Ausdehnung vorzugsweise maximal der Hälfte und minimal einem Viertel der Erstreckung der Dichtlippe entspricht. Demnach weist die Dichtlippe mit der Dichtfläche ein nennenswertes Überdeckungsmaß auf.
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Besonders bevorzugt steigt die Dichtfläche des radial innen liegenden Dichtelementschenkels gegenüber der Rotationsachse in einem Winkel zwischen 10° und 20° in Richtung zum freien Ende der Dichtlippe hin an. Durch diesen besonders bevorzugten Winkel kann das größtmögliche Axialspiel im Lager kompensiert werden, welches beispielsweise beim Einbau der Dichtungsanordnung in ein Lager entsteht, wobei die Dichtwirkung auch während des Stillstands der Maschinenelemente bestehen bleibt. Zudem kann durch den besonders bevorzugten Winkel, während der Rotation des radial inneren Maschinenelements, die durch die Fliehkraft bestehende Radialkraft derart auf die Dichtlippe wirken, dass sich diese von dem radial inneren Dichtelementschenkel abhebt.
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Vorzugsweise liegt die Dichtlippe auch während einer geringen Drehzahl des radial innen liegenden Maschinenelements, beispielsweise bis zu 1/3 oder 1/2 der jeweils für die Anordnung geltenden Maximaldrehzahl, an dem Dichtelement dichtend an.
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Bevorzugt ist das Dichtelement unmittelbar an dem Trägerring drehfest befestigt. Alternativ bevorzugt liegt das Dichtelement mittelbar drehfest an dem Trägerring an. Der Trägerring besteht bevorzugt aus einem nicht elastischen Material. Bevorzugt ist der Trägerring aus einem Metall. Der Trägerring und das Dichtelement bilden gemeinsam den statischen Dichtungsteil, der bevorzugt zweiteilig ausgebildet ist.
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Bevorzugt weist der Laufring eine Armierung mit L-förmigem Querschnitt auf, wobei sich ein Laufringschenkel axial und der andere Laufringschenkel radial erstreckt. Der elastische Teil des Laufrings ist vorzugsweise um bzw. an dem radialen Laufringschenkel angeordnet. Insbesondere ist die Dichtlippe an dem radialen Laufringschenkel angeordnet.
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Das U-förmige Dichtelement ist zum Laufring hin geöffnet, sodass die Dichtelementschenkel im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse liegen und zumindest ein Ende eines Dichtelementschenkels sich zum Laufring hin erstreckt, insbesondere in Richtung des radialen Laufringschenkels.
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In einer Ausführungsform weist der radial innen liegende Dichtelementschenkel ein in Richtung des radial innen liegenden Maschinenelements abgewinkeltes Endstück auf, sodass dessen Ende parallel zur Rotationsachse liegt.
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Zwischen dem radial innen liegenden Dichtelementschenkel und dem radial innen liegenden Maschinenelement befindet sich vorzugsweise der axiale Laufringschenkel. Vorzugsweise besteht zwischen dem Ende des radial innen liegenden Dichtelementschenkels und dem axialen Laufringschenkel ein erster Spalt. Ebenso besteht vorzugsweise zwischen dem Trägerring, dem daran angeordneten Dichtelementschenkel und dem radialen Laufringschenkel ein zweiter Spalt. Bevorzugt ist der zweite Spalt winklig ausgebildet, sodass er sich sowohl radial als auch axial erstreckt.
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Ein Dichtungseingang der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung, der durch die Spalte gebildet wird, ist vorzugsweise labyrinthartig ausgebildet. Die Dichtungsanordnung weist bevorzugt mindestens einen Dichtungseingang auf der lagerabgewandten Seite und einen Dichtungseingang auf der lagerzugewandten Seite auf. Der erste und der zweite Spalt dienen dem Schutz vor eindringenden Medien, wie Wasser. Bevorzugt weisen die Spalte eine geringe Höhe auf, was zur Minimierung von Wassereintritt in das Lager führt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist an dem axialen Laufringschenkel eine weitere Dichtlippe angeordnet, die als Schutzlippe am gegenüberliegenden Dichtungseingang schützend und abdichtend wirkt.
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Das Dichtelement, der Trägerring und der Laufring bilden zusammen eine Kassettendichtung.
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Bevorzugt weist die Dichtungsanordnung mindestens eine Fettfüllung auf. Vorzugsweise ist das Fett in einem Raum, der durch den Laufring mit der Dichtlippe sowie dem Dichtelement aufgespannt ist, eingebracht. Alternativ bevorzugt ist das Fett in einen Raum, der durch den Laufring mit der Schutzlippe sowie dem Dichtelement aufgespannt ist, eingebracht. Besonders bevorzugt ist das Fett mindesten in die beiden zuvor beschriebenen durch die Dichtlippe und die Schutzlippe aufgespannten Räume eingebracht. Durch einbringen von Öl in die Räume wird die Gefahr des Eintritts von Wasser in das Lager verringert.
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Die erfindungsgemäße Lageranordnung ist als ein Bahn-Radsatzlager ausgebildet. Sie umfasst ein radial außen liegendes Maschinenelement und ein radial innen liegendes Maschinenelement, die gemeinsam um eine Rotationsachse angeordnet sind und um diese rotierbar sind. Zwischen den beiden Maschinenelementen ist ein Raum aufgespannt. Die Lageranordnung umfasst weiterhin eine Dichtungsanordnung, welche zwischen den Maschinenelementen angeordnet ist und der Abdichtung des Raumes gegenüber einem Medium dient. Die Dichtungsanordnung entspricht der zuvor beschriebenen Dichtungsanordnung sowie deren Ausführungsformen.
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Das radial innen liegende Maschinenelement ist vorzugsweise ein Innenring oder eine Welle und das radial außen liegende Maschinenelement ist bevorzugt ein Außenring oder ein Gehäuse.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Schnittansicht einer Lageranordnung mit einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung,
- 2 eine Schnittansicht eines Details der in 1 gezeigten Dichtungsanordnung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Schnittansicht einer Lageranordnung 01 mit einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung 02. Die Dichtungsanordnung 02 dient der Abdichtung eines Lagerraumes 03 zwischen einem Außenring 04 und einem Innenring 06. Die beiden Maschinenelemente, nämlich der Außenring 04 und der Innenring 06, weisen eine gemeinsame Rotationsachse 07 auf. Die Dichtungsanordnung 02 umfasst einen Trägerring 08, ein Dichtelement 09 sowie einen Laufring 11.
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Der Trägerring 08 ist an dem Außenring 04 drehfest befestigt und weist eine axiale Erstreckung auf. Der Trägerring 08 ist S-förmig abgewinkelt, wobei sich das Ende des Trägerrings 08 weiterhin axial erstreckt.
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An dem Trägerring 08 ist das Dichtelement 09 befestigt, das aus einem Metall besteht. Das Dichtelement 09 weist einen U-förmigen Querschnitt auf, wobei sich ein radial außen liegender Dichtelementschenkel 12 und ein radial innen liegender Dichtelementschenkel 13 axial erstrecken. Der radial innen liegende Dichtelementschenkel 13 weist eine radial außen liegende Dichtfläche 14 auf.
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Der Laufring 11 ist drehfest an dem Innenring 06 angebracht. Der Laufring 11 weist im Wesentlichen einen L-förmigen Querschnitt auf, wobei sich ein erster Laufringschenkel 16 axial erstreckt und ein zweiter Laufringschenkel 17 sich radial erstreckt. Ein Teil des Laufrings 11 besteht aus einer L-förmigen Armierung 18, ein weiterer Teil ist elastisch ausgebildet und umfasst insbesondere eine Dichtlippe 19. Die Dichtlippe 19 erstreckt sich axial in den U-förmigen Querschnitt des Dichtelements 09 und ist gegenüber der Rotationsachse 07 in einem Winkel α1 (2) zwischen +10° und -10° abgewinkelt. Während des Stillstands der Maschinenelemente 04, 06 liegt die Dichtlippe 19 an der Dichtfläche 14 des radial innen liegenden Dichtelementschenkels 13 dichtend an, wobei eine Flächenpressung besteht. Mit zunehmender Drehzahl des rotierbaren Innenrings 06 mit dem daran angeordneten Laufring 11 wirkt aufgrund wirkender Fliehkräfte eine Radialkraft auf die Dichtlippe 19, was zu einer verringerten Flächenpressung führt oder ein Abheben der Dichtlippe 19 von dem radial innen liegenden Dichtelementschenkel 13 bewirkt. Somit ist die Dichtheit im Lager während des Stillstands gewährleistet und während der Rotation wird durch das Abheben der Dichtlippe 19 eine überhöhte Lagererwärmung durch zu hohe Reibleistung vermieden, da die Reibung verringert wird.
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Um die Funktion während des Stillstands und während der Rotation der Maschinenelemente 04, 06 zu gewährleisten, ist der radial innen liegende Dichtelementschenkel 13 mit der Dichtfläche 14 gegenüber der Rotationsachse 07 in einem Winkel α2 (2) zwischen 5° und 35°in Richtung zum freien Ende der Dichtlippe 19 geneigt. Vorteilhafterweise liegt der Neigungswinkel α2 ( 2) zwischen +10° und +20° gegenüber der Rotationsachse 07. Die Dichtlippe 19 liegt während des Stillstands mit einer Fläche an der Dichtfläche 14 an, die maximal der Hälfte und minimal einem Viertel der Erstreckung der Dichtlippe 19 entspricht.
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Der Laufring 11 weist eine Schutzlippe 21 auf. Die Schutzlippe 21 erstreckt sich axial in den U-förmigen Querschnitt des Dichtelements 09 und liegt beabstandet zu der Dichtlippe 19, wobei die Schutzlippe 21 radial außen liegend an dem Laufring 11 angeordnet ist. Die Schutzlippe 21 ist abgewinkelt ausgebildet. Die Schutzlippe 21 wirkt zusätzlich dichtend.
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Um die Dichtheit gegenüber beispielsweise Wasser zu erhöhen, ist die Dichtungsanordnung 02 labyrinthartig ausgebildet. An ihrer lagerzugewandten Seite weist die Dichtungsanordnung 02 einen ersten Spalt 22 auf, der radial zwischen dem Ende des radial innen liegenden Dichtelementschenkels 13 und dem axialen Laufringschenkel 16 aufgespannt ist. Der geneigte radial innen liegende Dichtelementschenkel 13 ist an seinem Ende abgewinkelt ausgebildet, sodass eine Endfläche 24 parallel und beabstandet zu dem axialen Laufringschenkel 16 liegt. Zwischen den Enden des Trägerrings 08, des radial außen liegenden Dichtelementschenkels 12 und dem Laufring weist die Dichtungsanordnung 02 an ihrer lagerabgewandten Seite einen zweiten Spalt 23 auf, der abgewinkelt ausgebildet ist. Weiterhin kann die Dichtungsanordnung 02 in einem entsprechenden Freiraum Fettfüllungen 26 aufweisen, die der Abdichtung gegen Wasser dienen. Die Fettfüllungen 26 sind zum einen in einen Raum zwischen radial außen liegendem Dichtelementschenkel 12, Laufring 11 und Schutzlippe 21 und zum anderen in einen Raum zwischen radial innen liegendem Dichtelementschenkel 13, Laufring 11 und Dichtlippe 19 eingebracht.
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2 zeigt ein Detail der in 1 gezeigten Dichtungsanordnung 02. Der Ausschnitt zeigt den radial innen liegenden Dichtelementschenkel 13 des Dichtelements 09 sowie die Dichtlippe 19, welche an dem Laufring 11 angeordnet ist. Weiterhin sind in 2 der zwischen der Dichtlippe 19 und der Rotationsachse (nicht gezeigt) aufgespannte Winkel α1 sowie der Neigungswinkel α2 des Dichtelementschenkels 13 gegenüber der Rotationsachse (nicht gezeigt) eingezeichnet. Weiterhin ist dargestellt, wie die Dichtlippe 19 an der radial außen liegenden Dichtfläche 14 des radial innen liegenden Dichtelementschenkels 13 im Stillstand dichtend anliegt.
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Ein wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung 02 ist, dass ein axial auftretendes Lagerspiel kompensiert werden kann und die Abdichtung bestehen bleibt sowie Reibleistungen minimiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Lageranordnung
- 02
- Dichtungsanordnung
- 03
- Lagerraum
- 04
- Außenring
- 05
- -
- 06
- Innenring
- 07
- Rotationsachse
- 08
- Trägerring
- 09
- Dichtelement
- 10
- -
- 11
- Laufring
- 12
- radial außen liegender Dichtelementschenkel
- 13
- radial innen liegender Dichtelementschenkel
- 14
- Dichtfläche
- 15
- -
- 16
- axialer Laufringschenkel
- 17
- radialer Laufringschenkel
- 18
- Armierung
- 19
- Dichtlippe
- 20
- -
- 21
- Schutzlippe
- 22
- erster Spalt
- 23
- zweiter Spalt
- 24
- Dichtelementendfläche
- 25
- -
- 26
- Fettfüllung
- α1
- Neigungswinkel der Dichtlippe
- α2
- Neigungswinkel des radial innen liegenden Dichtelementschenkels
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011077729 A1 [0002]
- DE 102010015200 A1 [0003]
- DE 102008030710 A1 [0004]
