DE102018101656A1 - Radial shaft sealing device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radialwellen-Dichtungsvorrichtung (1) zur Abdichtung eines Maschinengehäuses (2) an einer austretenden Welle (3) gegenüber der Umgebung (A), die einen Radialwellendichtring (5) mit eigenem Gehäuse (4) zur Fixierung in einem Maschinengehäuse (2) oder einem Gehäusedeckel aufweist, und eine Dichtlippe (8) des Radialwellendichtrings (5) mit einem eng benachbarten Abschnitt (9) einer Oberfläche (10) der Welle (3) oder der Wellenhülse (3') zusammenwirkt, um eine Dichtwirkung hervorzugrufen. Um die Dauereigenschaften einer Dichtungsvorrichtung der genannten Art zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass der Radialwellendichtring (5) zu einem doppeltwirkenden Radialwellendichtring weitergebildet ist, indem der Radialwellendichtring (5) bei hoher Dichtwirkung in dem Gehäuse (4) drehbar und/oder in dem Gehäuse (4) radial verschiebbar ist The present invention relates to a radial shaft sealing device (1) for sealing a machine housing (2) on an emerging shaft (3) from the environment (A), which has a radial shaft sealing ring (5) with its own housing (4) for fixing in a machine housing ( 2) or a housing cover, and a sealing lip (8) of the radial shaft sealing ring (5) with a closely adjacent portion (9) of a surface (10) of the shaft (3) or the shaft sleeve (3 ') cooperates to evoke a sealing effect. In order to improve the permanent properties of a sealing device of the type mentioned, it is proposed that the radial shaft sealing ring (5) is developed into a double-acting radial shaft seal by the radial shaft seal (5) in the housing (4) rotatable and / or in the housing (3) with high sealing effect. 4) is radially displaceable
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Radialwellen-Dichtungsvorrichtung, die zur Abdichtung eines Maschinengehäuses an einer austretenden Welle gegenüber der Umgebung vorgesehen ist.The present invention relates to a radial shaft sealing device, which is provided for sealing a machine housing on an exiting shaft from the environment.
Radialwellendichtringe, kurz RWDR, sind einbaufertige Dichtelemente, die durch radiale Pressung mindestens einer Dichtlippe auf einer Welle oder Wellenhülse eine Dichtwirkung erzielen. Sie werden vorzugsweise zur Abdichtung von drehenden Wellen verwendet, die aus einem Maschinengehäuse austreten und gegenüber einer äußeren Umgebung abzudichten sind. Eine erforderliche radiale Anpressung wird durch den Aufbau der Dichtung bestimmt bzw. durch die radiale Anpressung der Dichtlippe gegenüber der Welle. Zum Einbau in einer entsprechenden Ausnehmung eines Maschinengehäuses ist ein Radialwellendichtring von einem eigenen Gehäuse umgeben und bildet damit eine Radialwellendichtung als einbaufertiges Bauteil.Radial shaft seals, short RWDR, are ready-to-install sealing elements, which achieve a sealing effect by radial pressure of at least one sealing lip on a shaft or shaft sleeve. They are preferably used for sealing rotating shafts which exit from a machine housing and are to be sealed against an external environment. A required radial contact pressure is determined by the structure of the seal or by the radial contact pressure of the sealing lip relative to the shaft. For installation in a corresponding recess of a machine housing, a radial shaft sealing ring is surrounded by its own housing and thus forms a radial shaft seal as a ready-to-install component.
Aus dem Stand der Technik sind diverse Ansätze zur konstruktiven Ausbildung von Radialwellendichtringen der genannten Art bekannt, siehe u.a.
Eine statische wie auch dynamische Abdichtwirkung von Radialwellendichtringen ist in der vorstehend beschriebenen Weise nur an der Kontaktfläche zwischen Welle und Dichtlippe möglich. Diese Kontaktfläche ist in der Regel sehr schmal, und die Anpressung der Dichtlippe auf die Welle ist gering sowie radial begrenzt. Dadurch sind die Möglichkeiten einen Radialwellendichtring vielseitiger einzusetzen, z.B. als Labyrinth-Dichtung bei starker Schmutzabdichtung, bei starker radialer Auslenkung der Welle usw., sehr eingeschränkt.A static as well as dynamic sealing effect of radial shaft seals is possible in the manner described above only at the contact surface between the shaft and the sealing lip. This contact surface is usually very narrow, and the contact pressure of the sealing lip on the shaft is small and radially limited. Thereby, the possibilities are more versatile to use a radial shaft seal, e.g. as a labyrinth seal with strong dirt seal, with strong radial deflection of the shaft, etc., very limited.
Die vorliegende Erfindung hat daher das Ziel, die Dichtungseigenschaften einer Radialwellen-Dichtungsvorrichtung der genannten Art zu verbessern.The present invention therefore has the object to improve the sealing properties of a radial shaft sealing device of the type mentioned.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Radialwellen-Dichtring zu einem doppeltwirkenden Radialwellendichtring dahingehend weitergebildet ist, dass der Radialwellendichtring bei hoher Dichtwirkung in dem Gehäuse drehbar und/oder in dem Gehäuse radial verschiebbar ist. Damit wird ein anpassungsfähiges und flexibles Dichtungssystem geschaffen, das abhängig von einem Außen-Durchmesser der Dichtlippe bzw. des Radialwellendichtrings in dem Gehäuse auch sehr starke radiale Auslenkungen der jeweiligen Welle abzudichten im Stande ist, bei denen eine radiale Rückstellung einer herkömmlich bekannten Dichtlippe relativ zu der Welle auf Grund der geringen Berührfläche nicht mehr möglich wäre. Dabei wird eine Montage einer erfindungsgemäßen Radialwellendichtung gegenüber bekannten Radialwellendichtung nicht durch Abweichungen von einem gewohnten Arbeitsablauf erschwert, da sie nach wie vor über das Gehäuse des Radialwellendichtrings erfolgt.This object is achieved by the features of
Die Laufeigenschaften in dem Kontaktebereich von Radialwellendichtring und Gehäuse lassen sich durch Materialkombinationen optimieren, wie sie z.B. aus dem Bereich der axialen Gleitringdichtungen her grundsätzlich bekannt sind. Die Dreheigenschaften der einzelnen Bauteile können eingestellt werden, je nachdem welche radiale Anpressung die Welle gegenüber der Dichtlippe des Radialwellendichtrings hat und/oder wie groß ein Dichtspalt zwischen einer Dichtlippe des Radialwellendichtrings und Gehäuse ist. Erfindungsgemäß sind damit nun eine Drehbewegung zwischen der Welle und der Dichtlippe des Radialwellendichtrings, wie auch eine Drehbewegung nur zwischen dem Gehäuse und dem Radialwellendichtring möglich. Somit sind nun Relativbewegungen zwischen dem Gehäuse und dem Radialwellendichtring und weiterhin eine Bewegung zwischen der Welle und der Dichtlippe des Radialwellendichtrings bei insgesamt guter Dichtungsfunktionalität realisierbar.The running characteristics in the radial shaft seal and housing contact area can be optimized by combinations of materials, such as those described in U.S. Pat. are basically known from the field of axial mechanical seals ago. The rotational properties of the individual components can be adjusted, depending on which radial contact pressure the shaft has against the sealing lip of the radial shaft sealing ring and / or how large a sealing gap between a sealing lip of the radial shaft seal and housing. According to the invention, a rotational movement between the shaft and the sealing lip of the radial shaft sealing ring, as well as a rotational movement only between the housing and the radial shaft sealing ring are now possible. Thus, relative movements between the housing and the radial shaft sealing ring and, furthermore, a movement between the shaft and the sealing lip of the radial shaft sealing ring can be realized with overall good sealing functionality.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche. Demnach ist die Bewegung des Radialwellendichtrings in dem Gehäuse einstellbar, insbesondere durch eine elastische Sekundärdichtung. Alternativ oder zusätzlich ist ein metallisches, axial vorspannendes Federelement oder eine Federplatine für diese Funktion vorgesehen, wie beispielsweise eine Druckfeder, Tellerfeder oder ein federunterstützter Nutring. Je nach den Bedingungen eines Einsatzes kann das vorspannende Federelement durch ein Elastomer oder eine Mischung mehrerer Elastomer-Körper oder aber eine Federplatine gebildet sein. Die letztgenannte Alternative bietet insbesondere bei höheren Temperaturen in Kombination mit metallischen Radialwellendichtringen große Vorteile.Advantageous developments are the subject of the respective dependent claims. Accordingly, the movement of the radial shaft seal in the housing is adjustable, in particular by a resilient secondary seal. Alternatively or additionally, a metallic, axially biasing spring element or a spring plate for this function is provided, such as a compression spring, disc spring or a spring-supported U-ring. Depending on the conditions of an insert, the biasing spring element may be formed by an elastomer or a mixture of a plurality of elastomeric body or a spring plate. The latter alternative offers great advantages, especially at higher temperatures in combination with metallic radial shaft seals.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine entsprechende Ausgestaltung des Dichtelements vorgesehen, durch die eine Labyrinthfunktion auch zwischen dem Radialwellendichtring und dem Gehäuse bei in radialer Richtung verschiebbarem Dichtungselement realisiert ist. Der Radialwellendichtring ist in dem Gehäuse so eingestellt, dass die Drehbewegung zwischen Gehäuse und Dichtlippe bzw. Radialwellendichtring stattfinden kann, wobei eine ausreichende statische wie dynamische Abdichtung in einer entsprechenden Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen wird, dass der Radialwellendichtring und/oder ein in einer Einbaulage dem Radialwellendichtring angrenzender Bereich als Labyrinthdichtung ausgebildet ist. Damit kann ein solcher Radialwellendichtring z.B. bei starker Schmutzabdichtung vorteilhaft eingesetzt werden. In a particularly advantageous embodiment of the invention, a corresponding embodiment of the sealing element is provided by which a labyrinth function is also realized between the radial shaft sealing ring and the housing with radially displaceable sealing element. The radial shaft seal is set in the housing so that the rotational movement between the housing and sealing lip or radial shaft seal can take place, with a sufficient static and dynamic sealing in a corresponding embodiment of the invention is proposed that the radial shaft seal and / or in a mounting position the radial shaft seal adjacent area is designed as a labyrinth seal. Thus, such a radial shaft seal can be used advantageously, for example, with heavy dirt seal.
Vorzugsweise weist ein Radialwellendichtring gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Profilierung z.B. in Form konzentrischer Einstiche eine Labyrinth-Dichtungsfunktion und/oder eine Drallstruktur an einem Kontaktbereich mit einer Innenfläche des Gehäuses oder eine entsprechend ausgebildete Gehäuseinnenseite auf. Damit können bei einer Drehbewegung eine Verbesserung der dynamischen Dichtheit insbesondere durch Aufbau einer hydrodynamischen Pumpwirkung bei guter statischer innerer Dichtheit, und/oder eine Verbesserung der Reibungsverhältnisse bewirkt werden.Preferably, a radial shaft seal according to an embodiment of the invention, a profiling, e.g. in the form of concentric punctures on a labyrinth seal function and / or a swirl structure at a contact area with an inner surface of the housing or a housing interior formed accordingly. In this way, during a rotational movement, an improvement in the dynamic tightness can be brought about, in particular by setting up a hydrodynamic pumping action with good static internal tightness, and / or an improvement in the friction conditions.
Vorteilhafterweise werden die Reibungsverhältnisse in einer Ausführungsform insbesondere dadurch verbessert, dass eine Schmierung durch Fett und vorzugsweise ein Fettdepot zum Einbringung von Fett vorgesehen ist.Advantageously, the friction conditions are improved in one embodiment, in particular by the fact that a lubrication by fat and preferably a grease depot is provided for the introduction of grease.
Die vorstehend mit Varianten und Weiterbildungen angegebene Radialdichtung ist vorteilhaft auch bei wechselnden Einsatzbedingungen durch ihr Ausgleichsvermögen einsetzbar. Auch z.B. starke Druckstöße kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene axiale Dichtungsfläche nach Art einer „Rutschkupplung“ ausgleichen und so die Belastung zwischen Dichtlippe und Welle deutlich reduzieren.The radial seal given above with variants and developments can be used advantageously even under changing conditions of use by their compensating ability. Also, e.g. strong pressure surges can compensate for the inventively proposed axial sealing surface in the manner of a "slip clutch" and thus significantly reduce the load between the sealing lip and shaft.
Die Dichtlippe des Radialwellendichtrings ist vorzugsweise aus einem PTFE-Compound gebildet. Der Radialwellendichtring besteht in einer wesentlichen Weiterbildung der Erfindung für einen Einsatz bei höheren Temperaturen und/oder höheren Drehzahlen aus einem Metall, vorzugweise aus einem Buntmetall, wie z.B. einer Lagerbronze. Das Metall des Radialwellendichtrings und/oder des Gehäuses und/oder der Welle im Kontakt mit der Dichtlippe weisen eine Oberfläche mit hoher Oberflächengüte und mindestens im Bereich der Dichtungsfunktion eine dauerhaft ausgebildete Drallstruktur auf. Die Drallstruktur ist dabei dadurch dauerhaft ausgebildet, dass sie mit einer Tiefe von ungefähr 20 µm bis zu ca. 100 µm, vorzugsweise aber mit einer Tiefe von mindestens 25 µm in die Oberfläche als eine Rille oder mehrere Rillen eingebracht ist, die spiralförmig ein- oder mehrgängig in der Oberfläche verlaufend vorgesehen sind, wobei eine Rille der Drallstruktur ein im Wesentlichen V- oder U-förmiges Profil bei einem Öffnungswinkel von etwa 20° bis 50° aufweist, vorzugsweise von 25° bis 35°, und das Profil der Rille dieser Drallstruktur insbesondere asymmetrisch ausgebildet ist. Ferner weist eine Rille eine radiale Steigung zwischen 1° und 45°, vorzugweise aber ca. 10° auf. Diese Bauform ist insbesondere für eine schnelllaufende Anwendung besonders geeignet und hält auch starker thermischer Belastung Stand, wie sie z.B. durch Betriebstemperaturen von über 250°C an einer heißen Seite eines Turboladers gegeben sind. Insbesondere eignet sind ein derartiger Radialdichtring aus Metall für die Abdichtung schnelllaufender Wellen im Turboladerbereich bei starker dynamischer Auslenkung, sehr hohen Temperaturen in Kombination mit einer metallischen Dichtlippe z.B. aus Buntmetall und einer gedrehter Drallstruktur. Vorteilhaft ist eine Kombination, bei der eine dauerhafte, gedrehte Drallstruktur auch auf der Welle vorgesehen ist.The sealing lip of the radial shaft sealing ring is preferably formed from a PTFE compound. The radial shaft seal is in a significant development of the invention for use at higher temperatures and / or higher speeds of a metal, preferably of a non-ferrous metal, such as. a camp bronze. The metal of the radial shaft seal and / or the housing and / or the shaft in contact with the sealing lip have a surface with high surface quality and at least in the region of the sealing function on a permanently formed swirl structure. The swirl structure is thereby formed permanently in that it is introduced with a depth of about 20 microns to about 100 microns, but preferably at a depth of at least 25 microns in the surface as a groove or a plurality of grooves, the spiral on or a groove of the swirl structure having a substantially V- or U-shaped profile at an opening angle of about 20 ° to 50 °, preferably from 25 ° to 35 °, and the profile of the groove of this swirl structure is designed in particular asymmetric. Furthermore, a groove has a radial slope between 1 ° and 45 °, but preferably about 10 °. This design is particularly suitable for high-speed application and also withstands severe thermal stress, as it is e.g. given by operating temperatures of over 250 ° C on a hot side of a turbocharger. Particularly suitable are such a metal radial seal for the sealing of high-speed shafts in the turbocharger area with strong dynamic deflection, very high temperatures in combination with a metallic sealing lip, for. Made of non-ferrous metal and a twisted twist structure. Advantageously, a combination in which a permanent, twisted twist structure is also provided on the shaft.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind der Radialwellendichtring, das Gehäuse in einem Kontaktbereich mit dem Radialwellendichtring und/oder die Dichtlippe mit entsprechenden Beschichtungen zur Erreichung optimierter Gleitbedingungen versehen. Hierzu sind z.B. keramische Chromoxyd-Beschichtungen vorgesehen, die an Gehäuse, Welle und Radialwellendichtring in all den Bereichen vorgesehen sind, die zur Dichtungsfunktionalität bei Relativbewegung beitragen.In an advantageous development of the invention, the radial shaft sealing ring, the housing in a contact region with the radial shaft sealing ring and / or the sealing lip are provided with corresponding coatings for achieving optimized sliding conditions. For this, e.g. provided with ceramic chromium oxide coatings, which are provided on housing, shaft and radial shaft seal in all the areas that contribute to the sealing functionality during relative movement.
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
-
1 : ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß vorliegender Erfindung mit einer geschnittenen Seitenansicht der rotationssymmetrischen Anordnung; -
2 : ein zweites Ausführungsbeispiel in einer Darstellung analog der von1 ; -
3 : ein drittes Ausführungsbeispiel in Darstellungen analog derer der vorhergehenden Figuren; -
4 : eine weitere Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels mit Skizzierung eines Labyrinthpfades; -
5 : ein viertes Ausführungsbeispiel mit einer teilweise geschnittenen Seitenansicht und zwei Einzelheiten; -
6 : ein fünftes Ausführungsbeispiel mit einer teilweise geschnittenen Seitenansicht und zwei Einzelheiten und -
7 : eine aus dem Stand der Technik bekannte Radialwellen-Dichtungsvorrichtung mit einem Rückförderdrall auf einer Oberfläche einer Welle oder Wellenhülse.
-
1 a first embodiment of the present invention with a sectional side view of the rotationally symmetrical arrangement; -
2 A second exemplary embodiment in a representation analogous to that of FIG1 ; -
3 a third embodiment in illustrations analogous to those of the preceding figures; -
4 a further illustration of the third embodiment with a sketch of a labyrinth path; -
5 a fourth embodiment with a partially sectioned side view and two details; -
6 a fifth embodiment with a partially sectioned side view and two details and -
7 A radial shaft sealing device known in the art having a return spin on a surface of a shaft or shaft sleeve.
Über die verschiedenen Abbildungen und Ausführungsbeispiele hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet.Throughout the various figures and embodiments, the same reference numerals are always used for the same elements.
Innerhalb des Maschinengehäuses
Eine Radialwellen-Dichtungsvorrichtung
Dazu sollte ein bekannter Rückförderdrall folgende Merkmale erfüllen:
- •
Drallwinkel zur Planebene 5° - 10° bezogen auf eine Normale zur Oberfläche oder eine Normale zu einer Mittelachse M derWelle 3 ; - • Dralltiefe Rz 3- 5 µm
- • Der Drall muss gleichmäßig über die gesamte Lauffläche verteilt sein, wobei die Drallriefen dicht beieinanderliegen müssen.
- • Drallriefen in anderen Winkellagen sind zu vermeiden.
- • helix angle to the
plane plane 5 ° - 10 ° with respect to a normal to the surface or a normal to a central axis M of theshaft 3 ; - • twist depth R z 3- 5 μm
- • The swirl must be distributed evenly over the entire tread, whereby the swirl marks must be close together.
- • Swirl marks in other angular positions are to be avoided.
Unter normalen Bedingungen von z.B. Drehgeschwindigkeiten von ca. 20 m/s haben Radialwellen-Dichtungsvorrichtung
Die vorstehend beschriebene bekannte Radialwellen-Dichtungsvorrichtung
Als Abhilfe zeigt
Dem Gedanken zur Nutzung einer Labyrinth-Dichtung folgend ist in
Die Abbildung von
Derartige Labyrinth-Dichtungen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 3126716 A1 [0003]DE 3126716 A1 [0003]
- DE 102016120219 A1 [0003]DE 102016120219 A1 [0003]
- DE 102017130039 [0021, 0024]DE 102017130039 [0021, 0024]
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