DE102019214505A1

DE102019214505A1 - Schleuderring mit Labyrinthdichtung

Info

Publication number: DE102019214505A1
Application number: DE102019214505.1A
Authority: DE
Inventors: Norbert Feuchtner
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2021-03-25
Also published as: KR20210035727A; CN112539280A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (101) mit einer Welle (107) und einem Gehäuse (117); wobei die Welle (107) mindestens einen Schleuderring (121) zum Abdichten eines zwischen der Welle (107) und dem Gehäuse (117) verlaufenden Spalts aufweist. Die Anordnung weist eine Labyrinthdichtung (123) zum Abdichten des Spalts; wobei die Labyrinthdichtung (123) ausgehend von dem Inneren des Gehäuses (117) hinter dem Schleuderring (121) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Wird ein Elektromotor mit einem Getriebe gekoppelt, muss der Ölraum des Getriebes gegenüber dem Elektromotor abgedichtet werden. Gemäß den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen werden hierzu Radialwellendichtringe verwendet. Diese haben sich berührende Dichtlippen. Um die bei höheren Drehzahlen entstehende Reibungswärme abzuführen, ist eine aufwendige Innenkühlung der Welle erforderlich.
Berührungsfrei arbeitende Labyrinthdichtungen weisen die oben beschriebene Hitzeproblematik nicht auf. Sie können allerdings in Fahrzeuganwendungen nicht verwendet werden. Es besteht die Gefahr von Leckagen, wenn das Fahrzeug an einem Gefälle zum Stehen kommt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abdichtung einer Welle gegenüber einer drehfesten Struktur zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung nach Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Die Anordnung umfasst eine Welle und ein Gehäuse. Ein Gehäuse ist eine Struktur, die einen Hohlraum - das Innere des Gehäuses - kapselt, in dem in einem Wirkzusammenhang stehende technische Bauteile, etwa Wellen, Zahnräder und Lager, angeordnet sind. Vorliegend verläuft zwischen der Welle und dem Gehäuse ein Spalt. Insbesondere kann es sich um einen Spalt handeln, der zu einer Drehachse der Welle rotationssymmetrisch ist.
Um Leckagen von Öl durch den Spalt zu verhindern, muss der Spalt abgedichtet werden. Die Welle weist hierzu mindestens einen Schleuderring auf. Dies ist ein Ring, der ausgebildet ist, Öl durch die bei Drehung wirkenden Zentrifugalkräfte radial nach außen hin abzuschleudern. Durch die Drehung des Schleuderrings wirken auf das Öl Zentrifugalkräfte, die dazu führen, dass das Öl zunächst bezüglich einer Drehachse der Drehung an dem Schleuderring radial nach außen hin abfließt. Eine Abrisskante des Schleuderrings ist so angeordnet ist, dass das Öl aufgrund der Zentrifugalkräfte in Richtung der Abrisskante fließt. An der Abrisskante spritzt das Öl in radialer Richtung von dem Schleuderring weg. Die Abrisskante ist bevorzugt als eine radial nach außen hin gerichtete Spitze ausgestaltet.
Der Schleuderring ist zu einer Drehachse der Welle rotationssymmetrisch. Er ist drehfest auf der Welle fixiert. Insbesondere kann der Schleuderring starr, das heißt ohne die Möglichkeit einer Relativbewegung auf der Welle fixiert sein. Dabei verläuft die Welle durch den Schleuderring hindurch. Dies impliziert, dass der Schleuderring eine mittige Aussparung aufweist, deren Rand die Welle in Umfangsrichtung umschließt.
Erfindungsgemäß ist neben dem Schleuderring eine Labyrinthdichtung zum Abdichten des Spalts vorgesehen. Wie auch bei dem Schleuderring handelt es sich bei der Labyrinthdichtung um eine berührungsfreie Wellendichtung. Die Labyrinthdichtung bildet einen rotationssymmetrischen Spalt aus, der Labyrinth förmig verläuft, das heißt unter mehrfacher Änderung der Richtung seines Verlaufs. Insbesondere kann der Verlauf des Spalts mehrfach seine radiale Richtung ändern, sodass der Spalt in entgegengesetzte radiale Richtungen verläuft. Durch die Richtungswechsel des Spalts vergrößert sich der Weg, den das Öl bei einer Leckage zurücklegen muss. Dadurch vergrößert sich der Widerstand, den der Spalt einer Leckage entgegensetzt. Das Risiko einer Leckage wird somit verringert.
Vorliegend ist die Labyrinthdichtung ausgehend von dem Inneren des Gehäuses hinter dem Schleuderring angeordnet. Dies gilt bevorzugt für eine axiale Richtung bezüglich der Drehachse der Welle. Ist die Labyrinthdichtung ausgehend von dem Inneren des Gehäuses axial hinter dem Schleuderring angeordnet, befinden sich die Labyrinthdichtung und der Schleuderring auf unterschiedlichen Seiten einer bezüglich der Drehachse der Welle radial, das heißt orthogonal ausgerichteten Ebene. Der Schleuderring und das Innere des Gehäuses befinden sich auf derselben Seite dieser Ebene. Die Labyrinthdichtung ist auf der anderen Seite der Ebene angeordnet.
Da es sich bei dem Schleuderring und der Labyrinthdichtung um berührungsfreie Dichtungen handelt, wird das Problem eines Temperaturanstiegs bei hohen Drehzahlen der Welle entschärft. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass eine Kombination aus Schleuderring und Labyrinthdichtung Leckagen besonders effektiv verhindert.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Welle einen Absatz auf, der zwischen dem Schleuderring und der Labyrinthdichtung angeordnet ist. Insbesondere kann der Absatz bezüglich der Drehachse der Welle axial zwischen dem Schleuderring und der Labyrinthdichtung angeordnet sein. Lecköl muss in dieser Anordnung zunächst den Schleuderring, anschließend den Absatz und schließlich die Labyrinthdichtung passieren.
Weiterbildungsgemäß vergrößert sich ein Durchmesser der Welle an dem Absatz zu der Labyrinthdichtung hin. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass sich der Durchmesser der Welle an dem Absatz zu dem Schleuderring hin verringert. Bei dem Schleuderring ist der Durchmesser der Welle somit geringer als bei der Labyrinthdichtung. Der Absatz wirkt als eine zusätzliche Barriere gegenüber austretendem Öl. Dadurch verbessert sich die Dichtwirkung.
In einer darüber hinaus bevorzugten Weiterbildung wird die Labyrinthdichtung durch einen ersten Ring und einen zweiten Ring gebildet. Die Welle weist den ersten Ring auf, das Gehäuse den zweiten Ring. Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Ring und dem zweiten Ring um separate Teile, die auf der Welle bzw. in dem Gehäuse fixiert sind. Die Fixierung des ersten Rings auf der Welle und des zweiten Rings in dem Gehäuse ist mindestens drehfest, sodass zwischen dem ersten Ring und der Welle sowie zwischen dem zweiten Ring und dem Gehäuse jeweils eine drehfeste Verbindung besteht. Zwischen dem ersten Ring und dem zweiten Ring verläuft der oben beschriebene labyrinthförmige Spalt. Die Weiterbildung ermöglicht eine besonders einfache Fertigung und Montage der Labyrinthdichtung.
Bevorzugt ist die Anordnung derart weitergebildet, dass der erste Ring den oben beschriebenen Absatz ausbildet. Daraus ergibt sich eine Verbesserung der Dichtwirkung ohne zusätzlich erforderlichen Aufwand.
Zum Auffangen des von dem Schleuderring abgeschleuderten Öls ist die drehfeste Struktur bevorzugt mit mindestens eine Vertiefung weitergebildet. Die Vertiefung ist so angeordnet, dass das abgeschleuderte Öl in die Vertiefung gelangt. Bevorzugt befindet sich die Vertiefung ausgehend von dem Schleuderring radial weiter außen. Um das abgeschleuderte Öl vollständig aufzufangen, ist die Vertiefung vorzugsweise drehsymmetrisch zu der Drehachse der Welle. Insbesondere kann es sich bei der Vertiefung um eine Ringnut handeln, die bevorzugt zu der Drehachse der Welle rotationssymmetrisch ist.
Das von der Vertiefung aufgefangene Öl sammelt sich in der Vertiefung und muss von dort abgeführt werden. Zu diesem Zweck ist in einer bevorzugten Weiterbildung mindestens eine Ölleitung bzw. ölleitende Verbindung vorgesehen. Die Ölleitung mündet in die Vertiefung. Eine erste Mündung der Ölleitung befindet sich also in der Vertiefung. Dies bedeutet, dass eine Wandung der Vertiefung die erste Mündung aufweist. Die erste Mündung der Ölleitung bildet einen Abfluss, durch den das von dem Schleuderring abgeschleuderte und von der Vertiefung aufgefangene Öl abfließt.
Die ölleitende Verbindung verbindet die Vertiefung ölleitend mit dem Inneren des Gehäuses. Dies impliziert, dass die ölleitende Verbindung in das Innere des Gehäuses mündet eine zweite Mündung der ölleitenden Verbindung befindet sich also im Inneren des Gehäuses.
Die Ölleitung kann etwa als Spalt ausgestaltet sein, der zu der Drehachse der Welle rotationssymmetrisch ist. Auch kann es sich bei der Ölleitung um ein Loch, insbesondere eine Bohrung, oder um eine Rohrleitung handeln. Vorzugsweise wird die Ölleitung von der drehfesten Struktur einstückig ausgebildet. Die ölleitende Verbindung ist von einem Spalt verschieden, der zwischen der Welle und der drehfesten Struktur verläuft.
Die Anordnung ist bevorzugt mit einem Getriebe weitergebildet. Dessen Gehäuse ist mit dem obengenannten Gehäuse identisch. Bei der oben genannten Welle handelt es sich um eine Eingangswelle des Getriebes. Weiterbildungsgemäß wird somit die Eingangswelle des Getriebes gegenüber einem Austritt von Öl abgedichtet.
Zudem ist die Anordnung bevorzugt mit einem Motor, beispielsweise einem Elektromotor, weitergebildet. Aufgrund des günstigen Temperaturverhaltens der Dichtungsanordnung kann es sich um einen schnelldrehenden Motor handeln. Die Ausgangswelle des Motors ist drehfest mit der Eingangswelle des Getriebes verbunden. Insbesondere können die Ausgangswelle und die Eingangswelle einstückig miteinander verbunden sein.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 dargestellt. Im Einzelnen zeigt:

1 einen Längsschnitt eines Antriebsstrangs.

Der in 1 dargestellte Antriebsstrang 101 umfasst ein Getriebe 103 und einen Elektromotor 105. Das Getriebe 103 weist eine Welle 107 mit einem ersten Zahnrad 109 und einem zweiten Zahnrad 111 auf. Das zweite Zahnrad 111 kämmt mit einem Ritzel 113 einer Ausgangswelle 115. Die Ausgangswelle 115 ist zugleich Eingangswelle des Motors 105.
Die Welle 107 mit dem ersten Zahnrad 109 und dem zweiten Zahnrad 111 sowie der getriebeseitige Teil der Welle 107 mit dem Ritzel 113 befinden sich innerhalb eines Gehäuses 117. Das Gehäuse 117 ist mit Öl befüllt und kapselt die Komponenten des Getriebes 103 nach außen hin.
Da die Welle 115 aus dem Gehäuse 117 heraus in den Motor 105 führt, muss das Gehäuse 117 gegenüber der Welle 115 abgedichtet sein. Andernfalls würde Öl aus dem Gehäuse 117 in den Motor 105 gelangen. Hierzu ist eine Dichtungsanordnung 119 vorgesehen.
Die Dichtungsanordnung 119 umfasst einen Schleuderring 121 und eine Labyrinthdichtung 123. Beide sind drehfest auf der Welle 115 fixiert und drehen sich mit dieser um eine gemeinsame Achse. Der Schleuderring 121 ist ausgehend von dem Getriebe 103 in Richtung des Motors 105 vor der Labyrinthdichtung 123 angeordnet. Öl aus dem Gehäuse 117 passiert daher zuerst den Schleuderring 121. Reste des Öls, die von dem Schleuderring 121 nicht zurückgehalten werden, passieren schließlich die Labyrinthdichtung 123.
Aufgrund der Drehung der Welle 115 wirken auf das Öl an dem Schleuderring 121 Zentrifugalkräfte. Der Schleuderring 121 ist mit einer spitzen, radial nach außen weisenden Lippe 125 versehen. An der Spitze der Lippe 125 wird das Öl abgeschleudert und gelangt in einen Spalt 127.
Der Spalt 127 verbindet den Schleuderring 121 ölleitend mit einem Lager 129. Der Spalt verläuft mit einem Gefälle. Daher fließt das Öl innerhalb des Spalts 127 aufgrund der Schwerkraft in Richtung des Lagers 129.
Bei dem in 1 dargestellten Beispiel ist die Welle 107 mittels des Lagers 129 drehbar in dem Gehäuse 117 gelagert. Es kann sich aber auch um ein beliebiges anderes, in dem Gehäuse 117 angeordnetes Lager handeln.
Das Lager 129 ist als Kegelrollenlager ausgeführt. Dessen Wälzkörper haben die Form jeweils eines Kegelstumpfs. Eine Drehachse des Lagers 129 verläuft parallel zu der Drehachse der Welle 115. In Richtung dieser Achsen kommt es bei einer Drehung des Lagers 129 zu einem Ölfördereffekt. Das Öl wird von der Deckfläche zur Grundfläche des jeweiligen Kegelstumpfs gefördert.
Die Deckflächen der Wälzkörper des Lagers 129 stehen dem Spalt 127 gegenüber. Das Öl trifft daher von dem Spalt 127 auf die Deckfläche und wird durch den beschriebenen Fördereffekt in axialer Richtung von dem Spalt weg 127 in Richtung des Inneren des Gehäuses 117 gefördert. Auf diese Weise unterstützt das Lager 129 die Dichtfunktion der Dichtungsanordnung 119.
Bezugszeichenliste

101: Antriebsstrang
103: Getriebe
105: Elektromotor
107: Welle
109: erstes Zahnrad
111: zweites Zahnrad
113: Ritzel
115: Ausgangswelle
117: Gehäuse
119: Dichtungsanordnung
121: Schleuderring
123: Labyrinthdichtung
125: Lippe
127: Spalt
129: Lager

Claims

Anordnung (101) mit einer Welle (107) und einem Gehäuse (117); wobei die Welle (107) mindestens einen Schleuderring (121) zum Abdichten eines zwischen der Welle (107) und dem Gehäuse (117) verlaufenden Spalts aufweist; gekennzeichnet durch eine Labyrinthdichtung (123) zum Abdichten des Spalts; wobei die Labyrinthdichtung (123) ausgehend von dem Inneren des Gehäuses (117) hinter dem Schleuderring (121) angeordnet ist.
Anordnung (101) nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (107) einen zwischen dem Schleuderring (121) und der Labyrinthdichtung (123) angeordneten Absatz aufweist; wobei ein Durchmesser der Welle (107) sich an dem Absatz zu der Labyrinthdichtung (123) hin vergrößert.
Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (107) einen ersten Ring und das Gehäuse (117) einen zweiten Ring aufweist; wobei der erste Ring und der Zweite Ring die Labyrinthdichtung (123) bilden.
Anordnung (101) nach Anspruch 3 unter Rückbezug auf Anspruch 2; dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ring den Absatz ausbildet.
Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (127) mindestens eine Vertiefung zum Auffangen des von dem Schleuderring (121) abgeschleuderten Öls aufweist.
Anordnung (101) nach dem vorhergehenden Anspruch; mindestens eine ölleitende Verbindung zwischen der Vertiefung (127) und dem Inneren des Gehäuses (117).
Anordnung (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; gekennzeichnet durch ein Getriebe (103); wobei die Welle (107) eine Eingangswelle des Getriebes (103) bildet.
Anordnung (101) nach dem vorhergehenden Anspruch; gekennzeichnet durch einen Motor (105); wobei eine Ausgangswelle (115) des Motors (105) drehfest mit der Welle (107) verbunden ist.