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Die Erfindung betrifft eine Gleitringdichtung, umfassend einen axial beweglich gelagerten Gleitring und einen Gegenring, wobei der Gleitring und der Gegenring jeweils einander zugewandte Funktionsflächen aufweisen.
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Gleitringdichtungen sind beispielsweise aus der
DE 10 2011 114 349 A1 bekannt. Gleitringdichtungen sind dynamisch dichtende Anordnungen, wobei der Gleitring zumeist stationär einem Gehäuse zugeordnet ist und der Gegenring einer Welle zugeordnet ist und mit dieser rotiert. Dabei erfolgt eine Relativbewegung im Bereich der einander zugewandten Funktionsflächen, wobei im Bereich der Funktionsflächen eine dynamische Abdichtung erfolgt, so dass die Funktionsflächen Dichtflächen bilden. Derartige Dichtungen können beispielsweise eingesetzt werden, um in einem Verbrennungsmotor den Spalt zwischen einer Kurbelwelle und einem Gehäuse abzudichten. Zwar weisen die vorbekannten Gleitringdichtungen eine hervorragende dynamische Abdichtung auf, problematisch ist aber die statische Abdichtung bei Stillstand der Welle. Hierbei kann es zu Leckagen kommen, wenn der Füllstand des abzudichtenden Mediums bis an die Gleitringdichtung reicht.
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Ein weiteres Problem ist die sich einstellende Kontaktreibung bei langsamen Relativbewegungen von Gleitring und Gegenring, beispielsweise bei langsam rotierenden Wellen. Die bei niedrigen Drehzahlen auftretende Kontaktreibung führt zu einer hohen Reibung und einem abrasiven Verschleiß.
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Aus der
JP 2008-185 082 A ist eine Gleitringdichtung mit einem axial beweglich gelagerten Gleitring und einem Gegenring bekannt, wobei Gleitring und Gegenring jeweils mit einem Magneten ausgerüstet sind, wobei sich die Magneten von Gleitring und Gegenring abstoßen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleitringdichtung bereitzustellen, welche eine verbesserte statische Abdichtung und bei geringen Drehzahlen ein verbessertes Verschleißverhalten aufweist.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
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Zur Lösung der Aufgabe umfasst die Gleitringdichtung einen axial beweglich gelagerten Gleitring und einen Gegenring, wobei der Gleitring und der Gegenring jeweils einander zugewandte Funktionsflächen aufweisen, wobei zumindest einer Funktionsfläche eine Magnetspur zugeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist demnach zumindest eine Funktionsfläche magnetisiert, beziehungsweise zumindest einer Funktionsfläche ist ein magnetisierter Abschnitt zugeordnet. Die Magnetspur der Funktionsfläche tritt dabei in Wechselwirkung mit der anderen Funktionsfläche, was dazu führt, dass beide Funktionsflächen bei Stillstand aufgrund der magnetischen Anziehungskraft flächig aneinander zur Anlage gelangen. Bei Relativbewegung zwischen Gleitring und Gegenring kann die Magnetkraft hingegen durch magnetodynamische, fluiddynamische und/oder hydrodynamische Effekte überlagert werden, was dazu führt, dass sich die Schließkraft zwischen den beiden Funktionsflächen verringert und die statische Abdichtung zwischen den beiden Funktionsflächen durch eine hydrodynamische Abdichtung ersetzt wird. Selbst wenn sich die Funktionsflächen dabei nicht beabstanden, ist insbesondere bei geringeren Drehzahlen, also bei einer geringen Relativbewegung zwischen Gleitring und Gegenring eine Reduzierung der Kontaktreibung gegeben. Dabei können die oben beschriebenen Effekte aber insbesondere dazu führen, dass sich die beiden Funktionsflächen voneinander beabstanden.
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Eine erfindungsgemäße Gleitringdichtungsanordnung umfasst eine Gleitringdichtung, wie zuvor beschrieben, wobei der Gleitring und der Gegenring einem Gehäusespalt zwischen einem Gehäuse und einer Welle zugeordnet sind, wobei der Gleitring drehfest an dem Gehäuse und der Gegenring auf der Welle befestigt sind.
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Die Magnetspur weist über den Umfang der Funktionsfläche betrachtet abwechselnd Nord- und Südpole auf. Die Magnetspur kann dabei sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung weisen. Bei dieser Ausgestaltung ist die Magnetspur in Segmente von Nord- und Südpolen aufgeteilt. Dabei kann die Funktionsfläche beispielsweise 60 Segmente, also 30 Nordpole und 30 Südpole aufweisen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen beide Funktionsflächen eine Magnetspur auf, welche abwechselnd Nord- und Südpole aufweisen. Bei fehlender Relativbewegung zwischen Gleitring und Gegenring kommen dabei die Funktionsflächen aufgrund der magnetischen Anziehungskraft fest aneinander zur Anlage. Dabei liegen jeweils der Nord- beziehungsweise Südpol einem Süd- beziehungsweise Nordpol des jeweils anderen Elementes gegenüber. Die vorteilhafte Wirkung ergibt sich, wenn aus der Wahl der Magnetpolpaarung bei Rotation eine Veränderung der Magnetkraft zwischen Gleitring und Gegenring resultiert.
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Beginnt eine Relativbewegung zwischen Gleitring und Gegenring, verschieben sich die Magnetspuren zueinander, was dazu führt, dass zumindest kurzzeitig Nordpole und Südpole einander gegenüberliegen, was wiederum dazu führt, dass sich die beiden Funktionsflächen aufgrund der magnetischen Wechselwirkung voneinander beabstanden. Bei weiter ansteigender Relativbewegung wird die magnetische Anziehungs- beziehungsweise Abstoßungskraft durch mechanisch-dynamische Effekte überlagert und es bildet sich ein fluiddynamisch dichtender Spalt zwischen den beiden Funktionsflächen aus. Sobald die Relativbewegung zwischen Gleitring und Gegenring wieder aufhört, kommen die beiden Funktionsflächen wieder aneinander zur Anlage.
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Vorzugsweise sind der Gleitring und der Gegenring zumindest im Bereich der Funktionsflächen aus dauerhaft magnetisierbarem Material ausgebildet. Magnetisierbare Materialien sind insbesondere ferromagnetische Materialien. Dabei ist es auch denkbar, dass das Material der Funktionsflächen ferromagnetische Partikel enthält. Dadurch treten die Funktionsflächen von Gleitring und Gegenring in eine magnetische Wechselwirkung, wobei die Funktionsflächen bei fehlender Relativbewegung zwischen Gleitring und Gegenring durch die Magnetkraft aneinander zur Anlage gelangen.
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Erfolgt eine Relativbewegung zwischen Gleitring und Gegenring, beabstanden sich die Funktionsflächen voneinander und es erfolgt eine hydrodynamische Abdichtung zwischen den Funktionsflächen. Dadurch, dass die beiden Funktionsflächen bei Relativbewegung voneinander beabstandet sind, ist es denkbar, die Funktionsflächen aus elastomerem Material auszubilden oder mit einer elastomeren Beschichtung zu versehen. Dies hat den Vorteil, dass eine hervorragende statische Abdichtung gegeben ist, wenn die beiden Funktionsflächen bei Stillstand aneinander zur Anlage gelangen. Des Weiteren ist vorteilhaft, dass das elastomere Material mit magnetisierbaren Partikeln versehen sein kann.
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Zumindest einer Funktionsfläche kann eine statische Abdichtung zugeordnet sein. Dabei ist die statische Abdichtung so ausgebildet, dass Gleitring und Gegenring bei fehlender Relativbewegung im Bereich der statischen Abdichtung aneinander anliegen. Dabei kann die statische Abdichtung so ausgebildet sein, dass eine besonders hohe Dichtheit bei Stillstand gegeben ist.
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Zumindest einer Funktionsfläche kann außenumfangsseitig ein umlaufender Axialvorsprung zugeordnet sein. Dabei kann der umlaufende Axialvorsprung eine statische Abdichtung ausbilden. Dabei ist der Axialvorsprung der Magnetspur benachbart, und der Axialvorsprung ist so ausgebildet, dass die beiden Funktionsflächen von Gleitring und Gegenring bei Stillstand zumindest im Bereich der Magnetspuren voneinander beabstandet sind.
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Bei fehlender Relativbewegung bewirkt die magnetische Anziehungskraft, dass zwischen Gleitring und Gegenring eine verhältnismäßig große Anziehungskraft wirkt. Diese hat den Nachteil, dass bei beginnender Relativbewegung ein verhältnismäßig großes Losbrechmoment erforderlich wäre, wenn die Funktionsflächen im Bereich der Magnetspuren direkt aneinander anliegen würden. Dadurch, dass die Magnetspuren aber durch den Vorsprung voneinander beabstandet sind, ist das Losbrechmoment deutlich reduziert. Dabei ist der Vorsprung vorzugsweise so ausgebildet, dass die Magnetspuren zwischen 1 µ, und 2 mm voneinander beabstandet sind.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung kann der Axialvorsprung durch eine Folie ausgebildet sein. Die Folie kann beispielsweise ringförmig ausgebildet sein und außenumfangsseitig an dem Gleitring und/oder dem Gegenring befestigt sein. Eine Folie kann besonders dünn ausgestaltet sein, so dass der Abstand der beiden Funktionsflächen zueinander besonders gering ist und beispielsweise 1 µm beträgt.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung weisen die Funktionsflächen von Gleitring und Gegenring außenumfangsseitig jeweils einen einander zugewandten Axialvorsprung auf. Dabei ist insbesondere denkbar, dass der Gleitring und der Gegenring jeweils einen scheibenförmigen Tragkörper aufweisen, der außenumfangsseitig so axial abgebogen ist, dass die beiden Stirnseiten des Tragkörpers einander zugewandt sind. Die Magnetspuren sind ringförmig ausgebildet und auf den Tragkörpern befestigt. Dabei können die Magnetspuren insbesondere aus elastomerem Material bestehen, welches mit magnetisierbaren Partikeln versehen ist. Der Axialvorsprung ist dabei so ausgebildet, dass die einander zugewandten Funktionsflächen der Magnetspuren voneinander beabstandet sind.
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Die statische Abdichtung kann einen elastomeren Dichtkörper mit beweglicher Dichtlippe umfassen. Dabei ist der Dichtkörper vorzugsweise dem Gegenring zugeordnet, wobei sich die Dichtlippe zumindest abschnittsweise in axialer Richtung erstreckt. Sobald der Gegenring rotiert, bewirkt die auf die Dichtlippe einwirkende Fliehkraft, dass sich die Dichtlippe radial nach außen bewegt und dadurch von dem Gleitring beabstandet.
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Die sich bei Rotation relativ zueinander bewegenden Flächen können eine Labyrinthdichtung ausbilden. Dazu sind die Funktionsflächen mit kongruent ausgebildeten Strukturen versehen. Beispielsweise weist der Gegenring einen Radialvorsprung auf, welcher in eine kongruent ausgeformte Ausnehmung des Gleitrings eingreift. Es sind aber auch weitere derartige Strukturen denkbar.
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Zumindest einer Magnetspur kann ein Sensor zugeordnet sein. Vorzugsweise ist die Magnetspur des Gegenrings mit abwechselnden Nord- und Südpolen versehen und ein dem Gehäuse zugeordneter Sensor erfasst die Drehbewegung des Gegenringes. Dabei kann sich die Magnetspur des Gegenrings radial weiter nach außen erstrecken als der Gleitring. Dadurch steht die Magnetspur radial außen hervor und kann besonders einfach durch einen Sensor detektiert werden.
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Dem Gleitring kann ein Federkörper zugeordnet sein, welcher den Gleitring in Richtung des Gegenrings drückt. Dabei ist der Federkörper in einer vorteilhaften Ausgestaltung aus elastomerem Material ausgebildet. Beispielsweise kann der Federkörper in Form eines Faltenbalgs ausgebildet sein. Der Federkörper bewirkt, dass eine Gegenkraft zur magnetischen Kraft gegeben ist, welche den Gleitring in Richtung des Gegenrings drückt, so dass sich ein definierter Spalt zwischen den beiden Funktionsflächen ergibt.
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Dem Gehäusespalt zwischen Gleitring und Gegenring können Schutzelemente zugeordnet sein, wobei die Anordnung vorzugsweise gehäuseinnenseitig erfolgt. Die Schutzelemente können verhindern, dass schädliche Partikel in das Dichtungssystem eindringen oder aus dem Dichtungssystem in die Dichtungsumgebung austreten. Als vorteilhafte Schutzsysteme eignen sich insbesondere zusätzliche Magnete oder Schmutzschutzdichtungen. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit Anwendungen im Bereich der Schienenfahrzeuge vorteilhaft. Diese weisen sehr hohe Laufleistungen auf. Im Bereich der Lagerung kann dabei ein Abrieb entstehen, der die Funktionsfähigkeit der Gleitringdichtung beeinträchtigen könnte. Der weitere Magnet nimmt metallischen Abrieb auf und kann dadurch verhindern, dass Abrieb in den Zwischenraum zwischen Gleitring und Gegenring gelangt.
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Vorzugsweise fungieren die Funktionsflächen als Dichtflächen. Die Funktionsflächen können dabei die dynamische und/oder statische Abdichtung der Gleitringdichtung bewirken oder zumindest unterstützen.
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Einige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gleitringdichtung beziehungsweise der Gleitringdichtungsanordnung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
- 1 eine Gleitringdichtung mit Axialfederelement für großen Toleranzausgleich;
- 2 eine Gleitringdichtung mit einer Folie zwischen den Funktionsflächen;
- 3 eine Gleitringdichtung mit stützendem Axiallager;
- 4 eine Gleitringdichtung mit einem statischen Dichtelement;
- 5 eine Gleitringdichtung mit Funktionsflächen, welche eine Labyrinthdichtung ausbilden;
- 6 eine Gleitringdichtung mit einem Encoder und einem Sensor;
- 7 eine Gleitringdichtung mit zwei Gegenringen.
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Die Figuren zeigen eine Gleitringdichtung 1 für die Abdichtung eines Gehäusespaltes zwischen einem Gehäuse und einer Welle. Die Gleitringdichtung 1 umfasst einen axial beweglich gelagerten Gleitring 3 und einen Gegenring 2. In einer Gleitringdichtungsanordnung ist der Gegenring 2 drehfest dem Gehäuse zugeordnet, und der Gleitring 3 ist auf der Welle angeordnet und rotiert mit der Wellendrehzahl. Dem Gleitring 3 ist ein erster Federkörper 12 zugeordnet, welcher den Gleitring 3 weg von dem Gegenring 2 entgegen der magnetischen Anziehung zieht und über welchen der Gleitring 3 zur Welle festgelegt ist.
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Der Gleitring 3 und der Gegenring 2 weisen jeweils einander zugewandte Funktionsflächen 4, 5 auf, die als dynamische oder statische Dichtung ausgeführt sein können.
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Bei den vorliegenden Ausgestaltungen ist den Funktionsflächen 4, 5 jeweils eine Magnetspur 6 zugeordnet. Hierzu sind der Gleitring 3 und der Gegenring 2 im Bereich der Funktionsflächen 4, 5 aus magnetisierbarem Material ausgebildet.
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Die Magnetspur 6 weist über den Umfang betrachtet abwechselnd Nord- und Südpole auf. Dementsprechend ist die Magnetspur 6 in Segmente von magnetischen Polen aufgeteilt, wobei sich Nord- und Südpole abwechseln.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Gleitringdichtung 1. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist dem Gleitring 3 ein erster Federkörper 12 und dem Gegenring 2 ein zweiter Federkörper 18 zugeordnet. Dem Gleitring 3 und dem Gegenring 2 ist jeweils ein Tragkörper 13 zugeordnet, welcher die auf den Gleitring 3 und den Gegenring 2 einwirkende Axialkraft abstützt.
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Zur Verbesserung der Dichtwirkung wirkt der zweite Federkörper 18 gegen die Funktionsflächen 4, 5 des Gleitrings 3. Dabei wird die größte Dichtwirkung bei Stillstand erzielt, die entspricht dem statischen Fall. Das geringste Verlustmoment ergibt sich hingegen bei Maximalgeschwindigkeit, wenn die Funktionsflächen 4, 5 getrennt sind. Die Funktionsflächen 4, 5 bilden hierbei Dichtflächen. Die Gleitringdichtung 1 ist dabei auch ohne zusätzliche in axialer Richtung wirkende Dichtungen funktionsfähig.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Gleitringdichtung 1. Bei der vorliegenden Ausgestaltung weisen der Gleitring 3 und der Gegenring 2 jeweils einen Tragkörper 13 auf. Die Funktionsflächen 4, 5 sind abschnittsweise aus elastomerem Material ausgebildet, welche magnetisierbare Partikel enthalten. Beiden Funktionsflächen 4, 5 ist eine Magnetspur 6 zugeordnet. Die Magnetspuren 6 sind so magnetisiert, dass sich über den Umfang betrachtet abwechselnd Nord- und Südpole ergeben.
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Die an den Funktionsflächen 4, 5 angebrachten elastomeren Abschnitte bewirken die Dichtfunktion. Die Dichtfunktion wird dabei verbessert, indem ein oder mehrere Axialvorsprünge 8 gegen einen Dichtungsgegenkörper 19 abdichten. Sowohl die Axialvorsprünge 8 also auch der Dichtungsgegenkörper 19 sind dabei jeweils aus den elastomeren Abschnitten ausgebildet. Die Axialvorsprünge 8 und der Dichtungsgegenkörper 19 sind aus einem reibungsreduzierten Material ausgestaltet. Dabei ergibt sich zwischen den Funktionsflächen 4, 5 im Ruhezustand ein Abstand von 2 µm. Die Axialvorsprünge 8 und der Dichtungsgegenkörper 19 bilden bei dieser Ausgestaltung eine statische Abdichtung 9 aus.
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3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Gleitringdichtung 1. Bei dieser Ausgestaltung sind die Funktionen der Gleitringdichtung 1 durch vereinzelte Bauteile räumlich voneinander getrennt. Radial außerhalb von Gleitring 3 und Gegenring 2 ist eine axial wirkende Zusatzdichtung 7 angeordnet. Der Gleitring 3 und der Gegenring 2 sind mit Magnetspuren 6 versehen. Radial innerhalb von Gleitring 3 und Gegenring 2 ist ein reibungsoptimiertes Axiallager 17 angeordnet, welches derart platziert ist, dass im statischen Fall der Abstand zwischen Gleitring 3 und Gegenring 2 mindestens 2 µm beträgt.
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4 zeigt eine Weiterbildung der in 3 gezeigten Gleitringdichtung 1. Bei der vorliegenden Ausgestaltung sind die Zusatzdichtung 7 und zweite Federkörper 18 radial angeordnet. Damit wirkt bei Wellenrotation die Fliehkraft auf den Dichtungsgegenkörper 19 ein, dabei aber der Federkraft des zweiten Federkörpers 18 entgegen, wodurch sich mit steigender Wellendrehzahl die Kontaktpressung in der Zusatzdichtung 7 reduziert.
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5 zeigt eine Weiterbildung der in 3 oder 4 gezeigten Dichtungen, wobei die Zusatzdichtung 7 als Labyrinthdichtung 21 ausgebildet ist. Vorteil der Labyrinthdichtung 21 ist, dass das ansonsten sehr kontaktreibungsarme Dichtsystem keine weiteren Verlustmomente durch die als Labyrinthdichtung 21 ausgebildete Zusatzdichtung 7 erfährt.
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6 zeigt eine Weiterbildung einer der zuvor gezeigten Gleitringdichtung 1. Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist dem Gegenring 2 ein Sensor 16 zugeordnet. Bei dieser Ausgestaltung erstreckt sich der Gegenring 2, beziehungsweise die Magnetspur 6 der Funktionsfläche 5 des Gegenrings 2, radial weiter nach außen als die Funktionsfläche 4 des Gleitrings 3. Dadurch steht die Funktionsfläche 5 über die Funktionsfläche 4 hervor. Der von der Funktionsfläche 4 unbedeckte Bereich der magnetisierten Funktionsfläche 5 kann durch den Sensor 16 erfasst werden. Die Magnetspur 6 erstreckt sich dabei ebenfalls in den unbedeckten Bereich der Funktionsfläche 5. Durch die Magnetisierung mit über den Umfang betrachtet abwechselnden Nord- und Südpolen kann der Sensor 16 die Drehzahl der Welle ermitteln, auf welcher der Gleitring 3 befestigt ist. Die Abdichtung erfolgt über die Funktionsflächen 4, 5.
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7 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Gleitringdichtung 1. Bei dieser Ausgestaltung ist der Gleitring 3 zwischen zwei Gegenringen 2', 2" angeordnet. Dabei ist der Gleitring 3 auf beiden Stirnseiten mit einer Magnetspur 6 versehen. Die beiden den Stirnseiten des Gleitrings 3 zugeordneten Gegenringe 2', 2" sind ebenfalls mit einer Magnetspur 6 versehen. Dabei können gemäß einer ersten Ausgestaltung alle Magnetspuren 6 mit über den Umfang betrachtet abwechselnden Nord- und Südpolen versehen sein. Diese Magnetisierung bewirkt, dass der Gleitring 3 mit gleichmäßigem axialen Abstand zwischen den Gegenringen 2', 2" rotiert. Bei asymmetrischer Anordnung ergibt sich somit im Stillstand eine statische Abdichtung 9 zwischen Gegenring 2' und Gleitring 3.
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Gemäß einer zweiten Ausgestaltung sind die dem ersten Gegenring 2' zugeordneten Magnetspuren 6 und Gleitring 3 mit über den Umfang betrachtet abwechselnden Nord- und Südpolen versehen, während die dem zweiten Gegenring 2" zugeordneten Magnetspuren 6 konzentrisch zueinander angeordnete ringförmige Nord- und Südpole aufweisen. Bei dieser Ausgestaltung erfolgt zwischen dem zweiten Gegenring 2" und dem Gleitring 3 eine gleichmäßige magnetische Wechselwirkung.
