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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für einen Wellendichtring, insbesondere für einen außenlaufenden Wellendichtring, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wellendichtrings.
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Derartige Dichtungsanordnungen für außenlaufende Dichtringe sind insbesondere für Kolbendichtungen bekannt, beispielsweise als Kolbenringe zur Abdichtung zwischen dem Kolben und dem Zylinder in einem Verbrennungsmotor. Ein Beispiel für eine solche Kolbendichtung ist der Tandem-Dichtsatz, außendichtend der Firma Hunger Dichtungen aus Würzburg.
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Traditionell werden Wellendichtringe für rein oder vorrangig rotatorische Wellenbewegungen mit innenlaufenden Dichtlippen ausgeführt. Der Dichtkörper wird dabei in das relativ zur rotierenden Welle ortsfeste Gehäuse fixiert, während die Dichtlippe auf der Welle läuft. Die Auswahl der Dichtung erfolgt in Abhängigkeit von Parametern wie der zu erwartenden Rotationsgeschwindigkeit oder dem Einsatzort und den damit einhergehenden Fremdkörpern oder -stoffen, gegen die abgedichtet werden soll.
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In vielen technologischen Bereichen liegt der Fokus heutzutage auf der Steigerung der Effizienz von etablierten Komponenten. Ein Beispiel dafür ist der Pumpenbau. Eine Maßnahme zur Erhöhung des Wirkungsgrads ist die Reduktion des Durchmessers der antreibenden Welle. Dies führt zu einem geringeren Gewicht der Welle, wodurch diese energiesparender angetrieben werden kann. Da die Reibungsverluste zwischen der Welle und Dichtungen mit zunehmender Wellendrehzahl exponentiell steigen, liegt eine weitere Maßnahme zur Steigerung der Effizienz in der Reduktion der Wellendrehzahl.
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Beide vorstehend genannten Maßnahmen können einzeln für sich oder in Kombination Probleme für die Wellendichtungen hervorrufen, da sie die Umfangsgeschwindigkeit der Welle und somit die Relativgeschwindigkeit zwischen Welle und Wellendichtung reduzieren. Dies kann dazu führen, dass sich die Dichtlippen in einem Zustand der Mischreibung zwischen Gleitreibung und Haftreibung befinden. Das Resultat ist eine erhöhte absolute Reibung und somit ein erhöhter Verschleiß und ein verstärkter Wärmeeintrag.
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Letzterer ist auch insofern problematisch, da aufgrund der geringen Relativgeschwindigkeit zwischen Welle und Wellendichtung die Wärmeabfuhr reduziert ist. Insbesondere im Bereich der Dichtlippen kann dies zu einem Wärmestau und daraus resultierend zu einer partiellen und/oder lokalen Überhitzung der Dichtlippen führen. Das Ergebnis ist ebenfalls ein erhöhter Verschleiß, auch steigt das Risiko von Undichtigkeiten der Wellendichtung.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung lautet somit, eine Dichtungsanordnung für einen Wellendichtring zu beschreiben, welcher die vorgenannten Nachteile umgeht und insbesondere bei geringen Wellendurchmessern und niedriger Wellendrehzahl eine zuverlässige Abdichtung gewährleistet.
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Ferner ist es ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wellendichtrings zu beschreiben.
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Diese vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine Dichtungsanordnung für einen Wellendichtring gelöst, welche aus einem inneren Metallteil, einem mittleren Metallteil und einem äußeren Metallteil, einem ersten Dichtungselement und einem zweiten Dichtungselement sowie einer zylindrischen Hülse besteht, wobei das erste Dichtungselement zwischen dem inneren Metallteil und dem mittleren Metallteil angeordnet ist und das zweite Dichtungselement zwischen dem mittleren Metallteil und dem äußeren Metallteil angeordnet ist.
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Die Erfindung macht sich den Effekt zunutze, dass ein weiter von der Rotationsachse entfernter Punkt bei gleicher Wellendrehzahl eine höhere Umfangsgeschwindigkeit aufweist. Bei herkömmlichen Wellendichtungen ist der Dichtkörper in einem Gehäuse fixiert. Die Dichtlippe läuft auf der Wellenoberfläche, folglich stellt die Wellenoberfläche die Dichtfläche dar. Die für die Güte der Dichtwirkung maßgebliche Umfangsgeschwindigkeit ist demnach die Umfangsgeschwindigkeit der Welle.
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Um die vorstehend genannten Nachteile, die aus geringen Wellendurchmessern und niedrigen Wellendrehzahlen resultieren, zu vermeiden, wird bei der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung die Dichtrichtung umgekehrt.
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Ein erstes Dichtungselement wird von einem inneren Metallteil und einem mittleren Metallteil in axialer Richtung eingegrenzt. Letzteres grenzt gemeinsam mit einem äußeren Metallteil, ebenfalls in axialer Richtung, ein zweites Dichtungselement ein. Die beiden Dichtungselemente bilden mit dem in radial äußerer Richtung anschließenden Gehäuse jeweilige Dichtflächen aus. Alle vorstehend genannten Dichtungselemente und Metallteile sind auf die radiale Außenseite einer Hülse montiert, welche mittels Presspassung oder einem anderen Fügeverfahren auf einer Welle fixiert ist. Die Montage aller Dichtungselemente und Metallteile auf die Hülse kann sowohl vor der Fixierung der Hülse auf die Welle als auch danach erfolgen, wobei eine Montage nach der Fixierung der Hülse auf die Welle bevorzugt wird.
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Das äußere Metallteil, welches als erstes auf die Hülse aufgeschoben wird, liegt an einer Schulter der Hülse an. Dies verhindert die Möglichkeit eines axialen Verschiebens des nachfolgend aufgeschobenen zweiten Dichtungselements in eine erste axiale Richtung.
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Das zweite Dichtungselement bildet an einem die Welle umgreifenden Gehäuse eine Dichtfläche aus, welche den Durchtritt von Fremdkörpern oder Arbeitsmedien durch die Dichtungsanordnung verhindert beziehungsweise vermindert.
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In einer zweiten axialen Richtung wird das Verschieben des zweiten Dichtungselements durch das anschließend aufgeschobene mittlere Metallteil verhindert. Ebenso wie das äußere Metallteil liegt das mittlere Metallteil an der Schulter der Hülse an, damit die in einer ersten axialen Richtung in das mittlere Metallteil eingebrachten Kräfte direkt in die Hülse abgeleitet werden können und keine Deformation des zweiten Dichtungselements verursachen können, was zu einer Verschlechterung der Dichtwirkung führen würde.
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Das mittlere Metallteil ist ferner so ausgeführt, dass es der radialen Vorspannkraft des nachfolgend aufgeschobenen ersten Dichtungselements entgegenwirkt. Dies ist notwendig, da die ansonsten zu große Kraft, mit welcher die Dichtlippe des ersten Dichtungselements auf die korrespondierende Dichtfläche im Gehäuse angedrückt würde, zu einem erhöhten Verschleiß führen würde. Die Form des ersten Dichtungselements ist derart gewählt, dass ein auf der Seite der zweiten axialen Richtung ansteigender Druck zu einer Erhöhung der Andrückkraft bzw. Anpresskraft auf die korrespondierende Dichtfläche führt, wodurch die Dichtfunktion verbessert wird.
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Die Gefahr einer Beschädigung des ersten Dichtungselements in einer Situation eines erhöhten Druckes auf der Seite der zweiten axialen Richtung soll minimiert werden. Eine solche Gefahr würde beispielsweise entstehen, wenn es im Betrieb zu einem Kontakt zwischen einer potenziell scharfen Kante des mittleren Metallteils und der Dichtfläche des ersten Dichtungselements käme. Dadurch könnten Haarrisse im ersten Dichtungselement verursacht werden, die letztlich zum Abreißen der Dichtlippe führen können.
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Aus diesem Grund sind die Dimensionen des mittleren Metallteils und des ersten Dichtungselements derart zu wählen, dass im Kontaktbereich zwischen diesen beiden Bauteilen ein Überstand des mittleren Metallteils gegenüber dem ersten Dichtungselement besteht. Konkret sind die Dimensionen so festzulegen, dass in der radial verlaufenden Ebene, in welcher der Kontaktbereich zwischen mittlerem Metallteil und erstem Dichtungselement liegt, der Abstand zwischen mittlerem Metall und Gehäuse höchstens halb so groß ist, wie der Abstand zwischen erstem Dichtungselement und Gehäuse. Auf diese Art und Weise kann sichergestellt werden, dass auch unter Druckeinwirkung, wenn sich die Dichtlippe mit der Dichtfläche des ersten Dichtungselements in Richtung des mittleren Metallteils bewegt, kein Kontakt zwischen der Kante des mittleren Metallteils und der Dichtfläche des ersten Dichtungselements zustande kommt.
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Das final aufgeschobene innere Metallteil verkantet sich in der Hülse und verhindert so ein Verschieben des ersten Dichtungselements sowie der weiteren Komponenten der Dichtungsanordnung in die zweite axiale Richtung.
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Eine solche Dichtungsanordnung hat gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Dichtungsanordnungen den Vorteil, dass die für die Dichtwirkung relevante Umfangsgeschwindigkeit nicht an der Wellenoberfläche, sondern an der radial äußeren Seite der Dichtungselemente vorliegt. Dort ist die Umfangsgeschwindigkeit bedingt durch die Geometrie stets größer, wodurch die eingangs erwähnten Probleme, welche aus zu geringen Umfangsgeschwindigkeiten resultieren, vermieden werden können.
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt von 1.
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1 stellt in schematischer Ansicht die Integration einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung 12 in einen Wellendichtring 10 dar. Die Dichtungsanordnung 12 ist zur Abdichtung gegenüber einer Seite ausgebildet, die sich in einer zweiten axialen Richtung X2 befindet. Demgegenüber steht die erste axiale Richtung X1.
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Die Dichtungsanordnung 12 umfasst eine Hülse 26 mit einer Schulter 28, die sich auf der axialen Seite befindet, welche in die erste axiale Richtung X1 zeigt. Die Hülse 26 ist mittels Presspassung auf einer Welle 30 fixiert. Ein äußeres Metallteil 18 sowie ein mittleres Metallteil 16 stützen sich an der Schulter 28 der Hülse 26 ab und fixieren zwischen sich ein zweites Dichtungselement 22, welches durch Anlage an einem Gehäuse 24 eine Dichtungsfunktion erfüllt.
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Ferner umfasst die Dichtungsanordnung 12 ein inneres Metallteil 14, welches im Zusammenspiel mit dem mittleren Metallteil 16 ein erstes Dichtungselement 20 axial fixiert. Das innere Metallteil 14 ist zur Verkantung auf der Hülse 26 ausgebildet, wodurch ein Verschieben aller Metallteile 14, 16, 18 und/oder Dichtungselemente 20, 22 in die zweite axiale Richtung X2 verhindert wird.
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Das erste Dichtungselement 20 weist eine Dichtlippe auf, welche durch Anlage am Gehäuse 30 eine Abdichtung gegenüber der Seite der zweiten axialen Richtung X2 erzielt. Das mittlere Metallteil 16 ist derart ausgeprägt, dass es einerseits ein Verschieben des zweiten Dichtungselements 22 in die zweite axiale Richtung X2 verhindert und so die ordnungsgemäße Anlage des zweiten Dichtungselements 22 am Gehäuse 24 sichert. Andererseits verhindert das mittlere Metallteil 16, dass das erste Dichtungselement 20 durch seine bauartbedingte Vorspannkraft und durch das innere Metallteil 14 zu stark gegen das Gehäuse 24 gedrückt wird, und reduziert so den Verschleiß des ersten Dichtungselements 20.
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2 zeigt den Kontaktbereich zwischen dem mittleren Metallteil 16 und dem ersten Dichtungselement 20 in vergrößerter Darstellung. Im Falle eines erhöhten Drucks auf der Seite der zweiten axialen Richtung X2 wird die Dichtlippe des ersten Dichtungselements 20 in Richtung des mittleren Metallteils 16 verschoben. Um zu verhindern, dass die potenziell scharfe, in der 2 rechte obere Ecke des mittleren Metallteils 16 dabei in Kontakt mit der Dichtfläche des ersten Dichtungselements 20 kommt, werden die Dimensionen der beiden Bauteile derart gewählt, dass das mittlere Metallteil 16 in einer radial verlaufenden Kontaktebene einen Überstand über dem ersten Dichtungselement 20 besitzt. Im Speziellen ist dieser Überstand so zu wählen, dass ein Abstand B zwischen dem mittleren Metallteil 16 und dem Gehäuse 24 höchstens halb so groß wie ein Abstand A zwischen dem ersten Dichtungselement 20 und dem Gehäuse 24 ist. Es gilt also: B ≤ A/2.
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Durch die gewählte Ausführungsform mit einem ersten Dichtungselement 20 und einem zweiten Dichtungselement 22 wird eine besonders hohe Zuverlässigkeit der Dichtungsanordnung 12 erzielt. Das erste Dichtungselement 20 erzeugt durch seine geometrische Gestaltung eine erhöhte Andrückkraft und somit eine verbesserte Dichtwirkung bei ansteigendem Druck. Fremdkörper oder Arbeitsmedien, die trotzdem das erste Dichtungselement 20 passieren, werden vom zweiten Dichtungselement 22 am Durchtritt gehindert, wodurch ein Passieren der Dichtungsanordnung 12 in eine erste axiale Richtung X1 vermieden werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wellendichtring
- 12
- Dichtungsanordnung
- 14
- Inneres Metallteil
- 16
- Mittleres Metallteil
- 18
- Äußeres Metallteil
- 20
- Erstes Dichtungselement
- 22
- Zweites Dichtungselement
- 24
- Gehäuse
- 26
- Hülse
- 28
- Schulter der Hülse
- 30
- Welle
- X1
- Erste axiale Richtung
- X2
- Zweite axiale Richtung
