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Die Erfindung betrifft eine Dichteinheit mit einer radialen Lippendichtung.
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Lippendichtungen werden gewöhnlich aus einem elastischen elastomeren oder polymeren Material gegossen. Sie werden auf eine flüssigkeitsdichte Weise an einem Gehäuse befestigt und umgeben eine sich drehende Welle, welche durch eine Öffnung in der Gehäusewandung führt. Die Dichtungslippe übt die abdichtende Funktion zur Welle aus, um die Flüssigkeit in dem Gehäuse zu belassen.
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Bekannte Lippendichtungen enthalten einen starren Träger, um die Steifigkeit zu erhöhen und die Dichtungsanordnung zu einer Einheit zu gestalten. Der Träger hilft auch beim Einsetzen, beim Herausnehmen und bei der Lagerung der Dichtung in Bezug auf das Gehäuse. Der elastische Körper enthält eine Sekundärdichtung, um gegen das Gehäuse abzudichten, und eine oder mehrere elastische Dichtungslippen, welche in einem abdichtenden Kontakt mit der Welle gehalten werden.
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Lippendichtungen erfreuen sich einer großen Vielfalt von Anwendungen, bei denen die Temperatur- und Druckbedingungen ihres Einsatzes, die erwarteten Wellendrehzahlen und die Erscheinungsform des Mediums, das sie zurückhalten sollen, die Anforderungen diktieren, die an eine besondere Konstruktion gestellt werden. Typischerweise ist jedoch die starre Komponente oder Halterung aus hartem Plastwerkstoff gefertigt wie beispielsweise Phenolhartplast oder aus Stahl oder rostfreiem Stahl, und die elastischen Lippen werden durch Elastomer- oder Polymerteile wie gegossenem Gummi, Polytetrafluorethylen oder anderen bekannten Materialien festgelegt. Das elastische Element kann als Einzelkörper gegossen sein oder kann eine Anzahl von einzelnen Elementen umfassen, die auf eine flüssigkeitsdichte Weise untereinander verbunden sind.
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Durch die Art der Anwendungsfälle von Lippendichtungen wird die Dichtung selbst den Bedingungen einer signifikanten Wellenbewegung relativ zum umgebenden Gehäuse ausgesetzt. Auslenkungen der Welle in Bezug auf entweder des Gehäuses oder auf die Bohrung führen zu einer Taumelbewegung der Welle während der Rotation der Welle.
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Lippendichtungen werden angewandt in der Automobilbranche, in der Gerätetechnik und in der Industrie. Lippendichtungen sind extremen Betriebsbedingungen ausgesetzt wie z. B. bei Verdichtern für die Luftklimatisierung, wo die Welle typischerweise über einen Riementrieb mit elektrischer Kupplung angetrieben wird, und bei Ölpumpen, welche generell Öl auf hohe Drücke bringen, um dadurch eine wirksame Zirkulation des Öls durch den Motor und den Ölfilter zu ermöglichen. Die Konstruktion von Verdichtern und Ölpumpen führt typischerweise zu einem Schlagen der Welle, zu Biegeauslenkungen und zu einer gestörten Ausrichtung der Wellenachse bezüglich der Gehäuseöffnung.
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US 5.503.408 beschreibt mehrere elastische Lippen, welche eine Hilfs- oder Ausrichtungslippe ergeben, welche zwischen die Welle und die abdichtende Lippe eingefügt wird, um die Lippendichtung zu zentrieren. Ein inneres Stützelement dient einer verbesserten Abdichtung.
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Soll gegen hohen Flüssigkeitsdruck abgedichtet werden, so unterliegt die Lippendichtung einer Verformung von axial gerichteten Druckkräften, die sich aus den hohen Drücken ergeben, welche auf die radiale Fläche der Lippendichtung wirken und die radiale Dichtungslippe gegen das Lager drücken. Bei hohen Drücken ist die radiale Dichtungslippe ferner der Faltung über die Welle ausgesetzt, was zu einem Verlust an Dichtvermögen führt.
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Zu einem gewissen Ausmaß halten Lagerteile, welche bei den oben beschriebenen Bemühungen und Beispielen benutzt werden, die Lippendichtung zentriert und halten auch die Dichtungslippe in der gewünschten Orientierung und Lage zwischen dem Lager und der unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit, gegen die abgedichtet wird. Lager erstrecken sich jedoch durch die Natur ihres Aufbaus und ihrer Funktion von der Dichtungslippe weg und liefern eine starre axiale Stütze für das Halterungsteil relativ zur Welle. In den meisten Fällen ist der Außendurchmesser des Lagers bündig mit dem Innendurchmesser des starren Halterungsteils, so dass jede Wellenauslenkung bewirkt, dass das Lager jene Auslenkung an das Halterungsteil weitergibt, wodurch eine vorbestimmte relative Orientierung zwischen der Lippendichtung und der rotierenden Welle beibehalten wird. Die dämpfende Wirkung eines elastischen Einsatzes zwischen dem Lager und dem Halterungsteil nimmt den größten Teil der Auslenkung auf. Selbst beim Beispiel des elastischen Einsatzes setzt jedoch das Widerlager des Lagerteils mit der elastischen Halterung das Lager einer fortgesetzten wiederholten Spannungsbelastung aus, welche über ausgedehnte Zeiträume die Abnutzung und die Zerstörung des Lagers verursacht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichteinheit zum Aufnehmen besonders hoher Drücke zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit einer Dichteinheit gemäß dem Anspruch gelöst.
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Die Erfindung ist anhand der Zeichnung erläutert.
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1 ist ein Schnitt durch eine eingebaute Dichtungseinheit;
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2 ist eine Vorderansicht, welche die Dichtungseinheit im nicht eingebauten Zustand zeigt;
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3 ist im Schnitt eine Seitendarstellung der in 2 dargestellten Dichtungseinheit, wobei der Schnitt etwa längs der Linie 3-3 liegt;
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4 ist ein vergrößerter Ausschnitt von 3, und zwar der mit der Linie 4 markierte Bereich; und
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5 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung von 4.
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1 veranschaulicht eine Dichteinheit 10, wie sie in eine hydraulische Anwendung wie beispielsweise einen Motor oder eine Ölpumpe eingebaut und um eine Welle 12 herum angeordnet ist, welche sich durch eine Öffnung in einem Pumpengehäuse 14 erstreckt. Die Erfindung ist besonders geeignet für Hochdruckanwendungen hoher Drehzahl.
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Eine zylinderförmige Gehäusewand 16 umgibt die Welle 12 in einem gewissen Abstand. Das Pumpengehäuse 14 ist in 2 teilweise im Schnitt dargestellt, wobei sich die Welle 12 durch die Öffnung erstreckt. Die Dichteinheit 10 dichtet die Öffnung ab, um Leckverluste aus dem Pumpengehäuse auf ein Mindestmaß herabzusetzen, selbst wenn das Öl unter hohem Druck steht, der von dem auf der Welle 12 sitzenden (nicht dargestellten) Motor erzeugt wird.
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Das Gehäuse 14 bildet eine innere Kammer 18, welche die Welle 12 umgibt. Es ist mit einem Schmiermittel wie beispielsweise Öl gefüllt. Wenn sich die Welle zusammen mit dem angefügten (nicht dargestellten) Rotor dreht, wird in der Kammer 18 Druck erzeugt. Teile der Ölpumpe wie beispielsweise der Rotor sind innerhalb des Gehäuses 14 angeordnet und erzeugen der Gestalt, dass sie den Druck des Öls, welches dann durch das Schmiersystem des Hydrauliksystems gepumpt wird, welche eine Hydraulikpumpe oder einen Motor für Hochdruckanwendungen mit niedriger Drehzahl benötigt.
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Die Dichteinheit 10 ist ringförmig axial außerhalb des Gehäuses angeordnet und grenzt an die zylinderförmige Öffnung der Wandfläche 16. Die Dichteinheit 10 hält die Dichtheit an der Öffnung aufrecht und erzeugt eine Abdichtung zwischen der Fläche der Welle 12 und der radialen Fläche 15 des Gehäuses 14. Die Dichteinheit 10 trennt die Kammer 18 von der Umgebung außerhalb des Gehäuses 14 ab.
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Ein elastischer Dichtringkörper 30 ist um einem starren Halter 32 getragen. Der elastische Dichtringkörper 30 kann aus einem Elastomer wie zum Beispiel Hartgummi bestehen, und der starre Halter 32 kann aus einem metallischen Material wie beispielsweise Stahl.
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Halter 32 ist ringförmig. Er weist einen axialen Schenkel und einen radialen Schenkel 36 auf, ferner einen gerundeten Verbindungsabschnitt 38. Halter 32 hat die Gestalt eines L oder eines aufgeweiteten V – siehe 1, 4 und 5.
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Dichtringkörper 30 ist ein integrales elastomeres oder polymeres Bauteil und wird durch einen Gieß- oder Spritzvorgang erzeugt. Typischerweise erfolgen die Ausbildung des elastischen Dichtringkörpers 30 und sein Binden an den starren Halter 32 gleichzeitig während des Gießvorganges. Der elastische Dichtringkörper 30 enthält einen ringförmigen Ringbereich 42, welcher an die Außendurchmesserfläche des ringförmigen, sich in radialer Richtung erstreckenden Schenkels gebunden ist. Der Ringbereich 42 enthält einen umfänglichen Erweiterungsabschnitt 44, der an einer Ecke des elastischen Dichtringkörpers 30 auf einer seiner Außenflächen ausgebildet ist und kann an jedem Ende eine konische Erweiterung aufweisen, um eine bessere gegenseitige Passung im eingebauten Zustand zu ergeben.
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Der Einbau der Dichtung, wie er in 1 dargestellt ist, bewirkt, dass der Erweiterungsabschnitt 44 die ringförmige zylinderförmige Wand 23 des Gehäuses in abdichtender Weise berührt. Um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zwischen der Außendurchmesserwand des elastischen Dichtringkörpers 30 und dem Innendurchmesser der ringförmigen zylinderförmigen Wand 23 zu gewährleisten, ist der Außendurchmesser des Erweiterungsabschnitts 44 dergestalt geformt, dass er geringfügig größer als der Innendurchmesser der zylinderförmigen Wand 23 ist. Ein begrenzter Betrag der Kompression des Erweiterungsabschnitts 44 und des Ringbereichs 42 tritt beim Einbau auf, was der Erzeugung einer flüssigkeitsdichten Abdichtung dienlich ist.
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Dichtring 30 weist einen Bereich 48 auf, der den axialen Schenkel 34 des starren Halters 32 auf seiner Unterseite abdeckt. Deckbereich 48 wird auf den axialen Schenkel 34 am besten derart aufgegossen, dass das elastomere Material den starren Halter 32 umgibt und gegen die Prozessflüssigkeit abdichtet, die sich unter Druck in der Innenkammer 18 befindet. Dies trägt dazu bei, die Korrosion der starren Halterung zu vermeiden.
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Von dem zentralen Deckbereich 48 aus erstreckt sich radial nach innen eine Dichtlippe 50. Die Dichtlippe 50 ist integraler Bestandteil des zentralen Deckbereichs 48 und ist auf den kurzen, sich radial erstreckenden Schenkel 36 der starren Halterung gegossen. Die Dichtlippe 50 umfasst einen Hauptkörper und einen Kontaktpunkt 52 für den abdichtenden Kontakt mit der Oberfläche der Welle 12. Im nicht eingebauten Zustand erstreckt sich die Dichtlippe 50 unter einem bestimmten Winkel in einer radial nach innen zeigenden Richtung relativ zur Mittellinie CL und axial vom Körper der Dichteinheit 10 weg in die Richtung, wo sich normalerweise die unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit befindet, wie das in 4 dargestellt ist, vorzugsweise 55 ± 10.
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Von dem elastischen Dichtringkörper 30 aus erstreckt sich in axialer und radialer Richtung ein vorspringendes Teil 60, welches sich um eine vorbestimmte Entfernung axial zum Ende des Schenkel 34 des starren Halters 32 erstreckt. Das vorspringende Teil 60 wirkt in der Weise, dass es den gewünschten axialen Abstand der Dichteinheit 10 relativ zu einer sich radial erstreckenden Wand 27 und der radialen Fläche 15 der ringförmigen Endplatte 20 bzw. dem Gehäuse aufrecht erhält. Das vorspringende Teil 60 kann, wie gezeigt, eine abgeschrägte Kante aufweisen, um einen einfacheren Einbau der Dichteinheit 10 in die ringförmige Endplatte 20 zu ermöglichen.
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Der elastische Dichtringkörper 30 ist zwischen der ringförmigen Endplatte 20, der ringförmigen zylinderförmigen Wand 23 und der radialen Fläche, welche den Raum für die Aufnahme der Dichteinheit 10 festlegen, angeordnet. Der Außendurchmesser des Ringbereichs 42 dichtet gegen die ringförmige zylinderförmige Wand 23 ab, und die Dichtlippe 50 dichtet gegen die Welle 12 ab. Der Abstand S zwischen dem Schenkel 36 und der Welle 12 ist für den starren Halter 32 kritisch, damit diese als einzelner und einziger Stützring für die Dichteinheit 10 wirkt. Der starre Halter 32 hat eine Höhe d, wie sie in 1 dargestellt ist. Der Abstand S von der Welle 12 muss für den wirksamsten Betrieb innerhalb von 0,0 bis 10% der Länge von d liegen. Eine nicht mit einer abgeschrägten Kante versehene Ecke ist auch hilfreich, das Austreten zu verhindern. Für den Abstand S sind vier bis acht Tausendstel Zoll ein vorzugsweiser Wert.
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Der elastische Dichtringkörper 30 ist auf den starren Halter 32 gegossen und mit diesem verbunden. Der elastische Dichtringkörper 30 und der starre Halter 32 legen zusammen einen radial befestigten Aufbau für die Dichtlippe 50 fest, der imstande ist, seine Position um einen gewissen Winkel zu verlagern, um die Auslenkung der Welle aufzunehmen, während zu allen Zeiten eine Dichtung gegen die Oberfläche der Welle 12 aufrecht erhalten wird. Im eingebauten Zustand der Dichteinheit 10 (2 und 3) kommt der Kontaktpunkt 52, der sich umfänglich um die Welle erstreckt, mit der Oberfläche der Welle 12 in Kontakt. Auf ähnliche Weise kommt der Erweiterungsabschnitt 44 des Ringbereichs 42 mit der ringförmigen zylinderförmigen Wand 23 und möglicherweise der radialen Oberfläche 15 des Gehäuses 14 in Kontakt, um eine flüssigkeitsdichte Abdichtung gegen das Gehäuse 14 zu ergeben.
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Ein ringförmiger Unterschnitt oder Vertiefung 54 ist im elastischen Dichtringkörper 30 angelegt, welcher eine kontrollierte Biegung der Dichtlippe 50 ermöglicht, während das Schlagen der Welle eine radiale Bewegung oder Wellenauslenkung bei der Drehung hervorruft. Die Wände 56, 58, welche den Unterschnitt bilden, sind so angeordnet, dimensioniert und ausgerichtet, dass sie bewirken, dass die Dichtlippe 50 sich um einen ringförmigen Umfang dreht, der annähernd um den Schenkel 36 angeordnet ist.
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Wie in 5 angegeben ist, sind es besonders die mit 1, 2 und 3 bezeichneten Flächen, welche die gerichteten Kräfte erzeugen, die, wie das in 1 dargestellt ist, mit den Pfeilen X, Y, Z angedeutet sind. Während des Betriebs erzeugt der Druck auf die Flächen die gerichteten Kräfte X, welche die Dichtungslippe zur Welle 12 hinab schieben. Derartige gerichtete Kräfte schieben auch die Dichtung in 1 nach rechts. Die Druckkräfte Y, die durch den Betrieb erzeugt werden, schieben die Dichtung hinab zur Welle 12 und schieben außerdem die Dichtlippe 50 nach links, wie das in 1 dargestellt ist. Die gerichtete Kräfte Z, die während des Betriebs der Dichtung erzeugt werden, schieben die Dichtung von der Welle 12 weg nach oben und nach links von der Dichtung in 1. Die Erzeugung von besonderen Flächen längs zur Orientierung des Winkels A von annähernd 90 ± 20 erzeugt die neuen neuartigen gerichteten Kräfte X, wie das in 1 dargestellt ist.
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Ein Winkel A mit 90 ± 10 ist ein bevorzugter Wert. Der Winkel B hat einen bevorzugten Wert von annähernd 120 ± 10. Die Gestalt des starren Halters 32 und ihre Anordnung recht dicht an der Welle 12 liefern eine starre Basis, so dass die Dichtlippe 50 eine wirksame Dichtung ohne Ausfall über lange Zeitspannen liefert.
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Weitere Modifikationen können einer Person mit normaler Fertigkeit auf diesem Fachgebiet deutlich werden, nachdem diese das hier beschriebene erfinderische Konzept verstanden hat. Folglich wird diese Erfindung nicht durch die hier dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt sondern nur durch die folgenden Ansprüche.
