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Die Erfindung betrifft einen Wellendichtring.
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Wellendichtringe werden zum Abdichten
von Wellen zwischen diesen und einer zugehörigen Vorrichtung eingesetzt.
Insbesondere sind als solche Vorrichtungen Getriebe bekannt.
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Aus der WO 02/086351 A2 ist ein Planetengetriebe
bekannt, bei dem zur Erhöhung
der Dichtheit zwei Wellendichtringe an der ein- und/oder abtreibenden
Seite eingesetzt sind. Dies ist aufwendig und kostspielig.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, einen Wellendichtring zum zuverlässigen Abdichten weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Wellendichtring
nach den in Anspruch 1 oder 2 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wesentliche Merkmale der Erfindung
bei dem Wellendichtring sind, dass Komponenten aus mindestens zwei
verschiedenen Werkstoffen umfasst, wobei mindestens eine erste Komponente
zumindest eine Dichtlippe aufweist, wobei zumindest eine Komponente
des Wellendichtrings aus einem Werkstoff derart gestaltet ist, dass
bei einer Temperaturänderung
die Form dieser Komponente sich derart ändert, dass der Anpressdruck
und/oder die Anpresskraft der Dichtlippe an die Welle sich ändert. Alternativ
umfasst der Wellendichtring mit Welle Komponenten aus mindestens
zwei verschiedenen Werkstoffen, wobei mindestens eine erste Komponente zumindest
eine Dichtlippe aufweist, wobei zumindest die Welle aus einem Werkstoff
derart gestaltet ist, dass bei einer Temperaturänderung die Form dieser Welle
sich derart ändert,
dass der Anpressdruck und/oder die Anpresskraft der Dichtlippe an
die Welle sich ändert.
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Von Vorteil ist dabei, dass der Anpressdruck beeinflussbar
ist mittels einer Temperaturänderung. Dies
bedeutet die Erkenntnis, dass durch den Unterschied der Materialien
und durch eine geschickte Materialwahl es ermöglicht ist auf den Anpressdruck Einfluss
zu nehmen. Nach Stand der Technik wird nur über die geometrischen Abmessungen
der Teile bei der Fertigung Einfluss genommen. Gemäß der Erfindung
hingegen ist nun ein Einfluss nehmen während des Betriebs ermöglicht.
Das Einfluss nehmen ist passiv, also ohne weiteres Zutun, beispielsweise
mittels Materialauswahl, bestimmbar oder aktiv, also durch Zutun,
beispielsweise durch Beheizen oder Abkühlen mittels entsprechend geeigneter
Mittel oder Vorrichtungen.
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Die passive Variante hat den Vorteil,
dass das Verhalten naturgesetzlich abläuft, also auch bei einem eventuellen
Stromversorgungsausfall funktioniert. Die aktive Variante hat den
Vorteil, dass der Anpressdruck genau steuerbar ist. Insbesondere
ist die steuernde Vorrichtung sogar mit einem Sensor derart verbindbar,
dass eine Regelung ausführbar
wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist zumindest einer der Werkstoffe eine Formgedächtnislegierung. Von Vorteil
ist dabei, dass im Wesentlichen zumindest zwei geometrische Formen
der Komponente und/oder der welle vorgebbar sind, die bei verschiedenen
Temperaturbereichen wirksam sind, wobei einer der Temperaturbereiche
unterhalb einer kritischen Temperatur und der andere oberhalb liegt. Auf
diese Weise ist diesen Temperaturbereichen jeweils ein Anpressdruck
zuordenbar. Bei einem Federelement ist dabei die Federkraft in zwei
Stärken ausbildbar
und bei einem sonstigen Element sind zwei Längen oder Abstände ausbildbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
sind Mittel zum Ändern
der Temperatur der Komponente vorgesehen. Von Vorteil ist dabei,
dass eine Vorrichtung diese Mittel derart steuern kann, dass der
gewünschte
Anpressdruck erzielbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
umfassen die Mittel zum Ändern
der Temperatur der Komponente elektrische Leitungen und Anschlüsse an der
Komponente. Von Vorteil ist dabei, dass eine elektrische Steuerung
ausführbar
ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist die Komponente ein Federelement. Von Vorteil ist dabei, dass
der durch das Federelement generierte Anpressdruck direkt mittels
der Temperatur steuerbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist die Komponente ein Stützring.
Von Vorteil ist dabei, dass der einfach geformte Stützring mit
bei thermischer Änderung
in gut vorderbestimmbarer und berechenbarer Art und Weise sich verformt
und somit der Anpressdruck wohlkontrolliert sich verändert. Gleiches gilt,
wenn die Komponente ein Außenring
ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
weist der Werkstoff einen im Wesentlichen von Null verschiedenen
Temperaturkoeffizienten auf. Von Vorteil ist dabei, dass entsprechend
der Größe des Temperaturkoeffizienten
die Stärke
der Änderung
bestimmbar ist und entsprechend des Temperaturverlaufs des Temperaturkoeffizienten
der Zusammenhang des Anpressdruckes in Abhängigkeit von der Temperatur.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ändert sich
der Temperaturkoeffizient abhängig
von der Temperatur. Insbesondere weist der Temperaturkoeffizient
bei Temperaturerhöhung
und/oder -erniedrigung mindestens eine Unstetigkeit auf, also eine
im Wesentlichen sprunghafte Änderung
auf. Von Vorteil ist dabei, dass auch sprunghafte Änderungen,
beispielsweise bei Überschreiten
einer kritischen Temperatur, ausführbar sind. Weiter von Vorteil
ist dabei, dass eine plötzliche
Erhöhung
des Anpressdruckes bei Überschreiten
der kritischen Temperatur ausführbar
sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist die Temperaturänderung
in der Komponente mittels einer Vorrichtung und den Mitteln steuerbar
und/oder regelbar. Von Vorteil ist dabei, dass der Anpressdruck vorgebbar
ist. Dabei sind in der steuernden Vorrichtung vorteiligerweise Kennlinien
ablegbar, nach denen die nötige
Temperatur für
den gewünschten
Anpressdruck bestimmbar ist und dann durch Bestromung steuerbar
ist oder durch sonstige Größenänderung
einstellbar ist.
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Bei dem Getriebe ist wesentlich,
dass es mit mindestens einem Wellendichtring ausgeführt ist, wobei
das Getriebe derart ausgebildet ist, dass im Innenraum des Getriebes
bei einer Temperaturerhöhung
der Druck ansteigt. Von Vorteil ist dabei, dass eine selbsttätige Sicherung
des Getriebes mittels des Anpressdruckes ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist zwischen zumindest einem Gehäuseteil
und der Abtriebs- und/oder Antriebswelle ein Ringraum zur Aufnahme
von zwei Wellendichtringen ausgebildet, wobei zumindest einer der
beiden Wellendichtringe nach obiger Ausführung ausgebildet ist. Von
Vorteil ist dabei, dass der innere der beiden Wellendichtringen
nach Stand der Technik ausführbar
ist und der äußere mittels
der genannten Methoden im Anpressdruck erfindungsgemäß variierbar.
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Bei dem Verfahren zur Temperatursteuerung und/oder
-regelung einer Komponente eines Wellendichtrings und/oder einer
Welle ist wesentlich, dass die Temperatur derart verändert wird,
dass die der Anpresskraft und/oder der Anpressdruck des Wellendichtrings
an die Welle geändert
wird. Von Vorteil ist dabei, dass sogar die Welle durch Beheizen
ihren Durchmesser ändert
und somit der Anpressdruck variiert wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
- – wird
eine physikalische Größe, wie
Temperatur oder Druck oder Leistung der die Welle und den Wellendichtring
umfassenden Vorrichtung, insbesondere Getriebe, mit entsprechenden
Mitteln erfasst
und/oder wird von einer Steuer- und/oder Regelungseinheit,
insbesondere Signalelektronik eines Umrichters, ein Modellwert für die physikalische Größe gebildet,
- – wird
die Temperatur der Komponente und/oder Welle derart verändert, dass
die Anpresskraft und/oder der Anpressdruck erhöht wird, wenn die physikalische
Größe und/oder
deren Modellwert sich ändert,
insbesondere sich die Temperatur und/oder der Druck sich erhöht. Von
Vorteil ist dabei, dass verschiedenstartige Größen verwendbar sind bei der
Erfassung mittels des Sensors und somit der Anpressdruck aufgrund
verschiedenartigster Problemstellungen veränderbar ist.
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Vorteilig ist insbesondere, dass
durch Wahl des Temperaturkoeffizienten als positiv oder negativ mittels
des Aufheizens eine Längenvergrößerung oder
Längenverkleinerung
erzielbar ist, also auch eine Anpressdruckverminderung oder Anpressdruckvergrößerung.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist die Temperatur der Komponente und/oder Welle abhängig von
den Signalen eines Schmierstoffsensors, insbesondere eines im für die Wellendichtringaufnahme vorgesehenen
Ringraum vorgesehenen Schmierstoffleckage-Sensors. Von Vorteil ist dabei, dass
bei festgestelltem Austreten von Schmierstoff der Anpressdruck der
Dichtlippe des Wellendichtrings erhöhbar ist. Insbesondere ist
bei der oben erwähnten Ausführung mit
zwei Wellendichtringen der Anpressdruck des äußeren Wellendichtrings erhöhbar, wenn ein
Austreten von Schmierstoff aus dem inneren Wellendichtring festgestellt
wird.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nun anhand von
Abbildungen näher
erläutert:
In
der 1 ist ein Schnitt
durch einen Radialwellendichtring mit metallischem Außenring 1 und
einem Mantel 3 gezeigt, wobei im Mantel 3 eine
als Zugfeder 2 ausgebildete Ringfeder vorgesehen ist. Der Mantel 3 weist
eine Dichtlippe 4 auf, die über den Ölschmierfilm mit der äußeren Oberfläche einer
nicht gezeigten Welle als Dichtung zusammenwirkt. Der Anpressdruck
wird durch die Zugfeder 2 wesentlich bestimmt. Allerdings
ist auch durch die genaue Ausformung und Geometrie des Mantels 3 und
der Welle der Anpressdruck beeinflussbar.
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Wird die Welle beispielsweise mit
Untermaß ausgeführt, also
mit einem um einige Mikrometer oder Zehntel geringeren Durchmesser
als für
den Wellendichtring vorgesehen, ist der Anpressdruck und/oder die
Anpresskraft entsprechend verringert.
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Weitere Einflussgrößen sind
auch der Verschleiß,
also die Abnutzung der Dichtlippe 4, die Betriebstemperatur
und die Benetzung beziehungsweise Zusammenwirkung der jeweiligen
Komponente mit Schmierstoff. Beispielsweise verändert sich die Federkraft der
Feder bei Erwärmung.
Ebenso verändert
sich die Geometrie des metallischen Außenrings 1. Weiter
beispielhaft ist auch das Volumen der nichtmetallischen Komponenten
veränderlich
bei Benetzen mit Schmierstoff, insbesondere Öl.
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In der 2 ist
ein anderer Wellendichtring gezeigt. Dabei weist der Mantel 21 als
weitere Lippe eine Staublippe 22 und einen metallischen
Stützring 23 auf.
Dieser Stützring 23 beeinflusst
ebenfalls durch seine geometrische Form den Anpressdruck der Dichtlippe 4 an
die Welle. Dabei ist die geometrische Form ebenfalls abhängig von
der Temperatur.
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In den 3, 4 und 5 sind räumliche Ansichten von erfindungsgemäßen Wellendichtringen
mit jeweils verschiedenen Mänteln 3, 41 und 51 gezeigt.
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In anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
weist der Mantel weitere Dichtlippen auf und/oder ist zwei- oder
mehrteilig ausgeführt.
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Wesentliche Idee der Erfindung ist
unter anderem, dass die Form einer Komponente oder der Welle aktiv
und/oder passiv geändert
wird und damit der Anpressdruck in der gewünschten Richtung verändert wird.
Erfindungsgemäß ist jede
Art und Weise eingeschlossen, also wärmebedingte Formänderungen
ebenso wie elektrisch, magnetisch oder chemisch bedingte.
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Der Wellendichtring ist insbesondere
für ein Getriebe
oder eine andere Vorrichtung mit geschlossen ausgeführtem, mit
Schmierstoff mindestens teilweise befülltem Innenraum vorgesehen.
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Wenn die Betriebstemperatur im Getriebe ansteigt,
steigt auch der Druck der im Innenraum eingeschlossenen, erwärmten Luft.
Außerdem ändert sich
auch das Volumen des Schmierstoffs. Somit wird der Schmierstoff
mit erhöhtem
Druck auf die Wellendichtringe an der an- und abtreibenden Seite
gedrückt.
Die Ringfeder des Wellendichtrings ist im allgemeinen derart ausgelegt,
dass ein Überdruck
von 0,5 bar kompensierbar ist. Bei größeren Drucken jedoch wäre die Dichtheit
ohne die vorliegende Erfindung gefährdet.
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Bei der Erfindung wird daher zur
Erhöhung der
Sicherheit die Anpresskraft der Dichtlippe an die Welle erhöht, indem
die geometrischen Daten gezielt verändert werden. Somit ist eine
höhere
Dichtheit erzielbar. Vorteiligerweise werden die geometrischen Daten
der Komponente und/oder der Welle bei Absinken der Betriebstemperatur
wieder auf die alten Werte gebracht.
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Statt der Erhöhung der Betriebstemperatur und
somit auch des Druckes im Innenraum sind auch andere Größen wichtig.
Beispielsweise sind die Daten eine Sensors zur Bestimmung von Öl-Leckage relevant.
Stellt der axial außerhalb
des Wellendichtrings angeordnete Sensor ein Austreten von Schmierstoff
fest, wird die Form der Komponente erfindungsgemäß geändert. Dazu ist beispielhaft
der Sensor mit einer Vorrichtung verbunden, die mit Mitteln zum
Erwärmen
der Komponente und/oder Welle verbunden ist. Diese Mittel sind in
einfachster Ausführungsform
elektrische Leitungen, die das elektrische Bestromen der Komponente
selbst und somit Ohmsches Erwärmen
ausführbar
machen. In Weiterbildung ist als Mittel vorteiligerweise auch ein
Heizelement betreibbar, das mit der Komponente wärmeleitend verbunden vorgesehen
ist, beispielsweise als aufgeklebter Heizwiderstand. Als Mittel
sind auch Mikrowellenstrahler, Infrarotstrahler oder andere elektromagnetische
Strahlungen abgebende Systeme einsetzbar.
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Mittel zur Beheizung der Welle sind
ebenfalls betreibbar. Vorteilig sind berührungslos arbeitende System,
wie Mikrowellenstrahler, Infrarotstrahler oder andere elektromagnetische
Strahlungen abgebende Systeme, in der Nähe der Welle positioniert und
bestrahlen diese entsprechend.
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Andere Ausführungsformen sind induktiv übertragende
Systeme, die ein auf die Welle aufgeklebtes oder sonstig verbundenes
Heizelement versorgen. Dazu trägt
die Welle eine erste Wicklung und um die Welle herum ist eine zweite
Wicklung installiert. Die zweite wird dabei mit Wechselstrom versorgt,
so dass die erste Wicklung Strom an das Heizelement liefert.
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Auch andere bekannte Vorrichtungen
zum Heizen sind an der Welle anwendbar.
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Das nach einer der vorgenannten Arten
ausgeführte
Heizen oder auch die durch die bloße betriebsbedingte Erwärmung bewirken
die Änderung der
Geometrie. Dabei ist das Heizen steuerbar und es sind somit unter
Berücksichtigung
der Materialdaten die geometrischen Veränderungen bestimmbar.
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In der Wahl des Materials der Komponenten liegt
allerdings ein wesentlicher und weiterer Aspekt der Erfindung.
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In erster erfindungsgemäßen Ausführungsvariante
wird eine Komponente aus Formgedächtnislegierung
gefertigt. Somit liegt die Komponente unterhalb einer kritischen
Temperatur in einer ersten geometrischen Form und oberhalb in einer
zweiten geometrischen Form vor. Auf diese Weise lassen sich also
zwei Formen einstellen, die zu je nach Temperatur zu zwei verschiedenen
Anpressdrucken oder Anpresskräften
der Dichtlippe gegen die Welle führen. Besonderes
vorteilig ist dabei, dass bei geeigneter Wahl der kritischen Temperatur
eine betriebsbedingte Temperaturerhöhung, beispielsweise auch durch Überlastung
des Getriebes, automatisch zu einer Erhöhung der Anpresskraft führt und
somit die Dichtheit verbesserbar ist.
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Dabei sind eines oder mehrere der
metallischen Teile mittels der Formgedächtnislegierung ausführbar. Eine
solche Formgedächtnislegierung weist
einen sprunghaften Verlauf des Temperaturkoeffizienten, also einen
abhängig
von der Temperatur sprunghaft verlaufenden Längenausdehnungskoeffizienten,
auf. Insbesondere ist die Ringfeder derart ausführbar, dass diese abhängig von
der Temperatur im Wesentlichen zwei verschieden Formen aufweist und
somit zwei verschiedene Anpressdrucke an der Dichtlippe 4 wirksam
werden.
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Statt der Ringfeder ist auch ein
Stützring oder
ein Außenring
oder eine Kombination dieser Komponenten mit einer solchen Legierung
ausführbar.
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In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten
wird ein metallisches Material verwendet, das eine mit der Temperatur
veränderliche Ausdehnung
aufweist. Beispielsweise ist für
die Ringfeder, den Stützring
oder den Außenring
ein üblicher
Stahlwerkstoff verwendbar. Durch das oben erwähnte Aufheizen des Stahlwerkstoffs,
insbesondere durch Verbinden mit einem steuerbaren Heizelement,
ist die Längenausdehnung
beziehungsweise Formänderung
vorbestimmbar. Somit ist der Anpressdruck der Dichtlippe über eine
Vorrichtung steuerbar. Diese Vorrichtung ist in erster weiterer
Variante mit einem Sensor verbindbar, der entweder die Temperatur,
den Druck, den Ölaustritt
oder eine weitere Größe detektiert.
Somit ist der Anpressdruck erhöhbar,
wenn die Temperatur im Innraum der Vorrichtung, insbesondere des
Getriebes, sich erhöht.
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Alternativ sind auch das Heizelement
oder die entsprechenden Mittel zum Heizen von einem Umrichter aus
steuerbar, der in seinem Signalelektronikteil einen Modellwert für die Temperatur
im Getriebe bildet. Denn dem Signalelektronikteil ist die ans Getriebe
eingespeiste Leistung und deren zeitlicher Verlauf in genügender Genauigkeit
bekannt. Somit ist sogar der Temperatursensor einsparbar.
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Je nach Vorrichtung mit Innenraum
oder anderweitiger Verwendung ist ein Material mit positivem oder
negativem Temperaturkoeffizienten verwendbar oder eine Legierung
mit einem besonderen Verlauf des Temperaturkoeffizienten. Somit
lassen sich verschiedenartigste Anpressdrucke der Dichtlippe nach Bedarf
steuern.
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Bei einer Vorrichtung, die einen
Ringraum zur Aufnahme zweier Wellendichtringe aufweist, ist die
Sicherheit beim Abdichten verbesserbar, wenn zwischen den beiden
Wellendichtringen ein Sensor vorgesehen wird, der das Austreten
von Schmierstoff detektiert und die Signale des Sensors zum Steuern der
Anpresskraft der Dichtlippe des äußeren Wellendichtrings
verwendet wird. Auf diese Weise ist nämlich bei verschleißbedingtem
oder anderweitigem Versagen des inneren Wellendichtringes der Anpressdruck
der Dichtlippe des äußeren Wellendichtrings
von Null oder einem kleinen Wert aus erhöhbar und somit die Dichtheit
wieder herstellbar. Gleichzeitig ist von der steuernden Vorrichtung
aus ein Warnsignal, insbesondere akustisch optisch, elektrisch und
Oder elektromagnetisch abgebbar. Vorteiligerweise erfolgt die Warninformation
an eine über
Feldbus verbundene, zentrale Steuerung einer Anlage oder Maschine.
Damit ist dann das Service-Personal informierbar.
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Statt eines Getriebes ist als Vorrichtung
mit Innenraum ein Motor, insbesondere ein von einem Umrichter gespeister
Elektromotor, verwendbar.
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- 1
- metallischer
Außenring
- 2
- Zugfeder
- 3
- Mantel
- 4
- Dichtlippe
- 21
- Mantel
- 22
- Staublippe
- 23
- Stützring
- 41
- Mantel
- 51
- Mantel