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Technisches Umfeld
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Umfeld der Ringdichtungen zum Abdichten eines Ringspalts zwischen zwei sich relativ zueinander drehenden Komponenten, und deren Herstellung.
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Hintergrund
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Dichtungen werden verwendet, um eine Leckage zwischen zwei Umgebungen zu verhindern. Dichtungen können verwendet werden, z. B. um ein Fluid zurückzuhalten, Fluide zu trennen, oder um die Übertragung von Teilchenverunreinigungen von einer Umgebung in eine andere zu verhindern. Eine statische Dichtung würde eine Leckage vollständig verhindern, wenn die Kontaktflächen perfekt glatt wären, oder wenn die Unebenheiten am Kontakt sehr stark deformiert und ausreichend abgeplattet sind.
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Dichtungen können auch in nicht statischen Vorrichtungen, wie beispielsweise Wälzlagern, verwendet werden. Nicht statische Vorrichtungen verlassen sich auf Dichtungen, um Schmiermittel zurückzuhalten, einen Wassereintritt zu verhindern und um eine Teilchenkontamination, wie beispielsweise groben Staub, des sehr leicht beschädigbaren Wälzkörpers zu verhindern. Sie verlassen sich auch auf einen extrem dünnen elastohydrodynamischen Film zwischen der Dichtung und der sich bewegenden Fläche, um einen übermäßigen Verschleiß der Dichtung, insbesondere beim Anlaufen, wenn geringe Bewegungen zu großen Reibkräften führen, und die Dichtung für einen Verschleiß am meisten anfällig ist, zu verhindern.
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Lagerdichtungen werden üblicherweise aus einer Gummikomponente mit einer geeigneten Form gebildet. In manchen Fällen wird eine Schmierbeschichtung und/oder eine reibarme Beschichtung auf der geeignet geformten Gummikomponente ausgebildet, um eine Reibung zwischen der Dichtung und, beispielsweise einer Welle, die sich durch das Lager erstreckt, zu reduzieren. Es ist auch bekannt, eine starre Komponente an der geeignet geformten Gummikomponente zu befestigen, um eine Lagerdichtung mit einer ausreichenden Steifigkeit bereitzustellen. Derartige Komponenten sind schwierig herzustellen.
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Dichtungen können hergestellt werden, indem die Endfläche eines röhrenförmigen Gummirohlings maschinell zu einem gewünschten Dichtungsprofil bearbeitet wird, und dann der maschinell bearbeitete Rohling in Scheiben geschnitten wird, um die Dichtung zu bilden. Eine derartige maschinelle Bearbeitung kann beispielsweise ausgeführt werden, indem eine SKF SEALJET Maschine verwendet wird. Wenn es erfordert, dass die Dichtung zusätzliche Komponenten aufweist, beispielsweise eine reibarme Beschichtung oder eine starre Komponente, dann müssen diese nach dem maschinellen Bearbeiten befestigt oder angebracht werden. Dementsprechend vergrößert sich die Komplexität des Herstellungsverfahrens.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung zumindest einige der Probleme, die mit dem Stand der Technik einhergehen, anzugehen oder zumindest abzuschwächen, oder eine kommerziell akzeptierbare Alternative dazu bereitzustellen. Insbesondere können die Ausführungsbeispiele der Erfindung eine leicht herstellbare Dichtung, beispielsweise eine Lagerdichtung, bereitstellen.
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Zusammenfassung
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In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Ringdichtung bereit, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- i. Bereitstellen eines Zwischenprodukts mit einer ringförmigen Schicht eines elastomeren ersten Materials, das an eine ringförmige Schicht eines zweiten Materials gebondet ist, wobei das zweite Material unterschiedlich ist zu dem ersten Material; und
- ii. Maschinelles Bearbeiten des Zwischenprodukts, um eine Ringdichtung, die das erste und das zweite Material aufweist, auszubilden.
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Gemäß der Erfindung wird das Zwischenprodukt maschinell bearbeitet, um ein Profil bereitzustellen, das im Wesentlichen U-förmig ist, und das durch eine sich radial erstreckende Wandung, eine äußere Flanschwandung, die sich axial von der radialen Wandung erstreckt, und eine innere Flanschwandung, die der äußeren Flanschwandung gegenüberliegt und sich axial von der radialen Wandung erstreckt, definiert ist. Weiterhin hat die Ringdichtung eine Dichtlippe, die sich von der inneren Flanschwandung radial nach innen erstreckt, wodurch die Dichtlippe aus dem zweiten Material geformt ist und wobei das zweite Material einen oder mehreren hat von: einen geringen Reibkoeffizienten, eine höhere Hitzebeständigkeit, eine höhere Verschleißbeständigkeit und/oder eine höhere chemische Beständigkeit als das erste Material.
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Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung ermöglicht eine Herstellung einer Dichtung, indem ringförmige Schichten des ersten und zweiten Materials vor dem Schritt der maschinellen Bearbeitung miteinander verbunden werden. Vorzugsweise ist es dann nicht nötig, weitere Materialteile der Dichtung bereitzustellen, die genau mit der Form des ersten Materials übereinstimmen.
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Die vorliegende Erfindung wird nun weiter beschrieben. In den folgenden Passagen werden verschiedene Aspekte der Erfindung genauer definiert. Jeder so definierte Aspekt kann mit jedem anderen Aspekt oder Aspekten kombiniert werden, außer es ist klar das Gegenteil angegeben. Insbesondere kann jede Eigenschaft, die als bevorzugt und vorteilhaft angegeben ist, mit jeder anderen Eigenschaft oder Eigenschaften, die als bevorzugt oder vorteilhaft angegeben sind, kombiniert werden.
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Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie sich diese auswirkt, wird nun lediglich exemplarisch auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
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1: ein Zwischenprodukt für die Verwendung bei einer Herstellung einer Dichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens der Erfindung zeigt;
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2: ein Querschnitt durch eine Dichtung, die aus dem Zwischenprodukt von 1 hergestellt ist, zeigt;
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3: ein Zwischenprodukt für eine Verwendung bei einer Herstellung einer Dichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens der Erfindung zeigt; und
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4: ein Querschnitt einer Dichtung, die aus dem Zwischenprodukt von 3 hergestellt ist, zeigt.
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Unter Bezugnahme auf die 1 und 3 weist ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens des Herstellens einer Dichtung 500 gemäß der Erfindung die Schritte auf des Bereitstellens eines ersten Materials 100 und des Bondens eines zweiten Materials 200 an das erste Material 100, um ein Zwischenprodukt 10 auszubilden. Das zweite Material 200 ist ein unterschiedliches Material zu dem ersten Material 100 und kann vorteilhafterweise gewählt werden, um unterschiedliche Materialeigenschaften bereitzustellen. Das erste und das zweite Material 100, 200 sind als ringförmige Schichten bereitgestellt, so dass das Zwischenprodukt 100 ebenfalls eine ringförmige Form hat.
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Das erste Material 100 kann ein elastomeres Material sein, wie beispielsweise eines, aus dem Dichtungen üblicherweise hergestellt werden. Das erste elastomere Material kann beispielsweise ein oder mehr aufweisen von: Fluorelastomer (FKM), Perfluorelastomer (FFKM), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), hydrierter Nitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), carboxylierter Nitril Butadien-Kautschuk (XNBR), Silicon (VMQ), Polyurethan (PU), Neopren (Chloropren), Ethylen-Propylen-Diene (EPDM), Ethylen-Propylen (EPM), Styrol-Butadien (SBR), Isobuten-Isopren, Thermoplastisches Polyurethan (TPU) und Thermoplastische Elastomere (TPE).
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Die Kombination aus dem elastomeren erstem Material 100 und dem zweiten Material 200 kann für spezifische Anwendungen angepasst werden, um eine überlegene Leistungsfähigkeit verglichen mit Dichtungen, die nur eines dieser Materialen aufweisen, zu erreichen.
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Eine derartige Kombination kann auch gewählt werden, um eine höhere Leistungsfähigkeit bei geringeren Kosten zu erreichen, indem teurere Materialien in geringerer Menge verwendet werden.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel kann das zweite Material 200 ein oder mehr zeigen von: einen geringeren Reizkoeffizienten, eine höhere Hitzebeständigkeit, eine höhere Verschleißbeständigkeit und/oder eine höhere chemische Beständigkeit als das erste Material. Derartige Eigenschaften können vorzugsweise von einem Material, das eine Dichtfläche der Dichtung, wie beispielsweise die Oberfläche einer Dichtlippe, bildet, gezeigt werden. Es kann vorteilhaft sein, dass ein geringer Reibkoeffizient, eine hohe Hitzebeständigkeit, eine hohe Verschleißbeständigkeit und/oder eine hohe chemische Beständigkeit von dem zweiten Material 200 bereitgestellt wird, eher als notwendigerweise von dem gesamten Zwischenprodukt 10. Dies gilt, da die Materialen, die derartige Eigenschaften bereitstellen, andere Eigenschaften zeigen können, die bei den resultierenden Dichtungen nicht bevorzugt sind, beispielsweise eine geringe Elastizität.
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Das zweite Material 200 kann ein Polymer aufweisen, beispielsweise eines oder mehrere der oben für das elastomere erste Material spezifizierten, und optional ein Einfüllstoff. Der Füllstoff ist typischerweise innerhalb des Polymers verteilt, das heißt, das Polymer ist die durchgängige Phase und der Füllstoff ist die diskontinuierlicher Phase. Der Füllstoff kann ein Reibmodifizierer sein. Der Reibmodifizierer kann eine beliebige Substanz sein, die in Verwendung, die Gleitreibung des Materials gegenüber der Gegenfläche reduziert. Vorzugsweise umfassen Reibmodifizierer beispielsweise Grafit, PTFE, MoS2, Nanofüllstoffe, fullarenähnliche Füllstoffe und Wachse. Die Einbettung eines Reibmodifizierers in das Polymer kann die Reibverluste bis zu 60 % verringern und kann die Lebensdauer der Dichtung vergrößern. Abhängig von der speziellen Kombination von Polymer und Reibmodifizierer kann der Reibkoeffizient auf 0,05 von einem Durchschnitt von 0,35 verringert werden. Um die Reibung zu reduzieren, kann das zweite Material 200 so formuliert sein, dass es die Filmdicke des Schmiermittels, das zurückgehalten werden soll, vergrößert. Beispielsweise hat ein Material, das mit Schmiermittel aufgequollen ist, einen geringeren Reibkoeffizienten, da es Schmiermittel unter Druck abgibt, und so Schmiermittel an die Kontaktflächen führt. Die Kombination von Polymer und Füllstoff kann auch so gewählt werden, dass das zweite Material eine höhere Hitzebeständigkeit, eine höhere Verschleißbeständigkeit und/oder eine höhere chemische Beständigkeit aufweist, als das erste Material 100.
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Es ist ebenfalls angedacht, dass das zweite Material 200 einfach eine Beschichtung eines reibarmen Materials, wie beispielsweise Grafit, PTFE und/oder MoS2 aufweist, oder daraus besteht.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt das zweite Material 200 eine größere Steifheit als das erste Material 100. Dies kann dazu dienen, die Form der Dichtung 500 im Gebrauch beizubehalten. Das zweite Material 200 kann ein Polymer und einen Füllstoff aufweisen. Der Füllstoff ist üblicherweise in dem Polymer verteilt. Die Kombination aus Polymer und Füllstoff kann gewählt werden, um das zweite Material 200 mit einer höheren Härte und/oder einem höheren Elastizitätsmodul auszustatten, im Vergleich mit dem ersten Material 100. Dies kann helfen, die resultierende Dichtung im Gebrauch in einer Bohrung zu halten. Die Kombination aus Polymer und Füllstoff kann gewählt werden, um die Klebkraft einer Fläche der resultierenden Dichtung 500 zu vergrößern, und hilft auch die Struktur der resultierenden Dichtung 500 beizubehalten. Die Kombination aus Polymer und Füllstoff kann gewählt werden, um sicherzustellen, dass die Eigenschaften des zweiten Materials 200 für eine lange Zeitdauer unter den typischen Betriebsbedingungen der resultierenden Dichtung 500 beibehalten werden, wodurch sich die Lebensdauer der Dichtung 500 vergrößert.
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Das erste Material 100 ist vorzugsweise in Form eines Rings oder einer Röhre mit einer Bohrung mit einer inneren Fläche 110 bereitgestellt. Das zweite Material 200 kann als ein Ring oder eine Röhre mit einer äußeren Fläche 210 bereitgestellt sein. Das erste Material 100 hat vorzugsweise eine glatte Fläche, das zweite Material 200 hat vorzugsweise eine komplementäre glatte Fläche und diese beiden glatten Flächen können vorzugsweise aneinander gebondet werden. Demnach ist der Schritt des aneinander Bondens der Materialien viel einfacher als wenn das erste Material 100 zuerst maschinell zu einer komplexen Form bearbeitet wurde. Die äußere Fläche 210 passt genau zu der inneren Fläche 110, so dass die zwei Flächen 110, 210 aneinander gebondet werden können. Beispielsweise kann das Bonden das Erhitzen der zwei Materialien 100, 200, wenn sie in Kontakt sind, das heißt ein Fusionsbonden, aufweisen.
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Alternativ kann das zweite Material durch Abscheidung auf die innere Fläche 110 aufgebracht werden, so dass sich die zwei Materialien treffen und an den Flächen 110 und 210 aneinander liegen. Beispielsweise kann das zweite Material 200 auf die Innenfläche 110 des ersten Materials 100 aufgesprüht werden.
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Als eine weitere Alternative kann das zweite Material 200 zusammen mit dem ersten Material 100 koextrudiert werden, um ein Zwischenprodukt 10 mit zwei Materialien, die an den Flächen 110 und 210 aneinandergebondet sind, auszubilden. Beispielsweise können das erste und zweite Material 100, 200 geschmolzen und durch eine Modellform gezwungen werden (das heißt eine Modellform, die ausgebildet ist, um zwei konzentrische ringförmige Extrusionen zu bilden), die die Materialen in die gewünschte Form extrudiert, in welcher sie beim Abkühlen verbleiben.
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Als eine weitere Alternative kann das zweite Material 200 an das erste Material 100 angeklebt werden, um ein Zwischenprodukt 10 mit zwei Materialien, die an den Flächen 110 und 210 aneinandergebondet sind, auszubilden.
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Als eine weitere Alternative kann das zweite Material zusammen mit dem ersten Material 100 formgepresst werden, um ein Zwischenprodukt 10 mit zwei Materialien, die an den Flächen 110, 210 aneinandergebondet sind, auszubilden. Das Formpressen umfasst vorzugsweise ein oder mehr von: einem Spritzgießen, einem Formpressen und einem Transferpressen. Mit einer geeigneten Wahl der Vernetzungssysteme des ersten Materials 100 und des zweiten Materials 200 wird das chemische Bonden während des Formprozesses sichergestellt. Die Verwendung des Formpressens ist besonders bevorzugt hinsichtlich der niedrigen Kosten.
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In jeder dieser Optionen bilden das erste Material 100 und das zweite Material 200 Schichten des Zwischenprodukts 10. Es ist deshalb zu sehen, dass die Erfindung das Bonden des ersten und zweiten Materials 100, 200 in einem frühen Stadium der Herstellung involviert, wenn es einfacher ist, dies zu tun, um so ein Zwischenprodukt 10 zu erzeugen, und dann eine maschinelle Bearbeitungsprozedur auszuführen, um eine kompliziertere geformte Dichtung 500 herzustellen.
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Wichtiger Weise kann das Zwischenprodukt 10 als ein standardisiertes Element auf Lager ausgebildet sein, das für verschiedene Dichtungen mit sich unterscheidenden Querschnitten verwendet werden kann. Demnach kann eine größere Anzahl von Zwischenprodukten 10 hergestellt werden, was zu Produktionsersparnissen führt, wobei der einzige Unterschied in der Herstellung jeder Art von Dichtung in dem nachfolgenden maschinellen Bearbeitungsschritt liegt, der ein computerisierter Prozess sein kann, wie beispielsweise die Verwendung einer computergesteuerten Drehmaschine, wie beispielsweise einer SKF SEALJET Maschine (beispielsweise NG025, NG040 oder NG060).
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1 zeigt einen Querschnitt durch ein Zwischenprodukt 10 mit dem ersten Material 100, das an das zweite Material 200 gebondet ist. Eine erwünschte Querschnittsform 400 der Dichtung 500 ist in dem Querschnitt des Zwischenprodukts 10 dargestellt.
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Das Zwischenprodukt 10 kann nachfolgend maschinell bearbeitet werden, um das Material außerhalb der gewünschten Querschnittsform 400 zu entfernen, um eine Dichtung 500, wie sie in 2 gezeigt ist, herzustellen.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst die Querschnittsform 400 sowohl das erste und das zweite Material 100, 200, die beide einen Teil der Dichtung 500 bilden (siehe 2), der aus dem maschinellen Bearbeitungsschritt resultiert. Wie oben bemerkt, involvieren die geeigneten maschinellen Bearbeitungstechniken ein Schneiden der Komponente mit einer Drehmaschine, um eine Ringdichtung mit dem gewünschten Querschnitt herzustellen.
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In diesem Ausführungsbeispiel, wie es in 2 gezeigt ist, wird die Dichtung 500 maschinell bearbeitet, um ein Profil bereitzustellen, das im Wesentlichen U-förmig ist, und das durch eine sich radial erstreckende Wandung 1, eine äußere Flanschwandung 2, die sich axial von der radialen Wandung 1 erstreckt, und eine innere Flanschwandung 3, die der äußeren Wandung gegenüberliegt und sich im Wesentlichen axial von der radialen Wandung erstreckt, definiert ist. Eine Dichtlippe 4 ist an der radial inneren Fläche der inneren Flanschwandung 3 bereitgestellt. Es ist deshalb zu sehen, dass die Wandungen 1, 2 und 3 aus dem ersten Material 100 gebildet sind, während die Dichtlippe 4 aus dem zweiten Material 200 gebildet ist. Die Dichtlippe 4 ist an die inneren Flanschwandung 3 gebondet.
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Durch das Bereitstellen des zweiten Materials 200 mit einem niedrigen Reibkoeffizienten an einer radial inneren Fläche 110 des ersten Materials 100, um ein Zwischenprodukt 10 auszubilden, und dann des nachfolgend maschinellen Bearbeitens des Zwischenprodukts 10, um eine Dichtung 500 auszubilden, kann eine Dichtung 500 bereitgestellt werden, die eine reduzierte Reibung zeigt, wenn sie in Gleitkontakt mit einer Gegenfläche ist. Die Gegenfläche kann eine sich drehende Welle einer Maschine sein, wobei die äußere Flanschwandung 3 der Dichtung beispielsweise an einer Bohrung eines Gehäuses angebracht ist. Die Dichtung kann auch als eine Lagerdichtung ausgeführt sein, die in dem Ringspalt zwischen dem Innen- und Außenring des Lagers befestigt ist.
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Wie oben diskutiert, kann das zweite Material 200, statt nur einen geringen Reibkoeffizienten aufzuweisen, zusätzlich oder alternativ einen oder mehrere aufweisen von: einer höheren Hitzebeständigkeit, einer höheren Verschleißbeständigkeit und/oder einer höheren chemischen Beständigkeit als das erste Material 100.
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Mit Bezug auf die 3 und 4 umfasst ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens des Herstellens einer Dichtung 600 gemäß vorliegender Erfindung die Schritte des Bereitstellens eines Zwischenprodukts 20 durch das Bereitstellen eines ersten Materials 100, das Bonden eines zweiten Materials 200 an das erste Material, und das Bonden eines dritten Materials 300 an das erste Material 100. Die zweiten und dritten Materialien 200, 300 sind unterschiedliche Materialien zu dem ersten Material 100. Vorzugsweise ist das dritte Material 300 unterschiedlich zu dem zweiten Material 200.
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Es gibt viele Ähnlichkeiten zwischen dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel. Dementsprechend kann, wie beim ersten Ausführungsbeispiel, das dritte Material 300 an das erste Material 100 gebondet werden, durch: separates Ausformen von Stücken der Materialien 100, 300 und aneinander Bonden dieser, beispielsweise durch Kleben oder Fusionsbonden; Abscheiden des dritten Materials 300 auf einem Stück des ersten Materials 100; oder ko-extrudieren des ersten und des dritten Materials 100, 300 (oder des ersten, zweiten und dritten Materials 100, 200, 300).
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Am bevorzugtesten wird, wie in 3 zu sehen ist, eine radial innere Fläche 320 des dritten Materials 300 an eine radiale äußere Fläche 120 des ersten Materials 100 gebondet, wobei die Fläche 120 der Fläche 110 gegenüberliegt. Das heißt, dass das erste und das dritte Material 200, 300 an gegenüberliegenden Flächen des ersten Materials 100 gebondet sein können.
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Wie in 3 zu sehen, umfasst die Querschnittsform 400 in diesem Ausführungsbeispiel ein erstes, zweites und drittes Material 100, 200, 300, die alle ein Teil der Dichtung 600 bilden, der aus dem maschinellen Bearbeitungsschritt resultiert. In dem Ausführungsbeispiel, wie es in 4 gezeigt ist, ist die Dichtung 600 maschinell bearbeitet, um ein Profil bereitzustellen, das ähnlich ist zu dem der Dichtung 500 des ersten Ausführungsbeispiels (siehe 2), wie oben beschrieben. Insbesondere ist die Dichtung 600 maschinell bearbeitet, um ein Profil bereitzustellen, das im Wesentlichen U-förmig ist, und das durch eine radial sich erstreckende Wandung 1, eine äußere Flanschwandung 2, die sich axial von der ersten radialen Wandung 1 erstreckt, und eine innere Flanschwandung 3, die der äußeren Wandung gegenüberliegt und sich im Allgemeinen axial von der radialen Wandung erstreckt, definiert ist. Eine Dichtlippe 4 ist an der radial inneren Fläche der inneren Flanschwandung 3 bereitgestellt. Es ist deshalb zu sehen, dass die Wandungen 1 und 3 aus dem ersten Material 100 gebildet sind, die äußere Flanschwandung 2 aus dem dritten Material 300 gebildet ist, und die Dichtlippe 4 aus dem zweiten Material 200 ausgeformt ist. Die Dichtlippe 4 ist an die innere Flanschwandung 3 gebondet. Die Wandungen 1 und 3 sind integral aus dem gleichen Material gebildet, während die äußere Flanschwandung 2 an die radiale Wandung 1 gebondet ist.
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Die obige Diskussion bezüglich des ersten und des zweiten Materials 100, 200 in dem ersten Ausführungsbeispiel gilt gleichermaßen für das zweite Ausführungsbeispiel.
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Durch Bereitstellung des dritten Materials 300 mit einer höheren Steifigkeit an einer Fläche des ersten Materials 100, um ein Zwischenprodukt 10 auszubilden, und dann durch das nachfolgende maschinelle Bearbeiten des Zwischenprodukts 10, um eine Dichtung 500 auszubilden, kann eine Dichtung 500 bereitgestellt werden mit einer verbesserten Steifigkeit. Die verbesserte Steifigkeit kann helfen, die Dichtung 500 im Gebrauch in ihrer Form zu halten.
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Während das zweite Material 200 in dem ersten Ausführungsbeispiel und das dritte Material 300 in dem zweiten Ausführungsbeispiel mit speziellen Eigenschaften beschrieben sind, können diese austauschbar sein, je nachdem wie es für eine spezielle Anwendung erforderlich ist.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass das Zwischenprodukt weitere Schichten auf dem zweiten und/oder dem dritten Material 200, 300 aufweisen kann, ohne dass diese das erste Material 100 kontaktieren.
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Die vorstehende detaillierte Beschreibung wurde als Beispiel und Illustration bereitgestellt und ist nicht dazu gedacht, den Schutzbereich der angehängten Ansprüche zu limitieren. Viele Variationen in den vorliegend bevorzugten Ausführungsbeispielen, die hierin illustriert sind, sind für einen Fachmann offensichtlich und bleiben innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche und deren Äquivalente.
