DE19501649C2 - Wellendichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellendichtung zum Abdichten einer Flüssigkeit an der Durch­ trittsstelle einer Welle durch eine Wand eines Gehäuses mit einem einteiligen, im wesentlichen rotationssymmetrischen Dichtring aus Elastomer, der in gedehntem Zustand, um seine Rota­ tionssymmetrieachse frei drehbar, einerseits mit einer ersten ringförmigen Dichtkante von außen an einer fest mit der Welle verbundenen kegelig oder gewölbt rotationssymmetrischen Dichtfläche und andererseits mit einer zweiten ringförmigen Dichtkante von außen an einer fest mit dem Gehäuse verbundenen kegelig oder gewölbt rotationssymmetrischen Dichtfläche dichtend anliegt, wie diese aus der DE 40 38 620 A1 bekannt ist.

Derartige mit zwei Dichtkanten versehene, "schwimmend" angeordnete Dichtringe haben den Vorteil, daß in der Regel die für die Erwärmung und den Verschleiß maßgebliche relative Gleitgeschwindigkeit zwischen dem Dichtring und den Dichtflächen geringer ist, als bei her­ kömmlichen Dichtringen mit nur einer Dichtkante. Die Gleitgeschwindigkeit zwischen einem schwimmend mitrotierenden Dichtring und seinen Dichtflächen ist im Idealfall jeweils halb so groß wie die eines stationären Dichtrings im Kontakt mit einer rotierenden Welle.

Schwimmende Wellendichtringe aus Elastomer mit Dichtlippen sind zudem aus EP 0 036 281 A1, EP 0 114 738 B1, DE 38 33 690 A1 und DE 39 20 482 A1 bekannt. Gemäß der Lehre dieser Druckschriften gestaltete Wellendichtungen haben sich vor allem wegen der instabilen Lage der Dichtringe in der Praxis nicht bewährt. Auch das Hinzufügen von Spann­ federn und Stützblechen konnte den instabilen Lauf der Dichtringe, Torsionsschwingungen der Dichtlippen und die als Folge auftretende Leckage nicht eliminieren. Es ist auch bekannt, Dichtringe mit kreisförmigem Querschnitt (O-Ringe) schwimmend zwischen kegeligen Dicht­ flächen anzuordnen. Erfahrungsgemäß sind jedoch derart gestaltete Wellendichtungen undicht, weil einerseits die zur dynamischen Abdichtung erforderliche Höhe und Verteilung der Dicht­ flächenpressung bei dem quasi Hertz′schen Pressungsverlauf von O-Ringen nicht vorhanden ist und andererseits weil wegen der verhältnismäßig breiten Kontaktflächen bei hoher Dreh­ geschwindigkeit ein hoher Reibverlust entsteht, der zur Überhitzung und Zerstörung des Dicht­ rings führt. Aus DE 40 38 620 A1 (Fig.8) ist ein kompakter Elastomer-Dichtring bekannt, der, im Gegensatz zum Dichtring der erfindungsgemäßen Wellendichtung, mit ringförmigen Dicht­ kanten kegelige Dichtflächen von innen berührt. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Dicht­ eng steht der Dichtring aus DE 40 38 620 A1 (Fig. 8) unter tangentialer Druckspannung, wes­ halb zur Stabilisierung gegen Beülen ein Metallstützring erforderlich ist. Derartige Wellen­ dichtungen mit von innen berührten Kegelflächen haben sich praktisch nicht bewährt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässig abdichtende Wellendichtung zu schaffen, bei der ein einteiliger Wellendichtring aus Elastomer zwischen je einer stationären und einer rotierenden vorzugsweise kegeligen Dichtfläche frei drehbar angeordnet ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Der Dichtring liegt aufgeweitet mit tangentialer Zugpannung beidseitig mit je einer ringförmigen Dichtkante von außen an je einer vorzugsweise kegeligen, mit der Welle bzw. mit dem Gehäuse verbundenen Dichtfläche dichtend an. Der Dichtring ist im wesentlichen rotations­ symmetrisch zu seiner im montierten Zustand der Wellendichtung mit der Wellenachse zusam­ menfallenden Rotationssymmetrieachse und ist vorzugsweise spiegelsymmetrisch zu einer radialen Mittelebene. Wesentliches Merkmal des Dichtrings ist die torsionssteife und zugleich kippsteife Gestaltung seines Querschnitts. Eine hohe Torsionssteifigkeit, das heißt, ein hoher Widerstand gegen tangentiale Verzerrung des Dichtrings, wird erfindungsgemäß verwirklicht durch eine kompakte Gestaltung Ües Dichtrings im Bereich der Dichtkanten. Erfindungsgemäß erstreckt sich der Dichtringquerschnitt, kompakt mit Elastomerwerkstoff ausgefüllt, von den Dichtkanten aus gesehen in radialer Richtung nach innen und nach außen, mit anderen Worten: der Dichtring weist zwei Bereiche auf, die jeweils über ihre gesamte axiale Breite völlig mit Elastomerwerkstoff gefüllt sind, wobei ein kompakter Bereich radial außerhalb und der andere kompakte Bereich radial innerhalb einer die Dichtkanten enthaltenden Zylinderfläche liegt. Dem Konstrukteur eines Dichtrings der erfindungsgemäßen Wellendichtung steht es frei, an den Querschnitt des Dichtrings radial jeweils nach außen und/oder nach innen über die kompakten Bereiche hinaus weitere Bereiche anzugliedern, die axial nicht mehr durchgängig mit Elastomer­ werkstoff gefüllt sind, und deshalb weniger zur Torsionssteifigkeit als zur weiteren Verbes­ serung der Kippsteifigkeit des Dichtrings beitragen. Geometrisch bedingt ist zumindest in der Nähe der Dichtkanten der radial außerhalb der Dichtkanten liegende Bereich breiter als der radial innerhalb der Dichtkanten liegende Bereich. Eine hohe Kippsteifigkeit des kompakten Dichtrings wird verwirklicht durch die Formgebung des radialen Querschnitts des Dichtrings dergestalt, daß der von außen mit seinen Dichtkanten auf den vorzugsweise kegeligen Dichtflächen aufliegende Dichtring einer Stülpung (= Verdrehung um eine auf dem radialen Querschnitt senkrecht stehen­ de Achse) einen möglichst großen Widerstand entgegensetzt. Hohe Kippsteifigkeit wird erfin­ dungsgemäß vorzugsweise dadurch verwirklicht, daß der Dichtringquerschnitt, in Bezugs auf die Dichtkanten, radial nach innen eine größere Ausdehnung hat als nach außen, so daß im Einbau­ zustand, bei dem der Dichtring radial gedehnt ist, der Spannungsmittelpunkt des Dichtringquer­ schnitts möglichst nahe an der Rotationssymmetrieachse liegt. Als spannungsmittelpunkt ist der Punkt definiert, in dem diejenige resultierende Kraft angreift, die der gesamten im Dichtring­ querschnitt wirkenden Tangentia1pannung entspricht und den Querschnitt im Gleichgewicht hält.

Bekannte Anordnungen mit schwimmenden kompakten Dichtringen mit kreisrundem oder qudratischem Querschnitt erfüllen diese Bedingungen nicht. Die Lage des aufgedehnten Dicht­ rings ist um so weniger stabil, je weiter der spannungsmittelpunkt im Verhältnis zu den Dicht­ kanten von der Rotationssymmetrieachse entfernt liegt. Beispielsweise kippt ein mit den inneren Ringkanten von außen an konischen Dichtflächen anliegender Dichtring quadratischen Quer­ schnitts bei einer geringfügigen Störung seitlich um und kommt dadurch mit seiner gesamten Seitenfläche an einer der kegeligen Dichtflächen zum Anliegen. Dabei geht seine Dichtwirkung verloren und es entsteht erhebliche Leckage.

Erfindungsgemäß wird eine dichtungstechnisch ausreichend hohe Kippsteifigkeit des Dicht­ rings erreicht, indem die radiale Höhe des Dichtrings größer ist als der axiale Abstand der Dicht­ kanten und der Dichtring so geformt ist, daß der radiale Abstand des Spannungsmittelpunkts von der Rotationssymmetrieachse des Dichtrings höchstens so groß ist, wie die Summe aus dem Abstand der Dichtkante von der Rotationssymmetrieachse des Dichtrings und einem Viertel des axialen Abstands seiner Dichtkanten.

In der Regel ist die radiale Höhe des Dichtrings der erfindungsgemäßen Wellendichtung klein im Vergleich zum Durchmesser der Dichtkanten. Ebenfalls ist die Aufdehnung des Dicht­ rings gering, das heißt, der Durchmesser der Dichtkanten ist, wenn sie auf den Dichtflächen aufliegen, vorzugsweise nur um 2% bis 5% größer als im Herstellungszustand. Der Spannungs­ mittelpunkt fällt unter diesen Bedingungen nahezu mit dem Flächenschwerpunkt der radialen Querschnittsfläche des Dichtrings zusammen.

Aufgrund dieser Erkenntnis und bestätigt durch Experimente ergibt sich eine stabile Lage des Dichtrings und eine sichere Abdichtung, wenn erfindungsgemäß die radiale Höhe des Dichtrings vorzugsweise mindestens 20% größer ist als der axiale Abstand der Dichtkanten und der radiale Abstand des Flächenschwerpunkts der Querschnittsfläche von der Rotationssymmetrieachse des Dichtrings höchstens so groß ist, wie die Summe aus dem Abstand der Dichtkante von der Rotationssymmetrieachse des Dichtrings und einem Viertel des axialen Abstands der Dicht­ kanten. Ein besonders stabiler Lauf des erfindungsgemäßen Dichtrings wird erreicht, wenn erfindungsgemäß der Abstand des Flächenschwerpunkts seiner Querschnittsfläche von der Rotationssymmetrieachse vorzugsweise kleiner ist, als der Abstand seiner Dichtkanten von der Rotationssymmetrieachse.

Bei dem bereits erwähnten, erfahrungsgemäß instabil uinkippenden Dichtring quadratischen Querschnitts ist demgegenüber die radiale Höhe ebenso groß wie der axiale Abstand der Dicht­ kanten, während der radiale Abstand des Flächenschwerpunkts von der Rotationssymmetrie­ achse des Dichtrings gleich dem Abstand der Dichtkanten von der Rotationssymmetrieachse des Dichtrings zuzüglich der Hälfte des axialen Abstands der Dichtkanten ist.

Im praktischen Betrieb treten aufgrund von Fertigungstoleranzen, Lageabweichungen der Laufflächen zueinander, Rundlaufabweichungen, Inhomogenitäten des Dichtringwerkstoffs etc. kleine Pendelbewegungen des Dichtrings auf. Schmierungstechnisch wirken sich solche Pendel­ bewegungen günstig aus, weil die Dichtkanten dabei quer zur Drehbewegung des Dichtrings eine Wischbewegung auf den Dichtflächen ausführen und dabei ständig Schmiermittel zwischen die sich berührenden Dichtkanten und Dichtflächen gelangt. Damit stellt sich aber zusätzlich die Aufgabe, zu verhindern, daß infolge dieser Wischbewegung Leckage entsteht. In bekannter Weise (DE 40 38 620 A1) wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Dichtkanten des Dicht­ rings so beschaffen sind, daß auf der dem abzudichtenden Flüssigkeitsraum zugewandten Seite des Dichtrings unmittelbar an der anliegenden Dichtkante der Winkel α zwischen der Dichtring­ oberfläche und der Dichtfläche größer ist als der Winkel β zwischen der Dichtringoberfläche und der Dichtfläche auf der dem in der Regel luftgefüllten Außenraum zugewandten Seite des Dicht­ rings. Diese Anordnung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß bei Stangendichtungen in der Ölhydraulik mit derartig asymmetrischen Dichtkanten bei oszillierender Bewegung durch den Dichtspalt gelangtes Öl wieder zurückgefördert wird. Zudem verbessert sich, wie von den Radi­ al-Wellendichtringen her bekannt, aufgrund derartig asymmetrischer Kontaktflächenwinkel auch das Rückfördervermögen infolge einer Pumpwirkung, die erfahrungsgemäß von Mikrorauheiten der Elastomeroberfläche erzeugt wird.

Erfindungsgemäß ist der Dichtring in einem Bereich, der sich von den Dichtkanten radial nach innen und nach außen erstreckt, durchgehend kompakt, das heißt völlig mit Elastomerwerk­ stoff ausgefüllt. Diese kompakte Formgebung bewirkt zweierlei. Erstens bleibt dadurch die von der Reibung verursachte tangentiale Verformung des Dichtrings gering, mit anderen Worten: der Dichtring ist steif gegen tangentiale Verzerrung und neigt deshalb nicht zu Torsionsschwing­ ungen. Zweitens ist der Dichtring auch in axialer Richtung steif, wodurch sich die für das Rück­ fördervermögen entscheidenden Winkel α und β beim funktionsbedingten Aufdehnen des Dicht­ rings nur unwesentlich verändern.

Zur weiteren Verbesserung der Dichtsicherheit werden an die Dichtkante des erfindungs­ gemäßen Dichtrings in Anlehnung an die bekannte, beispielsweise in DE 19 56 165 C3 be­ schriebene Gestaltung von Radial-Wellendichtringen Rückförderelemente (Drallrippen) an­ geformt. In bekannter Weise wird unter der Dichtkante durchgedrungene Flüssigkeit von den Drallrippen, die unter einem kleinen Winkel schräg zur Dichtkante geneigt sind und die Dicht­ fläche streifenförmig berühren, zur Dichtkante zurückgeleitet und durch hydrodynamische Druckerhöhung wieder in den abzudichtenden Flüssigkeitsraum zurückgefördert. Vorzugswesie sind bei Dichtringen, die für beide Drehrichtungen der Welle geeignet sind, die am Umfang aufeinanderfolgenden Drallrippen jeweils zueinander spiegelbildlich angeordnet.

Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Es zeigen im einzelnen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Wellendichtung mit Dichtring, Rotor und Stator in einem bis zur Wellenachse geführten radialen Längsschnitt (Halbschnitt). Fig.2 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Dichtrings der erfindungsgemäßen Wellendichtung in einem bis zur Wellenachse geführten radialen Längsschnitt (Halbschnitt), und in Einzelheit die an die Dicht­ kante angrenzenden Drallrippen.

Fig. 1 zeigt den Dichtring 1 aus Elastomerwerkstoff im montierten Zustand. Der Dichtring liegt einerseits mit einer ersten Ritigkante 11 an einer fest mit der Welle 2 verbundenen, kegeli­ gen Dichtfläche 21 und andererseits mit einer zweiten Ringkante 12 an einer fest mit dem Ge­ häuse 3 verbundenen, kegeligen Dichtfläche 31 dichtend an. Wegen der Unterstützung der Dichtwirkung durch die Fliehkräfte des mitrotierenden Dichtrings befindet sich die abzudich­ tende Flüssigkeit vorzugsweise radial außerhalb des Dichtrings im Raum 4.

Der Dichtring liegt mit Eigenspannung an den Dichtflächen 21, 31 an, indem er, beispielswei­ se durch axiale Annäherung der kegeligen Dichtflächen bei der Montage radial elastisch aufge­ weitet wird. Der Dichtring ist im wesentlichen rotationssymmetrisch zu seiner im montierten Zustand mit der Wellenachse 22 zusammenfallenden Rotationssymmetrieachse und spiegel­ symmetrisch zu einer radialen Mittelebene 15. Der Dichtring ist mit den Dichtflächen 21, 31 auschließlich durch Reibung verbunden und somit um die Wellenachse frei drehbar. Der Dicht­ ring wird einerseits von der Reibkraft, die die mit der Welle rotierende Dichtfläche 21 auf ihn ausübt angetrieben und andererseits von der Reibkraft, die die mit dem Gehäuse verbundene ruhende Dichtfläche 31 auf ihn ausübt, abgebremst. Bei dem in Fig. 1 dargestellten kippstabilen Dichtring sind - jeweils in Bezug auf die Wellenachse bzw. die Rotationssymmetrieachse des Dichtrings - sowohl der Abstand AM des Spannungsmittelpunkts M als auch der Abstand AS des Flächenschwerpunkts kleiner als der Abstand AK der Dichtkanten. Fig. 1 zeigt weiter den Konuswinkel y der mit der Welle verbundenen kegeligen Dichtfläche 21, den Kontaktflächen­ winkel α zwischen der auf der Seite des abzudichtenden Flüssigkeitsraums 4 an die Dicht­ kante1 1 angrenzenden Fläche 16 des Dichtrings und der kegeligen Dichtfläche 21 sowie den luftseitigen Kontaktflächenwinkel β zwischen der nach innen an die Dichtkante angrenzenden Fläche 19 und der kegeligen Dichtfläche 31, wobei α größer als β ist. Die entsprechenden Win­ kel β und β werden auf der jeweils anderen Seite des Dichtrings von den Flächen 18 und 31 bzw. den Flächen 17 und 21 gebildet. Bei spiegelsymmetrischem Dichtring und beidseitig gleichen Konuswinkeln sind auch die Winkel α und die Winkel β jeweils beidseitig gleich.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Dichtring 1 mit den Dichtkanten 11, 12 und der Rotationssymmetrieachse 122. Der Dichtring hat zwei axial jeweils kompakt mit Elastomerwerk­ stoff gefüllte Bereiche 100 und 101, wobei der Bereich 100 radial außerhalb, der Bereich 101 radial innerhalb der Dichtkanten liegt. Der Dichtring hat einen weiteren Bereich 102, der axial nicht durchgängig mit Elastomerwerkstoff gefüllt ist. Die axiale Höhe HR des Dichtringquer­ schnitts ist größer als der axiale Abstand B der Dichtkanten. Fig. 2 zeigt weiterhin als Einzelheit X einen im Bereich der Dichtkante 12 vergrößert dargestellten Teilschnitt des Dichtrings 1 mit Drallrippen 13, die aus der innenseitig an die Dichtkante angrenzenden kegeligen Obeffläche 19 herausragen. Die Drallrippen haben vorzugsweise eine, von der Dichtkante her gesehen, zuneh­ mende Höhe. Fig.2 zeigt weiterhin als Ansicht Y eine abgewickelt dargestellte Draufsicht auf die Drallrippen. Die Mittelebene 131 jeder Drallrippe 13 bildet zur Dichtkante 12 einen flachen Winkel η. Jede Drallrippe 13 berührt im montierten Zustand der Wellendichtung die (vor der Ansicht Y liegende) Dichtfläche 21, 31 mit der in ihrer Längsrichtung schräg zur Umfangs­ richtung orientierten Kontaktfläche 132. Der Dichtring ist bis auf die Drallrippen spiegel­ symmetrisch zu seiner radialen Mittelebene. Die Drallrippen haben jedoch erfindungsgemäß auf beiden Seiten des Dichtrings dieselbe Steigungsrichtung, das heißt, der Dichtring bietet in axialer Richtung betrachtet, von beiden Seiten das gleiche Bild. Auf diese Weise wird erreicht, daß bei rnitrotierendem Dichtring beidseitig die Flüssigkeit zum abzudichtenden Raum hin zurück­ gefördert wird.

Claims (5)

1. Wellendichtung zum Abdichten einer Flüssigkeit an der Durchtrittsstelle einer Welle (2) aus einem Flüssigkeitsraum (4) durch eine Wand eines Gehäuses (3) in einen Außenraum (5) mit einem einteiligen, im wesentlichen rotationssymmetrischen Dichtring (1) aus Elastomer, der einen im wesentlichen zu einer radialen Ebene (15) spiegelsymmetrischem Querschitt aufweist und in gedehntem Zustand einerseits mit einer ersten ringförmigen Dichtkante (11) von außen an einer fest mit der Welle (2) verbundenen kegelig oder gewölbt rotationssymmetrischen Dichtfläche (21) und andererseits mit einer zweiten ringförmigen Dichtkante (12) von außen an einer fest mit dem Gehäuse (3) verbundenen kegelig oder gewölbt rotationssymmetrischen Dichtfläche (31) dichtend anliegt, so daß die Rotationssymmetrieachse (122) des Dichtrings im wesentlichen mit der Wellenachse (22) zusammenfällt und die jeweils an den Flüssigkeitsraum (4) angrenzende Fläche (16, 18) des Dichtrings unmittelbar an der jeweiligen Dichtkante (11, 21) mit der jeweiligen Dichtfläche (21, 31) einen Winkel α bildet und die jeweils an den Außenraum (5) angrenzende Fläche (17, 19) des Dichtrings unmittelbar an der jeweiligen Dichtkante mit der jeweiligen Dichtfläche einen Winkel β bildet und α größer als β ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Dichtrings (1) aus zwei kompakten, jeweils über die gesamte axiale Breite des Dichtrings völlig mit Elastomerwerkstoff gefüllten Bereichen (101, 100) besteht die sich von den Dichtkanten (11, 12) radial nach innen beziehungsweise nach außen erstrecken und daß der radiale Abstand (AS) des Flächenschwerpunkts (S) der Querschnittsfläche von der Rotationssymmetrieachse (122) bzw. der Wellenachse (22) höchstens so groß ist, wie die Summe aus dem Abstand (AK) der Dichtkanten von der Wellenachse (22) und einem Viertel des axialen Abstands (B) der Dicht­ kanten: AS AK + 0,25 · B.

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (AS) des Flächenschwerpunkts (S) von der Rotationssymmetrieachse (122) bzw. der Wellenachse (22) kleiner ist, als der Abstand (AK) der Dichtkanten von der Rotationssymmetrieachse (122) bzw. der Wellenachse (22): AS < AK.

3. Wellendichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Höhe (HR) des Dichtrings größer ist als der axiale Abstand (B) der Dichtkanten: HR < B.

4. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel γ, den die Dichtflächen (21, 31) zur Wellenachse (22) bilden, im Bereich 40° γ 60° liegt, daß der Winkel α im Bereich 35° α 55° liegt und daß der Winkel β im Bereich 10° β 25° liegt.

5. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring Drallrippen (13) aufweist, die aus den an den Außenraum (5) angrenzenden Flächen (17, 19) herausragen und schräg zur Dichtkante angeordnet sind.