DE19508085A1

DE19508085A1 - Dichtungsanordnung für eine Welle

Info

Publication number: DE19508085A1
Application number: DE19508085A
Authority: DE
Inventors: Detlef Goergens; Karl Dipl Ing Sill
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date: 1994-04-09
Filing date: 1995-03-08
Publication date: 1995-10-12
Also published as: DE9405899U1

Description

Die Neuerung betrifft eine Dichtungsanordnung für eine Welle, wobei in einer Bodenöffnung eines Behälters ein Gehäuseteil angeordnet ist, das eine zentrische Bohrung aufweist, in der über ein Wälzlager die Welle gelagert ist und das Wälzlager über einen schleifenden Dichtring gegen das Innere des Behälters abgedichtet ist.

Derartige Dichtungsanordnungen sind aus der Labortechnik für Schlag mühlen oder auch von Haushaltsgeräten bekannt. Das Gehäuse zur Lage rung der Welle eines Schlagmessers besteht dabei oftmals aus einem spanend hergestellten Aluminiumteil, dessen mit dem Inhalt des Behäl ters in Berührung kommende Oberfläche von einer korrosionsbeständigen Schutzkappe abgedeckt ist. Die im Inneren des Gehäuseteils in einem Wälzlager gelagerte Welle besteht aus einer chromhaltigen Stahllegie rung. Die Messerlagerung ist gegen den Inhalt des Behälters durch einen Dichtring geschützt, der mit zwei Dichtlippen in radialer Rich tung an der Mantelfläche der Welle anliegt und in axialer Richtung mit einer weiteren Dichtlippe an der Innenwandung der Schutzkappe anliegt.

Der Nachteil einer derartigen Dichtungsanordnung besteht darin, daß die Anlaufflächen der Dichtlippen an der Mantelfläche, die sogenannte Dichtlauffläche, relativ weich ist, d. h. nicht verschließfrei ist. Durch die Reibung der Dichtlippen wird Material von der Messerwelle abgetragen, und es ist nur eine Frage der Zeit und der Gebrauchshäu figkeit, bis durch das Unwirksamwerden der Dichtung ein Lagerschaden eintritt. Ein anderer Nachteil ist darin zu sehen, daß ein Teil des Mahlgutes in den Zwischenraum von Gehäuseteil und Schutzkappe gelangen kann. Schließlich ist ein weiterer Nachteil der, daß die Wälzlagerung der Welle aufwendig zu fertigen ist, da neben dem Gehäuseteil noch eine Schutzkappe hergestellt und mit diesem verbunden werden muß.

Es ist daher Aufgabe der Neuerung, eine Dichtungsanordnung der Welle so auszubilden, daß die Lagerung eine lange Lebensdauer aufweist. Darüber hinaus soll die gesamte Lagerung der Welle aus möglichst wenig Einzelteilen bestehen.

Neuerungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zumindest eine Dichtlauffläche der Welle und/oder eine im Behälter befindliche Ober fläche des Gehäuseteils mit einer Dünnschicht versehen sind, die eine erhöhte Oberflächenhärte, einen erhöhten Verschleißwiderstand, eine erhöhte Abriebfestigkeit, eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit besitzt und bei Einsatz in der Lebensmittelindustrie physiologisch unbedenk lich ist.

Durch diese sogenannten Dünnschichten, die mit dem darunter liegenden Kernmaterial einen Werkstoffverbund bilden, werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften in den oberflächennahen Bereichen gezielt verändert, ohne das Innere des darunterliegenden Werkstoffes zu beein flussen. So sorgt die erhöhte Oberflächenhärte, der erhöhte Ver schleißwiderstand, die erhöhte Abriebfestigkeit und die erhöhte Korro sionsbeständigkeit im Bereich der Dichtlauffläche dafür, daß kein Material von der Welle abgetragen werden kann und demzufolge die Dichtlippen des Dichtringes immer mit einer entsprechenden Vorspannung an der Welle anliegen können und demzufolge das Eindringen von korro siven Bestandteilen des zu verarbeitenden Gutes in das darunterliegen de Lager mit Sicherheit vermieden wird. Das gleiche trifft für die im Behälter befindliche Oberfläche des Gehäuseteiles zu. Auch diese Oberfläche muß der auftretenden Belastung gewachsen sein und demzu folge verschleißfrei und korrosionsfest sein.

Es ist selbstverständlich, daß bei Haushaltsgeräten an die mit den Lebensmitteln in Berührung kommenden Teile, d. h. an die Dünnschich ten, bestimmte Anforderungen gestellt werden. So dürfen diese die Beschaffenheit und die Eigenschaften der zu verarbeitenden Produkte nicht beeinträchtigen. Auch ist gefordert, daß sie sich ausreichend reinigen lassen.

In Weiterbildung der Neuerung nach Anspruch 2 ist vorgesehen, daß eine derartige Dünnschicht ein Titannitrid (TiN) oder ein Titankarbid (TiC) sein kann, die aus einem Plasma als ein elektrisch leitendes Gas, bestehend aus frei beweglichen negativen und positiven Ladungsträgern (Elektronen, Ionen) sowie elektrisch neutralen Atomen und Molekülen abgeschieden werden können. Die Energie wird in bekannter Weise durch eine elektrische Gleich- oder Wechselspannung zugeführt, wobei eine Vakuumkammer benötigt wird, um die für den jeweiligen Prozeß unter schiedlichen Gasdruckverhältnisse aufrecht erhalten zu können. Die Temperatur der zu behandelnden Teile kann mit 100 bis 500°C relativ niedrig gehalten werden, da durch das sehr aktive Plasma chemische Reaktionen gezielt ablaufen können, für die ansonsten höhere Prozeß temperaturen erforderlich wären. Der Unterschied zwischen den CVD- Verfahren (Chemical Vapour Deposition) und dem PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) besteht darin, daß im ersten Fall die Abscheidung der Dünnschicht durch chemische Reaktion aus der Gasphase erfolgt, während im zweiten Fall ein Beschichtungsverfahren zu verstehen ist, bei dem die Dünnschicht durch Zufuhr thermischer oder kinetischer Energie mittels Teilchenbeschuß abgeschieden wird. Die Schichtstärke derartig abgeschiedener Dünnschichten liegt in der Regel im Bereich zwischen 1 und 10 µm.

Nach einem weiteren Merkmal der Neuerung gemäß Anspruch 3 soll die Dünnschicht eine Al₂O₃-Schicht sein und durch Flammspritzen abgeschie den werden. Darunter ist das Aufbringen eines metallischen bzw. nicht metallischen Spritzgutes im geschmolzenen oder plastischen Zustand auf die zu beschichtende Oberfläche durch eine druckluftbetriebene Spritz pistole zu verstehen. Auch diese Beschichtung mit Aluminiumoxyd ge währleistet die geforderten Eigenschaften wie Schlagfestigkeit, Korro sions- und Abriebfestigkeit sowie Unbedenklichkeit im Kontakt mit Lebensmitteln.

Nach einer anderer Ausführungsform der Neuerung gemäß Anspruch 4 kann die Dünnschicht eine Cr-Schicht sein, die galvanisch abgeschieden ist. Auch in diesem Fall werden die geforderten Eigenschaften wie Korro sionsbeständigkeit und Härte sowie Unbedenklichkeit gegenüber Lebens mitteln erbracht.

Schließlich soll nach einem zusätzlich weiteren Merkmal der Neuerung das Gehäuseteil spanlos hergestellt sein. Die Herstellung von bei spielsweise fließgepreßten Teilen ist gegenüber spanend hergestellten wesentlich einfacher und somit kostengünstiger. Ein derart hergestell tes Fließpreßteil erlaubt auch eine Vereinfachung des Lagers dadurch, daß im Fließpreßteil eine oder mehrere Laufbahnen für die Wälzkörper eingearbeitet werden können und somit der Außenring für die Lagerung der Messerwelle entfallen kann.

In weiterer Ausgestaltung der Neuerung nach dem unabhängigen Anspruch 5 soll zumindest eine Dichtlauffläche der Welle und/oder eine im Behälter befindliche Oberfläche des Gehäuseteiles einer thermochemi schen Diffusionsbehandlung unterworfen werden, so daß durch Ein- oder Ausdiffundieren eines oder mehrerer Elemente die chemische Zusammen setzung der oberflächennahen Schicht gezielt verändert wird. Wie bereits unter Anspruch 1 beschrieben, wird auch auf diese Art und Weise eine erhöhte Oberflächenhärte, ein erhöhter Verschleißwider stand, eine erhöhte Abriebfestigkeit und eine erhöhte Korrosionsbe ständigkeit realisiert.

Aus Anspruch 6 geht hervor, daß die Diffusionselemente Stickstoff und/oder Kohlenstoff, Chrom oder Bor sein sollen. Die Veränderung der oberflächennahen Schicht wird dabei in gewünschter Weise durch ein Anreichern der Randschicht mit Stickstoff beim Nitrieren, mit Kohlen stoff beim Aufkohlen, mit Stickstoff und Kohlenstoff beim Nitrokarbu rieren und Karbonitrieren, mit Chrom beim Chromieren und mit Bor beim Borieren erreicht. Aber auch andere Diffusionselemente sind je nach Verwendungszweck denkbar. Die thermochemische Diffusionsbehandlung kann dabei in bekannter Weise auf zwei Wegen erfolgen.

Bei den konventionellen thermochemischen Verfahren müssen die Bauteile bei der Temperatur behandelt werden, die notwendig ist, die Spenderme dien (Pulver, Pasten, Salzbäder, Gas) thermisch zu aktivieren, damit diffusionsfähige, schichtbildende Spezies an der Bauteiloberfläche zur Verfügung stehen. Demgegenüber werden bei der Plasmadiffusionsbehand lung die Spezies im Plasma aktiviert.

Die zu behandelnden Bauteile werden elektrisch isoliert in einem Vakuumbehälter aufgestellt oder aufgehängt, welcher mit dem gasförmi gen Spendermedium auf einen Druck von 10-800 Pa gehalten wird. Durch Anlegen einer konstanten oder im kHz-Bereich pulsierenden Gleichspan nung (300-800 V) zwischen den kathodisch geschalteten Bauteilen und dem anodischen Behälter wird ein Plasma gezündet. Durch die Aktivie rung der Diffusionselemente im Plasma kann, im Vergleich zu den kon ventionellen Verfahren, eine Absenkung der Behandlungstemperatur erfolgen.

Die Neuerung wird an nachstehenden Ausführungsbeispielen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Dichtungsanordnung für eine Messerlagerung einer Schlagmühle nach dem bishe rigen Stand der Technik;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Dichtungsanordnung nach der neuerungsgemäßen Lösung.

Zur Darstellung des Gesamtzusammenhanges wird zunächst auf Fig. 1 verwiesen. In einem Behälter 1 zur Aufnahme des Mahlgutes einer Schlagmühle ist in einer Bodenöffnung 2 ein Gehäuseteil 3 angeordnet, das eine zentrische Bohrung 4 aufweist. In dieser zentrischen Bohrung 4 ist über ein Wälzlager 5, bestehend aus einem Außenring 6, einem Innenring 7 und in einem Käfig 8 geführten Lagerkugeln 9 eine Welle 10 geführt, die im Inneren des Behälters 1 mit Messern 11 und 12 ver bunden ist. Das Wälzlager 5 ist gegen den Inhalt des Behälters 1 durch einen Dichtring 13 abgedichtet, der mit Dichtlippen 14, 15 und 16 einerseits an der Welle 10 und andererseits an einer Innenseite einer das Gehäuseteil 3 bedeckenden Schutzkappe 17 anliegt. Das Gehäuseteil 3 einschließlich Wälzlager 5 mit Welle 10 wird in der Bodenöffnung 2 des Behälters 1 über einen Dichtring 20 mit Hilfe einer an einem Außengewinde 22 angreifenden Mutter 21 fest verspannt.

Der Nachteil dieser technischen Lösung besteht darin, daß einerseits eine zusätzliche Schutzkappe 17 erforderlich ist und andererseits an den Dichtlaufflächen 18. 19 durch die Dichtlippen 14 und 15 Material der Welle 10 abgetragen wird, so daß Bestandteile des zu verarbeiten den Mahlgutes über die zentrische Bohrung 4 des Gehäuseteiles 3 in das Lagerinnere gelangen können. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, daß insbesondere flüssige Bestandteile ebenfalls über die Dichtlippe 16 zwischen Schutzkappe 17 und Mantelfläche des Gehäuseteils 3 gelan gen können.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind zumindest die Dichtlaufflächen 18 und 19 der Welle 10 sowie eine innerhalb des Behälters 1 befindliche Oberfläche 23 des Gehäuseteils 3 mit einer Dünnschicht versehen, die eine erhöhte Oberflächenhärte, einen erhöhten Verschleißwiderstand, eine erhöhte Abriebfestigkeit sowie eine erhöhte Korrosionsbeständig keit aufweist.

Wie bereits beschrieben, wird durch die Dünnschichten die Lebensdauer der Wälzlagerung entscheidend verbessert, da durch eine nahezu ver schleißfreie Oberfläche an der Welle 10 die Dichtlippen 14 und 15 des Dichtringes 10 mit entsprechender Vorspannung anliegen und das Ein dringen aggressiver Bestandteile aus dem Behälter 1 in das Innere des Wälzlagers 5 verhindern. Dadurch wird es möglich, daß die Lagerung der Welle 10 mindestens die gleiche Lebensdauer wie die gesamte Schlagmüh le aufweist. Der andere Vorteil liegt darin, daß die Beschichtung der im Behälter 1 liegenden Oberfläche 23 die bisherige Schutzkappe 17 entbehrlich macht.

Bezugszeichenliste

1 Aufnahmebehälter
2 Bodenöffnung
3 Gehäuseteil
4 zentrische Bohrung
5 Wälzlager
6 Außenring
7 Innenring
8 Käfig
9 Wälzkörper
10 Welle
11, 12 Messer
13 Dichtring
14, 15, 16 Dichtlippen
17 Schutzkappe
18, 19 Dichtlauffläche
20 Dichtring
21 Mutter
22 Außengewinde
23 Oberfläche.

Claims

1. Dichtungsanordnung für eine Welle (10), wobei in einer Bodenöffnung (2) eines Behälters (1) ein Gehäuseteil (3) angeordnet ist, das eine zentrische Bohrung (4) aufweist, in der über ein Wälzlager (5) die Welle (10) gelagert ist und das Wälzlager (5) über einen schleifenden Dichtring (13) gegen das Innere des Behälters (1) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Dichtlauffläche (18, 19) der Welle (10) und/oder eine im Behälter (1) befindliche Oberfläche (23) des Gehäuseteils (3) mit einer Dünnschicht versehen sind, die eine erhöhte Oberflächenhärte, einen erhöhten Verschleißwiderstand, eine erhöhte Abriebfestigkeit, eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit besitzt und bei Einsatz in der Lebensmittelindustrie physiologisch unbedenklich ist.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht eine TiN-Schicht oder eine TiC-Schicht ist und die Ab scheidung aus der Gasphase (Plasma) durch ein CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) oder durch ein PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) erfolgt.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht eine Al₂O₃-Schicht ist und durch Flammspritzen abgeschie den ist.

4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschicht eine Cr-Schicht ist und galvanisch abgeschieden ist.

5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuseteil (3) spanlos hergestellt und beispielsweise als Fließpreß teil ausgebildet ist.

6. Dichtungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Dichtlauffläche (18, 19) der Welle (10) und/oder eine im Behälter (1) befindliche Oberfläche (23) des Gehäuseteils (3) einer thermochemischen Diffusionsbehandlung unter worfen werden.

7. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionselemente Stickstoff und/oder Kohlenstoff, Chrom oder Bor sind.