DE1956165C3 - RadiaUippendichtring für Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ri· "tiallippendichtring für Wellen, bei dem eine Dichtkante durch zwei sich unter einem Winkel schneidende, konische Flächen gebildet ist, wobei die dem abzudichtenden Raum abgewandte Fläche mit dreieckförmigen Erhebungen versehen ist, deren eine Spitze in der Dichtkante und im nicht auf die Welle aufgezogenen Zustand auf dem gleichen Radius wie die Dichtkante liegt.

Herkömmliche Radiallippendichtringe sind mit einem ringförmigen, steifen Gehäuse versehen, in dem ein elastischer Ringkörper angeordnet ist, der eine in Umfangsrichtung verlaufende Dichtlippe aufweist, die durch konvergierende, kegelstumpfförmige Flächen gebildet ist. Im Normalbetrieb gewährleisten diese herkömmlichen Dichtungen eine ausreichende Abdichtung sowohl unter statischen als auch unter dynamischen Bedingungen, wobei sich zwischen der Dichtlippe und der Welle ein dünner Ölfilm bildet, welcher die Dichtlippe schmiert. Dieser dünne Ölfilm verbleibt unter der Dichtlippe und wird unter ihr nur dann verdrängt, wenn die ölfilmdicke einen bestimmten kritischen Wert übersteigt. Dieser kritische Wert kann jedoch bei manchen Betriebsbedingungen überschritten werden.

Fertigungsungenauigkeiten der Welle oder der Dichtung können eine Erhöhung der ölfilmdicke hervorrufen. Außerdem kann die kritische Dicke des Ölfilms bei bestimmten vorübergehenden Bedingungen dynamischer Belastungen oder Störungen überschritten werden. Derartige Bedingungen sind beispielsweise Temperaturänderungen, Drehzahländerungen der Welle, Viskositätsänderungen des Öls sowie Wellenschwingungen. Derartige Störungen wirken sich dahingehend aus, daß sich die ölfilmdicke unter der Dichtlippe erhöht, so daß öl an der Lippe vorbeiflieQt, wenn ein bestimmter kritischer Wert der ölfilmdicke überschritten wird.

Neben den vorgenannten herkömmlichen Lippendichtungen sind aber auch schon verbesserte Dichtringe bekanntgeworden (französische Patentschrift 15 30281), die mit sogenannten Rückförderrippen versehen sind, die im Dichtkantenbereich radial nach innen über die Dichtkante überstehen und beispielsweise schraubenförmig ausgebildet sein könne.;. Hierbei besteht jedoch der Nachteil, daß wegen der radial nach innen über die Dichtkante hervorstehenden Rückförderrippen ein relativ großer radialer Anpreßdruck nötig ist, um auch im Ruhezustand eine ausreichende Abdichtung zu erzielen.

Abgesehen von der vorgenannten Dichtung mit beispielsweise zwei schraubenförmig verlaufenden, radial nach innen über die Dichtkante vorstehenden Rückförderrippen ist ein weiterer Dichtring hekanntgeworden (französische Patentschrift 14 68 256), bei dem dreieckförmige Fördervorsprünge vorgesehen sind. Diese dreieckförmigen Fördervorsprünge befinden sich jedoch aber in bezug auf den abzudichtenden Raum vor der Dichtkante und sind somit nicht mit Rückförderrippen bzw. mit Rückförderdichtungen vergleichbar.

Ferner ist durch »Automotive Industries« (1968, S. 60 — 63) eine Dichtung bekanntgeworden, bei der auf der Luftseite Rüe!cförd°rrippen vorgesehen sind, die zum Zwecke der Rückforderung in beiden Drehrichtun-

JO gen abwechselnd in entgegengesetzter Richtung geneigt sind. Die bekannten Rippen haben jedoch beidseitig steil*; Seitenflanken. Es ist daher zu befürchten, daß etwa das durch die rückfördernde Seitenkante nicht von der Welle abgestreifte Öl, welches nunmehr in den Raum zwischen den Rückförderrippen gelangt, durch die nachfolgende, in bezug auf die gegebene Umlaufrichtung zur Luftseite hin fördernde Rippe in unerwünschter Weise zum Luftraum zu gefördert wird. Dies kann zu nicht unbeträchtlichen Leckverlusten führen.

Durch »Automotive Industries« ist außerdem auch eine Dichtung bekannt, bei der drsieckförniige Fördervorsprünge in bezug auf den abzudichtenden Raum hinter der Dichtkante angeordnet sind, die somit zum Zwecke der Rückforderung dienen. Die dreieckförmigen Fördervorsprünge bzw. Erhebungen sind hierbei auf der dem abzudichtenden Raum abgewandten Fläche einer Dichtkante, die durch zwei sich unter einem Winkel schneidende konische Flächen gebildet ist, angeordnet, wöbe; die Dreiecksspitze in der Dichtkante und im nicht auf die Welle aufgezogenen Zustand auf dem gleichen Radius wie die Dichtkante liegt. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß die dreieckförmigen Erhebungen mit ihrer gesamten Dreiecksfläche gegen die Welle anliegen, so daß auf Grund der großen Reibungsfläche die Wärmeentwicklung relativ hoch ist.

Ausgehend von dem letztgenannten Stand der Technik liegt deshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Radiallippendichtring für Wellen in Vorschlag zu bringen, bei dem bei nicht umlaufender Welle eine gute Abdichtung und außerdem bei umlaufender Welle neben einer zuverlässigen Abdichtung eine möglichst geringe Wärmeentwicklung erzielt werden soll.

h5 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die der Welle zugewandte Oberfläche der Erhebungen derart konkav ausgebildet ist, daß nur die der ölrückförderung dienenden Seitenkanten auf der

Welle aufliegen, wobei die konkave Oberfläche die Form einer Zylindermantelfläche hat, deren Achse in einer Axialebene des Dichtrings liegt, die durch die in der Dichtkante liegende Dreiecksspitze geht, und daß die Zylindermantelfläche die konische Fläche tangential 5 berührt. Erfindungsgemäß sind somit die Berührungsflächen zwischen den dreieckförmigen Erhebungen und der Welle sehr gering, da lediglich eine Linienberührung besteht. Hieraus folgt unmittelbar, daß die Wärmeentwicklung sehr gering ist, wobei zu beachten ist, daß dieser Vorteil ohne eine Beeinträchtigung einer guten Abdichtung bei umlaufender und auch bei nicht umlaufender Welle erreicht wird. In diesem Zusammenhang wirkt es sich besonders vorteilhaft aus, daß die durch die zylinderförnr.ge konkave Oberfläche zwisehen den jeweils aufeinander zulaufenden Rückförderrippen gebildeten Flanken der Rippen einen sehr flachen Neigungswinkel zur Welle in deren Umfangsrichtung betrachtet haben. Sofern hier etwa öl durch die rückfördernde Seitenkante nicht von der Welle abgestreift wird und in den Raum zwischen der zylindermantelförmigen konkaven Oberfläche und der Welle gelangt, kann dieses infolge der flachen Neigung der nachfolgenden Rippe nicht oder lediglich in äußerst geringem Umfang in Richtung auf den Luftraum zu gefördert werden. Vielmehr wird hier das öl von der Welle unter dieser Kante hindurchgezogen, so daß es von der Rückförderkante des nächsten Dreiecks erfaßt und auf den ölraum zu gefördert wird.

Bevorzugt beträgt der Winkel zwischen den Seiten- jo kanten etwa 140°.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform nimmt die Höhe der Seitenflächen der dreieckförmigen Erhebungen gegenüber der konischen Fläche von der Spitze zum Außenende der dreieckförmigen Erhebungen progressiv zu.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung dient die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt

Fig. I einen Schnitt durch einen Radiallippendichtring mit Gehäuse und Welle,

F i g. 2 eine Teilansicht des Dichtringes gemäß Fig. 1, F i g. 3 einen Teilschnitt längs der Linie 3-3 in F i g. 2,

F i g. 4 einen Teilschnitt längs der Linie 4-4 in F i g. 1, welcher die jeweiligen Krümmungsradien einer dreieckförmigen Erhebung und der kcgelstumpfförmigen Fläche zeigt, auf welcher sie angeordnet ist,

Fig.5 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen dreieckförmigen Erhebung und

Fig.6 eine schematische Darstellung der Berührungsflächen bzw. Linien des erfindungsgemäßen Dichtringes an einer Welle.

Gemäß F i g. 1 ist der erfindungsgemäße Dichtring 10 zur Herstellung einer Abdichtung zwischen einem Gehäuse 12 und einer das Gehäuse durchsetzenden Welle 14 vorgesehen. Das Gehäuse 12 kann beispielsweise das Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine sein, während die Welle 14 die Kurbelwelle darstellt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Diehtring 10 ein starres Ringgehäuse 20 auf, an welchem ein nachgiebiger bzw. elastischer Ringkörper 30 beispielsweise angeklebt ist. Das Ringgehäuse 20, das aus einem Stahl-Rohling gepreßt sein kann, weist einen axial abstehenden Ringabschnitt 21 und einen einstückig damit ausgebildeten, radial einwärts abstehenden Flansch 22 auf. Der Rint»abschnitt 21 ist so dimensioniert, daß er mit Festsitz in eine im Gehäuse 12 ausgebildete, kreisförmige Bohrung 13 einsetzbar ist. Der Festsitz zwischen dem Ringgehäuse 20 und der Bohrung 13 reicht im allgemeinen aus, um die beiden Bauteile in ihrer Einbaulage zu halten und eine Abdichtung zwischen ihnen herzustellen. Falls eine zusätzliche Lagensicherung erforderlich ist, kann ein Sicherungsring mit einem Dichtmittel angewandt werden.

Der Ringkörper 30 ist vorzugsweise herkömmlich durch Druckguß aus einem synthetischen Gummi oder einer Polymerverbindung hergestellt. Brauchbare elastomere Verbindungen sind beispielsweise die Silicon- und Niiril-Gummis sowie die Polyacrylate und Fluorelastomere. Polymerisate, wie Tetrafluoräthylen, sind ebenfalls brauchbar. Der Ringkörper 30 ist längs seiner Außenumfangskante unterbrechungsfrei am radialen Flansch 22 befestigt, indem er beispielsweise beim Druckguß mit ihm verklebt wird. Diese Verbindung kann jedoch auch auf andere herkömmliche Weise erfolgen.

Der Ringkörper 30 weist einei. radial auswärts abstehenden Abschnitt 31 auf, der am Flansch 22 befestigt ist und mit dem ein axial gerichteter Ringabschnitt 32 einstückig ausgebildet ist, welcher, wie aus den Querschnittansichten gemäß Fig. 1, 3 und 4 ersichiiich ist, einen frei tragenden bzw. auskragenden Schenkel darstellt. Der Ringabschnitt 32 wird durch eine Feder 35 radial einwärts vorbelastet, die in einer in der Außenumfangsfläche des Ringabschviitts 32 ausgebildeten Ringnut 36 angeordnet ist.

Eine Dichtkante 40 des ringförmigen Abschnitts 32 ist durch zwei sich unter einem Winkel schneidende konische Flächen 38 und 39 gebildet. Die Dichtkante 40 ist so dimensioniert, daß sie mit einem leichten Festsitz auf der Welle 14 sitzt. Beim Zusammenbau spreizt sich der Ringabschnitt 32 infolge dieses Festsitzes gegen die Feder 35 auf, und es verformt sich auch die Dichtkante 40, so daß ihre scharfe Kante abgerundet wird. Gemäß Fig. 1 dient die Ringnut 36 dazu, die Feder 35 an der radial außen liegenden Seite des Ringabschnitts 32 auf die Dichtkante 40 ausgerichtet zu halten.

Gemäß F i g. 2 sind an der konischen Fläche 38 zahlreiche auf gleiche Abstände voneinander verteilte hydrodynamische Erhebungen 50 angeordnet, die jeweils gemäß F i g. 5 in etwa dreieckförrnig ausgebildet sind. Die Seitenkanten der Erhebungen 50 bilden ölabweisflächen 51 und 52, welche zur Dreiecksspitze 53 konvergieren und, wie nachstehend noch näher erläutert, zur Erzeugung eines Hydraulikdrucks gegenüber dem an der Dichtkante 40 vorbeileckenden öl dienen, um dieses unter der Dichtkante hindurch zur Öl-Seite der Dichtung zurückzudrängen bzw. zurückzufordern.

Die Erhebungen 50 sind derart auf der dem abzudichtenden Raum abgewandten Fläche 38 angeordnet, daß sich ihre Spitzen 53 dicht an der Dithtkante 40 befinden, und sie liegen außerdem senkrecht zur Dichtkante 40, d. h., eine im gleichen Abstand von beiden Abweisfiärhen 51 und 52 gezogene Linie verläuft senkrecht zur Dichtkante 40. Wie aus den Figuren hervorgeht, ist der Winkel zwischen einer Abweisfläche 51 oder 52 und der Dichtkante 40 ein spitzer Winkel. Es hat sich herausgestellt, daß eine besonders günstige Dichtwirkung erzielt wird, wenn dieser Winkel etwa 20° beträgt, so daß der bevorzugte Einschlußwinkel zwischen zwei Seitenkanten (57,58) etwa 140° beträgt.

Gemäß F i e. 5 ist die Oberfläche 55 der Erhebuncen

50 konkav ausgebildet. Diese konkave Oberfläche 55 ist durch eine in Fig. 5 strichpunktiert eingezeichnete Zylindermantelfläche 60 mit einer Rotationsachse festgelegt, die parallel zu einer durch die Spitze 53 und zwischen den Abweisflächen 51 und 52 gezogenen Linie· liegt. Vorzugsweise halbiert diese Linie gleichmäßig den Abstand zwischen je zwei Abweisflächen 51, 52. Weiterhin liegt diese Zylindermantelfläche 60 tangential zur kegelstumpfförmigen Fläche 38 und legt somit an der Erhebung 50 gegenüber der kegelstumpfförmigen Fläche 38 eine Zone mit einer Höhe gleich Null fest. Die oberen bzw. äußeren Seitenkanten 57 und 58 der Abweisflächen 51 bzw. 52 werden durch eine über die Zylindermantelfläche 60 unter einem Winkel zu ihrer Achse gezogene Linie umrissen und sie besitzen daher ein elliptisches Gefalle. Außerdem haben die Fluidum-Abweisflächen 51 unj 52 in ihrer Erstreckung von der Spitze 53 zu ihren Außenenden über ihre Länge hinweg eine fortschreitend zunehmende Höhe gegenüber der kegelstumpttörmigen Fläche 38, d. h., die Höhe nimmt progressiv zu.

Gemäß Fig.4 ist der Radius R der zylindrischen Zylindermantelfläche 60 kleiner als der Krümmungsradius A der kegelstumpfförmigen Fläche 38, so daß die Erhebung 50 eine relative Höhe erhält.

Im Betrieb der erfindungsgemäßen Dichtung gewährleistet die Dichtkante 40 eine statische und eine dynamische Abdichtung an der Welle 14. Die Abweisflächen 51 und 52 werden hierbei effektiv zu spiralig angeordneten Rippen, die teilweise gegen die Welle 14 zusammengedrückt sind. Wie erwähnt, haben die Abweisflächen 51 und 52 von der Spitze 53 zu ihren Außenenden über ihre Gesamtlänge hinweg eine fortschreitend zunehmende Höhe und außerdem eine sich zunehmend vergrößernde Masse. F i g. 6 veranschaulicht das Berührungsschema bzw. die Abdrücke 65 der Erhebungen auf der Welle. Eine Linie 66 veranschaulicht das Andruckmuster der Dichtkante 40, während V-förmige Muster 67 das Berührungsschema tier Ahweisfläehen SI und 52 verdeutlichen. F.rsicht licherweisc liegen die Abdrücke 66 und 67 nahllo: aneinander, was dadurch erreicht wird, daß die Erhebungen 50 dicht an der Dichtkante 40 angeordne ■ sind Diese »dichte Anordnung« bedeutet, daß bei durc'r die Welle 14 zusammengedrückter Dichtkantc 40 aucr die Seitenkanten 57 und 58 zusammengedrückt sind jedoch nicht in solchem Ausmaß, daß die Dichtkante 4( außer Berührung mit der Welle 14 abgehoben wird. Wk

ίο aus Fig. 6 hervorgeht, nimmt die Berührungslinie der Abweisflächen 51, 52 fortlaufend ab, bis sie sich zu einer berührungsfreien Zone verjüngt. Diese Wirkung wird durch eine Abstimmung des Winkels der kegelstumpfförmigen Fläche 38 auf den Radius R der Zylinderman-

\Ί telfläche 60 sowie durch die Kontur der Abweisflächen 51 und 52 hervorgerufen. Min bevorzugter Winke zwischen der kegelstumpfförmigen fläche 38 und der Welle 14 liegt bei 15°.

An der Dichtkante 40 vorbeisickerndes öl wird — je

.'<> nach der Drehrichtung der Welle 14 — in dem durch die Abweisfläche 51 oder 52 festgelegen spitzen Winke eingeschlossen und infolge des durch diese Fläche unc die sich drehende Welle 14 erzeugten hydraulischer Drucks unter die Dichtkante 40 zurückgedrängt. Da dit

■>"> beiden Abweisflächen 51 und 52 in entgegengesetzte Richtungen abfallen, ist die Arbeitsweise der Dichtung vi-.π der Drehrichtung der Welle 14 unabhängig, so daf die Dichtung in beiden Drehrichtungen gleich wirksarr ist. Info-ge der minimalen Berührungsfläche und Masse

K) der hydrodynamischen Erhebungen, welche durch dit vorstehend beschriebene konkave Ausbildung gewähr leistet werden, entsteht zwischen den Erhebungen unc der Welle ein sehr leichter Berührungsdruck, so daß falls überhaupt, nur eine geringe zusätzliche Radialbela

!5 stung der Dichtung erforderlich ist. um die Dichtkanu mit der Welle in Berührung zu halten. Zudem hat es sich gezeigt, daß der minimale Berührungsflächendruck keine zusätzliche alterungsbeding'.e Verhärtung dei Dichtung hervorruft.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Radiallippendichtring für Wellen, bei dem eine Dichtkante durch zwei sich unter einem Winkel schneidende, konische Flächen gebildet ist, wobei die dem abzudichtenden Raum abgewandte Fläche mit dreieckförmigen Erhebungen versehen ist, deren eine Spitze in der Dichtkante und im nicht auf der Welle aufgezogenen Zustand auf dem gleichen Radius wie die Dichtkante liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die der Welle (14) zugewandte Oberfläche (55) der Erhebungen (50) derart konkav ausgebildet ist, daß nur die der ölrückförderung dienenden Seitenkanten (57, 58) auf der Welle aufliegen, wobei die konkave Oberfläche die Form einer Zylindermantelfläche (60) hat, deren Achse in einer Axialebene des Dichtringes liegt, die durch die in der Dichtkante (40) liegende Dreiecksspitze (53) geht, und daß die Zylindermantelfläche die konische Fläche (38) tangential berührt.

2. Radsailippendichtring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Seitenkanten (57,58) etwa 140° beträgt.

3. Radiallippendichtring nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Abweisflächen (51, 52) der dreieckförmigen Erhebungen (50) gegenüber der konischen Fläche (38) von der Spitze (53) zum Außenende der dreieckförmigen Erhebungen (50) progressiv zunimmt.