DE2319168A1

DE2319168A1 - Gleitpaarung fuer drehbewegung mit einem gleitpartner aus gummi oder einem kunststoff-elastomer - insbesondere fuer radial-wellendichtringe

Info

Publication number: DE2319168A1
Application number: DE2319168A
Authority: DE
Inventors: Kurt Groerich
Original assignee: VEB GUMMIKOMBINAT BERLIN
Current assignee: VEB GUMMIKOMBINAT BERLIN
Priority date: 1972-05-23
Filing date: 1973-04-16
Publication date: 1973-12-06
Also published as: BE797310A; GB1424892A; SU504513A3; NL7307213A; AT324787B; US3973781A; SE405502B; JPS49108461A; CS187554B1; BG20490A1; DD107968A1; IT984934B; FR2186113A5; RO65179A

Description

Gleitpaarung für Drehbewegung mit einem Gleitpartner aus Gummi oder einem Kunststoff-Elastomer - insbesondere für Radial-Wellendichtringe.

Die Erfindung betrifft eine Gleitpaarung für Drehbewegung, wobei der eine Gleitpartner aus Gummi oder einem Kunststoff-Elastomer besteht, dessen Gleitfläche mittels Drallkanten bei der Drehbewegung ein hydrodynamisches Druckfeld erzeugt - insbesondere für Radial-Wellendichtringe zum Abdichten von Lagergehäusen gegen Schmiermittelverlust und Schmutzeintritt.

Gleitpaarungen für Radial-Wellendichtringe haben in ihrer herkömmlichen Bauart für die bewegte Abdichtung eine gummielastische flexible Dichtlippe mit einer stumpfkegligen Dichtfläche, die sich mit ihrer scharfen Vorderkante in einer sehr kurzen Kontaktfläche an das abzudichtende Maschinenteil mit Radialdruck anpreßt, der durch die Eigenspannung der Dichtlippe und einem Zugfeder-Ring erzeugt wird. Die Abdichtung wird durch das gegenseitige Anpressen der beiden Dichtflächen Gummi/Stahl bewirkt, wobei sie sich an ihren Rauheitsspitzen mit einem geringen elastischen Ineinandergreifen berühren. In dem verbleibenden mikrogeometrischen lichten Spaltraum der Kontaktfläche kann durch Kapillar-Kräfte Schmiermittel einsickern, wodurch die Reibung herabgesetzt wird. Das Dichtverhalten dieser Gleitpartner hängt von der Rauheit der Gleitflächen ab, denn nur bei sehr engen Spaltweiten wird das Schmiermittel durch Grenzflächenkräfte und seine Oberflächenspannung (Meniekusbildung) im Gleitraum festgehalten. Bei diesen Berührungsverhältnissen tritt bei der Gleitbewegung Mischreibung auf, wobei die Anteile der einzelnen Reibungszustände-Trockenreibung, Grenzreibung und Flüssigkeitsreibung - je nach den Schmierverhältnissen, der Gleitgeschwindigkeit und Oberflächenbearbeitung der Gleitflächen variieren können, so daß die Gesamtreibung eine etwas instabile Größe ist. Radial-Wellendichtringe haben infolge dieser Reibungsverhältnisse den Nachteil einer ziemlich hohen Reibung, denn es muß bei diesem Wirkungsprinzip des Dichtpressens eine Mindestanpreßkraft vorhanden sein, um die Dichtheitsgrenze nicht zu überschreiten.

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OKK3INAL INSPECT«)

Dieser Tatsache ist es zuzuschreiben, daß es während der letzten 30 Jahre nur mit Mühe gelungen ist, bei den Radial-Wellendichtringen mit dieser Dichtwirkung die Reibungszahl von 0,3 bis 0,6 auf 0,2 bis 0,3 herabzudrücken. Durch die Temperatureinsatzgrenze des Dichtring-Werkstoffes sind dem herkömmlichen Radial-Wellendichtring auf Grund der erzeugten Reibungswärme hinsichtlich der zulässigen Umfangsgeschwindigkeit Grenzen gesetzt, die beim Standard-Dichtring bei etwa 10 m/s liegt. Beim Einsatz von hochwertigen Spezialkautschuken kann die Umfangsgeschwindigkeit auf 25 bis 30 m/s gesteigert werden. Da läischreibung herrscht, tritt beim Betrieb des Radial-Wellendichtringes auch Verschleiß auf, nicht nur an der Dichtlippe selbst, wo sich nach kurzer Laufzeit eine Verschleißfläche bildet, sondern auch an der Welle trotz gehärteter lauffläche - über 5m/s Umfangsgeschwindigkeit empfohlen - arbeitet die schneidenartig aufliegende Dichtkante oft nach längerer Laufzeit eine Riefe ein. Beim Auswechseln des Dichtringes muß auch die Laufstelle auf der Welle wieder in ihren alten Zustand hinsichtlich der optimalen Rauhtiefe zurückversetzt werden, was zu erheblichen Reparaturkosten führen kann. Eine wesentliche Verbesserung der Reibverhältnisse des Radial-Wellendichtringes trat erst auf, als man das hydrodynamische Dichtprinzip, wie es seit langem bei der metallischen berührungsfreien Spaltdichtung bekannt ist, auf die Dichtlippe übertrug. Die Spaltdichtung, die von Hause aus immer lässig ist, was durch richtige Auslegung der Spaltlänge und der Spaltweite in erträglichen Grenzen zu halten ist, kann durch ein Rückfördergewinde - entweder auf der Welle oder in der Buchse angebracht - absolut dicht gemacht werden. Die viskosen Scherkräfte im Rückfördergewinde bauen ein hydrodynamisches Druckfeld auf, dergestalt, daß das abzudichtende Schmiermittel selbst als Sperrmedium wirkt. Diese Dichtwirkung tritt aber nur in der Drehrichtung auf, bei der die Steigung des Rückfördergewindes verläuft. Es sind Ausführungen von Wellendichtringen bekannt, bei denen einfach das Rückfördergewinde der der.Metallbuchse auf die Dichtlippe übertragen ist, wobei die-

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Dichtlippe, die auch mit einem Zugfeder-Ring belastet ist, eine längere zylindrische Kontaktfläche von etwa 5 mm hat, in die das Rüekfördergewinde mit fast 2 Windungen eingeformt ist. Diese länge ist erforderlich, um auch beim Stillstand der Welle die statische Abdichtung durch die in dem langen Gewindegang wirkenden Grenzflächenkräfte zu gewährleisten. Bei der Drehung der Welle zeigt sich aber, daß für die hydrody- ^x namische Abdichtung ein Bruchteil einer Windung ausreicht, so daß der Dichtring zwar absolut dicht ist, aber auf Grund der Tatsache, daß eine zu große Gummifläche die Welle berührt und durch die hydrodynamische Dichtwirkung der größte Teil des Gewindeganges trockengelegt wird, hat er eine verhältnismäßig hohe Reibung. Damit war keine Verbesserung erreicht. Einen Erfolg brachte erst die bekannte Lösung, bei der die herkömmliche keglige Dichtlippe mit ihrer scharfen Vorderkante beibehalten wurde, mit ihrem Konstruktionsprinzip der möglichst kurzen Kontaktfläche zur Erzielung optimaler Reibverhältnisse. Eine zusätzliche hydrodynamische Abdichtung wurde dadurch erreicht, daß auf der glatten kegligen Dichtfläche ein Rückförderdrall vorhanden ist, entweder durch eingeschliffene Drallriefen oder durch mit dem Preßwerkzeug aufgeformte Drallrippen. Die sehr wirksame zusätzliche hydrodynamische Dichtwirkung des Rückförderdralls erlaubt, die Radialkraft, mit der die Dichtlippe an die Welle angepreßt wird, erheblich - bis um 70 % - zu verringern und dementsprechend sinkt auch die. Reibung bei Beibehaltung der Dichtheit. Die zulässige Umfangsgeschwindigkeit erhöht sich auf Grund der geringen Wärmeentwicklung und die Lebensdauer konnte in einer Größenordnung von 100 % und mehr verlängert werden. Der Nachteil dieser Dichtringe ist, daß die Rückförderwirkung nur in einer Drehrichtung auftritt, wodurch ihr Einsatzbereich beschränkt wird. Diesen Nachteil beseitigt eine bekanntgewordene neuere Weiterentwicklung, die bei Beibehaltung des gleichen Wirkungsprinzips zu Dichtringen mit "Wechseldrall" führte, die für beide Drehrichtungen verwendbar sind. Zu diesem Zweck wu'rden entlang der Vorderkante der kegligen Dichtfläche kapillare

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Schmiertaschen angebracht, die den Umriß von gleichschenkligen Dreiecken haben, die mit ihren spitzen Winkeln in Umfangsrichtung liegen und deren Schenkel als scharfe Drallkanten ausgebildet sind. Es sind zwei Varianten bekanntgeworden. Einmal stehen die Dreiecksflächen aus der. Dichtfläche erhaben hervor und grenzen mit ihren Scheiteln an der Vorderkante an. Bei der anderen Variante liegen die Dreiecksflächen um eine geringe Spaltweite tiefer als die Dichtfläche, und sie grenzen mit ihrer Basis an der Vorderkante an. Die Wirkung beider Varianten ist die gleiche, die sich darin zeigt, daß bei der Drehung der Welle - unabhängig von der Drehrichtung - immer die Drallkanten scharf an der Strömung anliegen, deren Steigung entgegengesetzt der Drehrichtung verläuft und die damit eine rüekfördernde Pumpwirkung ausüben· Bei den Dichtringen mit Rückförderdrall herrscht noch, trotz der zusätzlichen hydrodynamischen Dichtwirkung, die Mischreibung allerdings mit einer vorteilhaften Erhöhung des Anteils der Flüssigkeitsreibung. Das zeigt sich darin, daß auch sie dem Verschleiß unterliegen und auch die Welle angegriffen wird. Mit fortschreitendem Abrieb der Kontaktfläche wird der Rückförderdrall unwirksam und die Lebensdauer damit begrenzt. Zweck der Erfindung ist die Vermeidung ungünstiger Reibungsverhältnisse durch Flüssigkeitsreibung bei der Gleitpaarung Elastomer/Stahl, wie sie beim Wellendichtung für die bewegte Abdichtung zur Anwendung kommt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Gleitpaarung für Drehbewegung mit einem Gleitpartner aus Gummioder einem Kunststoffelastomer, insbesondere für Radialwellendichtringe, zu schaffen, bei dem die Dichtlippe genügend Schmiermittel in den Gleitraum hineinzieht und dort als Sperrflüssigkeit festhalten Umfangsrichtung keilförmig sich verengenden Schmierspalten und Gleitflächen, die entsprechend dem Prinzip der hydrodynamischen Schmiertheorie ein tragenden Schmierfilm aufbauen, die Rauheitsspitzen der Gleitflächen ausklinken, die Festkörperberührung verhindern und einen Zustand der Flüssigkeitsreiimng herbeiführen unabhängig von

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der Drehrichtung. Brfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß über eine zylindrische Kontaktfläche zwischen den Glextpartnern, deren Länge mindestens um eine Zehnerpotenz größer ist, als die sehr kurze Kontaktfläche bei der herkömmlichen kegligen Dichtlippe sehr kleine rautenförmige Gleitfläeherj. die in mehreren Stufen gegeneinander versetzt und mit gleichmäßiger Teilung über den Umfang angeordnet sind. Sie stehen mit einem kleinen Absatz reliefartig hervor und liegen mit ihrem spitzen Winkel in Umfangsrichtung, wobei die dem abzudichtenden Raum zugekehrten Seiten als scharfe Drallkanten ausgebildet sind, während die auf die Laufseite weisenden

Seiten schräge Keilflächen mit sehr spitzen Winkel begrenzen. Der gesamte Flächenanteil der im Stillstand am abzudichtenden Maschinenteil anliegenden rautenförmigen Gleitflächen an der projezierten zylindrischen Kontaktfläche ist höchstens ein Zehntel, während der übrige Flächenanteil den durch die reliefartige Hervorhebung der Gleitflächen gebildeten lichten Spaltraum begrenzt, der der Schmiermittelzufuhr unter die Kontaktfläche dient und mittels der anteiligen Keilfläche für Jede rautenförmige Gleitfläche die Bildung von Schmierkeilen und damit bei Drehbewegung eines Gleitpartners den Aufbau eines tragenden Schmierfilms ermöglicht. Diese rautenförmige Facettenstruktur der Kontaktfläche hat bezüglich der Umfangsrichtung einen symmetrischen Aufbau, so daß die Wirkung, die von ihr ausgeht, drehrichtungsunabhängig ist. Durch das Wandhaften des Schmiermittels entsteht bei der Drehung der Welle eine Schleppströmung in Umfangsrichtung, wobei sich vor der Dichtlippe ein Flüssigkeitsring bildet, der mit einer kleinen axialen Komponente - dem Leckagegefälle - versucht, sich durch den Dichtspalt zu schrauben. Bei der erfindungsgemäßen rautenförmigen Facettenstruktur der Dichtfläche kommen bei dieser Schleppströmung alle diejenigen scharfen Drallkanten der Rautenflächen zur Anlage an die Strömung, deren Steigung entgegengesetzt der Drehrichtung verläuft, so daß sie eine rückfördernde Wirkung auf das Schmiermittel ausüben und zum abzudichtenden Raum pumpen.

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Die scharfen Drallkanten der Rauten, deren Steigerung in Drehrichtung liegt, befinden sich im Strömumgsschatten und bleiben daher wirkungslos. Bei ,änderung der Drehrichtung kehrt sich auch die Funktion der Drallkanten um.

Die rautenförmige Facettenstruktur der Dichtfläche bildet eine Art von Miniaturpumpe mit einem mehrstufigen Schaufelgitter wie bei axialen StrSmungsmaschinen, die unabhängig von der Drehrichtung immer in Richtung des abzudichtenden Raumes. pumpt.

Von der Luftseite aus gesehen wirkt dieses Schaufelgitter wie ein Axialverdichter, der gegen den abzudichtenden Raum einen Staudruck erzeugt, der zusätzlich einer möglichen Leckage entgegenwirkt. Der Teilungsabstand der rautenförmigen Gleitflächen in ümfangsrichtung ist so gewählt, daß zwischen ihnen breitere Spaltlücken stehen bleiben, damit nicht schon von der ersten am Schmiermittel angrenzenden Stufe eine vollkommene Dichtwirkung erzielt wird, sondern das Schmiermittel zu den nächsten Stufen mit den scharfen Drallkanten einsickern kann. Bevor es zur nächsten Stufe gelangt, wird es durch die Schleppströmung in ümfangsrichtung unter hydrodynamischer Sehmierwirkung über die spitzen Keilflächen geführte

Um auch bei Schmiermitteln mit höherer Viskosität zu erreichen, daß mit Sicherheit genügend Sehmiermittel in den Gleitraum eingespeist wird, kann die erfindungsgemäße Facet tens truktur der Kontaktfläche dahingehend ausgestaltet sein, daß auf der Seite des abzudichtenden Raumes eine oder mehrere Stufen von Gleitflächen mit gleichem Absatz und der gleichen Teilung wie der rautenförmigen Gleitfläche vorgelagert sind, wobei diese Gleitflächen die Form von gleichschenkligen Dreiecken haben - gebildet von einer halben Rautenfläche mit der großen Diagonale als Basis. Mit der Basis grenzen diese Gleitflächen am abzudichtenden Raum an, während die zur Luftseite weisenden Schenkel als scharfe Drallkanten ausgebildet sind.

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Bei Drehung der Welle pumpen die an der Schleppströmung anliegenden Drallkanten, deren Steigung in Drehrichtung liegt, das Schmiermittel in den Gleitraum mit den rautenförmigen Facetten so lange, bis sich durch deren rückfördernde Wirkung ein Gleichgewichtszustand herstellt, der sich darin äußert, daß durch den Stau der gegeneinander pumpenden Stufen innerhalb des Gleitraumes der Kontaktfläche ein Sperrflüssigkeitsring gebunden wird, der die Gleitflächen mit Flüssigkeitsreibung schmiert» Die Diehtwirkung wird dadurch gesichert, daß die Anzahl der Pumpstufen mit rückfördernder Wirkung größer ist als die Zahl der Stufen, die Schmiermittel in den Gleitraum der Kontaktfläche einspeisen« Dieses Miniaturpumpsystem nutzt die hydrodynamische Wirkung wie sie ζ·Β· beim Abdichten von unter Druck stehenden Gasräumen in Anwendung kommt.

Die Facettenstruktur der Kontaktfläche gemäß der Erfindung hat über ihren Kreisumfang keine lückenlos geschlossene Dichtkante. Beim Stillstand der Welle kann bei dem langen · zerklüfteten Gleitraum mit geringer Spaltweite durch die Grenzflächenkräfte und die Oberflächenspannung des in ihm gespeicherten Schmiermittels auch die statische Abdichtung gewährleistet sein. Bei dünnflüssigem Schmiermittel mit geringer Oberflächenspannung besteht jedoch die Möglichkeit, wenn der Flüssigkeitsspiegel über der Dichtstelle liegt, daß im Stillstand Schmiermittel durch den lichten Spaltraum sickert und damit Undichtheit auftritt. Dies ist besonders beim Abdichten von vertikalen Wellen zu erwarten, wo die Dichtstelle oft vollkommen vom Schmiermittel beaufschlagt wird. Um für alle Fälle zu sichern, daß beim Stillstand der Welle auch die statische Abdichtung gewährleistet ist, kann innerhalb der Kontaktfläche mit der Facettenstruktur in bekannter Weise eine sehr schmale ringförmig geschlossene Dichtkante lückenlos eingeformt werden, deren lichte Weite der gleichen zylindrischen Hüllfläche entspricht wie die aller anderen Gleitflächen.

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Die öfter an den Radial-Wellendichtung gestellte Forderung, auch das Bindringen von Schmutz in den Dichtspalt zu verhindern, was zum schnellen Verschleiß und zur entsprechenden Verkürzung der Lebensdauer führt, kann bei der erfindungsgemäßen Dichtflächenstruktur in einfacher, vorteilhafter Weise dadurch erfüllt werden, daß an der letzten Stufe der rautenförmigen Gleitflächen die unmittelbar an der luft angrenzenden Kanten der Rauten auch als scharfe Drallkanten ausgebildet sind, die dann bei der Drehung der Welle - unabhängig von der Drehrichtung - eine hydrodynamische staubabweisende Wirkung ausüben. Bei herkömmlichen Dichtringen mit kegliger Dichtlippe wird dieser Staubschutz durch eine besondere Staubschutzlippe angestrebt, die einen zusätzlichen Reibungsanteil liefert. Herstellurigsgemäß bedingt das eine Sonderausführung mit komplizierteren Werkzeugen»

Die Facettenstruktur der Kontaktfläche kann auch auf andere Dichtringtypen mit Gleitpaarungen für Drehbewegung - nicht nur für radial- sondern auch axial-wirkende Dichtringe vorteilhaft angewendet und kann darüber hinaus zur Gestaltung von wartungsfreien elastischen Gleitlagern für die radiale und axiale Wellenführung angewendet werden.

Besonders vorteilhaft läßt sich die Erfindung für gehäuselose, einteilige Dichtringe ausgestalten, die nur aus einem einfachen massiven Profilring bestehen und die anwendungstechnisch dem bekannten O-Ring entsprechen. Der O-Ring, das querschnittsmäßig kleinste Dichtelement, das neben der ruhenden Abdichtung besonders in der Hydraulik für die Abdichtung bei hin- und hergehender Bewegung eine Rolle spielt, ist bei Drehbewegung nur für untergeordnete Zwecke einzusetzen. Uach Angabe einer Herstellerfirma hat sich der O-Ring bei Drehbewegung "bis zu Drücken von 6 atü und Umfangsgeschwindigkeiten bis maximal 1 m/s bedingt bewährt". Bei Anwendung des Erfindungsprinzips auf diesen Dichtungstyp ist es zweckmäßig, da

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eine größere Gleitflächenlänge erforderlich ist, als Grundkörper für den Dichtring eine dünnwandige Buchse zugrunde zu legen. Zur Erfüllung der Dichtungsfunktion ist diese dahingehend abzuwandeln, daß auf den Stirnflächenseiten an beiden äußeren Rändern kurze zylindrische Dichtflächen vorgesehen sind, von denen kurze hohlkeglige Übergangszonen zu einem eingezogenen zylindrischen Mittelteil führen, dessen innere Fläche die Gleitfläche für die bewegte Abdichtung bildet· Die Länge dieser Gleitfläche entspricht etwa der Länge der Buchse abzüglich der Längen der beiden, äußeren zylindrischen Dichtflächen und hohlkegligen Übergangszonen. Die innere Gleitfläche ist nun mit der erfindungsgemäßen !"acettenstruktur versehen, zweckmäßig in der Variante, mit der auch die statische Abdichtung gesichert und eine hydrodynamische Staubabweisung bewirkt wird. Wie der O-Ring wird dieser erfindungsgeraäße Dichtring, der auf Grund seiner dünnwandigen Ausführung querschnittsmäßig' etwa dem O-Ring flächengleich ist, etwas gestaucht in eine entsprechende Aufnahmenut des Maschinengehäuses eingebaut, Dabei stützt er sich mit seinen äußeren kurzen zylindrischen Dichtflächen an der Nutengrundfläche ab, während der mittlere eingezogene zylindrische Teil zu dieser um einige Zehntel mm hohl liegt. In diesem Einbauzustand hat die zylindrische Hüllfläche aller Gleitflächen einen um einige Zehntel mm - abgestimmt mit dem Hohlliegen des äußeren Mantels - kleineren Durchmesser als die Welle. Beim Aufziehen auf die Welle wird der mittlere zylindrische Teil aufgeweitet, wobei die hohlkegligen Übergangszonen als Gummi-Schubfedern wirken und für eine entsprechende Anpreßkraft an die Welle sorgen. Im Gegensatz zum O-Ring, der bei Drehbewegung in seiner Aufnahmenut eine instabile Lage hat und deswegen für diesen Anwendungsfall als Dichtung eine untergeordnete Rolle spielt, kann der erfindungsgemäße einteilige Dichtring für die radiale Abdichtung auf Grund seiner formschlüssigen Anlage an der Grundfläche der Aufnahmenut auch für höhere Drücke und infolge seiner geringen Reibung auch für weit höhere Umfangsgeschwindigkeiten eingesetzt werden.

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Er bietet sogar die Möglichkeit, zwei oder mehrere Dichtringe hintereinander zu schalten, wenn ein größeres hydrodynamisches Druckfeld aufgebaut werden muß. Bs ist nun einfach, die Punktion dieses radial wirkenden massiven einteiligen Dichtringes auch auf die axiale Abdichtung zu übertragen. Beim gleichen Profilschnitt, mit den gleichen offenbarten Merkmalen, wird die axiale Dichtung zur dünnwandigen Dichtscheibe, die sich in radialer Richtung erstreckt, und die auf der einen ebenen Stirnfläche die rautenförmige Facetten-' struktur der Dichtfläche für die bewegte Abdichtung an der Wellenscheibe aufweist, während sich auf der anderen Stirnfläche die konzentrischen schmalen Dichtringflächen für die ruhende Abdichtung in der entsprechenden Aufnahmenut im Maschinengehäuse befinden.

Die fast vollkommene formschlüssige Einbettung der erfindungsgemäßen einteiligen Dichtringe in die Aufnahmeriut gestattet, ihnen auch eine Hührungsfunktion zu übertragen und sie zu diesem Zweck als selbstschmierende und -abdichtende elastische Gleitlagerbuchse bzw. axiale Gleitlagerscheibe auszugestalten. Werkstoffseitig bieten sich für diese Lagerelemente Kunststoffelastomere mit hervorragenden Gleiteigenschaften an, wie. z,B« Polytetrafluoräthylen oder Polyurethan. Für ein Radial-Gleitlager sind swei gleiche Buchsen erforderlich, die wie der radial wirkende einteilige Dichtring gestaltet aber breiter ausgeführt sind - mit mehr Pumpstufen, um die erforderliche Tragkraft des Gleitlagers zu erzeugen. Diese Buchsen werden in eine entsprechende Eindrehung des Lagergehäuses eingebaut, daß die scharfen Drallkanten der Gleitflächen beider Buchsen in das Lagerinnere weisen und dementsprechend auch bei Drehung der Welle in diese Richtung pumpen. Die Eindrehung im Lagergehäuse ist etwas länger gehalten, so daß die Lagerbuchsen schwimmend angeordnet sind und sich zwischen ihnen ein kurzer freier Ringraum einstellen lcann. Bei Drehung der Welle erzeugen die gegeneinander pumpenden elastischen Gleitlagerbuchsen in axialer Richtung ein hydrostatisches Druckfeld mit einem Druckanstieg je Pumpstufe, so daß sich

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der höchste statische Druck im freien Ringraum zwischen beiden Buchsen einstellt. Mit dem von Stufe zu Stufe wachsenden statischen Druck wird das Schmiermittel entsprechend der Gleitgeschwindigkeit in Umfangsrichtung zwischen den einzelnen Stufen mit den pumpenden Drallkanten in die keilförmige Schmierspalte zu jeder Mini-Gleitfläche gedruckt, wobei ein weiteres hydrodynamisches Druckfeld aufgebaut wird. Beide Druckfelder überlagern sich und stellen die Tragkraft des Gleitlagers bereit. Da die elastischen Lagerbuchsen von beiden Seiten immer ins Lagerinnere pumpen, bleibt die einmalige Schmiermittelfüllung als Sperrflüssigkeitsring im Gleitraum ohne Verlust erhalten. Eine Staubabdichtung und die Sicherung der statischen Abdichtung beim Stillstand der Welle kann mit den gleichen Mitteln erreicht werden, die an anderer Stelle zur weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Facettenstruktur offenbart wurden.

Analog wie das Radial-Gleitlager aus dem radial wirkenden einteiligen Dichtring entstanden ist, läßt sich aus dem axial, wirkenden einteiligen Dichtring auch ein axiales Gleitlager entwickeln als Stützlager für die axiale Führung der Welle. Eine solche Führungsfunktion und die Aufgabe eines Festlagers kann auch das erfindungsgemäße Radia!-Gleitlager übernehmen, wenn die innere Gleitfläche der Lagerbuchse hohlkeglig ausgebildet ist und zwei gleiche Lagerbüchsen - gegeneinanderwirkend - mit einem entsprechenden wellenfesten metallischen Gleitpartner gepaart werden. Die offenbarte Erfindung zeigt, daß sich mit der rautenförmigen Facettenstruktur der Gleitfläche eines Gleitpartners für Drehbewegung eine Gleitpaarung mit Flüssigkeitsreibung bilden läßt, bei der gleichzeitig durch die viskosen Scherkräfte im Gleitraum ein richtungsorientiertes hydrostatisches und hydrodynamisches Druckfeld erzeugt wird, dergestalt, daß dieGleitpaarung - unabhängig von der Drehrichtung - immer in eine Richtung pumpt. Den Zustand der Flüssigkeitsreibung herbeiführen und stabil aufrechterhalten bedeutet eine Gleitbewegung mit geringster Reibung, bei der das Reibungsdrehmoment um mindestens eine

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nerpotenz niedriger liegt als bei der Mischreibung. Die Reibungszahl bei Flüssigkeitsreibung wird fast ausschließlich von der Viskosität des Schmiermittels bestimmt, wodurch die Lebensdauer technisch unbegrenzt ist. Im Gegensatz zur Mischreibung ist bei den klaren hydrodynamischen Zusammenhängen die Flüssigkeitsreibung nach der hydrodynamischen Schmiertheorie weitgehend der Rechnung zugänglich. Weiterhin bedeutet Flüssigkeitsreibung eine Gleitbewegung praktisch ohne Verschleiß und damit die Eliminierung von Forderungen an die Werkstoffeigenschaften, die "sonst bei der Mischreibung mit der möglichen Festkörperberührung erfüllt werden müssen, wie u.a. die Forderung nach einer gehärteten Laufstelle auf der Welle. Auf die Berührungsdichtung für Drehbewegung angewandt, zeigen Dicht— ringe mit der erfindungsgemäßen Facettenstruktur der Kontaktfläche bezüglich der drei Bewertungskriterien "Reibungsleistung, Lebensdauer, Dichtwirkung" folgende wesentliche Vorteile und sprunghafte Verbesserung: Die im Vergleich zur Misehreibung geringe Flüssigkeitsreibung gestattet, die erfindungsgemäßen Dichtringe aus den gewöhnlichen Standard-Kautschuktypen, wie sie für die Masse der Erzeugnisse dieser Art zur Verfügung stehen, auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten anzuwenden, die bisher nur durch den Einsatz hochwertiger, teurer und oft schwer verarbeitbarer Spezialkäutschuke dichtungsgemäß noch zu beherrschen sind.

Was die Dichtheit betrifft - nach der Aufgabenstellung an eine Dichtung das wichtigste Bewertungskriterium - so sind von der erfindungsgemäßen langen Kontaktfläche mit dem mehrstufigen Drallkantengitter die Voraussetzungen für eine absolute Dichtheit gegeben, wenn man berücksichtigt, daß nach Berichten aus der Fachwelt schon der einstufig wirkende Rückförderdrall auf der kegligen Dichtfläche oft zur absoluten Dichtheit führt und sich diese Dichtringe bestens bewährt haben. Es ist noch auf einen weiteren, nicht zu unterschätzenden Vorteil der erfindungsgemäßen Kontaktfläche hinzuweisen, den allein zu erreichen Gegenstand einiger aus der Patentliteratur, bekannter

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Verbesserungspatente ist. Es ist die Eigenschaft, im lichten Spaltraum durch Benetzung der Grenzflächen Schmiermittel zu speichern, daß sofort beim Wiederanlaufen der Welle nach längerer Stillstandszeit die Schmierung sicherstellt. Damit wird den in der Praxis nach längeren Stillstandszeiten häufig beobachteten Klebeerscheinungen entgegengewirkt, die ihre Ursache bei der herkömmlichen kegligen Dichtlippe darin haben, daß bei der örtlich hohen Flächenpressung der schneidenartig auf der Welle aufliegenden Kontaktfläche infolge des Kriechverhaltens des Gummis die Gummioberfläche mehr und mehr in das mikrogeometrische Rauheitsrelief der Laufstelle eindringt und das Schmiermittel wegquetscht, was bei Vorhandensein einer gewissen Klebrigkeit der Gummimischung zu solchen Erscheinungen führt. Hinzu kommt, daß nach längerer Laufzeit auch Ablagerungen von verhärtetem Gummi- gebildet aus dem Abrieb der Dichtlippe und wahrscheinlich verkoktem Schmiermittel - auf der Laufspur der Welle zu beobachten sind. Ein Ablaufen der Welle erfordert dann ein Losbrechen aus diesem Haftzustand, eine erhöhte Reibung und progressiver Verschleiß führen dann zum schnellen Ausfall der Dichtung.

Die wesentlichen Verbesserungen, die die Erfindung bringt, betreffen ein Maschinenelement, von dessen Punktionstüchtigkeit die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit der Maschinen und Geräte abhängt, die damit wesentlich-.den Qualitätsruf der Erzeugnisse des Maschinen- und Gerätebaues mitbegründen. Vorzeitige Ausfälle von Dichtungen führen von der Verärgerung eines Anwenders über sein undichtes Gerät bis zur Gefährdung von Menschenleben. - Die beim Auswechseln eines Dichtringes anfallenden Reparaturkosten übersteigen um ein Vielfaches den Preis des Dichtringes_β Hinzu kommt der Leistungsverlust durch die Stillstandszeit. -

Die Anwendung der Erfindung auf die Gestaltung von Gleitlagerelementen führt zu wartungsfreien elastischen Gleitlagern mit hoher Laufruhe - infolge der Aufteilung der Gleitfläche in eine Vielzahl von kleinen·Gleitflächenelementen - besonders bei hochgeschwindigkeitsgleitlagern, die in vielen

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Anwendungsfällen mit geringstem Werkstoffeinsätζ Kugellager ersetzen kennen.

Was die Herstellbarkeit der erfindungsgemäßen Dichtringe und Gleitlagerelemente betrifft, so bietet die Miniaturisierung der Facettenstruktur der Gleitfläche, bejydie einzelne Pacette als geometrischer Körper einen schiefen rhombischen Pyramidenstumpf dargestellt, mit der größten Spaltweite als Höhe und der Gleitfläche als Deckfläche, die einen Flächeninhalt von nur

etwa 1/4 mm hat, die Möglichkeit, dieses Fläehenrelief durch ein gehärtetes Mutterwerkzeug, in dem die Facettenstruktur als Urform eingearbeitet ist, jedem Werkzeug durch Kaltverformung als Negativ-Form einzuprägen, mit dem die erfindungsgemäße Gleitfläche in der Form zur Herstellung der Wellendichtringe urgeformt wird. Bei einerfzylindrischen Gleitfläche ist dieses Mutterwerkzeug eine Prägerolle und der Arbeitsgang des Einprägens der Negativ-Form in den Werkzeugkern entspricht dem Kordeln von gedrehten Griffelementen im Maschinenbau. Durch dieses Verfahren wird die einmal mit größter Präzision hergestellte Urform im Mutterwerkzeug in gleichmäßiger Qualität auf alle Werkzeugkerne als Negativ-Form durch einen billigen Arbeitsgang übertragen. Dieser Vorteil springt ins Auge, wenn man vergleicht, daß bei dem bekannten Radial-Wellendichtringen mit Rückförderdrall die Negativ-Form, der Drallrippen in jeden einzelnen Werkzeugkern, ähnlich wie bei der Schrägverzahnung eines Kegelrades, durch Fräsen oder einem anderen Zerspannungsverfahren eingearbeitet werden muß. Bei der großen Masse der hergestellten Radial-Wellendichtringe wird die scharfe Dichtkante erst durch eine Endbearbeitung - durch Schneiden oder Schleifen - erzeugt. Die dafür einzuräumende Toleranz und subjektive Fehler führen zu Form- und Maßabweichungen, die zusammen mit den vielen anderen Einflußfaktoren - besonders werkstoffseitig - zur größeren Streuung der Radialkraft gegenüber ihrem optimalen Wert führen. Die erfindungsgemäße Gleitfläche wird allein vom Werkzeug urgeformt, die Werkzeugteilung kann an eine Stelle verlegt werden, wo der entsprechende Grat bzw_o

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Austrieb durch bekannte hochproduktive Entgratungsνerfahren entfernt werden kann. Während die bekannten Radial-Wellendichtringe mit Rückförderdrall meistens nur für spezielle Anwendungsfälle zum Einsatz kommen, wenn schwierige Dichtprobleme zu lösen sind, wie z.B. beim Abdichten der Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren, bieten sich die erfindungsgemäßen Dichtringe mit diesen fertigungstechnischen Vorteilen der Qualitätssicherung und der einfachen Technologie, neben den ohne höhere Kosten erreichbaren sprunghaften Verbesserung in der Anwendungstechnik, als Standardausführung an, denn die Frage Reibung und Verschleiß steht an jeder Dichtsteile weil sie die effektive Leistung schmälert. Die Erfindung soll nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Pig« 1: Drei Profilschnitte von Dichtlippen mit ihren in die Zeichnungsebene abgewickelten .Kontaktflächen auf der Welle
und zwar

a) eine herkömmliche Dichtlippe mit glatter Kegelfläche und vorderer scharfer Dichtkante

b) eine Dichtlippe mit auf der Kegelfläche angebrachten Drallrippen

C-) die erfindungsgemäße Dichtlippe

Fig. 2: Die Schnitte A-A und A'- A'nach Fig. Ic);

Fig. 3: Eine Draufsicht auf die Entwicklung einer weiter ausgestalteten erfindungsgemäßen Kontaktflache;

Fig· 4: Den Profilschnitt eines gehäuse- und federlosen einteiligen Dichtringes und den Einbauzustand im Maschinengehäuse im Halbschnitt;

Fig. 5: Den Einbauzustand eines axial wirkenden Dichtringes im Halbschnitt;

Fig. 6: Ein Radialgleitlager im Halbschnitt;

Fig. 7: Die Kombination eines Radial-Gleitlagers mit einem Axial-Gleitlager im Längsschnitt;

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Die Profilschnitte in Pig. 1 zeigen die Betriebsstellung der Dichtlippe an der Welle. Dabei entsprechen die Fig. la) und Ib) den bekannten herkömmlichen Ausführungen, denen gemeinsam ist, daß die Radialkraft R durch die Aufweitung der kegligen Dichtlippe, deren scharfe Vorderkante K₁ von Hause aus gegenüber der Welle eine Unterweite hat, durch die Aufbiegung des kegelmanteiförmigen Verbindungssteges zum Gehäuseflansch und durch die ümschlingungskraft des Zugfeder-Ringes¹ erzeugt wird. Mit der erzeugten Radialkraft werden Dichtlippe und Welle aufeinandergepreßt. Bei der Linienberührung der glatten kegligen Dichtfläche nach Pig. la) ergibt sieh dabei an der Kante K₁ durch Abplattung eine kurze zylindrische Kontaktfläche mit der Länge 1^· Die Dichtlippe nach Pig. Ib) hat auf der kegligen Dichtfläche einen Rückförderdrall durch aufgeformte Drallrippen, deren Steigung entgegen der Gleitgeschwindigkeit v_ verläuft.

S Die Drallrippen, die in gleichmäßiger Höhe und !Teilung t an der Torderkante K₁ enden, ergeben beim Auftreffen auf die Welle anfangs eine Berührung an einer kreisringförmigen Punktkette entsprechend der Anzahl der Drallrippen. Durch Abstimmung der relativ hohen Rippenhöhe (0,2 mm), des Steigungswinkels ⁰^- der Drallrippen und der Federkraft F strebt der Hersteller an, daß beim vollen Wirksamwerden der Anpreßkraft auf Grund der hohen örtlichen Flächenpressung an den Drallrippenenden und der elastischen Verformbarkeit des Lippenwerkstoffes sich an der vorderen Kante K₁ eine geschlossene Ringfläche bildet, die den Austritt des Schmiermittels auch beim Stillstand der Welle verhindern soll« Im Ganzen ergibt sich durch die Abplattung der Drallrippen das in Fig» Ib) gezeichnete Bild der unmittelbaren Berührungsfläche zwischen Dichtlippe und Welle. Von den abgeplatteten Drallrippen werden hinter der geschlossenen Ringzone Drallkanten mit dem Steigungswinkel OC-und der Teilung t geformt, die die zusätzliche hydrodynamische Abdichtung bewirken.

Als nachteilig ist zu bewerten, daß entlang der geschlossenen Ringzone keine gleichmäßige Druckverteilung besteht, sondern an den Drallrippen durch die örtlich hohe Flächenpressung Druckberge auftreten, die die unerwünschte'Festkörperberüh-

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rung begünstigen. Erst durch den Abrieb der Drallrippen bei fortschreitendem Betrieb findet ein Ausgleich der Druckverteilung statt.

Die feste Aufhängung des flexiblen Manschettenteiles - keglige Dichtlippe und kegelmantelförmiger Yerbindungssteg - am steifen Gehäuseflansch und die federnde Abstützung der vorderen Dichtkante auf der Welle, wobei die Wirkungsebene der Federkraft P mit dem Federhebelarm hj, außerhalb der Abstützung K₁ K₂ liegt, machen aus dem flexiblen Manschettenteil ein Schwingungssystem mit der Möglichkeit von Längsschwingungen q = f ₂ (t) in Umfangsrichtung wie auch Nickschwingungen f = f-j- (t) der Dichtlippe um ihre Dichtkante· Die Ursache für das Auftreten von Längsschwingungen ist in dem Anteil der Festkörperreibung an der Mischreibung zu suchen. Neuere Reibungsforschungen haben nachgewiesen, daß es an den Rauheitsspitzen der Gleitflächen durch Festkörperberührung zum kurzzeitigen Haften durch Bildung und Widerzerstörung von Friktionsbrücken, was zu einer intermittierenden Gleitbewegung führt (stick-slip-Effekt) und damit zur Erregung von Reibungsschwingungen. Diese Reibungsschwingungen machen sich häufig bei schlechten Schmierverhältnissen an der Dichtlippe durch unangenehme Pfeifgeräusche bemerkbar.

Die Nickschwingungen der Dichtlippe werden durch die immer vorhandenen Rundlauffehler der Welle oder Wellenschwingungen erregt. Dieses Schwingungsverhalten wird durch die Längs, die Dicke und den Kegelmantelwinkel des Terbindungssteges zum Gehäuseflansch beeinflußt, der deshalb genügend steif dimensioniert werden muß, um den Schwingungsausschlag klein zu halten und ein seitliches Abkippen der Dichtlippe zu verhindern. Andererseits ist zu berücksichtigen, daß eine gute radiale Beweglichkeit der Dichtlippe wünschenswert ist, damit sie den Bewegungen der Welle folgen kann. Diese Forderung allein verlangt aber zu ihrer Erfüllung eine maximale Länge, eine minimale Dicke und eine schwache Neigung des Kegelmantels des Verbindungssteges. Werkstoffseitig ist bei diesem Schwingungsverhalten der bekannten Dichtlippenkonstruktion für eine gute

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Abdichtung die Forderung nach einer Gummimischung mit guten elastischen Eigenschaften bei niedriger Eigendämpfung und deren Erhaltung über eine lange Benutzungsdauer zu stellen. - Die drei Konstruktionsmerkmale: Erzeugung der Radialkraft, Druckverteilung in der unmittelbaren Kontaktfläche und das Schwingungsverhalten der Dichtlippenkonstruktion nach Pig« la) und Ib) - werden mit der erfindungsgemäßen Dichtlippenkonstruktion, wie sie Fig. Ic) zeigt, in vorteilhafter Weise verändert, so daß die unerwünschten Begleiterscheinungen, die die Diehtungsfunktion · über lange Betriebsdauer beeinträchtigen, unterdrückt und Sonderanforderungen an die Werkstoffeigenschaften eliminiert werden. Dies wird dadurch möglich, daß die projizierte Kontaktfläche 1 der Dichtlippe zwischen den Kanten K₁ und K₂ eine Länge 1_K hat, die größer ist als der Durchmesser des Zugfeder-Ringes. Die Federkraft F wirkt ungefähr in der Mitte dieser Kontaktfläche, so daß die Dichtlippe von der Welle mit der radialen Anpreßkraft R stabil abgestützt wird. Es ist zweckmäßig, den Durchmesser der projizierten Kontaktfläche 1 gleich dem Wellendurchmesser zu machen und dementsprechend das Preßwerkzeug auszulegen. Infolge eines geringen Ztisammenziehens der Dichtlippe nach dem Vulkanisieren durch das werkstoffeigene Schwindverhalten, tritt im Lippenwerkstoff in der Betriebsst8llung nur eine geringe Zugspannung auf. Die Anpressung der Dichtlippe an die Gleitfläche der Welle erfolgt im wesentlichen nur nochi durch den voll auf die Dichtlippe wirksamen Zugfeder-Ring» Durch die stabile Abstützung der Dichtlippe, die keine Klcksehwingungen aufkommen läßt, entfällt bei dem TTerbindungssteg zum steifen Gehäuseflansch die Stützfunktion für die Dichtlippe, die bei der herkömmlichen kegligen Dichtlippe dazu zwingt, dem Steg eine bestimmte Dicke zu geben, wodurch auch in unerwünschter Weise

der Gummianteil an der Radialkraft erhöht wird. Der Verbindungssteg hat nur noch die Aufgabe, die Dichtlippe mit dem Gehäuse zu einem Ganzen zu verbinden und eine dichte Wand zu bilden. Diese Funktion erfüllt er als minimal dünnes zylindrisches Schlauchstück, das die radiale Querbeweglichkeit der mit Formschluß auf der Welle sitzenden Dichtlippe kaum behindert, in

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den Grenzen, in denen Wellenschlag und andere Rundlauffehler praktisch vorkommen. Durch diese Anordnung, bei der die Radialkraft fast ausschließlich durch den Zugfeder-Ring erzeugt wird und Schwingungen der Dichtlippe ausgestaltet sind, entfallen alle Forderungen an Werkstoffeigenschaften hinsichtlich des elastischen Verhaltens und geringer Eigendämpfung. Für diese Dichtlippengestaltung bleibt als erforderliche Werkstoffeigenschaft neben der Quellbeständigkeit nur noch die Weichheit übrig, damit sich die Federkraft möglichst vollständig als Anpreßkraft der Dichtlippe auf die Welle übertragen kann.

Die bisher beschriebene Dichtlippengestaltung nach Fig. Ic) ist Grundlage für die eigentliche Erfindung· Diese bezieht sich ja, wie bereits beschrieben, auf die vorteilhafte Gestaltung der Kontaktfläche, um den Zweck der Erfindung zu erreichen. Die Fig. Ic) zeigt unter dem Dichtlippenprofil ein Stück aus der in die Zeichnungsebene abgewickelten Kontaktfläche in der Draufsicht, über die Länge 1«. der- Kontakt fläche mit der Vorderkante K, und der Hinterkante K₂ sind die kleinen rautenförmigen Facetten regelmäßig und rotationssymmetrisch zur Achse x-x in vier Stufen gegeneinander versetzt angeordnet. Als geometrischer Körper ist die einzelne Facette ein flacher schiefer rhombischer Pyramidenstumpf mit der größten Spaltweite s als Höhe und der Gleitfläche 2 als Deckfläche. Die Facetten stehen zur ölseite schief, dergestalt, daß die vorderen Seitenflächen 3 und 3' im Schnitt A-A der Fig· 2 sichtbar, angenähert senkrecht zur Gleitfläche 2 stehen, mit der sie die scharfen Drallkanten 21 und 21*mit dem Steigungswinkel ⁰^ bilden. Die der Ölseite abgewandten Seitenflächen 4 und 4* der Facetten sind schiefe Ebenen mit dem spitzen Neigungswinkel β , wie Schnitt A^A' in Fig. 2 zeigt. Sie bilden mit der Gleitfläche 2 die Kante 22 und 22*. Dem Konstruktionsprinzip einer möglichst geringen unmittelbaren Berührungsfläche der Dichtlippe mit der Welle wird dadurch entsprochen, daß die Gleitfläche 2 als Deckfläche des schiefen Pyramidenstumpfes etwa nur ein Zehntel Flä-cheninhalt von seiner Grundfläche hat.

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Der Teilungsabstand t der Facetten in Umfangsrichtung wird zweckmäßig gleich^ mm oder einem Bruchteil von^T* mm gemacht, dadurch erhält man den aus der Verzahnungsgeometrie bekannten Teilungsmodul m = 1 oder m =.■=· usw. Da, wie bereits erwähnt, das Facettenwerkzeug für den Dichtring auf den. Wellendurchmesser ausgelegt wird und zwar die projizierte Kontaktfläche 1, ergeben sich z.B. bei einem gewählten-Teilungsabstand t = in Umfangsrichtung eine Anzahl von Facetten gleich dem Wellendurchmesser in mm, der nach der Standard-Abmessungsreihe ganzzahlig festgelegt ist.

Zwischen den Gleitflächen 2 sind Spaltlücken mit der Breite w, die ein Eindringen des Schmiermittels in den Gleitraum ermöglichen sollen. - Auf Grund ihres Bildungsgesetzes liegen alle Gleitflächen 2 auf einer zylindrischen Hüllfläche,· so daß beim Wirken der radialen Anpreßkraft R eine gleichmäßige Druckverteilung über alle Gleitflächen auftritt. Dadurch wird der Aufbau eines tragenden Schmierfilms begünstigt. Das Bildungsgesetz für die rautenförmige Facettenstruktur der Kontaktfläche läßt sich aus Fig. 2 an den Schnitten A-A und A'-A¹ erkennen. Die Erzeugenden des Profils sind die Gerade g., , die senkrecht auf der projezierten Kontaktfläche 1 steht, und die Gerade g₂, die die Gerade g., an der Kontaktfläche 1 unter dem Neigungswinkeiß schneidet. Durch Gleiten dieser erzeugenden g^ und g₂ durch einen Zylindermantel mit der Länge 1^· nach Fig. 1c) mit dem Einstich s, dem SteigungswinkelOi , rechts- und linkssteigend, und der Teilung t entsteht die rautenförmige Facettenstruktur. Die Erzeugenden g- und gp werden durch die Flanken eines Werkzeuges dargestellt, mit dem die Struktur des erfindungsgemäßen Flächenreliefs in ein Werkzeug zur Herstellung der Struktur in der Form eingearbeitet wird.

Vergleicht man nun das Dichtverhalten der drei Kontaktflächen nach Fig. 1, so ist für die erfindungsgemäße Kontaktfläche nach 'Fig. 1c) festzustellen, daß schon allein von der Dichtlippengestaltung her und den damit gegebenen Berührungsverhältnissen, die eine Eigenschwingung der Dichtlippe verhindern, die Voraussetzungen für eine gute Dichtwirkung gegeben sind.

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Bei Drehung der Welle tritt an der Kontaktfläche eine monotone Gleitbewegung auf. Durch die Erzeugung eines tragenden Schmierfilms "schwimmt" die Dichtlippe auf der Welle. Zur Erklärung der Torgänge im Gleitraum der Kontaktfläche selbst ist von dem Hydromechanismus der Leckagebewegung durch einen Dichtspalt bei Drehbewegung auszugehen. Danach tritt eine Lässigkeit des Dichtspaltes dadurch auf, daß sich der Schleppströmung in Umfangsrichtung infolge des Wandhaftens des Schmiermittels an der Wellenoberfläche durch die im Dichtspalt wirkenden Kapillarkräfte eine axiale Bewegung des Schmiermittels mit kleiner Geschwindigkeitskomponente überlagert. Das führt zu einem Durchschrauben des Schmiermittels mit einer sehr flachen Steigung durch den Dichtspalt. Die Lässigkeit oder Leckage ist dabei abhängig von der Spaltlänge und Spaltweite. Dieser Zusammenhang ist in der abgewickelten Kontaktfläche der Fig. Ic) durch die Richtung und Länge der Pfeile ν - der Gleitgeschwindigkeit - und v,. - der Leckagegeschwindigkeit - dargestellt. Bei der großen Länge 1_K der erfindungsgemäßen Kontaktfläche muß das Schmiermittel mehrmals die Welle umkreisen, bevor es sich durch den lichten Spaltraum geschraubt hat. Dabei trifft es hundertmalig die scharf an der Strömung anliegenden Drallkanten 21 - in der Zeichnung durch die Strichdicke hervorgehoben mit ihrer rückfördernden Wirkung v_R.

Die in vier Stufen angeordneten schief zum abzudichtenden Raum stehenden rautenförmigen Facetten entbieten so ein tief gestaffeltes Bollwerk, das mit an der Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit Undichtheit verhindert. Diese Erwartung ist begründet, wenn man dagegen die Wirkung der Kontaktfläche der scharfkantigen kegligen Dichtlippe nach Fig. la) vergleicht. Diese Kontaktfläche hat bei einem neuen, noch nicht gebrauchten Dichtring durch eine geringe Abplattung der scharfen Dichtkante oft nur eine Länge von 0,2 mm. Von dieser kurzen Kontaktfläche muß die Abdichtung durch die richtige Abstimmung der radialen Anpreßkraft bei Einhaltung der geforderten mikrogeometrischen Oberflächenbeschaffenheit der Gleitflächen bewirkt werden. Zur Erreichung einer Optimalen Lebensdauer bei gegebener

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Temperatureinsatzgrenze des Manschettenwerkstoffes wird vom Hersteller die Gesamtradialkraft der Dichtlippen so ausgelegt, daß sie in der Nähe der Dichtheitsgrenze liegt. Bei einem Massenerzeugnis wie es der Radial-Wellendichtring ist, mit den vielen Binflußfaktoren auf die Dichtfunktion durch die komplizierten chemisch-physikalischen Vorgänge an den Grenzflächen im System Gummi-Stahl-Luft-Öl, werden die optimalen Mittelwerte von Dichtwirkung, Reibungsdrehmoment und Lebensdauer vom einzelnen Dichtring bestenfalls mit einer Wahrscheinlichkeit von 90 % erreicht.

Da Mischreibung herrscht, ist die Funktionstüchtigkeit dieser Dichtringe in starkem Maße von den Werkstoffeigenschaften der sieh unmittelbar berührenden Teile abhängig und von deren Erhaltung während der Gebrauchsdauer. Dichtringe mit einer Kontaktfläche nach Fig. la) sind in den seltensten Fällen absolut dicht, man fordert von ihnen technische Dichtheit, bei der eine erträgliche definierte Lässigkeit in Menge pro Zeit zugestanden wird. Die scharfe Dichtkante ist der empfindlichste Teil am Radial-Wellendichtring. Kleine Einkerbungen, Einschnitte oder Lufteinschlüsse - vom Fertigungsverfahren herrührend, geringe Beschädigung durch Einbaufehler oder Verschmutzung durch Fremdkörper führen zur Undichtheit. - Besonders kritisch wird das Dichtverhalten der Dichtlippenkonstruktion nach Fig. la) bei höheren Drehzahlen, wenn hochfrequente Wellenschwingungen auftreten. Die erregten Nickschwingungen der Dichtlippe führen dann dazu, besonders wenn sich nach einiger Laufzeit durch Abrieb der Dichtkante eine etwas breitere zylindrische Verschleißfläche gebildet hat, daß durch Kippen über die Kanten K₁ und K₂ sich laufend instationäre keilförmige Umrißunterschiede zwischen beiden Gleitflächen ergeben, die durch Verdrängung'des Schmiermittels eine Pumpwirkung erzeugen, wodurch das Schmiermittel durch den Dichtspalt gequetscht und damit Undichtheit herbeigeführt werden kann. - Wie bereits weiter oben erwähnt, brachten die Radial-Wellendichtringe mit Rückförderdrall eine wesentliche Verbesserung der Dichtungs- und Reibungsverhältnisse durch· ihre zusätzliche hydrodynamische Abdichtung.

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Die abgewickelte Kontaktfläche in Pig, Ib) zeigt, daß die durch die abgeplatteten Drallrippen gebildeten Drallkanten eine Rückförderwirkung v_R ausüben, die einer möglichen Leckage ν^ zusätzlich entgegenwirkt. Bei dem bestehenden Berührungsverhältnis herrscht aber noch Mischreibung vor, da kein System von keilförmig sich verengenden Schmierspalten zu den unmittelbaren Berührungsflächen vorhanden ist.

Bei dem in Pkt. 3 gezeigten Stück der abgewickelten weiter ausgestalteten Kontaktfläche ist einem dreistufigen Dralikantengitter mit Rückförderwirkung v_R auf der ölseite eine Stufe mit Gleitflächen 5 in Gestalt von gleichschenkligen Dreiecken vorgeschaltet, die mit ihrer Basis 52 am Ölraum angrenzen, während ihre Schenkel 51 und 51* zur Luftseite weisen. Die Gleitflächen 5 sind die Deckflächen von flachen dreiseitigen Prismen mit der größten Spaltweite s als Höhe. Die Seitenflächen 6 und 6*bilden mit den Schenkeln 51 und 51* scharfe Drallkanten. Bei der gezeichneten Richtung der Gleitgeschwindigkeit ν liegen die Drallkanten 51 deren Steigung in Strömungsrichtung verläuft, scharf an der Strömung an· Zusammen mit dem natürlichen Leckagegefälle ν, speisen sie durch ihre Förderwirkung Vj₁ Schmiermittel in den Gleitraum ein. Dem entgegen wirkt das dreistufige Drallkantengitter mit der Rückförderwirkung v„, die die Dichtheit sieherstellt. - Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kontaktfläche zeigt Pig. 3 in Gestalt der durchgehenden geschlossenen Dichtkante 7ι die an der letzten Stufe angebracht ist, wobei die halben rautenförmigen Gleitflächen Teil der Dichtkante sind. - Die letzte vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich dadurch, daß die an der Luftseite verbleibenden schrägen Kanten der Gleitfläche als scharfe Drallkanten 81 und 81* ausgebildet sind, die sich aus den Seitenflächen 8 und 8* und der Gleitfläche ergeben. Das so voll ausgestaltete erfindungsgemäße Gleitflächenrelief erfüllt alle Forderungen optimal, die man an eine bewegte Dichtfläche stellen kann. Neben einer guten Dichtwirkung bei geringster Reibung wird auch die statische Abdichtung bei Stillstand der Welle und die Staubabdichtung gewährleistet. Durch die Bindung des Schmiermittels inner-

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halb des Gleitraumes als Sperrflüssigkeitsring ist diese Kontaktfläche auch imstande, nach beiden Seiten abzudichten und zwei Medien zuverlässig zu trennen. Für diesen Zweck werden zur Zeit doppellippige Ausführungen von Dichtringen mit zwei Federn verwandt. Abgesehen davon, daß diese von Hause aus die doppelte Reibungsleistung aufnehmen, erfordert auch ihre Herstellung durch einen komplizierten Werkzeugaufbau einen höheren Aufwand.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Gleitflächenreliefs auf einen einteiligen massiven Dichtring 9 zeigt Fig. 4. Der eingezogene hohlzylindrische Mittelteil 91 hat an seiner Innenfläche das Gleitflächenrelief nach Fig. Ic) oder Fig. 3, durch die Kreuzschraffur und die Pfeilrichtung p_e symbolisiert. Die kurzen hohlkegligen Übergangszonen 92 führen zu den Außendichtflachen 93. Im Einbauzustand in der Aufnahmenut 94 im Maschinengehäuse erfährt der Dichtring eine Stauchung A D. Die lichte Weite der inneren Gleitflächen ist dann um das Maß Δ d kleiner als der Wellendurchmesser. Die Hohllage η des hohlzylindrischen Mittelteils ist etwas größer als Aj~ . Beim Pumpen des Dichtringes in Richtung ρ legt er sich nach dem Prinzip "actio = reactio" an

el

die Nutenseitenflache 95 an. Es verbleibt ein lichter Ringraum 96. Bei Druckabdichtung ρ . wirkt der statische Druck im Ringraum 96 auf die stirnseitige Ringfläche des Dichtringes und sorgt für die Aufrechterhaltung eines engsten Schmierspaltes an den Gleitflächen der bewegten Abdichtung. Der in Fig. 5 im Einbauzustand gezeigte axial wirkende Dichtring 10 hat den gleichen Profilschnitt wie der radial wirkende nach Fig. 4. Die Dichtflächen für die ruhende Abdichtung in der stirnseitigen Eindrehung im Maschinengehäuse sind hier die konzentrischen schmalen Ringflächen 101 und 102. Das erhaben hervorstehende scheibenförmige Mittelteil weist auf der Wellenscheibenseite für die bewegte Abdichtung ein erfindungsgemäßes Gleitflächenrelief 103 auf, das in der radialen ebenen Ringfläche eingeformt ist, wie es im Prinzip der Ringausschnitt in Fig. 7 zeigt. Bei dem axial wirkenden Dichtring nach Fig. 5 zeigen die scharfen Drallkanten nach außen, so daß er auch in diese

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Richtung pumpt und abdichtet. Der freie Ringraum 105 erfüllt bei einer Druckabdichtung ρ + die gleiche Funktion wie bei dem radial wirkenden Dichtring nach Fig. 4. Zweckmäßig sitzt der Dichtring etwas gedehnt auf dem inneren Absatz 104 der Eindrehung im Maschinengehäuse. Bei dem Radialgleitlager nach Fig. 6 haben die Lagerbuchsen 11 den gleichen Aufbau wie der radial wirkende Dichtring 9 nach Fig. 4.

Der hohlzylindrische Mittelteil 111 ist für die Lagerfunktion langer ausgeführt. Er hat an seiner zylindrischen Innenfläche ein Gleitflächenrelief nach Fig. Ic) oder Fig. 3 mit einer größeren Stufenzahl von Drallkanten, das unabhängig von der Drehrichtung immer in die Richtung ρ pumpt. Zwei gleiche Buchsen 11 sind - gegeneinander pumpend - in der Ringkammer 112 des Lagergehäuses eingebaut, so daß sie fast vollkommen formschlüssig mit geringer Lagerluft anliegen. Zwischen beiden Lagerbuchsen verbleibt ein lichter Ringraum 114, in dem sich beim Betrieb des Lagers der maximale statische Druck ρ .. einstellt. Durch diesen Druck und durch die Pumpwirkung p_ selbst werden die Lager-

el

büchsen an die Seitenflächen 113 der Ringkammer 111 angepreßt. Mit 115 ist die Lage der Zugangsbohrung angedeutet für die evtl. Anbringung von Zusatzschmiereinrichtungen.

Bei der Kombination eines Radial-Gleitlagers mit einem Axialgleitlager nach Fig. 7 entspricht die Lagerbuchse 11 in ihren Einbauverhältnissen dem Radial-Gleitlager nach Fig. 6. Der Lagerbuchse 11 mit ihrer Pumpwirkung p_Q wirkt die axiale Lagerscheibe 12 mit ihrer Pumpwirkung p_r entgegen durch das auf der radialen ebenen Ringfläche des erhaben hervorstehenden Scheibenmittelteiles eingeformte Gleitflächenrelief 121. Dieses pumpt das Öl aus dem ölvorrat in die Lagerbuchse 11, bis sich ein Gleichgewichtszustand herstellt. Dabei ist die Anzahl der Drallkantenstufen in der Lagerbuchse 11 so abgestimmt, daß sie gleichzeitig als Dichtung wirkt. In dem lichten Ringraum zwischen den beiden Gleitlagerelementen stellt sich der maximale statische Druck p_{gt max} ein. Es ist zweckmäßig, die Gleitlagerscheibe 12 etwas gestaucht durch den äußeren Absatz 122 der stirnseitigen Eindrehung im Lagergehäuse einzubauen. - Die axiale Gleitlagerscheibe 12 entspricht in ihrem Aufbau dem axialen

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Dichtring 10 nach Fig. 5, nur das der mittlere Teil der Scheibe mit dem erfindungsgemäßen Flächenrelief breiter und mit mehr Pumpstufen zur Erfüllung der Lagerfunktion ausgeführt ist. - Da bei den geometrischen Verhältnissen der radialen ebenen Kreisringfläche der Teilungsabstand der rautenförmigen Facetten linear mit dem Durchmesser wächst und dementsprechend auch in unerwünschter Weise die Größe der einzelnen Facetten selbst, ist es zweckmäßig, die Ringflächen nach Durchraesserbereichen zu stufen, wobei die Anzahl der Facetten über den Umfang von Stufe zu Stufe springt.· Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind dafür zwei Ringbereiche vorgesehen, der gezeichnete Ringausschnitt mit der rautenförmigen Facettenstruktur 121 ist aus der äußeren Ringfläche herausgeschnitten. - Zur Gestaltung nur eines Axial-Gleitlagers sind zwei konzentrisch in der stirnseitigen Eindrehung im Lagergehäuse sitzende Lagerscheiben erforderlich, wobei die innere Lagerscheibe, deren scharfe Drallkanten nach außen gerichtet sind, etwas gedehnt auf dem inneren Absatz der Eindrehung sitzt, während die äußere Lagerscheibe, deren scharfe Drallkanten nach innen weisen, etwas gestaucht am äußeren Absatz der Eindrehung anliegt, dergestalt, daß zwischen beiden Lagerscheiben ein lichter Ringraum frei bleibt. Die Lagerscheiben pumpen gegeneinander und halten innerhalb des Gleitraumes einen Sperrflüssigkeitsring fest, der seinen maximalen statischen Druck im mittleren lichten Ringraum hat.

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Bezugszeichenliste

	Kontaktfläche	R	Anpreßkraft als
1	Gleitfläche	^Kl	= Radialkraft
2	Seitenfläche	¹K	= Vorderkante
3'	Seitenfläche	K₂	= Länge
3	Drallkante		ss Abstützung
21*	Drallkante	t	= Gleitgeschwindigkeit
21	Seitenfläche	Oi	= Teilung
4	Seitenfläche	F	=s Steigungswinkel
4'	Kanten	^hP	= Federkraft
22	Kanten		= Federhebelarm
22'	Gleitflächen	f	= Längsschwingungen
VJl	Basis	S	= Nickschwingungen
52	Schenkel	ß	ss Spaltweite (Einstich)
51	Schenkel	W	=s Neigungswinkel
51'	Seitenflächen	^gl	= Breite der Spaltlücke
6	S eitenflachen	S₂	= Gerade
6'	Dichtkante		= Gerade
7	Drallkanten	V₁	= Pfeile gefälle
81	Drallkanten	?R	= Leckagegeschwindigkeit
81'	S eit enflachen	^vf	= Rückfb'rderwirkung
8	Seitenflächen		= Förderwirkung
a*	Dichtring	Δϋ	= Pfeilrichtung als Pumpr.
9	Mittelteil	η	= Stauchung
91	Übergangszonen	^Pst	= Hohllage
92	Außendichtfläche	^Pst	= Druck zur Abdichtung
93	Aufnahmenut		= Druck maxim, statischer
94	Nutenseitenflächen		ss Pumpwirkung
95	lichter Ringraum
96	Dichtring
10	Ringfläche
101	Ringfläche
102	Gleitflächenrelief
103	freier Ringraum
105	Absatz einer Eindrehung
104

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11 Lagerbuchse

111 Mittelteil

112 Ringkammer

114 Ringraum

113 Seitenflächen

115 Zusatzbohrung

12 lagerscheibe

121 Gleitflächenrelief

122 äußerer Absatz

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Claims

Patentansprüche

Gleitpaarung für Drehbewegung mit einem Gleitpartner aus Gummi oder einem Kunststoff-Elastomer, dessen Gleitfläche bei der Drehbewegung ein hydrodynamisches Druckfeld erzeugt - insbesondere für Radial-Wellendichtringe, bei denen eine federbelastete Dichtlippe mit einer längeren zylindrischen Kontaktfläche das abzudichtende Maschinenteil umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die projizierte zylindrische Kontaktfläche ein Gleitflächenrelief mit einer rautenförmigen Facettenstruktur aufweist; derart, daß eine Vielzahl von kleinen Facetten in Gestalt von flachen schiefen rhombischen Pyramidenstümpfen über die Länge der Kontaktfläche in mehreren Stufen - gegeneinander versetzt - regelmäßig und rotationssymmetrisch angeordnet sind, wobei sie zum abzudichtenden Raum schief stehen, dergestalt, daß die in dieser Richtung liegenden vorderen Seitenflächen (3;3") angenähert senkrecht zur Deckfläche (2) des schiefen Pyramidenstumpfes stehen - in an sich bekannter Weise scharfe Drallkanten (21;21") bildend, während die gegenüberliegenden Seitenflächen (4*4") schiefe Ebenen mit sehr flacher Neigung sind, die zusammen mit der zylindrischen Gleitfläche des abzudichtenden Maschinenteiles keilförmig sich verengende Spalte zu den Deckflächen (2) bilden, den unmittelbaren Berührungsflächen am abzudichtenden Maschinenteil.
2. Gleitpaarung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gleitflächenrelief .mit der rautenförmigen Facettenstruktur auf der Seite des abzudichtenden Raumes ein oder mehrere Stufen von sehr kleinen Gleitflächen mit dem Umriß von gleichschenkligen Dreiecken - gebildet aus der halben rautenförmigen Gleitfläche (2) mit der größten Diagonale als Basis - vorgeschaltet sind, die mit ihrer Basis zum abzudichtenden Raum liegen und die die Deckflächen von flachen dreiseitigen Prismen bilden mit der gleichen Höhe (s) wie die der rautenförmigen Facetten.
3. Gleitpaarung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der letzten Stufe der rautenförmigen Gleitflächen

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(2) ihre unmittelbar an der Luftseite angrenzenden Kanten als scharfe Drallkanten (81;81*) ausgebildet sind, dergestalt, daß die Gleitflächen (2) die Deckflächen von flachen rhombischen Prismen bilden mit der gleichen Höhe (s) wie die aller anderen Gleitflächen.
4. Gleitpaarung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Gleitflächenreliefs mit der rautenförmigen Pacettenstruktür in an sich bekannter Weise eine sehr schmale ringförmig-geschlossene Dichtkante (7) ein- · geformt ist, deren lichte Weite der gleichen zylindrischen Hüllfläche entspricht wie die aller anderen Gleitflächen.
5. Gleitpaarung nach Anspruch 1 bis 4 für einen gehäuselosen einteiligen radialwirkenden Dichtring, der die Gestalt einer dünnwandigen Buchse hat, die von den Außenrändern aus zur Mitte etwas taillenförmig eingezogen ist, wobei die Außenränder kurze zylindrische Dichtflächen für die ruhende Außenabdichtung bilden, während innen in der Mitte ein Gleitteil für die bewegte Abdichtung vorgesehen ist, in dem ein Gleitflachenrelief wahlweise nach Anspruch 1 bis 4 eingeformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die , dünnwandige Buchse (9) einen längeren eingezogenen hohlzylindrischen Mittelteil (91) hat, von dem kurze hohlkeglige Übergangszonen (92) au den äußeren kurzen zylindrischen Dichtflächen (93) führen.
6. Gleitpaarung nach Anspruch 1 bis 5 für einen gehäuselosen einteiligen axial wirkenden Dichtring, der die Gestalt einer dünnwandigen Scheibe hat mit dem gleichen Profilschnitt wie der radial wirkende Dichtring nach Anspruch 5, wobei auf der einen ebenen Stirnfläche der Außen- und der Innenrand konzentrische schmale kreisringförmige Dichtflächen für die ruhende Abdichtung im Maschinengehäuse bilden, während der über die kurzen hohlkegligen Übergangszonen erhaben hervorstehende mittlere Scheibenteil auf der anderen Stirnfläche die Gleitfläche für die bewegte axiale Abdichtung aufweist, in die ein Gleitflachenrelief wahlweise nach Anspruch 1 bis 4 eingeformt ist, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die rautenförmigen Facetten von der Gestalt, schiefer Pyramidenstümpfe durch in der ebenen kreisringförmigen Gleitfläche eingeformte schräge links- und rechtssteigende flache Dreiecksnuten mit einer zur Gleitfläche angenähert senkrechten Flanke im gleichmäßigen Teilungsabstand gebildet werden, in zwei Varianten, der- _ gestalt, daß die dadurch geformten scharfen Drallkanten entweder radial nach außen oder radial nach innen weisen.
7. Gleitpaarung nach Anspruch 1 bis 5 für ein Radial-Gleitlager, bei dem die Gleitlagerbuchse wie der einteilige radial wirkende Dichtring nach Anspruch 5 gestaltet ist,, mit einem Gleitflächenrelief wahlweise nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hohlzylindrische eingezogene Mittelteil (111) der Buchse (11) als ein Tragteil langer ausgeführt ist - mit mehr Drallkantenstufen, und daß für eine Lagereinheit zwei gleiche Lagerbuchsen (11) in der hohlzylindrischen durch Bohrungsabsätze begrenzten Kammer (112) des Lagergehäuaes schwimmend angeordnet sind, dergestalt ., daß ihre scharfen Drallkanten zum Lagerinneren gerichtet sind und sich zwischen ihnen ein lichter Ringraum (114) einstellen kann.
8. Gleitpaarung nach Anspruch 1 bis 4 und Anspruch 6 für ein Axial-Gleitlager, bei dem die Lagerscheibe wie der einteilige axial wirkende Dichtring nach Anspruch'6 gestaltet ist, mit einem Gleitflächenrelief wahlweise nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erhaben hervorstehende Scheibenmittelteil als ein Tragteil breiter ausgeführt ist - mit mehr radialen Drallkantenstufen, und daß für eine Lagereinheit zwei Lagerscheiben konzentrisch in der entsprechenden Eindrehung des. Maschinengehäuses angeordnet sind, wobei die innere Lagerscheibe, deren scharfe Drallkanten nach außen gerichtet sind, etwas gedehnt auf dem inneren Absatz der Eindrehung sitzt, während die äußere Lagerecheibe (12), deren scharfe Drallkanten nach innen weisen, etwas gestaucht am äußeren Absatz (122) der Eindrehung anliegt, dergestalt, daß zwischen beiden Lagerscheiben ein lichter Ringraum freibleibt.

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