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Dichtung Die Erfindung betrifft eine Dichtung mit selbsteinstellendem
Drall, bestehend aus einem Gehäuse, einem darin angeordneten flexiblen Dichtring
und gegebenenfalls einer Anpressfeder. Die Dichtung dient zum Abdichten des Spaltes
zwischen Gehäuse und durchgeführt er Welle.
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Es sind die verschiedensten Dichtungen bekannt, die alle zum Ziel
haben, mit Hilfe einer entsprechend ausgebildeten Dichtlippe bzw. -fläche zu verhindern,
daß das abzudichtende Medium zwischen Welle und Gehäuse nach außen gelangen kann.
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Die Entwicklung führte von Filzringen und Lederdichtringen bis zu
den heute gebräuchlichen Dichtringen aus Elastomeren. Für kleine Drehzahlen und
mäßige Temperaturen erfüllen Filz- bzw. Lederdichtringe in der Regel voll ihren
Zweck. Allerdings sind diesen Werkstoffen Grenzen gesetzt in Bezug auf Drehzahl
und Temperatur.
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Für höhere Drehzahlen haben sich Wellendichtringe aus Elastomeren
bewährt, die in der Regel eine bessere Dichtigkeit aufweisen. Dazu ist es erforderlich,
daß die Dichtkante gerade in dem Bereich zwischen Trockenlauf und voll hydrodynamischer
Schmierung läuft. Es ist dafür Sorge zu tragen, daß die in der Berührungszone zwischen
Dichtkante und Welle frei werdende Reibungswärme abgeführt wird, um die Funktionsfähigkeit
von Schmiermittel und Dichtungswerkstoff für die gewünschte Lebensdauer zu erhalten.
Mit der auftretenden Temperaturerhöhung gegenüber der Mediumstemperatur ist das
Anwendungsgebiet der Dichtringe begrenzt.
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Da alle Elastomere für Trockenlauf in dem hier angesprochenen Sinn
ungeeignet sind, ist man gezwungen, eine möglichst schmale, gut geschmierte Dichtkante
bzw. -fläche zu schaffen. Um eine einwandfreie Abdichtung zu erzielen, ist eine
Mindestanpressung (Vorspannung) der Dichtlippe notwendig. Die dadurch entstehende
erhöhte Reibungswärme bedingt an der schmalen Kontaktstelle eine starke Temperaturerhöhung.
Die Beachtung dieser aufgezeichneten Einflußgrößen stellt hohe Ansprüche an die
Präzision, mit der die Dichtringe und die Gegenlaufstelle ausgeführt sein müssen
und haben zur Folge, daß schon die geringsten Störungen zur Undichtigkeit führen.
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Versuche, die Dichtlippe aus einem Werkstoff mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten
herzustellen, wie z.B.
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Polytetrafluoräthylen, haben zwar die prinzipiellen Schwierigkeiten
in Bezug auf die entstehende Reibungswärme verbessert, aber sich wegen anderer Nachteile,
z.B.
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schlechter dynamischer Dichteigenschaften und eines hohen Abriebs,
der zum frühzeitigen Ausfall des Dichtringes führt, nur bedingt in besonderen Fällen
als vorteilhaft erwiesen. Speziell bei schnell drehenden Wellen werden extreme Anforderungen
gestellt, denen bisher bekannt gewordene Dichtungen nur mehr oder weniger unvollständig
genügen.
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Bei schnell drehenden Wellen ist man deshalb schon dazu übergegangen,
auf den herkömmlichen Dichtringen aus Elastomeren zusätzlich einen Rückförderdrall
aufzubringen. Hierzu werden auf die Dichtfläche Drallrippen bzw. Drallnuten aufgepreßt
bzw. eingeschliffen. Die Wirkungsweise dieser eingeschliffenen oder aufgepreßten
Drallnuten bzw. Drallrippen ist mit derjenigen eines Rückfördergewindes vergIeichbar,
d.h. das Schmiermittel bzw. das abzudichtende Medium wird durch die Drallwirkung
am Durchtritt zwischen drehender Welle und Gehäuse gehindert.
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Es sind Dichtungen aus Elastomeren bekannt, wie z.B. in der OS 1 916
214 beschrieben, bei denen versucht wird, die Rückförderung des abzudichtenden Mediums
dadurch zu erreichen, daß man die Dichtlippen mit beweglichen axialen Fortsätzen
ausrastet, die sich entsprechend der Drehrichtung durch das auf sie wirkende Reibmoment
verformen.
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Dadurch entstehen schräge Kanten, die das öl von der Welle abstreifen.
Da diese Abstreifkanten zur ölseite hin angeordnet sind, zur Luftseite aber noch
eine Dichtkante für statische Abdichtung vorgesehen sein muß, haben diese und ähnliche
Ausführungen den Nachteil, daß bei guter Wirkung der Abstreifkanten zu wenig öl
an die
Dichtkante gelangt, und bei schlechter oder nachlassender
Wirkung die Dichtkante wie bei einem herkömmlichen Radialwellendichtring die Dichtwirkung
übernehmen muß.
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Erfindungsgemäß wird nun eine Dichtung vorgeschlagen, welche die Nachteile
bisher bekannt gewordener Dichtungen nicht aufweist. Die Dichtung hat einen selbsteinstellenden
Drall, der gewährleistet, daß die Dichtwirkung auch bei extremen Bedingungen stets
einwandfrei ist. Sie besteht aus einem Gehäuse, einem darin angeordneten flexiblen
Dichtring und gegebenenfalls einer Anpressfeder.
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Der erfindungsgemäße Dichtring ist dadurch gekennzeichnet, daß er
eine gegenüber dem abzudichtenden Medium undurchlässige Schicht enthält oder aus
undurchlässigem Material besteht und im Bereich der Lauffläche freie Faserenden
aufweist, deren überwiegende Anzahl in axialer Richtung zum abzudichtenden Medium
hin orientiert sind und die der Welle in Drehrichtung folgen.
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Der erfindungsgemäße Dichtring kann aus unterschiedlichen, vorzugsweise
faserhaltigen Materialien gefertigt sein.
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Es ist zwingend erforderlich, daß mindestens die mit der drehenden
Welle in Berührung kommenden Faserenden beweglich sind. Die Fasern müssen die erforderliche
Rückstellfähigkeit aufweisen, um im Lauf einen von Null verschiedenen Winkel mit
der Umfangsrichtung zu bilden. Besonders bewährt haben sich Vliesstoffe, die jeweils
an der dem abzudichtenden Medium zugekehrten Seite durch Füllung oder Beschichtung
abgedichtet sind. Als Fasern haben sich speziell Stapelfasern aus Kunststoffen,
z.B. aus Polyestern D Polyamiden oder dgl. als vorteilhaft erwiesen.
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Besonders Fasern mit hohem kristallinem Anteil sind wegen der hohen
Rückstellfähigkeit geeignet.
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Um die gewünschte Orientierung der Faserenden in axialer Richtung
zu erhalten, kann man normalerweise nicht die Vorzugsrichtung des Vlieses oder Gewebes
ausnutzen, da die Dichtung ringförmig ausgeschnitten werden muß. Es ist daher erforderlich,
das Fasermaterial durch nachträgliche Oberflächenbehandlung in der richtigen Richtung
zu orientieren. Eine ausreichende Orientierung wird allerdings in vielen Fällen
schon dadurch erreicht, daß man ein an sich unorientiertes Material entsprechend
dem Verlauf der Dicht lippe schräg aufsetzt und es an der Kante der Dichtlippe evtl.
noch schräg anschneidet.
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In den Prinzipskizzen A-I ist die Wirkungsweise des sich selbsteinstellenden
Dralles bei einer statistisch gleichmäßigen Anordnung der freien Faserenden dargestellt.
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In der Skizze A ist ein Ausschnitt einer Dichtungsanordnung dargestellt.
Im Gehäuse 2 ist die Dichtlippe 3 angeordnet, die mit der Lauffläche 4 auf der Welle
aufliegt. Über der Lauffläche 4 ist graphisch der Anpressdruckverlauf c aufgetragen.
Teil 5 ist ein Element der Dicht lippe 3. Bei Betrachtung des Elementes 5 in Blickrichtung
a ist die Seitenfläche 6 und in Blickrichtung b die Kontaktfläche 7 der Dichtlippe
veranschaulicht. Zur Erklärung der Wirkungsweise des selbsttätigen Dralles ist die
statistisch gleichmäßige Orientierung der Fasern zugrunde gelegt. Es kann dabei
die Wirkung der Reibkräfte in Abhängigkeit von der Anpressdruckverteilung an den
einzelnen Fasern erklärt werden.
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Bild B stellt im Schnitt das Element 5 in Blickrichtung a dar, wobei
die für die Drallfunktion wichtigen freien Faserenden 8 mit ihren Bindepunkten 9
schematisch dargestellt sind.
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In Bild C, das die Kontaktfläche 7 des Elementes 5 in Blickrichtung
b darstellt, sind nur die förderaktiven Faserenden 8 eingezeichnet.
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Bei Bild D, welches das Element 5 in Blickrichtung a darstellt, ist
die Orientierung der Faserenden 8 in die Achsenrichtungen radial/axial zerlegt worden.
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In Bild E, das die Kontaktfläche 7 des Elementes 5 darstellt, ist
die Orientierung der Faserenden in die Achsenrichtung tangential/axial zerlegt worden.
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In Bild F, das die Kontaktfläche 7 des Elementes 5 darstellt, ist
der statistische Ausgangszustand der Faseranordnung graphisch dargestellt.
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Bild G, das die Kontaktfläche 7 des Elementes 5 darstellt, zeigt die
Verdrehung der freien Faserenden in statistischem Mittel um die Winkelkl und '2.
Dabei bewirkt die in Achsenrichtung unterschiedliche Anpressung c bei Rotation der
Welle eine asymmetrische Bewegung der freien Faserenden 8, so daß eine gegen das
Medium d gerichtete Pumpwirkung eintritt. Der gewünschte Anpressungsverlauf kann
aber auch z.B. mit einer Scheibe aus faserhaltigem Material erreicht werden, deren
Bohrung konisch ausgeführt ist und die im wesentlichen radial auf der Welle aufsitzt.
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In Bild H ist eine Scheibe aus faserhaltigem Material im Axialschnitt
dargestellt. Der unterschiedliche Anpressdruck c bewirkt, daß eine gegen das Medium
d gerichtete Pumpwirkung eintritt.
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Bild I zeigt die Kontaktfläche 7, die das statistische Reibungsfeld
der freien Faserenden darstellt. Das von der abzudichtenden Seite her in die Kontaktfläche
7 eindringende Medium d wird durch die dynamische Förderwirkung
der
Faserenden 8 wieder zur abzudichtenden Seite zurückbefördert.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erzielung des Pumpeffektes kann durch
unterschiedliche Dichte des Werkstoffes bzw.
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unterschiedliche Elastizität der Dichtlippe in Achsenrichtung geschaffen
werden. Dabei muß in Richtung zum abzudichtenden Medium geringere Dichte bzw. größere
Elastizität der Fasern erreicht werden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Dichtfläche mit einem faserhaltigen
Material, vorzugsweise einem Vliesstoff, ist es möglich, die Berührungsstelle zwischen
umlaufender Welle und Dichtring, die bei den bekannten Dichtringen aus Elastomeren
nur aus einer Dichtkante besteht, nunmehr als Fläche auszubilden. Der niedrige Reibungskoeffizient
des Fasermaterials bewirkt eine geringe Reibungswärme, die wegen der großen Kontaktfläche
zwischen Fasern, ö1 und Welle nur eine geringere Temperaturerhöhung an der Lauffläche
bewirkt als bei den bekannten Elastomerdichtungen. Die größere Dichtfläche läßt
leichte Oberflächenfehler bzw. gröbere Fertigungstoleranzen der Welle zu.
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Durch die porenhaltige Struktur des Fasermaterials ist es möglich,
zusätzliche Schmierstoffe, wie fettartige Stoffe, Graphit oder dgl., anzubringen.
Hierdurch wird einmal eine ausgezeichnete Notschmierung gewährleistet, zum anderen
erhält man eine zusätzliche Sicherheit der statischen Abdichtung. Das füllende Schmiermittel
darf dabei die Beweglichkeit der Fasern nicht wesentlich behindern. Die Notlaufeigenschaften
sind so ausgezeichnet, daß auch bei Vorhandensein nicht schmierender Medien, beispielsweise
Wasser, über lange Zeiträume hinweg die erforderliche Dichtheit erhalten wird.
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Der Dicht ring ist seiner Natur nach insbesondere zur Verwendung als
Wellendichtring bei schnell laufenden Maschinen geeignet.
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Der Dichtring kann mit seiner Lippe bei entsprechender Konstruktion
auch axial anliegen Es kann sowohl die Welle umlaufen und das Gehäuse stillstehen
als auch das Gehäuse ich uTfl die Welle drehen. Der Dichtring kann jeweils am Gehäuse
oder an der Welle angebracht sein.
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für viele Fälle ist es zweckmäßig, die Dicht fläche mit Hilfe einer
Feder an die Welle bzw. das abzudichtende Maschinenteil anzupressen. Bewährt hat
sich z.B. eine Stofeder aus Kunststoffschaum, insbesondere Polyurethan schaum oder
Polyesterschaum oder einem anderen geeigneten Kunststoffschaum, der einerseits die
erforderliche Elastizität, anderseits eine hohe Alterungsbeständigkeit aufweist.
Stoffedern sind geeignet, die Anpresskraftverseilung in axialer Richtung den Anforderungen
entsprechend zu gestalten.
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Di Anpressung der Dichtfläche kann mit gutem Erfolg auch durch ein
Metall- oder Mineralfaservlies erfolgen. In diesem Fall erhält man eine ausgezeichnete
und konstante Rückstellkraft. Das Metall- oder Mineralfaservlies wird dabei als
durchlaufende Schicht in den Dichtring eingearbeitet.
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Es ist anzustreben, die Anpressung flächenhaft zu gestalten.
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Für viele Fälle ist es ausreichend, eine einfache Schraubenufede o
oder Zungenfeder zu verwenden bzw ein mäanderförmig gebogenes Stahlband oder einen
entsprechend gebogenen Stahldraht.
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Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Materialien, die im Bereich der
Lauffläche die erforderlichen beweglichen Fasern aufweisen, die sich entsprechend
der Drehrichtung der Welle einstellen. Wenn sich auch für die meisten Zwecke ein
Vliesstoff besonders bewährt hat, so ist vielfach auch ein Gewebe mit freien Faserenden
geeignet oder ein aus Endlosfasern hergestelltes an der Oberfläche abgeschliffenes
Vlies. Es sind weiterhin Gewebe oder Vliesstoffe geeignet, die zusätzlich mit beweglichen
Fasern beflockt sind.
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Denkbar sind auch Folien, Gummi- oder Elastomerteile, die mit beweglichen
Fasern beflockt sind.
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Wegen der erforderlichen Rückstellkraft der Fasern haben sich insbesondere
Synthetikfasern bewährt, denkbar sind jedoch auch Naturfasern, sofern sie die hier
gewünschten Eigenschaften aufweisen. Weiterhin können in diesem Zusammenhang geeignete
Metallfasern oder Mineralfasern, Kohlefasern oder Gemische der angegebenen Fasertypen
verwendet werden.
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Falls der Dichtring an der abzudichtenden Seite zuzüglich mit einem
weiteren Material kaschiert ist, wird auch die Dicht lippe aus mindestens zwei Schichten
bestehen. Man wird zweckmäßig die dichte Schicht bzw. die Kaschierung so um die
Stirnfläche des Faserstoffes herumziehen, daß sie die Lauffläche berührt, um eine
Dichtheit auch bei stillstehender Welle zu gewährleisten. Die Dichtlippe wird, falls
erforderlich, in geeigneter Weise bearbeitet. Zu diesem Zweck kann die Dichtlippe
beispielsweise schräg angeschnitten werden.
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Es ist möglich, auf die einseitige Verdichtung zu verzichten, wenn
man den Porenquerschnitt entsprechend klein wählt. Der Porenquerschnitt muß dabei
so eingestellt werden, daß das abzudichtende Medium aufgrund der Oberflächenspannung
nicht durch die Dichtlippe hindurch dringt.
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Bei erhöhtem Druck von der Mediumseite her kann man auch die mediumabgewandte
Seite mit einem die Struktur verdichtenden Stoff versehen, der aber dann gute Gleiteigenschaften
haben muß, weil er mit der Welle in Berührung steht, wobei jedoch zwingend im Bereich
der Lauffläche
wieder die beweglichen Fasern vorhanden sein müssen.
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Auch hier stellen sich die beweglichen Fasern jeweils entsprechend
der Drehrichtung der Welle ein. Der verdichtende Stoff ist zweckmäßig eine gegenüber
Trockenlauf unempfindliche Substanz, wie z.B. Polytetrafluoräthylen.
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Die Einfachheit des Aufbaues und die großzügige Auslegung der Toleranz
des erfindungsgemäßen Dichtringes sowie die geringen Ansprüche, die an die Oberflächenbeschaffenheit
der Gegenlaufstelle im Bereich der Lauffläche, auf der der Dichtring läuft, gestellt
werden, kennzeichnen die Erfindung, die sich auch nicht zuletzt in niedrigen Herstellungskosten
im Vergleich mit einem herkömmlichen Dichtring aus Elastomeren niederschlägt.
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Figur I bis VI zeigt jeweils eine beispielhafte Ausführung der erfindungsgemäßen
Dichtung.
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Figur I stellt eine erfindungsgemäße Dichtung dar, die im Schnitt
gezeichnet ist. Im Gehäuse 2 ist die Dichtlippe 3 befestigt und liegt auf der Strecke
A auf der Welle 1 auf. Die Feder 4, die z.B. aus einem Metallvlies bestehen kann,
sorgt für den nötigen Anpressdruck der Dichtlippe. Mit der Beschichtung 5, die um
die Stirnfläche der Faserschicht herumgezogen ist, wird erreicht, daß kein Medium
durch die Dichtlippe hindurchdiffundieren kann.
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In Figur II wird ebenfalls eine erfindungsgemäße Dichtung im Schnitt
dargestellt, wobei die Dichtlippe 3 in das Gehäuse 6 mittels eines Klemmringes 7
eingespannt ist und die Dicht lippe auf der Strecke A auf der Welle 1 aufliegt.
Die Dichtlippe 3 ist durch eine Deckschicht 5 abgedichtet.
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Figur III stellt eine erfindungsgemäße Dichtung dar, bei der der notwendige
Anpressdruck der Dichtlippe 3 auf der Strecke A mittels einer Schraubenzugfeder
1o auf die Welle 1 erreicht wird. Der Dichtring 3 ist in das Gehäuse 7 mittels des
Klemmringes 9 eingespannt, wobei die dem Medium zugekehrte Seite 5 verdichtet ist.
Der Haltering 8 sorgt für die notwendige Fixierung der Zugfeder 10.
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Figur IV stellt eine erfindungsgemäße Ausführung der Dichtung im Schnitt
dar, wobei bei dem Dichtring 3 die dem Medium abgewendete Seite mit einem besonders
gleitfähigen Material 11 abgedichtet ist. Der notwendige Anpressdruck an die Welle
1 wird auf die Strecke A durch die Feder 4 erreicht. Der Dichtring 3 ist in das
Gehäuse 6 mittels eines Klemmringes 7 eingespannt.
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Figur V stellt eine Dichtung im Schnitt dar, die auf der Welle 1 mittels
eines Klemmringes 12 festgespannt ist.
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Die Dichtlippe 3 liegt dabei an der Strecke A des Gehäuses 13 an.
Die dem Medium zugekehrte Seite 5 ist verdichtet.
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Figur VI stellt eine Dichtung im Schnitt dar, bei der die Dicht lippe
3 mit der Strecke A auf der Welle t anliegt.
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Der notwendige Anpressdruck der Dichtlippe 3 wird über eine Stoffeder
14 erreicht, die im Gehäuse 2 befestigt ist. Durch das Überstehen der Stoffeder
14 über die Stirnfläche der Dicht lippe 3 bis zur Welle 1 wird verhindert, daß das
Medium beim Stillstand der Welle 1 austritt.