DE2850394C2

DE2850394C2 - Ringförmige Wellendichtung zur Abdichtung des ringförmigen Raumes zwischen einer Welle und einer Gehäusebohrung

Info

Publication number: DE2850394C2
Application number: DE2850394A
Authority: DE
Inventors: James A. Belleville Mich. Repella
Original assignee: Garlock Inc
Current assignee: Garlock Inc
Priority date: 1977-11-23
Filing date: 1978-11-21
Publication date: 1983-03-03
Also published as: FR2410193A1; GB2008693B; JPS6340989B2; FR2410193B1; GB2008693A; CA1126777A; IT1106416B; JPS5482553A; IT7852042A0; DE2850394A1; US4155560A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine ringförmige Wellendichtung zur Abdichtung des ringförmigen Raumes zwischen einer Welle und einer Gehäusebohrung, durch die die Welle verläuft, gegen den Ausfluß eines Fluids, das ein Material enthält, welches sich als eine Beschädigung erzeugende Partikel am Wellen-Dichtungszwischenraum niederschlagen kann, welche Dichtung ringförmig aus elastomerischem Material ausgebildet und an dem Gehäuse anbringbar ist und ein einstückiges Primärdichtelement mit einer dichtend die Welle berührenden Primärdichllippe und ein weiteres Dichtelement aufweist.

Derartige ringförmige Wellendichtungen werden insbesondere bei Kühlwasserpumpen für Fahrzeuge, μ insbesondere für Kraftfahrzeuge, verwendet, mit denen ein Kühlmittel gepumpt wird, das Antigefrier- und/oder Antikorrosionsmittel enthält, die als Partikel ausfallen oder sich als Partikel absetzen können.

Insbesondere dann, wenn eine Wasserpumpe mit einer hohen Drehzahl betrieben werden und Drücke von 1,05 bis 332 kp/cm² (103,42 · 10^ bis 344,73 · IO^J N/m²) erzeugen soll, dann sind aufwendige und teure Flächendichtungen bisher erforderlich gewesen.

Während die wesentlich weniger aufwendigen und billigeren Wellendichtungen aus elastomeren Werkstoffen hergestellt werden können und dabei die erforderlichen Temperaturen, Drehzahlen und Drücke durchaus beherrschen, hat es sich gezeigt, daß die Dichtungen in Wasserpumpen, an denen sich Antikorrosionsbestandteile absetzen können, an der BerührungsRelle zwischen der Dichtung und der Welle sehr schnell verschreißen, so daß die Dichtung relativ früh ausgetauscht werden muß.

Aus dem DE-GM 72 20 872 ist eine Weilendichtung mit einer Hauptdichtlippe und einer Zusatzdichtlippe bekanntgeworden, die so eingebaut wird, daß sich die Hauptdichtlippe auf der ölseite und die Zusatzdichtlippe auf der Luftseite befinden. Die Zusatzdichtlippe dient dazu, abrasiven Schmutz vom Eindringen ins Innere des abzudichtenden Raumes abzuhalten. An der Innenfläche der Zusatzdichtlippe sind Vorsprünge vorgesehen, mit denen ein Druckausgleich zwischen der Außenluft und dem Inneren des Dichtbereiches, also dem Bereich zwischen den beiden Dichtlippen, bewirkt werden kann.

Aus der US-PS 37 85 660 ist eine Dichtung mit einer Hauptdichtlippe und einer Zusatzdichtlippe bekanntgeworden, die beide einen Innenraum in sich einschließen und so in ein Lager eingebaut sind, daß die Hauptdichtlippe zur ölseite und die Zusatzdichtlippe zur Luftseite hin gerichtet sind.

Beide bekannte Dichtlippen sind für den Einsatz beispielsweise bei Wasserpumpen an sich geeignet, weil die Hauptdichtlippe bei beiden unmittelbar auf der Wasserseite liegen würde, so daß sich dort, würde man beide Dichtlippen bei Wasserpumpen einsetzen, abrasiv wirkende Partikel ohne weiteres absetzen könnten. Wenn die Hauptdichtlippe dann beschädigt wäre, wäre die Dichtung als solche nicht mehr wirksam.

Aus der GB-PS 14 66 733 ist eine Wellendichtung bekanntgeworden, die eine Haupt- und eine Zusatzdichtlippe nicht besitzt.

Das DE-GM 18 80 995 beschreii t eine Dichtung, die eine Hauptdichtlippe und eine Zusatzdichtlippe nicht aufweist.

Eine ringförmige Wellendichtung der eingangs genannten Art ist aus dem DE-GM J9 44 591 bekanntgeworden. Diese Radialdichtung besitzt zwei Dichtlippen, deren Abmessungen in Achsrichtung der Welle bzw. deren Berührungsflächen mit der Welle gleich sind. Beide Dichtlippen begrenzen zwischen sich einen verhältnismäßig kleinen, ringförmigen Ölraum, in dem allerdings nur relativ wenig Ablagerungen aufgrund der relativ kleinen Ölmenge auf der Welle auftreten können. Wesentlich bei dieser Anordnung ist nicht, daß zwei Oichtlippen hintereinander geschaltet sind, sondern daß durch die Anordnung zweier Dichtlippen ein ölraum gebildet ist, der mit einem pastenförmigen Schmiermittel angefüllt werden soll. Beide Dichtlippen sind etwa gleichwertig bzw. gleichförmig ausgebildet, wobei zu beachten ist, daß bei Einbau der bekannten Dichtung mit abrasiven Partikeln, durch die die Dichtung beschädigt werden könnte, nur in geringem Maße zu rechnen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine ringförmige Wellendichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der wirkungsvoll verhindert wird, daß abrasive Partikel an die Primärdichtlippe gelangen und diese beschädigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das weitere Dichtelement ein Hilfsdichtelemert mi, einer Hilfsdichtlippe ist. die ebenfalls mit der Wellen-

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dichtung einstückig gebildet ist und auf der Welle axial innerhalb der Primärdichtlippe abdichtend aufliegt, wobei die Berührungsfläche der Hilfsdiehtlippe wesentlich größer ist als diejenige der Primärdichtlippe.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß sich die eine Beschädigung erzeugende Partikel an der Hilfsdichilippe absetzen bzw. ausfallen, so daß diese nicht zur Primärdichtlippe gelangen. Dadurch, daß die Berührungsfläche der Hüfsdichtlippe v»rhälinismäßig groß ist, können sich die Partikel über einen größeren Bereich an der Hüfsdichtlippe absetzen, was bei verringerter Verschleißbelastung pt ο Flächeneinheit zu einem insgesamt verringerten Verschleiß von Welle und Wellendichtung führt.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der ErMndung geht dahin, die Hüfsdichtlippe so auszuführen, daß sie die Welle über eine Breite zwischen ca. 1,2 mm bis 2,54 mm berührt. Diese Abmessungen haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen.

Wellendichtungen mit zwei Dichtlippen sind aus den Mitteilungen des Simret-Werkes Nr.651/59, 10. Auflage, der Fa. Carl Frcuder.berg, Weinheim/Bergstr, Seite 122 bekanntgeworden. Nicht aber bekanntgeworden ist es hieraus, einer Hauptdichtlippe eine Hüfsdichtlippe zuzuordnen, die deutlich breiter ist als die Hauptdichtlippe.

Die aus dem DE-GM 18 80 995 bekanntgewordene Wellendichtung besitzt eine Primärdichtlippe und eine dieser zugeordnete Hilfs- oder Zusatzdichtlippe nicht

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann dahin gehen, daß an dem Hilfsdichtelement axial von der Hüfsdichtlippe nach außen verlaufende Pumpflügel angebracht sind, die Partikel enthaltendes Fluid von der Primärdichtlippe wegpumpen.

Derartige Pumpflügel haben den Vorteil, daß abrasive J5 Partikel, die über die Hüfsdichtlippe hinaus ins Innere der Wellendichtung geiangt sind, wieder zurückgepumpt werden. Derartige Pumpflügel sind im übrigen aus dem DE-GM 18 80 995 oder der US-PS 37 85 660 bekanntgeworden.

Gemäß eir.jr weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann ein einstückig mit rier Dichtung verbundenes Sekundärdichtelement mit einer Sekundärdichtlippe, die die Welle abdichtend berührt, vorgesehen sein, wobei die Sekundärdichtlippe zwischen der Hilfsdichtlippe und der Primärdichtlippe angeordnet ist. Diese Sekundärdichtlippe verhindert wirkungsvoll, daß trotz Vorhandenseins der Hüfsdichtlippe und der Pumpflügel eingedrungene Partikel hin zur Hauptdichtlippe gelangen.

Wellendichtungen mit einer Hauptdichtlippe und mehreren zusätzlichen Dichtlippen sind aus der GB-PS 10 34 756 bekanntgeworden. Allerdings sind erfindungsgemäß ausgestaltete Hilfs- und Sekundärdichtlippen mit entsprechenden Abmessungen und in entsprechender Zuordnung zur Hauptdichtlippe aus der GB-PS nicht ersichtlich.

Zwar sind Dichtungen mit drei Dichtflächen zwischen der Dichtung und der Welle aus der DD-PS 1 26 083 bekanntgeworden; die Berührungsflächen mit der Welle sind jedoch im wesentlichen gleich, so daß von einer Hauptdichtlippe, einer dieser zugeordneten Hüfsdichtlippe und einer Sekundärdichtlippe nicht die Rede sein kann.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann f>5 dahingehen, daß die Wellendichtung eine metallische Verstärkungsschale und eine ringförmige Schraubenfeder aufweist, die die Prir.-ärdichtlippe gegen die Welle drückt.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Wellendichtung ist insbesondere dort vorteilhaft, wo — wie bei Wasserpumpen für Kraftfahrzeuge — abrasive Partikel, die die Dichtung beschädigen können, zu erwarten sind. Aufgrund der Ausgestaltung mit der relativ breiten Hüfsdichtlippe und der Zusatzdichtlippe werden derartige Partikel wirkungsvoll von der Primärdichtlippe ferngehalten, was — wie sich herausgestellt hat — insbesondere durch die durch Reibung an der Berührungsfläche zwischen der Hüfsdichtlippe und der Welle erzeugte Wärme erreicht wird. Die abgesetzten abrasiven Partikel werden zum größten Teil durch die Hüfsdichtlippe festgehalten oder aber durch die hydrodynamische Wirkung der Pumpflügel zum Kühlsystem zurückgeführt. Diejenigen Partikel, die über die Hüfsdichtlippe hinaus gelangen und nicht zur Hüfsdichtlippe zurückgepumpt werden, werden von der Sekundärdichtlippe zurückgehalten, die zwar reines Fluid oder reine Flüssigkeit oder auch Wasserdampf durchlassen kann, nicht aber die darin enthaltenen Partikel. Die sogenannte reine Flüssigkeit oder ucr Wasserdampf werden dann durch die Primärdichtlippt: der Wellendichtung abgedichtet.

Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, soll die Erfindung näher ei iäutert und beschrieben werden. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht einer an sich bekannten Flächendichtung, die bei einer Wasserpumpe für Kraftfahrzeuge bisher benutzt wurde,

Fig.2 eine Schnittansicht einer ersten Aasführungsform der Erfindung und

Fig.3 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt eine bekannte, verhältnismäßig aufwendige und teure Flächendichtung für eine Wasserpumpe, wie sie bei Kraftfahrzeugen verwendet wird. Die Flächendichtung 10 besitzt eine Dichtungsanordnung 12, bei der der Dichtdruck mittels einer Schraubenfeder 20 aufgebracht wird, sowie einen Paßring 14, wobei die einzelnen Teile zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind. Diese Dichtung besteht allgemein aus einem Einsatzteil 16, einem Balg 18, der Feder 20, einer Zwinge oder Unterlegscheibe 22 an jedem Ende der Feder, einem primären Dichtungsring 24, einer sekundären Auflagedicbtung 26 dem Paßring 14 und einem alle Elemente miteinander verbindenden Verbindungselement 28. Das letztere ist durch Pressitz auf der Welle befestigt. Der primäre Dichtungsring 24 kann z. B. aus einem Kunststoff oder Kühlenstoffgraphit und der Paßring 14 z. B. aus einer Aluminiumoxid-Keramik oder gesintertem oder gegossenem metallenem Werkstoff bestehen.

In der Fig.2 ist eine bevorzugte Ausführungsform euer Dichtungsanordnung für die Welle einer Wasserpumpe eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Diese Dichtungsanordnung oaer Wellendichtung ist wesentlich weniger aufwendig und weniger teuer als die in Fi g. 1 dargestellte Dichtung, obwohl sie die gleiche Funktion ausübt. Die Wellendichtung 30 ist ringförmig und aus elastomerem Material hergestellt und dient zur Abdichtung gegen die Leckage des abzudichtenden'" Fluids in axialer Richtung auswärts, d. h. in der F i g. 2 abwärts, und zwar durch den ringförmigen Spalt zwischen der Bohrung eines Gehäuses 32 und einer Welle 34. Die Wellendichtung besitzt eine ringförmige Verstärkungsschale 36 aus Metall und einen elastomeren Grundkörper 38, der mit einem radialen Flansch der

Verstärkungsschale 36 verbunden ist. Der Grundkörper 38 weist einen Verankerunpsabschnitt 40 und einen langgestreckten Dichtungsabschnitt 42 auf. Der Dichtungsabschnitt 42 weist ein Primärdichtelement 48 und eine damit einstückig verbundene ringförmige Verlängerung 54 auf. Das Primärdichtelement 48 besitzt eine angeformte, die Welle berührende Dichtlippe 50, daran äfigeformte hydrodynamische Pumpflügel 52 und eine in sich geschlossene ringförmige Schraubenfeder 44 in einer diese aufnehmenden Nut 46. Die einstückig angeformte ringförmige Verlängerung 54 ist unterteilt in ein Sekumlärdichtclement 56 mit einer Sekundärdichtlippe 57 und ein langgestrecktes Hilfsdichtelement 58 mit einer HilfsdichtlipDC 59, welch letztere eine große Berührungsfläche oder Berührungsbreite auf bzw. mit der Welle 34 bildet und ebenfalls hydrodynamische Pumpflügel 60 aufweist. Auch die Sekundärdichtlippe 57 kann mit hydrodynamischen Pumpflügeln versehen sein. Die Hüfsdirhtlippe 59 besitzt eine Berührungsfläche mit der Welle 34, die wesentlich größer, d. h. wenigstens mehrmals größer als die Berührungsfläche der Primärdichtlippe 50 mit der Welle ist. Vorzugsweise beträgt die Breite der Berührungsfläche ungefähr 1,27 bis 2,54 mm. Die Hilfsdichtlippe wirkt auf die Antikorrosionskomponentcn, die sich in dem abzudichtenden Fluid befinden, derart ein, daß diese ausfallen bzw. absetzen. Dies geschieht über einen größeren Bereich der Lippenberührung, bei der die Hilfsdichtlippe eine niedrigere Verschleißbelastung pro Flächeneinheit aufweist, so daß die Partikel die Hilfsdichtlippe 59 nicht zerstören, wie sie dies bei der schmaleren Primärdichtlippe 50 tun würden. Die ringförmige Verlängerung 54 ist in F i g. 2 durch strichpunktierte Linien in ihrer ursprünglich geformten Konfiguration dargestellt, durch die dann, wenn die Wellendichtung 30 bei ihrer Anwendung montiert wird, ein Festsitz erzeugt wird, bei dem die Sekundärdichtlippe 57 und die Hilfsdichtlippe 59 bei Berührung mit der Welle 34 vorgespannt sind.

Im Betrieb wirkt die Wellendichtung so. daß die Partikel an der Primärdichtlippe 50 nicht ausfallen bzw. a sich nicht absetzen und daß ferner diejenigen Partikel, die sich axial einwärts von der Primärdichtlippe 50 aus absetzen, daran gehindert werden, in Berührung mit der Primärdichtlippe 50 zu kommen. Mit »axial einwärts« ist die Richtung zur abzudichtenden Flüssigkeit gemeint. ^J Diese Partikel setzen sich auf heißen Oberflächen ab und sind sehr abrasiv und würden, wenn sie mit der Primärdichtlippe in Verbindung gelangen würden, diese sehr bald zerstören. Letzteres wird dadurch verhindert, daß die Hilfsdichtlippe 59 in der Nähe und axial einwärts 3 von der Primärdiemlippe angeordnet ist. so daß sich die Partikel zunächst an der Hilfsdichtlippe absetzen. Das Absetzen oder Ausfallen der Partikel wird dadurch verursacht, daß durch Reibung zwischen der Hilfsdichtlippe 59 und der Welle 34 Wärme entsteht. 5

Sollten abrasive Partikel über die Hilfsdichtlippe hinaus vordringen, so werden sie zur Hilfsdichtlippe 59 durch die Wirkung von Pumpflügel 60 zurückgefordert. Solche Partikel, die durch die Hilfsdichtlippe 59 hindurchtreten und durch die Pumpflügel 60 nicht zurückgepumpt werden, werden durch die Sekundär-

> dichtlippe 57 festgehalten, die zwar saubere Flüssigkeit und Wasserdampf in geringem Maße durchlassen kann, abrasive Partikel jedoch festhält. Das saubere Fluid bzw. die saubere Flüssigkeit bzw. der Wasserdampf werden dann in üblicher Weise durch die Primärdichtlippe 50

' und die Pumpflügel 52 nach außen abgedichtet.

Die F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungiform einer Wellendichtung. Oiesc ist mit der Bezugs/iffer 70 bezeichnet und besitzt eine Verstärkungsschale 36 und einen elastomeren Grundkörper 74. der mit der

' Verstärkungsschale 36 verbunden isi. Der elastomere Grundkörper 74 ist mittels eines Verankerungsabschnittes an der Verstärkungsschale befestigt und umfaßt einen langgestreckten Dichtungsabschnitt 78. der unterteilt ist in ein Primärdichtelement 80 und ein damit

^! einstückig verbundenes, langgestrecktes Hilfsdichtelement 84 mit einer Hilfsdichtlippe 85. die über einen verlängerten Berührungsbereich mit der Welle 34 in Berührung steht. Das Primärdichtelement 80 besitzt eine daran angeformte Primärdichtlippe 82 und eine in

' sich geschlossene ringförmige Schraubenfeder 86. die in einer Nut 88 liegt und die Dichtkraft an der Primärdichtlippe 82 erzeugt.

Die P^reite der Berührungsfläche der Hilfsdichtlinie 59 oder 85 mit der Welle 34 beträgt vorzugsweise ungefähr 1.2 mm bis 2.54 mm. im Gegensatz zur Breite der Berührungsfläche der Primärdichtlippe 50 oder 82. die ungefähr O.I27mm bis 0.254 beträgt. Wenn die Wellendichtung kurze Zeit in Betrieb ist. liegt die Berührungstemperatur an der Hilfsdichtlippe ungefähr 18 bis 40 Grad C höher als die Temperatur der abzudichtenden Flüssigkeit bzw. Gefrierschutzlösung. Die Lebensdauer nur eines Primärdichtelementes ohne Hilfsdichtelement betrüge ca. 100 Std. oder weniger, was für einen derartigen Anwendungszweck nicht geeignet wäre, im Gegensatz zur Lebensdauer einer Wellendichtung gemäß den Fig. 2 oder 3. deren Lebensdauer bei ca. 1000 Std. oder mehr auf dem Prüfstand liegen. Normalerweise liegt die Drehzahl der Welle zwischen 500 und 8000 Umdrehungen pro Minute. Das Elastomer, das für die Wellendichtung verwendet wird, besteht vorzugsweise aus Nitril-Kautschuk. Die Welle 34 besteht normalerweise aus Kohlenstoffstahl und besitzt eine Oberflächenqualität von 10 bis 30 im quadratischen Mittelwert (10 bis 30 r.m.s.).

Die Wellendichtung kann außer bei Wasserp· mpen für Kraftfahrzeuge auch dann vorteilhaft verwendet werden, wenn Fluide oder Flüssigkeiten abgedichtet werden sollen, die Partikel enthalten, die Verschleiß oder gar Zerstörung der Welle und/oder der Dichtung verursachen können und so die Lebensdauer der Dichtung stark verringern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Ringförmige Wellendichtung zur Abdichtung des ringförmigen Raumes zwischen einer Welle und einer Gehäusebohrung, durch die die Welle verläuft, gegen den Ausfluß eines Fluids, das ein Material enthält, welches sich als eine Beschädigung erzeugende Partikel am Wellen-Dichtungszwischenraum niederschlagen kann, welche Dichtung ringförmig aus elastomerischem Material ausgebildet und an dem Gehäuse anbringbar ist und ein einstückiges Primärdichtelement mit einer dichtend die Welle berührenden Primärdichtlippe und ein weiteres Dichtelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Dichtelement ein t; Hilfsdichtelement (58) mit einer Hilfsdichtlippe (59) ist, die ebenfalls mit der Wellendichtung einstückig gebildet ist und auf der Welle (34) axial innerhalb der Primärdichtlippe (50) abdichtend aufliegt, wobei die Berührungsfläche der Hilfsdichtlippe (59) wesentlich größer isi Js diejenige der Primärdichtlippe (50).

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsdichtlippe (59) die Welle (34) über eine Breite zwischen ca. 1,27 bis 2,54 mm berührt.

3. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Hilfsdichtelement (58) axial von der Hilfdichtlippe (59) nach außen verlaufende Pumpflügel (60) angebracht sind, die Partikel enthaltendes Fluid von der Primärdichtlippe (50) wegpumpen.

4. Wellendichtung nach Anspruch !,gekennzeichnet durch ein einstückig mit öf.r Dichtung verbundenes Sekundärdichtelement (56) mit einer Sekundärdichtlippe (57), die die Weile (34) abdichtend berührt und zwischen der Hilfsdichuippe (59) und der Primärdichtlippe (50) angeordnet ist.

5. Wellendichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellendichtung eine metallische Verstärkungsschale (36) und eine ringförmige Schraubenfeder (44) aufweist, die die Primärdichtlippe gegen die Welle drückt.