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Dichtungsanordnung für Pumpenwellen u. dgl.
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Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf eine Dichtungsanordnung
für Pumpenwellen u. dgl., - mit rotierendem, an die Welle angeschlossenen Gleitring,
feststehendem Gegenring, radialen Gleitflächen der radialen Breite B an Gleitring
und Gegenring sowie
axial wirkendem Federelement, wobei im Dichtspalt
zwischen den Gleitflächen ein hydraulisches Dichtmittel anwesend ist, welches unter
einem radialen Druckgefälle steht, wobei ferner zumindest eine der Gleitflächen
napfartige Hydrodynamisierungsvertiefungen aufweist. - Napfförmig bedeutet, daß
die Hydrodynamisierungsvertiefungen als umfangsmäßig geschlossene Vertiefungen,
nicht aber als randoffene Kanäle ausgeführt sind. Das hydraulische Dichtmittel ist
dabei, zumindest wenn es sich ua Dichtungsanordnungen bei Pumpenwellen handelt,
die zu fördernde Flüssigkeit selbst. Es kann sich aber auch um ein insoweit fremdes
hydraulisches Dichtmittel handeln. Hydrodynamisierung meint die Einstellung einer
hydrodynamischen Schmier- und Tragwirkung im Sinne der klassischen Theorie der Schmiermittelreibung.
Die Hydrodynamisierung hängt nach der herrschenden Baulehre von der Viskosität des
hydraulischen Dichtmittels ab und entsprechend sind auch die radiale Breite B der
Dichtflächen sowie die axial wirkende Federkraft eingestellt, wobei Umdrehungszahl
und Durchmesser selbstverständlich als weitere Parameter zu berücksichtigen sind.
Das Federelement kann z. B.
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als Schraubenfeder oder als Federbalg ausgeführt sein. Gleitring und
Gegenring sind im allgemeinen aus harten metallischen Werkstoffen, insbesondere
aus Hartmetall, aufgebaut.
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Bei der bekannten gattungsgemäßen Dichtungsanordnung (DE-AS 14 75
621) sind die Hydrodynamisierungsvertiefungen Sackbohrungen gleicher Tiefe und gleichen
Durchmessers, die längs eines Kreises äquidistant angeordnet sind und mit randoffenen
Nuten zusammenwirken. Die erreichte Hydrodynamisierung ist nicht befriedigend.
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Das reibungsbedingte Moment, anders ausgedrückt die Reibungszahl der
Dichtungsanordnung, liegen störend hoch, woraus zunächst eine unerwünschte Erwärmung
resultiert. Darüber hinaus und in der Folge davon ist auch die Dichtwirkung der
Kritik offen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer gattungsgemäßen
Dichtungsanordnung das reibungsbedingte Moment zu reduzieren und damit die Dichtwirkung
zu verbessern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die einzelnen Hydrodynamisierungsvertiefungen
wechselnde Tiefe mit einer Tiefenperiodizität aufweisen, die längs des Umfanges
der Gleitflächen periodisch zu- und wieder abnimmt. Nach bevorzugter Ausführungsform
der Erfindung ist die Anordnung in Kombination dazu so getroffen, daß die Hydrodynamisierungsvertiefungen
in ihrer Gleitfläche (d. h. aithrem oberen Rand) mit einem Durchmesser versehen
sind, der gleich oder kleiner ist als einem Viertel der radialen Breite der Gleitflächen
entspricht, und daß zumindest umfangsbereichsweise mehrere Hydrodynamisierungsvertiefungen
in radialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Z. B. können die Hydrodynamisierungsvertiefungen
in mehreren Reihen und von Reihe zu Reihe versetzt angeordnet sein. Auch können
in mehreren Reihen angeordnete Hydrodynamisierungsvertiefungen gegeneinander versetzte
Tiefenperiodizität aufweisen. Im Rahmen der Erfindung liegt es, diese beiden Maßnahmen
zu kombinieren, d. h. die Anordnung so zu treffen, daß die Hydrodynamiswrungsvertiefungen
in mehreren Reihen und von Reihe zu Reihe versetzt sowie von Reihe zu Reihe mit
versetzter Tiefenperiodizität angeordnet sind.
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Dieser Ausführungsform der Erfindung kommt im Sinne einer Optimierung
besondere Bedeutung zu. Im Rahmen der Erfindung liegt es
aber auch,
die Hydrodynamisierungsvertiefungen in zumindest einer sinusförmig oder zickzackförmig
umlaufenden Reihe anzuordnen. Sie können aber nach einem anderen Vorschlag der Erfindung
auch nach Maßgabe eines Orthogonalnetzes angeordnet sein, dessen Rastermaß etwa
dem doppelten Durchmesser der Hydrodynamisierungsvertiefungen entspricht. Nach einem
weiteren Vorschlag sind sie in pfeilförmigen Bereichen angeordnet, die sich von
einem Rand des zugeordneten Gleitringes zur Gleitringmitte hin und ggf. darüber
hinaus nach innen erstrecken.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei gattungsgemäßen
Dichtungsanordnungen eine Minimierung des reibungsbedingten Momentes möglich ist,
wenn sichergestellt wird, daß das hydraulische Dichtmittel trotz fertigungsbedingter
Toleranzen über den gesamten Umfang als hydrodynamisches Druckpolster mit überall
gleicher Dicke und gleichsam homogenem Druck funktioniert. Dem wirken jedoch üblicherweise
toleranzbedingte Störungen entgegen, die der Ausbildung einer geschlossenen Dichtmittelschicht
überall gleicher Dicke entgegenwirken. Insbesondere wirkt entgegen, daß der Wellendruck
im zugeordneten Lager unter Berücksichtigung des Lagerspiels eine Exzentrizität
auch zwischen Gleitring und Gegenring bewirkt, was mit der Umlaufzahl periodische
Störungen auslöst. Durch die bekannten Hydrodynamisierungsvertiefungen kann diesem
Phänomen nicht begegnet werden, weil die bekannte Anordnung in bezug auf die Umlaufbewegung
gleichsam neutral ist. Demgegenüber beeinflussen bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform
die Hydrodynamisierungsvertiefungen wegen der beschriebenen Tiefenperiodizität die
Verhältnisse auch beim Umlauf periodisch, mit dem Ergebnis, daß das Dichtmittel
über den gesamten Umfang als hydrodynamisches Druckpolster überall gleicher Dicke
mit gleichsam homogenem Druck funktioniert.
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Tatsächlich sind die durch die Erfindung erzeugten hydrodynamischen
Effekte, deren Tendenz dahin geht, eine geschlossene, überall gleiche Dichtmittelschicht
im Dichtspalt aufzubauen oder zu stabilisieren, ausgeprägter als die der Störungen,
so daß letztere sich nicht mehr auswirken. Nach einer weiteren Erkenntnis der Erfindung
ist die erreichte Dichtwirkung dann am besten, wenn das reibungsbedingte Moment
am kleinsten ist. Diese Zusammenhänge lassen sich im Rahmen der Erfindung durch
Versuche für jede spezielle Dichtungsanordnung und jedes vorkommende hydraulische
Dichtmittel ohne Schwierigkeiten einstellen. Ist die Dichtungsanordnung insgesamt
im Rahmen der herrschenden Baulehre nach Maßgabe von Umdrehungszahl, Viskosität
des hydraulischen Dichtmittels, Wellendurchmesser usw. eingestellt, so sind, insbesondere
bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Hydrodynarnisierungsvertiefungen
in ihrer Gleitfläche mit einem Durchmesser versehen sind, der gleich oder kleiner
ist als einem Viertel der radialen Breite der Gleitflächen entspricht, auch für
die angestrebte Hydrodynamisierung die angegebenen Parameter ausreichend berücksichtigt.
Das gilt insbesondere dann, wenn in der beschriebenen Weise mit mehreren Reihen
von Hydrodynamisierungsvertiefungen gearbeitet wird oder wenn diese in der beschriebenen
Weise nach Maßgabe eines Orthogonalnetzes angeordnet sind. Die eingangs beschriebenen
Störungen sind schon vermieden, wenn die Tiefenperiodizität einen Periodenwinkel
von 3600 aufweist, d. h. über den Umfang die Tiefe der Hydrodynamisierungsvertiefungen
von einem Minimalwert einmal zu einem Maximalwert und danach wieder abnehmend zum
Ausgangswert verläuft.
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Man kann aber auch mit einem Periodenwinkel von 1800 arbeiten.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der man zu einem
hydrodynamischen Druckpolster mit sehr gleichmäßiger Dicke und sehr homogenem Druck
kommt, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefenperiodizität einen Periodenwinkel
von 900 aufweist.
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Der Grundriß der einzelnen Hydrodynamisierungsvertiefungen ist im
Rahmen der Erfindung grundsätzlich beliebig. So kann man mit im Grundriß quadratischen
oder im Grundriß runden Hydrodynamisierungsvertiefungen arbeiten. Die Hydrodynamisierungsvertiefungen
können aber auch eine in Umfangsrichtung langgestreckte Form aufweisen, sollen aber
nicht zu Kanälen entarten. Die Herstellung der Hydrodynamisierungsvertiefungen kann
mit bekannten Bearbeitungsverfahren auf einfache Weise erfolgen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert.
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Es zeigen in schematischer Darstellung Fig. 1 einen Radialschnitt
durch eine erfindungsgemäße Dichtungsanordnung, Fig. 2 die Ansicht X eines der Gleitringe
aus dem Gegenstand nach Fig. 1, Fig. 3 in gegenüber der Fig. 1 wesentlich vergrößertem
Maßstab einen Schnitt in Richtung des Bogens A-B durch den Gegenstand nach Fig.
2, Fig. 4 im Maßstab der Fig. 3 einen Schnitt in Richtung C-D durch den Gegenstand
nach Fig. 2 und die
Fig. 5 bis 7 entsprechend der Fig. 2 andere
Ausführungsformen der Anordnung von Hydrodynamisierungsvertiefungen bei einer erfindungsgemäßen
Dichtungsanordnung.
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Die in den Figuren dargestellte Dichtungsanordnung ist für Pumpenwellen
u. dgl. bestimmt. Zur Dichtungsanordnung gehören grundsätzlich ein rotierender,
an die Welle 1 angeschlossener Gleitring 2, ein feststehender Gegenring 3, radiale
Gleitflächen 4 der radialen Breite B zwischen Gleitring 2 und Gegenring 3 und ein
axial wirkendes Federelement 5.
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Im Dichtspalt S zwischen den Gleitflächen 4 ist ein hydraulisches
Dichtmittel anwesend, welches unter einem radialen Druckgefälle P1/P2 steht, wobei
je nach den Verhältnissen P1 oder P2 größer ist. Fernerhin ist die Anordnung so
getroffen, daß zumindest eine der Gleitflächen 4 napfförmige Hydrodynamisierungsvertiefungen
6 aufweist, worunter umfangsmäßig geschlossene, d. h. nicht kanalförmig zu einem
Rand hin offene, Vertiefungen verstanden werden. Sie bewirken eine hydrodynamische
Schmier- und Tragwirkung im Sinne der klassischen Schmiermittelreibung.
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Insbesondere aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 2 bis 4
entnimmt man, daß die einzelnen Hydrodynamisierungsvertiefungen 6 wechselnde Tiefe
T mit einer im Ausführungsbeispiel sinusförmigen Tiefenperiodizität P aufweisen,
die längs des Umfanges periodisch zu- und wieder abnimmt. Sie wurde in Fig. 3 strichpunktiert
eingezeichnet. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 hat die Tiefenperiodizität
P einen Periodenwinkel von 900. Dabei ist im Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter
Ausführungsform der Erfindung die Anordnung so getroffen, daß die Hydrodynamisierungsvertiefungen
6 in ihrer Grundfläche mit einem Durchmesser d bzw., bei quadratischem oder rechteckigen
Grundriß, mit einem mittleren Durchmesser d versehen sind, der gleich oder kleiner
ist als ein Viertel der radialen Breite B der Gleitflächen 4.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 sind die Hydrodynamisierungsverbreiterungen
6 in einer einzigen Reihe angeordnet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind demgegenüber
die Hydrodyna misierungsverbreiterungen 6 in mehreren Reihen und von Reihe zu Reihe
versetzt angeordnet. Dabei wurde auch die anhand der Fig.
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2 schon erläuterte Tiefenperiodizität P von Reihe zu Reihe versetzt.
Die Grundrisse der einzelnen Hydrodynamisierungsvertiefungen 6 können gleich oder
unterschiedich sein.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 sind die Hydrodynamisierungsvertiefungen
6 in einer sinusförmig umlaufenden Reihe angeordnet, die aber auch zickzackförmig
geführt sein könnte.
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Von besonderer Bedeutung ist aber auch die Ausführungsform nach Fig.
7. Man erkennt hier, daß die Hydrodynamisierungsvertiefungen 6 nach Maßgabe eines
Orthogonalnetzes angeordnet sind, dessen
Rastermaß R etwa dem doppelten
Durchmesser d bzw. dem doppelten mittleren Durchmesser d der Hydrodynamisierungsvertiefungen
6 entspricht. Nicht gezeichnet wurde, daß die Hydrodynamisierungsvertiefungen 6
bei der beschriebenen grundsätzlichen Gestaltung auch in gepfeilten Bereichen der
Gleitflächen 4 angeordnet sein könnten, die sich von einem Rand des Gleitringes
3 bzw. des Gegenringes 4 zum mittleren Bereich dieser Ringe 3 bzw. 4 erstrecken.
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In den Figuren wurde angedeutet, daß die Hydrodynamisierungsvertiefungen
6 quadratischen Grundriß oder runden Grundriß aufweisen können. Sie könnten aber
auch rechteckigen oder langgestreckt ovalen Grundriß aufweisen.