DE2945853A1

DE2945853A1 - Fluessigkeitsdichtung fuer rotierende wellen o.dgl.

Info

Publication number: DE2945853A1
Application number: DE19792945853
Authority: DE
Inventors: Joseph Antonini
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1978-11-13
Filing date: 1979-11-13
Publication date: 1980-06-26
Also published as: US4183543A; BR7907463A; MX152491A; FR2441774A1

Description

5479

Γ~ PATENTANWÄLTE «_ , , Π

294S853

DR.-ING. R. DÖRING - 4 - DIPL.-PHYS. DR. J. FRICKE

BRAUNSCHWEIG MÜNCHEN

Dana Corporation

45 Dorr Street
Toledo, Ohio/USA

"Flüssigkeitsdichtung für rotierende Wellen oder dergleichen"

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsdichtung für rotierende Wellen oder dgl., mit einem ringförmigen Körper aus elastisch nachgebendem Material, der zur Drehachse konvergierende, jeweils mit der Flüssigkeits- bzw. der Gasseite in Kontakt stehende Flächen aufweist, die sich in einer kreisförmigen, mit dem Umfang der Welle oder dgl. abdichtend zusammenwirkenden Dichtkante schneiden, bei der von der mit der Gasseite in Kontakt stehenden Fläche einerseits ein ringförmiger Wulst im vorbestimmten axialen Abstand von der Dichtkante und andererseits eine Reihe von in Umfangsabständen angeordneten schräg orientierten Rippen nach innen vorspringen, wobei die Rippen im Bereich der Dichtkante und dem Wulst angeordnet sind.

Ringförmige Lippendichtungen werden für gewöhnlich für den Eingriff mit rotierenden Wellen verwendet. Die Dichtungen dienen beispielsweise dazu, um eine Flüssigkeit in einem vorbestimmten Bereich zu halten. So kann es Zwekc der Dichtung sein, ein

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Schmiermittel innehalb eines Schmiermittelreservoirs oder im Bereich eines Lagers zu halten. Insbesondere Fahrzeuge sind häufig mit mehreren Dichtungen dieser Art ausgerüstet. Ringförmige Lippendichtungen dienen beispielsweise zum Abdichten der Hauptkurbelwelle des Maschinenblockes, um das Entweichen des Schmieröles aus dem Motorsumpf zu verhindern. In ähnlicher Weise sind Lippendichtungen den Eingangs- und Ausgangswellen des Schaltgetriebes und der Eingangswelle eines Differentials zugeordnet. Bei Fahrzeugen mit starren Hinterradachsen für die Laufräder dienen ringförmige Lippendichtungen auf den Wellenstummeln dazu, das Aussickern von Schmiermittel aus dem Differentialgehäuse zu verhindern. Derartige lippenförmige Dichtungen sind mit einer kreisförmigen Abdichtungskante ausgerüstet, welche abdichtend am Wellenumfang angreift, wenn die Welle rotiert. Aufgrund der Abnutzung und den Verlust an Nachgiebigkeit über längere Betriebszeiten kann ein geringfügiges Auslecken entlang der Dichtkante auftreten.

Es ist daher bekannt, die Flüssigkeitsdichtung in der Eingangs bezeichneten Weise auszubilden (vergl. US-PS 39 23 315) um eine gewisse Pumpwirkung zu erzeugen, mit deren Hilfe die ausgetretene Flüssigkeit über die Dichtfläche oder die Dichtkante hinweg wieder auf die Flüssigkeitsseite der Abdichtung zu drücken. Derartige Dichtungen werden manchmal als hydrodynamische Dichtungen bezeichnet. Bei der bekannten Dichtung mit hydrodynamischer Pumpwirkung gelangt das die Dichtkante passierende Schmiermittel oder dgl. in eine Fangnut vor dem

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Wulst und wird aus dieser Fangnut entlang einer der Rippen wieder auf die Flüssigkeitsseite der Abdichtung zurückgepumpt. Der Wulst und die Rippen der bekannten Dichtung weisen allgemein kreisförmigen Querschnitt auf. Es hat sich gezeigt, daß hierdurch die Effektivität der Rippen bezüglich ihrer Pumpwirkung auf die Flüssigkeit begrenzt ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Flüssigkeitsdichtung für rotierende Wellen oder dgl. der Eingangs näher bezeichneten Art so weiterzubilden, daß eine wesentlich bessere hydrodynamische Wirkung oder Pumpwirkung erzielt wird, sodaß über die Dichtkante austretende Flüssigkeit zuverlässiger als bisher auf die Flüssigkeitsseite der diese gegenüber der Gasseite trennenden Dichtung zurückgefördert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jede Rippe einen Abschnitt einer im wesentlichen konischen Schraube bildet und die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Rippen abwechselnd zu unterschiedlichen Rippengruppen von jeweils zueinander parallelen Rippen gehören, wobei die Rippen der einen Gruppe gleich große aber entgegengesetzte Schraubenneigung wie die Rippen der anderen Gruppe aufweisen, und daß jede Rippe eine der Dichtkante zugewandte Fläche, die mit der mit der Gasseite in Berührung stehenden Fläche einen vorbestimmten Winkel einschließt, sowie eine dem Wulst zugewandte Fläche von demgegenüber kleinerem Winkel aufweist. Die Dichtkante kann bei dieser Ausbildung mit einer nur in einer Richtung oder mit einer in

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beiden Richtungen rotierenden Wellen zusammenwirken. Der nach innen gerichtete Wulst in der mit der Gasseite in Berührung stehenden Fläche weist zweckmäßigerweise einen dreieckförmigen Querschnitt auf, der bezogen auf die mit der Gasseite in Berührung stehenden Fläche symmetrisch ausgebildet sein kann, die Rippen bilden ein zick-zackförmiges Muster, wobei jedoch wesenltich ist, daß sie im Querschnitt durch diskrete Flanken begrenzt sind, welche mit der mit der Gasseite in Berührung stehenden Fläche unterschiedliche Neigungswinkel einschließt. Von Bedeutung ist weiterhin, daß diese Rippen entlang von Abschnitten einer konischen Schraube verlaufen.

Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn die Rippen eine gegenüber der mit der Gasseite in Berührung stehenden Fläche aufspringende Höhe aufweisen, die geringer ist als die Höhe des ringförmigen Wulstes.

Die Flanken jeder Rippen können auf der der Dichtkante zugewandten Seite einen Winkel zwischen 45 und 80 mit der mit der Gasseite in Kontakt stehenden Flächen einschließen. Die dem Wuslt zugewandte Flanke der Rippen bildet demgegenüber einen kleineren Winkel zwischen etwa 15° und 40°. Vorzugsweise liegen die betreffenden Winkel im westnlichen in der Größe von 45° bzw. von 30°. Der asymmetrische Querschnitt der Rippen verstärkt wesentlich die Wirksamkeit der Abdichtung, insb. bezüglich ihrer rückpumpwirkung auf die über die Dichtkante aussickernde Flüssigkeit.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Flüssigkeitsdichtung gemäß der Erfindung im eingebauten Zustand.

Fig. 2 im Ausschnitt und im größeren Maßstabe eine radiale Draufsicht von innen nach außen auf den Dichtkantenbereich.

Fig. 3 schematisch und im weiter vergrößerten Maßstab einen radialen Schnitt entlang der Schnittlinie III-III der Figur 2 und

Fig. 4 eine Abwicklung des Dichtkantenbereiches in die Zeichenebene, wobei die Pumpwirkung bei einer vorbestimmten Drehrichtung der Welle veranschaulicht ist.

Die in den Figuren dargestellte ringförmige Flüssigkeitsdichtung j 10 weist einen ringförmigen Körper 11 aus elastisch nachgiebigem j Material auf. Dieser ist in einem abgestuft ausgebildeten rohrförmigen Gehäuse 12 angeordnet, das aus Metall oder anderem starren Material hergestellt sein kann. Das Gehäuse 12 weist eine außenliegende Fläche 13 auf, welche abdichtend an eine nicht| dargestellt Bohrung eines Gehäuseteils oder dgl. angebracht ;

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werden kann, durch welche Bohrung sich eine nur gestrichelt angedeutete treibende oder getriebene Welle 14 erstreckt. Die mit bezeichnete axiale Seite der Dichtung 10 ist dem Flüssigkeitsbereich oder der Ölseite der Dichtung zugewandt. Die Seite 16 der dichtung 10 steht dagegen normalerweise mit einer gasförmigen Umgebung, z.B. Luft in Berührung, wenn von normalen Einsätzen der Dichtung 10 ausgegangen wird. Das nachgiebige Material des Dichtungskörpers 11 ist direkt in dem Gehäuse 12 ausgeformt, um so eine flüssigkeitsdichte Grenzfläche 17 zwischen dem nachgiebigen Material des Körpers 11 und dem Gehäuse 12 zu bilden.

Der Körper 11 ist so geformt, daß er eine mit der Flüssigkeitsseite in Kontakt stehende Fläche 18 und eine mit der Gasatmosphäre in Berührung stehende Fläche 19 aufweist. Die Flächen 18 und 19 sind allgemein konische Flächen und konvergieren von außen nach innen, um im Bereich ihrer Schnittkante eine Kreisförmige Dichtkante 20 zu bilden. Die Dichtkante 20 weist normalerweise einen Durchmesser kleiner als der Durchmesser der rotierenden Welle 14 auf. Bei Angreifen an dem Umfang der Welle 14 wird die Dichtkante somit elastisch verformt. Eine Nut 21 auf der Außenfläche 22 des Köroers 11 ist im radialen Abstand und annähernd in axialer Fluchtung mit der Dichtkante 20 vorgesehen. In diese Nut 21 ist eine Schraubenförmige Spannfeder 23 unter entsprechender Vorspannung angeordnet. Die Feder 23 vergrößert somit den elastischen Druck, mit dem die Dichtkante 20 an dem Wellenumfang 14 angreift. Dadurch wird die Abdichtwirkung an der Grenzfläche zwischen dem nachgiebigen Material des Körpers

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- 10 und der Welle 14 verstärkt.

Auf der mit der Gasseite in Berührung stehenden Fläche 19 ist einstückig mit dem Körper 11 ein Rippenmuster 28 vorgesehen, welches dazu dient, jegliche von der Flüssigkeitsseite 15 der dichtung 10 über die Dichtkante 20 aussickernde Flüssigkeit wieder auf die FlUssigkeitsseite 15 zurückzupumpen. Das Rippenmuster 28 umfaßt im wesenltichen einen ringförmigen Wulst 29, der im axialen Abstand von der Dichtkante 20 und parallel zu dieser angeordnet ist. Weiterhin ist eine erste Gruppe von zueinander parallelen Rippen 30 vorgesehen, der eine zweite Gruppe von unter sich parallelen Rippen 31 entspricht, wie dies am besten aus den Figuren 1 bis 3 hervorgeht. Die Rippen 30 können am besten als Segmente einer im wesentlichen konischen Schraubenlinie beschrieben werden. Sie erstrecken sich parallel zueinander in einer vorbestimmten Richtung um eine Achse 32 der Welle 14 und der Dichtung 10. In ähnlicher Weise bilden die Rippen Abschnitte einer im wesentlichen konischen Schraubenlinie und erstrecken sich parallel zueinander, jedoch in einer entgegengesetzten Richtung um die gleiche Achse 32.

Der ringförmige Wulst 29 wirkt als Sammler oder als Sperrwulst, um den Abstand zu begrenzen, über den die die Dichtkante 20 passierende Flüssigkeit an der mit der Gasseite in Berührung stehenden Fläche 19 in axialer Richtung entlangfließen kann. Der kreisförmige Wuslt 29 ist im Querschnitt allgemein dreieckförmig ausgebildet, wie dies am besten Figur 3 zeigt. Seine

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Flanken können mit der mit der Gasseite in Kontakt stehenden Fläche 19 vorzugsweise gleiche Winkel von beispielsweise 45 einschließen. Die Flanken 33 des Wulstes 29 konvergieren zu einem Scheitel 34, der von der mit der Gasseite in Berührung stehenden Fläche 19 einen vorbestimmten Abstand aufweist.

Die Rippen 30 und 31 sind ebenfalls von dreieckförmigem Querschnitt, wobei dieser Querdoch wie am besten aus Figur 3 hervorgeht, asymmetrisch ausgebildet ist. Der in Fig. 3 gezeigte Querschnitt für die Rippe 31 ist entsprechend für die Rippe 30 ausgebildet. Die Rippe 31 weist eine Flanke 35 auf, die allgemein der Dichtkante 20 zugewandt ist, sowie eine weitere Flanke 36, die allgemein dem Wulst 29 zugewandt ist. Die Flanken 35 und 36 konvergieren zu der Scheitellinie 37» welche von der mit der Gasseite in Berührung stehenden Fläche 19 einen vorbestimmten Abstand aufweist. Die Flanke 36 bildet mit der Fläche 19 einen Winkel "A" zwischen etwa 15° und 40°. Die Flanke 35 bildet mit der mit der Gasseite in Kontakt stehenden Fläche 19 einen steileren Winkel "B" zwischen etwa 45° und 80°. Durch die unterschiedlichen Winkel "A" und "B" wird der asymmetrische Querschnitt der Rippen bestimmt. Die Querschnittsform und Winkel der Rippen 30 und 31 sind bevorzugt identisch. Jede der Rippen 30 umfaßt somit eine Flanke 38, die der Dichtkante 20 zugewandt ist, sowie eine Flanke 39, die auf den Wulst 29 weist. Die Flanken 38 und 39 schneiden sich in der Scheitellinie 40.

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Es ist darauf hinzuweisen, daß die Rippen 30 und 31 zweckmäßigerweise gegenüber der Fläche 19 weniger weit vorspringen als der ringförmige Wulst 29. Wenn beispielsweise der Wulst 29 einen Höhenabstand in der Größe von 0,12 mm gegenüber der Fläche aufweist, können die Rippen 30 und 31 zweckmäßigerweise eine Scheitelhöhe über der Fläche 19 von 0,o7 ram besitzen. Es ist aus Figur 2 ersichtlich, daß in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Rippen 30 und 31 unterschiedlicher Neigung auf einen Punkt auf der· Dichtkante 20 zu konvergieren. Auf seiten des Wulstes 29 können die Rippen aufeinanderstoßen oder wie Fig. zeigt einen geringfügigen gegenseitigen Umfangsabstand aufweisen.

In Figur 4 ist die Arbeitsweise des Rippenrausters 28 bezüglich der Pumppwirkung von öl oder anderen Flüssigkeiten über die Dichtkante 20 hinweg auf die Ölseite 15 der Dichtung 10 veranschaulicht. In dieser Darstellung wird davon ausgegangen, daß das Rippenmuster 28 wie die gesamte Dichtung 10 gestellfest angeordnet ist. Weiterhin ist angenommen, daß die Welle 14 in einer Drehrichtung rotiert der Art, daß in der Darstellung der Figur 4 die Oberfläche der Welle sich von rechts nach links über das Rippenmuster 28 bewegt. Die Folge ist, daß die Oberfläche der Welle dazu neigt, die Flüssigkeitsteilchen von rechts nach links entlang des Rippenmusters 28 zu bewegen, wie dies auch die Pfeile 48 andeuten. Es wird zunächst angenommen, daß ein ^; Ölteilchen oder Flüssigkeitsteilchen 45, das die Dichtkante an einem Punkt 46 passiert hat, in allgemein axialer Richtung fließt, bis das ölteilchen auf eine Rippe 31 trifft. Die

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rotierende Welle hat dann die Tendenz, das Teilchen 45 von rechts nach links entlang der relativ steifen Arbeitsfläche 35 der Rippe 31 zu bewegen. Diese Rippe konvergiert in Richtung auf die Tischkante 20. Die Folge ist, daß das Teilchen 45 gezwungen wird, in allgemein schraubenförmiger Richtung auf die Dichtkante 20 zuzufließen. Dabei wird das Ölteilchen über die Dichtkante 20 in Richtung auf die Flüssigkeitsseite 15 der Dichtung 10 gedrückt.

In einem zweiten Fall gelangt das Flüssigkeitsteilchen 47, z.B. Schmieröl, an einem Punkt 48 über die Dichtkante 20. Das Teilchen 47 bewegt sich in einer allgemein axialen Richtung und gelangt dabei in Kontakt mit der relativ steilen Fläche 38 der nicht förderwirksamen Rippe 30. Das Teilchen 47 gleitet entlang der Rippe 30 von der Dichtkante 20 weg, bis das Flüssigkeitsteilchen mit der in Umfangsrichtung folgenden und arbeitswirksamen Rippe 31 in Kontakt gelangt. Es folgt dann dem gleichen Weg entlang der steilen Seite 35 der arbeitswirksamen Rippe 31, bis das Teilchen wiederum über die Dichtkante 20 zurück auf die Flüssigkeitsseite 15 der Abdichtung 10 gedrückt wird.

Bei einem dritten Beispiel ist angenommen, daß ein Flüssigkeitsteilchen 49 die Dichtkante 20 an einem Punkt zwischen zwei benachbarten Rippen 30 und 31 passiert hat. Das Teilchen 49 setzt seinen Weg entlang der Fläche 19 fort, bis es auf den Ringwulst trifft. Dieser verhindert ein weiteres Abfließen entlang der Fläche 19. Das Partikelchen 49 wird vielmehr allmählich nach linkgs bewegt, und zwar aufgrund der Rotationswirkung, die von

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der Welle ausgeht. Das Partikelchen 49 gelangt schließlich entlang dem Wulst 29 bis in Kontakt mit der nicht arbeitswirksamen Rippe 30. Aufgrund der Rotationswirkung wandert das Teilchen eher über die nicht wirksame Rippe 30 als über den Wulst 29 und zwar insb. aufgrund der Tatsache, daß die Rippe 30 eine geringere Höhe als der Wulst 29 aufweist. Das Partikelchen 49 kann außerdem leichter über die Rippe 30 hinwegsteigen, und zwar aufgrund der flacheren Neigung der Flanke 39 der Rippe 30, welche Flanke dem Wulst 29 zugewandt ist. Nachdem das Teilchen 49 über die Rippe 30 gewandert ist, folgt es einem allgemein schraubenförmigen Weg, der durch die steilere Flanke 35 der Arbeitswirksamen Rippe 41 bestimmt ist, bis das Teilchen wieder über die Dichtkante 20 in den Flüssigkeitstei gedrückt wird.

Es ist ersichtlich, daß das Rippenmuster 28 eine gleiche Pumpwirkung aufweist, wenn die Welle entweder im Uhrzeigersinne oder im Gegenuhrzeigersinne rotiert. Bei einer Drehrichtung sind die Rippen 31 bezüglich der Pumpwirkung aktiv, während bei der entgegengesetzten Drehrichtung die Rippen 31 bezüglich der Pumpwirkung unwirksam sind und die Rippen 30 die Pumpwirkung übernehmen. Da die Rippen 30 und 31 beider Rippengruppen im Querschnitt asymmetrisch sind, sind jeweils die Flanken 35 bzw. 38 mit dem steileren Winkel gegenüber der Dichtfläche 19 wirksam, um die Menge an Flüssigkeit zu begrenzen, welche die arbeitswirksamen Rippen 30 oder 31 passieren. Da andererseits die Flanke 39 bzw. 36 der Rippen 30 und 31, welche dem Wulst zugewandt sind, relativ flach ausgebildet sind, hat es die

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Flüssigkeit leichter sich über die Rückseite der nicht arbeitswirksamen Rippen hinwegzuarbeiten und damit in Kontakt mit einer arbeitswirksamen Rippe zu gelangen. Die Folge ist, daß das Rippenmuster 28 bei weitem wirksamer ist, als die Abdichtungen bekannter Art, um entwichene Flüssigkeit zurück auf die Flüssigkeitsseite der Dichtung zu pumpen.

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Claims

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Ansprüche

\1. Flüssigkeitsdichtung für rotierende Wellen oder dgl., mit einem ringförmigen Körper aus elastisch nachgebendem Material, der zur Drehachse konvergierende, jeweils mit der Flüssigkeitsbzw, der Gasseite in Kontakt stehende Flächen aufweist, die sich in einer kreisförmigen, mit dem Umfang der Welle oder dgl. abdichtend zusammenwirkenden Dichtkante schneiden, bei der von der mit der Gasseite in Kontakt stehenden Fläche einerseits ein ringförmiger Wulst im vorbestimmten axialen Abstand von der Dichtkante und andererseits eine Reihe von in Umfangsabständen angeordnete schräg orientierte Rippen nach innen vorspringen, wobei die Rippen im Bereich zwischen der Dichtkante und dem Wulst angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede' Rippe (30 bzw.31) einen Abschnitt einer im wesentlichen konischen Schraube bildet und die" in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Rippen wechselnd zu unterschiedlichen Rippengruppen von jeweils zueinander parallelen Rippen gehören, wobei die Rippen der einen Gruppe gleich große aber entgegengesetzte Schraubenneigung wie die Rippen der anderen Gruppe aufweisen, und daß jede Rippe (3o,31) eine der Dichtkante (20) zugewandte Fläche (35 bzw.38), die mit der mit der Gasseite in Berührung stehenden Fläche (19) einen vorbestimmten Winkel (B) einscnließt, sowie eine dem Wulst zugewandte Fläche (36 bzw.39) von demgegenüber kleinerem

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Winkel (A) aufweist.
2. Flüssigkeitsdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken der im Querschnitt einen asymmetrischen Umriß aufweisenden Rippen (3o,31) auf Seiten der Dichtkante (20) einer. Winkel zwischen etwa 45 und 80 mit der mit der Gasseite in Berührung stehenden Fläche (19) und auf der entgegengesetzten Seite einen Winkel von 15° bis 40 einschließen.
3. Flüssigkeitsdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken auf der der Dichtkante zugewandten Seite einen Winkel von im wesentlichen 45 mit der mit der Gasseite in KOntakt stehenden Fläche (19) bilden, während die dem ringförmigen Wulst (29) zugewandten Flächen einen Winkel von im wesentlichen 30° mit der mit der Gasseite in Berührung stehenden Fläche (20) einschließen.
4. Flüssigkeitsdichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Wulst (29) einen dreieckförmigen Querschnitt aufweist.
5. Flüssigkeitsdichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der einen im wesentlichen symmetrischen dreieckförmigen Querschnitt aufweisende Wulst (29) eine Kammhöhe über der mit

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der Gasseite in Kontakt stehenden Fläche (19) aufweist, die größer ist als die Katnmhöhe (37) der Rippen (3o,31).

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