DE3331788A1

DE3331788A1 - Hydrodynamische wellendichtung

Info

Publication number: DE3331788A1
Application number: DE19833331788
Authority: DE
Inventors: Daniel 60402 Berwyn Ill. Danek; Jerome E. 60137 Glen Ellyn Ill. Schaus
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1982-09-29
Filing date: 1983-09-02
Publication date: 1984-03-29
Anticipated expiration: 2003-09-03
Also published as: DE3331788C2; JPH0319422B2; JPS5980569A; IT1168890B; IT8349043A0; US4440405A

Description

Patentanwälte

Dr. rer. nat. Thoraas Berendt

D:-.~;s;;. Hanr. Leyh Innere Wiener SIr. 20 - D ECOG München 80

Unser Zeichen: A 14 Lh/fi

DANA CORPORATION
4500 Dorr Street
Toledo, Ohio, U.S.A.

Hydrodynamische Wellendichtung

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A 14 685 h .. Dana Corp.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Wellendichtung für drehbare Wellen und insbesondere die Form solcher Dichtungen für Anwendungen, in denen die Welle eine hohe Exzentrizität beim Umlauf hat.

Es „sind schon viele Wellendichtungen vorgeschlagen worden für unterschiedliche Temperaturen, Drücke und andere Betriebsbedingungen. Bei einem starken Auslaufen der Welle, d.h. bei stark exzentrischem Lauf, treten jedoch Schwierigkeiten bei der Abdichtung auf. Es wurden beispielsweise inerte und relativ dichte Materialien, wie z.B. Kunststoffe und Pol ytetraf1uoräthylene verwendet, die eine gute hydrodynamische Dichtwirkung, Dauerfestigkeit und einen guten Widerstand gegen Verschleiß haben. In Fällen eines stark exzentrischen Wellenlaufes müssen jedoch elastomere Materialien verwendet werden, da diese eine größere Elastizität und Flexibilität haben. Trotz der Nachteile elastomerer Materialien wurden diese daher zum Abdichten von Wellen mit exzentrischem Lauf verwendet, da sie der Bewegung der Welle besser folgen.

Abgesehen von der Dichtwirkung der Dichtung soll diese auch eine einigermaßen lange Lebensdauer haben. Von wesentlicher Bedeutung hierbei ist die Dichtwirkung des Teiles des Dichtungselementes, das in Kontakt mit der Welle steht. Dichtringe in Form von Manschettenringen haben ein Dichtelement, das einen um die Welle verlaufenden bandförmigen Kontaktabschnitt aufweist, während bei einer Lippendichtung die Abdichtung theoretisch längs einer ringförmigen Linie erfolgt. Eine Manschettenring-Dichtung hat ferner einen radial verlaufenden flexiblen Bund oder Wulst, der, wenn der Dichtungsring auf eine Welle zur Abdichtung aufgesetzt wird, einen etwa balkenförmigen oder trägerförmigen Querschnitt aufweist, der sich unter Belastung verformt.

Die resultierenden Biegekräfte werden als Formungskräfte bezeichnet. Weitere Kräfte entstehen durch den normalerweise gereckten oder gespannten ringförmigen Teil des Dichtungsringes, der den eigentlichen Kontaktabschnitt des Ringes umgibt. Diese Kräfte werden Ring-Kräfte genannt und sie resultieren

aus der radial einwärts gerichteten Gummiband-Natur des Kontaktes der Dichtungslippe mit der Welle. Ein Ausgleich von Formungs- und Ringkräften ist bei den konventionellen Geometrien der Dichtungsringe kaum zu erreichen, was dazu geführt hat, daß die Dichtwirkung für einen gegebenen Anwendungsfan geringer ist als erwünscht.

Die Erfindung sieht ein verbessertes Dichtungselement in Form eines Dichtungsringes vor, bei dem die Dichtwirkung und die Abnützung des Kontaktbereiches abgestimmt und optimal sind, insbesondere für Wellen mit hoher Exzentrizität beim Umlauf. Das Dichtungselement kann aus einem handelsüblich verfügbaren, vorzugsweise dichteren, inerteren Material bestehen, beispielsweise Kunststoffen oder Polytetrafluoräthylenen, die einen hohen Widerstand gegen Verschleiß und Abnutzung aufweisen.

Vorzugsweise umfaßt die hydrodynamische Wellendichtung nach der Erfindung ein Dichtelement mit zwei radial verlaufenden Flächen. Konzentrische ringförmige innere und äußere Kanten oder Ränder bilden die Grenzen dieser Flächen. Das Element hat einen radial auswärts verlaufenden festen Abschnitt und einen radial einwärts verlaufenden flexiblen Abschnitt, wobei durch den Übergangsbereich zwischen den beiden Abschnitten ein abgebogener Ring gebildet wird. Die Flächen haben eine kontinuierliche Divergenz oder Verjüngung vom äußeren Rand zum inneren Rand, wobei die Divergenz allgemein vom äußeren Rand zum inneren Rand zunimmt. Vorzugsweise liegt die seitliche Divergenz der Flächen im Bereich von 0,15 - 1,5 mm je 25 Millimeter der radialen Länge des flexiblen Abschnittes.

Das Dichtelement hat ferner zweckmäßigerweise eine Wanddicke im Bereich von 0,625 - 1,25 mm und der flexible Abschnitt hat eine radiale Länge im Bereich von 5-15 mm. Der gebogene Ring hat vorzugsweise einen Durchmesser, der um etwa 5-15 mm größer ist als der Durchmesser der drehbaren Welle, die sich durch den Dichtungsring hindurch erstreckt.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

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Fig. 1 im Schnitt eine hydrodynamische Wellendichtung zeigt, die auf einer drehbaren Welle angeordnet ist.

Fig. 2 zeigt das Dichtungselement der hydrodynamischen Wellendichtung nach Fig. 1 im Schnitt.

Die hydrodynamische Wellendichtung 10 nach Fig. 1 dient zur ölabdichtung einer rotierenden Welle 36. Die Wellendichtung 10 hat ein Dichtelement 12, das allgemein aus einem flachen Ring oder einer ringförmigen Scheibe besteht. Das Dichtelement 12 hat einen fixierten Abschnitt 14 und einen flexiblen Abschnitt 16,und durch die Grenzfläche zwischen den beiden Abschnitten wird ein Ring 18 beschrieben, bzw. gebildet. Der Ring 18 ist gestrichelt dargestellt und er definiert die äußere Grenze des flexiblen Abschnittes 16 des Dichtelementes 12. Der Abschnitt 14 ist mittels eines äußeren Gehäuses 20 und eines inneren Gehäuseteiles 22 fixiert bzw. gehalten, wobei die beiden Gehäuseteile 20, 22 ausgebildet und angeordnet sind, wie in der Figur dargestellt, d.h. der Gehäuseteil 22 ist im Innern des Gehäuseteiles 20 angeordnet, beide Gehäuseteile haben etwa L-förmigen Querschnitt und zwischen ihren radialen Bunden ist der Dichtungsabschnitt 14 gehalten.

Der sich nach rechts erstreckende flexible Abschnitt 16 hat eine Fläche 24, die zur ülseite der Dichtung freiliegt, während die Fläche 26 des Abschnittes 16 zur Luftseite der Dichtungsanordnung gelegen ist. Das Dichtelement 12 hat ferner äußere und innere Kanten oder Ränder 28, 30, sowie einen Kontaktabschnitt 32, der in Kontakt mit der drehbaren Welle 36 steht. Der Kontaktabschnitt 32 liegt auf der luftseitigen Fläche 26 des Dichtelementes 12 und er wird auf seiner einen Seite durch die Stirnfläche bzw. die Randfläche 30 begrenzt.

In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform hat die innere Randfläche eine·Anzahl von Wellen 34, die als Bögen bezeichnet werden' können. Die Bögen 34 erzeugen eine axial gerichtete Pumpwirkung während der Drehung der Welle auf das öl, das über den Umfang der Welle 36 verteilt ist. So liegt z.B. öl in Umfangsrichtung längs der gestrichelten Pfeile X, bis es in Kontakt mit

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einem der Bögen 34 des inneren Randes 30 gelangt, zu welchem Zeitpunkt es nach rechts verdrängt wird, längs einer Bahn, die angenähert dem gekrümmten gestrichelten Pfeil Y folgt, unter der Annahme, daß die Welle 36 sich in Richtung Z relativ zum Dichtungsabschnitt 16 dreht. Die Bögen wirken in dieser Weise kontinuierlich und bewegen das ül axial einwärts in Richtung zur ülseite der Dichtungsanordnung.

In Fig. 2 ist das Dichtungselement 12 in nicht gebogenem Zustand dargestellt. Man erkennt, daß die ölseitige Fläche 24 und die luftseitige Fläche 26 des Dichtelementes 12 vom Außenrand 28 in Richtung zum Innenrand 30 einen zunehmend größeren Abstand voneinander haben. Vom Rand 28 zum Rand 30 divergieren die Flächen 24 und 26 fortlaufend und obwohl eine konstante Divergenz dargestellt ist, gehört auch eine nicht-konstante Divergenz zur Erfindung. Die Divergenz kann auch auf der ölseitigen Fläche 24 ausgebildet sein, oder sie kann symmetrisch zur radialen Achse des Elementes liegen. Die in der Figur dargestellte Divergenz ist an der luftseitigen Fläche 26 ausgebildet.

Der Querabstand der Flächen 24 und 26 am äußeren Rand 28 bildet die Wanddicke des äußeren Randes und wird, wie dargestellt, als Abstand "0" bezeichnet. Die Wanddicke am inneren Rand 30 ist als Abstand "P" bezeichnet. Das Maß "S" ist die Differenz zwischen "P" und "0" und es stellt die Größe der Divergenz oder die Differenz zwischen den Abständen der Flächen 24 und am Außenrand 28 und am Innenrand 30 dar. Der durchschnittliche Querabstand zwischen den Flächen 24 und 26 über die Länge des Dichtungselementes 12 ist die mittlere Wanddicke, die gegeben ist durch das Maß "0" plus einhalb "S". Das Maß "Q" ist die Differenz zwischen dem Querabstand an der Stelle des Ringes 18 und dem inneren Rand 30, d.h. "P" minus der Dicke an der Stelle des Ringes 18. Der Ring 18 wird in Richtung zur Welle verformt (Fig. 1), wenn die Fläche 26 des Dichtelementes 12 in Axialrichtung umgebogen wird zur Anpassung an die Welle. Die bevorzugte Divergenz der Flächen 24 und 26 liegt im Bereich von 0,15 - 1,5 mm je 25 mm (1 Zoll) radialer Länge des flexiblen Abschnittes 16 des Dichtelementes 12, wie noch erläutert wird.

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Unter den zahlreichen Variablen, die die Dichtwirkung beeinflussen, ist eine besondere, nämlich das Auslaufen oder die Exzentrizität der Welle beim Umlauf, welche sehr schwierig vorherzusagen und/oder bei der Konstruktion zu erfassen ist. Wie in der Fachwelt bekannt, fällt eine niedrige Exzentrizität in den Bereich von 0,025 - 0,125 mm, was z.B. bei Kurbelwellen erreicht wird, wenn die Exzentrizität einigermaßen nahe bei den Lagern gemessen wird. Eine mittlere oder mäßige Exzentrizität fällig in den Bereich von 0,125 - 0,375 π während eine hohe Exzentrizität oder ein hohes Auslaufen der Welle in den Bereich über 0,375 mm fällt. Der letzte Fall, d.h. ein hohes Auslaufen der Welle, tritt in extremen Umgebungen auf, beispielsweise wenn ein Lager stark abgenutzt ist, oder wenn die Welle nicht abgestützt ist. Bei der erfindungsgemäßen Dichtung erlaubt die Geometrie des Dichtungselementes jedoch eine wirksame Abdichtung, auch bei einem sehr starken Auslaufen oder Schlagen der Welle, bis herauf zu ingesamt 1,65 mm.

Bei einer starken Exzentrizität oder bei starkem Schlagen der Welle können, wie bekannt, die Trägheitskräfte so groß werden, daß eine periodische Trennung des Dichtelementes 12 von der Welle 34 auftritt. Bei stark schlagenden Wellen sollten daher die eingangs genannten Kräfte sorgfältig kontrolliert werden, um zu gewährleisten, daß das Sichtungselement 12 ständig Kontakt mit der Welle 34 hat.

Die insoweit beschriebene Erfindung bietet ein neuartiges Mittel zum Erreichen einer erfolgreichen Verteilung der Masse im Dichtungselement 12. Durch die Geometrie des flexiblen Abschnittes 16, welcher der aktive Abschnitt des Dichtungselementes ist,und die relativen Abmessungen der anderen Dichtungs- und Wellenparameter kann ein Ausgleich zwischen den eingangs genannten Formkräften und Ringkräften erreicht werden, wodurch die für die wirksame Abdichtung bei stark schlagenden Wellen schädlichen Trägheitskräfte überwunden werden können. Zu diesem Zweck ist nach der Erfindung eine fortlaufende Zunahme des Abstandes der Flächen 24 und 26 vom Ringquerschnitt 18 zum inneren Rand 30 zu vorgesehen.

Beispiel

Die nachfolgende Ausführungsform einer hydrodynamischen Wellendichtung wurde für eine Welle mit einem Durchmesser von 150 mm ausgeführt und es wurde gefunden, daß sie alle erforderlichen Eigenschaften einer wirksamen Dichtung bei extrem stark schlagenden Wellen hat bei Drehzahlen von 2400 Umdrehungen je Minute. Die mittlere Wanddicke "0" plus einhalb "S" lag im Bereich von 0,625 - 1>,25 mm. Das Maß "Q" war 0,1-0,3 mm über die Länge des flexiblen Abschnittes 16, dessen radiale Abmessung, gemessen von dem Ring 18 aus bis zur inneren Kante 30, einen Wert von 5-15 mm hatte. Die Divergenz der Flächen 24 und 26 vom Ring 18 aus bis zu inneren Kante lag im Bereich von 0,15 - 1,5 mm je 25 mm (1 Zoll) radialer Länge des flexiblen Abschnittes 16. Der mittlere innere Durchmesser des inneren Randes 30 des flexiblen Abschnittes 16 war 5-15 mm kleiner als der Durchmesser (150 mm) der Welle 36. Die Lage des Biegequerschnittes oder Ringes relativ zur Welle ist eine Funktion der Position der Innenkante 23 des inneren Gehäuseteiles 22 relativ zur Welle 36. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Innendurchmesser dieser inneren Kante 23 des Gehäuses 22 etwa 5-15 mm größer als der Durchmesser der Welle 36.

Die axiale Tiefe der Bögen oder Wellen 34, gemessen durch das Maß "T" in Fig. 1, lag im Bereich von 0,25 - 1,5 mm und die Anzahl der Wellen lag vorzugsweise im Bereich von zwei bis acht. Das Material des Dichtungselementes 12 ist vorzugsweise eine Form des Polytetrafluoräthylens.

Nachfolgend werden Werte für eine besonders erfolgreiche Dichtungsanordnung gegeben, wobei die Werte innerhalb der obigen Bereiche liegen:

a) Welle 36 = 152,4 mm

b) "Q" = 0,178 mm

c) ¹¹O" pius i/2 "S" = 1,08 mm

d) Innendurchmesser der Kante 23 = 9,14 mm größer als der Durchmesser der Welle 36

e) Mittlerer Durchmesser des Innenrandes 30 = 10,67 mm kleiner als der Durchmesser der Welle 36

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f) "T" =0,76 mm

g) Anzahl der Wellen 34 = 8.

Die hier für die hydrodynamische Teflon-Wellendichtung 10 gegebenen Parameter stellen einen Kompromiß dar zwischen der Lebensdauer des Dichtelementes 12 und der Abdichtwirkung bzw. Dichtungsfähigkeit des daraus gebildeten Dichtungssystems in Fällen, in denen ein extremes Schlagen oder •eine extreme Exzentrizität der Welle zu erwarten ist. Versuchsergebnisse zeigten, daß je größer das Verhältnis des Abstandes der Flächen 24, 26 am Innenrand 30 zum Abstand am Ring 18 ist, umso größer ist die Verschleißfestigkeit und die Unempfindlichkeit gegenüber Wärme des Kontaktabschnittes 32 des flexiblen Dichtungsabschnittes 16. Ferner wurde festgestellt, daß je größer dieses Dickenverhältnis wird, eine akzeptable Dichtwirkung, bis herauf zu einem Wert von "Q" = 0,3 mm, aufrechterhalten wurde, wobei alle anderen Parameter konstant gehalten wurden.

Da die Länge des flexiblen Abschnittes 16 im bevorzugten Bereich von 5-15 mm τiegt, ergibt sich, daß der Querabstand der Flächen 24 und 26 in den Bereich von 0,15 - 1,5 mm je 25 mm (1 Zoll) radialer Länge des flexiblen Abschnittes 16 fällt. Es wurde eine überlegene Dichtung erreicht, die ein Schlagen oder eine Exzentrizität der Welle bis herauf zu 1,65 mm einwandfrei aushält.

Die Erfindung schafft somit eine hydrodynamische Wellendichtung, die mit den hier genannten Betriebsparametern eine Leckage von ül unter Bedingungen einer extremen Exzentrizität der Welle beim Umlauf vermeidet. Obwohl eine hohe Divergenz der Flächen 24 und 26 die Dichtwirkung beeinflussen kann, werden die Lebensdauer der Dichtung, die Verschleißfestigkeit und die Unempfindlichkeit gegen die Temperatur an der Grenzfläche von Welle und Dichtung günstig beeinflußt, wenn die Divergenz zunimmt. Eine positive Divergenz ist daher erwünscht, eine zu hohe Divergenz sollte jedoch zweckmäßigerwiese vermieden werden. Der bevorzugte Bereich für das Maß "Q", d.h. der seitliche Abstand vom Ring 18 zum inneren Rand 30 (0,1 - 0,3 mm) basiert auf einer Kombination der Wellengrenzflachen-Temperatur, der Abnutzungsbreite des Kontaktabschnittes (die die Lebensdauer der Dichtung beeinflussen), sowie der Abdichtwirkung bei einem Gesamtschlag oder einer Gesamtexzentrizität der Welle von 1,65 mm.

Claims

A 14 685 Dana Corp.

Patentansprüche

.Π J Hydrodynamische Wellendichtung mit einem Dichtungselement mit zwei radial verlaufenden Flächen, im wesentlichen konzentrischen inneren und äußeren Rändern, die diese Flächen begrenzen, einem radial auswärts verlaufenden festen Abschnitt und einem radial einwärts verlaufenden flexiblen Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (24, 26) eine fortlaufende Divergenz vom äußeren Rand (28) zum inneren Rand (30) aufweisen, derart, daß der Abstand der beiden Flächen (24, 26) in Richtung vom äußeren Rand (28) zum inneren Rand (30) hin zunimmt und im Bereich von etwa 0,15 - 1,5 mm je 25 mm (0,006 - 0,06 Zoll je Zoll) radialer Länge des flexiblen Abschnittes (16) liegt.
2. Hydrodynamische Wellendichtung nach Anspruch 1, wobei das Dichtungselement in dichtendem Kontakt mit einer drehbaren Welle steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (12) eine mittlere Wanddicke im Bereich von 0,625 - 1,25 mm (0,025 - 0,05 Zoll) aufweist, und daß der flexible Abschnitt (16) des Dichtungselementes (12) eine radiale Länge im Bereich von 5-15 mm (0,2 - 0,6 Zoll) besitzt.
3. Hydrodynamische Wellendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Abschnitt (16) einen Kontaktabschnitt (32) längs der Fläche (26) aufweist, der, wenn das Dichtungselement (12) eingebaut ist, in Kontakt mit einer Welle (36) steht und sich axial längs der Welle erstreckt, und daß der innere Rand (30) im wesentlichen senkrecht relativ zur Welle (36) verläuft und den Kontaktabschnitt (32) begrenzt.
4. Hydrodynamische Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem festen Abschnitt (14) und dem flexiblen Abschnitt (16) des Dichtungselementes (12) ein flexibler

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ringförmiger Übergangsquerschnitt (18) gebildet ist, dessen Durchmesser etwa 5-15 mm (0,2 - 0,6 Zoll) größer ist als der Durchmesser der drehbaren Welle (36) auf welche das Dichtungselement aufgesetzt ist. ⁱ
5. Hydrodynamische Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im nicht-abgebogenen Zustand des Dichtungselementes (12) der innere Rand (30) einen mittleren Durchmesser hat, der um etwa 5-15 mm (0,2-0,6 Zoll) kleiner ist als der Durchmesser der Welle (36).
6. Hydrodynamische Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Rand (30) und die Kontaktfläche (32) des Dichtungselementes (12) in Umfangsrichtung in Form einer Mehrzahl von sich aneinander anschließenden bogenförmigen Segmenten (34) ausgebildet ist.
7. Hydrodynamische Wellendichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Tiefe (T) der bogenförmigen Segmente (34) im Bereich von 0,25 - 1,5 mm (0,01 - 0,06 Zoll) liegt.
8. Hydrodynamische Wellendichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der bogenförmigen Segmente im Bereich von zwei bis acht liegt.
9. Hydrodynamische Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,-dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (12) ein Polytetrafluoräthylen-Material ist.