DE3331788C2

DE3331788C2 - Hydrodynamische Wellendichtung

Info

Publication number: DE3331788C2
Application number: DE3331788A
Authority: DE
Inventors: Jerome E Schaus; Daniel Danek
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1982-09-29
Filing date: 1983-09-02
Publication date: 1994-02-17
Anticipated expiration: 2003-09-03
Also published as: DE3331788A1; JPH0319422B2; IT8349043A0; JPS5980569A; IT1168890B; US4440405A

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Wellendichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wellendichtungen sind in vielen Ausführungsformen bekannt. Bei einem stark exzentrischem Lauf einer Welle treten je doch Schwierigkeiten bei der Abdichtung auf.

In der US-PS 39 38 813 ist nun eine hydrodynamische Wellen dichtung beschrieben, die ein scheibenförmiges Dichtungs element aufweist, das in Betrieb abgewinkelt ist, wobei der radial äußere Rand in einem Gehäuse gehalten ist, während der radial innere Rand dichtend an einer Welle anliegt. Dieses bekannte Dichtungselement ist mehrlagig ausgebildet und seine Gesamtdicke ist überall dieselbe.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Dichtungs element der eingangs genannten Art hinsichtlich Dichtwir kung und Abnutzung zu optimieren, insbesondere zur Verwendung für Wellen mit hoher Exzentrizität.

Nach der Erfindung wird dies erreicht durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.

Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nach folgend anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigt

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

Fig. 2 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 festen Abschnitt 14 und einen flexiblen Abschnitt 16 und durch die Grenzfläche zwischen den beiden Abschnitten wird ein ringförmiger Querschnitt 18 gebildet. Der Querschnitt 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 Gehäuses 22 gehalten, wobei die beiden Gehäuse 20, 22 ausgebildet und angeordnet sind, wie in der Fig. 1 dargestellt, d. h. das Gehäuse 22 ist im Innern des Gehäuses 20 angeordnet, beide Gehäuse 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 Ölseite der Dichtung freiliegt, während die Fläche 26 des Abschnittes 16 zur Luftseite der Dichtungsanordnung gelegen ist. Das Dichtelement 12 hat ferner äußere und innere 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 Randfläche 30 begrenzt.

In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform hat die innere Randfläche 30 eine Anzahl von bogenförmigen Segmenten 34. Die Segmente 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 einem der Segmente 34 des inneren Randes 30 gelangt, zu welchem Zeitpunkt es nach rechts verdrängt wird, längs einer Bahn, die angenähert dem ge krümmten gestrichelten Pfeil Y folgt, unter der Annahme, daß die Welle 36 sich in Richtung Z relativ zum Dichtungsabschnitt 16 dreht. Die Segmente 34 wirken in dieser Weise kontinuierlich und bewegen das Öl axial einwärts in Richtung zur Ölseite 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 zu nehmend 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 Wand dicke des äußeren Randes und wird, wie dargestellt, als Abstand "O" be zeichnet. Die Wanddicke am inneren Rand 30 ist als Abstand "P" bezeichnet. Das Maß "S" ist die Differenz zwischen "P" und "O" und es stellt die Größe der Divergenz oder die Differenz zwischen den Abständen der Flächen 24 und 26 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 "O" plus einhalb "S" Das Maß "O" ist die Differenz zwischen dem Querabstand an der Stelle des Querschnittes 18 und dem inneren Rand 30, d. h. "P" minus der Dicke an der Stelle des Querschnittes 18. Der Querschnitt 18 wird in Richtung zur Welle verformt (Fig. 1), wenn die Fläche 26 des Dichtelementes 12 in Axialrichtung umgebogen wird zur An passung an die Welle. Die bevorzugte Divergenz der Flächen 24 und 26 liegt im Bereich von 0,15-1,5 mm je 25 mm radialer Länge des flexiblen Abschnittes 16 des Dichtelementes 12, wie noch erläutert wird.

Unter den zahlreichen Variablen, die die Dichtwirkung beeinflussen, ist eine besondere 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 fällt in den Bereich von 0,125-0,375 mm, 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 12 jedoch eine wirksame Abdichtung, auch bei einem sehr starken Auslaufen oder Schlagen der Welle, bis herauf zu insgesamt 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 Dichtungselement 12 ständig Kontakt mit der Welle 34 hat.

Durch die Geometrie des flexiblen Abschnittes 16, welcher der aktive Abschnitt des Dichtungselementes ist, und die relativen Abmessungen der anderen Dichtungs- und Wellenparameter können die für die wirksame Abdichtung bei stark schlagenden Wellen schädlichen Trägheitskräfte überwunden werden können. Zu diesem Zweck ist eine fortlaufende Zunahme des Abstandes der Flächen 24 und 26 vom Querschnitt 18 zum inneren Rand 30 zu vorgesehen.

Beispiel

Die nachfolgende Ausführungsform der hydrodynamischen Wellendichtung 10 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 "O" 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 Querschnitt 18 aus bis zum inneren Rand 30, einen Wert von 5-15 mm hatte. Die Divergenz der Flächen 24 und 26 vom Querschnitt 18 aus bis zum inneren Rand 30 lag im Bereich von 0,15-1,5 mm je 25 mm 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 Querschnittes 18 relativ zur Welle ist eine Funktion der Position der Innenkante 23 des inneren Gehäuses 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 Segmente 34, gemessen durch das Maß "T" in Fig. 1, lag im Bereich von 0,25-1,5 mm, und die Anzahl der Wellen lag im Bereich von zwei bis acht. Das Material des Dichtungselementes 12 ist eine Form des Polytetrafluoräthylens.

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

a) Durchmesser der Welle 36 = 152,4 mm
b) "Q" = 0,178 mm
c) "O" plus ½ "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
f) "T" = 0,76
g) Anzahl der Segmente 34 = 8.

Die hier für die hydrodynamische Teflon-Wellendichtung 10 gegebenen Para meter stellen einen Kompromiß dar zwischen der Lebensdauer des Dicht elementes 12 und der Dichtungsfähigkeit des daraus ge bildeten 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 Querschnitt 18 ist, umso größer ist die Verschleiß festigkeit und die Unempfindlichkeit gegenüber Wärme des Kontaktabschnittes 32 des flexiblen Dichtungabschnittes 16. Ferner wurde festgestellt, daß je größer dieses Dickenverhältnis wird, eine akzeptable Dichtwirkung, bis herauf zu einem Wert von "Q" = 0,3 min, aufrechterhalten wurde, wobei alle anderen Parameter konstant gehalten wurden.

Da die Länge des flexiblen Abschnittes 16 im bevorzugten Bereich von 5-15 mm liegt, ergibt sich, daß der Querabstand der Flächen 24 und 26 in den Bereich von 0,15-1,5 mm je 25 mm radialer Länge des flexiblen Abschnittes 16 fällt. Es wurde eine 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 Öl 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 Un empfindlichkeit 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 zweck mäßigerwiese vermieden werden. Bereich für das Maß "Q", d. h. der seitliche Abstand vom Querabschnitt 18 zum inneren Rand 30 (0,1-0,3 mm) basiert auf einer Kombination der Wellengrenzflächen-Temperatur, der Abnutzungsbreite des Kontaktabschnittes (die die Lebensdauer der Dichtung beeinflussen), sowie der Abdichtwirkung bei einer Gesamtexzentrizität der Welle von 1,65 mm.

Claims

1. Hydrodynamische Wellendichtung mit einem Dichtungs element, bestehend aus einer ringförmigen Scheibe mit einer im wesentlichen konzentrisch verlaufenden radial äußeren und radial inneren Begrenzungsfläche, wobei im Betriebszustand das Dichtungselement etwa L-förmig ab gewinkelt wird, indem der radial äußere feste Abschnitt in einem ringförmigen Gehäuse gehalten ist, während der radial innere flexible Abschnitt an einer Welle oder dgl. dichtend anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (14, 16) einlagig ausgebildet ist, und die im nicht abgewinkelten Zustand axialen Stirnflächen (24, 26) ausgehend von der radial äußeren Randfläche (28) zur radial inneren Randfläche (30) eine fortlaufende kon stante Divergenz aufweisen, derart, daß der Abstand der beiden Flächen (24, 26) in Richtung vom äußeren Rand (28) zum inneren Rand (30) zunimmt und die Zunahme des Abstandes 0,15-1,5 mm je 25 nun radialer Länge des flexiblen Abschnittes (16) beträgt.

2. Hydrodynamische Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (14, 16) eine mittlere Wanddicke von 0,625-1,25 mm und der flexible Abschnitt (16) des Dichtungselementes eine radiale Länge von 5-15 mm aufweisen.

3. Hydrodynamische Wellendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Abschnitt (16) einen Kontaktabschnitt (32) längs der Stirnfläche (26) aufweist, der bei eingebautem Dichtungselement in Kontakt mit der Welle (36) steht und sich axial längs der letzteren erstreckt, und daß die innere Randfläche (30) im we sentlichen senkrecht zur Welle (36) verläuft und den Kontaktabschnitt (32) begrenzt.

4. Hydrodynamische Wellendichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwi schen dem festen Abschnitt (14) und dem flexiblen Ab schnitt (16) des Dichtungselementes ein flexibler, ringförmiger Übergangsquerschnitt (18) gebildet ist, dessen Durchmesser etwa 5-15 mm größer ist als der Durchmesser der Welle (36), an welcher das Dichtungs element dichtend anliegt.

5. Hydrodynamische Wellendichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im nicht-abgebogenen Zustand des Dichtungselementes (14, 16) der innere Rand (30) einen mittleren Durchmes ser hat, der um etwa 5-15 mm kleiner ist als der Durchmesser der Welle (36).

6. Hydrodynamische Wellendichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Rand (30) und der Kontaktabschnitt (32) des Dichtungselementes (14, 16) 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 bogen förmigen Segmente (34) im Bereich von 0,25-1,5 mm liegt.

8. Hydrodynamische Wellendichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der bogenförmigen Segmente zwei bis acht beträgt.

9. Hydrodynamische Wellendichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (14, 16) ein Polytetrafluorethylen- Material ist.