DE3346073C2 - Wellendichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abdichtung eines relativ zu einem anderen rotierenden und aus diesem herausragenden Maschinenteil mit einem mit dem rotierenden Maschinenteil fest verbundenen Wellendichtring mit axialen oder radialen elastischen Dichtlippen bekannter Bauart, so daß bei Stillstand oder langsamen Relativbewegungen eine hermetische, berührende Abdichtung gegeben ist, und bei der mit zunehmender Relativgeschwindigkeit vorbestimmbar und von außen regelbar die Dichtlippe entlastet wird und von der Dichtfläche abhebt und in eine berührungsfreie Wellendichtung übergeht. Erfindungsgemäß wird über einen Kranz von Düsenbohrungen zwischen dem Wellendichtring und der Dichtfläche Druckluft eingeblasen und somit ein Druckpolster erzeugt. Vorteilhafterweise wird nur in der Anlaufphase beziehungsweise bei niedrigen Drehzahlen die das Abheben der Dichtung unterstützende Druckluft zugeschaltet. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

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Zum Abdichten sich gegeneinander drehender Teile werden Dichtungen verwendet Diese Dichtungen wirken im allgemeinen zwischen einem feststehenden Gehäuse und einer drehbar gelagerten, aus dem Gehäuse herausragenden Welle. Spindeln in allen bekannten Formen und für die unterschiedlichen Anwendungen können nur störungsfrei arbeiten und hohe Gebrauchsdauern erreichen, wenn sie durch wirksame Dichtungen während der gesamten Betriebszeit geschützt werden, so daß das Eindringen von Schmutz und Flüssigkeit und in vielen Anw cndungsfällen auch das Austreten von Schmierstoffen verhindert wird.

Es gibt eine Vielzahl von berührenden und berührungsfreien Wellendichtungen, di- sehr genau in den Standard-Handbüchern für den Maschinen- und Apparatebau und in den Hcrsteüerdruckschriften beschrieben sind.

Berührende Dichtungen, bei denen die Dichtlippen mit einem definierten Anlagedruck auf den drehenden Maschinenteilen schleifen, dichten in der Regel sicher gegen eindringende Fremdstoffe ab, sie sind jedoch bei hohen Drehzahlen, bedingt durch den schleifenden Kontakt und die dabei erzeugte Reibungswärme, nur beschränkt einzusetzen, da sie entweder durch die Reibung und Wärme zerstört werden und/oder diese Temperaturerhöhung die benachbarten Bauteile, im Regelfall die Lagerung, bzw. das gesamte System nachteilig beeinflussen.

Die Gebrauchsdauer der Lagerungen und der Schmierstoffe werden bei erhöhter Betriebstemperatur erheblich reduziert Die zulässige maximale Umfangsgeschwindigkeit der berührenden Dichtungen unterschiedlicher Ausführung ist begrenzt und hängt ab von der Bauform, den Umgebungsbedingungen sowie von den Werkstoffen der Dichtung. Erheblichen Einfluß haben auch die Schmierung und die Beschaffenheit der Gegenlauffläche zur Dichtlippe.

Die obere Einsatzgrenze für die Berührungsdichtungen liegt bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 30 m/s. Werden die von den Herstellern vorgeschriebenen Ein· baumaße eingehalten, so treten Temperaturen an den Laufflächen auf, die zu einer Erwärmung und damit verbundenen Maßänderung im Lager- und Spindelsystem führen, die die Genauigkeit und Funktion der Maschine wesentlich beeinträchtigen.

Berührungsfreie Dichtungen mit einem sehr engen glatten radialen oder axialen Spalt oder mit einem Labyrinthspalt, die bislang in schnelldrehenden Spindeln eingesetzt sind, werden nicht in allen Anwendungsfällen ihrer Aufgabe gerecht

Allgemein wird zusätzlich vor die berührungsfreie Dichtung eine mit der Welle rotierende Schildscheibe gesetzt, die das direkte Auftreffen von Verunreinigungen und Flüssigkeiten auf den Dichtspalt verhindert und Schmutz und Flüssigkeit wieder abschleudert Die Wirksamkeit der Dichtung, die bestimmt wird von der Länge des Dichtspaltes oder der Anzahl der Labyrinthe, ist mit dem häufig nur geringen zur Verfügung stehenden Einbauraum oft sehr begrenzt

Um eine steife Spindel zu bekommen, muß der Abstand zwischen dem äußeren Kraftangriffspunkt am Spindelwellenende und der Lagerstelle so kurz wie nur möglich sein.

Um während des Schleifvorganges das Eindringen von Kühlmittel und Schmutz zu verhindern, kann auch ein Sperrmedium z. B. Druckluft eingesetzt werden und die Dichtwirkung verstärken. Wird aber beim Abschalten der Spindel die Sperrluft oder der mit Druckluft zugeführte ölnebel abgeschaltet, so kann Tropfwasser aus dem Arbeitsraum durch den Dichtspalt bzw. Labyrinth ins Spindelinnere gelangen.

Ebenso ist das Eindringen von Kühlmittel möglich, wenn bei geringen Drehzahlen die Schleuderwirkung der Schildscheibe nicht mehr vorhanden ist und die Sperrluft ausfällt

Vor allem bei den modernen Hochleistungszerspanungstechnologien im Maschinen- und Apparatebau, ebenso wie bei der Holz-, Stein- und Substratbearbeitung für die Elektronikindustrie, müssen sehr große Kühlmittelmengen an die Werkzeugeingriffzone gebracht werden, um die Zerspanungswärme und die Späne abzuführen.

Die deutlich größere Kühlmittelmenge, die sehr häu-

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Hg UIlLCl IIWllClll L/l UUlV ^UgClUIIIl 1TCIUCII UlUW, Cl IUI " dert eine verbesserte Abdichtung der Arbeits- und Werkstückspindeln gegen eindringende Flüssigkeit und Schmutz.

Hierzu sind bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden, die aber in keinem Fall die Aufgabenstellung befriedigend erfüllen. So wird in der FR-OS 24 80 390 ein elastischer, berührender, axialer Dichtring verwendet der gegen eine plane Dichtfläche am nicht rotierenden Maschinenteil drückt In den ringförmigen Raum zwischen Wellendichtring und Dichtfläche wird durch ungezieltes Einblasen von Druckluft ein Druckpolster aufgebaut welches bei Erreichung einer bestimmten Druckhöhe theoretisch ein Abheben der Dichtkante zur Folge hat In der Praxis stellt sich bei dieser Anordnung jedoch heraus, daß die nie vollständig iiomogen ausgebildete Dichtlippe an der weichsten bzw. schwächsten Stelle dem aufgebauten Druckpolster nachgibt und dort abhebt, wodurch hier Luft entweichen kann, während das restliche Dichtungssegment weiterhin an der Gegenfläche anliegt, so daß die gewünschte Berührungsfreiheit nicht erreicht wird.

Mit dem gleichen Prinzip arbeitet die Dichtung nach DE-OS 26 43 769, wobei hier als weiterer Nachteil zu sehen ist, daß zwar das erzeugte Druckpolster die nach außen gerichtete Dichtlippe teilweise abhebt, aber die letzte Dichtlippe zusätzlich gegen die rotierende Welle preßt.

In der Patentschrift US-PS 29 02 301 ist eine axiale Gleitringdichtung beschrieben, die zwischen den sehr ebenen Gleitflächen dichtet und zwischen welche — wie bei den Gleitlagern — Druckluft oder ein Fluid mit Schmiereigenschaften gepreßt wird, um die Gleitrei-

bung zu vermindern. Die abströmende Luft oder das Fluid wirkt dann gleichzeitig als Sperrmedium.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Arbeits- und Werkstückspindeln während des Arbeitsprogrammes und während der Stillstandsphasen gegen Eindringen von Kühlflüssigkeit abzudichten.

Es ist also eine Wellendichtung notwendig, die bei Stillstand und sehr niedrigen Drehzahlen der Welle diese hermetisch nach außen abdichtet und die bei mittleren bis zu den höchsten Drehzahlen wie eine beruhrungslose Dichtung wirkt

Die Aufgabenstellung wird gelöst durch Verwendung einer elastischen und berührenden Wellendichtung bekannter Bauart, die auf dem rotierenden Teil des Spindelsystems montiert ist und deren Anlagedruck an die Dichtfläche mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit, da die dabei wirksam werdenden Fliehkräfte an der Dichtlippe den Anlagedruck mehr und mehr aufheben, abnimmt und schließlich ganz aufgehoben wird.

Um das Abheben der Dichtlippe von; der Dichtfläche zu unterstützen und bereits bei wesentlich niedrigerer Umfangsgeschwindigkeit zu bewirken, wird ertindungsgemäß Druckluft über eine Vielzahl von kleinen Düsenbohrungen, die in geeigneter Weise über die Dichtlippe verteilt angebracht sind, genau in die Kontaktfläche zwischen elastischer Dichtlippe und Dichtfläche geblasen. Der kleine Durchmesser und die Länge und Anordnung der Düsenbohrungen sind entscheidend, da jede Düsenbohrung als KapiUardrossel wirkt und in einer bestimmten Kreisringlänge zwischen Dichtlippe und Dichtfläche gleiche Druckverhältnisse schafft und somit sicherstellt, daß die Dichtlippe ab einem bestimmten Luftdruck gleichmäßig abheben muß.

Das somit erzeugte Luftpolster läßt in idealer Weise den Abhebezeitpunkt regeln. So wird bei langsamen und schnellen Drehzahlen eine wirkungsvolle Abdichtung erreicht, die die Eigenschaften der Spindel nicht nachteilig beeinflußt

Die abgeschaltete Spindel ist so, mit und ohne Druckluftbeaufschlagung, sicher vor eindringendem Schmutz und Flüssigkeit geschützt. Der beispielhafte Aufbau einer erfindungsgemäßen Dichtung ist in der Abbildung dargestellt.

F i g. 1 Querschnitt durch das Dichtungs-/Lagersystem einer Spindel mit einer elastischen Axialwellendichtung In F i g. 1 ist der Axialwellendichtring 1 in der Schildscheibe 2 befestigt, mit der die Lager 4 und 5 auf der Welle 3 fixiert werden. Die Gegenlaufscheibe 6 ist an ihrer Dichtfläche 12 mh vielen kleinen Bohrungen 8 versehen, deren Teilkreis auf dem Lippendurchmesser des AxialwcUendichtringes 1 liegt und die durch den Druckluftanschluß 10 mit Luft versorgt werden.

Als weitere Möglichkeit wird die Gegenlaufscheibe 6 aus porösem Sintermaterial, also luftdurchlässigem Material, ausgeführt

Die Dichtlippe 11 stützt sich an der Dichtfläche 12 ab. Mit steigender Drehzahl der mit der Welle 3 über die Schildscheibe 2 fest verbundenen Wellendichtung 1 nehmen die Fliehkräfte an der Dichtlippe 11 zu und versuchen die schräg an die Dichtlippe 12 angestellte eo Dichtlippe 11 radial nach außen auszurichten.

Dabei nimmt der Anlagedruck der Dichtlippe 11 an die Dichtfläche 12 bis auf den Wert 0 ab, bis schließlich die Dichtlippe 11 von der Dichtfläche 12 abhebt. Um den Abhebevorgang der Dichtung zu unterstützen, wird Druckluft verwendet, din zwischen der Dichtlippe 11 und der Dichtfläche 12 ein Luftpolster aufbaut ur' der Anlagekraft der Dichtlippe 11 entgegenwirkt. Die Abhebedrehzahl der Dichtlippe 11 von der Dichtfläche 12 kann somit auf niedrigere Drehzahlen vorverlegt werden und ebenso kann die Reibung im Obergangsbereich minimiert werden. So wird bei schnellen und langsamen Drehzahlen eine wirkungsvolle Abdichtung erreicht Ebenso ist die stehende Spindel, mit und ohne Druckbeaufschlagung, vor eindringendem Tropfwasser geschützt

Die Labyrinthe innerhalb der schleifenden Abdichtung haben die Aufgabe, einen größtmöglichen Widerstand gegen Eindringen von Druckluft in das Spindelinnere zu gewährleisten, damit ein Austreiben des Grundöls aus dem Fett der Lager nicht stattfindet und die nach außen strömende Luft einen genügenden Schutz gegen eindringende feste Partikel bietet und dadurch die Dichtlippe vor Verschleiß geschützt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   Vorrichtung zur Abdichtung eines relativ zu einem anderen rotierenden und aus diesem herausragenden Maschinenteil festverbundenen Dichtring mit einer elastischen Lippe, die bei Stillstand oder niedriger Drehzahl berührend abdichtet und bei höherer Drehzahl unter Wirkung der Fliehkraft abhebt, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, um die elastische lippe in Abheberichtung mit Druckluft zu beaufschlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen aus einem in dem nicht rotierenden Teil (6) angeordneten Kranz von Düsenbohrungen bestehen, deren Teilkreis auf dem Lippendurchmesser (11) des Dichtrings (1) liegt