DE3534842A1 - Dichtungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung mit radialer und axialer Dichtwirkung.

Es ist bekannt, einen und denselben Dichtringkörper mit einer radial wirkenden Dichtfläche, die beispielsweise auf eine Welle oder eine Gehäusebohrung wirkt, und einer axial wirkenden Dichtfläche, die beispielsweise auf eine quer zur Wellen­ richtung verlaufende Gehäusewand oder einen Wellenbund wirkt, auszustatten. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Dichtungsanordnung zu schaffen, die besonders wirk­ sam ist und vielseitig angewendet werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht in der Kombination der Merkmale:

• a) es ist ein Dichtring aus nachgiebigem Werkstoff mit einem einer radial wirkende und einem eine axial wirkende Dichtfläche bildenden Schenkel vorgesehen;
• b) zwischen den Schenkeln befindet sich ein Spreiz­ ring;
• c) es ist ein Stützring vorgesehen zur Beauf­ schlagung des Spreizrings mit einer die Schenkel auseinandertreibenden Kraft.

Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung hat den Vorteil, daß das Verhältnis der an der axialen und an der radialen Dicht­ fläche wirkenden Dichtkräfte durch die Querschnittsgestalt des Dichtrings, des Spreizrings und des Stützrings von vornherein weitgehend festgelegt werden kann. Die Anordnung ist auch im Prinzip unabhängig davon, ob und an welcher der Dichtflächen Relativbewegungen auftreten. Die Anordnung kann sowohl als statische Dichtung als auch als Dichtung mit begrenzter Relativbewegung als auch als dynamische Dichtung an einer beliebigen Dichtfläche eingesetzt werden. Es werden keine besonderen Anforderungen an die Gestalt der Einbau­ räume gestellt. Beispielsweise ist es nicht erforderlich, eine der Gestalt der Anordnung mehr oder weniger genau ent­ sprechende Aufnahmenut vorzusehen.

Die mit dem Spreizring zusammenwirkende Stützfläche des Stütz­ rings ist zweckmäßigerweise derart geneigt, daß die Stützflächen­ normale zwischen den Richtungen der Dichtflächen liegt. Wenn die Stützflächennormale die Winkelhalbierende zwischen den Dichtflächen bildet und die beiden Schenkel sowie der Spreiz­ ring im Querschnitt symmetrisch sind zu dieser Winkelhalbierenden, wird auf beide Dichtflächen im wesentlichen dieselbe Dichtkraft ausgeübt. Durch entsprechende Variationen der geometrischen Ver­ hältnisse kann erreicht werden, daß die Dichtkräfte in vorbe­ stimmter Weise unterschiedlich sind. Beispielsweise kann vorge­ sehen sein, daß der die radial wirkende Dichtfläche bildende, im wesentliche axial verlaufende Schenkel mit einer höheren Kraft beaufschlagt wird, damit ein gewisses Spiel zwischen diesem Schenkel und der Gegendichtfläche unter entsprechender Umfangs­ kompression dieses Schenkels überwunden werden kann.

Vorteilhafterweise ist die Stützfläche konisch, wobei der Konuswinkel bestimmt, in welchem Verhältnis die in axialer Richtung von dem Stützring übertragene Kraft auf eine radiale und eine axiale Komponente aufgeteilt wird. Dabei kann der­ jenige Teil der Stützfläche, der für ein Zusammenwirken mit dem Spreizring im Relativbewegungsbereich dieser Teile in Frage kommt, mit Vorteil etwa gleichbleibenden Konuswinkel haben. Jedoch kann es auch zweckmäßig sein, die Stützfläche zur genaueren Festlegung der Lage des Spreizrings auszukehlen. Dies ist insbesondere dann zulässig, wenn der Spreizring eine gewisse Querschnittsnachgiebigkeit besitzt, so daß die Spreiz­ wirkung nicht unbedingt mit einer Relativbewegung zwischen dem Spreizring und der Stützfläche gekoppelt zu sein braucht.

Für das Zusammenwirken des Spreizrings mit den Schenkeln des Dichtrings können zusammenwirkende Keilflächen am Spreizring und/oder an den Dichtringschenkel vorgesehen sein, deren geometrische Anordnung ebenso wie die Lage der Stützfläche Einfluß auf die Aufteilung der Kräfte hat.

Statt dessen oder zusätzlich kann der Spreizring eine im Längsschnitt oval verformbare Gestalt haben, beispielsweise als ringförmig gewickelte Feder oder als gummielastischer Ring wobei die auf ihn ausgeübte Stützkraft eine Spreizung zu den beiden Schenkeln hin zur Folge hat und damit eine Aufteilung der vom Stützring ausgeübten Axialkraft auf die beiden Dicht­ flächen. Beispielsweise kann der Spreizring als Ringfeder ausgebildet sein, wobei er auch eine Vorspannkraft auf den axial verlaufenden Schenkel des Dichtrings ausüben kann. Es kann aber daneben auch noch eine zusätzliche Vorspannfeder vorgesehen sein.

Wenn die Anordnung eine Feder zur Erzeugung der Stützkraft ent­ hält, ist es zweckmäßig, wenn diese von einem oder mehreren der die Anordnung bildenden Ringe gebildet ist, insbesondere von dem Stützring.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung als Sekundärdichtung in einer Gleitring­ dichtungsanordnung, wobei sie die axiale Gleitringdichkraft überträgt. Im Stand der Technik ist es üblich, die Sekundär­ dichtung in einer Ausdrehung des Gleitrings derart unterzu­ bringen, daß sie zwischen den einander gegenüberstehenden Zylinderflächen der Ausdrehung einerseits und der Welle bzw. des Gehäuses andererseits wirken kann. Dies hat den Nachteil, daß die Ausdrehung den Gleitring schwächt, was insbesondere bei der Fertigung desselben aus sprödem oder zugspannungs­ empfindlichem Material wie Keramik oder Kohlenstoff nachteilig ist. Da die erfindungsgemäße Sekundärdichtung auf eine im wesentlichen radiale Stirnfläche des Gleitrings wirkt, ist eine Ausdrehung in demselben nicht erforderlich. Die Vor­ spannung des Dichtringschenkels gegen diese Stirnfläche ist der auf den Gleitring übertragenen Axialkraft gleich und daher stets ausreichend, wobei die Dichtpressung durch den im Betrieb auftretenden Differenzdruck in üblicher Weise erhöht werden kann. Die Dichtpressung an der zylindrischen Gegen­ dichtfläche wird bestimmt durch das Übersetzungsverhältnis, mit dem die Spreizringanordnung einen Teil der Axialkraft in Radialrichtung umlenkt. Da die Spreizwirkung auf der Querschnittsgeometrie beruht, kann die Größe dieser in Radial­ richtung umgelenkten Kraftkomponente leicht vorbestimmt werden, wobei sie praktisch unverändert bleibt, weil die geometrischen Verhältnisse von Verschleiß und/oder betriebsbedingter Ver­ formung des Dichtrings im wesentlichen unbeeinflußt bleiben.

Durch geeignete Bemessung der Winkelverhältnisse läßt sich die Größe der in Radialrichtung abgeleiteten Kraft leicht vorherbestimmen.

Je größer beispielsweise der zwischen der konischen Ring­ fläche und der Wellenachse eingeschlossene Winkel ist, um so geringer ist die radiale Kraftkomponente, und umge­ kehrt. Je geringer der Keilwinkel ist, den die für das Zusammenwirken des Spreizrings mit dem radialen Dichtring­ schenkel maßgebende Keilfläche mit der Achsrichtung ein­ schließt, um so größer ist die radiale Kraftkomponente, und umgekehrt. Je geringer der Keilwinkel ist, der zwischen den für das Zusammenwirken des Spreizrings mit den beiden Dichtringschenkeln maßgebenden Keilflächen ist, um so größer ist die radiale Kraftkomponente.

Damit der Spreizring in der Lage ist, eine radiale Kraft­ komponente zu übertragen, muß er eine gewisse radiale Nachgiebigkeit aufweisen, die durch Nachgiebigkeit in Umfangsrichtung zustande kommt. Da die dem Spreizring ab­ verlangte Radialverformung gering ist, braucht auch die erwähnte Nachgiebigkeit in Umfangsrichtung nicht groß zu sein.

Wenn im Zusammenhang der Erfindung von einem Gleitring ge­ sprochen wird, so bezieht sich dies zwar vorzugsweise auf den mit der Welle rotierenden und/oder axial nachstell­ baren Gleitring; jedoch soll der Begriff auch den im Ge­ häuse angeordneten und/oder axial festliegenden Ring um­ fassen, der mitunter auch als Gegenring bezeichnet wird.

Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Gleitringdichtung,

Fig. 2 und 3 Teillängsschnitte durch die Dichtung gemäß Fig. 1 in zwei unterschiedlichen Ausführungsformen in vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 eine Anordnung eines Wellendichtrings und

Fig. 5 eine Anordnung eines Gehäusedichtrings.

Gemäß Fig. 1 ist auf der Welle 1 mittels einer Schraube 2 das Gleitringgehäuse 3 festgesetzt. Darin enthalten ist die Hauptfeder 4, die über einen Stützring 5 auf die Sekundär­ dichtung 6 einwirkt, die dem Gleitring 7 zugeordnet ist, der auf den Gegenring 8 einwirkt, der im nicht dargestellten Ge­ häuse mittels des O-Rings 9 festgelegt und abgedichtet ist.

Gemäß Fig. 2 wendet der Stützring 5 der Sekundärdichtung 6 eine hohlkonische Stützfläche 10 zu, deren Konuswinkel (Winkel zwischen Konusmantellinie und Achsrichtung) etwa 45° be­ trägt und der entsprechend der gewünschten Radialkraft an der Dichtung variiert werden kann. Da die Sekundärdichtung im dargestellten Fall auf die Umfangsfläche einer Welle wirkt und daher eine nach innen gerichtete Radialkraft erzeugt werden muß, ist die Stützfläche 10 hohlkonisch. Entsprechend umgekehrt ist die Anordnung im Falle einer auf eine Gehäusebohrung gerichteten Sekundärdichtung.

Die Sekundärdichtung besteht aus einem Dichtring 11 und einem Spreizring 12. Der Dichtring 11 weist einen radial verlaufenden Schenkel 13 auf, der auf die radiale Stirn­ fläche 14 des Gleitrings 8 in axialer Richtung einwirkt, und einen axialen Schenkel 15 auf, der auf die Umfangs­ fläche der Welle 1 in radialer Richtung einwirkt. Eine Ausdrehung im Gleitring ist im Gegensatz zu bekannten Gleit­ ring-Sekundärdichtungen nicht erforderlich, so daß die Festigkeit des Gleitrings nicht beeinträchtigt wird.

Die Dichtringschenkel 13, 15 besitzen nach bekannten Ge­ sichtspunkten zweckmäßig gestaltete Dichtflächen, die in den dargestellten Beispielen im Längsschnitt gezahnt sind. Ihre einander zugewendeten Rückflächen 18, 19 bilden Keil­ flächen, die den Spreizring 12 einschließen, wobei ihre Winkel zueinander bzw. zur Achsrichtung das Übersetzungsver­ hältnis bestimmen, das für die Größe der Radialkraft 20 maßgebend ist, das bei der gegebenen geometrischen Anordnung aus der Axialkraft 21 abgeleitet wird und die Dichtvor­ spannung des Schenkels 15 bestimmt. Im dargestellten Bei­ spiel schließen die Keilflächen 18, 19 miteinander einen unter 90° liegenden Winkel ein, wobei die Winkelhalbierende etwa lotrecht zur Konusfläche 10 verläuft. Zwar ist eine solche Anordnung zweckmäßig; jedoch können auch durchaus andere Winkelverhältnisse gewählt werden. Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform schließen die Konusfläche 10 und die Keilfläche 19 jeweils entgegengesetzt gleiche Winkel mit der Axialrichtung ein, während die Keilfläche 18 in Axialrichtung verläuft, also den Keilwinkel Null hat.

Auf eine etwaige Verformung des Spreizrings 12 kommt es in diesem Zusammenhang nicht an, weil die für das Über­ setzungsverhältnis maßgebenden Keilwinkel von den Flächen 10, 18 und 19 bestimmt sind.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 stimmt mit demjenigen gemäß Fig. 2 mit Ausnahme der im folgenden geschilderten Merkmale überein.

Mittels eines axialen Ansatzes 16 ist der Dichtring 11 in einer kleinen Ausdrehung 17 des Gleitrings 8 fixiert, wobei die Größe dieser Ausdrehung so gering ist, daß sie die Festigkeit des Gleitrings nicht vesentlich beeinträchtigt.

Der Spreizring 22 ist durch die in Pfeilrichtung 23 von dem Konusring 5 auf ihn ausgeübte Kraft in seiner Längsschnittgestalt derart verformbar, daß er sich in Richtung dieser Kraft zusammendrücken läßt und sich quer dazu aufweitet, wie dies übertrieben strichpunktiert bei 24 angedeutet ist. Die einander zugewendete Rückflächen der Dichtringschenkel 13, 15 sind taschenartig entspre­ chend der Gestalt des Spreizrings 22 geformt, wie dies bei Dichtungen zur Aufnahme von Vorspannfedern an sich bekannt ist. Sie können daher der erwähnten Spreizbewegung des Spreizrings 22 nicht ausweichen, so daß diese zur Bildung der Dichtkraft auf die Dichtringschenkel über­ tragen wird. Da die mit dem Spreizring 22 zusammenwirken­ den Oberflächen 25, 26 außerdem auch als Keilflächen im Sinne des Beispiels Fig. 1 mit variablem Keilwinkel aufgefaßt werden können, findet eine Radialkraftbildung auch nach dem Keilprinzip statt.

Fig. 4 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einer Wellen­ dichtringanordnung. In einer Ausdrehung 30 des Gehäuses 31 ist die aus dem Dichtring 11, dem Spreizring 12 und dem Stützring 5 bestehende Dichtringanordnung mittels eines Sprengrings 32 festgelegt, wobei der Abstand zwischen dem Sprengring 32 und der Stirnfläche 33 der Ausdrehung 30 so bemessen ist, daß der als Feder wirkende Spreizring 12 ein wenig kompimiert wird. Dadurch wird die axial wirkende Dicht­ fläche des radialen Schenkels 13 gegen die zugehörige Gegen­ dichtfläche 34 des Gehäuses gepreßt. Gleichzeitig wird durch die oben erläuterte geometrische Anordnung auch eine radiale Kraftkomponente zur Anpressung des Schenkels 15 an der Ober­ fläche der Welle 1 erzeugt.

In dem Stützring 5 ist eine flache Eindrehung 35 vorgesehen, in die sich ein Teil des Umfangs des Spreizrings 12 legt. Die Kehle 35 ist mit Riefen versehen, die zwischen die einzelnen Bindungen des als Schraubenfeder ausgebildeten Spreizring 12 geifen, so daß ein hinreichender Reibschluß zur Fixierung der Dichtungsringanordnung gegenüber dem Gehäuse 31 zustande kommt.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist eine der Fig. 4 ähnliche Ausführung als Gehäusedichtringanordnung dargestellt, d.h., die Dichtringanordnung läuft mit der Welle 1 um, auf der der Stütz­ ring 5 mittels der Schraube 36 festgesetzt ist. Der Dichtring­ schenkel 15 bildet an der Welle eine statische Dichtfläche, während der Schenkel 13 an der Gegendichtfläche 34 eine dynamische Dichtung bildet. Die Stützfläche 10 des Stützrings 5, die in diesem Falle ohne Auskehlung ausgebildet ist, kann in der gleichen Weise gerieft sein, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben wurde.

Die erfindungsgemäße Dichtung kann weitgehend frei von Spalten ausgeführt werden, insbesondere wenn die in den dargestellten Ausführungsbeispielen vorgesehenen Riefen in der Dichtfläche weggelassen werden. Sie eignet sich daher auch besonders für Anwendungszwecke in der Nahrungsmittel- und pharmazeutischen Technik.

Claims (13)

1. Dichtungsanordnung mit radialer und axialer Dichtwirkung, ge­ kennzeichnet durch die Merkmale:

• a) ein Dichtring (11) aus nachgiebigem Werkstoff mit einem eine radial wirkende und einem eine axial wirkende Dichtfläche bildenden Schenkel (13, 15),
• b) ein Spreizring (12, 22) zwischen den Schenkeln
• c) ein Stützring (5) zur Beaufschlagung des Spreizrings (12, 22) mit einer die Schenkel (13, 15) auseinander­ treibenden Kraft.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Spreizring (12, 22) zusammenwirkende Stütz­ fläche (10) des Stützrings (5) derart geneigt ist, daß die Stützflächennormale (23) zwischen den Richtungen der Dicht­ flächen liegt.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfläche (10) konisch ist.

4. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Spreizring (12, 22) zusammen­ wirkende Stützfläche (10) des Stützrings (5) ausgekehlt (35) ist.

5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spreizring mit den Dichtring­ schenkeln (13, 15) zusammenwirkende Keilflächen aufweist.

6. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtringschenkel (13, 15) mit dem Spreizring (12) zusammenwirkende Keilflächen (18, 19) auf­ weisen.

7. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spreizring (22) eine im Längsschnitt ringförmige, oval verformbare Gestalt hat.

8. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spreizring (12, 22) als Feder aus­ gebildet ist.

9. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (11) eine zusätzliche Vor­ spannfeder enthält.

10. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Feder zur Erzeugung der Stütz­ kraft enthält.

11. Dichtungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder zur Erzeugung der Stützkraft von einem oder mehreren der die Anordnung bildenden Ringe gebildet ist.

12. Dichtungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Spreizring (12, 22) die Feder bildet.

13. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß sie als Sekundärdichtung (6) in einer Gleitringdichtungsanordnung die axiale Gleitring­ dichtkraft (21) überträgt.