DE3617863A1 - Spritzring-labyrinthdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine berührungsfreie Dichtung für flüssigkeitsbe­ spritzte Wellendurchtrittsstellen.

Flüssigkeitsbespritzte Wellendurchtrittsstellen in Getrieben, Motoren, Lagereinheiten und dergleichen werden überwiegend mittels berührender Wellendichtungen abgedichtet in der Regel werden hierfür genormte Radial- Wellendichtringe entsprechend DIN 3760 und DIN 3761 verwendet. Im Zei­ chen der technischen Entwicklung zu immer höheren Drehzahlen und höheren Temperaturen der abzudichtenden Flüssigkeiten wird die Zuverlässigkeit berührender Wellendichtungen oft in Frage gestellt. Die für die dynamische Dichtfunktion entscheidende Flexibilität der Elastomer-Dichtkanten geht mit der Zeit verloren. Am Rand des Dichtspalts lagern sich Verkokungspro­ dukte an, die eine leckageerzeugende Förderwirkung entfalten können. Insbe­ sondere, wenn noch zusätzlich verschleißende Partikel aus dem abzudichten­ den Öl oder aus der Umgebung zwischen die Dichtflächen gelangen, entsteht oft ein exzessiver Verschleiß, der zu Leckage führen kann. Falls die Dicht­ stelle auch nur teilweise oder zeitweilig überflutet ist, kann das Prinzip der berührenden Dichtung nicht aufgegeben werden. In der Praxis konnte mittels temperaturbeständiger Elastomere und hydrodynamischer Dichthil­ fen der Betriebsbereich von Radialwellendichtringen zwar wesentlich er­ weitert werden, jedoch blieb bei gestiegenen Kosten das Problem vermin­ derter Betriebssicherheit unter extremen Bedingungen bestehen. Schließlich kommen bei sehr schnellaufenden Spindeln, insbesondere in Werkzeugma­ schinen, berührende Wellendichtungen allein schon wegen der deformierenden Wirkung der extremen Reibungswärme nicht in Frage.

Für alle nicht überfluteten, flüssigkeitsbespritzten oder schwallartig be­ aufschlagten Wellendurchtrittsstellen ist deshalb grundsätzlich die Mög­ lichkeit einer berührungslosen Abdichtung in Betracht zu ziehen. In der Praxis existiert hierfür eine Reihe konstruktiver Lösungen, sowohl in Form von handelsüblichen Elementen als auch von grundlegenden Gestaltungs­ regeln /1/. Die prinzipielle Aufgabe bei der Konstruktion einer berührungs­ freien Wellendichtung für nicht überflutete Dichtstellen besteht darin, das Eindringen von Flüssigkeit in einen Dichtungsraum zwischen Welle und Ge­ häuse zu behindern und andererseits den Rückfluß von eingedrungener Flüs­ sigkeit zu begünstigen. Das Eindringen von Flüssigkeit kann konstruktiv mit­ tels Umlenken und Abweisen des Anspritzstroms sowie mittels eines engen Dichtspalts behindert werden. Besonders effektiv wird das Eindringen von Flüssigkeit bei rotierender Welle dynamisch behindert, indem Spritzringe die Flüssigkeit abschleudern. Auch innerhalb des Dichtungsraumes wird nach dem Stand der Technik die eingedrungene Flüssigkeit von rotierenden Dicht­ teilen abgeschleudert und von gehäusefesten Wänden aufgefangen. Geleitet durch Fangrinnen gelangt sodann die Flüssigkeit infolge von Oberflächen­ kräften und der Schwerkraft über Rückflußkanäle in den abzudichtenden Raum zurück. Bei starker Bespritzung der Dichtstelle werden auch mehrfach hintereinandergeschaltete Labyrinthe von Spritzringen und Fangrinnen an­ gewendet. Wenn es auf diese Weise gelingt, die in den Dichtungsraum einge­ drungene Flüssigkeit unter allen Betriebsbedingungen abzuspritzen, aufzu­ fangen und zurückzuleiten, ist "technische Dichtheit" erreicht, das heißt, ausfließende Leckage tritt nicht in Erscheinung. Als besonders wirksame Dichtungen /1/ erwiesen sich die von F. Wankel /4/ entwickelten Anordnungen.

Dennoch muß bei berührungsfreien Spitzring-Fangrinnen-Labyrinth- Dichtungen mit Flüssigkeitsnebel-Leckage gerechnet werden, wenn infolge eines anderweitig induzierten Luftstroms schwebende Flüssigkeitströpfchen durch das Labyrinth gelangen. In gleicher Weise kann auch Staub aus der Um­ gebung in den abzudichtenden Raum gelangen. Zur Verhinderung eines Luft­ stroms durch ein Fangrinnen-Labyrinth wurden verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen /2/, /3/.

Ein wesentlicher wirtschaftlicher Nachteil bekannter, technisch hervor­ ragender Spitzring-Fangrinnen-Labyrinth-Dichtungen besteht darin, daß sie jeweils aus einer Anzahl fertigungstechnisch komplizierter Elemente besteh­ hen und zudem, im Hinblick auf die Rückführung der Flüssigkeit, eine auf­ wendige Gestaltung der Gehäusewand erfordern. Insbesondere dann, wenn mittels einer Baureihe solcher Dichtungen ein weiter Bereich von Wellen­ durchmessern abgedeckt werden soll, erlangt das Problem der fertigungs­ technisch günstigen Gestaltung entscheidende Bedeutung.

Somit besteht für die Konstruktion von Spitzring-Fangrinnen-Labyrinth- Dichtungen neben den genannten Aufgaben eine weitere, wesentliche Aufgabe darin, die einzelnen Bauteile so zu gestalten, daß für die Herstellung einer Baureihe von Dichtungen möglichst wenige und fertigungstechnisch mög­ lichst einfache Werkzeuge und Arbeitsgänge erforderlich sind. Darüber hin­ aus ist es wünschenswert, die Einzelteile von Baugruppen so zu gestalten, daß sie automatisch zusammengesetzt werden können.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben insgesamt dadurch gelöst, daß so­ wohl der Rotor als auch der Stator der Spritzring-Fangrinnen-Labyrinth- Dichtung jeweils aus zwei rotationssymmetrischen Teilen mit identischer Querschnittsform bestehen, und daß die Dichtung weiterhin die folgenden Merkmale aufweist. Jede der den Stator bildenden, identische Querschnitts­ form aufweisenden Hülsen 11 und 12 besteht aus einem rohrförmigen Mit­ telabschnitt, der an seinem, dem abzudichtenden Raum zugewandten Ende, eine nach außen gebördelte Krempe 111, 121 und an seinem gegenüberliegen­ den Ende einen nach innen gebördelten Rand 112, 122 aufweist. An ihrem mit dem Rand versehenen Ende ist die innere Hülse 11 an ihrem äußeren Umfang und die äußere Hülse 12 an ihrem inneren Umfang jeweils reibkraftschlüs­ sig (Preßsitz) oder stoffschlüssig (Schweißen, Löten, Kleben) mit einem Ring 14 verbunden. Der Rotor besteht aus mindestens zwei Winkelringen 21 und 22, die identische Querschnittsform aufweisen und vorzugsweise stoff­ schlüssig, miteinander verbunden sind. Dadurch daß der Außenrand des inne­ ren Winkelrings, von der Seite des abzudichtenden Raumes 4 her gesehen, überlappend auf der dem Raum 4 zugewandten Stirnfläche des äußeren Win­ kelrings aufliegt, bildet der Außenrand jedes Winkelrings für sich eine Ab­ spritzkante. Dadurch verstärkt sich die Abspritzwirkung des Rotors in be­ sonders vorteilhafter Weise, da der "Sprühkranz" des jeweils weiter innen­ liegenden Winkelrings die weiter außen anspritzende Flüssigkeit abschirmt. Vorzugsweise sind die Winkelringe am Ende ihres zylindrischen Abschnitts mit nach außen umgebördelten Krempen 211 und 221 ausgestattet.

Die nach innen umgebördelten Ränder der Hülsen 11 und 12 erfüllen erfin­ dungsgemäß wesentliche Funktionen. Während der Rand 122 der äußeren Hülse beim Fügen mit dem Ring 14 als Anschlag dient, verhindert der Rand 112 der inneren Hülse, daß gegebenenfalls von der Krempe 211 des Winkel­ rings 21 auf die Innenfläche der Hülse 11 abgespritzte und infolge Schwer­ kraft an dieser Innenfläche nach unten abfließende Flüssigkeit an der tiefsten Stelle in den Außenraum 6 gelangt. Der Rand 112 bildet im unteren Bereich eine Barriere für die sich dort ansammelnde Flüssigkeit, so daß diese über die Krempe 111 in den Dichtungsraum 46 und von dort in den abzudichtenden Raum 4 zurückfließt.

Vorzugsweise ist der Stator der Dichtung in der Wand des Gehäuses 5 da­ durch befestigt, daß die vorzugsweise mit Dichtlack beschichtete Außen­ fläche der Hülse 12 in eine Gehäusebohrung eingepreßt wird. Erfindungsge­ mäß taucht dabei der Stator nur auf einem Teil seiner Länge in die Bohrung ein, so daß ein anderer Teil mit der Krempe 121 über die Gehäusewand 51 vorsteht. Um auch bei starker Flüssigkeitsbespritzung der Wand ein Über­ laufen der durch die Krempe 121 gebildeten Fangrinne und damit ein Ein­ dringen der an der Wand abfließenden Flüssigkeit in den Dichtungsraum zu verhindern, wird der Überstand "Ü" vorzugsweise größer als ein Millimeter ausgeführt.

Um den schwerkraftbedingten Rückfluß von eventuell in den Dichtungsraum 46 eingedrungener Flüssigkeit in den abzudichtenden Innenraum 4 zu begün­ stigen, ist über einen Teilbereich des Umfangs der über die Gehäusewand vorstehende Teil der äußeren Hülse 12 an der Unterseite 123 ausgespart.

Die Grundausführung der erfindungsgemäßen Dichtung besteht somit vor­ zugsweise aus insgesamt fünf Einzelteilen. Jeweils die äußere Hülse 12 einer Baureihe zugleich als innere Hülse 11 einer Dichtung für einen größe­ ren Wellendurchmesser verwendbar. Ebenso ist der äußere Winkelring 22 des Rotors als innerer Winkelring 21 für eine größere Ausführung der Baureihe verwendbar. Sowohl im Hinblick auf die einfache Querschnittsform der Ein­ zelteile des Rotors und des Stators, die eine automatische Montage begün­ stigen, als auch wegen der doppelten Verwendbarkeit dieser Einzelteile er­ gibt sich erfindungsgemäß eine überaus wirtschaftliche Fertigung, da nur verhältnismäßig wenige und zugleich unkomplizierte Werkzeuge hierfür not­ wendig sind.

Aus den Einzelteilen der erfindungsgemäßen Dichtung lassen sich in erfin­ derischer Weise Dichtungen mit noch weiter verbesserter Dichtwirkung aufbauen. Hierzu wird dem Rotor außen ein weiterer Winkelring 23 hinzu­ gefügt und der Stator wird unter radialer Zwischenschaltung eines weiteren Rings 15 außen um eine Hülse 13 erweitert. Dadurch wird insgesamt das Dichtungslabyrinth erweitert und infolge der zusätzlichen abspritzenden Kanten und Fangrinnen wird die Dichtwirkung weiter verbessert. Nach die­ sem Konstruktionsprinzip kann erfindungsgemäß durch Hinzufügen weiterer Winkelringe, Ringe und Hülsen das Abdichtvermögen der Dichtung immer weiter gesteigert werden.

Erfindungsgemäß wird in einer besonderen Ausführung der Dichtung in vor­ teilhafter Weise die Luftdurchlässigkeit der Dichtung dadurch vermindert oder nahezu unterbunden, daß zwischen die Krempe 211 des innersten Win­ kelrings 21 und der von der Innenfläche des zylindrischen Abschnitts des weiter außen liegenden Winkelrings und dem radialen Abschnitt des inner­ sten Winkelrings gebildeten Hohlkehle zusätzlich ein elastischer Kegelring 3 eingelegt ist, der im mittleren Bereich seiner kegeligen Außenfläche die Krempe 111 der Hülse 11 mit geringer Pressung berührt. Der Kegelring besteht aus einem elastischen, vorzugsweise porösen Material, wie beispielsweise Filz, Vliesstoff oder desgleichen.

Dringt während des Betriebs Leckageflüssigkeit durch Kapillarwirkung in den porösen Kegelring ein, so wird diese bei Rotation der Welle, wegen des Mitdrehens des Kegelrings, durch Fliehkraft wieder in den Dichtungsraum zurückgefördert. Zugleich wirkt eine Tränkung des Kegelrings mit Flüssigkeit schmierend und vermindert in vorteilhafter Weise die Reibung und den Verschleiß seiner auf der Krempe des Stators gleitenden konischen Außenfläche. Selbstverständlich funktioniert die erfindungsgemäße Dich­ tung auch ohne den zusätzlichen Kegelring.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine zweistufige erfindungsgemäße Dichtung mit massi­ vem Ring 14 und einer zusätzlichen Abdichtung gegen Luftdurchströmung,

Fig. 2 eine zweistufige erfindungsgemäße Dichtung mit einem dünnwan­ digen Ring 14, und

Fig. 3 eine dreistufige erfindungsgemäße Dichtung.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Dichtung dringt die Welle 7 durch eine Wand des Gehäuses 5 vom abzudichtenden Raum 4 in den Außenraum 6. Um den Austritt der die Durchtrittsstelle der Welle aus dem Raum 4 anspritzenden Flüssig­ keit zu verhindern, ist eine zweistufige erfindungsgemäße Dichtung einge­ baut, die in Fig. 1 in ihrem Querschnitt gezeigt ist. Sie besteht aus einem Stator, der aus den im Querschnitt identischen Hülsen 11 und 12 und dem Ring 14 zusammengesetzt ist. Der Ring 14 ist in die Hülse 12 bis zum An­ schlag mit deren Rand 122 eingesetzt, vorzugsweise eingepreßt. Im einge­ bauten Zustand steht der Stator erfindungsgemäß um das Maß Ü über die Gehäusewand 51 vor. An der Unterseite 123 der Hülse 12 ist der über die Gehäusewand vorstehende Teil der Hülse in einem Teilbereich des Umfangs ausgespart. Der Rotor besteht aus den beiden Winkelringen 21 und 22 mit identischer Querschnittsform, die vorzugsweise stoffschlüssig durch Schweißen, Löten oder Kleben miteinander verbunden sind. Zwischen die Krempe 211 des inneren Winkelringes und die vom zylindrischen Teil des äußeren Winkelrings und der radialen Scheibe des inneren Winkelrings gebil­ deten Hohlkehle ist ein, vorzugsweise poröser, Kegelring 3 eingesetzt. Die Hülse 11 berührt am Übergang ihres zylindrischen Bereichs mit ihrer Krempe 111 den Kegelring 3 in dessen mittlerem Bereich.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Dichtung. Im Gegensatz zur Dichtung nach Fig. 1 besteht hier der Ring 14 aus einem dünnwandigen Teil, das vorzugsweise als Ziehteil aus Blech hergestellt ist. Des weiteren wurde bei der Dichtung nach Fig. 2 beispielsweise auf Vor­ kehrungen zur Verhinderung der Luftdurchströmung, also auf den porösen Kegelring verzichtet. Im unteren Bereich 123 weist die äußere Hülse des Stators der Dichtung eine Öffnung auf, durch die in den Dichtungsraum ein­ gedrungene Flüssigkeit wieder in den abzudichtenden Raum zurückfließen kann. Alle übrigen Funktionen und Bauteile der Dichtung entsprechen den in Fig. 1 gezeigten.

Fig. 3 zeigt schließlich eine Halbschnitt-Darstellung einer dreistufigen erfindungsgemäßen Dichtung mit dem aus den Winkelringen 21, 22 und 23 mit jeweils identischem Querschnitt bestehenden Rotor. Der Stator dieser Dichtung besteht aus den Hülsen 11, 12 und 13 mit jeweils identischem Querschnitt, die über die Ringe 14 und 15 miteinander verbunden sind. Zwischen die Winkelringe 21 und 22 ist ein vorzugsweise poröser Kegelring 3 eingelegt, der die Krempe der Hülse 11 berührt.

• Literatur
  /1/ "Berührungsfreie Wellendichtungen 1", Forschungsheft 110, Forschungskuratorium Maschinenbau e.V., Frankfurt 1984
  /2/ Haas, W. und H. K. Müller: "Berührungsfreie Abdichtung flüssigkeitsbespritzter Wellendurchtritte", Z. KONSTRUKTION 36 (1984), H. 9, S. 329-334
  /3/ Deutsche Patentanmeldung P 35 44 783.4: "Wellendichtung"
  /4/ Trutnovsky, K.: "Berührungsfreie, nicht schleifende Schutz­ dichtungen, VDI, Düsseldorf 1977

Claims (8)

1. Berührungsfreie Dichtung für die flüssigkeitsbespritzte Durchtrittsstelle einer Welle 7 durch eine Wand eines Gehäuses 5, bestehend aus einem Stator und einem Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator aus mindestens zwei dünnwandigen Hülsen 11 und 12 unterschiedlichen Durchmessers be­ steht, wobei die Hülsen identische Querschnittsform aufweisen und jeweils über einen Ring 14 fest miteinander verbunden sind, und die größte Hülse in die Wand des Gehäuses eingesetzt ist, daß der Rotor aus mindestens zwei dünnwandigen Winkelringen 21 und 22 mit identischer Querschnittsform besteht, deren zylindrische Bereiche ungefähr denselben Durchmesserunter­ schied aufweisen wie die Hülsen, und deren radiale Bereiche sich überlappen und stoffschlüssig miteinander verbunden sind, wobei, im betriebsfertig montierten Zustand, der zylindrische Bereich des kleinsten Winkelrings auf der Welle befestigt ist und der zylindrische Bereich jedes äußeren Winkel­ rings in den von zwei Hülsen des Stators und einem Ring gebildeten Ring­ raum axial eingreift.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hülse des Stators an dem dem Rotor zugewandten Ende ihres zylindrischen Bereichs eine nach außen gebördelte Krempe (111; 121) aufweist.

3. Dichtung nach irgend einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß jede Hülse des Stators an dem vom Rotor abgewandten Ende ihres zylindrischen Bereichs einen nach innen gebördelten Rand (112; 122) aufweist.

4. Dichtung nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder Winkelring an seinem dem Stator zugewandten Ende eine nach außen gebördelte Krempe 211 aufweist.

5. Dichtung nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß mindestens eine der Hülsen des Stators mit ihrer dem Rotor zuge­ wandten Krempe einen zwischen die beiden angrenzenden Winkelringe des Rotors eingesetzten elastischen, Kegelring 3 an dessen konischem Außen­ mantel berührt.

6. Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Ring 3 aus einem porösen, saugfähigen Material besteht.

7. Dichtung nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stator der Dichtung dergestalt in die Wand des Gehäuses einge­ setzt ist, daß die Krempe 121 der größten Hülse des Stators einen Abstand zu der Wand aufweist, der größer als ein Millimeter ist.

8. Dichtung nach irgend einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der über die Wand 51 des Gehäuses vorstehende Bereich der größten Hülse des Stators Durchbrüche aufweist, und daß der Stator so montiert ist, daß sich die Durchbrüche im unteren Bereich 123 der Dichtung befinden.