DE3739403A1 - Bidirektionale dichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich allgemein mit Wellendichtungen. Sie bezieht sich insbesondere auf eine sogenannte bidirek­ tionale Wellendichtung, eine Dichtung also, die unabhängig von der Drehrichtung der Welle keine statische und dynami­ sche Leckerscheinungen verhindern soll.

Es gibt seit langem Dichtigkeitsprobleme bei solchen Anwen­ dungen, bei denen man Dichtungen, z.B. Öldichtungen, benö­ tigt, die in zwei Drehrichtungen wirksam sind. Ein Anwen­ dungsbeispiel für solche bidirektionalen Dichtungen ist die Transmissionswellendichtung von Kraftfahrzeugen, bei denen die Transmissionswelle je nach Fahrtrichtung des Fahrzeugs sich entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn dreht.

Herkömmliche Öldichtungen arbeiten befriedigend, wenn sie in nur einer Richtung betrieben werden. Bei bidirektionalem Betrieb treten jedoch häufig statische und dynamische Leck­ erscheinungen auf. So kann man z.B. beobachten, daß keiner­ lei Undichtigkeiten an Dichtungen auftreten, wenn die betreffende Welle streng nur im Uhrzeigersinn gedreht wird, während erhebliche Undichtigkeiten auftreten, wenn dieselbe Welle sich im Gegenuhrzeigersinn dreht. Derzeit liegt noch keine gesicherte Erklärung für dieses Phänonem vor. Es ist möglich, daß die feinbearbeitete Oberfläche der Welle eine hydrodynamische Wirkung zwischen Welle und Dichtung erzeugt. Diese hat zu Folge, daß bei der einen Drehrichtung der Welle Flüssigkeit in Richtung auf die Innenseite der Dichtung, bei der entgegengesetzten Drehrichtung der Welle hingegen Flüs­ sigkeit in Richtung auf die Außenseite der Dichtung gepumpt wird, wobei der letztere Zustand häufig Leckverluste, d.h. Undichtigkeit verursacht.

Dynamische Undichtigkeiten treten insbesondere dann auf, wenn eine mit hydrodynamischen Pumpelementen versehene Dich­ tung in bidirektionalem Betrieb arbeitet. Solche Pumpelemen­ te beinhalten spiralige Rillen, die durch spanabhebende Bearbeitung oder Pressen in der Dichtungslippe angebracht sind. Wenn die hydrodynamische Dichtung an einer Welle verwendet wird, die gegen die Dichtungslippe arbeitet, so daß sie Schmiermittel oder Flüssigkeit hinter die Dichtung in den Außenraum pumpt, ergeben sich erhebliche Dich­ tungsprobleme.

Deshalb besteht Bedarf für eine Dichtung, die unter bidirek­ tionalen Bedingungen arbeiten kann und unabhängig der Dreh­ richtung der Welle stets eine wirksame leckfreie Abdichtung gewährleistet.

Ferner besteht Bedarf für eine hydrodynamische Dichtung, die bei bidirektionalem Betrieb eine wirksame Abdichtung gewähr­ leistet.

Das Ziel der Entwicklung, die zur vorliegenden Erfindung führte, war es, diesen Bedarf zu befriedigen. Ihre Haupt­ aufgabe besteht also darin, eine bidirektionale Wellendich­ tung zu schaffen, die bei Drehung der Welle sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn eine wirksame Abdichtung gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Dichtung nach Anspruch 1 gelöst.

Die bei bidirektionalem Betrieb auftretenden Undichtigkeits­ probleme werden also dadurch beseitigt, daß mehrere konzen­ trische Nuten oder Rippen in der Stirnseite einer Lippen­ dichtung ausgebildet werden, derart daß mehrere statische und dynamische "Dämme" entstehen, die mehrere Dichtungs­ barrieren für die abzudichtende Flüssigkeit darstellen. Eine bevorzugte Lösung besteht darin, daß man die Nuten und Rippen auf einer ringförmigen Polymer-Scheibe ausbildet und diese Scheibe derart in einem Gehäuse anordnet, daß Scheibe und Welle sich in einem elliptischen oder "wellenförmigen" Muster berühren.

Damit schafft die Erfindung eine bidirektionale Dichtung, die sich zur Verwendung an umsteuerbaren Wellen eignet.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird eine bidirek­ tionale Dichtung aus einem Polymerwerkstoff geschaffen mit einer Dichtungslippe, auf der eine Reihe von konzentrischen Rippen und Nuten ausgebildet ist, um unabhängig von der Drehrichtung der Welle eine wirksame Abdichtung zu errei­ chen.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, in denen verschiedenen Ansichten gleiche oder gleichwirkende Teile mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind:

Fig. 1 zeigt eine axiale Stirnansicht einer Scheibe einer Lippendichtung mit konzentrischen Nuten,

Fig. 2 zeigt eine geschnittene Seitenansicht der Scheibe entsprechend der Linie II-II von Fig. 1,

Fig. 3 und 3a zeigen geschnittene Seitenansichten der Scheibe von Fig. 1 und 2, wobei diese exzentrisch in einem Gehäuse montiert und konzentrisch auf einer Welle aufgebracht ist,

Fig. 3b zeigt eine entsprechend der Linie III-III von Fig. 3 geschnittene Stirnansicht des Gehäuses und veran­ schaulicht das Klebstoffauftragsmuster der exzentri­ schen Verbindung von Scheibe und Gehäuse,

Fig. 4 zeigt eine axiale Stirnansicht eines inneren Gehäuseelements mit einer exzentrischen Bohrung,

Fig. 4a zeigt einen Schnitt des inneren Gehäuseelements entsprechend der Linie IV-IV von Fig. 4,

Fig. 5 zeigt einen Axialschnitt durch eine Dichtung, die mit dem inneren Gehäuseelement von Fig. 4 ausgestat­ tet und auf einer Welle aufgebracht ist,

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Strangpro­ fils, aus dem sich Polymer-Dichtungsscheiben schnei­ den lassen,

Fig. 6a zeigt eine perspektivische Ansicht einer von dem Strangprofil nach Fig. 6 abgeschnittenen Scheibe, die mit konzentrischen Nuten versehen ist,

Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines aus einem Verbundwerkstoff bestehenden Strangprofils, aus dem sich modifizierte Dichtungsscheiben schnei­ den lassen,

Fig. 8 zeigt einen Axialschnitt durch eine Dichtung mit einer aus dem Strangprofil nach Fig. 6 oder 7 gebil­ deten Scheibe, die durch Klemmen mit dem Gehäuse verbunden ist,

Fig. 8a zeigt einen Axialschnitt durch eine Dichtung mit einer aus dem Strangprofil nach Fig. 6 oder 7 gebil­ deten Scheibe, die durch Kleben mit dem Gehäuse verbunden ist,

Fig. 9 zeigt eine geschnittene Stirnansicht einer konzen­ trischen Scheibe, die exzentrisch durch Kleben mit einem Dichtungsgehäuse verbunden ist.

Die im folgenden anhand der Zeichnungen gegebene Beschrei­ bung der Erfindung beginnt mit Fig. 1 und 2, in denen eine ringförmige Scheibe 1 mit einer Reihe von konzentrischen Nuten dargestellt ist. Die Nuten bilden mehrere in axialer Richtung voneinander getrennte Dichtungskontaktflächen, wenn sie in ein Dichtungsgehäuse eingesetzt und, wie in Fig. 3 und 3a gezeigt, auf einer Welle aufgebracht sind. Die als Dichtungslippe wirkende Scheibe 1 besteht vorzugsweise aus einem Polymer-Werkstoff, z.B. aus Polytetrafluoräthylen oder Perfluoralkoxy. Dem Werkstoff der Scheibe können Füllstoffe zugesetzt sein, um die Scheibe in besonderer Weise an den jeweiligen Verwendungszweck anzupassen. Die Füllstoffe können Glasfasern, Molybdän, Disulfid, Graphit und Bronze enthalten.

Die konzentrischen Nuten 3 sind vorzugsweise über die Stirn­ seite der Scheibe in radialer Richtung bis zu dem Innen­ durchmesser gestaffelt. Der Innendurchmesser 5 der Scheibe 1 ist kleiner bemessen als der Außendurchmesser der Welle, auf die die Dichtung aufgebracht ist, so daß die Scheibe unter Spannung über die Welle gezogen werden muß. Diese Spannung bewirkt, daß die Scheibe sich in der aus Fig. 5 ersichtli­ chen Weise so über die Welle legt, daß mehrere ringförmige Kontaktflächen zwischen der Scheibe und der Welle gebildet werden. Diese Kontaktflächen sind durch die Nuten 3 vonein­ ander getrennt, die in der Stirnseite der Scheibe unter Verwendung herkömmlicher Verfahren entweder durch spanabhe­ bende Bearbeitung oder durch Prägen erzeugt werden können. Diese ringförmigen Kontaktflächen oder Kontaktbänder bilden jeweils eine Barriere oder einen Damm, der dem Durchtritt von Flüssigkeit durch die Scheibe entgegenwirkt. Die Reihe von ringförmigen Barrieren bildet eine hochwirksame Dichtung für Wellen, die in verschiedenen Drehrichtungen betrieben werden.

Die Nuten sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich, vorzugsweise unter einem Winkel A gegenüber der Stirnfläche der Dich­ tungsscheibe in diese eingearbeitet. Der Winkel A sollte im Bereich zwischen 10° und 170°, vorzugsweise zwischen 30° und 70°, liegen. Die Tiefe der Nuten kann zwischen 5% und 85% der Dicke T der Scheibe variieren, sie liegt vorzugswei­ se zwischen 30% und 70% der Scheibendicke. Die Dicke der Scheibe liegt zwischen etwa 0,0025 cm und 0,6 cm, vorzugs­ weise zwischen 0,15 cm und 0,5 cm.

Obwohl sich eine wirksame bidirektionale Dichtung herstellen läßt, wenn die Scheibe 1 konzentrisch in einem Dichtungs­ gehäuse montiert und konzentrisch auf der zugehörigen Welle aufgebracht ist, so daß die Nuten 3 im wesentlichen in zur Wellenachse senkrechten Ebenen verlaufen, wird eine Anord­ nung gemäß Fig. 3 bevorzugt, bei der die Nuten 3 eine Reihe von elliptischen Kontaktflächen mit der Welle bilden. Es wurde nämlich herausgefunden, daß sich eine hochwirksame bidirektionale Dichtung herstellen läßt, wenn man eine axial gestaffelte Reihe von Dichtungs-Kontaktflächen vorsieht, die mit der Wellenachse einen spitzen Winkel bilden. Es ist möglich, daß durch die in Fig. 3 gezeigten elliptischen Kontaktbänder eine geringfügige hydrodynamische Wirkung erzeugt wird, die zur Folge hat, daß Flüssigkeit oder Schmiermittel in Richtung des Pfeiles 6 sowohl bei Drehung im Uhrzeigersinn als auch bei Drehung im Gegenuhrzeigersinn axial nach innen gepumpt wird. Wie aus Fig. 3 ferner ersichtlich ist, ist die Scheibe 1 von Fig. 1 exzentrisch mit dem Dichtungsgehäuse 9 verbunden, so daß sich auf der einen Seite ein kleiner Krümmungsradius 11 und auf der diametral entgegengesetzten Seite eine große Krümmungsradius 13 ausbildet. Das exzentrische Verbindungsmuster läßt sich durch eine Schablone bewerkstelligen, mit der das in Fig. 3b gezeigte Klebstoffauftragsmuster an dem Gehäuse 9 angebracht wird. Fig. 3b zeigt das mit Klebstoff 15 behandelte Gehäuse vor dem Anbringen der Scheibe 1.

Eine andere Möglichkeit zur Ausbildung einer Mehrzahl ellip­ tischer Kontaktflächen ist in Fig. 4, 4a und 5 gezeigt. Hier ist ein ringförmiges inneres Gehäuse-Klemmelement 17 vorge­ sehen mit einer kreisrunden Innenöffnung 19, die gegenüber der die Außenkontur bildenden Kreislinie 20 exzentrisch angeordnet ist. Wenn die konzentrische Scheibe von Fig. 1 mit Hilfe des Klemmelements 17 in das Gehäuse 9 eingeklemmt wird, bildet sich zwischen der Scheibe und der Welle das in Fig. 5 gezeigte elliptische Auflagemuster, das demjenigen von Fig. 3 entspricht. Der einzige Unterschied zwischen den Ausführungsformen von Fig. 3 und 5 besteht darin, daß bei ersterer der Kontakt zwischen der Scheibe und dem Gehäuse durch exzentrischen Klebstoffauftrag und bei letzterer durch ein exzentrisches mechanisches Klemmelement erreicht wird.

Aus dem in Fig. 6 gezeigten rohrförmigen Strangprofil 21 läßt sich sich eine etwas modifizierte Dichtungsscheibe herstellen. Wenn man in dem Strangprofil durch Formpressen oder spanabhebende Bearbeitung einen Kanal 33 mit kreisrun­ den Querschnitt ausbildet, dessen Zentrum 25 um den Abstand X gegenüber dem Zentrum 26 des Strangprofils versetzt ist, lassen sich von dem Strangprofil die in Fig. 6a gezeigten Scheiben 1 a abschneiden, die man konzentrisch in ein Dich­ tungsgehäuse einklebt oder einklemmt. Man erhält dann wieder elliptische Kontaktflächen mit der Welle. In der Stirnseite der Scheibe werden vorzugsweise, wie oben beschrieben, konzentrische Nuten ausgebildet.

Das Auflagemuster der Scheibe oder Dichtungslippe von Fig. 6a auf der Welle ist in Fig. 8 in gestrichelten Linien dar­ gestellt. Ein Vorteil dieser Art von Scheibe besteht in der einfachen Montage: Wie in Fig. 8 gezeigt, läßt sich ein kon­ zentrisch ausgebildetes Gehäuseinnenelement 27 in Standard­ ausführung zur Montage der von dem Strangprofil 21 abge­ schnittenen Scheibe 1 a in dem konzentrischen Außengehäuse verwenden, das ebenfalls Standardausführung haben kann. Alternativ kann die Scheibe 1 a mit dem Außengehäuse 9, wie in Fig. 8a gezeigt, direkt mittels eines konzentrischen oder zylindrischen Klebstoffauftragsmusters verklebt werden. Für die Dichtung von Fig. 8 ist ein exzentrisches inneres Gehäu­ seelement der in Fig. 4 dargestellten Art nicht erforder­ lich, da die Scheibe ihre eigene Exzentrizität besitzt. Außerdem benötigt man keine Klebstoffschablone, um ein exzentrisches Klebstoffauftragsmuster für die Dichtung von Fig. 8a auszubilden, da der Außendurchmesser der Scheibe 1 a konzentrisch in dem Gehäuse 9 sitzt und die gesamte Innen­ fläche des radialen Flansches 31 mit Klebstoff beschichtet sein kann. Der innere Gehäuseteil 27 und das Außengehäuse 9 können konzentrisch in einem herkömmlichen Dichtungsgehäuse 36 mit einer Bohrung 34 montiert sein. Die über die Welle 7 gespannte Dichtung 1 a ist in gestrichelten Linien angedeu­ tet. Die Welle ist konzentrisch zur Bohrung 34 montiert und zu dem inneren Gehäuseteil und dem Außengehäuse konzentrisch ausgerichtet. Der Versatz X zwischen der Zentrumslinie oder Achse 29 der Welle 7 und dem Zentrum des Innenkreises der Scheibe 1 a entspricht dem in Fig. 6 gezeigten Versatz X. Dieser Versatz bewirkt den elliptischen Kontakt zwischen Scheibe und Welle.

In Fig. 7 sind ein Strangprofil und eine Dichtungsscheibe gemäß einer weiteren Variante gezeigt. Der Kanal 23 a kann gegenüber der Achse des Strangprofils 21 a wie bei dem Beispiel von Fig. 6 versetzt sein, so daß exzentrische Scheiben, wie die Scheibe la in Fig. 6a, entstehen. Man kann jedoch auch ein vollständig konzentrisches Strangprofil herstellen und daraus Dichtungsscheiben herstellen, die der Dichtungsscheibe von Fig. 1 gleichen. Das Unterscheidungs­ merkmal der aus dem Strangprofil 21 a gewonnenen Dichtungs­ scheiben besteht darin, daß zwei unterschiedliche Strang­ materialien verwendet sind. Ein äußerer rohrförmiger Teil 33 aus thermoplastischem oder wärmehärtendem Werkstoff, z.B. Gummi oder einem Phenolwerkstoff, ist entweder (in nicht dargestellter Weise) konzentrisch oder (wie in Fig. 7 gezeigt) exzentrisch um einen rohrförmigen inneren Teil 35 aus einem Polymer-Werkstoff, vorzugsweise aus Polytetra­ fluoräthylen, verklebt. Ein Vorteil von Dichtungsscheiben, die aus dem Strangprofil 21 a geschnitten sind, besteht darin, daß der Teil 23, der vorzugsweise aus Gummi besteht, wesentlich leichter an dem Außengehäuse 9 haftet als der Teil 35 aus Polymer-Werkstoff. Wenn man den Gummi direkt mit dem Gehäuse verklebt, ist (anders als in Fall einer insge­ samt aus Polymer-Werkstoff bestehenden Scheibe) kein chemi­ sches Ätzen erforderlich, bevor die Scheibe eine geeignete Klebeverbindung mit dem Gehäuse eingeht.

Die Größe des Versatzes X zwischen dem Zentrum der Bohrung der Scheibe und dem Zentrum des Dichtungsgehäuses, der sich dann in den Versatz zwischen dem Zentrum oder dem Innenkreis der Scheibe und dem Zentrum der Welle überträgt, sollte zwischen 0,0025 cm und 2,5 cm liegen. Mit anderen Worten, das elliptische Auflagemuster, das sich zwischen Scheibe und Welle ausbildet, ergibt sich dadurch, daß das Zentrum des Innenkreises der Scheibe gegenüber der Achse der Welle um 0,0025 cm bis 2,5 cm versetzt ist. Der optimale Versatz wird empirisch ermittelt, er ist jedoch üblicherweise eine Funktion des Wellendurchmessers.

Eine besonders effektive und einfache Möglichkeit zur Bil­ dung eines elliptischen Kontakts zwischen Dichtungsscheibe und Welle bei Verwendung einer vollständig konzentrischen Dichtung, die konzentrisch in eine Bohrung z.B. wie in Fig. 3a eingesetzt ist, besteht darin, daß man das Zentrum der Montagebohrung der Dichtung gegenüber der Achse der Welle zu versetzt, indem man die Welle exzentrisch in der Bohrung montiert. Dieser Versatz ist in Fig. 3a in gestrichtelten Linien angedeutet, in der die Welle 7 a um den Betrag X abge­ senkt oder versetzt ist. Hieraus resultiert ein elliptischer Kontakt zwischen Dichtungsscheibe und Welle, wie in Fig. 3 gezeigt.

Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung elliptischer Kontakt­ flächen zwischen einer eine Lippendichtung bildenden Scheibe und einer Welle unter Verwendung ausschließlich konzentri­ scher Komponenten besteht darin, daß man eine Scheibe durch Festklemmen oder -kleben exzentrisch in dem Gehäuse montiert. Dies ist in Fig. 9 dargestellt, in der die kreis­ runde Scheibe 1 mit dem kreisrunden Gehäuse 9 über den gesamten Überlappungsbereich zwischen Scheibe und Gehäuse verklebt ist, wobei das Zentrum der Scheibe um den Betrag X gegenüber dem Zentrum des Gehäuses versetzt ist. Der Innen­ kreis des Gehäuses 9 ist zur Verdeutlichung der Montage­ anordnung in gestrichelten Linien angedeutet.

Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre sind offensichtlich zahlreiche Modifizierungen und Varianten möglich. Innerhalb des Bereichs der Ansprüche läßt sich die Erfindung auch auf andere Weise in die Praxis umsetzen als dies vorangehend an Ausführungsbeispielen erläutert wurde. So kann beispielswei­ se der Polymer-Werkstoff der Scheibe durch wärmehärtende, thermoplastische oder Gummi-Werkstoffe substituiert werden, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen.

Claims (10)

1. Bidirektionale Wellendichtung mit einem ringförmigen Gehäuseelement (9) mit kreisrundem Außenumfang sowie mit einer eine Lippendichtung bildenden ringförmigen Scheibe (1), die in dem Gehäuseelement (9) montiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippendichtung einen kreisrunden inneren Durchgang besitzt, der relativ zu dem Außenumfang des Gehäuseelements (9) derart exzen­ trisch angeordnet ist, daß der genannte innere Durchgang wenigstens ein elliptisches Kontaktband um eine Welle (7) bildet.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippendichtung eine aus Polymer-Werkstoff bestehen­ de ringförmige Scheibe (1) aufweist.

3. Dichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein exzentrisches Klemmelement (17) zum Einklemmen der Lippendichtung in das Gehäuseelement.

4. Dichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Klebstoffauftrag (15) an dem Gehäuseelement, der mit einem exzentrischen Auftragsmuster an diesem angebracht ist und zum Ankleben der Lippendichtung an das Gehäuse­ element dient.

5. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung mehrerer exzentrischer Kontaktbänder um die genannte Welle (7) an der Lippendichtung mehrere ringförmige Nuten (3) vorgesehen sind.

6. Bidirektionale Wellendichtung mit einem Gehäuseelement sowie mit einer an dem Gehäuseelement montierten Lippen­ dichtung, dadurch gekennzeichnet, daß an der Lippendichtung mehrere konzentrische Kontaktflächen ausgebildet sind, die eine Welle elliptisch derart umgreifen können, daß mehrere elliptische Dichtungsbarrieren zwischen den Kontaktflächen und der Welle gebildet werden.

7. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippendichtung eine aus Polymer-Werkstoff bestehen­ de ringförmige Scheibe aufweist.

8. Dichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein exzentrisches Klemmelement (17) zum Einklemmen der Lippendichtung in das Gehäuseelement.

9. Dichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Klebstoffauftrag an dem Gehäuseelement, derart mit einem exzentrischen Auftragsmuster an diesem angebracht ist und zum Ankleben der Lippendichtung an das Gehäuse­ element dient.

10. Verfahren zur Herstellung einer bidirektionalen Wellendichtung zwischen einer Welle und einer Lippen­ dichtung, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Man montiert die Lippendichtung in der Bohrung eines Dichtungsgehäuses und montiert sodann in der Bohrung des Dichtungsgehäuses eine Welle in der Weise, daß die Achse dieser Welle gegen­ über dem Zentrum der Lippendichtung in radialer Richtung versetzt ist, so daß sich wenigstens ein elliptisches Dich­ tungs-Kontaktband zwischen der Lippendichtung und der Welle ausbildet.