DE3906775A1 - Dichtungsanordnung fuer wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung für Wellen, die schraubenförmig, schwenkend und/oder rotierend bewegt werden können. Die Dichtungsanordnung weist einen Dichtring aus einem zähelastischen Werkstoff auf, der einen ringförmigen Abschnitt und einen an seinem Ende die Dichtfläche bildenden Steg aufweist und einen elastischen Spannring sowie einen radiale Kräfte aufnehmenden Stützring aufweist, der einen höheren Elastizitätsmodul besitzt als der Dichtring.

Eine bekannte Dichtungsanordnung dieser Art ist in der DE-PS 32 17 118 beschrieben. Bei dieser Dichtungsanordnung weist der Dichtring einen radial abstehenden Steg auf, dessen Ende am Umfang der Welle anliegt und dort den zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Anordnung vorgesehenen Dichtspalt zwischen den relativ zueinander bewegten Flächen der Anordnung bildet. Unter Hochdruckseite wird die Seite der Anordnung bezeichnet, die den gegenüber der Niederdruckseite höheren Druck aufweist. Der Stützring hat dabei die Aufgabe, den Dichtring zu stabilisieren, er kann auch dazu dienen, die Abfuhr der an der Dichtfläche entstehenden Wärme zu unterstützen. Bei dieser bekannten Anordnung ist der Dichtring auf den Stützring aufgespannt, so daß der Stützring bestrebt ist, seinen Durchmesser zu verkleinern. Der das axiale Ende des Stützringes übergreifende Steg und damit auch die Dichtfläche wird daher mit einer bestimmten Kraft gegen die Wellenoberfläche gedrückt, die im wesentlichen vom Elastizitätsmodul des Dichtringes und auch vom axialen Abstand des benachbarten Endes des Stützringes von der Dichtfläche abhängt. Dadurch werden zwar weitgehend stabile Verhältnisse bezüglich des Dichtringes und an der Dichtfläche geschaffen, bei einer Abnutzung der aus einem zähelastischen Material bestehenden Dichtfläche läßt aber die Kraft nach, mit der die Dichtfläche auf den Wellenumfang gedrückt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtung der eingangs beschriebenen Art zu entwickeln, die sich selbst nachstellt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Dichtfläche auf der der Hochdruckseite der Anordnung abgewandten Seite des Dichtringes angeordnet ist und an einer radial zur Wellenachse verlaufenden Gegenlauffläche anliegt, daß der Stützring und der Dichtring axial verschiebbar sind und daß der Spannring zumindest auf der der Gegenlauffläche abgewandten Seite eine vom höheren Druck beaufschlagte Fläche aufweist und am Dichtring und/oder Stützring und an der Welle dichtend anliegt.

Die Erfindung löst die Aufgabe mit sehr einfachen Mitteln, die Dichtanordnung besteht lediglich aus Spannring, Dichtring und Stützring. Die Anpreßkraft, mit der die Dichtfläche an der Gegenlauffläche anliegt, ist im wesentlichen durch den Druck des Hochdruckmediums bzw. der Druckdifferenz zwischen Hochdruck- und Niederdruckmedium der Anordnung bestimmt. Die geometrischen Verhältnisse der druckbelasteten Flächen lassen sich leicht so wählen, daß die Dichtfläche mit einem vorbestimmten Druck an die Gegenlauffläche angepreßt wird. Da zumindest der Dichtring axial verschiebbar ist, wird eine Abnutzung oder ein Abrieb der Dichtfläche jederzeit und mit Sicherheit ausgeglichen.

Zu den Vorzügen einer Dichtungsanordnung mit Stützring tritt daher der Vorteil hinzu, daß die Dichtungsanordnung sich selbsttätig nachstellt. Außerdem ist diese Dichtungsanordnung unempfindlich gegen Achsversatz und Wellenschlag. Liegt der Spannring nur am Stützring an und weist der Dichtring die Dichtfläche auf, so muß die Verbindung zwischen Stützring und Dichtring mechanisch starr und dicht sein.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind der Dichtring und/oder der Stützring auf der der Hochdruckseite der Anordnung abgewandten Seite mit von dem Hochdruckmedium beaufschlagten Flächen mit radial verlaufender Komponente zur Entlastung der Dichtfläche vorgesehen. Diese Flächen können entweder genau radial, also rechtwinklig zur Wellenachse oder aber schräg zur Wellenachse, z. B. kegelförmig verlaufen, wesentlich ist lediglich, daß diese Flächen nicht achsparallel zylindrisch sind, sondern eine in radialer Richtung verlaufende Komponente aufweisen. Man erreicht auf diese Weise eine "entlastete" Dichtung.

Bei Ausführungsformen der Erfindung kann die der Gegenlauffläche gegenüberliegende, an die Dichtfläche angrenzende Fläche des Dichtringes entweder zylinderförmig axial verlaufen oder aber schräg, also etwas kegelförmig verlaufen. Dadurch vergrößert sich die Dichtfläche etwas, wenn sie abgenutzt bzw. abgerieben ist. Dies kann von Vorteil sein, beispielsweise für den Reibungswiderstand an der Dichtfläche, wenn diese an der Gegenlauffläche im Lauf der Zeit Riefen oder andere die Laufeigenschaften ungünstig beeinflussende Unebenheiten im Laufe der Nutzungsdauer erhält.

Die an die Dichtfläche angrenzende, vom Hochdruckmedium beaufschlagte Fläche, die zur Entlastung der Dichtfläche dient, kann in weiten Grenzen beliebig groß gewählt sein, die gesamte Stirnfläche der Dichtungsanordnung ist durch die Dichtfläche in eine ringförmige, vom Niederdruckmedium beaufschlagte und in eine ringförmige, vom Hochdruckmedium beaufschlagte Fläche geteilt.

Der Abstand der Dichtfläche von der Wellenachse kann bei Ausführungsformen der Erfindung verschieden gewählt sein. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Abstand der der Welle zugewandten Kante der Dichtfläche von der Wellenachse kleiner als der Abstand der der Welle abgewandten Umfangsfläche des Stützringes. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung übergreift daher der Dichtring den Stützring an seiner Niederdruckseite und die Dichtfläche ist an diesem radial nach innen ragenden Teil des Dichtringes vorgesehen. Diese Anordnung trägt zur Stabilität der Dichtanordnung bei und erlaubt, daß die Entlastungsfläche des Dichtringes hinreichend groß gewählt werden kann.

Der Dichtring kann mit dem Stützring mechanisch z. B. geklebt oder durch Vulkanisation verbunden sein, beispielsweise kann ein aus zähelastischem Kunststoff bestehender Dichtring auf einen aus Metall bestehenden Stützring aufgeklebt oder anderweitig auf dem Stützring befestigt sein, er kann beispielsweise auch unter elastischer Dehnung auf den Stützring aufgespannt sein. Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist der Dichtring eine dem Hochdruckmedium ausgesetzte Fläche mit axial verlaufender Komponente auf. Diese Fläche kann entweder zylindrisch sein oder aber schräg, also kegelig zu der Wellenachse verlaufen. Auch dadurch ergibt sich eine zumindest drehfeste Befestigung des Dichtringes auf dem Stützring, die auch zusätzlich zu den vorgenannten Maßnahmen zur Befestigung des Dichtringes auf dem Stützring vorgesehen werden kann. Wenn der Spannring sowohl dichtend an der Stirnfläche des Stützringes als auch an dem Dichtring anliegt, so braucht die Befestigung zwischen Dichtring und Stützring nicht dichtend zu sein.

Der Spannring hat bei der erfindungsgemäßen Dichtung im wesentlichen die Aufgabe, die Drehbewegung zwischen der Welle und dem Dichtring zu übertragen, und den Spalt abzudichten, der zwischen dem Stützring und der Wellenoberfläche oder, wenn ein Stützring fehlt, zwischen dem Dichtring und der Welle besteht. Dieser Spalt muß vorhanden sein, um den Dichtring in Richtung auf die Niederdruckseite verschieben zu können und dadurch eine Abnutzung der Dichtfläche ausgleichen zu können. Der Spannring kann daher auf verschiedene Weise in der Dichtanordnung angeordnet werden. Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist der Dichtring auf der Hochdruckseite eine in axialer Richtung über den Stützring hinausragende Fläche auf, an der der Spannring dichtend und drehfest anliegt. Bei Ausführungsformen der Erfindung, bei denen der Dichtring auf dem Stützring mit Preßsitz angeordnet ist oder auf andere Weise drehfest und dicht mit dem Stützring verbunden ist, genügt die Anlage des Spannringes an dem Stützring oder am Dichtring.

Bei Ausführungsformen der Erfindung kann der Dichtring auf der Hochdruckseite eine in axialer Richtung über den Stützring hinausragende Fläche aufweisen, die schräg gegen die Wellenachse geneigt verläuft.

Der Spannring kann die Form einer O-Dichtung oder aber eine andere Querschnittsform, z. B. die Form eines Quad-Ringes aufweisen. Der Spannring kann mit dem Dichtring und/oder mit dem Stützring einstückig, z. B. anvulkanisiert sein.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung. Die einzelnen Merkmale können je für sich oder zu mehreren bei Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht sein.

In der Zeichnung ist ein Querschnitt entlang der Wellenachse einer Dichtungsanordnung einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform der Erfindung drehen sich die Körper 1 und 2 mit hoher Geschwindigkeit relativ zueinander. Beispielsweise wird angenommen, daß sich die Welle 1 um die Achse 3 in einer Bohrung 4 des Körpers dreht, deren Durchmesser nicht viel größer ist als der Außendurchmesser der Welle 1. Die Durchmesserdifferenz ist in der Zeichnung lediglich der besseren Darstellung halber stark vergrößert gezeichnet. Die Dichtungsanordnung soll ein auf der Hochdruckseite 5 unter hohem Druck stehendes Medium von einer Niederdruckseite 6 abdichten. Die Dichtungsanordnung ist in einer umlaufenden Nut 7 angeordnet, deren Flanke 8 der Hochdruckseite 5 und deren Flanke 9 der Niederdruckseite benachbart sind. Bei einem Durchmesser der Welle 1 von 5 cm kann die Nut zwischen 5 und 6 mm breit und ebenso tief sein; es ist jedoch möglich, daß die Nutflanke 8 gänzlich fehlt.

Auf der Welle 1 ist ein Stützring 10 in Richtung der Achse 3 der Welle 1 verschiebbar angeordnet, er kann bei Ausführungsformen der Erfindung auch in Längsnuten geführt sein, also drehfest mit der Welle 1 verbunden sein. Auf den Stützring 10 ist ein Dichtring 11 aufgeschoben, die Verbindung zwischen dem Dichtring 11 und dem Stützring 10 kann drehfest gestaltet sein, vorzugsweise ist der Dichtring 11 auf den Stützring 10 aufgespannt. Der Stützring 10, der aus einem Metall oder einem Material mit ähnlichen Werkstoffeigenschaften bestehen kann, weist einen höheren Elastizitätsmodul auf als der Dichtring 11, der aus einem zähelastischen Werkstoff, beispielsweise einem Polytetrafluoräthylen, möglicherweise auch aus einem Polyamid oder aber aus einem anderen geeigneten Kunststoff bestehen kann. Der Dichtring 11 weist einen die Stirnfläche 12 des Stützringes 10 in radialer Richtung übergreifenden Abschnitt 13 auf, dessen Stirnfläche 14 daher einen kleineren Abstand von der Achse 3 aufweist als die äußere Umfangsfläche 15 des Stützringes 10, an der eine zylindrische Fläche 16 des Dichtringes 11 anliegt. An die Fläche 16 schließt sich hochdruckseitig eine sich nach dieser Seite kegelförmig erweiternde Fläche 17 an, an der wiederum eine radial verlaufende ringförmige Stirnfläche 18 angrenzt. Die Dichtung 11 weist eine der Welle 1 abgewandte, zylindrische Außenfläche 19 auf, an die sich eine kegelförmig verjüngende Stirnfläche 20 anschließt. Das innere Ende der Fläche 20 bildet mit der Fläche 14 eine Kante, die an der Flanke 9 der Nut 7 anliegt und daher eine Dichtfläche 21 darstellt. Das von der Hochdruckseite 5 einströmende Hochdruckmedium füllt den Zwischenraum 22 zwischen der Nutflanke 8 und der Stirnfläche 18 der Dichtfläche 1, den Zwischenraum 23 zwischen der Außenfläche 19 des Dichtringes 11 und dem Nutgrund sowie den Zwischenraum 24 zwischen der Kegelfläche 20 und der Nutfläche 9 aus. Die Dichtfläche 21 dichtet das in dem Raum 25 befindliche Niederdruckmedium von dem in dem Raum 24 befindlichen Hochdruckmedium ab.

Auf der Hochdruckseite des Stützringes 10 ist ein als Spannring dienender O-Ring angeordnet, der dichtend auf dem Umfang der Welle 1 und an einer hochdruckseitigen Stirnfläche 27 des Stützringes 10 anliegt. Der Spannring 26 liegt außerdem an der Kegelfläche 17 des Dichtringes 11 an. Seine der Nutflanke 8 zugewandte Fläche weist aber einen Abstand von der Nutflanke 8 auf.

Das Hochdruckmedium beaufschlagt die der Flanke 8 zugewandte Fläche 28 des Spannringes 26 und die Fläche 18 des Dichtringes und dadurch drückt sie die Dichtfläche 21 auf eine Gegenlauffläche der Nutflanke 9. Diese Kraft wird entlastet durch das die Fläche 20 des Dichtringes 11 beaufschlagende Hochdruckmedium. Durch die Wahl der radialen Ausdehnung der Fläche 20 wird dieser Gegendruck und damit die Entlastung der Dichtfläche 21 bestimmt. Je größer der radiale Abstand der Dichtfläche 21 von der Umfangsfläche der Welle 1 ist, desto kleiner ist der Gegendruck und damit die Entlastung der Dichtfläche 21. Nutzt sich die Dichtfläche 21 ab, wird sie wegen des schrägen Verlaufs der Fläche 20 etwas breiter. Die Kraft, mit der die Dichtfläche 21 gegen ihre Gegenlauffläche angedrückt wird, hängt von dem Verhältnis der Größe der Projektion der Fläche 20 auf eine radiale Ebene zu der Größe der Projektion der Flächen 28 und 18 auf eine solche Ebene ab.

Der aus einem gummielastischen Werkstoff bestehende O-Ring liegt bei der dargestellten Ausführungsform auch dichtend an der Kegelfläche 17 des Dichtringes 11 an, die einen von dem O-Ring 26 erfüllten, an den Stützring 10 anschließenden Hohlraum begrenzt.

Das in dem Zwischenraum 23 vorhandene Hochdruckmedium beaufschlagt die Fläche 19 und drückt damit die Flächen 16 und 17 radial gegen die Fläche 15 des Stützringes und gegen den benachbarten Umfang des O-Ringes 26. Der Stützring 10 nimmt diesen radialen Druck im wesentlichen auf. Der O-Ring 26 wird durch den auf seine Umfangsfläche 28 wirkenden Druck des Hochdruckmediums an die Stirnfläche 27, an die Kegelfläche 17 und an den Umfang der Welle 1 gepreßt. Der Spannring (O-Ring) 26 erfüllt daher die Aufgabe, einen Spalt zwischen dem Stützring 10 und dem Umfang der Welle 1 abzudichten und zugleich die Drehbewegung von der Welle 1 auf den Dichtring 11 zu übertragen.

Die Dichtfläche 21 kann an einem axial von dem Dichtring 11 vorstehenden Steg angeordnet sein, die Dichtfläche kann aus einer ringförmigen Fläche geringer Breite oder aber aus einer spitzen Kante gebildet sein. Die Kegelfläche 20 des Dichtringes 11 kann eine Neigung zwischen 5 und 10° gegenüber der Nutflanke 9, vorzugsweise einen Winkel von 8° gegenüber der Ebene der Nutflanke 9 aufweisen.

Claims (12)

1. Dichtungsanordnung für schraubenförmige, schwenkend und rotierend bewegte Wellen (1) mit einem Dichtring (11) aus einem zähelastischen Werkstoff, der einen eine Dichtfläche aufweisenden Abschnitt besitzt, mit einem elastischen Spannring (26) und einem radiale Kräfte aufnehmenden Stützring (10), der einen höheren Elastizitätsmodul besitzt als der Dichtring (11), dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtfläche (21) auf der Hochdruckseite (5) der Anordnung abgewandten Seite des Dichtringes (11) angeordnet ist und an einer radial zu der Wellenachse (3) verlaufenden Gegenlauffläche anliegt, daß der Stützring (10) und der Dichtring (11) axial verschiebbar sind und daß der Spannring (26) zumindest auf der der Gegenlauffläche abgewandten Seite eine dem höheren Druck ausgesetzte Fläche (28) aufweist und am Dichtring und/oder Stützring und an der Welle dichtend anliegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (11) und/oder der Stützring (10) auf der der Hochdruckseite (5) der Anordnung abgewandten Seite mindestens eine vom Hochdruck beaufschlagte Fläche mit radial verlaufender Komponente zur Entlastung der Dichtfläche (21) aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Gegenlauffläche gegenüberliegende, an die Dichtfläche (21) angrenzende Fläche (20) des Dichtringes schräg verläuft.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der der Welle zugewandten Kante der Dichtfläche (21) von der Wellenachse (3) kleiner ist als der Abstand der der Welle (1) abgewandten Umfangsfläche (15) des Stützringes (10).

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (11) eine dem Hochdruckmedium ausgesetzte Fläche (19) mit axial verlaufender Komponente aufweist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (11) auf der Hochdruckseite eine in axialer Richtung über den Stützring (10) hinausragende Fläche (17) aufweist, an der der Spannring (16) dichtend und drehfest anliegt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (17) schräg gegen die Wellenachse (3) geneigt kegelförmig verläuft.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (11) auf den Stützring (10) mit Preßsitz aufgespannt ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannring (16) die Form einer O-Dichtung aufweist.

10. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer Dichtkante an die schrägverlaufende Fläche (20) eine achsparallele Fläche (14) anschließt.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtfläche (21) durch die Stirnfläche eines Steges gebildet ist.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Stützring (10) und Dichtring (11) ein einstückiges Teil bilden.