DE4123392A1 - Wellendichtring - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wellendichtring, insbesondere zur Abdichtung von aggressiven und/oder zur Ablagerung neigenden Ölen, aus einem elastomeren Werkstoff mit drei axial beabstan­ deten Lippen und zwei durch die Lippen und den Dichtringkörper gebildeten, im Querschnitt taschenartig geformten Hohlräumen.

Derartige Dichtlippen werden üblicherweise zur Abdichtung schnell drehender Wellen gegenüber feststehenden Gehäusen, beispielsweise bei Pumpen, Kurbelwellen von Verbrennungs­ motoren, Waschmaschinen und dergleichen verwendet.

Gattungsgemäße Dichtringe weisen üblicherweise eine einzige echte Dichtlippe auf. Diese Dichtlippe trennt dabei den mit Öl bzw. dem abzudichtenden Medium gefüllten Innenraum der Vor­ richtung oder der Maschine vom atmosphärischen Außenraum. Die eigentliche Dichtwirkung wird durch eine einzige Dichtkante, die an der rotierenden Welle anliegt, erzielt. Diese Dicht­ kante steht also mit dem abzudichtenden Medium in Berührung. Insbesondere bei korrosiven Medien, beispielsweise hoch­ legierten Ölen, ist immer wieder zu beobachten, daß durch die Wechselwirkung zwischen dem Elastomermaterial des Dichtringes und dem Medium die Dichtkante verhärtet oder zersetzt wird oder aber Ablagerungen im Dichtkantenbereich gebildet werden. Mit zunehmender Betriebsdauer des Dichtringes führt dies zur Reduzierung der Dichtwirkung und schließlich zur völligen Zer­ störung des Dichtrings.

Weiter ist bekannt, derartige Dichtlippen mit Rückführungs­ elementen für austretendes Lecköl zu versehen. Derartige Rückführungselemente bestehen beispielsweise aus spiralig angeordneten Mikrorillen in der Dichtlippe. Wenn die eigent­ liche Dichtkante ihre Wirksamkeit aufgrund der vorstehend beschriebenen korrosiven Einflüsse verliert, wird zu Beginn dieser Phase austretendes Lecköl durch die Rückführungs­ elemente in den abzudichtenden Bereich zurückgefördert. Mit zunehmender Betriebsdauer unterliegen jedoch auch diese Rück­ führungselemente den korrosiven Einflüssen, die zur Zerstörung der Mikrorillen führen.

Zur Verbesserung der Standzeit ist es weiterhin bekannt, auf der axial äußeren Seite des Dichtringes eine weitere Lippe anzuordnen, wodurch eine im Querschnitt taschenförmige Aus­ sparung zwischen innerer Dichtlippe und äußerer Lippe gebildet wird. Dieser Zwischenraum wird dabei häufig mit einer Fett­ füllung versehen, die zum einen eine Schmierung der Dichtkante bewirken und zum anderen einen Schutz gegen korrosive Ein­ flüsse darstellen soll. Die äußere Lippe ist dabei lediglich als Schutzlippe ausgebildet, die im wesentlichen zur Begren­ zung der "Fettkammer" dient. Irgendeine Dichtwirkung ist bei der bekannten Schutzlippe nicht beabsichtigt.

Obwohl durch diese Ausgestaltung die Standzeit gegenüber einer Einfach-Dichtlippe verlängert wird, ist eine dauernde und zuverlässige Dichtwirkung nicht zu erzielen, da zum einen die innenliegende Dichtlippe zumindest einseitig im Dichtbereich mit dem korrosiven Medium direkt in Berührung steht und zum anderen auch eine gekammerte Fettfüllung insbesondere für niedrig-viskose Öle kein unüberwindliches Hindernis darstellt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher die Auf­ gabe der vorliegenden Erfindung, einen Wellendichtring der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Art zu schaf­ fen, der auch bei aggressiven Medien, insbesondere bei hoch­ legierten Ölen mit Elastomer zersetzenden Zusätzen, eine zuverlässige Dichtwirkung und eine wesentlich erhöhte Stand­ zeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Wellendichtring nach der Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Wellendichtring gemäß der vorliegenden Erfindung besteht also im einfachsten Fall aus einem eigentlichen Dichtring­ körper aus einem elastomeren Werkstoff, an den radial innen drei axial beabstandete Lippen vorzugsweise einstückig ange­ formt sind. "Axial" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dabei immer im Bezug auf die Längsachse der abzudichtenden Welle zu verstehen. Durch diese drei nach radial einwärts ragenden Lippen werden dabei zwei im Querschnitt taschenartig geformte Hohlräume gebildet, die nach radial auswärts durch die Lippen selbst sowie den Dichtringkörper und radial innen durch die Oberfläche der abzudichtenden Welle begrenzt werden. Mit anderen Worten, die taschenartigen Hohlräume werden eigentlich durch kreisförmig umlaufende nutartige Vertiefungen im Wellendichtring gebildet, wobei die Lippen die axialen Wände der Hohlräume darstellen.

Die axial innere, d. h. die dem abzudichtenden Medium zuge­ wandte Lippe und die axial äußere, d. h. die üblicherweise der Umgebungsatmosphäre zugewandte Lippe sind dabei als Dicht­ lippen ausgeführt, während die mittlere Lippe lediglich als Schutzlippe ausgebildet ist.

Der zwischen der mittleren Lippe und der axial inneren Lippe gebildete Hohlraum ist dabei mit Luft bzw. mit dem gasförmigen Medium, in dem der erfindungsgemäße Wellendichtring betrieben wird, gefüllt, wohingegen der zwischen der mittleren Lippe und der äußeren Lippe gebildete äußere Hohlraum im wesentlichen vollständig mit einem Sperrmedium gefüllt ist. Sperrmedium bedeutet hier insbesondere, daß das Füllmedium dem Durchtreten des abzudichtenden Mediums, beispielsweise Öl, einen beträcht­ lichen Widerstand entgegensetzt. Dazu besteht dieses Sperr­ medium vorzugsweise aus einem mit dem Werkstoff des Wellen­ dichtringes verträglichen, d. h. insbesondere diesen nicht korrosiv belastenden Fett, wobei im Hinblick auf eine lange Standzeit des Wellendichtrings weiterhin noch zu beachten ist, daß das Fett im abzudichtenden Medium nicht lösbar sein sollte. Die Auswahl des Sperrmediums ist vom Fachmann in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebs- und Umgebungs­ bedingungen leicht zu treffen; im Falle aggressiver Öle hat sich dafür ein Silikonfett als vorteilhaft erwiesen.

Wird der Dichtring der vorliegenden Erfindung zur Abdichtung einer Welle gegen ein aggressives Öl verwendet, wirkt die innere Dichtlippe in an sich bekannter Weise als Primär­ dichtung. Wenn nun nach längerer Betriebsdauer die Dicht­ wirkung aufgrund der korrosiven Einflüsse, wie vorstehend beschrieben, nachläßt, tritt in zunehmendem Maße Lecköl durch den Dichtungsbereich der inneren Dichtlippe in den ersten, axial inneren Hohlraum des Dichtrings. Dort gelangt das Lecköl an die Schutzlippe, die den mit Fett gefüllten zweiten, axial äußeren Hohlraum nach axial innen begrenzt. Schutzlippe im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet dabei insbesondere, daß diese Lippe im wesentlichen zur Begrenzung der Fettkammer dient; eine gezielte Dichtwirkung ist bei dieser Schutzlippe nicht vorgesehen. So kann diese Schutzlippe so ausgebildet sein, daß sie die Oberfläche der Welle gerade berührt oder der Wellenoberfläche mit geringem radialem Abstand gegenüberliegt. Der radiale Abstand muß dabei in jedem Fall so klein gewählt werden, daß die hochviskose Fettfüllung nicht in den axial inneren Hohlraum austritt. Diese Schutzwirkung wird dabei durch die korrosiven Einflüsse des Öles nicht in nennenswertem Maße beeinträchtigt. Am radial innersten Bereich der Schutz­ lippe trifft das austretende Lecköl auf den auf der Wellen­ oberfläche aufliegenden Sperrmediumring. Dieser stellt somit eine Sekundärdichtung dar. Selbst wenn nun jedoch nach längerer Betriebsdauer, beispielsweise durch Kriechvorgänge, geringe Mengen an Lecköl die Fettschicht durch- bzw. unter­ wandern, gelangen sie schließlich an die axial äußere Lippe, die wiederum als eigentliche tertiäre Dichtlippe mit spezifi­ scher Dichtfunktion ausgeführt ist. Da diese Dichtlippe stän­ dig mit der Fettfüllung der axial äußeren Hohlkammer in Berüh­ rung steht, ist sie gegen den korrosiven Einfluß des Lecköls mit einem ausreichenden und lang andauernden Schutz versehen, so daß daher insgesamt die Standzeit des erfindungsgemäßen Dichtringes gegenüber den bekannten Dichtringen erheblich verlängert ist.

Die Dichtlippen selbst können prinzipiell in beliebiger Weise ausgestaltet sein, solange eine ausreichende Dichtwirkung erzielt wird. Vorzugsweise jedoch besteht der eigentliche Dichtbereich der Dichtlippen aus mindestens einer Dichtkante, die lamellenartig an der Dichtlippe angeformt bzw. Teil derselben ist. Derartige Dichtkanten weisen üblicherweise eine Wirkrichtung auf, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung die Wirkrichtung der Dichtkanten bei beiden Dichtlippen vorzugs­ weise gleichgerichtet ist. Mit anderen Worten, beide Dicht­ kanten dichten primär nach axial einwärts ab.

Die axial äußere Dichtlippe weist vorzugsweise eine Doppel­ kante auf bzw. ist als Doppellippe ausgebildet. Dabei ist die eigentliche Dichtkante axial innenliegend, während die axial äußere Kante als Schutzkante oder Schutzlippe ausgebildet ist, die vorzugsweise der Welle mit geringem radialem Abstand gegenüberliegt. Diese äußere Schutzkante oder Schutzlippe dient somit nicht der eigentlichen Dichtfunktion des Wellen­ dichtrings, die nach innen gerichtet ist; sie dient vielmehr primär dazu, die äußere Dichtkante vor eventuell eindringenden körnigen Staubpartikeln und dergleichen, die möglicherweise die empfindliche Dichtkante beschädigen könnten, zu schützen.

Die beiden Dichtlippen können als passive Dichtelemente, d. h. lediglich als Dichtkanten mit definierter Wirkrichtung ausge­ bildet sein. Vorzugsweise jedoch sind die axial innere und/oder die axial äußere Dichtlippe als aktive Dichtlippe mit Rückführungselementen für Lecköl ausgebildet. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß eventuell, insbesondere nach längerer Betriebszeit der Dichtung, die Dichtkante überwindendes Lecköl aktiv durch eine Art Pumpeffekt in den abzudichtenden Innen­ raum zurückgefördert wird. Derartige Rückführungselemente sind dabei in dem Bereich der Dichtlippe angeordnet, der axial außerhalb des eigentlichen Dichtbereiches bzw. der Dichtkante liegt.

In einfachster Weise bestehen derartige Rückführungselemente aus in die jeweilige Dichtlippe eingeformten zur Welle hin offenen Mikrorillen. Diese Mikrorillen sind dabei im wesent­ lichen spiralförmig, d. h. nach Art eines Schraubengewindes angeordnet, wodurch die Dichtkante durchbrechendes Lecköl aufgrund der Rotation der Welle nach Art einer Schraubenpumpe in den Innenraum zurückgefördert wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Rückführungselemente aus turbinenschaufelartigen, vorzugsweise einstückig an die Dichtlippe angeformten Drallelementen, die, ebenfalls auf an sich bekannte Weise, das Lecköl nach Art einer Schaufelradpumpe in den Innenraum zurückfördern. Da die Rückführungselemente, mag es sich nun um spiralförmige Mikro­ rillen, turbinenschaufelartige Drallelemente oder sonstige handeln, durch die eigentliche Dichtlippe bzw. Dichtkante gegen einen chemischen und/oder thermischen Angriff des abzu­ dichtenden Mediums geschützt sind, ist ihre Funktion auch bei zunehmenden und länger anhaltenden Leckölströmen für eine lange Betriebsdauer gewährleistet. Die Rückförderleistung der Rückführungselemente kann in weiten Bereichen durch einfache Versuche in Abhängigkeit von den vorliegenden Betriebs­ verhältnissen von einem Fachmann leicht ermittelt bzw. einge­ stellt werden. Vorzugsweise ist die Rückförderleistung, die unter anderem von der Drehzahl der rotierenden Welle abhängt, so einzustellen, daß das Zurückpumpen des Lecköls in den Innenraum durch die Dichtkante, die ja primär in der entgegen­ gesetzten Richtung wirkt, leichter ist, als die Überwindung der Hürde des Sperrmediums für das Lecköl.

Für die Betriebssicherheit eines erfindungsgemäßen Wellen­ dichtringes ist es in der Regel erforderlich, daß zumindest die Dichtkanten elastisch und zumindest im wesentlichen form­ schlüssig auf der Wellenoberfläche aufliegen. Die Elastizität kann dabei durch das Elastomermaterial des Wellendichtringes selbst aufgebracht werden; insbesondere bei einer relativ großen axialen Erstreckung, d. h. einem relativ großen axialen Abstand zwischen den Lippen des Dichtrings, ist jedoch die elastische Anpreßkraft der äußeren Lippen nicht mehr unter allen Umständen gewährleistet bzw. würde einen zu massiven Aufbau des Dichtringkörpers erfordern. Daher weist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die axial innere und/oder die axial äußere Dichtlippe mindestens ein die Dicht­ wirkung unterstützendes Klemm- oder Federelement, insbesondere einen die Dichtlippe radial außen umschließenden Klemm- oder Federring auf. Ein derartiger Klemm- oder Federring, der bei­ spielsweise aus Kunststoff oder Metall bestehen kann, bewirkt also einen ständigen gleichbleibenden Anpreßdruck der Dicht­ bereiche bzw. Dichtkanten der Dichtlippen an die Oberfläche der Welle. Dadurch kann insgesamt der Wellendichtring deutlich weniger massiv ausgeführt sein.

Ein Klemm- oder Federring im Sinne der vorliegenden Ausführun­ gen kann beispielsweise in eine radial auswärts offene Nut, die im Bereich der Dichtlippen den Wellendichtring umläuft, eingelegt werden, wobei der Klemm- oder Federring entweder direkt bei der Montage des Wellendichtrings in das Gehäuse eingesetzt oder aber auch vormontiert werden kann. Insbeson­ dere im Hinblick auf eine leichte Vormontage und um ein Verlieren des Klemm- oder Federringes in jedem Fall zu verhin­ dern, ist es von Vorteil, wenn der Klemm- oder Federring die Dichtlippe nicht nur außen umgreift, sondern auch in das Material des Wellendichtrings selbst im wesentlichen geschlos­ sen eingebettet, insbesondere einvulkanisiert ist.

Der Wellendichtring gemäß der vorliegenden Erfindung kann prinzipiell zur Abdichtung aller rotierenden Wellen, wie bei­ spielsweise Pumpenwellen, Waschmaschinenwellen, Motorwellen oder dergleichen, eingesetzt werden. Vorzugsweise jedoch wird der erfindungsgemäße Wellendichtring zur Abdichtung von aggressiven und/oder zur Ablagerung neigenden Ölen, wie bei­ spielsweise hochlegierten Ölen, insbesondere Hypoid-Getriebe­ ölen, eingesetzt, die im Kraftfahrzeug-Getriebebau Verwendung finden.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispiels in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 im Querschnitt lediglich schematisch dargestellt ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 den Anlagebereich des Wellendichtrings an der Welle gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 in vergrößerter Darstellung.

Durch den Wellendichtring wird der mit einem Öl gefüllte Innenraum A gegenüber der Außenatmosphäre B abgedichtet.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen Wellendichtrings besteht aus einem Dichtring­ körper 1, der in seinem axial mittleren Bereich einen außen­ flanschartigen Ansatz 2 mit einer umlaufenden Ringnut 3 auf­ weist. In die Ringnut 3 ist ein Spreizbügel 4 mit seinem radial inneren Ende 5 eingesteckt, der mit seinem radial äußeren Bereich 6 an der Innenwand des zu verschließenden Gehäuses 7 anliegt. Die axial äußere Flanschwand 8 des Elastomer-Dichtrings ist dabei so verlängert, daß sie entlang des Spreizbügels 4 bis zur Innenwand des Gehäuses 7 geführt und zwischen Spreizbügel 4 und Gehäuseinnenwand eingeklemmt ist.

Der sich im wesentlichen axial erstreckende hülsenartige Dichtringkörper 1 weist auf seiner radial inneren Seite drei lippenartige Fortsätze auf. Die axial innere Lippe ist dabei als Dichtlippe 9 und die axial äußere Lippe als Dichtlippe 10 ausgeführt. Die mittlere Lippe ist als Schutzlippe 11 ausge­ bildet und teilt den zwischen Dichtringkörper 1, Dichtlippe 9, Dichtlippe 10 und Oberfläche der Welle 12 gebildeten Hohlraum in zwei in der Darstellung nach Fig. 1 taschenartig geformte Hohlräume 13 und 14. Der axial äußere Hohlraum 14 ist mit einer nicht dargestellten Fettfüllung versehen.

In der Darstellung nach Fig. 2 sind die Kontaktbereiche zwischen den Lippen 9,10 und 11 des Wellendichtringes und der Oberfläche der Welle 12 in vergrößerter Darstellung gezeigt. Die axial innere Dichtlippe 9 weist als eigentlichen Dicht­ bereich eine Dichtkante 15 auf, die im wesentlichen form­ schlüssig elastisch auf der Oberfläche der Welle 12 aufliegt. Die elastische Auflagekraft, die primär durch das Elastomer­ material des Wellendichtringes aufgebracht wird, wird unter­ stützt durch einen Klemm- oder Federring 16, der im Bereich der axial inneren Dichtlippe 9 in eine, die gesamte Dichtlippe 9 umlaufende nach radial auswärts offene Nut 17 eingelegt und durch einen flanschartigen Ansatz 18 vor dem Heruntergleiten geschützt ist.

Die Dichtlippe 9 weist an ihrem axial äußeren Bereich Rück­ führungselemente aus turbinenschaufelartigen Drallelementen 19 auf, die in der Darstellung nach Fig. 2 lediglich schematisch dargestellt sind. Bei schnell laufender Welle 12 wirken diese Drallelemente 19 in ihrer Gesamtheit als Turbinen-Pumpe, die eventuell über die Dichtkante 15 getretenes Lecköl wieder in den Innenbereich A zurückfördern.

Die äußere Dichtlippe 10 ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 in prinzipiell gleicher Weise wie die innere Dichtlippe 9 gestaltet. So weist sie ebenfalls eine Dichtkante 20 und turbinenartige Rückführungselemente 21 auf. Die Wirkrichtungen W₁ und W₂ sowohl der Dichtkanten 15 und 20 als auch der Rück­ führungselemente 19 und 21 sind dabei identisch.

Im Gegensatz zur axial inneren Lippe 9 ist die axial äußere Lippe 10 als Doppellippe oder Lippe mit Doppelkante ausge­ führt. So weist die Dichtlippe 10 neben der eigentlichen Dichtkante 20 eine zweite axial äußere Schutzkante 22 auf, die der Oberfläche der Welle mit geringem radialem Abstand gegen­ überliegt. Diese Schutzkante 22 dient dabei nicht zur eigent­ lichen Abdichtung; sie dient vielmehr lediglich dazu, eventu­ elle Staubpartikel oder dergleichen vom eigentlichen Dicht­ bereich 20 fernzuhalten.

Die axial mittlere Lippe ist als Schutzlippe 11 ausgebildet. Die Schutzlippe liegt dabei, ähnlich der Schutzkante 22, der Oberfläche der Welle mit geringem radialem Abstand gegenüber. Auch diese Schutzlippe dient daher gerade nicht irgendwelchen Dichtungszwecken; sie dient lediglich dazu, die Fettfüllung der Kammer 14 nicht in die Kammer 13 austreten zu lassen.

Claims (13)

1. Wellendichtring, insbesondere zur Abdichtung von aggressiven und/oder zur Ablagerung neigenden Ölen, aus einem elastomeren Werkstoff mit drei axial beabstandeten Lippen und zwei durch die Lippen und den Dichtringkörper gebildeten im Querschnitt taschenartig geformten Hohlräumen, dadurch gekennzeichnet, daß die axial innere und die axial äußere Lippe als Dichtlippen ausgeführt sind, die mittlere Lippe als Schutzlippe ausgebildet ist und der zwischen mittlerer Lippe und äußerer Lippe gebildete Hohlraum im wesentlichen vollständig mit einem Sperrmedium gefüllt ist.

2. Wellendichtring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtlippen jeweils mindestens eine auf der Welle elastisch und zumindest im wesentlichen formschlüssig aufliegende Dichtkante aufweisen, wobei die Wirkrichtung der Dichtkanten bei beiden Dichtlippen gleich ist.

3. Wellendichtring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzlippe der Welle mit geringem radialen Abstand gegenüberliegt oder die Welle gerade berührt.

4. Wellendichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axial äußere Dichtlippe eine axial innen liegende Dichtkante und eine axial außen liegende Schutzkante aufweist.

5. Wellendichtring nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzkante der Welle mit geringem radialen Abstand gegenüberliegt.

6. Wellendichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die axial innere und/oder die axial äußere Dichtlippe mit Rückführungselementen für Lecköl versehen sind.

7. Wellendichtring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungselemente aus in die jeweilige Dichtlippe eingeformten, zur Welle hin offenen Mikrorillen bestehen, die im wesentlichen spiralförmig verlaufen.

8. Wellendichtring nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungselemente aus turbinenschaufelartigen, einstückig an die Dichtlippe angeformten Drallelementen bestehen.

9. Wellendichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrmedium aus einem mit dem Werkstoff des Wellendichtringes verträglichen und im abzudichtenden Medium nicht lösbaren Fett, insbesondere aus Silikonfett besteht.

10. Wellendichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die axial innere und/oder die axial äußere Dichtlippe mindestens ein die Dichtwirkung unterstützendes Klemm- oder Federelement, insbesondere einen die Dichtlippe radial außen umschließenden Klemm- oder Federring aufweisen.

11. Wellendichtring nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellendichtring im Bereich der axial inneren und/oder der axial äußeren Dichtlippe eine die gesamte Dichtlippe umlaufende nach radial auswärts offene Nut aufweist, in die der Klemm- oder Federring einlegbar ist.

12. Wellendichtring nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Klemm- oder Federring im Bereich der axial inneren und/oder äußeren Dichtlippe diese in Umfangsrichtung im wesentlichen geschlossen umlaufend in den Wellendichtring eingebettet, insbesondere einvulkanisiert ist.

13. Verwendung eines Wellendichtrings nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Abdichtung der eingangs- und/oder ausgangsseitigen Antriebs- oder Abtriebswellen von Getrieben, insbesondere Kraftfahrzeuggetrieben.