DE4130767A1 - Gleitringdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleitringdichtung mit einem Gleitring, der zumindest auf einem Teil seiner axialen Länge mit einem Mitnehmer über seiner Umfangsfläche vorgesehe­ ne Kraftübertragungsflächen drehfest verbunden ist, die eine radiale Richtungskomponente aufweisen.

Der Gleitring einer Gleitringdichtung, worunter im Zusammen­ hang der Erfindung auch ein sogenannter Gegenring verstanden werden soll, ist im Betrieb aufgrund der Reibung im Dichtspalt und an einem zähen Medium einem ggf. hohen Drehmoment ausge­ setzt, das auf die tragende Konstruktion über den Mitnehmer übertragen werden muß. Bekannt ist es, den Mitnehmer zu diesem Zweck, den Mitnehmer mit einem oder mehreren Vorsprüngen auszustatten, die in Einschnitte des Gleitrings eingreifen. Die dadurch hervorgerufene lokale Kraftspitze kann bei zug­ spannungsempfindlichem Material zum Bruch führen. Als Abhilfe schlägt die DE-PS 35 20 430 vor, den Gleitring mit dem Mitneh­ mer über in Umfangsrichtung des Gleitrings geneigte Kraftüber­ tragungsflächen zusammenwirken zu lassen, deren Neigungswinkel gegenüber der Umfangsrichtung über 20°, in der Regel über 35°, liegt. Dadurch wird erreicht, daß zusätzlich zu der zu über­ tragenden Umfangskraft eine Radialkraft erzeugt wird, die den Ring unter eine Biegebeanspruchung setzt, welche an dem kerbspannungsgefährdeten Übergang der Kraftübertragungsfläche zur anschließenden zylindrischen Fläche des Rings eine Druck­ spannung erzeugt, die den in diesem Bereich wirkenden Zugspan­ nungen entgegenwirkt und dadurch die Kerbgefährdung aufhebt. Dabei versteht es sich, daß man die Radialkomponente der Kraft nicht so stark anwachsen läßt, daß sie ihrerseits die Festig­ keit des Rings gefährdet. Die genannte Veröffentlichung begrenzt deshalb den Neigungswinkel auf minimal 20° gegenüber der Umfangsrichtung, was eine Radialkraft von nahezu dem Dreifachen der Umfangskraft entspricht. Da schon dieser Wert extrem hoch erscheint, wurde er in der Praxis nie erreicht; vielmehr verwendet man Neigungswinkel von 37° zur Umfangs­ richtung, was einer Radialkraft vom 0,75-Fachen der Axialkraft entspricht.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß besonders gute Ergeb­ nisse sich erzielen lassen, wenn der Winkel der Kraftübertra­ gungsflächen mit der Umfangsrichtung sehr klein ist, nämlich weniger als 20°, vorzugsweise weniger als 17° beträgt. Er sollte in der Regel größer als 5° sein.

Die Wahl dieser kleinen Winkel führt zu, im Vergleich mit den Axialkräften, enorm hohen Radialkräften, von denen man bisher annahm, daß man sie vermeiden sollte. Das gilt sogar dann, wenn die Kraftübertragungsflächen kontinuierlich gekrümmt in die anschließenden Umfangsflächen des Gleitrings übergehen und Kerbspannungen keine Rolle spielen. Die Erklärung wird man darin suchen dürfen, daß der Kontakt der Kraftübertragungsflä­ chen mit dem Mitnehmer zu Beanspruchungen führen kann, die in Art und Ausmaß schwer zu übersehen sind und im Einzelfall nur durch verhältnismäßig hohe in Umfangsrichtung wirkende Druck­ spannungen kompensiert werden können. Diese hohen Druckspan­ nungen werden erfindungsgemäß durch die Biegespannungen erzeugt, die wiederum auf die hohen Radialkräfte im Kraftüber­ tragungsbereich zurückgehen.

Den hohen Druckspannungen in den Kraftübertragungsflächen entsprechen hohe Zugspannungen auf der gegenüberliegenden Seite, von denen man annehmen sollte, daß sie bei zugspan­ nungsempfindlichem Material besonders schädlich seien. Jedoch hat sich erwiesen, daß dies nicht der Fall ist, wenn die zugspannungsbelasteten Flächen hinreichend glatt ausgeführt werden, wie dies bei keramischen Material die Regel ist.

Besonders bewährt hat sich die Erfindung bei solchen Gleitrin­ gen, die gleichmäßig über den Umfang verteilt mindestens drei Kraftübertragungsflächen (bezogen auf ein und dieselbe Kraft­ übertragungsrichtung) aufweisen, weil dann nämlich zusätzli­ che, in Umfangsrichtung wirkende Druckspannungen erzeugt werden, die die erwähnten Umfangszugspannungen teilweise oder gänzlich wieder aufheben.

Zweckmäßigerweise umgibt der Mitnehmer den Gleitring als einen Ring, dessen Innenform der Außenform des Gleitrings (bzw. des von dem Ring umfaßten Teils des Gleitrings) unter Beachtung eines ggf. erforderlichen Montagespiels gleicht.

Die kraftübertragenden Flanken können auch am Innenumfang des Rings gebildet sein; jedoch ist der Kräfteverlauf günstiger bei ihrer Anordnung auf dem Außenumfang.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn die Kraftübertragungsflächen kontinuierlich gekrümmt in die sich daran anschließenden Umfangsflächen des Gleitrings übergehen. Dies beinhaltet eine Vermeidung von abrupten Richtungsänderungen dieser Flächen, was nicht nur einem harmonischen Kräfteverlauf im Ring dient, sondern auch die Möglichkeit gibt, etwaige Abdichtorgane (z. B. einen O-Ring) mit dem die Kraftübertragungsflächen bildenden Umfang zusammenwirken zu lassen, ohne daß dafür eine besondere Zylinderfläche vorgesehen werden muß.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das die Dicht­ flächen bildende Profil bis zu der die Gleitfläche bildende Stirnfläche oder bis nahe an diese heran durchgezogen werden. Dies gibt zum einen die Möglichkeit, den Ring zu wenden, wenn er symmetrisch ausgeführt ist. Zum anderen verbessert das Profil im Verhältnis zu dem es umgebenden Medium die Wärme­ übergangszahl und damit die Kühlung des Rings in der Nachbar­ schaft der Gleitfläche. Zum dritten ergibt die unterschiedli­ che Wärmedehnung des Rings in seinen unterschiedlich geformten Bereichen eine wellige Verformung der Gleitfläche und damit einen hydrodynamisch günstigen Einfluß auf den Dichtspalt.

Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, die die Axialansicht eines Gleitrings mit den zugehörigen Kräfteverhältnissen schematisch veranschau­ licht.

Gezeigt ist ein Gleitring, dessen Innenumfang zylindrisch und dessen Außenumfang dreimal gleichmäßig über den Umfang gewellt ist, so daß sich drei erhöhte Abschnitte 1 und drei dünnere Abschnitte 4 ergeben, zwischen denen sich schräge Flanken 3 als Kraftübertragungsflächen in der einen und Flanken 4 als Kraftübertragungsflächen in der anderen Richtung bilden. Es sei angenommen, daß ein nicht dargestellter Mitnehmerring auf den Gleitring ein Drehmoment in Pfeilrichtung 5 ausübt, wobei der Mitnehmerring die Kraftübertragungsflächen 3 gleichmäßig mit der Kraft U belastet. Der Einfachheit halber wird diese Belastung, die zweckmäßigerweise möglich großflächig erfolgt, in den Punkten 6 angreifend gedacht. Bei einem mittleren Neigungswinkel α von 15° der Flanke 3 zur Umfangsrichtung ist die Radialkraft R nahezu viermal so groß wie die Umfangskraft. Diese Radialkraft führt zu einem Biegemoment in dem Gleitring, das etwa den über dem Bogen 7 in Radialrichtung aufgetragenen Verlauf hat. Die Maxima dieses Biegemoments liegen in den Flankenbereichen des Gleitrings, wo dieser also eine etwas vergrößerte Dicke hat; die dünneren Bereiche des Rings werden hingegen nur wenig belastet.

Aus dem Biegemomentverlauf ergibt sich ein entsprechender Verlauf der davon herrührenden Druck- und Zugspannungen auf der Innen- und Außenseite des Gleitrings, wobei die Druckspan­ nungen ihre Maxima in den kraftübertragenden Flanken errei­ chen, so daß diese vorzugsweise vollkommen zugentlastet werden und daher unberechenbare Einflüsse, die bspw. von Kontaktkor­ rosion herrühren können, die Festigkeit des Rings nicht negativ beeinflussen können.

Den vom Biegemoment herrührenden, in Umfangsrichtung wirkenden Druck- und Zugkräften überlagern sich diejenigen Druckkräfte, die von dem Gegeneinanderwirken der an drei Umfangsstellen angreifenden Radialkräfte herrühren. Die Größe dieser Druck­ kräfte liegt in jedem Querschnitt des Rings bei nahezu der Hälfte einer Radialkraft. Das bedeutet, daß einerseits die gewünschten Druckkräfte vergrößert und andererseits die unerwünschten Zugkräfte vermindert werden. Wenn man die strichpunktierte Kurve 8 in bezug auf die Abszisse 7 unter Vernachlässigung des Einflusses der Ringdicke etwa als Maß für die aufgrund des Biegemoments herrschenden Zug- und Druckkräf­ te betrachtet, so entspricht der Einfluß der von dem Gegenein­ anderwirken der drei Radialkräfte herrührenden Druckkräfte einer Verschiebung der Abszisse zum Zentrum hin, nämlich etwa zur gestrichelten Linie 9. Daraus ist zu erkennen, daß Zug­ span­ nungen nur in geringem Maß und nur in solchen Zonen auftreten, die verdickt und daher unempfindlicher sind. Für den Gleitring ergibt dies einen beträchtlichen Stabilitätszuwachs.

Claims (7)

1. Gleitringdichtung mit einem Gleitring, der zumindest auf einem Teil seiner axialen Länge mit einem Mitnehmerring über an seiner Umfangsfläche vorgesehene Kraftübertra­ gungsflächen (3, 4) drehfest verbunden ist, die eine radiale Richtungskomponente aufweisen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kraftübertragungsflächen mit der Um­ fangsrichtung einen Winkel α von weniger als 20° ein­ schließen.

2. Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α kleiner als 17° ist.

3. Gleitringdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Winkel α größer als 5° ist.

4. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Kraftübertragungsflächen vorge­ sehen sind.

5. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungsflächen kontinuierlich gekrümmt in die anschließenden Umfangsflä­ chen des Gleitrings übergehen.

6. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Mitnehmer den Gleitring umgibt und eine mit der Außenform des Gleitrings übereinstimmende Innenform aufweist.

7. Gleitringdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kraftübertragungsflä­ chen bildende Profil bis etwa zu der die Gleitfläche bildende Stirnfläche durchgeführt ist.