DE4209174A1 - Radialwellendichtring - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Radialwellendichtring, im folgen­ den kurz "Wellendichtring" genannt, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren sowie einen Werkstückträger zur Herstellung eines Wellendichtringes.

Wellendichtringe der hier in Rede stehenden Art sind dynami­ sche Dichtungen, insbesondere zum Abdichten von Durchführungen rotierender Wellen, meist zum Trennen einer Fluidseite gegen Luft.

Im Gegensatz zu statischen Dichtungen, bei denen ein Dichtspalt durch Verpressen eines elastischen Materials geschlossen wird, beruht die Dichtwirkung der Wellendichtringe auf einer Pumpwirkung im Sinne einer Rückförderung ausgetrete­ ner Flüssigkeit aus dem Luftraum in den Flüssigkeitsraum, meist Ölraum oder Fettraum. Die Förderenergie wird von der sich unter einer Dichtkante des Wellendichtringes drehenden Welle aufgebracht.

Die Dichtfunktion der meisten Wellendichtringe ist daher ver­ ständlicherweise von der Drehrichtung der Welle relativ zum Dichtring abhängig. Unabhängig von der Drehrichtung der Welle, also bidirektional wirksam, sind dagegen Radialwellen­ dichtringe der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art mit einem radial außen mit einem biegeelastischen Käfig aus Stahl oder Kunststoff versteiften Elastomerring, der radial innen eine Ringlippe aufweist, die ihrerseits eine mit der Oberfläche der abzudichtenden Welle zusammenwirkende Dichtkante trägt. Dabei läßt sich eine gezielte und reprodu­ zierbare in beiden Drehrichtungen der Welle wirksame Förder­ wirkung, d. h. Dichtwirkung, dadurch erzielen, daß die Dicht­ kante in der Abwicklung bzw. in Umfangrichtung der Ringlippe des Dichtringes gesehen, gewellt konfiguriert ist.

Ein solcher Wellendichtring ist beispielsweise aus der deut­ schen Patentschrift DE 22 64 042 C2 bekannt. Der Wellendicht­ ring mit einer Dichtkante, die in den verschiedensten Konfigu­ rationen in der Abwicklung sinusartig gewellt ist, ist ein­ schließlich der Dichtkante als Elastomerformteil hergestellt.

Als Problem hat sich bei solcherart hergestellten Dichtringen herausgestellt, daß die meist nur nach Bruchteilen von Milli­ metern bemessenen Dichtkanten nur selten rundum mit der erfor­ derlichen Präzision und Fehlerfreiheit ausgeformt werden. Solche Fehler in der Dichtkantenkontur, insbesondere bei einer Serienfertigung solcher Wellendichtringe, führen zu breiten Streuungen der Kenndaten und Leistungen, letztendlich zur Dichtwirkung dieser Wellendichtringe.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen dynamischen Radialwellendichtring mit in Umfangrichtung gewellt verlaufender Dichtkante dahingehend zu verbessern, daß er vorgegebene Leistungsdaten für vorgege­ bene Betriebsbedingungen in engen Toleranzen mit hoher Zuver­ lässigkeit und hoher Reproduzierbarkeit bei wesentlich verbes­ serter Förderleistung unabhängig vom Drehsinn der Welle einzu­ halten in der Lage sind.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Radialwellen­ dichtring, dessen Dichtkante durch Trimmen, d. h. Nach­ bearbeiten des vorgefertigten Elastomerformteils, hergestellt, und zwar wellig hergestellt, ist. Dabei kann zum Trimmen prinzipiell jedes für den Werkstoff Elastomer geeignete materialabtragende Bearbeitungsverfahren eingesetzt werden, insbesondere ein Schleifen, vorzugsweise ein Abstechen des abzutragenden Elastomerwerkstoffs vom rotierenden Werkstück.

Vorzugsweise ist die an dem als Elastomerformteil vorgefertig­ ten Wellendichtring vorgeformte Ringlippe ungewellt und voll­ kommen rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei die Welligkeit der durch Trimmen erzeugten Dichtkante mit stehendem oder lediglich axial verschiebbarem Trimmwerkzeug, insbesondere also Stechwerkzeug, dadurch erreicht wird, daß die im Werk­ stückträger aufgenommene Ringlippe zur materialabtragenden Bearbeitung wellig aus der Radialebene heraus verformt ist. Dabei lassen sich auf diese Weise mit hoher Präzision Wellen­ dichtringe mit gewellt verlaufender Dichtkante herstellen, die in der Abwicklung zwei, drei oder vier vollen 360°-Phasen entspricht.

Die Welligkeit der Dichtkante, also der maximale Abstand der Scheitelpunkte der Wellung der Dichtkante, gemessen in Axial­ richtung des Wellendichtringes, bezogen auf die Sinuslinie, also die doppelte Amplitude, liegt für den Wellendichtring gemäß der Erfindung insbesondere im Bereich von 0,05 bis 1,0 mm, für einen sinusförmigen Verlauf der Dichtkantenwellung mit insbesondere nur zwei, drei oder vier vollen 360°-Phasen auf dem gesamten Umfang der Ringlippe, vorzugsweise bei 0,15 bis 0,5 mm. Wellendichtringe mit diesen Kenndaten sind mit hoher Förderleistung, d. h. guter Dichtheit, bidirektional mit identischen Kenndaten für beide Wellendrehrichtungen verwend­ bar.

Für eine effektive Serienfertigung der Wellendichtringe gemäß der Erfindung wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorzugsweise zunächst der Wellendichtring mit einer kreis­ förmigen und rotationssymmetrischen angeformten Ringlippe und einem diese außen umgebenden Käfig als Elastomerformteil durch Transferpressen oder Spritzen hergestellt, wobei der Käfig zweckmäßigerweise vor dem Einspritzen der Elastomerformmasse in das Formwerkzeug eingebracht und das Elastomer an dem insbesondere aus Metall oder auch aus Kunststoff bestehenden Käfig anvulkanisiert wird. Der so vorgefertigte Ring wird dann in ein Aufnahmeteil eines aus Aufnahmeteil und Niederhalter bestehenden Werkstückträgers eingesetzt, und zwar derart, daß der Zargenteil des Versteifungskäfigs in eine peripher äußere zylinderringförmige Ausnehmung paßgenau eingreift, während der radial innere Abschnitt des Wellendichtringes, der aus der Ringlippe und einem meist konisch verlaufenden Übergangs­ abschnitt zum peripher außenliegenden Käfigabschnitt besteht, so in eine zentrale Bohrung des Aufnahmeteils des Werkstück­ trägers eingesetzt wird, daß, in Axialrichtung des Wellen­ dichtringes gesehen, der größte Teil dieses Innenring­ abschnitts eine zentrale konzentrische zylindrische Aufnahme­ bohrung im Aufnahmeteil nicht berühren, sondern lediglich der Außenrand des Lippenringes gerade paßgenau oder unter ganz geringer Verformung bündig und koaxial an der Innenwand der zentralen Bohrung anliegt. Ausgehend von dieser Ausgangslage kann und muß jetzt auf unterschiedliche Weise, vor allem jedoch in absolut reproduzierbarer und gesichert kontrollier­ barer Weise die Ringlippe des Wellendichtringes im Aufnahme­ werkzeug so verformt werden, daß sie aus der planen Radial­ ebene des unverspannten Lippenringes heraus in der für das Stechen der Dichtkante erforderlichen Weise wellig verformt oder verworfen wird. Dabei kann dies in verschiedenster Weise erreicht werden, so beispielsweise durch ein kontrolliertes radiales Stauchen der Ringlippe oder durch ein Verspannen des Käfigrings aus der planen Radialebene heraus, und zwar in der Weise, daß sich diese biegeelastische Verspannung auch in einer Verformung aus der planen Radialebene heraus im Bereich der Ringlippe auswirkt. Ein solcherart im Aufnahmeteil des Werkstückträgers fixierter und vorgewellter Lippenring kann dann mit stehendem oder höchstens axial vorgeschobenem Schneidwerkzeug oder Stechwerkzeug oder Schleifwerkzeug unter Erzeugung einer welligen Dichtkante präzisionsbearbeitet werden. Zu diesem Zweck wird der Werkstückträger mit Dreh­ zahlen im Bereich von 500 min^-1 bis 1500 min^-1 , vorzugsweise im Bereich von 800 min^-1 bis 1000 min^-1, gedreht.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Axialschnitt einen Wellendichtring gemäß der Erfindung, wobei die zu beiden Seiten der Mittellinie dargestellten axialen Schnittflächen einen Winkel von 90°, nicht 180°, einschließen; und

Fig. 2 den in Fig. 1 dargestellten Wellendichtring eingesetzt in den Werkstückträger zur Her­ stellung der gewellten Dichtkante durch Trimmen mit statischem Trimmwerkzeug.

Im Axialschnitt ist in der Fig. 1 ein Radialwellendichtring zum Abdichten von Durchführungen rotierender Wellen darge­ stellt. Dieser Wellendichtring besteht aus einem radial außen mit einem biegeelastischen Käfig 1 versteiften Elastomerring 2, der radial innen eine Ringlippe 3 mit einer in Umfang­ richtung gewellt verlaufenden Dichtkante 4 aufweist. Die Ringlippe 3 ist über einen Übergangsabschnitt 5 mit zumindest im großen und ganzen ungefähr konischen Konturverlauf an den Käfigbereich 6, also die Außenzarge des Wellendichtringes, angebunden. Die in der Fig. 1 markierten Schnittbereiche 7 und 8 zu beiden Seiten der Mittellinie 9 des Wellendichtringes stehen im rechten Winkel zueinander, wobei im Schnitteil 7 der untere und im Schnitteil 8 der obere Scheitelpunkt der sinus­ förmig verlaufenden Dichtkante 4 dargestellt sind.

Der Elastomerring 2 ist ein durch Spritzgießen hergestelltes Gummiformteil, bei dessen Herstellung der Metallkäfig 1 in das Formwerkzeug mit einer solcherart präparierten Oberfläche eingelegt worden ist, daß zwischen dem Elastomerring 2 und dem biegeelastischen Käfig 1 nach dem Ausvulkanisieren des Elastomers ein fester Haftverbund besteht.

Zur Herstellung der Welligkeit der Dichtkante 4 wird der zunächst rotationssymmetrisch hergestellte Wellendichtring in der in Fig. 2 gezeigten Weise in einen Werkstückträger einge­ setzt, der aus einem Aufnahmeteil 10 und einem Niederhalter 11 besteht.

Im Aufnahmeteil 10 sind koaxial zueinander eine zentrale Zylinderbohrung 12 und eine diese umschließende Zylinderring­ bohrung 13 ausgebildet. Dabei öffnet sich die zentrale Zylinderbohrung 12 über einen konischen Kragenbereich 14 in der Weise nach außen, daß der Übergangsabschnitt 5 des Wellen­ dichtringes das Aufnahmeteil 10 nicht berührt. Während die Zylinderbohrung 12 den Ringlippenabschnitt 3 des Wellendicht­ ringes an dessen äußerem Umfang paßgenau aufnimmt, ist der Käfigringabschnitt 6 des Wellendichtringes ebenfalls paßgenau, insbesondere aber auch mit leichtem Klemmsitz, in der Zylinderringbohrung 13 aufgenommen.

Auf der kreisringförmigen Stirnseitenfläche 15 des Aufnahme­ teils 10 zwischen der zentralen Zylinderbohrung 12 bzw. deren Kragenbereich 14 und der diese Bohrung umschließenden Zylinderringbohrung 13 liegt die nach axial innen weisende kreisringförmige Radialfläche 16 des Käfigs 1 auf.

Auf der nach axial außen weisenden stirnseitigen Kreisring­ fläche 15 des Aufnahmeteils 10 sind einander diametral gegen­ überliegend und nach axial auswärts vorspringend zwei Auflage­ nocken 17 ausgebildet. Die nach axial einwärts weisende kreis­ ringförmige Radialfläche 16 des Käfigs 1 des Wellendichtringes liegt nach dem Einsetzen des Wellendichtringes in die Bohrungen 12, 13 auf diesen beiden Auflagenocken 17 auf. Dabei ist zu beachten, daß ebenso wie in der Fig. 1 so auch in der Fig. 2 die Zeichnungsabschnitte 7 und 8 beidseits der Mittel­ achse 9 nicht in einer Ebene liegen, sondern einen Winkel von 90° einschließen. Ein Niederhalter 11, der als Kreisring­ scheibe ausgebildet ist, ist durch geläufige und in der Fig. 2 nicht gesondert dargestellte Spannmittel so auf das Aufnahme­ teil 10 vorgespannt, daß dadurch auch der Rohling des Wellen­ dichtringes in das Aufnahmeteil 10 des Werkstückhalters 10, 11 hineingedrückt wird. Dabei weist die nach axial innen weisende Kreisringfläche 18 des Niederhalters 11 zwei einander eben­ falls diametral gegenüberliegende nach axial einwärts vorspringende Niederhalternocken 19 auf, die jedoch bei bestimmungsgemäß geschlossenem Werkstückträger um 90° gegen die Auflagenocken 17 in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise winkelversetzt ausgerichtet sind. Auf diese Weise wird der zwischen zwei tragenden Widerlagern 17 und gegen diese auf Lücke versetzt durch zwei niederdrückende Auflastlager 19 eingespannte Käfig 1 und mit diesem der gesamte Elastomerring 2 einschließlich der Ringlippe 3 in axialer Richtung aus der planen Radialebene heraus verformt, und zwar nicht will­ kürlich, sondern exakt nach Maßgabe der zusammenwirkenden beiden Nockenpaare 17 und 19.

Der Werkstückträger 10,11 mit dem eingesetzten Wellendichtring wird dann um die Mittelachse 9 mit einer Drehzahl von ungefähr 900 min^-1 gedreht. Während dieses Vorganges wird dann ein fest und stabil eingespanntes Stechwerkzeug durch die Öffnung 20 des Niederhalters 11 hindurch nach axial einwärts in den Wellendichtring hinein so eingefahren, daß die wellig verformte Ringlippe 3, bezogen auf das Aufnahmewerkzeug 10, auf einer Kreislinie gestochen bzw. geschnitten wird, so daß nach dem Lösen des Niederhalters 10 und der elastischen Rück­ verformung des Käfigs 1 die in Fig. 1 gezeigte sinuswellige Dichtkante 4 erzeugt wird. Dabei ist in der Fig. 2 die Schnittrichtung 21 des nicht dargestellten Stechwerkzeugs durch jeweils eine unterbrochene Linie dargestellt.

Claims (9)

1. Radialwellendichtring zum Abdichten von Durchführungen rotierender Wellen, bestehend aus einem radial außen mit einem biegeelastischen Käfig (1) versteiften Elastomer­ ring (2), der radial innen eine Ringlippe (3) mit einer in Umfangrichtung gewellt verlaufenden Dichtkante (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die gewellt verlaufende Dichtkante (4) getrimmt ist.

2. Wellendichtring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewellt verlaufende Dichtkante (4) eine aus der im übrigen rotationssymmetrischen Ringlippe (3) des als Elastomerformteil hergestellten Wellendichtringes (2,1) gestochene Kante ist.

3. Wellendichtring nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gewellt verlaufende Dichtkante (4) in der Abwicklung eine Sinuswelle oder eine der Sinusfunktion ähnlich verlaufende Welle mit zwei, drei oder vier vollen 360°-Phasen ist.

4. Wellendichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Welligkeit der Dichtkante (4) von 0,05<=c<=1,0 mm, insbesondere 0,15<=c<=0,5 mm.

5. Verfahren zur Herstellung eines Wellendichtringes mit den Merkmalen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zunächst als Elastomerformteil mit einer kreis­ ringförmigen rotationssymmetrischen Ringlippe herge­ stellte Wellendichtring unter welliger Spannungs­ verformung der Ringlippe aus der Radialebene heraus dreh­ fest in einen drehbaren Werkstückträger eingesetzt wird, und zwar koaxial zu dessen Drehachse, und daß die Dicht­ kante dann durch axialen Vorschub eines im übrigen fixiert gehaltenen entsprechenden Trimmwerkzeugs getrimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsverformung der Ringlippe durch radiales Stauchen der Ringlippe oder durch axiales Verspannen des Elastomerkörpers des Wellendichtringes bewirkt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsverformung der Ringlippe durch axiales elastisches Biegeverformen des Käfigs bewirkt wird.

8. Werkstückträger zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, bestehend aus einem zylindrischen Aufnahme­ teil (10) für den Wellendichtring (2,1) und einem diesen einspannenden Niederhalter (11), gekennzeichnet durch zwei koaxiale zylindrische Bohrungen im Aufnahmeteil (10), nämlich eine zentrale Zylinderbohrung (12) zur paßgenauen Aufnahme des Ringlippenabschnitts (3) des Wellendichtringes und eine diese zentrale Zylinderbohrung (12) umschließende Zylinderringbohrung (13) zur Aufnahme des Käfigabschnitts (6) des Wellendichtringes, durch nach axial auswärts vorspringende Auflagenocken (17) auf der kreisringförmigen Stirnseitenfläche (15) des Aufnahme­ teils (10) zwischen diesen beiden zylindrischen Bohrungen (12, 13) zum Abstützen für einen auf der kreisringförmigen Stirnseitenfläche (15) aufliegenden axial einwärts­ weisenden kreisringförmigen Flächenabschnitt (16) des Käfigabschnitts (6) und durch eine gleiche Anzahl von nach axial einwärts vom kreisringscheibenförmigen Nieder­ halter (11) vorspringende Niederhalternocken (19), die jeweils mittig zwischen jeweils zwei benachbarten Auflagenocken angeordnet und zum federelastischen axial einwärts beaufschlagenden und biegeverformenden Nieder­ halten des Käfigs (1) des Wellendichtringes (2, 1) bestimmt sind.

9. Werkstückträger nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen sich nach axial auswärts konisch öffnenden Kragen­ bereich (14) der zentralen Zylinderbohrung (12) des Aufnahmeteils (10), wobei dieser sich konisch öffnende Kragenbereich so konfiguriert und dimensioniert ist, daß ein konischer Übergangsabschnitt (5) des Wellendicht­ ringes (2, 1) zwischen dem Käfigbereich (6) und der Ringlippe (3) die Innenmantelfläche des konischen Kragenbereiches (14) der zentralen Bohrung (12) des Aufnahmeteils (10) mit Spiel nicht berührt, während die eigentliche Ringlippe (3) im unverspannten Zustand an der Innenmantelwand der Zylinderbohrung (12) zumindest im wesentlichen gerade paßgenau anliegt.