DE69505673T2

DE69505673T2 - Bidirectionale wellendichtung

Info

Publication number: DE69505673T2
Application number: DE69505673T
Authority: DE
Inventors: Carole L. Ida Mi 48140 Straub
Original assignee: Mather Seal Co
Current assignee: Federal Mogul LLC
Priority date: 1994-07-19
Filing date: 1995-06-29
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2015-06-30
Also published as: EP0771398A1; US5692757A; JP4034822B2; WO1996002777A1; EP0771398B1; ES2123273T3; JPH10503266A; DE69505673D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellendichtung mit einer ringförmigen Dichtungsscheibe, die eine mit einer Welle in Eingriff bringbare Dichtungsfläche hat, und insbesondere betrifft sie eine in der Dichtungsfläche ausgebildete Spiralnutanordnung, um ein Austreten von flüssigem Schmiermittel von der Schmiermittelseite der Dichtung zur Luftseite zu verhindern.
Das U. S. Patent 3 857 156 von Clark beschreibt eine Öldichtung mit einer ringförmigen, aus Kunststoffmaterial gebildeten Dichtungsscheibe. Der innere Rand der Scheibe gleitet auf der Oberfläche einer rotierenden Welle, um ein Fließen von Öl entlang der Welle von der einen Seite der Dichtung zur anderen, und dadurch ein Austreten von Öl aus einem Wellenlager zu vermeiden. Die Dichtungsscheibe hat eine Spiralnut, die in ihrer Dichtungsoberfläche in einer Richtung ausgebildet ist, die dazu führt, daß die Nut als Pumpe zum Pumpen von Öl in Richtung des Wellenlagers dient, um der Neigung des Öls, über die Gleitschnittstelle zwischen der Welle und der Dichtungsfläche der Scheibe auszutreten, entgegenzuwirken.
Die Spiralnut in dem Patent von Clark ist in einer bestimmten Richtung in bezug auf die Rotationsrichtung der Welle so gewunden, daß die Nut Öl in die richtige Richtung pumpt, d. h. entgegengesetzt der Leckrichtung. Wenn die Welle in zwei Richtungen gedreht werden kann, d. h. im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn, wird die Spiralnut bei Drehung der Welle in einer der zwei Richtungen als Dichtungshilfe relativ unwirksam sein.
Das U. S. Patent 3 620 540, das an Jagger erteilt wurde, zeigt eine Wellendichtung, die ein elastomeres Dichtungselement mit einer Vielzahl von Rillen auf dessen Dichtungsfläche hat. Die Rillen sind in einem Kreuzmuster in der Dichtungsfläche so angeordnet, daß sie Flüssigkeit aufnehmende Taschen oder Kanäle in der Dichtungsfläche ausbilden.
Die Rillen stehen so im schiefen Winkel zur Wellenrotationsebene, daß mit der Welle rotierendes Drucköl so auf ausgewählte Rillen trifft, daß es schief von den Rillen weg reflektiert wird. Aufgrund der kreuzweisen Beschaffenheit der Rillen funktioniert das Rillensystem in jeder Wellenbewegungsrichtung, d. h. im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn.
Das U. S. Patent 3 672 690 von Berens zeigt einen Dichtungsmechanismus, der ein Dichtungsband oder eine Dichtungslippe mit einem keilförmigen Profil enthält. Eine Vielzahl wellenförmiger Rillen ist auf der Luftseite des Dichtungsrandes vorgesehen, um Öl über den Rand zurück in die Ölseite der Dichtung zu leiten. Die wellenförmigen Rillen überkreuzen einander so, daß sie in jeder Wellenrotationsrichtung wirksam sind.
Das U. S. Patent 4 420 162, das an Yanai et al. erteilt wurde, zeigt eine Wellendichtung, in der ein ringförmiges Dichtungselement eine flache Oberfläche mit zwei Sätzen aus engen oder feinen Nuten in kreuzweiser Beziehung zueinander hat. Ein Satz Nuten verteilt eine Schmiermittelschicht auf der flachen Oberfläche des Dichtungselementes, wohingegen der andere Satz Nuten Schmiermittel zurück zur Schmiermittelseite der Dichtung leitet oder pumpt.
Das U. S. Patent 4 118 856 beschreibt eine bidirektionale hydrodynamische Wellendichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die vorgesehenen Nuten sind rund oder teilrund. Das Verfahren zum Ausbilden einer unidirektionalen hydrodynamischen Wellendichtung, das im U. S. Patent 4 542 573 gezeigt wird, umfaßt das Nuten der Dichtungsoberfläche mit einem Schneidwerkzeug.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellendichtung, wie sie im Anspruch 1 festgelegt ist, die zum Verwenden auf einer in jede Richtung drehbaren Welle geeignet ist. Eine ringförmige, verschleißfeste Dichtungsscheibe, die in einer radialen Ebene senkrecht zur Wellenachse ausgerichtet ist, hat einen inneren Rand, der axial gedreht ist, um als dynamische Dichtung auf der Wellenoberfläche zu gleiten.
Die Dichtungsoberfläche der Scheibe hat mindestens eine darin ausgebildete Spiralnut, um eine Flüssigkeit, wie beispielsweise ein Schmiermittel, in die Richtung der Flüssigkeitsseite der Dichtung ungeachtet der Wellenrotationsrichtung zu pumpen. Die Nut windet sich für mindestens eine vollständige Windung in entgegengesetzte Richtungen um die Zentralachse der Dichtung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Ausbilden einer derartigen Wellendichtung, das im Anspruch 10 definiert ist.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß konstruierten Wellendichtungsmechanismus;
Fig. 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht durch eine Dichtungsscheibe, die im Wellendichtungsmechanismus der Fig. 1 eingesetzt wird;
Fig. 3 eine Schneidanordnung, die zum Ausbilden der im Wellendichtungsmechanismus der Fig. 1 eingesetzten Dichtungsscheibe verwendet werden kann;
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Dichtungsscheibe mit Merkmalen der Erfindung;
Fig. 5 eine vergrößerte Teilansicht einer Nutschnittstellenstruktur, die in einem Nutsystem, das in der Dichtungsscheibe der Fig. 4 eingesetzt wird, enthalten ist.
Die Fig. 1 der Zeichnungen zeigt eine Wellendichtung 8 mit einer metallenen Ummantelung 10, die in ein feststehendes Gehäuse 12 preßgepaßt ist. Eine ringförmige Dichtungsscheibe 14 ist in der metallenen Ummantelung 10 so angebracht, daß ein innerer ringförmiger Randbereich 16 der Scheibe in gleitendem Kontakt mit der Oberfläche einer Welle 18 steht. Die Welle kann so in Wälzlagern gelagert sein, daß sie um eine Zentralachse 20 herum rotiert. Auch wenn eine Ummantelung 10 gezeigt ist, kann die Scheibe 14 direkt an das Gehäuse 12 ohne die Ummantelung 10 geklemmt oder daran angebracht werden.
Eine Flüssigkeit, wie beispielsweise ein Schmiermittel für die Wellenlager, ist in dem ringförmigen Bereich 22 rechts von der Dichtung 8 enthalten. Die Dichtung verhindert, daß die Flüssigkeit über die Dichtung in den Bereich 24, der sich in Fig. 1 links von der Dichtung befindet, wandert, d. h. zur Luftseite der Dichtung.
Die Dichtungsscheibe 14 kann aus Polytetrafluorethylen ("PTFE") oder einem ähnlichen verschleißfesten Kunststoffmaterial, das für Dichtlippenanordnungen geeignet ist, gebildet sein. Ursprünglich hat die Scheibe die Form einer flachen, ringförmigen, biegsamen Unterlegscheibe mit einer axialen Stärke von ungefähr 1,0 mm (0,04 inch). Während des Einsetzens der Kunststoffscheibe in die me tallene Ummantelung 10 wird der innere Randbereich der Scheibe in eine axiale Konfiguration, wie in Fig. 1 der Zeichnungen dargestellt, gebogen.
Fig. 2 zeigt in vergrößerter Form den inneren Randbereich der Scheibe 14, wobei die Dichtungsoberfläche 25 auf der Scheibe zwei enge Nuten 27 und 29 hat, die sich entlang der Wellenoberfläche erstrecken, um flüssiges Schmiermittel auf die Dichtungsoberfläche 25 zu verteilen. Während sich die Welle in eine der beiden Richtungen dreht, zirkuliert das Nutsystem Schmiermittel durch die Nuten und zurück zum Schmiermittelbereich 22.
Fig. 3 zeigt ein Verfahren zum Ausbilden der Dichtungsscheibe 14. Ein ringförmiger Bolzen 30 (engl.: billet), der aus PTFE gebildet sein kann, ist zur Rotation um eine Zentralachse 31 herum angeordnet. Wie durch den Richtungspfeil 32 angezeigt, wird ein Nutwerkzeug 33 fortlaufend unter Anwendung eines ununterbrochenen, kontinuierlichen Maschinenschnittzyklus radial weg von und anschließend sofort zurück zu der Achse 31 bewegt, um zwei Spiralnuten in der Endfläche 37 des Bolzens auszubilden.
Die Rotationsgeschwindigkeit des Bolzens ist mit der radialen Vorschubgeschwindigkeit des Nutwerkzeugs 33 koordiniert, um die Winkel der beiden Spiralnuten 27 und 29 zu steuern. Die Nutvorrichtung kann ähnlich zu der im U. S. Patent 3 857 156 beschriebenen Vorrichtung sein. Die Rotationsgeschwindigkeit des Bolzens und die radiale Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs 33 werden über ein geeignetes Computerprogramm gesteuert, das mit einer numerisch gesteuerten Schneidemaschine, die für den Nutvorgang eingesetzt wird, verbunden ist.
Nachdem die zwei Spiralnuten in der Endfläche 37 des Bolzens ausgebildet worden sind, wird ein Stechdrehmeißel 39 radial in Richtung der Rotationsachse 31 des Bolzens vorgeschoben, um von dem Bolzen eine Scheibe abzuschneiden. Die Stärke der Scheibe wird durch den axialen Abstand des Werkzeugs 39 von der Endfläche 37 bestimmt. Üblicherweise wird die Scheibe eine axiale Stärke von ungefähr 1,0 mm (0,04 inch) haben.
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf die Scheibe, die von dem Nutwerkzeug 33 und dem Stechdrehmeißel 39 ausgebildet wurde. Eine Spiralnut 27 windet sich im Uhrzeigersinn von einem inneren Rand 35 der Scheibe nach außen. Die andere Spiralnut 29 windet sich von dem inneren Rand 35 der Scheibe entgegen dem Uhrzei gersinn nach außen. Jede Spiralnut windet sich wenigstens einmal vollständig um die Zentralachse der Scheibe.
Die zwei Spiralnuten 27, 29 sind um 180º voneinander versetzt, so daß jede Windung der Nut 27 zwei Schnittpunkte mit der entsprechenden Windung der Nut 29 hat. Auch wenn nur eine Schrauben- oder Spiralnut in jeder Rotationsrichtung gezeigt ist, können viele Nuten, die am Umfang zueinander beabstandet sind, in jeder Rotationsrichtung ausgebildet sein. Solche Nutensätze sind in der Technik als "mehrgängige" Nuten oder Gewinde bekannt.
Die Spiralnut 27 hat ein inneres Ende 41 am Innenrand 35 der Scheibe und ein äußeres Ende 43, das sich an einem Zwischenpunkt zwischen dem Innen- und dem Außenrand der Scheibe befindet. Die Spiralnut 29 hat ein inneres Ende 45, das an dem Innenrand 35 der Scheibe angeordnet ist und ein äußeres Ende, das mit dem Endpunkt 43 der Spiralnut 27 zusammenfällt. Die Nuten können sich über die gesamte radiale Ausdehnung der Scheibe 14 erstrecken oder auf einen zentralen oder irgendeinen anderen Abschnitt beschränkt sein, je nach besonderer Anwendung.
Die zwei Spiralnuten 27, 29 können durch einen Vorschub des Nutwerkzeugs radial nach außen zum Ausbilden der Nut 27 und anschließend radial nach innen zum Ausbilden der Nut 29 ausgebildet werden. Der gemeinsame Endpunkt 43 der beiden Nuten entspricht dem Zeitpunkt, an dem die Werkzeugvorschubrichtung umgekehrt wird. Die gesamte Bewegungsfolge des Werkzeugs kann nahezu fortlaufend erfolgen, so daß die Bearbeitungszeit beschleunigt und die Produktivität erhöht wird.
Die Nuten 27, 29 haben vorzugsweise den gleichen Eingriffs- oder Berührungswinkel relativ zu auf der Scheibenachse 47 zentrierten Kreisen. Üblicherweise beträgt der Berührungs- oder Steigungswinkel jeder Nute 27, 29 weniger als 1º. Der Winkel A in Fig. 5 stellt diesen Steigungswinkel dar.
Fig. 4 zeigt die zwei Nuten 27, 29 radial voneinander beabstandet an den Punkten der weitesten Trennung durch relativ große radiale Abstände. In Fig. 4 wird der maximale radiale Trennungsabstand zwischen entsprechenden Windungen der zwei Nuten durch das Bezugszeichen 49 angegeben. Der Trennungsabstand 49 ist in Fig. 4 übertrieben dargestellt, um die spiralförmige Beschaffenheit der bei den Spiralnuten 27, 29 aufzuzeigen. In einer eigentlichen typischen Dichtungsscheibe kann der maximale Trennungsabstand 49 nur etwa 0,635 mm (0,025 inch) betragen. Jede Spiralnut hat eine Breite, die in der Größenordnung von etwa 0,025 mm (0,001 inch) bis 0,051 mm (0,002 inch) liegt.
Wie oben angemerkt sind die zwei Spiralnuten 27, 29 um 180º voneinander versetzt. Somit hat die Nut 27 einen Ausgangspunkt 41, der vom Ausgangspunkt 45 der Spiralnut 29 um 180º versetzt ist. Die zwei Spiralnuten haben Schnittpunkte 51, die auf einem imaginären Durchmesser 53, der sich durch die Scheibenachse 47 erstreckt, liegen. Es kann jedoch jeder beliebige Ausgangsabstand zwischen den Ausgangspunkten der Nuten 27, 29 verwendet werden.
Die Nuten 27, 29 haben einen gemeinsamen Verbindungs- oder Schnittpunkt 43, an dem die zwei Nuten aufeinandertreffen oder sich überschneiden, um zusammen einen einzelnen Kanal zu bilden, der sich von dem inneren Rand 35 der Scheibe in eine Richtung auf einer Seite des Punktes 43 nach außen und dann zurück zum inneren Rand der Scheibe in die andere Richtung auf der anderen Seite des Punktes 43 windet.
Während der Rotationsbewegung der Welle 18 in eine Richtung wird eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Öl, in erster Linie in eine der Spiralnuten gebracht, zirkuliert durch das Nutsystem und kehrt über das innere Ende der Spiralnut zur Ölseite 22 der Dichtung zurück.
Fig. 5 zeigt in stark vergrößerter Form einen Schnittpunkt 51 zwischen der Nut 27 und der Nut 29. Nimmt man an, daß die Welle in Pfeilrichtung 55 rotiert, wird eine geringe Ölmenge entlang der Nut 27 in Richtung des Pfeiles 57 und eine größere Menge an Öl in Richtung des Pfeiles 58 fließen. Etwas Öl kann in den stromabwärts befindlichen Abschnitt der Nut 27 fließen, der restliche, größere Teil des Öls wird jedoch in den stromabwärts befindlichen Abschnitt der Nut 29 fließen, um in den Flüssigkeitsbereich 22 zurückgebracht zu werden.
Jeder Nutschnittpunkt 51 stellt einen möglichen Richtungswechselpunkt für die in den Schnittpunkt fließende Flüssigkeit dar. Die eigentliche Fließmenge und -richtung aus dem Schnittpunkt heraus wird von den relativen Widerständen oder vorhandenen statischen Drücken in den zwei Nuten auf der stromabwärts gelegenen Seite des Schnittpunktes bestimmt. Schließlich wird das Öl durch einen Teil des Nutsystems rezirkulieren und dann zum inneren Rand 35 der Dichtungsscheibe zurückkehren.
Wenn sich die Rotationsrichtung der Welle umkehrt, kehrt sich auch die Fließrichtung durch die Nuten 27, 29 um, wobei der größere Teil des Flusses durch die Nut 27 in Richtung des Randes 35 fließt.
Der Aufbau der Spiralnut ermöglicht eine relativ schmale Breite der Nut, wie z. B. ungefähr 0,025 mm oder 0,051 mm (0,001 oder 0,002 inch), wobei ein Bearbeitungsverfahren verwendet wird, das einfach ist und einen hohen Wirkungsgrad hat. Es ist schwierig, äußerst schmale Präzisionsnuten unter Verwendung von Formpreßverfahren oder anderen Formgebungsverfahren auszubilden. Bei dem hier beschriebenen Nutverfahren kann die Vorschubbewegung des Nutwerkzeuges radial in eine Richtung ausgeführt werden, um die eine Spiralnut auszubilden, und dann radial in die andere Richtung, um die andere Spiralnut auszubilden. Der Nutvorgang wird schnell und mit einem gewünschten Grad an Präzision durch den Einsatz einer numerisch gesteuerten oder programmierten Maschine ausgeführt.
Die Zeichnungen zeigen ein Spiralnutsystem mit einer im Uhrzeigersinn gewundenen Nut und einer zweiten entgegen dem Uhrzeigersinn gewundenen Nut. Es ist jedoch auch ein Nutsystem möglich, in dem zwei oder mehr einzelne Nuten sich im Uhrzeigersinn und zwei oder mehr Nuten sich entgegen dem Uhrzeigersinn winden.
Varianten des aufgezeigten Nutsystems sind möglich, soweit die Erfindung, wie sie in den angehängten Ansprüchen festgelegt ist, immer noch verwendet wird.

Claims

1. Wellendichtung (8), umfassend

eine ringförmige Kunststoffscheibe (14) mit einem konzentrisch um die Zentralachse (47) der Scheibe verlaufenden äußeren Rand und einem inneren Rand (35), wobei die Scheibe eine Dichtungsfläche (16) hat, die mit einer Wellenfläche (18) um den inneren Rand der Scheibe herum in Eingriff gebracht werden kann; und

eine erste (27) und eine zweite (29) Spiralnut, die in der Dichtungsfläche zum Pumpen von Flüssigkeit durch die Nuten in beide Rotationsrichtungen der Welle vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Nuten (27) sich von der Zentralachse (47) in eine erste Richtung radial nach außen winden und die zweiten Nuten (29) sich von der Zentralachse (47) in eine entgegengesetzte zweite Richtung radial nach außen winden; und daß

jede Spiralnut (27, 29) mindestens eine volle Spiralwindung jeweils in die erste und die zweite Richtung um die Zentralachse (47) herum festlegt, wobei die Nuten (27, 29) versetzt angeordnet sind, so daß jede Windung der ersten Nut (27) sich mit einer entsprechenden Windung der zweiten Nut (29) schneidet.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralnuten (27, 29) den gleichen Steigungswinkel haben.

3. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle (51) zwischen der ersten und der zweiten Nut eine Vielzahl von Schnittpunkten festlegt, die auf einem sich durch die Scheibenachse erstreckenden Durchmesser (53) angeordnet sind.

4. Dichtungsmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralnuten relativ zu einem auf die Scheibenachse zentrierten Kreis den gleichen Berührungswinkel (A) haben, der wesentlich weniger als 1 Grad beträgt.

5. Dichtungsmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Nut (27) ein inneres in Richtung des inneren Randes der Scheibe angeordnetes Ende (41) und ein äußeres an einem Zwischenpunkt zwischen dem inneren und äußeren Rand der Scheibe angeordnetes Ende (43) hat, wobei die zweite Nut (29) ein mit dem äußeren Ende der ersten Nut verbundenes äußeres Ende hat.

6. Dichtungsmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste Nut von einer Stelle (41) angrenzend an den inneren Rand der Scheibe zu einem vorgegebenen Punkt (43) auf der Dichtungsfläche der Scheibe nach außen windet, und die zweite Nut sich von dem vorgegebenen Punkt (43) nach innen zum inneren Rand der Scheibe windet.

7. Dichtungsmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Spiralnuten verbundene äußere Enden (43) haben, wodurch die Nuten einen durchgehenden Kanal bilden.

8. Dichtungsmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand zwischen den Windungen jeder Spiralnut mindestens zehnmal so groß ist wie die Breite jeder Nut.

9. Dichtungsmechanismus nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite jeder Nut nicht mehr als ungefähr 0,051 mm (0,002 inch) beträgt.

10. Verfahren zum Ausbilden einer bidirektionalen hydrodynamischen Wellendichtungsscheibe (14) aus einem Kunststoffmaterial, wobei das Verfahren das Ausbilden einer ersten Spiralnutung (27) in dem Kunststoffmaterial, die sich über mindestens eine volle Spiralwindung in eine Richtung (57) radial nach außen windet, und das Ausbilden einer zweiten Spiralnutung (29) in dem Kunststoffmaterial, die sich über mindestens eine volle Spiralwindung in eine zweite zur ersten Richtung entgegengesetzte Richtung (58) radial nach außen windet, umfaßt, so daß die ersten und zweiten Spiralnutungen einander schneiden (51).

11. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend das Ausbilden der ersten und zweiten Spiralnutungen in einem durchgehenden Maschinenschnittzyklus, so daß die ersten und zweiten Spiralnutungen eine durchgehende Nut festlegen.