WO2020120114A1 - Low-wear shaft seal - Google Patents

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WO2020120114A1
WO2020120114A1 PCT/EP2019/082377 EP2019082377W WO2020120114A1 WO 2020120114 A1 WO2020120114 A1 WO 2020120114A1 EP 2019082377 W EP2019082377 W EP 2019082377W WO 2020120114 A1 WO2020120114 A1 WO 2020120114A1
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WO
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sealing
shaft seal
sealing lip
shaft
seal according
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/082377
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German (de)
French (fr)
Inventor
Franz Pawellek
Original Assignee
Nidec Gpm Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nidec Gpm Gmbh filed Critical Nidec Gpm Gmbh
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    • F16J15/3204—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings with at least one lip
    • F16J15/3232—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings with at least one lip having two or more lips
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D29/10—Shaft sealings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/106—Shaft sealings especially adapted for liquid pumps
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    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/40—Sealings between relatively-moving surfaces by means of fluid

Definitions

  • the invention relates to a shaft seal for liquid sealing a shaft, preferably between a shaft bearing and a pump chamber in a water pump.
  • Shaft bearings in particular rolling element bearings
  • the shaft bearing must be protected against the ingress of coolant leakage from the flow of the water pump.
  • coolant leakage leads to a reduction in the surface quality of the rolling elements and raceways due to corrosion.
  • a higher friction on the rolling elements can lead to damage to the bearings due to the development of heat, which results in a defect in the water pump.
  • water pumps are increasingly driven electrically, with an electric motor of the dry rotor type often being used on the drive side. Just like the shaft bearing, the electric motor must also be protected against the ingress of a coolant leak from the flow of the water pump.
  • a shaft seal is inherently subject to frictional wear and embrittlement due to fluctuations in pressure and temperature. It often represents the limiting factor of the service life of a pump. Thus, a long-lasting liquid seal between the flow in a pump chamber and the shaft bearing and the underlying drive-side area of a pump housing is of great importance with regard to the operational reliability of a vehicle.
  • conventional shaft bearings such as roller bearings, are sealed by radially sealing seals, ie sealing disks, which are integrated in the shaft bearing.
  • separate sealing arrangements for a shaft bearing are known from the prior art, which enables an individual adaptation of the sealing property to application-specific pressures and dimensions and greater freedom in the selection of bearing types.
  • a corresponding pump structure generally comprises a leakage reservoir, which is arranged below the pump shaft in order to collect a leak that has accumulated and to allow it to evaporate outwards, for example, through a moisture-permeable membrane.
  • leakage reservoir which is arranged below the pump shaft in order to collect a leak that has accumulated and to allow it to evaporate outwards, for example, through a moisture-permeable membrane.
  • a so-called solid oil is provided as a lubricant depot, which in addition to the lubricating function also fulfills a sealing function between a wet and a dry side.
  • the object is solved by the features of claim 1.
  • the shaft seal is characterized in particular by the fact that the shaft seal has a viscous sealing pad with a solid phase made of an at least partially porous substrate and a liquid phase made of a water-insoluble lubricant filling; wherein a total volume of the phases of the sealing cushion occupies the volume of the free space between a first sealing lip and a second sealing lip.
  • the invention provides for the first time to use a viscous sealing pad made of partly solid and partly liquid phase in a shaft seal, whereby both a long-lasting lubrication of sealing lips is ensured and a sealing function against axial penetration of a liquid medium from a wet side to a dry side is improved.
  • the invention is based on the finding that a viscous but locally bonded sealing pad based on a solid oil is all in one Use a shaft seal that contributes to a sealing function in the shaft seal in relation to the penetrating medium.
  • a pressure equilibrium is established between a delivery pressure in the pump chamber and the sealing pad in the shaft bearing, while washing out of the water-insoluble lubricant of the sealing pad from the pores of the substrate by a water-based medium, such as cooling water, is prevented.
  • An increasing delivery pressure which acts uniformly on the shaft seal in an axial direction, causes an expansion of a sponge-like morphology of the seal pad in a radial direction component. This increases a separating effect between the two sides of the shaft seal against the penetrating medium.
  • a displacement or compression of the sealing pad in an axial direction component causes an increased contact force on the sealing lip to the dry side.
  • the contact pressure is transmitted through the incompressible viscous lubricant filling of the sealing pad, which also lubricates the sealing lip.
  • the shaft seal according to the invention has several advantages with regard to use in a water pump.
  • porous structure of the substrate of the sealing pad and the water-insolubility of the lubricant cause local binding of the lubricant. A washing out of the free space of the shaft seal between the sealing lips by an entering medium during the pressure equalization during the operation of a water pump is prevented.
  • the two sealing lips are supplied with the lubricant so that they slide with a lubricating film on the barrel.
  • the sealing lips lubricated with lubricant achieve a considerably longer service life compared to coolant-lubricated sealing lips.
  • Interaction of the lubricant filling with the porous substrate of the sealing pad and the sealing lips improves an absolute sealing effect against axial penetration of the shaft seal between a wet side and a dry side.
  • the shaft seal is therefore suitable for applications with moisture-sensitive assemblies, and in particular for water pumps with an electric motor of the dry rotor type or an electronics.
  • the shaft seal takes up little space and requires no further constructive safety measures in the pump structure. Compared to the construction of a pump with a leakage reservoir, a construction of the housing can be simplified despite the reliable sealing, construction space and material costs can be saved and compact overall dimensions can be achieved. As a result, the shaft seal is suitable for use in compact water pumps, such as those used in vehicles.
  • a water pump By eliminating a leakage reservoir, a water pump can be installed in any position. Furthermore, without a leakage reservoir, the width of the shaft seal can be increased and a lubricant supply can be adequately dimensioned.
  • the porous substrate of the sealing cushion can be in radial contact with the sealing housing and / or the running sleeve.
  • a tendency can be influenced by adjusting a frictional engagement or a friction of the substrate with respect to the fixed lateral surface of the seal housing or the rotating barrel sleeve, whether the seal pad including the liquid phase also rotates within the inner free space or not.
  • An optional rotation of the sealing pad causes centrifugal forces on a penetrating medium.
  • a penetrating medium In a radially outer area, into which the penetrating medium is forced, there is a higher pressure of the sponge-like morphology of the sealing cushion against the outer surface of the sealing housing.
  • a water-based medium such as cooling water
  • an effect of the media separation between the penetrating medium on the wet side and the water-insoluble lubricant of the sealing pad can be increased.
  • an absolute sealing effect against axial penetration of the shaft seal between a wet side and a dry side can be improved.
  • a seal pad which tends to be fixed due to a frictional engagement of the substrate with the seal housing and the seal lips, generates less friction. Regardless of a tendency for the seal pad to rotate, the substrate can be in contact with both the seal housing and the barrel. A higher surface pressure of the substrate on both lateral surfaces creates a higher friction, however the local binding of the lubricant filling in the sealing pad is increased.
  • the described selection and setting of possible selective contact surfaces of the substrate in the shaft seal therefore represents an optional feature in order to optimize the properties of the shaft seals based on the application.
  • the porous substrate of the sealing pad can be in axial contact with the first sealing lip and the second sealing lip.
  • the local binding of the lubricant filling in the sealing cushion can be increased, which leads to flushing out of the lubricant to the wet side or leakage of the lubricant to the dry side is counteracted.
  • contact of the sponge-like morphology of a portion of the sealing pad with the substrate favors continuous maintenance of a lubricating film on the sealing lip which is less sensitive to changes in position, pressure fluctuations or the like.
  • the volume of the porous substrate of the sealing pad may be formed entirely from an open pore structure, and the open pores may be saturated with the lubricant. This optimizes the sponge-like morphology of the lubricant deposit.
  • the porous substrate of the sealing pad can be produced from a polymer matrix with a defined porosity.
  • the polymer matrix enables a porous substrate to be produced which provides optimized properties with regard to a suitable pore size and a suitable elasticity for the lubricant depot.
  • the lubricant of the sealing pad can be an oil. This allows an application-optimized viscosity of the lubricant filling in relation to the lubrication, sealing and
  • the first sealing lip can be made of polytetrafluoroethylene.
  • polytetrafluoroethylene or abbreviated PTFE, application-optimized properties of the friction and service life of a sealing lip on the barrel sleeve are achieved on the wet side.
  • the second sealing lip can be made from a fluoride rubber containing vinylidene (di) fluoride.
  • a fluorororubber with vinylidene (di) fluoride or abbreviated FPM or FKM, application-optimized properties of the friction and service life of a sealing lip on the barrel on the dry side are achieved.
  • the shaft bearing can comprise a spacer ring, which is arranged between the outer jacket of the seal housing and the inner free space. By inserting the spacer ring, the sealing lips can be fixed in a simple manner without post-processing steps such as making a groove in the seal housing.
  • the shaft bearing can comprise a clamping ring which fixes one of the first sealing lip and the second sealing lip against the spacer ring.
  • the sealing lips can be easily fixed in terms of production technology.
  • a radially inwardly inclined section of the first sealing lip or the second sealing lip can be spanned by an annular spring.
  • the ring spring increases a radial contact pressure on the lubricated sliding contact of the barrel sleeve circumference.
  • the first sealing lip can be inclined radially inwards to the outside and the second sealing lip can be inclined radially inwards to the inside of the shaft bearing.
  • This arrangement corresponds to an effective alignment of the sealing lips for the application with the explained pressure difference between a higher pressure on the wet side and a lower pressure on the dry side.
  • an axial sealing distance of the free space that is occupied by the viscous sealing pad can be at least a multiple of an axial thickness of the first sealing lip or the second sealing lip. A sufficient volume of the free space and a corresponding volume of the lubricant filling of the sealing pad provide sustainable lubrication of the sealing lips.
  • the shaft seal can advantageously be used on a water pump for sealing a pump shaft in a pump housing, in particular between a pump chamber and a shaft bearing.
  • Fig. 1 shows a longitudinal sectional view through a known shaft seal with a two-lip system from the prior art
  • Fig. 2 shows a longitudinal sectional view through a shaft seal according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 1 serves only as a comparative example from the prior art and shows a conventional two-lip system. A small amount of grease can be filled into the gap between the lips as an initial lubrication.
  • the shaft seal shown in FIG. 1 from the prior art is associated with the disadvantages explained above.
  • Fig. 2 shows a sectional view of a shaft bearing according to the invention, which between a surrounding housing, such as a pump housing, and a shaft (not shown) is arranged.
  • the shaft seal comprises a seal housing 1, which has a cylindrical outer surface with a one-sided crank to a radial inside.
  • the shaft seal comprises a rotating sleeve 2, which sits on the shaft circumference.
  • the barrel sleeve is cranked outwards on one side, which makes it easier to push it onto the shaft and creates mechanical protection for a sealing lip tip.
  • the shaft seal comprises two sealing lips 3, 4 in the form of radially sealing sealing rings.
  • a first sealing lip 3 is arranged on a wet side 5 or a wet environment, such as a pump chamber.
  • the first sealing lip 3 is arranged in a fixed manner in the sealing housing 1 and seals a sealing gap on a sliding contact with the circumference of the running sleeve 2.
  • the first sealing lip 3 is inclined toward the running sleeve 2 towards the outside of the shaft seal, so that an inside of the sealing lip tip lies on the circumference of the running sleeve 2.
  • the first sealing lip 3 is fixed in the shaft bearing by an axial limitation.
  • a spacer ring 8, which is inserted into the seal housing 1, defines the distance between the first seal lip 3 and the crank of the seal housing 1 and the second seal lip 4.
  • the first sealing lip 3, which is in contact with the wet side 5, is preferably made of PTFE.
  • a second sealing lip 4 is arranged to a dry side 6 or an atmosphere, such as a shaft bearing.
  • the second sealing lip 4 is fastened by means of a radial groove, which receives the inward-facing offset of the sealing housing 1, and it also seals a sealing gap on a sliding contact to the circumference of the running sleeve 2.
  • the second sealing lip 4 is inclined towards the running sleeve 2 towards the inside of the shaft seal.
  • An inner section of the second sealing lip 4, which rests on the circumference of the running sleeve 2, has a wedge-shaped contour. In the area of sliding contact between the wedge-shaped contour and the circumference of the running sleeve 2 there is an annular spring 10 around the inner section the second sealing lip 4 stretched.
  • the second sealing lip 4, which is in contact with the dry side 6, is preferably made of FPM or FKM.
  • a free space in the shaft seal is limited by the seal housing 1, the running sleeve 2, the first sealing lip 3 and the second sealing lip 4.
  • the free space is filled with a viscous sealing pad 7, which has a solid phase in the form of a porous substrate and a liquid phase in the form of a lubricant filling.
  • the properties of the two-phase sealing pad 7 are comparable to a hybrid lubricant, the principle of which is referred to as solid oil.
  • a solid oil is used as an example for the sealing pad 7, which is also known in the function of a lubricant depot for rolling bearings.
  • the porous substrate is preferably formed entirely from an open pore structure.
  • the porous substrate preferably consists of an elastic material, in particular of a flexible polymer matrix, such as a so-called micro cell with a capillary structure.
  • the lubricant fill which is absorbed in the pores of the substrate and released from the substrate in supersaturation, is a synthetic hydrocarbon lubricating oil, a silicone oil, an ester oil or the like.
  • the type of oil and its viscosity is selected depending on a porosity of the substrate and a surrounding medium, a temperature and the like, depending on the application.
  • the total volume of the viscous sealing pad 7, which takes up the volume of the free space in the shaft seal, is a sum of a volume of the porous substrate which forms a basic structure for local binding of the lubricant, a volume of the lubricant filling which is bound in the porous substrate, and optionally a volume of the lubricant fill that surrounds the porous substrate.
  • the porous substrate is in contact with the two outer surfaces of the sealing housing 1 and the running sleeve 2 and the two sealing lips 3, 4, so that a local binding of the lubricant in the free space of the shaft bearing 1 is maximized. Accordingly, the share of the Volume of an unbound S chmi first filling, which surrounds the porous substrate within the free space, on the total volume of the sealing pad 7 towards zero.
  • the absolute sealing function of the entire shaft seal results from the interaction of several properties of the essentially incompressible viscous sealing pad 7 with the two sealing lips 3, 4 when an externally acting pressure of a liquid medium is present on the wet side 5. As a result, there is a slight leakage of the medium under the first sealing lip 3 into the shaft seal 1 until pressure compensation is established.
  • the increasing pressure on the sealing pad 7 causes an axial compression and radial expansion of the porous substrate. This increases the radial pressure of the sponge-like morphology of the sealing pole 7 against the sealing housing 1 and the barrel sleeve 2.
  • a water-insoluble property of the bound lubricant in the porous substrate ensures that washing out of the lubricant filling is prevented.
  • the lubricant filling converts an axial direction component of the external pressure into a contact pressure of the inwardly inclined second sealing lip 4 on the dry side 6. Since the second sealing lip 4 is lubricated on the wedge-shaped contour by the lubricant, there is an increased surface pressure with respect to the Frictional wear is not critical.

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  • Sealing Of Bearings (AREA)
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Abstract

What is proposed is a shaft seal which is designed for sealing a shaft between a wet side (5) and a dry side (6), preferably for sealing a shaft bearing in a water pump. The shaft seal comprises in particular a viscous sealing pad (7) having a solid phase consisting of a substrate, which is porous at least in certain regions, and of a liquid phase consisting of a water-insoluble lubricant filling; wherein a total volume of the phases of the sealing pad (7) occupies the volume of a clearance between a first sealing lip (3) and a second sealing lip (4).

Description

Beschreibung description
Verschleißarme Wellendichtung Low-wear shaft seal
Die Erfindung betrifft eine Wellendichtung zur Flüssigkeitsabdichtung einer Welle, vorzugsweise zwischen einem Wellenlager und einer Pumpenkammer in einer Wasserpumpe. The invention relates to a shaft seal for liquid sealing a shaft, preferably between a shaft bearing and a pump chamber in a water pump.
Wellenlager, insbesondere W älzkörperlager sind im Allgemeinen empfindlich gegen eindringende Feuchtigkeit, da die verwendeten Materialen, insbesondere geeignete Stähle der Wälzkörper und Laufbahnen, für die Anwendung in Feuchtigkeit nicht ausreichend korrosionsbeständig sind. Bei der Anwendung von Wellenlagem in einer Wasserpumpe muss das Wellenlager vor einem Eindringen einer Kühlmittelleckage aus dem Förderstrom der Wasserpumpe geschützt werden. An Lagerdichtungen treten jedoch stets geringe Leckagen auf. Das Eintreten einer Kühlmittelleckage führt durch Korrosion zur Herabsetzung der Oberflächengüte der Wälzkörper und Laufbahnen. Eine höhere Reibung an den Wälzkörpem kann durch entsprechende W ärmeentwicklung bis hin zum Lagerschaden führen, was einen Defekt der Wasserpumpe nach sich zieht. Zudem werden Wasserpumpen zunehmend elektrisch angetrieben, wobei antriebsseitig häufig ein Elektromotor vom Trockenläufertyp eingesetzt wird. Ebenso wie das Wellenlager muss auch der Elektromotor vor einem Eindringen einer Kühlmittelleckage aus dem Förderstrom der Wasserpumpe geschützt werden. Shaft bearings, in particular rolling element bearings, are generally sensitive to the ingress of moisture, since the materials used, in particular suitable steels of the rolling elements and raceways, are not sufficiently corrosion-resistant for use in moisture. When using shaft bearings in a water pump, the shaft bearing must be protected against the ingress of coolant leakage from the flow of the water pump. However, there are always minor leaks in bearing seals. The occurrence of coolant leakage leads to a reduction in the surface quality of the rolling elements and raceways due to corrosion. A higher friction on the rolling elements can lead to damage to the bearings due to the development of heat, which results in a defect in the water pump. In addition, water pumps are increasingly driven electrically, with an electric motor of the dry rotor type often being used on the drive side. Just like the shaft bearing, the electric motor must also be protected against the ingress of a coolant leak from the flow of the water pump.
Eine Wellendichtung unterliegt per se einem Reibungsverschleiß und einer Versprödung durch Druck- und T emperaturschwankung. Sie stellt oftmals den begrenzenden Faktor der Lebensdauer einer Pumpe dar. Somit kommt einer langlebigen Flüssigkeitsabdichtung zwischen dem Förder ström in einer Pumpenkammer und dem Wellenlager sowie dem dahinterliegenden antriebsseitigen Bereich eines Pumpengehäuses eine große Bedeutung hinsichtlich der Betriebszuverlässigkeit eines Fahrzeugs zu. In der Regel sind herkömmliche Wellenlager, wie z.B. Wälzlager durch radial dichtende Dichtungen, d.h. Dichtscheiben abgedichtet, die im Wellenlager integriert sind. Ferner sind aus dem Stand der Technik separate Dichtungsanordnungen zu einem Wellenlager bekannt, wodurch eine individuelle Anpassung der Abdichtungseigenschaft an anwendungsspezifische Drücke und Abmessungen sowie eine größere Freiheit bei der Auswahl von Lagertypen ermöglicht wird. Derartige separate Abdichtungen von Pumpenwellen zu statischen Bauteilen eines Gehäuses sind oftmals als Zweilippen- Systeme mit einem geringen Lippenabstand ausgeführt. In den Zwischenraum wird eine sehr kleine Menge Schmierfett als Initialschmierung eingefüllt. Allerdings ist nach einiger Zeit das Schmierfett aufgebraucht und eine Kühlmittelleckage dringt in den Zwischenraum ein. Die schlechtere Schmierwirkung des Kühlmittels führt zu einem erhöhten Verschleiß der Dichtlippen. Es muss eine Ablaufbohrung für die unvermeidliche Leckage hinter der Wellendichtung in dem Pumpenaufbau bereitgestellt sein. Ein entsprechender Pumpenaufbau umfasst in der Regel ein Leckagereservoir, das unterhalb der Pumpenwelle angeordnet ist, um eine angesammelte Leckage aufzufangen und beispielsweise durch eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran nach außen verdunsten zu lassen. Derartige Aufbauten erfordern jedoch einen größeren Bauraum für die Leckagekammer. A shaft seal is inherently subject to frictional wear and embrittlement due to fluctuations in pressure and temperature. It often represents the limiting factor of the service life of a pump. Thus, a long-lasting liquid seal between the flow in a pump chamber and the shaft bearing and the underlying drive-side area of a pump housing is of great importance with regard to the operational reliability of a vehicle. As a rule, conventional shaft bearings, such as roller bearings, are sealed by radially sealing seals, ie sealing disks, which are integrated in the shaft bearing. Furthermore, separate sealing arrangements for a shaft bearing are known from the prior art, which enables an individual adaptation of the sealing property to application-specific pressures and dimensions and greater freedom in the selection of bearing types. Such separate seals from pump shafts to static components of a housing are often designed as two-lip systems with a small lip spacing. A very small amount of grease is filled into the space as an initial lubrication. However, after a while the grease is used up and a coolant leak enters the gap. The poor lubricant effect of the coolant leads to increased wear of the sealing lips. A drain hole must be provided for the inevitable leakage behind the shaft seal in the pump assembly. A corresponding pump structure generally comprises a leakage reservoir, which is arranged below the pump shaft in order to collect a leak that has accumulated and to allow it to evaporate outwards, for example, through a moisture-permeable membrane. However, such structures require a larger space for the leakage chamber.
Darüber hinaus hängt die Lebensdauer von Wellendichtringen stark von den Schmierverhältnissen an der Dichtlippe ab. Eine trockenlaufende Dichtlippe oder eine Dichtlippe, die lediglich durch eine Kühlmittelleckage geschmiert wird, hat aufgrund des Reibwertes des fehlenden Schmierfilms oder eines nachfolgend erläuterten Phänomens eine kürzere Lebensdauer als Dichtlippen in einer Umgebung eines schmierölführenden Systems. Bei einer Schmierung von Dichtungslippen durch ein Kühlmittel wurde das Phänomen einer Belagbildung unter der dynamischen Dichtfläche der Dichtungslippe beobachtet, welche die Dichtungsfunktion nachhaltig beeinträchtigt. Die Ursache liegt darin, dass Leckagetropfen eines Kühlmittels nach einem Passieren der Dichtstelle verdampfen und kristalline Bestandteile aus dem Kühlmittel hinterlassen, die einen Belag auf der Welle bilden. Somit besteht ein Bedarf für W ellendichtungen, die neben einer zuverlässigen Flüssigkeitsabdichtung auch einen kompakten Bauraum des Dichtungssystems, d.h. insbesondere ohne weitere konstruktive Maßnahmen am Pumpenaufbau neben der Wellendichtung, ermöglichen. In addition, the service life of shaft seals depends heavily on the lubrication conditions on the sealing lip. A dry-running sealing lip or a sealing lip that is only lubricated by a coolant leakage has a shorter lifespan than sealing lips in the vicinity of a lubricating oil-carrying system due to the friction coefficient of the missing lubricating film or a phenomenon explained below. When lubricating sealing lips with a coolant, the phenomenon of deposit formation under the dynamic sealing surface of the sealing lip was observed, which has a lasting effect on the sealing function. The reason for this is that leakage drops of a coolant evaporate after passing the sealing point and leave crystalline components from the coolant, which form a deposit on the shaft. There is therefore a need for shaft seals which, in addition to a reliable liquid seal, also allow a compact installation space for the sealing system, ie in particular without further structural measures on the pump structure in addition to the shaft seal.
Eine zum Anmeldetag dieser Patentanmeldung noch nicht veröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2018 123 908.4 derselben Anmelderin betrifft ein Wälzlager mit einer integrierten Dichtungsanordnung für Wasserpumpen, die von einem trockenlaufenden Elektromotor angetrieben werden. In dem Wälzlager ist als Schmierstoffdepot ein sogenanntes Solid Oil vorgesehen, das neben der Schmierfunktion zugleich eine Dichtungsfunktion zwischen einer nassen und einer trockenen Seite erfüllt. A patent application DE 10 2018 123 908.4 of the same applicant, which was not yet published on the filing date of this patent application, relates to a roller bearing with an integrated sealing arrangement for water pumps which are driven by a dry-running electric motor. In the rolling bearing, a so-called solid oil is provided as a lubricant depot, which in addition to the lubricating function also fulfills a sealing function between a wet and a dry side.
Es besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen alternativen Aufbau einer langlebigen Wellendichtung zu schaffen, die mit einem beliebigen Wellenlager kombinierbar ist. It is an object of the present invention to provide an alternative construction of a durable shaft seal that can be combined with any shaft bearing.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Wellendichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Wellendichtung ein viskoses Dichtungspolster mit einer festen Phase aus einem zumindest bereichsweise porösen Substrat und einer flüssigen Phase aus einer wasserunlöslichen S chmierstofffüllung aufweist; wobei ein Gesamtvolumen der Phasen des Dichtungspolsters das Volumen des Freiraums zwischen einer ersten Dichtungslippe und einer zweiten Dichtungslippe einnimmt. The object is solved by the features of claim 1. The shaft seal is characterized in particular by the fact that the shaft seal has a viscous sealing pad with a solid phase made of an at least partially porous substrate and a liquid phase made of a water-insoluble lubricant filling; wherein a total volume of the phases of the sealing cushion occupies the volume of the free space between a first sealing lip and a second sealing lip.
Die Erfindung sieht erstmals vor, ein viskoses Dichtungspolster aus teils fester und teils flüssiger Phase in einer Wellendichtung einzusetzen, wodurch sowohl eine langlebige Schmierung von Dichtungslippen gewährleistet wird als auch eine Dichtungsfunktion gegen eine axiale Durchdringung von einem flüssigen Medium von einer nassen Seite zu einer trockenen Seite verbessert wird. The invention provides for the first time to use a viscous sealing pad made of partly solid and partly liquid phase in a shaft seal, whereby both a long-lasting lubrication of sealing lips is ensured and a sealing function against axial penetration of a liquid medium from a wet side to a dry side is improved.
In ihrer allgemeinsten Form liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, ein viskoses jedoch lokal gebundenes Dichtungspolster auf der Basis eines Solid Oils in einer Wellendichtung einzusetzen, das gegenüber einem eindringenden Medium verschieden ausgerichtete Wirkungen zu einer Dichtungsfunktion in der Wellendichtung beiträgt. In its most general form, the invention is based on the finding that a viscous but locally bonded sealing pad based on a solid oil is all in one Use a shaft seal that contributes to a sealing function in the shaft seal in relation to the penetrating medium.
Im Betrieb einer Wasserpumpe stellt sich ein Druckgleichgewicht zwischen einem Förderdruck in der Pumpenkammer und dem Dichtungspolster in dem Wellenlager ein, während ein Auswaschen des wasserunlöslichen Schmierstoffs des Dichtungspolsters aus den Poren des Substrats durch ein wasserbasiertes Medium, wie einem Kühlwasser, verhindert wird. Ein ansteigender Förderdruck, der in einer axialen Richtung gleichmäßig auf die Wellendichtung wirkt, bewirkt eine Ausdehnung einer schwammartigen Morphologie des Dichtungspolsters in einer radialen Richtungskomponente. Dadurch wird eine abtrennende Wirkung zwischen beiden Seiten der Wellendichtung gegenüber dem eindringenden Medium erhöht. Zudem bewirkt eine Verschiebung bzw. Kompression des Dichtungspolsters in einer axialen Richtungskomponente eine erhöhte Anpresskraft auf die Dichtungslippe zur trockenen Seite. Die Anpresskraft wird durch die inkompressible viskose Schmierstofffüllung des Dichtungspolsters übertragen, welche die Dichtungslippe zugleich schmiert. During the operation of a water pump, a pressure equilibrium is established between a delivery pressure in the pump chamber and the sealing pad in the shaft bearing, while washing out of the water-insoluble lubricant of the sealing pad from the pores of the substrate by a water-based medium, such as cooling water, is prevented. An increasing delivery pressure, which acts uniformly on the shaft seal in an axial direction, causes an expansion of a sponge-like morphology of the seal pad in a radial direction component. This increases a separating effect between the two sides of the shaft seal against the penetrating medium. In addition, a displacement or compression of the sealing pad in an axial direction component causes an increased contact force on the sealing lip to the dry side. The contact pressure is transmitted through the incompressible viscous lubricant filling of the sealing pad, which also lubricates the sealing lip.
Durch die erfindungsgemäße Wellendichtung ergeben sich im Hinblick auf eine Anwendung in einer Wasserpumpe mehrere Vorteile. The shaft seal according to the invention has several advantages with regard to use in a water pump.
Die poröse Struktur des Substrats des Dichtungspolsters und eine Wasserunlöslichkeit des Schmierstoffs bewirken eine lokale Bindung des Schmierstoffs. Es wird ein Auswaschen des Freiraums der Wellendichtung zwischen den Dichtungslippen durch ein eintretendes Fördermedium während des Druckausgleichs im Betrieb einer Wasserpumpe unterbunden. The porous structure of the substrate of the sealing pad and the water-insolubility of the lubricant cause local binding of the lubricant. A washing out of the free space of the shaft seal between the sealing lips by an entering medium during the pressure equalization during the operation of a water pump is prevented.
Die beiden Dichtungslippen werden mit dem Schmierstoff versorgt, so dass sie mit einem Schmierfilm auf der Laufhülse gleiten. Die mit Schmierstoff geschmierten Dichtungslippen erreichen eine erheblich längere Lebensdauer im Vergleich zu kühlmittelgeschmierten Dichtungslippen. Ein Zusammenwirken der Schmierstofffüllung mit dem porösen Substrat des Dichtungspolsters und den Dichtungslippen verbessert eine absolute Dichtungswirkung gegen eine axiale Durchdringung der Wellendichtung zwischen einer nassen Seite und einer trockenen Seite. Somit eignet sich die Wellendichtung für Anwendungen mit feuchtigkeitsempfindlichen Baugruppen, und insbesondere für Wasserpumpen mit einem Elektromotor vom Trockenläufertyp oder einer Elektronik. The two sealing lips are supplied with the lubricant so that they slide with a lubricating film on the barrel. The sealing lips lubricated with lubricant achieve a considerably longer service life compared to coolant-lubricated sealing lips. Interaction of the lubricant filling with the porous substrate of the sealing pad and the sealing lips improves an absolute sealing effect against axial penetration of the shaft seal between a wet side and a dry side. The shaft seal is therefore suitable for applications with moisture-sensitive assemblies, and in particular for water pumps with an electric motor of the dry rotor type or an electronics.
Die Wellendichtung beansprucht wenig Bauraum und erfordert keine weiteren konstruktiven Sicherheitsmaßnahmen im Pumpenaufbau. Im Vergleich zu Aufbauten einer Pumpe mit einem Leckagereservoir, können trotz zuverlässiger Abdichtung ein Aufbau des Gehäuses vereinfacht werden, ein Bauraum und Materialkosten eingespart sowie kompaktere Gesamtabmessungen erlangt werden. Demzufolge eignet sich die Wellendichtung für den Einsatz in kompakten Wasserpumpen, wie sie in Fahrzeugen verwendet werden. The shaft seal takes up little space and requires no further constructive safety measures in the pump structure. Compared to the construction of a pump with a leakage reservoir, a construction of the housing can be simplified despite the reliable sealing, construction space and material costs can be saved and compact overall dimensions can be achieved. As a result, the shaft seal is suitable for use in compact water pumps, such as those used in vehicles.
Durch den Wegfall eines Leckagereservoirs kann eine Wasserpumpe in beliebigen Lagen verbaut werden. Ferner kann ohne ein Leckagereservoir eine Breite der Wellendichtung vergrößert werden und ein SchmierstoffVorrat ausreichend dimensioniert werden. By eliminating a leakage reservoir, a water pump can be installed in any position. Furthermore, without a leakage reservoir, the width of the shaft seal can be increased and a lubricant supply can be adequately dimensioned.
Infolge der guten Schmiereigenschaften auf Basis eines Solid Oils werden ein Dichtlippenverschleiß und eine nachfolgende Leckage effektiv unterdrückt. As a result of the good lubricating properties based on a solid oil, wear of the sealing lips and subsequent leakage are effectively suppressed.
Zudem können anstelle von Labyrinthdichtungen oder ähnlich strukturierten Dichtflächen, günstigere Dichtungsringe mit einer vergleichsweise einfach gestalteten Dichtungslippe in der Wellendichtung eingesetzt werden. Darüber hinaus kann eine Primärdichtung des Wellenlagers entfallen, die herkömmlicherweise einen Wassereintritt zu den Wälzkörpem verhindert. Vorteilhafte W eiterbildungen der erfindungsgemäßen Wellendichtung sindIn addition, instead of labyrinth seals or similarly structured sealing surfaces, cheaper sealing rings with a comparatively simple sealing lip can be used in the shaft seal. In addition, a primary seal of the shaft bearing can be omitted, which conventionally prevents water from entering the rolling elements. Advantageous further developments of the shaft seal according to the invention are
Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das poröse Substrat des Dichtungspolsters in einem radialen Kontakt mit dem Dichtungsgehäuse und/oder der Laufhülse stehen. Durch Einstellung eines Reibschlusses oder einer Reibung des Substrats zu der feststehenden Mantelfläche des Dichtungsgehäuses oder der rotierenden Laufhülse kann eine Tendenz beeinflusst werden, ob auch das Dichtungspolster einschließlich der flüssigen Phase innerhalb des inneren Freiraums rotiert oder nicht. Subject of the dependent claims. According to one aspect of the invention, the porous substrate of the sealing cushion can be in radial contact with the sealing housing and / or the running sleeve. A tendency can be influenced by adjusting a frictional engagement or a friction of the substrate with respect to the fixed lateral surface of the seal housing or the rotating barrel sleeve, whether the seal pad including the liquid phase also rotates within the inner free space or not.
Eine optionale Rotation des Dichtungspolsters bewirkt Fliehkräfte auf ein eindringendes Medium. In einem radial äußeren Bereich, in den das eindringende Medium gedrängt wird, herrscht eine höhere Pressung der schwammartigen Morphologie des Dichtungspolsters gegen die Mantelfläche des Dichtungsgehäuses. Im Falle eines wasserbasierten Mediums, wie einem Kühlwasser, kann dadurch eine Wirkung der Medientrennung zwischen dem eindringenden Medium der nassen Seite und dem wasserunlöslichen Schmierstoff des Dichtungspolsters gesteigert werden. Demzufolge kann eine absolute Dichtungswirkung gegen eine axiale Durchdringung der Wellendichtung zwischen einer nassen Seite und einer trockenen Seite verbessert werden. An optional rotation of the sealing pad causes centrifugal forces on a penetrating medium. In a radially outer area, into which the penetrating medium is forced, there is a higher pressure of the sponge-like morphology of the sealing cushion against the outer surface of the sealing housing. In the case of a water-based medium, such as cooling water, an effect of the media separation between the penetrating medium on the wet side and the water-insoluble lubricant of the sealing pad can be increased. As a result, an absolute sealing effect against axial penetration of the shaft seal between a wet side and a dry side can be improved.
Ein Dichtungspolster, das durch einen Reibschluss des Substrats zu dem Dichtungsgehäuse und den Dichtungslippen tendenziell feststeht, erzeugt eine geringere Reibung. Unabhängig von einer Tendenz bezüglich einer Rotation des Dichtungspolsters kann das Substrat sowohl mit dem Dichtungsgehäuse als auch der Laufhülse in Kontakt stehen. Eine höhere Flächenpressung des Substrats auf beide Mantelflächen erzeugt eine höhere Reibung, jedoch wird die lokale Bindung der S chmierstofffüllung im Dichtungspolster erhöht. Die beschriebene Auswahl und Einstellung möglicher selektiver Kontaktflächen des Substrats in der Wellendichtung stellt demnach ein optionales Merkmal dar, um die Eigenschaften der W ellendichtungen anwendungsbezogen zu optimieren. A seal pad, which tends to be fixed due to a frictional engagement of the substrate with the seal housing and the seal lips, generates less friction. Regardless of a tendency for the seal pad to rotate, the substrate can be in contact with both the seal housing and the barrel. A higher surface pressure of the substrate on both lateral surfaces creates a higher friction, however the local binding of the lubricant filling in the sealing pad is increased. The described selection and setting of possible selective contact surfaces of the substrate in the shaft seal therefore represents an optional feature in order to optimize the properties of the shaft seals based on the application.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das poröse Substrat des Dichtungspolsters in einem axialen Kontakt mit der ersten Dichtungslippe und der zweiten Dichtungslippe stehen. Auch in diesem Zusammenhang kann die lokale Bindung der Schmierstofffüllung im Dichtungspolster erhöht werden, wodurch einer Ausspülung des Schmierstoffs zu der nassen Seite oder einer Leckage des Schmierstoffs zu der trockenen Seite entgegengewirkt wird. Ferner begünstigt ein Kontakt der schwammartigen Morphologie eines Abschnitts des Dichtungspolsters mit dem Substrat eine kontinuierliche Aufrechterhaltung eines Schmierfilms an der Dichtungslippe, die unempfindlicher gegenüber Lageänderungen, Druckschwankungen oder dergleichen ist. According to one aspect of the invention, the porous substrate of the sealing pad can be in axial contact with the first sealing lip and the second sealing lip. In this context, too, the local binding of the lubricant filling in the sealing cushion can be increased, which leads to flushing out of the lubricant to the wet side or leakage of the lubricant to the dry side is counteracted. Furthermore, contact of the sponge-like morphology of a portion of the sealing pad with the substrate favors continuous maintenance of a lubricating film on the sealing lip which is less sensitive to changes in position, pressure fluctuations or the like.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Volumen des porösen Substrats des Dichtungspolsters vollständig aus einer Struktur mit offenen Poren ausgebildet sein, und die offenen Poren können mit dem Schmierstoff gesättigt sein. Dadurch wird die schwammartige Morphologie des Schmierstoffdepots optimiert. According to one aspect of the invention, the volume of the porous substrate of the sealing pad may be formed entirely from an open pore structure, and the open pores may be saturated with the lubricant. This optimizes the sponge-like morphology of the lubricant deposit.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das poröse Substrat des Dichtungspolsters aus einer Polymermatrix mit einer definierten Porosität hergestellt sein. Durch die Polymermatrix lässt sich ein poröses Substrat realisieren, das optimierte Eigenschaften bezüglich einer geeigneten Porengröße und einer geeigneten Elastizität für das S chmierstoffdepot bereitstellt. According to one aspect of the invention, the porous substrate of the sealing pad can be produced from a polymer matrix with a defined porosity. The polymer matrix enables a porous substrate to be produced which provides optimized properties with regard to a suitable pore size and a suitable elasticity for the lubricant depot.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Schmierstoff des Dichtungspolsters ein Öl sein. Dadurch lässt sich eine anwendungsoptimierte Viskosität der Schmierstofffüllung in Bezug auf die Schmierungs-, Dichtungs- undAccording to one aspect of the invention, the lubricant of the sealing pad can be an oil. This allows an application-optimized viscosity of the lubricant filling in relation to the lubrication, sealing and
Leckageeigenschaften einstellen. Set leakage properties.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die erste Dichtungslippe aus Polytetrafluorethylen hergestellt sein. Durch die Auswahl von Polytetrafluorethylen, bzw. abgekürzt PTFE, werden anwendungsoptimierte Eigenschaften der Reibung und Lebensdauer einer Dichtungslippe auf der Laufhülse an der nassen Seite erzielt. According to one aspect of the invention, the first sealing lip can be made of polytetrafluoroethylene. Through the selection of polytetrafluoroethylene, or abbreviated PTFE, application-optimized properties of the friction and service life of a sealing lip on the barrel sleeve are achieved on the wet side.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die zweite Dichtungslippe aus einem Vinyliden(di)fluorid enthaltenden Fluorkautschuk hergestellt sein. Durch die Auswahl von einem Fluorkautschuk mit Vinyliden(di)fluorid, bzw. abgekürzt FPM oder FKM, werden anwendungsoptimierte Eigenschaften der Reibung und Lebensdauer einer Dichtungslippe auf der Laufhülse an der trockenen Seite erzielt. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Wellenlager einen Distanzring umfassen, der zwischen dem äußeren Mantel des Dichtungsgehäuses und dem inneren Freiraum angeordnet ist. Durch das Einsetzen des Distanzringes lässt sich eine Fixierung der Dichtungslippen ohne nachbearbeitende Fertigungsschritte, wie das Einbringen einer Nut in das Dichtungsgehäuse, auf einfache Weise realisieren. According to one aspect of the invention, the second sealing lip can be made from a fluoride rubber containing vinylidene (di) fluoride. By choosing a fluororubber with vinylidene (di) fluoride, or abbreviated FPM or FKM, application-optimized properties of the friction and service life of a sealing lip on the barrel on the dry side are achieved. According to one aspect of the invention, the shaft bearing can comprise a spacer ring, which is arranged between the outer jacket of the seal housing and the inner free space. By inserting the spacer ring, the sealing lips can be fixed in a simple manner without post-processing steps such as making a groove in the seal housing.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Wellenlager einen Klemmring umfassen, der eine von der ersten Dichtungslippe und der zweiten Dichtungslippe gegen den Distanzring fixiert. Durch das Einsetzen des Klemmringes lässt sich eine Fixierung der Dichtungslippen fertigungstechnisch auf einfache Weise realisieren. According to one aspect of the invention, the shaft bearing can comprise a clamping ring which fixes one of the first sealing lip and the second sealing lip against the spacer ring. By inserting the clamping ring, the sealing lips can be easily fixed in terms of production technology.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein radial einwärts geneigter Abschnitt der ersten Dichtungslippe oder der zweiten Dichtungslippe von einer Ringfeder umspannt sein. Durch die Ringfeder wird ein radialer Anpressdruck auf den geschmierten Gleitkontakt des Laufhülsenumfangs erhöht. Im Gegensatz zur ersten Dichtungslippe, an der sich ein Druckgleichgewicht zwischen einem Betriebsdruck auf der nassen Seite und dem Druck des Dichtungspolsters im Wellenlager einstellt, liegt an der zweiten Dichtungslippe eine Druckdifferenz zwischen einem Atmosphärendruck auf der trockenen Seite und dem Druck des Dichtungspolsters an, der sich auf den höheren Betriebsdruck der nassen Seite eingestellt hat. Daher kann insbesondere an der zweiten Dichtungslippe ein erhöhter Anpressdruck durch die Ringfeder zielführend sein, um einen Austritt von Schmierstoff unter einer Druckdifferenz zu unterbinden. According to one aspect of the invention, a radially inwardly inclined section of the first sealing lip or the second sealing lip can be spanned by an annular spring. The ring spring increases a radial contact pressure on the lubricated sliding contact of the barrel sleeve circumference. In contrast to the first sealing lip, where there is a pressure equilibrium between an operating pressure on the wet side and the pressure of the sealing pad in the shaft bearing, there is a pressure difference between the atmospheric pressure on the dry side and the pressure of the sealing pad on the second sealing lip set to the higher operating pressure of the wet side. Therefore, in particular at the second sealing lip, an increased contact pressure by the ring spring can be useful in order to prevent lubricant from escaping under a pressure difference.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die erste Dichtungslippe radial einwärts zur Außenseite geneigt sein und die zweite Dichtungslippe kann radial einwärts zur Innenseite des Wellenlagers geneigt sein. Diese Anordnung entspricht einer wirksamen Ausrichtung der Dichtungslippen für den Anwendungsfall mit der erläuterten Druckdifferenz zwischen einem höheren Druck auf der nassen Seite und einem niedrigeren Druck auf der trockenen Seite. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine axiale Dichtungsstrecke des Freiraums, der von dem viskosen Dichtungspolster eingenommen wird, wenigstens ein Mehrfaches einer axialen Dicke der ersten Dichtungslippe oder der zweiten Dichtungslippe betragen. Durch ein ausreichendes Volumen des Freiraumes und einem dementsprechenden Volumen der Schmierstofffiillung des Dichtungspolsters wird eine nachhaltige Schmierung der Dichtungslippen bereitgestellt. According to one aspect of the invention, the first sealing lip can be inclined radially inwards to the outside and the second sealing lip can be inclined radially inwards to the inside of the shaft bearing. This arrangement corresponds to an effective alignment of the sealing lips for the application with the explained pressure difference between a higher pressure on the wet side and a lower pressure on the dry side. According to one aspect of the invention, an axial sealing distance of the free space that is occupied by the viscous sealing pad can be at least a multiple of an axial thickness of the first sealing lip or the second sealing lip. A sufficient volume of the free space and a corresponding volume of the lubricant filling of the sealing pad provide sustainable lubrication of the sealing lips.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wellendichtung in vorteilhafter Weise an einer Wasserpumpe zur Abdichtung einer Pumpenwelle in einem Pumpengehäuse, insbesondere zwischen einer Pumpenkammer und einem Wellenlager, verwendet werden. According to one aspect of the invention, the shaft seal can advantageously be used on a water pump for sealing a pump shaft in a pump housing, in particular between a pump chamber and a shaft bearing.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform mit Bezug auf eine Zeichnung ausführlich beschrieben. The invention is described in detail below using an embodiment with reference to a drawing.
Fig. 1 zeigt eine Längsschnittansicht durch eine bekannte Wellendichtung mit einem Zweilippen-System aus dem Stand der Technik, und Fig. 1 shows a longitudinal sectional view through a known shaft seal with a two-lip system from the prior art, and
Fig. 2 zeigt eine Längsschnittansicht durch eine Wellendichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2 shows a longitudinal sectional view through a shaft seal according to an embodiment of the invention.
Fig. 1 dient lediglich als ein Vergleichsbeispiel aus dem Stand der Technik und zeigt ein herkömmliches Zweilippen-System. In dem Zwischenraum des Lippenabstands kann eine kleine Menge Schmierfett als Initialschmierung eingefüllt sein. Die in Fig. 1 dargestellte Wellendichtung aus dem Stand der Technik ist mit den zuvor erläuterten Nachteilen verbunden. Fig. 1 serves only as a comparative example from the prior art and shows a conventional two-lip system. A small amount of grease can be filled into the gap between the lips as an initial lubrication. The shaft seal shown in FIG. 1 from the prior art is associated with the disadvantages explained above.
Nachstehend wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Wellendichtung mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben. An embodiment of the shaft seal according to the invention is described below with reference to FIG. 2.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wellenlagers, das zwischen einem umgebenden Gehäuse, wie beispielsweise einem Pumpengehäuse, und einer Welle (nicht dargestellt) angeordnet ist. Die Wellendichtung umfasst ein Dichtungsgehäuse 1 , das eine zylindrische Mantelfläche mit einer einseitigen Kröpfung zu einer radialen Innenseite aufweist. Die Wellendichtung umfasst eine rotierende Laufhülse 2, die auf dem Wellenumfang sitzt. Die Laufhülse ist zu einer Seite nach außen gekröpft wodurch ein Aufschieben auf die Welle erleichtert und ein mechanischer Schutz für eine Dichtungslippenspitze geschaffen wird. Die Wellendichtung umfasst zwei Dichtungslippen 3, 4 in Form von radial abdichtenden Dichtungsringen. Fig. 2 shows a sectional view of a shaft bearing according to the invention, which between a surrounding housing, such as a pump housing, and a shaft (not shown) is arranged. The shaft seal comprises a seal housing 1, which has a cylindrical outer surface with a one-sided crank to a radial inside. The shaft seal comprises a rotating sleeve 2, which sits on the shaft circumference. The barrel sleeve is cranked outwards on one side, which makes it easier to push it onto the shaft and creates mechanical protection for a sealing lip tip. The shaft seal comprises two sealing lips 3, 4 in the form of radially sealing sealing rings.
Eine erste Dichtungslippe 3 ist zu einer nassen Seite 5 bzw. einer nassen Umgebung, wie einer Pumpenkammer, angeordnet. Die erste Dichtungslippe 3 ist in dem Dichtungsgehäuse 1 feststehend angeordnet und dichtet einen Dichtspalt an einem Gleitkontakt zu dem Umfang der Laufhülse 2 ab. Die erste Dichtungslippe 3 ist zu der Lauftiülse 2 hin zur Außenseite der Wellendichtung geneigt, so dass eine Innenseite der Dichtungslippenspitze auf dem Umfang der Laufhülse 2 aufliegt. Die erste Dichtungslippe 3 ist durch eine axiale Eingrenzung in dem Wellenlager fixiert. Ein Distanzring 8, der in das Dichtungsgehäuse 1 eingeschoben ist, legt den Abstand der ersten Dichtungslippe 3 zu der Kröpfung des Dichtungsgehäuses 1 bzw. zu der zweiten Dichtungslippe 4 fest. Ein Klemmring 9, der abschließend in das Dichtungsgehäuse 1 eingesetzt wird, fixiert die axiale Position der ersten Dichtungslippe 3 zu dem Distanzring 8. Die erste Dichtungslippe 3, die mit der nassen Seite 5 in Kontakt steht, ist vorzugsweise aus PTFE gefertigt. A first sealing lip 3 is arranged on a wet side 5 or a wet environment, such as a pump chamber. The first sealing lip 3 is arranged in a fixed manner in the sealing housing 1 and seals a sealing gap on a sliding contact with the circumference of the running sleeve 2. The first sealing lip 3 is inclined toward the running sleeve 2 towards the outside of the shaft seal, so that an inside of the sealing lip tip lies on the circumference of the running sleeve 2. The first sealing lip 3 is fixed in the shaft bearing by an axial limitation. A spacer ring 8, which is inserted into the seal housing 1, defines the distance between the first seal lip 3 and the crank of the seal housing 1 and the second seal lip 4. A clamping ring 9, which is finally inserted into the seal housing 1, fixes the axial position of the first sealing lip 3 relative to the spacer ring 8. The first sealing lip 3, which is in contact with the wet side 5, is preferably made of PTFE.
Eine zweite Dichtungslippe 4 ist zu einer trockenen Seite 6 bzw. einer Atmosphäre, wie beispielsweise einem Wellenlager angeordnet. Die zweite Dichtungslippe 4 ist mittels einer radialen Nut befestigt, welche die nach innen weisende Kröpfung des Dichtungsgehäuses 1 aufnimmt, und sie dichtet ebenfalls einen Dichtspalt an einem Gleitkontakt zu dem Umfang der Laufhülse 2 ab. Die zweite Dichtungslippe 4 ist zu der Laufhülse 2 hin zur Innenseite der Wellendichtung geneigt. Ein innenliegender Abschnitt der zweiten Dichtungslippe 4, der auf dem Umfang der Laufhülse 2 aufliegt, weist eine keilförmige Kontur auf. Im Bereich des Gleitkontaktes zwischen der keilförmige Kontur zu dem Umfang der Laufhülse 2 ist eine Ringfeder 10 um den innenliegenden Abschnitt der zweiten Dichtungslippe 4 gespannt. Die zweite Dichtungslippe 4, die mit der trockenen Seite 6 in Kontakt steht, ist vorzugsweise aus FPM bzw. FKM gefertigt. A second sealing lip 4 is arranged to a dry side 6 or an atmosphere, such as a shaft bearing. The second sealing lip 4 is fastened by means of a radial groove, which receives the inward-facing offset of the sealing housing 1, and it also seals a sealing gap on a sliding contact to the circumference of the running sleeve 2. The second sealing lip 4 is inclined towards the running sleeve 2 towards the inside of the shaft seal. An inner section of the second sealing lip 4, which rests on the circumference of the running sleeve 2, has a wedge-shaped contour. In the area of sliding contact between the wedge-shaped contour and the circumference of the running sleeve 2 there is an annular spring 10 around the inner section the second sealing lip 4 stretched. The second sealing lip 4, which is in contact with the dry side 6, is preferably made of FPM or FKM.
In der Wellendichtung wird ein Freiraum durch das Dichtungsgehäuse 1, die Laufhülse 2, die erste Dichtungslippe 3 und die zweite Dichtungslippe 4 begrenzt. Der Freiraum ist mit einem viskosen Dichtungspolster 7 aufgefüllt, der eine feste Phase in Form eines porösen Substrats und eine flüssige Phase in Form einer Schmierstofffüllung aufweist. Die Eigenschaften des zweiphasigen Dichtungspolsters 7 sind vergleichbar mit einem hybriden Schmiermittel, dessen Prinzip als Solid Oil bezeichnet wird. In der vorliegenden anwendungsbezogenen Ausführungsform für eine Wasserpumpe, wird für das Dichtungspolster 7 beispielgebend ein Solid Oil eingesetzt, das auch in der Funktion eines Schmierstoffdepots für Wälzlager bekannt ist. A free space in the shaft seal is limited by the seal housing 1, the running sleeve 2, the first sealing lip 3 and the second sealing lip 4. The free space is filled with a viscous sealing pad 7, which has a solid phase in the form of a porous substrate and a liquid phase in the form of a lubricant filling. The properties of the two-phase sealing pad 7 are comparable to a hybrid lubricant, the principle of which is referred to as solid oil. In the present application-related embodiment for a water pump, a solid oil is used as an example for the sealing pad 7, which is also known in the function of a lubricant depot for rolling bearings.
Das poröse Substrat wird vorzugsweise vollständig aus einer offenen Porenstruktur gebildet. Das poröse Substrat besteht vorzugsweise aus einem elastischen Material, insbesondere aus einer flexiblen Polymermatrix, wie einem sogenannten Mikrozella mit einer kapillaren Struktur. Die Schmierstofffüllung, die in den Poren des Substrats absorbiert ist und in Übersättigung aus dem Substrat abgegeben wird, ist ein Schmieröl aus synthetischen Kohlenwasserstoffen, ein Silikonöl, ein Estheröl oder dergleichen. Der Typ des Öls und dessen Viskosität wird in Abhängigkeit einer Porosität des Substrats sowie einem umgebenden Medium, einer Temperatur und dergleichen anwendungsspezifisch ausgewählt. The porous substrate is preferably formed entirely from an open pore structure. The porous substrate preferably consists of an elastic material, in particular of a flexible polymer matrix, such as a so-called micro cell with a capillary structure. The lubricant fill, which is absorbed in the pores of the substrate and released from the substrate in supersaturation, is a synthetic hydrocarbon lubricating oil, a silicone oil, an ester oil or the like. The type of oil and its viscosity is selected depending on a porosity of the substrate and a surrounding medium, a temperature and the like, depending on the application.
Das Gesamtvolumen des viskosen Dichtungspolsters 7, welches das Volumen des Freiraums in der Wellendichtung einnimmt, ist eine Summe aus einem Volumen des porösen Substrats, das eine Grundstruktur zur lokalen Bindung des Schmierstoffs bildet, einem Volumen der Schmierstofffüllung, die in dem porösen Substrat gebundenen ist, und gegebenenfalls einem Volumen der Schmierstofffüllung, die das poröse Substrat umgibt. In der vorliegenden Ausführungsform steht das poröse Substrat mit den beiden Mantelflächen des Dichtungsgehäuses 1 und der Laufhülse 2 sowie den beiden Dichtungslippen 3, 4 in Kontakt, sodass eine lokale Bindung des Schmierstoffs in dem Freiraum des Wellenlagers 1 maximiert wird. Dementsprechend geht der Anteil des Volumens einer ungebundenen S chmi ersto fffüllung, die das poröse Substrat innerhalb des Freiraums umgibt, an dem Gesamtvolumen des Dichtungspolsters 7 gegen Null. The total volume of the viscous sealing pad 7, which takes up the volume of the free space in the shaft seal, is a sum of a volume of the porous substrate which forms a basic structure for local binding of the lubricant, a volume of the lubricant filling which is bound in the porous substrate, and optionally a volume of the lubricant fill that surrounds the porous substrate. In the present embodiment, the porous substrate is in contact with the two outer surfaces of the sealing housing 1 and the running sleeve 2 and the two sealing lips 3, 4, so that a local binding of the lubricant in the free space of the shaft bearing 1 is maximized. Accordingly, the share of the Volume of an unbound S chmi first filling, which surrounds the porous substrate within the free space, on the total volume of the sealing pad 7 towards zero.
Die absolute Dichtungsfunktion der gesamten Wellendichtung resultiert aus einem Zusammenwirken mehrerer Eigenschaften des im Wesentlichen inkompressiblen viskosen Dichtungspolsters 7 mit den beiden Dichtungslippen 3, 4, wenn ein äußerlich einwirkenden Druck eines flüssigen Mediums auf der nassen Seite 5 anliegt. Infolgedessen tritt eine geringfügige Leckage des Mediums unter der ersten Dichtungslippe 3 in die Wellendichtung 1 ein, bis ein Druckausgleich hergestellt ist. Der ansteigende Druck auf das Dichtungspolster 7 bewirkt eine axiale Komprimierung und radiale Ausdehnung des porösen Substrats. Somit erhöht sich eine radiale Pressung der schwammartigen Morphologie des Dichtungspol sters 7 gegen das Dichtungsgehäuse 1 und die Lauflhülse 2. Eine wasserunlösliche Eigenschaft des gebundenen Schmierstoffs in dem porösen Substrat stellt sicher, dass ein Auswaschen der Schmierstofffüllung verhindert wird. Zugleich wird eine Medientrennung zwischen dem eingedrungenen Medium und der zweiten Dichtungslippe 4 erreicht. Darüber hinaus überführt die Schmierstofffullung eine axiale Richtungskomponente des äußerlich einwirkenden Druckes in einen Anpressdruck der einwärts geneigten zweiten Dichtungslippe 4 auf der trockenen Seite 6. Da die zweite Dichtungslippe 4 an der keilförmigen Kontur durch den Schmierstoff geschmiert wird, ist eine erhöhte Flächenpressung in Bezug auf den Reibungsverschleiß unkritisch. The absolute sealing function of the entire shaft seal results from the interaction of several properties of the essentially incompressible viscous sealing pad 7 with the two sealing lips 3, 4 when an externally acting pressure of a liquid medium is present on the wet side 5. As a result, there is a slight leakage of the medium under the first sealing lip 3 into the shaft seal 1 until pressure compensation is established. The increasing pressure on the sealing pad 7 causes an axial compression and radial expansion of the porous substrate. This increases the radial pressure of the sponge-like morphology of the sealing pole 7 against the sealing housing 1 and the barrel sleeve 2. A water-insoluble property of the bound lubricant in the porous substrate ensures that washing out of the lubricant filling is prevented. At the same time, media separation between the penetrated medium and the second sealing lip 4 is achieved. In addition, the lubricant filling converts an axial direction component of the external pressure into a contact pressure of the inwardly inclined second sealing lip 4 on the dry side 6. Since the second sealing lip 4 is lubricated on the wedge-shaped contour by the lubricant, there is an increased surface pressure with respect to the Frictional wear is not critical.
B ezugszeichenliste : 1 Dichtungsgehäuse LIST OF REFERENCES: 1 seal housing
2 Laufhülse 2 barrel sleeve
3 erste Dichtungslippe 3 first sealing lip
4 zweite Dichtungslippe 4 second sealing lip
5 nasse Seite 5 wet side
6 trockene Seite 6 dry side
7 Dichtungspolster mit fester Phase und flüssiger Phase 7 sealing pads with solid phase and liquid phase
8 Distanzring 8 spacer ring
9 Klemmring 9 clamping ring
10 Ringfeder 10 ring spring

Claims

Ansprüche Expectations
1. Wellendichtung, eingerichtet zur Abdichtung einer Welle in einem Gehäuse zwischen einer nassen Seite (5) und einer trockenen Seite (6), vorzugsweise zur1. shaft seal, set up for sealing a shaft in a housing between a wet side (5) and a dry side (6), preferably for
Abdichtung eines Wellenlagers in einer Wasserpumpe, aufweisend: ein Dichtungsgehäuse (1), das einen äußeren Mantel der Wellendichtung bildet; eine Laufhülse (2), die sich mit der Welle dreht und einen inneren Mantel derSealing a shaft bearing in a water pump, comprising: a seal housing (1) which forms an outer jacket of the shaft seal; a sleeve (2) that rotates with the shaft and an inner jacket of the
Wellendichtung bildet; eine erste Dichtungslippe (3), die auf der Laufhülse (2) gleitet und einen inneren Freiraum der Wellendichtung zu der nassen Seite (5) ab grenzt; eine zweite Dichtungslippe (4), die auf der Laufhülse (2) gleitet und den inneren Freiraum der Wellendichtung zu der nassen Seite (6) abgrenzt; dadurch gekennzeichnet, dass die Wellendichtung ein viskoses Dichtungspolster (7) mit: einer festen Phase aus einem zumindest bereichsweise porösen Substrat und einer flüssigen Phase aus einer wasserunlöslichen Schmierstofffüllung aufweist; wobei ein Gesamtvolumen der Phasen des Dichtungspolsters (7) das Volumen des Freiraums zwischen der ersten Dichtungslippe (3) und der zweiten Dichtungslippe (4) einnimmt. Shaft seal forms; a first sealing lip (3) which slides on the running sleeve (2) and delimits an inner free space of the shaft seal from the wet side (5); a second sealing lip (4) which slides on the running sleeve (2) and delimits the inner free space of the shaft seal to the wet side (6); characterized in that the shaft seal has a viscous sealing pad (7) with: a solid phase made of an at least partially porous substrate and a liquid phase made of a water-insoluble lubricant filling; wherein a total volume of the phases of the sealing cushion (7) takes up the volume of the space between the first sealing lip (3) and the second sealing lip (4).
2. Wellendichtung nach Anspruch 1 , wobei das poröse Substrat des Dichtungspolsters (7) in einem radialen Kontakt mit dem Dichtungsgehäuse (1) und/oder der Laufhülse (2) steht. 2. Shaft seal according to claim 1, wherein the porous substrate of the sealing cushion (7) is in radial contact with the sealing housing (1) and / or the running sleeve (2).
3. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das poröse Substrat des Dichtungspolsters (7) in einem axialen Kontakt mit der ersten Dichtungslippe (3) und der zweiten Dichtungslippe (4) steht. 3. Shaft seal according to one of the preceding claims, wherein the porous substrate of the sealing pad (7) is in axial contact with the first sealing lip (3) and the second sealing lip (4).
4. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Volumen des porösen Substrats des Dichtungspolsters (7) vollständig aus einer Struktur mit offenen Poren ausgebildet ist, und die offenen Poren mit dem Schmierstoff gesättigt sind. 4. Shaft seal according to one of the preceding claims, wherein the volume of the porous substrate of the sealing pad (7) is formed entirely from a structure with open pores, and the open pores are saturated with the lubricant.
5. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das poröse Substrat des Dichtungspolsters (7) aus einer Polymermatrix mit einer definierten Porosität hergestellt ist. 5. Shaft seal according to one of the preceding claims, wherein the porous substrate of the sealing pad (7) is made of a polymer matrix with a defined porosity.
6. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schmierstoff des Dichtungspolsters (7) ein Öl ist. 6. Shaft seal according to one of the preceding claims, wherein the lubricant of the sealing pad (7) is an oil.
7. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Dichtungslippe (3) aus Polytetrafluorethylen hergestellt ist. 7. Shaft seal according to one of the preceding claims, wherein the first sealing lip (3) is made of polytetrafluoroethylene.
8. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Dichtungslippe (4) aus einem Vinyliden(di)fluorid enthaltenden Fluorkautschuk hergestellt ist. 8. Shaft seal according to one of the preceding claims, wherein the second sealing lip (4) is made of a vinylidene (di) fluoride-containing fluororubber.
9. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellendichtung einen Distanzring (8) umfasst, der zwischen dem äußeren Mantel des Dichtungsgehäuses (1) und dem inneren Freiraum angeordnet ist. 9. Shaft seal according to one of the preceding claims, wherein the shaft seal comprises a spacer ring (8) which is arranged between the outer jacket of the seal housing (1) and the inner free space.
10. Wellendichtung nach Anspruch 9, wobei die Wellendichtung einen Klemmring (9) umfasst, der eine von der ersten Dichtungslippe (3) und der zweiten Dichtungslippe (4) gegen den Distanzring (8) fixiert. 10. A shaft seal according to claim 9, wherein the shaft seal comprises a clamping ring (9) which fixes one of the first sealing lip (3) and the second sealing lip (4) against the spacer ring (8).
11. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein radial einwärts geneigter Abschnitt der ersten Dichtungslippe (3) oder der zweiten Dichtungslippe (4) von einer Ringfeder (10) umspannt ist. 11. Shaft seal according to one of the preceding claims, wherein a radially inwardly inclined portion of the first sealing lip (3) or the second sealing lip (4) is spanned by an annular spring (10).
12. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Dichtungslippe (3) radial einwärts zur Außenseite geneigt ist und die zweite Dichtungslippe (4) radial einwärts zur Innenseite der Wellendichtung geneigt ist. 12. Shaft seal according to one of the preceding claims, wherein the first sealing lip (3) is inclined radially inwards to the outside and the second sealing lip (4) is inclined radially inwards to the inside of the shaft seal.
13. Wellendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine axiale Dichtungsstrecke des Freiraums, der von dem Dichtungspolster (7) eingenommen wird, wenigstens ein Mehrfaches einer axialen Dicke der ersten Dichtungslippe (3) oder der zweiten Dichtungslippe (4) beträgt. 13. Shaft seal according to one of the preceding claims, wherein an axial sealing distance of the space which is taken up by the sealing cushion (7) is at least a multiple of an axial thickness of the first sealing lip (3) or the second sealing lip (4).
14. Verwendung der Wellendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, in einer Wasserpumpe zur Abdichtung einer Pumpenwelle in einem Pumpengehäuse, insbesondere zwischen einer Pumpenkammer und einem Wellenlager. 14. Use of the shaft seal according to one of claims 1 to 12, in a water pump for sealing a pump shaft in a pump housing, in particular between a pump chamber and a shaft bearing.
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