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Die
Erfindung betrifft eine Magnetflüssigkeitsdichtung
zur Abdichtung einer Welle oder Achse gegenüber einer Nabe, bei der der
Dichtspalt zwischen einer Gegenlaufstelle und Magnetpolen eines Magneten
von einer Magnetflüssigkeit
ausgefüllt
ist.
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Bei
einer Magnetflüssigkeitsdichtung
wird durch Magnetkraft stets Flüssigkeit
im Dichtspalt gehalten. Eine Magnetflüssigkeitsdichtung dichtet deshalb
berührungslos
ab. Sie zeichnet sich gegenüber berührenden
Dichtungen durch kleinere Losbrechmomente beim Anfahren aus dem
Stillstand und durch niedrigere Reibungsverluste aus und wirkt gleichermaßen in beiden
Drehrichtungen.
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Da
die Dichtkraft exponentiell mit der Spaltweite abnimmt, ist eine
minimale Spaltweite zwischen den relativ zueinander bewegten Komponenten
der Dichtung anzustreben. Ein Maximum der Dichtkraft würde bei
der idealen Spalthöhe "Null" erzielt.
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Üblicherweise
werden die Magnete derartiger Dichtungen aus magnetischen, metallischen Werkstoffen
oder Kunststoffen gefertigt, sie sind also starr. Beim Einsatz starrer
Werkstoffe lassen sich kleinste Spaltweiten zwischen 0,05 bis 0,1
mm realisieren, was äußerst hohe
Anforderungen an die statische und dynamische Exzentrizität der Lagerung sowie
an den Aufbau und den Einbau der Dichtung stellt. Die Magneten sind
spröde
und vor allem gegen Stoßbelastungen
sehr empfindlich.
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Die
DE 37 13 567 C1 offenbart
eine Magnetflüssigkeitsdichtung,
bei der ein Magnet dadurch gebildet ist, daß ein Kunststoff mit magnetisierten
Teilchen gefüllt
wird. In der Kunststoffmatrix sind die magnetisierten Teilchen stochastisch
verteilt. So können nur
etwa bis zu 65% der maximal möglichen
Magnetkraft in der gewünschten
Richtung erzeugt werden.
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Es
sind Magnetflüssigkeitsdichtungen
der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei denen der Magnet aus
einem magnetisierten gummi-elastischen Werkstoff besteht (
DE 690 10 592 T2 ,
US 4 171 818 ).
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Magnetflüssigkeitsdichtung
und ein Verfahren zur Herstellung eines Magneten für eine solche
Dichtung zu schaffen, bei der die Spaltweite minimiert und die Dichtkraft
maximiert ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe dienen eine Magnetflüssigkeitsdichtung nach Anspruch
1 und ein Verfahren nach den Ansprüchen 17 oder 18.
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Dank
der Magnetisierung der Teilchen durch Anlegen eines Magnetfeldes
während
der Formgebung ergibt sich eine wesentlich höhere Magnetisierung bzw. Magnetkraft
als oben angegeben.
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Bei
einer Magnetflüssigkeitsdichtung
gemäß der Erfindung
läßt sich
dank der Nachgiebigkeit des gummi-elastischen Werkstoffs eine Spaltweite
von praktisch Null wie bei einem klassischen berührenden Radialwellendichtring
erzielen. Gleichwohl bleiben der Magnet und die Gegenlaufstelle
oder -fläche des
relativ dazu bewegten Teiles (wie einer Welle) durch einen dünnen Film
aus Magnetflüssigkeit
getrennt.
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Eine
bevorzugte Härte
des magnetisierten gummi-elastischen Werkstoffes liegt bei 55 bis
85 IRHD, vorzugsweise 65 bis 75 IRHD.
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Üblicherweise
wird der Magnetkreis über
die Gegenlaufstelle aus einem ferromagnetischen Werkstoff geschlossen.
Derartige Werkstoffe sind jedoch korrosionsanfällig. In der
DE 26 28 831 A1 werden zwei
unterschiedliche Möglichkeiten
zum Schutz gegen Korrosion gezeigt. Zum einen kann auf eine Welle
aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff eine Buchse aus einem
ferromagnetischen Werkstoff zum Schließen des Magnetkreises aufgezogen
werden, zum anderen können
die Magnetpole so ausgebildet werden, daß die Linien des Magnetflusses
entlang der Welle direkt von einem zum anderen Pol gehen. Die letztere
Lösung
zeigt H. K. Müller
in seinem Buch "Abdichtung
bewegter Maschinenteile" (Medienverlag
Ursula Müller,
Waiblingen, 1990) in Bild 04-MF, bemerkt hierzu jedoch, daß die Abdichtfähigkeit
wesentlich geringer ist als beim Schluß des Magnetflusses über eine
ferromagnetische Gegenlaufstelle.
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Die
für eine
magnetisierbare Gummimischung verwendeten magnetisierbaren Partikel
sind an sich zwar anfällig
gegen korrosiven Angriff, werden jedoch beim Einmischen allseitig
von einem dünnen
Elastomerfilm umgeben, so daß sie
hierdurch gegen Korrosion geschützt
sind. Falls überhaupt
erforderlich, kann sich ein zusätzlicher
Korrosionsschutz auf das Überziehen
mit einem Wachs beschränken.
Nur in wenigen Ausnahmefällen
besonders starker Aggressivität
kann ein Überzug
auf Basis eines Dichtlacks, eines Phenolharzes oder einer galvanisch
aufgebrachten Schutzschicht, z.B. aus Nickel, erforderlich sein.
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Beim
Einsatz unter korrosiven Betriebsbedingungen kann auch die Gegenlaufstelle
aus einem magnetisierbaren, gummi-elastischen Werkstoff gefertigt
werden, der jedoch eine höhere
Härte als
der Werkstoff des Magneten aufweisen sollte. Vorgeschlagen wird
eine Härte über 80 IRHD,
vorzugsweise 85 IRHD.
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Vorteilhafte
konstruktive Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen mit
weiteren Einzelheiten näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
erste Ausführung
einer Magnetflüssigkeitsdichtung
gemäß der Erfindung;
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2 einen
Magneten einer Dichtung gemäß 1 mit
einer alternativen Ausbildung der Magnetpole;
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3 eine
Magnetflüssigkeitsdichtung
mit einem Magneten nach 2;
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4 einen
Magneten für
eine Magnetflüssigkeitsdichtung
gemäß der Erfindung
mit einer den Magnetfluß verstärkenden
Einlage;
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5 eine
weitere Ausführung
einer Magnetflüssigkeitsdichtung
gemäß der Erfindung
mit besonderer Profilierung einer Gegenlaufstelle;
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6 einen
zweigeteilten Magneten ähnlich demjenigen
nach 1;
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7 eine
Magnetflüssigkeitsdichtung
gemäß der Erfindung,
bei welcher der Magnet mit zusätzlichen
Nebenpolen versehen ist;
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8 eine
Magnetflüssigkeitsdichtung
gemäß der Erfindung
mit einer zusätzlichen
Staublippe;
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9 eine
Magnetflüssigkeitsdichtung
gemäß der Erfindung
mit einem zusätzlichen
Dichtwulst;
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10 eine
abgewandelte Magnetflüssigkeitsdichtung
gemäß der Erfindung;
und
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11 eine
Darstellung der Magnetflüssigkeitsdichtung
nach 10 in auseinander gezogener Darstellung ihrer
beiden Hauptbaugruppen vor der Endmontage.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Magnetflüssigkeitsdichtung
in gekapselter Kassettenform, wobei ein Magnet 1 aus einer
Gummimischung einer Shore-Härte
von 55 bis 85 IRHD, vorzugsweise 65 bis 75 IRHD, enthaltend magnetisierte
Partikel, zwei zugespitzte Pole 2, 3 hat, die
radial nach innen weisen und axial im Abstand angeordnet sind.
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Der
Magnet 1 ist radial außen
von einem versteifenden Formteil 4 eingefaßt und mit
diesem form- und/oder kraftschlüssig
verbunden. Ein Hohlraum 5 zwischen den beiden Magnetpolen 2 und 3 ist
mit Magnetflüssigkeit
gefüllt.
Die Pole stehen mit ihren radial nach innen weisenden Spitzen in
Kontakt mit einer Gegenlauffläche
an einem weiteren Formteil 6, welches auf einer nicht gezeigten
Welle oder Achse sitzt, die sich gegenüber dem Magneten relativ bewegt.
Das Formteil 6 besteht aus einem ferromagnetischen Werkstoff,
so daß die
Feldlinien des von dem Magneten 1 erzeugten Magnetfeldes über das
Formteil 6 den Magnetkreis schließt.
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Ein
weiteres Formteil 7 dient dazu, Durchmesserunterschiede
zwischen einer nicht gezeigten Aufnahmebohrung in einer Nabe oder
einem Gehäuse
zu überbrücken.
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Bei
Inbetriebnahme der Dichtung ergibt sich ähnlich wie bei einem klassischen
Radialwellendichtring bei den ersten Umdrehungen ein geringfügiger Abrieb.
Die Magnetflüssigkeit
wird dabei durch Magnetkraft in die Dichtspalte gezogen und trennt
die Magnetpole 2, 3 von der Gegenlauffläche 8 am
Formteil 6.
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Wie
auch bei den nachfolgenden Ausführungen
ist die zentrale Achse der ringförmigen
Magnetflüssigkeitsdichtung
mit A bezeichnet. Welle (radial innen) und Nabe (radial außen) sind
grundsätzlich nicht
dargestellt.
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Der
Dichtspalt zwischen den Magnetpolen 2, 3 und der
Gegenlauffläche 8 ist
auf den konstruktiv kleinst-möglichen
Durchmesser gelegt. Hierdurch wird die Reibleistung, die mit dem
Quadrat in Umfangsgeschwindigkeit zunimmt, auf ein Minimum reduziert.
Ferner wird hierdurch erreicht, daß ein Minimum an Magnetflüssigkeit
benötigt
wird, welche die teuerste Komponente der Magnetflüssigkeitsdichtung
darstellt.
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Die
Dichtung nach 1 ist als Kassettendichtung
konzipiert, wobei die Formteile 4, 6 und 7 gestanzte
und gezogene Blechteile sind. Alternativ können die Formteile 4, 7 auch
aus Kunststoff gefertigt sein.
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Erfindungsgemäß wird der
Magnet dadurch geschaffen, daß eine
mit magnetisierbaren Partikeln gefüllte Gummimischung in eine
heiße
geschlossene Form eingespritzt bzw. als vorgefertigter Rohling in eine
heiße
offene Kompressionsform eingelegt wird. An die Form wird ein Magnetfeld
kurzfristig oder während
der gesamten Dauer der Formgebung so angelegt, daß während der
Formgebung die magnetisierbaren Partikel in Richtung der Feldlinien
gedreht und magnetisiert werden. So läßt sich beim Herstellen des
Magneten 1 über
85% der maximal möglichen Magnetkraft
aktivieren.
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2 zeigt
eine Abwandlung des Magneten, wobei in die Spitzen der beiden Magnetpole 2, 3 jeweils
eine umlaufende Rille 9, 10 eingeformt wird, so daß die Polspitzen "zweizipfelig" gegen die hier nicht gezeigte
Gegenlauffläche
auslaufen. In diesen Rillen 9, 10 hält sich
Magnetflüssigkeit,
so daß jeweils
eine zweistufige Dichtung sehr kleiner axialer Erstreckung erzeugt
wird. Dies führt
zu einer verbesserten Abdichtleistung.
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3 zeigt
eine Magnetflüssigkeitsdichtung in
Kassettenform, wobei der Magnet gemäß 2 von einem
feststehenden Formteil 4 eingefaßt ist und mit seinen mit Rillen 9, 10 versehenen
Magnetpolen 2, 3 an einer Gegenlauffläche 8 eines
mit einer Welle umlaufenden Formteiles 6 anstößt.
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5 zeigt
eine Ausführung
einer Magnetflüssigkeitsdichtung
gemäß der Erfindung
mit einem Magneten 1 mit Magnetpolen 2, 3,
wobei das eine Gegenlauffläche 18 bildende,
mit einer Welle umlaufende Formteil 16 in Anpassung an
die Kontur der Magnetpole 2 und 3 wie in 5 gezeigt,
gemuldet ist, so daß sich
ein Magnetflüssigkeitsfilm
möglichst breiter
Erstreckung jeweils zwischen den beiden Polen 2, 3 der
Gegenlauffläche 18 bildet.
Dies verbessert die Dichtwirkung. In 5 ist die
Spalthöhe
bewußt übertrieben
dargestellt, um den Erfindungsgedanken zu verdeutlichen.
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Ein
wie in den bisherigen Figuren hergestellter und konturierter Magnet 21 gemäß 4 enthält ein Formteil 22 aus
ferromagnetischem Material, das in die Form eingelegt und während des
Formgebungsprozesses von dem magnetisierbaren Gummi umschlossen
wird. Hierdurch kann der Magnetfluß zusätzlich verstärkt und
somit die Abdichtfähigkeit weiter
verbessert werden.
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6 zeigt
einen aus zwei gesonderten Teilen 1a und 1b gebildeten
Magneten, wobei diese Teile zueinander symmetrisch sind. Teil 1a ist
bei der Herstellung mit dem Magnetpol 2 südpolarisiert,
während
Teil 1b mit dem Magnetpol 3 nordpolarisiert ist.
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Diese
Konstruktion hat folgende Vorteile: Die Werkzeugkosten sind reduziert.
Höhere
Stückzahlen können auf
kleineren Maschinen gefertigt werden.
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Die
Tiefe des Hohlraums 5, welche die Menge an aufzunehmender
Magnetflüssigkeit
bestimmt, ist hier nicht beschränkt,
kann also größer sein
als bei den bisher beschriebenen Magneten.
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Sinngemäß kann diese
Gestaltung, die hier für
das Außenteil
einer Kassettendichtung dargestellt ist, auch auf deren Innenteil
angewendet werden.
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Bei
der Kassettendichtung gemäß 7 sind
an dem Magneten außer
den Polen 2 und 3 jeweils außen Nebenpole 2a, 3a vorgesehen,
die jeweils gleiche Polarität
wie die jeweils innen benachbarten Pole 2, 3 haben.
Diese Nebenpole wirken mit radialen Flächen 8a, 8b an
dem die Gegenlauffläche 8 aufweisenden
Formteil 6 zum Zurückhalten
von aus den eigentlichen Dichtspalten zwischen den Polen 2 und 3 sowie
der Gegenlauffläche 8 verdunstender Magnetflüssigkeit
zusammen. Außerdem
wirken die Nebenpole als berührende
Schutzlippen gegen das Eindringen verschmutzender Medien von außen.
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8 zeigt
eine Kassettendichtung ähnlich 1,
wobei zusätzlich
eine gesonderte Schutzlippe 13 an dem den Magneten 1 haltenden
Formteil 4 außen
anliegt, um das Eindringen von verschmutzendem Medium von außen zu verhindern.
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9 zeigt
den äußeren, statischen
Teil einer Magnetflüssigkeitsdichtung
mit einem Magneten ähnlich 1.
Ein den Magneten einfassendes äußeres Formteil 14 hat
an einer Seite eine Abschrägung 15,
auf der ein Dichtwulst 16 aus gummi-elastischem Material
anvulkanisiert ist, um die statische Abdichtung gegenüber einer
Naben- oder Gehäusebohrung
zu verbessern.
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Schließlich zeigt 10 eine
Magnetflüssigkeitsdichtung
wiederum in Kassettenbauweise, bei welcher einem ähnlich wie
in 1 gestalteten, feststehenden Magneten 41 mit
Magnetpolen 42, 43 ein umlaufender Magnet 51 mit
entgegengesetzt zu den Magnetpolen 42, 43 gepolten
Magnetpolen 52, 53 gegenübersteht. Der Magnet 51 ist
ebenso wie der Magnet 41 aus Gummi mit eingebetteten magnetisierten
Partikeln hergestellt wie oben beschrieben. Er hat zusätzlich Nebenpole 52a, 53a,
mit denen er zur weiteren Verbesserung der Abdichtung mit Innenflächen der
umgebördelten
Ränder
eines den stillstehenden Magnet 41 fassenden Formteiles 44 abdichtend
zusammenwirkt. Der Magnet 51 ist aus einer Gummimischung
wesentlich höherer
Härte gefertigt, die
auf über
80 IRHD, vorzugsweise über
85 IRHD eingestellt ist.
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Die 11 zeigt
die Magnetflüssigkeitsdichtung
nach 10 in auseinandergezogenem Zustand vor der Endmontage
der Magnete 41, 51 durch Einschieben des Magneten 51 in
den Magnet 41 und Umbördeln
des rechten Randes 45 des Formteils 44.