DE1956165A1 - Wellen-Gleitringdichtung - Google Patents

Description

Dana Corporation 7.

Toledo, Ohio, V.St.A. Wellen-Gleitringdichtung

Die Erfindung betrifft eine in beiden Drehrichtungen wirksame, hydrodynamische Gleitringdichtung vom Radiallippen-Typ für umlaufende Wellen.

Die herkömmlichen Radiallippen-Wellendichtungen weisen ein ringförmiges, steifes Gehäuse auf, mit welchem ein nachgiebiger bzw. elastischer Ringkörper, der im allgemeinen aus einem elastomeren Material besteht, durch Verkleben oder anderweitig verbunden ist. Der Innendurchmesser des Ringkörpers wird durch eine in Umfangsrichtung verlaufende Dichtlippe gebildet, die durch konverlierende, kegelstumpfförmige Pläohen festgelegt ist und welche unter Herstellung einer Abdichtung an einer umlaufenden Welle angreift. Im Normalbetrieb gewährleisten diese herkömmlichen Lippendichtungen eine ausreichende Abdichtung sowohl unter statischen als auch unter dynamischen Bedingungen, wobei zwischen der Dichtlippe und der Welle ein dünner Ölfilm besteht, weloher die Dichtlippe schmiert. Dieser dünne Ölfilm verbleibt unter der Dichtlippe und wird unter ihr nur dann, verdrängt, wenn die ölfilmdicke einen bestimmten kritischen Wert übersteigt. Dieser kritische Wert kann jedoch unter zahlreichen Bedingungen überschritten werden.

Pertigungs-Ungenauigkeiten der Welle oder der Dichtung selbst können eine Erhöhung der Ölfilm-Dicke hervorrufen· Ebenso kann die kritische Dicke des Ölfilms unter ge-

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wiss en vorübergehenden Bedingungen dynamischer Belastungen oder Störungen überschritten werden· Einige derartiger Bedingungen sind beispielsweise Temperaturänderungen, Drehzahländerungen der Welle, Viskositätsänderungen des Öls sowie exzentrische oder lineare Wellen-Schwingung· Die Auswirkung dieser Störungen besteht in einer Erhöhung der Ölfilm-Dicke unter der Dichtlippe, so daß das Öl an der Lippe vorbeifließt, wenn ein gewisser kritischer Wert der Ölfilm-Dicke überschritten wird.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrads herkömmlicher Gleitringdichtungen vom Lippen-Typ ist bereite vorgeschlagen worden, der Dichtlippe eine hydrodynamische Unterstützung zu geben, indem in Verbindung mit der Dichtlippe oder an dieser selbst spiralig angeordnete Rippen oder Hüten vorgesehen werden, di· zusammen mit der sich drehenden Welle eine Hydraulikdruokwirkung auf das öl ausüben und es unter die Dichtlippe zurückdrängen·

Einige der bei der Entwiokling dieser Art von Lippendichtung auftretenden Schwierigkeiten sind die alterungsbedingte Verhärtung der elastomeren Dichtlippe infolge der durch die stark vergrößerte Berührungsfläche, welche durch die spiraligen Rippen gebildet wird, hervorgerufenen Wärme, eine Herabsetzung des effektiven ?lächendruoks der Lippendichtung infolge einer Aufspreiaung, die Flächenbelastung über eine größere Oberfläche hinweg und der Verlust an statischem Abdichtungsvermögen, da die spiraligen Rippen die Lippendichtung außer Berührung mit der Welle abheben·

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber in erster Lini· die Sohaffung einer verbesserten hydrodynamischen Gleitringdichtung vom Lippen-Typ für eine sioh drehend· Wellt,

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bei welcher die vorgenannten Nachteile ausgeschaltet oder auf annehmbare Grenzwerte vermindert werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Gleitringdichtung für eine umlaufende Welle, mit einer durch konvergierende, kegelstumpf förmige Flächen festgelegten, radial einwärts gerichteten Dichtlippe, erfindungsgemäß daduroh gelöst, daß an einer der kegelstumpfförmigen Flächen mindestens ein hydrodynamisches Dichtglied vorgesehen ist, daB die Form eines dreieckigen Polsters mit zu einer Spitze zusammenlaufenden, Fluidum-Abweisflachen bildenden Seitenkanten besitzt und mit seiner Spitze an der Dichtlippe angeordnet ist, und daß die zwischen den Seitenkanten liegende Fläche des Polsters durch eine tangential zur kegelstumpfförmigen Fläche verlaufende zylindrische Rotationsfläche festgelegt ist, deren Achse parallel zu einer das Polster durch die Spitze halbierenden linie verläuft und deren Radius kleiner ist als der Krümmungsradius der kegelstumpff örmigen Fläche.

Im folgenden ist die Erfindung in einem bevorzugten Ausftihrungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine im Schnitt dargestellte Teil-Seitenansicht einer zwischen einem Gehäuse und einer sich drehenden Welle angeordneten Wellen-Gleitringrichtung mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 eine Teil-Aufsicht auf die erfindungsgemäße Dichtung,

Fig. 3 einen Teilschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2,

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Fig. 4 einen Teilschnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 1, welcher die jeweiligen Krümmungsradien des hydrodynamischen Elements und der kegelstumpfförmigen Fläche zeigt, auf welcher es angeordnet ist,

"Pig. 5 eine in vergrößertem Maßstat) gehaltene perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen hydrodynamischen Dichtglieds und

Pig, 6 eine schematische Darstellung des Berührungsschemas der erfindungsgemäßen Dichtung an einer Welle.

Gemäß Pig. 1 ist die erfindungsgemäße Gleitring-Diehtung 10 zur Herstellung einer Abdichtung zwischen einem Gehäuse 12 und einer relativ dazu drehbaren, das Gehäuse durchsetzenden Welle 14 vorgesehen. Das Gehäuse 12 kann beispielsweise das Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine sein, während die Welle 14 die Kurbelwelle darstellt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Dichtung 10 ein starres Ringgehäuse 20 auf, an welchem ein nachgiebiger bzw. elastischer Ringkörper 30 beispielsweise angeklebt ist. Das Ringgehäuse 20, das aus einem Stahl-Rohling gepreßt sein kann, weist einen axial abstehenden Ringabschnitt 21 und einen einstückig damit ausgebildeten, radial einwärts abstehenden Plansch 22 auf. Der Ringabschnitt 21 ist so dimensioniert, daß er mit Pestsitz in eine im Gehäuse 12 ausgebildete, kreisförmige Bohrung 13 einsetzbar ist. Der Pestsitz zwischen dem Ringgehäuse 20 und der Bohrung 13 reicht im allgemeinen aus, um die beiden Bauteile in ihrer Zusammenbaulage zu halten und eine Abdichtung zwischen ihnen herzustellen. Falls eine zusätzliche Lagensicherung erforderlich ist, kann ein Sicherungsring mit einem Dichtmittel angewandt werden.

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Der Ringkörper 30 ist vorzugsweise herkömmlich durch Druckguß aus einem synthetischen Gummi oder einer Polymerverbindung hergestellt. Brauchbare elastomere Verbindungen sind beispielweise die Silicon- und Nitril-G-ummis sowie die Polyacrylate und Fluorelastomere. Polymerisate, wie Tetrafluoräthylen, sind ebenfalls brauchbar. Der Ringkörper 30 ist längs seiner Außenumfangskante unterbrechungsfrei am radialen Flansch 22 befestigt, indem er beispielsweise beim Druckguß mit ihm verklebt wird, doch kann diese Verbindung auch auf andere herkömmliche Weise erfolgen.

Der Ringkörper 30 weist einen radial auswärts abstehenden Abschnitt 31 auf, der am Flansch 22 befestigt ist und mit dem ein axial gerichteter Ringabschnitt 32 einstückig ausgebildet ist, welcher, wie aus den Querschnittansichten gemäß Fig. 1, 3 und 4 ersichtlich ist, tatsächlich einen freitragenden bzw. auskragenden Schenkel darstellt. Der Ringabschnitt 32 wird duroh eine Federpeese bzw. Bandfeder 35 radial einwärts vorbelastet, die in einer in der Außenumfangsflache des Ringabschnitts 32 ausgebildeten Ringnut 36 angeordnet ist.

Die radial innere Fläche des ringförmigen Abschnitts 32 ist durch einander gegenüberliegende kegelstumpfförmige Fläohen 38 und 39 gebildet, die unter Bildung einer scharfen Dichtlippe 40 konvergieren, weiche so dimensioniert ist, daß sie einen leichten Festsitz mit der Welle 14 herstellt. Beim Zusammenbau spreizt sich der Ringabsohnitt 32 infolge dieses Festsitzes gegen die Bandfeder 35 auf und verformt sich auch die Dichtlippe 40, so daß die scharfe Kante der Dichtlippe abgerundet wird. Gemäß Fig. 1 dient die Ringnut 36 dazu, die Bandfeder 35 an der radial außen liegenden Seite des Ringabschnitts 32 auf die Dichtlippe 40 ausgerichtet zu halten.

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Gemäß Pig, 2 sind an der kegelstumpfförmigen Fläche 38 zahlreiche auf gleiche Abstände voneinander verteilte hydrodynamische Dichtglieder 50 ausgebild et, von denen jedes gemäß Pig. 5 im wesentlichen die Form eines dreieckigen Polsters besitzt. Die Seitenkanten des Dichtglieds 50 bilden Fluidum-Abweisflachen 51 und 52, welche zu einer Spitze 53 konvergieren und welche, wie nachstehend noch näher erläutert werden wird, zur Erzeugung eines Hydraulikdrucks gegenüber dem an der Dichtlippe vorbeiströmenden öl dienen, um letzteres unter der Dichtlippe hindurch zur Öl-Seit· der Dichtung zurückzudrängen.

Die Diohtglieder 50 sind derart auf der kegelstumpfförmigen Fläche 38 angeordnet, daß sich ihre Spitzen 53 dicht an der Dichtlippe 40 befinden, und liegen außerdem senkreoht zur Dichtlippe 40, d.h. eine im gleichen Abstand von beiden Pluidum-Abweisflachen 51 und 52 gezogene linie verläuft senkrecht zur Dichtlippe 40· Wie aus den Figuren hervorgeht, ist der Einschlußwinkel zwischen einer Seitenkante 51 oder 52 und der Dichtlippe 40 ein spitzer Winkel. Es hat sich herausgestellt, daß eine besondere günstige Diohtwirkung erzielt wird, wenn dieser Winkel etwa 20° beträgt, so daß der bevorzugte Einschlußwinkel zwischen zwei Seitenkanten etwa 140° beträgt.

Gemäß Fig. 5 ist die Oberfläche 55 des Dichtglieds 50 konkav ausgebildet. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist diese Konkavfläche, d.h. die Oberfläche 55 des Dichtglied· 50, durch eine in Fig. 5 strichpunktiert eingezeichnete zylindrische Rotationsfläche 60 um eine Rotationsachse festgelegt, die

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parallel zu einer durch die Spitze 53 und zwischen den Fluidum-Abweisf lachen'51 und 52 gezogenen Linie liegt. Vorzugsweise halbiert diese Linie gleichmäßig den Abstand zwischen je zwei Abweisflächen 51, 52. Weiterhin liegt diese zylindrische Rotationsfläche 60 tangential zur kegelstumpffönnigen Fläche 38 und legt mithin am Dichtglied 50 gegenüber der kegelstumpffönnigen Fläche 38 eine Zone mit einer Höhe gleich Null fest. Die oberen bzw, äußeren Umfangskanten 57 und 58 der Abweisflächen 51 bzw. 52 werden durch eine über den Rotationszylinder 60 unter einem Winkel zu seiner Achse gezogene Linie umrissen und besitzen daher elliptisches Gefälle. Zudem besitzen die Fluidum-Abweisflachen 51 und 52 in ihrer Erstreckung von der Spitze 53 zu ihren Außenenden über ihre Länge hinweg fortschreitend zunehmende Höhe gegenüber der kegelstumpfförmigen Fläche 38.

Gemäß Fig. 4 ist der Radius R der zylindrischen Rotationsfläche 60 kleiner als der Krümmungsradius A der kegelstumpf förmigen Fläche 38, so daß das Dichtglied 50 eine relative Höhe erhält.

Im Betrieb der .erfindungsgemäßen Dichtung gewährleistet die Dichtlippe 40 eine statische und dynamische Abdichtung an der Welle 14. Die Fluidum-Abweisflachen 51 und 52 werden hierbei effektiv zu spiralig angeordneten Rippen, die teilweise gegen die Welle 14 zusammengedrückt sind. Wie erwähnt, besitzen die Fluidum-Abweisflachen 51 und 52 von der Spitze 53 zu ihren Außenenden über ihre Gesamtlänge hinweg fortschreitend zunehmende Höhe und auch sich zunehmend vergrößernde Masse. Fig. 6 veranschaulicht das Berührungsschema bzw. die "Abdrücke" 65 der Dichtungsglieder auf der Welle. Die Linie 66 veranschaulicht das Andruckmuster der Dichtlippe 40, wäh-

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rend die V-förmigen Muster 67 das Berührungsschema der Fluidum-Abweisflachen 51 und 52 verdeutlichen. Ersichtlicherweise liegen die beiden Muster 66 und 67 nahtlos aneinander, was dadurch erreicht wird, daß das Dichtglied 50 dicht an der Dichtlippe 40 angeordnet ist. Diese "dichte Anordnung" bedeutet, daß bei durch die Welle 14 zusammengedrückter Dichtlippe 40 auch die Umfangskanten 57 und 58 zusammengedrückt sind, jedoch nicht in solchem Ausmaß, daß die Dichtlippe 40 außer Berührung k mit der Welle 14 abgehoben wird. Wie aus Pig. 6 hervorgeht, nimmt die Berührungsfläche der Fluidum-Abweisflächen 51, 52 fortlaufend ab, bis sie sich zu einer berührungsfreien Zone verjüngt. Diese Wirkung wird durch Abstimmung des Winkels der kegelstumpfförmigen Fläche auf den Radius R der Rotationsfläche 60, welche die Oberfläche des Dichtglieds bildet, sowie durch die Kontur der Fluidum-Abweisflachen 51 und 52 hervorgebracht. Bin bevorzugter Näherungswinkel, d.h. der Winkel zwischen der kegelstumpfförmigen Fläche 38 und der Welle 14» liegt bei 15°.

An der Dichtlippe 40 vorbeisickerndes Öl wird — je iiAöh der Drehrichtung der Welle 14 - in dem durch die fluidum-Abweisflache 51 oder 52 festgelegten spitzen Winkel eingeschlossen und infolge des durch diese Fläche und die sich drehende Welle 14 erzeugten hydraulischen Drucks unter die Dichtlippe 40 zurückgedrängt. Da die beiden Abweisflächen 51 und 52 in entgegengesetzte Richtungen abfallen, ist die Arbeitsweise der Dichtung 10 von der Drehrichtung der Welle 14 unabhängig, so daß die Dichtung in beiden Drehrichtungen gleich wirksam ist. Infolge der minimalen Berührungsfläche und Masse des hydrodynamischen Dichtglieds, welche durch . die vorstehend beschriebene konkave Ausbildung gewähr-

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leistet werden, entsteht zwischen Dichtglied und Welle ein sehr leichter Berührungsdruck, so daß, falls überhaupt, nur eine geringe zusätzliche Radialbelastung der Dichtung erforderlich ist, um die Dichtlippe mit der Welle in Berührung zu halten. Zudem hat es sich gezeigt, daß der minimale Berührungsflächendruck keine zusätzliche alterungsbedingte Verhärtung der Dichtung hervorruft.

Selbstverständlich sind verschiedene Konstruktionseinzelheiten der vorstehend dargestellten und beschriebenen Ausführungsform weitgehenden Abwandlungen zugänglich, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Aus diesem Grund soll die Erfindung alle innerhalb des erweiterten Schutzumfangs liegenden Änderungen und Abwandlungen mit einschließen.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Gleitringdichtung für eine umlaufende Welle, mit einer durch konvergierende, kegelstumpfförmige Flächen festgelegten, radial einwärts gerichteten Dichtlippe, dadurch gekennzeichnet, daß an einer der kegelstumpfförmigen Flächen (38) mindestens ein hydrodynamisches Dichtglied (50) vorgesehen ist, " das die Form eines dreieckigen Polsters mit zu einer Spitze (53) zusammenlaufenden, Fluidum-Abweisflächen bildenden Seitenkanten (51, 52) besitzt und mit seiner Spitze an der Dichtlippe (40) angeordnet ist, und daß die zwischen den Seitenkanten liegende Fläche (55) des Polsters durch eine tangential zur kegelstumpfförmigen Fläche verlaufende zylindrische Rotationsfläche (60) festgelegt ist, deren Achse parallel zu einer das Polster durch die Spitze (53) halbierenden Linie verläuft und deren Radius kleiner ist als der Krümmungsradius der kegelstumpfförmigen Fläche (38).

   2, Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschlußwinkel zwischen den Seitenkanten (51, 52) etwa 140° beträgt.

   3· Dichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Rotationsfläche (60) senkrecht zur Diohtlippe (40) liegt·

   4« Dichtung nach einem der Ansprüohe 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß um den Umfang der kegelstumpfförmigen Fläche (38) herum eine Anzahl von Dichtgliedern (50) auf gleiche Abstände voneinander verteilt ist.

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   5· Dichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein unter Herstellung einer Abdichtung in ein Gehäuse, beispielsweise ein Kurbelgehäuse (12) einsetzbares, starres Ringgehäuse (20) und einen mit dem Ringgehäuse verbundenen, beispielsweise verklebten, elastischen bzw· nachgiebigen ^Ringkörper (30) aufweist, der die radial einwärts gerichtete, sich in Umfangsrichtung erstrekkende Dichtlippe (40) aufweist, welche durch zwei konvergierende Flächen (38, 39) festgelegt ist, wobei die Dichtlippe (4-0) an der Welle (14) unter Herstellung einer Abdichtung anzugreifen vermag, daß an der einen konvergierenden Fläche (38) meherere in Umfangsrichtung auf Abstände voneinander verteilte hydrodynamische Dichtglieder (50) vorgesehen sind, die jeweils zwei zu einer Spitze (53) konvergierende Fluidum-Abweisflachen (51, 52) aufweisen, wobei die Spitze (53) an der Dichtlippe (40) liegt, daß die Spitze gegenüber der genannten konvergierenden Fläche (38) eineNull betragende Höhe besitzt und daß jede der Fluidum-Abweisflächen von der Spitze zum Außenende gegenüber der genannten konvergierenden Fläche eine fortschreitend zunehmende Höhe besitzt.

   6* Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnt, daß eine Zone mit gegenüber der konvergierenden Fläche (38) Hull betragender Höhe jeweils zwei Fluidum-Abweisflächen (51, 52) halbiert und durch die Spitze (53) verläuft.

   7· Dichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen zwei Fluidum-Abweisflächen (51, 52) liegende Oberfläche (55) durch eine die Zone mit Null betragender Höhe tangierende zylln-

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   drische Rotationsfläche (60) festgelegt ist, deren Achse parallel zu dieser Zone verläuft und deren Radius kleiner ist'als der Krümmungsradius der konvergierenden Fläche (38).

   8. Dichtung nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes hydrodynamische Dichtgiied (50) zwei fluidumabweisende Rippen aufweist, die in einer an der Dichtlippe (40) liegenden Spitze (53) konvergieren, und daß jede Rippe an der Spitze gegenüber der konvergierenden Fläche (38) eine Null betragende Höhe und über ihre Länge hinweg fortlaufend zunehmende Relativ-Höhe und-Masse besitzt.

   9. Dichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtlippe (40) eine ununterbrochene, in Umfangsrichtung verlaufende erste Berührungszone (66) auf der Welle (14) festlegt und daß die Rippen nahtlos in die erste Berührungszone übergehende Berührungszonen (67) bilden, welche sich in ihrem Verlauf von der erstgenannten Berührungszone (66) weg allmählich zu einer berührungsfreien Zone verjüngen»

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