DE102010011001A1

DE102010011001A1 - Bauteil mit einer Anlauffläche für eine Dichtung und Dichtungsanordnung

Info

Publication number: DE102010011001A1
Application number: DE102010011001A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Kurth
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2009-09-12
Filing date: 2010-03-11
Publication date: 2011-03-31
Also published as: WO2011029746A1

Abstract

Bei einem Bauteil mit einer Anlauffläche für eine Dichtung weist die Anlauffläche ein metallartiges Material auf, an dem wenigstens eine Dichtlippe der Dichtung radial umlaufend anliegt. Das Material ist derart ausgebildet, dass seine Festigkeit bei Verformung zunimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Anlauffläche für eine Dichtung, wobei die Anlauffläche ein metallartiges Material aufweist, an dem wenigstens eine Dichtlippe der Dichtung radial umlaufend anliegt und eine Dichtungsanordnung.
Zur Abdichtung von rotierenden Wellen werden oftmals Dichtungsringe eingesetzt, die eine radial umlaufende Dichtlippe aufweisen. Die Dichtlippe liegt, gegebenenfalls mit einer ebenfalls radial umlaufenden Feder angedrückt, an der Welle an. Dadurch wird verhindert, dass Medien entlang der Welle transportiert werden können. Zur Gewährleistung einer langen Lebensdauer der Dichtung ist es erforderlich, dass die auf der Welle befindliche Anlauffläche für die Dichtlippe eine definierte Rauheit (oftmals Ra 0,2–0,8 μm) aufweist und wenig Abrieb erzeugt. Bei auftretenden Verschmutzungen, beispielsweise durch Partikel, ist es jedoch möglich, dass diese in den Dichtspalt eindringen oder an der Dichtlippe haften und somit auf der Welle Abtragungen verursachen. Dies wiederum wirkt sich negativ auf das gesamte Dichtsystem aus. Sobald die Anlauffläche für die Dichtungen durch Schmutzeintrag während des Betriebs hinreichend degeneriert ist, kann die Dichtlippe verstärkt durch Abrieb verschleißen. Eine ausreichende Dichtwirkung kann nicht mehr sichergestellt werden.
Es ist bekannt, auf der Welle ein dünnwandiges, hülsenförmiges Bauteil aus korrosionsbeständigem Stahl anzubringen, an dem die Dichtlippe anliegt (Verschleißhülse). Somit stellt das Bauteil eine austauschbare Anlauffläche zur Verfügung. Bei Abnutzung ist das Bauteil auf einfache Weise austauschbar. Die spezielle dünnwandige Ausführung des Bauteiles erlaubt eine einfache konstruktive Anpassung des Wellendurchmessers für eine ausgewählte Dichtungsabmessung, zusätzlich aber auch eine nachträgliche Montage über eine durch Einlauf verschlissene Welle unter Beibehaltung der eingesetzten Dichtungsgeometrie. An der Verschleißhülse liegt die Dichtlippe während des Betriebs an, so dass bei negativen Auswirkungen von Schmutzpartikeln die Welle nicht in Mitleidenschaft gezogen wird. Der Verschleiß wirkt sich nur auf die Verschleißhülse aus. Zur Verminderung der Verschleißerscheinungen ist es bekannt, die Hülsen mit harten Materialien zu beschichten, beispielsweise Cr oder TiN. Nachteilig hieran ist jedoch der erhöhte Fertigungsaufwand.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Bauteil mit einer Anlauffläche für eine Dichtung und eine Dichtungsanordnung anzugeben, die bei einfacher Herstellung einen möglichst guten Schutz gegen Abnutzung bieten.
Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Dichtungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.
Gemäß Patentanspruch 1 wird ein Bauteil mit einer Anlauffläche für eine Dichtung angegeben, wobei die Anlauffläche aus einem korrosionsbeständigem metallartigen Material besteht, an dem wenigstens eine Dichtlippe der Dichtung radial umlaufend anlegbar ist. Das Material ist derart ausgebildet, dass seine Festigkeit unter weitestgehender Beibehaltung der Duktilität durch Deformation zunimmt. Das Material ist bevorzugt derart gewählt, dass der Effekt bei Raumtemperatur bzw. Betriebstemperatur des Bauteils auftritt. Dringen Schmutzpartikel in den Bereich der Anlauffläche vor, so dass sie durch die Dichtlippe an die Anlauffläche gedrückt werden, so tritt eine mechanische Belastung in Form von Schneiden, Pflügen und/oder Kerben im Bereich der Oberfläche auf. Aufgrund der Tatsache, dass sich die Festigkeit des Materials durch die auftretende Mikro-Deformation erhöht, wird der Verschleiß durch die eindringenden Partikel weitestgehend minimiert. Eine zusätzliche Beschichtung des Bauteils mittels Chrom oder Titan-Nitrit ist für viele Dichtungsanordnungen nicht erforderlich, um den Verschleiß signifikant zu reduzieren. Vorteilhaft weist der Stahl Eisen auf, der mit Chrom, Nickel und Kohlenstoff legiert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material als metastabiler austenitischer Stahl ausgeführt. Durch die Verformung findet eine Martensitausbildung statt, wodurch sich der Austenitanteil des Materials verringert und der Martensitanteil zunimmt. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von Austenit und Martensit kommt es zur Erhöhung der Festigkeit, wobei die Duktilität des Materials weitgehend erhalten bleibt. Somit lässt sich durch entsprechende Auswahl des verwendeten Stahls z. B. auf einfache Weise eine abriebfeste Verschleißhülse mit verlängerter Lebensdauer herstellen.
Gemäß Patentanspruch 9 wird eine Dichtungsanordnung zur radialen Abdichtung einer rotierenden Welle angegeben, aufweisend wenigstens eine radial umlaufende Dichtlippe und ein Bauteil mit einer Anlauffläche für die Dichtlippe. Das Bauteil ist nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt. Vorteilhaft an dieser Dichtungsanordnung sind der im Vergleich zu bekannten Anordnungen geringere Komplexitätsgrat bezüglich der Herstellung und eine signifikant reduzierte Verschleißanfälligkeit.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 eine Dichtungsanordnung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
2 eine Ausschnittsvergrößerung der 1.
In der 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Eine Welle 1 ist drehbar innerhalb eines Kugellagers 3 angeordnet. Zur Vermeidung der Einbringung von Verschmutzungen ist axial beabstandet zum Kugellager 3 eine Dichtungsanordnung 5 angeordnet. Diese umfasst ein Gehäuse 7, das axial am Kugellager 3 anliegt. Innerhalb des Gehäuses 7 ist ein Halteelement 9 angeordnet. Am Halteelement 9 ist eine radial die Welle 1 umlaufende Dichtlippe 11 befestigt. Die Dichtlippe 11 kann beispielsweise aus einem Elastomer bestehen.
Zum Schutz der Oberfläche der Welle 1 vor Verschleiß ist zwischen der Welle 1 und der Dichtlippe 11 eine Verschleißhülse 13 angeordnet, an der die Dichtlippe 11 radial umlaufend anliegt. Ein Schmutzeintrag von außerhalb zum Kugellager 3 ist somit unterbunden. Zur Sicherstellung des radial umlaufenden Anliegens der Dichtlippe 11 ist eine ebenfalls radial umlaufende Feder 15 vorgesehen, die die Dichtlippe 11 an die Verschleißhülse 13 drückt.
In 2 ist eine ausschnittsweise Vergrößerung der Dichtlippe 11, der Verschleißhülse 13 und der Feder 15 dargestellt. Vom Außenbereich eindringende Schmutzpartikel 17 dringen bis in die Kontaktzone der Dichtlippe 11 und der Verschleißhülse 13 vor. Sobald ein Partikel 17' nahe genug in der Kontaktzone liegt, wird es aufgrund der Anlagekraft unterstützt durch die Feder 15 in die Matrix der elastomeren Dichtlippe 11 eingebettet und derart an die Verschleißhülse 13 gedrückt, dass der Verschleiß der Oberfläche und damit der Anlauffläche der Dichtlippe 11 signifikant erhöht wird. Langfristig entstehen Kratzer, Riefen und Abnutzungserscheinungen in der Oberfläche der Verschleißhülse 13, so dass die Dichtwirkung der Dichtlippe 11 nicht mehr gewährleistet ist.
Die Verschleißhülse 13 besteht daher aus einem korrosionsbeständigem Stahl, der gegenüber den bekannten dünnwandigen Verschleißschutzhülsen, durch Kaltumformung eine signifikante Erhöhung der Festigkeit unter weitestgehender Beibehaltung duktierer Eigenschaften zeigt. Der verwendete Stahl ist beispielsweise ein metastabiler austenitischer Stahl, bei dem es durch mechanische Einflüsse zu einer Martensitumwandlung kommt. Durch die unter Belastung zunehmende Bildung von Martensit erhöht sich die Festigkeit des Stahl, so dass der Verschleiß verringert und die Lebensdauer des entsprechenden Bauteils erhöht wird. Als Beispiel können so genannte TRIP-Stähle (engl. Transformation Induced Plasticity, dt. umwandlungsbewirkte Plastizität) verwendet werden, bei denen oftmals Aluminium und Silizium als Legierungselemente zum Einsatz kommen. Andere Legierungselemente, insbesondere Nickel sind ebenfalls einsetzbar.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält der Stahl Eisen, das mit Chrom, Nickel und Kohlenstoff in vorbestimmten Anteilen legiert ist. Dies können beispielsweise 17% Chrom, 7% Nickel und 0,1% Kohlenstoff sein. Es ist ebenfalls möglich, Legierungen mit leicht abweichenden Anteilen der Legierungselemente zu verwenden. Ein derartiger Stahl erfährt durch Kaltumformung eine signifikante Erhöhung seiner Härte. So ist der Stahl im Grundzustand vergleichsweise weich. Wird daraus die Verschleißhülse 13 hergestellt, so kommt es zu einer Erhöhung der Härte. Die Oberfläche der Verschleißhülse 13 ist somit bereits gut gegen den Verschleiß durch die eingedrückten Partikel 17' geschützt. Jedoch erfährt der Stahl durch die Eindrückung der Partikel 17' mittels der Dichtlippe eine weitere Verformung und somit eine lokal begrenzte weitere Erhöhung der Härte. Der Verschleiß durch die Partikel 17' wird somit weiter vermindert. Die Aufbringung einer harten Schicht, beispielsweise aus Chrom oder Titan-Nitrit ist somit nicht mehr erforderlich.
Die verwendete Stahllegierung kann beispielweise aus einem Stahl bestehen, bei dem maximal 0,15% Kohlenstoff, maximal 2% Silizium, maximal 2% Mangan, maximal 0,045% Phosphor, maximal 0,015% Schwefel, 17% Chrom, maximal 0,80% Molybdän, 7% Nickel und maximal 0,03% Stickstoff enthalten sind.
Bezugszeichenliste

1: Welle
3: Kugellager
5: Dichtungsanordnung
7: Gehäuse
9: Halteelement
11: Dichtlippe
13: Verschleißhülse
15: Feder
17, 17': Schmutzpartikel

Claims

Bauteil mit einer Anlauffläche für eine Dichtung, wobei die Anlauffläche ein metallartiges Material aufweist, an dem wenigstens eine Dichtlippe der Dichtung radial umlaufend anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Material derart ausgebildet ist, dass seine Festigkeit bei Verformung zunimmt.
Bauteil nach Anspruch 1, wobei das Material ein metastabiler austenitischer Stahl ist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Material ein TRIP-Stahl ist.
Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Stahl Eisen aufweist, der mit Chrom, Nickel und/oder Kohlenstoff legiert ist.
Bauteil nach Anspruch 4, wobei der Anteil von Chrom 17% beträgt.
Bauteil nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Anteil von Nickel 7% beträgt.
Bauteil nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei der Anteil von Kohlenstoff 0,1% beträgt.
Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Bauteil hülsenförmig ausgebildet ist.
Dichtungsanordnung zur radialen Abdichtung einer rotierenden Welle, aufweisend wenigstens eine radial umlaufende Dichtlippe und ein Bauteil mit einer Anlauffläche für die Dichtlippe, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgeführt ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 9, wobei das Bauteil hülsenförmig ist und auf der Welle anbringbar ausgebildet ist.