DE102013215361A1

DE102013215361A1 - Dichtungsanordnung

Info

Publication number: DE102013215361A1
Application number: DE102013215361.9A
Authority: DE
Inventors: Willy Seewald; Roland Worsley; Helmut Benedix; Jürgen Kurth
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-02-05
Also published as: US20150042044A1; CN104343986A; US9410555B2; CN104343986B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung (1), umfassend einen Dichtungsträger (2), der einen Trägerring (3) aus elastomerem Material aufweist, mindestens ein Dichtungselement (4), das aus einem Ring aus Polymermaterial besteht, insbesondere aus Polytetrafluoräthylen (PTFE), und einen Anlagering (5) für das Dichtungselement (4), an dem das Dichtungselement (4) über einen radialen Abschnitt (B2) axial (a) anliegt. Um bei hohen Drehzahlen eines abzudichtenden Elements eine gute Dichtwirkung zu erzielen und dabei das PTFE-Dichtungselement möglichst spannungsfrei zu verformen, sieht die Erfindung vor, dass das Dichtungselement (4) über einen ersten außenliegenden radialen Abschnitt (B1) mit dem Trägerring (3) stoffschlüssig verbunden ist und dass das Dichtungselement (4) über einen zweiten weiter innenliegenden radialen Abschnitt (B2) an dem Anlagering (5) axial (a) anliegt und das Dichtungselement (4) und der Anlagering (5) in diesem Bereich (B2) frei von einer Verbindung sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung, umfassend einen Dichtungsträger, der einen Trägerring aus elastomerem Material aufweist, mindestens ein Dichtungselement, das aus einem Ring aus Polymermaterial besteht, insbesondere aus Polytetrafluoräthylen (PTFE), und einen Anlagering für das Dichtungselement, an dem das Dichtungselement über einen radialen Abschnitt axial anliegt.
In Fahrzeugen und Industrieanwendungen werden häufig Kompressoren eingesetzt (Supercharger oder Schraubenkompressoren), die wirksame Wellendichtungen erfordern, um unter Druck gesetztes Medium (Luft) oder Abgas-Luftgemische abzudichten. Ferner sollen Ölverluste aus dem Verdichtergetriebe vermindert bzw. vermieden werden. Nur so können hohe Anforderungen an die Lebensdauer des Kompressors sowie an den Umweltschutz erfüllt werden.
Anspruchsvoll ist diese Dichtungsaufgabe vor allem deshalb, weil sich stark verändernde Druckdifferenzen zwischen Null und bis zu 0,5 MPa und mehr zwischen zwei gegeneinander abzudichtenden Räumen auftreten. Dies findet statt in Kombination mit sehr hohen Drehzahlen bis 25.000 U/min und darüber hinaus bzw. mit hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen Dichtungselement und abzudichtender Welle bis über 35 m/s.
Bekannt sind hierfür Dichtungsanordnungen der eingangs genannten Art, die also PTFE-Dichtungselemente einsetzen, die allerdings mitunter hinsichtlich des Verschleißes und der gewünschten hinreichenden Länge des Wartungsintervalls nicht befriedigend sind. Es ist vielmehr mit Ölverlusten aus dem Getriebe und/oder Gasleckagen zu rechnen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass bei hohen Drehzahlen und einer Druckbelastung auf die Dichtungsanordnung eine gute Dichtwirkung erzielt werden kann und dabei das Dichtungselement möglichst spannungsfrei verformt wird. Damit soll die Lebensdauer der Dichtungsanordnung verlängert werden.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement über einen ersten außenliegenden radialen Abschnitt mit dem Trägerring stoffschlüssig verbunden ist und dass das Dichtungselement über einen zweiten weiter innenliegenden radialen Abschnitt an dem Anlagering axial anliegt und das Dichtungselement und der Anlagering in diesem Bereich frei von einer Verbindung sind.
Im ersten außenliegenden radialen Abschnitt liegt das Dichtungselement bevorzugt an einer radial verlaufenden Stirnseite des Trägerrings an und ist an dieser Stirnseite mit dem Trägerring stoffschlüssig angebunden.
Der Anlagering kann abschnittsweise so ausgebildet und angeordnet sein, dass er zumindest über einen Teil des zweiten Abschnitts mit der Stirnseite des Trägerrings fluchtet. Vorzugsweise ist der Anlagering hierbei im Radialschnitt S-förmig ausgebildet. Der Anlagering ist dabei bevorzugt zumindest über einen Teil des ersten Abschnitts vom Material des Trägerrings ummantelt.
Das Dichtungselement kann an einer Seite mit einer Profilierung zur Rückförderung von Fluid versehen sein.
Der Anlagering besteht bevorzugt aus einem zähen und harten Werkstoff, insbesondere aus Metall.
Der Dichtungsträger kann einen Verstärkungsring aufweisen, der zumindest teilweise vom elastomeren Material des Trägerrings umgeben ist. In diesem Falle ist bevorzugt vorgesehen, dass das Dichtungselement mit seinem radial außenliegenden Ende an einer zylindrischen Innenseite des Verstärkungsrings anliegt.
Der Anlagering weist in seinem radial äußeren Bereich, d. h. über seinen Außenumfang verteilt, vorzugsweise eine Anzahl Zentrierlaschen auf. Mit diesen Zentrierlaschen ist es möglich, den Anlagering relativ zum Verstärkungsring vorzuzentrieren.
Die vorgeschlagene Dichtungsanordnung ist gemäß einer möglichen und bevorzugten Lösung Bestandteil eines Kompressorelements, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Schraubenverdichters oder Aufladers (Supercharger) eines Verbrennungsmotors.
Demgemäß schlägt die Erfindung eine Elastomerdichtung, insbesondere eine PTFE-Dichtung, vor, die bevorzugt bei einem Kompressorelement eingesetzt wird, wobei das Dichtungselement selber von einer Stützscheibe bzw. einem Stützring axial abgestützt wird. Die Elastomer-Dichtung ist als separates Bauteil in die Dichtungsanordnung integriert, allerdings über Teile der radialen Erstreckung nicht stoffschlüssig bzw. in anderer Weise an Umgebungsbauteile (Stützring) angebunden, sondern frei beweglich zu diesem angeordnet. Eine chemische (stoffschlüssige) Anbindung – insbesondere durch Vulkanisation oder einen Klebevorgang – zwischen der Elastomer-Dichtung und dem Elastomerteil des Dichtungsträgers erfolgt nur in einem radial außenliegenden Bereich.
Dies ermöglicht eine freiere Biegung des Elastomer-Dichtungselements an einem im Radialschnitt mit Radius bzw. konkav ausgebildeten Abschnitt des Stützrings, bis hinauf in den Bereich, an die die stoffschlüssige Verbindung mit dem Dichtungsträger ansetzt. Damit kann sich die Elastomer-Dichtung flexibler biegen, wodurch Spannungen und somit radiale Lasten im Material des Elastomer-Dichtungsabschnitts vermindert werden können.
In vorteilhafter Weise lässt sich die vorgeschlagene Dichtungsanordnung in einfacher und damit kostengünstiger Weise herstellen. Die gesamte Anordnung kann im wesentlichen im Rahmen eines Vulkanisierungsvorgangs hergestellt werden, im Rahmen dessen die benötigten Teile miteinander verbunden werden. Der Anlagering kann in seinem äußeren Bereich radiale Führungselemente aufweisen. Hierdurch wird eine Vorführung der Einzelkomponenten im Fertigungsprozess erreicht; gleichzeitig kann der Anbindebereich des Dichtungsträgers zum Elastomer-Dichtungsabschnitt positiv beeinflusst werden.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass insbesondere eine flexible PTFE-Dichtlippe zur Verfügung gestellt wird, die druckresistent ist und nur eine geringe Reibung erzeugt. Hierbei ergibt sich eine gute Dichtwirkung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 den Radialschnitt einer Dichtungsanordnung, die zur Abdichtung eines Gasraums zur Umgebung vorgesehen ist, und
2 einen Teil des Anlagerings der Dichtungsanordnung, gesehen in axiale Richtung, wobei an dem Anlagering eine Zentrierlasche erkennbar ist.
In 1 ist die Dichtungsanordnung 1 zu erkennen, die einen Dichtungsträger 2 aufweist, der ein PTFE-Dichtungselement 4 in Position hält. Das PTFE-Dichtungselement ist hier in zwei verschiedenen Positionen dargestellt.
Einmal ist zu sehen, wie sich das Dichtungselement 4 erstreckt, wenn es sich im nicht eingebauten Zustand befindet. In diesem Falle erstreckt es sich radial nach innen unter einem Winkel von ca. 30°, generell zumeist in einem Bereich zwischen 20° bis 60°, zur radialen Richtung r.
Ist die Dichtungsanordnung 1 indes bestimmungsgemäß montiert, liegt das Dichtungselement 4 mit seinem radial innenliegenden Bereich an der zylindrischen Anlauffläche 11 einer Welle 10 an. In dieser Montageposition dichtet die Dichtungsanordnung 1 einen Gasraum G eines Kompressors zur Umgebung U ab. Die hierzwischen bestehende Druckdifferenz kann 0,5 MPa und mehr betragen.
Das Dichtungselement 4 weist in dem Bereich, mit dem es an der Welle 10 anliegt, in an sich bekannter Weise eine geschnittene oder geprägte Profilierung 7 auf, mit der Fluid von der Seite der Umgebung U zum Gasraum G rückgefördert werden kann. Es handelt sich hierbei beispielsweise um eine Spiralnutung oder um orientierte Rippen, die in das Material des Dichtungselements 4 eingearbeitet sind. Damit kann im Betrieb des Kompressors kontinuierlich ein Rückpumpeffekt aufrecht erhalten werden, d. h. Öl wird ständig in den Gasraum G zurückgepumpt. Bei entsprechender Drehrichtung kann ein Fluid vom Gasraum G abgehalten und zur Umgebung U zurück gefördert werden. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn der Umgebungsraum beispielsweise durch das Gehäuse eines Getriebes gebildet wird.
Der Dichtungsträger 2 hat als zentrales Element einen Trägerring 3 aus elastomerem Material. In diesen Trägerring 3 ist ein Verstärkungsring 8 teilweise eingebettet, der eine zylindrische Innenseite 9 aufweist, die sich über eine gewisse Erstreckung in axiale Richtung a ausdehnt.
Ein weiteres wesentliches Element der vorliegenden Dichtungsanordnung 1 ist ein Anlagering 5, der im Radialschnitt eine S-förmige Ausgestaltung hat und der mit seinem radial äußeren Bereich im elastomeren Material des Trägerrings 3 eingebettet ist.
Der Anlagering 5 kann in seinem äußeren Bereich radiale Führungselemente aufweisen, die vorliegend als Zentrierlaschen 12 ausgebildet sind. Dies ist in 2 zu sehen, wo eine Teil-Ansicht – gesehen in Achsrichtung a – des Anlagerings 5 dargestellt ist. Es können beispielsweise drei Zentrierlaschen 12 über den Umfang des Anlagerings 5 verteilt angeordnet sein.
Der Anlagering 5 ist also als separates Bauteil ausgebildet, das in das Material des Trägerrings 3 aus elastomerem Material teilweise formschlüssig eingebettet ist. Allerdings ist die Ausbildung im Ausführungsbeispiel so beschaffen, dass eine Stirnseite 6 des Trägerrings 3 mit einem radialen Abschnitt des Anlagerings 5 fluchtet. Hierdurch wird eine stirnseitige Anlagefläche für das PTFE-Dichtungselement 4 geschaffen.
Das PTFE-Dichtungselement 4 ist in Richtung des abzudichtenden Gasraums G weisend angeordnet, wobei verhindert wird, dass sich der die Welle 10 kontaktierende Abschnitt des Dichtungselements 4 unter Druck im Gasraum G öffnet.
Der steife Anlagering 5 – vorzugsweise aus Metall – stützt das PTFE-Dichtungselement 4 aufgrund der geometrischen S-förmigen Ausführung des Anlagerings 5 derart, dass sich ein weicher Übergangsradius vom sich radial erstreckenden Abschnitt des PTFE-Dichtungselement 4 zu seinem an der Welle 10 anliegenden Abschnitt ergibt. Hierdurch werden Spannungen und Drücke im PTFE-Dichtungselement 4 minimiert, die sich aufgrund des Drucks im Gasraum G ergeben könnten.
Erreicht wird dies dadurch, dass das Dichtungselement 4 über einen ersten außenliegenden radialen Abschnitt B₁ mit dem Trägerring 3 stoffschlüssig verbunden ist. Indes ist vorgesehen, dass das Dichtungselement 4 über einen zweiten weiter innenliegenden radialen Abschnitt B₂ an dem Anlagering 5 axial anliegt und das Dichtungselement 4 und der Anlagering 5 in diesem Bereich B₂ frei von einer Verbindung sind. Während also im Abschnitt B₁ eine chemische (stoffschlüssige) Verbindung (z. B. durch Kleben) zwischen dem Dichtungselement 4 und dem Trägerring 3 vorliegt, ist dies im Bereich B₂ nicht der Fall; hier ist lediglich eine mechanische Verbindung insofern gegeben, als das der Anlagering 5 das Dichtungselement 4 in eine der beiden axialen Richtungen a abstützt.
Dies ermöglicht eine freie Biegung des Dichtungselements 4 bis hinauf in den stoffschlüssig angebundenen Bereich (Abschnitt B₁), wobei der Radius R, der sich für den Anlagering 5 im Radialschnitt ergibt, quasi eine Führung des Dichtungselements 4 im radial innenliegenden Bereich am Ende des Abschnitts B₂ darstellt. Somit wird eine flexible Biegung des Dichtungselements 4 möglich, was zu verminderten Biegespannungen und somit auch zu geringeren radialen Belastungen im Dichtungselement 4 führt. Die S-förmige Ausgestaltung des Anlagerings 5 erlaubt eine hinreichende geometrische Stütze für das PTFE-Dichtungselement 4; eine ausreichende Anbindung des Dichtungselements 4 am Elastomermaterial des Trägerrings 3 ist indes sichergestellt.
Im montierten Zustand, in dem sich der profilierte Dichtungsabschnitt des Dichtungselements 4 an die Welle 10 anlegt, ergibt sich durch den Ölfilm auf der Anlauffläche 11 der Welle 10 eine geringe Reibung des Dichtungsanordnung. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Umgebungsraum U von einem Getriebegehäuse gebildet wird.
Bezugszeichenliste

1: Dichtungsanordnung
2: Dichtungsträger
3: Trägerring (aus elastomerem Material)
4: Elastomer-Dichtungselement (PTFE-Dichtungselement)
5: Anlagering
6: Stirnseite des Trägerrings
7: Profilierung
8: Verstärkungsring
9: zylindrische Innenseite
10: Welle
11: Anlauffläche der Welle
12: Zentrierlasche
a: axiale Richtung
r: radiale Richtung
R: Radius
B₁: erster radialer Abschnitt (außenliegend)
B₂: zweiter radialer Abschnitt (innenliegend)
G: Gasraum
U: Umgebung

Claims

Dichtungsanordnung (1), umfassend – einen Dichtungsträger (2), der einen Trägerring (3) aus elastomerem Material aufweist, – mindestens ein Dichtungselement (4), das aus einem Ring aus Polymermaterial besteht, insbesondere aus Polytetrafluoräthylen (PTFE), und – einen Anlagering (5) für das Dichtungselement (4), an dem das Dichtungselement (4) über einen radialen Abschnitt (B₂) axial (a) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (4) über einen ersten außenliegenden radialen Abschnitt (B₁) mit dem Trägerring (3) stoffschlüssig verbunden ist und dass das Dichtungselement (4) über einen zweiten weiter innenliegenden radialen Abschnitt (B₂) an dem Anlagering (5) axial (a) anliegt und das Dichtungselement (4) und der Anlagering (5) in diesem Bereich (B₂) frei von einer Verbindung sind.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten außenliegenden radialen Abschnitt (B₁) das Dichtungselement (4) an einer radial verlaufenden Stirnseite (6) des Trägerrings (3) anliegt und an dieser Stirnseite (6) mit dem Trägerring (3) stoffschlüssig angebunden ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagering (5) abschnittsweise so ausgebildet und angeordnet ist, dass er zumindest über einen Teil des zweiten Abschnitts (B₂) mit der Stirnseite (6) des Trägerrings (3) fluchtet.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagering (5) im Radialschnitt S-förmig ausgebildet ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagering (5) zumindest über einen Teil des ersten Abschnitts (B₁) vom Material des Trägerrings (3) ummantelt ist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (4) an einer Seite mit einer Profilierung (7) zur Rückförderung von Fluid versehen ist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagering (5) aus einem zähen und harten Werkstoff besteht, insbesondere aus Metall.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsträger (2) einen Verstärkungsring (8) aufweist, der zumindest teilweise vom elastomeren Material des Trägerrings (3) umgeben ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (4) mit seinem radial außenliegenden Ende an einer zylindrischen Innenseite (9) des Verstärkungsrings (8) anliegt.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagering (5) in seinem radial äußeren Bereich eine Anzahl Zentrierlaschen (12) aufweist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil eines Kompressorelements ist, insbesondere des Kompressorelements eines Kraftfahrzeugs, besonders bevorzugt eines Schraubenverdichters oder eines Aufladers eines Verbrennungsmotors.