DE102018123909A1

DE102018123909A1 - Kompakt-Gleitlager mit Dichtungsanordnung und Wasserpumpe mit demselben

Info

Publication number: DE102018123909A1
Application number: DE102018123909.2A
Authority: DE
Inventors: Franz Pawellek; Marcel Berner
Original assignee: Nidec GPM GmbH
Current assignee: Nidec GPM GmbH
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: CN112639315A; CN112639315B; DE102018123909B4; US20220049710A1; WO2020064398A1

Abstract

Es wird ein durch ein Gleitlager realisiertes Kompaktlager mit einer Dichtungsanordnung für Wasserpumpen vorgeschlagen, aufweisend: eine Gleitlagerbuchse (11), die eine innenliegende Gleitfläche sowie wenigstens eine radiale Ausnehmung (13) mit einer axialen Gleitfläche umfasst; wenigstens einen Wellenbund (31); eine nassseitige Wellendichtung (24), die zwischen der nassen Seite (4, 40) und der Gleitlagerbuchse (11) angeordnet ist; eine trockenseitige Wellendichtung (25), die zwischen der Gleitlagerbuchse (11) und der trockenen Seite (5, 50) angeordnet ist; und ein Schmierstoffdepot (20) mit einem zumindest bereichsweise porösen Substrat (21), das zumindest zwischen der nassseitigen Wellendichtung (24) und der Gleitlagerbuchse (11) angeordnet ist; wobei das Schmierstoffdepot (20) in Poren des Substrats (21) einen wasserunlöslichen Schmierstoff enthält, und ein Volumen des Schmierstoffdepots (20) und ein Volumen einer Schmierstofffüllung ein Gesamtvolumen von Freiräumen zwischen der nassseitigen Wellendichtung (24) und der trockenseitigen Wellendichtung (25) einnehmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein durch ein Gleitlager realisiertes Kompaktlager mit einer Dichtungsanordnung für Wasserpumpen sowie eine Wasserpumpe für einen Kühlmittelkreislauf in einem Fahrzeug, die das Gleitlager mit der Dichtungsanordnung umfasst.
Für Wasserpumpen, die in Fahrzeugen eingesetzt werden, ist ein Pumpenaufbau verbreitet, bei dem die Pumpenwelle mittels eines Kompaktlagers in dem Pumpengehäuse gelagert ist, d. h. mittels einer einzigen Lagereinheit, die sowohl radiale als auch axiale Kräfte der Welle aufnimmt. Diese Anordnung ermöglicht einen kompakten Aufbau in Bezug zur Wellenlänge und verschafft Vorteile hinsichtlich der Anzahl von Gehäusepassungen und Lagerspielen, Wellenfluchtung sowie der Fertigung und Montage.
Im Stand der Technik sind Kompaktlager bekannt, die als Wälzlager ausgeführt sind. Diese sind im Allgemeinen empfindlich gegen eindringende Feuchtigkeit, da die verwendeten Materialen, insbesondere geeignete Stähle von Wälzkörpern, für die Anwendung in Feuchtigkeit nicht ausreichend korrosionsbeständig sind. An Lagerdichtungen treten stets geringe Leckagen auf. Ein Eintreten von Feuchtigkeit führt durch Korrosion zur Herabsetzung der Oberflächengüte der Wälzkörper und Laufbahnen, was in einer höheren Reibung des Lagers sowie entsprechender Wärmeentwicklung und weiteren Folgeschäden an Lagern und Dichtungen resultiert. Ein Wellenlager bzw. dessen Abdichtung stellt daher oftmals den begrenzenden Faktor der Lebensdauer einer Pumpe dar, da sie per se dem Reibungsverschleiß und einer Versprödung durch Druck- und Temperaturschwankung unterliegen.
Außerdem sind Wasserpumpen bekannt, bei denen ein Radiallager als Gleitlager ausgeführt ist, das durch ein gefördertes Kühlmittel geschmiert wird. Diese Wasserpumpen werden mechanisch oder durch einen nasslaufenden Elektromotor angetrieben.
Aus der Patentanmeldung DE 196 39 928 A1 ist eine mechanisch über einen Riemen angetriebene Wasserpumpe bekannt, bei der eine mit einem Pumpenlaufrad verbundene Welle über ein Sintergleitlager gelagert ist. Der Lagerspalt wird durch das Fördermedium geschmiert.
Auch an Gleitlagern sind Leckagen an Wellendichtungen ein Problem, insbesondere wenn hinter der Wellenlagerung eine feuchtigkeitsempfindliche Baugruppe wie ein Elektromotor angeordnet ist.
Elektrische Wasserpumpen mit einem Nassläufer weisen einen schlechteren Wirkungsgrad auf, da der Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor zur Aufnahme eines Spaltrohrs größer ausfällt und eine auf den Rotor wirkende Feldstärke hierdurch abgeschwächt wird. Zudem tritt an dem Rotor Flüssigkeitsreibung auf. Darüber hinaus treten an Nassläufern Probleme bei tiefen Temperaturen durch Eisbildung im Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor auf.
Eine zum Anmeldetag dieser Patentanmeldung noch nicht veröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2018 104 015.6 derselben Anmelderin betrifft eine Lagerung und Abdichtung einer Wasserpumpe mit einem trockenlaufenden Elektromotor mittels eines kühlmittelgeschmierten Sinterlagers. Das Konzept dieser Lagerung und Abdichtung sieht Maßnahmen zur Abführung einer unvermeidlichen geringfügigen Kühlmittelleckage vor, um den Elektromotor und eine Steuerungselektronik vor Schäden durch eintretende Nässe zu schützen. Genauer genommen, wird ein unkritischer Feuchtigkeitshaushalt unter den Betriebsbedingungen erzielt, bei dem eine Wegführung der Leckagetropfen durch die Rotation und Abwärme des Motors zu einer Verdunstung führt, welche über eine Membran zur Atmosphäre entflieht.
Es ist bekannt, dass die Lebensdauer von Radialwellendichtungen stark von den Schmierverhältnissen an der Dichtlippe abhängt. Dichtlippen, die mit einer Kühlmittelschmierung laufen, haben aufgrund des Reibwertes des Schmierfilms und eines nachfolgend erläuterten Phänomens eine kürzere Lebensdauer als Dichtlippen in einer Umgebung eines schmierölführenden Systems. So wurde eine Belagbildung unter der dynamischen Dichtfläche der Dichtungslippe beobachtet, welche die Dichtfunktion nachhaltig beeinträchtigt. Die Ursache liegt in Kühlmittelleckagen, die nach einem Passieren der Dichtstelle verdampfen und kristalline Bestandteile aus dem Kühlmittel hinterlassen, die einen Belag auf der Welle bilden.
Angesichts des dargelegten Stands der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein als Kompaktlager geeignetes Wellenlager mit integrierter Dichtungsanordnung zu schaffen, das sowohl eine langlebige Lagerschmierung als auch eine Abdichtung in einer Wasserpumpe ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Gleitlager mit einer Dichtungsanordnung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Gleitlager mit Dichtungsanordnung umfasst eine Gleitlagerbuchse aus einem Sintermaterial, die eine innenliegende Gleitfläche für einen Umfang der Welle sowie wenigstens eine radiale Ausnehmung mit einer axialen Gleitfläche zu der innenliegenden Gleitfläche umfasst; wenigstens einen Wellenbund, der zu dem Umfang der Welle eine radiale Erhebung bereitstellt, die komplementär zu der wenigstens einen radialen Ausnehmung der Gleitlagerbuchse ausgebildet ist; eine nassseitige Wellendichtung, die zwischen der nassen Seite und der Gleitlagerbuchse angeordnet ist; eine trockenseitige Wellendichtung, die zwischen der Gleitlagerbuchse und der trockenen Seite angeordnet ist; und ein Schmierstoffdepot mit einem zumindest bereichsweise porösen Substrat aus einem nicht-gesinterten Material, das zumindest zwischen der nassseitigen Wellendichtung und der Gleitlagerbuchse angeordnet ist; wobei das Schmierstoffdepot in Poren des Substrats einen wasserunlöslichen Schmierstoff enthält, und ein Volumen des Schmierstoffdepots und ein Volumen einer Schmierstofffullung ein Gesamtvolumen von Freiräumen zwischen der nassseitigen Wellendichtung und der trockenseitigen Wellendichtung einnehmen.
Somit sieht die Erfindung erstmals ein Kompaktlager vor, das durch ein Gleitlager realisiert ist und für Wasserpumpen geeignet ist.
Ferner sieht die Erfindung erstmals ein Gleitlager vor, das einen separaten Schmierstoff gegenüber einer Umgebung eines Fördermediums führt.
Die Erfindung sieht ebenso erstmals vor, ein Schmierstoffdepot aus teils fester und teils viskoser Struktur einzusetzen, das nicht nur zur Lagerschmierung dient, sondern durch dessen Anordnung auch eine langlebige Dichtungsfunktion bereitstellt, die sich in der Betriebsumgebung einer Wasserpumpe vorteilhaft einstellt, wie später erläutert wird.
In ihrer allgemeinsten Form liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, ein Schmierstoffdepot in einem Gleitlager einzusetzen, das ein lokal gebundenes viskoses Polster gegenüber einem umgebenden Medium erzeugt und dabei verschieden ausgerichtete Wirkungen zu einer Dichtungsfunktion im Gleitlager beiträgt.
Im Betrieb einer Wasserpumpe stellt sich ein Druckgleichgewicht zwischen einem ansteigenden Förderdruck in der Pumpenkammer und dem Schmierstoffdepot im Gleitlager ein, während ein Auswaschen des wasserunlöslichen Schmierstoffs aus den Poren des Substrats verhindert wird. Eine schwammartige Morphologie des Schmierstoffdepots führt bei einem ansteigenden äußeren Druck des Fördermediums in Richtung der Gleitlagerhülse dazu, dass eine Ausdehnung des Schmierstoffdepots in einer radialen Richtungskomponente eine abtrennende Wirkung zu einer dahinter liegenden Schmierstofffüllung erhöht. Eine Verschiebung bzw. Kompression des Schmierstoffdepots bewirkt in einer axialen Richtungskomponente eine erhöhte Anpresskraft auf die Wellendichtung zur trockenen Seite, wobei eine Schmierstofffüllung hinter dem Schmierstoffdepot die Anpresskraft auf die entsprechende Dichtlippe überträgt und diese zugleich schmiert.
Durch das erfindungsgemäße Konzept des als Gleitlager realisierten Kompaktlagers mit Dichtungsanordnung ergeben sich in einer Wasserpumpe mehrere Vorteile.
Die Wellendichtung zur nassen Seite ist benachbart bzw. in Kontakt zu dem Schmierstoffdepot angeordnet und wird mit Schmierstoff versorgt. Eine dynamische Dichtungsfläche der entsprechenden Dichtungslippe ist stets mit einem Schmierfilm benetzt und eine Belagbildung durch Kühlmittelrückstände wird unterdrückt. Ebenso wird die gegenüberliegende Wellendichtung zur trockenen Seite aus einer Schmierstofffüllung versorgt, so dass die entsprechende Dichtungslippe mit einem Schmierfilm auf der Welle gleitet. Die mit Schmierstoff geschmierten Wellendichtungen erreichen eine erheblich längere Lebensdauer im Vergleich zu kühlmittelgeschmierten Wellendichtungen.
Die poröse Struktur des Substrats und eine Wasserunlöslichkeit des Schmierstoffs bewirken eine lokale Bindung des Schmierstoffs. Es wird ein Auswaschen des Gleitlagers durch ein eintretendes Fördermedium während des Druckausgleichs im Betrieb unterbunden und eine geringe Reibung sowie ein geringer Verschleiß des Sintergleitlagers sichergestellt.
Die Dichtungsanordnung beansprucht wenig Bauraum innerhalb des Aufbaus des Gleitlagers und stellt zugleich eine Schmierung auf die Lebensdauer bereit. Demzufolge eignet sich das Gleitlager mit Dichtungsanordnung für den Einsatz als Kompaktlager in Pumpen, d. h. als einzige Einheit zur Lagerung und Abdichtung einer Pumpenwelle.
Das Zusammenwirken der Schmierstofffüllung mit dem mit Schmierstoff gesättigten Substrat des Schmierstoffdepots und den Wellendichtungen verbessert eine Dichtungswirkung gegen eine axiale Durchdringung des Gleitlagers. Somit eignet sich das Gleitlager mit Dichtungsanordnung für Anwendungen mit feuchtigkeitsempfindlichen Baugruppen, wie insbesondere einem Elektromotor vom Trockenläufertyp oder einer Elektronik.
In herkömmlichen Aufbauten von Wasserpumpen mit verbesserter Abdichtung für trockenlaufende Elektromotoren sind ein Leckagebehälter und eine Verdunstungsbohrung zum Auffangen von Leckagetropfen aus der Pumpenkammer vor dem Elektromotor vorgesehen. Im Vergleich zu solchen Aufbauten können trotz zuverlässiger Abdichtung ein Aufbau des Gehäuses vereinfacht werden, ein Bauraum und Materialkosten eingespart sowie kompaktere Gesamtabmessungen erlangt werden. Zudem können Labyrinthdichtungen oder ähnlich strukturierte Dichtungen durch günstigere Wellendichtungen mit einer vergleichsweise einfach gestalteten Dichtungslippe ersetzt werden.
Die zuverlässige Abdichtung des Gleitlagers ermöglicht den Einsatz von elektrischen Pumpenantrieben, insbesondere eines Trockenläufers, der eine höhere Effizienz aufgrund eines geringeren Luftspalts zwischen Rotor und Stator hat. Trockenläufer sind im Vergleich zu Nassläufern auch kostengünstiger, da sie als separate Einheit mit standardisierten Komponenten, d. h. unabhängig von einer typenspezifischen Geometrie einer Pumpe bezogen werden können.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gleitlagers mit Dichtungsanordnung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Gleitlagerhülse wenigstens ein erstes Sinterteil und ein zweites Sinterteil umfassen, und die wenigstens eine Ausnehmung kann an einer axialen Teilung der Gleitlagerhülse zwischen dem ersten Sinterteil und dem zweiten Sinterteil ausgebildet sein. Somit werden eine Fertigung des Sinterkörpers mit einer innenliegenden radialen Ausnehmung sowie eine Montage der Welle mit dem Wellenbund erleichtert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Gleitlagerhülse eine einzige Ausnehmung zwischen senkrechten Stufenabschnitten mit axialen Gleitflächen aufweisen, und ein einziger Wellenbund durch einen Zylinderring bereitgestellt sein, der auf der Welle fixiert ist. Somit werden ein Aufbau der Gleitlagerhülse und eine Fertigung des Wellenbunds durch ein genormtes Bauteil vereinfacht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Volumen des Substrats vollständig aus einer Struktur mit offenen Poren ausgebildet sein, und die offenen Poren mit dem Schmierstoff gesättigt sein. Dadurch wird eine schwammartige Morphologie des Schmierstoffdepots optimiert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Substrat 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 Schmierstoffdepot bereitstellt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Schmierstoff ein synthetisches Öl sein. Dadurch lässt sich eine anwendungsoptimierte Viskosität der Schmierstofffüllung in Bezug auf die Schmierungs-, Dichtungs- und Leckageeigenschaften einstellen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Sintermaterial der Gleitlagerbuchse eine definierte Porosität aufweisen. Dadurch wird es zusätzlich möglich, eine gleichmäßige Imprägnierung oder Tränkung des Sintermaterials mit dem Schmierstoff herzustellen. Im Vergleich zu trockenlaufenden Sintermaterialien, die Partikel von Festkörperschmierstoffen enthalten, oder Varianten von kühlmittelgeschmierten Sintergleitlagern, werden bei einem Einsatz von Sintergleitlagern mit viskoser Schmierung niedrigere Reibwerte und eine längere Lebensdauer erreicht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann in der Gleitlagerbuchse wenigstens eine axiale Ausnehmungen ausgebildet sein, die sich durch die Gleitlagerbuchse hindurch erstreckt, und das Schmierstoffdepot und die Schmierstofffüllung nehmen ein Volumen der wenigstens einen Ausnehmung ein. Durch axiale Ausläufer des Schmierstoffdepots bis zur gegenüberliegenden Seite der Gleitlagerhülse werden insbesondere zwei Vorteile erreicht. Zum einen werden ein Volumen und eine Kontaktfläche zwischen dem Schmierstoffdepot und der Gleitlagerhülse zur Schmierung oder Tränkung des Sintermaterials mit dem Schmierstoff vergrößert. Zum anderen wird das Gesamtvolumen des Schmierstoffes vergrößert, mit dem das Gleitlager einmalig befüllt wird, wodurch eine weitere Verlängerung der Lebensdauer zur erwarten ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine Mehrzahl von axialen Ausnehmungen in einem Außenumfang der Gleitlagerhülse ausgebildet sein. Diese Ausgestaltung stellt eine fertigungsoptimierte, einfache Formgebung zur Realisierung der Ausnehmungen dar. Durch die Formgebung und die außenliegende Positionierung der axialen Ausnehmung wird eine Fertigung des Sinterkörpers vereinfacht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann sich das poröse Substrat des Schmierstoffdepots durch die wenigstens eine axiale Ausnehmung hindurch erstrecken und mit der trockenseitigen Wellendichtung in Kontakt stehen. Somit wird auch eine Schmierung der Wellendichtung auf der trockenen Seite durch einen Kontakt zu dem Schmierstoffdepot, anstatt ausschließlich durch eine Schmierstofffüllung, bereitgestellt. Dadurch lassen sich Dichtungseigenschaften in Bezug auf eindringende Schmutzpartikel zur Innenseite der Dichtlippe sowie eine Leckage des Schmierstoffs zur Außenseite der Dichtlippe weiter optimieren.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine Dichtungslippe der trockenseitigen Wellendichtung zu der Gleitlagerbuchse geneigt sein. Dadurch wird eine Anpressung der Dichtlippe auf den Wellenumfang erzielt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die trockenseitige Wellendichtung aus einem Vinyliden(di)fluorid enthaltenden Fluorkautschuk hergestellt sein. Durch die Auswahl von einem Fluorkautschuk mit Vinyliden(di)fluorid, bzw. abgekürzt FKM, werden anwendungsoptimierte Eigenschaften der Reibung und Lebensdauer einer Dichtungslippe auf dem Wellenumfang an der trockenen Seite erzielt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die nassseitige Wellendichtung aus Polytetrafluorethylen hergestellt sein. Durch die Auswahl von Polytetrafluorethylen, bzw. abgekürzt PTFE, werden anwendungsoptimierte Eigenschaften der Reibung und Lebensdauer einer Dichtungslippe auf dem Wellenumfang an der nassen Seite erzielt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein radialer Gleitlagerspalt auf 3 bis 10 µm eingestellt sein. Durch diesen Bereich des Spaltmaßes werden in Verbindung mit dem Schmierstoff anwendungsoptimierte Eigenschaften der Reibung und Lebensdauer des Sinterkörpers der Gleitlagerhülse erzielt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Gleitlagerbuchse, die Wellendichtungen und das Schmierstoffdepot in einem zylindrischen Lagergehäuse aufgenommen sein. Dadurch wird eine maßhaltige und fluchtende Montage der Dichtungsanordnung zum Gleitlager unabhängig von einer typenspezifischen Geometrie eines Pumpengehäuses sowie eine Bereitstellung als eine Einheit bzw. Baugruppe ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Wasserpumpe für einen Kühlmittelkreislauf in einem Fahrzeug vorgesehen, bei der das Gleitlager mit der Dichtungsanordnung in einem Pumpengehäuse zwischen einer Pumpenkammer, in der eine Pumpenwelle mit einem Pumpenlaufrad verbunden ist, und einer Antriebsseite des Pumpengehäuses, auf der die Pumpenwelle angetrieben wird, angeordnet ist. Der Einsatz als einziges Kompaktlager für eine Welle in einer bezüglich des Bauraums optimierten Pumpe stellt ein bevorzugtes, schutzwürdiges Produkt dar, welches das Gleitlager mit Dichtungsanordnung umfasst.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine dementsprechende elektrische Wasserpumpe vorgesehen, die einen Elektromotor vom Trockenläufertyp, der mit der Pumpenwelle verbunden ist, aufweist. Dieser Pumpentyp stellt ein bevorzugtes, schutzwürdiges Produkt zum Einsatz der Dichtungsfunktion des Gleitlagers mit Dichtungsanordnung dar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und eines Anwendungsbeispiels in einer Wasserpumpe mit Bezug auf die Figuren beschrieben. In diesen zeigen:

1 einen freigestellten Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleitlagers mit Dichtungsanordnung;
2 einen Querschnitt durch die Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleitlagers mit Dichtungsanordnung in einem Ausschnitt eines Pumpengehäuses;
3 einen Längsschnitt durch eine Wasserpumpe, in der die Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleitlagers mit Dichtungsanordnung angeordnet ist.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform des abgedichteten Gleitlagers beschrieben.
1 zeigt ein Gleitlager 1 in Form eines axialen und radialen integrierten Sintergleitlagers. Eine Gleitlagerhülse 11, die aus einem Sintermaterial, insbesondere einer porösen Sintermetalllegierung hergestellt ist, stellt zwei innenliegende radiale Gleitflächen für den Umfang einer Welle 3 bereit. Die Welle 3 ist durch einen radialen Lagerspalt von etwa 3 bis 10 µm drehbar in der Gleitlagerhülse 1 aufgenommen. Die Gleitlagerhülse 11a, 11b weist in einem mittleren axialen Bereich eine radiale Ausnehmung 13 mit einem größeren Innendurchmesser als dem der zwei innenliegenden radialen Gleitflächen auf. An senkrechten Übergangsstufen zwischen dem Innendurchmesser der Ausnehmung 13 und dem Innendurchmesser der innenliegenden radialen Gleitflächen stellt die Gleitlagerhülse 11 axiale Gleitflächen für einen Wellenbund 31 bereit. Der Wellenbund 31 ist ein Zylinderring, der mittels Wärmebehandlung und Abkühlung auf den Umfang der Welle 3 aufgeschoben und aufgeschrumpft ist. Der Wellenbund 31 ist in der Ausnehmung 13 drehbar aufgenommen, wobei zwei axiale Lagerspalte zwischen den stirnseitigen Flächen der radialen Erhebung des Wellenbunds 31 und den Übergangsstufen der Innendurchmesser der Gleitlagerhülse 11 gebildet werden. Die Gleitlagerhülse 11 ist in ein erstes Sinterteil 11a und ein zweites Sinterteil 11b geteilt. Die Teilung verläuft vorzugsweise in der axialen Mitte der Gleitlagerhülse 11 durch die Ausnehmung 13, so dass die beiden Sinterteile 11a, 11b gleichförmig ausgebildet und gespiegelt zusammengesetzt werden können.
Eine Gleiteigenschaft zwischen der Welle 3 und dem porösen Sintermaterial wird durch einen Schmierstoff einer Schmierstofffüllung des Gleitlagers 1 unterstützt. Die Gleitlagerhülse 11 und die Schmierstofffüllung sind zusammen mit einer Dichtungsanordnung 2 in einer zylindrischen Lagerschale 6 aufgenommen. Die zylindrische Lagerschale 6 weist auf der rechts dargestellten Seite einen gekröpften Boden mit einer Durchtrittsöffnung für die Welle 3 auf.
Das abgedichtete Gleitlager 1 ist dazu ausgelegt, die zu lagernde Welle 3 zwischen einer nassen Seite 4, die mit einem flüssigen Medium in Kontakt steht, und einer trockenen Seite 5, wie z. B. einem Hohlraum oder einer Außenseite, abzudichten, so dass das flüssige Medium auch bei einer Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten 4 und 5 nicht durch das Gleitlager 1 axial hindurch tritt. Hierfür ist das Gleitlager 1 mit einer Dichtungsanordnung 2 ausgestattet. Die Dichtungsanordnung 2 des Gleitlagers 1 umfasst eine nassseitige Wellendichtung 24, eine trockenseitige Wellendichtung 25 und ein dichtungswirksames Schmierstoffdepot 20.
Die trockenseitige Wellendichtung 25 ist ein radialer Wellendichtring mit einer dynamischen Dichtfläche zur Welle 3 und schließt einen Öffnungsspalt zwischen der Welle 3 und der Durchtrittsöffnung in dem gekröpften Boden der Lagerschale 6 ab. Eine Dichtlippe der Wellendichtung 25 ist zwischen einer Kröpfungskante und dem Wellenumfang einwärts in einen Freiraum geneigt, der in einer Stirnseite der Gleitlagerhülse 11 ausgenommen ist. Der Freiraum wird durch eine Schmierstofffüllung zwischen der Gleitlagerhülse 11 und der Wellendichtung 25 eingenommen. Die nassseitige Wellendichtung 24 ist ein radialer Wellendichtring mit einer dynamischen Dichtfläche zur Welle 3 und schließt eine radiale Öffnung zwischen der Welle 3 und einem Mantel der Lagerschale 6 ab. Die Wellendichtung 24 wird mittels eines Klemmrings 14 gegen eine Stirnseite der Gleitlagerhülse 11 gehalten. Eine Dichtungslippe der Wellendichtung 24 weist einen Kragen auf dem Wellenumfang auf, der nach außen zur nassen Seite 4 weist. Die Wellendichtung 24 besteht aus PTFE und die Wellendichtung 25 besteht aus FKM.
Wie in dem Querschnitt in 2 gezeigt ist, sind drei Nuten als axiale Ausnehmungen 12 von einem Ende bis zum anderen Ende in axialer Richtung in der äußeren Mantelfläche der Gleitlagerhülse 11 eingebracht. Die axialen Ausnehmungen 12 ermöglichen u. a. einen großflächigen Kontakt zwischen dem Schmierstoff und dem porösen Sintermaterial der Gleitlagerhülse 11. Ferner stellen die Ausnehmungen 12 eine Flüssigkeitsverbindung zwischen den beiden Wellendichtungen 24 und 25 außerhalb des Lagerspalts her. Um an den Stirnseiten der Gleitlagerhülse 11 auch im Bereich der axialen Ausnehmungen 12 eine umlaufende Anlagefläche für die Wellendichtungen 24 und 25 bereitzustellen, sind zwischen der Gleitlagerhülse 11 und den Wellendichtungen 24 und 25 Fixierringe 15 angeordnet.
In einem Freiraum, der in einer Stirnseite der Gleitlagerhülse 11 ausgenommen ist, befindet sich zwischen der nassseitigen Wellendichtung 24 und der Gleitlagerhülse 11 ein Schmierstoffdepot 20. Bei der dargestellten Ausführungsform weist das Schmierstoffdepot 20 drei axiale Ausläufer aus dem porösen Substrat 21 auf, welche die Freiräume der drei axialen Ausnehmungen 12 einnehmen und mit dem Schmierstoff ausfüllen. Ferner erstreckt sich das poröse Substrat 21 auf der gegenüberliegenden Seite der Gleitlagerhülse 11 bis hin zu der Wellendichtung 25 der trockenen Seite und steht mit einer Dichtlippe derselben in Kontakt.
Das Schmierstoffdepot 20 ist in den Figuren durch eine horizontale Schraffur dargestellt. In abgrenzender Definition zu einem übrigen Volumen der Schmierstofffüllung, setzt sich das Schmierstoffdepot 20 aus einem porösen Substrat 21 als Grundstruktur zur lokalen Bindung des Schmierstoffs, und aus einem Volumen des Schmierstoff, der in dem porösen Substrat 21 gebundenen ist, zusammen. Das Substrat 21 steht umlaufend mit der Welle 3 und einer äußeren Grenzfläche des Freiraums bzw. dem Lagergehäuse 6 in radialem Kontakt. Das Schmierstoffdepot 20 weist eine schwammartige Morphologie auf und ist in nicht dargestellten Bereichen ohne dem porösen Substrat 21 von einer Schmierstofffüllung umgeben, die ein Flüssigkeitspolster aus demselben Schmierstoff ist.
Das Schmierstoffdepot 20 ist ein hybrides Schmiermittel, dessen Prinzip als „Solid Oil“ bezeichnet wird. Das poröse Substrat 21 besteht aus einer elastisch flexiblen Polymermatrix, vorzugsweise aus einem sogenannten Mikrozella mit einer kapillar wirkenden offenen Porenstruktur. Der Schmierstoff, der in den Poren des Substrats 21 des Schmierstoffdepots 20 absorbiert ist bzw. in Übersättigung abgegeben wird, und der auch die Schmierstofffüllung bildet, ist ein Schmieröl aus synthetischen Kohlenwasserstoffen, ein Silikonöl, ein Estheröl oder dergleichen, dessen Viskosität auf eine Porosität des Substrats 21 und des Sintermaterials der Gleitlagerhülse 11 sowie eine Belastung des Gleitlagers 1 eingestellt ist.
Die Dichtungsfunktion der Dichtungsanordnung 2 tritt in einem Zusammenwirken des Schmierstoffdepots 20 mit den Wellendichtungen 24 und 25 unter einem äußerlich einwirkenden Druck eines flüssigen Mediums auf der nassen Seite 4 auf. Infolgedessen tritt eine geringfügige Leckage des Mediums unter der Dichtungslippe der Wellendichtung 24 in das Gleitlager 1 ein, bis ein Druckausgleich hergestellt ist. Der ansteigende Druck von einer links dargestellten Seite des Schmierstoffdepots 20 bewirkt eine axiale Komprimierung und radiale Ausdehnung des porösen Substrats 21. Somit erhöht sich eine radiale Pressung des schwammartigen Schmierstoffdepots 20 gegen die Welle 3 und die Lagerschale 6. Eine wasserunlösliche Eigenschaft des gebundenen Schmierstoffs in dem porösen Substrat 21 stellt eine Medientrennung zwischen dem eingedrungenen Medium und dem dahinterliegenden Abschnitt des Gleitlagers 1 sicher, so dass ein Auswaschen der Schmierstofffüllung verhindert wird. Zudem erhöht sich über die Schmierstofffüllung ein axialer Anpressdruck auf die einwärts geneigte Dichtlippe der trockenseitigen Wellendichtung 25. Da die Dichtlippe durch den Schmierstoff geschmiert wird, ist eine erhöhte Flächenpressung in Bezug auf den Reibungsverschleiß unkritisch.
Nachstehend wird ein Anwendungsbeispiel einer Wasserpumpe 10 beschrieben, in der das abgedichtete Gleitlager 1 eingesetzt wird.
Wie dem Längsschnitt durch eine Wasserpumpe 10 in 3 zu entnehmen ist, umfasst ein Pumpengehäuse 60 auf einer links dargestellten Seite einen Ansaugstutzen 61 und einen Druckstutzen 62, die in eine Pumpenkammer 40 münden. Der Ansaugstutzen 61 dient als Pumpeneinlass und er ist in Form eines Gehäusedeckels an einem offenen axialen Ende der Pumpenkammer 40 auf das Pumpengehäuse 60 aufgesetzt. Der Ansaugstutzen 61 führt zu einem Pumpenlaufrad 41, das auf einer Pumpenwelle 30 fixiert ist. Der Umfang der Pumpenkammer 40 ist von einem Spiralgehäuse 64 umgeben. Das Spiralgehäuse 64 läuft tangential in den Druckstutzen 62 über, der einen Pumpenauslass bildet. Das Pumpenlaufrad 41 ist ein bekanntes Radialpumpenflügelrad mit einer zentralen Öffnung. Der Förderstrom, der das Pumpenlaufrad 41 durch den Ansaugstutzen 61 anströmt, wird durch Flügel des Pumpenlaufrads 41 radial nach außen in das Spiralgehäuse 64 der Pumpenkammer 40 beschleunigt und durch den Druckstutzen 62 ausgeleitet.
Auf einer rechts dargestellten Seite befindet sich eine Antriebsseite 50 des Pumpengehäuses 60. Die Antriebsseite 50 ist als Aufnahmekammer eines Elektromotors 51 in dem Pumpengehäuse 60 ausgebildet und ist von der Pumpenkammer 40 abgetrennt. Ein axial offenes Ende der als Aufnahmekammer ausgebildeten Antriebsseite 50 des Pumpengehäuses 60 ist durch einen Motordeckel 65 abgeschlossen. Der Elektromotor 51 ist ein Innenläufer. Ein Rotor 53 weist eine Glockenform auf und ist mit dem rechts dargestellten freien Ende der Pumpenwelle 30 verbunden. Der Rotor 53 umläuft einen kragenförmigen Lagersitz 66, der zur Aufnahme des abgedichteten Gleitlagers 1 koaxial ausgebildet ist. Der Rotor 53 ist von einem außenliegenden Stator 52 umgeben, der an dem Pumpengehäuse 60 angeordnet ist. Der Elektromotor 51 ist ein Trockenläufertyp, d. h. die Feldspulen des Stators 52 sind zu einem Luftspalt gegenüber dem Rotor 53 freigelegt.
Die Pumpenwelle 30 erstreckt sich zwischen der Pumpenkammer 40 und der als Aufnahmekammer ausgebildeten Antriebsseite 50 durch das Pumpengehäuse 60 hindurch. Der kragenförmige Lagersitz 66 ist zwischen der Antriebsseite 50 des Pumpengehäuses 60 und der Pumpenkammer 40 angeordnet. Das zylindrische Lagergehäuse 6 des Gleitlagers 1 ist von der Seite der Pumpenkammer 40 her bis zu einem Stufenabschnitt am Ende des kragenförmigen Lagersitzes 66 eingeschoben und durch eine Presspassung fixiert. Somit ist der Elektromotor 51 auf der als Aufnahmekammer ausgebildeten trockenen Antriebsseite 50 durch die Dichtungsvorrichtung 2 des Gleitlagers 1 gegen das Fördermedium in der Pumpenkammer 40 abgedichtet.
In einer alternativen Ausführungsform kann das poröse Substrat 21 des Schmierstoffdepots 20 lediglich zwischen der nassseitigen Wellendichtung 24 und der Gleitlagerhülse 11 angeordnet sein, wobei die axialen Ausnehmungen 12 entfallen können, oder das poröse Substrat 21 des Schmierstoffdepots 20 kann an einer beliebigen Erstreckung der axialen Ausnehmungen 12 enden. In diesen Fällen wird das Volumen eines verbleibenden Freiraums bis zur trockenseitigen Wellendichtung 25 durch die Schmierstofffüllung, also ein Flüssigkeitspolster des Schmierstoffs ohne dem porösen Substrat 21, eingenommen.
Alternativ kann der Wellenbund 31 eine andere Kontur wie z. B. eine oder mehrere runde, wellenförmige oder keilförmige radiale Erhebungen oder dergleichen aufweisen, wobei in der Gleitlagerhülse 11 dementsprechend eine oder mehrere komplementär ausgebildete, radiale Ausnehmungen 13 sowie ggf. axiale Teilungen in mehrere Sinterteile vorgesehen sind.
Es versteht sich, dass alternativ die Anzahl und die Form der Ausnehmungen 12 zwischen den beiden axialen Enden der Gleitlagerhülse 11 variiert werden kann. Es kann ebenso eine Spiralform, ein Labyrinth oder eine sonstige Struktur aus einer oder mehreren Ausnehmungen 12 vorgesehen sein. Eine Ausnehmung 12 kann ebenso durch eine Manteldicke der Gleitlagerhülse 11 hindurch bereitgestellt sein.
Das poröse Substrat 21 kann ebenso einen Kernbereich ohne offene Poren aufweisen oder durch einen anderen Materialabschnitt im Kernbereich des Schmierstoffdepots 20 festgelegt sein.
Bezugszeichenliste

1: Gleitlager
2: Dichtungsanordnung
3: Welle
4: nasse Seite
5: trockene Seite
6: Lagergehäuse
10: Wasserpumpe
11: Gleitlagerbuchse
11a: erstes Sinterteil der Gleitlagerbuchse
11b: zweites Sinterteil der Gleitlagerbuchse
12: axiale Ausnehmung
13: radiale Ausnehmung
14: Klemmring
15: Fixierring
20: Schmierstoffdepot
21: poröses Substrat
24: nassseitige Wellendichtung
25: trockenseitige Wellendichtung
30: Pumpenwelle
31: Wellenbund
40: Pumpenkammer
41: Pumpenlaufrad
50: Antriebsseite
51: Elektromotor
52: Stator
53: Rotor
60: Pumpengehäuse
61: Ansaugstutzen
62: Druckstutzen
64: Spiralgehäuse
65: Motordeckel
66: Lagersitz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19639928 A1 [0005]
DE 102018104015 [0008]

Claims

Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (2), vorzugweise für Wasserpumpen, eingerichtet zur radialen und axialen Lagerung sowie Abdichtung einer Welle (3, 30) in einem Gehäuse zwischen einer nassen Seite (4, 40) und einer trockenen Seite (5, 50), aufweisend: eine Gleitlagerbuchse (11) aus einem Sintermaterial, die eine innenliegende Gleitfläche für einen Umfang der Welle (3, 30) sowie wenigstens eine radiale Ausnehmung (13) mit einer axialen Gleitfläche zu der innenliegenden Gleitfläche umfasst; wenigstens einen Wellenbund (31), der zu dem Umfang der Welle (3, 30) eine radiale Erhebung bereitstellt, die komplementär zu der wenigstens einen radialen Ausnehmung (13) der Gleitlagerbuchse (11) ausgebildet ist; eine nassseitige Wellendichtung (24), die zwischen der nassen Seite (4, 40) und der Gleitlagerbuchse (11) angeordnet ist; eine trockenseitige Wellendichtung (25), die zwischen der Gleitlagerbuchse (11) und der trockenen Seite (5, 50) angeordnet ist; und ein Schmierstoffdepot (20) mit einem zumindest bereichsweise porösen Substrat (21) aus einem nicht-gesinterten Material, das zumindest zwischen der nassseitigen Wellendichtung (24) und der Gleitlagerbuchse (11) angeordnet ist; wobei das Schmierstoffdepot (20) in Poren des Substrats (21) einen wasserunlöslichen Schmierstoff enthält, und ein Volumen des Schmierstoffdepots (20) und ein Volumen einer Schmierstofffüllung ein Gesamtvolumen von Freiräumen zwischen der nassseitigen Wellendichtung (24) und der trockenseitigen Wellendichtung (25) einnehmen.
Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (2) nach Anspruch 1, wobei die Gleitlagerhülse (11) wenigstens ein erstes Sinterteil (11a) und ein zweites Sinterteil (11b) umfasst, und die wenigstens eine Ausnehmung (13) an einer axialen Teilung der Gleitlagerhülse (11) zwischen dem ersten Sinterteil (11a) und dem zweiten Sinterteil (11b) ausgebildet ist.
Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gleitlagerhülse (11) eine einzige Ausnehmung (13) zwischen senkrechten Stufenabschnitten mit axialen Gleitflächen aufweist, und ein einziger Wellenbund (31) durch einen Zylinderring bereitgestellt ist, der auf der Welle (3, 30) fixiert ist.
Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Volumen des Substrats (21) vollständig aus einer Struktur mit offenen Poren ausgebildet ist, und die offenen Poren mit dem Schmierstoff gesättigt sind.
Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat (21) aus einer Polymermatrix mit einer definierten Porosität hergestellt ist.
Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schmierstoff ein Öl ist.
Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Sintermaterial der Gleitlagerbuchse (11) eine definierte Porosität aufweist.
Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in der Gleitlagerbuchse (11) wenigstens eine axiale Ausnehmung (12) ausgebildet ist, die sich durch die Gleitlagerbuchse (11) hindurch erstreckt, und das Schmierstoffdepot (20) und die Schmierstofffüllung ein Volumen der wenigstens einen axialen Ausnehmung (12) einnehmen.
Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (2) nach Anspruch 8, wobei eine Mehrzahl von axialen Ausnehmungen (12) in einem Außenumfang der Gleitlagerhülse (11) ausgebildet ist.
Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (2) nach Anspruch 8 oder 9, wobei sich das poröse Substrat (21) des Schmierstoffdepots (20) durch die wenigstens eine axiale Ausnehmung (12) hindurch erstreckt und mit der trockenseitigen Wellendichtung (25) in Kontakt steht.
Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Dichtungslippe der trockenseitigen Wellendichtung (25) zu der Gleitlagerbuchse (11) geneigt ist.
Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die trockenseitige Wellendichtung (25) aus einem Vinyliden(di)fluorid enthaltenden Fluorkautschuk hergestellt ist.
Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die nassseitige Wellendichtung (24) aus Polytetrafluorethylen hergestellt ist.
Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei ein radialer Gleitlagerspalt auf 3 bis 10 µm eingestellt ist.
Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Gleitlagerbuchse (11), die Wellendichtungen (24, 25) und das Schmierstoffdepot (20) in einem zylindrischen Lagergehäuse (6) aufgenommen sind.
Wasserpumpe (10) für einen Kühlmittelkreislauf in einem Fahrzeug, aufweisend ein Gleitlager (1) mit Dichtungsanordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gleitlager (1) mit der Dichtungsanordnung (2) in einem Pumpengehäuse (60) zwischen einer Pumpenkammer (40), in der eine Pumpenwelle (30) mit einem Pumpenlaufrad (41) verbunden ist, und einer Antriebsseite (50) des Pumpengehäuses (60), auf der die Pumpenwelle (30) angetrieben wird, angeordnet ist.
Wasserpumpe nach Anspruch 16, ferner aufweisend einen Elektromotor (51) vom Trockenläufertyp, der mit der Pumpenwelle (30) verbunden ist.