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Die Erfindung betrifft eine Wellendichtung zur Flüssigkeitsabdichtung einer Welle, vorzugsweise zwischen einem Wellenlager und einer Pumpenkammer in einer Wasserpumpe.
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Wellenlager, insbesondere Wälzkörperlager sind im Allgemeinen empfindlich gegen eindringende Feuchtigkeit, da die verwendeten Materialen, insbesondere geeignete Stähle der Wälzkörper und Laufbahnen, für die Anwendung in Feuchtigkeit nicht ausreichend korrosionsbeständig sind. Bei der Anwendung von Wellenlagern in einer Wasserpumpe muss das Wellenlager vor einem Eindringen einer Kühlmittelleckage aus dem Förderstrom der Wasserpumpe geschützt werden. An Lagerdichtungen treten jedoch stets geringe Leckagen auf. Das Eintreten einer Kühlmittelleckage führt durch Korrosion zur Herabsetzung der Oberflächengüte der Wälzkörper und Laufbahnen. Eine höhere Reibung an den Wälzkörpern kann durch entsprechende Wärmeentwicklung bis hin zum Lagerschaden führen, was einen Defekt der Wasserpumpe nach sich zieht. Zudem werden Wasserpumpen zunehmend elektrisch angetrieben, wobei antriebsseitig häufig ein Elektromotor vom Trockenläufertyp eingesetzt wird. Ebenso wie das Wellenlager muss auch der Elektromotor vor einem Eindringen einer Kühlmittelleckage aus dem Förderstrom der Wasserpumpe geschützt werden.
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Eine Wellendichtung unterliegt per se einem Reibungsverschleiß und einer Versprödung durch Druck- und Temperaturschwankung. Sie stellt oftmals den begrenzenden Faktor der Lebensdauer einer Pumpe dar. Somit kommt einer langlebigen Flüssigkeitsabdichtung zwischen dem Förderstrom in einer Pumpenkammer und dem Wellenlager sowie dem dahinterliegenden antriebsseitigen Bereich eines Pumpengehäuses eine große Bedeutung hinsichtlich der Betriebszuverlässigkeit eines Fahrzeugs zu.
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In der Regel sind herkömmliche Wellenlager, wie z.B. Wälzlager durch radial dichtende Dichtungen, d.h. Dichtscheiben abgedichtet, die im Wellenlager integriert sind. Ferner sind aus dem Stand der Technik separate Dichtungsanordnungen zu einem Wellenlager bekannt, wodurch eine individuelle Anpassung der Abdichtungseigenschaft an anwendungsspezifische Drücke und Abmessungen sowie eine größere Freiheit bei der Auswahl von Lagertypen ermöglicht wird. Derartige separate Abdichtungen von Pumpenwellen zu statischen Bauteilen eines Gehäuses sind oftmals als Zweilippen-Systeme mit einem geringen Lippenabstand ausgeführt. In den Zwischenraum wird eine sehr kleine Menge Schmierfett als Initialschmierung eingefüllt. Allerdings ist nach einiger Zeit das Schmierfett aufgebraucht und eine Kühlmittelleckage dringt in den Zwischenraum ein. Die schlechtere Schmierwirkung des Kühlmittels führt zu einem erhöhten Verschleiß der Dichtlippen. Es muss eine Ablaufbohrung für die unvermeidliche Leckage hinter der Wellendichtung in dem Pumpenaufbau bereitgestellt sein. Ein entsprechender Pumpenaufbau umfasst in der Regel ein Leckagereservoir, das unterhalb der Pumpenwelle angeordnet ist, um eine angesammelte Leckage aufzufangen und beispielsweise durch eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran nach außen verdunsten zu lassen. Derartige Aufbauten erfordern jedoch einen größeren Bauraum für die Leckagekammer.
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Darüber hinaus hängt die Lebensdauer von Wellendichtringen stark von den Schmierverhältnissen an der Dichtlippe ab. Eine trockenlaufende Dichtlippe oder eine Dichtlippe, die lediglich durch eine Kühlmittelleckage geschmiert wird, hat aufgrund des Reibwertes des fehlenden Schmierfilms oder eines nachfolgend erläuterten Phänomens eine kürzere Lebensdauer als Dichtlippen in einer Umgebung eines schmierölführenden Systems. Bei einer Schmierung von Dichtungslippen durch ein Kühlmittel wurde das Phänomen einer Belagbildung unter der dynamischen Dichtfläche der Dichtungslippe beobachtet, welche die Dichtungsfunktion nachhaltig beeinträchtigt. Die Ursache liegt darin, dass Leckagetropfen eines Kühlmittels nach einem Passieren der Dichtstelle verdampfen und kristalline Bestandteile aus dem Kühlmittel hinterlassen, die einen Belag auf der Welle bilden.
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Somit besteht ein Bedarf für Wellendichtungen, die neben einer zuverlässigen Flüssigkeitsabdichtung auch einen kompakten Bauraum des Dichtungssystems, d.h. insbesondere ohne weitere konstruktive Maßnahmen am Pumpenaufbau neben der Wellendichtung, ermöglichen.
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Die
US 7 658 386 B2 beschreibt eine dynamische Dichtungsanwendung an einer Welle. Die Dichtung umfasst einen inneren Abschnitt, einen äußeren Abschnitt eine Stirnplatte und wenigstens ein flexibles Element, das zwischen dem inneren Abschnitt und dem äußeren Abschnitt angeordnet ist. Die Dichtung kann zur Bereitstellung eines permanent geschmierten Lagers unter erschwerten Bedingungen beitragen
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Die
DE 31 20 795 A1 betrifft eine Dichtungsvorrichtung zwischen einem drehfesten Element und einem rotierenden Element, wobei am drehfesten Element und am rotierenden Element zwei mit einem Kragen versehene Teile mit gegenseitigem axialen Abstand befestigt sind. Zwischen den Kragen ist eine ringförmige Dichtung aus porösem Filtermaterial gegen ein Eindringen von Staub und Schmutz angeordnet.
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Die
DE 38 26 628 A1 offenbart eine Wellendichtung zur Abdichtung von Wellen mit wechselnder Umfangsgeschwindigkeit und wechselnder Druckbelastung durch das Abdichtmedium. Sie besteht aus einem luftseitigen Lippendichtungsring mit Dichtlippen im Dichtteil und einem mediumseitigen Lippendichtungsring aus einer verklemmten Dichtscheibe aus Polytetrafluorethylen. Der Polytetrafluorethylenring dient als Hauptdichtung, während der luftseitige Lippendichtungsring als Schutzring gegenüber luftseitiger Schmutzeinwirkung dient.
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Die zum Anmeldetag dieser Patentanmeldung noch nicht veröffentlichte Offenlegungsschrift
DE 10 2018 123 908 A1 derselben Anmelderin betrifft ein Wälzlager mit einer integrierten Dichtungsanordnung für Wasserpumpen, die von einem trockenlaufenden Elektromotor angetrieben werden. In dem Wälzlager ist als Schmierstoffdepot ein sogenanntes Solid Oil vorgesehen, das neben der Schmierfunktion zugleich eine Dichtungsfunktion zwischen einer nassen und einer trockenen Seite erfüllt.
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Es besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen alternativen Aufbau einer langlebigen Wellendichtung zu schaffen, die mit einem beliebigen Wellenlager kombinierbar ist.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Wellendichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Wellendichtung ein viskoses Dichtungspolster mit einer festen Phase aus einem zumindest bereichsweise porösen Substrat und einer flüssigen Phase aus einer wasserunlöslichen Schmierstofffüllung aufweist; wobei ein Gesamtvolumen der Phasen des Dichtungspolsters das Volumen des Freiraums zwischen einer ersten Dichtungslippe und einer zweiten Dichtungslippe einnimmt.
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Die Erfindung sieht erstmals vor, ein viskoses Dichtungspolster aus teils fester und teils flüssiger Phase in einer Wellendichtung einzusetzen, wodurch sowohl eine langlebige Schmierung von Dichtungslippen gewährleistet wird als auch eine Dichtungsfunktion gegen eine axiale Durchdringung von einem flüssigen Medium von einer nassen Seite zu einer trockenen Seite verbessert wird.
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In ihrer allgemeinsten Form liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, ein viskoses jedoch lokal gebundenes Dichtungspolster auf der Basis eines Solid Oils in einer Wellendichtung einzusetzen, das gegenüber einem eindringenden Medium verschieden ausgerichtete Wirkungen zu einer Dichtungsfunktion in der Wellendichtung beiträgt.
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Im Betrieb einer Wasserpumpe stellt sich ein Druckgleichgewicht zwischen einem Förderdruck in der Pumpenkammer und dem Dichtungspolster in dem Wellenlager ein, während ein Auswaschen des wasserunlöslichen Schmierstoffs des Dichtungspolsters aus den Poren des Substrats durch ein wasserbasiertes Medium, wie einem Kühlwasser, verhindert wird. Ein ansteigender Förderdruck, der in einer axialen Richtung gleichmäßig auf die Wellendichtung wirkt, bewirkt eine Ausdehnung einer schwammartigen Morphologie des Dichtungspolsters in einer radialen Richtungskomponente. Dadurch wird eine abtrennende Wirkung zwischen beiden Seiten der Wellendichtung gegenüber dem eindringenden Medium erhöht. Zudem bewirkt eine Verschiebung bzw. Kompression des Dichtungspolsters in einer axialen Richtungskomponente eine erhöhte Anpresskraft auf die Dichtungslippe zur trockenen Seite. Die Anpresskraft wird durch die inkompressible viskose Schmierstofffüllung des Dichtungspolsters übertragen, welche die Dichtungslippe zugleich schmiert.
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Durch die erfindungsgemäße Wellendichtung ergeben sich im Hinblick auf eine Anwendung in einer Wasserpumpe mehrere Vorteile.
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Die poröse Struktur des Substrats des Dichtungspolsters und eine Wasserunlöslichkeit des Schmierstoffs bewirken eine lokale Bindung des Schmierstoffs. Es wird ein Auswaschen des Freiraums der Wellendichtung zwischen den Dichtungslippen durch ein eintretendes Fördermedium während des Druckausgleichs im Betrieb einer Wasserpumpe unterbunden.
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Die beiden Dichtungslippen werden mit dem Schmierstoff versorgt, so dass sie mit einem Schmierfilm auf der Laufhülse gleiten. Die mit Schmierstoff geschmierten Dichtungslippen erreichen eine erheblich längere Lebensdauer im Vergleich zu kühlmittelgeschmierten Dichtungslippen.
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Ein Zusammenwirken der Schmierstofffüllung mit dem porösen Substrat des Dichtungspolsters und den Dichtungslippen verbessert eine absolute Dichtungswirkung gegen eine axiale Durchdringung der Wellendichtung zwischen einer nassen Seite und einer trockenen Seite. Somit eignet sich die Wellendichtung für Anwendungen mit feuchtigkeitsempfindlichen Baugruppen, und insbesondere für Wasserpumpen mit einem Elektromotor vom Trockenläufertyp oder einer Elektronik.
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Die Wellendichtung beansprucht wenig Bauraum und erfordert keine weiteren konstruktiven Sicherheitsmaßnahmen im Pumpenaufbau. Im Vergleich zu Aufbauten einer Pumpe mit einem Leckagereservoir, können trotz zuverlässiger Abdichtung ein Aufbau des Gehäuses vereinfacht werden, ein Bauraum und Materialkosten eingespart sowie kompaktere Gesamtabmessungen erlangt werden. Demzufolge eignet sich die Wellendichtung für den Einsatz in kompakten Wasserpumpen, wie sie in Fahrzeugen verwendet werden.
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Durch den Wegfall eines Leckagereservoirs kann eine Wasserpumpe in beliebigen Lagen verbaut werden. Ferner kann ohne ein Leckagereservoir eine Breite der Wellendichtung vergrößert werden und ein Schmierstoffvorrat ausreichend dimensioniert werden.
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Infolge der guten Schmiereigenschaften auf Basis eines Solid Oils werden ein Dichtlippenverschleiß und eine nachfolgende Leckage effektiv unterdrückt.
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Zudem können anstelle von Labyrinthdichtungen oder ähnlich strukturierten Dichtflächen, günstigere Dichtungsringe mit einer vergleichsweise einfach gestalteten Dichtungslippe in der Wellendichtung eingesetzt werden. Darüber hinaus kann eine Primärdichtung des Wellenlagers entfallen, die herkömmlicherweise einen Wassereintritt zu den Wälzkörpern verhindert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Wellendichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das poröse Substrat des Dichtungspolsters in einem radialen Kontakt mit dem Dichtungsgehäuse und der Laufhülse stehen. Durch Einstellung eines Reibschlusses oder einer Reibung des Substrats zu der feststehenden Mantelfläche des Dichtungsgehäuses oder der rotierenden Laufhülse kann eine Tendenz beeinflusst werden, ob auch das Dichtungspolster einschließlich der flüssigen Phase innerhalb des inneren Freiraums rotiert oder nicht.
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Eine optionale Rotation des Dichtungspolsters bewirkt Fliehkräfte auf ein eindringendes Medium. In einem radial äußeren Bereich, in den das eindringende Medium gedrängt wird, herrscht eine höhere Pressung der schwammartigen Morphologie des Dichtungspolsters gegen die Mantelfläche des Dichtungsgehäuses. Im Falle eines wasserbasierten Mediums, wie einem Kühlwasser, kann dadurch eine Wirkung der Medientrennung zwischen dem eindringenden Medium der nassen Seite und dem wasserunlöslichen Schmierstoff des Dichtungspolsters gesteigert werden. Demzufolge kann eine absolute Dichtungswirkung gegen eine axiale Durchdringung der Wellendichtung zwischen einer nassen Seite und einer trockenen Seite verbessert werden.
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Ein Dichtungspolster, das durch einen Reibschluss des Substrats zu dem Dichtungsgehäuse und den Dichtungslippen tendenziell feststeht, erzeugt eine geringere Reibung. Unabhängig von einer Tendenz bezüglich einer Rotation des Dichtungspolsters kann das Substrat sowohl mit dem Dichtungsgehäuse als auch der Laufhülse in Kontakt stehen. Eine höhere Flächenpressung des Substrats auf beide Mantelflächen erzeugt eine höhere Reibung, jedoch wird die lokale Bindung der Schmierstofffüllung im Dichtungspolster erhöht. Die beschriebene Auswahl und Einstellung möglicher selektiver Kontaktflächen des Substrats in der Wellendichtung stellt demnach ein optionales Merkmal dar, um die Eigenschaften der Wellendichtungen anwendungsbezogen zu optimieren.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das poröse Substrat des Dichtungspolsters in einem axialen Kontakt mit der ersten Dichtungslippe und der zweiten Dichtungslippe stehen. Auch in diesem Zusammenhang kann die lokale Bindung der Schmierstofffüllung im Dichtungspolster erhöht werden, wodurch einer Ausspülung des Schmierstoffs zu der nassen Seite oder einer Leckage des Schmierstoffs zu der trockenen Seite entgegengewirkt wird. Ferner begünstigt ein Kontakt der schwammartigen Morphologie eines Abschnitts des Dichtungspolsters mit dem Substrat eine kontinuierliche Aufrechterhaltung eines Schmierfilms an der Dichtungslippe, die unempfindlicher gegenüber Lageänderungen, Druckschwankungen oder dergleichen ist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Volumen des porösen Substrats des Dichtungspolsters vollständig aus einer Struktur mit offenen Poren ausgebildet sein, und die offenen Poren können mit dem Schmierstoff gesättigt sein. Dadurch wird die schwammartige Morphologie des Schmierstoffdepots optimiert.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das poröse Substrat des Dichtungspolsters 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.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Schmierstoff des Dichtungspolsters ein Öl sein. Dadurch lässt sich eine anwendungsoptimierte Viskosität der Schmierstofffüllung in Bezug auf die Schmierungs-, Dichtungs- und Leckageeigenschaften einstellen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die erste Dichtungslippe aus Polytetrafluorethylen hergestellt sein. Durch die Auswahl von Polytetrafluorethylen, bzw. abgekürzt PTFE, werden anwendungsoptimierte Eigenschaften der Reibung und Lebensdauer einer Dichtungslippe auf der Laufhülse an der nassen Seite erzielt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die zweite Dichtungslippe aus einem Vinyliden(di)fluorid enthaltenden Fluorkautschuk hergestellt sein. Durch die Auswahl von einem Fluorkautschuk mit Vinyliden(di)fluorid, bzw. abgekürzt FPM oder FKM, werden anwendungsoptimierte Eigenschaften der Reibung und Lebensdauer einer Dichtungslippe auf der Laufhülse an der trockenen Seite erzielt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Wellenlager einen Distanzring umfassen, der zwischen dem äußeren Mantel des Dichtungsgehäuses und dem inneren Freiraum angeordnet ist. Durch das Einsetzen des Distanzringes lässt sich eine Fixierung der Dichtungslippen ohne nachbearbeitende Fertigungsschritte, wie das Einbringen einer Nut in das Dichtungsgehäuse, auf einfache Weise realisieren.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Wellenlager einen Klemmring umfassen, der eine von der ersten Dichtungslippe und der zweiten Dichtungslippe gegen den Distanzring fixiert. Durch das Einsetzen des Klemmringes lässt sich eine Fixierung der Dichtungslippen fertigungstechnisch auf einfache Weise realisieren.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein radial einwärts geneigter Abschnitt der ersten Dichtungslippe oder der zweiten Dichtungslippe von einer Ringfeder umspannt sein. Durch die Ringfeder wird ein radialer Anpressdruck auf den geschmierten Gleitkontakt des Laufhülsenumfangs erhöht. Im Gegensatz zur ersten Dichtungslippe, an der sich ein Druckgleichgewicht zwischen einem Betriebsdruck auf der nassen Seite und dem Druck des Dichtungspolsters im Wellenlager einstellt, liegt an der zweiten Dichtungslippe eine Druckdifferenz zwischen einem Atmosphärendruck auf der trockenen Seite und dem Druck des Dichtungspolsters an, der sich auf den höheren Betriebsdruck der nassen Seite eingestellt hat. Daher kann insbesondere an der zweiten Dichtungslippe ein erhöhter Anpressdruck durch die Ringfeder zielführend sein, um einen Austritt von Schmierstoff unter einer Druckdifferenz zu unterbinden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die erste Dichtungslippe radial einwärts zur Außenseite geneigt sein und die zweite Dichtungslippe kann radial einwärts zur Innenseite der Wellendichtung geneigt sein. Diese Anordnung entspricht einer wirksamen Ausrichtung der Dichtungslippen für den Anwendungsfall mit der erläuterten Druckdifferenz zwischen einem höheren Druck auf der nassen Seite und einem niedrigeren Druck auf der trockenen Seite.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine axiale Dichtungsstrecke des Freiraums, der von dem viskosen Dichtungspolster eingenommen wird, wenigstens ein Mehrfaches einer axialen Dicke der ersten Dichtungslippe oder der zweiten Dichtungslippe betragen. Durch ein ausreichendes Volumen des Freiraumes und einem dementsprechenden Volumen der Schmierstofffüllung des Dichtungspolsters wird eine nachhaltige Schmierung der Dichtungslippen bereitgestellt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wellendichtung in vorteilhafter Weise an einer Wasserpumpe zur Abdichtung einer Pumpenwelle in einem Pumpengehäuse, insbesondere zwischen einer Pumpenkammer und einem Wellenlager, verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform mit Bezug auf eine Zeichnung ausführlich beschrieben.
- 1 zeigt eine Längsschnittansicht durch eine bekannte Wellendichtung mit einem Zweilippen-System aus dem Stand der Technik, und
- 2 zeigt eine Längsschnittansicht durch eine Wellendichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 dient lediglich als ein Vergleichsbeispiel aus dem Stand der Technik und zeigt ein herkömmliches Zweilippen-System. In dem Zwischenraum des Lippenabstands kann eine kleine Menge Schmierfett als Initialschmierung eingefüllt sein. Die in 1 dargestellte Wellendichtung aus dem Stand der Technik ist mit den zuvor erläuterten Nachteilen verbunden.
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Nachstehend wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Wellendichtung mit Bezug auf 2 beschrieben.
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2 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wellenlagers, das zwischen einem umgebenden Gehäuse, wie beispielsweise einem Pumpengehäuse, und einer Welle (nicht dargestellt) angeordnet ist. Die Wellendichtung umfasst ein Dichtungsgehäuse 1, das eine zylindrische Mantelfläche mit einer einseitigen Kröpfung zu einer radialen Innenseite aufweist. Die Wellendichtung umfasst eine rotierende Laufhülse 2, die auf dem Wellenumfang sitzt. Die Laufhülse ist zu einer Seite nach außen gekröpft wodurch ein Aufschieben auf die Welle erleichtert und ein mechanischer Schutz für eine Dichtungslippenspitze geschaffen wird. Die Wellendichtung umfasst zwei Dichtungslippen 3, 4 in Form von radial abdichtenden Dichtungsringen.
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Eine erste Dichtungslippe 3 ist zu einer nassen Seite 5 bzw. einer nassen Umgebung, wie einer Pumpenkammer, angeordnet. Die erste Dichtungslippe 3 ist in dem Dichtungsgehäuse 1 feststehend angeordnet und dichtet einen Dichtspalt an einem Gleitkontakt zu dem Umfang der Laufhülse 2 ab. Die erste Dichtungslippe 3 ist zu der Laufhülse 2 hin zur Außenseite der Wellendichtung geneigt, so dass eine Innenseite der Dichtungslippenspitze auf dem Umfang der Laufhülse 2 aufliegt. Die erste Dichtungslippe 3 ist durch eine axiale Eingrenzung in dem Wellenlager fixiert. Ein Distanzring 8, der in das Dichtungsgehäuse 1 eingeschoben ist, legt den Abstand der ersten Dichtungslippe 3 zu der Kröpfung des Dichtungsgehäuses 1 bzw. zu der zweiten Dichtungslippe 4 fest. Ein Klemmring 9, der abschließend in das Dichtungsgehäuse 1 eingesetzt wird, fixiert die axiale Position der ersten Dichtungslippe 3 zu dem Distanzring 8. Die erste Dichtungslippe 3, die mit der nassen Seite 5 in Kontakt steht, ist vorzugsweise aus PTFE gefertigt.
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Eine zweite Dichtungslippe 4 ist zu einer trockenen Seite 6 bzw. einer Atmosphäre, wie beispielsweise einem Wellenlager angeordnet. Die zweite Dichtungslippe 4 ist mittels einer radialen Nut befestigt, welche die nach innen weisende Kröpfung des Dichtungsgehäuses 1 aufnimmt, und sie dichtet ebenfalls einen Dichtspalt an einem Gleitkontakt zu dem Umfang der Laufhülse 2 ab. Die zweite Dichtungslippe 4 ist zu der Laufhülse 2 hin zur Innenseite der Wellendichtung geneigt. Ein innenliegender Abschnitt der zweiten Dichtungslippe 4, der auf dem Umfang der Laufhülse 2 aufliegt, weist eine keilförmige Kontur auf. Im Bereich des Gleitkontaktes zwischen der keilförmige Kontur zu dem Umfang der Laufhülse 2 ist eine Ringfeder 10 um den innenliegenden Abschnitt der zweiten Dichtungslippe 4 gespannt. Die zweite Dichtungslippe 4, die mit der trockenen Seite 6 in Kontakt steht, ist vorzugsweise aus FPM bzw. FKM gefertigt.
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In der Wellendichtung wird ein Freiraum durch das Dichtungsgehäuse 1, die Laufhülse 2, die erste Dichtungslippe 3 und die zweite Dichtungslippe 4 begrenzt. Der Freiraum ist mit einem viskosen Dichtungspolster 7 aufgefüllt, der eine feste Phase in Form eines porösen Substrats und eine flüssige Phase in Form einer Schmierstofffüllung aufweist. Die Eigenschaften des zweiphasigen Dichtungspolsters 7 sind vergleichbar mit einem hybriden Schmiermittel, dessen Prinzip als Solid Oil bezeichnet wird. In der vorliegenden anwendungsbezogenen Ausführungsform für eine Wasserpumpe, wird für das Dichtungspolster 7 beispielgebend ein Solid Oil eingesetzt, das auch in der Funktion eines Schmierstoffdepots für Wälzlager bekannt ist.
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Das poröse Substrat wird vorzugsweise vollständig aus einer offenen Porenstruktur gebildet. Das poröse Substrat besteht vorzugsweise aus einem elastischen Material, insbesondere aus einer flexiblen Polymermatrix, wie einem sogenannten Mikrozella mit einer kapillaren Struktur. Die Schmierstofffüllung, die in den Poren des Substrats absorbiert ist und in Übersättigung aus dem Substrat abgegeben wird, ist ein Schmieröl aus synthetischen Kohlenwasserstoffen, ein Silikonöl, ein Estheröl oder dergleichen. Der Typ des Öls und dessen Viskosität wird in Abhängigkeit einer Porosität des Substrats sowie einem umgebenden Medium, einer Temperatur und dergleichen anwendungsspezifisch ausgewählt.
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Das Gesamtvolumen des viskosen Dichtungspolsters 7, welches das Volumen des Freiraums in der Wellendichtung einnimmt, ist eine Summe aus einem Volumen des porösen Substrats, das eine Grundstruktur zur lokalen Bindung des Schmierstoffs bildet, einem Volumen der Schmierstofffüllung, die in dem porösen Substrat gebundenen ist, und gegebenenfalls einem Volumen der Schmierstofffüllung, die das poröse Substrat umgibt. In der vorliegenden Ausführungsform steht das poröse Substrat mit den beiden Mantelflächen des Dichtungsgehäuses 1 und der Laufhülse 2 sowie den beiden Dichtungslippen 3, 4 in Kontakt, sodass eine lokale Bindung des Schmierstoffs in dem Freiraum des Wellenlagers 1 maximiert wird. Dementsprechend geht der Anteil des Volumens einer ungebundenen Schmierstofffüllung, die das poröse Substrat innerhalb des Freiraums umgibt, an dem Gesamtvolumen des Dichtungspolsters 7 gegen Null.
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Die absolute Dichtungsfunktion der gesamten Wellendichtung resultiert aus einem Zusammenwirken mehrerer Eigenschaften des im Wesentlichen inkompressiblen viskosen Dichtungspolsters 7 mit den beiden Dichtungslippen 3, 4, wenn ein äußerlich einwirkenden Druck eines flüssigen Mediums auf der nassen Seite 5 anliegt. Infolgedessen tritt eine geringfügige Leckage des Mediums unter der ersten Dichtungslippe 3 in die Wellendichtung 1 ein, bis ein Druckausgleich hergestellt ist. Der ansteigende Druck auf das Dichtungspolster 7 bewirkt eine axiale Komprimierung und radiale Ausdehnung des porösen Substrats. Somit erhöht sich eine radiale Pressung der schwammartigen Morphologie des Dichtungspolsters 7 gegen das Dichtungsgehäuse 1 und die Laufhülse 2. Eine wasserunlösliche Eigenschaft des gebundenen Schmierstoffs in dem porösen Substrat stellt sicher, dass ein Auswaschen der Schmierstofffüllung verhindert wird. Zugleich wird eine Medientrennung zwischen dem eingedrungenen Medium und der zweiten Dichtungslippe 4 erreicht. Darüber hinaus überführt die Schmierstofffüllung eine axiale Richtungskomponente des äußerlich einwirkenden Druckes in einen Anpressdruck der einwärts geneigten zweiten Dichtungslippe 4 auf der trockenen Seite 6. Da die zweite Dichtungslippe 4 an der keilförmigen Kontur durch den Schmierstoff geschmiert wird, ist eine erhöhte Flächenpressung in Bezug auf den Reibungsverschleiß unkritisch.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dichtungsgehäuse
- 2
- Laufhülse
- 3
- erste Dichtungslippe
- 4
- zweite Dichtungslippe
- 5
- nasse Seite
- 6
- trockene Seite
- 7
- Dichtungspolster mit fester Phase und flüssiger Phase
- 8
- Distanzring
- 9
- Klemmring
- 10
- Ringfeder
