DE19950705B4

DE19950705B4 - Gas-Gleitringdichtung

Info

Publication number: DE19950705B4
Application number: DE1999150705
Authority: DE
Inventors: Dieter Voigt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2009-10-15
Anticipated expiration: 2019-10-22
Also published as: DE19950705A1

Abstract

Gas-Gleitringdichtung für einen Durchtritt einer Welle durch eine Gehäusewand zur Kurbelwellenabdichtung an Brennkraftmaschinen, mit einem in axialer Richtung fliegend gelagerten Dichtring, einer relativ dazu um eine gemeinsame Achse verdrehbaren Dichtfläche, einem elastischen Andruckmittel des Dichtringes an die Dichtfläche und mit in dem Dichtring und/oder der Dichtfläche angeordneten Gasnuten zur Erzeugung eines sich bei einer Rotation der Welle aufbauenden Luftpolsters zwischen Dichtring und Dichtfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Gleitringdichtung Verbindungskanäle für Sperrgas aufweist, die mit dem abzudichtenden Innenraum (9) in Kontakt stehen und dass ein Dichtring (5) in einer Nut (6) eines Gehäusedeckels (4) von einer Feder (29) unterstützt gegen eine Dichtfläche (27; 28) eines Wellenbundes (3; 19) einer Welle (1) gehalten ist sowie Gasnuten (12) aufweist, die über Verbindungskanäle mit dem abzudichtenden Innenraum (9) verbunden sind, die von Bohrungen (13) im Dichtring (5), der Nut (6), einer Verbindungsbohrung (26) und einem Ölabscheidekanal (11) gebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gas-Gleitringdichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Gas-Gleitringdichtungen sind aus dem Pumpenbau bekannte Abdichtelemente. Bei ihnen wird die Viskosität von Gasen genutzt, indem eine von zwei sich gegenüberliegenden Flächen-Dichtflächen in Drehrichtung sich verflachende Nuten enthält und bei gegebener Umfangsgeschwindigkeit anstehende Gase aufgrund der wirkenden Scherkräfte in Dichtrichtung zur Verhinderung von z. B. Ölaustritt transportiert werden (Transport von Sperrgas). Dieser Gastransport erzeugt infolge der Scherkräfte einen Gasdruck zwischen den Dichtflächen, so dass bei elastischer Lagerung einer der beiden Dichtflächen ein Dichtflächenabheben mit einer deutlichen Reibungsverminderung auftritt. Das verursachende Sperrgas fließt aufgrund der Nutenausrichtungen zur abzudichtenden Ölseite hin, entgegen dem möglichen Ölleckagestrom, ab. Der Vorteil dieses Systems ist die hocheffektive Dichtwirkung bei minimaler Verlustreibung. Die nur einige tausendstel Millimeter tiefen Nutkonturen sind jedoch nur bei staubfreiem Sperrgas lebensdauerfest. Für einen dauerhaften Betrieb der Gas-Gleitringdichtung ist daher eine staubfreie Gasumgebung Voraussetzung.
In der Patentliteratur wird das Thema unterschiedlich aufgegriffen, so beschreibt die DE 3045475 C2 eine gasgesperrte Wellendichtung, die zwischen einem nicht umlaufenden Dichtring und einer Membrane einen Kompensationsring enthält, der einseitig mit dem Dichtring verbunden ist. Dieser Kompensationsring ist aus dem gleichen Werkstoff, aus dem die Dichtung hergestellt ist, alternativ ist er aus zwei schockplattierten Werkstoffen vorgesehen. An der gegenüberliegenden Seite der Fügestelle mit der Membran erfolgt durch die gleitende Auflage des Kompressionsrings eine biegespannungsfreie Übertragung der axialen Anpresskraft auf den Dichtring.
Aus der DE 2320681 B2 geht eine Gleitringdichtung hervor, bei der die Druckquelle aus mehreren in einer der Dichtflächen gebildeten Spiralnuten besteht. Die Spiralnuten sind mit einer Druckkammer verbunden, die so angeordnet ist, dass der Druck auf den thermisch belasteten Gegenring ein Moment um den Flächenschwerpunkt ausübt und so die gewünschte Spaltgeometrie mit parallelen Dichtflächen gewährleistet.
Für eine berührungsfreie Spaltdichtung ist in der DE 1087416 A für eine ähnliche Dichtung vorgesehen, auf der Einströmseite eines Dichtspaltes in der den Dichtspalt begrenzenden Stirnfläche des Dichtrings radial verlaufende Nuten vorzusehen, die sich auf einen Teil der radialen Länge des Dichtspaltes erstrecken. Diese Radialnuten vergrößern bei steigender Drehzahl die Dichtspaltbreite.
Die DE 7629817 U1 offenbart die Ausgestaltung eines kleinen Gleitrings in einer Gleitringdichtung. Unter Einfügung eines Druckrings und einer Blattfeder, führt sich der Gleitring in einer Eindrehung des Mitnehmers und greift mit seinen Backen in Ausnehmungen des Mitnehmers ein. Der Mitnehmer kann dabei auch eine Hinterdrehung aufweisen, durch die der Federweg begrenzt wird bzw. der Gleitdichtring mit einer Vorspannung eingebaut werden kann. Hierdurch kann mit fortschreitendem Verschleiß eine unzulässige Verlagerung des Gleitrings vermieden werden.
Eine bekannte Gas-Gleitringdichtung an der Austrittsstelle einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, DE 197 26 955 A1 , entnimmt das Sperrgas aus dessen Schwungradbereich, der jedoch permanent staubhaltig ist, so dass die Funktion der Gas-Gleitringdichtung in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen eines Kraftfahrzeuges unverhältnismäßig früh verlorengeht. Eine Zufuhr von gefilterter Luft setzt das Vorhandensein eines entsprechenden Filterelementes voraus, so dass der technische Aufwand steigt und der angestrebte Vorteil der fast reibungsfreien Abdichtung geschmälert wird. Ein noch tolerierter Staubgehalt des von der Gas-Gleitringdichtung transportierten Sperrgases trägt weiterhin zur Verschmutzung des abzudichtenden Raumes bei, z. B. des Ölwannenraumes einer Brennkraftmaschine.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute und auf Dauer funktionsfähige Gas-Gleitringdichtung zur Verfügung zu stellen.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebene technische Lehre vermittelt.
Mit der berührungslosen Gas-Gleitringdichtung als Kurbelwellenabdichtung einer Brennkraftmaschine, die Verbindungskanäle für das Sperrgas aufweist, welches aus dem abzudichtenden Innenraum her angesaugt wird, können mittels dieser über die Lebensdauer der Brennkraftmaschine funktionsfähig bleibenden Gas-Gleitringdichtung wesentliche Reibungsvorteile als Beitrag zur Verbrauchsabsenkung eines Kraftfahrzeuges erzielt werden.
Durch die mit dem abzudichtenden Innenraum in Kontakt stehenden Verbindungskanäle wird sichergestellt, daß absolut staubfreies Sperrgas, nämlich im Kurbelraum befindliche Luft, in die Gas-Gleitringdichtung gelangt. Spritzöl oder Ölnebel werden konstruktiv dadurch vom Eindringen in die Verbindungskanäle abgehalten, indem dieser entweder über einen Ölabscheidekanal großen Querschnitts und mögliche Umlenkungen des langsam strömenden Sperrgases den Gasnuten der Gas-Gleitringdichtungen zugeführt wird oder die Verbindungskanäle über ihre spezielle Anordnung in der drehenden Welle fliehkraft- und drehrichtungsbedingt ölfreies Sperrgas ansaugen. Hierdurch ergeben sich wesentliche Vereinfachungen am Gehäuse bzw. Gehäusedeckel durch den Entfall eines separaten Ölabscheidekanals.
Von wesentlichem Vorteil der erfinderischen Gas-Gleitringdichtung ist insbesondere, daß ein interner Sperrgaskreislauf gebildet ist, da sich das Gasdruckpolster im wesentlichen radial zum abzudichtenden Innenraum, hier dem Kurbelraum hin, verflüchtigt, so daß zum einen ein Ölaustritt wirkungsvoll verhindert wird und zum anderen eine Verunreinigung der Gas-Gleitringdichtung durch aus einer verschmutzten Umgebung angesaugtes Sperrgas ausgeschlossen wird. Die Funktion der Gas-Gleitringdichtung entsteht dadurch, daß beim Andrehen der Kurbelwelle in den auslaufenden Endbereichen der Gasnuten infolge der Gasscherkräfte ein Überdruck entsteht, wobei sich der Dichtring minimal von der Dichtfläche abhebt und dadurch die angestrebte Reibungsabsenkung erzielt. Eine Sperrgasleckage des sich seitlich radial zum Kurbelraum hin verflüchtigende Sperrgas wird durch stetige Nachförderung infolge Unterdruckbildung in den Anfangsbereichen der Gasnuten und dadurch resultierender Ansaugung von Kurbelgehäusegas ausgeglichen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich mit und in Kombination aus den weiteren Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine geschnittene Seitenansicht einer ersten Gas-Gleitringdichtung,
2 eine geschnittene Seitenansicht von links auf die Gas-Gleitringdichtung gemäß 1,
3 eine zweite Gas-Gleitringdichtung in geschnittener Seitenansicht und
4 eine dritte Gas-Gleitringdichtung in geschnittener Seitenansicht.
Die Gas-Gleitringdichtung besteht im wesentlichen jeweils aus einem Dichtring 5; 16; 17, der in einer Nut 6 oder einer Ringausnehmung 30 eines Gehäusedeckels 4; 31; 23 axial verschieblich angeordnet ist und mit einer Dichtfläche auf einer Dichtfläche eines Wellenbundes 3; 19 der Welle 1 zusammenwirkt.
Zeichnerisch nicht dargestellt, aber ebenfalls den Erfindungsgedanken mit umfassend, ist eine Ausführungsform, bei der ein axial verschieblicher Dichtring in einer Nut eines Wellenbundes der Welle angeordnet ist und an einer Dichtfläche am Gehäusedeckel anliegt, wobei auch bei einer solchen Ausführungsform die Gasnuten entweder im Dichtring oder in der Dichtfläche angeordnet sein können.
Die Dichtringe 5; 16 können, wie in den 1 und 3 dargestellt, bei Stillstand der Brennkraftmaschine von einer Feder 29 gegen die gegenüber liegende Dichtfläche 28; 27 angedrückt gehalten werden, oder, wie in 4 dargestellt, von einer elastischen Membran 22 an die Dichtfläche 27 angedrückt werden, wobei diese elastische Membran zwischen Gehäusedeckel 23 und einer Schutzabdeckung 24 angeordnet ist, an der sich eine weitere Feder 25 abstützt und den Dichtring 17 zusätzlich auf die konische Dichtfläche 27 der Welle 1 aufschiebt. Die Gasnuten 12; 14; 18 weisen eine nach außen gerich tete, flacher werdende Form zum Aufbau eines Gasdruckpolsters auf, wobei ein Verbindungskanal 13; 15 im tiefsten Bereich der Gasnut in diese hineinführt bzw. ein Verbindungskanal in Form einer Bohrung 21 gegenüber dieser tiefsten Stelle einer Gasnut in der gegenüber liegenden Dichtfläche 27 endet, so daß eine Sperrgasleckage bzw. ein Ansaugen von frischem Sperrgas nur intermittierend in einem Winkelbereich erfolgen kann, in dem beide, die Gasnut 18 und die Öffnung der Bohrung 21, miteinander fluchten.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kurbelwellenabdichtung einer Brennkraftmaschine, bei der das staubfreie Sperrgas spritzölfrei über einen Ölabscheidekanal 11 aus dem abzudichtenden Innenraum 9, dem Kurbelraum entnommen wird. Die Welle 1 besitzt auf ihrem Schwungradflansch 2 einen Wellenbund 3, der als Axialbund ausgeführt ist, gegen den die im Gehäusedeckel 4 ruhend gelagerte Abdichtung wirkt. Die Gas-Gleitringdichtung besteht hier im wesentlichen aus einem Dichtring 5, der wie auch in den anderen Ausführungsbeispielen, aus Graphit, Kunststoff oder Metall bestehen kann, der elastisch gegen den rotierenden Wellenbund 3 angedrückt wird. Die hinter dem Dichtring befindliche Nut 6 ist durch zwei Spaltdichtungen 7; 8 gegen den abzudichtenden Innenraum 9, den Kurbelraum und gegen die Umgebung 10 gekapselt, ist jedoch über eine Bohrung 13, die Nut 6, eine weitere Bohrung 26 und den Ölabscheidekanal in einer Gasverbindung mit dem abzudichtenden Innenraum 9, dem Kurbelraum.
Die im Dichtring 5 befindlichen Gasnuten 12 stehen, wie in 2 dargestellt, über eine jeweilige Bohrung 13 mit der Nut 6 in Verbindung. Beim Andrehen der Kurbelwelle entsteht in den auslaufenden Endbereichen der Gasnuten 12 infolge der Gasscherkräfte ein gewisser Überdruck. Der Dichtring 5 hebt minimal vom rotierenden Wellenbund 3 ab und bewirkt die angestrebte Reibungssenkung. Das Gasdruckpolster verflüchtigt sich im wesentlichen radial zum abzudichtenden Innenraum 9 hin und verhindert dabei einen Ölaustritt. Diese Sperrgasleckage wird durch die stetige Nachförderung infolge Unterdruckbildung in den Anfangsbereichen der Gasnuten 12 und dadurch resultierende Ansaugung von frischem Kurbelgehäusegas über den Ölabscheidekanal 11 ersetzt. Der Ölabscheidekanal 11 ist als Bohrung im Gehäusedeckel 4 angeordnet und so positioniert, daß seine kurbelgehäuseseitige Öffnung einen möglichst spritzölfreien Sperrgaseintritt aus dem Kurbelraum 9 ermöglicht.
Aufgrund des bezogen auf die relativ geringe Sperrgasmenge großen Querschnitt des Ölabscheidekanals 11 sowie auch noch möglichen Umlenkungen des langsam strömen den Sperrgases ist eine ölfreie Sperrgaszufuhr in die Gasnuten 12 gewährleistet. Ein alternatives Ausführungsbeispiel der erfinderischen Gas-Gleitringdichtung besitzt, wie in 3 gezeigt, in den rotierenden Wellenbund 3 eingearbeitete Gasnuten 14. Über die Sperrgasbohrungen 15 und ihre spezielle Anordnung wird bei drehender Kurbelwelle 1 fliehkraft- und drehrichtungsbedingt ölfreies Sperrgas angesaugt. Bei dieser Ausführung ergeben sich Vereinfachungen am Gehäusedeckel 31 durch den Entfall des Ölabscheidekanals 11 sowie am Dichtring 16 gegenüber den entsprechenden Ausführungen der 1.
In einer abgewandelten Variante zur 3 verbleiben, wie in 4 gezeigt, die Gasnuten 18 im ruhenden Dichtring 17, jedoch ohne Bohrungen 13, die hier in ihrer Funktion von den mit der Kurbelwelle 1 rotierenden Sperrgasbohrungen 15 bei intermittierendem Kontakt zu den Gasnuten 18 ersetzt sind. Die rotierenden Sperrgasbohrungen 15 können zur Ölabscheidung durch Fliehkraftwirkung nach außen gerichtet sein, und/oder auch entsprechend der Drehrichtung der Kurbelwelle 1 eine Winkelkomponente in Umfangsrichtung aufweisen.
Eine weitere Ausführungsform, wie in 4 dargestellt, besitzt einen Dichtring 17, der mit seiner konischen Dichtfläche 27 mit der Gasnut 18 am entsprechend ausgebildeten Wellenbund 19, der als Schwungrad-Befestigungsflansch ausgeführt ist, anliegt, wobei die Bohrungen 20, 21 zwischen zeichnerisch nicht dargestellten Befestigungsgewinden der Schwungradschrauben liegen und für die Sperrgaszufuhr sorgen. Der Dichtungsring 17 ist öldicht über eine elastische Membran 22 am Gehäusedeckel 23 zusammen mit einer Schutzabdeckung 24 befestigt. Bei entsprechender Ausbildung kann die elastische Membran 22 mit ausreichender Axialkraft den Dichtring 17 auf den Konus des Wellenbundes 19 aufdrücken. Eine verstärkte Axialandrückung des Dichtringes 17 kann durch zusätzliche Federn 25 oder auch durch einen nicht zeichnerisch dargestellten Wellring bewirkt werden, die sich auf der Innenseite der Schutzabdeckung 24 abstützen. Die Drehfixierung des ruhenden Dichtringes 17 kann von der am Gehäusedeckel 23 befestigten Membran 22 bewerkstelligt werden.

Claims

Gas-Gleitringdichtung für einen Durchtritt einer Welle durch eine Gehäusewand zur Kurbelwellenabdichtung an Brennkraftmaschinen, mit einem in axialer Richtung fliegend gelagerten Dichtring, einer relativ dazu um eine gemeinsame Achse verdrehbaren Dichtfläche, einem elastischen Andruckmittel des Dichtringes an die Dichtfläche und mit in dem Dichtring und/oder der Dichtfläche angeordneten Gasnuten zur Erzeugung eines sich bei einer Rotation der Welle aufbauenden Luftpolsters zwischen Dichtring und Dichtfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Gleitringdichtung Verbindungskanäle für Sperrgas aufweist, die mit dem abzudichtenden Innenraum (9) in Kontakt stehen und dass ein Dichtring (5) in einer Nut (6) eines Gehäusedeckels (4) von einer Feder (29) unterstützt gegen eine Dichtfläche (27; 28) eines Wellenbundes (3; 19) einer Welle (1) gehalten ist sowie Gasnuten (12) aufweist, die über Verbindungskanäle mit dem abzudichtenden Innenraum (9) verbunden sind, die von Bohrungen (13) im Dichtring (5), der Nut (6), einer Verbindungsbohrung (26) und einem Ölabscheidekanal (11) gebildet werden.
Gas-Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer bevorzugten Sperrgasaustrittsseite von zwischen dem Dichtring (5; 16; 17) und der Dichtfläche (28; 27) austretenden Sperrgasleckage zum abzudichtenden Innenraum (9) hin ausgerichtet ist und die Austrittsseite mit diesem verbunden ist.
Gas-Gleitringdichtung nach Anspruch 1, durch gekennzeichnet, dass der Dichtring (5; 16; 17) in einer Nut (6) oder einer Ausnehmung (30) im Gehäusedeckel (4, 31, 23) axial verschiebbar und verdrehfest, im Ruhezustand gegen eine Dichtfläche (28; 27) der Welle (1) gehalten, gelagert ist.
Gas-Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring in einer Nut oder Ausnehmung in einem Wellenbund der Welle axial verschiebbar, im Ruhezustand gegen eine Dichtfläche des Gehäuses oder des Gehäusedeckels gehalten, gelagert ist.
Gas-Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölabscheidekanal (11) als Ölabscheider für im eingesaugten Sperrgas befindliche Öltröpfchen oder Öldämpfe ausgebildet ist.
Gas-Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtring (16) in einer Nut (6) eines Gehäusedeckels (31) von einer Feder (29) unterstützt gegen eine Dichtfläche (28) eines Wellenbundes (3) einer Welle (1) gehalten ist und der Wellenbund (3) Gasnuten (14) aufweist, die über Verbindungskanäle mit dem abzudichtenden Innenraum (9) verbunden sind, die von Bohrungen (15) gebildet werden.
Gas-Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Gasnuten (14) versehener Dichtring (16) in einer Ringausnehmung (30) eines Gehäusedeckels (23) von einer elastischen Membran (22) unterstützt gegen eine Dichtfläche (27) eines Wellenbundes (19) der Welle (1) gehalten ist und die Gasnuten (14) bei einer Drehung der Welle (1) zeitweise über Verbindungskanäle mit dem abzudichtenden Innenraum (9) verbunden sind, die von Bohrungen (20; 21) gebildet werden.
Gas-Gleitringdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (5; 16; 17) aus Graphit, Kunststoff oder Metall gefertigt ist.
Gas-Gleitringdichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (15; 20) im Wellenbund (3; 19) radial nach außen verlaufend ausgeführt sind.
Gas-Gleitringdichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (15; 20) im Wellenbund (3; 19) eine Winkelkomponente in Umfangsrichtung aufweisen.
Gas-Gleitringdichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche 1, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenbund (3; 19) mit einer axialen Dichtfläche (27) oder einer konischen Dichtfläche (28) versehen ist.
Gas-Gleitringdichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (20; 21) zwischen Schwungradbefestigungsgewinden im Wellenbund (19) der Welle (1) angeordnet sind.
Gas-Gleitringdichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Membran (22) zwischen Gehäusedeckel (23) und einer Schutzabdeckung (24) angeordnet ist, an der sich eine Feder (25) abstützt, die den Dichtring (17) zusätzlich in axialer Richtung gegen die Dichtfläche (27) hält.