DE2333208A1 - Lippendichtung - Google Patents

Description

Dlpl.-Ing. Heinz Bardehl· Patentanwalt

Mflnchen 22, Herrn*. 15, Td. 29 25 59 Postanschrift MfiKfcea 21, Posttach 4 - 2333208

München, den 29· Juni 1973

Kein Zeichen:P1729

Anmelder : George Angus & Company Limited Angus House 1Ü2 - 158 Westgate Road

Newcastle upon ,Tyne England

Lippendi chtung

Die vorliegende Erfindung "bezieht sich auf '"ellendichtungen und insbesondere auf Lippendichtungen für "anlaufende Y/ellen, auch als öldichtungen bekannt, die im wesentlichen vorgeformte Ringe aus Gummi oder ähnlichen Elastomeren sind und die dazu benutzt werden, um Ringspalte rund um Wellen oder ähnliche Maschinenteile abzudichten, damit öl zurückgehalten und Schmutz und Staub ferngehalten werden»

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Derartige Dichtungen sind in dor Industrie v/oithin In Gebrauch, insbesondere» für Kraffcfahrzeugo, und nil 'iomoin f<norknnnto !''richraiiidrUako .".ollen In el χ η α or LJonehrolbun/¹; ihre Anv/o ndung findon.

Wir haben herausgefunden, dass die Wirksamkeit von Lippendichtungen für unilaufende fellen verbessert werden kann, wenn man sie an der Luftseite mit einer konkaven vorgeformten Oberfläche ausstattet, die so die Dichtkante unter einem relativ ,,rossen Y/ellenv/inkel schneidet und hiermit einen genau begrenzten,· scharfen Abstand zv/ischen vorgeformter Oberfläche und abgedichteter Oberfläche liefert.

In unserer Anmeldung Np. mit gleichem Datum haben v/ir ausführlich eine Ausführung einer Dichtung mit einer konkaven vorgeformten Oberfläche' beschrieben.

In der vorliegenden Anmeldung kombinieren wir mit dem neuen Merkmal einer konkaven vorgeformten Oberfläche ein %ktiv wirkendendes Merkmal, bei dem Grate an der konkaven, vorgeformten Oberfläche vorgesehen sind, die OeI, das an der Dichtung vorbeizusickern droht,zurückleiten sollen. ■'-·"■

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Aktiv wirkende Grate an kegel3tumpfförmigen vorgeformten Oberflächen von Lippendichtungen sind heutzutage selbstverstündlich \YOhlbekannt, die neue Kombination aber bietet nicht nur verbesserte Wirksamkeit durch -besseres Begrenzen der Berührdiehtung, sondern erleichtert auch die Herstellung von Formwerkzeug für das aktiv wirkende Merkmal.

Genauer gesagt, eine erfindungsgem"sse Lippendichtung für umlaufende Wellen, bestehend aus einem vorgeformten Ring aus elastomere·» Material mit einer Dichtlippe, die eine Dichtkante aufweist, die ihrerseits durch eine vorgeformte Oberfläche an der Luftseite der Dichtung bestimmt wird, vorgeformt mit aktiv wirkenden Graten, die eine gerade Anzahl von gewundenen ^lachen aufweisen, die sich von der Seite her die Dichtkante in auf dem Umfang gegenüberliegenden Richtungen unter einen kleinen Winkel schneiden, ist gekennzeichnet durch das Merkmal, dass die vorgeformte Oberfläche konkav ist, ura die -die Dichtkante unter einem scharf begrenzen Winkel zu treffen.

Der kleine Winkel, unter dem die gewundenen die Dichtkante treffen, ist vorzugsweise nicht grosser als 2o°, und insbesondere noch viel kleiner, nämlich

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weniger als Io und sogar 5 zur Ebene der* Dichtkante oder Dichtζone. Dor Ausdruck, "von der Seite her treffen" umfasst auch unterbrechen oder im wesentlichen treffen, wie z.B. sich tangential der Dichtkante nähern.

Der scharf begrenzte Winkel, unter dem die konkave vorgeformte Oberfläche die Dichtkantr. trifft, ist vorzugsweise ein Tangentenwinkel von zwischen 5c und 8o einschliesslich. Dies umfasst die optimalen Winkel für Dichtungen aus elastomerem Material, die einer,. Elastizitätsmodul von zwischen 3,5 und 8,5 7!iT/iri" aufweisen. Die Möglichkeit eines Winkels ausserhalb des" festgelegten Bereichs ist jedoch nicht ausgeschlossen, insoesondere eines kleineren Winkels für steiferes Material.

Andere. Merkmale der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung enthalten, unter Verwendung von Beispielen und unter Bezug auf die Zeichnung.

Um die Beschreibung zu vervollständigen, sind in Fig.l bis 4 der Zeichnung die wichtigen Bezeichnungen bei Dichtungen ebenso dargestellt wie der Gegenstand einer Dichtung mit konkaven vorgeformter Oberfläche, wie sie in unserer schon genannten Anmeldung Kr. beschrieben ist.

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Die vorliegende Erfindung ist durch Fig. 5 bis orl"uLcrt.

In dor Zeichnung ist:

FIg. 1 ein sinnbildlich dargestellter axialer Haiυschnitt einer typischen Lippendichtung für umlaufende V/o Ilen, \J.m dio wichtigen r>o/.eichnun;-;on y.n erläutern;

FIg.2 in übertpiebener Barstellung ein I/'ings schnitt durch eine Dichtungslippe, um den Verwerfungsfehler an der vorgeformten Oberfläche, der die scharfe Definition der Dlehtungsverschleisszone stört, au zeigen;

FIg.3 ein vergrösserter Längsschnitt einer DicL-tungslippe mit einem bogenförmigen lYellenv/inkel, um das Prinzip zu erläutern;

FIg.4 einLängsschnitt durch eine einfache Lippe einer Dichtung mit bogenförmigem Wellenwinkel, wie sie nach dem Vorformen und vor der Sndbearbeitung aussieht;

Fig.5 ein Anschnitt eines vergrösserten Lfingsschnitts einer Dichtung mit vorgeformter Kante, der Erfindung mit aktiv wirkenden Graten versehene

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Fig.6 ein Ausschnitt eines Längsschnitts in sinnbildlicher Darstellung vom Mittelstempel einer Formraatritze, und von dem Herstellungswerkzeug, das zum Formen der Dichtung nach Fig.5 dient;

Fig.7 und 8 je eine Darstellung entsprechend Fig.5 und 6, die eine alternative Ausgestaltung aktiv wirkender· Grate zeigen.

Eine Dichtung, wie 3ie in Fig.l geneigt ist, umfasst einen vorgeformten Gummiring 1, der durch eine Metalleinlage 2 so versteift" ist, dass er als ein Zwischenteil in einem Y/ellengelr-mse montiert werden kann, gegen das eine Gummiverkleidung 3 als statische Dichtung wirkt.

Um in UmiV.ngsrichtung rund um die Welle in einer Wischberührung abzudichten, hat die Dichtung eine flexible Lippe, die aus dem Kragen 4 und dem Kranz 5 oesteht, an dem eine Dichtungskante 6 durch den Schnitt von einer vorderen oder inneren kegelstumpfförmigen Oberfläche 7, die wegen ihrer Abweichung von der Formgebung durch Nachbearbeiten des vorgeformten Rings bearbeitete Oberfläche genannt wird, und einer hinteren oder Musseren kegelstumpfförmigen Oberfläche θ gebildet wird, die die vorgeformte Oberfläche genannt wird, da sie, in Gegen-

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not:', j-.ur, n.-'ChOearocitoton Cbcrf l^:'ohe 7, irrmor boim Vorforraen (ίοο Rings 1 gebildet wird. An dieser Stelle sollte erwähnt werden, dass die Oberfläche 7 nicht unbedingt durch Nachbearbeiten geformt sein muss, vielmehr auch vorgefornt sein kann, um dann zumindest teilweise eine sogenannte "Dichtung mit vorgeformter Kante" zu bilden. Der Y/inkel 9 ist der Bearbeitungswinkel und der Winkel Io der vorgeformte Winkel, auch als Wellenwinkel bekannt.

Im Betrieb ist die Oberfläche 7 gegen das abgedichtete Strömungsmedium gerichtet, die entsprechende Seite der Dichtung ist auch als Oelseite bekannt, und die Oberfläche 8 ist vom abgedichteten Strömungsmedium abgewandt, die entsprechende Rückseite der Dichtung -ist auch als Luftseite bekannt.

TJm die Dichtungskante elastisch gegen die Welle ansmsteilen, ist der Difchtungskranz von einer Bandfeder 11 umspannt, die in einer Nut 12 ruht, und der axiale Abstand zwischen der Mitte der Federnut und der Dichtkante ist als Viert R bekannt, der positiv ist, wenn wie im Beispiel dargestellt, die Federnut hinter der Dichtkante leigt, oder negativ, wenn die vor der Dichtkante liegt.

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Die Diehtkante 6 ist anfangs eine feine Kante, sei sie nun vorgeformt oder nachbearbeitet, aber im Betrieb buchtet sie die Kante ein und wird breiter um, wenn auch nur leicht, einen schmalen Z?/"linde mantel zu bilden, der als die Dichtungs-Verschleisszone bekannt ist, oder als Dicht- oderBerührungsband, das in übertriebenem Mas se in Fig.2 als zylindrische Zone 13 dargestellt ist, die nnstelle der Kante 6 erscheint.

Zwischen der Zone 13 und der Welle 14 besteht im Idealfall ein ständiger OeIfilm 15, der beibehalten werden sollte, um eine Leckage von der Oelseite 16 zu der Luftseite 17 der Dichtung im. .Ringsspalt rund um die Welle zu vorhindern.

In Abhängigkeit vom Unterschied der Innendurchmesser von Dichtung und Wellen, der EHrte deo truxmi und der Vorspannung der Bandfeder 11 besteht eine I-Teigung bei manchen bekannten Lippendichtungen dass sich die kegelstumpfförmige Oberfläche gegen die Welle hin auswölbt, wie bei 8a angezeigt ist, anstatt ihre vorgegebene Form beizubehalten, wie sie al3 gestrichelte Linie b angezeigt ist.

Wenn eine Verwerfung auftritt, dann besteht eine erhöhte Wahrscheinlichkeit der Leckage an der Dichtung, und/1 r.t möglich, dass dies aufgrund dos

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films 15 geschieht; dieser erweitert sich an der Rückseite in einem progressiv zunehmenden Keil, dessen Ergebnis axiale !Instabilität in der Beuge ist, als 18 angezeigt, die dann abbricht und Leckage verursacht.

Das Prinzip des Merkmal des bogenförmigen Vi winkels ist durGh Fig.3 dargestellt, die im Gegensatz zu Fig.2 eine konkave, vorgeformte Oberfläche 8 aufweist, sodass die vorgeformte Oberfläche 8 sogar bei Verschieben oder V_erformen des Dichtungskranzes iv,-.mer die Diclitungs-'^erechleiss;:one 13 scharf begrenzt und klar definiert a*a-frecht hält.

Hier nruss darauf hingewiesen werden, dass die vorstehenden Ausführungen bezüglich Fig.2 über einer möglichen Verwölbungseffekt an der kegelstumpfförr-igen vorgeformten Oberfläche 8 bei manchen bekannten Lippendichtungen nicht als bewiesene Theorie dargelegt werden, sondern vielmehr nur geboten werden, um zum Verständnis einer möglichen Verbesserung zu verhelfen, die durch die neue Eigenschaft der konkaven Ausgestaltung der vorgeformten Oberfläche ermöglicht wird.

3s ist jedoch Tatsache, dass eine zweckmHssige konkave Ausgestaltung der vorgeformten Oborflache schnrfe oder klar definierte ^erührungsstellen mit der »<elle sichert» und es ist zu beobachten, dass dieses die Zuverlässigkeit der Dichtung steigert*

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Diese3.be Eigenschaft einer konkaven Ausgestaltung der vorgeformten Oberfläche ermöglicht es, dass dor Kmgen 4 vind der Richtkranz 5 so ausgestaltet werden, dn.n.T sich die wippe um den Schnittpunkt von Kran» und l'iadiaJv/ancJ. des vorgeformten ^inga 1 biegen kann, or!or um einen dement sprechenden ^iogcpunkt im E'alle einer Verbund-Lippendichtung, bei der die Lippe am Radialflansch eines Metallgehäuses angebracht ist.

Eine derartige Biegung der Lippe um einen »V ein Axialschnitt betrachtet, gestaltet eine grössere -"-npansungsf "higkoit .der Dicht kante, die sich gloichin-r.rjif-, r,uz do line η kann,'um sich einer· -^eihe von V/ellendurchniossern anzupassen, wenngleich auch verschiedene -^andfedern gefordert sein mögen, um den verschiedenen \7ellendurchmessern zu entsprechen.

TJeberdies verbessert die grössere Nachgiebigkeit der· Lippe die Anpassung an Ungenauigkeiten der Oberfläche, und Schwingungen der ^Y'^:elle, wenn die Dichtung zu einer Welle läuft.

Es ist möglich, dass eine gewisse Verbesserung θ--zielt wird, wenn man jeder Wellen-Lippendichtung eine

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konkave vorgeformte Oberfläche anpasst, die die Dichtkante, gegebenenfr.lls eine Dichtungs-Verschleiss-

es.

zone, trifft, aber-ist nicht wahrscheinlich, dass dies bedeutsam ist für Dichtungen, die aus hart era Material bestehen müssen, z.-3. mehr als 9o° I.R.H. (International Rubber Hardness).

In derbevorzugten Ausgestaltunshat die Dichtung eine Lippe aus elastomerem Material mit einem Elastizitätsmodul von zwischen 5,5 und 8,5 Ι,ΐκ/m . Beispiele geeigneter Materialien sind b'lbe st findige künstliche Gummisorten so wie nitrile Gummis oder silikongummis mit einer Härte im Bereich von 55 bis 90° I.R.H.

Ein Beispiel der Gestalt der Lippe einer dichtung gem'iss der Erfindung ist in Fig.4 dargestellt; es ist eine Lippe gezeigt, vorgeformt, doch vor der Endbearbeitung längs der Linien 7a oder 7b beispielsweise, um sowohl die bearbeitete Oberfläche im gewünschten Winkel als auch die ^ichtkante 6 zum geforderten Nenndurchmesser zu bilden.

Die axiale Abmessung L,- die sich von der Dichtkante bis zum Schnittpunkt zwischen Kragen 4 und Radialwand,

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oder einem entsprechenden 'j-'eil des vorgeforrnten i^in;;r; ersteckt, ist bekannt als Lippenhöhe, und von dieser kann die ungefähre Krümmung für den konkaven Verlauf der vorgeformten fläche 8 bestimmt werden, um 30 einen geforderten ^angentenwinkel ψ zu ergeben.

Für einen kreisrunden konkaven Verlauf ergiot sich" der iLadius C geraMss

C = L
sin

Der konkave Verlauf muss nicht unbedingt kreisförmig sein, wenngleich, dies w 0 hr se heimlich die bequemste Ausgestaltung zur Herstellung von ■bOrr.T.Ye ist; eine entsprechende Parabel oder andere Kurve zweiter Ordnung kann benutzt werden, insbesondere wenn es gewünscht ist, eine vorgegebene Abstufung .in der Dicke, und somit der Flexibilität des Kragens zu erhalten.

Die vorgeformte Fl/jche 8 muss nicht gänzlich fconkav sein; sie könnte vielmehr einen konkaven Teil aufweisen, der die Dichtkante schneidet und innerhalb der Lippenhöhe L in eine gerade Kegelstumpffl"che übergeht.

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Zwei Beispiele sdbh einer aktiv wirkenden Dichtung sind in I7ebereinsti;r.mung mit der vorliegenden Erfindung in Pig.5 und 7 dargestellt;.

Fig.5 zeigt die konkave vorgeformte Oberfläche 8, geformt mit Graten 19, die, von der Achse der Dichtung her gesehen, die Gestalt sehr stumpfwinkligen, gleichschenkligen Dreiecke haben, die mit ihren Spitzen die Dichtungskante 6 treffen, und mit ihren Basisspitzen in die Oberfläche 8 übergehen.

Inihrem Querschnitt sind die Grate 19 dreieckig, und jeder weist ein paar von Flankenflächen 22 auf, die die aktiv wirkenden gevrundenen Fl.Hchen (vane surfaces) vorsehen, die von der Seite her die Dichtkante treffen.

Die Flankenflächen 22 sind sehr schwach axial schräg zur Dichtungsacnse hin vorgeformt so dass sie im Tie s ent liehen parallel dazu werden, wenn sich die Dichtlippe an der Welle anschmiegt.

Die Dichtung nach Fig,5 hat eine vorgeformte Dichtkante 6 und eine vorgeformte Vorderfläche 7, die, wie im Beispiel dargestellt eino Schulter 23 aufweist, die möglicherweise abgekantet wird. Die Dichtung ist rittels

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des Mitte Is ter:ipel3 24 einer Formmatritse- geformt, wie in Pig, 5 gezeigt; die Flachen M7, M8 und M23 am Mittlestempel erzeugen die entsprechenden DiihtungsflKchen 7,8 und. 23.

Die Grate 19 sind mittels der Hut en M19 geformt, die maschinell dem Mittelstempel auf einer Drehbank d.urch Einstechen und radiale Vor- und Rückbewegung eines Schneidwerkzeugs, wie sie etwa durch Nockensteuerung synchron erfolgen könnte, eingebracht sind. Die Spitze des Schneidwerkzeuges weist das Profil der geforderten Grate 19 auf.

Es ist wohl verständlich, dass dio tatsächliche Gestalt der Nuten ί.ί19 und hierdurch der Grate 19 von den Relativgeschvv'indi gkeit en zwischen Ivlittelsetempel 24 und der Vor- und Rückbewegung des V/erkzeugs 25. abhängt ,wobei die Frontkanten 26 an den Graten 29 nicht so sehr geradlinig zusammenlaufen wie in der Zeichnung dargestellt, als vielmehr in Sinusform und tangential zur Dichttante 6 verlaufen.

Die Abmessungen der Gr_atel9 sind in Wirklichkeit klein, z.B. die fortschreitende Höhe ihrer Oberflächen 8

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"beträgt etwa ο,ο bis ο,3 mm. und ihr Winkel X, s dem sie sich der Dichtkante 6 nähern, ist klein, z.B. ein Annlihcrungs-iiVinkel von 5 , bezogen auf eine gerade Linie.

Fig. 7 und 8 entsprechen 5¹Ig. 5 und 6, wobei die selben Bezugszeichen für einander entsprechende Teile verwendet sind, doch sie zeigen karoförmige oder rhombische Grate 19, die mittels Nuten M19 geformt sind, die ihrerseiis durch ein Werkzeug 25 mit einem entsprechenden Spitzenprofil erzeugt sind. Die rhombischen Gr_ate zeigen je einen Eckpunkt 2o, der die Dichtkante 6 trifft, und L"ngsenden 21, die in die konkave vorgeformte Oberfläche 8 übergehen, genauso wie die dreieckigen Grate, aber die können seitlicher Verformung höheren Widerstand entgegenbringen als dreieckige Gr π te, und sie benötigen ebenfalls nur flache Kuten im liittelstempel, was das Entnehmen von der Fertigungsform erleichtert.

Obwohl der Beschreibung nach die Erfindung an einer Innendichtung Anwendung findet, wogegen eine fellen— oberfläche gedichtet wird, kann sie selbstverständlich auch an einer Aussendichtung angewandt werden, wogegen die Oberfläche eines umlaufenden Gehäuses abgedichtet wird.

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Claims (6)

1. 7333208

   Ansprüche

   Lippendichtung für umlaufende Wellen, bestehend
   aus einem vorgeformten Ring aus elastomerem Material
   mit einer Dichtlippe, die eine Dichtkante aufweist, die ihrerseits durch eine vorgeformte Oberfläche an der
   Luftseite der dichtung bestimmt wird, vorgeformt mit
   aktiv wirkenden Graten, die eine gerade Anzahl von
   gewundenen Oberflächen pjufweisen, die von der Öoite her die Dichtkante in auf dem Umfang gegenüberliegenden
   Richtungen unter einem kleinen Winkel treffen, dadurch gekennzeichnet,dess die vorgeformte Oberfläche 8
   konkav ist, so dass sie die Dichtkante 6 unter einem schar: abgegrenzten Winkel 0 trifft.
2. 2. Lippendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gewundenen Flächen 22 der aktiv wirkenden Grate 19 die Dichtkante unter einem Winkel von nicht mehr als lo° treffen.
3. 3. Lippendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet _m dass die konkave vorgeformte Oberfläche 8 die Dichtkante

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   5o

   6 unter einem. Tangentenwinkel 0 von zwischen 5o und 8o° einschilessIich trifft.
4. 4. Lippendichtung· nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dns elastomere Katerial einen Slastizitäts—

   ι 2

   modul (Youngs modulus) von zwischen 5,5 und 8,5 ΜΪΤ/m aufweist.
5. 5. Lippendichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiv wirkenden Grate, von der Achse der dichtung her gesehen, die Gestalt eines stumpfv/inkligen, gleichschenkligen Dreiecks (Fig.5) aufweisen, deren Scheitel ^2o) die Dichtkante (21) trifft, und deren Seitenenden (21) in die konkave vorgeformte Oberfläche 8 übergehen. ·
6. 6. Lippendic^vtung nach einem der -Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet dass die aktiv wirkenden Grate, von der Achse der Dichtung her geaßhen, je die Gestalt einer Raute (Pig.V) aufweisen, deren einer Eckpunkt (2o) die Dichtkante 6 trifft, und deren Längsenden (21) in die konkave vorgeformte Oberfläche 8 übergehen.

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