DE2557376A1

DE2557376A1 - Selbstzentrierende buchsen-anordnung

Info

Publication number: DE2557376A1
Application number: DE19752557376
Authority: DE
Inventors: Ian Cave
Original assignee: Warman International Ltd
Current assignee: Warman International Ltd
Priority date: 1974-12-24
Filing date: 1975-12-17
Publication date: 1976-07-08
Also published as: FI753614A; ES443821A1; NO754250L; BE836904A; AU8739075A; NL7514573A; SE7513547L; ZA757703B; FR2296124A1

Description

PFENNING - MAAS · SEiLER · MElNIG · LEMKE · SPOTT

PATENTANWÄLTE BERLIN · MÖNCHEN - AUGSBURG

0. Pfenning, Dipl-Ins.· Berlin

. Dr. I. Maas, Dlpl-Chem. · München

* Patentanwälte Pfenning · Maas · Salier · MeInIg · Lemke. Spott _{Hi Sel}|_eri oipi.-lng. · Beritn

K, H. Melnlg, DIpl.-Phys. · Beriln ü.M. Lemke, DfpL-inB. · Augsburs Dr, G, Spott Dlpl.-Chem, · Mflnchen

BORO BERLIN: D 1000 Berlin 19 Oldenburgailee 10

Telefon: 030/3045521/3045522

Telegrammadresse: Seilwehrpatent

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Pf/sch 17, Dezember 1975

WARMAN INTERNATIONAL LIMITED 4-8 Marden Street, ARTARMON, New South Wales 2064, Australien

Selbstzentrierende Buchsen-Anordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine selbstzentrierende Buchsen-Anordnung zur Begrenzung oder Unterbindung des Fließens einer Flüssigkeit zwischen Paaren von Maschinenelementen, die relativ zueinander Drehbewegungen ausführen.

Es ist allgemein bekannt, dort, wo eine Leakage zwischen solchen Maschinenteilen verhindert werden soll, an jedem Maschinenteil eine zylindrische Dichtungsfläche anzuordnen, wobei die Dichtungsflächen praktisch konzentrisch zueinander liegen und so angeordnet und ausgebildet sind, daß das Spiel zwischen ihnen so gering wie möglich ist«

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Weiter ist es bekannt, dort, wo Dichtungsflächen vorgesehen werden, Buchsen in einem oder in beiden Maschinenelementen anzuordnen derart, daß die Dichtungsfläche tatsächlich von einer Fläche der Buchse gebildet wird, die erneuert werden kann, wenn ein Ersatz der Dichtungsflächen für neue Bedingungen erforderlich ist« Diese Buchsen sind normalerweise nicht dazu vorgesehen, Lagerdrücke aufzunehmen« Eine Schmierung der Dichtungsflächen ist normalerweise nicht möglich, es sei denn, daß eine Schmierung durch die im Bereich der Dichtungsflächen der Maschine anwesende Flüssigkeit gegeben ist.

Solche Buchsen werden oft als Dichtungsringe angesehen. Derartige Ringe werden weitgehend in Zentrifugalpumpen verwendet, um eine Leckage zwischen den Flügeln und dem Pumpengehäuse und gegebenenfalls zwischen einer Stufe und einer anderen Stufe bei mehrstufigen Pumpen zu unterbinden .

Bei Stopfbuchsen, die mit einer Wasser-Gegenspülung ausgestattet sind, ist es allgemein üblich, in der Stopfbüchse selbst eine Zwischenbüchse anzuordnen zur Kontrolle der Leckage der Wasser-Gegenspülung,

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Die Wirkungsweise der bekannten Zwischenbuchsen-Anordnungen ist begrenzt wegen des Spieles, das zwischen den Dichtungsflächen aufgrund mechanischer Bedingungen zugelassen werden muß, oft weit größer ist als das zur Kontrolle der Leckage wünschenswerte Spiel,

Bei der bekannten Anordnung derartiger Zwischenbuchsen, sind die Zwischenbuchsen in den entsprechenden Maschinen? elementen befestigt. Die Buchsen sind üblicherweise durch Pressen oder durch schrumpfung in ihrer Lage gehalten und werden außerdem gesichert durch Keile oder Dübel, Um sicherzustellen, daß die Zwischenbuchsen nicht gegen die entsprechende Dichtfläche zur Anlage gelangen, wann die Maschine sich im Betrieb befindet, ist es erforderlich, daß das anfängliche Spiel zwischen den Flächen ausreichend ist, um die kumulative Auswirkung der Herstellungstoleranzeiji. sämtlicher Maschinenteile auszugleichen, die die Konzentrizität und die Ausrichtung der Dichtflächen beeinflussen; außerdem muß das anfängliche zwischen den Flächen vorgesehene Spiel ausreichen zur Aufnahme oder zum Ausgleich der Auswirkungen von Verlagerungen oder Veränderungen der Maschinenelemente, die eintreten können aufgrund von Betriebsbelastungen und/oder Temperaturänderungen.

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Wenn das anfängliche Spiel zwischen den einander entsprechenden Dichtungsflächen der befestigten Zwischenbuchsen oder zwischen der Dichtungsfläche einer Buchse und der entsprechenden Dichtungsfläche eines anderen Maschinenelementes nicht ausreichend ist, können schwerwiegende Beschädigungen der Maschine und/oder ihrer Antriebseinrichtung eintreten. Die Auswirkungen eines versehentlichen Kontaktes einer Dichtungsfläche mit der anderen können in gewissem Umfange dadurch gemindert werden, daß die Zwischenbuchsen aus Materialien hergestellt werden, die bei Kontakt der Dichtungsflächen miteinander verträglich sind. Bei starr befestigten Buchsen können jedoch die entstehenden Flächenbelastungen außerordentlich hoch werden, wenn ein unzureichendes anfängliches Spiel vorgesehen ist.

um sicherzustellen, daß die Dichtflächen starr befestigter Dichtungsringe nicht aufeinander zur Auflage kommen, ist es bei Pumpenausführungen üblich, ein anfängliches Ausgangs spiel zwischen den Dichtungsringen vorzusehen, das dem doppelten Betrag der möglichen Verlagerung oder Biegung der Welle entspricht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Buchsen-Anordnung zu schaffen, die die vorstehend erwähnten Nachteile ausschließt, und bei der eine maximale Unterbindung

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der Leckage zwischen die Dichtungsflächen hindurch gewährleistet ist, ohne daß übermäßig f*ine Herstellungstoleranzen für die Maschinenteile erforderlich sind zum Zwecke der Aufrechterhaltung der Ausrichtung der Dichtungsflächen, und ohne daß eine übermäßig schwere Konstruktion verwendet werden muß, um eine Verlagerung oder Durchbiegung zu verhindern. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Buchsen-Anordnung so auszubilden, daß der möglich bei Kontakt der Dichtungsflächen entstehende Lagerdruck auf einen geringen Wert begrenzt wird, so daß keinerlei Beschädigung eintreten und die sich ergeb ende Abnutzung der Dichtungsflächen vernachlässigbar klein ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemäße selbstzentrierende Zwischenbuchsen-Anordnung zur Beschränkung der Leckage zwischen Paaren von relativ zueinander drehbaren Maschinenelementen dadurch, daß sie besteht aus einer Zwischenbuchse und einem flexiblen die Zwischenbuchse aufnehmenden und gegenüber einem Maschinenteil dichtend abschließenden Tragkörper, daß die Zwischenbuchse eine mit einer entsprechenden Dichtungsfläche eines anderen Maschinen}· teiles übereinstimmende Dichtungsfläche besitzt, und daß der flexible Tragkörper derart angeordnet und ausgebildet ist, daß die Dichtfläche der Zwischenbuchse mit der entsprechenden Fläche des anderen Maschinenelementes ausgerichtet

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wird, wodurch die Flächenbelastung zwischen den beiden Dichtflächen begrenzt wird.

Bei einer Ausfuhrungsform der Erfindung bildet der flexible Tragkörper für die Zwischenbuchse eine solche Befestigung, daß ein flüssigkeitsdichter Abschluß zwischen der Zwischenbuchse und dem sie aufnehmenden Maschinenelement besteht, wobei die Zwischenbuchse an einer Drehung gegenüber dem sie aufnehmenden Maschinenelement gehindert ist.

Der flexible Tragkörper ermöglicht der Zwischenbuchse, ihre zylindrische Dichtungsfläche gegenüber der entsprechen· den Dichtungsfläche des anderen Maschinenelementes zu zentrieren ohne Rücksicht auf die Exzentrizität und/oder die mangelnde Ausrichtung, die sich aus Abweichungen bei der Herstellung und/oder aus Ablenkungen beim Betrieb ergeben.

Bei der Festlegung des Spieles zwischen der Zwischenbuchse und der ihr zugeordneten Dichtungsfläche kann keine Exzentrizität oder sonstige Abweichung auftreten, da die Buchse sich immer selbst zentriert gegenüber der zugeordneten Dichtungsfläche des anderen Maschinenelementes,

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Die Selbstzentrierung übt auf die Zwischenbuchse eine | Kraft aus durch die Dichtungsfläche des anderen Maschineiji elementes. Diese Kraft ist jedoch begrenzt auf diejenige Kraft, die erforderlich ist zur notwendigen Auslenkung des die Zwischenbuchse aufnehmenden flexiblen Tragkörpers, Der Tragkörper ist derart ausgebildet, daß die zu seiner Auslenkung erforderliche Kraft klein ist. Der sich ergebende, auf die Dichtungsfläche der Zwischen·]· buchse wirkende Flächendruck ist gering, und durch entsprechende Wahl der Materialien für die Dichtungsflächen ist die sich ergebende Flächenabnutzung minimal.

Es ist zweckmäßig, die Zwischenbuchse und die ihr zugeordnete Dichtungsfläche aus verträglichen Materialien zu machen, so daß bei relativer Bewegung der Dichtungsflächen zueinander bei einer leichten Flächenbelastung kein Schmiermittel erforderlich außer demjenigen, das durch die zwischen den Dichtungsflächen befindliche Flüssigkeit gegeben ist. Bei der Auswahl des Materials für die Zwischenbuchse ist zu berücksichtigen, daß das Material dem Druck der Flüssigkeit an der Dichtung ohne Deformierung zu widerstehen hat und unter Arbeitsbedingungen in der Lage sein muß, das vorbestimmte mittlere Spiel mit der Dichtungsfläche des anderen Maschinenelementes aufrechtzuerhalten,

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Die beiliegenden Zeichnungen zeigen beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung, und es bedeutet:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine selbstzentrierer de Zwischenbuchsen-Anordnung mit einer Dichtlippe;

Fig, 2 einen Schnitt durch eine selbstzentrierer de Zwischenbuchsen-Anordnung bei einer mit einer Wasser-Gegenspülung versehenen Stopfbuchse;

Fig. 3 eine selbstzentrierende Zwischenbuchsen-j Anordnung gemäß Fig, I bei ihrer Verwendung als Dichtungsring in einer Zentrifugalpumpe;

Fig. 4 Querschnitt gemäß Fig. 1 mit einem O-Ring als Tragkörper;

Fig« 5 Schnitt durch eine Zwischenbuchsen-Anordnung mit einem Balg als Tragkörper;

Fig« 6 Anordnung gemäß Fig, 1, bei der die

Dichtungsfläche der .Zwischenbuchse nach

außen konisch erweitert ist, « q _»

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Die Figur 1 zeigt die Maschinenelemente 2 und 6, die sich relativ gegeneinander bewegen; die Zwischenbuchsii 1 ist in dem Maschinenelement 2 montiert mittels eines flexiblen Tragkörpers 3. Der Tragkörper besteht aus einem geformten Ring aus Gummi oder Kunststoff. Die Buchse 1 besitzt eine Dichtungsfläche 4, die mit minimalem Spiel zu der Dichtungsfläche 5 des anderen Maschinenteiles 6 umläuft. Die Zwischenbuchsen-Anordnung 1, 3 dient hier dazu_r die Leckage der Flüssigkeit zwischen einer Zone mit hohem Druck und einer Zone 8 mit niedrigerem Druck zu begrenzen oder zu unterbinden.

Die Dichtung arbeitet auf folgende Weise. Der Druck in der Zone 7 drückt die Lippe 9 des flexiblen Tragkörpers 3 gegen das Maschinenelement 2, wodurch eine Leckage zwischen der Buchse 1 und dem Maschinenelement 2 verhinderet wird. Der flexible Tragkörper 3 wird außerdem an der mit lO bezeichneten Stelle komprimiert durch den auf die Buchse 1 und auf den flexiblen Tragkörper 3 aus der Zone 7 wirkenden Druck, Die Kompression des flexiblen Tragkörpers 3 durch den Druck aus der Zone 7 ist derart, daß die von ihm auf die Kontaktflächen des Maschinenelementes 2 und des Tragkörpers 3 ausgeübten resultierenden Kräfte ausreichen, die Buchse 1 an einer Drehung

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- 10 gegenüber dem Maschinenelement 2 zu hindern.

Wenn zu irgendeiner Zeit ein Fehler in der Ausrichtung zwischen den Maschinenelementen 2 und 6 besteht, so daß die Dichtungsfläche 4 der Buchse 1 mit der Dichtungsfläche 5 des Maschinenelementes 6 in Kontakt tritt, bewegt sich die Buchse 1 so, daß der flexible Tragkörper 3 nur in solchem Maße defomiert wird, wie es zur Ausrichtung der Dichtungsflächen 5 und 6 zueinander erforderlich ist; hierdurch wird eine Belastung der Dichtflächen 4 und 5 begrenzt auf diejenige Belastung, die zur Verformung des biegsamen Tragkörpers 3 erforderlich ist, so daß ein Flächendruck, wie er bei einem Lager gegeben ist, nicht auftreten kann.

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 besitzen die Buchse 21 und ihre flexible Fassung 22 die in Figur 1 gezeigte Form und sind in einer Stopfbuchse eines mit einer Wasser-Gegenspülung ausgestatteten Stopfbuchsengehäuses einer Zentrifugalpumpe angeordnet. Bei einem solchen Stopfbuchsengehäuse wird in die Stopfbuchse 23 Wasser über eine Leitung eingeführt, die an einen Gewindeanschluß 26 angeschlossen ist. Das Wasser wird in das Stopfbuchsen? gehäuse eingeführt mit einem Druck, der höher ist als der Flüssigkeitsdruck in der Pumpe am Punkt 28,

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Das Wasser wird um die Welle durch den Ring 27 verteilt. Eine Leckage des Spülwassers zur Atmosphäre wird unterbunden durch die Packungsringe 29 und den Andruckflansch 20,

Die Dichtungsfläche der Buchse 21 arbeitet mit der Oberfläche der Hülse 25 der Welle zusammen und beschränkt die Leckage des Spülwassers von dem Ring 27 in das Pumpeninnere, Ein Wasserfluß zwischen der Außenseite der Buchse 21 und der STopfbuchse 23 wird verhindert durch den flexiblen Tragkörper 22_f und eine Drehung der Buchse 21 wird unterbunden durch den Druck des flexiblen Tragkörpers 22 auf die Buchse 21 und die Stopfbuchse 23,

Die Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch als Dichtungsringe dienende twischenbuchsen-Anordnungen bei einer einstufigen Zentrifugalpumpe. Bei dieser Anordnung ist es erforderlich, eine Leckage von der unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit in der Zone 33 des Gehäuses 32 zu der Zone 34 niedrigen Druckes zu verhindern.

Bei dieser Ausführungsform ist die selbstzentrierende Zwischenbuchse 35 an dem Pumpengehäuse 32 mittels eines

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flexiblen Tragkörpers 36 montiert. Die Dichtfläche der Zwischenbuchse 35 arbeitet in Übereinstimmung mit dem Äußendurchmesser einer auf dem Flügel 31 fest angeordneten Buchse 38 zusammen und zentriert sich zu ihr.

Bei allen vorher beschriebenen Ausführungsformen ist der flexible Trag- oder Montagekörper als geformter, elastomerer Ring ausgebildet, der eine lippenförmige Dichtfläche trägt. Der flexible elastomere Körper kann mit der Zwischenbuchse verbunden sein oder einen getrennten Teil bilden, der dichtend an der Zwischenbuchse anliegt und sie allein durch Druck fixiert hält. Bei einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung können die Zwischenbuchse und der flexible Körper einen einzigen Formteil bilden, bei dem der die Dichtfläche bildende Teil in geeigneter Weise gehärtet und /oder verstärkt ist, so daß er hinsichtlich seiner Form stabil ist.

Weitere Ausführungsformen nach der Erfindung sind im Schnitt in den Figuren 4 und 5 gezeigt.

In Figur 4 bildet der starke O-Ring 44 den flexiblen Tragkörper, Die Zwischenbuchse 43 ist so ausgebildet, daß eine Leckage von der Zone 45 hohen Druckes zu der Zone 46

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niedrigeren Druckes beschränkt oder unterbunden wird. Der Q-Ring 44 bildet eine Dichtung zwischen der Zwischenbuchse 30 und dem Maschinenteil 41, wobei er ermöglicht, daß die Dichtungsfläche 47 der Zwischenbuchse 43 sich zur zylindrischen Dichtungsfläche 48 des Maschinenelementes 42 selbsttätig ausrichtet und zentriert.

Derartige selbstzentrierende Buchsen-Anordnungen können j vorgesehen sein, um entweder eine positive oder eine i negative Dichtungsfläche zu bilden, oder können paarweise

vorgesehen sein, wobei das eine Paar in dem anderen umläuft,; Es ist ohne Bedeutung, ob die Zwischenbuchsen-Anordnung an einem stationären oder einem sich drehenden Maschinenelement aufgenommen ist«

Die Figur 5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der der flexible Tragkörper als Balg 54 ausgebildet ist, der in Abhängigkeit von dem Druck, von der Temperatur und den Eigenschaften der zu handhabenden '■ Flüssigkeit aus Metall oder synthetischem Material bestehen ; kann, ι

In Figur 5 ist der Balg 54 bei 59 dichtend an dem Maschinen-t

element 51 und bei 50 an der Zwischenbuchse 53 befestigt, ;

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so daß die Dichtfläche 57 der Zwischenbuchse 53 sich i selbst zur Dichtfläche 58 des Maschinenelementes 52 · ausrichten kann. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungs- | form ist es möglich, die Leckage vom Punkt 55 zum Punkt 56 j oder vom Punkt 56 zum Punkt 55 zu beschränken oder zu unterbinden, wenn geeignete Befestigungsmittel bei 59 und 50 vorgesehen sind.

Die Figur 6 zeigt eine Abwandlung gegenüber der Figur 1, durch die eine Leckage zwischen den Zonen 65 und 66 beschränkt oder unterbunden wird. Die Zwischenbuchse 61

besitzt eine Dichtungsfläche 63, die derart ausgebildet , ist, daß das Spiel zwischen ihr und der entsprechenden

Dichtungsfläche 64 im Bereich 62 größer ist als das Spiel j zwischen den anschließenden Hauptteilen der Dichtungsflächen, wobei die Leckflüssigkeit in den Zwischenraum der Dichtungsjflachen bei 62 eintritt« Vom Punkt 62 an verringert sich \ das Spiel allmählich auf ungefähr einem Viertel der Länge I

I der Zwischenbuchse 61. Durch diese trichterförmige Aus- |

bildung der Dichtfläche 63 der Zwischenbuchse 61 wird die > Flüssigkeit in den ringförmigen Raum geführt und eine ! zusätzliche Zentrierwirkung durch den Flüssigkeitsdruck erzielt. Durch diese Wirkung entsteht auch eine zusätzlich Schmierung für die Zwischenbuchse 61, durch die ein

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- 15 Verschleiß der Dichtflächen 63 und 64 vermindert wird.

Bei den bekannten Anordnungen starr angeordneter Zwischenbuchsen ist es üblich, in ihren Dichtflächen Nuten vorzusehen, um den Widerstand gegen Leckage durch die Turbulenz der in diesen Nuten fließenden Flüssigkeit zu erhöhen. Bei der Erfindung ist es jedoch ohne Bedeutung, ob in den Dichtflächen der sich selbstzentrierenden Buchsen Nuten vorgesehen sind, oder ob die Dichtflächen glatt ausgebildet sind.

Die Wahl der Materialien für die selbstzentrierenden Zwischenbuchsen und die mit ihnen zusammenarbeitenden Dichtflächen hängt ab von den jeweils gegebenen Bedingungen Zwischenbuchsen aus verstärktem Phenolharz, aus Kohle oder aus keramischem Material sind für viele Anwendungszwecke geeignet. Mit ihnen zusammenarbeitende Dichtflächen aus gehärtetem rostfreiem Stahl, aus Stfcllit oder Wolfram-Karbid sind für die meisten Zwecke geeignet.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie umfaßt auch Abwandlungen, soweit sie im Rahmen der Erfindung liegen,

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Claims

- 16 ANSPRÜCHE

/1,1 Selbstzentrierende Buchsen-Anordnung zur Beschränkung oder Unterbindung von Leckage zwischen Paaren von relativ zueinander drehbaren Maschinenelementen, dadurch gekennzeichnet _f daß die Buchsen-Anordnung aus einer Zwischenbuchse und einem diese mit dem einen Maschinenelement dichtend verbindenden flexiblen Stützkörper besteht, daß die Zwischenbuchse eine einer Dichtfläche des anderen Maschinenelementes entsprechende Dichtfläche besitzt, und daß der flexible Stützkörper so angeordnet und ausgebildet ist, daß die Zwischenbuchse sich mit ihrer Dichtfläche zu der Dichtfläche des anderen Maschinenelementes unter Begrenzung der möglichen Flächenbelastungen ausrichtet,

2, Selbstzentrierende Buchsen-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Stützkörper aus einem einteiligen, elastomeren, die Zwischenbuchs mit dem einen Maschinenelement unter Verhinderung einer relativen Drehung gegenüber diesem verbindenden und zwischen beiden einen flüssigkeitsdichten Abschluß bildenden Element besteht,

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3. Selbstzentrierende Buchsen-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einteilige flexible Stützkörper aus einem, eine Dichtlippe aufweisenden geformten Ring aus elastomerem Material besteht.

4. Selbstzentrierende Buchsen-Anordnu^ng nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Stützkörper aus einem einteiligen elastomeren Element in Form eines O-Ringes besteht, der zwischen der Zwischenbuchse und dem einen Maschinenelement angeordnet ist.

5. Selbstzentrierende Buchsen-Anordnung nach Anspruch 1, J dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Stützkörper aus einem die Zwischenbuchse mit dem einen Maschinenelement dichtend verbindenden, eine relative Drehbewegung zu diesem verhindernden Balg besteht.

6. Selbstzentrierende Buchsen-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtfläche der Zwischenbuchse einen nach außen sich kegelförmige erweiternden Oberflächenabschnitt besitzt, der eine trichterförmige, die Flüssigkeit in den Abschnitt geringsten Spieles zwischen der Dichtungsfläche der Zwischenbuchse und der entsprechen

den Dichtungsfläche des anderen Maschinenelementes leitende Führungsfläche bildet.

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