DE2949839C2

DE2949839C2 - Dichtring

Info

Publication number: DE2949839C2
Application number: DE2949839A
Authority: DE
Inventors: Ernst Moritz von Dipl.-Chem. Dr. 6940 Weinheim Arndt; Helmut Dipl.-Ing. Hölzer
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 1979-12-12
Filing date: 1979-12-12
Publication date: 1983-05-26
Also published as: BR8007807A; US4334687A; GB2065797A; AT382446B; GB2065797B; SE8007344L; JPS5697665A; JPS6123426B2; SE439672B; ES265070Y; FR2471531A1; FR2471531B1; IT8050200A0; DE2949839A1; ATA602880A; ES265070U; IT1146222B; MX151375A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Dichtring für den Spalt zwischen einer Bohrung und einer darin geführten Welle, bestehend aus einem die Welle umgebenden Andrückkörper mit elastischen Eigenschaften und einer damit verbundenen dünnen Schicht aus Polytetrafluoräihylen, die zwischen dem Andrüekkörper und der Welle angeordne' ist und die sich in radialer Richtung erstreckende Einschnitte aufweist.

Ein solcher Dichtring ist aus CH-PS 5 78 137 bekannt. Die Schicht aus PTFE wird hierbei durch ein Formteil tv. gebildet, welches an seinem freien Innenrand Ausnehmungen aufweist. Diese werden von dem Material des Andriickkörpers soweit ausgefüllt, daß sich eine bündige Oberfläche ergibt. Die Ausnehmungen müssen infolgedessen die Schicht aus PTFE von vornherein ganz durchdringen, und dieses muß in sich so stabil ausgebildet sein, daß während der gemeinsamen Verpressung beider Teile eine geometrische Verlagerung oder Verschiebung einzelner Bestandteile nicht eintritt Die Verwendung dünner Folien ist nicht möglich, und Dichtringe der gezeigten Art haben aus diesem Grunde stets eine außerordentlich inflexible Dichtlippe, die Wellenschwingungen nur in unzureichendem Maße zu folgen vermag. Unbefriedigende Lauf- und Abdichtungseigenschaften beim Auftreten von Wellenschwingiingen sind hiervon die Folge. Die Herstellung einer entsprechenden Dichtung setzt außerdem die Verwendung komplizierter Werkzeuge voraus.

Durch die deutschen Offenlegungsschriften 20 13 712 und 2101658 sind Wellendichtringe mit in den Andrückring unmittelbar eingeprägten Rückförderelementen bekanntgeworden. Der Andrückring besteht aus Gummi oder ähnlichen elastisch nachgiebigen Materialien., was einen hohen Reibungskoeffizienten und damit hohe Leistungsverluste zur Folge hat

AT-PS 3 28 815 nimmt Bezug auf einen Wellendichtring, der im Bereich der Dichtlippe eine durchgehende Beschichtung aus PTFE aufweist Dieser hat nur eine geringe Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Belastungen und es muß zusätzlich eine Beeinträchtigung der Flexibilität der Dichtlippe in Kauf genommen werden.

Durch US-PS 28 04 325 ist ein Wellendichtring bekanntgeworden, bei dem ein vorgeformter PTFE-Ring durch einen lose aufliegenden Andrückring elastisch gegen die abgedichtete Welle gepreßt wird.

Der PTFE-Ring hat auch in diesem Falle nur eine geringe mechanische Widerstandsfähigkeit, wodurch das erzielte Abdichtungsergebnis beeinträchtigt werden kann.

Eine ähnliche Dichtung ist aus Chemie-Ingenieur-Technik, 27. Jahrgang 1955, Seite 28^;, bekannt. Sie weist den Aufbau einer Stopfbuchsenpackung für eine Kreisel- oder Plungerpumpe auf. Dementsprechend sind mehrere Andrückkörper axial hintereinander angeordnet, wobei als Zwischenlage jeweils der sich in radialer Richtung erstreckende Vorsprung eine Hutmanschette mit winkelförmigem Profil aus PTFE dient, deren sich in axialer Richtung erstreckender, umlaufender Vorsprung zwischen dem Andrückkörper und der abgedichteten Welle liegt. Bekanntermaßen weist der verwendete Werkstoff der Hutmanschette nur eine sehr geringe mechanische Widerstandsfähigkeit auf, und es ist deshalb notwendig, eine Welle mit einer hochgradigen Oberflächengüte zu verwenden. Diese Forderung ist wegen der hohen Herstellkosten und wegen der im laufenden Betrieb nicht zu vermeidenden korrosiven und abrasiven Wirkungen in vielen Fällen nur sehr schwierig zu realisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dichtring der eingangs geschilderten Art derart weiter zu entwickeln, daß neben einer guten Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Belastungen hochwertige Lauf- und Abdichtungseigenschaften erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Dichtring der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Einschnitte und die Rotationsachse einen Winkel von 5 bis 85° einschließen und daß sie die Schicht soweit durchtrennen, daß diese bei der montagebedingten Aufweitung in einen Abstand von-

einander aufweisende Teitschictuen zerfällt

Die mit der Innenseite des Andrückkörpers unlösbar verbundene Schicht aus Polytetrafluorethylen hat nur eine sehr geringe Dicke von vorzugsweise 0,2 bis 0,3 mm, und der Andrückkörper ist unter Anwendung bekannter Methoden unmittelbar an die Schicht anvulkanisiert oder darauf aufgeklebt. Bei der letztgenannten Methode muß unbedingt darauf geachtet werden, daß sich durch die Anwendung des Klebstoffes die elastischen Eigenschaften des Andrückkörpers nicht verändern. Als Klebstoffe kommen infolgedessen nur solche Verbindungen in Frage, die in vernetztem Zustand weichelastische Eigenschaften haben.

Die Schicht ist durch die sich in radialer Richtung von innen nach außen erstreckenden Einschnitte nahezu durchtrennt, wodurch die einander gegenüberliegenden Begrenzungsflächen der Teilschichten beiderseits eines Einschnittes zueinander eine absolut parallele Lage haben. Der Andrückkörper ist unlösbar mit der Rückseite der Schicht verbunden, und die endgültige :n Durchtrennung der Stege am Fußpunkt der Einschnitte ergibt sich im Zuge der elastischen Aufweitung des Dichtringes bei der Montage. Es wird gleichzeitig bewirkt, daß der Werkstoff des Andrückkcrpers im Bereich der Schlitze freigelegt und wegen der nur sehr ;■-, geringen Dicke der Schicht auf der Oberfläche der abgedichteten Welle zum Anliegen kommt. Die guten Gleiteigenschaften der Schicht aus Polytetrafluorethylen werden dadurch überlagert von der besseren Abriebbeständigkeit des Andrückkörpers und es wer- »1 den dadurch neben guten Dichtungseigenschaften ausgezeichnete Laufeigenschaften erhalten. Der Andrückkörper und die durch die Einschnitte erzeugten Begrenzungsflächen der Teilschichten umschließen in Richtung der abgedichteten Welle offene Nuten, die der r, Rotationsachse schräg zugeordnet sind und die bei sich drehender Welle einer Rückförderung des abgedichtsten Mediums in den abgedichteten Raum bewirken.

Es wurde gefunden, daß sich eine besonders günstige Breite der durch die Einschnitte gebildeten Nulen erhalten läßt, wenn bei Verwendung eines Andrückkörpers aus einem gummielastischen Werkstoff das Verhältnis aus dem Innendurchmesser der Schicht and dem Außendurchmesser der abgedichteten Weile 0,85 bis 0,95 beträgt. Dabei ist es vorgesehen, daß bevorzugt -n mehrere Einschnitte in gleichmäßigen Abständen auf dem Außenumfang der Welle verteilt sind, beispielweise in solchen Abständen, daß das Verhältnis aus der Breite der Teilschichten in Umfangsrichtung und der Breite der Nuten in montiertem Zustand maximal 15 beträgt.

Die Einschnitte dürfen sich nicht senkrecht zur Rotationsachse der Welle erstrecken, weil sich bei einer entsprechenden Anordnung keine Aufweitung in Querrichtung erzielen läßt. Es wurde gefunden, daß der maximale Winkel bei einer entsprechenden Zuordnung nicht über 85° hinausgehen darf. Andererseits hat sich die Anwendung von Winkeln von weniger als 5° als problematisch erwiesen, weil bei derart kleinen Winkeln die Abdichtung einer sich drehenden Welle wesentlich von durch die Größe des Winkels verursachten Dralleffekten beeinflußt wird. Die Festlegung bei derart kleinen Winkeln muß deshalb im einzelnen geprüft werden, wobei es jedoch in allen Fällen notwendig ist, die generelle Lage so zu wählen, daß eine Förderwir- (>·> kung in Richtung des abgedichteten Raumes erhalten wird.

Die Einschnitte köntr.n der Drehachse in allen Teilbereichen unten dem gleichen Winkel zugeordnet sein, d, h„ sie können gerade ausgeführt sein. Ebenso ist es möglich, den Einschnitten einen kurvenartigen Verlauf zu verleihen, woraus sich in den verschiedenen Teilbereichen eine unterschiedliche Winkelzuordnung zu der Drehachse ergibt. Die letztgenannte Ausführungsform hat insbesondere Bedeutung für Weüendichtringe mit einer scharfkantig ausgebildeten Dichtlippe, von der ausgehend die Innenwandung der PTFE-Schicht kegelig auf einen größeren Durchmesser erweitert ist Mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche der abgedichteten Welle ergeben sich daraus unterschiedliche Fördereffekte, denen durch einen entsprechend kurvenartigen Verlauf der Einschnitte in günstiger Weise Rechnung getragen werden kann.

Der Serie der auf dem Umfang verteilten Einschnitte mit untereinander parallelem Verlaus/ kann eine zweite Serie in spiegelbildlicher Anordnung zugeordnet werden. Dabe: ist es auch möglich, die Einschnitte so anzubringen, daß sie sich gegense'.^g überschneiden. Eine entsprechende Ausführung bewiiki einen dynamischen Abdichtungseffekt in bezug auf Wellen, die abwechselnd rechts- oder linksdrehen. In allen Fällen ist es bevorzugt, daß der Durchschnitt aller Winkel, in dem die Teilbereiche eines jeden Einschnittes der Drehachse zugeordnet sind, zwischen 10 und 30° liegt

Der Dichtring kann als Spaltdichtung ausgeführt sein, bei der die Innenseite der Schicht aus Polytetrafluorethylen parallel auf der Oberfläche der abgtdichteten Welle aufliegt. Ebensogut ist es möglich, die Dichtung als Lippendichtung auszuführen, beispielsweise dadurch, daß die den Andrlickkörper in axialer Richtung begrenzenden Stirnflächen ein- oder beidseitig unter Ausbildung einer umlaufenden Dichtlippe am Innenumfang kegelig abgeschrägt sind; und daß der in einem axialen Abstand dahinterliegende Bereich durch ein Versteifungselement auf einen Durchmesser aufgeweitet ist, der größer ist als der Wellendurchmssser. Dabei hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn das Versteifungselement ein Ring mit einem in Richtung des abgedichteten Mediums geöffneten, U-förmigen Profil ist, und wenn das Andrückelement an dem innenliegenden Schenkel befestigt ist.

Der Abdichtungseffekt wird bei einem Dichtring dieser Ausführungsform durch Dichtlippen bewirkt, die entlang eines umlaufenden Linienzuges äußerst geringer Breite auf der Oberfläche der abgedichteten Welle aufliegen. Die entstehende Reibungswärme läßt sich aus dieser schmalen Zone durch die von der sich drehenden Welle bewirkte Umwälzung des Schmiermittels und der Außenluft in einem ausreichenden Maße abführen, so daß nachteilige Veränderungen der mechanischen Eigenschaften des Andrückkörpers auch nach längerer Betriebsdauer weitgehend vermieden werden. Insbesondere in bezug avf die Ausbildung von Staublippen, die regulär nicht von dem eigentlichen Schmiermittel benetzt sind, ist dieses Merkmal in bezug auf die zu erwartende Lebensdauer von ganz besonders großer Bedeutung.

Das Dich'.element, bestehend aus dem Andrückkörper und der innenseitigen Beschichtung aus einer Schicht aus Polytetrafluorethylen kann bei Lippendichtungen ebenso wie bei den zunächst beschriebenen Spaltdichtungen herstellungsmäßig die Form eines Hohlzylinders erhalteil. Das einzige Unterschcidungsmerkmel besteht darin, daß bei einer Spaltdichtung die durch den Einbau bedinete elastische Aufweitunp auf

der gesamten axialen Länge in völlig gleichartigem Maße vorgenommen wird, wodurch die gesamte Innenfläche des Dichtelementes mit einer ausgeglichenen Kraft an der Oberfläche der abgedichteten Welle anliegt.

Zur Ausbildung einer Lippendichtung wird hingegen, bezogen auf die axiale Länge des Dichtelementes, in den verschiedenen Bereichen eine unterschiedlich starke Aufweitung vorgenommen, derart, daß das stirnseitige Ende auf einer oder auf beiden Seiten entsprechend dem Durchmesser der Welle aufgeweitet wird, während der in einem Abstand dahinterliegende Bereich in einem größeren Maße aufgeweitet wird. Durch diese unterschiedliche Aufweitung legt sich die stirnseitige Innenkante des Dichtelementes unter einem Winkel an die Oberfläche der abgedichteten Welle an, wodurch eine Dichtlippe gebildet wird. Je nach Anschrägung der zugehörigen Stirnfläche und dem relativen Überschuß der Aufweitung des in einem Abstand hinter der Dichtlippe liegenden Bereiches bezogen auf die Aufweitung der Dichtlippe selbst, ergeben sich bestimmte Kegelwinkel zwischen den die Dichtlippe begrenzenden Flankenflächen und der Oberfläche der abgedichteten Welle. Diese Winkel lassen sich ohne Schwierigkeiten auf eine optimale Abdichtung bewirkende Werte in bezug auf das abgedichtete Medium einstellen.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird durch die Zeichnung nachfolgend erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Spaltdichtung in teilgeschnittener, perspektivischer Darstellung vor dem Einbau,

Fig. 2 die Spaltdichtung gemäß Fig. 1 in der speziellen Zuordnung zu der zugehörigen Welle nach dem Einbau,

Fig.3 einen Lippendichtring in der speziellen Zuordnung zu der abgedichteten Welle nach dem Einbau,

Fig. 4 einen Lippendichtring entsprechend Fig. 3 mit zwei in einem axialen Abstand voneinander angeordneten Dichtlippen.

Die Spaltdichtung gemäß F i g. I besteht aus einem Andrückkörper 1 aus einem weichelastischen Werkstoff, beispielsweise aus einem Acrylnitrilbutadien-Kautschuk mit einer Shore Härte 75° Shore A. Die Innenseite des Andrückkörpers ist mit einer gleichmä- * Big dicken Schicht 2 aus Polytetrafluoräthylen unlösbar verbunden, die eine Dicke von 0.25 mm aufweist. Die Schicht weist zahlreiche sich in radialer Richtung von innen nach außen erstreckende Einschnitte auf, die sie soweit durchtrennen, daß sich bei der montagebeding- ten Auiweitung ein Zerfallen in eine entsprechende /»nzahl von Teilschichten relativ geringer Breite ergibt. Die Einschnitte sind der Rotationsachse unter einem Winkel von 28° zugeordnet

Mit dem Andrückkörper 1 ist ein flanschähnlich 5 ausgebildeter Vorsprung 4 durch ein membranähnlich ausgebildetes Obergangsstück verbunden. Der Vorsprung dient zur flüssigkeitsdichten Verankerung des Dichtringes an der aufnehmenden Gehäusebohrung. Durch das membranähnlich ausgebildete Übergangs- b stück soll erreicht werden, daß das aus dem Andrückkörper 1 und der Schicht 2 bestehende Dichtelement den Bewegungen der abgedichteten Welle besonders leichtgängig zu folgen vermag.

Der Dichtring gemäß Fig. 1 ist in der Fig.2 in _Ο eingebauter Form wiedergegeben. Durch das Aufschieben des Dichtelementes auf die abgedichtete Welle ergibt sich eine elastische Aufweitung, wodurch die im Bereich der Einschnitte einander gegenüberliegenden Begrenzungskanten der Teilschichten einen Abstand voneinander einnehmen. Dieser Abstand bewirkt die Ausbildung durchgehender Nuten oder Kanäle, in denen sich der elastische Werkstoff des Andrückkörpers 3 an die Oberfläche der abgedichteten Welle anlegt. Ein bestimmter Punkt auf der Oberfläche der abgedichteten Welle überschreitet dadurch bei einer Drehung nacheinander aus dem PTFE der Schicht 2 bestehende erste Bereiche und aus dem elastomeren Werkstoff des Andrückelementcs bestehende zweite Bereiche. Es ergeben sich dadurch Gesamteigenschaften des Dichtelementes, die sowohl hinsichtlich der Abriebbeständigkeit als auch hinsichtlich der Gleiteigenschaften unter ungünstigen Bedingungen ausgezeichnete Werte haben. Die in Richtung der abzudichtenden Welle offenen Nuten bewirken außerdem bei sich drehender Welle eine Rückforderung des abgedichteten Mediums in den abgedichteten Raum. In Fig. 3 ist eine Lippendichtung wiedergegeben. Auch hierbei wurde das Dichtelement, bestehend aus dem Andrückkörper I und der innenseitigen Folienbeschichtung 2 mit den darin angeordneten Einschnitten zunächst in zylindrischer Form hergestellt, woran anschließend jedoch im Bereich der beiden axialen Enden eine unterschiedliche elastische Aufweitung vorgenommen worden ist.

Das P'chtelement liegt im Bereich der Dichtlippe 11 auf der Oberfläche der abgedichteten Welle 6 auf. und die die Schicht in von einander unabhängige Teilschichten auflösende Aufweitung entspricht hier der aus dem jeweiligen Durchmesser der abgedichteten Welle resultierenden Verformung. Auf dem gegenüberliegenden stirnseitigen Ende wird die Aufweitung durch die relative Zuordnung zu einem ringförmig ausgebildeten Versteifungselement 10 bestimmt. Dieses weist auf der Innenseite einen in axialer Richtung vorspringenden Wulst 9 auf. der in einer umlaufenden Nut mit angepaßtem Profil des Dichtelementes fest gelagert ist, beispielsweise durch beidseitige Verklebung oder Verschweißung. Der Winkel, den die Innenseite 8 mit der Oberfläche der abgedichteten Welle einnimmt, ergibt sich aus dem relativen Unterschied der elastischen Verformung im Bereich der Dichtlippe 11 und im Bereich des Wulstes 9 sowie aus dem gegenseitigen Abstand beider Bereiche. Ein üblicher Winkel in der Größenordnung von 7° läßt sich ohne weiteres erhalten.

Der Kegelwinkel, in dem die Stirnfläche 7 der Oberfläche der abgedichteten Welle zugeordnet ist, wird neben dem elastischen Verformungsgrad z'-«tzlich durch die vorausgegangene mechanische Bearbeitung der Stirnfläche bestimmt. Der Winkel läßt sich dadurch auf nahezu jeden gewünschten Wert einstellen. Üblich sind in bezug auf die Abdichtung von Flüssigkeiten Winkel in der Größenordnung von ca 30°. In F i g. 4 ist eine Ausführung alternativ zu der F i g. 3 wiedergegeben, mit den Unterscheidungsmerkmalen, daß das Dichtelernent ausschließlich in dem außerhalb des Wulstes 9 liegenden Bereich mit diesem verklebt ist und daß der radial innerhalb davon liegende Bereich des Dichtelementes zu einer zusätzlichen Dichtlippe 12 geformt ist Die Winkel, mit denen die Kegelflächen 13 und 14 auf der Oberfläche der abgedichteten Welle aufliegen, können entsprechend den vorstehenden Ausführungen in bezug auf die Flächen 7 und 8 in dem gewünschten Maße modifiziert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

i, Dichtring für den Spalt zwischen einer Bohrung und einer darin geführten Welle, bestehend aus einem die Welle umgebenden Andrückkörper mit elastischen Eigenschaften und einer damit verbundenen dünnen Schicht aus Polytetrafluoräthylen, die zwischen dem Andrückkörper und der Welle angeordnet ist und die sich in radialer Richtung erstreckende Einschnitte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnitte (3) und die Rotationsachse einen Winkel von 5 bis 85° einschließen und daß sie die Schicht (2) soweit durchtrennen, daß diese bei der montagebedingten Aufweitung in einen Abstand voneinander aufweisende Teilschichten zerfällt

Z Wellendichtring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht 0,2 bis 03 mm beträgt

3. Dichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet daß die Einschnitte (3) der Drehachse in allen Teilbereichen unter dem gleichen Winkel zugeordnet sind.

4. Wellendichtring nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnitte (3) bei untereinander gleicher Ausbildung einen kurvenartigen Verlauf haben.

5. Wellendichtring nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Einschnitte (3) gegenseitig überschneiden. jo

6. Wellendichtring nach Anspruch I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchschnitt aller Winkel, unter dem riie Teilbereiche ei es jeden Einschnittes (3) der Drehachse zugeordnet sind, zwischen 10 und 30° liegt. v,

7. Wellendichtring nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Andriickkörper (1) an einem Versteifungsring (10) befestigt ist, daß die ihn in axialer Richtung begrenzenden Stirnflächen (7) ein- oder beidseitig kegelig nach innen abgeschrägt <io sind, wodurch eine scharfkantige Dichtlippe (11) gebildet wird, und daß der in einem Abstand axial dahinterliegende Bereich durch den Versteifung»· ring auf einen Durchmesser aufgeweitet ist, der größer ist als der Wellendurchmesser.

8. Wellendichtring nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Versteifungsring (10) ein Ring mit einem in Richtung des abgedichteten Mediums geöffneten, U-förrnigen Profil ist, und daß der Andrückkörper (1) an dem innenliegenden Schenkel (9) des Versteifungsringes befestigt ist.