DE3806931C2 - Drehdurchführung zur Übertragung von unter Druck stehenden Medien von einem stehenden in ein rotierendes Maschinenteil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehdurchführung zur Übertragung von unter Druck stehenden Medien von einem stehenden in ein rotierendes Maschinenteil wobei die Welle eine axiale und eine sich daran anschließende radiale Bohrung aufweist, die in einen Ringkanal eines mit Zuführbohrungen für das Medium versehenen Buchse mündet, wobei diese Buchse zwischen Gehäuse und Welle angeordnet ist und gegenüber dem Gehäuse mit elastischen Dichtungen abgedichtet ist, wobei die Buchse zwischen Gehäuse und Welle radial verschiebbar ist und der Spalt zwischen Gehäuse und Buchse durch die elastischen Dichtelemente überbrückt wird.

Bei den bisher bekannten Drehdurchführungen handelt es sich um sog. starre Systeme, d.h. um Systeme bei denen der Funktionsspalt zwischen dem stehenden und rotierenden Teil bezüglich Lage und Größe ausschließlich von der Fertigungsgenauigkeit abhängt. Es findet somit keine Anpassung an fertigungsbedingte und betriebsparameterbedingte Form- und Lageabweichungen der Funktionsspalte zwischen Gehäuse und Welle statt.

Um die hydraulischen Verluste bei den bekannten Systemen in akzeptablen Größen zu halten, sind in der Regel zwischen den gegeneinander bewegten Teilen Spalte in einer Größenordnung von 5 bis 10 µm notwendig. Diese Größenordnung liegt aber bereits unterhalb normaler Lagerspiele d.h., daß es ohne weiteres toleranz- oder thermischbedingt zu einer mechanischen Berührung und somit bei hohen Drehzahlen zu schnellem Verschleiß oder zum Fressen zwischen dem stehenden und dem rotierenden Bauteil kommen kann.

Diese Gefahr ist insbesondere dann gegeben, wenn z.B. ein schnelles Hochlaufen auf die Nenndrehzahl verlangt wird. In diesem Fall kann es infolge ungleichmäßiger thermischer Ausdehnung von Buchse und Welle in kürzester Zeit zum "Zuwachsen" der Funktionsspalte und damit zum Blockieren der Drehdurchführung kommen. Ein derartiger Ausfall des Gesamtsystems mit den dadurch entstandenen wirtschaftlichen Folgen birgt zudem noch eine erhebliche Unfallgefahr, da Schläuche, Verbindungsleitungen usw. abgerissen werden können. Aus Sicherheitsgründen ist man in vielen Fällen deshalb gezwungen die Spalthöhen so zu vergrößern, daß Fertigungstoleranzen und kurzzeitige thermische Effekte nicht zum Berühren der rotierenden mit den stehenden Bauteilen führen können. Die aus den großen Spalthöhen resultierenden hohen Leckagen - und damit hohen hydraulischen Verlusten sind aber andererseits unwirtschaftlich und führen zu einer erheblichen Kostenbelastung.

In der CH-PS 4 83 584 ist eine Drehdurchführung beschrieben, bei welcher eine Ausgleichseinrichtung vorgesehen ist, die die nach außen gerichteten radialen Kräfte ausgleichen soll, die während der Übertragung einer unter Druck stehenden Flüssigkeit auftreten. Verhindert werden sollen hierdurch vermehrte Leckagen, die sonst eine überhöhte Pumpenkapazität erfordern würden. Bei dieser bekannten Drehdurchführung ist es aber von Nachteil, daß das Durchführungssystem gleichzeitig als Lagerung für die Welle dient. Die Lagereinheit, z.B. bestehend aus Gehäuse und Buchse, muß deshalb in sich starr und ortsfest in bezug auf die Wellenachse sein. Die angestrebte Ausgleichseinrichtung ermöglicht somit lediglich ein ausweichen der Welle innerhalb der Dichtspalte. Es ist weiterhin bei diesem System von großem Nachteil, daß beim Auftreten fertigungs- oder funktionsbedingter größerer Verlagerungen der Welle die Gefahr besteht, daß dies zum Anlaufen und zur Beschädigung der Dicht- und Lagerspalte führen kann, ggf. sogar zum Festfressen.

Des weiteren offenbart die DE-PS 30 31 805 eine Drehdurchführung zur Übertragung von unter Druck stehenden Medien von einem stehenden in ein rotierendes Maschinenteil mit einer zwischen Gehäuse und Welle radial verschiebbaren Buchse (Hülse). Der Spalt zwischen Gehäuse und Buchse wird durch elastische Dichtelemente überbrückt. Durch diese Maßnahme soll eine sichere Überbrückung von Vibrationen zwischen den beweglichen Elementen als auch eine optimale Abdichtung der Medium-Überleitungsstellen gewährleistet werden. Nachteilig ist jedoch bei dieser Drehdurchführung, daß aus hydrostatischen Gründen zwischen der zylindr. Welle und der zylindr. Hülse keinerlei zentrierende Kräfte auftreten.

Dies bedeutet für die Drehdurchführung nach DE-PS 30 31 805, daß bei den ausgewiesenen engen Spalten, gepaart mit Form- und Lagerungsfehlern, ein mechanischer und somit Verschleiß verursachender Kontakt unvermeidbar ist. Dies insbesondere im Bereich der Relativbewegung zwischen der nach außen hin elastisch gelagerten Hülse und der rotierenden Welle.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Drehdurchführung mit Radialspalt so zu verbessern, daß diese bei allen Betriebsbedingungen d.h., bei hohen Drehzahlen und gleichzeitig hohen Drücken absolut betriebssicher arbeitet und zudem geringste Leckagen aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die elastischen Dichtelemente der zwischen Gehäuse und Welle befindlichen Buchse in an sich bekannter Weise in Abstand voneinander in Ringnuten der Buchse angeordnet sind, wobei der Abstand der Ringnuten zur zentralen ringförmigen Zuführungsnut sowie deren Breite und Tiefe so zueinander bemessen sind, daß sich unter dem Druck des zu übertragenen Mediums die Buchse derart verformt, daß seine Zylindermantelflächen, die die Gleitflächen der Buchse darstellen, so zu Kegelmantelflächen verformen, daß der große Durchmesser des so gebildeten Kegels zur Druckseite und der kleine Durchmesser des Kegels zur druckabgewandten Seite hinweist.

Durch diese einfachen Maßnahmen werden in vorteilhafter Weise die Forderungen bei Drehdurchführungen nach möglichst engen Dichtspalten und daraus resultierenden kleinen Leckagen sowie bei gleichzeitiger Sicherheit gegen Anlaufen und Festfressen erfüllt.

Die elastischen Dichtelemente sind in an sich bekannter Weise in Abstand voneinander angeordnet und die Buchse mit einer mittig angeordneten Ringnut für die Zuführung des Druckmediums versehen. Lage und Abmessung der zentralen Ringnut bzw. Zuführungsnut sind in vorteilhafter Weise so aufeinander abgestimmt, daß sich die im drucklosen Zustand zylindrische Gleitfläche der Buchse unter Druck zu Kegelmantelflächen verformt. Diese druckabhängige Verformung führt zu konischen, zur Leckseite hin kleiner werdenden Spalten. Hierdurch entsteht eine zusätzliche stabilisierende hydrostatische Führungskraft zwischen Welle und Buchse.

Im Rahmen der Erfindung ist es von Vorteil, daß Lagerfunktion und Übertragungsfunktion voneinander getrennt sind. Die Lagerung kann somit optimal und funktionssicher ausgelegt werden und die "schwimmende" Buchse kann engste Dichtspalte aufweisen, ohne die Funktionssicherheit im geringsten zu beeinträchtigen. Eine derart "weich" bzw. "schwimmend" gelagerten Übertragungsbuchse kann somit vorhandene Lagerspiele und Fertigungstoleranzen zur jeweiligen Lage der Welle ausgleichen. Kommt es infolge von Lageabweichungen zur einseitigen mechanischen Berührung zwischen Welle und Buchse, so kann die Anpreßkraft nie größer sein als die Vorspannkraft der elastischen Dichtelemente, d.h. die Anpreßkraft ist entsprechend gering.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß bei einem beispielsweise verschmutzten Druckmedium die Buchse radial ausweichen kann und sich somit der Spalt einseitig in seiner Höhe verdoppelt. Schmutzpartikel werden hierdurch, ohne größeren Schaden anrichten zu können, vollständig aus diesem Bereich herausgespült. Sollte es trotzdem, z.B. durch grobe Verschmutzungen, zu einem Klemmen zwischen Welle und Buchse kommen, so erfolgt eine Mitnahme der Buchse von der Welle und die Relativbewegung erfolgt ausschließlich zwischen Buchse und Gehäuse im Bereich der Dichtungen. Das auf das Gehäuse wirkende Reaktionsmoment kann somit nie größer sein, als das über die Dichtung übertragbare Reibmoment. Diese Reibmomente sind aber so gering, daß es nie zu einem Mitdrehen des Gehäuses und zum Abreißen von Verbindungsleitungen kommen kann.

Im Rahmen der Erfindung ist es vorgesehen, die Welle mit einem schlecht wärmeleitenden Werkstoff zu beschichten. Diese Beschichtung hat den Vorteil, wirksam zu verhindern, daß die Welle aufgrund von Erwärmung schneller radial "wächst" als die Buchse. Selbst dann, wenn kleinste Spalte zwischen Buchse und Welle vorgesehen sind, ist ein Blockieren aufgrund thermischer Vorgänge ausgeschlossen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Drehdurchführung gemäß der Erfindung im Schnitt

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Bereiches "X" gem. Fig. 1

Wie die Zeichnung zeigt, ist ein feststehendes Gehäuse 1 mittels eines Kugel­ lagers 2, 3 auf einer drehbaren Welle 4 gelagert. Zwischen dem Gehäuse 1 und der Welle 4 ist eine Buchse 5 angeordnet. Das Gehäuse 1 weist eine Anschluß­ bohrung 6 als Anschluß und Zufuhr für das Medium auf. Die Anschlußbohrung 6 korrespondiert mit entsprechenden radial angeordneten Zuführungsbohrungen 7, die in der zentralen Zuführungsnut 8 der Buchse 5, ausgebildet sind. Die Welle 4 weist eine axiale Verbraucherleitung 9 mit radialen Bohrungen 10 auf, die wiederum mit der Anschlußbohrung 6 sowie den Zuführungsbohrungen 7 in Verbindung stehen. Wie die Zeichnung zeigt, sind zur Überbrückung des Spaltes "S" zwischen Buchse 5 und Gehäuse 1 Dichtelemente 11 vorgesehen, die in Ringnuten 12 angeordnet sind. Zwischen den Ringnuten 12 liegt wiederum die bereits erwähnte ringförmig ausgebildete Zuführungsnut 8 für das Druckmedium. Die harte, schlecht wärmeleitende Beschichtung der Welle 4 ist mit 13 bezeichnet.

Funktions- und Arbeitsweise der Drehdurchführung mit schwimmender Buchse ist wie folgt:

Eingeleitet durch die Anschlußbohrungen 6 gelangt das Medium durch die ringförmige Zuführungsnut 8 und die radialen Zuführungsbohrungen 7 der Buchse 5 in die axiale Verbraucherleitung 9 und von dort zu einem (nicht dargestellten) Verbraucher. Hierbei gelangt auch ausreichend Medium, beispielsweise Drucköl, in den Spalt 14 zwischen die gegeneinander be­ wegten Teile d.h., zwischen Beschichtung 13 der Welle 4 und der Buchse 5. Bedingt durch den Spalt "S" und der ihn überbrückenden elastischen Dicht­ elemente 11 ist die Buchse 5 somit aufgrund der elastischen oder "schwimmenden" Aufhängung bzw. Lagerung jederzeit in der Lage, sich fertigungs- und funktionsbedingten Verlagerungen anzupassen, ohne daß es zu einer Be­ rührung zwischen Welle 4 und Buchse 5 kommt. Der Spalt 14 zwischen Welle 4 und Buchse 5 ist somit immer vorhanden. Die elastische Lagerung der Buchse 5 im Gehäuse 1 ist also derart, daß selbst bei radialen Verlagerungen die Rück­ stellkräfte der elastischen Dichtungen 11 kleiner sind, als die hydro­ statischen und hydrodynamischen Führungskräfte im Dichtspalt 14.

Um zu verhindern, daß die Welle 4 aufgrund von Erwärmung schneller "wächst" als die Buchse 5 ist die Welle 4 mit einer Beschichtung 13 aus einem harten schlecht wärmeleitenden Werkstoff z.B. Keramik versehen. Etwaige thermische Vorgänge die zu einer Beeinflussung der Funktionssicherheit des Gesamt­ systems führen könnten, werden somit doppelt ausgeglichen d.h., einmal durch die Wahl der Beschichtung 13 und zum anderen durch die elastische bzw. "schwimmende" Lagerung der Buchse 5. Die elastischen Dichtelemente 11 reduzieren gleichzeitig die Wärmeabfuhr von Buchse 5 zum Gehäuse 1.

Um druckabhängig die hydrostatische Führungskraft zwischen Welle 4 und Buchse 5 zu vergrößern kann die Anordnung der Dichtelemente 11 und Ausbildung und Anordnung der Zuführungsnut 8 so gewählt werden, daß es zu einer druckabhängigen Verformung der Dichtflächen bzw. Zylindermantel­ fläche 15 kommen kann. Diese Verformung zeigt Fig. 2 im vergrößerten Bereich "X" gem. Fig. 1. Der Abstand a der Ringnuten 12 zur zentralen Zuführungsnut 8 sowie deren Breite b und Tiefe t sind zueinander so bemessen, daß es druckbedingt zu einer Verformung der Zylindermantel­ fläche 15 (Fig. 1), zu Kegelmantelflächen 16 kommen kann. Die Verformung ist derart, daß sich die Kegelmantelflächen 16 so bilden, daß der große Durchmesser des Kegels zur Druckseite hinweist und der kleine Durchmesser des Kegels zur druckabgewandten Seite.

Selbstverständlich ist es auch möglich, im Unterschied zu den Ausführungs­ formen gem. Fig. 1 und 2, die Ringnuten und die elastischen Dichtungen im Gehäuse vorzusehen.

Bezugszeichenliste

 1 Gehäuse
 2 Kugellager
 3 Kugellager
 4 Welle
 5 Buchse
 6 Anschlußbohrung
 7 Zuführungsbohrungen
 8 Zuführungsnut
 9 Verbraucherleitung
10 Bohrungen
11 Dichtelemente
12 Ringnuten
13 Beschichtung
14 Spalt
15 Zylindermantelfläche
16 Kegelmantelfläche
"S" Spalt

Claims (2)

1. Drehdurchführung zur Übertragung von unter Druck stehenden Medien von einem stehenden in ein rotierendes Maschinenteil, wobei die Welle (4) eine axiale (9) und eine sich daran anschließende radiale Bohrung (10) aufweist, die in einen Ringkanal eines mit Zuführungsbohrungen (7) für das Medium versehenen Buchse (5) mündet, wobei diese Buchse (5) zwischen Gehäuse (1) und Welle (4) angeordnet ist und gegenüber dem Gehäuse (1) mit elastischen Dichtungen (11) abgedichtet ist, wobei die Buchse (5) zwischen Gehäuse (1) und Welle (4) radial verschiebbar ist und der Spalt zwischen Gehäuse (1) und Buchse (5) durch die elastischen Dichtelemente (11) überbrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Dichtelemente (11) der zwischen Gehäuse (1) und Welle (4) befindlichen Buchse (5) in an sich bekannter Weise in Abstand voneinander in Ringnuten (12) der Buchse (5) angeordnet sind, wobei der Abstand (a) der Ringnuten (12) zur zentralen ringförmigen Zuführungsnut (8) sowie deren Breite (b) und Tiefe (t) so zueinander bemessen sind, daß sich unter dem Druck des zu übertragenen Mediums die Buchse (5) derart verformt, daß seine Zylindermantelflächen (15), die die Gleitflächen der Buchse (5) darstellen, so zu Kegelmantelflächen (16) verformen, daß der große Durchmesser des so gebildeten Kegels zur Druckseite und der kleine Durchmesser des Kegels zur druckabgewandten Seite hinweist.

2. Drehdurchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (4) mit einem schlecht leitenden Werkstoff z. B. Keramik, beschichtet ist.