-
Diese Erfindung betrifft im allgemeinen
radiale Lippendichtungen und insbesondere radiale Lippendichtungen,
die eine signifikante Schaftdurchbiegung aufnehmen können unter
Bedingungen, bei denen der Schaft mit niedriger Geschwindigkeit
rotiert, ein hohes Drehmoment herrscht und bei denen das abzudichtende
Fluid hohe Drucke erreicht.
-
Lippendichtungen sind in der Regel
aus einem elastischen Elastomer- oder Polymermaterial geformt. Sie
stehen in fluiddichtem Verhältnis
zu einem Gehäuse
und umgeben einen rotierenden Schaft, der sich durch eine Öffnung in
der Gehäusewandung
erstreckt. Die Lippendichtung ist in Dichtverbindung mit dem Schaft,
um das Fluid im Gehäuse
einzuschließen.
-
Lippendichtungskomponenten oder -elemente
umfassen eine feste Verkleidung bzw. ein Aufnahmeelement für zusätzliche
Robustheit und zur Zusammenfassung der Dichtungsanordnung. Die Verkleidung
unterstützt
zudem die Installation, das Auseinandernehmen und das Zurückhalten
der Dichtung im Verhältnis
zum Gehäuse.
Der elastische Körper
umfasst eine Sekundärdichtung
zur Abdichtung gegen das Gehäuse
hin und eine oder mehrere elastische Dichtlippen, die in Dichtkontakt
mit dem Schaft gehalten werden.
-
Lippendichtungen haben unterschiedliche Anwendungen,
bei denen die Betriebstemperatur- und Druckbedingungen, die zu erwartenden
Schaftgeschwindigkeiten und die Zusammensetzung des einzuschließenden Mediums
die Anforderungen an eine bestimmte Konstruktion bestimmen. Typischerweise
ist die feste Komponente bzw. das Aufnahmeelement jedoch aus Hartplastik,
wie etwa Phenolplaste, aus Stahl oder rostfreiem Stahl gebildet,
und die elastischen Lippen werden von elastomeren oder polymeren
Elementen begrenzt, wie Formgummi, Polytetrafluorethylen oder anderen
bekannten Materialien. Das elastische Element kann als Einzelkörper geformt
sein oder eine Mehrzahl von getrennten Elementen umfassen, die in
fluiddichter Beziehung miteinander verbunden sind.
-
Die Natur von Lippendichtungsanwendungen
bringt es mit sich, dass die Dichtung signifikanten Schaftbewegungen
im Verhältnis
zum umgebenden Gehäuse
ausgesetzt wird. Eine Schaftdurchbiegung im Verhältnis zum Gehäuse oder
zur Bohrung ergibt ein Schwanken des Schafts während der Schaftrotation, das
auch als Schaftschlagen bezeichnet wird. Ein signifikantes Ausmaß an Schaftschlagen
gefährdet
des öfteren
die Wirksamkeit der Lippendichtung.
-
Spezifische Anwendungen für Lippendichtungen
sind unter anderem in Anwendungen für Kraftfahrzeuge, Werkzeuge
und in der Industrie gegeben. Bei bestimmten Anwendungen werden
Lippendichtungen extremen Bedingungen unterworfen, wie bei Kompressoren
für Klimaanlagen,
bei denen der Schaft in der Regel von einer Riemenscheibenanordnung
mittels elektrischer Kupplung betrieben wird, und in Ölpumpen,
die im allgemeinen das Öl
auf hohen Druck bringen, um damit eine effektive Zirkulation des Öls durch
Motor und Ölfilter
zu bewirken. Die Ausführungen
von Kompressoren und Ölpumpen bringen
typischerweise Schaftwanken, Verbiegungsabweichungen und Fehlausrichtungen
der Schaftachse in Relation zur Gehäuseöffnung mit sich. Idealerweise
berücksichtigt
die Lippendichtungsanordnung die gegebenen Toleranzen der Vorrichtungen,
in denen die Lippendichtung verwendet wird, um die entsprechenden
Herstellungskosten zu minimieren.
-
Versuche zur Bereitstellung einer
Lippendichtung, die Schaftschlagen oder Fehlausrichtungen aufzunehmen
imstande ist, erstrecken sich auf die Verwendung erweiterter konischer
Formen, von Mehrfachlippen und anderer Variationen und Änderungen
des elastischen Elements. Eine wirksame Anordnung ist in US-Patent
Nr. 5,503,408 offenbart, vergeben am 2. April 1996 und zusammen
mit dieser Erfindung der John Crane Inc., Morton Grove, Illinois, zugeteilt.
Die in Patent Nr. 5,503,408 offenbarte und beanspruchte Dichtung
verkörpert
mehrere elastische Lippen, die zur Zentrierung der Lippendichtung eine
Zusatz- oder Ausrichtungslippe zwischen dem Schaft und der Dichtlippe
vorsehen. Im Falle einer Fehlausrichtung kontaktiert die Zusatzlippe
die Unterseite der primären
Dichtlippe und bewirkt eine Versetzung dieser Lippe in Richtung
einer Versetzung des Schafts im Verhältnis zur Mitte seiner zugehörigen Gehäusebohrung.
Eine Versetzung der Zusatzlippe veranlasst die primäre Dichtlippe,
dem Schaft zu „folgen" und damit die Integrität seines
Dichtverhältnisses
zum Schaft zu bewahren. Die in US-Patent Nr. 5,503,408 beschriebene
Lippendichtung wird für Anwendungen
mit relativ niedrigen Drücken
verwendet.
-
Das Problem der Fehlausrichtung wird
auch in US-A-5,957,461 angegangen. Zu den Merkmalen dieser Erfindung
gehören
ein Ringlagerelement, das einen ringförmigen Körper mit T-förmigem Querschnitt
beschreibt. Eine äußere zylindrische
Oberfläche
des ringförmigen
Körpers
ist so dimensioniert, dass sie mit der inneren, axialen Oberfläche zusammenfällt, die
sich in der Mitte einer axialen Wandung eines zugehörigen Aufnahmeelements
befindet. Ein radialer Rand des ringförmigen Körpers ist in Berührung mit
der inneren Oberfläche
einer axialen Wandung des Aufnahmeelements, um das Lagerelement in
der Anordnung zu halten und gegen Rotation und radiale Versetzung
zu sichern. Ein radialer Innenabschnitt des Lagerelements begrenzt
eine zylindrische Dichtungsfläche,
die so dimensioniert ist, dass sie in engem Unterstützungskontakt
mit der Außenfläche des
Schafts steht. Bei Installation in einem Gehäuse sind die Dichtelemente
der Dichtanordnung innenseitig des Lagerelements angeordnet, womit
sie das Lager in der außerhalb
des Gehäuses
befindlichen Umgebung auswärts
der abgedichteten Kammer halten. Das in dem Patent offenbarte Lager,
das sich zwischen der Lippendichtung und dem innerhalb des Gehäuses eingeschlossenen
Fluid befindet, ist auch insofern wirksam, als es die Ausrichtung
und Position der Lippendichtung bewahrt.
-
Das im oben erwähnten US-Patent Nr. 5,957,461
offenbarte Lagerelement kann fest oder elastisch an der Außendurchmesserfläche einer Stützhalterung
montiert und mit dieser in Kontakt sein, um eine Dämpfung der
Schaftvibration zu erreichen. Im Falle einer elastischen Anbringung
umfasst das Lagerelement eine radiale Wandung in Reibverbindung
mit dem elastischen Körper,
der das Lagerelement stützt,
um die Rotation des Lagerelements im Verhältnis zum Gehäuse zu beschränken.
-
Alle oben aufgelisteten Versuche,
die eine Lippendichtungszentrierung mit Hilfe eines Lagerelements
schaffen, funktionieren in den Niedrigdruckumgebungen, für die sie
konzipiert wurden, adäquat.
Wenn allerdings das einzuschließende
Fluid hohen Drücken
unterworfen wird, wird die Lippendichtung Verformungen von axial
gerichteten Druckkräften
ausgesetzt, die sich aus den hohen Drücken ergeben, welche auf den
radialen Bereich der Lippendichtung wirken und welche die radiale
Dichtlippe gegen das Lager drücken.
Bei hohen Drücken
ist die radiale Dichtlippe außerdem
einem Umschlagen am Schaft ausgesetzt, was einen Verlust an Dichtfähigkeit
zur Folge hat.
-
In gewissem Ausmaß bewahren die Lagerelemente,
die in den Versuchen und Beispielen oben beschrieben sind, die Dichtlippenzentrierung
und behalten auch die Dichtlippe in der gewünschten Ausrichtung und Position
zwischen dem Lager und dem eingeschlossenen Hochdruckfluid. Allerdings
erstrecken sich Lager kraft ihrer Konstruktion und Funktion von
der Dichtlippe weg und schaffen eine feste axiale Unterlage für das Aufnahmeelement
in Relation zum Schaft. In den meisten Fällen ist der Außendurchmesser
des Lagers bündig
mit dem Innendurchmesser des festen Aufnahmeelements, so dass jede Schaftdurchbiegung
das Lager dazu bringt, diese Durchbiegung an das Aufnahmeelement
weiter zu geben und damit eine festgelegte relative Ausrichtung
zwischen der Lippendichtung und dem rotierenden Schaft zu bewahren.
Die Dämpfungswirkung
einer elastischen Halterung zwischen dem Lager und dem Aufnahmeelement
absorbiert den Großteil
der Durchbiegung. Allerdings setzt selbst im Beispiel mit der elastischen
Halterung der Anstoß des
Lagerelements an das elastische Aufnahmeelement das Lager einer
kontinuierlichen, wiederholten Belastung aus, welche im Laufe der
Zeit eine Verschlechterung und Zerstörung des Lagers verursachen
kann.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
das Bedürfnis
der Dichtungen in einigen Anwendungen, ein größeres Ausmaß von Druck und Inflexibilität aufzunehmen,
die aus dem höherem
Druck in abgedichteten Fluid-Bereichen resultieren. Die Fähigkeit
der verbesserten Lippendichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
große
Drücke
aufzunehmen, ermöglicht die
Eliminierung teurer Druckableitungssysteme, wie sie derzeit für Hochdruckanwendungen
benötigt
werden.
-
Eine Dichtungsanordnung gemäß der Erfindung
ist in Anspruch 1 definiert. Die vorliegende Erfindung richtet sich
an eine einteilige Lippendichtungsanordnung, die ein festes Aufnahmeelement und
ein elastisches, an diesem befestigtes Element mit mindestens einer
im allgemeinen radial ausgerichteten Lippe für die Dichtverbindung mit einem
zugehörigen
Schaft aufweist. Ein relativ fester, innerer Ring-Stützkörper ist
so angeordnet, dass er den Schaft umgibt und ist an dem Aufnahmeelement
vorzugsweise mittels einer losen Verbindung mit dem elastischen
Element befestigt. Der innere Stützkörper ist
derart im Verhältnis
zu der Dichtlippe positioniert, dass er sich an der Außenseite
derselben befindet. In seiner bevorzugten Form ist der innere Stützkörper direkt
am Aufnahmeelement befestigt, und der innere Ring-Stützkörper ist
im Verhältnis
zu der Dichtlippe so positioniert, dass die Lippe geeignet ist, den
Schaft auf halbem Weg zwischen der zylindrischen Lagerfläche und
dem Fluid im Inneren des Gehäuses
zu kontaktieren.
-
Der innere Stützkörper begrenzt eine radiale Auflagefläche, um
die radiale Dichtlippe zwischen der radialen Auflagefläche und
dem abgedichteten Hochdruckmedium zu halten. Der Stützkörper ist
so ausgeformt und dimensioniert und weist einen solchen Außendurchmesser
auf, dass ein vorbestimmter räumlicher
Abstand zwischen dem Bereich des Außendurchmessers des Aufnahmeelements
und dem sich in axialer Richtung erstreckenden Bereich des Stützkörpers aufrecht
erhalten wird, unabhängig von
den Betriebsbedingungen, wie dem Ausmaß der Schaftdurchbiegung oder
dem Druck des abzudichtenden Mediums.
-
1 ist
eine Querschnittansicht einer nicht installierten Dichtungsanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
2 ist
eine Teilansicht im Querschnitt, in der die Dichtungsanordnung der
vorliegenden Erfindung in einem Gehäuse installiert dargestellt
ist.
-
3 ist
eine Querschnittansicht er in 2 dargestellten
Dichtungsanordnung, wobei der Querschnitt annähernd entlang der Linie 3-3
genommen wurde.
-
Bezug nehmend auf 1 bis 3 werden
die Prinzipien der vorliegenden Erfindung anhand einer allgemein
mit 10 bezeichneten Lippendichtungsanordnung veranschaulicht.
Die Lippendichtungsanordnung 10 der Erfindung umfasst mehrere Komponenten
und ist in 1 dargestellt.
Die in 1 illustrierte
Dichtungsanordnung ist in zusammengebautem Zustand wiedergegeben,
ohne aber installiert zu sein. In 2 und 3 wird die Dichtungsanordnung 10 in
einer hydraulischen Anwendung installiert dargestellt, wie beispielsweise
in einem Motor oder einer Ölpumpe,
und ist um einen Schaft 12 angeordnet, der sich durch eine Öffnung im
Pumpengehäuse 14 erstreckt.
Die Erfindung ist besonders gut geeignet für hydraulische Anwendungen
mit niedrigem Drehmoment und hohem Druck.
-
Die Öffnung wird von einer zylindrischen Wandung 16 begrenzt,
welche den Schaft 12 in einem Abstand umgibt. Das Pumpengehäuse 14 ist
in den 2 und 3 in einer Teilquerschnittansicht
dargestellt, wobei sich der Schaft 12 durch die Öffnung erstreckt.
Die Lippendichtungsanordnung 10 dichtet die Öffnung so
ab, dass ein Ausdringen aus dem Pumpengehäuse auch dann minimiert wird,
wenn das Öl
unter großem
Druck steht, der von dem (nicht dargestellten) Rotor generiert wird,
der am Schaft 12 befestigt ist. Fachpersonen ist bewusst,
dass alle in 1 und 2 dargestellten Dichtungselemente
ringförmige
Elemente sind, die konzentrisch mit dem Schaft 12 angeordnet
sind. Die Elemente sind in den gezeichneten Figuren aus praktischen
Gründen
in Teilquerschnittansicht dargestellt. Das heißt, jene Teile der Lippendichtungsanordnung 10,
des Schafts 12 und des Gehäuses 14, die unter
die Mittellinie CL reichen, sind nicht dargestellt. Diese Elemente
wären im
wesentlichen identisch mit den Teilen, die über der Mittellinie liegen,
und konventioneller Weise wird nur eine Hälfte der Elemente gezeigt,
um eine detailliertere Darstellung zu ermöglichen.
-
Das Gehäuse 14 begrenzt die
Innenkammer 18, welche den Schaft 12 umgibt und
mit einem Schmiermittel gefüllt
ist, beispielsweise mit Öl.
Wenn sich der Schaft gemeinsam mit dem (nicht dargestellten) Rotor
dreht, wird in der Kammer 18 Druck generiert. Ölpumpenkomponenten,
wie der (nicht dargestellte) Rotor, befinden sich an der Innenseite
des Gehäuses 14 und
bewirken einen Druck des Öls,
das dann durch das Schmiersystem des hydraulischen Systems oder
einer anderen Anwendung gepumpt wird, die eine Hydraulikpumpe oder
einen Motor für Anwendungen
mit niedriger Geschwindigkeit und hohem Druck benötigt.
-
Die Dichtungsanordnung 10 ist
ringförmig axial
außerhalb
des Gehäuses 14 und
angrenzend an die zylindrische Wandungsfläche 16 der Öffnung angebracht.
Die Dichtungsanordnung 10 hält eine Dichtung an der Öffnung aufrecht
und produziert ein Dichtungsverhältnis
zwischen der Oberfläche
des Schafts 12 und der radialen Oberfläche 15 des Gehäuses 14.
Die Dichtungsanordnung 10 trennt die Kammer 18 von
der Umgebung, also der Atmosphäre,
angezeigt als A in 2,
die sich außerhalb
des Gehäuses 14 befindet.
-
Die Dichtungsanordnung 10 wird
von einer herkömmlichen
Endplattenanordnung festgehalten, wie in 2 dargestellt. Die Endplattenanordnung umfasst
im allgemeinen eine ringförmige
Endplatte 20 und einen Endplattenverbindungsabschnitt 21, der
mit Hilfe einer Gewindebohrung 22 und einer Schraube 24 abnehmbar
am Gehäuse 14 befestigt ist.
In der Teilquerschnittansicht der 2 ist
nur eine Schraubverbindung dargestellt, doch einschlägige Fachpersonen
erkennen ohne Schwierigkeiten, dass eine Mehrzahl solcher Schraubverbindungen
in beabstandeter Ringbeziehung um die Endplatte 20 erforderlich
sind, um eine gleichförmige
Achsverbindung der Endplattenanordnung mit dem Gehäuse 14 zu
schaffen.
-
Die ringförmige Endplatte 20 kann
eine Baueinheit mit dem Verbindungsabschnitt 21 bilden;
es kann sich aber auch um getrennte Elemente handeln, welche gemeinsam
die Endplattenanordnung bilden. Ein Ausführungsbeispiel mit (nicht dargestellten)
getrennten Elementen hätte
entsprechende Bohrungen in beiden Elementen, durch die sich eine
Schraube 24 erstreckt, welche die Elemente miteinander
und beide Elemente mit dem Gehäuse 14 der
radialen Außenwandung 15 verbindet.
Der Verbindungsabschnitt 21, wie in 2 und 3 dargestellt,
umfasst eine zylindrische Innendurchmesserwandung 23, die für die Dichtungsanordnung 10 eine
Dichtfläche
bereitstellt, wie unten erklärt.
-
Die Endplatte 20 umfasst
des weiteren einen Flanschabschnitt 26, der vorzugsweise
eine Baueinheit mit dem Verbindungsabschnitt 21 bildet.
Der Flanschabschnitt 26 erstreckt sich radial einwärts von
dem Verbindungsabschnitt 21 der Endplatte 20 und
ist im allgemeinen parallel zu der radial verlaufenden Außenwandung 15 des Gehäuses 14.
Eine zylindrische Endplattenwandung 28 ist von der Oberfläche des
Schafts 12 beabstandet. Die Trennung zwischen der Wandung 28 und
der Oberfläche
des Schafts 12 hat eine Größe in einem vorbestimmten Bereich
von Abmessungen, wie weiter unten erklärt wird. Der Flanschabschnitt 26 umfasst
des weiteren eine sich radial erstreckende Innenwandung 27,
die sich zwischen dem Verbindungsabschnitt 21 und der zylindrischen
Innendurchmesserwandung 28 erstreckt. Die Endplatte 20 einschließlich des
Flanschabschnitts 26 begrenzt zusammen mit der sich radial
erstreckenden Außenwandung 15 des
Gehäuses 14 einen
ringförmigen
Raum zur Aufnahme der Dichtungsanordnung 10. Die axialen
und radialen Abmessungen dieses ringförmigen Raums haben ebenfalls vorbestimmte
Abmessungen, um eine Befestigung der Dichtungsanordnung 10 innerhalb
des ringförmigen
Raums zu ermöglichen
wie weiter unten erklärt wird.
-
Die Details der Dichtungsanordnung 10 in nicht
installiertem Zustand sind in 1 dargestellt. Die
Dichtungsanordnung 10 umfasst einen ringförmigen elastischen
Dichtungskörper 30,
der an einem festen Aufnahmeelement 32 befestigt ist. Der
elastische Körper 30 kann
ein elastomeres Material umfassen, wie Hartgummi, und das feste
Aufnahmeelement 32 kann ein Metallmaterial umfassen, wie
beispielsweise Stahl. Ein innerer Ring-Stützkörper, manchmal als Umfassungsstützkörper bezeichnet, ist
für die
Verwendung in der fertigen und installierten Dichtungsanordnung 10 vorgesehen
und wird im folgenden unter Bezugnahme auf 2 und 3 dargestellt
und beschrieben.
-
Das Aufnahmeelement 32 ist
eine ringförmige
Struktur, die eine axial verlaufende Einfassung 34 am Außendurchmesser
und einen verkürzten,
radial verlaufenden Flansch 36 am Innendurchmesser zum radialen
Flansch 36 aufweist. Ein geschwungener Verbindungsabschnitt 38 erstreckt
sich radial einwärts
von der Einfassung 34 und verbindet die Einfassung 34 mit
dem radialen Flansch 36. Im Querschnitt erscheint das Aufnahmeelement 32 in
Form eines Fragezeichens ohne Punkt oder wie ein verstümmeltes
S, wie in 1 und 2 dargestellt.
-
Der elastische Körper 30 ist ein integrales elastomeres
oder polymeres Element, wie dargestellt, und in einem Formpress-
oder Einspritzverfahren gebildet. In der Regel finden die Formung
des Körpers 30 und
dessen Verbindung mit dem Aufnahmeelement 32 gleichzeitig
während
des Formpressverfahrens statt. Der Körper 30 umfasst einen
Ringabschnitt 42, der mit der Außendurchmesserfläche der
ringförmigen,
axial verlaufenden Aufnahmeelementeinfassung 34 verbunden
ist. Der Ringabschnitt 42 umfasst einen außenumfänglichen
Verlängerungsbereich 44,
der an einer Ecke des Aufnahmeelements 30 an einer Außenoberfläche 46 desselben gebildet
ist und der an jedem Ende aufgeweitet sein kann, um in installiertem
Zustand einen besseren Überlagerungssitz
zu gewährleisten.
-
Die Installation der Dichtung, wie
in 2 und 3 dargestellt, bewirkt, dass der Verlängerungsbereich 44 eine
Dichtverbindung mit der ringförmigen,
zylindrischen Wandung 23 des Endplattenverbindungsabschnitts 21 eingeht.
Zur Gewährleistung einer
fluiddichten Dichtung zwischen der Außendurchmesserwandung des Körpers 30 und
der zylindrischen Innendurchmesserwandung 23 des Verbindungsabschnitts 21 wird
der Außendurchmesser
des Verlängerungsbereiches 44 so
gebildet, dass er geringfügig
größer ist
als der Innendurchmesser der zylindrischen Wandung 23.
Nach der Installation kommt es zu einem beschränkten Ausmaß an Kompression des aufgeweiteten
Verlängerungsbereichs 44 und des
Ringabschnitts 42, welche zur Schaffung einer fluiddichten
Dichtung beiträgt.
-
Erneut Bezug nehmend auf 1, erstreckt sich eine flache
Schicht des elastomeren Materials, das einen mittleren Abdeckungsabschnitt 48 begrenzt,
radial einwärts
vom Ringabschnitt 42 und ist auf dem äußeren, geschwungenen Bereich
des Aufnahmeelementverbindungsabschnitts 38 angebracht.
Vorzugsweise ist der mittlere Abdeckungsabschnitt 48 auf
den Verbindungsabschnitt 38 so aufgeformt, dass das elastomere
Material das metallische Aufnahmeelement 32 einschließt und von
dem Prozessfluid isoliert, das unter Druck in der Kammer 18 enthalten
ist. Dies trägt
zu einer Verhinderung der Korrosion des metallischen Aufnahmeelements 32 bei.
-
Radial einwärts von dem mittleren Andeckungsabschnitt 48 erstreckt
sich eine Dichtlippe 50. Die Dichtlippe 50 bildet
eine Baueinheit mit dem mittleren Abdeckungsabschnitt 48 und
ist auf den kurzen, radial verlaufenden Flansch 36 der Aufnahmeelement 32 aufgeformt.
Sie umfasst einen Hauptkörper
und einen Kontaktpunkt 52 für den Dichtkontakt mit der
Oberfläche
des Schafts 12. In nicht installiertem Zustand erstreckt
sich die Lippe 50 in einem Winkel in radial einwärtiger Richtung
im Verhältnis
zu der Mittellinie CL und axial weg von dem Körper der Dichtungsanordnung 10 in
die Richtung, wo das unter Druck stehende Hydraulikfluid untergebracht
wäre.
-
Ein elastomerer flanschseitiger Abdeckungsabschnitt 59 erstreckt
sich radial auswärts
von der Lippe 50 und auf der gegenüberliegenden Seite des Flansches 38 von
der Lippe 50. Der flanschseitige Abdeckungsabschnitt 59 bildet
eine Baueinheit mit der Dichtlippe 50, so dass das elastomere
Material des Körpers 30 die äußere Oberfläche des
Aufnahmeelements 32 im wesentlichen abdeckt und vor dem Öl oder dem
anderen eingeschlossenen Fluid schützt.
-
Ein Vorsprungsabschnitt 60,
der vom Ende des Einfassungsabschnitts 34 des Aufnahmeelements 32 eine
bestimmte Distanz verläuft,
erstreckt sich axial und radial vom elastischen Körper 30.
Der Vorsprungsabschnitt 60 hat die Aufgabe, den gewünschten
Achsabstand der Dichtungsanordnung im Verhältnis zu den radial verlaufenden
Wandungen 27, 15 der Endplatte 26 bzw.
des Gehäuses 14 aufrecht
zu erhalten. Der Vorsprungabschnitt 60 kann, wie dargestellt,
eine Abschrägung 62 aufweisen,
um eine einfachere Installation der Dichtungsanordnung 10 in
der Endplatte 22 zu ermöglichen.
-
Ebenfalls axial vom Vorsprungabschnitt 60 auf
der gegenüberliegenden
Seite der axialen Wandung der Einfassung 34 von dem Ringabschnitt 42 erstrecken
sich eine Mehrzahl von Schnappelementen 70, die ringförmig um
den Innenumfang der axialen Aufnahmeelementwandung 32 beabstandet
sind. Jedes Schnappelement 70 umfasst einen im allgemeinen
außenumfänglich und
axial verlaufenden Führungsabschnitt 72,
der zur Abstandhaltung verwendet wird, und einen halbkreisförmigen,
außenumfänglich verlaufenden
Noppenabschnitt 74 zum Festhalten der anderen Elemente
der Lippendichtungsanordnung. Sowohl die Führungsabschnitte 72 wie
die Noppenabschnitte 74 erstrecken sich im allgemeinen außenumfänglich um
den Innendurchmesser der axialen Aufnahmeelementwandung
34.
Alles in allem betrachtet, decken die Schnappelemente 70 im
wesentlichen die Innendurchmesserfläche der Axialwandung der Einfassung 34 und
der Noppenabschnitte 74 von einer Lippe ab, welche den
vom Aufnahmeelement 32 und dem Dichtkörper 30 begrenzten
Hohlraum enthält.
-
Die Schnappelemente 70 umfassen
eine Mehrzahl von angrenzenden Elementen, die voneinander durch
sich axial erstreckende Kränze 75 getrennt
sind. Die Kränze 75 bilden
flache Rillen, die in das elastische Material der Schnappelemente 70 eingeschnitten
sind. Die Kränze
erstrecken sich zu der Innendurchmessennrandung der Einfassung 34 und axial
von dem Aufnahmeelementverbindungsabschnitt 38 zum axial
entgegengesetzten Ende des Vorsprungabschnitts 60.
-
Die Kränze 75 haben zwei
Funktionen. Zunächst
schaffen die Kränze
während
der Formung oder des Pressformens des elastischen Körpers 30 ein
Mittel, mit dessen Hilfe die Form oder das Werkzeugteil das Aufnahmeelement 32 präzise positioniert
und ausrichtet. Die Innendurchmesserflächen der Axialwandung 34 des
Aufnahmeelements, welche unmittelbar an die Kränze 75 angrenzen,
sind die einzigen Abschnitte des Aufnahmeelements 32, die nach
dem Pressformen des elastischen Körpers 30 über dem
Aufnahmeelement 32 exponiert bleiben. Eine weitere Funktion
der Kränze 75 ist
die eines Zwischenraums, in den das elastische Material, welches
die Schnappelemente 70 umfasst, hinein extrudieren kann,
wenn die Schnappelemente unter Komprimierung stehen. Da Elastomere
wie Gummi zwar elastisch sind, nicht aber kompressibel, muss für Überschussmaterial
ein Raum vorgesehen sein, um so eine elastische Verbindung zwischen
der Außendurchmesserfläche 92 und
der Innendruchmesserfläche
der Axialwandung der Einfassung 34 zu ermöglichen.
-
Die Schnappelemente 70 können auch
elastomeres oder polymeres Material umfassen und bilden vorzugsweise
eine Baueinheit mit dem elastischen Dichtungskörper 30, wie am deutlichsten
in 3 dargestellt. Die
Schnappelemente 70 dienen dazu, das Ringelement oder den
inneren Stützkörper zu
positionieren, orientieren und aufzunehmen, wie unten mit Bezug
auf 2 und 3 erläutert wird. Eine Mehrzahl von
Schnappelementen 70 schafft vorzugsweise eine gute Zentrierfähigkeit
für den
inneren Stützkörper 80,
auch wenn der Schaft 12 eine erhebliche radiale Durchbiegung
erfährt,
und im Betrieb, wenn die Dichtungsanordnung 10 großem Fluiddruck ausgesetzt
ist. Die optimale Anzahl an Schnappelementen 70 ist sechs,
mit sechs entsprechenden Kränzen 75,
wobei jeder Kranz jeweils angrenzende Schnappelemente 70 trennt.
-
Der Körperabschnitt 30 ist
zwischen den Wandungen 27, 15 angeordnet, welche
den Raum zur Aufnahme der Dichtungsanordnung 10 begrenzen.
Der Außendurchmesserringabschnitt 42 dichtet gegen
die Verbindungsabschnittwandung 23, und die Lippe 50 dichtet
gegen den Rotationsschaft 12. Der mittlere Abdeckungsabschnitt 48 ist
an der inneren axialen Seite der Dichtungsanordnung 10 untergebracht,
der Seite, welche gegen die Innenkammer 18 des Gehäuses 14 gerichtet
ist. Das gegenüberliegende
oder außenliegende
axiale Ende der Dichtung ist einschließlich des flanschseitigen Abdeckungsabschnitts 59 der
Dichtungsanordnung 10 an der Umgebung exponiert, die mit
A angezeigt ist.
-
Der elastische Dichtungskörper 30 ist
auf das Aufnahmeelement 32 aufgeformt und mit diesem verbunden.
Der Körper 30 und
das Aufnahmeelement 32 begrenzen zusammen eine radial befestigte Halterung
für die
Lippe 50, die geeignet ist, ihre Position im Winkel zu
verändern,
um eine Schaftdurchbiegung aufzunehmen, dabei aber immer eine Dichtung gegen
die Oberfläche
des Schafts 12 aufrecht zu erhalten. In der installierten
Position der Dichtungsanordnung 10 (2 und 3)
berührt
der Kontaktpunkt 52, der sich außenumfänglich um den Schaft 12 erstreckt,
die Oberfläche
des Schafts 12. Gleicherweise berührt der aufgeweitete Verlängerungsbereich 44 des
Ringabschnitts 42 die Wandung 23 und möglicherweise
die radiale Wandung 15 des Gehäuses 14, um eine fluiddichte
Dichtung gegen das Gehäuse 14 zu
ergeben.
-
Eine ringförmige Unterschneidung oder
Vertiefung 54 ist im elastischen Körper 30 gebildet,
welche das Verbiegen oder Beugen der Lippe 50 ermöglicht,
wenn das Schaftschlagen eine radiale Bewegung oder Schaftdurchbiegung
bei der Rotation verursacht. Die Wandungen 56, 58,
welche die Unterschneidung bilden, sind so positioniert, dimensioniert und
orientiert, dass sie die Lippe 50 veranlassen, um einen ringförmigen Außenumfang
zu schwenken, der annähernd
um den verkürzten
Flansch 36 herum angeordnet ist.
-
In einem uninstallierten Zustand
kann die Lippe 50 größer sein
als die seitliche Breite der Unterschneidung, wie in 1 dargestellt, doch wenn die
Dichtungsanordnung 10 installiert ist und die Pumpe die
abzudichtende Flüssigkeit
unter Druck setzt, kann die seitliche Breite der Unterschneidung 54 größer werden,
wie in 2 dargestellt,
was auf den Druck der abgedichteten Flüssigkeit zurückgeht, welcher
auf die Oberflächen 56, 58 wirkt.
Dennoch ist die axiale Breite der Lippe an der Verbindung mit dem Rest
des Körpers 30 so
dimensioniert, dass eine extensive Verbiegung der Lippe 50 im
Verhältnis
zum Körper 30 möglich ist,
ohne ein Zerreißen
oder eine andere Beeinträchtigung
der Integrität
des von der Dichtungsanordnung 10 bereitgestellten Materials der
Dichtung zu verursachen. Die Form des Aufnahmeelements 32 und
dessen Anordnung ziemlich nahe am Schaft 12 schaffen eine
feste Basis, so dass die Dichtlippe zusammen mit dem oben beschriebenen
Stützkörper 80 einen
wirksamen Sitz schafft, der lange Zeit fehlerfrei funktioniert.
-
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 ist
die Dichtungsanordnung 10 in installierter Position dargestellt.
Der innere Stützkörper 80 ist
für eine
lose Verbindung hiermit im ringförmigen
Raum angeordnet, der vom Aufnahmeelement 32 und der radial
verlaufenden Innenwandung 27 begrenzt ist. Der innere Stützkörper 80 umfasst
einen Ring aus festem Material. Der Körper des inneren Stützkörpers 80 umfasst einen
Ringabschnitt 82 mit einer Innendurchmesserfläche 84,
einer radial innenseitigen Wandung 88, einer radial außenseitigen
Wandung 88 und einem einseitig verankerten Vorsprungabschnitt 90 mit
einer Außendurchmesserfläche 92 und
einer abgewinkelten Innendurchmesserfläche 94. Der einseitig
verankerte Abschnitt 90 ist so proportioniert und dimensioniert,
dass er lose in den engen konischen Raum passt, der vom geschwungenen
Verbindungsabschnitt 38 und der axial verlaufenden Einfassung 34 des
Aufnahmeelements 32 begrenzt wird.
-
Die Konfiguration dieser beider Elemente 32, 90 und
der allgemeinen Verbindungen und Toleranzen dieser Elemente ist
ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, wie im Folgenden
zu erklären
sein wird. Wie dargestellt, kommen die Oberflächen 92, 94 unter
normalen Betriebsbedingungen nicht in Kontakt mit der Oberfläche des
Aufnahmeelements 32. Unter entsprechender Toleranzkontrolle der
elastomeren Elemente 72 und 59 bleiben die Lücken zwischen
der Oberfläche 92 und
der axial verlaufenden Einfassung 34 und zwischen der innenseitigen
Wandungsfläche 86,
der abgewinkelten Oberfläche 94 und
dem radial verlaufenden Flansch 36 immer auf einem Mindestwert,
unabhängig
von den Fluiddrücken,
die innerhalb der Kammer 18 entwickelt werden.
-
Ein zusätzliches Merkmal der vorliegenden Erfindung
ist die Tatsache, dass der innere Stützkörper 80 eine Innendurchmesserfläche 84 aufweist,
die etwas größer ist
als der Durchmesser des Schafts 12. Der Abstand zwischen
der zylindrischen Innenfläche 84 und
dem Schaft 12 sollte eine vorbestimmte Dimension haben,
so dass jede radiale Durchbiegung des Schafts 12 infolge
Schaftdurchbiegung oder Schlagen eine gleiche Durchbiegung gleicher
Proportion im inneren Stützkörper 80 auslöst. Das
allgemeine Ergebnis ist, dass der innere Stützkörper 80 auf der Oberfläche des
Schafts 12 aufliegt, nicht aber mit diesem rotiert, und
das Schaftschlagen eine radiale Durchbiegung des inneren Stützkörpers 80 verursacht.
-
Der Abstand zwischen der zylindrischen
Innenfläche 84 und
dem Außendurchmesser
des Schafts 12 muss so minimiert werden, dass die zwei Elemente
eine Friktionsberührung
vermeiden. Eine minimale Lücke
hat die Tendenz, eine exzessive axiale Versetzung oder Invertierung
der Lippe 50 zu beschränken.
Wie von durchschnittlichen Fachpersonen ohne weiteres eingesehen
wird, kann die Generierung eines übermäßigen Fluiddrucks in der Kammer 18 (2) eine Dichtlippe, wie
etwa die Lippe 50, zum Invertieren bringen. Die Invertierung
einer Dichtlippe annulliert den Vorteil des auf die Dichtlippe wirkenden
Fluiddrucks, eine radial einwärts
gerichtete Kraft zu schaffen, und kann zu einem Verlust von Dichtwirksamkeit
führen.
Aus diesem Grund erstreckt sich die radial verlaufende innenseitige
Wandung 86 des inneren Stützkörpers 80 so nahe wie
möglich
an der Oberfläche
des Schafts 12 an der zylindrischen Wandung 84.
Der Stützkörper 80 wirkt
als physische Sperre auf die Lippendichtung 50 und verhindert
so eine übermäßige axiale
Versetzung oder Invertierung derselben.
-
Andere Dichtelemente der Dichtungsanordnung 10 leisten
einen Beitrag zum Schnappsitz des inneren Stützkörpers 80 in dem Hohlraum,
welcher vom Aufnahmeelement 32 und dem Flanschabschnitt 26 der
Endplatte 20 begrenzt ist. Beispielsweise üben die
Führungsabschnitte 72 eine
Zentrierfunktion aus und schaffen den entsprechenden Abstand zwischen
dem Außendurchmesser 92 des
inneren Stützkörpers und
der Innendurchmesseroberfläche
des sich axial erstreckenden Einfassungsabschnitts 34.
Die Noppenabschnitte 74, welche etwas größer als
die Führungsabschnitte 72 sind,
sind so ausgeführt,
dass sie in die Vertiefung 95 passen, die im Außendurchmesser 92 des
inneren Stützkörpers 80 gebildet
ist.
-
Die Toleranzen der relativen Dimensionen zwischen
bestimmten Dichtungselementen sind sämtlich von größter Wichtigkeit
für die
Erhaltung der Dichtfähigkeit
der Dichtungsanordnung 10 und für die Aufrechterhaltung eines
Zwischenraums zwischen dem Außendurchmesser
des inneren Stützkörpers 80
im Verhältnis
zum Innendurchmesser des sich axial erstreckenden Einfassungsabschnitts 34.
Der Abstand zwischen der radialen Wandung 27 und dem elastomeren
Flansch und Abdeckungsabschnitt 59 im Verhältnis zur
axialen Länge
des Innendurchmesserringabschnitts 42 des inneren Stützkörpers ist wichtig.
Auch die radiale Dimension zwischen dem Schaft und dem Einfassungsabschnitt 34 des
Aufnahmeelements im Verhältnis
zur radialen Dimension zwischen der zylindrischen Oberfläche 84 des
Innendurchmessers und dem Außendurchmesser 92 des
inneren Stützkörpers 80 müssen sämtlich in
einem vorgegebenen Bereich sein. Eine strenge Beachtung der Toleranzen
dieser Elemente ist wichtig, um eine Berührung fester Elemente zu vermeiden, wie
etwa zwischen dem Aufnahmeelement 32 und dem inneren Stützkörper 80,
auch wenn in der spezifischen Anwendung, in der die Lippendichtungsanordnung 10 verwendet
wird, extreme Betriebsbedingungen herrschen.
-
Der Zwischenraum zwischen der zylindrischen
Außendurchmesserfläche 92 und
der Innendurchmesserfläche
der axial verlaufenden Aufnahmeelementwandung 34 muss so
ausgelegt sein, dass eine intermittierende oder zyklische Radialbewegung
des inneren Stützkörpers 80 nach
einer Durchbiegung oder radialen Versetzung des Schafts 12 möglich ist,
ohne dass eine Berührung
zwischen den beiden Oberflächen
verursacht wird. Es hat sich herausgestellt, dass die Vermeidung
einer solchen Berührung
aufgrund der Eliminierung radialer oder seitlicher Belastungen einen
wesentlich günstigeren Lebenszyklus
des inneren Stützkörpers 80 nach
sich zieht. Dennoch bleibt der innere Stützkörper 80 an der Stelle
und wird von seiner umgebenden Rahmenstruktur der seine Stellung
definierenden Elemente an einer axialen Versetzung gehindert.
-
Ein weiteres wichtiges Merkmal der
Lippendichtung 10 (2)
ist die axiale Ausdehnung des einseitig verankerten Abschnitts 90 in
die vom geschwungenen Verbindungsabschnitt 38 und der ringförmigen Einfassung 34 gebildete
Bucht hinein. Idealerweise sind die Lücke zwischen der Außendurchmesseroberfläche 92 und
dem Innendurchmesser der Einfassung 34 und die Lücke zwischen
dem Verbindungsabschnitt und der abgewinkelten Innendurchmesserfläche 94 so
vorbestimmt, dass die beträchtlichen
Variationen im Winkel des Schafts 12 im Verhältnis zu der zylindrischen
Wandung 16 und auch im Fluiddruck auf die Dichtung keinen
Kontakt zwischen den Oberflächen
bewirken. Es hat sich herausgestellt, dass die strenge Beachtung
der Toleranzen, wie Breite und Platzierung der Führungsabschnitte 72,
und der Tiefe des flanschseitigen Abdeckungsabschnitts 59 in
der Fähigkeit
der Lippendichtungsanordnung 10 resultieren, ein großes Ausmaß an Schaftdurchbiegung
aufzunehmen, indem der hohe Druck genutzt wird, der während dem
Betrieb der Pumpe oder einer anderen Vorrichtung entwickelt wird,
um Kontakt zwischen der Lippe 50 und der Oberfläche des
Schafts 12 zu halten. Der im Betrieb entwickelte hohe Fluiddruck
wirkt in der Bucht oder inneren Höhlung, welche von dem mittleren
Abdeckungsabschnitt 48 und der Dichtlippe 50 begrenzt wird.
Die von diesem Druck entwickelten Kräfte werden so wirksam, dass
sie die konische Oberfläche des
Verbindungsabschnitts 38 radial auswärts biegen und wirken auf die
Lippe 50 radial einwärts,
was wiederum dazu tendiert, eine konstante Last der Lippe 50 auf
die Oberfläche
des Schafts 12 zu erhalten.
-
Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung
ist die Tatsache, dass das Aufnahmeelement seine in 1 und 2 dargestellt
Form behält,
unabhängig
davon, ob die Dichtungsanordnung 10 in einem Gehäuse installiert
ist. Dies erlaubt dem inneren Stützkörper 80,
innerhalb des losen Rahmens zu schweben, der von der radialen Fläche 27,
dem Schaft 12, den Führungen 72 und
dem flanschseitigen Abdeckabschnitt 59 begrenzt wird. Der
innerhalb dieses Rahmens schwebende Stützkörper 80 behält dennoch
eine minimale Lücke
zwischen der zylindrischen Innenwandung 84 und dem Schaft 12 bei,
wie oben beschrieben. Diese Merkmale ergeben den Vorteil, dass die radiale
Last auf den inneren Stützkörper 80 minimalen
radialen oder seitlichen Belastungen über einen großen Bereich
von Fluiddrücken
und Schaftkonzentrizitätszuständen ausgesetzt
ist. Dieser Umstand verlängert
das Gebrauchsleben der Lippendichtungsanordnung 10 beträchtlich.
-
Zur Verwendung im inneren Stützkörper 80 der
Lippendichtung ist eine große
Vielfalt von Materialien geeignet, einschließlich Thermoplaste, Keramiken,
Nylon- oder Verbundmaterialien, Gusseisen, Metallpulverzusammensetzungen,
bronzegefülltem Polytetrafluorethylen
(PTFE). Es ist wichtig, dass das gewählte Material ausreichend fest
ist, um der Kompression unter der Durchbiegungswirkung des Schafts
zu widerstehen, die aus einem exzentrischen oder fehlangepassten
Lauf im Verhältnis
zur Bohrungsfläche 84 resultiert.
Auch ein Material sollte enthalten sein, das ausreichend selbstschmierend
ist, um ein weitgehendes Laufen gegen den Schaft bei trockenen Bedingungen
zu erlauben, so dass die Friktion minimiert wird. Wenn die Betriebsbedingungen
dies fordern, etwa im Motorraum eines Fahrzeugs, wo die Betriebstemperaturen
300°F überschreiten
können,
sind auch Materialien wie gefüllte Thermoplaste
bevorzugt. Gefüllte
und verstärkte Thermoplaste
werden wegen ihrer Festigkeit und ihrer Selbstschmierungseigenschaften
als besonders geeignet erachtet.
-
Für
durchschnittliche Fachpersonen können sich
auch andere Modifikationen erschließen, nachdem ein Verständnis für das hier
beschriebene Erfindungskonzept erreicht worden ist. Folglich ist
diese Erfindung nicht durch die hier dargestellten und beschriebenen
Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern ausschließlich
durch die folgenden Patentansprüche.