DE102008039805A1

DE102008039805A1 - Dichtring, insbesondere Radialwellendichtring, sowie Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102008039805A1
Application number: DE200810039805
Authority: DE
Inventors: Klaus-Jürgen Uhrner; Simon Carle
Original assignee: Kaco GmbH and Co KG
Current assignee: Kaco GmbH and Co KG
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2010-02-25

Abstract

Der Dichtring hat ein Dichtelement mit einem Befestigungsteil und einem Dichtteil, der eine Dichtlippe hat. Sie ist an ihrer vom abzudichtenden Medium abgewandten Seite mit einer Rückfördereinrichtung für das abzudichtende Medium versehen. Bei dem Verfahren zur Herstellung des Dichtringes wird am Dichtteil eine Rückfördereinrichtung angebracht. Um den Dichtring und das Verfahren so auszubilden, dass die Rückfördereinrichtung bei gerichtetem und wechselseitigem Drall ohne Verwendung von Stoppern eine einwandfreie Abdichtung gewährleistet, ist zur Bildung der Rückfördereinrichtung auf den Dichtteil eine Beschichtung aufgebracht. Bei dem Dichtring ist auf dem Dichtteil die Beschichtung so aufgebracht, dass im Kontaktbereich der Dichtlippe mit dem abzudichtenden Teil geometrische Strukturen entstehen, die eine Förderwirkung auf das abzudichtende Medium ausüben, durch die es in den Mediumsraum zurückgepumpt wird. Der Dichtring eignet sich bevorzugt zum Abdichten von Wellen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dichtring, insbesondere einen Radialwellendichtring, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Dichtringes nach dem Oberbegriff des Anspruches 21.
Um Leckage zu vermeiden, ist es üblich, Medium, das bereits die Dichtkante bzw. einen bestimmten Bereich der Dichtlippe passiert hat, durch einen hydrodynamischen Pumpeffekt wieder in Richtung des abzudichtenden Raumes zurückzupumpen. Bei einer Polytetrafluorethylen-Lippe geschieht dies typischerweise dadurch, dass im Bereich der Kontaktfläche der Dichtlippe ein Fördergewinde eingeprägt wird, das entsprechend seiner Steigung einen Pumpeffekt auf das abzudichtende Medium ausübt. Damit das Medium bei stehender Welle nicht zurückströmt, wird in das Fördergewinde ein Stopper eingesetzt, der den Gewindegang mindestens teilweise verschließt. Andererseits verschlechtert der Stopper deswegen auch die Wirkung des Fördergewindes. Aufgrund der Linienberührung zwischen den Gewindespitzen des Fördergewindes und der abzudichtenden Welle wirken sich Störstellen im Fördergewinde extrem negativ aus. Solche Störstellen sind bei einem entsprechenden Material, zum Beispiel einem Compound, praktisch nicht zu vermeiden. Da die Gewindegänge ca. 0,3 mm tief eingeprägt sind, wird trotz des Stoppers, der die Gewindegänge verschließen soll, keine Luftdichtheit erreicht. Dynamische Dichtheit wird mit seinem solchen Dichtring nur wegen des sehr ausgeprägten Pumpeffektes erzielt. Beim Prägen des Dralles kann leicht ein Grat am Drallauslauf entstehen, der, wenn er sich unter die Dicht lippe legt, zum Ausfall der Dichtung führen kann. Zum Prägen des Dralles ist zudem ein schwierig herzustellendes und teures Werkzeug erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Dichtring und das gattungsgemäße Verfahren so auszubilden, dass die Rückfördereinrichtung bei gerichtetem und wechselseitigem Drall ohne Verwendung von Stoppern eine einwandfreie Abdichtung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Dichtring erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und beim gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 21 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Dichtring ist auf den Dichtteil die Beschichtung so aufgebracht, dass im Kontaktbereich der Dichtlippe mit der Welle geometrische Strukturen entstehen, die eine Förderwirkung auf das abzudichtende Medium ausüben, durch die es in den Mediumraum zurückgepumpt wird. Die Beschichtung kann so aufgebracht werden, dass sie selbst die Rückfördereinrichtung bildet. Die Beschichtung kann aber auch so aufgebracht sein, dass die am Dichtteil freibleibenden Bereiche die Rückfördereinrichtung bilden.
Die Beschichtung lässt sich in einfacher Weise auf den Dichtteil aufbringen, beispielsweise aufdrucken oder aufsprühen. Das Dichtelement kann aus reinem PTFE bestehen, während die Beschichtung vorteilhaft aus verschleißfestem Material besteht.
Zur Herstellung des Dichtringes ist kein teures Prägewerkzeug erforderlich, um die Rückfördereinrichtung anzubringen. Der Dichtring gewährleistet auch bei stillstehendem Bauteil einen zuverlässigen luftdichten Abschluss ohne Einsatz von Stoppern.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
1 im Axialschnitt eine Hälfte eines erfindungsgemäßen Radialwellendichtringes,
2 bis 6 jeweils in Ansicht ein Dichtelement des erfindungsgemäßen Radialwellendichtringes mit einer Beschichtungsstruktur im Dichtungsbereich des Dichtelementes.
Der Radialwellendichtring 1 nach 1 hat ein napfförmiges Gehäuse 2, das aus Metall oder einem harten Kunststoff besteht. Das Gehäuse 2 hat einen zylindrischen Mantel 3, der in einen radial verlaufenden ebenen Boden 4 übergeht. Er hat vorteilhaft gleiche Dicke wie der Mantel 3 und weist eine zentrische Durchtrittsöffnung 5 auf, durch die bei montiertem Radialwellendichtring 1 eine Welle 6 ragt. Das freie Ende 7 des Mantels 3 ist schräg nach innen abgewinkelt.
An der Innenseite des Bodens 4 ist ein Dichtelement 8 befestigt, das aus jedem geeigneten elastomerem Material, wie beispielsweise Gummi, bestehen kann. Vorteilhaft besteht das scheibenförmige Dichtelement 8 aus Polytetrafluorethylen oder einem Polytetrafluorethylen-Compound. Das Dichtelement 8 wird mit seinem radial äußeren Bereich 9 am Gehäuseboden 4 befestigt, beispielsweise an diesem angeklebt oder anvulkanisiert. Besteht es aus Polytetrafluorethylen oder einem Polytetrafluorethylen-Compound, wird vorteilhaft mittels Plasmaaktivierung die Güte der Verbindung mit dem Gehäuseboden 4 verbessert. Das Dichtelement 8 wird aus einer Ringscheibe hergestellt (2 bis 6). Das Dichtelement 8 ragt radial über die zentrale Öffnung 5 des Gehäuses 2. Dieser radial innere Teil des Dichtelementes 8 wird in der Einbaulage unter Bildung eines Dichtteiles 10 elastisch verformt, dessen freier Endbereich eine Dichtlippe 11 bildet, mit der der Dichtteil unter radialer Vorspannung an der Welle 6 dichtend anliegt.
Mit dem Gehäuse 2 wird der Radialwellendichtring 1 in eine Einbauöffnung eines (nicht dargestellten) Maschinenteiles eingesetzt. Dabei sitzt das Gehäuse 2 mit seinem zylindrischen Mantel 3 mit Presssitz in dieser Einbauöffnung.
Der Dichtteil 10 ist an seiner der Welle 6 zugewandten Seite mit einer Rückfördereinrichtung 12 versehen, mit der unter den Dichtteil 10 gelangendes abzudichtendes Medium zurückgefördert wird. Die Rückfördereinrichtung 12 ist mindestens im Kontaktbereich der Dichtlippe 11 vorgesehen und durch eine Beschichtungsstruktur gebildet. Sie wird so auf die Dichtlippe 11 aufgebracht, dass auf das abzudichtende, unterhalb der Dichtlippe 11 liegende Medium eine Förderwirkung ausgeübt wird. Durch sie wird dieses Medium zurück in den Mediumsraum gepumpt. Anhand der 2 bis 6 werden verschiedene Ausführungsbeispiele solcher Beschichtungsstrukturen näher beschrieben.
Die Rückfördereinrichtung 12 wird durch eine Beschichtung gebildet, die auf den Dichtteil 10 durch geeignete Verfahren, wie Tampon-Druck oder Sprühen und entsprechendes Maskieren, aufgebracht wird. Dabei wird vorteilhaft nicht die gesamte Fläche des Dichtteiles 10 beschichtet, sondern nur der Kontaktbereich des Dichtteiles. Die verschiedenen Ausbildungen der Rückfördereinrichtungen 12 können durch die Beschichtung erzeugt werden, wobei die restliche Fläche des Dichtteiles 10 unbeschichtet bleibt. Es kann aber auch die restliche Fläche des Dichtteiles 10 die Beschichtung tragen. Die Förderwirkung wird immer durch die jeweils gegen das abzudichtende Medium gerichtete Begrenzung der Beschichtung (wie Begrenzungslinie 14) erzeugt.
Die Beschichtung 12 hat vorteilhafter Weise eine Dicke von nur etwa 0,5 bis etwa 5 μm, wenn Luftdichtheit im Stillstand gefordert ist. Die maximale Dicke der Beschichtung hängt vom Auftragsverfahren und den Eigenschaften der Beschichtung ab, braucht aber nicht größer zu sein als 200 μm, um eine ausreichende Förderwirkung zu erzielen.
Die Rückfördereinrichtung 12 gemäß 2 erstreckt sich über den Umfang der Dichtkante 13 des Dichtelementes 6 und erstreckt sich von der Dichtkante 13 aus radial nach innen. Die äußere Begrenzungslinie 14 verläuft über den Umfang wellenförmig. Vorteilhaft ist eine Welle höher ausgebildet als die restlichen Wellen (siehe Patentanmeldung 10 2007 045 043.7), d. h. dass der Abstand der Begrenzungslinie 14 von der Dichtkante 13 an diesem Wellenberg am größten ist. Die Wellenberge 15 und die Wellentäler 16 können jeweils gleiche Krümmung haben. Im Ausführungsbeispiel haben die Wellenberge 15 einen kleineren Krümmungsradius als die Wellentäler 16. Dadurch wird das Medium im Bereich der Wellenberge 15 rasch zur Mediumsseite zurückgefördert. Da die Rückfördereinrichtung 12, in Axialansicht gesehen, in Umfangsrichtung symmetrisch ausgebildet ist, ist sie in beiden Drehrichtungen der Welle 6 in gleichem Maße wirksam.
Beim Ausführungsbeispiel nach 3 erstreckt sich die Rückfördereinrichtung 12 von der Dichtkante 13 aus radial nach innen, allerdings über den Umfang der Dichtkante 13 in unterschiedlichem Maße. So hat die Rückfördereinrichtung 12 an der Stelle 17 die kleinste radiale Erstreckung. Die radiale Breite der Rückfördereinrichtung 12 nimmt von der Stelle 17 aus in beiden Umfangsrichtungen zu. Vorteilhaft erfolgt die Zunahme stetig und in beiden Umfangsrichtungen in gleichem Maße. Dies hat zur Folge, dass die Rückfördereinrichtung 12 an der der Stelle 17 diametral gegenüberliegenden Stelle 18 ihre größte radiale Breite hat. Auch diese Ausführungsform ist für beide Drehrichtungen der Welle 6 geeignet.
4 zeigt eine Rückfördereinrichtung 12, die spiralförmig ausgebildet ist. Sie beginnt an der Dichtkante 13 an der Stelle 19. Von hier aus nimmt die Breite der Rückfördereinrichtung 12 etwa über den halben Umfang der Dichtkante 13 stetig zu. Dann hat die spiralförmige Rückfördereinrichtung 12 konstante radiale Breite, bis sie in der letzten, äußeren Spiralbahn etwa über den halben Umfang stetig bis auf Null abnimmt. Die Abstände zwischen den einzelnen Spiralabschnitten haben beispielhaft etwa gleiche radiale Breite wie die Spiralabschnitte. Je nach Einsatzfall und/oder Gestaltung können die Spiralabschnitte und die Zwischenräume zwischen ihnen auch unterschiedliche radiale Breite haben. Die Breite der Spiralabschnitte und/oder der Zwischenräume kann aber auch variieren. Die Rückfördereinrichtung 12 ist im Gegensatz zu den Ausführungen nach 2 und 3 je nach Windungsrichtung der Spirale nur in einer Drehrichtung wirksam.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen erstreckt sich die Rückfördereinrichtung 12 über den Umfang der Dichtkante 13. 5 zeigt eine Rückfördereinrichtung 12, die aus einzelnen, mit Abstand voneinander liegenden streifenförmigen Abschnitten 20 besteht. Sie erstrecken sich von der Dichtkante 13 aus unter einem spitzen Winkel α zur zugehörigen Radialen 21 durch den in der Dichtkante 13 liegenden Fußpunkt. Die Abschnitte 20 sind über den Umfang der Dichtkante 13 vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnet. Vorteilhaft liegen alle Abschnitte 20 unter dem gleichen Winkel α schräg zur zugehörigen Radialen 21. Die Abschnitte 20 sind bevorzugt gleich lang und gleich breit. Die Breite und/oder Länge der Abschnitte 20 kann über den Umfang der Dichtkante 13 aber auch variieren. Die Abschnitte 20 haben über den Umfang der Dichtkante 13 vorteilhaft gleichen Abstand voneinander, so dass über den Umfang der Dichtlippe 11 eine gleichmäßige Rückförderung des Mediums erreicht wird. Die Abschnitte 20 sind vorteilhaft so ausgebildet und/oder angeordnet, dass sie, in Richtung der Radialen 21 gesehen, einander überlappen. Die Abschnitte 20 können aber auch so schräg angeordnet sein, dass keine Überlappung stattfindet. Die streifenförmigen Abschnitte 20 können geradlinig oder auch bogenförmig gestaltet sein.
Beim Ausführungsbeispiel nach 6 besteht die Rückfördereinrichtung 12 aus einzelnen mit Abstand nebeneinander liegenden dreieckförmigen Abschnitten 22. Sie sind vorteilhaft gleich ausgebildet und so angeordnet, dass die eine Dreiecksspitze 23 in der Dichtkante 13 liegt oder nur geringen Abstand von ihr hat. Die Abschnitte 22 sind in Bezug auf die zugehörigen, durch die Dreiecksspitze 23 gehenden Radialen 21 symmetrisch ausgebildet. Dadurch verjüngen sich die zwischen den Abschnitten 23 liegenden Freiräume 24 radial nach außen. Die Rückförderwirkung auf das Medium wird dadurch begünstigt. Die Rückfördereinrichtung 12 ist aufgrund ihrer symmetrischen Ausbildung im Gegensatz zur Ausführungsform nach 5 für beide Drehrichtungen der Welle 6 geeignet.
Bei allen beschriebenen Ausführungsformen sind die Rückfördereinrichtungen 12 nur in dem Bereich des Dichtteiles 10 vorgesehen, in dem die Rückförderwirkung erforderlich ist. Der Dichtring lässt sich darum einfach und kostengünstig fertigen.
Da die aufgebrachten, die Rückfördereinrichtung 12 bildenden Beschichtungen einerseits aus einer Verschleißschutzschicht bestehen, andererseits aber die nichtbeschichteten Bereiche, besonders bei Verwendung von Polytetrafluorethylen als Ausgangsmaterial für die Herstellung des Dichtringes, während des Betriebes schneller verschleißen, verstärkt sich der Pumpeffekt und damit die Rückförderwirkung mit zunehmender Einsatzdauer. Die Höhenunterschiede und damit der Abstand zwischen beschichteten und unbeschichteten Bereichen zur Welle 6 werden nämlich mit zunehmendem Verschleiß größer.
Die Beschichtung 12 enthält verschleißfeste Partikel, die in einem Bindematerial eingebettet sind. Solche Partikel können alle harten Partikel sein, die durch den Binder zusammengehalten werden können. Solche Partikel können SiC-Pulverteilchen, Glaskugeln, Al₂O₃-Partikel und dergleichen sein.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen kann das Dichtelement 8 aus Rein-Polytetrafluorethylen bestehen. Dies hat den Vorteil, dass der Dichtteil 10 bzw. die Dichtlippe 11 sehr dünn und flexibel – wie eine Elastomer-Dichtlippe – ausgebildet sein kann. Die fehlende Verschleißfestigkeit des Rein-Polytetrafluorethylens wird durch die verschleißfeste Beschichtung 12 kompensiert.
Eine weitere Verbesserung bezüglich Reibung wird vorteilhaft erreicht, wenn die Beschichtung 12 zusätzlich reibungsreduzierende Eigenschaften hat, wie zum Beispiel eine DLC(Diamond Like Carbon)-Beschichtung.

Claims

Dichtring, insbesondere Radialwellendichtring, mit einem Dichtelement, das wenigstens einen Befestigungsteil und wenigstens einen Dichtteil aufweist, der mindestens eine Dichtlippe hat, die an ihrer vom abzudichtenden Medium abgewandten Seite mit einer Rückfördereinrichtung für das abzudichtende Medium versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Rückfördereinrichtung (12) auf den Dichtteil (10) eine Beschichtung aufgebracht ist.
Dichtring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) die Rückfördereinrichtung bildet.
Dichtring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückfördereinrichtung (12) durch von der Beschichtung ausgesparte Bereiche des Dichtteiles (10) gebildet ist.
Dichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf der der Welle zugewandten Seite des Dichtelementes (8) vorgesehen ist.
Dichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Dicke zwischen etwa 0,5 μm und 5 μm hat.
Dichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Verschleiß schutzschicht ist und/oder eine reibungsreduzierende Schicht ist
Dichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung harte Partikel aufweist, die in einem Binder enthalten sind.
Dichtring nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die harten Partikel SiC-Pulverteilchen sind.
Dichtring nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die harten Partikel Glaskugeln sind.
Dichtring nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die harten Partikel Al₂O₃-Partikel sind.
Dichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (10) aus Gummi besteht.
Dichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (8) aus Polytetrafluorethylen besteht.
Dichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich wahlweise die Beschichtung oder der beschichtungsfreie Teil von der Dichtkante (13) des Dichtteiles (10) aus erstreckt.
Dichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung über den Umfang des Dichtteiles (10) eine geschlossene Form hat.
Dichtring nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung in Umfangsrichtung des Dichtteiles (10) wellenförmig verläuft.
Dichtring nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung spiralförmig verläuft.
Dichtring nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus in Umfangsrichtung des Dichtteiles (10) mit Abstand voneinander liegenden Abschnitten (20, 22) besteht.
Dichtring nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (20) streifenförmig ausgebildet sind.
Dichtring nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die streifenförmigen Abschnitte (20) schräg zur Radialen (21) liegen.
Dichtring nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die streifenförmigen Abschnitte (20) derart schräg zur Radialen (21) liegen, dass sie, in Radialrichtung gesehen, einander überlappen.
Verfahren zur Herstellung eines Dichtringes nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem am Dichtteil des Dichtelementes eine Rückfördereinrichtung angebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Rückfördereinrichtung (12) auf den Dichtteil (10) eine Beschichtung aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung im Druckverfahren, vorzugsweise im Tampon-Druckverfahren, aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf den Dichtteil (10) gesprüht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das aus PFTE bestehende Dichtelement (8) vor dem Aufbringen der Beschichtung einer Plasmabehandlung unterzogen wird.