DE1090905B - Faltmanschette zur Durchfuehrung einer verdrehbaren Welle - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Abdichtungen zur Durchführung einer Welle, die sich um einen gewissen Winkel um ihre Achse drehen kann, durch eine zwei Räume unterschiedlichen Drucks trennende Wand, beispielsweise die Wand eines unter hohem Druck stehenden Gefäßes.

Die in der Praxis allgemein gebräuchlichen Wellenabdichtungen haben die Form einer die Welle schlauchartig mit Spannung umfassenden Manschette mit einem Kragen, der zum Einspannen in der betreffenden Wand dient. Im Unterschied zu Stopfbuchsendurchführungen ergibt eine solche die Welle mit Spannung umfassende Manschette eine vollkommene Abdichtung gegenüber der verdrehbaren Welle, während andererseits der in der ruhenden Wand eingespannte Kragen, der meist die Form einer flachen Scheibe aufweist, eine einwandfreie Abdichtung gegenüber dieser Wand bewirkt. Selbstverständlich sind solche Durchführungen nicht für umlaufende Wellen geeignet, sondern ausschließlich für Wellen, die sich um ihre Achse nur um einen beschränkten Winkel drehen müssen. Dieser Fall liegt beispielsweise vor, wenn es sich darum handelt, aus einem unter Druck stehenden Behälter Meßgrößen (ζ. B. den Stand eines Schwimmers) nach außen zu übertragen. Die Welle muß hierbei durch die Behälterwandung zuverlässig dicht hindurchgeführt werden. Die Drehbewegung der Welle wird durch eine entsprechende Verdrehung der aus nachgiebigem Material bestehenden Dichtungsmanschette aufgenommen.

Diese gebräuchlichen Dichtungsmanschetten haben den Nachteil, daß die übertragbaren Drehwinkel verhältnismäßig klein sind, beispielsweise höchstens 10 bis 20° betragen, und daß die erforderlichen Verstellkräfte infolge des Torsionswiderstandes der Manschette unerwünscht groß sind.

Aus diesem Grunde sind schon Vorschläge gemacht worden, die den Zweck verfolgten, die übertragbaren Drehwinkel zu vergrößern und den Torsionswiderstand zu verkleinern, und zwar dadurch, daß das Schlauchende nach innen umgestülpt wird, so daß eine solche Dichtung die Form einer Faltmanschette aufweist. Hierbei ist das äußere Ende der Faltmanschette in der Wand eingespannt, während das andere, nach innen umgestülpte Ende die Welle mit Spannung umfaßt. Eine solche Faltmanschette weist also zwei koaxial in geringem radialem Abstand voneinander angeordnete, zusammenhängende Wandteile auf. Es sind auch Ausführungsformen mit mehrfachen Umstülpungen bekanntgeworden, bei denen die Zahl der koaxialen Wandteile entsprechend größer ist. Diese Vorschläge haben in der Praxis aber keinen, zumindest keinen nennenswerten Eingang gefunden. Der Grund hierfür liegt offenbar darin, daß die vorgeschlagenen Aus-Faltmanschette zur Durchführung
einer verdrehbaren Welle

Anmelder:

Hannemann Kommandit-Gesellschaft,
Berlin-Frohnau, Minheimer Str. 48-50

Arndt Stange, Berlin-Frohnau,
ist als Erfinder genannt worden

führungsformen nicht geeignet waren, größere Druckdifferenzen aufzunehmen. Hierauf aber kommt es gerade entscheidend an, weil bei vielen technischen Anwendungsgebieten, für die solche Durchführungen benötigt werden, ganz erhebliche Druckdifferenzen auftreten.

Die Erfindung ist von der Aufgabe ausgegangen, die bisher bekannten Ausführungsformen zu verbessern und eine zuverlässig abdichtende Durchführung auch für Fälle hoher Druckdifferenzen zu schaffen. Zu diesem Zweck macht die Faltmanschette gemäß der Erfindung von den vorstehend beschriebenen, bereits bekannten Merkmalen Gebrauch, unterscheidet sich gegenüber den bekannten Faltmanschetten aber dadurch, daß der von den Wandteilen eingeschlossene Hohlraum nach der Seite des niedrigeren Drucks hin offen ist und daß dieser Hohlraum durch eine Armierung in Form eines Ringes von entsprechender Wandstärke ausgefüllt ist. Für die neue Faltmanschette sind also zwei Merkmale wesentlich, die in Kombination mit den bekannten Merkmalen eine zuverlässige Abdichtung selbst unter hohen Druckdifferenzen ergeben.

Zunächst einmal ist also wichtig, daß der Hohlraum zwischen den beiden Wandteilen nach der Seite des niedrigeren Drucks hin offen ist, daß also das die Welle umfassende Schlauchende in Richtung des Druckgefälles zeigt und somit in dieser Richtung gedrückt wird. Bei den früher vorgeschlagenen Faltmanschetten zeigte das innere Ende in Richtung zur Seite höheren Drucks und würde daher bei Verwendung unter hohen Druckdifferenzen einfach herausgestülpt werden.

Hinzu kommt, daß die Armierung, die den genannten Hohlraum ausfüllt, die beiden Wandteile also gegeneinander abstützt, dem ganzen Gebilde trotz Aufrechterhai tung der Beweglichkeit diejenige Formfestigkeit

009 627/229

verleiht, die ein einwandfreies Arbeiten auch bei höchsten Druckdifferenzen ermöglicht.

Auch bei der Faltmanschette gemäß der Erfindung kann man den Manschettenschlauch mehrfach hin- und zurückstülpen, so daß der Grad der Verdrehbarkeit erhöht und der Torsionswiderstand entsprechend verringert wird. So ist es beispielsweise mit einer Faltmanschette, die insgesamt vier konzentrische Wandungen aufweist, ohne weiteres möglich, unter Aufwendung geringer Kräfte Drehwinkel bis zu 360° zu erzielen, was in der Regel gar nicht einmal benötigt wird.

Zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens sind in der Zeichnung drei Ausführungsbeispiele dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Faltmanschette gemäß der Erfindung mit einmaliger Einstülpung, also zwei koaxialen Wänden;

Fig. 2 stellt eine Faltmanschette für höhere Anforderungen dar, bei der eine doppelte Einstülpung vorgenommen ist, so daß die Manschette also insgesamt vier koaxiale, miteinander zusammenhängende Wände aufweist;

Fig. 3 schließlich stellt ebenfalls eine Faltmanschette mit doppelter Einstülpung dar, und zwar in einer durch Wälzlager verbesserten Ausführungsform.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 handelt es sich um eine Durchführung für eine Welle 1 durch eine feste Wand 2. Hierbei möge es sich um die Wand eines unter Druck stehenden Behälters handeln, und zwar ist der unter Druck stehende Innenraum oben angenommen, so daß also die Außenseite in der Zeichnung unten liegt und der rechts gezeichnete Pfeil die Richtung des Druckgefälles andeutet.

Die Manschette kann man sich als etwa zylindrischen Schlauch vorstellen, der von einem scheibenförmigen Einspannkragen 3 ausgeht und mit seinem freien, verjüngten Ende nach innen hineingestülpt ist, so daß dieser innere Schlauchteil 4 sich unmittelbar und fest um die Welle 1 schließt, während der äußere Teil 5 der Manschette den inneren Teil 4 in gewissem Abstand konzentrisch umhüllt. Festgehalten wird die Abdichtung 3/4/5 mittels einer Haltevorrichtung 6, die beispielsweise eine mittels Schraubenbolzen befestigte Klemmplatte sein möge.

In den Hohlraum 7 zwischen den beiden Manschettenwandungen 4 und 5 ist zur Erzielung größerer Festigkeit ein Armierungsring 8 eingeschoben. Dieser weist also ebenfalls etwa die Form eines Hohlzylinders auf, dessen Wandstärke der lichten Weite des Hohlraumes 7 entspricht. Zweckmäßig ist es, die Manschette so auszubilden und zu bemessen, daß der ringförmige Hohlraum 7 sich zu seinem Grunde hin — in der Zeichnung also nach oben —■ verjüngt. Dementsprechend verjüngt sich auch der Armierungsring 8 in Richtung zu seiner oben gezeichneten Randkante, die beim Einschieben vorn liegt.

Zur Erzielung einer guten Beweglichkeit ist es weiterhin zweckmäßig, die Höhe des Armierungsringes, gemessen in axialer Richtung, etwas geringer zu halten als die Tiefe des Ringspaltes 7, so daß, wie aus der Zeichnung ersichtlich, vor der Randkante des eingeschobenen Ringes noch ein freier Raum verbleibt.

Der oberhalb der Dichtung herrschende hohe Druck wirkt auf die Manschette in dem Sinne, daß er das umgestülpte Ende hineindrückt. Ist der Armierungsring 8 an seinem druckabgewandten Ende mit einem Bund 9 versehen, der sich bis auf den Wellendurchmesser verengt, die Welle also eng umschließt und somit das Ende des inneren Schlauchteiles 4 stirnseitig abstützt, so bedeutet dieses Hineinpressen des Schlauchendes 4 in den Ringspalt zwischen Armierungsring 8 und Welle 1 eine außerordentlich gute Abdichtung.

Die Faltmanschette ist auf der druckabgewandten Seite, die sich gegen die Wand 2 abstützt, durch eine Kreisringscheibe 10 abgedeckt. Diese Scheibe ist zweckmäßigerweise aus einem Material guter Gleitfähigkeit gefertigt. So gibt es beispielsweise Kunststoff von wachs- bzw. hornähnlichen Eigenschaften. Unter diesen ist die organische Fluorverbindung PoIytetrafluoräthylen besonders geeignet. Hierdurch werden also die Reibung und dementsprechend auch die Abnutzung der drehbeweglichen Teile wesentlich vermindert. Statt dessen bzw. zusätzlich kann man die Flächen der druckabgewandten Seite auch mit einem Gleitmittel, beispielsweise in Pasten- oder Pulverform, versehen.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist mit einer

ao doppelten Faltung ausgestattet und ist daher für solche Fälle bestimmt, in denen ein größerer Drehwinkel möglich gemacht werden muß. Soweit es sich um übereinstimmende Teile handelt, sind die gleichen Kennziffern benutzt, und auch der rechts gezeichnete Pfeil deutet wieder die Richtung des Druckgefälles an. Der unter hohem Druck stehende Innenraum des Behälters, durch dessen Wand 2 die Welle 1 hindurchgeführt wird, liegt also auch hier wieder oben. Das Festklemmen erfolgt auch hier mittels einer Klemmplatte 6, die den Kragen 3 der Faltmanschette anpreßt. Zur Verminderung der Reibung ist auch hier auf der druckabgewandten Seite eine flache Kreisringscheibe 10 aus einem Material geringer Reibung vorgesehen.

Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel besteht ferner insofern, als die Welle 1 von dem eingestülpten Schlauchende 4 unter Spannung umfaßt ist und daß in den Hohlraum 7 zwischen diesem inneren Schlauchende und dem anschließenden Schlauchteil 5 ein Armierungsring 8 mit Bund 9 eingeschoben ist. Es geht dieser Schlauchteil 5 aber nicht in den Kragen 3 über, vielmehr schließen sich über eine verstärkte und dadurch versteifte Übergangszone 11 nochmals ein koaxialer Teil 12 und an diesem wiederum ein koaxialer Teil 13 an, der seinerseits dann erst den Einspannkragen 3 trägt. In den ringförmigen Hohlraum 14 zwischen diesen beiden zusätzlich angefügten Faltenringen 12 und 13 ist ebenfalls ein Armierungsring 15 eingeschoben. Auf diesen trifft hinsichtlich der verjüngten Ausbildung das gleiche zu wie zu dem Armierungsring 8. Ein Bund entsprechend dem Bund 9 ist jedoch nicht vorgesehen, vielmehr stützt sich der Faltenrand 11 unmittelbar auf die Unterlegscheibe 10 (bzw. die Wand 2, wenn eine solche Scheibe 10 nicht vorgesehen ist).

In dieser Weise könnte die Zahl der Falten selbstverständlich noch weiter vergrößert werden, jedoch ist dieses in der Regel nicht erforderlich, da meist mit einer einzigen Falte gemäß Fig. 1 und bei höheren Anforderungen mit einer Doppelfalte gemäß Fig. 2 die erforderlichen Torsionswinkel möglich gemacht werden. Der Nutzen einer weiteren Steigerung der Faltenzahl würde also in erster Linie in einer Verringerung der erforderlichen Torsionskräfte zu sehen sein, was in Sonderfällen von Wert sein mag. Auch bei Faltmanschetten mit mehr als zwei Falten wäre zur Abstützung jeweils in die druckabgewandten ringförmigen Hohlräume ein Armierungsring einzusetzen. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 stellt eine Fortentwicklung desjenigen nach Fig. 2 dar, und zwar

ist mit Hilfe von Wälzlagern —· in diesem Falle Kugellagern 16 —■ die Reibung noch weiter verringert. Da auch bei dieser Darstellung die Seite höheren Drucks wieder oben angenommen ist, wie der linke Pfeil zeigt, ist ersichtlich, daß die Armierungen 8 und 15 wie auch der verstärkte Teil 11 der Faltmanschette stark gegen die Wand 2 drücken. Durch ein solches Wälzlager 16 kann die Reibung also noch mehr vermindert werden, als es gemäß den beiden ersten Ausführungsbeispielen durch die Unterlegscheiben 10 bzw. auch durch die Verwendung von Gleitmitteln möglich ist.

Wenn die Armierungen 8 und 15 die erforderliche Härte aufweisen, beispielsweise aus Metall bestehen, können ihre der Wand 2 zugewandten Flächen unmittelbar als Laufflächen für die Kugeln 16 dienen. Bei der Verstärkung 11, die, wie die ganze Faltmanschette aus nachgiebigem Werkstoff besteht, ist ein besonderer Laufring 17 üblicher Art vorgesehen.

Für die Faltmanschette kommen die gleichen Werkstoffe wie bisher in Frage, beispielsweise also natürlicher und künstlicher Gummi sowie elastische Kunststoffe. Die Armierungsringe werden vorzugsweise aus Metall hergestellt, können aber auch aus Kunststoff bestehen, insbesondere aus Kunststoff mit Gewebe- oder Faserstoffeinlage. Die Kreisringscheibe 10, zu der geeignete Werkstoffe bereits bekannt sind, braucht nicht aus einem einzigen Stück zu bestehen. Sie kann unterteilt sein, und zwar beispielsweise so, daß jeder Ringteil für sich unabhängig gleitend oder rollend drehungsfähig ist.

Es ist ferner vorteilhaft, den Armierungsring 8 auf seiner der Welle 1 zugewandten Fläche mit der Manschette, also dem inneren Schlauch 4, fest zu verbinden. Dieses kann beispielsweise durch Einvulkanisieren geschehen.

Vergleicht man die bisher gebräuchlichen Ausführungsformen mit der vorstehend erläuterten Faltmanschette gemäß der Erfindung, so zeigt sich, daß letztere außer den bereits erwähnten Vorzügen größerer Torsionswinkel bzw. kleinerer Verstellkräfte noch eine ganze Reihe anderer Vorteile aufweist. Es hat sich bei den gebräuchlichen Ausführungsformen als sehr nachteilig bemerkbar gemacht, daß das abzudichtende Medium Quellungen des Materials verursacht, die sich dort sehr schädlich auswirken. Es kann nämlich eine Weitung des schlauchartigen Teiles eintreten, und die Manschette wird undicht. Ist der innere schlauchartige Teil der Faltmanschette aber von außen fest umspannt, so daß eine Weitung nicht eintreten kann, dann führt die Quellung des Materials nur zu einer Erhöhung der Pressung und Dichtwirkung. Es ist hierbei auch die Tatsache zu berücksichtigen, daß bei den bekannten nicht armierten Manschetten die Quellung sehr begünstigt wird, denn das Gefüge erhält durch die auftretenden Zugspannungen eine größere Aufnahmefähigkeit für die abzudichtende Flüssigkeit. Da der Bewegungsspalt zwischen der Welle und dem abstützenden metallischen Deckel gegen hohe Drücke abgedichtet werden soll, während andererseits der weich-elastische Stoff auf Grund dieser Eigenschaft nur eine geringe Festigkeit besitzt, muß der schlauchartige Teil eine hohe Schichtstärke aufweisen. Durch diese hohe Schichtstärke ergeben sich unerwünschte Einflüsse auf die Regelung.

Gegenüber dieser bekannten Ausführungsform ist bei der erfindungsgemäßen Faltmanschette die Torsionsfederlänge infolge der faltenartigen Aufgliederung in mehrere koaxial ineinander liegende Schlauchteile vergrößert, bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. letwa auf das Doppelte, bei denjenigen gemäß Fig. 2 und 3 etwa auf das Vierfache. Die Abstützung der Falten mittels der Armierungsringe läßt auch für Fälle höherer Belastung noch eine Verminderung der Wandstärke zu, was ebenfalls eine Verringerung der Torsionskräfte bedeutet. Das Schlauchende 4, das in den ringförmigen Spalt hineingepreßt wird, ist nicht in der Lage, Quellflüssigkeit aufzunehmen. Eine Quellung an der Übergangsstelle aber bewirkt sogar eine Verbesserung der Abdichtung. Soweit überhaupt Quellungen auftreten, können diese infolge der dünnen Wandstärke die Bewegungskräfte jedenfalls nicht beeinträchtigen. Der Hauptvorteil aber besteht in der Vergrößerung des Torsionswinkels und der Verkleinerung der Torsionskräfte.

Claims (13)

Patentansprüche-.

1. Wellenabdichtung zur Durchführung einer Welle, die sich um einen gewissen Winkel um ihre Achse drehen kann, durch eine zwei Räume unterschiedlichen Drucks trennende Wand, in Form einer Faltmanschette, die mit ihrem einen Ende in der Wand eingespannt ist, während ihr anderes Ende nach innen umgestülpt ist und die Welle mit Spannung umfaßt, so daß die Manschette zumindest zwei koaxial in geringem radialem Abstand voneinander angeordnete, zusammenhängende Wandteile aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Wandteilen (4, 5) eingeschlossene Hohlraum (7) nach der Seite des niedrigeren Drucks hin offen ist und daß dieser Hohlraum (7) durch eine Armierung (8) in Form eines Ringes von entsprechender Wandstärke ausgefüllt ist.

2. Faltmanschette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Seite niedrigeren Drucks eine flache Kreisringscheibe (10) angeordnet ist, die beispielsweise aus einem Kunststoff von guter Gleitfähigkeit besteht.

3. Faltmanschette nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisringscheibe (10) unterteilt ist, wobei jeder Ringteil für sich unabhängig gleitend oder rollend drehungsfähig ist.

4. Faltmanschette nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Armierungsring (8) an seinem zur Seite niedrigeren Drucks weisenden Ende einen Bund (9) trägt, der bis auf den Wellendurchmesser verengt ist und somit das innere Manschettenende stirnseitig abstützt.

5. Faltmanschette nach einem der vorangehenden Ansprüche, deren Schlauch mehrfach hin- und zurückgestülpt ist, so daß er vier oder mehr koaxial in geringem radialem Abstand voneinander angeordnete, zusammenhängende Wandteile aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in alle zur Seite niedrigeren Drucks weisenden Hohlräume (7, 14) Armierungsringe (8, 15) eingelegt sind.

6. Faltmanschette nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Seite niedrigeren Drucks befindlichen Hohlräume sich zum Grunde hin verjüngen und daß dementsprechend auch die Armierungsringe in Richtung zu ihrer beim Einschieben vorn liegenden Randkante (Richtung zur Seite höheren Drucks) schwach konisch verjüngt sind.

7. Faltmanschette nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die

Armierungsringe (8, 15) in achsparalleler Richtung niedriger sind als die sie aufnehmenden ringförmigen Hohlräume (7, 14), so daß die Ringe in Abstand vor dem Boden der Falten enden.

8. Faltmanschette nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Seite niedrigeren Drucks liegenden Umlenkbögen (11) der Faltmanschette verstärkt ausgebildet und dadurch in radialer Richtung versteift sind. ίο

9. Faltmanschette nach einem der vorangehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Seite niedrigeren Drucks liegenden Flächen mit einem Gleitmittel, beispielsweise in Pastenoder Pulverform, versehen sind.

10. Faltmanschette nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierungsringe (8_, 15) aus Metall bestehen.

11. Faltmanschette nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierungs-

ringe (8, 15) aus Kunststoff mit Gewebe- oder Faserstoffeinlage bestehen.

12. Faltmanschette nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierungsteile (8, 15) und die Verstärkungen der Faltmanschette (11, 17) in der Abstützebene mit vorzugsweise axialen Wälzlagerelementen (16) versehen und dadurch unabhängig voneinander beweglich gemacht sind.

13. Faltmanschette nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Armierungsring (8) auf seiner der Welle zugewandten Seite mit der Manschette fest verbunden ist, beispielsweise durch" Einvulkanisieren.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 747 276;
USA.-Patentschriften Nr. 2 267 930, 2 161 003;
britische Patentschrift Nr. 692 097;
französische Patentschrift Nr. 944 434.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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