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Äußere Dichtungen

Bei Lageranordnungen, bei denen die Abdichtung unter den gegebenen Betriebsbedingungen wichtiger ist als der Platzbedarf oder die Kosten, gibt es zwei externe Dichtungsbauformen zur Auswahl: berührungslose Dichtungen (Bild 1) und berührende Dichtungen (Bild 2).
Für Dichtungen, die nicht von SKF angeboten werden, sind die Informationen in dem folgenden Abschnitt lediglich als Orientierung zu betrachten. Vor dem endgültigen Einsatz dieser Dichtungen empfiehlt es sich deshalb, deren Leistungsmerkmale eingehend zu prüfen. SKF kann für die einwandfreie Funktion dieser Dichtungen keine Verantwortung übernehmen.
Berührungsfreie Dichtungen

Bei Genauigkeitsanwendungsfällen mit hohen Drehzahlen kommen fast immer berührungslose Dichtungen zum Einsatz. Deren Wirkungsweise beruht im Prinzip auf der Dichtwirkung eines engen Spalts zwischen Welle und Gehäuse. Berührungslose Dichtungen weisen praktisch keine Reibung und keinen Verschleiß auf und begrenzen daher auch nicht die zulässige Drehzahl, wodurch sie eine ausgezeichnete Lösung für Werkzeugmaschinen sind.

Die erhältlichen Dichtungsausführungen reichen von einfachen Spaltdichtungen bis zu mehrstufigen Labyrinthdichtungen (Bild 1). Mehrstufige Labyrinthdichtungen sind erheblich wirksamer als Spaltdichtungen. Sie weisen mehrere sich axial und radial überkreuzende Komponenten auf, wodurch es für Verunreinigungen und Schneidflüssigkeit schwieriger wird, in das Lager einzudringen.

In stark kontaminierten Umgebungen wird häufig eine komplexe Labyrinthdichtung verwendet. Labyrinthdichtungen haben mindestens drei Stufen, die den Schmierstoff im Lager halten und das Eindringen von Verunreinigungen verhindern. Die Funktionsweise einer hochwirksamen Labyrinthdichtung ist in Bild 3 dargestellt. Die Dichtung ist in drei Schutzstufen unterteilt:

  • Primärstufe
  • Sekundärstufe
  • Endstufe

Diese Ausführung mit Ablasskammern und Rückstandssammlern geht auf Studien der Technischen Universität Stuttgart zurück.

Die Primärstufe umfasst einen Tropfwasserschutz (1), einen Gehäusedeckel (2) und die Welle, die gemeinsam ein Labyrinth bilden. Der Tropfwasserschutz nutzt die Zentrifugalkraft, um Verunreinigungen vom Deckel wegzuschleudern. Der Gehäusedeckel verhindert das direkte Eindringen von Verunreinigungen in das Labyrinth. Der radiale Spalt (3) zwischen Gehäusedeckel und Welle sollte 0,1 bis 0,2 mm breit sein.

Flüssigkeiten, die die Primärstufe überwunden haben, werden von der Sekundärstufe gesammelt und abtransportiert. Die Stufe beginnt mit Umfangsnuten auf der Welle (4). Ihre zentralen Konstruktionsmerkmale sind die große Ablasskammer (5) und die Austrittsöffnung (6). Umfangsnuten unterstützen den Abtransport von Flüssigkeit im Ruhezustand, die dann – statt an der Welle entlang zu laufen – in die Ablasskammer tropft. Bei Rotieren der Welle wird die Flüssigkeit fortgeschleudert, in der Ablasskammer gesammelt und über die Austrittsöffnung abgelassen. Große Ablassöffnungen (ca. 250 mm²) im Sammelbereich begrenzen die Flüssigkeitsmenge, die sich in der Kammer ansammelt.

Einige Merkmale der Primärstufe werden in der Endstufe wieder aufgegriffen. Sie besteht aus Labyrinth-Ringen (7) mit radialen Spalten von 0,2 bis 0,3 mm Breite, aus einer Flüssigkeitsrückhaltekammer (8), aus einem Sammler (9) zum Transport der Flüssigkeit in den Ablassbereich und aus einer Austrittsöffnung (10) mit einem Ablassbereich von ca. 150 mm2. Bei ausreichend Platz können eine weitere Kammer, ein Sammler und eine Ablaufbohrung von ca. 50 mm2 (11) vorgesehen werden. Der letzte Radialspalt (12) sollte dabei ca. 1 mm breit sein, um eine Kapillarwirkung zu verhindern.

Bei der Gestaltung solcher Dichtungsanordnungen sind folgende Aspekte zu berücksichtigen:

  • Zur Vermeidung interner Pumpeffekte müssen die Labyrinthkomponenten von außen nach innen einen schrittweise verkleinerten Durchmesser aufweisen.
  • Spiralrillen an rotierenden Komponenten können Flüssigkeiten sehr effektiv in beide axialen Richtungen bewegen, je nach Ausführung und Rotationsrichtung. Hierdurch lässt sich bei einseitig wirkenden Anwendungen und bei vorsichtiger Eingliederung in die Konstruktion die Effektivität von Spalt- oder Labyrinthdichtungen erhöhen. Spiralrillen an rotierenden Komponenten von Spalt- oder Labyrinthdichtungen sollten jedoch vermieden werden, wenn die Anwendung in beide Richtungen rotiert oder wenn bei einseitig wirkenden Anwendungen der Effektivität der Dichtung entgegengewirkt werden würde.
  • Bei schwierigen Betriebsbedingungen kann durch starkes Einblasen von Luft in die Labyrinthspalten bzw. in die Spindel eine Luftbarriere erzeugt werden. Der Luftstrom muss dabei aber so ausgeglichen werden, dass der vorherrschende Strom immer nach außen gerichtet ist.
  • Ein Dichtungssystem, das bevorzugt den axialen Platz belegt, ist vorzuziehen, da es große Ablassbereiche ermöglicht und die Sammler direkt in das System integriert werden können. In diesen Fällen ist die Spindel infolge des großen Überstands der vorderen Lager (und der Angriffsfläche der Spankraft) jedoch weniger starr.
Dichtscheiben

Berührende Dichtungen (Bild 4) dichten in der Regel sehr zuverlässig ab. Ihr Wirkungsgrad ist jedoch von mehreren Faktoren abhängig, darunter:

  • Dichtungsausführung / Dichtungswerkstoff
  • Kontaktdruck
  • Oberflächengüte der Gegenlauffläche
  • Zustand der Dichtlippe
  • Vorhandensein von Schmierstoff zwischen Dichtlippe und Gegenlauffläche

Die Reibung der Dichtung auf der Gegenlauffläche kann bei hohen Drehzahlen (A ≥ 2 Mio. mm/min) zu einer beträchtlichen Wärmeerzeugung führen. Aus diesem Grund lassen sich derartige Dichtungen nur für Spindeln mit niedrigeren Drehzahlen verwenden und/oder für Anwendungen, bei denen sich die zusätzliche Wärme nicht wesentlich auf die Spindelleistung auswirkt.

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