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Labyrinthdichtung Berühungslose Dichtungen für Spindellager

| Redakteur: Jan Vollmuth

Für den Schutz von Spindellagern gegen Verunreinigungen gibt es keine etablierte Standardlösung. Eine berührungslose Labyrinthdichtung schafft Abhilfe.

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Labyrinthdichtungen sind eine gute Lösung für berührungsloses Dichten.
Labyrinthdichtungen sind eine gute Lösung für berührungsloses Dichten.
(Bild: GMN Paul Müller Industrie)

Um die globale Wettbewerbsfähigkeit aufrecht zu erhalten, müssen die Produktivität einer Werkzeugmaschine sowie die Qualität gefertigter Werkstücke gesteigert werden. Auch die Energieeffizienz spielt eine zunehmend große Rolle.

Aus diesen typischen Rahmenbedingungen lassen sich konkrete Anforderungen an moderne Werkzeugmaschinen ableiten. Aus einer Leistungssteigerung folgen beispielsweise höhere Bearbeitungskräfte oder höhere Drehzahlen und daraus ergeben sich wiederum anspruchsvolle Anforderungen an die Lagerung und die Abdichtung.

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Das Problem mit der Labyrinthdichtung

Für den Schutz der Spindellager gegen Verunreinigungen und Kühlschmierstoffe aus dem Arbeitsbereich der Werkzeugmaschinen gibt es keine Standardlösung. Eine Variante ist es, Spindellager abzudichten oder zu deckeln. Doch das ist in vielen Fällen nicht möglich.

Daher treiben viele Hersteller durch eine Labyrinthdichtung oder Spaltdichtung der Marke Eigenbau – oftmals mit Sperrluftunterstützung – enormen Aufwand, um zu einer zuverlässigen Abdichtung zu kommen.

Produkt-Tipp

GMN Paul Müller Industrie hat sich mit dieser konkreten Aufgabenstellung auseinandergesetzt. Unter Berücksichtigung der Konstruktionsrichtlinien für Labyrinthdichtungen des Instituts für Maschinenelemente (IMA) der Universität Stuttgart entstand zunächst ein Prototyp, der dann in einem Design-to-standards-Prozess optimiert wurde. Das Ergebnis dieser Entwicklung ist die Labyrinthdichtung von GMN der Baureihe CF.

Wie eine Labyrinthdichtung funktioniert

Eine Labyrinthdichtung, als Stolperbundlabyrinth ausgeführt.
Eine Labyrinthdichtung, als Stolperbundlabyrinth ausgeführt.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Wie der Name schon sagt, ist die Idee hinter einer Labyrinthdichtung, dass sich Staub und anderer Dreck in den zick-zack-artigen Labyrinthwegen der Dichtung durch den erhöhten Strömungswiderstand verfangen. Ein großer Vorteil der Labyrinthdichtungen ist, dass sie verschließfrei sind. Einsatz finden sie vor allem in Getrieben und im Gasturbinenbau.

Da Labyrinthdichtungen sehr teuer sind, finden sie nur in Anwendungen Einsatz, in denen es keine Alternative gibt. Bei allen anderen Anwendungen werden wesentlich günstigere Dichtungen anderer Bauart verwendet.

Aufbau der Labyrinthdichtung

Das Labyrinthprofil der CF-Dichtung besteht aus einer optimierten Abfolge von Radial- und Axialspalten, die das Überwinden des Labyrinths extrem erschweren und darüber hinaus durch Ausnutzung der Fliehkraft in der Rotation eine rückfördernde Wirkung entfalten. Hier die GMN Labyrinthdichtung Baureihe CF 60 / CF 619.
Das Labyrinthprofil der CF-Dichtung besteht aus einer optimierten Abfolge von Radial- und Axialspalten, die das Überwinden des Labyrinths extrem erschweren und darüber hinaus durch Ausnutzung der Fliehkraft in der Rotation eine rückfördernde Wirkung entfalten. Hier die GMN Labyrinthdichtung Baureihe CF 60 / CF 619.
(Bild: GMN Paul Müller Industrie)

Das Labyrinthprofil der CF-Dichtung von GMN besteht aus einer optimierten Abfolge von Radial- und Axialspalten, die das Überwinden des Labyrinths extrem erschweren und darüber hinaus durch Ausnutzung der Fliehkraft in der Rotation eine rückfördernde Wirkung entfalten. Eine Fangrinne am Ende des Labyrinths erhöht die Dichtheit auch im Stillstand bei stehender Welle.

Die CF-Labyrinthdichtung zeigt laut Hersteller im Versuch gute Ergebnisse. Zur Überprüfung der Wirksamkeit der Dichtwirkung wird dazu der Dichtspalt mit einer öligen Emulsion mit 6 bar Druck aus nächster Nähe direkt beaufschlagt. Sowohl im Stillstand als auch in der Rotation wird bei diesem Versuch ohne Sperrluft absolute Dichtheit erzielt.

Labyrinthdichtung aus Stahl

Die CF-Labyrinthdichtung wird aus einem Nitrierstahl gefertigt, gehärtet und plangeschliffen und lässt sich daher direkt im Pressverbund neben dem Spindellager anordnen. Die Vorspannkraft des Spindellagers kann somit direkt über die Dichtung auf das Lager aufgebracht werden. Darüber hinaus kommt die Labyrinthdichtung in allen Abmessungen mit einer konstanten Baubreite von 6 mm aus. Durch diese platzsparende Lösung kann der Lagerabstand vergrößert und damit die Steifigkeit der Maschinenspindel erhöht werden.

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Montage der Labyrinthdichtung

Die Montage und Ausrichtung der CF-Labyrinthdichtung am Spindellager soll laut Hersteller einfach sein: Der Innen- und Außenring werden mit einer Montagehilfe gemeinsam neben dem Lager eingepresst.
Die Montage und Ausrichtung der CF-Labyrinthdichtung am Spindellager soll laut Hersteller einfach sein: Der Innen- und Außenring werden mit einer Montagehilfe gemeinsam neben dem Lager eingepresst.
(Bild: GMN Paul Müller Industrie)

Die Abmessungen und Einbautoleranzen der Labyrinthdichtung von GMN orientieren sich an den Abmessungen der abzudichtenden Spindellager. Verfügbar sind derzeit in der 60er (bzw. 70er) Lagerreihe die Baugrößen 6004 bis 6020 sowie in der 619er-, bzw. 719er-Lagerreihe die Abmessungen 61908 bis 61916.

Die Montage und Ausrichtung der CF-Labyrinthdichtung am Spindellager soll laut Hersteller einfach sein: Der Innen- und Außenring werden mit einer Montagehilfe gemeinsam neben dem Lager eingepresst. Die beiden Ringe sind damit mittig zueinander ausgerichtet und haben keinerlei Kontakt oder Berührung. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die hohe axiale Beweglichkeit von 0,5 mm in jede Richtung – daraus ergibt sich ein Axialspiel von 1 mm.

Als Alternative bietet GMN die Labyrinthdichtung auch in einer Variante aus Aluminium in den Abmessungen der Lagerreihe 62 zur Abdichtung von Standard-Rillenkugellagern an. In dieser Ausführung sind die Planflächen nicht geschliffen.

Labyrinthdichtungen sind verschleißfrei

Die Labyrinthdichtung verfügt über den Vorteil der berührungslosen Dichtungen: Keine Reibung führt zu optimaler Energieeffizienz, da keinerlei Verlustleistung oder Wärmeentwicklung im Betrieb der Dichtung entsteht. Zudem gibt es keinen Verschleiß.

Durch ihre technischen Merkmale bietet die CF-Labyrinthdichtung eine interessante Lösung zur kompakten und wirkungsvollen Abdichtung von Spindellagern und damit eine Alternative zu abgedichteten Spindellagern und Eigenkonstruktionen.

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