DE102008040994A1

DE102008040994A1 - Dichtungsanordnung

Info

Publication number: DE102008040994A1
Application number: DE102008040994A
Authority: DE
Inventors: Horst Callies; Kurt Hornberger; Rene Schepp; Heiko Jahn; Marc Zimmermann; Norbert Alaze; Oliver Smits; Markus Andre
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-08-05
Filing date: 2008-08-05
Publication date: 2010-02-11
Also published as: EP2321560B1; JP2013177894A; JP5653475B2; JP2011530051A; WO2010015439A1; US20110233873A1; EP2321560A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung aus einem Zylinderelement (104), einem antreibbaren, axial geführten Kolben (110), einem Dichtungselement (100) und einem vom Kolben (110) und vom Dichtungselement (100) begrenzten Arbeitsraum (112). Das Dichtungselement (100) besitzt ein asymmetrisches Querschnittsprofil mit einer Dichtlippe (138), die von zwei konvergierenden Dichtflanken (130, 132) unterschiedlicher Flankenwinkel (134, 136) gebildet ist. Im eingebauten Zustand wirkt das Dichtungselement auf den Kolben (110) mit einem asymmetrischen Kontaktdruckverlauf ein. Bei lagerichtiger Montage hat das Dichtungselement (100) eine rückfördernde Wirkung in einer der Bewegungsrichtungen (H) des Kolbens (110). Zur Erkennung der lagerichtigen Montage ist das Dichtungselement (100) mit einer Markierung (160) versehen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung aus einem Zylinderelement, einem im Zylinderelement aufgenommenen und zu einer axialen Hin- und Herbewegung antreibbaren Kolben sowie einem Dichtungselement zur Abtrennung eines vom Kolben und vom Zylinderelement begrenzten Arbeitsraums.
Aus dem Stand der Technik sind einteilige und aus einem einheitlichen Material gefertigte Dichtungselemente bekannt. Diese werden in Fachkreisen als Elastomerdichtungselemente bezeichnet. Sie sind in unterschiedlichen Querschnittsformen am Markt erhältlich. Bekannt sind z. B. O-Ringe, Quad-Ringe oder Nut-Ringe. Quad-Ringe und Nut-Ringe weisen entlang ihres Umfangs druckbeaufschlagbare Dichtlippen auf. Vorteilhafter Weise stellen die Dichtlippen mit zunehmender Druckbelastung eine verbesserte Abdichtwirkung bereit. Dennoch können derartige Dichtungselemente eine gewisse Druckmittelleckage nicht verhindern, insbesondere dann nicht, wenn aufgrund der Betriebsbedingungen am Dichtungselement zeitweise Unterdruck anliegt, wie dies bei Dichtungsanordnungen zur Abdichtung von Kolben in Zylindereinheiten üblicherweise der Fall ist. Bei Kolben-/Zylindereinheiten besteht eine weitere technische Herausforderung für das Dichtungselement darin, sowohl einen statischen Zustand (ruhendes, nicht bewegtes Kolbenelement) als auch einen dynamischen Zustand (axial betätigtes Kolbenelement) wirksam abzudichten.
Der Stand der Technik offenbart speziell für diese Fälle verhältnismäßig komplex gestaltete, mehrteilig ausgeführte Dichtungseinheiten, wie z. B. durch Federringe vorgespannte Kunststoff- oder Teflon-Ringe oder sogenannte Manschettensätze.
Derartige Dichtungseinheiten haben üblicherweise eine asymmetrisch geformte Dichtseite und erzeugen ein dementsprechend asymmetrisches Kontaktdruckprofil. Ein wesentlicher Vorteil asymmetrischer Dichtungsprofile besteht darin, dass sie eine ungleiche hydrodynamische Schleppströmung bei ein- bzw. ausfahrender Kolbenbewegung bewirken, aufgrund der eine effektive Rückförderung von Medium zurück in den abzudichtenden Arbeitsraum erreicht werden kann. Bewegt sich der Kolben in diesen Arbeitsraum hinein (Arbeitshub) wird eine vergleichsweise starke Schleppwirkung erreicht. Bewegt sich der Kolben dagegen aus dem abzudichtenden Arbeitsraum heraus (Saughub), so zeichnen sich Dichtungselemente mit asymmetrischem Profil durch eine besonders geringe Schleppströmung nach außen aus. In der Bilanz wird damit eine effektive Rückförderung von Medium in den Arbeitsraum hinein und folglich eine hohe Dichtungswirkung erzielt. Das physikalische Grundprinzip auf dem die erläuterte Rückförderwirkung beruht, ist wissenschaftlich untersucht und zählt zum Stand der Technik (siehe beispielsweise DE 103 60 601 A1 ). Allerdings setzt die beschriebene Wirkungsweise eine lagerichtige Montage des Dichtungselements voraus.
Vorteile der Erfindung
Der Erfindung zugrunde liegende Dichtungselemente sind einteilig ausgebildet und kombinieren die vorteilhaften Herstelleigenschaften von Elastomerdichtungselementen mit den günstigen Rückfördereigenschaften asymmetrischer Dichtungsgeometrien. Sie bewirken ein asymmetrisches Kontaktdruckprofil, das sich allein durch die mechanische Vorspannung der Dichtungselemente im Einbauraum in Verbindung mit den elastischen Materialeigenschaften und der Geometrie ihres Dichtungsquerschnitts ergibt. Separate Elemente zur mechanischen Vorspannung der Dichtungselemente sind also keine erforderlich.
Zur Feststellung einer lagerichtigen Montage ist das Dichtungselement mit wenigstens einer Markierung versehen. Diese Markierung ist kostengünstig am Dichtungselement anformbar, wirkt vorteilhafter Weise mit einem, dem Dichtungselement benachbarten Bauteil zusammen und beansprucht bei korrekter Montage des Dichtungselements gar keinen und bei fehlerhafter Montage einen zusätzlichen Bauraum. Fehlerhaft montierte Baugruppen sind dadurch leicht fest zu stellen, beispielsweise anhand einer technisch einfachen durchführbaren Maßprüfung oder einer optischen Prüfung. Beide Prüfungsarten sind wenigstens teilautomatisiert durchführbar und sind deshalb gut für eine Großserienfertigung geeignet.
Weitere Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung detailliert erläutert. Die einzige Figur zeigt ein erfindungsgemäßes Dichtungselement im Querschnitt.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Das in der Figur dargestellte Dichtungselements 100 ist in einer Bohrung 102 eines Zylinderelements 104 zwischen einem Stützring 106 und einem Begrenzungselement 108 ortsfest angeordnet. Es ist ringförmig ausgebildet und dichtet beispielhaft mit seinem Innenumfang gegen die Umfangsfläche eines Kolbens 110 und am Außenumfang gegen eine Bohrungswand des Zylinderelements 104 ab. Der Kolben 110 ist relativ zum Dichtungselement 100 zu einer hin- und hergehenden Hubbewegung H antreibbar und ist dazu verschieblich im Begrenzungselement 108 geführt. Die Hubbewegung H verläuft in Axialrichtung der Bohrung 102. Ein vom Dichtungselement 100 abzudichtender Arbeitsraum 112 wird vom Kolben 110 und vom Zylinderelement 104 begrenzt und ist in der 1 schematisch dargestellt.
Das erfindungsgemäße Dichtungselement 100 ist einteilig ausgeführt und hat einen Querschnitt mit im Wesentlichen quadratischer Grundform. Es besteht aus einem einheitlichen Elastomermaterial, vorzugsweise aus EPDM. Die Querschnittsform setzt sich aus vier, zumindest annähernd rechwinklig zueinander ausgerichteten Dichtungselementseiten zusammen, wobei diese Dichtungselementseiten jeweils unterschiedlich ausgestaltet sind.
Die in der Figur nach unten weisende erste Dichtungselementseite liegt an der Umfangsfläche des Kolbens 110 an und bildet die Innenkontur des Dichtungselements 100. Sie wird nachfolgend als Dichtseite bezeichnet. Die Gestaltung dieser Dichtseite wird von zwei konvergierenden Dichtungsflanken 130, 132 unterschiedlich großer Flankenwinkel 134, 136 bestimmt. Eine Dichtungslippe 138 ist am Übergang von der einen zur anderen Dichtungsflanke 130, 132 ausgebildet. Sie wird von einem Übergangsradius gebildet, der zwischen 0,1 und 0,4 mm groß ist. Aufgrund der beiden unterschiedlich großen Flankenwinkel 134, 136 liegt die Dichtungslippe 138 in 1 nach links versetzt zu einer senkrecht zur Hubbewegung H verlaufenden Mittelachse 140 des Dichtungselements 100 und verleiht diesem eine asymmetrische Querschnittsform.
Die erste Dichtungsflanke 130 befindet sich auf einer dem Arbeitsraum 112 zugewandten Seite des Dichtungselements 100. Ihr Flankenwinkel 134 beträgt zwischen 50° bis 70°. Die zweite Dichtungsfläche 132 hat demgegenüber einen kleineren Flankenwinkel 132 von lediglich 10° bis 45° und ist abgewandt vom abzudichtenden Arbeitsraum 112 auf einer sogenannten Niederdruckseite des Dichtungselements 100 angeordnet. Beide Dichtungsflanken 130, 132 sind beispielhaft gerade ausgeführt.
Die der Dichtseite gegenüberliegende Seite des Dichtungselements 100 wird als Stützseite bezeichnet. Sie ist im Ausführungsbeispiel spiegelsymmetrisch zur Mittelachse 140 gestaltet und wird an ihrem niederdruck- und hochdruckseitigen Rand von jeweils einem vorstehenden Wulst 150 begrenzt. Die beiden Wulste 150 stützen sich an der Wandung der Bohrung 102 ab. Eine sich symmetrisch zu beiden Seiten der Mittelachse 140 erstreckende Aussparung 152 liegt zwischen beiden Wulsten 150 des Dichtungselements 100. Diese Aussparung 152 ist konkav nach innen gewölbt.
Die abgewandt von dem durch den Kolben 110 und das Zylinderelement 108 begrenzten Arbeitsraum 112 liegende Niederdruckseite des Dichtungselements 100 ist beim Ausführungsbeispiel in Form einer geraden Flanke 154 ausgeführt.
Eine dem Arbeitsraum 112 zugewandte und als Hochdruckseite bezeichnete Seite des Dichtungselements 100 liegt dieser Niederdruckseite gegenüber. Die Hochdruckseite ist abschnittsweise als gerade Flanke 156 ausgebildet und mit einer angeformten Markierung 160 versehen. Letztere erlaubt es, eine lagegerechte Montage des Dichtungselements 100 zu gewährleisten bzw. fehlerhaft montierte Dichtungselemente 100 leicht fest zu stellen.
Die Markierung 160 ist exemplarisch anhand eines im Wesentlich parallel zur Hubbewegung H des Kolbens 110 abstehenden umlaufenden Wulstes realisiert. Dieser erstreckt sich über einen Teil der Hochdruckseite und geht ansatzfrei in die erste Dichtungsflanke 130 der Dichtseite über.
Das Begrenzungselement 108 weist auf seiner dem Dichtungselement 100 zugewandten Seite eine Gegenmarkierung 162 in Form einer invertiert zum umlaufenden Wulst geformten Ausnehmung auf, welche die Markierung 160 vollständig aufnimmt. Im dargestellten Zustand bewirkt die Markierung 160 deshalb keine Vergrößerung des zwischen dem Führungselement 108 und dem Stützring 106 bestehenden Einbauraums.
Selbstverständlich wäre es möglich, die Markierung 160 am Dichtungselement 100 alternativ auch als Ausnehmung auszubilden, in die ein am Begrenzungselement 108 angeformter Vorsprung eingreift, um nicht lagerichtig montierte Dichtungselemente 100 anhand des vergrößerten Bauraumbedarfs für eine Montageeinheit aus Dichtungselement 100 und Führungselement 108 fest zu stellen.
Die äußeren Abmessungen des Dichtungselements 100 sind auf die Innenabmessungen des Zylinderelements 104 bzw. auf die Außenabmessungen des Kolbens 110 derart abgestimmt, dass sich im drucklosen Zustand der Dichtungsanordnung und bei nicht betätigtem, ruhendem Kolben 110 eine Verpressung des Dichtungselements 100 zwischen 8% und 25% einstellt. Das Verhältnis der Breite B zur Schnurstärke S des Dichtungselements 100 liegt im Bereich zwischen 0,5 und 2,0 sofern sich das Dichtungselement 100 im nicht druckbelasteten Zustand befindet. In 1 ist der Querschnitt des Dichtungselements 100 im nicht verpressten Zustand dargestellt, da lediglich in diesem Zustand das beschriebene Querschnittsprofil erkennbar ist.
Aufgrund der Verpressung des Dichtungselement 100 in Kombination mit den unterschiedlich großen Flankenwinkeln 134, 136 der die Dichtlippe 138 bildenden Dichtungsflanken 134, 136 stellt sich ein vordefinierter Kontaktdruckverlauf ein, mit dem das Dichtungselement 100 gegen die Umfangsfläche des Kolbens 110 gedrückt wird. Den maximalen Kontaktdruck übt das Dichtungselement 100 im Bereich seiner Dichtlippe 138 auf den Kolben 110 aus. In axialer Richtung diesseits und jenseits der Dichtlippe 138 nimmt der Kontaktdruck kontinuierlich ab, wobei der Gradient der Kontaktdruckabnahme direkt im Zusammenhang mit der Größe des Flankenwinkels 134, 136 der zugeordneten Dichtflanken 130, 132 steht und mit dem Flankenwinkel 134, 136 innerhalb des zuvor angegebenen Winkelbereichs kontinuierlich zunimmt. Dies bedeutet, dass eine Dichtflanke mit großem Flankenwinkel einen steileren Abfall des Kontaktdrucks (großer Gradient) bewirkt, als eine Dichtflanke kleineren Flankenwinkels (kleinerer Gradient). Wie bereits erwähnt, weist die hochdruckseitige Dichtflanke 130 einen größeren Flankenwinkel 134 und damit einen größeren Gradienten auf als die niederdruckseitige Dichtflanke 132.
Die unterschiedlichen Gradienten bewirken bei einer Bewegung des Kolbens 110 in Richtung Hochdruckseite d. h. beim Einfahren des Kolbens 110 in den Arbeitsraum 112, eine vergleichsweise hohe Schleppströmung, so dass zuvor ausgetretenes Druckmittel in diesen vom Kolben 110 und vom Zylinderelement 104 begrenzten Arbeitsraum 112 zurück gefördert wird.
Die Außenseiten des Dichtungselements 100 gehen an ihren jeweiligen Rändern kontinuierlich, das heißt ohne Absätze, Stufen, spitze Kanten oder dergleichen, ineinander über. Ein kontinuierlicher Übergang ermöglicht einerseits eine gute Entformbarkeit des Dichtungselements 100 aus seiner Form bei der Herstellung und wirkt sich darüber hinaus vorteilhaft hinsichtlich der Abdichteigenschaften des Dichtungselements 100 im Einsatzfall aus.
Selbstverständlich sind Änderungen oder Ergänzungen am beschriebenen Ausführungsbeispiel denkbar, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Erfindungsgemäße Dichtungselemente eignen sich insbesondere für einen Einsatz bei Kolbenpumpen oder Druckspeichern in Hydroaggregaten schlupfregelbarer hydraulischer Fahrzeugbremsanlagen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10360601 A1 [0004]

Claims

Dichtungsanordnung aus einem Zylinderelement (104), einem im Zylinderelement (104) aufgenommenen und zu einer axialen Hin- und Herbewegung antreibbaren Kolben (110) und einem Dichtungselement (100) zur Abdichtung eines vom Kolben (110) und vom Zylinderelement (104) begrenzten Arbeitsraums (112), wobei das Dichtungselement (100) eine Dichtseite, eine der Dichtseite gegenüberliegende Stützseite, eine dem abzudichtenden Arbeitsraum (112) zugewandte Hochdruckseite und eine vom Arbeitsraum (112) abgewandt liegende Niederdruckseite aufweist und wobei die Dichtseite wenigstens eine, von zwei konvergierenden Dichtflanken (130, 132; 306, 308; 310, 312) unterschiedlich großer Flankenwinkel (134, 136) gebildete Dichtlippe (138; 302; 304) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (100) ein einteilig ausgeführtes Bauteil ist, das aus einem einheitlichen Elastomermaterial, vorzugsweise aus EPDM, besteht und wenigstens eine Markierung (160) zur Feststellung einer lagerichtigen Montage des Dichtungselements (100) aufweist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigste eine Markierung (160) an der Hochdruckseite des Dichtungselements (100) angeordnet ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung (160) in Form eines in Richtung der Hubbewegung (H) des Kolbens (110) vom Dichtungselement (100) abstehenden, umlaufenden Wulstes ausgebildet ist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierung (160) mit einer Gegenmarkierung (162) an einem dem Dichtungselement (100) benachbarten Bauteil (108) zusammen wirkt, wobei die Gegenmarkierung (162) und die Markierung (160) im Wesentlichen ohne eine Vergrößerung des vom Dichtungselement (100) und vom benachbarten Bauteil (108) benötigten Bauraums zu bewirken ineinander greifen.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (100) eingesetzt ist bei einer Kolbenpumpe und/oder einem Druckspeicher eines Hydroaggregats einer schlupfregelbaren hydraulischen Fahrzeugbremsanlage.