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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dichtelement, insbesondere zur Abdichtung eines in einem Gehäuse einer Zylinder-/Kolbenanordnung einer Fahrzeugbremsanlage beweglich angeordneten Druckkolbens, das in einen nutförmigen Aufnahmebereich einsetzbar ist. Das Dichtelement umfasst einen ersten Bereich zur Anlage an einen Boden des nutförmigen Aufnahmebereichs und einen zweiten Bereich mit einer Kontaktoberfläche zur dichtenden Anlage an einer Dichtfläche des Druckkolbens oder des Gehäuses. Die Erfindung betrifft ferner eine Zylinder-/Kolbenanordnung einer Fahrzeugbremsanlage, insbesondere für hydraulische Kraftfahrzeugbremsanlagen, in die ein derartiges Dichtelement zur Abdichtung eines beweglich angeordneten Druckkolbens eingesetzt ist.
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Hintergrund der Erfindung
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DE 41 24 531 C1 offenbart Dichtringe, die eine Dichtlippe haben. Die Dichtringe weisen ein U-förmiges Profil und eine Dichtkante mit gerundetem Profil auf. Die um die Dichtlippe konzentrisch umlaufenden Eintiefungen sind auf der druckabgewandten Seite der Dichtkante angeordnet und dienen als Fettdepot um für eine Schmierung der Dichtungsanordnung und geringen Verschleiß zu sorgen.
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DE 44 15 731 A1 offenbart eine Dichtmanschette, die einen Grundkörper mit einer daran ausgebildeten Dichtlippe aufweist. An der Dichtlippe ist ein radial nach außen weisender Wulst ausgebildet. Die Oberfläche des Wulsts kann eine feine Strukturierung aufweisen, in der sich Bremsflüssigkeit zu einem Schmierfilm einlagern kann.
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DE 103 14 533 A1 offenbart eine Dichtungsanordnung mit einem Nutring, der Ausnehmungen als Schmiertaschen aufweist, die in regelmäßigen Abständen entlang des inneren Umfangs des Nutrings angeordnet sind.
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Ein Dichtelement sowie eine Zylinder-/Kolbenanordnung der eingangs erwähnten Art sind beispielsweise in der
DE 10 2006 040 487 B3 beschrieben. Hierbei weist die als Bremszylinder ausgebildete Zylinder-/Kolbenanordnung ein zylindrisch ausgebildetes Gehäuse auf, in dem ein Druckkolben verschiebbar angeordnet ist. Der Druckkolben wird unter Zwischenschaltung eines nicht gezeigten Bremskraftverstärkers von einem Bremspedal mit einer Kraft beaufschlagt. Das Gehäuse weist ferner einen Druckmittelkanal auf, der mit einem Druckmittelreservoir verbunden ist. Von dem Druckmittelkanal gelangt das Druckmittel durch in dem Druckkolben vorgesehene Nachlaufbohrungen in eine Druckkammer.
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Eine Dichtmanschette (Dichtelement) ist in einer ringförmigen Nut des Gehäuses untergebracht. Die ringförmige Nut weist eine - in Bewegungsrichtung des Druckkobens zum Druckaufbau - vordere und hintere Nutwand sowie einen Nutboden auf. Der Rückenabschnitt des Dichtelements wird bei der Verschiebung des Druckkolbens und des dadurch erfolgten Hydraulikaufbaus in der Druckkammer des Bremszylinders an die seitliche Wand der ringförmigen Nut gepresst, in die das Dichtelement eingesetzt ist. Die Außendichtlippe dient dabei zur Abdichtung der ringförmigen Nut, in die das Dichtelement eingesetzt ist, während die Innendichtlippe zur dynamischen Abdichtung des beweglich angeordneten Druckkolbens dient.
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Weiterhin ist aus der
DE 32 47 052 A1 eine hydraulische Betätigungseinheit bekannt, die ein Zylindergehäuse sowie einem in einer Zylinderbohrung des Zylindergehäuses verschiebbaren Kolben umfasst. Innerhalb des Zylindergehäuses ist eine Ringnut vorgesehen, in die ein Dichtelement mit rechteckigem Querschnitt eingesetzt ist. Dabei steht das Dichtelement in dichtendem Kontakt mit dem verschiebbaren Kolben.
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Bei derartigen aus dem Stand der Technik bekannten Dichtelementen ist es üblich, dass das Dichtelement, insbesondere sein Innenbereich (Innendichtlippe), und der Druckkolben, an dem der Innenbereich des Dichtelements anliegt, eine Relativbewegung zueinander ausführen. So wird der Druckkolben beim Bremsvorgang entlang seiner Längsachse in die Druckkammer hineingeschoben und gleitet mit seiner Außenfläche in Anlage an der Kontaktoberfläche des Dichtelements bzw. der Innendichtlippe des Dichtelements entlang. Bei der Rückhubbewegung des Druckkolbens durch Lösen der Bremse bewegt sich der Druckkolben in umgekehrter Richtung entlang seiner Längsachse, wobei der Innenbereich des Dichtelements je nach Gestaltung des Dichtelements ebenfalls in Kontakt mit dem Druckkolben steht. Dabei kommt es, wie sich in der Praxis gezeigt hat, zu Reibeffekten an der Kontaktoberfläche des Dichtelements bzw. des Innenbereichs des Dichtelements, die zusätzlich dadurch verstärkt werden, dass derartige Dichtelemente im Regelfall aus einem gummielastischen Werkstoff hergestellt sind. Die auftretende Reibung führt zu einer Behinderung der Bewegung des Druckkolbens und auch zu verstärktem Verschleiß des Dichtelements im Bereich seiner Kontaktoberfläche. Ferner können infolge der auftretenden Reibung sogenannte „slip-stick“-Effekte und damit verbunden eine unerwünschte Geräuschentwicklung während des Bremsvorgangs bzw. bei der Rückhubbewegung des Druckkolben sobald die Bremse gelöst wird auftreten. Derartige „slip-stick“-Effekte bezeichnen ein ruckartiges Gleiten von gegeneinander bewegten Festkörpern. Sie treten auf, weil die Haftreibung zwischen zwei Reibungspartnern größer ist als die Gleitreibung. Dabei üben die Oberflächenteile eine schnelle Bewegungsfolge aus Haften, Verspannen, Trennen und Abgleiten aus. Dies führt zur Anregung von Schwingungen, die von einer resonanzfähigen Oberfläche, wie der Oberfläche des Druckkolbens, als Geräusch abgestrahlt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Dichtelement für eine Zylinder-/Kolbenanordnung einer Kraftfahrzeugbremse vorzusehen, das bei einem einfachen Aufbau eine sichere Dichtfunktion bereitstellt und zugleich eine verbesserte Langlebigkeit unter Vermeidung unerwünschter Geräuschentwicklungen aufweist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem erstem Aspekt der Erfindung ist ein Dichtelement zur Abdichtung eines in einem Gehäuse eines Zylinders beweglich angeordneten Druckkolbens vorgesehen, das in einen nutförmigen Aufnahmebereich einsetzbar ist, wobei das Dichtelement einen ersten Bereich zur Anlage an einen Boden des nutförmigen Aufnahmebereichs und einen zweiten Bereich mit einer Kontaktoberfläche zur dichtenden Anlage an einer Dichtfläche des bewegbaren Druckkolbens oder des Gehäuses aufweist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass an der Kontaktoberfläche wenigstens abschnittsweise eine definierte reibungsvermindernde Strukturierung ausgebildet ist. Die Erfindung umfasst demnach sowohl Dichtelemente, die in einen nutförmigen Aufnahmebereich im Gehäuse einsetzbar sind und dichtend auf der Dichtfläche des bewegbaren Kolbens gleiten, als auch Dichtelemente, die in einen nutförmigen Aufnahmebereich im Kolben einsetzbar sind und dichtend mit ihrem zweiten Bereich auf der Dichtfläche der Zylinderbohrung im Gehäuse gleiten.
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Durch eine erfindungsgemäß definierte Strukturierung wird die Kontaktoberfläche und somit die für die Reibung verantwortliche Reibungsfläche verringert, was eine Verringerung der Reibung zwischen der Dichtfläche von Gehäuse oder Kolben und dem zweiten Bereich des Dichtelements zur Folge hat. Zugleich stellt die Strukturierung jedoch sicher, dass das Dichtelement weiterhin seine dichtende Funktion zuverlässig erfüllen kann.
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Gegenüber einer undefinierten Strukturierung, wie sie durch zufällige Ausbildung an jeder Oberfläche vorhanden ist, kann die erfindungsgemäße definierte Strukturierung an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. So kann das Dichtelement in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine Strukturierung aufweisen, die durch eine Vielzahl von im Wesentlichen parallelen rillenartigen Vertiefungen gebildet ist. Eine Vielzahl von im Wesentlichen parallelen rillenartigen Vertiefungen kann durch zwei, drei oder mehr Vertiefungen gebildet sein, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Alternativ hierzu wäre jedoch auch denkbar, dass die Rillen schräg zueinander angeordnet sind oder dass eine Gruppe paralleler rillenartiger Vertiefungen eine andere Gruppe ebenfalls zueinander paralleler rillenartiger Vertiefungen kreuzt.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die rillenartigen Vertiefungen in einem Winkel, vorzugsweise einem im Wesentlichen senkrechten Winkel, zu der Bewegungsrichtung des Druckkolbens verlaufen. Dabei ist die Bewegungsrichtung des Druckkolbens als die Richtung der Bewegung des Druckkolbens entlang seiner Längsachse in Richtung zu der Druckkammer hin definiert. Dadurch, dass die rillenartigen Vertiefungen parallel angeordnet sind, bilden sich zwischen den rillenartigen Vertiefungen Kontaktflächen aus, die an der Dichtfläche von Druckkolben oder Gehäuse anliegen und somit einen dichtenden Kontakt zu dieser herstellen. Ferner stellen die rillenartigen Vertiefungen, die in einem im Wesentlichen senkrechten Winkel zu der Bewegungsrichtung des Druckkolbens verlaufen, sicher, dass durch die zwischen den Vertiefungen ausgebildeten Kontaktflächen im Wesentlichen kein Hydraulikfluid entlang der rillenartigen Vertiefungen aus der Druckkammer austreten oder in die Druckkammer eintreten kann. Somit ist weiterhin eine zuverlässige dynamische Abdichtung des beweglich angeordneten Druckkolbens durch den zweiten Bereich des Dichtelements gewährleistet.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass die rillenartigen Vertiefungen im Wesentlichen umlaufend ausgebildet sind. Dies hat insbesondere den Vorteil einer einfachen Herstellung des auch sonst im Wesentlichen rotationssymmetrischen Dichtelements.
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Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Ausbildung der Strukturierung durch eine Vielzahl von im Wesentlichen rillenartigen Vertiefungen kann die Strukturierung auch durch wenigstens eine helixartig umlaufende Nut gebildet sein. Die Nut hat bei dieser Ausführungsform eine helixartige Form und kann sich besonders vorteilhaft über mehr als 360°, d.h. mehr als eine Umdrehung des Dichtelements um die Längsachse des Druckkolbens, an dem mit einer Strukturierung ausgebildeten Abschnitt der Kontaktoberfläche des Dichtelements erstrecken. Alternativ hierzu ist jedoch auch denkbar, dass sich die helixartig umlaufende Nut nur über einen Winkel von kleiner als 360°, beispielsweise 270°, erstreckt.
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Es ist auch denkbar, dass mehrere derartiger Nuten parallel zueinander oder schräg zueinander an dem mit einer Strukturierung ausgebildeten Abschnitt der Kontaktoberfläche verlaufen. Insbesondere bei der helixartig umlaufenden Nut ist jedoch wenigstens ein Abschnitt an der Kontaktoberfläche vorgesehen, an dem keine umlaufende, d.h. sich über 360° erstreckende, Kontaktoberfläche an dem zweiten Bereich des Dichtelements ausgebildet ist. Auf diese Weise wird wiederum die dichtende Funktion des zweiten Bereichs sichergestellt, da ein Fluidaustausch, d.h. ein Ein- oder Ausdringen von Hydraulikfluid in bzw. aus der Druckkammer nicht oder nur in geringem Maße möglich ist, solange sich der zweite Bereich des Dichtelements in dichtender Anlage an der Dichtfläche von Druckkolben oder Gehäuse befindet.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Strukturierungen in einer die Längsachse des Druckkolbens enthaltenden Ansicht ein sinusförmiges Druckprofil aufweist. Kennzeichnend für ein solches sinusförmiges Profil ist sein sinusförmiger Verlauf mit sogenannten Hoch- bzw. Tiefpunkten. Bei einem derartigen sinusförmigen Profil bilden die Tiefpunkte des Profils die Berührungspunkte, die in Anlage mit der Dichtfläche von Druckkolben oder Gehäuse stehen. Ist das sinusförmige Profil, das in einem Längsschnitt bzw. in einer die Längsachse des Druckkolbens enthaltenden Ansicht erkennbar ist, durch beispielsweise umlaufende rillenartige Vertiefungen an der Kontaktoberfläche zum Kolben oder Gehäuse hin ausgebildet, so ergeben sich aus den Berührungspunkten Berührungslinien, die an der Kontaktoberfläche des Dichtelements verlaufen.
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Da das Dichtelement im Regelfall aus einem gummielastischen Werkstoff hergestellt ist, wird bei zunehmendem Druck auf das Dichtelement (wenn bei einer Bremsung Druck innerhalb der Druckkammer aufgebaut wird) der zweite Bereich des Dichtelements an die Dichtfläche von Druckkolben oder Gehäuse gepresst, so dass aus den Berührungslinien Berührungsflächen werden. Somit ist mit zunehmendem Druck eine im Bereich der Strukturierung sicherere Abdichtung gewährleistet. In Folge der Rückhubbewegung und des sich dadurch innerhalb der Druckkammer einstellenden Unterdrucks entfällt auch der Druck auf den zweiten Bereich, so dass die Kontaktoberfläche wieder auf den Bereich der vorstehend genannten Berührungslinien in dem strukturierten Abschnitt der Kontaktoberfläche reduziert wird.
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Es kann ferner bevorzugt vorgesehen sein, dass das sinusförmige Profil eine Amplitude aufweist, die nicht größer ist als der Abstand zwischen zwei benachbarten Hochpunkten bzw. Tiefpunkten des sinusförmigen Profils. Dabei kann die Amplitude vorzugsweise zwischen 10 µm bis 30 µm und der Abstand zwischen zwei benachbarten Hochpunkten bzw. Tiefpunkten zwischen 10 µm und 50 µm liegen. Dadurch, dass die rillenartigen Vertiefungen im Mikrobereich liegen, kann eine Reduzierung der in Kontakt zur Dichtfläche von Bremskolben oder Gehäuse stehenden Oberfläche unter gleichzeitiger Beibehaltung der Dichtwirkung erreicht werden. Ferner werden dadurch jedoch auch Adhäsionseffekte erzeugt, die eine in den rillenartigen Vertiefungen aufgenommene Schmiermittelflüssigkeit in den Vertiefungen halten, so dass diese erst bei einer Verformungsbelastung (beispielsweise wenn Druck innerhalb der Druckkammer aufgebaut wird) dosiert austreten kann, um einen dauerhaften reibungsreduzierenden Gleitfilm zu bilden. Dadurch können unter anderem sogenannte „slip-stick“ Effekte verringert werden, deren periodisches Auftreten zu unerwünschten Vibrationen während der Bewegung des Druckkolbens führen können. Weniger Vibration ist hierbei gleich bedeutend mit einer geringeren Geräuschemission.
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Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform, kann vorgesehen sein, dass die Strukturierung durch eine Vielzahl von Ausnehmungen gebildet ist. Die Ausnehmungen können mit einem beliebigen Winkel quer zu der Längsachse des Druckkolbens angeordnet sein, sind jedoch bevorzugt senkrecht zu der Längsachse des Druckkolbens ausgebildet.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Ausnehmungen einen elliptischen Querschnitt mit einem maximalen Durchmesser und einem minimalen Durchmesser aufweisen. Alternativ hierzu können die Ausnehmungen jedoch auch mit einem anderen Querschnitt ausgebildet sein, beispielsweise kreisförmig oder mit einem polygonalen Querschnitt.
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Der maximale Durchmesser bei Ausnehmungen mit einem elliptischen Querschnitt liegt bevorzugt in einem Bereich von etwa 36 µm, während der minimale Durchmesser in einem Bereich von etwa 30 µm liegt.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Ausnehmungen derart an der Kontaktoberfläche angeordnet sind, dass der maximale Durchmesser von jeder der Ausnehmungen im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Druckkolbens verläuft. Die Ausnehmungen können bei allen vorstehend genannten Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung mit Abstand zueinander angeordnet sein, so dass zwischen ihnen eine Kontaktoberfläche in Anlage mit der Dichtfläche von Druckkolben oder Gehäuse bestehen bleibt, oder sich teilweise überschneiden, so dass die Ausnehmungen wenigstens abschnittsweise ineinander übergehen.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass benachbarte Ausnehmungen in einer zu der Bewegungsrichtung des Druckkolbens senkrechten Richtung in einem ersten Abstand zueinander angeordnet sind. Dabei ist der Abstand zwischen zwei Ausnehmungen durch den Abstand zwischen deren Mittelpunkten definiert. Definitionsgemäß kann der Mittelpunkt einer Ausnehmung oder Öffnung je nach ihrem Querschnitt auch durch den Schwerpunkt der jeweiligen Querschnittsfläche der Ausnehmung oder Öffnung bestimmt sein. So können die Ausnehmungen, wie vorstehend bereits angegeben, anstelle eines elliptischen Querschnitts beispielsweise einen polygonalen Querschnitt aufweisen. Dieser weist gegebenenfalls keinen Mittelpunkt im Sinne der mathematischen Definition auf, jedoch besitzt jede geometrische Fläche, so auch ein Polygon, definitionsgemäß immer einen Schwerpunkt, der in diesem Falle den Mittelpunkt des entsprechenden Querschnitts ersetzen soll.
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Die benachbarten Ausnehmungen können in Bewegungsrichtung des Druckkolbens ferner in einem zweiten Abstand zueinander angeordnet sein. Je nachdem, wie sich das Verhältnis von einem Durchmesser der Ausnehmungen zu einem gleichgerichteten Abstand verhält, gehen die benachbarten Ausnehmungen abschnittsweise ineinander über, berühren sich oder weisen eine dazwischen liegende Kontaktfläche auf.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass der erste Abstand nicht größer ausgebildet ist als der zweite Abstand. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der erste Abstand etwa 40 µm beträgt, während der zweite Abstand etwa 50 µm groß ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausnehmungen in der Bewegungsrichtung des Druckkolbens betrachtet in Reihen an der Kontaktoberfläche angeordnet sind, wobei die Mittelpunkte von Ausnehmungen, die in der selben Reihe angeordnet sind, eine gemeinsame Gerade definieren.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Reihen, in denen die Ausnehmungen angeordnet sind, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Dies lässt sich daran erkennen, dass die durch die Mittelpunkte der Ausnehmungen einer Reihe gebildeten Geraden ebenfalls im Wesentlich parallel zueinander verlaufen.
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Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Reihen, in denen die Ausnehmungen angeordnet sind, schräg zu der Bewegungsrichtung des Druckkolbens verlaufen. Besonders bevorzugt können die Reihen in einem Winkel von etwa 22° gegenüber der Bewegungsrichtung des Druckkolbens angeordnet sein. Im Falle von sich überlappenden Ausnehmungen ist hierbei insbesondere ein Abschnitt an der Kontaktoberfläche des zweiten Bereichs vorzusehen, der über einen Umlaufwinkel von 360° um die Längsachse des Druckkolbens keine Ausnehmung oder Öffnung aufweist, so dass eine umlaufende Kontaktoberfläche (vergleichbar mit einem Dichtring) an dem zweiten Bereich des Dichtelementsausgebildet ist, die die Dichtfunktion des Dichtelements in Wechselwirkung mit der Dichtfläche von Kolben oder Gehäuse sicherstellt.
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Es kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die Ausnehmungen in einer zu der Bewegungsrichtung des Druckkolbens senkrechten Richtung betrachtet in Spalten an der Kontaktoberfläche angeordnet sind, wobei die Mittelpunkte von Ausnehmungen, die in der selben Spalte angeordnet sind, eine gemeinsame Gerade definieren. Weiterhin können die Spalte, in denen die Ausnehmungen angeordnet sind, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Zudem kann vorgesehen sein, dass die Spalte, in denen die Ausnehmungen angeordnet sind, im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Druckkolbens verlaufen.
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Durch eine derartige gleichmäßige Verteilung der Ausnehmungen, wie vorstehend beschrieben, wird erreicht, dass eine gleichmäßige Strukturierung über den gesamten strukturierten Abschnitt an der Kontaktoberfläche ausgebildet ist, so dass es zu einer gleichmäßigen Abnutzung der reibungsvermindernden Strukturierung an der Kontaktoberfläche kommt.
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Als Weiterbildung der Erfindung können die Ausnehmungen - in einer zu der Bewegungsrichtung des Druckkolbens senkrecht verlaufenden Schnittansicht betrachtet - rechteckförmig oder linsenförmig ausgebildet sein. Die Eindringtiefe der Ausnehmung liegt hierbei vorzugsweise in einem Bereich von 12 µm.
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Dadurch dass die Ausnehmungen in ihrer Dimensionierung (maximaler Durchmesser, minimaler Durchmesser, Eindringtiefe) im Mikrobereich liegen, können wiederum, wie bei den rillenartigen Vertiefungen, Adhäsionseffekte erzeugt werden, die eine in den Ausnehmungen aufgenommene Schmiermittelflüssigkeit in diesen halten. Diese kann erst bei einer Verformungsbelastung (beispielsweise wenn Druck innerhalb der Druckkammer aufgebaut wird) dosiert austreten, um einen dauerhaften reibungsreduzierenden Gleitfilm zu bilden. Dadurch wird, wie vorstehend erläutert, insgesamt eine geringere Geräuschemission ermöglicht.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Zylinder-/Kolbenanordnung, insbesondere für hydraulische Kraftfahrzeugbremsanlagen, die mindestens einen in einem Gehäuse des Zylinders beweglich angeordneten Druckkolben und mindestens ein in einem nutförmigen Aufnahmebereich vorgesehenes Dichtelement umfasst, wobei das Dichtelement einen ersten Bereich zur Anlage an einen Boden des nutförmigen Aufnahmebereichs und einen zweiten Bereich mit einer Kontaktoberfläche zur dichtenden Anlage an eine Dichtfläche des Druckkolbens oder des Gehäuses aufweist. Hierbei wird die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch gelöst, das an der Kontaktoberfläche wenigstens abschnittsweise eine definierte reibungsvermindernde Strukturierung ausgebildet ist.
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Figurenliste
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Nachstehend wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es stellen dar:
- 1 einen Axialschnitt durch einen Bremszylinder, in dem in einer ringförmigen Nut des Bremszylindergehäuses ein erfindungsgemäßes Dichtelement untergebracht ist;
- 2 einen Abschnitt eines Axialschnitts durch eine Kolben- Zylinderanordnung, in der in einer ringförmigen Nut des Zylindergehäuses ein erfindungsgemäßes Dichtelement in einer zweiten Ausführungsform untergebracht ist;
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Strukturierung an der Kontaktoberfläche des Innenbereichs des Dichtelements in einer die Längsachse des Druckkolbens enthaltenden Ansicht;
- 4 eine Draufsicht auf eine Kontaktoberfläche eines Innenbereichs des erfindungsgemäßen Dichtelements in einer zweiten Ausführungsform der Strukturierung im Detail; und
- 5a und b einen Axialschnitt durch ein Dichtelement mit Ausnehmungen gemäß der zweiten Ausführungsform der Strukturierung von 4.
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Detaillierte Figurenbeschreibung
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1 zeigt in axialer Schnittansicht einen Bremszylinder, der beispielsweise als Hauptbremszylinder
10 für hydraulische Kraftfahrzeugbremsanlagen in Plunger- oder Tandembauweise ausgebildet sein kann. Im Falle eines Tandem-Hauptbremszylinders sind die zwei hintereinander angeordneten Druckkreise bezüglich ihres Aufbaus und ihrer Funktionsweise nahezu identisch. Die folgende Beschreibung beschränkt sich deshalb lediglich auf einen Druckkreis. Im Folgenden werden nur die im Hinblick auf die Erfindung relevanten Merkmale des Hauptbremszylinders
10 beschrieben, da die Funktionsweise derartiger Hauptbremszylinder dem Fachmann beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2006 040 487 B3 bekannt ist.
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Die 1 zeigt in einer axialen Schnittansicht einen Hauptbremszylinder 10, der ein zylindrisch ausgebildetes Gehäuse 12 aufweist, in dem ein Druckkolben 20 verschiebbar angeordnet ist. Der Druckkolben 20 wird unter Zwischenschaltung eines nicht gezeigten Bremskraftverstärkers von einem Bremspedal mit einer Kraft beaufschlagt. Ist der Hauptbremszylinder 10 in Tandem-Bauweise aufgebaut, wird die Bewegung des Druckkolbens 20 durch die Hydrauliksäule auf einen nicht gezeigten zweiten Druckkreis übertragen.
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Das Gehäuse 12 weist einen Druckmittelkanal 14 auf, der mit einem nicht dargestellten Druckmittelreservoir verbunden ist. Von dem Druckmittelkanal 14 gelangt das Druckmittel durch in dem Druckkolben 20 vorgesehene Nachlaufbohrungen 22 in eine Druckkammer 16.
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Eine Dichtmanschette (Dichtelement) 30 ist in einem nutförmigen Aufnahmebereich, im Folgendem als ringförmige Nut 18 bezeichnet, des Gehäuses 12 untergebracht. Die ringförmige Nut 18 weist eine in Bewegungsrichtung B des Druckkolbens 20 zum Druckaufbau vordere und hintere Nutwand 18a, 18b sowie einen Nutboden 18c auf. Zwischen der hinteren Nutwand 18b und dem Duckmittelkanal 14 ist ein Durchgang 24 vorgesehen, durch den Druckmittel in den nutförmigen Aufnahmebereich18 strömen kann.
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Es sei an dieser Stelle der Vollständigkeit halber angemerkt, dass es erfindungsgemäß gleichsam möglich ist, auch an dem Druckkolben einen solchen nutförmigen Aufnahmebereich vorzusehen, in dem die Dichtmanschette aufgenommen ist, wobei diese dann an einer der Außenumfangsfläche des Druckkolbens zugewandten Dichtfläche des Gehäuses dichtend entlang gleitet.
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Die Dichtmanschette 30 umfasst einen ersten Bereich, die Außendichtlippe 32 mit einem an ihrer radial äußeren Seite vorgesehenen Dichtlippenwulst, der in unmittelbarer Nähe des freien axialen Endes der Außendichtlippe, angeordnet ist. Dieser Dichtlippenwulst wird durch den in der Druckkammer 16 herrschenden Druck in Anlage mit dem Nutboden 18c gebracht und dichtet somit die Druckkammer 16 gegenüber der Nut 18 ab.
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Ferner umfasst die Dichtmanschette 30 einen zweiten Bereich, die Innendichtlippe 34, die in Anlage mit dem in dem Gehäuse 12 des Hauptbremszylinders 10 angeordneten Druckkolben 20 gebracht wird und somit die Druckkammer 16 gegenüber dem Druckkolben 20 abdichtet.
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Der die Außendichtlippe 32 und die Innendichtlippe 34 verbindende Abschnitt bildet an dem in 1 gezeigten rechten Ende einen Dichtmanschettenrücken 36. Der Dichtmanschettenrücken 36 ist in der gezeigten Ausführungsform bereichsweise eben ausgebildet.
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Die Dichtmanschette 30 gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform ist aus einem federelastischen Material durch ein Spritzgießverfahren hergestellt. Ein besonders geeignetes Material zur Verwendung für die Dichtmanschette 30 ist beispielsweise Gummi.
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1 zeigt den Hauptbremszylinder 10 in einem drucklosen Zustand. Mit anderen Worten entspricht der Druck in der Druckkammer 16 dem Druck im Druckmittelkanal 14, der wiederum gleich dem Druck im Druckmittelreservoir ist. Die Nachlaufbohrungen 22 verbinden fluidisch das nicht dargestellte Druckmittelreservoir mit der Druckkammer 16.
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Der Druck in der Druckkammer 16 erhöht sich, sobald die Nachlaufbohrungen 22 des Druckkolbens 20 von der Innendichtlippe 34 der Dichtmanschette 30 abgedichtet sind. Der bis zu diesem Punkt zurückgelegte Weg des Druckkolbens 20 wird auch als „Leerweg“ des Hauptbremszylinders 10 bezeichnet, da ein Flüssigkeitsaustausch aus dem Druckmittelreservoir und der Druckkammer 16 über den Druckmittelkanal 14 und durch die Nachlaufbohrungen 22 stattfinden kann. Sobald die Nachlaufbohrungen 22 vollkommen von der Innendichtlippe 34 abgedichtet sind und der Druckkolben 20 weiter nach links in 1 verschoben wird, steigt der Druck in der Druckkammer 16. Dieser Druck bewirkt, dass die Radbremsen des Kraftfahrzeugs über eine mit der Druckkammer 16 des Hauptbremszylinders 10 verbundene Hydraulikeinheit betätigt werden. Gleichzeitig bewirkt der erhöhte Druck in dem Druckraum 16, dass die Innendichtlippe 34 mit ihrer Kontaktoberfläche 38 über den Zustand hinaus, der durch ihre inhärente Vorspannung bedingt ist, noch stärker an die Außenoberfläche des Druckkolbens 20 sowie die Außendichtlippe 32 noch stärker gegen den Boden 18c der ringförmigen Nut 18 gepresst wird. Dadurch wird die Druckkammer 16 gegenüber dem Reservoir und dem Druckkolben 20 zuverlässig abgedichtet. Die Innendichtlippe weist erfindungsgemäß, wie in den 3 und 4 detailliert dargestellt, an ihrer Kontaktoberfläche 38 eine definierte reibungsvermindernde Strukturierung auf.
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Wird nun die Bremse vom Fahrer des Kraftfahrzeugs freigegeben, so wird durch eine Rückhubbewegung des Druckkolbens 20 das Volumen in der Druckkammer 16 vergrößert, wodurch der Druck in der Druckkammer 16 rasch abnimmt. Schließlich wirkt auf die Dichtmanschette 30 von Seiten der Druckkammer 16 keine Überdrucklast mehr. Bei schneller Freigabe des Bremspedals kann es in der Druckkammer 16 dazu kommen, dass sich ein Druck einstellt, der unter dem Atmosphärendruck liegt. In diesem Fall kommt es an der Druckmanschette 30 zu einer „Drucklastumkehr“, die bewirkt, dass sich die Außendichtlippe 32 vom Boden 18c der ringförmigen Nut 18 löst. In diesem Zustand kann Druckmittel aus dem Druckmittelreservoir durch den Druckmittelkanal 14, den Durchgang 24, einen sich bildenden Spalt zwischen hinterer Endwand 18b und Dichtmanschettenrücken 36 und an der Außendichtlippe 32 vorbei in die Druckkammer 16 gelangen. Es findet somit ein Druckausgleich zwischen dem Druckmittelreservoir und der Druckkammer 16 statt.
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In
2 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der anstelle eines Dichtelements mit einer Außendichtlippe und einer Innendichtlippe ein im Querschnitt betrachtet im wesentlichen rechteckiges Dichtelement
130 in einer Kolbenanordnung
110 eingesetzt ist. Im Folgenden werden nur die im Hinblick auf die Erfindung relevanten Merkmale der Kolbenanordnung
110 beschrieben, da die Funktionsweise dem Fachmann beispielsweise aus der Druckschrift
DE 32 47 052 A1 bekannt ist. Es werden dieselben Bezugszeichen wie in der
1 verwendet, jedoch mit der Ziffer „1“ vorangestellt.
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Das Dichtelement 130 liegt (vgl. 2), um seine dichtende Funktion zu erfüllen, mit seinem Außenbereich 132 an dem Nutgrund 118c eines nutförmigen Aufnahmebereichs 118 an und mit seinem Innenbereich 134 an dem Außenumfang des verschiebbaren Kolbens 120 an. Wie bei der ersten gezeigten Ausführungsform der 1 ist an dem Innenbereich 124 an seiner Kontaktoberfläche 138 eine definierte reibungsvermindernde Strukturierung ausgebildet, auf die nachfolgend detaillierter eingegangen wird.
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In 3 und 4 sind jeweils Ausführungsformen für eine definierte Oberflächenstrukturierung 40 der Kontaktfläche 38 der Innendichtlippe 34 gezeigt. Bei der ersten erfindungsgemäßen Lösung gemäß 3 ist eine Strukturierung 40 mit rillenartigen Vertiefungen vorgesehen, die in einem die Längsachse L des Druckkolbens 20 enthaltenden Schnitt ein sinusförmiges Profil aufweist. Das sinusförmige Profil weist sowohl Hochpunkte Max als auch Tiefpunkte Min auf, wobei zwischen zwei benachbarten Hoch- bzw. Tiefpunkten ein Abstand P vorgesehen ist. Dieser Abstand P liegt in der gezeigten Ausführungsform in einem Bereich von 10 µm bis 50 µm. Weiterhin weist das sinusförmige Profil eine Amplitude A auf, deren Höhe in einem Bereich zwischen 10 µm und 30 µm liegt.
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Die Anlagefläche in dem Bereich der sinusförmigen Strukturierung 40, wie in 3 gezeigt, welche zur Anlage mit dem Druckkolben 20 kommt, ist in der gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen linienförmig, im Falle von umlaufenden rillenartigen Vertiefungen, kreisförmig ausgebildet. Dadurch, dass die Dichtmanschette 30 gemäß der beschriebenen Ausführungsform aus einem federelastischem Material hergestellt ist, wird im Falle eines sich in der Druckkammer 16 aufbauenden Drucks die Innendichtlippe 34 gegen die Druckkolben 20 gepresst, wodurch sich die linienförmigen Anlageflächenabschnitte vergrößern. Wird der Druck durch Freigabe der Bremse vom Fahrer des Kraftfahrzeugs wieder in der Druckkammer 16 reduziert, so verformt sich auch die Innendichtlippe infolge ihrer federelastischen Eigenschaften zurück, so dass sich die Anlageflächen in einem Gleichgewichtszustand auf die linienförmigen Anlageabschnitt beschränkt.
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In 4 ist eine zweite erfindungsgemäße Lösung für eine definierte Strukturierung 40 im Mikrobereich schematisch dargestellt, bei der ellipsenförmige Ausnehmungen 42 an der Kontaktfläche angeordnet sind. Dabei bildet die 4 einen schematischen Ausschnitt der (ausgerollten) Kontaktoberfläche des Dichtelements. Die ellipsenförmigen Ausnehmungen 42 weisen einen maximalen Durchmesser Dmax und einen minimalen Durchmesser Dmin auf. Weiterhin sind die ellipsenförmigen Ausnehmungen 42, wie in 4 ersichtlich, allesamt gleich orientiert angeordnet, derart, dass der maximale Durchmesser Dmax von jeder der Ausnehmungen 42 im Wesentlichen senkrecht zu der Bewegungsrichtung B des Druckkolbens verläuft.
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Um eine möglichst gleichmäßige definierte Strukturierung herstellen zu können, sind alle Ausnehmungen 42 mit einem ersten Abstand a, senkrecht zu der Bewegungsrichtung B des Druckkolbens, sowie mit einem zweiten Abstand b, in Bewegungsrichtung B des Druckkolbens, zueinander angeordnet. Die Mittelpunkte Mi der einzelnen Ausnehmungen 42 sind dabei auf einem definierten Gitternetz verteilt, das durch Reihen R und Spalten S gebildet ist. Dabei liegen alle Mittelpunkte Mi von Ausnehmungen 42, die derselben Reihe R zugeordnet sind, auf einer gemeinsamen Geraden. Gleiches gilt für die Spalten 5, bei denen ebenfalls die Mittelpunkte Mi von Ausnehmungen 42, die in derselben Spalte angeordnet sind, eine gemeinsame Gerade definieren. Die Geraden der Reihen R bzw. Spalten S sind zueinander parallel angeordnet, wobei die Spalten S senkrecht zur Bewegungsrichtung B des Druckkolben verlaufen und die Reihen R in einem definierten Winkel α zu der Bewegungsrichtung B des Druckkolbens angeordnet sind.
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In der gezeigten Ausführungsform liegt der Winkel α vorzugsweise bei etwa 22°, während der erste Abstand a in einem Bereich von etwa 40 µm und der zweite Abstand b in einem Bereich von etwa 50 µm liegt. Der maximale Durchmesser Dmax der Ausnehmungen 42 in der gezeigten Ausführungsform liegt in einem Bereich von etwa 36 µm, während der minimale Durchmesser Dmin in einem Bereich von etwa 30 µm liegt.
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Wie in den 5a und 5b gezeigt, können die Ausnehmungen 42 - in einer zu der Bewegungsrichtung des Druckkolbens senkrecht verlaufenden Schnittansicht betrachtet - zudem unterschiedliche Ausprägungen aufweisen. So ist in einer ersten gezeigten Ausführungsform in 5a die Ausnehmung in einem Längsschnitt betrachtet rechteckförmig ausgebildet, während sie in einer zweiten in 5b gezeigten Ausführungsform eine linsenförmige Schnittansicht aufweist. Die Eindringtiefe T der Ausnehmung 42 liegt hierbei vorzugsweise in einem Bereich von 12 µm.
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Durch die gezeigten Ausnehmungen oder Vertiefungen in den Ausführungsformen der 3 bis 5b werden zwei wichtige Ziele erreicht: Zum Einen eine Reduzierung der in Kontakt zum beweglichen Bauteil, dem Druckkolben, stehenden Oberfläche unter gleichzeitiger Beibehaltung der Dichtwirkung und zum Anderen die Bereitstellung von Räumen zur Aufnahme von Schmierflüssigkeit. Diese kann in den durch die definierte Struktur gebildeten Mikroräumen durch Adhäsionseffekte gehalten werden und bei einer Verformungsbelastung infolge eines sich aufbauenden Drucks in der Druckkammer dosiert austreten, um einen dauerhaften reibungsreduzierenden Gleitfilm zu bilden. Dadurch können sogenannte „stip-stick“ Effekte verringert werden, deren periodisches Auftreten zu unerwünschten Vibrationen während der Bewegung des Druckkolbens führen kann.
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Die geringere Reibung wirkt sich des Weiteren vorteilhaft auf die Lebensdauer aus, was insbesondere bei sicherheitskritischen Funktionen ausschlaggebend sein kann.
