DE102010060844B4

DE102010060844B4 - Dichtungselement für ein Gleichlaufdrehgelenk und Gleichlaufdrehgelenkanordnung

Info

Publication number: DE102010060844B4
Application number: DE102010060844.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Cermak Herbert; Michael Zierz
Original assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Current assignee: GKN Driveline Deutschland GmbH
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2016-12-22
Anticipated expiration: 2030-11-27
Also published as: CN103339397B; CN103339397A; US20130252743A1; US8925929B2; DE102010060844A1; WO2012069628A1

Abstract

Dichtungselement zum Abdichten eines Gelenkraums (31) eines Gleichlaufdrehgelenks (17), umfassend einen inneren Bund (3) zum abdichtenden Verbinden gegenüber einem Gelenkinnenteil (19) des Gleichlaufdrehgelenks (17), wobei der innere Bund (3) einen Wulst (13) aufweist, der gegenüber einem Sitzabschnitt (10) des inneren Bundes (3) nach radial außen und nach radial innen absteht, und eine im Einbauzustand dem Gleichlaufdrehgelenk (17) zugewandte Stirnfläche (8) aufweist, einen äußeren Bund (4) zum abdichtenden Verbinden gegenüber einem Gelenkaußenteil (18) des Gleichlaufdrehgelenks (17), einen Membranabschnitt (5), der sich zwischen dem inneren Bund (3) und dem äußeren Bund (4) erstreckt, wobei der Membranabschnitt (5) axial versetzt zum Wulst (13) an dem inneren Bund (3) anschließt und zwischen dem inneren Bund (3) und dem äußeren Bund (4) faltenlos und im wesentlichen konusförmig gestaltet ist, und wobei der Wulst (13) des inneren Bundes (3) einen geringeren Abstand zur Stirnfläche (8) des Membranabschnitts (5) aufweist als der äußere Bund (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement für ein Gleichlaufdrehgelenk sowie eine Gleichlaufdrehgelenkanordnung mit einem Gleichlaufdrehgelenk und einem solchen Dichtungselement zum Abdichten des Gelenkraums.
Aus der DE 10 2006 006 441 A1 ist eine Gelenkanordnung mit Dichtmitteln bekannt, die ein Gleichlaufdrehgelenk und eine Dichtungsmembran aufweist. Das Gleichlaufdrehgelenk weist ein Gelenkaußenteil, ein Gelenkinnenteil, drehmomentübertragende Kugeln, die in Kugelbahnen des Gelenkaußenteils und des Gelenkinnenteils geführt sind, sowie einen Kugelkäfig auf, in dem die Kugeln gehalten sind. Die Dichtungsmembran umfasst einen inneren Bund, der mit einer Hülse am Gelenkinnenteil fest verbunden ist, und einen äußeren Bund, der mit einer Ringkappe am Gelenkaußenteil fest verbunden ist. Die Dichtungsmembran hat zwischen dem inneren Bund und dem äußeren Bund eine Ringfalte.
Aus der DE 16 25 974 A ist eine Dichtungsmanschette aus elastischem Material zur Abdichtung des Spalts zwischen einem Gelenkteil und einer Welle bekannt. Die Dichtungsmanschette umfasst einen Außenring und einen Innenring, die über eine konusförmig ausgebildete Ringmembrane verbunden sind, wobei die Ringmembrane in eingebauter Lage zu einem Rollbalg verformt ist.
Aus der US 3 611 816 A ist eine konische Manschette aus Gummimaterial bekannt, die zum Abdichten einer Welle gegenüber einem Gehäuse dient.
Dichtungselemente in Gleichlaufgelenken, insbesondere in Längsantriebswellen von Kraftfahrzeugen sind extremen Bedingungen ausgesetzt, vor allem hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen. Dabei treten an den Dichtungen Verformungen auf, die zu einer reduzierten Gebrauchsdauer der Dichtung und damit des Gleichlaufgelenks führen können.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Dichtungselement für ein Gleichlaufgelenk vorzuschlagen, das auch bei extremen Betriebsbedingungen einen geringen Verschleiß und damit eine erhöhte Lebensdauer aufweist. Die Aufgabe besteht ferner darin, eine Gleichlaufdrehgelenkanordnung mit einem solchen Dichtungselement vorzuschlagen, die einen geringen Verschleiß und damit eine erhöhte Lebensdauer aufweist.
Die Lösung liegt in einem Dichtungselement zum Abdichten eines Gelenkraums eines Gleichlaufdrehgelenks, umfassend einen inneren Bund zum abdichtenden Verbinden gegenüber einem Gelenkinnenteil des Gleichlaufdrehgelenks, wobei der innere Bund einen Sitzabschnitt, einen gegenüber dem Sitzabschnitt nach radial außen und radial innen abstehenden Wulst und eine im Einbauzustand dem Gleichlaufdrehgelenk zugewandte Stirnfläche aufweist; einen äußeren Bund zum abdichtenden Verbinden gegenüber einem Gelenkaußenteil des Gleichlaufdrehgelenks; einen Membranabschnitt, der sich zwischen dem inneren Bund und dem äußeren Bund erstreckt; wobei der Membranabschnitt axial versetzt zum Wulst an dem inneren Bund anschließt und zwischen dem inneren Bund und dem äußeren Bund faltenlos und im wesentlichen konusförmig gestaltet ist, und wobei der Wulst des inneren Bundes einen geringeren Abstand zur Stirnfläche des Membranabschnitts aufweist als der äußere Bund.
Der Vorteil besteht darin, dass das Dichtungselement in eingebautem Zustand in einem Gleichlaufgelenk bei Betrieb des Gelenks eine Formänderung erfahren kann. Das Dichtungselement ist so gestaltet, dass gezielt ein Verformungspotential vorgehalten wird, mit dem Zweck, dass unter Betriebsbedingungen des Gelenks eine optimale Endform erreicht wird. Um dies zu erreichen ist die Urform des Balgs so gestaltet, dass dieser in seinem Membranabschnitt zwischen dem inneren Bund und dem äußeren Bund faltenlos ist. In diesem Zusammenhang bedeutet „faltenlos”, dass der Membranabschnitt im Halblängsschnitt betrachtet, vom äußeren Bund in Richtung zum inneren Bund eine Steigung aufweist, die größer oder gleich Null ist. Mit anderen Worten hat der Membranabschnitt keinen Teilbereich mit negativer Steigung bzw. Gefälle, das heißt er hat im Ausgangszustand keine Falte. Der Membranabschnitt ist zwischen dem äußeren Bund und dem inneren Bund im wesentlichen konusförmig gestaltet, was so zu verstehen ist, dass der Membranabschnitt im Halblängsschnitt betrachtet eine gerade Wandung oder auch eine leicht gekrümmte Wandung aufweisen kann.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Dichtungselement in Form eines Membranbalgs gestaltet. Vorzugsweise ist der Membranabschnitt gekrümmt und weist eine konvexe Innenfläche und eine konkave Außenfläche auf, wobei die konvexe Innenfläche radial innen eine Stirnfläche des inneren Bundes bildet und wobei die konkave Außenfläche radial innen in eine ringförmige Ausnehmung übergeht. Die Stirnfläche des inneren Bundes kann als Anlagefläche dienen, welche sich gegen eine Stirnfläche des Gelenkinnenteils axial abstützen kann. Die ringförmige Ausnehmung dient zur Aufnahme eines Sicherungsrings, der zur Fixierung des Dichtungselements in die Ausnehmung formschlüssig eingreifen kann.
Vom inneren Bund zum äußeren Bund erstreckt sich der Membranabschnitt etwa C-förmig, wobei der axiale Abstand des Membranabschnitts zu einer Ebene, welche durch die gelenkseitige Stirnfläche des inneren Bundes definiert wird, von innen nach radial außen zunimmt. Das heißt, der Endabschnitt des inneren Bundes, an den der Membranabschnitt radial anschließt, ist gegenüber dem äußeren Wulst axial versetzt angeordnet. Dabei liegt der Endabschnitt des inneren Bundes in montiertem Zustand axial näher am Gelenk als der äußere Bund. Durch diese Ausgestaltung hat das Dichtungselement im Ausgangszustand insgesamt eine etwa ringschalenförmige Gestalt.
Der innere Bund weist einen Wulst auf, der gegenüber dem Sitzabschnitt des inneren Bundes nach radial außen und nach radial innen absteht. Der radial nach innen abstehende Wulstabschnitt dient zur Fixierung gegenüber dem Gelenkinnenteil oder einem mit dem Gelenkinnenteil fest verbundenen hülsenförmigen Ansatz. Dabei ist in dem Gelenkinnenteil bzw. in dem hülsenförmigen Ansatz eine äußere Ringnut vorgesehen, in die der Wulst des inneren Bundes eingreifen kann. Der nach radial außen abstehende Wulstabschnitt bildet an der Außenseite des inneren Bundes eine ringförmige Ausnehmung, in der ein Sicherungsring formschlüssig aufgenommen werden kann. Dabei verhindert der Wulst, dass der innere Bund bei hohen Drehzahlen und damit auftretenden nach radial außen gerichteten Zentrifugalkräften ungewünscht durch den Sicherungsring hindurchgezogen wird. Vorzugsweise hat der innere Wulst zur Stirnfläche des Membranabschnitts einen geringeren Abstand als der äußere Wulst. Das heißt, der innere Wulst ist gegenüber dem äußeren Wulst in Richtung zur Stirnfläche bzw. zum Gelenk axial versetzt.
Die Lösung der obengenannten Aufgabe besteht weiter in der Verwendung eines erfindungsgemäßen Dichtungselements, das eine oder mehrere der obengenannten Ausgestaltungen haben kann, zum Abdichten eines Gelenkraums eines Gleichlaufdrehgelenks, wobei der innere Bund mit einem Gelenkinnenteil des Gleichlaufdrehgelenks abdichtend verbindbar ist, und wobei der zweite Bund mit einem Gelenkaußenteil des Gleichlaufdrehgelenks abdichtend verbindbar ist. Hieraus ergeben sich die obengenannten Vorteile, dass das Dichtungselement nach Aufbringen der Betriebsbedingungen eine definierte Form einnimmt, die eine lange Lebensdauer des Dichtungselements und damit des Gleichlaufdrehgelenks gewährleistet.
Die Lösung der obengenannten Aufgabe besteht ferner in einer Gleichlaufdrehgelenkanordnung umfassend ein Gleichlaufdrehgelenk mit einem Gelenkaußenteil, einem Gelenkinnenteil, drehmomentübertragenden Kugeln, die in Paaren von einander gegenüberliegenden Kugelbahnen des Gelenkaußenteils und des Gelenkinnenteils geführt sind, einem Kugelkäfig, in dem die Kugeln gehalten sind, insbesondere in einer winkelhalbierenden Ebene, sowie mit einem Gelenkraum, wobei der Gelenkraum nach außen hin abgedichtet ist und zumindest teilweise mit einem Schmiermittel gefüllt ist; eine Dichtungsanordnung mit einem elastischen Dichtungselement zum Abdichten des Gelenkraums, wobei das Dichtungselement einen inneren Bund zum abdichtenden Verbinden gegenüber einem Gelenkinnenteil des Gleichlaufdrehgelenks, einen äußeren Bund zum abdichtenden Verbinden gegenüber einem Gelenkaußenteil des Gleichlaufdrehgelenks, und einen Membranabschnitt aufweist, der sich zwischen dem inneren und äußeren Bund erstreckt, wobei der Membranabschnitt zwischen dem inneren und äußeren Bund im Ausgangszustand faltenlos und im wesentlichen konusförmig gestaltet ist; und wobei das Volumen des Schmiermittels so bemessen ist, dass von dem Schmiermittel im Ausgangszustand eine Kraft von innen auf das Dichtungselement einwirkt und ein Füllspiegel des Schmiermittels im Ausgangszustand auf einem Durchmesser liegt, der kleiner ist als ein Außendurchmesser des Kugelkäfigs. Mit Ausgangszustand ist der Ursprungszustand der Gelenkanordnung bzw. des Dichtungselements bei Aufbringen der ersten Drehung des Gleichlaufdrehgelenks gemeint.
Dabei versteht es sich, dass das Dichtungselement für die erfindungsgemäße Gleichlaufdrehgelenkanordnung eine oder mehrere der obengenannten Ausgestaltungen aufweisen kann. Der Vorteil besteht darin, dass die Gleichlaufdrehgelenkanordnung nur einem geringen Verschleiß unterliegt und damit eine hohe Lebensdauer aufweist. Die Form des Dichtungselements ist so gestaltet, dass bei Betrieb des Gelenks eine irreversible plastische Formänderung auftritt. Dabei wird zumindest ein Teil des Membranabschnitts nach außen in Bezug auf den Gelenkraum plastisch verformt. Durch diese Formänderung wird der Gelenkraum vergrößert, so dass sowohl der Schmiermitteldruck als auch die Walkarbeit im Schmiermittel verringert wird.
Beim Einlaufen des Gelenks erhöht sich der Innendruck im Gelenkraum aufgrund der wirksamen Zentrifugalkräfte und erhöhter Temperaturen. Diese Druckerhöhung im Gelenkinnenraum wird durch die Formänderung des Dichtungselements und der damit einhergehenden Volumenvergrößerung kompensiert. Die Einlauftemperatur des Gelenks ist vorzugsweise so hoch, dass aufgrund des auf das Dichtungselement einwirkenden Drucks und der Temperatur ein Kriechen des Werkstoffs des Dichtungselements und damit eine dauerhafte plastische Verformung stattfindet, wobei die Einlauftemperatur insbesondere zwischen 100°C und 120°C liegt. Die Formänderung bewirkt, dass die Materialdicke des Dichtungselements zumindest in einem Teilbereich des Membranabschnitts im Ausgangszustand, das heißt in der ersten Form, größer ist als nach dem Einlaufen bzw. im Betriebszustand, das heißt in der zweiten Form.
Erfindungsgemäß ist das Volumen der Schmiermittelfüllung so bemessen, dass im Ausgangszustand der Füllspiegel der Schmiermittelfüllung auf einem Durchmesser liegt, der kleiner ist als ein Außendurchmesser des Kugelkäfigs, insbesondere kleiner ist als ein Rollkreisdurchmesser (PCD) der Kugeln, vorzugsweise kleiner ist als ein Innendurchmesser des Kugelkäfigs. Mit Spiegel der Schmiermittelfüllung ist dabei der Füllstand gemeint, der sich bei Rotation des Gleichlaufdrehgelenks ergibt, bei dem das Schmiermittel aufgrund von Zentrifugalkräften nach radial außen geschleudert ist. Dadurch, dass die Schmiermittelfüllung in der Urform des Dichtungselements auf einem Durchmesser liegt, der zumindest einem größten Außendurchmesser des Kugelkäfigs entspricht, kann das Schmiermittel in vorteilhafter Weise auf diesem wirksamen Durchmesser eine Axialkraft auf das Dichtungselement ausüben. Diese Axialkraft bewirkt in Zusammenwirkung mit der bei Betrieb auftretenden Temperatur ein Kriechen des Materials des Dichtungselements. Auf diese Weise ändert das Dichtungselement dauerhaft seine Form, wobei der im Urzustand faltenlose Membranabschnitt aufgefaltet wird, so dass dieser nach dem Einlaufen bei Betriebsbedingungen zumindest eine Ringfalte aufweist.
Vorzugsweise hat das Dichtungselement in einem Ausgangszustand eine erste Form, in welcher der zumindest eine Teil des Membranabschnitts an eine Mittelebene des Gleichlaufgelenks angenähert ist. Diese erste Form ist dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement bzw. der Membranabschnitt zwischen dem inneren und äußeren Bund faltenlos ist. Nach dem Einlaufen bzw. im Betriebszustand nimmt das Dichtungselement eine zweite Form ein, in welcher der zumindest eine Teil des Membranabschnitts von der Mittelebene weiter entfernt angeordnet ist. In dieser zweiten Form weist der Membranabschnitt zwischen dem inneren Bund und dem äußeren Bund zumindest eine Ringfalte auf. Durch die erfolgte plastische Formänderung von der ersten Form zur zweiten Form wandert der Spiegel des Schmiermittels von einem im Ausgangszustand kleineren Durchmesser, bei dem das Schmiermittel von innen eine Kraft auf das Dichtungselement ausübt, auf einen größeren Durchmesser, so dass die Wirkung des Schmiermitteldrucks, die auf das Dichtungselement einwirkt, abnimmt. Dies geschieht aufgrund der kleineren beaufschlagten Fläche bzw. durch die geänderte Angriffsgeometrie am Dichtungselement.
Das Dichtungselement sitzt in montiertem Zustand mit seinem inneren Bund auf dem Gelenkinnenteil bzw. einem mit dem Gelenkinnenteil fest verbundenem Hülsenansatz auf. Dabei greift der innere Bund mit seinem nach radial innen gerichteten Wulst in eine entsprechende Ringnut des Gelenkinnenteils bzw. dem Hülsenansatz ein. Der Hülsenansatz kann einteilig mit dem Gelenkinnenteil hergestellt sein, oder fest mit diesem verbunden sein, beispielsweise mittels Schweißen. Vorzugsweise sitzt der innere Bund des Dichtungselements mit radialer Vorspannung auf dem Sitz des Gelenkinnenteils bzw. des Hülsenansatzes auf. Das heißt, dass der innere Bund des Dichtungselements im Urzustand einen Innendurchmesser aufweist, der kleiner ist, als ein Außendurchmesser des Gelenkinnenteils im Bereich des Sitzes für den inneren Bund. Die radiale Vorspannung ist vorzugsweise so bemessen, dass dem Dichtungselement im montierten Zustand im Bereich des inneren Bundes eine Dehnung von 3% bis 7%, insbesondere von etwa 5%, aufgezwungen wird.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Kappe vorgesehen, die mit einem ersten Endabschnitt mit dem Gelenkaußenteil fest verbindbar ist, und an einem zweiten Endabschnitt eine nach innen offene Ringnut aufweist, in welche der äußere Bund des Dichtungselements eingreift. Hierfür ist der äußere Bund vorzugsweise in Form eines nach radial außen gerichteten Wulstes gestaltet, der in die Ringnut formschlüssig eingreift. Die Kappe weist auf der dem Gleichlaufgelenk angenäherten Seite eine ringförmigen Anlagefläche auf, gegen die ein äußerer Teilabschnitt des Membranteils im Ausgangszustand abgestützt ist. Das heißt im Ausgangszustand, zu Beginn des Einlaufens, liegt der Membranabschnitt gegen die Anlagefläche der Kappe an, welche das Dichtungselement von der Gelenkmittelebene weg beaufschlagt. Nach dem Einlaufen, das heißt, wenn das Dichtungselement die zweite Form eingenommen hat und sich eine Ringfalte ausgebildet hat, ist der Membranabschnitt mit seinem äußeren Teilabschnitt von der ringförmigen Anlagefläche, zumindest von deren Endabschnitt, weiter beabstandet.
Vorzugsweise ist die Menge bzw. das Volumen des Schmiermittels so bemessen, dass der Spiegel der Schmiermittelfüllung nach dem Einlaufen auf einem zweiten Durchmesser liegt, der größer ist als ein kleinster Innendurchmesser der Kappe. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass das Schmiermittel im Betriebszustand aufgrund der Zentrifugalkräfte axial gegen die nach radial innen gezogene Kappe drückt, nicht jedoch gegen das elastische Dichtungselement. So wird verhindert, dass das Dichtungselement weiter aufgeweitet wird und vom Gelenk weggedrückt wird, was schlimmstenfalls zu einem Aufweiten und Versagen des Dichtungselements führen könnte.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungsfiguren gezeigt und werden nachstehend beschrieben. Hierin zeigt
1 ein erfindungsgemäßes Dichtungselement in einer ersten Ausführungsform in Axialansicht;
2 das Dichtungselement nach 1 im Längsschnitt;
3 die Dichtungselement nach 1 in perspektivischer Ansicht;
4 die Dichtungselement nach 1 in Seitenansicht;
5 die Dichtungselement nach 1 im Halblängsschnitt im Detail;
6 eine erfindungsgemäße Gelenkanordnung mit einem erfindungsgemäßen Dichtungselement nach 1 im Längsschnitt im Ausgangszustand;
7 die Gelenkanordnung nach 6 im Längsschnitt nach dem Einlaufen im Betriebszustand;
8 ein Dichtungselement in einer zweiten Ausführungsform im Halblängsschnitt; und
9 das Dichtungselement nach 8 im Halblängsschnitt;
Die 1 bis 5 werden nachstehend gemeinsam beschrieben. Es ist ein erfindungsgemäßes Dichtungselement 2 in einer ersten Ausführungsform gezeigt, das in Form eines Membranbalgs gestaltet ist. Das Dichtungselement 2 umfasst einen inneren Bund 3 zum abdichtenden Verbinden gegenüber einem Gelenkinnenteil oder einem hiermit verbundenen Bauteil, einen äußeren Bund 4 zum abdichtenden Verbinden gegenüber einem Gelenkaußenteil oder einem hiermit verbundenen Bauteil, sowie einen Membranabschnitt 5, der sich zwischen dem inneren Bund 3 und dem äußeren Bund 4 erstreckt und diese miteinander verbindet. Der äußere Bund 4 ist in Form eines ringförmigen Wulstes gestaltet, welcher in eine entsprechende Ringnut (nicht dargestellt) formschlüssig dichtend eingreifen kann. An den äußeren Bund 4 schließt der Membranabschnitt 5 nahtlos an.
Es ist erkennbar, dass der Membranabschnitt 5, der auch als Zwischenabschnitt bezeichnet werden kann, eine im wesentlichen konische Form mit einem steigenden Verlauf von radial außen nach radial innen in Bezug auf die Drehachse A aufweist. Dabei hat der Membranabschnitt 5, im Halblängsschnitt betrachtet, von radial außen nach radial innen stets eine Steigung, die größer oder gleich Null ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Mantelabschnitt 5 leicht gekrümmt, so dass dieser eine konvexe Innenfläche 6 und eine konkave Außenfläche 7 aufweist. Die Krümmung des Membranabschnitts 5 ist von außen nach innen über die gesamte radiale Erstreckung einheitlich, d. h. der Membranabschnitt 5 ist über seine radiale Erstreckung faltenlos. Die konvexe Innenfläche 6 geht radial innen in eine radiale Stirnfläche 8 über, die eine seitliche Begrenzung für den inneren Bund 3 bildet. Die konkave Außenfläche 7 geht radial innen in eine ringförmige Ausnehmung 9 über, deren Radius im Halblängsschnitt deutlich kleiner ist als der Radius der konkaven Außenfläche 7. Die Ausnehmung 9 dient zur Aufnahme eines hier nicht dargestellten Sicherungsrings, welcher den inneren Bund 3 auf einem Hülsenbauteil (nicht dargestellt) fixiert.
Der innere Bund 3 weist einen Sitzabschnitt 10 auf, der eine insbesondere zylindrische Innenfläche 12 zum dichtenden Aufsitzen auf dem Hülsenbauteil aufweist. An seinem der Stirnfläche 8 entgegengesetzten Ende hat der innere Bund 3 einen Wulst 13 mit einem nach radial innen vorstehenden ersten Wulstabschnitt 14 und einem nach radial außen vorstehenden zweiten Wulstabschnitt 15. Dabei dient der erste Wulstabschnitt 14 zum Eingreifen in eine entsprechende Ringnut auf dem Hülsenbauteil. Der nach radial außen gerichtete Wulstabschnitt 15 dient zur axialen Fixierung des Sicherungsrings in der Ausnehmung 9. Dabei ist die Außenfläche des äußeren Wulstabschnitts 15 leicht konisch gestaltet, so dass der hier nicht dargestellte Sicherungsring einfach über den Wulstabschnitt 15 aufgeschoben werden kann, bis er in die Ausnehmung 9 einschnappt. Insgesamt ist das Dichtungselement 2 im Längsschnitt betrachtet etwa ringschalenförmig gestaltet, wobei der Wandungsabschnitt 5 im Halblängsschnitt etwa C-förmig gestaltet ist. Der innere Wulst 13 ist gegenüber dem äußeren Bund 4 axial versetzt angeordnet, und zwar in Richtung der Stirnfläche 8.
Die Form des erfindungsgemäßen Dichtungselements 2 ist so gestaltet, dass diese im Einbauzustand in einem Gelenk eine Formänderung erfahren kann. Dabei wird die im Halblängsschnitt zunächst C-förmige Gestalt des Membranabschnitts 5, die im Ausgangszustand faltenlos ist, beim Einlaufen von einer Ebene, die durch die Stirnfläche 8 aufgespannt wird, weg gedrückt. Auf diese Weise erfolgt eine Formänderung des Membranabschnitts 5, der dabei eine Ringfalte zwischen dem inneren Bund 3 und dem äußeren Bund 4 bildet. Hierauf wird weiter unten noch näher eingegangen.
6 zeigt eine erfindungsgemäße Gelenkanordnung 16 mit einem erfindungsgemäßen Dichtungselement 2, wie es in den 1 bis 5 gezeigt ist. Die Gelenkanordnung 16 umfasst ein Gleichlaufdrehgelenk 17 mit einem Gelenkaußenteil 18, einem Gelenkinnenteil 19 mit einer Einstecköffnung 20 für einen Zapfen (nicht dargestellt), drehmomentübertragenden Kugeln 22 und einem Kugelkäfig 23 mit Käfigfenstern 24, in denen die Kugeln 22 in einer Ebene E gehalten sind. Das Gleichlaufdrehgelenk 17 ist als Gegenbahngelenk ausgeführt, d. h. äußere erste Kugelbahnen 25' im Gelenkaußenteil 18 und innere erste Kugelbahnen 26' im Gelenkinnenteil 19 verlaufen axial gegensinnig zu äußeren zweiten Kugelbahnen 25'' im Gelenkaußenteil 18 und inneren zweiten Kugelbahnen 26'' im Gelenkinnenteil 19. Die so gebildeten ersten Bahnpaare haben Steuerwinkel, die sich in einer ersten Richtung R1 öffnen, während die zweiten Bahnpaare Steuerwinkel haben, die sich in einer zweiten Richtung R2 öffnen. Die Gegenbahnformation entsteht dadurch, dass die Krümmungsmittelpunkte der Bahnmittellinien, die parallel zu den dargestellten Bahngrundlinien verlaufen, in jedem der Gelenkteile 18, 19 über dem Umfang abwechselnd in entgegengesetzte axiale Richtung der Gelenkmittelebene E versetzt sind. Dabei wird die Gelenkmittelebene E durch die Mittelpunkte der Kugeln 22 bei gestrecktem Gelenk definiert. Die Anzahl der drehmomentübertragenden Kugeln 22 und der Käfigfenster 24 beträgt vorzugsweise 6, 8, 10 oder 12.
Das Gegenbahngelenk 17 ist als Scheibengelenk gestaltet, d. h. dass das Gelenkaußenteil 18 in beide Richtungen R1, R2 offen ist. In der ersten Richtung R1 ist das Gegenbahngelenk 17 mittels einer Dichtungsanordnung 27 nach außen hin abgedichtet. In der zweiten Richtung R2 ist das Gegenbahngelenk 17 mittels eines Deckels 28 abgedichtet, der mit einem außen liegenden Flanschabschnitt in einer Ausnehmung 29 des Gelenkaußenteils 18 gehalten ist. Weiterhin kann ein weiterer Deckel (nicht dargestellt) vorgesehen sein, der in der Einstecköffnung 20 des Gelenkinnenteils 19 dichtend einsitzt. An dem Gelenkaußenteil 18 ist ein Wellenrohr 30 mittels Schweißen angeschlossen, das mit einem Flanschabschnitt in die Ausnehmung 29 eingesetzt ist. Das gezeigte Gelenk dient insofern insbesondere zum Einsatz in einer ein- oder mehrteiligen Antriebswelle. An das Gelenkinnenteil 19 ist eine Hülse 32 einstückig angeformt, die zum Verbinden mit einem Anschlussteil, beispielsweise einem Zapfen einer Gelenkwelle, dient.
Die Dichtungsanordnung 27 umfasst eine Ringkappe 33, das Dichtungselement 2 und einen Sicherungsring 43. Die Ringkappe 33 ist zweiteilig gestaltet und umfasst ein erstes Kappenteil 34 und ein zweites Kappenteil 35. Die beiden Kappenteile 34, 35 sind vorzugsweise als Blechumformteile hergestellt. Das äußere Kappenteil 34 weist einen Befestigungsabschnitt 36 auf, der das Gelenkaußenteil 18 übergreift und mit einem Endabschnitt in einer umlaufenden Nut 37 des Gelenkaußenteils 18 eingreift. An seinem dem Gelenk 17 entgegengesetzten Ende hat das Kappenteil 34 einen S-förmigen Abschnitt 38, der einen ringförmigen Aufnahmeraum für den äußeren Bund 4 des Dichtelements 2 bildet. Das zweite Kappenteil 35 ist innerhalb des ersten Kappenteils 34 angeordnet und hat einen Flanschabschnitt 39, der zwischen dem ersten Kappenteil 34 und dem Gelenkaußenteil 18 eingespannt ist, sowie einen daran anschließenden zylindrischen Abschnitt, der mit einem entsprechenden Zylinderabschnitt des äußeren Kappenteils 34 in flächigem Kontakt ist, sowie einen im Halblängsschnitt betrachtet C-förmigen Endabschnitt 42, der in Richtung Gelenk geöffnet ist. Der C-förmige Endabschnitt 42 des inneren Kappenteils 35 und der S-förmige Endabschnitt 38 des äußeren Kappenteils 34 bilden gemeinsam eine Einziehung mit kleinerem Abstand, sowie einen radial außen daran anschließenden Ringraum zur Aufnahme und Fixierung des äußeren Bundes 4 des Dichtungselements 2. Ein radial außen liegender Teilbereich des Membranabschnitts 5 ist dabei gegen die Außenfläche des C-förmigen Endabschnitts 42 abgestützt.
Das Dichtungselement 2 ist mittels des Sicherungsrings 43 auf der Hülse 32 dichtend befestigt. Dabei greift der Ringwulst 14 in eine äußere Ringnut 44 der Hülse 32 ein, so dass der innere Bund 3 gegenüber der Hülse 32 axial fixiert ist. Um ein Lösen im Betrieb zu verhindern, greift der Sicherungsring 23 in die Ausnehmung 9 des inneren Bundes 3 des Dichtungselements 2 ein. Somit ist der innere Bund 3 auch radial gegenüber der Hülse 32 fixiert.
Die Hülse 32, die vorzugsweise einstückig mit dem Gelenkinnenteil 19 ausgebildet ist, umfasst, ausgehend von der Stirnfläche 45 des Gelenkinnenteils 19, einen Sitzabschnitt 46 für den inneren Bund 3, der von der Ringnut 44 seitlich begrenzt wird. Der innere Bund 3 erstreckt sich von der Stirnfläche 44 des Gelenkinnenteils 19 bis zur Endseite der Ringnut 44.
6 zeigt die erfindungsgemäße Gelenkanordnung 16 mit dem erfindungsgemäßen Dichtungselement 2 im Ausgangszustand, d. h. im Urzustand des Dichtungselements 2 nach dessen Herstellung. Es ist erkennbar, dass das Dichtungselement 2 in diesem Ausgangszustand einen etwa C-förmigen Verlauf des Membranabschnitts 5 aufweist, der insbesondere faltenlos ist, wie in den 1–5 gezeigt.
Unmittelbar nach dem Zusammenbau der Gelenkanordnung 16 stellt sich die Situation wie in 6 dargestellt dar. Der Gelenkraum 31 ist durch die Urform des Dichtungselements 2 kleiner als eigentlich benötigt. Das Dichtungselement ist in einer ersten Form, die für seine Gebrauchsdauer im Grunde genommen ungünstig ist, da zwischen dem Dichtungselement 2 und dem Gelenkinnenteil 19 ungünstige Berühr- und Scheuerflächen auftreten und die freie Beweglichkeit des Dichtungselements 2 eingeschränkt ist. Die Schmiermittelbefüllung des Gelenks ist relativ für diesen Gelenkraum 31 zu groß, so dass der Füllspiegel 41 einen relativ kleinen Durchmesser aufweist. Dadurch ergibt sich jedoch ein für die Lebensdauer des Gelenks günstiges Einlaufen der Wirkflächen.
Wird das Gelenk 16 einige Zeit unter Betriebsbedingungen betrieben, nimmt das Dichtungselement seine eigentliche Funktionsform an, die in 7 gezeigt ist. Dadurch sind nun die Berührflächen und das Scheuern, und somit der Abrieb, auf ein Minimum reduziert und die Beweglichkeit erhöht. Auf diese Weise ist die Gebrauchsdauer des Dichtungselements gewährleistet. Gleichzeitig wird auch der Gelenkinnenraum 31 vergrößert, so dass der Schmiermittelspiegel größer wird. Hierdurch wird sowohl der Schmiermitteldruck, als auch die Balgarbeit im Schmiermittel verringert. Des weiteren wird eine Druckerhöhung durch erhöhte Temperaturen im Betrieb ebenfalls durch die mittels der Formänderung und der damit einhergehenden Volumenvergrößerung kompensiert.
Es ist in 7, welche die Gelenkanordnung 16 gemäß 6 nach dem Einlaufen im Betriebszustand zeigt, erkennbar, dass der ursprünglich faltenlose Membranabschnitt 5 seine Form verändert hat und insbesondere eine Ringfalte ausgebildet hat. Hiermit ist aus dem im Halblängsschnitt C-förmigen Verlauf eine S-förmige Gestalt entstanden. Ursächlich für diese Formänderung ist die Gestalt des Dichtungselements 2 unter Einwirken einer Axialkraft und einer erhöhten Temperatur. Beim Einlaufen der Gelenkanordnung 16 erhöht sich der Innendruck im Gelenkraum 31 aufgrund der wirksamen Zentrifugalkräfte und erhöhter Temperaturen. Diese Druckerhöhung im Gelenkinnenraum 31 führt zu einer irreversiblen plastischen Verformung des Dichtungselements 2, und zwar insbesondere dessen Membranabschnitts 5, der von der Gelenkmittelebene weg beaufschlagt wird. Dabei vergrößert sich der Gelenkraum 31, was wiederum dazu führt, dass der Spiegel 41 des Schmiermittels 21 auf einen größeren Durchmesser wandert.
Das Volumen bzw. die Menge der Schmiermittelfüllung ist so bemessen, dass im Ausgangszustand, der in 6 gezeigt ist, der Spiegel 41 der Schmiermittelfüllung 21 auf einem Durchmesser D1 liegt, der kleiner ist als der Außendurchmesser des Kugelkäfigs 23. Durch die plastische Formänderung des Dichtungselements 2 von der ersten Form, die in 6 gezeigt ist, zur zweiten Form, die in 7 gezeigt ist, wandert der Spiegel 41 des Schmiermittels 21 auf einen größeren Durchmesser D2. Auf diese Weise nimmt der Schmiermitteldruck, der auf das Dichtungselement 2 einwirkt, ab. Dabei ist die Menge des Schmiermittels so bemessen, dass der Spiegel 41 der Schmiermittelfüllung 21 nach dem Einlaufen auf dem zweiten Durchmesser D2 liegt, der größer ist als ein kleinster Innendurchmesser der Kappe 33. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Schmiermittel 21 im Betriebszustand aufgrund der Zentrifugalkräfte axial gegen die nach radial innen gezogene Kappe 33 drückt, nicht jedoch gegen das elastische Dichtungselement 2. So wird verhindert, dass das Dichtungselement 2 weiter aufgeweitet wird.
Die Einlauftemperatur der Gelenkanordnung 16 ist so hoch, dass aufgrund des auf das Dichtungselement 2 einwirkenden Drucks und der Temperatur ein Kriechen des Werkstoffs erreicht wird, so dass eine dauerhafte plastische Verformung des Dichtungselements 2 stattfindet. Dabei beträgt die Einlauftemperatur vorzugsweise zwischen 100°C und 200°C.
Die 8 und 9, welche im Folgenden gemeinsam beschrieben werden, zeigen ein erfindungsgemäßes Dichtungselement 2' in einer zweiten Ausführungsform. Das Dichtungselement 2' entspricht hinsichtlich seines Aufbaus und seiner Funktionsweise weitestgehend demjenigen gemäß den 1 bis 5, so dass hinsichtlich der Gemeinsamkeiten auf die obige Beschreibung Bezug genommen werden kann. Dabei sind gleiche Bauteile mit gleichen und abgewandelte Bauteile mit um eins gestrichenen Bezugszeichen versehen.
Der einzige Unterschied des vorliegenden Dichtungselements 2' besteht in der Ausgestaltung des Membranabschnitts 5', der nämlich eine konische anstatt einer leicht gekrümmten Form hat. Auch dieses Dichtungselement 2' kann in einer Gelenkanordnung, wie sie in den 6 bzw. 7 gezeigt ist, zum Einsatz kommen. Dabei ändert sich die Form des Dichtungselements 2' bei Betrieb, nach dem Einlaufen, wie sie 7 gezeigt ist, oder ist an diese angenähert. Mit dem Dichtungselement 2' nach 9 ergeben sich damit dieselben Vorteile, wie oben beschrieben. Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Dichtungselement auch Konturen des Membranabschnitts aufweisen kann, die von den gezeigten Ausführungsbeispielen abweiche. Beispielsweise kann das Dichtungselement in seinem Membranabschnitt einen Verlauf haben, der zwischen dem in den 1 bis 5 und dem in 9 gezeigten Verlauf liegt.
Die erfindungsgemäßen Dichtungselemente 2, 2' haben den Vorteil, dass sie im Zusammenwirken mit dem Gelenk 17 bei dessen Betrieb eine Formänderung erfahren können. Dabei wird erst unter Betriebsbedingungen des Gelenks 17 die abschließende Form erreicht, welche im Hinblick auf die Lebensdauer des Dichtungselements 2, 2' optimiert ist. Hieraus ergibt sich in vorteilhafter Weise auch eine hohe Lebensdauer für die gesamte Gelenkanordnung, welche damit insbesondere für Anwendungen mit extremen Betriebsbedingungen, wie hohen Drehzahlen oder Temperaturen, geeignet ist.
Bezugszeichenliste

2: Dichtungselement
3: innerer Bund
4: äußerer Bund
5: Membranabschnitt
6: Innenfläche
7: Außenfläche
8: Stirnfläche
9: Ausnehmung
10: Sitzabschnitt
11: Ringfalte
12: Innenfläche
13: Wulst
14: Wulstabschnitt
15: Wulstabschnitt
16: Gelenkanordnung
17: Gleichlaufdrehgelenk
18: Gelenkaußenteil
19: Gelenkinnenteil
20: Einstecköffnung
21: Schmiermittel
22: Kugel
23: Käfig
24: Fenster
25: Außenbahn
26: Innenbahn
27: Dichtungsanordnung
28: Deckel
29: Ausnehmung
30: Rohrabschnitt
31: Gelenkraum
32: Hülse
33: Kappe
34: erstes Kappenteil
35: zweites Kappenteil
36: Endabschnitt
37: Ringnut
38: Endabschnitt
39: Flanschabschnitt
40: Zylinderabschnitt
41: Füllspiegel
42: Endabschnitt
43: Sicherungsring
44: Ringnut
45: Stirnfläche
46: Sitzfläche
A: Drehachse
E: Ebene
R: Richtung
D: Durchmesser

Claims

Dichtungselement zum Abdichten eines Gelenkraums (31) eines Gleichlaufdrehgelenks (17), umfassend einen inneren Bund (3) zum abdichtenden Verbinden gegenüber einem Gelenkinnenteil (19) des Gleichlaufdrehgelenks (17), wobei der innere Bund (3) einen Wulst (13) aufweist, der gegenüber einem Sitzabschnitt (10) des inneren Bundes (3) nach radial außen und nach radial innen absteht, und eine im Einbauzustand dem Gleichlaufdrehgelenk (17) zugewandte Stirnfläche (8) aufweist, einen äußeren Bund (4) zum abdichtenden Verbinden gegenüber einem Gelenkaußenteil (18) des Gleichlaufdrehgelenks (17), einen Membranabschnitt (5), der sich zwischen dem inneren Bund (3) und dem äußeren Bund (4) erstreckt, wobei der Membranabschnitt (5) axial versetzt zum Wulst (13) an dem inneren Bund (3) anschließt und zwischen dem inneren Bund (3) und dem äußeren Bund (4) faltenlos und im wesentlichen konusförmig gestaltet ist, und wobei der Wulst (13) des inneren Bundes (3) einen geringeren Abstand zur Stirnfläche (8) des Membranabschnitts (5) aufweist als der äußere Bund (4).
Dichtungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranabschnitt (5) gekrümmt ist und eine konvexe Innenfläche (6) und eine konkave Außenfläche (7) aufweist, wobei die konvexe Innenfläche (6) radial innen in die Stirnfläche (8) des inneren Bundes (3) übergeht und wobei die konkave Außenfläche (7) radial innen in eine ringförmige Ausnehmung (9) übergeht.
Verwendung des Dichtungselements (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zum Abdichten eines Gelenkraums (31) eines Gleichlaufdrehgelenks (17), wobei der innere Bund (3) mit einem Gelenkinnenteil (19) des Gleichlaufdrehgelenks (17) abdichtend verbindbar ist, und wobei der äußere Bund (4) mit einem Gelenkaußenteil (18) des Gleichlaufdrehgelenks (17) abdichtend verbindbar ist.
Gleichlaufdrehgelenkanordnung umfassend ein Gleichlaufdrehgelenk (17) mit einem Gelenkaußenteil (18), einem Gelenkinnenteil (19), drehmomentübertragenden Kugeln (22), die in Paaren von einander gegenüberliegenden Kugelbahnen (25, 26) des Gelenkaußenteils (18) und des Gelenkinnenteils (19) geführt sind, einem Kugelkäfig (23), in dem die Kugeln (22) gehalten sind, sowie mit einem Gelenkraum (31), wobei der Gelenkraum (31) nach außen hin abgedichtet ist und zumindest teilweise mit einem Schmiermittel (21) gefüllt ist, eine Dichtungsanordnung (27) mit einem elastischen Dichtungselement (2) zum Abdichten des Gelenkraums (31), wobei das Dichtungselement (2) einen inneren Bund (3) zum abdichtenden Verbinden gegenüber dem Gelenkinnenteil (19) des Gleichlaufdrehgelenks (17), einen äußeren Bund (4) zum abdichtenden Verbinden gegenüber dem Gelenkaußenteil (18) des Gleichlaufdrehgelenks (17), und einen Membranabschnitt (5) aufweist, der sich zwischen dem inneren Bund (3) und dem äußeren Bund (4) erstreckt, wobei der Membranabschnitt (5) zwischen dem inneren Bund (3) und dem äußeren Bund (4) im Ausgangszustand faltenlos und im wesentlichen konusförmig gestaltet ist, und wobei das Volumen des Schmiermittels (21) so bemessen ist, dass von dem Schmiermittel (21) im Ausgangszustand, bei erstem Drehen des Gleichlaufdrehgelenks (17), eine Kraft von innen auf das Dichtungselement (2) einwirkt und im Ausgangszustand ein Füllspiegel (41) des Schmiermittels (21) auf einem Durchmesser liegt, der kleiner ist als ein Außendurchmesser des Kugelkäfigs (23).
Gleichlaufdrehgelenkanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Schmiermittels (21) so bemessen ist, dass der Füllspiegel (41) im Ausgangszustand auf einem Durchmesser liegt, der kleiner ist als ein Rollkreisdurchmesser (PCD) der Kugeln (22) oder kleiner ist als ein Innendurchmesser des Kugelkäfigs (23).
Gleichlaufdrehgelenkanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (2) so gestaltet ist, dass zumindest ein Teil des Membranabschnitts (5) durch Betrieb des Gleichlaufdrehgelenks (17) in Bezug auf den Gelenkraum (31) nach außen plastisch verformbar ist.
Gleichlaufdrehgelenkanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, das Dichtungselement (2) in einem Ausgangszustand eine erste Form aufweist, in welcher der zumindest eine Teil des Membranabschnitts (5) an eine Mittelebene (E) des Gleichlaufgelenks (17) angenähert ist, und nach dem Einlaufen eine zweite Form aufweist, in welcher der zumindest eine Teil des Membranabschnitts (5) von der Mittelebene (E) weiter entfernt angeordnet ist.
Gleichlaufdrehgelenkanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranabschnitt (5) nach dem Einlaufen zwischen dem inneren Bund (3) und dem äußeren Bund (4) zumindest eine Ringfalte (11) aufweist.
Gleichlaufdrehgelenkanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Bund (3) des Dichtungselements (2) mit radialer Vorspannung auf einem Sitz (46) des Gelenkinnenteils (19) aufsitzt.
Gleichlaufdrehgelenkanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Bund (3) des Dichtungselements (2) einen kleineren Durchmesser aufweist als der Sitz (46) des Gelenkinnenteils (19), wobei dem Dichtungselement (2) im montierten Zustand im Bereich des inneren Bundes (3) eine Dehnung von 3 bis 7% aufgezwungen wird.
Gleichlaufdrehgelenkanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kappe (33) vorgesehen ist, die mit einem ersten Endabschnitt (36) mit dem Gelenkaußenteil (18) fest verbindbar ist, und an einem zweiten Endabschnitt (38) eine nach innen offene Ringnut aufweist, in welche der äußere Bund (4) des Dichtungselements (2) eingreift, wobei die Kappe (33) auf der dem Gleichlaufgelenk (17) angenäherten Seite eine ringförmigen Anlagefläche (42) aufweist, gegen die ein äußerer Teilabschnitt des Membranabschnitts (5) im Ausgangszustand abgestützt ist.
Gleichlaufdrehgelenkanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die plastische Verformung des Dichtungselements (2) so ist, dass der Füllspiegel (41) des Schmiermittels (21) nach dem Einlaufen auf einem zweiten Durchmesser liegt, der größer ist als ein kleinster Innendurchmesser der Kappe (33).