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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Abdichtung von koaxial zueinander gelagerten Bauteilen, beispielsweise einer Steuerkopflagerung eines Zweiradfahrzeuges, nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Vorrichtungen zur Abdichtung von koaxial zueinander gelagerten Bauteilen sind seit langem Stand der Technik. Für die Abdichtung gegenüber dem inneren Bauteil kommen beispielsweise Rundringdichtungen zum Einsatz, während die äußere Abdichtung meistens von speziellen Formdichtungen, z. B. Lippendichtungen, übernommen wird. Der Nachteil dieser Dichtungen besteht darin, dass sie eine begrenzte Lebensdauer haben, also häufig den hohen dynamischen Beanspruchungen nicht gewachsen sind. Außendichtungen sind zudem dem Schmutz und der Feuchtigkeit direkt ausgesetzt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Dichtungen als Einzelteil bei der Komplettierung der Lagerung einen zusätzlichen Montageaufwand erfordern.
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So ist beispielsweise ein Fahrradlager für eine Tretlageranordnung bekannt, die ein äußeres Lagergehäuse, das in das Aufnahmerohr für das Tretlager eingeschraubt ist, umfasst. Der aus dem Aufnahmerohr herausragende Teil nimmt das Tretlager fest auf, das einen äußeren Ring und einen inneren Ring aufweist. Der äußere Ring weist einen Fixierbereich für ein erstes hermetisches Dichtelement auf. Der innere Ring weist an einer den Wälzelementen zugewandten radialen inneren Seite einen Kontaktbereich für das erste hermetische Dichtelement auf. Das hermetische Dichtelement ist an dem Fixierbereich des äußeren Ringes angeordnet und gleitet an dem Kontaktbereich des inneren Ringes.
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Die Tretlageranordnung umfasst ferner ein zweites hermetisches Dichtelement, das als ein Zwischenring ausgebildet ist. Sein zylindrischer Bereich ist zwischen der Kurbelwelle und dem inneren Ring angeordnet und sein ringförmiger Bereich erstreckt sich über das gesamte Lager bis unmittelbar vor das äußere Lagergehäuse. Kurz vor seinem äußeren Ende weist der ringförmige Bereich einen Installationsbereich auf, der sich in Richtung des äußeren Ringes erstreckt.
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Zur vollständigen Abdichtung des Tretlagers ist ein drittes hermetisches Dichtungselement in dem Installationsbereich angeordnet, das eine hermetische Dichtung der Lücke zwischen dem Ende des zweiten hermetischen Dichtelements und der Innenfläche des äußeren Lagergehäuses bildet (
DE 20 2012 104 506 U1 ).
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Der Nachteil dieses Fahrradlagers besteht darin, dass zu seiner Abdichtung drei Dichtelemente erforderlich sind, wodurch sich der Montageaufwand für das Fahrradlager erheblich erhöht.
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Mit lediglich einem mit Dichtmitteln versehenen Zwischenring kommt eine Lageranordnung für die Lenkvorrichtung eines Fahrrades aus, die aus einem Lager mit einem Außenring, einem Innenring und mehreren Wälzkörpern, die zwischen dem Außen- und Innenring angeordnet sind, einem Zwischenring und einer Endkappe besteht. Der Zwischenring weist ein elastisches Zwischensegment auf, das an der Außenfläche des Innenrings anliegt. Die Endkappe hat eine Innenfläche, die an der äußeren Fläche des Zwischenrings anliegt. Das Zwischensegment ist elastisch, so dass es Schwingungen in dem Lager, der Endkappe und dem Gabelschaftrohr effektiv adsorbieren kann. Die Abdichtung des Gabelschaftrohres gegenüber von außen eindringender Feuchtigkeit und Schmutz erfolgt über einen separaten Schutzring in Höhe der Endkappe. Das Zwischensegment ist unter Druck montiert, um zu gewährleisten, dass der Zwischenring gegen die Endkappe, das Lager und das Gabelschaftrohr drückt. An seinem Außendurchmesser ist an den Zwischenring ein Schutzsegment angeformt, das an dem Außenring anliegt und das Lager vor dem Eintritt von Wasser und Schmutz schützt (
EP 2 003 049 A1 ). In dieser Veröffentlichung ist auch ein Zwischenring beschrieben, an dem sowohl eine das Gabelschaftrohr abdichtende innere Dichtung und eine an dem Außenring des Lagers anliegende äußere Dichtung angeordnet ist. Die innere Dichtung wird von einer in die Innenwandung des Zwischenrings eingearbeitete Innennut aufgenommen. Die äußere Dichtung liegt an der Stirnfläche eines Absatzes des Zwischenrings an und ragt mit ihrer Innenwandung in einen von dem Absatz ausgehenden Freistich.
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Der Nachteil dieser Lageranordnung besteht darin, dass der Zwischenring vollständig aus einem elastisch verformbaren Material besteht, das Relaxations- und Retardationserscheinungen unterworfen ist. Damit ist die Funktionalität des Zwischenrings insgesamt aufgrund des sich im Lauf der Zeit einstellenden Spiels beeinträchtigt. Zudem wird insbesondere die Dichtfunktion des elastischen Zwischensegments im Bereich des zylindrischen Teils des Zwischenrings nur aufgrund des von der Endkappe aufgebauten axialen Druckes erreicht, was mit einer Stauchung des Zwischenrings verbunden ist. Wenn der Druck zu hoch ist, kann der erhöhte Druck des Schutzsegmentes auf den Außenring zum Verklemmen des Steuersatzes führen. Ein zu geringer Druck hat eine Verringerung der Steifigkeit des gesamten Steuersatzes zur Folge, was zu einer „schwammigen“ Lenkung führt.
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Bedingt durch das Herausragen des an den Zwischenring angeformten äußeren Schutzsegmentes aus der Lenkerlagerung, ist dieses unmittelbar den Witterungsbedingungen, insbesondere dem Tageslicht und der Sonneneinstrahlung, sowie mechanischen Einflüssen ausgesetzt, wodurch das elastische Material schnell altert bzw. beschädigt werden kann.
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Schließlich weist der Zwischenring einen vergleichsweise komplizierten und insbesondere in der Höhe sperrigen Querschnitt auf, der eine hohe Bauweise bedingt. Seine Fertigung erfordert einen höheren Aufwand.
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Darüber hinaus ist auch ein Lenkkopf für Zweiräder u. dgl. bekannt, bei dem ein mit einer inneren O-Ringdichtung und einer Flachdichtung zu komplettierender Zwischenring über einen Druckring auf den Außending der Lenkkopflagerung gedrückt wird. Die O-Ringdichtung ist von oben in einen Innenabsatz des Zwischenrings eingelegt, die Flachdichtung liegt von unten an der Stirnfläche eines äußeren Absatzes des Zwischenrings an (
US 2004/0007850 A1 ).
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige, langlebige und ohne zusätzlichen Aufwand montierbare Vorrichtung zur Abdichtung für koaxial zueinander gelagerte Bauteile zu entwickeln.
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Die Erfindung und ihre Vorteile
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abdichtung für koaxial zueinander gelagerte Bauteile hat den Vorteil, dass sie einteilig mit dem Zwischenring der Lagerung ausgebildet ist. Der Zwischenring selbst erfüllt lediglich seine an sich bekannte Aufgabe, nämlich das fertigungsbedingte Spiel zwischen dem Lager und dem inneren Bauteil der drehbar zueinander gelagerten Teile auszugleichen und den Axialdruck von der Verspannung auf den Innenring des Lagers ohne eigene Stauchung zu übertragen. Damit bleiben auch die angeformte innere und äußere Dichtung frei von axialem Druck bzw. einer für ihre Funktion schädlichen Verformung.
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Das wird dadurch erreicht, dass der Zwischenring einen sich in radialer Richtung über den Innenring des Lagers erstreckenden stirnseitigen Bund aufweist und an dessen dem Lager zugewandten Außenrand und an dessen zum inneren Bauteil gerichteten Innenrand jeweils eine mit ihm verbundene Dichtung aufweist. Dabei dichtet die innere Dichtung das innere Bauteil und die äußere Dichtung den Außenring des Lagers gegenüber dem Spalt oder den Spalten jeweils in Höhe des stirnseitigen Bundes des Zwischenrings ab. Diese Anformung der Dichtungen aus einem für Dichtungen typischen kompressiblen elastischen Material an einen aus einem starren Material bestehenden Zwischenring bewirkt eine deutliche Funktionstrennung der Aufgaben des erfindungsgemäßen Zwischenrings, nämlich zwischen seiner mechanischen Funktion des räumlichen Spielausgleichs und der axialen Kraftübertragung einerseits und seiner neu hinzugefügten Funktion der Abdichtung des Lagers gegen äußere Einflüsse.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die äußere Dichtung eine Lippendichtung. Lippendichtungen sind besonders flexibel und können Unebenheiten an der Auflagefläche besonders gut ausgleichen. Dadurch wird eine gleichmäßige Anlage und somit eine gleichmäßige Dichtwirkung erzielt. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass eine Lippendichtung nur eine geringe Anpresskraft bei einer hohen Dichtwirkung benötigt.
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Nach einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die innere Dichtung und/oder die äußere Dichtung formschlüssig mit dem Zwischenring verbunden. Durch den formschlüssigen Verbund wird ein besserer Verbund der Dichtung erreicht, wodurch das Bauteil beispielsweise kompakter gestaltet werden kann bzw. eine höhere Gestaltungsfreiheit bezüglich der Fertigungstechnik gegeben ist. Die mechanische Vernetzung durch den formschlüssigen Verbund sorgt zudem für eine prozesssichere Montage, da die Gefahr des Ablösens der Dichtung von dem Zwischenring minimiert ist.
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Nach einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die innere Dichtung und/oder die äußere Dichtung an dem Zwischenring anvulkanisiert. Das Anvulkanisieren der Dichtungen erzielt eine hohe Anhaftkraft der jeweiligen Dichtung an den Zwischenring, wodurch ein Unterwandern der Dichtung mit Feuchtigkeit ausgeschlossen ist. Auch durch diese Ausführung wird die Gefahr des Ablösens der Dichtung von dem Zwischenring minimiert.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Zwischenring mit seinen beiden Dichtungen als ein einteiliges Polymerteil, beispielsweise als ein Zweikomponenten-Spritzgussteil hergestellt. Dadurch lassen sich die Fertigungskosten reduzieren. Die Gestaltung als Zweikomponenten-Spritzgussteil bietet beispielsweise den Vorteil, dass die formschlüssige Ausführung einfach umzusetzen ist, da beim Einspritzen der Weichkomponente ein Formschluss ohne aufwändige Werkzeugtechnologie realisiert werden kann. Die Verwendung von zwei unterschiedlichen Kunststoffen ist aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen an den Zwischenring und der Dichtung vorteilhaft, da der Zwischenring möglichst stabil und druckfest sein muss, wohingegen die Dichtung elastisch und flexibel ausgeführt sein soll. Zudem entfällt die Montage der Dichtung an einen Klemmring ohne integrierte Dichtung, wie es bei den meisten Ausführungen gemäß dem Stand der Technik üblich ist.
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Nach einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung steht die innere Dichtung in axialer Richtung über den stirnseitigen Bund des Zwischenrings über. Das hat den Vorteil, dass das elastische Material der Dichtung dabei in Richtung des Steuerrohrs verdrängt wird. Das führt zu einer Dichtwirkung durch das Anpressen der Dichtung an das Steuerrohr. Dadurch kann die Dichtung so ausgelegt werden, dass eine einfache Montage ohne hohe Vorspannung möglich ist und erst nach der Montage aller Bauteile und dem Vorspannen der Baugruppe die Dichtung an das Steuerrohr angepresst wird.
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Nach einer ebenfalls sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die innere Dichtung und die äußere Dichtung im Bereich des stirnseitigen Bundes des Zwischenrings über mehrere radiale Verbindungen miteinander verbunden. Das ist insofern vorteilhaft, als dass ein Abreißen der inneren Dichtung bei der Montage ausgeschlossen ist, da durch das Verbinden der beiden Dichtungen ein Formschluss vorliegt. Außerdem ist es speziell bei der Ausführung als Zweikomponenten-Spritzgussteil ein fertigungstechnischer Vorteil, da radiale Verbindungen mit einem einfachen Spritzgusswerkzeug hergestellt werden können. Dabei ist ein planes abschließen der radialen Verbindungen der inneren und äußeren Dichtungen mit der Planfläche des stirnseitigen Bundes zu bevorzugen, da hierbei keine Schieber am Spritzgusswerkzeug notwendig sind.
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Nach einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Zwischenring in axialer Richtung durchgehend geteilt, so dass sich zwischen den beiderseits der Teilung entstandenen freien Kanten ein Spalt herausbildet. Dadurch ist der Zwischenring in radialer Richtung verformbar und kann fertigungsbedingte Toleranzen des Innendurchmessers des Wälzlagers und des Außendurchmessers des Schaftrohres ausgleichen. Durch diesen Toleranzausgleich bleibt die Spielfreiheit der koaxial zueinander gelagerten Bauteile gewährleistet.
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Besonders vorteilhaft ist es, diesen Spalt mit einem flexiblen, d. h. einem plastisch oder elastisch verformbaren Material auszufüllen. Das kann beispielsweise das gleiche Material sein, aus dem die beiden Dichtungen des Zwischenrings bestehen. Die Ausfüllung des Spalts mit einem flexiblen Material hat den Vorteil, dass in den Spalt keine Feuchtigkeit oder kein Schmutz eindringen kann. Bei der Montage eines so gestalteten Zwischenrings folgt das flexible Material der radialen Verformung des Zwischenrings. Bei dessen Aufweitung wird es gedehnt, bei dessen Zusammendrücken komprimiert.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen entnehmbar.
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Figurenliste
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abdichtung von koaxial zueinander gelagerten Bauteilen ist in den Zeichnungen am Beispiel einer Steuerkopflagerung eines Fahrrades dargestellt und im Folgenden näher erläutert. Es zeigen
- 1 einen Halbschnitt einer Steuerkopflagerung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abdichtung,
- 2 einen segmentartigen Ausschnitt der Abdichtung in räumlicher Darstellung und
- 3 eine vergrößerte Darstellung der Anordnung der Dichtelemente an dem Zwischenring.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Abdichtung einer Steuerkopflagerung eines Fahrrades, bei der die koaxial zueinander gelagerten Bauteile aus einem Schaftrohr 1 und einem Steuerrohr 2 bestehen. Das Schaftrohr 1 ist an seinem oberen Ende mit einem Lenkervorbau 3 und mit seinem hier nicht dargestellten unteren Ende mit der Fahrradgabel fest verbunden, wohingegen das Steuerrohr 2 Teil des hier ebenfalls nicht dargestellten Fahrradrahmens ist. Das Schaftrohr 1 ist mittels eines Lagers 4 drehbar in dem Steuerrohr 2 gelagert. Das Lager 4 ist mit seinem Außenring 5 in eine Lagerschale 6 und diese wiederum in das Steuerrohr 2 fest eingepresst. In den zwischen dem Schaftrohr 1 und dem Innenring 7 des Lagers 4 vorhandenen Zwischenraum ist zur spielfreien Sicherung des radialen Abstandes zwischen Schaftrohr 1 und Steuerrohr 2 ein Zwischenring 8 eingepasst, der einen am Schaftrohr 1 anliegenden axialen Mantelbereich 9 und einen sich in radialer Richtung über den Innenring 7 des Lagers 4 erstreckenden stirnseitigen Bund 10 aufweist. Im Bereich des Übergangs vom axialen Mantelbereich 9 in den stirnseitigen Bund 10 weist der Zwischenring 8 eine innere Dichtung 11 auf, deren Oberseite über die Oberfläche des stirnseitigen Bundes 10 leicht übersteht. Die Innenkante der inneren Dichtung 11 ist mit einer Fase 12 versehen. An der radial gegenüberliegenden und den Innenring 7 des Lagers 4 überragenden Außenkante weist der stirnseitige Bund 10 eine äußere Dichtung 13 auf, die bei Auflage des Zwischenrings 8 auf dem Lager 4 mit ihrer in radialer Richtung nach außen weisenden Außenkante auf dem Außenring 5 des Lagers 4 aufliegt.
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Zwischen dem Lenkervorbau 3 und dem Zwischenring 8 befindet sich eine Stelleinrichtung 14 zur Einstellung des axialen Spiels der Steuerkopflagerung. Diese besteht aus einem Stellring 15 und einem Druckring 16. Die beiden einander zugewandten Stirnflächen von Stellring 15 und Druckring 16 weisen Flächen mit komplementär zueinander verlaufenden keilförmigen Schrägen auf, die bei radialer Verdrehung von Stellring 15 und Druckring 16 zueinander aufeinander abgleiten und sich dabei axial voneinander entfernen. Da der Lenkervorbau 3 fest mit dem Schaftrohr 1 verbunden ist, wirkt dieser als Gegenlager. Das gegenüberliegende Gegenlager wird durch das nicht dargestellte untere Ende des Schaftrohres 1 gebildet. Somit drückt der Druckring 16 bei radialer Verdrehung des Stellrings 15 über den Zwischenring 8 auf das Lager 4, so dass dessen Lagerspiel beseitigt wird.
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Nachfolgend wird die Wirkungseise der Erfindung näher beschrieben. Ziel der Erfindung ist es, nach außen offene Bereiche, wie z. B. Spalte, die jeweils im Bereich der drehbeweglichen Lagerung des Schaftrohres 1, welches durch den Lenkervorbau 3 starr mit einem nicht dargestellten Lenker verbunden ist, in dem Steuerrohr 2 eines Fahrradrahmens vorhanden sind, gegen Schmutz und Feuchtigkeit abzudichten.
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Der Lenkervorbau 3, die Stelleinrichtung 14, der Zwischenring 8, das Lager 4 und die Lagerschale 6 gewährleisten eine spielfreie drehbewegliche Verbindung zwischen Schaftrohr 1 und Steuerrohr 2. Statt der dargestellten Stelleinrichtung 14 können auch andere Systeme eingesetzt werden, beispielsweise marktübliche Spannkrallen, die von innen in das Schaftrohr 1 eingeschlagen werden.
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Wie oben bereits erläutert, bewirkt die Stelleinrichtung eine axiale Verschiebung des Schaftrohrs 1 gegenüber dem Steuerrohr 2, wodurch das durch Fertigungstoleranzen innerhalb des Lagers 4 sowie die Montage bedingte Lagerspiel beseitigt wird. Als Widerlager dienen der an dem Schaftrohr 1 geklemmte Vorbau 3 sowie eine axiale Fläche am unteren Ende des Schaftrohrs 1.
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Die Funktion des in der Steuerkopflagerung verwendeten Zwischenrings 8 ist es unter anderem, eine radial und axial spielfreie Verbindung zwischen dem Innenring 7 des Lagers 4 und dem Schaftrohr 1 herzustellen. Dieser Toleranzausgleich zwischen dem Außendurchmesser des Schaftrohrs 1 und dem Innendurchmesser des Innenrings 7 des Lagers 4 ist notwendig, da diese Bauteile fertigungstechnisch bedingten Schwankungen unterliegen.
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Unabhängig von der Ausführungsform des axialen Spieleinstellsystems sind die Steuerkopflagerungen üblicherweise an sämtlichen nach außen offenen Schlitzen sowie an der Abdeckkappe, welche den Innendurchmesser des Schaftrohres 1 von oben abdeckt, abgedichtet. Diese Abdichtungen verhindern, dass feste oder flüssige Partikel von außen in das Lager 4 eindringen können und dieses dadurch keiner Verschmutzung ausgesetzt ist. Dies führt zu einer höheren Lebensdauer der Lager 4.
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Die in den 2 und 3 dargestellte erfindungsgemäße Kombination von Zwischenring und Abdichtung ersetzt die herkömmlichen Dichtungen von Steuerkopflagerungen, da der Zwischenring 8 bereits eine flexible innere Dichtung 11 sowie eine flexible äußere Dichtung 13 besitzt. Zwischenring 8 und die beiden Dichtungen sind im vorliegenden Beispiel als Zwei-Komponenten Spritzgussteil ausgeführt. Dabei ist der Zwischenring 8 die Hartkomponente und die beiden Dichtungen 11, 13 die Weichkomponenten. Zum Zweck einer festen Verbindung der beiden Dichtungen 11, 13 untereinander und mit dem Zwischenring 8 ist die innere Dichtung 11 mit der äußeren Dichtung 13 über Stege 17 miteinander verbunden, die in Vertiefungen des stirnseitigen Bundes 10 des Zwischenrings 8 eingelassen sind. Die beiden Dichtungen 11, 13 halten die Verunreinigungen von dem Lager 4 fern.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erzielen die Dichtungen 11, 13 ihre Dichtwirkung am besten dadurch, dass sie wie folgt ausgeführt werden:
- Die Innere Dichtung 11 hat die Aufgabe, einen inneren Spalt 18 (1) zwischen der Stelleinrichtung 14 und dem Schaftrohr 1 über den Zwischenring 8 mit Dichtungen 11, 13 zum Lager 4 hin abzudichten. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die innere Dichtung 11 wie in 3 dargestellt ausgeführt ist. Die Besonderheit der Ausführung besteht darin, dass die innere Dichtung 11 an der Auflagefläche zu dem in der Konstruktion anschließenden Bauteil, im Ausführungsbeispiel zur Stelleinrichtung 14, hin übersteht. Durch die oben beschriebene zur Spielfreiheit der Lagerung notwendige axiale Vorspannung des Systems wird das über den stirnseitigen Bund 10 des Zwischenrings 8 überstehende Material der inneren Dichtung 11 in Richtung des Schaftrohrs 1 verformt. Dies sorgt für eine sichere Abdichtung, da ein möglicher Spalt zwischen der Stelleinrichtung 14, dem Zwischenring 8 mit innerer Dichtung 11 und Schaftrohr 1 mit dem weichen Material der Dichtung ausgefüllt wird.
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Die äußere Dichtung 13 hält Verunreinigungen fern, die von außen durch einen äu-ßeren Spalt 19 (1) in die Steuerkopflagerung eindringen können. Die Dichtlippe der äußeren Dichtung 13 liegt dabei auf der Stirnseite des Außenrings 5 des Lagers 4 auf. Da im Fahrbetrieb beim Lenken eine Relativbewegung zwischen der äußeren Dichtung 13 und dem Außenring 5 des Lagers 4 auftritt, handelt es sich um eine dynamische Dichtung. Die Dichtlippe ist im montierten Zustand an die Stirnseite des Lagers 4 angedrückt, wodurch die Abdichtung stattfindet.
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Alle hier dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaftrohr
- 2
- Steuerrohr
- 3
- Lenkervorbau
- 4
- Lager
- 5
- Außenring
- 6
- Lagerschale
- 7
- Innenring
- 8
- Zwischenring
- 9
- Axialer Mantelbereich
- 10
- Stirnseitiger Bund
- 11
- Innere Dichtung
- 12
- Fase
- 13
- Äußere Dichtung
- 14
- Stelleinrichtung
- 15
- Stellring
- 16
- Druckring
- 17
- Steg
- 18
- Innerer Spalt
- 19
- Äußerer Spalt
