DE19705428A1

DE19705428A1 - Zahnstangendichtung

Info

Publication number: DE19705428A1
Application number: DE19705428A
Authority: DE
Inventors: Hans-Willi Dipl Ing Gerigk
Original assignee: TRW Fahrwerksysteme GmbH and Co KG
Current assignee: TRW Fahrwerksysteme GmbH and Co KG
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 1998-08-20

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnstangendichtung, bestehend aus einem im wesentlichen ringförmigen Tragkörper und wenigstens einer daran angeordneten Dichtlippe, an deren Innenumfang eine zwischen einer Ölseite und Atmosphärenseite trennende Dichtkante zur Anlage an eine Zahnstange ausgebildet ist, wobei die beiden öl- bzw. atmosphärenseitigen Dichtkantenbereiche in jeweils einem Lippenwinkel zur Berührungsebene angeordnet sind.

Zahnstangendichtung der gattungsgemäßen Art sind an sich bekannt und werden beispielsweise zur Abdichtung von Lenkgetrieben verwendet, wo die Zahnstange unter Einsatz von Hydraulikmedium mittels eines Kolbensystems axial verfahren wird. Die Zahnstangendichtung dichtet die Ölseite gegenüber der Atmosphärenseite ab.

Die konventionellen Zahnstangendichtungen der gattungsgemäßen Art erzielen ihren Dichteffekt dadurch, daß der Tragkörper, in aller Regel ein ringförmiger Elastomerkörper, die Zahnstange umgebend die Dichtkante an die Zahnstangenoberfläche ringförmig anpreßt. Die Dichtkante ist in bekannter Weise gummielastisch ausgebildet. Neben dem reinen Dichteffekt wird gerade so viel Öl zwischen die Dichtkante und die Zahnstange aus dem abzudichtenden Zylinderraum gefördert, wie zur Schmierung der Dichtung zwecks Reibung- und Verschleißminimierung gerade notwendig ist. Normalerweise wird vorausgesetzt, daß dieser Ölfilm beim Einfahren der Zahnstange in den Zylinder wieder mit in den abzudichtenden Zylinderraum geschleppt wird, da sich ansonsten unerwünschte Leckage bilden würde.

Dieser beschriebene Dichtmechanismus wird in konventioneller Weise durch ein asymmetrisches Pressungsprofil im Kontaktbereich von Dichtkante und Stange erzielt. Je höher der hierbei erzielte ölseitige Pressungsgradient ist, desto besser ist die Dichtwirkung. Je geringer der atmosphärenseitige Pressungsgradient ist, desto besser ist die Rückförderung des ausgetretenen Ölfilms in den Zylinderraum. Das asymmetrische Pressungsprofil im Kontaktbereich von Dichtkante und Zahnstange wird durch eine asymmetrische Gestaltung der Dichtlippe erreicht. Diese Dichtlippengestaltung führt zu einer Asymmetrie der auf den beiden Dichtkantenseiten gegenüber der Berührungsebene gebildeten sogenannten Lippenwinkel. Bei konventionellen Dichtlippen ist die Asymmetrie folglich dahingehend, daß der ölseitige Lippenwinkel meist etwas steiler als der atmosphärenseitige Lippenwinkel ist, der für sich genommen flach ist. Die Flachheit liegt in Bereichen unter 30°, während die Steilheit des ölseitigen Lippenwinkels nicht über etwa 60° hinausgeht.

Bei der konstruktiven Ausführung von doppelten Dichtkanten werden zwei konventionelle Dichtkanten axial gesehen hintereinander angeordnet. Dies soll den Dichtmechanismus verbessern, indem die beschriebene Asymmetrie des Dichtpressungsprofils verstärkt wird.

Einer der häufigsten Gründe für den Ausfall von Lenkgetrieben ist die an Dichtungen auftretende Leckage, die in erster Linie durch auf Dichtungen einwirkende Partikelverschmutzung verursacht wird, wodurch die Dichtungen beschädigt werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zahnstangendichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend zu verbessern, daß die Beschädigungsgefahr beim Einsatz der Dichtung gegenüber partikelverschmutzten Medien in partikelverschmutzter Umgebung erheblich reduziert ist.

Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß die Lippenwinkel beidseitig sehr steil sind.

Im Detail heißt dies:

- wenn konventionelle Lösungen ölseitige Lippenwinkel von bis zu 60° vorsehen, wobei überwiegend 40° gewählt wird, so schlägt die Erfindung Winkel größer 60° vor, vorzugsweise 90°;
- wenn konventionelle Lösungen atmosphärenseitige Lippenwinkel von bis zu 30° vorsehen, wobei überwiegend Winkel zwischen 20° und 30° gewählt werden, so schlägt die Erfindung Winkel deutlich größer als 30° vor, vorzugsweise 90°.

Die Wahl der steileren Winkel hat folgende Vorteile:
Um die Beschädigungsgefahr der Dichtung beim Abdichten partikelverschmutzten Lenkgetriebeöls erheblich zu reduzieren, wurde das die Dichtkante bildende Dichtlippenprofil derartig verändert, daß der ölseitige Dichtlippenwinkel wesentlich steiler als bei bekannten Dichtungsdesigns ausgeführt wurde. Dies hat zur Folge, daß der Gradient des Pressungsverlaufes im ölseitigen Kontaktbereich zwischen Stange und Dichtlippe vergrößert werden konnte. Hierdurch konnte wiederum die Abstreifwirkung von Partikeln vor der Dichtkante erheblich verbessert werden, da diese eine Funktion des Pressungsgradienten ist. Je höher der Gradient, desto stärker ausgeprägt ist die Abstreifwirkung. Die Abstreifwirkung von Dichtungen konventioneller Lippenauslegungen ist bei aus dem Hydraulikzylinder ausfahrender Stange zwecks Gewährleistung der Schmierfilmausbildung im Kontaktbereich von Stange und Dichtung nicht so stark ausgebildet, so daß Partikel mit dem Schmierfilm zusammen in den Kontaktbereich von Stange und Dichtung gelangen können und dort die Dichtung und/oder die Stange verletzen können, was wiederum zur Leckage führen kann. Eine ausreichende Lebensdauer kann mit Dichtungen steileren ölseitigen Dichtlippenwinkels und somit erhöhter ölseitiger Abstreifwirkung erzielt werden, indem Dichtungswerkstoffe mit verbesserten selbstschmierenden Eigenschaften eingesetzt werden.

Die hier vorgeschlagenen steileren ölseitigen Dichtlippenwinkel führen zudem zu einem weiteren positiven Effekt: bei konventionellen Dichtungen entsteht wegen des ölseitigen Dichtlippenwinkels von bis zu 60° zwischen Dichtlippe und Stange ein ringförmiger Keilspalt, der das Einschleppen von an der Stangenoberfläche haftender Partikel in den Kontaktbereich zwischen Stange und Dichtung bei ausfahrender Stange begünstigt. Dieser Keilspalt wird durch den hier vorgeschlagenen ölseitigen Dichtlippenwinkel von größer 60° und vorzugsweise 90° verkleinert oder vorzugsweise sogar eliminiert.

Um die Beschädigungsgefahr bei Betrieb der Dichtung in partikelverschmutzter Umgebung erheblich zu reduzieren, wurde das die Dichtkante bildende Dichtlippenprofil derartig verändert, daß der atmosphärenseitige Dichtlippenwinkel wesentlich steiler als bei bekannten Dichtungsdesigns ausgeführt wurde, was wie bereits beschrieben zur erheblich verbesserten Partikelabstreifwirkung führt. Die steilere Ausbildung des atmosphärenseitigen Dichtlippenwinkels wird erst möglich, wenn der bei aus dem Zylinderraum ausfahrender Zahnstage zwischen Stange und Dichtung ausgeschleppte Schmierfilm so gering ist, daß sich durch die gesteigerte Abstreifwirkung im Laufe der Lebensdauer keine signifikante Ölmenge vor der Dichtung ansammelt, die sich als Leckage bemerkbar machen könnte. Der ausgeschleppte Schmierfilm ist bei hydraulischen Servolenkungen grundsätzlich kleiner als bei vielen anderen Anwendungen, da wesentlich kleinere Relativgeschwindigkeiten und Hublängen auftreten. Ferner wurde wie bereits beschreiben durch geeignete Wahl des Dichtungswerkstoffes die Trockenlaufeigenschaften der Dichtung derartig verbessert, daß durch eine stärkere Ölabstreifwirkung der Dichtung bei ausfahrender Stange die Schmierfilmmenge verringert werden konnte.

Bei Verwendung von nur einer Dichtlippen-/Dichtkantenkombination werden die Lippenwinkel beidseitig annähernd identisch ausgeführt. Vorzugsweise werden die Dichtlippen mit einem im wesentlichen zylindrischen Innenumfang ausgebildet und mit einer daran zusätzlich angeordneten Mikrodichtlippe versehen, welche die Dichtkante bildet. Dies hat den Vorteil, daß das Einschleppen von Partikeln weiter reduziert wird, während die Reibung zwischen Dichtung und Zahnstange erheblich verringert wird.

Vorzugsweise können am Innenumfang einer Dichtlippe zwei Mikro- Dichtlippen im wesentlichen parallel zueinander angeordnet werden. Dies hat den besonderen Vorteil, daß die Dichtlippe gegen Verkippen stabilisiert wird.

Es ist auch die Anordnung von mehr als nur zwei Mikro-Dichtlippen möglich. Darüber hinaus kann in den Raum zwischen Mikro-Dichtlippen ein reibungsreduzierendes Fluid eingebracht werden, welches sogar als hydrostatisches Lager wirken und somit reibungs- und verschleißminimierend sein kann.

Mit besonderem Vorteil wird vorgeschlagen, wenigstens zwei Dichtlippen- /Dichtkantenpaare zueinander parallel verlaufend auszubilden. In diesem Fall bildet die eine Dichtlippe die atmosphärenseitige Dichtlippe und die erfindungsgemäße Steilheit bezieht sich auf den atmosphärenseitigen Lippenwinkel dieser Dichtlippe. Die parallel dazu verlaufende zweite Dichtlippe ist ölseitig und die erfindungsgemäße Steilheit bezieht sich auf den ölseitigen Lippenwinkel dieser Dichtlippe.

Bei der Verwendung von zwei Dichtlippen-/Dichtkantenausbildungen werden diese gemäß einem vorteilhaften Vorschlag der Erfindung spiegelbildlich zueinander angeordnet. Es ergibt sich somit jeweils ein steiler Bereich atmosphärenseitig an der einen Lippe und ölseitig an der ölseitigen Lippe. Auch bei der Verwendung von zwei oder mehreren Dichtlippen ist der Einsatz eines reibungsvermindernden Fluids denkbar und sinnvoll.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Vorschlag der Erfindung kann auf der Ölseite der ölseitigen Dichtlippe ein Partikelabstreifer angeordnet werden. Dieser ist gemäß einem besonderen vorteilhaften Vorschlag der Erfindung so angeordnet, daß er einen Mikrospalt bildend relativ zur Zahnstangenoberfläche liegt. Somit ist ein Umklappen des Abstreifers bei Druckbeaufschlagung oder der Stangenmontage nicht möglich, da der Partikelabstreifer druckausgeglichen ist.

Mit der Erfindung wird eine erheblich verbesserte Zahnstangendichtung vorgeschlagen, die die Standzeit der Dichtungen durch besondere Ausbildungen der Dichtlippen wegen der Reduzierung der Einschleppung von Partikeln erheblich erhöht.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zahnstangendichtung;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zahnstangendichtung;

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zahnstangendichtung;

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zahnstangendichtung;

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zahnstangendichtung;

Fig. 6 eine teilweise geschnittene Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zahnstangendichtung;

Fig. 7 eine teilweise geschnittene Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Zahnstangendichtung; und

Fig. 8 eine teilweise geschnittene Darstellung einer Zahnstangendichtung nach dem Stand der Technik.

Die in Fig. 8 gezeigte, konventionelle Zahnstangendichtung 1 besteht aus einem Trägerring 2, vorzugsweise einem Elastomerkörper, der durch eine üblicherweise metallene Einlage 3 verstärkt ist. Nach dem Aufschieben auf eine Zahnstange wird die Dichtung mittels des Spannringes 4 radial relativ zur Zahnstangenoberfläche festgelegt. Die Verwendung von Ergänzungsprofilen 8 ist üblicher Stand der Technik.

Der Trägerring 2 hat am Innenumfang Dichtkanten 5 bildende Dichtlippen angeordnet. Das asymmetrische Pressungsprofil im Kontaktbereich von Dichtkante 5 und nicht gezeigter Zahnstange wird durch die asymmetrische Gestaltung der Dichtlippe erreicht. Diese wird durch den öl- und atmosphärenseitigen Dichtlippenwinkel charakterisiert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 für konventionelle Dichtlippen ist ein ölseitiger Lippenwinkel 6 im Bereich von etwa 45° als üblicher Winkel gezeigt, während sich ein atmosphärenseitiger Lippenwinkel 7 in Bereichen zwischen 12 und 30° ansiedelt.

In Fig. 8 ist darüber hinaus gestrichelt der herstellungsbedingte Materialaustrieb 9 gezeigt. Der Dichteffekt einer wie gezeigten konventionellen Zahnstangendichtung wird ergänzt durch eine Reibungs- und Verschleißminimierung dadurch, daß bei aus dem Zylinder herausfahrender Stange gerade so viel Öl zwischen Dichtkante und Zahnstange aus dem abzudichtenden Zylinderraum gefördert wird, wie zur Dichtungsschmierung erforderlich ist. Das gezeigte asymmetrische Profil hat jedoch den Nachteil, daß sich durch die Keilspaltwirkung leicht Partikel in den Dichtspalt einschleppen lassen, wodurch die Dichtkanten schnell beschädigt werden, was die Standzeit der Gesamtdichtung erheblich reduziert.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einer verbesserten Dichtung 10 ist eine Dichtung mit einer einzelnen Dichtkante 11 gezeigt. Alle übrigen Merkmale entsprechen denen der Dichtung gemäß Fig. 8. Die Dichtkante 11 weist auf beiden Seiten nahezu identische aber sehr steile Dichtlippenwinkel auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel oberhalb von 60° liegen. Der ansonsten sehr flache atmosphärenseitige Winkel ist insbesondere stark steil und entspricht im wesentlichen im gezeigten Ausführungsbeispiel dem Ölseitigen.

Um den Keilspalt zwischen Dichtlippe und Zahnstange, der die Partikeleinwanderung wie beschrieben begünstigt, weitestgehend zu eliminieren, kann, wie in Fig. 2 gezeigt, die Dichtlippe so ausgelegt sein, daß sie weitestgehend zylindrisch ausgeführt ist. Die Dichtkante 12 ist dann durch eine sogenannte Mikro-Dichtlippe gebildet.

Fig. 3 zeigt die Verwendung von zwei Mikro-Dichtlippen zur Bildung von zwei parallelen Dichtkanten 13. Hierdurch wird die Dichtlippe gegen Verkippen stabilisiert. Zudem kann in den Raum zwischen den beiden Mikro-Dichtlippen ein reibungsreduzierendes Fluid eingebracht werden, welches somit praktisch als hydrostatisches Lager wirken kann und somit verstärkt reibungs- und verschleißminimierend wirkt.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist können, um die Partikelabstreifwirkung weiterzuverstärken die Mikro-Dichtlippen so ausgeführt werden, daß der ölseitige Lippenwinkel der ölseitigen Mikro-Dichtlippe einen Winkel nahe 90°, und der atmosphärenseitige Lippenwinkel der atmosphärenseitigen Lippe ebenso einen Winkel von nahezu 90° aufweisen.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Dichtlippe nicht zylindrisch ausgebildet und mit Mikro-Dichtlippen versehen, sondern es sind Dichtkanten konventioneller Größe gebildet. Jedoch ist der ölseitige Dichtlippenwinkel 18 nahezu 90° oder größer gewählt, wodurch die Gefahr des Partikeleinschleppens durch Keilspaltwirkung in den Dichtspalt reduziert wird. Die zweite Dichtkante 15 bildet praktisch die Spiegelung des konventionellen asymmetrischen Pressungsprofil einer zweiten Dichtkante. Der atmosphärische Dichtlippenwinkel 16 ist also mindestens gleich groß, idealerweise sogar deutlich größer als der ölseitige Dichtlippenwinkel 17. Hierdurch wird die Abstreifwirkung bezüglich von außen auf der Zahnstange befindlichen Partikeln erhöht, so daß die Gefahr der Beschädigung der Dichtung durch von außen eingeschleppte Partikel erheblich reduziert ist.

Fig. 6 zeigt den in Fig. 5 gezeigten Fall mit einem entsprechend variierten ölseitigen Dichtlippenwinkel 18.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher ölseitig an der Dichtlippe ein besonderer Abstreifer 20 ausgebildet ist. Idealerweise reicht dieser bis unmittelbar an die Zahnstange, berührt diese aber nicht, um nicht ein Umklappen bei Druckbeaufschlagung oder bei der Stangenmontage zu erzwingen. Der Abstreifer streift größere Partikel von der Stange ab, reduziert den von der Stange in Richtung der Dichtkante geschleppten Ölstrom und reduziert den Keilspalt zwischen Dichtung und Stange, der es Partikeln erleichtert, in den Kontaktbereich von Stange und Dichtung einzutreten. Man kann idealerweise zur Herstellung der Abstreifer den formgebungsbedingten Materialüberschuß verwenden, indem man diesen genau an der Stelle positioniert und absticht, an dem der Abstreifer entstehen soll. Dieser Austrieb wird auch konventionellerweise im Laufe des Herstellungsprozesses abgestochen, wie oben zu Fig. 8 beschrieben wurde. Der so gebildete Abstreifer kann auch so lang ausgeformt sein, daß er die Stange berührt. In diesem Falle werden Druckausgleichsöffnungen 21 ausgebildet, um ein Umschlagen bei Druckbeaufschlagung zu vermeiden. Der Abstreifer kann jedoch auch durch eine zusätzlich an der Dichtung angebrachten Scheibe realisiert werden.

Das Ergänzungsprofil 8 kann so gestaltet sein, daß in die Oberfläche seiner Bohrung, vorteilhafterweise mindestens eine, ringförmige Vertiefung 22 (Fig. 8) eingelassen ist, in die von der Atmosphärenseite her mittels der Zahnstange in Richtung der Dichtung geschleppte Partikel entweichen könne, dort angesammelt werden und so nicht in den kritischen Bereich der Dichtkante gelangen.

Bezugszeichenliste

1

Dichtung

2

Trägerring

3

Einlage

4

Spannring

5

Dichtkante

6

Lippenwinkel ölseitig

7

Lippenwinkel atmosphärenseitig

8

Ergänzungsprofil

9

formgebungsbedingter Materialüberschuß

10

Dichtung

11

Dichtkante

12

Dichtkante

13

Dichtkante

14

Dichtkante

15

Dichtkante

16

Winkel

17

Winkel

18

Winkel

19

Dichtkante

20

Abstreifer

21

Druckausgleichsöffnung

22

Vertiefung im Ergänzungsprofil

Claims

1. Zahnstangendichtung, bestehend aus einem im wesentlichen ringförmigen Tragkörper und wenigstens einer daran angeordneten Dichtlippe, an deren Innenumfang eine zwischen einer Ölseite und Atmosphärenseite trennende Dichtkante zur Anlage an eine Zahnstange ausgebildet ist, wobei die beiden öl- bzw. atmosphärenseitigen Dichtkantenbereiche in jeweils einem Lippenwinkel zur Berührungsebene angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippenwinkel beidseitig sehr steil sind.

2. Zahnstangendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippenwinkel beidseitig größer als 40° sind.

3. Zahnstangendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Lippenwinkel nahe bei 90° liegt.

4. Zahnstangendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung von nur einer Dichtlippen- /Dichtkantenpaarung beide Lippenwinkel nahezu identisch sind.

5. Zahnstangendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtlippe im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und zur Dichtkantenbildung an deren inneren Umfang Mikro-Dichtlippen angeordnet sind.

6. Zahnstangendichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei parallele Mikro-Dichtlippen ausgebildet sind.

7. Zahnstangendichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Mikro-Dichtlippen ein reibungsreduzierendes Fluid eingebracht ist.

8. Zahnstangendichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung von zwei Dichtlippen- /Dichtkantenpaarungen diese zueinander spiegelbildlich parallel angeordnet sind.

9. Zahnstangendichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese ölseitig einen in die Dichtlippe integrierten Partikelabstreifer aufweist.

10. Zahnstangendichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dieser ölseitig eine Scheibe vorausgeschaltet ist, die den Keilspalt zwischen Dichtlippe und Zahnstange ölseitig abdeckt.

11. Zahnstangendichtung nach Anspruch 9, 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelabstreifer die Scheibe relativ zur Zahnstange zu dieser einen Spalt bildend positioniert ist.

12. Zahnstangendichtung nach Anspruch 9, 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Partikelabstreifer oder die Scheibe mit Axialöffnungen versehen sind und mit der Zahnstange eine Überdeckung aufweisen.

13. Zahnstange nach Anspruch 9, 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ergänzungsprofil mit mindestens einer ringförmigen Vertiefung, in seine Bohrungsflächen eingebracht, versehen ist.