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Die Erfindung betrifft eine Dichteinrichtung für teleskopartig ineinandergreifende Teile nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine derartige Dichteinrichtung ist aus der US-PS 36 78 776 bekannt. Bei der vorbekannten Dichteinrichtung sind zwei axial im Abstand voneinander angeordnete Lippen vorhanden, die sich radial auswärts erstrecken. Zwischen den Lippen ist eine ringförmige Vertiefung vorhanden. Die Lippen sind dabei mit einer derart ausreichenden Länge ausgestaltet, daß ein Druck auf den Dichtungskörper mit Sicherheit auch dann verhindert wird, wenn sämtliche Fertigungstoleranzen ausgeschöpft werden. Die vorbekannte Dichteinrichtung ist jedoch nur für niedrige Druckmitteldrücke gut geeignet, nicht aber für hohe Drücke.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Dichteinrichtung der aus der US-PS 36 78 776 vorbekannten Art dahingehend zu verbessern, daß sie auch für hohe Drücke geeignet ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Jede Lippe besitzt einen freien Randteil, der durch Beaufschlagung der axial äußeren Stirnfläche der Lippe mit einem Druckmitteldruck axial einwärts auslenkbar ist. Wenn also auf einer Seite der Dichtung ( beispielsweise auf der linken Seite in den Fig. 1 und 3) ein höherer Druck herrscht als auf der anderen (rechten) Seite, wird die Lippe auf der (linken) Seite mit dem höheren Druck axial nach einwärts ausgelenkt. Hierdurch kann Dichtmittel in die Vertiefung zwischen den beiden Lippen eindringen. In der Vertiefung herrscht dabei der hohe Druck, der auch auf der (linken) Seite mit dem höheren Druck herrscht. Dadurch, daß der freie Randteil jeder Lippe sich dicht an den anderen der abzudichtenden Teile anlegt, wenn er nicht durch einen derartigen Druckmitteldruck ausgelenkt ist, gilt dies auch für den Randteil der Lippe, die sich auf der (rechten) Seite mit dem niedrigeren Druck befindet. Hieraus wird ersichtlich, daß die Abdichtung durch den Druckmitteldruck unterstützt wird. Das Druckmittel kann diejenige Lippe überschreiten, die sich auf der (linken) Seite mit dem höheren Druck befindet und in die Vertiefung zwischen den Lippen eindringen. Dadurch wird die Dichtwirkung derjenigen Lippe verstärkt, die sich auf der (rechten) Seite mit dem niedrigeren Druck befindet.
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Dadurch, daß zwei aus relativ starkem Material bestehende Stützelemente vorgesehen sind, die mit der axial äußeren Stirnfläche je einer der Lippen in Berührung stehen, wird die Festigkeit der Lippen und damit der gesamten Dichtung unterstützt.
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Aus der US-PS 31 16 931 und aus der US-PS 35 32 004 ist es an sich bekannt, Stützelemente an den Seitenflächen der Dichtung vorzusehen. In diesen beiden Vorveröffentlichungen findet sich jedoch kein Hinweis darauf, die Abdichtung durch den Druckmitteldruck in der der Erfindung zugrundeliegenden Weise zu unterstützen.
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Die Erfindung ist besonders auf das Abdichten einer Kugelführungsschraube anwendbar, die eine im Profil abgerundete Gewindenut und eine zylindrische Gewindekopffläche besitzt. Dabei ist in einer Vertiefung der Mutter ein ringförmiges elastomeres Dichtelement angeordnet, das auf seiner Innenwandung mit Rippen zur dichten Anlage an der Gewindekopffläche der Schraube und mit einem Vorsprung zum dichten Eingriff in die Gewindenut der Schraube versehen ist. Der radial äußere Teil des elastomeren Dichtelements ist allgemein U-profilförmig und mit axial im Abstand voneinander angeordneten, radialen Lippen ausgebildet, zwischen denen eine Vertiefung vorhanden ist. Die freien Randteile dieser Lippen liegen dicht an einer zylindrischen Wandung einer Vertiefung in der Mutter an. Jeder dieser freien Randteile kann auf seiner axial äußeren Seite mit einem hohen Druckmitteldruck beaufschlagt und dadurch ausgelenkt und von der genannten Wandung abgerückt werden, so daß das unter hohem Druck stehende Druckmittel in die Vertiefung zwischen den Lippen eintreten kann und daher der freie Randteil der anderen Lippe stärker abdichtend gegen die Wandung der Mutter gedrückt wird und der Vorsprung und die Rippen stärker abdichtend gegen die Schraube gedrückt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt
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Fig. 1 als Teildarstellung im Schnitt eine Servolenkeinrichtung, in der die Dichteinrichtung verwendet werden kann,
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Fig. 2 in einer Stirnansicht die Dichteinrichtung,
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Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2,
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Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 2,
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Fig. 5 als Teildarstellung die zwischen einer Schraube und einer Mutter angeordnete Dichteinrichtung vor der Beaufschlagung mit einem Druckmitteldruck,
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Fig. 6 in einer der Fig. 5 ähnlichen Darstellung die Anordnung bei einseitiger Beaufschlagung mit einem Druckmitteldruck,
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Fig. 7 in einer ähnlichen Darstellung wie in Fig. 5 die Anordnung bei Beaufschlagung mit einem Druckmitteldruck von der anderen Seite,
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Fig. 8 als Teildarstellung im Querschnitt eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung,
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Fig. 9 als Teildarstellung eine Stirnansicht zu Fig. 8 und
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Fig. 10 einen Schnitt längs der Linie 10-10 in Fig. 9.
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Die in Fig. 1 gezeigte Dichteinrichtung 10 kann beispielsweise zum Abdichten zwischen einer Kugelführungsschraube 11 und einer Mutter 12 in einer Servolenkung 13 verwendet werden, in der die Schraube 11 drehbar gelagert, aber axial festgelegt ist, während die Mutter 12 axialbewegbar, aber gegen eine Drehung festgelegt ist. Die Schraube 11 besitzt eine wendelförmige, im Profil abgerundete Gewindenut 15 und dieser benachbart eine zylindrische, wendelförmige Gewindekopffläche 16. Die Mutter 12 besitzt eine mit der Gewindenut der Schraube korrespondierende, wendelförmige Gewindenut 17. In den Gewindenuten 15 und 17 sind mehrere Kugeln 18 angeordnet, die einen Gewindeeingriff zwischen der Schraube 11 und der Mutter 12 bewirken. Eine derartige Anordnung ist als Kugelschraubentrieb bekannt. Infolge der Kugeln ist zwischen der Schraube und der Mutter nur eine sehr geringe Reibung vorhanden, wenn sie relativ zueinander gedreht werden.
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Im Betrieb der Servolenkung in einem Fahrzeug befindet sich Druckmittel in einem Raum 20, wenn das Fahrzeug zur einen Seite gelenkt werden soll, und in einem Raum 21, wenn es zur entgegengesetzten Seite gelenkt werden soll. Dabei bewegt sich die Mutter 12 axial zuerst nach rechts und dann nach links und dreht sich die Schraube 11 zuerst in dem einen und dann in dem entgegengesetzten Drehsinn. Die Dichteinrichtung 10 bewirkt ständig eine Abdichtung zwischen der Mutter und der Schraube, so daß kein unter Druck stehendes Druckmittel aus dem einen Raum in den anderen übertreten kann. Gemäß Fig. 1 wird die die Dichteinrichtung 10 aufnehmende, zylindrische Vertiefung 23 der Mutter von einer zylindrischen Wandung 24 und einer Stirnwand 25 begrenzt und ist die Dichteinrichtung 10 in der Vertiefung 23 durch einen Sprengring 27 festgelegt.
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Gemäß den Fig. 2 und 3 besitzt die Dichteinrichtung 10 ein ringförmiges elastomeres Dichtelement 30, das im Radialschnitt allgemein U-förmig ist und einen Ringkörper 31 von relativ kleiner radialen Dicke besitzt. Von den axialen Enden dieses Ringkörpers steht je eine Ringlippe 32 bzw. 34 radial auswärts vor. Zwischen diesen beiden Lippen 32 und 33 ist eine Vertiefung 34 vorhanden, deren Grund mit 35 bezeichnet ist. Eine Ringscheibe 38 aus Metall oder einem anderen Material, der steifer ist als das Dichtelement 30, ist in einer Vertiefung 37 in der axial äußeren Stirnseite der Lippe 32 vorzugsweise materialschlüssig festgelegt. Der freie Randteil 39 der Lippe 32 hat auf seiner axial äußeren Seite eine Schrägfläche 40 und auf seiner axial inneren Seite eine abgerundete Fläche 41. Der freie Randteil 43 der Lippe 33 hat ebenfalls auf seiner axial äußeren Seite eine Schrägfläche 44 und auf seiner axial inneren Seite eine abgerundete Fläche 45. Ein stützend und festlegend wirkende Ringscheibe 47 liegt an der axial äußeren Fläche 48 der Lippe 33 an und ist mit ihr vorzugsweise materialschlüssig verbunden. Die Ringscheibe 47 ist von mehreren in der Umfangsrichtung in Abständen angeordneten Löchern 49 durchsetzt, die dem freien Randteil 43 der Lippe 33 axial gegenüberliegen. Die Ringscheibe 47 besitzt ferner einen zylindrischen Fortsatz 51, dessen Innenwandung 52 die Außenwandung eines ringförmigen Fortsatzes 53 des elastomeren Ringes 30 berührt und mit diesem vorzugsweise materialschlüssig verbunden ist.
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Der Ringkörper 31 des elastomeren Dichtelements 30 ist mit einem radial einwärtsgerichteten Vorsprung 55 ausgebildet, der eine abgerundete Fläche 56 besitzt, die in die Gewindenut 15 der Schraube eingreift. Diese abgerundete Fläche 56 hat im Querschnitt zunächst einen etwas größeren Radius als die Gewindenut 15, so daß die Fläche 56 beim Eingriff in die Gewindenut 15 etwas verformt wird und sich dicht an die Wandung der Gewindenut 15 anlegt. Der Vorsprung 55 ist wendelförmig und hat dieselbe Steigung wie die Gewindenut 15, erstreckt sich aber nur über einen Umfangsbogen von etwa 75°. Der Vorsprung 55 korrespondiert radial mit der Vertiefung 34.
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Im Bereich der Mitte des Winkelbereichs des Vorsprunges 55 sind zwei axiale Rippen 57, 58 vorgesehen, die an ihren axial inneren Enden in den Vorsprung 55 und an ihren äußeren Enden in eine wendelförmige Rippe 59 übergehen, die sich mit einheitlicher axialer Breite von der Rippe 57 zur Rippe 58 erstreckt und einen vollen Gewindegang bildet und sich mit einem verjüngten Endteil 61 über die Rippe 57 hinaus und mit einem verjüngten Endteil 62 über die Rippe 58 hinaus erstreckt. Die Rippen 57, 58 und 59 haben denselben Innendurchmesser, der zunächst etwas kleiner ist als der Durchmesser der zylindrischen Gewindekopffläche 16 der Schraube, so daß bei in der Dichteinrichtung 10 angeordneter Schraube 11 diese Rippen verformt werden und sich auf beiden Seiten des Vorsprunges 55 dicht an die Gewindekopffläche 16 anlegen. Der Vorsprung 55 und die Rippen 57, 58, 59 dichten die Schraube ab, weil der Vorsprung 55 eine Lecken längs des Gewindeganges 15 verhindert, die Rippe 59 über einen ganzen Gewindegang der zwischen den Rippen 57, 58 befindlichen Gewindekopffläche 16 ein axiales Lecken über die Gewindekopffläche 16 verhindert und die Rippen 57, 58 in diesem Bereich der Gewindekopffläche 16 auch ein Lecken in deren Längsrichtung verhindert. Diese Wirkung wird auch aufrechterhalten, wenn die Schraube 11 in der Mutter 12 und der Dichteinrichtung 10 gedreht wird.
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Wenn gemäß Fig. 3 die Dichteinrichtung nicht mit Druckmitteldruck beaufschlagt ist, stehen die freien Randteile 39 und 43 der Lippen 32, 33 in leichter, abdichtender Berührung mit dem Grund 24 der Vertiefung 23.
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Wenn in dem Raum 20 ein höherer Druckmitteldruck herrscht als in dem Raum 21, wandert Druckmittel aus dem Raum 20 längs der Außenfläche der Schraube 11 in der Mutter 12 bis zu der Dichteinrichtung 10. Etwas Druckmittel zwängt sich dann zwischen der Ringscheibe 38 und der Stirnwand 25 der Vertiefung 23 in der Mutter und lenkt dabei den freien Randteil 39 der Lippe 32 axial einwärts und radial abwärts aus, so daß er von dem Vertiefungsgrund 24 weggedrückt wird (Fig. 4) und das Druckmittel in die Vertiefung 34 gelangt. Dort drückt das unter Druck stehende Druckmittel radial einwärts gegen den Grund 35 der Vertiefung 34, so daß der Ringkörper 31 radial einwärts verformt wird und der Vorsprung 55 und die Rippen 57, 58, 59 stärker abdichtend gegen die Wandungen der Gewindenut 15 und die Gewindekopffläche 16 der Schraube gedrückt werden. Infolge der Verformbarkeit des elastomeren Materials gilt dies auch für die nicht direkt radial einwärts von der Vertiefung 34 befindlichen Teile der Rippen 57, 58 und 59. Das in der Vertiefung 34 befindliche, unter Druck stehende Druckmittel drückt ferner axial gegen den freien Randteil 43 der Lippe 33. Infolge der besonderen Formgebung dieses freien Randteils und der Abstützung der Lippe 33 durch die starre Ringscheibe 47 wird der freie Randteil 43 jetzt jedoch nicht von dem Grund 24 der Vertiefung 23abgerückt, sondern fester gegen den Grund 24 gedrückt. Dies ist in Fig. 4 gezeigt.
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Wenn dagegen in dem Raum 21 ein höherer Druckmitteldruck herrscht als in dem Raum 20, tritt Druckmittel aus dem Raum 21 durch die Löcher 49 und bewirkt dieses Druckmittel, daß der freie Randteil 43 der Lippe 33 von der Stirnwand 25 der Vertiefung 23 weg ausgelenkt wird. Das in die Vertiefung 34 eintretende Druckmittel drückt jetzt den freien Randteil 39 der Lippe 32 stärker abdichtend gegen die Stirnwand 25 und drückt ferner den Ringkörper 31 radial einwärts, so daß der Vorsprung 55 und die Rippen 57, 58 und 59 fester an der Schraube 11 angreifen. Jetzt wird die Lippe 32 von der Ringscheibe 38 abgestützt.
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In der in den Fig. 8, 9 und 10 dargestellten Ausführungsform der Erfindung haben die beiden Lippen 70, 71 des ringförmigen elastomeren Dichtelemente 72 dieselbe Dicke und dieselbe Länge und sind sie symmetrisch in Bezug auf eine Ebene, die sich normal zu der Längsachse des Ringes 72 in der Mitte zwischen den Lippen erstreckt. Der Ringkörper 74 des Dichtelements 72 ist ebenfalls in Bezug auf diese Ebene symmetrisch. Dagegen ist der Vorsprung 76 in Bezug auf diese Ebene natürlich nicht symmetrisch, weil er ebenso wie der Vorsprung 55 wendelförmig ist.
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Die Ringscheiben 77, 78 haben dieselbe axiale Dicke und dieselbe radiale Breite und sind daher miteinander im wesentlichen identisch. In manchen Fällen kann aber die Ringscheibe 78 mit einem radial vorstehenden Lappen 80 versehen sein, der in einen komplementären Schlitz 81 in der Mutter 12 eingreift, so daß eine Relativdrehung zwischen der Mutter und dem elastomeren Ring 72 formschlüssig verhindert wird. In diesem Fall sind die Ringscheiben 77, 78 mit dem elastomeren Ring 72 materialschlüssig verbunden.
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In dieser Ausführungsform sind keine den Rippen 57, 58 gemäß Fig. 4 entsprechenden Rippen vorhanden. Anstattdessen geht der dem Vorsprung 55 in Fig. 4 entsprechende Vorsprung 76 direkt in die wendelförmige Rippe 84 (Fig. 10) über, die der wendelförmigen Rippe 59 gemäß Fig. 4 entspricht.
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Vorstehend wurde die Anwendung der Dichteinrichtung bei kugelführenden Gewindenuten beschrieben. Die Dichteinrichtung kann aber auch bei anderen Gewinden angewendet werden, beispielsweise bei ACME-Trapezgewinden, Spitzgewinden und Flachgewinden verwenden, sofern der Vorsprung 55 und die Rippen 57, 58 und 59 dem jeweiligen Gewindeprofil angepaßt sind.