DE3814921A1 - Dichtungselement, insbesondere fuer waelzlager, und einrichtung zum feststellen der geschwindigkeit eines sich drehenden teils unter verwendung des dichtungselements - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement, das drehbar mit einem sich drehenden Teil montiert werden kann, um zwischen diesem und einem anderen sich in relativer Bewegung in bezug auf das drehende Teil befindlichen Teil abzudichten, beispielsweise zwischen den Ringen eines Wälzlagers, und das es gleichzeitig ermöglicht, die Drehgeschwindigkeit des sich drehenden Teils, an dem es fest montiert ist, über einen Sen­ sor, beispielsweise einen elektromagnetischen Sensor, der mit dem Dich­ tungselement zusammenarbeitet, festzustellen. Außerdem betrifft die Er­ findung eine Einrichtung zum Feststellen der Drehgeschwindigkeit eines rotierenden Teils, das ein derartiges Dichtungselement aufweist.

Es ist bekannt, und zwar insbesondere von Sportfahrzeugen oder sogenannten "Grand Touring"-Fahrzeugen, spezielle Kontrollsysteme, wie ABS zu installieren, deren Zweck darin besteht, die Räder des Fahrzeugs während des Bremsens am Blockieren zu hindern. Diese Systeme umfassen einen hydraulisch wirkenden Teil, der mit Hilfe von Ventilen auf den Bremskreis einwirkt, und einen elektronischen Steuerteil, der bewirkt, daß der hydraulisch wirkende Teil anspricht, wenn eine differentielle Änderung der Drehzahl der Räder jeder Achse des Fahrzeugs größer als ein vorbestimmter Schwellenwert festgestellt wird. Diese Drehzahländerungen werden durch eine geeignete bekannte Einrichtung festgestellt, die elektromagnetische Sensoren verwenden, und zwar einer für jedes Fahr­ zeugrad, wobei jeder der Sensoren ein Pulssignal proportional zur Dreh­ zahl des hiervon überwachten Rades liefert. Dieses Pulssignal wird in der Hauptzahl der Fälle dadurch erhalten, daß gewöhnlich auf dem Lager für das Rad ein gezahntes Element montiert wird, das als "tönendes Rad" oder "Impulsring" bekannt ist. Dieses Element umfaßt im wesentlichen einen Flansch aus ferromagnetischem Material, der zur Drehung mit dem Rad montiert und mit einem gezahnten Ring in Korrespondenz mit dem Sen­ sor versehen ist. Während der Drehung des Rades verursachen daher die Zähne und Zwischenräume während des Vorbeilaufs an dem Sensor eine pe­ riodische Änderung des Luftspaltes zwischen dem Flansch und dem Sensor und daher eine periodische Änderung des magnetischen Feldes mit einer folglichen Erzeugung eines oszillierenden periodischen Signals durch den Sensor mit einer Frequenz, die proportional zur Drehzahl des Rades ist.

Ein Nachteil einer derartigen Einrichtung besteht in den großen Abmessungen des "tönenden Rades" und in ihren Kosten, die aufgrund der notwendigen Präzision durch die spanende Bearbeitung entstehen. Außerdem wird die Einrichtung nach relativ kurzer Betriebsdauer unzuverlässig, da der ferromagnetische Staub, der durch Abrieb der Bremsdichtungen ent­ steht, mit dem Schmutz der Straße vermischt in Kontakt mit der Fahrzeu­ gaufhängung und damit in die Ausnehmungen zwischen den Zähnen des "tö­ nenden Rades" gelangt und daher eine Amplitudenverminderung des von dem Sensor erzeugten Signals bewirkt, wodurch es notwendig wird, periodisch und häufig eine entsprechende Reinigung vorzunehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein System zum Feststellen der Drehzahl eines rotierenden Teils, insbesondere eines Fahrzeugrads, zu schaffen, das frei von den beschriebenen Nachteilen ist, als auch ein Dichtelement zu schaffen, das an einem rotierenden Teil befestigt werden kann und gleichzeitig in der Lage ist, eine Dichtwirkung auszuüben und das Feststellen der Drehzahl des rotierenden Teils, an dem es befestigt ist, zu ermöglichen.

Dies wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 7.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ausschnittweise in Draufsicht ein Dichtungselement. Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie II-II von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt längs einer Längsebene einer Dich­ tungseinrichtung mit einer weiteren Ausführungsform eines Dichtungsele­ mentes.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht in Richtung des Pfeils A von Fig. 3 auf einen Teil hiervon.

Fig. 5 zeigt in Seitenansicht eine Variante des Dichtungsele­ mentes von Fig. 1.

Fig. 6 zeigt zwei mögliche Verwendungen von Dichtungselementen in einer Einrichtung zum Messen der Drehzahl eines Fahrzeugrades.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Dichtungselement 1 wird aus einem im wesentlichen starren, metallischen Stützelement 2, das aus ei­ ner flachen, kreisringförmigen Scheibe aus Stahl oder einem anderen ferromagnetischen Material besteht, und einem etwaigen elastomeren Rin­ gelement 3 besteht, das in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist und eine deformierbare Dichtlippe 4 oder mehrere Dichtlippen in verschiedenen möglichen Konfigurationen in bekannter Weise gebildet. Das starre Stüt­ zelement 2 ist mit einem Außenrand 5 versehen, mit dem das Dichtelement 1 an einem mechanischen Teil befestigt werden kann, beispielsweise am Außenring eines Wälzlagers, um zwischen diesem und einem anderen mecha­ nischen Teil in relativer Bewegung hierzu, beispielsweise dem Innenring eines Wälzlagers, eine Abdichtung zu bewirken. Das starre Stützelement 2 ist ferner mit einem Innenrand 6 versehen, der gegebenenfalls eine hiervon vorstehende Dichtlippe 4 (oder Dichtlippen) trägt, und ist fer­ ner mit einem Paar von parallelen ebenen Stirnflächen 7 und 8 versehen, die sich radial in bezug auf die Symmetrieachse des Stützelementes 2 erstrecken. Das Stützelement 2 ist an seiner Außenseite, die durch die Stirnfläche 7 definiert wird, und die im Betrieb von der Außenseite der Teile, zwischen denen das Dichtungselement montiert wird, zugänglich bleibt, mit einer Vielzahl von im wesentlichen identischen Bereichen 10 von Oberflächendiskontinuitäten versehen, die in Umfangsrichtung von­ einander im wesentlichen um eine konstante Teilung voneinander getrennt sind und eine aufeinanderfolgende Folge in kreisringförmiger Anordnung bilden. Unter "Bereiche von Oberflächendiskontinuität" werden solche Abschnitte einer Oberfläche verstanden, die eine physikalische Änderung (beispielsweise Zusammensetzung des Materials) oder eine geometrische änderung (bespielsweise Änderung der Krümmung oder Unterbrechung der Oberfläche) der Oberflächeneigenschaften hiervon, oder der unmittelbar darunter liegenden Zone aufweisen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Bereiche 10 von Oberflächendiskontinuität durch entsprechende Ausnehmungen auf der Stirnfläche 7 und bilden entsprechende radiale, im wesentlichen rechteckige Durchtrittsöffnungen 11 in dem Stützelement 2, die durch Ausstanzen gebildet sind. Die Öffnungen 11 sind ferner gänz­ lich mit Gummi gefüllt, und zwar insbesondere mit Pfropfen 12, die bün­ dig mit den durch die Stirnseiten 7 und 8 definierten Oberflächen ange­ ordnet sind. Wenn das elastomere Element 3 ebenfalls vorhanden ist, ist dies vorzugsweise einstückig mit den Pfropfen 12 ausgebildet, so daß das Stützelement 2 vollständig in das Element 3 eingearbeitet ist, das fer­ ner eine oder beide Stirnflächen 7 und 8 bedeckt.

Fig. 6 zeigt zwei mögliche Beispiele für die Verwendung des ge­ rade beschriebenen Dichtelementes 1. Insbesondere zeigt Fig. 6 die we­ sentlichen Teile einer Antriebsachse eines Fahrzeugs mit einem zentralen Differential 15, entsprechenden Halbwellen 16, einer Nabe 18 zur dreh­ festen Verbindung mit einer der Halbwellen 16 und zur Aufnahme eines Rades 19 des Fahrzeugs sowie einer Strebe 20, die teilweise im Schnitt dargestellt ist, und einen Teil der Aufhängung des Fahrzeugs bildet so­ wie die Nabe 18 über ein Wälzlager 21 frei drehbar trägt. Das Wälzlager 21 besitzt einen Außenring 22, der fest mit der Strebe 20 verbunden ist, und einen Innenring 23, der zur Drehung mit der Nabe 18 und folglich mit dem Rad 19 fest verbunden ist. Die Halbwellen 16 werden über Hülsen 24 angetrieben, die ihrerseits infolge von entsprechenden Wälzlagern 25 frei drehbar gegenüber dem Differentialgehäuse 15 sind. Bei einem der­ artigen Aufbau kann das Dichtelement 1 direkt auf dem lnnenring 23 des Lagers 21 montiert werden, um mit diesem in Drehverbindung zu stehen, und die Ringe 22 und 23 gegen äußere Verschmutzung abzudichten, um so die Wälzlagerelemente selbst zu schützen. Ferner kann das Dichtelement 1 mit der Halbwelle 16 drehbar, beispielsweise auf der Hülse 24 oder in dem Lager 25 zum Schutz des Lagers selbst befestigt werden. Im Falle der Anordnung auf dem Lager 25 ist das Dichtelement 1 in ein Ölbad einge­ taucht. In beiden Fällen wird jedoch das Dichtelement 1 angetrieben, um mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Rad 19 zu drehen, und kann durch Kopplung mit einem entsprechenden Sensor 28 oder 29 bekannten Typs infolge des Vorbeilaufs der Bereiche 10 von Diskontinuität auf diesen einwirken. Der Sensor 28 oder 29 kann ein einfacher Elektromagnet sein, der mit einem elektronischen Oszillatorsteuerkreis verbunden ist. Dies ermöglicht die Realisierung eines einfachen und wirksamen Drehzahlbest­ immungssystems für ein mechanisches Teils, im vorliegenden Fall für das Rad 19. Während der Drehung des Rades 19 laufen die Bereiche 10 aufein­ anderfolgend vor den Sensoren 28 oder 29 her, die gegenüber von dem entsprechenden Dichtelement 1 angeordnet sind, wobei die Bereiche 10 mit Abschnitten des Stützelementes 2 abwechseln, durch die sie getrennt sind und die im wesentlichen durch nichtferromagnetische Bereiche (indem sie durch Ausnehmungen, die gegebenenfalls mit Gummi gefüllt sind, definiert werden) gebildet werden, so daß sie eine periodische Änderung des mag­ netischen Flusses und daher die Erzeugung eines periodischen Pulssig­ nals durch die Sensoren 28 oder 29 bewirken, daß eine Frequenz propor­ tional zu der Anzahl der Schlitze 11, die in der Zeiteinheit vor den Sensoren vorbeilaufen, oder kurz gesagt proportional zur Drehzahl des Rades 19 besitzt. Dieses Signal kann im vorliegenden Falle in einem ABS-Bremssystem verwendet werden, indem es mit ähnlichen Signalen von entsprechenden Sensoren, die mit anderen Dichtungselementen identisch zu dem Dichtungselement 1 und an entsprechenden Abdichtstellen anderer Rä­ der des Fahrzeugs angeordnet verglichen werden, um das Auftreten von anomalen differentiellen Drehzahländerungen der Räder zu bestimmen und folglich beispielsweise geeignete Ventile des Bremskreises des Fahrzeugs zu steuern. Für jedes Rad 19 reicht es aus, einen einzigen Sensor 28 oder 29 zu installieren, und zwar jeweils in Korrespondenz mit einem entsprechenden einzigen Dichtungselement 1, das alleine oder in Kombi­ nation mit anderen Dichtungselementen etwa zur Bildung einer komplexeren Dichtungseinrichtung verwendet wird, solange sich jedes Dichtungselement 1 zusammen mit dem entsprechenden Rad 19 mit der gleichen Geschwindig­ keit oder einer Geschwindigkeit proportional hierzu dreht. Daher ist die in Fig. 6 dargestellte Konfiguration, bei der zwei verschiedene Dich­ tungselemente 1 mit entsprechend verschiedenen Sensoren 28 und 29 für ein einziges Rad 19 verwendet wird, lediglich beispielhaft, in der Pra­ xis wird nur der Sensor 28 oder nur der Sensor 29 für jedes Fahrzeugrad mit zugehörigem Dichtelement 1 installiert, wobei es natürlich möglich ist, an allen infrage kommenden Stellen ein Dichtelement 1 gemäß der Erfindung anstelle eines bekannten Dichtelementes zu verwenden, das keine Ausnehmungen 11 besitzt, da das erfindungsgemäße Dichtelement die Dichtwirkung nicht ändert.

In den Fig. 3 und 4 ist eine weitere mögliche Ausführungsform, nämlich ein Dichtelement 30, und zwar im installierten Zustand im Inne­ ren eines Wälzlagers 31 zwischen dessen Außenring 32 und Innenring 33 zum Schutz des Innenraums 34, der entsprechende Wälzelemente 35 auf­ nimmt, installiert dargestellt. Das Dichtelement 30 bildet einen Teil einer aus zwei Elementen bestehenden Dichtungseinrichtung 36, wobei das Dichtungselement 30, das einen hülsenförmigen Abschnitt 36 umfaßt, der auf dem Ring 33 befestigbar ist, sowie einen ringförmigen Flanschab­ schnitt 37 besitzt, der sich radial von dem Abschnitt 36 in bezug auf die Symmetrieachse des Dichtelementes 30 erstreckt, und ein zusätzliches Dichtungselement 38 bekannten Typs aufweist, das mit entsprechenden elastomeren, deformierbaren, ringförmigen Dichtungslippen 39 und 40 versehen ist, die mit geringer Reibung unter Druck auf entsprechenden Innenflächen des Dichtelementes 30, die dem Dichtelement 38 zugewandt sind, gleiten, und das an der Innenseite des Rings 32 befestigt ist. Die äußere Stirnseite 41 des Flanschabschnittes 37, die von dem Dichtelement 38 abgewandt ist und den Rand des Dichtelementes 30 und der gesamten Dichtungseinrichtung 36 nach außen in bezug auf das Lager 31 bildet, ist in Umfangsrichtung mit einer Vielzahl von Bereichen von Oberflächendis­ kontinuität vom Typ der Bereiche 10 versehen, die durch entsprechende Ausnehmungen 42 gebildet werden, die in einem Ring eine neben der ande­ ren mit konstantem Abstand angeordnet sind. Die Ausnehmungen 42 sind bei dieser Ausführungsform durch entsprechende radiale Einbuchtungen 43 de­ finiert, die auf dem starren Element ausgebildet sind, das durch den Flanschabschnitt 37 derart definiert ist, daß dieser entsprechende zur Außenfläche 41 gerichtete Konkavitäten aufweist. Die Einbuchtungen 43 sind vorzugsweise wie in Fig. 4 dargestellt ausgebildet und besitzen eine gekrümmte Form mit einer Krümmung in Richtung entsprechend der Drehrichtung während des Betriebs des Teils, auf dem das Dichtelement 30 montiert wird, und derart, daß sichergestellt wird, daß sie eine im we­ sentlichen ringförmige Folge von Klingen 45 bilden, die fähig sind, mögliche äußere Verunreinigungen von dem Flanschabschnitt 37 zentrifu­ genartig zu entfernen. Im Betrieb wirkt das Dichtelement 30, das aus ferromagnetischem Material besteht, wie das Dichtelement 1, das weiter oben beschrieben wurde, wenn es mit einem elektromagnetischen Sensor eines Typs wie die Sensoren 28 oder 29 gekoppelt wird. Das Vorbeilaufen der Ausnehmungen 42 entlang des Sensors bewirkt eine Änderung des mag­ netischen Feldes in ausreichender Weise um zu bewirken, daß der Sensor ein periodisches Pulssignal abgibt, das eine Frequenz proportional zur Anzahl der Ausnehmungen 42 besitzt, die am Sensor pro Zeiteinheit vor­ beilaufen, und das daher proportional zur Drehzahl des Rings 33 und da­ mit des Teils ist, an dem der Ring 33 befestigt ist. Das gleiche Resul­ tat kann auch mit einem optischen Sensor erzielt werden, in welchem Falle die Ausnehmungen 42 leer sind, so daß sie auf die Fläche 41 fal­ lendes Licht in anderer Weise als der Rest der Fläche 41 selbst reflek­ tieren können, so daß ein periodisches optisches Pulssignal entsteht.

Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 5 in Form eines Dich­ tungsrings 50 dargestellt, der als ringförmige Scheibe ausgebildet ist, die in Umfangsrichtung gewellt und von gegenüberliegenden Stirnflächen 51 und 52 begrenzt ist, die parallel zueinander verlaufen und durch eine regelmäßige Aufeinanderfolge von Vorsprüngen 53 und Vertiefungen 54 ge­ bildet werden, die dadurch, daß sie ein kontinuierliche periodische Än­ derung in der Krümmung der Flächen 52 und 53 aufweisen, alternierende Bereiche von Oberflächendiskontinuität, wie die Bereiche 10, definieren. Die gesamte Oberfläche, die im Betrieb zur Außenseite des Teils gerich­ tet ist, zwischem dem das Element 50 montiert wird, resultiert in einer kontinuierlichen Folge von Diskontinuitäten. Jedoch wird das Ergebnis nicht geändert, wenn - bei Herstellung des Elements 50 aus ferromagne­ tischem Material - die Rotation hiervon in Front eines elektromagneti­ schen Sensors fähig ist, eine periodische änderung des magnetischen Feldes zu erzeugen, die ausreichend ist, um den Sensor zu aktivieren. Der durch das Element 50 gebildete Ring kann auch in eine Gummiumman­ telung eingebettet und/oder mit einer oder mehreren Dichtungslippen vom gleichen Typ wie die Lippe 4 versehen werden.

Ohne daß ein Teil der normalen Dichtungsfunktion verlorengeht, kann das Dichtungselement "tönende Räder" ersetzen, wodurch eine be­ trächtliche Gewichtsverminderung der drehenden Massen der Fahrzeugauf­ hängung und eine Reduktion der Herstellungs- und Montagekosten erzielt wird, da sich die Dichtungselemente sehr ökonomisch mit genügender Prä­ zision zur Verwendung in Kombination mit Sensoren direkt durch Pressen herstellen lassen. Des weiteren können sie normale Dichtungselemente ersetzen, die in jedem Falle notwendig wären, und stellen daher keine zusätzlichen Elemente dar. Schließlich ermöglichen sie es, Einrichtungen zum Bestimmen der Drehzahl von Fahrzeugrädern mit hoher Verläßlichkeit herzustellen, die gegen Verschmutzung praktisch unempfindlich sind. In erster Linie sind sie bereits als Dichtungselemente betrachtet selbst schon weniger der Ablagerung von äußeren Verschmutzungen, wie Staub von der Abnutzung der Bremsdichtungen bei Montage nahe der Räder, oder die­ sen überhaupt nicht ausgesetzt, wenn sie innerhalb des Differentialge­ häuses montiert werden, wo sie absolut durch ein Ölbad geschützt sind. Die Gummifüllung der Ausnehmungen, die die physikalischen Diskontinu­ itäten bilden, die zur Betätigung des Sensors notwendig sind, schützen ohne Beeinträchtigung der Funktionalität diese Ausnehmungen außerdem vor einem Füllen mit äußeren Verunreinigungen. Schließlich besitzen die De­ tektionseinrichtungen für die Drehzahl der Räder verringerte Abmessun­ gen.

Claims (7)

1. Dichtungselement insbesondere für Wälzlager, das zur Drehung mit einem rotierenden Teil montierbar ist, um zwischen diesem und einem Teil abzudichten, das in Relativbewegung in bezug auf das rotierende Teil ist, dadurch gekennzeichnet, daß es ein starres, im wesentlichen ringförmiges Element umfaßt, das mit einer Außenfläche versehen ist, die sich radial in bezug auf die Symmetrieachse des starren ringförmigen Elements erstreckt, auf dem eine Vielzahl von im wesentlichen identi­ schen Bereichen von Oberflächendiskontinuität in einem Kreisring in Um­ fangsrichtung mit Abstand zueinander und mit im wesentlichen konstanter Teilung angeordnet sind.

2. Dichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche von Oberflächendiskontinuität durch entsprechende Ausneh­ mungen gebildet sind, die auf der Außenfläche ausgebildet sind.

3. Dichtelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das starre ringförmige Element durch eine Metallverstärkung aus ferro­ magnetischem Material gebildet wird, während die Ausnehmungen mit Gummi bzw. einem elastischen gummiartigen Material gefüllt sind.

4. Dichtelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen durch entsprechende radiale Durchtrittsöffnungen von im wesentlichen rechteckiger Form gebildet werden, die sich durch das starre ringförmige Element erstrecken.

5. Dichtelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen durch entsprechende radiale Eindrückungen gebildet sind, die auf dem starren Element derart ausgebildet sind, daß sie ent­ sprechende Konkavitäten in der Außenfläche bilden, wobei die Eindrük­ kungen derart geformt sind, daß sie eine gekrümmte Form in radialer Richtung, und zwar in Drehrichtung des sich drehenden Teils gekrümmt aufweisen, so daß sie eine Folge von Klingen oder Messern definieren, die mögliche äußere Verunreinigungen von dem starren Element durch Zen­ trifugalwirkung entfernen.

6. Dichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer ringförmigen Scheibe besteht, die in Umfangsrichtung gewellt und durch zwei gegenüberliegende parallele Flächen begrenzt ist und durch eine regelmäßige Folge von Vorsprüngen und Vertiefungen gebildet wird, die alternierend die Bereiche von Oberflächendiskontinuität defi­ nieren.

7. Einrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines rotie­ renden Teils, insbesondere eines Fahrzeugrades, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Dichtungselement umfaßt, das zur Drehung mit dem rotierenden Teil befestigt ist und auf seiner Außenfläche und aufeinanderfolgend in einem kreisförmigen Ring eine Vielzahl von im wesentlichen identischen Bereichen von Oberflächendiskontinuität aufweist, die in Umfangsrichtung mit Abstand voneinander mit im wesentlichen konstanter Teilung angeord­ net sind, während wenigstens ein Sensor gegenüberliegend von dem Dicht­ element angeordnet ist und auf den Vorbeilauf von den Bereichen von Oberflächendiskontinuität durch Erzeugung eines periodischen Pulssignals ansprechbar ist, das eine Frequenz proportional zur Anzahl des Durch­ gangs der Bereiche von Oberflächendiskontinuität pro Zeiteinheit be­ sitzt.