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Dokumentenidentifikation DE10128071A1 12.12.2002
Titel Dichtelement zur Abdichtung einer angetriebenen Achse
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Wisotzky, Axel, Dipl.-Ing.(FH), 72636 Frickenhausen, DE
DE-Anmeldedatum 09.06.2001
DE-Aktenzeichen 10128071
Offenlegungstag 12.12.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.12.2002
IPC-Hauptklasse F16C 33/76
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Dichtelement zur Abdichtung eines zwischen einer rotierenden Antriebswelle und einem nichtrotierenden Achskörper einer angetriebenen Achse liegenden Hohlraumes, der mit dem Innenraum eines Differentialgetriebegehäuses kommuniziert. Dazu ist das Dichtelement im Bereich zwischen der Antriebswelle und dem die Antriebswelle zumindest auf einem Teilbereich ihrer Länge umgebenden Achskörper angeordnet. Außerdem ist die Länge des Dichtelements, gemessen parallel zur Rotationsachse der Antriebswelle, mindestens anderthalb mal so groß ist wie die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Achskörpers und dem Außendurchmesser der Antriebswelle am Ort des Dichtelements.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Dichtelement zur Abdichtung einer angetriebenen Achse entwickelt, das bei guten Abdichtverhältnissen eine geringe Verschleißrate und damit eine lange Lebensdauer aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Dichtelement zur Abdichtung eines zwischen einer rotierenden Antriebswelle und einem nichtrotierenden Achskörper einer angetriebenen Achse liegenden Hohlraumes, der mit dem Innenraum eines Differentialgetriebegehäuses kommuniziert.

Aus "Wälzlager in Kraftfahrzeugen", SKF-Schrift Dd 4693, Sept. 1966, Seite 120, sind Dichtelemente zur Abdichtung eines mit dem Innenraum eines Differentialgetriebegehäuses kommunizierenden Hohlraumes bekannt, die stirnseitig an einem nicht- rotierenden Achskörper befestigt sind. Deren Dichtlippen drücken dann in axialer Richtung gegen einen an eine Antriebswelle angeformten und mit dieser rotierenden Antriebswellenflansch oder bilden mit diesem einen schmalen Spalt. Die Herstellung der für die Dichtwirkung erforderlichen Oberflächengüte der der Dichtung zugewandten Fläche des Antriebswellenflansches ist aufwendig und teuer.

Bei einer derartigen Anordnung wird der abzudichtende Hohlraum im Bereich des Dichtelementes radial von der zu schützenden Umgebung umschlossen. Der Antriebswellenflansch und das Dichtelement bilden im Bereich ihres geringsten Abstandes eine Dichtzone. In radialer Richtung sind innerhalb der Dichtzone bei einer zumindest zeitweise konstanten Drehzahl der Antriebswelle die Umfangsgeschwindigkeiten der einzelnen Elemente des Antriebswellenflansches von der Wellenmitte nach außen hin zunehmend. Am äußeren Rand der Dichtzone zwischen dem Dichtelement und dem Antriebswellenflansch ist die relative Differenzgeschwindigkeit in der Dichtzone höher als am inneren Rand dieser Fläche. Dies führt im Falle eines berührenden Dichtelementes zu einer von außen nach innen zunehmendem Verschleißrate in der Dichtzone. Mit zunehmendem Verschleiß vergrößert sich Berührfläche zwischen dem Dichtelement und dem Antriebswellenflansch. Gleichzeitig steigt aber die Differenz der Umfangsgeschwindigkeiten der Elemente des Antriebswellenflansches, die an dem äußeren bzw. an dem inneren Rand des Dichtelements liegen. Dies führt zu einer Steigerung der Verschleißrate.

Im Falle eines Spaltes zwischen den Dichtpartnern führt der radiale Anstieg der Relativgeschwindigkeit zwischen den Dichtpartnern zur Förderung von Medium aus dem Hohlraum in tangentialer Richtung durch den Dichtspalt in die Umgebung. Diese Förderwirkung nimmt mit zunehmender Drehzahl der Antriebswelle zu.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde, ein Dichtelement zur Abdichtung einer angetriebenen Achse zu entwickeln, das bei guten Abdichtverhältnissen eine geringe Verschleißrate und damit eine lange Lebensdauer aufweist.

Diese Problemstellung wird mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Dazu ist das Dichtelement im Bereich zwischen der Antriebswelle und dem die Antriebswelle zumindest auf einem Teilbereich ihrer Länge umgebenden Achskörper angeordnet. Außerdem ist die Länge des Dichtelements, gemessen parallel zur Rotationsachse der Antriebswelle, mindestens anderthalb mal so groß ist wie die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Achskörpers und dem Außendurchmesser der Antriebswelle am Ort des Dichtelements.

Das Dichtelement ist in radialer Richtung zwischen der rotierenden Antriebswelle und dem feststehenden Achskörper angeordnet. Es dichtet den mit dem Differentialgetriebegehäuse kommunizierenden Hohlraum in axialer Richtung gegen die zu schützende Umgebung, also dem Nabenbereich, ab. Hierbei kann das Dichtelement sowohl zusammen mit dem Achskörper feststehend sein oder es kann zusammen mit der Antriebswelle rotieren.

Im ersten Fall ist das Dichtelement form- und/oder kraftschlüssig mit dem Achskörper verbunden. Die Dichtzone befindet sich dann zwischen dem feststehenden Dichtelement und der rotierenden Antriebswelle. Die Umfangsgeschwindigkeit der Antriebswelle im Bereich der Dichtzone ist bei konstanter Drehzahl der Antriebswelle über die Länge der Dichtzone konstant und ändert sich nicht bei Verschleiß der Dichtung.

Im zweiten Fall, bei einem rotierendem Dichtelement, ist das Dichtelement form- und/oder kraftschlüssig auf der Antriebswelle angeordnet. Die Dichtzone ist dann zwischen dem Dichtelement und dem feststehenden Achskörper.

Da das Dichtelement radial zur Dichtzone und zur Rotationsachse angeordnet ist, wird bei einer Rotation der Antriebswelle keine Förderwirkung auf Medium aus dem Hohlraum ausgeübt. Diese Verhältnisse sind unabhängig von der Drehzahl der Antriebswelle.

Die Antriebswelle und der Achskörper sind im Bereich des Dichtelementes konzentrisch zueinander angeordnet. Die Antriebswelle kann hierbei z. B. so geschmiedet sein, dass zumindest in der Dichtzone eine gute Oberflächengüte erreicht ist, die keiner oder nur geringer Nacharbeit bedarf. Analog gilt dies für den Achskörper. Hiermit wird die Herstellung der Bauteile einfach und kostengünstig.

Das große Verhältnis der Länge des Dichtelementes zu seiner Höhe ermöglicht bei einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Dichtelement und dem Achskörper bzw. der Antriebswelle eine gute Dichtwirkung auch bei geringer Anpresskraft. Durch die große Anlagefläche wird ein Wandern des Dichtelementes verhindert. Das Dichtelement kann somit elastisch gestaltet werden.

Auf der Seite der Dichtzone bewirkt die große Länge des Dichtelementes einen sich flach verjüngenden Spalt zwischen dem Dichtelement und der Antriebswelle bzw. dem Achskörper. Die Dichtzone kann parallel zur Rotationsachse lang gestaltet werden. Das Dichtelement kann ohne Beeinträchtigung der Dichtwirkung auf der der Dichtzone zugewandten Seite weich und elastisch gestaltet werden. Das Dichtelement ist dann beispielsweise so nachgiebig, dass das z. B. mit einem Keilwellenprofil ausgeführte Ende der Antriebswelle durch das z. B. im Achskörper angeordnete Dichtelement hindurch ohne Behinderung montiert werden kann. Der Außendurchmesser eines Keilwellenprofils ist meist größer als der Durchmesser der zugehörigen Antriebswelle.

Ein Medium, z. B. Getriebeöl, das in den Bereich des Dichtelements fließt, verstärkt nach dem Selbsthilfeprinzip die Dichtwirkung des Dichtelements. So kann der Getrieberaum nahezu vollständig gegen die Umgebung abgedichtet sein.

Das hier als Dichtelement bezeichnete Bauteil kann auch aus mehreren Elementen bestehen. Beispielsweise kann in umgekehrter Richtung ein gleichartiges Element angeordnet sein. Das Dichtelement kann auch mehrere Bereiche aufweisen, die mit dem jeweiligen Gegenstück Dichtzonen bilden.

Die Dichtwirkung des Dichtelementes kann beispielsweise auch mit Hilfe eines Federelementes verstärkt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einer schematisch dargestellten Ausführungsform.

Fig. 1: Radlagerung einer angetriebenen Achse.

Die Fig. 1 zeigt eine Radlagerung einer angetriebenen Achse, beispielsweise der Hinterachse eines Nutzfahrzeuges. Das hier nicht dargestellte einzelne Treibrad ist über eine Bremsscheibe (40) mit integriertem Radflansch (45) und ein Wälzlager (10) auf einem am Fahrzeugaufbau in der Regel federnd abgestützten hohlen Achskörper (50) gelagert. Eine das Treibrad antreibende Welle (30) ist im Achskörper (50) angeordnet. Die Antriebswelle (30) treibt über einen angeformten Antriebswellenflansch (31) eine Radnabe (20) und eine Bremsscheibe (40) mit dem Radflansch (45) an. Der Antriebswellenflansch (31) ist hierbei mit den Nabenschrauben (7) an der Radnabe (20) befestigt. Zwischen dem Achskörper (50) und der Antriebswelle (30) ist ein Dichtelement (70) angeordnet. Dieses Dichtelement (70) begrenzt einen Hohlraum (1), der mit dem Innenraum eines hier nicht dargestellten Differentialgetriebegehäuses kommuniziert.

In Fig. 1 endet der sich nach außen verjüngende, hohle Achskörper (50), der auch Teil einer lenkbaren Achse sein kann, in einem Lagersitz (52). Letzterer ist zum einen zur Fahrzeugmitte hin durch eine Achskörperschulter (53) und zum anderen zur Fahrzeugaußenseite hin durch ein Gewinde (54) begrenzt. Auf dem Lagersitz (52) sind zwei Innenringe (12) eines in O- Anordnung montierten zweireihigen Kegelrollenlagers (10) angeordnet. Die Innenringe (12) werden mit Hilfe einer sicherbaren Wellenmutter (5) über eine verdrehsichere Stützscheibe (6) gegen die Achskörperschulter (53) verspannt.

Die Radnabe (20) stützt sich über einen Wälzkörperaußenring (11) mit zylindrischer Außenkontur und die Wälzkörper (13) auf den Innenringen (12) ab. Sie ist zumindest abschnittsweise ein zylindrisches Rohr mit konzentrischen, bearbeiteten Innen- und Außenflächen. Ein Teil der Innenfläche ist die Radnabenbohrung (24). Der Außendurchmesser der Radnabe (20) ist hierbei etwa 25% größer als die Radnabenbohrung (24). An dem zur Fahrzeugmitte orientierten Ende der Radnabe (20) ist an der Innenfläche eine Anschlagschulter (22) angeordnet.

An der zur Radaußenseite orientierten planen Stirnseite der Radnabe (20) sind Gewindebohrungen (26) angeordnet.

Die Antriebswelle (30) ist in drei Bereiche aufgeteilt. Den ersten Bereich bildet der Antriebswellenflansch (31), der zweite Bereich (35) ist zylindrisch ausgebildet und im dritten Bereich trägt die Antriebswelle (30) ein hier nicht dargestelltes wellenseitiges Profil einer Wellen-Naben-Verbindung, mit dem die Antriebswelle (30) formschlüssig in der Bohrung eines Zahnrades des Differentialgetriebes sitzt.

Der Durchmesser des Antriebswellenflansches (31) ist etwa vier mal so groß wie der Durchmesser des zweiten Bereichs (35) der Antriebswelle (30). Der Antriebswellenflansch (31) dehnt sich normal zur Rotationsachse (8) der Antriebswelle (30) aus. In seinem äußeren Bereich hat er eine Vielzahl Durchgangsbohrungen (33), die auf einem gemeinsamen Teilkreis angeordnet sind.

Der mittlere, zylindrische Bereich (35) der Antriebswelle (30) hat einen annähernd konstanten Durchmesser. Ein zylindrischer Teilabschnitt (36) kann beispielsweise eine geringe Oberflächenrauheit, beispielsweise mit einer Rautiefe Rt zwischen 1 und 4 µm, aufweisen. In diesem Teilabschnitt (36) kann zumindest die Oberfläche der Antriebswelle (30) eine Härte von beispielsweise 45-60 HRC aufweisen.

Im dritten Bereich der Antriebswelle (30), dem Bereich des wellenseitigen Profils der Wellen-Naben-Verbindung, ist die Antriebswelle (30) beispielsweise als Keilwellenprofil gestaltet. Statt eines Keilwellenprofils kann auch ein Kerbzahnprofil, ein Polygonprofil, etc. eingesetzt werden. Der Außendurchmesser ist in diesem Bereich der Antriebswelle (30) mindestens um 5% größer als im mittleren Bereich (35) der Antriebswelle (30). Mindestens das äußere Ende des Keilwellenprofils kann angeschrägt sein, beispielsweise unter einem Winkel von 15°-25° zur Horizontalen, um das Durchstecken durch das Dichtelement (70) zu erleichtern.

Die zentrale Bohrung (55) des Achskörpers (50) ist in drei Abschnitte (56-58) unterschiedlichen Durchmessers aufgeteilt. Hierbei haben die einzelnen Abschnitte (56-58) eine gemeinsame Mittellinie, die mit der Rotationsachse (8) zusammenfällt. Die ersten beiden Abschnitte (56, 57) sind im Nabenbereich angeordnet. Der Nabenbereich ist der Bereich, in dem der Achskörper (50) von der Radnabe (20) umgriffen wird. Diese beiden ersten Abschnitte (56, 57) haben etwa die gleiche Länge. Der Durchmesser im ersten Abschnitt (56) ist etwa 5% größer als der Durchmesser im zweiten Abschnitt (57). Hierbei ist der Durchmesser des zweiten Abschnitts (57) etwa 10% größer als der Durchmesser des mittleren Bereiches (35) der Antriebswelle (30). Die Enden der beiden Abschnitte (56, 57) der Bohrung (55) sind z. B. angefast.

Der dritte Abschnitt (58) der Bohrung (55) des Achskörpers (50) hat einen maximalen Durchmesser, der etwa anderthalb mal so groß wie der Außendurchmesser der Antriebswelle (30) in diesem Bereich. Der Außendurchmesser des Achskörpers (50) ist an dieser Stelle etwa 30% größer als der Bohrungsdurchmesser. Dieser Bohrungsabschnitt (58) ist zylindrisch und geht zum zweiten Abschnitt (57) hin über eine Hohlkehle in einen Kegelmantel über. In diesem Bohrungsabschnitt (58) ist die Rautiefe Rt der Oberfläche beispielsweise kleiner als 16 µm.

Zwischen dem Nabenbereich und dem nicht dargestellten Differentialgetriebegehäuse ist das Dichtelement (70) angeordnet. Dieses ist ringförmig aufgebaut und liegt mit seiner Außenseite am dritten Abschnitt (58) der Bohrung (55) des Achskörpers (50) an, während seine Innenseite den Teilabschnitt (36) der Antriebswelle (30) berührt oder mit diesem einen schmalen Spalt begrenzt. Die Länge des Dichtelements (70) entspricht etwa der doppelten Differenz des Bohrungsdurchmessers des Achskörpers (50) und des Außendurchmessers der Antriebswelle (30) im Bereich des Dichtelements (70). In anderen Worten, die Höhe des Dichtelementes (70) ist kleiner als ein Drittel seiner Länge.

Das Dichtelement (70) ist im Einzelquerschnitt C-förmig aufgebaut, wobei der innere und der äußere Schenkel des C etwa gleich lang sind und in Radialrichtung gesehen annähernd deckungsgleich sind. Die Öffnung des C weist hierbei in Richtung des Differentialgetriebegehäuses. Das Dichtelement (70) begrenzt somit den Hohlraum (1), der mit dem Innenraum des Differentialgetriebegehäuses kommuniziert. Das Dichtelement (70) umfasst einen Elastomerkörper (71), der u. a. aus einem Außenmantel (72), einen Bodenmantel (73), und einer Membran (74) besteht. Die Länge der Abwicklung des Elastomerkörpers (71) entspricht etwa der vierfachen Differenz des Innendurchmessers des Achskörpers (50) und des Außendurchmessers der Antriebswelle (30).

Im äußeren Bereich des Elastomerkörpers (71) ist im Einzelquerschnitt der Außenmantel (72) parallel zur Rotationsachse (8). In diesem Bereich kann auch ein Versteifungsring angeordnet sein.

Den inneren Bereich des Elastomerkörpers (71) bildet die Membran (74). Die Membran (74) umfasst eine äußere (77) und eine innere Membranfläche (78). Die äußere Membranfläche (77) ist annähernd parallel zur Rotationsachse (8) und zeigt zum Hohlraum (1). Die innere Membranfläche (78) umfasst eine Dichtlippe (81). Die Dichtlippe (81) wird aus den Innenflächen zweier sich verjüngenden Kegelabschnittsmantel gebildet, die sich an ihrem kleinsten Durchmesser berühren. Diese Berührstelle bildet die Dichtkante (82) gegen die Antriebswelle (30). Die Dichtkante (82) ist z. B. auf etwa einem Drittel der Länge des Dichtelements (70), vom Differentialgetriebegehäuse aus gesehen, angeordnet.

Die Dichtlippe (81) kann dabei mit einem Drall, z. B. einem Rückförderdrall an ihrer bodenseitigen Kontaktfläche, ausgeführt sein. Hiermit wird die Abdichtung im Falle von Schwingungen der Antriebswelle (30) verbessert.

Die Membran (74) und der Außenmantel (72) werden u. a. über den Bodenmantel (73) verbunden. Dieser hat etwa die gleiche Stärke wie der Außenmantel (72) und ist im Ausführungsbeispiel im Einzelquerschnitt in Form eines Bogens ausgeführt. Seine entgegen des Hohlraums (1) ausgerichtete Oberfläche ist die Bodenseite (83).

Bei der Montage wird beispielsweise zunächst das Dichtelement (70) in den Abschnitt (58) der Bohrung (55) des Achskörpers (50) eingesetzt. Ggf. wird diese Position ein- oder beidseitig in axialer Richtung gesichert. Der Außenmantel (72) schmiegt sich aufgrund seiner Elastizität an die Bohrung (55) an und bildet so mit dieser einen Kraftschluss. Dieser Kraftschluss hindert den Elastomerkörper (71) am Wandern. Statt der kraftschlüssigen Verbindung kann die Verbindung des Dichtelements (70) zur Bohrung (55) auch formschlüssig gestaltet sein oder kraft- und formschlüssig ausgeführt sein.

Beim Einsatz der Antriebswelle (30) in den Achskörper (50) kommt zunächst die differentialgetriebeseitige Stirnseite der Antriebswelle (30) in Kontakt mit der Bodenseite (83) des Dichtelements (70). Die Anfasung an der Stirnseite der Antriebswelle (30) drückt beim Einsetzen der Antriebswelle (30) die Membran (74) des Dichtelements (70) nach außen. Beim weiteren Einsetzen wird das Keilwellenprofil durch das Dichtelement (70) hindurchgeschoben, bis es in seinem Gegenprofil im Differentialgetriebe eingesteckt ist. Durch den Form- und/oder Kraftschluss zum Achskörper (50) bleibt das Dichtelement (70) hierbei relativ zum Achskörper (50) in Ruhe.

Nach der Montage berührt das Dichtelement (70) den zylindrischen Teilabschnitt (36). Ggf. kann bei der Verwendung als Spaltdichtung ein schmaler Spalt zwischen dem Dichtelement (70) und dem Teilabschnitt (36) ausgebildet sein.


Anspruch[de]
  1. 1. Dichtelement zur Abdichtung eines zwischen einer rotierenden Antriebswelle und einem nichtrotierenden Achskörper einer angetriebenen Achse liegenden Hohlraumes, der mit dem Innenraum eines Differentialgetriebegehäuses kommuniziert, dadurch gekennzeichnet,

    dass das Dichtelement (70) im Bereich zwischen der Antriebswelle (30) und dem die Antriebswelle (30) zumindest auf einem Teilbereich ihrer Länge umgebenden Achskörper (50) angeordnet ist, und

    dass die Länge des Dichtelements (70), gemessen parallel zur Rotationsachse (8) der Antriebswelle (30), mindestens anderthalb mal so groß ist wie die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Achskörpers (50) und dem Außendurchmesser der Antriebswelle (30) am Ort des Dichtelements (70).
  2. 2. Dichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (70) einteilig ist.
  3. 3. Dichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Dichtelements (70) mindestens um 5% aufweitbar ist.
  4. 4. Dichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (70) an der Antriebswelle (30) oder am Achskörper (50) radial form- und/oder kraftschlüssig befestigt ist.
  5. 5. Dichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (70) einen C-förmig aufgebauten Elastomerkörper (71) umfasst.
  6. 6. Dichtelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Abwicklung des Elastomerkörpers (71) mindestens der dreifachen Differenz des Innendurchmessers des Achskörpers (50) und des Außendurchmesser der Antriebswelle (30) am Ort des Dichtelements (70) entspricht.
  7. 7. Dichtelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Enden des Elastomerkörpers (71) annähernd übereinander liegen.
  8. 8. Dichtelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomerkörper (71) eine Membran (74) umfasst, deren Außenfläche (77) in Richtung des Hohlraumes (1) zeigt.
  9. 9. Dichtelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (70) eine mit einem Drall ausgeführte Dichtlippe (81) umfasst.






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