DE102008024163B4

DE102008024163B4 - Verbundkolben für ein Kraftfahrzeuggetriebe

Info

Publication number: DE102008024163B4
Application number: DE102008024163.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schmidt Henning
Original assignee: Bruss Sealing Systems GmbH
Current assignee: Bruss Sealing Systems GmbH
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2021-07-01
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: US20090282972A1; DE102008024163A1

Abstract

Verbundkolben (10) für ein Kraftfahrzeuggetriebe, umfassend einen Stützkörper (14) und mindestens eine Ringdichtung mit einer elastomeren Dichtlippe (16, 17), die mit einem eine zylindrische Lauffläche (21, 23) ausbildenden Bauteil (11, 12) dichtend zusammenwirkt, wobei der Verbundkolben (10) relativ zu dem die zylindrische Lauffläche ausbildenden Bauteil (11, 12) translatorisch verschiebbar ist, wobei die Ringdichtung einen zu der Dichtlippe (16, 17) axial versetzten, auf der Niederdruckseite (19) der Dichtlippe (16, 17) angeordneten elastomeren Ringwulst (20, 22) aufweist, dessen Abstand d1, d2 von der Lauffläche (21, 23) im unbelasteten Zustand größer oder gleich Null beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ringwulst (20, 22) mindestens eine axiale Unterbrechung (24, 25) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundkolben für ein Kraftfahrzeuggetriebe mit einem Stützkörper und mindestens einer damit verbundenen Ringdichtung mit einer elastomeren Dichtlippe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Derartige pneumatische oder hydraulisch betätigte Verbundkolben werden beispielsweise in automatisierten Fahrzeuggetrieben, insbesondere zum Schalten Lamellenkupplungen oder Bremsbändern, sowie in hydraulisch oder pneumatisch betätigten Servoeinrichtungen von Kraftfahrzeugen eingesetzt.
Verbundkolben gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sind aus DE 199 15 022 B4 und DE 202 09 125 U1 bekannt. Der am Ringspalt auftretende Druckanteil wird dabei über die Ringdichtungen als Axialkraft auf den Kolben übertragen. Diese Axialkraft muss auf geeignete Weise am Kolben abgestützt werden, wobei bei üblichen Drücken die mechanische Belastbarkeit einer elastomeren Dichtung überschritten werden kann, wenn nicht konstruktiv sehr sorgfältig ausgelegt wird. Bereits bei der Montage eines solchen Kolbens kann es zu einer exzentrischen Verlagerung kommen, da die Rückstellkraft der Dichtlippen nicht immer zu einer vollständigen Zentrierung des Kolbens insbesondere im vorgespannten Zustand ausreicht.
Bei rotierenden Anwendungen reicht die Rückstellkraft der Dichtlippen nicht aus, um die auftretenden Fliehkräfte zu kompensieren, so dass der Kolben an die Lauffläche anliegt. Die daraus resultierende Exzentrizität bewirkt, dass der Dichtspalt auf einer Seite den doppelten Wert annehmen kann, was die mechanische Belastbarkeit der Dichtlippe stark reduziert. Bei Überlastung kann die Dichtlippe unter Umständen abreißen, so dass die Kolbenfunktion nicht mehr gewährleistet ist. Eine einwandfreie Zentrierung des Kolbens ist daher auch bei hohen Umdrehungszahlen, wie sie beispielsweise in Getrieben häufig auftreten, Voraussetzung für seine Funktion.
Aber auch bei nicht rotierenden Anwendungen ist es unter Umständen nicht zulässig, dass das Eigengewicht des Kolbens über die Dichtlippen übertragen wird, z.B. wenn sich durch hohes Eigengewicht des Kolbens ein unzulässiger Mittenversatz einstellen würde.
Die DE 37 10 403 A1 offenbart einen Komplettkolben insbesondere zur doppelseitigen Druckbeaufschlagung durch pneumatische Medien mit einem an eine Kolbenstange anmontierten Einspannflansch und einem am Einspannflansch befestigten Abdichtteil, der mit wenigstens einer Dichtlippe an der Innenwand eines den Kolben verschieblich aufnehmenden Zylinders abdichtend anliegt.
Die US 2 386 668 A offenbart einen Kolben mit einer Metallscheibe, an die im Umfangsbereich ein Ringelement aus einem Gummimaterial angebunden ist.
Die DE 10 2007 024 522 A1 offenbart eine Verbundkolbeneinheit für ein automatisiertes Fahrzeuggetriebe.
Die US 2 994 571 A offenbart eine Dichtungsanordnung mit einem an einen metallischen Stützkörper anvulkanisiertes Dichtelement zur Abdichtung eines Kolbens gegen eine zylindrische Gehäusewand.
Die DE 103 08 216 A1 offenbart einen Verbundkolben für ein automatisiertes Schaltgetriebe, wobei in einer an der Druckseite des Verbundkolbens angeordneten Dichtwulst ein Leckagekanal vorgesehen ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen funktionssicheren Verbundkolben bereitzustellen, bei dem eine übermäßige Belastung der Dichtlippe aufgrund eines zu großen Mittenversatzes des Kolbens vermieden wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Mitteln von Anspruch 1. Unter radialer Belastung kommt der Ringwulst in Kontakt mit der Lauffläche und die Dichtlippe wird infolge des Einleitens von Kräften über den Ringwulst in die Lauffläche mechanisch entlastet. Die Erfindung nimmt eine Funktionstrennung durch vollständige Entkopplung des Dichtelements von dem Führungselement vor: Der Ringwulst dient zum Aufnehmen der vom Kolben hervorgerufenen radialen Kräfte und zum Einleiten derselben in die Lauffläche, so dass die Flexibilität der Dichtlippe nicht beeinträchtigt wird und daher die Dichtfunktion optimal gewährleistet ist. Bereits in der Montage wird daher durch den erfindungsgemäßen Ringwulst eine optimale Zentrierung des Kolbens erreicht.
Bei in rotierenden Bauteilen eingesetzten Kolben hilft der Ringwulst, einen aufgrund der Unwucht des Kolbens erzeugten Mittenversatz zu reduzieren.
Vorzugsweise ist der Ringwulst über seine gesamte axiale Länge an dem Stützkörper radial abgestützt, damit der Ringwulst von dem Kolben ausgeübten radialen Kräfte im Wesentlich vollständig aufnehmen und ableiten kann. Hierdurch unterscheidet sich der Ringwulst von einer zusätzlichen Dicht- oder Schutzlippe.
Erfindungsgemäß ist in dem auf der Niederdruckseite der Dichtlippe angeordneten Ringwulst mindestens eine axiale Unterbrechung, vorzugsweise eine Mehrzahl von insbesondere gleichmäßig über den Umfang verteilten axialen Unterbrechungen vorgesehen. Diese lassen Öl auch von der Niederdruckseite an die Dichtung gelangen, um eine Behinderung der Schmierung der Dichtlippe durch den Wulst zu vermeiden. Durch die Unterbrechung wird zudem die Gefahr eines Kolbenklemmens reduziert, weil zusätzliches Volumen geschaffen wird, in welches das Elastomer bei Bedarf, beispielsweise bei übermäßiger Quellung, ausweichen kann.
Vorzugsweise ist der Ringwulst so ausgeführt, dass es unter Druckbelastung zu einer radialen Verformung kommt. Dadurch gelangt der Ringwulst eher in Kontakt mit der Lauffläche und der mögliche Mittenversatz des Kolbens wird weiter reduziert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:

1: einen Teillängsschnitt durch einen Verbundkolben;
2: eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Verbundkolben aus einer Richtung senkrecht zur Mittelachse;
3: eine Querschnittsansicht aus einer Richtung parallel zur Mittelachse auf einen erfindungsgemäßen Verbundkolben; und
4: eine Querschnittsansicht aus einer Richtung parallel zur Mittelachse auf einen erfindungsgemäßen Verbundkolben in einer anderen Ausführungsform.

Der in 1 gezeigte Verbundkolben 10 ist zwischen einem Zylinder 11 und einem Schaft 12 translatorisch entlang der Mittelachse 13 verschiebbar. Der Verbundkolben ist ringförmig um die Mittelachse 13 von Zylinder 11 und Schaft 12 ausgebildet. Der Verbundkolben 10 umfasst einen ringförmigen Stützkörper 14 beispielsweise mit U-Profil, wie aus 1 ersichtlich ist. Der Stützkörper 14 kann metallisch, insbesondere aus Stahlblech, oder aus einem Kunststoff gefertigt sein. Der Verbundkolben 10 besteht vorteilhafterweise aus lediglich zwei Komponenten, nämlich dem einheitlichen bzw. einstückigen Stützkörper 14 und der einheitlichen bzw. einstückigen, an den Stützkörper 14 anvulkanisierten Elastomerschicht 15. Die Dicke der Gummischicht 15 liegt im Bereich einiger 1/10 mm.
An der Außenseite des U-Profils ist die einheitliche Elastomerschicht 15 an den Stützkörper 14 anvulkanisiert. Die Elastomerschicht 15 bildet eine äußere ringförmige Dichtlippe 16 zur Abdichtung des Ringspalts zwischen dem Zylinder 11 und dem Außendurchmesser des Verbundkolbens 10 und eine innere ringförmige Dichtlippe 17 zur Abdichtung des Ringspalts zwischen dem Schaft 12 und dem Innendurchmesser des Verbundkolbens 10 aus. Beaufschlagung des Verbundkolbens 10 mit einem hydraulischen oder pneumatischen Druck auf der Druckseite 18 verursacht aufgrund dieser Abdichtung eine translatorische Verschiebung des Verbundkolbens 10 zur Niederdruckseite 19 hin.
Auf der Niederdruckseite der Dichtlippe 16 in einem Abstand 11 bildet die Elastomerschicht 14 einen Ringwulst 20 aus. Der Ringwulst 20 weist eine zylindrische Kontaktfläche 26 zum Zusammenwirken mit der Lauffläche 21 auf, die einen geringen Abstand d1 von der zylindrischen Innenfläche 21 des Bauteils 11 aufweist. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Ringwulst 20 über seine volle axiale Länge L1 ohne freien Zwischenraum von dem Stützkörper 14 radial abgestützt. Beim Auftreten eines Mittenversatzes des Verbundkolbens 10 relativ zu dem Zylinderbauteil 11 stößt der Ringwulst 20 an der Lauffläche 21 an und leitet mit die den Mittenversatz erzeugenden radialen Kräfte in das Bauteil 11 ein, wodurch der Mittenversatz etwa auf den Abstand d1 begrenzt ist. Dies bedeutet eine erheblich Verbesserung im Vergleich zum Stand der Technik ohne den Ringwulst 20, wo Mittenversatz des Stellkolbens 10 etwa bis zu der Weite D1 bzw. D2 des Ringspalts zwischen der Elastomerschicht 14 und der Lauffläche 21 des Zylinderbauteils 11 möglich ist, wodurch die Dichtlippe 16 erheblichen Belastungen ausgesetzt ist und die Dichtfunktion beeinträchtigt sein kann.
Der Abstand 11 liegt vorzugsweise im Bereich von 1 mm bis 10 mm, weiter vorzugsweise im Bereich von 1 mm bis 4 mm und beträgt beispielsweise 2.5 mm. Der Abstand d1 beträgt vorzugsweise weniger als 0.4 mm, weiter vorzugsweise weniger als 0.3 mm, beispielsweise etwa 0.2 mm. Die axiale Länge L1 des Ringwulstes 20 liegt vorzugsweise im Bereich von 1 mm bis 10 mm, weiter vorzugsweise im Bereich von 1 mm bis 3 mm. Die radiale Höhe h1 des Ringwulstes 20 über der Elastomerschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 0.1 mm bis 1 mm, weiter vorzugsweise im Bereich von 0.1 mm bis 0.4 mm und beträgt beispielsweise etwa 0.2 mm. Die Tiefe t1 der zwischen der Dichtlippe 16 und dem Ringwulst 20 gebildeten Vertiefung 21 beträgt vorzugsweise mindestens 0.1 mm.
Auf der Niederdruckseite der Dichtlippe 17 in einem Abstand 12 bildet die Elastomerschicht einen gleichartigen Ringwulst 22 aus, der einen geringen Abstand d2 von der zylindrischen Außenfläche bzw. Lauffläche 23 des Bauteils 11 aufweist. Das bezüglich des äußeren Ringwulstes 20, insbesondere zu den Abmessungen d1, D1, 11, L1, h1 und t1, Gesagte gilt gleichermaßen für den inneren Ringwulst 22 und die entsprechenden Abmessungen d2, D2, I2, L2, h2 und t2.
In den Ringwulsten 20, 22 sind axiale Unterbrechungen 24 bzw. 25 vorgesehen, die vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Verbundkolbens 10 verteilt sind, wie aus 2 und 3 ersichtlich ist. Die Unterbrechungen 24, 25 lassen Öl von der der Niederdruckseite 19 des Verbundkolbens 10 an die Dichtlippen 16, 17 gelangen, um eine Behinderung der Schmierung durch die Ringwulste 20, 22 zu vermeiden. Das Verhältnis der Breite s1 der Unterbrechung 24 zu der Breite w1 des Ringwulstes liegt vorzugsweise im Bereich von 1:1 bis 1:20, weiter vorzugsweise im Bereich von 1:5 bis 1:10. Gleiches gilt für das entsprechende Verhältnis von s2 zu w2 der Unterbrechungen 25 in dem inneren Ringwulst 22.
Die Einheit aus Verbundkolben 10 und zylindrischem Gehäuse 11 bzw. Schaft 12 kann insgesamt rotierend ausgebildet sein. In einer derartigen Anwendung helfen die Ringwulste 20, 22, einen aufgrund der Unwucht des Kolbens 10 erzeugten Mittenversatz zu reduzieren. Die Einheit aus Verbundkolben 10 und zylindrischem Gehäuse 11 bzw. Schaft 12 kann in einer anderen Anwendung nicht-rotierend ausgebildet sein.
Bei der in 4 gezeigten bevorzugten Ausführungsform sind die Ringwülste 20, 22 entlang des Kolbenumfangs sinusförmig ausgebildet. Hierbei ergeben sich folgende Vorteile. Das Werkzeug kann bei einer sinusförmigen Kontur des Ringwulstes 20, 22 ohne Umspannen in einer einzigen Einspannung verwendet werden. Zudem verläuft die Weg-Rückstellkraft-Kennlinie progressiv. Schließlich kann sich bei einer möglichen Relativbewegung des Kolbens in Umfangsrichtung gegenüber dem Schaft 12 bzw. dem Zylinder 11 ein elasto-hydrodynamischer Ölschmierfilm ausbilden.

Claims

Verbundkolben (10) für ein Kraftfahrzeuggetriebe, umfassend einen Stützkörper (14) und mindestens eine Ringdichtung mit einer elastomeren Dichtlippe (16, 17), die mit einem eine zylindrische Lauffläche (21, 23) ausbildenden Bauteil (11, 12) dichtend zusammenwirkt, wobei der Verbundkolben (10) relativ zu dem die zylindrische Lauffläche ausbildenden Bauteil (11, 12) translatorisch verschiebbar ist, wobei die Ringdichtung einen zu der Dichtlippe (16, 17) axial versetzten, auf der Niederdruckseite (19) der Dichtlippe (16, 17) angeordneten elastomeren Ringwulst (20, 22) aufweist, dessen Abstand d1, d2 von der Lauffläche (21, 23) im unbelasteten Zustand größer oder gleich Null beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ringwulst (20, 22) mindestens eine axiale Unterbrechung (24, 25) vorgesehen ist.
Verbundkolben nach Anspruch 1, wobei der Ringwulst (20, 22) an dem Stützkörper (14, 15) radial abgestützt ist.
Verbundkolben nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Abstand d1, d2 zwischen Ringwulst (20, 22) und Lauffläche (21, 23) kleiner als 0.4 mm, vorzugsweise kleiner als 0.3 mm ist.
Verbundkolben nach Anspruch 1, wobei in dem Ringwulst (20, 22) eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten axialen Unterbrechungen (24, 25) vorgesehen ist.
Verbundkolben nach Anspruch 1 oder 4, wobei die Umfangslänge s1, s2 der Unterbrechung (24, 25) im Verhältnis zur Umfangslänge w1, w2 des Ringwulstes (20, 22) im Bereich von 1:1 bis 1:20, vorzugsweise im Bereich von 1:5 bis 1:10 liegt.
Verbundkolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die axiale Erstreckung L1, L2 des Ringwulstes (20, 22) größer oder gleich 1 mm ist.
Verbundkolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die axiale Erstreckung L1, L2 des Ringwulstes (20, 22) kleiner oder gleich 10 mm ist.
Verbundkolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ringwulst (20, 22) eine zylindrische Kontaktfläche (26, 27) zum Zusammenwirken mit der Lauffläche (21, 23) aufweist.
Verbundkolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Abstand 11, 12 zwischen Dichtlippe (16, 17) und Ringwulst (20, 22) höchstens 10 mm, vorzugsweise höchstens 4 mm beträgt.
Verbundkolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ringwulst (20, 22) entlang des Kolbenumfangs sinusförmig ausgebildet ist.
Verbundkolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elastomere Ringdichtung an den Stützkörper (14) anvulkanisiert ist.
Verbundkolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sämtliche Ringdichtungen von einer einheitlichen Elastomerschicht (15) gebildet sind.
Verbundkolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Stützkörper (14) metallisch ist.
Verbundkolben nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einheit aus Verbundkolben (10) und Lauffläche ausbildendem Bauteil (11; 12) rotierend ist.
Verbundkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Einheit aus Verbundkolben (10) und Lauffläche ausbildendem Bauteil (11; 12) nicht-rotierend ist.