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Die Erfindung betrifft einen Führungsring für relativ zueinander Linearbewegungen durchführende Bauteile, vorzugsweise zur Führung von Kolben in Pneumatik- oder Hydraulikzylindern oder von Kolbenstangen in Lagerbüchsen, der in zumindest einem der Bauteile in eine vorzugsweise rechteckige Vertiefung (Nut) bzw. einen Einstich eingesetzt wird, und mit seiner Gleitfläche dem andern Bauteil zugewendet ist, wobei der Führungsring einen über seine Breite und zu den Schmalseiten des Führungsringes geneigt verlaufenden Schlitz aufweist.
Führungsringe dieser Art aus Kunststoff sind bekannt. Führungsringe aus Kunststoff bieten jedoch hinsichtlich ihrer Druck- und Temperaturbelastbarkeit, ihrer Verschliesseigenschaften und ihrer Medienbeständigkeit Nachteile. Man kann mit Führungsringen aus Kunststoff zwar in bezug auf einen der oben angeführten Parameter zufriedenstellende Ergebnisse erreichen, wenn man bei der Werkstoffauswahl sehr kritisch vorgeht, erhält allerdings keinesfalls einen Führungsring, der mehrere Parameter zufriedenstellend erfüllt.
Soferne Forderungen nach hoher Temperaturbeständigkeit, hoher Flächenpressung und besonderer Medienbeständigkeit gestellt werden, sind herkömmliche Führungsringe aus Kunststoff nicht einsetzbar. Überdies können mit derartigen Führungsringen die insbesondere bei Hydraulikzylindern auftretenden Probleme bezüglicht Haftreibung und Losbrechmoment nicht zufriedenstellend gelöst werden.
Wenn eine Mehrzahl von Anforderungen erfüllt werden soll, wird man derzeit diesen nur gerecht, wenn man die Führungen und Lager bzw. die Zylinderführungsflansche und den Kolben komplett aus Bronze, Bronzelegierungen oder speziellen Gusswerkstoffen herstellt ; bei grösseren Abmessungen der eingsetzten Bauteile werden die Gleit- bzw. Lagerflächen häufig mit Buntmetalllegierungen, z. B. durch Kalt- oder Warmspritzen, beschichtet. Diese Lösung bringt technisch zwar brauchbare Ergebnisse, ist jedoch wirtschaftlich nicht gut einzusetzen, da sie kostspielig ist und der Austausch verschlossener Einheiten aufwendig ist.
Aus der DE-PS Nr. 2320736 ist ferner ein Führungsring der eingangs genannten Art bekannt.
Ferner ist es aus der AT-PS Nr. 141755 bekannt, Gleitflächen aus Bronze herzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Führungsring insbesondere für hydraulische bzw. pneumatische Arbeitsmaschinen, z. B. Bagger, zu schaffen, welcher universell für höchste Flächenpressungen einsetzbar ist, kostenmässig günstig liegt und konstruktiv einfachst integriert werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Führungsring der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Führungsring oder eine an seiner Gleitfläche vorgesehene Schicht aus einer Buntmetallegierung, vorzugsweise CuSnP, CuAl Ni, oder einem andern einschlägigen Lagermetall, wie z. B. in bekannter Weise aus Bronze, hergestellt ist, wobei in der Gleitfläche des Führungsringes vorzugsweise kreisförmig oder oval begrenzte Vertiefungen ausgebildet sind, die 15 bis 40%, vorzugsweise 20 bis 30%, insbesondere 25%, der Gleitfläche bedecken.
Auf Grund der geschlitzten Ausbildung kann der Führungsring leicht in einen rechteckigen Einstich in der Bohrung eines Zylinders händisch eingeschnappt werden. Zur Kolbenführung wird der Führungsring über einen Kolben gezogen und in eine rechteckige Nut am Aussenumfang des Kolbens eingeschnappt. In beiden Fällen können die Führungsringe ohne besondere Hilfsmittel montiert und demontiert werden.
Die erfindungsgemässen Führungsringe aus Buntmetallegierungen bzw. Lagermetallen sind mit speziellen dem Einsatzzweck angepassten Oberflächencharakteristiken herstellbar. Sie sind in ihren Gestehungskosten billig und konstruktiv einfach integrierbar. Auf Grund des gewählten Materials besitzen sie einen niedrigen Reibungskoeffizienten, und es ist eine hohe Flächenpressung zulässig, sie sind über einen weiten Temperaturbereich einsetzbar und eine optimale Medienbeständigkeit ist gegeben. Überdies besitzen die Führungsringe gegenüber vollständig aus Bronze bzw. Lagermetallen oder Guss bestehenden Kolben wesentlich geringere Materialgewichte und sind wesentlich einfacher auszutauschen. Die Standzeiten der erfindungsgemässen Führungsringe sind jedoch mit den Standzeiten von voll aus Lagermetallen bzw.
Bronze bestehenden Kolben und Kolbenbuchsen vergleichbar ; gegenüber den Standzeiten von Kunststoffen ergibt sich eine Vervielfachung. Ferner wird auf Grund der Vertiefungen erreicht, dass im Ruhezustand der Ölfilm zwischen der Gleitfläche des Führungsringes und der Anlagefläche auf den Bauteilen nicht vollkommen ausgepresst wird.
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Die Führungsringe können homogen aus den erfindungsgemäss eingesetzten Materialien aufgebaut sein. Es kann aber auch auf ein Trägerband eine Schicht aus Bronze, einer Buntmetallegierung oder einem Lagermetall aufgebracht, z. B. aufgewalzt, aufgespritzt od. dgl., werden, welche Schicht die Gleitfläche ausbildet.
Ein gutes Einziehen eines sich auf den Bauteilen z. B. der Kolbeninnenfläche oder sich auf der Kolbenstange befindlichen Schmierfilmes wird erreicht, wenn zumindet eine der beiden Seitenkanten der Gleitfläche des Führungsringes gerundet ist, wobei vorzugsweise der Krümmungsradius der Kante (n) der halben Dicke des Führungsringes entspricht, oder wenn zumindest eine
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Zur Schonung der Einbauräume bzw. Vertiefungen, in welche die Führungsringe eingesetzt sind, bzw. zur Vermeidung eines Einschlagen der Seitenwände der Einbauräume ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass der Führungsring am Umfang entlang seiner Schmalseite in axialer Richtung gewellt ist, wobei über die Länge jeder Schmalseite zumindest zwei volle Wellenzüge ausgebildet sind. Vorteilhaft ist es hiebei, wenn im spannungsfreien Zustand des Führungsringes der Abstand-gemessen zwischen den Ebenen, die durch die aussenliegenden Scheitelpunkte der beidseitig gleichlaufend ausgebildeten Wellenzüge verlaufen - grösser ist als die Breite der für den Führungsring bestimmten Vertiefung (Nut), wobei diese Breite für die Vertiefung um 1 bis 10%, vorzugsweise 2 bis 6%, gegenüber der Breite geringer ist.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemässen Führungsringes, Fig. 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemässen Führungsring, Fig. 3 auf einem Kolben montierte Führungsringe, Fig. 4 in einer Stangenführung montierte Führungsringe, Fig. 5 die Oberfläche eines Führungsringes, Fig. 6 und 7 Details der auf der Oberfläche eines Führungsringes ausgebildeten Vertiefungen, Fig. 8 und 9 Schnitte durch einen Führungsring bzw. ein Band, aus dem ein Führungsring hergestellt wird, Fig. 10 einen eingesetzten Führungsring, Fig. 11 eine vergrösserte Ansicht gemäss Fig. 10 und Fig. 12 das Verhalten von Führungsringen beim Betriebsbeginn.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Führungsringes --1--, der in Fig. 2 im Schnitt dargestellt ist. Durch den kreisförmigen Führungsring --1-- verläuft ein Schlitz --2--, der zu den
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--33-- des Führungsringes --1-- geneigtFührungsringe--l-auch elliptische oder ovale Gestalt besitzen. Die Breite des Spaltes --2-wird abhängig vom Durchmesser des Führungsringes--1--gewählt, z. B. kann bei einem Durchmesser von 100 mm die Spaltbreite 5 mm und bei einem Durchmesser von 500 mm 20 mm betragen.
Das Querschnittprofil des Führungsringes ist vorzugsweise rechteckig, kann jedoch auch eine davon abweichende Form, z. B. quadratisch, trapezförmig, zeigen. Die Dicke d und die Breite b des Führungsringes--l-werden je nach Einsatzbedingungen gewählt. Prinzipiell sind Führungs- ringe --1-- mit beliebigen Abmessungen herstellbar, in der Praxis besitzen sie etwa 2 mm Wandstärke und Breiten von 6,10, 15 und 20 mm und können mit diesen Abmessungen nahezu an Stelle sämtlicher Führungsringe aus Kunststoff treten.
Fig. 3 zeigt einen Kolben --4--, welcher mit Führungsringen --1-- versehen ist, welche in Vertiefungen bzw. in Nuten --6-- eingeschnappt sind. Der Kolben --4-- ist in einer Zylinder- führung --7-- verschiebbar gelagert und mit Dichtungen --5-- abgedichtet. Fig. 4 zeigt eine Führung bzw. ein Lager --8-- für eine Stange --9--, wobei im Lager --8-- in Vertiefungen bzw. Nuten --6-- ein Führungsring --1-- eingelagert ist. Mit den Dichtungen --5-- wird die Stange--9--gedichtet.
Die erfindungsgemässen Führungsringe --1-- sind einfach in die Nuten bzw. in die La- ger --8-- bzw. Bohrungen --9-- einzuschnappen. Es ist lediglich ein geringes Aufbiegen des elastischen Führungsringes-l-notwendig, wobei die den Schlitz --2-- begrenzenden Enden
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len bei einem Durchmesser der Stange von 100 mm eine Seitenkraft bzw. Flächenpressung von 50000 N aufnehmen, müsste das Führungsband eine Breite von mindestens 25 mm haben, für den gleichen Einsatzfall ist ein erfindungsgemässer Führungsring --1-- mit 6 mm Breite ausreichend.
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Bei der Verwendung der erfindungsgemässen Führungsringe --1-- bedürfen die Oberflächen des Kolbens bzw. der Stangenführungsbohrung keiner besonderen Oberflächenbearbeitung. Bevorzugt
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werden, dass die erfindungsgemässen Führungsringe --1-- keine sonderliche axiale Fixierung erfordern.
Fig. 5 zeigt einen Führungsring --1--, in dessen Gleitfläche --1'-- Vertiefungen --10-- ausgebildet sind, die vorzugweise in zueinander gleichen Abständen angeordnet sind und kreisförmige, ovale, rautenförmige oder ähnliche Form aufweisen. Bevorzugt ist es, wenn die im Inneren gerundeten, flachen Vertiefungen --10-- eine Tiefe von 5 bis 40%, vorzugsweise 15 bis 30%, insbesondere 20%, der Dicke d des Führungsringes-l-und einen (mittleren) Durchmesser von dem 1- bis 6fachen, vorzugsweise 2- bis 4fachen, insbesondere 2- bis 3fachen, der Dicke des Führungsringes-l-besitzen. Diese Vertiefungen --10-- können in der Praxis eine Tiefe von zirka 0, 2 bis 0, 6 mm und einen Radius von etwa 3 bis 7 mm aufweisen.
Durch die Ausbildung
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Bewegung örtliche Schmierkeile ausbilden können, die beim Übergang vom Ruhezustand in die Bewegung des Führungsringes-l--eine rasche Zustandsveränderung von einer Festkörperreibung zu einer Flüssigkeitsreibung ermöglichen, womit das Losbrechmoment verringert wird. Dadurch werden auch nach langer Betriebszeit Reibung und Verschleiss äusserst niedrig gehalten und die Standzeit der Dichtung --5-- auf Grund der verbesserten Einsatzbedingungen erhöht.
Fig. 6 zeigt eine Detailansicht der Vertiefungen --10-- und Fig.7 einen Schnitt durch eine kreisförmig mit einem Radius von etwa 4 bis 6 mm gerundete Vertiefung --10-- gemäss Fig. 6.
Fig. 8 und 9 zeigen einen Schnitt quer durch das den Führungsring --1-- bildende Band.
Man erkennt, dass die Seitenfläche --3-- des Bandes bzw. die Seitenkanten --11, 12-- der Gleitfläche --1'-- speziell ausgestaltet sind. Um ein gutes Einziehen des Schmierfilmes während des Betriebes bzw. zu Betriebsbeginn zu ermöglichen, werden die Seitenkanten --11-- der Führungs- ringe --1-- gemäss Fig. 8 abgerundet bzw. vorzugsweise mit einem Radius R versehen oder gemäss Fig. 9 werden die Seitenkanten --12-- mit einer Anfasung versehen, wobei der Fasenwinkel etwa 10 bis 20 , vorzugsweise 15 , betragen kann.
Auf Grund dieser Kantenausbildung, der relativ glatten Gleitflächen, der Werkstoffauswahl und der speziellen Gleitflächengestaltung wird erreicht, dass sich trotz der Schlitze --2-- im Umfang der Führungsringe-l-durch hydrodynamischen Effekt ein vollkommener Schmierfilm aufbauen kann. Dieser hydrodynamische Effekt bedingt gleichzeitig eine Zentrierung der Hydraulikkomponenten z. B. des Kolbens --4-- in bezug auf den Zylinder, so dass eine Linearbewegung eingeleitet wird, die von Vorteil für die Dichtungen --5-ist, da im Betriebszustand die Bauteile zueinander zentriert sind. Ein Zustand, der in Hinblick auf eine gute Abdichtung mit den Dichtungen --5-- ebenfalls sehr wünschenswert ist.
Fig. 12 zeigt das Aufschwimmen des Führungsringes --1-- auf einem Ölfilm --13--, wenn der Führungsring-l-in Richtung des Pfeils 15 bewegt wird.
Fig. 10 und 11 zeigen einen in eine Vertiefung --6-- eingesetzten Führungsring --1--, der beidseitig längs seines Umfanges mit gleichlaufenden Wellungen versehen ist, deren Amplituden --14-- an die Seitenwände der Vertiefung bzw. Nut --6-- elastisch federnd anliegen. Bei Verwendung von Führungsringen --1-- für Einsätze mit hoher Bewegungsfrequenz, insbesondere ab zirka 25 Hz, besteht die Gefahr, dass sich die herkömmlichen Führungselemente in die Seitenwände der Einbauräume bzw. Vertiefungen --6-- einschlagen bzw. diese beschädigen, womit ein frühzeitiger Verschleiss der Bauteile bedingt wird.
Auf Grund der axialwelligen Ausführung des erfindungsgemässen Führungsringes --1-wird ein derartiges Einschlagen vermieden ; der Führungsring-l-wird elastisch abgefedert abwechselnd an die eine und an die andere Seitenwand der Vertiefung --6-- angedrückt, wodurch der Wucht von Stössen bei hoher Frequenz entgegengewirkt wird. Im Betrieb erfolgt auch bei
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hohen Frequenzen eine Verlagerung der Führungsringe in den Einbauräumen nicht mehr schlag- artig, sondern gleichmässig elastisch. Eine Beschädigung durch Kavitation und Stauchung der Seitenwände sowie der Ringe wird vermieden.
Die dazu notwendige Vorspannung der Führungsringe wird dadurch erreicht, dass der in Fig. 10 angedeutete Abstand bu zwischen zwei Wellenbergen --14-- auf gegenüberliegenden Schmalseiten --3-- bei nichteingespanntem Führungsring --1-- grösser bemessen ist als die Breite b" der Nut --6--. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass der Abstand b'gemessen zwischen Ebenen durch die aussenliegenden Scheitelpunkte --12-- der beidseitig gleichlaufend ausgebildeten Wellenzüge bei nichteingespanntem Führungsring grösser ist als die Breite b" der für den Führungsring--l-bestimmten Vertiefung (Nut), wobei gegebenenfalls diese Breite b" um 1 bis 10%, vorzugsweise 2 bis 6%, überschritten wird.
Für den Einbau der Ringe --1-- ist zwar ein mässiger Kraftaufwand erforderlich, der sich jedoch in Grenzen hält, weil die Führungsringe --1-- quer zu ihrer Umfangsrichtung relativ leicht elastisch verbiegbar sind. Die Anzahl der Wellen hängt vom Durchmesser des Führungsringes --1-- ab ; auch bei kleinstem Durchmesser müssen jedoch zumindest vier Wellen vorgesehen werden, so dass eine Anlage des Führungsringes --1-- zumindest an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen an den Wänden des Einbauraumes --6-- erfolgen kann, um eine stabile Ausgangslage des Führungsringes-l-zu gewährleisten.
Auf Grund der speziellen Materialwahl können die Führungsringe --1-- sehr hohen Belastungen ausgesetzt werden. Zum Beispiel beträgt die Flächenpressung für Polyoxymethylankunststoffe 30 n/mm2, für Polytetrafluoräthylen 25 N/mm2, für glasfaserverstärktes Polyamid 45 N/mm2.
Für Phenolharzgewebe 90 zur Schichtung beträgt die zulässige Flächenpressung 320 N/mm2, jedoch parallel zur Schichtung maximal 90 N/mm2. Die erfindungsgemässen Führungsringe-1-- lassen Flächenpressungen bis 370 N/mm2 ohne irgendeine nachteilige Beeinflussung ihrer Eigenschaften zu.
Ferner können die erfindungsgemässen Führungsringe von Temperaturen von-80 bis über +270 C eingesetzt werden. Führungsringe aus Polyoxymethylan oder Polyamid können nur in Temperaturbereichen von-30 bis 100 C, Führungsringe aus Polytetrafluoräthylen in Bereichen von-60 bis +260 C, wobei jedoch die geringe, oben erwähnte Flächenpressung zu berücksichtigen ist, und Phenolharzgewebe im Bereich von -40 bis +130 C eingesetzt werden.
Zu bemerken ist ferner, dass Führungsringe --1-- aus Kunststoff gegenüber Aceton, Ammoniak, Essigsäure, Natriumcarbonat, Salzsäure, Schwefelsäure, Trichloräthylen usw. nicht beständig sind, während der erfindungsgemässe Führungsring --1-- für diese Medien ohne Schwierigkeiten einsetzbar ist.
Die Herstellung der Ringe --1-- erfolgt bei kleinem Durchmesser aus Rohren, welche entsprechend weiter zerteilt und bearbeitet werden ; bei grösseren Durchmessern erfolgt die Herstellung aus kalibrierten, oberflächenbehandelten Blechbändern, welche an den Enden unter 45 schräg geschnitten werden und danach in einem speziellen Verfahrensschnitt kreisrund eingerollt werden.
Der Winkel ss, in dem der Schlitz --2-- zu den Seitenkanten 12--geneigt ist, beträgt vorteilhafterweise 45 , kann jedoch nach Bedarf auch anders gewählt werden.
Die Dicke d der erfindungsgemässen Führungsringe wird je nach Einsatzzweck gewählt und beträgt etwa 1 bis 3 mm ; die Breite b beträgt etwa 3 bis 50 mm. Die Durchmesser können zwischen 10 und 3000 mm variiert werden.
Die Gleiteigenschaften der erfindungsgemässen Führungsringe --1-- können noch verbessert werden, wenn auf ihrer Gleitfläche eine Schicht aus Teflon ausgebildet wird.
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