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Die
Erfindung betrifft ein System zum Abdichten eines in einer Zylinderbohrung
geführten Kolbens.
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In
vielen Arbeitsmaschinen kommen zur Betätigung von bewegbaren
Elementen hydrostatische Kolbenmaschinen zum Einsatz. Aber auch
bei Fahrantrieben werden hydrostatische Antriebe häufig
eingesetzt, da so stufenlos verstellbare Getriebe einfach realisierbar
sind. Die auftretenden Drücke sind erheblich. Bereits kleine
Leckagespalte führen daher zu großen Wirkungsgradverlusten.
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Es
ist zur Verbesserung des Wirkungsgrads daher bekannt, die Kolben,
die beispielsweise bei einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine
in Zylinderbohrungen einer Zylindertrommel längsverschieblich
angeordnet sind, mittels Kolbenringen zu dichten. Ein entsprechend
ausgebildeter Kolben ist aus der
DE 10 2004 061 863 A1 bekannt. Zur Montage der
Kolbenringe werden die geschlitzt ausgeführten Kolbenringe
geringfügig aufgeweitet, um sie so in eine Nut des Kolbens
einsetzen zu können. Die Kolbenringe sind leicht federelastisch
und legen sich nach dem Einsetzen in die Zylinderbohrung an die Wand
der Zylinderbohrung an. Abhängig von der Fertigungsgenauigkeit,
den auftretenden Temperatur- und Druckverhältnissen ist
dabei der Schlitz des Kolbenrings mehr oder weniger weit geöffnet.
Um die aufgrund der hohen auftretenden Drücke entstehende
Leckage durch den Schlitz gering zu halten ist in der Regel, wie
auch in der
DE
10 2004 061 863 A1 , ein zweiter Kolbenring vorgesehen.
Dessen Schlitz ist üblicherweise gegenüber der
Position des Schlitzes des anderen Kolbenrings versetzt. Es entsteht daher
eine Art Labyrinthdichtung, die jedoch einen erheblichen Fertigungsaufwand
mit sich bringt. Nachteilig ist zum einen, dass zwei unabhängig
voneinander ausgebildete Nuten am äußeren Umfang des
Kolbens angeordnet sein müssen. Zudem sind zwei Kolbenringe
vorzusehen, die zur Verbesserung der Effektivität meist
auch noch unterschiedliche Profile aufweisen. Die Verwendung von
Gleichteilen ist somit kaum möglich. Mit zunehmendem Einlaufen
in die Zylinderwand kommt es außerdem während
des Betriebs zu einer Aufweitung des Schlitzes, so dass der entstehende
Leckageweg sich stets vergrößert.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein gegenüber der
bekannten Anordnung mit mehreren geschlitzten Kolbenringen verbessertes
System zu schaffen, bei dem der Wirkungsgradverlust aufgrund von
Leckage verringert ist.
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Die
Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße System
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Gemäß der
Erfindung weist das System zum Abdichten eines in einer Zylinderbohrung
geführten Kolbens einen Kolben und einen Kolbenring auf.
Der Kolbenring ist zur axialen Arretierung in eine am Außenumfang
des Kolbens eingebrachte Ausnehmung eingesetzt. Erfindungsgemäß weist
der Kolbenring einen geschlossen ringförmigen Arretierungsabschnitt
auf, wobei an dessen äußerem Umfang ein sich in
axialer Richtung erstreckender Dichtabschnitt angeordnet ist. Durch
eine solche Ausbildung wird die Funktion der Arretierung des Kolbenrings
an dem Kolben von seiner Dichtfunktion entkoppelt. Dadurch kann
der Dichtabschnitt geschlossen, also ungeschlitzt, ausgeführt
sein. Der Dichtabschnitt erfährt aufgrund des Druckunterschieds
zu beiden Seiten der Dichtung eine Kraft, die ihn in Richtung auf
die Zylinderwand zu beaufschlagt. Dies führt zu einer elastischen
Aufweitung des Kolbenrings im Bereich des sich in axialer Richtung
erstreckenden Dichtabschnitts. Davon entkoppelt ist ein Arretierungsabschnitt
an dem Kolbenring ausgebildet. Dieser sorgt für eine sichere
Befestigung des Kolbenrings an dem Kolben. Da sich aufgrund des
in dem Zylinderraum herrschenden Drucks der Dichtabschnitt elastisch verformt
und so zum Abdichten des Zylinderraums an die Zylinderwand anlegt,
ist ein Schlitzen des Kolbenrings nicht erforderlich. Der Kolbenring
ist daher insgesamt geschlossen ringförmig.
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Die
Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Systems.
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Insbesondere
ist eine Wandstärke des sich in axialer Richtung erstreckenden
Dichtabschnitts kleiner als eine radiale Erstreckung des Arretierungsabschnitts.
Dies hat zur Folge, dass der Arretierungsabschnitt zur sicheren
Fixierung relativ weit in eine Nut, die am Außenumfang
des Kolbens angeordnet ist, eingreifen kann und gleichzeitig der
sich in axialer Richtung erstreckende Dichtabschnitt ausreichend dünn
gewählt werden kann, so dass eine elastische Verformung
möglich ist. Im Unterschied zu herkömmlichen Kolbendichtringen,
in denen der Arretierungsabschnitt und der Dichtabschnitt jeweils
durch den gesamten Querschnitt des Kolbenrings gebildet werden,
ist somit eine Entkopplung der Funktionalität des Arretierungsabschnitts
von der Dichtwirkung möglich.
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Dabei
ist vorzugsweise eine im Bezug auf eine Symmetrieachse des Kolbens
und damit auch des Kolbenrings nach außen gerichtete Dichtfläche an
dem Dichtabschnitt in axialer Richtung gekrümmt. Es ergibt
sich somit eine leicht ballige Außenkontur, so dass diese
Dichtfläche unabhängig von ihrem jeweils elastischen
Verformungszustand jeweils tangential an der Zylinderwand anliegt.
Eine solche gekrümmte Ausführung reduziert den
Verschleiß, der andernfalls aufgrund der Verformung ergehen
könnte. Ferner wird jeweils die engste Stelle zwischen dem
Kolbenring und der Zylinderwand so im Bereich des Dichtabschnitts
liegen, dass der Druckunterschied eine in Richtung auf die Zylinderwand
zugerichtete Kraft an dem Dichtabschnitt erzeugen kann.
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Der
Kolbenring weist vorzugsweise ein im Wesentlichen U-förmiges
Profil auf. Durch ein solches U-förmiges Profil wird gewährleistet,
dass nicht nur für den am äußeren Umfangsrand
angeordneten Dichtabschnitt eine ausreichende axiale Länge
zur Verfügung steht, um die Druckverhältnisse
vorteilhaft ausnützen zu können, sondern dass
auch auf der davon abgewandten inneren Seite, die durch den zweiten
Schenkel des U-förmigen Profils gebildet wird, eine Höhe
zur Verfügung steht, die eine Aufnahme in eine Ausnehmung
des Kolbens ermöglicht. Übertrieben schmale Nuten
am Außenumfang des Kolbens werden somit vermieden und die
Produktionskosten können so gering gehalten werden.
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Dabei
ist es besonders bevorzugt, wenn der in radialer Richtung gesehen
innere Schenkel des U-förmigen Profils eine geringere Ausdehnung
in axialer Richtung aufweist als der den Dichtabschnitt bildende äußere
Schenkel. Dadurch wird erreicht, dass auch bei einer Anordnung des
Kolbenrings nahe der Kolbenfläche des Kolbens die Ausnehmung
als Nut so in den Kolben eingebracht werden kann, dass zwar in axialer
Richtung der äußere Schenkel bis nahe der Kolbenfläche
angeordnet sein kann, andererseits aber die Nut in dem Kolben so
eingebracht werden kann, dass eine sichere Fixierung des Kolbenrings
möglich ist. Insbesondere ist es außerdem bevorzugt,
dass der innere Schenkel an seinem freien Ende einen geringeren
Abstand von der Symmetrieachse aufweist als an seinem mit dem äußeren Schenkel
verbundenen Ende. Dies kann insbesondere dazu genutzt werden, eine
Schnappverbindung zwischen dem Kolben und dem Kolbenring, dessen offene
Seite des U-förmigen Profils zu der den höheren
Druck führenden Seite zeigt, auszubilden. Während
des Aufsetzens auf den Kolben verformt sich der innere Schenkel
durch eine Aufweitung in radialer Richtung nach außen bis
der Kolbenring vollständig in der Nut angeordnet ist. Aufgrund
der konischen Anordnung des inneren Schenkels wird somit eine sichere
Arretierung des Kolbenrings erreicht.
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Vorzugsweise
ist auch der Kolben so ausgebildet, dass eine solche Schnappvorrichtung
zusammen mit dem Kolbenring gebildet wird. Insbesondere ist es hierzu
vorgesehen, dass der Arretierungsabschnitt in eine Nut des Kolbens
eingesetzt ist, wobei die radiale Ausdehnung des Kolbens auf derjenigen Seite
der Nut, in die der Dichtabschnitt gerichtet ist, kleiner als auf
der anderen Seite ist. Der Kolbenring ist damit so an dem Kolben
angeordnet, dass die Innenseiten der U-förmigen Geometrie
im Wesentlichen direkt mit dem zu dichtenden Kolbenraum verbunden
ist. Damit wird gleichzeitig gewährleistet, dass der auf
der Innenseite an dem in axialer Richtung sich erstreckenden Dichtabschnitt
wirkende Druck gleich dem Druck in der Zylinderbohrung ist. Ein
Druckverlust über einen geringen Spalt, der bereits durch
den Kolben selbst erzeugt wird, wird damit vermieden und so die
Funktion des elastischen Aufweitens sichergestellt.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt
und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine Übersichtsdarstellung
eines in einer Zylinderbohrung angeordneten Kolbens; und
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2 eine
vergrößerte Darstellung im Ausschnitt II zur Verdeutlichung
der Details.
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Die
Funktionsweise von hydrostatischen Kolbenmaschinen ist allgemein
bekannt, so dass hier auf deren Aufbau nicht näher eingegangen
werden muss. Die 1 zeigt lediglich einen Ausschnitt
zur Verdeutlichung des dichtenden Abschnitts des Kolbens in einer
Zylinderbohrung. Das System zur Abdichtung umfasst einen Kolben 2,
der in einer Zylinderbohrung 3 längsverschieblich
geführt ist. Zur Vermeidung von Wirkungsgradverlusten muss
eine Abdichtung zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung vorgesehen
werden. Die Zylinderbohrung 3 ist beispielsweise in eine
Zylindertrommel 4 im Falle einer hydrostatischen Axialkolbenmaschine
eingebracht. Der in der 1 rechts vom Kolben 2 ausgebildete
Zylinderraum ist über eine Öffnung 5 in
bekannter Weise zeitweilig mit einem Hochdruck- oder Niederdruckanschluss
der Axialkolbenmaschine verbunden. Der Kolben 2 weist zur
Befestigung an einem Gleitschuh einen Kugelkopf 6 auf.
An seinem davon abgewandten Ende ist eine Kolbenfläche 7 ausgebildet,
die den Zylinderraum begrenzt. Der Kolben 2 ist rotationssymmetrisch
zu einer Symmetrieachse 8. An dem zur Kolbenfläche 7 hin
gewandten Ende des Kolbens 2 ist eine Dichtungsanordnung vorgesehen,
die nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 detailliert
erläutert wird.
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Die
vergrößerte Darstellung der 2 zeigt erneut
den Kolben 2, der gegenüber einer Zylinderwand 3 dichtend
geführt ist. Der Kolbenring 9 ist im wesentlichen
als geschlossener Ring ausgeführt und weist ein in der 2 gut
erkennbares U-förmiges Profil auf. An dem Kolbenring 9 ist
ein Arretierungsabschnitt 10 ausgebildet, welcher den Kolbenring 9 in einer
Ausnehmung 15 des Kolbens 2 arretiert. Die Ausnehmung 15 ist
als Außenumfangsnut in eine Umfangsfläche 14 des
Kolbens 2 eingebracht. Die Tiefe der Ausnehmung 15 von
der Kolbenumfangsfläche 14 ist dabei so gewählt,
dass zwischen dem Arretierungsabschnitt 10 und dem Grund
der als Nut ausgebildeten Ausnehmung 15 ein Abstand verbleibt.
Dieser Abstand ermöglicht eine Verschiebung des Kolbenrings 9 relativ
zu dem Kolben 2 und erlaubt damit beispielsweise einen
Ausgleich bei Temperaturschwankungen.
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Der
Arretierungsabschnitt 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
eines U-förmigen Kolbenrings 9 durch einen inneren
Schenkel 11 und einen Verbindungsabschnitt 12 gebildet.
Der Verbindungsabschnitt 12 erstreckt sich dabei im Wesentlichen
in Bezug auf die Symmetrieachse 8 in radialer Richtung
und verbindet den inneren Schenkel 11 mit einem äußeren
Schenkel, der einen Dichtabschnitt 13 ausbildet. An dem
Dichtabschnitt 13 ist eine Dichtfläche 13' ausgebildet,
die durch die zur Zylinderwand 3 hin orientierte Außenumfangsfläche
des Kolbenrings 9 gebildet wird.
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Die
Wandstärke t des Dichtabschnitts 13 ist so gewählt,
dass bei einem im inneren auftretenden Druck p, der die Innenwand
des Dichtabschnitts 13 beaufschlagt, eine elastische Verformung
möglich ist. Zu der elastischen Verformung kommt es, da
der im Zylinderraum herrschende Hochdruck den Dichtabschnitt 13 an
seiner Dichtfläche 13' lediglich bis zum Punkt
P beaufschlagt. In der 2 links vom Punkt P wirkt dagegen
der Niederdruck. Somit kommt es zu einem Kräfteungleichgewicht
an dem Dichtabschnitt 13, die den Dichtabschnitt 13 in
Richtung auf die Wand der Zylinderbohrung 3 hin beaufschlagt.
In axialer Richtung ist der äußere Schenkel 13 gekrümmt, so
dass sich eine ballige Außenkontur ergibt und der Kolbenring
eine Dichtlinie im Punkt P entlang des Umfangs ausbildet.
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Die
beiden Schenkel 11 und 13 des im Schnitt U-förmigen
Kolbenrings 9 sind unterschiedlich lang ausgebildet. Während
der innere Schenkel 11 eine Erstreckung in axialer Richtung
mit einer ersten Höhe h1 aufweist,
ist die axiale Erstreckung des zweiten Schenkels und Dichtabschnitts 13 mit
einer Höhe h2 ausgebildet, die
größer ist. Durch das Verkürzen des zur
Innenseite des Kolbenrings 9 hin gewandten ersten Schenkels
kann ein die Nut 15 in Richtung auf die Kolbenfläche 7 zu
begrenzender Abschnitt 16 stark genug dimensioniert werden,
so dass dort eine Schnappverbindung ausgebildet werden kann. Der
Abschnitt 16 ist dabei so ausgeführt, dass die
Fläche am äußeren Umfang ausgehend von
der Kolbenfläche 7 sich radial leicht erweitert.
Dadurch wird eine Einführschräge 17 ausgebildet,
die eine leichtere Montage des Kolbenrings 9 ermöglicht.
Der Kolbenring 9 seinerseits ist so geformt, dass der innere
Schenkel 11 auf seiner zur Kolbenfläche 7 hin orientierten
Seite, also dem freien Ende des inneren Schenkels 11 einen
kleineren Abstand d1 von der Symmetrieachse
aufweist als der Abstand d2, an dem mit
dem Verbindungsabschnitt 12 verbundenen Ende des inneren
Schenkels 11. Dabei entspricht vorzugsweise der Abstand
d2, an dem mit dem Verbindungsabschnitt 12 verbundenen
Ende etwa dem Abstand des Übergangs von der Kolbenfläche 7 in
die Einführschräge 17 von der Symmetrieachse 8.
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Die Übergänge
zwischen dem inneren Schenkel 11 und dem Verbindungsabschnitt 12 sowie
dem Verbindungsabschnitt 12 zu dem Dichtabschnitt 13 sind
gerundet ausgeführt. Insbesondere durch die Rundung zwischen
dem inneren Schenkel 11 und dem Verbindungsabschnitt 12 ist
somit eine leichte Montage auf dem Kolben 2 möglich.
Bei einem Aufsetzen des Kolbenrings 9 in der 2 von der
rechten Seite her wird durch die Einführschräge 17 eine
radiale Kraft auf den inneren Schenkel 11 ausgeübt.
Infolgedessen weitet sich der innere Schenkel 11 elastisch
auf, bis der Verbindungsabschnitt 12 an der begrenzenden
Wand der Ausnehmung 15 anliegt. Die Breite der Nut ist
entsprechend der Höhe h1 des inneren
Schenkels 11 eingebracht. Der innere Schenkel 11 steht
aufgrund der Verformung unter Spannung und schnappt hinter den Abschnitt 16 des
Kolbens 2. Somit ist der Kolbenring 9 sicher in
der Ausnehmung 15 arretiert.
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Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Insbesondere ist es nicht für die
Funktion der Erfindung erforderlich, dass die beiden Schenkel 11 und 13 näherungsweise gleich
hoch sind. So könnte der innere Schenkel 11 auch
erheblich kürzer ausgeführt werden. Im Extremfall
kann er der Dicke des Verbindungsabschnitts 12 entsprechen,
wobei dann eine Schnappverbindung zwischen dem Kolben 2 und
dem Kolbenring 9 nicht mehr ausgebildet werden kann. Entscheidend
ist jedoch, dass sich der Dichtabschnitt 13 in axialer
Richtung so erstreckt, dass seine der Symmetrieachse 8 zugewandte
Innenwand mit dem höheren Druck beaufschlagt ist und ein
Teilbereich seiner Dichtfläche 13 mit dem niedrigeren
Druck beaufschlagt ist. Diese Kraftdifferenz führt zur
Ausbildung der aufweitenden Kraft, die letztlich für eine
dichtende Anlage der Dichtfläche 13' an der Wand
der Zylinderbohrung 13 führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004061863
A1 [0003, 0003]