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Die Erfindung betrifft einen Fluidzylinder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen Fluidzylinder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Aus der Praxis sind bereits Fluidzylinder in Form von Hydraulikzylindern oder Pneumatikzylindern für verschiedene technische Einsatzbereiche bekannt. Diese Fluidzylinder werden auch als hydraulisch beziehungsweise pneumatisch arbeitende Arbeitszylinder bezeichnet.
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Insbesondere bei hydraulisch arbeitenden Fluidzylindern besteht allgemein der Wunsch, diese möglichst fluiddicht zu gestalten, damit das für den Betrieb des Fluidzylinders verwendete Druckmittel, beispielsweise ein Hydrauliköl, nicht durch Zwischenräume und dadurch entstehende Leckagen nach außen gelangen kann. Hierzu werden üblicherweise Dichtungselemente eingesetzt, die aus einem Kunststoff und/oder Gummi gefertigt sind und die insbesondere den Bereich des Fluidzylinders abdichten sollen, in dem eine Kolbenstange aus einem Hohlzylinderkörper nach außen geführt wird. Dieser Bereich befindet sich häufig in oder an einem Zylinderkopf des Fluidzylinders.
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Weiterhin ist aus der Praxis bekannt, dass sich ultrahochmolekulargewichtiges Polyethylen (auch als UHMWPE oder UHMW-PE bezeichnet) als Werkstoff für Dichtungselemente zur Verwendung in Fluidzylindern vergleichsweise gut eignet. So weist ultrahochmolekulargewichtiges Polyethylen vergleichsweise gute chemische sowie mechanische Eigenschaften auf: es ist beständig gegen Mineralöle und Hydrauliköle. Zudem hat ultrahochmolekulargewichtiges Polyethylen günstige Reibungseigenschaften, so dass es sich vergleichsweise gut als Werkstoff für das Führen einer Kolbenstange des Fluidzylinders eignet. Als nachteilig erweist sich jedoch die aufwändige Herstellung des UHMWPE. Aufgrund des hohen Molekulargewichts des UHMWPE steigt auch die Materialviskosität, so dass das ultrahochmolekulargewichtige Polyethylen sich nur im Pressverfahren verarbeiten lässt. Eine Spritzguss- oder Schneckenextrusionsverarbeitung ist nicht möglich.
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Hinzu kommt, dass bei solchen Dichtungselementen aufgrund von Alterung während der Produktlebenszeit des Fluidzylinders unterschiedliche, teils temperaturabhängige mechanische Abnutzungserscheinungen auftreten, so beispielsweise Kriechen und Spannungsrelaxation. Infolgedessen verformt sich ein solches Dichtungselement, bzw. verliert seine Vorspannung. Es hat sich herausgestellt, dass diese Abnutzungserscheinungen bewirken, dass ein zunächst weitgehend abgedichteter Fluidzylinder mit der Zeit zunehmend Leckagen aufweist, durch die dann Druckmittel nach außen treten kann. Dies erfordert regelmäßige Wartungsarbeiten an dem Fluidzylinder, um die Dichtungselemente zu erneuern und um die Dichtheit des Fluidzylinders sicherzustellen.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Fluidzylinder zu schaffen, der unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine verbesserte Dauerhaltbarkeit beziehungsweise verlängerte Lebensdauer hinsichtlich seiner Dichtheit aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Fluidzylinder mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 beziehungsweise durch ein Verfahren zur Herstellung eines Fluidzylinders mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Fluidzylinders sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Fluidzylinder weist einen Hohlzylinderkörper auf, der durch einen daran angeordneten beziehungsweise daran angebrachten Zylinderkopf zumindest teilweise geschlossen ist. Innerhalb des Hohlzylinderkörpers ist ein Kolben beweglich geführt, der eine Kolbenstange aufweist, die sich durch den Zylinderkopf hin zu wenigstens einer Außenseite des Fluidzylinders erstreckt. Zur fluidischen Abdichtung des Fluidzylinders zum Beispiel nach außen hin verfügt der Fluidzylinder über wenigstens ein Dichtungselement, das beispielsweise in Nachbarschaft zu der Kolbenstange angeordnet sein kann, um einen Austritt oder ein Entweichen von Fluid an der Kolbenstange zu verhindern. Alternativ kann das Dichtungselement auch am Kolben angebracht sein und am Hohlzylinderkörper anliegen. Erfindungsgemäß besteht das wenigstens eine Dichtungselement aus einem Polyethylen, das mittels Gamma- und/oder Elektrodenstrahlung oder chemisch vernetzt ist.
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Unter Vernetzung beziehungsweise Vernetzen des Polyethylens ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass der Werkstoff des Dichtungselements durch ein geeignetes Bearbeitungsverfahren räumlich, das heißt dreidimensional vernetzt wird, bevor er zu einem Dichtungselement fertiggestellt und/oder er im Fluidzylinder verbaut beziehungsweise darin eingesetzt wird. Es entsteht eine zusätzliche Quervernetzung der Polyethylenketten. Die zusätzliche Vernetzung beziehungsweise das zusätzliche Vernetzen des für das Dichtungselement eingesetzten Polyethylens bewirkt vorteilhafterweise, dass das Dichtungselement gegebenenfalls elastisch verformbar ist, aber trotzdem eine vergleichsweise hohe Formhaltbarkeit beziehungsweise Formbeständigkeit sowie eine vergleichsweise hohe Maßhaltigkeit beziehungsweise Maßbeständigkeit aufweist. Auch eine bei der Montage absichtlich eingebrachte Vorspannung in Dichtungselemente bleibt vergleichsweise gut behalten. Dies ist sowohl bereits während der Montage des Dichtungselements an dem Fluidzylinder als auch danach während des Betriebs des Fluidzylinders vorteilhaft. Darüber hinaus kann die räumliche Vernetzung auch die Temperaturbeständigkeit des für das Dichtungselement eingesetzten Werkstoffs verbessern. Darüber hinaus weist das wenigstens eine Dichtungselement des Fluidzylinders ein verbessertes Spannungsrelaxationsverhalten sowie ein verbessertes Kriechverhalten auf. Es hat sich außerdem gezeigt, dass das Vernetzen die Temperaturabhängigkeit dieses mechanischen Verhaltens des Dichtungselements deutlich reduziert. Auf diese Weise lässt sich die Temperaturabhängigkeit dieses Werkstoffs signifikant verbessern, so dass ein damit ausgestatteter Fluidzylinder eine weitgehend temperaturunabhängige Dichtigkeit aufweist. Zudem sind auch das Verschleißverhalten beziehungsweise das Abnutzungsverhalten bei dem Dichtungselement und dem damit ausgestatteten Fluidzylinder verbessert.
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Insgesamt weist der erfindungsgemäße Fluidzylinder durch das zusätzliche Vernetzen des für das Dichtungselement eingesetzten Polyethylens auch gegenüber Fluidzylindern, die gegebenenfalls aus einem nicht-vernetzten Polyethylen gefertigt sein können, eine vergleichsweise gute Dichtigkeit auf, die über eine vergleichsweise lange Zeitdauer erhalten bleibt. Dieses Verhalten ist auch vergleichsweise temperaturtolerant.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Vernetzung mittels Gamma- und/oder Elektrodenstrahlung oder chemisch.
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Bei der Vernetzung mittels Strahlung wird das Polyethylen durch den Einsatz von Elektrodenstrahlen und/oder von Strahlung im Gammabereich vernetzt. Dies hat sich als besonders praktikables Bearbeitungs- beziehungsweise Fertigungsverfahren herausgestellt. Dabei lässt sich die Strahlendosis so einstellen, dass das verwendete vernetzte Polyethylen ein günstiges Verhältnis zwischen der Formbeständigkeit des Dichtungselements und den durch die Reduzierung des Molekulargewichts reduzierten mechanischen Eigenschaften aufweist.
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Die chemische Vernetzung basiert auf dem Einsatz chemischer Stoffe oder Stoffgruppen. Diese Vernetzung kann beispielsweise durch den Einsatz von Peroxiden, beispielsweise nach dem Engel-Verfahren, von Silanen oder von Azo-Verbindungen erfolgen.
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Idealerweise kann das Vernetzen zeitlich vor weiteren Verarbeitungsschritten, wie beispielsweise Zerkleinern oder dergleichen, ablaufen.
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Erfindungsgemäß ist das Dichtungselement aus einem Polyethylen PE-HD oder PE-HMW hergestellt.
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Das Polyethylen PE-HD ist ein teilkristallines Polyethylen mit schwach verzweigten Polymerketten, daher hoher Dichte und hat eine mittlere molare Masse von bis zu 300 Tsd. g/mol. Der Vorteil des Kunststoffs ist ein sehr geringer Reibwert. Es lässt sich thermisch verformen und kann geschweißt werden. Ein erheblicher Vorteil liegt in der einfachen Verarbeitung im Spritzguss aufgrund seiner geringen molaren Masse.
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Das Polyethylen PE-HMW ist ein hochmolekulares Polyethylen mit einer mittleren molaren Masse von ca 500 Tsd.g/mol. Es weist eine ausgewogene Mischung aus Steifigkeit, Zähigkeit und mechanischem Dämpfungsvermögen auf. Es lässt sich ebenso thermisch verformen und kann ebenso geschweißt werden. Da das Molekulargewicht höher als das des PE-HD ist, kann eine spritzgusstechnische Verarbeitung nur bedingt erfolgen.
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Wenn das Dichtungselement aus einem Polyethylen PE-LD oder PE-LLD besteht, ist das Molekulargewicht des Polyethylens gering. PE-LLD ist ein linear aufgebautes Polyethylen mit niedriger Dichte. In den Eigenschaften gleicht es wegen des linearen Aufbaus seiner Makromoleküle dem PE-HD, besitzt aber die niedere Dichte von PE-LD.
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Wenn als mögliche vorteilhafte Weiterbildung eine zusätzliche Behandlung des Dichtungselementes vor, während oder nach dem Vernetzen zur Verhinderung oder Reduzierung von Oxidation erfolgt, bleiben die erforderlichen mechanischen Eigenschaften des Materials wie die Festigkeit oder die Beständigkeit bei Materialermüdung erhalten. Die bei einer Vernetzung entstehenden Radikale können mit Umgebungssauerstoff reagieren, was wiederum zu Radikalbildung und damit zu einer Kettenreaktion führt. Dieser Oxidationsvorgang, der zu einer zusätzlichen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führen würde, kann z.B. durch das Erhitzen des Dichtungselements unterhalb der Schmelztemperatur nach der Vernetzung verhindert bzw. reduziert werden. Dabei werden die Radikale reduziert, jedoch nicht vollständig beseitigt, sodass die mechanischen Eigenschaften weitgehend erhalten bleiben.
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Für eine besonders gute, langlebige Dichtwirkung kann das wenigstens eine Dichtungselement im Wesentlichen Dachmanschetten-förmig (im Englischen als chevronshaped bezeichnet), das heißt mit einem Dachmanschetten-förmigen Querschnitt ausgebildet sein. Das bedeutet, dass jedes Dichtungselement einen inneren Ringabschnitt und einen äußeren Ringabschnitt hat, die in einem unbelasteten Zustand um etwa 90° zueinander angestellt sein können. In einem belasteten Zustand vergrößert sich dieser Winkel.
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Um den Fluidzylinder besonders einfach warten und/oder montieren zu können, kann es von Vorteil sein, wenn das wenigstens eine Dichtungselement in oder an dem Zylinderkopf angeordnet ist. Alternativ dazu, kann das wenigstens eine Dichtungselement in oder an einem separat zu dem Zylinderkopf ausgebildeten Zylinderkopfflansch angeordnet sein. Der Zylinderkopfflansch kann gleichzeitig als Abdichtflansch funktionieren.
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Für eine besonders gute fluidische Abdichtung kann es vorteilhaft sein, wenn ein Paket aus einer Mehrzahl von Dichtungselementen vorgesehen ist. Beispielsweise kann das Paket dadurch ausgebildet sein, dass eine Vielzahl, nämlich beispielweise zwei, drei, vier, fünf oder mehr Dichtungselemente in axialer Richtung des Fluidzylinders zu einem Paket zusammengesetzt sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass das wenigstens eine Dichtungselement in axialer Richtung des Fluidzylinders durch einen Klemmring vorspannbar oder vorgespannt ist. Alternativ dazu oder zusätzlich kann das wenigstens eine Dichtungselement in axialer Richtung des Fluidzylinders durch wenigstens eine Distanzscheibe vorspannbar oder vorgespannt ist. Dabei kann die Vorspannungskraft auch durch eine jeweilige Auswahl der Dicke beziehungsweise der Stärke der Distanzscheibe eingestellt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Fluidzylinders, der einen Hohlzylinderkörper aufweist, der durch einen daran angebrachten Zylinderkopf zumindest teilweise geschlossen ist. Innerhalb des Zylinderkörpers ist ein Kolben mit einer Kolbenstange beweglich geführt, die sich durch den Zylinderkopf hin zu einer Außenseite des Fluidzylinders erstreckt. Zur fluidischen Abdichtung des Fluidzylinders zum Beispiel nach außen hin weist der Fluidzylinder wenigstens ein Dichtungselement auf. Alternativ kann das Dichtungselement auch am Kolben angesetzt werden und somit zwei Druckräume des Zylinders gegeneinander abdichten. Erfindungsgemäß wird das Dichtungselement aus einem Polyethylen gefertigt, wobei das Polyethylen zusätzlich durch die Verwendung von Gamma- und/oder Elektrodenstrahlung oder durch die Verwendung chemischer Stoffe vernetzt wird. Dabei wird unter Vernetzung verstanden, dass das als Werkstoff verwendete Polyethylen räumlich, das heißt dreidimensional vernetzt wird. Die Vernetzung beziehungsweise das Vernetzen wird durch Einsatz eines dazu geeigneten Bearbeitungsverfahrens bewirkt. Die Vernetzung durch den Einsatz von Elektrodenstrahlen und/oder von Strahlung im Gammabereich, oder, alternativ dazu, durch den Einsatz chemischer Stoffe oder Stoffgruppen kann beispielsweise durch Peroxide, beispielsweise nach dem Engel-Verfahren, Silane oder Azo-Verbindungen erfolgen.
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In dem Verfahren kann die Fertigung des Dichtungselementes vorzugsweise aus Polyethylen PE-HD, oder aus Polyethylen PE-HMW, PE-LD oder PE-LLD erfolgen.
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Des Weiteren kann in dem Verfahren ein weiterer Verfahrensschritt vorgesehen sein, wonach bei dem Polyethylen nach dem Vernetzen ein Spannungsabbauverfahren zum Abbau innerer Spannungen durchgeführt wird.
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Zusätzlich oder alternativ dazu, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass bei dem Polyethylen nach dem Vernetzen freie Radikale entfernt werden. Dadurch lassen sich die mechanischen Eigenschaften des aus diesem Werkstoff gefertigten Dichtungselements noch weiter verbessern.
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Idealerweise kann das Vernetzen zeitlich vor weiteren Verarbeitungsschritten, wie beispielsweise Zerkleinern oder dergleichen, ablaufen.
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Im Folgenden wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fluidzylinders anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines Fluidzylinders in einem schematisch dargestellten Längsschnitt und
- 2 einen schematisch dargestellten Längsschnitt durch einen Teilausschnitt eines Fluidzylinders, der einen Zylinderkopfflansch und ein Paket von Dichtungselementen aufweist.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fluidzylinders 1 in einem grob schematisch dargestellten Längsschnitt. Der Fluidzylinder 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als hydraulischer Arbeitszylinder in Form eines Differentialzylinders ausgebildet.
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Der Fluidzylinder 1 weist einen Hohlzylinderkörper 2 auf, der an einer Stirnseite durch einen Zylinderkopf 4 mit einem separat dazu ausgebildeten Zylinderkopfflansch beziehungsweise Abdichtflansch 6 zumindest teilweise (ab-)geschlossen ist. Innerhalb des Hohlzylinderkörpers 2 ist ein Kolben 8 mit einer Kolbenstange 10 angeordnet und beweglich geführt. Aus 1 geht hervor, dass die Kolbenstange 10 durch den Zylinderkopf 4 und den Zylinderkopfflansch 6 geführt und dort gelagert ist.
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Zur Druckmittelbeaufschlagung des Fluidzylinders 1 weist der Hohlzylinderkörper 2 zwei Druckmittelanschlüsse 12 und 14 auf, durch deren wahlweise Druckmittelbeaufschlagung der Kolben 8 mitsamt Kolbenstange 10 in Axialrichtung des Fluidzylinders 1 bewegbar ist.
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2 zeigt einen Teilausschnitt des Fluidzylinders 1 in einem schematisch dargestellten Längsschnitt. In dieser Darstellung ist zu erkennen, dass der separat zu dem Zylinderkopf 4 ausgebildete Zylinderkopfflansch 6 eine Aussparung 16 aufweist, die sich sowohl in axialer Richtung entlang der Kolbenstange 10 als auch in radialer Richtung erstreckt, um einen Raum zur Aufnahme von wenigstens einem Dichtungselement 18 auszubilden. In diesem Ausführungsbeispiel besteht das Dichtungselement 18 aus einer Vielzahl, nämlich sieben Einzelelementen, die zu einem Paket von Dichtungselementen zusammengesetzt sind. Die Vielzahl von Dichtungselementen 18 ist zwischen dem Zylinderkopfflansch 6 und der Kolbenstange 10 angeordnet. Dadurch liegt die Vielzahl von Dichtungselementen 18 mit einer radialen Innenseite fluidisch abdichtend an der Kolbenstange 10 an, um so den Austritt von Druckmittel aus dem Ringraum des Hohlzylinderkörpers 2 zu verhindern. Es ist auch erkennbar, dass der Querschnitt eines jeden Dichtungselements 18 Dachmanschetten-förmig ausgebildet ist. Durch diese Formgebung wird die Vielzahl von Dichtungselementen 18 gegen die Kolbenstange 10 gespreizt.
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Zur axialen Vorspannung der Vielzahl von Dichtungselementen 18 weist der Fluidzylinder 1 zudem einen Klemmring 20 auf, der aus axialer Richtung auf die Vielzahl von Dichtungselementen 18 drückt. Zwischen dem Klemmring 20 und der Vielzahl von Dichtungselementen 18 ist eine Distanzscheibe 22 angeordnet. Durch diese Vorspannung wird die Spreizwirkung der Dichtungselemente 18 nochmals erhöht.
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Jedes Dichtungselement 18 in diesem Beispiel besteht aus einem (räumlich beziehungsweise dreidimensional) vernetzten Polyethylen PE-HD, das sich für diesen Einsatzzweck durch seine günstigen mechanischen Eigenschaften auszeichnet. Insbesondere weisen die aus diesem vernetzten Werkstoff gefertigten Dichtungselemente 18 eine vergleichsweise hohe Formhaltbarkeit und reduzierte Spannungsrelaxation auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Polyethylen PE-HD mittels Gamma- und/oder Elektrodenstrahlung vernetzt. Dank der Vernetzung des für die Dichtungselemente 18 verwendeten Polyethylens PE-HD und der dadurch bewirkten Formhaltbarkeit bleibt die auf die Dichtungselemente 18 aufgebrachte Vorspannung über einen vergleichsweise langen Zeitraum erhalten.
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Ausgehend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel können der erfindungsgemäße Fluidzylinder 1 und dessen Herstellungsverfahren in vielerlei Hinsicht abgewandelt werden. Beispielsweise ist denkbar, dass die Vernetzung des Polyethylens PE-HD für das wenigstens eine Dichtungselement 18 nicht mittels Gamma- und/oder Elektrodenstrahlung, sondern durch den Einsatz chemischer Stoffe oder Stoffgruppen erfolgt. Eine weitere Abwandlung kann darin bestehen, dass das Polyethylen PE-HMW, das Polyethylen PE-LD oder das Polyethylen PE-LLD als Material für die Herstellung des Dichtungselementes verwendet wird.
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Offenbart ist ein Fluidzylinder mit einem Hohlzylinderkörper, der durch einen daran angebrachten Zylinderkopf zumindest teilweise geschlossen ist. Innerhalb des Hohlzylinderkörpers ist ein Kolben geführt, der eine Kolbenstange aufweist, die sich durch den Zylinderkopf hin zu einer Außenseite des Fluidzylinders erstreckt. Nach außen hin ist der Fluidzylinder durch wenigstens ein Dichtungselement fluidisch abgedichtet. Erfindungsgemäß besteht das wenigstens eine Dichtungselement aus einem Polyethylen, das mittels Gamma- und/oder Elektrodenstrahlung oder chemisch vernetzt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluidzylinder
- 2
- Hohlzylinderkörper
- 4
- Zylinderkopf
- 6
- Zylinderkopfflansch
- 8
- Kolben
- 10
- Kolbenstange
- 12,14
- Druckmittelanschlüsse
- 16
- Aussparung
- 18
- Dichtungselement(e)
- 20
- Klemmring
- 22
- Distanzscheibe
