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Abdichtung für Kolberf bzw. Kolbenstangen von hydraulischen Zylindern
Die Erfindung betrifft eine Abdichtung für Kolben bzw. Kolbenstangen von hydraulischen
Zylindern. Bekannterweise werden hierzu Lippendichtungen oder Vollprofilringe verwendet.
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Lippendichtungen bedürfen zu ausreichender Ab-
dichtung einer
Druckdifferenz vor und hinter der Dichtung. Sie sind dazu mit ihren Dichtlippen
in Richtung auf die Zylinderdruckfäume auf dem Kolben bzw. im Gehäuse angeordnet.
Wenn sich die Vorspannung der Lippen mit der Zeit verringert, kann bei niedrigen
Arbeitsdrücken das Druckmittel in den Raum zwischen den Lippendichtungen eindringen
und in den Zylinderraum mit dem niedrigeren Druck übertreten bzw. aus dem Zylinder
lecken.
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Bei hydropneumatischen Speichern mit schwimmenden Kolben ist nach
Aufhebung der Dichtwirkung der Manschetten nur noch eine gewisse Abstreifung zu
erwarten.
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Andere Mängel ergeben sich bei Abdichtungen unter Verwendung von Vollprofilringen.
Auch hier gilt im Normalfall die Regel, daß nur dann eine ausreichende Dichtwirkung
eintritt, wenn durch einseitigen Druck eine Verformung des Dichtelementes eintritt.
Die allgemein üblichen Nuteinstiche, erlauben es den O-Ringen, der gleitenden Bewegung
folgend, eine rollende Bewegung auszuführen. Dabei wird bei jedem Hub eine geringe
Menge des abzudichtenden Mediums aus einem Zylinderraum in den anderen gepumpt.
Diese durchaus unerwünschte Erscheinung läßt sich nur verhindern, wenn der Nuteinstich
so schmal gewählt wird, daß der O-Ring nicht mehr rollen kann.
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Dadurch vergrößert sich jedoch der Verschleiß des Ringes wesentlich,
und diese Ausführungsform kann nur in wenigen Fällen verwendet werden.
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Bei Verwendung von Nutringinanschetten und O-Ringen ist wegen der
oben angeführten Eigenschaften der einzelnen Dichtelemente ebenfalls keine einwandfreie
Abdichtung zu erzielen. Zum Beispiel bei Kolbenspeichern tritt nicht nur Gas in
den Flüssigkeitsraum, sondern auch Druckflüssigkeit in den Gasraum über. Nach längerem
Betrieb wird die Gefahr des unvermuteten Versagens der Speicher besonders groß.
Eine überprüfung des Gasfülldruckes ergibt keinen Anhalt über die Menge der sich
im Gasraum befindlichen Flüssigkeit und somit über das tatsächliche Gasvolumen.
Die Kolbenspeicher müßten also, um ein Versagen auszuschließen, in regelmäßigen
Zeitabständen entleert und neu aufgeladen werden.
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In Erkenntnis dieser mißlichen Erscheinungen istbereits ein Zylinder
mit Kolben, im besonderen Falle ein Druckspeicher für hydraulische Anlagen, gebaut
worden, bei dem um den Kolben herum mindestens ein zwischen elastischen Dichtungen
liegender Ringraum angeordnet ist, dessen Druck mindestens zeitweise von den im
Zylinder herrschenden Drücken abweicht und der über ein einseitig sperrendes Mittel
mit einem Druckraum verbunden ist. Der Druck dieses Druckraumes ]legt mindestens
zeitweise unter dem für den Ringraum vorgesehenen Mindestdruck, und der Druck im
Ringraum wird mit Hilfe des die Verbindung in Richtung zum Ringraurn sperrenden
Mittels über dem Atmosphärendruck gehalten.
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Bei dieser Anordnung besteht die Möglichkeit, Druckmittel, das in
den Ringraum übergetreten ist, wieder in den Druckraum zu entleeren. Das einseitig
sperrende Mittel besteht hier beispielsweise aus einem in einer rechteckigen Kolbenmit
äbroRenden O-Ring. Bei diesem bekannten Gerät wird die stillschweigende Voraussetzung
gemacht, daß die, weiter oben erwähnte rollende Bewegung des O-Ringes in seiner
breiten Nut keine Pumpwirkung.zur Folge hat, eine Voraussetzung, die nur in ganz
wenigen Fällen zutrifft. Auch die zweite Bedingung, daß der Druck in dem Druckraum
des Speichers zeitweise unter den
Druck des Ringraumes sinken muß,
ist in manchen Fällen unerfüllbar.
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Bei der Erfindung ist der Ringraum des Kolbens mit einem Medium gefüllt,
das von der hohen Druckstufe eines Druckübersetzers beaufschlagt ist, dessen niedere
Stufe unter dem Arbeitsdruck des Zylinders .steht.
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Von den vielen Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung wird insbesondere
eine vorgeschlagen, bei der der Kolben aus zwei Kolbenteilen derart zusammengesetzt
ist, daß sie einen Ringraum, bilden, dessen Querschnitt geringer ist als die beaufschlagte
Kolbenstirnfläche und der mit einem Druckmittel gefüllt ist, und daß das Volumen
des Ringraumes und das Volumen eines von den beiden Kolbenteilen eingeschlossenen,
mit Luft gefüllten Raumes durch die Bewegung der ineinander gleitenden Kolbenfühiungen
veränderlich ist. Die beiden Kolbenteile sind mit halsartigen Bunden ausgestattet,
die abdichtend ineinander gleiten.
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Nach der Erfindung ist der Ringraum des Kolbens mit einem praktisch
nicht kompressierbaren Medium ausgefüllt, das mit den Medien in den beiden Zylinderräumen
und im Innenraum des Kolbens keine Verbindung hat. Der Ringraum, ist vorzugsweise
mit einer Flüssigkeit ausgefüllt, die auch als Schmiermittel dienen kann, und in
bekannter Weise zu beiden Seiten mit Dichtelementen versehen. Zum Beispiel können
die beiden Dichtelemente in an sich bekannter Weise in Nuten zu beiden Seiten des.
Ringraumes angeordnet sein. Es können auch innerhalb des Dichtraumes zwei Dichtelemente
angeordnet sein, deren Dichtlippen einander zugewendet sind. Eine weitere Ausführungsmöglichkeit
der Erfindung besteht darin, daß der Ringraum von einem Dichtelement ausgefüllt
ist, das praktisch nicht kompressierbar ist. Zum Beispiel kann der Ringraum mit
einem Schnurring ausgefüllt werden, der aus Gummi besteht und dessen Querschnitt
rund, cval oder von sonstiger Form sein kann. Erfindungsgemäß kann es von Vorteil
sein, die beiden Kolbenteile unter dem Vordruck einer Feder miteinander zu verbinden.
Der von den beiden Kolbenteilen eingeschlossene Innenraum hat zweckmüßigerweise
die Form eines Ringraumes, der mit einem in einem der Kolbenteile vorgesehenen,
in seinem Volumen unveränderlichen Raum in Verbindung steht. Besonders zweckm:äßig
ist nach der Erfindung die Anordnung eines solchen Kolbens als schwimmender Kolben
in einem hydropneumatischen Druckspeicher.
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In der Zeichnung stellen die Abbildungen 1 bis 4 Ausführungsformen
von hydropneumatischen Druckspeichern mit schwimmenden Kolben dar, bei denen die
Erfindung in verschiedenen Abwandlungen zur Anwendung gelangt.
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In Abb. 1 teilt ein schwimmender Kolben 1 einen Zylinder
2 in zwei Räume 3, 4. Raum 3 ist mit einem flüssigen Druckmittel,
Raum 4 mit einem Gas gpfüllt. Das Kolbenteil 5 hat, wie das Kolbenteil
6, einen halsförmigen Bund 7, 8. Die Dichtungen 9, 10, 11,
12 sperren den Ringraum 13 vom Innenraum 14 hydraulisch ab und dichten den
ganzen Kolben 1 gegen den Zylinder 2 ab.
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Das Innere des Ringraumes 13 ist mit einer Flüssigkeit gefüllt,
die die Eigenschaft fast aller Flüssigkeiten hat, nicht oder praktisch nicht kompressibel
zu sein. Das Innere des Raumes 14 dagegen ist mit Luft oder mit einem Gas gefüllt.
Zur Begrenzung der äußeren Endlagen dienen die Anschläge 15 und
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und die Schraube 17, die mit ihrem Kopf 18 zugleich den Kolben
1 bei der Montage und bei der Füllung des Ringraumes 13 zusammenhält.
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Da es sich, wie schon erwähnt, bei dem Gerät um einen Druckspeicher
handelt, wirken im Betriebszustand die Drücke in den Zylinderräumen 3 und
4 mit gleicher Kraft auf die Stimflächen der Kolbenteile 5 und
6 ein.
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Im Verhältnis des kleineren Querschnittes wächst im Ringraum 13 der
Druck an, wobei im luft,- gefüllten Innenraum 14 keine nennenswerte Druckänderung
stattfindet, weil das Druckmittel im Ringraum 13
nicht kompressibel ist und
eine Verschiebung der beiden Kolbenteile 5 und 6 gegeneinander nicht
zuläßt. Auch bei Verschiebungen beträchtlichen Ausmaßes steigt der Druck im Innenraum
14 nicht steil genug an, als daß er den Druckverlauf im Ringraum 13 beeinflussen
kann.
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Das Einbringen des Druckmittels in den Ringraum 13 kann von
außen her durch die Zylinderwand erfolgen. Statt einer Flüssigkeit kann als Füllung
des Ringraumes 13 ein Fett verwendet werden, das bei der Montage zusammen
mit dem Kolben 1- in den Zylinder eingeführt wird.
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Vorzugsweise ist aber die Füllung des Ringraumes mit Flüssigkeit von
der Kammer 4 her zu bewerkstelligen. Zu diesem Zweck wird zunächst das Kolbenteil
5 über die Schraube 17 gegen einen in den Zylinderraum 13 eingeführten
und gegen den Kopf 18
drückenden Anschlag abgestützt. Der Anschlag muß fest
mit dem Zylinder 2 verbunden sein. Das Druckmittel fließt vom Raum 4 am Rand des
Kolbenteiles 5
vorbei und entlang der Manschette 11 in den Ringraum
13. Die Manschette 11 kann sich hierbei von ihrer Anlage entfernen.
Die Füllung kann beendet werden, wenn ein Vordruck erreicht ist, durch den das Kolbenteil
6 bestimmt zur Anlage am Kopf 18
der Schraube 17 gebracht ist.
Mit dem Entfernen der Abstützung für das Kolbenteil, 5 und dem Ablassen des
Druckmittels aus dem Raum 4 wandert die Manschette 11 in ihre dargestellte
Arbeitslage, und die Lippen beider Manschetten 11 und 12 übernehmen nunmehr
die Abdichtung gegen die Medien, die im Betriebe auf die Stirnflächen des Kolbens
zur Einwirkung gelangen-Jeder Druckanstieg in den Räumen 3, 4 hat einen Druckanstieg
in dem Ringraum, 13 zur Folge, der mit der Dimensionierung des Ringraumquerschnittes
so bemessen werden kann, daß kein Medium aus den Räumen 3 und 4 in den Ringraum
13 gelangt und daß sich die Manschettenreibung an der Zylinderwand dem Betriebsdruck
anpaßt.
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Da das den Ringraum 13 füllende Medium bei diesem Füllverfahren
auf einem Luftpolster ruht, verläuft hier der Druckanstieg beini Ineinanderschieben
der Kolbenteile 5, 6 nach einer steileren Kurve als im Innenraum 14.
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In Abb. 2 besteht der Kolben 1 aus einem ersten Kolbenteil
22, 22 a, das mit halsartigen Bunden 27
und 28 zu einer festen Einheit
zusammengpfügt ist und einen Nebenraum 20 einschließt. Das zweite Kolbenteil 21
hat hier die Form einer Büchse, die an den halsartigen Bunden 27 und
28 gleitet und einen zweiten Ringraum 19 bildet. 19 und 20
sind durch die Bohrung 23 verbunden und enthalten ein Luftvolumen, das im
Vergleich zu dem Raum 14 in Abb. 1 eine besonders weiche Feder darstellt.
Der Anschlag26 im Kolbenteil22,22a bestimmt das
größte Volumen des
Ringraumes 13. Durch die Bohrung 25 steht eine Ausnehmung 24 in Verbindung
mit dem Zylinderraum 3.
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Sowohl der Füllvorgang des Ringraumes 13 als auch die Funktion
der Kolbenabdichtung sind die gleichen, wie für das Gerät nach Abb. 1 oben
beschrieben wurde, mit der Ausnahme, daß beim Füllen das Kolbenteil 22, 22 a unmittelbar
durch einen Anschlag abzustützen ist, der in den Zylinderraum 3
eingeführt
wird.
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Eine Abwandlung des Gerätes nach Abb. 2 zeigt die Abb. 3. Hier
dient als Medium zur Ausfüllung des Ringraumes 29 der Rundschnurring
30, der unter dem Arbeitsdruck den Ringraum 29 voll ausfüllt. Das
Material des Rundschnurringes 30 ist beispielsweise Gummi, der als nicht
kompressibler Stoff anzusehen ist. Man kann auch, was in der Abbildung nicht dargestellt
wird, den Rundschnurring 30 mit einem flachen Teflon-Ring umgeben, der an
der Zylinderwand anliegt und der Abdichtung einen besonders guten Reibbeiwert verleiht
und zugleich den Verschleiß auf ein Minimum herabsetzt.
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In Abb. 4 steht das Medium im Ringraum 13 unter Vorspannung
durch die Anordnung eines Paketes von Ringfedern 31. Die Spannschraube ist
mit 32,
der Kolben mit 33, 34, die Spannplatte mit 35 und die
Führungshülse mit 36 bezeichnet.
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Die Konstruktion'findet Anwendung bei Geräten, deren Arbeitsdruck
sehr hoch ist, aber auch auf Null abfallen kann. Es wird damit bezweckt, die Manschettenreibung
bei hohen Drücken in brauchbaren Grenzen zu halten und bei Drücken nahe Null das
Medium. im Ringraum 13 unter einer Spannung zu halten, die die Abdichtung
wirksam erhält, ohne daß die Manschettenreibung so groß wird, daß sie bei leichtem
Druckanstieg für die Kolbenbewegung hinderlich wäre.
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Zu Beginn des Füllvorganges des Ringraumes 13,
der in der schon
beschriebenen Weise vor sich geht, liegen die Anschläge 37 und
38 aneinander, und die paarweise einander mit den Wölbungen zugewendeten
Ringfedern im Paket 31 sind entspannt. Mit ansteigendem Druck beim Füllen
des Ringraumes 13 entfernen sich die Anschläge 37 und 38 voneinander,
das Kolbeiateil 33 drückt über die Spannschraube 32 und die Spannplatte
35 auf den Innenrand der obersten Ringfeder. Das Kolbenteil 34 drückt in
entgegengesetztem Sinn auf die Außenränder der Ringfedern. Die Führungshülse
36 kommt zum Anschlag an die Spannplatte 35 und an das Kolbenteil
34, wenn das, Paket 31 gespannt ist. Das Federpaket 31 teilt seine
Spannung der im Ringraum 13 eingeschlossenen Flüssigkeit mit. Diese Stellung
ist in der Abb. 4 dargestellt.
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Wenn im Betrieb der Arbeitsdruck sehr hoch ansteigt, wird das Federpaket
31 nach Maßgabe der Strecke, um die die Kolbenteile 33 und 34 ineinandergeschoben
werden, entspannt. Hoher Arbeitsdruck bewirkt ein leichtes überwiegen des Druckes
im Ringraum 13 über den Druck in den Zylinderräumen 3, 4, da die Differenz
zwischen der Fläche des Ringraumes und der Fläche der Kolbenstirnseite nur gering
ist. Mit dem Abfallen des Arbeitsdruckes tritt der Druck des Federpaketes mehr und
mehr an seine Stelle, um sich bei Arbeitsdruck Null voll auszuwirken.
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Die Erfindung ist in ihrer Anwendung nicht nur auf Kolbendruckspeicher
beschränkt. Die Kolbenabdichtung kann bei Abdichtungen der Kolbenstangen oder Kolben
gegen die Zylinder von Kolbenstangenzylindem mit gleichem Vorteil verwendet werden.