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Die vorliegende Erfindung betrifft eine ringförmige bzw. ringartige Dichtung bzw. eine Ringdichtung bzw. einen Dichtring, insbesondere eines Typs, der dazu geeignet ist, in hydraulischen Systemen mit relativ zueinander gleitenden Organen verwendet zu werden.
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Wie bekannt erfordern viele hydraulische Systeme ringförmige Dichtungen um ein Entweichen von Flüssigkeit zu verhindern. Wenn im Fall von statischen Dichtungen konventionelle Dichtringe zweckmäßig sind, die üblicherweise aus Gummi hergestellt sind und einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, unterliegen dagegen die gleichen Dichtringe in dynamischen Systemen mit axialem Gleitlauf verschiedenen Problemen.
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Dies trifft zum Beispiel im Fall von Bremseinrichtungen in großen Maschinen zu, wie zum Beispiel in Maschinen zur landwirtschaftlichen Nutzung und zur Erdbewegung. Bremseinrichtungen dieses Typs umfassen unter anderem hydraulische Stellantriebe, in denen die Dichtelemente beachtliche Antriebsdrücke aushalten müssen und darüber hinaus zwischen gleitenden Teilen arbeiten (insbesondere zwischen dem Kolben und der inneren Fläche der Gleitkammer im Falle von Hydraulikzylindern).
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Die 1 zeigt vereinfacht einen Ausschnitt eines Querschnitts eines hydraulischen linearen Stellantriebs bekannten Typs, der in seiner Gänze mit der Bezugsnummer 1 bezeichnet wird. Der Stellantrieb umfasst einen Zylinder 2, worin eine Gleitkammer 3 und ein Kolben 4 definiert werden. Der Kolben weist einen Sitz 5 auf, der durch eine in Umfangsrichtung umlaufende Nut definiert ist, in der ein Dichtring 7 mit kreisförmigem Querschnitt aufgenommen ist. Der Dichtring 7 begrenzt zumindest einseitig (rechte Seite im Falle der 1) einen hydraulischen Kreislauf, in dem ein Betriebsfluid enthalten ist, zum Beispiel ein Öl.
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Zwischen dem Kolben 4 und der Innenfläche der Gleitkammer 3 ist ein Spiel vorhanden, um eine Relativbewegung der beiden Elemente zu ermöglichen, die man erhält, indem der Druck des Betriebsfluids auf einer Seite des Dichtrings 7 erhöht wird. Wenn der Stellantrieb betätigt wird, drückt der Druck den Dichtring gegen eine Wandung des Sitzes 5. Unter diesen Bedingungen ergibt sich nicht selten eine Ausscheidung des den Dichtungsring 7 bildenden Materials durch das Spiel zwischen dem Kolben 4 und der Fläche der Gleitkammer 3.
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Um diesem Problem zu begegnen, das einen rapiden Zerfall des Dichtungsrings zur Folge haben kann, wird oft ein Anti-Extrusions-Ring bzw. ein Stützring verwendet. Der Stützring, zum Beispiel aus PTFE oder NBR, ist im Sitz zwischen dem Dichtring und der Wandung angeordnet, gegen die der Dichtring durch den Druck des Betriebsfluids gedrückt wird. Das Problem der Ausscheidung wird zwar somit gelöst, aber es muss immerhin von einem zusätzlichen Bauteil Gebrauch gemacht werden, was den Zusammenbau komplexer werden lässt und außerdem einen Kostenanstieg mit sich bringt.
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Die bekannten Dichtringe unterliegen darüber hinaus der Bildung von Verschlingungen bzw. Verdrehungen, sowohl während der Montage, als auch durch den Gebrauch. Die Verdrehung kann einen Spannungszustand im Inneren des Materials hervorrufen, der eine rasche Verkürzung der Lebenszeit des Dichtrings verursacht, und der darüber hinaus oberflächliche Riefelungen verursachen kann, die ein Entweichen des Betriebsfluids zulassen.
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Andererseits ist das Überprüfen des Dichtrings nach Verdrehungen selbst bei der Montage keine einfache Aufgabe. Erst recht ist eine Überprüfung aufwendig und komplex, wenn die Apparatur zerlegt werden muss.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Dichtring zu schaffen, der die beschriebenen Nachteile nicht aufweist und der insbesondere das Risiko des Fließpressens und der Verdrehung beseitigt oder wesentlich verringert.
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Nach der folgenden Erfindung wird eine ringförmige bzw. ringartige Dichtung bzw. eine Ringdichtung bzw. ein Dichtring realisiert, der einen Ringkörper, der sich längs eines Umfangs um eine Achse erstreckt, und seitlichen Abstand haltende Elemente, die von mindestens einer Fläche bzw. Seite des Ringkörpers transversal zu einer radialen Richtung vorstehen.
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Die Abstand haltenden Elemente erlauben es, das Risiko des Fließpressens von Material zu beseitigen, wenn der Dichtring in einem Dichtsitz zwischen relativ zueinander gleitenden Organen aufgenommen wird, zum Beispiel im Fall eines Zylinders und eines Kolbens eines hydraulischen Stellantriebs bzw. Aktuators. Wenn der hydraulische Stellantrieb betätigt wird, werden die Dichtelemente der Dichtung gegen eine seitliche Wandung des Sitzes gepresst und halten den Ringkörper hinreichend fern vom Spiel zwischen den gleitenden Organen, um ein Fließpressen zu verhindern.
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Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, die ein nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulichen, wobei
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die 1 ein hydraulisches System zeigt, das einen Dichtring bekannten Typs umfasst;
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die 2 eine perspektivische Ansicht eines Dichtrings entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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die 3 eine Frontalansicht des Dichtrings nach 2 ist;
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die 4 eine Seitenansicht des Dichtrings nach 2 ist;
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die 5 ein partieller Querschnitt des Dichtrings nach 2 entlang der Schnittebene V-V in 3 ist;
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die 6 ein partieller Querschnitt des Dichtrings nach 2 entlang der Schnittebene VI-VI in 3 ist;
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die 7 ein partieller Querschnitt des Dichtrings nach 2 entlang der Schnittebene VII-VII in 3 ist;
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die 8 ein Querschnitt eines Details eines hydraulischen Stellantriebs mit eingebautem Dichtring nach 2 ist, in einer ersten Betriebskonfiguration;
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die 9 ein Querschnitt des Details des hydraulischen Stellantriebs nach 8, in einer zweiten Betriebskonfiguration; und
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die 10 ein Querschnitt des Details des hydraulischen Stellantriebs nach 8, in einer dritten Betriebskonfiguration.
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In den 2 und 3 wird eine ringförmige bzw. ringartige Dichtung bzw. eine Ringdichtung bzw. ein Dichtring (auch „O-Ring” genannt) in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in seiner Gänze mit der Bezugsnummer 10 bezeichnet. Die vorliegende Erfindung kann vorteilhaft insbesondere in Bremseinrichtungen in großen Maschinen eingesetzt werden, wie zum Beispiel in Maschinen zur landwirtschaftlichen Nutzung und Maschinen zur Erdbewegung. Dies sollte aber nicht als Beschränkung aufgefasst werden, insofern ein Dichtring, wie er hier beschrieben und beansprucht wird, in jedem Hydrauliksystem verwendet werden kann, das eine Abdichtung zwischen relativ zueinander gleitenden Teilen benötigt.
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Der Dichtring 10 umfasst einen Ringkörper 11, der entlang eines Umfangs bzw. Kreisumfangs um eine Achse A verläuft. Entlang einer die Achse A enthaltenden Ebene (die zum Beispiel der Schnittebene V-V in der 3 und 5 entsprechen kann), weist der Ringkörper 11 einen kreisförmigen Querschnitt auf (dieser Schnitt wird in der Folge der Einfachheit halber als Querschnitt bezeichnet). Des Weiteren ist der Ringkörper 11 mit seitlichen, Abstand haltenden Elementen versehen, die durch erste Rippen 12 und zweite Rippen 13 definiert sind, die an entgegengesetzten Außenseiten vom Ringkörper 11, transversal zu einer radialen Richtung und im Wesentlichen parallel zur Achse A vorstehen. Der Ringkörper 11, die ersten Rippen 12 und die zweiten Rippen 13 sind einteilig, zum Beispiel aus einem elastomeren Material hergestellt.
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Genauer betrachtet verlaufen die ersten Rippen 12 und die zweiten Rippen 13 umfangartig jeweils auf einer ersten Fläche 11a und auf einer zweiten Fläche 11b des Ringkörpers 11. Die erste Fläche 11a und die zweite Fläche 11b sind im Wesentlichen zur Achse A senkrecht und relativ zueinander gegenüberliegend.
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Die ersten Rippen 12 sind der Reihe nach aufeinander folgend jeweils entlang von Umfangsbögen auf der ersten Fläche 11a des Ringkörpers 11 angeordnet und sind durch erste Zwischenräume 15 voneinander getrennt (man siehe auch die 6). Analog dazu sind die zweiten Rippen 13 der Reihe nach aufeinander folgend jeweils entlang von Umfangsbögen auf der zweiten Fläche 11b des Ringkörpers 11 angeordnet und sind durch zweite Zwischenräume 16 voneinander getrennt (7).
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Insbesondere verlaufen die ersten Rippen 12 und die zweiten Rippen 13 entlang von Umfangsbögen gleicher Ausdehnung. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform beträgt die den ersten Rippen 12 und den zweiten Rippen 13 entsprechende Ausdehnung der Umfangsbögen 44°. Daher weist der Dichtring 10 acht erste Rippen 12 und acht zweite Rippen 13 auf, und die ersten Zwischenräume 15 und die zweiten Zwischenräume 16 haben eine Ausdehnung von jeweils etwa 1°.
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Die ersten Rippen 12 sind gegenüber den zweiten Rippen 13 phasenverschoben bzw. versetzt. Genauer betrachtet sind die ersten Rippen 12 und die zweiten Rippen 13 derart angeordnet, dass sich die ersten Zwischenräume 15 in Winkelstellungen bzw. Winkelpositionen befinden, die mittleren Bereichen der jeweiligen zweiten Rippen 13 entsprechen. Die zweiten Zwischenräume 16 befinden sich dagegen in Winkelstellungen bzw. Winkelpositionen, die mittleren Bereichen der jeweiligen ersten Rippen 12 entsprechen.
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Bei der hier beschriebenen Ausführungsform weisen die ersten Rippen 12 und die zweiten Rippen 13 jeweils Arbeitsflächen 12a, 13a auf, die eben sind und senkrecht zur Achse A sind. Die Arbeitsflächen 12a, 13a sind im Gebrauch dazu vorgesehen an einer Wandung eines Sitzes des Dichtrings 10 anschlagend angeordnet zu werden, wie es im Folgenden noch genauer beschrieben wird.
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Bei einer Ausführungsform sind die ersten Rippen 12 und die zweiten Rippen 13 des Weiteren durch radial äußere und radial innere, zueinander parallele Flächen begrenzt, wie in den 5–7 zu sehen ist. In einer nicht bildlich dargestellten Ausführungsform sind die ersten Rippen 12 und die zweiten Rippen 13 oben und unten durch Oberflächen begrenzt, die vom Ringkörper 11 ausgehend, hin zu den Arbeitsflächen 12a, 13a konvergieren.
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In jedem Querschnitt des Dichtrings 10 ist ein radiales Maß D1 (die der Stärke des Ringkörpers 11 entspricht) geringer als ein transversales Maß D2, das zum radialen Maß D1 senkrecht und zur Achse A parallel ist. Das transversale Maß D2 ist zwischen den Arbeitsflächen 12a, 13a der ersten Rippen 12 und der zweiten Rippen 13 definiert, wo beide vorhanden sind (5). Ein Arbeitsmaß D3 der Arbeitsflächen 12a, 13a in radialer Richtung (senkrecht zur Achse A) ist geringer als das radiale Maß D1 (und daher als die Stärke des Ringkörpers 11). In radialer Richtung liegen die Arbeitsflächen 12a, 13a daher innerhalb einer Bandbreite, die durch das radiale Maß D1 bzw. praktisch durch den Raumbedarf des Ringkörpers 11 definiert ist.
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Durch die Anwesenheit und die Form der Abstand haltenden Elemente, die in der beschriebenen Ausführungsform die ersten Rippen 12 und die zweiten Rippen 13 umfassen,
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Die 8 zeigt den Dichtring 10 in Verwendung in einem hydraulischen Stellantrieb bzw. Aktuator 20, der einen Zylinder 21 umfasst, in dessen Inneren eine Gleitkammer 22 definiert ist, und einen Kolben 23, der innerhalb der Gleitkammer 22 gleiten kann. Der Kolben 23 weist einen Ringsitz 25 auf, an dem der Dichtring 10 aufgenommen ist, der einem Entweichen eines in einem (nicht gezeigten und zum Beispiel in der Konfiguration nach 8 rechts vom Dichtring 10 angeordneten) hydraulischen Antriebskreislauf wirksamen Betriebsfluids vorbeugt. Insbesondere bietet der Dichtring 10 eine radiale Abdichtung im statischen Fall und beim Gleiten zwischen der Gleitkammer 22 des Zylinders 21 und dem Kolben 23.
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Wenn der hydraulische Stellantrieb 20 betätigt wird, schiebt der Drucküberschuss im hydraulischen Antriebskreislauf den Dichtring 10 gegen eine gegenüberliegende antagonistische Oberfläche im Ringsitz 25. Dennoch treten nur die Arbeitsflächen der Abstand haltenden Elemente, die zur antagonistischen Oberfläche gewandt sind (in diesem Fall die Arbeitsflächen 13a der zweiten Rippen 13), tatsächlich mit der Anschlagfläche in Kontakt, wodurch ein Fließpressen von Material durch das Spiel zwischen dem Kolben 23 und der inneren Oberfläche der Gleitkammer 22 vermieden wird. Trotz der Deformation des elastomeren Materials verhindern die Abstand haltenden Elemente in der Tat, dass irgendein Teil des Dichtrings 10 den nahesten Rand an der Gleitkammer 22 des Ringsitzes 25 erreicht.
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Man erhält so ein zweifaches Ergebnis. Zum Einen wird die Abnutzung des Dichtrings aufgrund von Fließpressen vermieden oder zumindest wesentlich verringert, und dies ohne zusätzliche Bauteile wie Stützringe zu verwenden. Der Dichtring hat somit eine längere Lebensdauer und die Qualität der Dichtung wird im Gegensatz zu den konventionellen Lösungen gewährleistet. Die Montage wird unter anderem auch dadurch vereinfacht, dass der Ringkörper einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und somit leicht geweitet werden kann, und die Kosten werden, gegenüber Lösungen, die den Gebrauch eines Stützrings vorsehen, gesenkt. Zum Anderen ergibt sich eine bessere Entsprechung zwischen dem theoretischen Durchsatz und dem effektiv benötigten Durchsatz an Betriebsfluid, um den hydraulischen Stellantrieb zu betätigen, der den erfindungsgemäßen Dichtring beinhaltet. Das Fließpressen bringt eine Vergrößerung an freien Volumen innerhalb des Dichtring-Sitzes mit sich und damit einen größeren Bedarf an Betriebsfluid. Dieses Phänomen wirkt sich natürlich auf die Effizienz des hydraulischen Stellantriebs aus, dessen Betrieb sich von den Spezifikationen um ein nicht vorhersehbares Quantum entfernt.
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Die Abstand haltenden Elemente tragen dazu bei, das Verdrehungs-Risiko des erfindungsgemäßen Dichtrings zu verringern. Ein erster Vorteil ist darauf zurückzuführen, dass die Rippen 12, 13 eine Verdrehung sofort sichtbar machen, und es ist daher leicht nachzuprüfen, ob die Montage korrekt stattgefunden hat. Des Weiteren verleihen die Rippen 12, 13 dem Dichtring 10 eine erhöhte Verdrehfestigkeit, und, noch wichtiger, wirken sie im Betrieb den Wandungen des Ringsitzes 25 entgegen und verhindern dadurch praktisch eine Rotation des Dichtrings 10, wie am Beispiel anhand der 9 gezeigt. Der Ringsitz 25 ist in der Tat nach Maß in Bezug auf die Stärke des Ringkörpers 11 gefertigt, sprich auf das radiale Maß D1 (5). Durch die Anwesenheit der Abstand haltenden Elemente, die durch die Rippen 12, 13 definiert sind, ist das transversale Maß D2 größer als das radiale Maß D1, und daher ist eine Verdrehung des Dichtrings 10 im Ringsitz 25 in allen Betriebslagen, außer im Falle schwerwiegender Anomalien, de facto verhindert.
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Die zwischen die Rippen 12, 13 versetzten Zwischenräume 15, 16 erleichtern die Montage des Dichtrings 10, ohne die Torsionssteifigkeit im Wesentlichen zu verringern. Während der Montage wird der Dichtring 10 in der Tat komprimiert, und die Zwischenräume 15, 16 erlauben die Ausdehnung der Rippen 12, 13. Des Weiteren begünstigt die Anwesenheit der Zwischenräume 15, 16 die Zirkulation des Betriebsfluids im Teil des Ringsitzes 25, der unter Druck steht, da, wie in der 10 gezeigt, der freie Querschnitt in der Regel vergrößert wird. Der Vorteil ist besonders ausgeprägt, wenn der hydraulische Stellantrieb 20 freigegeben wird und der Dichtring 10 gegen die Wandung des Ringsitzes 25 auf der Seite des Betätigungskreislaufs gedrückt wird. Wenn der Dichtring 10 nochmals betätigt wird, liefern die Zwischenräume 15, 16 sofort einen Durchgang, der zur Zirkulation des Betriebsfluids verfügbar ist. Die verbesserte Füllung des Ringsitzes 25 garantiert somit eine größere Effizienz des Dichtrings.
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Die Rippen 12, 13, die auf entgegengesetzten Flächen des Ringkörpers 11 angeordnet sind, erlauben es außerdem, den Dichtring 10 in Hydrauliksystemen mit bidirektionalem Antrieb zu verwenden.
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Selbstverständlich kann der beschriebene Dichtring verändert und variiert werden, ohne deshalb den geschützten Rahmen zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
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Zum einen könnten die Abstand haltenden Elemente auch auf einer einzigen Fläche des Ringkörpers anwesend sein, insbesondere wenn der Antrieb unidirektional ist.
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Des Weiteren ist offensichtlich, dass der Dichtring mit einer unterschiedlichen Anzahl von Abstand haltenden Elementen versehen sein kann. Darüber hinaus müssen die Abstand haltenden Elementen nicht die gleiche Weite untereinander aufweisen, sondern sie könnten jeweils auch unterschiedlichen Umfangsbögen entsprechen. Auch die Verteilung der Abstand haltenden Elementen könnte an den zwei Flächen des Ringkörpers verschieden sein (zum Beispiel könnte an einer Fläche eine größere Anzahl von Abstand haltenden Elementen sein als an der anderen). Umgekehrt können die Zwischenräume, die die Abstand haltenden Elemente trennen, an den gegenüberliegenden Flächen des Ringkörpers korrespondieren.
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Bei anderen Ausführungsformen können die Abstand haltenden Elemente am ganzen Umfang durchgehen.
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Darüber hinaus können die Arbeitsflächen der Abstand haltenden Elemente abgerundet anstatt plan sein.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dichtring, der einen Ringkörper 11 umfasst, der entlang eines Umfangs um eine Achse verläuft und einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, und seitliche Abstand haltende Elemente 12, 13 umfasst, die von mindestens einer Fläche 11a, 11b des Ringkörpers (11) transversal zu einer radialen Richtung vorstehen.
