DE2409877B2 - Kolbenabdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenabdichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Kolbenabdichtung ist aus der US-PS 12 411 bekannt. Hier ist der gesamte Kolbenkopf so mit V-förmigen umlaufenden Rillen versehen, daß aufeinanderfolgende sich radial nach außen erstreckende und im Querschnitt dreieckförmige Rippen entstehen. Über den Kolbenkopf wird ein napfartiges Gebilde aus Polytetrafluoräthylen aufgezogen und in eine genau dem Durchmesser der Zylinderbohrung, für die der Kolben bestimmt ist, entsprechende Bohrung einer Vorrichtung eingedrückt. Diese Bohrung ist zur Einführungsseite hin trichterförmig erweitert. Durch diese Maßnahme werden die Rippen in das PTFE-Material eingedrückt und das napfartige Dichtungsgebilde an dem Kolbenkopf festgehalten. Der radial am weitesten innen liegende Teil der Rillen, der noch nicht von dem PTFE-Material erfüllt ist, bietet einen Ausdehnungsraum für dieses Material bei Erwärmung. Bei größeren Temperaturunterschieden und Langzeitlauf, wie er insbesondere bei einer Verwendung derartiger Kolbenabdichtungen in Kompressoren für Kühlanlagen erforderlich ist, ist es nötig, zusätzlich zu der PTFE-Abdichtung einen Elastomer-Dichtring unterhalb des PTFE-Materials einzulegen (Fig. 7, 8 der genannten Patentschrift), um eine dauerhafte und zuverlässige Abdichtung zu schaffen. Das Einbringen eines elastomeren Dichtrings über die gerillte Oberfläche des Kolbenkopfes bietet Verletzungsgefahr für den elastischen Ring und kompliziert und verteuert die Herstellung der Dichtung.

Die Anwendung elastischer Ringe zur Ermöglichung der Vorspannung bei PTFE-Dichtungen ist beispielsweise auch aus der CH-PS 4 61 203 bekannt, bei der ein in eine umlaufende Nut eines Kolbens eingesetzter PTFE-Ring durch einen elastomeren Ring elastisch gegen die Zylinderwand gedrückt wird. Der PTFE-Ring ist an seiner Innenfläche dachkantenförmig ausgestaltet, die Außenfläche ist an den Kanten abgeschrägt und zur Erhöhung der Beweglichkeit der Kantenabschnitte des Ringes mit umlaufenden Nuten versehen. Wegen der besonderen Eigenschaften des PTFE-Materials ist eine derartige Form entweder nur durch eine kostspielige spanabhebende Bearbeitung oder durch den erst in jüngster Zeit eingeführten, gleichfalls aufwendigen isostatischen Preßvorgang herstellbar.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Koibenabdichtung der eingangs erwähnten Gattung unter Beibehaltung der durch die Verwendung von PTFE erreichten Wärmefestigkeit und chemischen Beständigkeit insbesondere für den Einsatz in Kältekompressoren für Klimaanlagen zu schaffen, die bei der Herstellung in Großserien einfach und wirtschaftlich herstellbar ist und eine Wartungsfreiheit über längere Dauer gewährleistet

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kolbenabdichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Die für die erfindungsgemäße Kolbenabdichtung herzustellende Nut ist beispielsweise durch einen Formstahl in den fertig geschliffenen Kolben einfach einzubringen. Falls Konzentrizitätsfehler zwischen dem Nutgrund und damit den Rippen und der Kolbenaußenfläche entstehen, wird durch verschieden tiefes Einarbeiten der Rippen in das Material des Dichtrings auf einfache Weise ein Ausgleich erzielt. Das Einformen des Dichtrings über die beiden hervorstehenden Rippen ergibt durch die umlaufenden, an die Seitenwände der Nut angrenzenden radialen Ringausnehmungen eine ballige, torusartige Form des fertiggestellten Dichtrings, wobei diese Form durch die aus der Schalentheorie bekannte Formelastizität des entstehenden Gebildes bewirkt, daß die nur in geringem Maße vorhandene Elastizität des PTFE-Materials ausgeglichen wird. Auf diese Weise ist eine gute Abdichtung gegen die Zylinderwand auch bei unterschiedlicher Temperatur und wechselnder Beanspruchung gewährleistet.

Die seitlichen Enden des Dichtringes können bei Einführung des Kolbens in die Zylinderbohrung in die Ringausnehmungen ausweichen, so daß auch dieser Vorgang erleichtert wird, ohne daß eine — mechanisch nur aufwendig herstellbare — seitliche Abschrägung des Dichtrings wie bei der CH-PS 4 61 203 nötig ist.

Zwar ist aus der FR-PS 14 64 702 eine Kolbenabdichtung bekannt, bei der ein torusförmiger Dichtring in eine mit seitlichen radialen Ringausnehmungen versehene Nut mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt

eingesetzt ist, wobei der Dichtring in den genau passenden Ringausnehmungen verankert ist und so in seine ballige Torusform vorgespannt wird, doch ist bei Verwendung von PTFE eine derartige Ausführung nur zu erreichen, wenn der Kolbenkopf, wie in der genannten Schrift gezeigt, aufwendig aus einzelnen Ring- und Scheibenelementen zusammengesetzt und verschraubt wird und der Dichtring selbst eine für PTFE-Material nur durch aufwendige mechanische Bearbeitung oder durch das gleichfalls kostspielige, bereits erwähnte isostatische Preßverfahren zu erreichende besondere Form besitzt.

Es ist aus der DE-AS 10 48 081 ein Spielausgleichring aus Kunststoff bekannt, der im kalten Zustand den Schaft eines Kolbens gegen die zugehörige Zylinderwand abstützen soll. Der bekannte Ring besitzt bei zylindrischer Innenfläche eine wellenförmig mit zwei umlaufenden bogenförmigen Vertiefungen versehene Außenfläche. Der seitlich in radialer Richtung breiter werdende Ring sitzt in einer entsprechend ausgebildeten Nut mit einem wellenförmig ausgebildeten Nutgrund, wobei zwei umlaufende gebogene Erhebungen den beiden Vertiefungen der Ringaußenfläche gegenüberliegen, so daß bei Erwärmung die verstärkten Bereiche des Ringes in die vertieften Stellen des Nutgrundes ausweichen können. Dieser bekannte Dichtring ist gleichfalls von einer für PTFE-Material ungünstigen und nur aufwendig herzustellenden Form und die zugehörige Nut ist wegen der nötigen Hinterstechung der Seitenwände und der erforderlichen μ Konzentrizität des Nutgrundes mit der Kolbenaußenfläche ebenfalls vergleichsweise aufwendig herzustellen.

Besondere Vorteile bietet eine Kolbenabdichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 2. Dadurch wird das »Rückerinnerungsvermögen« des PTFE-Materials ausgenutzt, das darin besteht, daß kaltverformtes derartiges Material bei Wiedererwärmung seine ursprüngliche Form wieder einzunehmen trachtet Da die beiden Seitenkanten des eingearbeiteten Dichtrings vor dem Aufziehen auf den Kolben einen au geringeren Durchmesser besitzen als im eingeformten Zustand, werden die Seitenkanten bei Erwärmung sich zusammenziehen, wodurch die genannte torusförmige Gestalt durch Zusammenwirken mit den beiden in den Dichtring eingedrungenen umlaufenden Rippen und damit auch die elastische Vorspannung des Dichtringes gegen die Zylinderwand verstärkt wird. Die Fertigung der Kolbenabdichtung wird verbilligt und die erwähnte Ausnutzung des »Rückerinnerungsvermögens« des Materials besonders gut ausgenutzt mit einer Kolbenabdichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 3.

!Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung der Kolbenabdichtung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 4, da auf diese Weise die dem Druckraum des Kolbens zu gelegene Seite des Dichtrings, die aus dem stärker gedehnten Material entstanden ist, sich auch stärker zusammenziehen kann und so der Dichtring im Betrieb der Druckseite des Zylinderraumes zu eine besonders günstige Gestalt t>o erhält

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung erläutert; in dieser zeigt

F i g. 1 einen mit der erfindungsgemäßen Nut ausgestatteten zum Aufziehen des Dichtrings vorbereiteten Doppelkolben in teilweise aufgeschnittener Seitenansicht,

Fig.2 eine vergrößerte Darstellung der aus Dichtring und Ringnut gebildeten Kolbenabdichtung vor dem Einformen des Dichtrings,

F i g. 3 in ähnlicher Darstellung wie F i g. 2 die Abdichtung nach Ende des Dichtring-Einformvorgangs mit einer als Einformwerkzeug benutzten Rolle, und

F i g. 4 eine Teilschnittansicht tines Kompressor-Zylinderblocks mit eingesetztem doppeltwirkenden Kolben.

In Fig.4 ist ein Kompressor-Zylinder für ein doppeltwirkenden Axialkolbenkompressor mit zwei einander gegenüberliegenden Zylinderblöcken 10 bzw. 12 gezeigt, wobei die Zylinderblöcke Zylinderbohrungen 14 bzw. 16 aufweisen, in denen ein doppeltwirkender Kolben 18 angeordnet ist. Die beiden Zylinderblökke 10 und 12 sind in einem (nicht gezeigten) äußeren Mantel angeordnet, wobei der doppeltwirkende Kolben 18 durch die Drehung einer (nicht gezeigten) Welle, die in miteinander fluchtenden Bohrungen 20 und 22 aufgenommen ist, hin und her bewegt wird. Der Kolben 18 besitzt in seinem Mittelabschnitt eine Ausnehmung 24, die den Außenrand einer (nicht dargestellten) Taumelscheibe umfaßt, so daß die Drehung der Taumelscheibe die Hin- und Herbewegung des Kolbens erzeugt. In dem Kolben sind Kugellager-Aufnahmen 26 und 28 (Fig. 1) vorgesehen, so daß sich darin angeordnete (nicht dargestellte) Kugellager gegen die Taumelscheibe abstützen können.

Der doppeltwirkende Kolben 18 besteht vorzugsweise aus Aluminiumguß und weist den jeweiligen Kolbenköpfen 34 bzw. 36 benachbart Ringnuten 30 bzw. 32 auf. Die Ringnuten 30 und 32 sind spiegelbildlich zueinander aufgebaut und es wird im folgenden nur die in F i g. 1 rechts dargestellte Nut beschrieben, wobei die Erläuterungen sinngemäß auch für die links dargestellte Nut 32 gelten.

Die Nut 30 weist nach F i g. 2 vordere und hintere radiale Nutseitenwände in Abstand voneinander auf und zeigt einen sich im wesentlichen axial erstreckenden Nutgrund 42. An den Nutseitenwänden 38 und 40 sind jeweils radiale Ausnehmungen 44 bzw. 46 angebracht. Die radialen Ausnehmungen 44 und 46 besitzen zur Mitte der Nut hin geneigte innere Seitenwände 48 bzw. 50, zwischen denen sich der im wesentlichen axial verlaufende Nutgrund 42 erstreckt. Über diesen Nutgrund 42 erheben sich vordere und hintere ringförmige Rippen 52 bzw. 54 von dreieckigem Querschnitt, die in bezug auf die Breite der Nut asymmetrisch so angeordnet sind, daß die vordere, d. h. dem Kolbenkopf zu liegende Rippe 52 sich in der Nähe der Mittelebene 56 der Nut befindet, während die hintere Ringrippe 54 sich etwa in der Mitte zwischen dieser Mittelebene und der rückwärtigen Seitenwand 40 der Nut 30 befindet.

Bei einer bevorzugten Ausführung beträgt der Außendurchmesser des zylindrischen Kolbenumfangs 58 etwa 38,0 mm, während der über dem Nutgrund 42 gemessene Durchmesser etwa 36,7 mm beträgt, so daß sich eine Nuttiefe von etwa 0,65 mm ergibt Da der Spitzendurchmesser der Ringrippen 52 und 34 bei etwa 37,5 mm liegt, ergibt sich eine Erhebung der Rippen über dem Nutboden 42 von ca. 0,4 mm, und die Spitzen der Rippen sind um ca. 0,25 mm gegen die Kolbenaußenfläche 58 nach innen versetzt Damit nehmen die Ringnppen 52 und 54 vorzugsweise mehr als die Hälfte, nämlich etwa V5 des Radialabstandes zwischen dem Nutboden 42 und der Kolbenaußenfläche 58 ein. Bei der beschriebenen Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen der Spitze der vorderen Rippe 52 zur

Seitenwand 38 ca. 1,5 mm, während der Abstand der Spitze der hinteren Ringrippe 54 zu der hinteren Seitenwand 40 etwa 1,1 mm beträgt.

In der Fig. 1 sind die Dichtringe 60 und 62 in ihrer Ausgangsform dargestellt, in der sie eine leicht konisch geformte Ringscheibe bilden. Wegen dieser Ausgangsform weisen die fertig eingeführten und eingeformten Dichtungsringe 60 und 62 nach F i g. 2 einen nach außen gebogenen Querschnitt auf, wobei die jeweiligen Enden 63 und 64 des Dichtrings einen bestimmten Abstand von der jeweils zugehörigen vorderen und hinteren Nutseitenwand 38 bzw. 40 aufweisen. Jeder der Dichtringe 60 und 62 besitzt in der bevorzugten Ausfiihrungsform eine Stärke von etwa 0,65 mm, so daß die ballig geformte Außenumfangsfläche 66 sich zunächst außerhalb des Kolbenumfangs 58 befindet.

Die Dichtringe 60 und 62 werden durch axiales Andrücken einer Reihe von Rollen 70 aus der in F i g. 2 dargestellten Form in die in F i g. 3 dargestellte Form gebracht, wobei jeweils ihr Innenumfang 68 von den Rippen 52 und 54 soweit durchdrungen wird, daß eine Abdichtung gewährleistet ist. Als wichtiges Merkmal der Erfindung ist anzumerken, daß die Stärke des Dichtrings 60 (0,65 mm) so in bezug auf die radiale Tiefe der beiden mit einem Abstand voneinander versehenen Rippen 52 und 54 (0,4 mm) gewählt wurde, daß jeweils ein Eindringen der äußersten Kanten 72 bzw. 74 der Rippen 52 bzw. 54 gewährleistet ist, und zwar bis zu einer Tiefe, die etwa die Hälfte der Stärke der Dichtringe beträgt, wie es in F i g. 3 für den Dichtring 60 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine zulässige Konzentrizitäts-Toleranz von ca. 0,13 mm vorhanden ist, zeigt es sich, daß der Dichtring 60 durch die Rippen 52 und 54 auf der einen Seite stärker und auf der anderen Seite schwächer durchdrungen wird, wenn die Rollen 70 an dem Außendurchmesser 58 des Kolbens 18 ablaufen. Mit den genannten Toleranzen dringen die Außenkanten 72 und 74 der Rippen etwa 0,25 mm bis etwa 0,5 mm in die Dichtungsringe 60 und 62 ein, so daß dadurch eine genügende Abdichtung des Innenumfangs 68 gegen die Rippen gewährleistet ist, ohne die Wirksamkeit der Außenfläche 66 des Dichtringes zu beeinträchtigen.

Weiterhin wird während des Rollvorgangs durch die asymmetrische Anordnung der Rippe 52, die gegen die Mittelebene 56 hin verschoben ist, bewirkt, daß das vordere Ende 63 des Ringes weiter in die radiale Ringausnehmung 44 eindringen kann, so daß an den jeweiligen Kolbenkopfenden 34 und 36 des doppeltwirkenden Kolbens 18 ein leichtes Einbringen in die

ίο entsprechenden Zylinderbohrungen 14 und 16 ermöglicht wird. Da die in F i g. 2 dargestellte Anfangs-Axialabmessung bei der bevorzugten Ausführung ca. 3,81 mm beträgt, während die Nut 30 zwischen den Nutwänden 38 und 40 einen Abstand von etwa 4,06 mm aufweist, ist genügend Freiheit für die Enden 63 und 64 des Ringes gegeben, so daß der Ring in die in F i g. 3 dargestellte Lage gerollt werden kann.

Die Ringe 60 und 62 sind aus einem Fluorkohlenwasserstoffmaterial hergestellt, das in der beschriebenen Ausführung ein Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Graphitanteil von etwa 10 Gewichtsprozenten ist Die Ringe wirken so, daß zwischen Zylinderwand und Kolben eine Abdichtung besteht, die den Durchtritt von gasförmigem Kühlmittel um den Außenumfang des Kolbens verhindert.

Als besonders einfach hat es sich erwiesen, wenn in der Herstellung die Ringe von einem rohrförmigen Element einzeln abgestochen werden. Die sich dadurch ergebenden Ringe können in der Ausgangsform eine leicht konische Gestalt aufweisen, wie es in F i g. 1 dargestellt ist. Um die nach außen konvexe Gestalt nach F i g. 2 und 3 zu erreichen, ist es am besten, wenn die genannten Ausgangsringe in der in F i g. 1 gezeigten Weise in die jeweiligen Nuten eingebracht werden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sollten die Dichtungsringe vor dem Zusammenbau einen Außendurchmesser von etwa 34,67 mm bei einem Innendurchmesser von etwa 30,86 mm aufweisen, wenn der Kolben einen Außendurchmesser von 38,0 mm besitzt und der Durchmesser des Nutgrundes 36,7 mm beträgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kolbenabdichtung für einen in einem Zylinder verschieblich aufgenommenen Kolben, bestehend aus wenigstens einer in die Wandung des Kolbenkopfes eingearbeiteten, umlaufenden Nut, in die ein mit einem Teil seines Querschnitts aus ihr hervorstehender geschlossener Polytetrafluoräthylenring derart eingeformt ist, daß sich vom Nutgrund radial nach außen erstreckende, im Querschnitt dreieckförmige Rippen bleibend in diesem Polytetrafluoräthylenring gelegen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Nut (30, 32) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzt und der Nutgrund (42) angrenzend an die Seitenwände (38,40) jeweils umlaufende, radiale Ringausnehmungen (44, 46) aufweist, daß zwei dreieckförrciigen Querschnitt aufweisende ringförmige Rippen (52, 54) mit gegenseitigem axialem Abstand am Nutgrund (42) angeordnet sind und die Spitzen (72, 74) dieser ringförmigen Rippen radial innerhalb der Kolbenaußenfläche (58) liegen und daß der Polytetrafluoräthylenring (60, 62) derart bleibend in die Nut (30, 32) eingeformt ist, daß er sich auch in die angrenzend an die Seitenwände (38, 40) der Nut gelegenen Ringausnehmungen (44,46) erstreckt.

2. Abdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polytetrafluoräthylen-(PTFE)-ring (60, 62) aus einem leicht konischen, flachen Ring durch Aufziehen auf den Kolben und Einrollen in die Nut hergestellt ist.

3. Abdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring durch Abstechen aus einem PTFE-Rohr hergestellt ist, das einen etwas geringeren Außendurchmesser als der Außendurchmesser der Kolbenaußenfläche (58) und eine etwa der Nutbreite entsprechenden Wandstärke aufweist.

4. Abdichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kolbenkopf (34,36) am nächsten liegende, vordere Rippe (52) von der vorderen Nutseitenwand (38) eine Entfernung von etwas weniger als der halben axialen Nutbreite aufweist und daß die andere Rippe (54) von der hinteren Nutseitenwand (40) eine Entfernung von etwa einem Viertel der axialen Nutbreite aufweist.