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Dichtung für hydraulische Kolben oder Kolbenstangen Zusatz zu Patent
(Patentanmeldung P 23 25 00002-12) Die Erfindung betrifft eine Dichtung für hydraulische
Kolben oder Kolbenstangen mit einem Dichtring aus Funststoff vorzugsweise auf der
Basis von Polytetrafluor;-;thylen, als Berührungsdichtung zwischen einem ruhenden
und einem beweglichen Maschinenteil, wobei der Dichtring hochdruckseitig eine Ausdrehung
aufweist, die in eine schmale Berühungsfläche zwischen dem Dichtring und dem abzudichtenden
Maschinenteil übergeht, an die sich niederdruckseitig.
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eine zusammen mit dem bewegten Maschinenteil einen sich unter einem
kleinen Winkel öffnenden keilförmigen Ringspalt bildende Fläche anschließt, bei
welcher Dichtung ein auf den Dichtring radial einwirkender elastischer Spannring,
vorzugsweise aus Gummi, vorgesehen ist, nach Patent .0 (Patentanmeldung P 23 25
000.2-1-2), wobei der Dichtring zähelastisch und der Spannring hochelastisch ist,
oder mit einem aus einer Werkstoffkombination hergestellten Ring mit einem zähelastischen
Dichtungsabschnitt, der die Ausdrehung, die schmale Berührungsfläche und die den
keilförmigen Ringspalt bildende Fläche aufweist, und einem hochelastischen Spannabschnitt,
wobei der Dichtring bzw. der Dichtungsabschnitt eine eigenelastische radiale Vorspannung
und eine infolge der Druckverhältnisse wirksame Abdichtung nach außen aufweist.
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Bei derartigen Kolben und Kolbenstangendichtungen ist es erforderlich,
eine geringe Leckage bei hin- und hergehen der Bewegung des Kolbens oder der Kolbenstange
zu erreichen, um zu große Verluste der Hydraulikflüssigkeit zu vermeiden. Zu diesem
Zweck werden uoa. Dichtungen aus Kunststoff, Gummi oder einer Kunststoffmischung
verwendet, die im wesentlichen einen etwa rechteckförmigen Dichtungsabschnitt zur
Abdichtung des relativ bewegten Spaltes zwischen den beweglichen Maschinenteilen
und einem ebenfalls im Querschnitt rechteckförmigen oder abgerundeten Spannabschnitt
zur sekundären Abdichtung und Vorspannung des Dichtungs abschnittes des Dichtringes
aufweisen. Ein solcher Dichtring ist im allgemeinen in einer Aufnahmenut eines Gehäuses
(als Stangenabdichtung) bzw0 eines Kolbens (als Kolbenabdichtung) untergebracht.
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Der Dichtring besteht vorzugsweise aus Teflon.
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Infolge einer radialen Vorspannung des Spannabschnittes zwischen dem
Grund der Aufnahmenut und der dem bewegten Dicht spalt zugekehrten äußeren (bei
Stangenabdichtungen) bzw9 inneren (bei xolben lo L,4 t u'Ittiren) Mantelfläche des
Dichtringes wird der sekundäre Leckweg zwischen dem Dichtring und dem Nutgrund verschlossen.
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Die Praxis hat gezeigt, daß einerseits bei solchen Dichtringen zwar
Dichtungsschäden infolge Extrusion des Dichtungsabschnittes des D1chtringes vermindert
werden können, daß andererseits aber hohe Verschleißerscheinungen sowie ruckartiges
Gleiten bei niedriger Hubgeschwindigkeit und beim Anfahren der Maschinenteile infolge
des Auftretens noch zu großer Reibungskräfte bzw. Losbrechkräfte erhebliche Leckverluste
verursachen und die Lebensdauer und Betriebs zuverlässigkeit stark beeinträchtigen0
Dies hat seine Ursache auch darin, daß bei hin- und hergehender Bewegung der Maschinenteile
infolge der Konsistenz des abzudichtenden Fluids im bewegten Dichtspalt eine Schleppströmung
auftritt, die zu einer Schmierfilmbildung und damit zu zeitweiser Trennung der abzudichtenden
Berühungsflächen führt. Infolge der asymmetrischen Pressungsverteilung in der Berührungsfläche
wird beim Vor-und Rückhub ein Schmierfilm unterschiedlicher Dicke gebildet, was
eine Ansammlung von Fluid am niederdruckseitigen Ende des Dichtspaltes und damit
eine nicht mehr vertretbare hohe Leckage verursacht0 Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, die Leckage bei der Hin- und Herbewegung der Kolbenstange bzw. des Kolbens
und die Reibungswerte der bekannten Dichtungen zu verringern.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bereits durch die
im Hauptpatent beschriebene Dichtung für hydraulische Kolben oder Kolbenstangen
mit einem Dichtring aus Kunststoff im wesentlichen auf der Polytetrafluoräthylenbasis
als Berührungsdichtung zwischen ruhendem und bewegtem Maschinenteil und einem den
Dicht ring radial spannenden und abdichtenden, gummielastischen Spannring gelöst,
die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Dichtring zusammen mit dem bewegten Maschinenteil
(Zylinderbohrung oder Stangenoberfläche) einen zur Niederdruckseite hin sich unter
einem kleinen Winkel öffnenden Spalt bildet, wobei das hochdruckseitige Ende der
den Spalt bildenden Umfangsfläche des Dichtrings in eine schmale Berührungsfläche
mit dem bewegten Maschinenteil übergeht und daß daran sich hochdruckseitig ebenfalls
eine Erweiterung anschließt; diese Erweiterun st bei einer Ausführungsform des Hauptpatents
als Ausdrehung ausgebildet.
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Die vorliegende Erfindung verbessert die Dichtung nach dem Hauptpatent
und besteht darin daß zwei einzelne Dichtungen mit axialem Abstand hintereinander
angeordnet sind und einen Raum zwischen dem ruhenden und dem beweglichen Maschinenteil
einschließen. Dabei steht der Raum zwischen-den zwei axial hintereinander angeordneten
Dichtungen einerseits mit dem kreisförmigen Ringspalt des ersten Dichtringes und
andererseits mit der Ausdrehung des zweiten Dichtringes in Verbindung.
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Die Anordnung zweier einen Raum einschließenden Dichtringe hintereinander
hat in Verbindung mit der Formgestaltung des Dichtrings im Dichtspalt, wobei insbesondere
die Formgebung der hochdrucksitigen Aus drehung und des niederdruckseitigen keilförmigen
Ringspalts von entscheidender Bedeutung sind, zur Folge, daß das sich im Raum ansammelnde
Lecköl nicht abgestreift, sondern infolge eines sich im Raum beim Hinhub aufbauenden
Druckpotentials während des Stillstandes und beim Rückhub des bewegten Maschinenteils
vom Raum zur Hochdruckseite in den Arbeitsraum zurückgefördert wird. Diese Erscheinung
tritt jedoch erst dann auf, wenn zwei Dichtungen mit der beschriebenen Formgestaltung
axial hintereinander angeordnet sind0 Versuche haben das überraschende Ergebnis
gezeigt, daß der Ölverlust durch Leckage bei erfindungsgemäßer Anordnung von zwei
Dichtungen axial hintereinander etwa um das 40-fache gegenüber der Anordnung einer
einzelnen Dichtung verringert wird0 Im einzelnen kann bei einer besonders günstigen
Ausführungsform die Berührungsfläche des Dichtringes bzw. des Dichtungsabschnittes
scharfkantig geformt sein und mit dem abzudichtenden Maschinenteil eine Linienberührung
bilden.
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Infolge einer solchen Formgebung tritt eine erhebliche Verminderung
der lieibungsverluste ein, weil infolge eines günstigen Verhaltens der einzelnen
Dichtringe Extrusionserscheinungen weitgehend ausgeschaltet sind.
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Die Praxis hat ergeben, daß äe nach verwendetem Werkstoff für den
Dichtring die günstigste Größe für den Winkel des keilförmigen Ringspaltes zwischen
5 und 10 Winkelgrade, vorzugsweise bei 7 Winkelgrad, liegt, Durch die Formgebung
der einzelnen Dichtringe wird auch erreicht, daß die Berührungsfläche, wenn sie
zylinderförmig ausgebildet ist, in axialer Richtung sehr kurz ist und scharfkantig
in eine hochdruckseitige, am Dichtring ausgebildete Stirnfläche übergeht. Dadurch
wird am hochdruckseitigen Anfang der Berührungsfläche ein sehr steiler Anstieg der
Flächenpressung zwischen Dichtring und abzudichtender Stange erreicht, während am
niederdruckseitigen Ende der Berührungsfläche ein sehr flacher Abfall der Flächenpressung
eintritt, Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des einzelnen Dichtringes wird erreicht,
indem die zylinderringförmige Berührungsfläche vorzugsweise etwa im mittleren Bereich
der gesamten Länge eines Dichtringes angeordnet ist. Auf diese Weise können das
auf den Dichtring einwirkende Kippmoment verringert und damit die Reibungskräfte
vermindert werden. Diese '2tatsache ist insbesondere bei zwei hintereinander angeordneten
Dichtungen von Vorteil.
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Da bei steigendem Abdichtdruck eine weitere elastische Verformung
des Dichtungsabschnittes des Dichtringes den Winkel des Ringspaltes verkleinert,
wird gerade bei höheren Drücken im Raum zwischen zwei axial hintereinander liegenden
Dichtungen der hydrodynamische Rücktransport von an der Gleitfläche haftendem Öl
begünstigt.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels,
das eine Stangenabdichtung veranschaulicht, wird die Erfindung beschrieben.
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In der Zeichnung sind die Möglichkeiten einer Stangen-bzw. einer Kolbenabdichtung
dargestellt. Bildet die Linie I-I die Mittelachse, so handelt es sich um eine Kolbenabdichtung.
Ist die Linie II-II die Mittelachse, so liemt eine Stangenabdichtung vor.
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In der Zeichnung bedeutet PH den höheren und PN den niedrigeren abzudichtenden
Druck zu beiden Seiten einer aus zwei axial hintereinander angeordneten Dichtungen
211 und 212 bestehenden Dichtung0 Jede Dichtung 211 und 212 besteht aus einem Dichtring
213 bzw. 214, die je von einem als 0-Ring ausgebildeten Spannring 220 bzw. 221 in
radialer Richtung auf den abzudichtenden Maschinenteil vorgespannt sind. Während
die Dichtringe 213 und 214 vorzugsweise aus einem Kunststoff auf der Basis von Polytetrafluoräthylen
bestehen, wird als Werkstoff für die Spannringe 220 und 221 bevorzugt Gummi verwendet.
Die Dichtungen 211 und 212 sitzen jeweils in einer im festen Maschinenteil 216 eingearbeiteten
umlaufenden Aufnahmenut 217.
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Jeder Dichtring 213 und 214 ist hochdruckseitig mit einer stufenförmigen
Ausdrehung 219 versehen, die eine von einer Berührungsfläche 224 scharfkantig ausgehenden
Stirnfläche 225 aufweist. Diese Ausdrehung 219 bildet einen verhältnismäßig großen
Spalt zwischen der inneren
Mantelfläche 226 der Ausdrehung 219 und
der Mantelfläche 213 der Stange 215. Die Berührungsfläche 224 kann aber auch scharfkantig
ausgebildet sein, um mit dem bewegten Maschinenteil eine Linienberührung zu bilden.
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Der Druck PH dringt ungedrosselt in die Ausnehmung 219 des ersten
Dichtringes 213 ein und entlastet bis zur Stirnfläche 225 in radialer Richtung die
ihm entgegenwirkenden und die Flächenpressung in der Berührungsfläche 224 erzeugenden
radialen Kräfte des Dichtringes 213. Durch Variation der axialen Länge der Ausdrehung
219 kann der gewünschte Grad der Entlastung festgelegt werden.
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Diese Festlegung ist ein Kompromiß zwischen der Leckage auf der einen
Seite und dem Verschleiß und der Reibung der Dichtung auf der anderen Seite. Sie
hängt damit von den Einsatzbedingungen der Dichtung ab. Zwischen der Berührungsfläche
224 und der niederdruckseitigen Stirnfläche 229 ist am Dichtring 213 und auch 214
eine Fläche 233 ausgebildet, die mit der Stange 215 einen keilförmigen Ringspalt
228 bildet, der sich in Richtung zur Stirnfläche 229 erweitert. Der Winkel der Fläche
233 bzw. des Ringspaltes 228 ist wegen des erstrebten sanften Pressungsabfalls auf
der Niederdruckseite in der bei höheren Drücken infolge Kippbewegung des Dichtringes
sich vergrößernden Berührungsfläche sehr klein und beträgt bei Dichtringen aus Kunststoff
vorzugsweise 5 bis 10°. Soviel sei zur Wirkungsweise einer einzeln angeordneten
Dichtung ausgeführt. Ein überraschendes Ergebnis
zeigt sich jedoch,
wenn zwei derartig geformte Dichtungen 211 und 212 mit Abstand axial hintereinander
angeordnet werden, wobei dieselben einen Raum 227 zwischen der Stange 215 und dem
feststehenden Maschinenteil 216 einschließen. Diese EB:nahme bewirkt, daß das sich
im Raum 227 beim Hinhub der Stange ansammelnde Lecköl beim Rückhub der Stange 215
nicht abgestreift wird und damit verloren wäre. Vielmehr baut sich im Raum 227 ein
Druckpotential auf, wodurch beim Stillstand bzw0 beim Rückhub der Stange 215 das
im Raum 227 befindliche Öl über den keilförmigen Ringspalt 228 zur Hochdruckseite
in in den Arbeitsraum zurückgefördert wird.
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Auf diese Weise können die Verluste an Lecköl gegenüber einer einzelnen
Dichtung der beschriebenen Formgebung etwa um das 40-fache verringert werden, wobei
die Reibungsverluste zwischen der Dichtung und dem bewegten lAaschinenteil nicht
nennenswert erhöht werden0