DE2435287C3 - Dichtungsring - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen ungeschlitzten Dichtungsring für einen Kolben eines Hydraulikzylinders, insbesondere für einen Steuerzylinder für die Walzgutdicke in einem Walzwerk, der in einer am Kolben vorgesehene Nut mit radialem Spiel und axial lagegesichert angeordnet und mit einer Bohrung zum axialen Druckausgleich versehen ist.

Insbesondere in Warmwalzwerken eingesetzte Hydraulikzylinder, wie Steuerzylinder zur automatischen Ausregelung der Walzgutdicke, müssen unter ungünstigen Bedingungen über eine lange Zeit ohne Störungen einwandfrei arbeiten. Dabei sind solche Hydraulik- bzw. Steuerzylinder großen Mengen an Kühlwasser und Zunder ausgesetzt; sie sind mit vertikalen, in Achsrichtung des Zylinders wirkenden Kräften belastet und durch die Walzenstöße beim Eintritt oder Austritt eines Walzstückes in den bzw. aus dem Walzenspalt starken seitlichen Belastungen ausgesetzt. Darüber hinaus ist die axiale Länge des Zylinders aus Kostengründen sehr gering zu halten, wohingegen der Durchmesser des Zylinders groß und der Hub wiederum gering sein muß.

Bei einer bekannten Zylinderanordnung nach der US-Patentschrift 20 52 642 ist der Dichtring an seiner dem Druckraum benachbarten Kolbenringflanke mit Kanälen oder Einschnitten versehen, die eine volle Beaufschlagung der dem Druckraum benachbarten, mit Abstand von der zugehörigen Nutflanke liegenden Kolbenringflanke und der inneren Axialfläche des Dichtringes mit dem Druck im Druckraum gewährleisten. Mit seiner äußeren axialen Dichtfläche ist der Dichtring an den Zylindermantel gepreßt, so daß lediglich in dem dem Druckraum benachbarten Abschnitt der axialen Dichtfläche des Ringes der Druck des Druckraumes herrscht, der anschließend über die axiale Länge der Dichtfläche entsprechend dsr Dichtwirkung auf einen niedrigeren Wert abfällt Die Axialbohrung für den Druckausgleich mündet an_ der vom Druckraum entfernten Radialfläche des Axialdichtringes in einem ringförmigen Bereich aus, der im Abstand von den axialen Zylinderflächen des Dichtringes liegt Demzufolge wird zwangsläufig nur über einen Teil der vom Druckraum entfernten Kolbenringflanke des Dichtringes ein dem Druck im Druckraum entsprechender Druck aufgebaut, so daß zwangsläufig nur ein teilweiser axialer Druckausgleich entsteht Ähnlich wie entlang der axialen zylindrischen Dichtfläche stellt sich in der Umgebung des Mündungsbereiches der Axialbohrung an der dem Druckraum entfernten Axialfläche ein von der Oberflächenbeschaffenheit dieser Fläche und der jeweiligen Druckbelastung des Dichtringes abhängiger mittlerer Gegendruck ein.

Insgesamt ergibt sich bei dieser bekannten Zylinderanordnung somit folgende Druckbelastung des Dichtringes: An der dem Druckraum benachbarten Kolbenringf'anke und der inneren Axialfläche wird stets der volle Druck des Druckraumes aufgebaut; an den jeweils gegenüberliegenden Flächen des Dichtringes, der vom Druckraum entferntliegenden Kolbenringflanke und der äußeren zylindrischen Dichtfläche herrschen jeweils — systembedingt durch den entlang dieser Flächen auftretenden Druckabfall — niedrigere Drücke.

Im Falle des bekannten Dichtringes ist eine solche Druckverteilung beabsichtigt, da sie die Abdichtung an den Dichtflächen unterstützen soll. Der dabei auftretende Nachteil, daß die Anpressung des Dichtringes an der äußeren zylindrischen Dichtfläche und der dem Druckraum abgewandten Kolbenringflanke je nach Druckbeaufschlagung und je nach Oberflächenbeschaffenheit abhängig vom Verschleißverhalten wechselt, muß dabei in Kauf genommen werden. Eine über eine längere Betriebszeit hinweg unveränderliche genaue Einstellung einer in der Serienfertigung reproduzierbaren Druckbelastung ist grundsätzlich nicht möglich, da die Gegendruckbelastung der angepreßten Flächen von der mikroskopischen Oberflächenbeschaffenheit dieser Flächen und vom Verschleißverhalten abhängt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Dichtungsring der aus der US-PS 20 52 642 bekannten Gattung zu schaffen, bei dem der axiale Druckausgleich unter Vermeidung übermäßiger radialer Anpressung des Dichtringes bei allen Arbeitsbedingungen genau einstellbar gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der dem Druckraum benachbarten Kolbenringflanke des Dichtungsringes radial innerhalb der Mündung der Axialbohrung eine sekundäre Axialdichtung vorgesehen ist und daß die Axialbohrung an der vom Druckraum entfernten Kolbenringflanke des Dichtungsringes zwischen zwei sekundären Axialdichtungen ausmündet, die einen Druckausgleichsraum begrenzen.

Dadurch wird zum einen erreicht, daß die dem Druck im Druckraum ausgesetzten Ringflächen an den oberen und unteren Kolbenringflanken des Dichtungsringes exakt begrenzt sind, so daß eine genaue Bemessung dieser Flächen und damit eine exakte Einstellung des Druckausgleiches erfolgen kann; die sekundären Axialdichtungen sind weitgehend verschleißunabhängig und

erzeugen eine gleichbleibende, reproduzierbare Dichtwirkung. Zum anderen wird gleichzeitig erreicht, daß im Bereich an der radial inneren Axialfliiche des Dichtringes infolge des Druckabfalles an den radial benachbarten sekundären Axialdichtungen nur ein erheblich geringerer Druck aufgebaut wird, der eine übermäßige Anpressung der zylindrischen Dichtfläche des Dichtringes infolge des dort zwangsläufig auftretenden Druckabfalles sicher vermeidet Damit ist auch bei hohen auftretenden Drücken im Druckraum eine definierte und vorherbestimmbare Anpressung des Dichtungsringes an seine Stützflächen bzw. Dichtflächen ohne nachteilig hohe Flächenpressung sichergestellt

Aus der CH-PS 5 32 215 ist es zwar bekannt, bei druckausgeglichenen Kolbenringen sekundäre Dichtungsringe zur Trennung von Druckräumen anzuordnen. Deshalb wird nicht Schutz daru«· begehrt, anstelle der flächigen Abdichtung beim gattungsgemäßen Stand der Technik eine Abdichtung mittels sekundärer Dichtungringe schlechthin vorzusehen. Vielmehr wird erfindungsgemäß eine Mehrzahl von sekundären Dichtringen an beiden Kolbenringflanken des Dichtungsringes in ganz bestimmter Weise angeordnet, um dadurch die im einzelnen erläuterten speziellen Vorteile zu erzielen.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform wird durch einen zusätzlichen sekundären Dichtungsring erreicht, daß auch die radiale Anpresrung des Dichtungsringes genau einstellbar und von der verschleißabhängigen Dichtwirkung einer flächigen Abdichtung an der radialen Außenseite des Dichtungsringes abhängig wird. Die axiale Lage dieses sekundären Dichtungsringes kann auf einfache Weise in Abhängigkeit von dem in der inneren Axialfläche des Dichtungsringes herrschenden Leckdruck gewählt werden, so daß eine definierte radiale Druckbelastung einstellbar ist. Wenn dabei die Axialbohrung an der Lauffläche des Dichtungsringes mündet, so kann die sekundäre Axialdichtung an der dem Druckraum benachbarten Kolbenringflanke des Dichtungsringes ohne räumliche Beschränkung weit radial nach außen gerückt werden, so daß sich die insgesamt vom Druck im Druckraum beaufschlagten Kolbenringflankenanteile des Dichtungsringes verkleinern und Drucksdiwankungen im Druckraum geringere Auswirkungen auf die Druckbelastung des Dichtungsringes haben.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ermöglicht die Ausbildung der radialen und axialen Sekundärdichtungen eine sichere Aufrechterhaltung ihrer Dichtwirkung auch über lange Betriebszeiträume hinweg, so daß die einmal eingestellten Druckbelastungen unverändert aufrechterhalten bleiben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt einen Axialschnitt durch einen Hydraulikzylinder mit einem erfindungsgemäßen Dichtungsring.

In der Figur ist ein Hydraulikzylinder dargestellt, bei dem ein Kolben 2 in der Mitte des Bodens eines zylindrischen Führungsgehäuses 8 mittels eines Lagerzapfens 9 befestigt ist; ein Zylinder 1 übergreift den Kolben 2 von seiner Oberseite her. Ein Dichtungsring 3 ist an der Seitenwand des Kolbens 2 vorgesehen und wird in seiner Lage durch einen Haltering 4 gesichert, welcher seinerseits gegenüber dem Kolben 2 mit wenigstens einer Befestigungsschraube 12 festgelegt ist.

An dem in der Zeichnung unteren, offenen Ende des Zylinders 1 ist ein Deckel 13 mit wenigstens einer Befestigungsschraube 14 befestigt An der in der Zeichnung oberen, inneren Oberfläche des Deckels 13 ist wiederum ein Haltering 15 für einen Dichtungsring 16 festgelegt; der Dichtungsring 1§ ist zwischen einer inneren Querschnittsabstufung des Deckels 13 und der in der Zeichnung unteren, zur öffnung des Zylinders 1 hin liegenden Oberfläche des HaJteringes 15 angeordnet

ίο An der dem Druckraum des Zylinders 1 zugewandten Vorderseite des Dichtungsringes 3 ist eine sekundäre Axialdichtung 17 vorgesehen, während sekundäre Radialdichtungen 18 um den Außenumfang des Dichtungsringes 3 gelegt sind. An der dem Druckraum des Zylinders 1 abgewandten Rückseite des Dichtungsringes 3 sind zwei Koaxial im Dichtungring 3 festgelegte sekundäre Axialdichtungen 19 und 20 vorgesehen, die zwischen sich einen Nebendruckraum begrenzen. Zwischen dem Haltering 4 und dem Kolben 2 ist ein O-Ring 21 eingelassen, während ein radialer Dichtungsring 22 im Bereich des Dichtungsringes 16 im Deckel 13 um den Umfang des Kolbens 2 gelegt ist und mit dem Dichtungsring 16 zusammenwirkt.
Im Dichtungsring 3 ist eine als eingearbeiteter Kanal ausgebildete Axialbohrung 23 für Druckflüssigkeit unter Druck, im Beispielsfalle für die Druckflüssigkeit im Druckraum des Zylinders 1, vorgesehen. Die Eintrittsöffnung der Axialbohrung 23 mündet an der zylindrischen Seitenwand des Dichtungsringes 3 in der Zeichnung oberhalb der obersten sekundären Radialdichtung 18, steht also mit der Druckflüssigkeit im Druckraum des Zylinders 1, in Verbindung, während die Austrittsöffnung der Axialbohrung 23 in den Nebendruckraum zwischen den sekundären Axialdichtungen 19 und 20 mündet. Eine als Bohrung im Werkstoff des Kolbens 2 vorgesehene Ablaufleitung 24 ist zur Ableitung von Leckflüssigkeit vorgesehen, welche in kleinen Mengen in den radial inneren Raum zwischen dem Dichtungsring 3 und dem Kolben 2 an den sekundären Axialdichtungen 17 und 20 eintritt. Die Ablaufleitung 24 mündet in den Raum zwischen dem Dichtungsring 3 des Kolbens 2 und dem Dichtungsring 16 des Deckels 13 des Zylinders 1.

Zwischen der Innenfläche der hochgezogenen Seitenwand des Führungsgehäuses 8 und dem Außenumfang des Zylinders 1 ist das Spiel S2 vorgesehen, während das größere Spiel Si zwischen dem Umfang des Halteringes 4 und der Innenwand des Zylinders 1, zwischen dem radial inneren Umfang des Dichtungsringes 3 und dem benachbarten Außenumfang des Kolbens 2, zwischen dem Außenumfang des Dichtungsringes 16 und der benachbarten Innenwand des Deckels 13 und zwischen dem Außenumfang des Kolbens 2 und dem benachbarten Innenumfang des Deckels 13 vorgesehen ist.

Dadurch ist der Zylinder 1 mit dem in ihm im wesentlichen ohne radiales Spiel geführten Dichtungsring 3 und dem Deckel 13 gegenüber dem Kolben 2 mit dem am Kolben 2 im wesentlichen ohne radiales Spiel geführten Dichtungsring 16 und dem Haltering 4 quer zur Achse des Zylinders 1 über einem dem Spiel S\ entsprechenden Abstand beweglich, wobei jedoch die Beweglichkeit im Rahmen des Spieles Si zusätzlich begrenzt ist durch das Geringere Spiel S₂ zwischen dem Zylinder 1 und dem Führungsgehäuse 8.

Der hohe Druck Pi der Druckflüssigkeit im Druckraum des Zylinders 1 wird vom Außenumfang des Dichtungsringes 3 aus über die Axialbohrung 23 zur Rückseite des Dichtungsringes 3 in den Nebendruck-

raum zwischen den sekundären Axialdichtungen 19 und 20 weitergegeben, so daß hierdurch eine in der Zeichnung nach oben gerichtete Kraft auf den Dichtungsring 3 wirkt. Der geringe Druck P₂ im Bereich der Ablaufleitung 24 für Leckflüssigkeit wirkt im Bereich radial innerhalb des Dichtungsringes 19 ebenfalls auf die Rückseite des Dichtungsringes 3 und erzeugt so ebenfalls nach oben gerichtete Kraft, während derselbe Druck P₂ im Bereich radial innerhalb der sekundären Axialdichtung 17 an der Vorderseite des Dichtungsringes 3 eine entsprechende, nach unten gerichtete Druckkraft erzeugt

Die Summe der vom Druckraum des Zylinders 1 weg, in der Zeichnung nach unten gerichteten, auf den Dichtungsring 3 wirkenden Kräfte ergibt sich etwa zu

~ w? - dl) P₁ + G + £ (dl - dl) P₂,

worin bedeutet:

G Gewicht des Dichtungsringes 3,
d\ Außendurchmesser des Dichtungsringes 3,
di Außendurchmesser der oberen sekundären Axialdichtung 17,

di Innendurchmesser der radial äußeren sekundären Axialdichtung 19 an der Rückseite des Dichtungsringes 3,

dt, Außendurchmesser der radial inneren sekundären Axialdichtung 20 an der Rückseite des Dichtungsringes 3 und

ds Außendurchmesser der radial äußeren sekundären Axialdichtung 19 des Dichtungsringes 3.

Die Summe der zum Druckraum des Zylinders 1 hin, in der Zeichnung nach oben gerichteten, auf den Dichtungsring 3 einwirkenden Kräfte ergibt sich dementsprechend zu

j (dl - dl) P₁ + -J {d\ - dl) P₂.
Wenn daher die Gleichung
■f Wi - dl) P₂ + ~ (d\ - dl) P₁ + G = τ (dl - dl) P₁ + -f Wf - dl) P₂

erfüllt ist, so gleichen sich die in Achsrichtung auf den Dichtungsring 3 wirkenden Kräfte aus, so daß dieser ohne Anpressung, gewissermaßen frei aufschwimmend reibungsfrei seitlich verschoben werden kann, wenn über den Zylinder 1 auf den Dichtungsring 3 eine Seitenkraft S einwirkt Dementsprechend treten keine nennenswerten oder gar schädlichen Kräfte zwischen der Innenwand des Zylinders 1 und dem Außenumfang des Dichtungsringes 3 auf.

Das Spiel & zwischen der Außenwand des Zylinders 1 und der Innenwand des Führungsgehäuses 8 ist geringer als das Spiel Si zwischen der Innenwand des Dichtungsringes 3 und dem Kolben 2 und zwischen der Außenwand des Dichtungsringes 16 und dem Deckel 13, so daß die seitliche Verschiebbarkeit des Dichtungringes 3 nicht voll ausgenützt werden kann und sowohl der Dichtungsring 3 als auch der Dichtungsring 16 störungs- und reibungsfrei den häufigen seitlichen Verschiebungen des Zylinders 1 unter dem Einfluß starker Seitenkräfte Sfolgen kann. Hierdurch werden Beschädigungen der Sekundärdichtungen vermieden und wird

ίο eine große Lebensdauer eines erfindungsgemäßen Dichtungsringes sichergestellt.

Der beim vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehene Deckel 13 an dem den Kolben 2 übergreifenden freien Ende des Zylinders 1 ist zur Erzielung der erfindungsgemäßen Vorteile nicht zwingend erforderlich; die Erfindung kann auch ohne Verwendung eines solchen Deckels bei einem einfachwirkenden Hydraulikzylinder angewendet werden. Die Verwendung eines solchen, gegen den Kolben 2 abdichtenden Deckels 13

jo des Zylinders 1 bringt jedoch insbesondere insofern Vorteile, als dadurch auch der sich aufbauende Druck pi an der radialen Innenseite des Dichtungsringes 3 zur Aussteuerung der radialen Innenseite des Dichtungsringes 3 zur Aussteuerung der axialen Kräftebelastung des Dichtungsringes 3 herangezogen werden kann, wozu die zusätzliche Schutzwirkung des Deckels 13 vor Verschmutzung od. dgl. tritt

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist weiterhin an der in der Zeichnung unteren Rückseite des Dichtungsringes 16 im Deckel 13 aus Gründen des Gleichgewichtes und mit Rücksicht auf die vergleichsweise geringe axiale Druckbelastung durch den Druck p2 kein sekundärer Axialdichtring vorgesehen.

Im Bedarfsfalle kann jedoch gegebenenfalls auch eine Mehrzahl axialer Sekundärdichtringe an der Rückseite auch des Dichtungsringes 16 vorgesehen werden, die gegebenenfalls zwischen sich druckbeaufschlagte Nebendruckräume begrenzen können, in welche Druckleitungen für Druckflüssigkeit unter Druck münden, so daß nach Art des axialen Druckausgleiches im Bereich des Dichtungsringes 3 auch im Bereich des Dichtungsringes 16 nach oben gerichtete Kompensations-Druckkräfte erzeugt werden können.

Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung auch auf einen einfach wirkenden hydraulischen Zylinder ohne Dichtungsring 16 im Deckel 13 anwendbar ist

Mit der vorliegenden Erfindung wird somit erreicht, daß auf den zwischen Kolben und Zylinder eingepaßten Dichtungsring eine in Richtung auf den Druckraum im Zylinder wirkende Gegendruckkraft einwirkt, welche den Dichtungsring aufschwimmen läßt, so daß er frei von Andruckkräften bzw. Reibungskräften seitlich verschoben werden kann. Dadurch wird erreicht, daß keine schädlichen Kräfte zwischen der Innenwand des Zylinders und der Außenwand des Dichtungringes auftreten, wenn Seitenkräfte auf den Zylinder einwirken, wodurch wiederum Beschädigungen an den Sekundärdichtungen, die nach Art der bei Stopfbüchsen üblichen Dichtungspackringe ausgebildet sein können, vermieden sind und eine große Lebensdauer sichergestellt ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

<f Patentansprüche:

1. Ungeschlitzter Dichtungsring für einen Kolben eines Hydraulikzylinders, insbesondere für einen Steuerzylinder für die Walzgutdicke in einem Walzwerk, der in einer am Kolben vorgesehenen Nut mit radialem Spiel und axial lagegesichert angeordnet und mit einer Bohrung zum axialen Druckausgleich versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Druckraum benachbarten Kolbenringflanke des Dichtungsringes (3) radial iunerhalb der Mündung der Axialbohrung (23) eine sekundäre Axialdichtung (17) vorgesehen ist und daß die Axialbohrung (23) an der vom Druckraum entfernten Kolbenringflanke des Dichtungsringes (3) zwischen zwei sekundären Axialdichtungen (19, 20) ausmündet, die einen Druckausgleichsraum begrenzen.

2. Dichtungsring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Lauffläche des Dichtungsringes (3) wenigstens eine sekundäre Radialdichtung (18) vorgesehen ist und die Axialbohrung (23) an der dem Druckraum benachbarten Seite dieser sekundären Radialdichtung (18), vorzugsweise an der Lauffläche des Dichtungsrings (3), mündet

3. Dichtungsring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem als starrer Kolbenring ausgebildeten Dichtungsring (3) zwischen dem Kolben (2) und dem Zylinder (1) zusammenwirkenden axialen und radialen sekundären Dichtungen (17, 18, 19, 20) nach Art der beispielsweise bei Stopfbüchsen üblichen Dichtungspackringe ausgebildet sind.

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