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Abdichtung für Kolben von hydraulischen Speichern Die Erfindung bezieht
sich auf Kolben für hydraulische Speicher, insbesondere auf die Art und die Anordnung
der Dichtungen in diesen Kolben.
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Es sind Kolbenspeicher bekannt, bei denen der Gasraum gegenüber des
Ölraum dadurch abgedichtet wird, den in Ringnuten des Kolbens eine oder mehrere,
vorwiegend elastomere Dichtelemente angeordnet sind, die den @ingspalt zwischen
Kolben und Zylinder abdichten.
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In allgemeinen werden hierfür Lippendichtungen mit U-förmigem Querschnitt(Nutringe)
oder O-Ringe verwendet, die im Falle hoher Druckdifferenzen auf der jeweiligen Niederdruckseite
durch Stützringe aus plastischem @unststoff gegen das Eingedrücktwerden in den Ringspalt
geschützt sind. Aufgabe dieser Dichtungsanordnung ist in jedem Fall,sowohl das Eindringen
von öl in den Gasraum ,als auch das ausströmen von Gas in den Ölraum des Druckspeichers
nu verhindern.
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Diese Aufgabe wird von den bekannten Anordnungen nur bedingt und zum
Teil unbefriedigend gelöst. Zwar wird das Einströmen von Gas in den Ölraum im allgemeinen
durch die gummielastischen Berührungsdichtungen in ausreichendem Maß verhindert,
jedoch treten bisweilen beträchtliche Ölmengen in den Gas raum über, wodurch die
Funktion des Druckspeichers nachhaltig beeinträchtigt wird. Der Grund für die Leckage
von öl in den Gasraum ist die Tatsache, da insbesondere bei schnellen Kolben bewegungen,
die Dichtung auf den Ölfiln zwischen Kolben und Zylinderwand aufschwimmen,oder,
mit anderen Worten, diesen bei der Kolbenbewegung nicnt vollständig abstreifen können.
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Auf diese Weise bleibt ein verhältnismaßig dicker Ölfilm auf der freien
Zylinderfläche innerhalb des Gasraumes zurück, währena sich der Kolben in Richtung
Ölraum bewegt.
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Kehrt anschliessend die Bewegungsrichtung des Kolbens um, so kann
jetzt die gasseitige Kolbendichtung einen Teil des anhaftenden Ölfilms in wichtung
Gasraum abstreifen. Durch diese Wechselwirkung akkumuliert sich im Laufe der Zeit
Ö1 im Gasraum, und zwar um so schneller, je zäher da- öl, je höher die Kolbergeschwindigkeit
und je ungünstiger die Abstimmung der Abstreifwirkung der öiseitigen und der gatseitigen
Dichtung ist. Dieser in der Praxis erkannte Nachteil führte dazu, dass versucht
wiirde, durch Einschalten einer dritten Dichtung zwischen den beiden gas- und ölseitigen
Dichtungen eine bessere Dichtheit zu erzi@len.
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In Verkennung der eingentlichen Aufgabe wurden hierfür Dichtelemente
mit symmetrischer Dichtwirkung, d.h. mit gleichartiger Abstreifwirkung nach @eiden
Seiten verwendet.
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Aufabe der Erfindung ist es, im Kolbeneines hydrauilschen Kolbenspeichers
asymmetrisch abdichtende bichtelemente derart anzuordnen, dass einerseits bei der
@eregung des Kolbens in aicr:tung Ölraum auf de Zylinderoberflsche ein möglichst
dünner Ölfilm zurückbleibt, und dass andererseits bei der nachfolgenden Bewegung
des Kolbens in Richtung Gasraum der dünne Ölfilm nicht abgestreift wird.
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Diese Wirkungen werden durch eine Reihe von Massnahmen erzeugt, wobei
jede der @assnahmen für sich eisen Teil zu der gewünschten Gesamtwirku@@ beitragt,
also etwa aus wirtschaftlichen Erwägungen auch jeweils lür sich anwendbar ist.
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Die erste Massnahme ist, dass ölseitig und gasseitig jeweils unterschiedliche
Dichtungen verwendet werden, derart, dass die ölseitige Dichtung eine Abstreifkante
in Richtung Ö.lraum aufweist während die gasseitige Dichtung keine gasseitige Abstreifkante
und vorzugsweise eine zum Ölraum weisende Wostreifkante aufweist.
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Unter Abstreifkante ist dabei allgemein eine asymmetrische Berührzone
zu verstehen, derart, dass der Gradient der Berührpressung in der Berührfläche auf
der Seite der Abstreifkante wesentlich grösser ist als in dem von der Absteifkante
abgewandten Teil der Berührfläche der Dichtung. Besonders hohe Berührpressungsgradienten
bei gleichzeitig geringer Reibung und geringem Verschleiss werden durch stufenförmig
abgesetzte PTFE-Ringe mit gummielastischem Spannring (sogen. Turecn-Stepseal) erreicht,
der aeshslb vorzugsweise als ölseitige Dichtung Verwendung finden kann. Jedoch sind
auch
Mutr@nge mit stumpfer Dichtlippe als ölseitige Abstreifdichtung geeignet. Als gasseitige
Dichtung werden entweder ein O-Ring, ein Quadring oder ein Nutring mit spitzer Dichtlippe
verwendet. Diese Dichtungen sind in der Lage, auch in Richtung auf einen Raum höheren
Druckes, über dünne Ölfilme zu gleiten ohne diese nennenswert abzustreifen.
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Eine besonders günstige Abstreifwirkung gegenüber dem ul wird durch
die Anordnung zweier, hintereinandergeschalteter @ldichtungen mit gleichgerichteter,
dem Flüssigkeitsraum zugewandter Abstreifkante erreicht. Dabei kann die näher zur
Gasseite angeordnete der beiden Dichtungen auch gleichtzeitig als Gasdichtung wirken.
@ei der Verwendung von gestuften PTFE-Dichtungen ist es noch vor vorteil, aen beiden
zur Ölseite hir abstreifenden Dichtungen och eine gummielastische Berührungsdichtung
vorzuschalten, vor allem um auch im Stillstand eine vollständige Gasdichtheit uur
Flüssigkeitsseite hin zu gewanrleisten.
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Von besonderem Vorteil, hinsichtlich der erwünschten, asymmetrischen
Anstreifwirkung der Kolbendichtung ist eine Anordnung, bei der von den Dichtungen
eingeschlossenen Spaltraum zwischen Kolbenoberflache und zylinder@berflache während
der ganzen Betriebszeit des Druckspeichers überdrucklos bleibt.
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Besonders günstig wirkt sich ein druckloser Spaltraum zwischen zwei
Ölabstrieifdichtungen noch insofern au, als bei der @ewegung des kolbens in Dichtung
Olraum der die erste Öldichtung passierende Leckflussigkeitsfilm an der zweiten
Öldichtung besonders intensiv abgestreift wird, da ja in diesem Fall der drucklose
Olfilm hydrodynamisch auf das hohe Druckniveau des Gasraums gepumpt werden musste,
was nach den bekannten Gesetzen der Elastohydrodynamik zu besonders dünnen Ölfilmen
und damit zu einem äusserst geringen Durchtritt von Ö1 in den Gasraum führt. Über
den dann noch auf der Lylinderooerflache veroleibenden ölfilm Kann die gasseitige,
gummielastische Berührungsdichtung ohne eine sich im Gasraum ansammeinde Leckage
gleiten. Die Aufgabe, den @aum zwischen den Dichtungen uberdruckios zu halten wird
dadurch errecht, dass der kolben hohl ausgeführt und durckdicht verschlossen wird,
und dass der Kolbenhohlraum mit dem Spaltraum zwischen den Dichtungen in verbindung
steht. Dieser verhaltnismassig grossvolumige n@um wird durch die geringen, von den
gasseitigen Dichtungen @och abgestreiften ölmengen nur sehr langsam aufgefüllt,
wodurch das anfanglich auf
Atmospharenderack liegende niedrige druckniveau
in diesem @aum während langer Zeit erhalten bleibt. Wenn notwendig, kann die im
kolbenhohlraum sich ansammelnde Leckage ohne @emontage des Druckspeichers durch
eine besondere Entleerungsvorrichtung von Zeit zu Zeit abgelassen erden.
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Eine fertigungstechnisch wie auch @ichtungstechnisch besonders vorteilhafte
Ausfrhrung erhalt ma- dadurch, dass die gaseitige.
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elastomere Berunrungsdichtung und eine ölabstreifende PTFE-Dichtung
mit scharfkantiger Dichtlippe und elastomerem Spannring in eine gemeinsame Nut des
Kolbens eingebaut werden. Wird diese Kombination allein, ohne -ine weitere Dichtung
angewendet, so übernimmt der olseltibe Ç Dichtring glei@@zeitig eine Stützwirkung
gegenuber der gasseltigen Elastomerdichtung und verh@niert, dass diese durch den
hohen Gasdruck in den Spalt zwischen Kolben und Zylinder gedruckt werden kann. Diese
Stützung ist sei inner sollchen Anord @ung besonders wichtig, wenn der Kolben beim
Öldruck Null an Zylinderboden zur @nlage kommt und daiin der gesamte, restliche
Gasdruck als Differenzdruck auf die Dichtung wirkt.
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Andererseits bietst diese Anordnung den Vorteil dass die in der gemeinsamen
Nut sich an ihren radialen Stirnflächen gegeneinander abstützenden Dichtungen bei
schwebendem Kolben nahezu druckausgeglichen sind.
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Wird zu dieser unordnung der beiden iiiPhtuiigen in einer gemeinsam@n
Nut eine weitere Dichtung in einer näher a@ der Öl@@ite liegenden weiteren Nut hinzugefügt
und der Zwischenraum zwisch@n den beiden Nuten in der beschriebenen Weise mit einem
verschlossenen innenraum des Kolbens verbunden, so bildet auch in diesen Fall die
Kombination der beiden Dichtungen in der gwmeinsamen Nut den Vorteil, dass die gasseiti&
Elastomerdichtung gegen extrusion in em @palt wischen Kolben und ylinder unter dem
hierbei dauernd wirkenden hohen G@@druck durch die PTFE-Dichtung geschützt ist.
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Wird in diesem prall eine gestufte PTFE-Dichtung, vorzugsweise ein
St@pseal nach D@O.S.2325 000 als zähelastische Dichtung auf PTFE-Basis in der gemeinsamen
Nut angeordnet, so wird der nicht an der Zylinderoberflache anliegende, abgestuft
freigestochene xbschnitt des PTFE-Rings, der mit der Zylinderwand einen Ringraum
bildet, vorzugsweise durch einen in diesen @ingraum lose eingelegten, ihn im wesentlichen
ausfüllenden Stützring gegen radiale und axiale verformung abgestützt. Vorzugsweise
ist dieser Stützring
axial etwas langer a's die L e 'des @@ @reigestochenen
Abschnitte des PTFE-Rings. Dab i er gibt sich eine oesonders kompakte Konstruktion,
wenn ein ohnehin zur Führung des Kolbens im Zylinde verwendeter Kolbenführungsrings
teilweise aus einer an die gemeinsame Dichtungsnut angrenzenden iiut in der freigestochenen
am des Stepseal hineinragt und somit gleichzeitig Kolbenführung und Stützung der
hohlen Ringnut des St@pseal bewirkt Die Erfinaung wird weiter an Hand der in den
Zeichnungen dargestellten Beispiele erläutert.
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Fig.1 zeigt die gasseitige, gummielastische Dichtung 1 , die gemeinsam
mit der ölseitigen Dichtung ;~ und dem Sekundärdichtring bzw. Spannring 3 in der
gemeinsamen Nut 4 des Kolbens angeordnet ist. Die ölseitige Dichtung 2 ist ein radial
gestufter, aus hochfestem PTFE-Basiswerkstoff bestehender, mit geringem radialem
Übernaß gegen die Zylinderwand spannender, sogenannter Stepseal-Dichtring. Die Länge
l1 des Spalts 12 zwischen dem gasseitig angeordneten Kolbenführungsr'ng 17 und der
gemeinsamen Nut4 ist größer als die Länge 12 dieses Spalts zwischen dem ölseitig
angeordneten Kolbenführungsring 17a und der gemeinsamen Nut 4.
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Fig.2 zeigt diesselbe Anordnung der Dichtungen 1, 2 und 3 in der Nut
4 wie in Fig.1' jedoch ist die Nut 4 hier näher am gasseitig angeordneten Kolbenführungsring
17 angeordnet. Inder Nähe des ölseitigen Kolbenführung 17a ist eine weitere Dichtung
6, ebenfalls ein sogennante@ Stepseal,zussmmen mit einem ihn radial anpressenden
0-ring 7 in der Nut 5 angeordnet.Die scharfkantigen Absätze 2' und 6' der Dichtringe
bewirken eine besonders gunstige Abstreifwirkung gegenüber dem Öl und damit eine
besonders gute Abdichtung.
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Fig. 3 zeigt einen hydraulischen Speicher als Ganzes mit dem Zylinderrohr
18 und dem Speicherkolben 8. Ein ölseitiger Deckel 22 und ein gasseitiger Deckel
19 verschließen, gehalten durch die Halteringe 20 den Zylinder nach außen. Das Druckgas
wird durch die gasseitige Verschraubung 21, das Drucköl durch die ölseitige Öffnung
22a zugeführt. Im Kolben 8 befinden sich die gasseitige Dichtung 1 und die ölseitige
Dichtung 2 mit dem Spannring 3 sowie die weitere ölseitige Dichtung 6 mit ihrem
Spannring 7. Der Kolben 8 ist mittels eines Deckels 8', der durch einen 0-Ring 8a
abgedichtet ist und von einem Sprengring 8 b gehalten wird verschlossen. Der Kolbenhohlraum
9 ist durch die radiale Bohrung 10 mit dem Spalt 12 verbunden, wodurch das sich
zwischen dr Dichtung 2 und der Dichtung 6 ansammelnde Lecköl in den Raum 9
abfließen
kazi.
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Fig.4 zeigt eine Ausführung, bei der sowohl die gasseitige Dichtung
1 wie auch der Sekundärdichtring 3 für die ölseitige Dichtung 2 als 0-RInge ausgebildet
sind. Die Dichtung 2 hat ölseitig die scharfe Dichtkante 2'. Die weitere Dichtung
6 ist hier beispielsweise ein stumpflippiger Nutring mit der Dichtkante 6', und
dem Stützring 19 ausgebildetODie übrigen Elemente entsprechen den in den vorhergehenden
Figuren erkl;-irten Funktionen.
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In Figur 5 ist die gasseitige Dichtung 1 ein spitzlippiger Nutring,
der eine besonders gute Rückföderwirkung für das an ar Zylinderwand anhaftende Öl
ermöglicht. Zur axialen Abstützung der Dichtkante 2' der ölseitigen Dichtung 2 ist
der Kolben führungsring in einer axial abgesetzten Verlängerung der Nut 4 so angeordnet,
dap er in den von einer ölseitig angeordneten Freidrehung des Dichtrings 2 gebildeten
ftingraum hineinragt uni stirnseitig an der Stufe der Dichtung 2 anliegt.
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Fig.6 zeigt eine Ausführung mit einer gasseitigen Dichtung, die als
sogenannter @uadring ib ausgebilde@ ist. Dieser liegt mit einem Teil seiner der
abgewandten Rückenfläche am Spannring 3 an und stützt sich im übrigen Bereich seiner
Ruckenfläche am ölseitigen Dichtring 2 ab. Dieser als Stepseal ausgeboldete Dichtring
2 besitzt ölseitig eine Freidrehung 13, wodurch, zusammen mit einem senkrechten
Absatz die Dichtkarte 2' und der Ringraum 14 gebildet wird. Bei höheren abzudichtenden
Drücken wird in vorteilhafter Weise zur axialen Stützung des Dichtrings2 wie in
Fig 7 gezeigt, ein Stützring 15 eingelegt. Weiter ist in Fig. 7 der gasseitige Dichtring
als 0-ring 1a ausgebildet. Dabei kann die radiale Tiefe der gemeinsamen Nut 4 wie
in Fig. 7 gezeigt, im Bereich der gasseitigen Dichtung 1 und der ölseitigen Dichtungsanordnung
2 und 3 verschieden sein oder aber auch gleich tief , wie in Fig. 8. Der Stützring
15 für den Dichtring 2 kann auch, wie in Fig. 8 gezeigt, einen über die gemeinsame
Nut 4 zur Ölseite hin hinausragenden Bereich 15 a aufweisen, der sich radial an
einer abgesetzten Ringfläche 16 des Kolbens abstützt und im Bereich 15a die radiale
Führung des Kolbens im Zylinder übernimmt. Diese Anordnung hat den besonderen dichtungstechnisch:
erwünscht Vorteil, dap der Kolben direkt im Bereich der Dichtkante 2 der Dichtung
2 geführt wird und dap diese Kante gleichzeitig gegen Verformungen durch axiale
Kräfte auf den Dichtring 2 dadurch geschlitzt wird, da dxr an sie anschließende
radiale Absatz sich auf der gasseitigen Stirnfläche des