DE2611999A1

DE2611999A1 - Doppelwirkender kolben

Info

Publication number: DE2611999A1
Application number: DE19762611999
Authority: DE
Inventors: Gotthold Raabe
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1976-03-20
Filing date: 1976-03-20
Publication date: 1977-09-29
Also published as: FR2344764B1; JPS5952310B2; GB1561861A; US4126319A; JPS52114847A; FR2344764A1

Description

R. 302*

Π. 12.1975 Ks/Ht

Anlage zur

Patent- und

Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart Doppeltwirkender Kolben

Die Erfindung bezieht sich auf einen doppeltwirkenden Kolben
- insbesondere ein in einem Zylinder geführter beidseitig von einem im Mittelwert gleichen und mit geringen Druckdifferenzen pulsierenden Mediumdruck beaufschlagter Meßgerätekolben - mit elastischer Doppellippendichtung, deren beide Dichtlippen zueinanderweisend angeordnet sind, aus dem zur Längsachse des
auf einer Kolbenstange befestigten Kolbens hin abgebogenen
Rand je einer aus Dichtungsmaterial hergestellten Ringscheibe bestehen und zusammen mit dem Zylinder eine ringförmige Dichtungskammer bilden.

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Kolben mit einer derartig aufgebauten Doppellippendichtung werden üblicherweise dort eingesetzt, wo sehr große Druckunterschiede auf beiden Seiten des Kolbens herrschen und die Druckräume auf beiden Seiten des Kolbens möglichst leckfrei abgedichtet werden sollen. Der bei diesen Dichtungen in der durch die zueinander weisenden Dichtlippen gebildeten ringförmigen Dichtungskammer sich aufbauende Druck preßt die Dichtlippen gegen die Zylinderwand und erzeugt dadurch eine sehr gute Abdichtung bei allerdings gleichzeitig erhöhtem Reibungswiderstand. In vielen Fällen wird ausdrücklich betont, daß der Dichtkammerdruck zu einer Haftwirkung führt.

Bei Meß- oder Steuergeräten, in denen geringe Volumenunterschiede bei entsprechend geringen Druckdifferenzen durch ein Meßgerät angezeigt werden sollen, kann dies vorteilhafterweise über einen doppeltwirkenden Kolben geschehen, der aber mögliehst leckfrei und mit äußerst geringem Reibungswiderstand arbeiten muß, um das Meßergebnis nicht zu verfälschen.

Es sind Meßgerätekolben bekannt, die mit einem Spiel von einigen Tausendstel Millimetern in einen Meßzylinder eingepaßt sind, und von der Flüssigkeit bewegt ohne zusätzliche Dichtmittel die Volumen- oder Druckänderung durch ihre optisch gemessene Lageänderung anzeigen. Ein solcher Meßgerätekolben hat den Nachteil, sehr empfindlich auf Schmutz im Meßmedium zu reagieren und eine direkte Anlenkung eines berührungsfrei arbeitenden elektrischen Weggebers ist hier nicht möglich.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen doppeltwirkenden Kolben der eingangs genannten Bauart so zu verbessern, daß er für den Einsatz in Meßgeräten bzw. Steuergeräten verwendbar ist, wobei die von der einen zur anderen Seite des Kolbens übertretenden Leckmengen vernachlässigbar klein - d. h. möglichst oder annähernd Null - sein sollen und die an den Dichtlippen auftretende Reibung ebenfalls vernachlässigbar klein, weit unter-

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halb der heute bei üblichen Doppellippendichtungen auftretenden Reibung liegen soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Ringscheibe mindestens im Bereich der Dichtlippe folienartig ausgebildet ist. Dadurch treten praktisch keine Eigenkräfte an der Dichtlippe auf und eine solcherart ausgebildete Abdichtung hat sich trotz großer Vorurteile der Fachwelt in der Praxis bewährt.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß die Dichtlippe etwa Ojl mm - vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,2 mm dick ist, und eine einfache und genaue Fertigung der Dichtlippe läßt sich dadurch erzielen, daß die folienartige Dichtlippe eine bis zur Dichtkante hin gleichbleibende'Dicke aufweist.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Kolbens, dessen Ringscheiben zwischen Befestigungsflanschen eingespannt sind, wird dadurch erzielt, daß jede Ringscheibe aus einer nur etwa 0,1 mm - vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,2 mm - dicken Folie mit bis zum äußersten Rand der Dichtkanten hin gleicher Dicke besteht. Eine solcherart hergestellte Ringscheibe ist einfach, billig und funktionssicher herzustellen und die auftretende Reibung wird auf einen vernachlässigbar kleinen Wert vermindert, wenn die Ringscheiben aus einem Material mit äußerst geringem Reibungskoeffizienten, vorzugsweise Polytetrafluoräthylen (PTFE) bestehen'.

Zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind aus den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 einen in einem Meßzylinder eingebauten Meßgerätekolben im Längsschnitt mit den dazugehörigen Lagern in vergrößertem Maßstab und

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 im Bereich der Dichtlippen in noch größerem Maßstab.

In einem Zylinder 10 eines nur teilweise dargestellten Gehäuses 11 ist ein als Meßgerätekolben dienender doppeltwirkender Kolben 12 geführt, der auf einer Kolbenstange 13 befestigt ist. Der Kolben 12 ist mit einer elastischen Doppellippendichtung l4 versehenj die weiter hinten zur Fig. 2 noch ausführlicher und näher beschrieben ist und mit der mit 15 bezeichneten Lauffläche des Zylinders 10 zusammenarbeitet. Der Kolben 12 teilt den Zylinder 10 in zwei durch die Doppellippendichtung l4 gegeneinander abgedichtete Kammern 16 und 17, die beide von einem im Mittelwert gleichen und mit geringen Druckdifferenzen pulsierenden Flüssigkeitsdruck beaufschlagt sind. Die rechte Kammer 17 wird über eine Anschlußbohrung 18, eine ein Lager 19 für die Kolbenstange 13 aufnehmende Kammer 21 und mehrere am Umfang gleichmäßig verteilte Durchgangsbohrungen 22 innerhalb einer Lagerplatte 23 des Lagers 19 mit einer Druckflüssigkeit versorgt, die in hier nicht näher dargestellter Weise durch ein bekanntes Druckregelventil oder andere bekannte Mittel auf einem im Mittelwert gleichen und mit geringen Druckdifferenzen pulsierenden Druck gehalten wird wie die in der linken Kammer 16 anstehende Druckflüssigkeit, die über Bohrungen 24 in einer Lagerplatte 25 eines zweiten Lagers 26 für die Kolbenstange 13 zugeführt wird.

Der Kolben 12 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel aus mehreren scheibenförmigen Teilen aufgebaut und besteht aus einem mit einem ersten Befestigungsflansch 27 versehenen Trägerteil 28, das einen mit einem Gewinde versehenen Zapfen 29 aufweist, auf dem zwei weitere Befestigungsflansche 31 und 32

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zentriert sind und durch eine Mutter 33 in der Einbaulage gehalten werden. Zwischen je zwei der Befestigungsflansche 27 und 31> bzw. 31 und 32 sind je eine Ringscheibe 34 eingespannt, die aus einer nur etwa 0,1 mm - vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,2 mm - dicken Folie aus Dichtungsmaterial mit äußerst geringem Reibungskoeffizienten bestehen. Jede der durch die Befestigungsflansche 27 oder 32 gegen den mittleren Befestigungsflansch 31 gespannten Ringscheiben 34 weisen einen zur Längsachse des auf der Kolbenstange 13 befestigten Kolbens 12 hin abgebogenen Rand 35 auf (siehe dazu besonders Fig. 2), der als Dichtlippe 35 dient und entsprechend dem Material der Ringscheibe ebenfalls folienartig ausgebildet ist unadeshalb eine bis zu der mit 36 bezeichneten Dichtkante hin gleichbleibende Dicke aufweist. Die beiden Ringscheiben 34 sind spiegelbildlich mit zueinander weisenden Dichtlippen 35 eingebaut, welche zusammen mit der Lauffläche 15 des Zylinders 10 und der äußeren Mantelfläche des-Befestigungsflansches 31 eine ringförmige Dichtungskammer 37 bilden. Die beiden die elastische Doppellippendichtung 14 bildenden Dichtlippen 35 sind unter einem extrem spitzen Winkelo£. (siehe Fig. 2) zur Lauffläche 15 des Zylinders 10 geneigt, so daß durch die topfförmige Ausgestaltung der Ringscheibe 34 der folienartige die Dichtlippe 35 bildende Rand entsprechend formsteif wird und sich bei den geringen auftretenden Druckdifferenzen nicht aufstülpt oder umknickt. Zur Gewährleistung einer einwandfreien Abdichtung darf immer nur die eine mit 36 bezeichnete Diehtkante mit der Lauffläche 15 zusammenarbeiten, d. h. der WinkeleC darf nicht zu Null werden. Sehr gute Ergebnisse werden mit einem Winkel eL- von etwa 5 bis 10 erreicht, wobei als Diehtkante 36 die äußere Kante der als Schnittfläche ausgebildeten Mantelstirnfläche 38 der Ringscheiben 34 dient.

Die Mantelstirnfläche 38 wird in vorteihafter Weise nicht im noch planen sondern im verformten, d. h. topfförmigen Zustand der Ringscheibe 34 durch Schneiden des Randes hergestellt, wo-

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durch die Dichtkante 36 einwandfrei glatt wird. Kaum meßbare Reibungswerte werden mit Ringscheiben 34 erzielt, die aus O₃O7 dicken Folien aus Polytetrafluorathylen (PTFE) hergestellt, d. h in einem entsprechenden Werkzeug in die topfförmige Form gedrückt und dann beschnitten werden.

Selbstverständlich können die Ringscheiben 34,· vor allem bei Massenfertigung, jede andere gewünschte Form und Dicke erhalten, nur muß der Bereich der Dichtlippen 35 folienartig ausgebildet sein, da bei größeren Materialstärken in diesem Bereich durch Eigenspannung Reibung erzeugt wird und die Wirkung der Doppellippendichtung dann der der bekannten Lippendichtungen gleicht und so nicht für Meßgerätekolben anwendbar wäre.

Obwohl durch die dargestellte Form der Dichtlippen 35 eine gewisse Formsteifigkeit erreicht wird, sind zur Verhinderung von Schäden an den Dichtlippen 35 bei ungewollt oder plötzlich auftretenden Druckspitzen die Außendurchmesser D der der Dichtungskammer 37 abgewandten Befcstigungsflansche 27 und 32 bis unmittelbar an die Lauffläche 15 des Zylinders 10 heranreichend ausgebildet. Das Spiel zwischen den durch den Außendurchmesser D begrenzten Mantelflächen der Befestigungsflansche 27 und 32 und der Lauffläche 15 ist gerade so groß bemessen, daß die Befestigungsflansche 27 und 32 bei Längsbewegungen des Kolbens 12 nicht an der Lauffläche 15 streifen.

Die beiden Lager 19 und 26 bestehen aus je drei sternförmig um die Achse der Kolbenstange 13 herum angeordneten Kugellagern 39 (siehe dazu Fig. 1), deren Außenringe 4l an drei Punkten am Umfang der Kolbenstange 13 druckfrei anliegen und deshalb mit geringem Spiel montiert sind, so daß bei dem oder den jeweils im Einbauzustand entlasteten Kugellagern 39 ein geringes Spiel a von wenigen Hundertstel Millimetern bis zu etwa 0,1 mm entsteht. Die mit 42 bez-eichneten stiftförmigen Achsen der Kugellager 39 sind in Lagerböcke 43 eingepreßt, welehe ihrerseits in Radialnuten 44 der Lagerplatteri 23 und 25

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eingesetzt und durch Schrauben 45 befestigt sind. Die Radialriuten 44 und das Durchmesserspiel zwischen den Schrauben 45 und den abgestuften diese Schrauben 45 aufnehmenden Bohrungen 46 in den Lagerplatten 23 und 25 ermöglicht das funktionsnotwendige Ausrichten der Kugellager 39 in Bezug auf die Lage der Kolbenstange 13, so daß das weiter vorne beschriebene Spiel a eingestellt werden kann. Das eine aus drei Kugellagern 39 bestehende Lager 19 ist gegenüber dem ebenfalls aus drei Kugellagern 39 bestehenden Lager 26 um 60 ° verdreht eingebaut, so daß in der in Fig. 1 dargestellten Einbaulage beim rechten Lager 19 ein Kugellager oben und beim linken Lager 26 ein Kugellager unten liegt. Damit wird erreicht, daß bei einseitiger außermittiger Belastung der Kolbenstange 13 durch einen Meßwertgeber jeweils nur ein Kugellager die von der Kolbenstange 13 ausgehenden Druckkräfte aufnimmt, während die anderen beiden Lager lediglich der Lagesicherung dienen. Eine gleiche äußerst geringe Reibung der Lageranordnung ergibt sich auch_s wenn anstelle des einen Lagers zwei Lager bei einseitiger Belastung der Kolbenstange 13 die Druckkräfte aufnehmen.

Der in der Zeichnung dargestellte Meßgerätekolben dient der Anzeige von Volumenänderungen innerhalb der Kammer 16 gegenüber dem Volumen in der Kammer 17 und die Kammern 16 und 17 sind, wie bereits eingangs erwähnt, in nicht näher dargestellter Weise so angeschlossen, daß in beiden Kammern ein in Mittelwert gleicher und nur mit geringen Druckdifferenzen pulsierender Flüssigkeitsdruck auf den Kolben 12 einwirken kann. Vergrößert sich zum Beispiel das Volumen der Flüssigkeit in der linken Kammer 16, so weicht der Kolben 12 aufgrund seiner bauartbedingten geringen Reibung in Richtung auf die Kammer 17 hin aus, wobei durch die geringe dabei auftretende Druckdifferenz zwischen den beiden Kammern Druckflüssigkeit in die Dichtungskammer 37 entlang der Dichtlippe 35 der zur Kammer 16 hin montierten Ringscheibe 34 eintritt und die Dicht-

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-Js- " C ': g

lippe 35 der zur Kammer 17 hin montierten Ringscheibe 3*J gegen die Lauffläche 15 anlegt, wodurch ein Leckmengentransport verhindert wird. Die folienartige Ausbildung der Dichtlippe 35, die Wahl des reibungsarmen Dichtungsmaterials und der sofort praktisch ohne Reibungswiderstand ausweichende Kolben 12 verhindern einen Druckanstieg in der Dichtungskammer 37 auf eine Druckhöhe, die zur vergrößerten Eigenreibung der Kolben-Zylindereinheit führen würde. Da der. Kolben 12 als Meßgerätekolben nur geringe Hübe in beide Richtungen ausführt und in beiden Kammern 16 und 17 im Mittelwert gleiche Drücke herrschen, tritt praktisch kein Leckmengenverlust auf, so daß der Kolben bei geringster Eigenreibung einwandfrei abdichtet und außerdem in der Lage ist, die trotz Filterung in jeder Flüssigkeit enthaltenen Schmutzteilchen durchzulassen bzw. an den Dichtkanten 36 abzustreifen, so daß diese Schmutzteilchen weder zur Blokkierung des Kolbens noch zur Zerstörung oder zeitweisen Unterbrechung der Dichtwirkung der Doppellippenabdichtung 14 führen können. Durch die zueinanderweisende Anordnung der Dichtlippen 35 findet in der Dichtungskammer 37 nach kurzzeitig auftretenden Di-uckspitzen ein langsamer Abbau des Dichtdruckes statt, so daß die Reibung dynamisch großen und kleinen Druckdifferenzen nachläuft, und da die Druckspitzen abwechselnd in den Kammern 16 oder 17 auftreten, werden die Leckmengen um Größenordnungen gegenüber anderen bekannten Abdichtungen herabgesetzt, während die Reibungskraft nur unmerklich erhöht wird. Die Verwendung von PTFE mit seinem extrem kleinen Reibbeiwert verhindert sowohl im ruhenden als auch im bewegten Zustand ein Festsetzen des Kolbens 12.

Der erfindungsgemäße Kolben 12 hat sich besonders gut bei Drükken bis 10 bar bewährt, wobei allerdings Druckdifferenzen -C 0,1 bar bei Normalbetrieb auftraten. Druckspitzen von <p» 3 bar und größer beeinträchtigen die Haltbarkeit des Kolbens aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Dichtlippen 35 und ihrer Abstützung durch die Flansche 27 und 32 nicht.

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Da die Funktion und Haltbarkeit der Kolbendichtung in erster Linie von den auftretenden geringen Druckdifferenzen und weniger vom Betriebsdruck auf beiden Seiten des Kolbens 12 abhängen, kann der Kolben auch in Anlagen mit weitaus höheren Drücken eingesetzt werden. ,,

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43 Leerseite

Claims

Ansprüche

Doppeltwirkender Kolben - insbesondere ein in einem Zylinder geführter beidseitig von einem im Mittelwert gleichen und mit geringen Druckdifferenzen pulsierenden Mediumdruck beaufschlagter Meßgerätekolben - mit elastischer Doppellippendichtung, deren beide Dichtlippen zueinanderweisend angeordnet sind, aus dem zur Längsachse des auf einer Kolbenstange befestigten Kolbens hin abgebogenen Rand je einer aus Dichtungsmaterial hergestellten Ringscheibe bestehen und zusammen mit dem Zylinder eine ringförmige Dichtungskammer bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ringscheibe (34) mindestens im Bereich der Dichtlippe (35) folienartig ausgebildet ist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtlippe (35) etwa 0,1 Millimeter - vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,2 mm - dick ist.
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die folienartige Dichtlippe (35) eine bis zur Dichtkante (36) hin gleichbleibende Dicke aufweist.
4. Kolben nach Anspruch 1, dessen Ringscheiben zwischen Befestigungsflansche eingespannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ringscheibe (34) aus einer nur etwa 0,1 Millimeter - vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,2 mm - dicken Folie mit bis zum äußersten Rand der Dichtkanten (36) hin gleicher Dicke besteht.

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5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheiben (34) aus einem Material mit äußerst geringem Reibungskoeffizienten, vorzugsweise Polytetrafluoräthylen (PTFE) bestehen.
6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Mantelfläche der Dichtlippe unter einem extrem spitzen Winkel (<sL) zur Lauffläche des Zylinders geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Dichtkante (36) nur eine Kante der als Schnittfläche ausgebildeten Mantelstirnfläche (38) dient.
7. Kolben nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet-, daß jeweils die Außendurchmesser (D) der der Dichtungskammer (37) abgewandten Befestigungsflansche (27, 32) bis unmittelbar an die Lauffläche (15) des Zylinders (10) heranreichen.
8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht des Kolbens (12) durch an der Kolbenstange (13) angreifende Lager (19, 26), vorzugsweise Kugellager (39), aufgenommen ist.
9. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (13) durch zwei aus je drei sternförmig angeordneten Kugellagern (39) bestehende Lager (19, 26) geführt ist, und die Außenringe (4l) der Kugellager (39) jedes Lagers (19,

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26) an drei Punkten am Umfang der Kolbenstange (13) druckfrei anliegen, mit geringem Spiel (a) montiert sind und die Achsen (42) der Kugellager (39) rechtwinklig zur Achse der Kolbenstange (13) verlaufen.
10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das eine aus drei Kugellagern (39) bestehende Lager (19) gegenüber dem anderen ebenfalls aus drei Kugellagern (39) bestehenden Lager (26) um 60 ° verdreht eingebaut ist. ^.

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