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Die Erfindung betrifft eine Kolbenringanordnung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.
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Derartige Kolbenringanordnungen werden insbesondere für die Abdichtung zwischen einem Kolben und einem Zylinder in einem Hochdruckhydrauliksystem verwendet. Der Expanderring hat dabei die Aufgabe, den Kolbenring nach außen gegen die Innenfläche des Zylinders zu drücken, um die Dichtwirkung des Kolbenringes zu verbessern.
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Es ist bereits eine Kolbenringanordnung der gattungsgemäßen Art bekannt, bei der die radiale Dicke des Kolbenringes kleiner als die radiale Tiefe der entsprechenden Kolbennut ist, so daß der Kolbenring in zusammengedrücktem Zustand, bei dem die Teilfuge geschlossen ist, vollständig in der Kolbennut aufgenommen ist (DE-OS 23 08 150). Erst unter dem Arbeitsdruck drückt der Expanderring den Kolbenring in radialer Richtung nach außen, um die Außenflächen des Kolbenringes in Dichtungseingriff mit der Innenfläche des Zylinders zu bringen. Dabei öffnet sich die Teilfuge teilweise wieder, so daß die Gefahr eines Durchtrittes der vom Kolben zu verdrängenden Flüssigkeit besteht. Um einen derartigen Durchtritt wenigstens teilweise zu verhindern, ist an den gegeneinander gerichteten Flächen der Teilfuge eine Zapfen-/ Zapfenloch-Anordnung vorgesehen, welche außer einer gegen -seitigen Ausrichtung der Ringenden offensichtlich eine labyrinthartige Wirkung haben soll. Eine weitere Maßnahme zur Verhinderung einer Leckage besteht darin, daß der Kolbenring in einer senkrecht zur Ringachse liegenden Ebene geteilt ist und die Teilfugen der Teilringe gegeneinander versetzt werden.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung besteht darin, daß der im allgemeinen aus einem Elastomer bestehende Expanderring in die klaffende Teilfuge gedrückt wird, was zu einem Versagen der Dichtanordnung führt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kolbenringanordnung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu schaffen, die eine einwandfreie Dichtanlage des Kolbenringes an der Zylinderwand gewährleistet, eine Leckage durch die Teilfuge des Kolbenringes und eine Zerstörung des Expanderringes durch Eindringen in die Teilfuge ausschließt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst.
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Der Kolbenring hat im Zustand des geschlossenen Stoßes ein Übermaß gegenüber dem Durchmesser der Zylinderlauffläche. Beim Einbau des Kolbens in den Zylinder wird der Kolbenring, dessen Teilfuge bereits geschlossen ist, weiter zusammengedrückt, bis sein Außenmaß dem Innenmaß des Zylinders entspricht. Durch die dabei entstehende Ringkompressionsvorspannung wird die Wirksamkeit des Kolbenringes gegenüber einem Kolbenring, der nur durch den Expanderring zur Anlage an der Zylinderwand veranlaßt wird, noch wesentlich verbessert. Außerdem bleibt auch dann, wenn infolge eines wachsenden Betriebsdruckes der Expanderring den Kolbenring radial nach außen belastet, die Teilfuge geschlossen, so daß der Expanderring nicht in die Teilfuge eindringen und dadurch beschädigt werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei im wesentlichen treppenförmig ausgbildeten Stoßflächen zwischen deren achsnormalen Flächenbereichen ein Hilfsdichtelement eingelegt ist, welches in axialer Richtung komprimiert ist, sich in so komprimiertem Zustand im wesentlichen über die radiale Erstreckung der Stoßflächen erstreckt und gegebenenfalls auch radial unter Druck steht. Wegen der Ringkompressionsvorspannung liegen die in Umfangsrichtung gegeneinanderweisenden Stoßflächen unter hohem Druck dichtend gegeneinander. Die Gefahr einer Leckage ist deshalb allenfalls noch zwischen den achsnormalen Stoßflächen gegeben. Durch das zwischen den achsnormalen Stoßflächen angeordnete Hilfsdichtelement wird auch diese Leckagemöglichkeit unterbunden. Das Hilfsdichtelement wird beim Einbau des Kolbenringes in die Kolbennut axial zusammengedrückt und breitet sich dabei im wesentlichen in einer achsnormalen Ebene aus, wodurch die Dichtwirkung noch verbessert wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Hilfsdichtelement teilweise von einer Ausnehmung in einem der einander gegenüberliegenden achsnormalen Flächenbereiche aufgenommen ist. Auf diese Weise kann das Hilfsdichtelement schon vormontiert sein, so daß das Einsetzen des Kolbenringes in die Kolbennut vereinfacht wird.
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Der Kolbenring ist vorzugsweise aus Kunstharz und hat einen Elastizitätsmodul, der die Ringkompression beim Einbau zuläßt.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
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Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Ausführungform der Erfindung, in der der Kolbenring mit überlapptem Stoß vor dem Einbau dargestellt ist,
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Fig. 2 einen Aufriß der Ausführungsform gemäß Fig. 1, bei der die Kolbenringanordnung in eine Umfangsnut eines Kolbens eingesetzt ist, welcher sich in einem im Querschnitt gezeigten Kreiszylinder befindet,
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Fig. 3 eine vergrößerte Teildraufsicht auf den Kolbenring mit überlapptem Stoß gemäß Fig. 1,
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Fig. 4 eine vergrößerte Teildraufsicht auf den Kolbenring mit überlapptem Stoß gemäß Fig. 2,
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Fig. 5 einen Horizontalschnitt der in den Fig. 2 und 4 gezeigten eingebauten Kolbenringanordnung entlang der Linie V-V in Fig. 4,
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Fig. 6 eine Teildraufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform des Kolbenrings mit überlapptem Stoß, dargestellt im Zustand vor dem Einbau,
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Fig. 7eine Teildraufsicht einer Kolbenringanordnung mit dem Kolbenring von Fig. 6 im eingebauten Zustand,
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Fig. 8 einen Horizontalschnitt der Kolbenringanordnung längs der Linie VIII-VIII von Fig. 7,
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Fig. 9 eine Teildraufsicht einer anderen Ausführungsform des Kolbenrings mit überlapptem Stoß, dargestellt im Zustand vor dem Einbau,
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Fig. 10 eine Teildraufsicht auf die Kolbenringanordnung, welche den Kolbenring von Fig. 9 nach dem Einbau zeigt,
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Fig. 11 eine Horizontalansicht, teilweise in Draufsicht, und teilweise geschnitten, die bestimmte Teile des Endspaltdichtaufbaus von Fig. 10 erkennen läßt, wobei Teile hiervon weggebrochen sind,
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Fig. 12 eine Teildraufsicht auf eine weitere Ausführungsform, die einen Kolbenring mit überlapptem Stoß nach dem Einbau zeigt,
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Fig. 13 einen Horizontalschnitt der Kolbenringanordnung von Fig. 12 längs der Linie XIII-XIII von Fig. 12,
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Fig. 14 einen Horizontalschnitt einer anderen Ausführungsform der Kolbenringanordnung nach dem Einbau, und
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Fig. 15 einen Vertikalschnitt der Kolbenringanordnung von Fig. 14 längs der Linie XV-XV.
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Obwohl die nachstehend beschriebenen Kolbenringanordnungen in unterschiedlichen Anwendungsfeldern eingesetzt werden können, eignen sie sich besonders für die Verwendung als Kolbenring in Kolben-Zylinder-Anordnungen zur Benutzung bei Hochdruck-Ölhydraulikanwendungen.
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Fig. 1 zeigt eine Kolbenringanordnung, die allgemein mit 21 bezeichnet ist. Die Kolbenringanordnung 21umfaßt einen elastischen bez. federnden Spreizring oder Expanderring 22 und einen in Umfangsrichtung kompressiblen Kolbenring 23, der bei geschlossenem Spalt bzw. Schlitz Übergröße hat. Es ist außerdem ein zylindrischer Kolben 24 mit einer oder mehreren zylindrischen Nuten25 dar -gestellt. Der Kolbenring 23 ist geschlitzt und mit einem gestuften bzw. überlappten Stoß versehen, welcher allgemein mit 26 bezeichnet ist. Der Stoß 26 weist gegenüberliegende radial verlaufende Flächen 31, 32 und 33, 34 auf.
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Wie in Fig. 1 dargestellt, können vor dem Einbau Spalte 35 und 36 zwischen den gegenüberliegenden Radialflächen 31, 32 bzw. 33, 34 vorhanden sein. Die Spalte 35 und 36 können zwischen 0 bis 0,01 cm - gemessen näherungsweise längs dem Umfang des Kolbenrings 23 - pro Zentimeter des Durchmessers des Kolbenrings 23 betragen. Auf jeden Fall sind die Spalte 35 und 36 so bemessen, daß der Kolbenring 23 im Zustand geschlossener Spalte Übergröße hat, um sicherzustellen, daß die Spalte 35 und 36 auch nach dem Einbau des Kolbenrings 23 im wesentlichen verschwunden sind, während der Kolbenring in Umfangsrichtung komprimiert ist und im Reibeingriff über dem Expanderring 22 liegt.
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Wie Fig. 2 zeigt, sind die Spalte 35 und 36, falls sie vor dem Einbau vorhanden waren, nach dem Einbau der Kolbenringanordnung 21 im wesentlichen verschwunden. Wenigstens eines der gegenüberliegenden radialen Flächenpaare 31, 32 und 33, 34 befindet sich dann im Paßeingriff. Der Kolbenring 23 selbst ist in Umfangsrichtung komprimiert. Fig. 2 zeigt Kolbenringanordnungen, die in Nuten des Kolbens 24 eingebaut sind, welcher innerhalb eines Zylinders 37 mit einer Zylinderwand 38 hin- und herbeweglich ist.
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Fig. 3 zeigt den überlappten Stoß 26 des Kolbenrings 23 im wesentlichen ohne Spalt vor dem Einbau der Kolbenringanordnung 21. Fig. 4 zeigt dieselbe Kolbenanordnung, nachdem sie auf den Kolben 24 gebracht und dieser in den Zylinder 37 (Fig. 2) eingesetzt wurde. Bei dieser Ausführungsform befinden sich die axialen Flächen des überlappten Stoßes 26 ohne zwischenliegenden Spalt im wesentlichen im Paßeingriff. In Fig. 5 ist der aufeinanderliegende Eingriff, bei dem es sich um anstoßenden Umfangseingriff handelt, zwischen dem federnden Expanderring 22 und dem in Umfangsrichtung kompressiblen Kolbenring 23 gezeigt, nachdem beide eingebaut wurden. Hieraus ist zu ersehen, daß der Expanderring 22 Radialkräfte auf den inneren Umfang des in Umfangsrichtung zusammengedrückten Kolbenrings 23 ausübt, die über den Kolbenring 23 zur Verbesserung des Dichteingriffs zwischen der Kolbenringanordnung 21 und der Zylinderwand 38 (Fig. 2) übertragen werden.
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In Fig. 6 ist die bevorzugte Ausführungsform des in Umfangsrichtung kompressiblen Kolbenrings 23 vor dem Einbau gezeigt. Eine elastische Hilfsdichtung 41 ist längs einer der Flächen des Paares gegenüberliegender axialer Flächen 42 oder 43 angeordnet. Die Hilfsdichtung 41 ist so aufgebaut und angeordnet, daß sie beim Einbau sowohl radial als auch axial komprimiert wird. Fig. 7 zeigt die federnde Hilfsdichtung 41 in ihrem komprimierten Zustand nach dem Einbau. Diese Kompression stellt sicher, daß die axialen Flächen 42 und 43 gegenseitig über die Hilfsdichtung 41 im Eingriff stehen, um einen sicher passenden überlappten Stoß zu schaffen. Die komprimierte Hilfsdichtung 41 füllt außerdem die Öffnung zwischen den axialen Flächen 42 und 43 in Radialrichtung aus und verhindert den Durchlauf irgendwelcher Flüssigkeiten, die zwischen den geschlossenen Spalten der gegenüberliegenden radialen Flächen 31, 32 und 33, 34 hindurchsickern könnten. Diese Anordnung schließt aus praktischen Zwecken ein Leck zwischen dem Kolbenring 23 und der zugehörigen Dichtfläche, z. B. der Zylinderwand 38 (Fig. 2) aus. Fig. 8 zeigt die komprimierte Hilfsdichtung 41, wie sie die radiale Strecke der axialen Oberfläche 42 und der axialen Oberfläche 43 (Fig. 7) ausfüllt.
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In Fig. 9 ist eine elastische Hilfsdichtung 41 a längs dem überlappten Stoß 26 innerhalb einer Ausnehmung oder Aufnahme 44 angeordnet, die längs einer radial verlaufenden Kante des Kolbenrings 23 a offen ist. Hierdurch wird eine Möglichkeit geschaffen, die Hilfsdichtung 41 a in einen Kolbenring 23 a einzusetzen, der einfacher geformt bzw. gegossen werden kann als der Kolbenring 23, beispielsweise der Ausführungsform von Fig. 6, bei der keine Öffnungen über den gesamten Bereich der axial verlaufenden Umfangsfläche des Kolbenrings 23 vorhanden sind, einschließlich des unmittelbar an die Hilfsdichtung 41 angrenzenden Flächenbereichs.
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Die Fig. 12 und 13 zeigen noch eine andere Gestalt der elastischen Hilfsdichtung in Form einer Hilfsdichtung 41 b, die vor dem Einbau einen im wesentlichen würfelartigen Aufbau hat. Die Fig. 12 und 13 zeigen die eingebaute Kombination aus Kolbenring 23 b, elastischem Expanderring 22 und komprimierter Hilfsdichtung 41 b.
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Die Fig. 14 und 15 zeigen eine weitere Gestaltung einer Hilfsdichtung 41 c und eines Kolbenrings 23 c. Die konische Hilfsdichtung 41 c ist innerhalb einer konischen Öffnung 45 längs des Kolbenrings 23 c aufgenommen. Diese Hilfsdichtung 41 c ist nur in ihrem eingebauten, komprimierten Zustand gezeigt.
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Bei den verschiedenen hier erörterten Ausführungsformen besteht der elastische Expanderring 22 beispielsweise aus einem synthetischen Gummi, z. B. aus Nitrilkautschuk. Andere geeignete Elastomere könnten stattdessen verwendet werden.
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Der in Umfangsrichtung kompressible Kolbenring 23 muß eine angemessene Elastizität aufweisen, damit der bei geschlossenen Spalten mit Übergröße versehene Kolbenring sowohl über den Kolben 24 oder Ähnliches gebracht als auch nach Einbau in den Zylnder 37 oder Ähnliches in Umfangsrichtung komprimiert werden kann. Dies erfordert ein Material einer noch näher erläuterten Art mit einem Elastizitätsmodul und einer Wärmedeflexionstemperatur innerhalb der hier angegebenen Bereiche. Das bevorzugte Material für den Kolbenring 23 ist ein Nylonmaterial (Polyamid), das zu einem Wert von etwa 30 Gew.-% glasfasergefüllt ist und einen Elastizitätsmodul von etwa 9 · 10 9 Nm -2 und eine Wärmedeflexionstemperatur von etwa 523 K bei 1,8 · 10 6 Nm -2 aufweist. Andere geeignet geformte Harze können statt des bevorzugten gefüllten Nylons verwendet werden, sofern sie die angegebenen Bedingungen erfüllen.
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Das beschriebene Dichtungsverfahren beseitigt oder vermindert wesentlich den Leckfluß zwischen gegenüberliegenden, hin- und herbewegten Oberflächen. Das Verfahren umfaßt das Schaffen eines eine Dichtfläche liefernden Rings mit Übergröße im Zustand des geschlossenen Spalts oder Schlitzes, um längs einer der hin- und herbewegten Flächen umfangsmäßige und radiale Druckkräfte auszuüben und eine gleichmäßig passende Dichtung zu schaffen. Dadurch wird die Abdichtung der Oberflächen verbessert und die Lebensdauer der Dichtung merklich verlängert.
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Genauer gesagt umfaßt das Verfahren zur Verbesserung der Abdichtung das Auswählen eins Kolbenrings, der im Zustand geschlossener Spalte Übergröße hat, um sicherzustellen, daß in der Dichtfläche des Kolbenrings im wesentlichen keine Spalte vorhanden sind, auch nachdem der Kolbenring über einen darunterliegenden elastischen Expanderring gesetzt und in Umfangsrichtung komprimiert wurde. Der bevorzugte Kolbenring besitzt einen Elastizitätsmodul zwischen etwa 6×10&sup9; Nm-2 und 27,6×10&sup9; Nm-2, vorzugsweise zwischen etwa 6,9×10&sup9; Nm-2 und 20,7×10&sup9; Nm-2. Die bevorzugten Materialien sollten außerdem eine Deflexionstemperatur zwischen etwa 422 K und 589 K, vorzugsweise zwischen etwa 477 K und 547 K aufweisen. Allgemein wird es sich hierbei um spritz- oder druckguß-geformte thermoplastische oder wärmehärtende synthetische Harze, vorzugsweise der selbstschmierenden Art, handeln. Kolbenringe dieser Art können in Übergröße bei geschlossenen Spalten hergestellt und entsprechend dem hier beschriebenen Verfahren in Umfangsrichtung komprimiert werden
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Wie bereits zuvor erwähnt, ist das bevorzugte Material für den Kolbenring gefülltes Polyamid. Beispiele anderer geeigneter Materialien sind Polysulfone, Polyäthersulfone, Polyphenylsulfide, Äthylentetrafluoräthylen und Polyäthylenterephthalat. Diese Materialien sind selbstschmierend, spritz- oder druckgegossen und enthalten einen geeigneten Füllstoff wie Glasfasern oder Kohlenstoff. Diese Materialien besitzen allgemein eine gewisse Selbstschmierung, ohne daß spezielle Schmiersubstanzen zugesetzt werden müßten. Sie können aber auch Schmierstoffe wie Molybdändisulfid, Polytetrafluoräthylen (Teflon) oder Silikonöle enthalten, um ihre Selbstschmierfähigkeit zu verbessern.
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Das Verfahren umfaßt das Zusammendrücken in Umfangsrichtung eines Kolbenrings, der eine Dichtfläche aufweist, die in darüberliegender Umfangsverbindung mit einem elastischen Expanderring ist, um dadurch radiale und umfangsmäßig gerichtete Dehnkräfte zu entwickeln. Diese in Umfangsrichtung komprimierte Dichtfläche wird gewöhnlich dadurch erhalten, daß der aus Kunstharz bestehende Kolbenring allmählich um den elastischen Expanderring komprimiert wird. Der Expanderring wird dadurch selbst radial und in Umfangsrichtung komprimiert. Während dieses Vorgangs wird die führende oder vordere Umfangskante des Kolbenrings zwischen die abzudichtenden Flächen gebracht. Dieser Vorgang hält an, bis sich die gesamte Dichtfläche zwischen den abzudichtenden hin- und herbeweglichen Flächen befindet.
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Durch diese Verfahrensschritte wirken die allgemein umfangsmäßigen Kräfte, die aufgebracht werden, um den Kolbenring zu komprimieren, in Verbindung mit dessen Übergröße im Zustand geschlossener Spalte und den allgemein radialen Kräften, die vom elastischen Expanderring aufgebracht werden, zusammen, um eine Gleitdichtung zwischen gegenüberliegenden zylindrischen Flächen zu schaffen. Diese Dichtung bleibt während der hin- und hergehenden Bewegung der zylindrischen Flächen im wesentlichen leckfrei. Sehr wesentlich dabei ist, daß der elastische Expanderring im wesentlichen unbeschädigt bleibt, da der Einbau des Kolbenrings gemäß dem vorliegenden Verfahren irgendwelche ins Gewicht fallende Spalte im Kolbenring ausschließt, wodurch ein Ausreißen oder Herausdrücken des elastischen, aus einem Elastomer bestehenden Expanderrings verhindert wird. Dies würde andernfalls zu einem möglichen Versagen der Kolbenringanordnung führen.
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Als ein zur Wahl gestellter Schritt kann bei diesem Verfahren eine elastische Hilfsdichtung bzw. ein Hilfsexpander innerhalb des überlappten Stoßes des Kolbenrings vorgesehen werden. Durch diesen Schritt wird eine Hilfsdichtung gebildet, durch die jeglicher Leckfluß durch die axialen Flächen des überlappten Stoßes im wesentlichen ausgeschlossen wird. Ohne diesen zur Wahl gestellten Schritt läßt das Verfahren allgemein einen gewissen minimalen Leckfluß über die Dichtflächen zu. Wenn der zur Wahl gestellte Schritt ausgeführt wird, ist ein solcher Leckfluß nahezu ausgeschlossen. Abhängig von Veränderlichen, wie den Flüssigkeiten oder Gasen, auf die die Kolben-Zylinder-Anordnung einwirkt, der Geschwindigkeit der hin- und hergehenden Bewegung, der Zeit und der Temperatur, kann bei Weglassen dieses Schritts des Vorsehens der Hilfsdichtung ein Leckfluß in der Größenordnung von 10 Kubikzentimeter pro Minute beobachtet werden.
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Die beschriebene Kolbenringanordnung eignet sich insbesondere für die Verwendung in Kolben-Zylinder-Anordnungen, die in hydraulisch betriebenen Hochleistungsgeräten eingesetzt sind, beispielsweise für ein Schaufelbaggersystem für Erdbewegungsarbeiten oder dergleichen.
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Es wird so eine Kolbenringanordnung geschaffen, die sich insbesondere für Hochdruck- Hydraulikanwendungen eignet und einen in Umfangsrichtung kompressiblen Kolbenring aufweist, der mit gestuften, überlappenden Enden versehen ist, sowie eine elastischen Expanderring, beispielsweise mit ovalem Querschnitt, der dazu beiträgt, den komprimierten Kolbenring in Dichtverbindung mit den so abgedichteten Flächen zu drücken. Der Kolbenring wird aus gefülltem Kunststoffmaterial in Übergröße im Zustand geschlossener Spalte hergestellt und besitzt einen Elastizitätsmodul, der ausreicht, um eine Kompression des Kolbenrings zuzulassen, wenn dieser zwischen die auf diese Weise abgedichteten Flächen gebracht wird. Der Kolbenring kann wahlweise eine elastische Hilfsdichtung enthalten, die zwischen den axialen, inneren Flächen der Stufen angeordnet sind.
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Unter dem voranstehend verwendeten Ausdruck Wärmedeflexionstemperatur ist die Temperatur zu verstehen, bei der sich das gegossene bzw. geformte Harz unter einem Druck von 1,8×10&sup6; Nm-2 zuerst verformt ( entsprechend Test D 648 der amerikanischen Gesellschaft für Materialtests ASTM).