DE3225906A1

DE3225906A1 - Dichtung fuer hydraulische kolben oder kolbenstangen

Info

Publication number: DE3225906A1
Application number: DE19823225906
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Busak and Luyken & Co 7000 Stuttgart GmbH; Busak and Luyken GmbH and Co
Current assignee: Busak and Shamban GmbH and Co
Priority date: 1982-07-10
Filing date: 1982-07-10
Publication date: 1984-01-19
Also published as: US4449718A; GB2124717B; GB2124717A; JPH028183B2; FR2529984B1; FR2529984A1; GB8316706D0; JPS5913166A; DE3225906C2

Description

Busak +Luyken GmbH & Co.

Handwerkstraße 5-7

7000 Stuttgart 80

Vertreter:

Kohler-Schwindling-Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße 41

7000 Stuttgart 1

Dichtung für hydraulische Kolben oder Kolbenstangen

Die Erfindung betrifft eine Dichtung für hydraulische Kolben oder Kolbenstangen mit einem Dichtring aus einem zähelastischen Kunststoff als Berührungsdichtung zwischen einem eine Ringnut aufweisenden ruhenden und einem eine Einfahrschräge aufweisenden bewegten Maschinenteil und einem den Dichtring i^iial spannenden und gegenüber der Ringnut im ruhenden Maschinenteil abdichtenden, gummielastischen Spannring, wobei die uem bewegten Maschinen-

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teil zugewandte Umfangsfläche des Dichtringes - in axialer Richtung gesehen - im Bereich ihrer Mitte eine Stufe aufweist, deren Stirnfläche der Hochdruckseite zugewandt ist, und von der Stufe ausgehend zur Niederdruckseite hin eine sich unter einem kleinen Keilwinkel öffnende Kegelfläche bildet, so daß sich zwischen der Stirnfläche der Stufe und der Kegelfläche eine Dichtkante befindet.

Eine solche Dichtung ist aus der DE-AS 23 25 000 bekannt. Sie zeichnet sich durch eine extrem kleine Leckrate und eine sehr hohe Lebensdauer aus. Bei der sehr weiten Verbreitung, welche diese Dichtungen gefunden haben, waren jedoch immer wieder "Ausreißer" zu beobachten, also einzelne Exemplare solcher Dichtungen, welche eine erhöhte Leckrate sowie auch eine verminderte Lebensdauer aufwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß solche "Ausreißer" nicht mehr vorkommen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelost, daß zwischen der den Keilwinkel bildenden Kegelfläche und der Stufe eine Ringfläche angeordnet ist, die mit der Kegelfläche einen stumpfen Winkel X solcher Größe bildet, daß beim Einfahren der Dichtung über die an dem bewegten Maschinenteil angebrachte Einfahrschräge die resultierende F aus der Berührungsnormalkraft Fvr und der Reibungskraft F„ den Dichtkantenwinkel X wenigstens annähernd halbiert.

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. 5.

Eine eingehende Untersuchung der bekannten Dichtungen hat gezeigt, daß die erwähnten Ausreißer nicht auf Materialfehler, Herstellungsfehler oder auf eine mangelnde Oberflächengüte der abzudichtenden Maschinenteile zurück-zuführen sind, sondern auf Verformungen an der Dichtkante, die beim Einbau der Dichtung vor allem dann entstehen, wenn der Dichtring mit der Stirnfläche der Stufe voran auf die Einfahrschräge des bewegten Maschinenteils aufgeschoben wird. Die dann ausschließlich auf die Dichtkante ausgeübten und von dort in den Dichtring eingeleiteten Anpreßkräfte haben Materialverdrängungen im Bereich der Dichtkante zur Folge, die sich u.a. in einer Ausbauchung der Stirnfläche der Stufe äußern, obwohl zunächst anzunehmen wäre, daß die Reibungskräfte bei der genannten Schieberichtung ein Verdrängen des Materials zur Keilfläche hin bewirken müßten. Die Ausbauchung an der Stirnfläche führt wiederum zur Bildung eines hochdruckseitigen Keilspaltes, durch den eine größere Menge des abzudichtenden Mediums aus dem Hochdruckbereich ausgeschleppt wird als durch den bewußt vorgesehenen, niederdruckseitig angeordneten Keilspalt in den Hochdruckbereich zurückgeschleppt werden kann. So kommen dann überhöhte und störende Leckraten zustande.Dagegen wird durch das Anbringen der Ringfläche eine stumpfwinklige Ausbildung der Dichtkante und eine solche Verteilung der dort eingeleiteten Kräfte erzielt, daß schädliche Materialverdrängungen bei Aufbringen des Dichtringes mit Sicherheit vermieden werden und die nach der Erfindung ausgebildeten Dichtungen ausnahmslos die angestrebte hohe Dichtwirkung und große Lebensdauer besitzen. Dabei hat „ sich überraschenderweise noch ergeben, daß die Dichtwirkung und Lebensdc "er gegenüber den bekannten Dichtungen mit spitzwinkliger Dichtkante auch dann verbessert werden, wenn der Dichtr^ng rait der Kegelfläche

voran auf die Einfahrschräge geschoben wird, so daß bei vielen Anwendungsfällen eine vollkommene Abdichtung erzielt wird.

Die Anbringung einer sich zur Hochdruckseite hin öffnenden Ringfläche an der Dichtkante scheint dem Prinzip der gattungsgemäßen Dichtung zu widersprechen, weil für diese Dichtung einerseits die der Hochdruckseite zugewandte Stufe und andererseits der niederdruckseitige Keilspalt zwischen Dichtung und bewegtem Maschinenteil charakteristisch sind.Der Keilspalt bewirkt ein Zurückschleppen von durch die Dichtung hindurchtretendem hydraulischem Medium auf die Hochdruckseite. Ein Keilspalt auf der Hochdruckseite hat entsprechend ein Herausschleppen des abzudichtenden Mediums von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite und demgemäß eine hohe Leckrate zur Folge. Daher muß das Entstehen eines Keilspaltes auf der Hochdruckseite unter allen Umständen vermieden werden. Wie vorstehend dargelegt, hat sich jedoch gezeigt, daß gerade durch MaterialVerdrängungen an der spitzwinkligen Dichtkante ein hochdruckseitiger Keilspalt entstehen kann, der zu erhöhten Leckraten führt, wogegen bei Anbringen einer Ringfläche, die mit der Richtung der Dichtungsachse einen relativ großen Winkel bildet, eine solche Schleppwirkung nicht mehr vorhanden ist, so daß eine solche Ringfläche unschädlich ist. Bei den üblichen Werten des Reibungskoeffizienten zwischen Dichtring und der Oberfläche des bewegten Maschinenteils, des Keilwinkels -f am Dichtungsring und des Winkels β der Einfahrschräge ergibt sich für den Winkel ^O der Ringfläche in bezug auf die Dichtungsach.se ein Wert von etwa 4-5°.

Die axiale Länge der Ringfläche kann etwa 5 % der axialen Länge des Dichtringes betragen. In der Praxis geeignete axiale Längen der Ringflächen für übliche Dichtungen sind 0,1 bis 0,8 mm, je nach Größe der Dichtung. Diese axialen Längen sind in jedem Fall so gering, daß die grundsätzliche Wirkung der gattungsgemäßen Dichtungen erhalten bleibt, die darauf zurückzuführen ist, daß sich die Dichtkante unmittelbar an einer der Hochdruckseite zugewandten Stufe befindet und sich an die Dichtkante eine Kegelfläche anschließt, die mit der Gegenlauffläche einen engen Keilspalt bildet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Dichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung, die das Aufschieben der Dichtung auf die Einfahrschräge des ruhenden Maschinenteiles veranschaulicht,

Fig. 3 ein die Dichtkante umfassendes Detail der Fig. 2 in stark vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig. 3 mit vollständig auf den ruhenden Maschinenteil aufgeschobenem Dichtring,

Fig. 5 eine Variante der Anordnung nach Fig. 4-,

Fig. 6 eine Darstellung ähnlich Fig. 2, die das Aufschieben der erfindungsgemäßen Dichtung auf die Einfahrschräge des ruhenden Maschinenteiles veranschaulicht,

Fig. 7 das die Dichtkante umfassende Detail der Fig. 6 in stark vergrößertem Maßstab und

Fig. 8 eine Darstellung ähnlich Fig. 7 bei vollständig auf das ruhende Maschinenteil aufgeschobener Dichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Dichtung besteht aus einem Dichtring 1 und einem koaxial zum Dichtring 1 angeordneten Spannring 2. Der Dichtring 1 besteht aus einem zähelastischen Kunststoff auf der Basis von Polytetrafluorethylen, während der Spannring 2 aus einem gummielastischen Material besteht. Die beiden Singe sind in eine Nut 3 eines Maschinenteils 4- eingelegt, das als ruhendes Maschinenteil bezeichnet wird, weil die Dichtung gegenüber diesem Maschinenteil keine Bewegungen ausführt. Der gummielastische Spannring 2 übt auf den Dichtring 1 eine radial gerichtete Spannkraft aus und dichtet ihn zugleich in der Nut 5 des ruhenden Maschinenteils 4 ab. Der Dichtring 1 weist an seiner dem Spannring 2 abgewandten Umfangsflache eine Stufe 5 auf, die, in Axialrichtung der Dichtung gesehen, im Bereich der Mitte des Dichtringes liegt. Die von der Stufe 5 gebildete Stirnfläche ist der Hochdruckseite H der Dichtung zugewandt. An der Niederdruckseite N schließt sich an die Stufe eine Kegelfläche 6 an, die sich unter einem kleinen Keilwinkel zur Niederdruckseite N hin öffnet. Am Übergang von der Stirnfläche der Stufe 5 zur Kegelfläche 6 befindet sich eine Ringfläche 7, welche

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die Form einer sich zur Hochdruckseite H hin öffnenden Kegelfläche hat, so daß eine Dichtkante 8 entsteht, mit der der Dichtring 1 an der Gegenlauffläche 9 des bewegten Maschinenteiles 10 anliegt, die gegenüber der Stirnfläche der Stufe 5 zur Niederdruckseite N hin leicht versetzt ist. Trotzdem befindet sich die Dichtkante 8 noch im Bereich der axialen Mitte der Dichtung und an einer Stelle, an der die Anpreßkraft des Spannringes 2 ein Maximum hat.

Die der Hochdruckseite zugewandte Bingflache 7 gewährleistet, daß beim Aufsetzen des unter Vorspannung stehenden Dichtringes auf das bewegte Maschinenteil 10 die zum Aufweiten des Dichtringes notwendigen Kräfte in solcher Weise eingeleitet werden, daß eine schädliche Verformung des Dichtringe8- nicht eintreten kann. Um die Vorgänge beim Aufschieben des Dichtringes auf das bewegte Maschinenteil besser zu verstehen, wird dieser Vorgang zunächst anhand der Figuren 2 bis 5 für eine gattungsgemäJSe Dichtung beschrieben, welche die nach der Erfindung vorgesehene Bingflache noch nicht aufweist« Figur 2 zeigt schematisch eine aus Dichtring 21 und Spannring 22 bestehende Dichtung, die sich in der Nut 23 des ruhenden Maschinenteiles 24 befindet. Diese Dichtung ist auf das bewegte Maschinenteil 25 aufzuschieben, das an seinem Ende eine Einfahrschräge 26 aufweist. Vie in Fig. 2 dargestellt, ist der Durchmesser des Dichtringes 21 vor dem Einbau kleiner als der Durchmesser des bewegten Maschinenteiles 25» so daß der Dichtring beim Aufschieben über die Einfahrschräge aufgeweitet werden muß. Da der Dichtring 21 aus einem zähelastischen Material besteht, findet dabei eine teil? plastische und teils elastische Deformation des Diclr^inges 21 statt. Venn der Dichtring, wie in Fig. 2 dargestellt, mit vorn liegender Stufe P.7 auf das bewegte Maschinenteil 25 aufgeschoben wird, kommt der Dichtring ausschließlich

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mit der Dichtkante 28 an der Einlaufschräge 26 zur Anlage, so daß alle zur Aufweitung des Dichtringes 21 erforderlichen Kräfte an der Dichtkante 28 auf den Dichtring übertragen werden. Diese Kräfte haben eine Verformung des Dichtringes zur Folge, wie sie in Fig. 3 durch die strichpunktierte Linie 29 angedeutet ist. Es erscheint zunächst überraschend, daß die Materialverdrängung sich im wesentlichen in einer Auswölbung an der Stufe 27 äußert, obwohl man doch eigentlich annehmen sollte, daß das Einschieben des bewegten Maschinenteiles 25 in den Dichtring 21 eine Mitnahme des Materials in der Schieberichtung 30 zur Folge hat. Tatsächlich sind aber die Spannungsverhältnisse im Material des Dichtringes im Bereich der Dichtkante 28 derart, daß im wesentlichen die dargestellte Auswölbung an der Stufe 27 stattfindet.

Wie in den Figuren 4 und 5 veranschaulicht, hat die Auswölbung an der Stirnfläche 27 des Dichtringes 21 zur Folge, daß dann, wenn der Dichtring 21 die vorgesehene, zylindrische Gegenlauffläche am beweglichen Maschinenteil 25 erreicht hat, das Maximum der Flächenpressung nicht mehr an der Schulter liegt, sondern gegenüber der Schulter in Richtung auf die Niederdruckseite hin versetzt ist. Dabei kann es zur Entstehung eines sehr flachen Keilspaltes 31 kommen, wie in Fig. 4 dargestellt, dessen Keilwinkel 0 kleiner ist als der Keilwinkel vzwischen der niederdruckseitigen Kegelfläche 32 der Dichtung und der Gegenlauffläche am bewegten Maschinenteil. Dieser Keilspalt mit dem kleinen Winkel {y bewirkt ein Ausschleppen des abzudichtenden Mediums in größeren Mengen als von der Niederdruckseite her wieder in die Hochdruckseite zurückgeschleppt werden kann. Daraus ergibt sich eine erhebliche Leckage. Der gleiche Effekt

tritt auch dann ein, wenn, wie in Fig. 5 dargestellt, an der Hochdruckseite zwar kein deutlicher Keilspalt vorhanden ist, jedoch die Flächenpressung zwischen Dichtring 21 und bewegtem Maschinenteil 25 an der hochdruckseitigen Kante der Dichtung O ist und von diesem Wert infolge der stattgefundenen MaterialVerdrängung auf einen Maximalwert nahe der Stellung ansteigt, an dem die niederdruckseitige Kegelfläche 32 des Dichtringes 21 beginnt. Der Druckverlauf an der Dichtung ist in Fig. durch die Pfeile 33 veranschaulicht.

Weist nun die Dichtung erfindungsgemäß zwischen der Kegelfläche 6 und der Stufe 5 eine Ringfläche 7 auf, so ergeben sich die in den Fig. 6 bis 8 dargestellten Verhältnisse. Figi 6 zeigt wiederum, ähnlich wie Fig. 2, wie die in einer Nut 3 des ruhenden Maschinenteiles angeordnete Dichtung auf die Einfahrschräge 11 des bewegten Maschinenteiles 10 aufgeschoben wird. Dabei kommt wiederum der Dichtring 1 mit der Dichtkante 8 an der Einlaufschräge 11 zur Anlage. Es findet auch in diesem Fall die Einleitung aller zum Aufweiten des Dichtringes 1 erforderlichen Kräfte an der Dichtkante 8 statt. Diese Dichtkante befindet sich nun jedoch zwischen der niederdruckseitigen Kegelfläche und der Ringfläche 7i und es bildet die Dichtkante 8 die Spitze eines stumpfen Winkels χ, der von der Kegelfläche und der Ringfläche eingeschlossen wird. Dabei ist dieser Winkel χ so gewählt, daß beim Einfahren der Dichtung über die an dem bewegten Maschinenteil 10 angebrachte Einfahrschräge die Resultierende F aus der Berührungsnormalkraft des Fjj und der E">.ibungskraf t F^ den Dichtkantenwinkel K halbiert.

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Bedeutet jj den Winkel der Einfahrschräge, -ν* den im Herstellungszustand von der Kegelfläche 6 gebildeten Keilwinkel,oC den Winkel der Ringfläche 7 und Q den der Reibungskraft F_R entsprechenden Winkel, so lassen sich aus Fig. 7 die folgenden Beziehungen ablesen: ^ + x/2 + # + β - 90° und

- /S - (J. = 90

Aus diesen Größen ergibt sich für den optimalen Winkel der Ringfläche 7

Bei den erfindungsgemäßen Dichtungen wird zweckmäßig ein Keilwinkel -^svon 7° verwendet, wie er auch bei den gattungsgemäßen Dichtungen üblicherweise vorhanden ist. Ebenso ist ein besonders geeignetes Material für solche Dichtungen ein Polytetrafluorethylen, das gegenüber Stahl als Gegenlauffläche im Mittel eine Reibungszahl von ^u-0,07 besitzt. Daraus ergibt sich ein Reibungswinkel § = 4°. Als Winkel ^ für die Einlaufschräge hat sich allgemein ein Wert von 15° durchgesetzt. Unter diesen Bedingungen ergibt sich ein optimaler Wert für den Winkel Ji. der Ringfläche 7 von ,C= 2(15°+4^O) + 7° = 45°. Es versteht sich, daß für andere Verhältnisse der Winkel </v andere Werte annimmt und nach den obigen Gleichungen bestimmt werden muß.

Es hat sich gezeigt, daß bei Dichtringen, die eine unter dem optimalen Winkel <£■ angeordnete Ringfläche 7 aufweisen, beim Einbau keinerlei schädliche, einseitige und plastische MaterialVerdrängung entsteht. Daher ergibt sich zwar, wie in Fig. 8 dargestellt, nach dem Einbau ein hochdruckseitiger Keilspalt Ct der jedoch annähernd gleich dem Winkel <£, und infolgedessen sehr viel größer

-yC-

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als der sich im eingebauten Zustand einstellende niederdruckseitige Keilwinkel y ist. Damit ist wiederum gewährleistet, daß das Eückfordervermögen des Keilspaltes mit dem kleinen WinkelV" die Schmierfilmbildung beim Ausfahren des bewegten Maschinenteiles überwiegt und daher die Dichtheit bei hin- und hergehender Bewegung dieses Maschinenteiles gewährleistet ist.

Die axiale Länge a der Ringfläche 7 ist relativ gering. Sie beträgt nur wenige Prozent, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 5 % der axialen Länge b des Dichtringes 1. Bei den üblichen Abmessungen solcher Dichtringe liegt die axiale Länge a der Ringfläche 7 im Bereich zwischen 0,1 und 0,8 mm. Diese geringe Länge reicht aus, um die oben erwähnten vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Dichtung zu erzielen, ohne daß sich durch den axialen Versatz der Dichtkante 8 gegenüber der Stufe 50 die grundsätzlichen Eigenschaften der gattungsgemäßen Dichtung ändern, die zu den bekannten, guten Dichtungseigenschaften führt.

Es sei noch bemerkt, daß bei einem Einbau der Dichtung in solcher Weise, daß die Stufe 5 zur Einfahrrichtung entgegengesetzt ist, die Einfahrschräge zunächst mit der Kegelfläche 6 in Eingriff kommt und daher der Ring praktisch vollständig aufgeweitet ist, bevor die Dichtkante 8 am Ende der Einfahrschräge mit der zylindrischen Gegenlauffläche des bewegten Maschinenteiles in Eingriff kommt. Die Krafteinleitung an der Dichtkante ist dann relativ gering, so daß auch bei den herkömmlichen Dichtungen normalerweise keine Verformungen auftreten, die

zu einer erhöhten Leckage führen. Auch bei dieser Einbauweise ist jedoch das Anbringen der erfindungsgemäßen Ringfläche von Vorteil, weil sie dann noch zu einer weiteren Verbesserung der Dichtungseigenschaften führt, mit dem Ergebnis, daß über sehr lange Zeiträume hinweg eine absolute Leckfreiheit erzielt wird.

Leerseite

Claims

JZZ03UÖ

Patentansprüche

Λ.) Dichtung für hydraulische Kolben und Kolbenstangen mit einem Dichtring aus einem zähelastischen Kunststoff als Berührungsdichtung zwischen einem eine Ringnut aufweisenden ruhenden und einem eine Einfahrschräge aufweisenden bewegten Maschinenteil und einem den Dichtring radial spannenden und gegenüber der Ringnut im ruhenden Maschinenteil abdichtenden, gummielastischen Spannring, wobei die dem bewegten Maschinenteil zugewandte Umfangsflache des Dichtringes in axialer Richtung gesehen - im Bereich ihrer Mitte eine Stufe aufweist, deren Stirnfläche der Hochdruckseite zugewandt ist, und von der Stufe ausgehend zur Niederdruckseite hin eine sich unter einem kleinen Keilwinkel öffnende Kegelfläche bildet, so daß sich zwischen der Stirnfläche der Stufe und der Kegelfläche eine Dichtkante befindet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der den Keilwinkel bildenden Kegelfläche (6) und der Stufe (5) eine Ringfläche (7) angeordnet ist, die mit der Kegelfläche (6) einen stumpfen Winkel χ solcher Größe bildet, daß beim Einfahren der Dichtung über die an dem bewegten Maschinenteil (10) angebrachte Einfahrschräge (11) die Resultierende F aus der Berührungsnormalkraft ?„· und der Reibungskraft F_R den Dichtkantenwinkel χ wenigstens annähernd halbiert.
2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringfläche (7) mit der Dichtungsachse einen Winkel von etwa 45° bildet.

J. Dichtung nach Anspruch Λ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge (a) der Ringfläche (7) etwa 5 % der axialen Länge (b) des Dichtringes (1) beträgt.