DE3225906C2

DE3225906C2 - Dichtung für hydraulische Kolben oder Kolbenstangen

Info

Publication number: DE3225906C2
Application number: DE3225906A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: 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: 1984-04-26
Also published as: DE3225906A1; FR2529984B1; GB2124717B; GB8316706D0; JPH028183B2; JPS5913166A; FR2529984A1; US4449718A; GB2124717A

Description

von der Stufe ausgehend zur Niederdruckseite hin eine sich unter einem kleinen Kellwinkel öffnende Kegelfläche bildet, so daß sich zwischen der Stirnfläche der Stufe und der Kegelfiäche eine Dichtkante befindet.

Eine solche Dichtung 1st 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 aufweisen.

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

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen der den Kellwinkel bildenden Kegelfläche und der Stufe eine konische Rlngfläche

der Dichtkante dem Prinzip der gattungsgemäßen Dichtung zu widersprechen, well für diese Dichtung einerseits die der Hochdruckseite zugewandte Stufe und andererseits der nlederdruckseltige Kellspalt zwischen Dichtung und bewegtem Maschinenteil charakteristisch sind. Der Kellspalt bewirkt ein Zurückschleppen von durch die Dichtung hindurchtretenden hydraulischem Medium auf die Hochdruckseite. Ein Kellspalt auf der Hochdruckseite hat entsprechend ein Herausschleppen des abzu-

angeordnet Ist, die mit der Kegelfläche einen stumpfen 65 dichtenden Mediums von der Hochdruckseite zur NIe-

Wlnkel χ solcher Größe bildet, daß beim Einfahren der derdruckselte und demgemäß eine hohe Leckrate zur

Dichtung über die an dem bewegten Maschinenteil ange- Folge. Daher muß das Entstehen eines Kellspaltes auf

brachte Einfahrschräge die resultierende F_res aus der 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 >· am Dichtungsring und des Winkel β der Einfahrschräge ergibt sich für den Winkel α der Ringfläche in bezug auf die Dichtungsachse ein Wert von etwa 45°.

Die axiale Länge eier 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 Kellspalt bildet.

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

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,

Flg. 3 ein die Dichtkante umfassendes Detail der Fig. 2 In stark vergrößertem Maßstab, :s

Fi g. 4 eine Darstellung ähnlich Flg. 3 mit vollständig auf den ruhenden Maschinenteil aufgeschobenem Dichtring,

Fi g. 5 eine Variante der Anordnung nach Fl g. 4,

Flg. 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

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

Die in Fl g. 1 dargestellte Dichtung besteht aus einem Dichtring 1 und einem koaxial zum Dlchtrin? 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 Ringe sind In eine Nut 3 eines Maschinenteils 4 eingelegt, das als ruhendes Maschinenteil bezeichnet wird, weil die Dichtung gegenüber diesem Maschinenteil keine Bewegungen ausfuhrt. Der gummielastische Spannring 2 übt auf den Dichtring 1 eine radial gerichtete Spannkraft aus und dichtet Ihn zugleich In der Nut 3 des ruhenden Maschinenteils 4 ab. Der Dichtring 1 weist an seiner dem Spannring 2 abgewandten Umfangsfläche eine Stufe 5 auf, die, In Axialrichtung der Dichtung gesehen, im Bereich der Mitte des Dlchtrlnges Hegt. Die von der Stufe 5 gebildete Stirnfläche Ist der Hochdruckseite H der Dichtung zugewandt. An der Niederdruckseite N schließt sich an die Stufe eine Kegelfiäche 6 an, die sich unter einem kleinen Kellwinkel zur Niederdruckseite /V hin öffnet. Am Übergang von der Stirnfläche der Stufe 5 zur Kegelfiäche 6 befindet sich eine Ringfläche 7, welche die Form einer sich zur Hcchdruckseite H hin öffnenden Kegelfläche hat, so daß eine Dichtkante 8 entsteht, mit der der Dichtung 1 an der Gegenlauffläche 9 des bewegten Maschinenteiles 10 anliegt, die gegenüber der Stirnfläche der Stufe 5 zur Niederdruckseite TV 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 Ringfläche 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 Dichtringes nicht eintreten kann. Um die Vorgänge beim Aufschieben des Dichtringes auf das bewegte Maschinenteil besser zu verstehen, wird dieser Vorgang zunächst anhand der Fi g. 2 bis 5 für eine gattungsgemäße Dichtung beschrieben, weiche die vorgesehene Ringfläche noch nicht aufweist. Fi g. 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. Wie 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 teils plastische und teils elastische Deformation des Dichtringes 21 statt. Wenn der Dichtring, wie in Fig. 2 dargestellt, mit vorn liegender Stufe 27 auf das bewegte Maschinenteil 25 aufgeschoben wird, kommt der Dichtring ausschließlich mit der Dichtkante 28 an der Einlaufschräge 26 zur Anlage, so daß alle zur Aufweitung des Dlchtrlnges 21 erforderlichen Kräfte an der Dichtkante 28 auf den Dichtring übertragen werden. Diese Kräfte haben eine Verformung des Dlchtrlnges zur Folge, wie sie in Flg. 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 bewegt an 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 Fig. 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 Kellspaltes 31 kommen, wie In Flg. 4 dargestellt, dessen Kellwinkel σ kleiner 1st als der Kellwinkel γ zwischen der nlederdruckseltlgen Kegelfläche 32 der Dichtung und der Gegenlauffläche am bewegten Maschinenteil. Dieser Kellspalt mit dem kleinen Winkel σ bewirkt ein Ausschleppen des abzudichtenden Mediums In größeren Mengen als von der Niederdruckseite her wieder In die Hochdruckseite zurückgeschleppt werden kann. Dar-

aus ergibt sich eine erhebliche Leckage. Der gleiche Effekt tritt auch dann ein. wenn, wie in Flg. 5 dargestellt, an der Hochdruckseite zwar kein deutlicher Kellspalt vorhanden Ist, jedoch die Flächenpressung zwischen Dichtring 21 und bewegtem Maschinenteil 25 an der hochdruckseitigen Kante der Dichtung 0 Ist und von diesem Wert Infolge der stattgefundenen Materlaiverdrängung auf einen Maximalwert nahe der Stellung ansteigt, an dem die niederdruckseltige Kegelfiäche 32 des Dichtringes 21 beginnt. Der Druckverlauf an der Dichtung ist In Flg. 5 durch die Pfeile 33 veranschaulicht.

Weist nun die Dichtung zwischen der Kegelfiäche 6 und der Stufe 5 eine Ringfläche 7 auf, so ergeben sich die Daraus ergibt sich ein Reibungswinkel ρ = 4°. Als Winke /I für die Einlaufschräge hat sich allgemein ein Wert vo 15" durchgesetzt. Unter diesen Bedingungen ergibt sie ein optimaler Wert für den Winkel χ der Rlngfläche von Jr= 2 (15" +4°) + 7° = 45". Es versteht sich, daß fü andere Verhältnisse der Winkel χ andere Werte annimm und nach den obigen Gleichungen bestimmt werde muß.

Es hat sich gezeigt, daß bei Dichtringen, die eine unte dem optimalen Winkel χ angeordnete Ringfläche 7 aul weisen, beim Einbau keinerlei schädliche, einseitige um plastische Materialverdrängung entsteht. Daher ergib sich zwar, wie In Fl g. 8 dargestellt, nach dem Einbau eh hochdruckseltlger Keilspalt δ. der jedoch annäherni

in den Flg. 6 bis 8 dargestellten Verhältnisse. Flg. 6 ,, gleich dem Winkel α und infolgedessen sehr viel größe

zeigt wiederum, ähnlich wie Flg. 2, wie die In einer Nut 3 des ruhenden Maschinenteiles angeordnete Dichtung auf aie Einfahrschräge 11 des bewegten Maschinenteiles 10 aufgeschoben wird. Dabei kommt wiederum der als der sich Im eingebauten Zustand einstellende nieder druckseitige Keliwinkel γ ist. Damit ist wiederun gewährleistet, daß das Rück fördervermögen des Keilspal tes mit dem kleinen Winkel γ die Schniierfllmbilduni

Dichtring 1 mit der Dichkante 8 an der Einlaufschräge 11 ₂o ^Deim Ausfahren des bewegten Maschinenteiles überwieg

zur Anlage. Es findet auch in diesem Fall die Einleitung aller zum Aufweiten des Dichtringes 1 erforderlichen Kräfte an der Dichkante 8 statt. Diese Dichtkante befindet sich nun jedoch zwischen der nlederdruckseitlgen Kegelfiäche und der Rlngfläche 7, und es bildet die Dichtkante 8 die Spitze eines stumpfen Winkels κ, der von der Kegelfläche und der Rlngfläche 7 eingeschlossen wird. Dabei ist dieser Winkel so gewählt, daß beim Einfahren der Dichtung über die an dem bewegten Maschinenteil 10 angebrachte Einfahrschräge 11 die Resultierende F,„ aus der Berührungsnormalkraft des F_v und der Reibungskraft F_rt den DlchtkantenwinKel κ halbiert.

Bedeutet /i den Winkel der Einfahrschräge, y_o den im Herstellungszusland von der Kegelfiäche 6 gebildeten Keilwinkel, χ den Winkel der Rlngfläche 7 und ρ den der Reibungskraft r_Ä entsprechenden Winkel, so lassen sich aus Fig 7 die folgenden Beziehungen ablesen:

30

.0 + kI2 + ß_o+ß = 90°
x+ a72 -/J- ρ = 90°.

und

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

X = 2 (ß + Q) + _Yo.

und daher die Dichtheit bei hin- und hergehender Bewe gung dieses Maschinenteiles gewährleistet ist.

Die axiale Länge α der Rlngfläche 7 ist relativ gering Sie beträgt nur wenige Prozent, bei dem dargestellter Ausführungsbeispiel 5% der axialen Länge 6 des Dicht ringes I. Bei den üblichen Abmessungen solcher Dicht ringe liegt die axiale Länge α der Rlngfläche 7 im Berelcr zwischen 0,1 un 0,8 mm. Diese geringe Länge reicht aus um die oben erwähnten Eigenschaften der Dichtung zi erzielen, ohne daß sich durch den axialen Versatz de Dichtkante 8 gegenüber der Stufe 50 die grundsätzlicher Eigenschaften der gattungsgemäßen Dichtung ändern die zu den bekannten, guten Dichtungseigenschafter führt.

Es sei noch bemerkt, daß bei einem Einbau der Dichtung In solcher Weise, daß die Stufe 5 zur Einfahrrichtung entgegengesetzt Ist, die Einfahrschräge zunächsi mit der Kegelfläche 6 In Eingriff kommt und daher dei Ring praktisch vollständig aufgeweitet Ist, bevor die Dichlkante 8 am Ende der Einfahrschräge mit der zylindrischen Gegenlauffiäche des bewegten Maschinenteiles in Eingriff kommt. Die Krafteinleitung an der Dichtkante ist dann relativ gering, so daß auch bei den her

kömmlichen Dichtungen normalerweise keine Verfor-Bei den Dichtungen wird ein Keilwinkel >·„ von 7° ver- 45 mungen auftreten, die zu einer erhöhten Leckage führen.

wendet, 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 μ = 0,07 besitzt. 50 wird.

Auch bei dieser Einbauweise führt das Anbringen dei Rlngfläche zu einer weiteren Verbesserung der Dichtungseigenschaften mit dem Ergebnis, daß über sehr lange Zeiträume hinweg eine absolute Leckfreiheit erzielt

Hierzu 2 BIeII Zc!chnün^CTen

Claims

Patentanspruch:

Dichtung far 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

Berührungsnormalkraft F_n und der Reibungskraft F_R den Dichtkantenwinkel χ wenigstens annähernd halbiert, und deren axiale Länge so gering 1st, daß die auf der Stufe beruhende grundsätzliche Wirkung der Dichtung erhalten bleibt.

Eine eingehende Untersuchung der bekannten Dichtungen hat gezeigt, daß die erwähnten Ausreißer nicht auf Materialfehler, Herstellungsfehler oder auf eine mangelnde Oberflächengüte der abzudichtenden Maschinen

abdichtenden, gummielastischen Spannring, wobei die ₁₀ teile zurückzuführen sind, sondern auf Verformungen an

dem bewegten Maschinenteil zugewandte Umfangsfläche des Dichtringes - in axialer Richtung gesehen im Bereich ihrer Mitte eine Stufe aufweist, deren Stirnfläche der Hochdruckseite zugewandt 1st, und

der Dichtkante, die beim Einbau der Dichtung vor allem dann entstehen, wenn der Dlchtring mit der Stirnfläche der Stufe voran auf die Einfahrschräge des bewegten Maschinenteils aufgeschoben wird. Die dann ausschlleß-

von der Stufe ausgehend zur Niederdruckseite hin ₁₅ lieh auf die Dichtkante ausgeübten und von dort In den

eine sich unter einem kleinen Kellwinkel öffnende Kegelfläche bildet, so daß sich zwischen der Stirnfläche der Stufe und der Kegelfiäche eine Dichtkante befindet, dadurch gekennzeichnet, daß zwi-

D'chtrlng eingeleiteten Anpreßkräfte haben Materialverdrängungen im Bereich der Dichtkante zur Folge, die sich u. a. In einer Ausbauchung der Stirnfläche der Stufe ändern, obwohl zunächst anzunehmen wäre, daß die Rei

schen der den Keilwinkel bildenden Kegelfläche (6) ₂o bungskräfte bei der genannten Schieberichtung ein Ver- und der Stufe (5) eine konische Rlngfläche (7) ange- drängen des Materials zur Keilfläche hin bewirken miißordnet ist, die mit der Kegelfläche (6) einen stumpfen ten. Die Ausbauchung an der Stirnfläche führt wirderum Winkel χ solcher Größe bildet, daß beim Einfahren zur Bildung eines hochdruckseltlgen Kellspaltes, durch der Dichtung über die an dem bewegten Maschinen- den eine größere Menge des abzudichtenden Mediums teil (10) angebrachte Einfahrschräge (11) die Resultle- ₂₅ aus dem Hochdruckbereich ausgeschleppt wird, als durch rende F_m aus der Berührungsnormalkraft F_n und der den bewußt vorgesehenen, nlederdruckseitig angeordneten Kellspalt In den Hochdruckbereich lurückgeschleppt werden kann. So kommen dann überhöhte und störende Leckraten zustande. Dagegen wird durch das Anbringen 30 der Rlngfläche eine stumpfwinklige Ausbildung der

Reibungskraft F_R den Dichtkantenwinkel χ wenigstens annähernd halbiert, und deren axiale Länge so gering ist, daß die auf der Stufe beruhende grundsätzliche Wirkung der Dichtung erhalten bleibt.

Dichtkante und eine solche Verteilung der dort eingelei-

teten Kräfte erzielt, daß schädliche Materialverdrängungen bei Aufbringen des Dichtringes mit Sicherheit vermieden werden und die nach der Erfindung ausgebilde-

Die Erfindung betrifft eine Dichtung für hydraulische 35 ten Dichtungen ausnahmslos die angestrebte hohe Dlcht-Kolben oder Kolbenstangen mit einem Dichtring aus wirkung und große Lebensdauer besitzen. Dabei hat sich einem zähelastischen Kunststoff als Berührungsdichtung überraschenderweise noch ergeben, daß Dichtwirkung zwischen einem eine Ringnut aufweisenden ruhenden und Lebensdauer gegenüber den bekannten Dichtungen und einem eine Elnfahrschräge aufweisenden bewegten mit spitzwinkliger Dichtkante auch dann verbessert wer-Maschlnentell und einem den Dichtring radial spannen- 40 den, wenn der Dlchtring mit der Kegelfläche voran auf den und gegenüber der Ringnut Im ruhenden Maschl- die Einfahrschräge geschoben wird, so daß bei vielen

Anwendungsfällen eine vollkommene Abdichtung erzielt wird.

Es 1st zwar aus der CH-PS 4 61 203 bekannt, an den

gesehen - Im Bereich Ihrer Mitte eine Stufe aufweist, 45 Enden der Dichtungsringe für Kolben, die aus Polytetrafderen Stirnfläche der Hochdruckseite zugewandt Ist, und luorethylen bestehen, die äußeren Kanten der Stirnflächen abzuschrägen, um das Einführen das mit den Kolbenringen versehenen Kolbens In den Zylinder zu erleichtern. Diese Schrägen sind so groß, daß sie eine 50 Einfahrschräge an dem bewegten Maschinenteil ersetzen, und es würden solche Schrägen die Wirkung der erfindungsgemäßen Dichtung, die auf dem Vorliegen einer Stufe beruht, völlig zunichte machen.

Überhaupt scheint die Anbringung einer sich zur Hochdruckseite hin öffnenden konischen Rlngfläche an

nentell abdichtenden, gummi-elastlschen Spannring, wobei die dem bewegten Maschinenteil zugewandte Umfangsfläche des Dichtringes - in axialer Richtung