DE3319729A1

DE3319729A1 - Kolbenringanordnung fuer hydraulikanwendungen, insbesondere fuer sehr hohe betriebsdrucke

Info

Publication number: DE3319729A1
Application number: DE19833319729
Authority: DE
Inventors: Ingvar 46300 Lilla Edet Johansson; Hans 46200 Vänersborg Sterner
Original assignee: Volvo Flygmotor AB
Current assignee: Parker Hannifin AB
Priority date: 1982-06-04
Filing date: 1983-05-31
Publication date: 1983-12-08
Anticipated expiration: 2003-06-01
Also published as: SE8203485L; DE3319729C2; JPS5923160A; SE430915B; US4477090A; JPH0517993B2

Description

Volvo Flygmotor AB München, 3. Juni 1983

Schweden 14 325

Kolbenringanordnung für Hydraulikanwendungen,
insbesondere für sehr hohe Betriebsdrücke

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenringanordnung für einen starr mit der zugeordneten Kolbenstange verbundenen Kolben, der während seiner Hin- und Herbewegung in einem Zylinder mit seiner Längsachse relativ zur Mittenachse des Zylinders um einen' kleinen Winkel kippbar sein muß. Solche Kolben werden in hydraulischen Mechanismen mit sehr hohen Drucken des Hydraulikfluids verwendet, hauptsächlich bei Axialkolbenmaschinen, und der Kolben ist mit einer Umfangsnut zur Aufnahme der Kolbenringdichtanordnung versehen, die aus zwei oder mehr ringförmigen radial geschlitzten Scheiben aus Metall, insbesondere Stahl besteht, wobei die Scheiben eine zylindrische äußere Umfangsflache aufweisen und zusammen eine Art von Labyrinthdichtung für das Hydraulikfluid darstellen.

Bei bekannten Kolben wurden die Kolbenringe konisch oder kugelförmig ausgeführt, um auch eine Dichtwirkung bereitzustellen, wenn der Kolben mit seiner Längsachse relativ zur Mittelachse des Zylinders geneigt ist. In den schwedischen Patentschriften 190,707 und 210,202 :-_-i.nd mehrere Ausführungen von Kolbendichtringanordnungen mit kugelförmigen Außenflächen zum Kontakt mit der Zylinderwand beschrieben. Beim Einsatz dieser bekannten Konzepte im Rahmen umfangreicherer industrieller Massenproduktion hat sich jedoch herausgestellt, daß die kugelförmigen Kolbenringe in diesem Zusammenhang einige Unzulänglichkeiten aufweist.

Ziiuäolirt. i;:t die Herstellung kugelförmiger Ringe in der Massenproduktion verhältnismäßig kostenaufwendig, da colche Finge für einen zufriedenstellenden Betrieb eine sehr sorgfältige Bearbeitung der kugelförmigen Oberfläche erfordern. Die Bearbeitung umfaßt hauptsächlich Schleifen, das jedoch schwierig auszuführen ist, weil Probleme auftreten, den Ring fest während des Schleif ens zu halten. Dies trifft insbesondere für die kleinsten Ringdimencionen in den kleinsten Axialkolbenmaschinen zu. Unter allen Umständen ist jedoch das Schleifen der Ringe zeitaufwendig und mühsam und daher ein kostenaufwendiges Verfahren.

Weiterhin tritt in den bekannten kugelförmigen Kolbenringen eine unvermeidbare Leckage durch den Spalt des radial geschlitzten Ringes auf. Sicherlich ist der Durchmesser des Ringes so ausgelegt, daß die tangentiale Ausdehnung oder die Breite des Spaltes annähernd Null beträgt, wenn die Längsachse der Kolbenstange und des Kolbens mit der Mitteiiachse des Zylinders zusammenfällt, jedoch weitet sich für wachsenden Kippwinkel der Ringspalt weiter auf, und zwar deswegen, weil der Ring über die Hälfte seines Umfangec eine elliptische Form annehmen muß, um gegen die Zylinderwand abzudichten. Der Ringspalt erreicht eine größte Breite bei der maximalen Neigung der Längsachse von Kolben und Kolbenstange gegenüber der Zylindermittelachse, wobei die Neigung in der Größenordnung von bis zu 4° liegt.

Sicherlich sind die Leckverluste durch den Spalt nicht allein von entscheidender Bedeutung, jedoch tritt bei den hohen Drucken, wie sie heutzutage für das Arbeitsfluid in beispielsweise Axialkolbenmaschinen der beschriebenen Art verwendet werden und die bis zu 300 bis 400 bar, möglicherweise in nicht zu ferner Zukunft sogar erhöht auf

500 bis 700 bar, betragen können, das Problem auf, daß derartige Leckage durch den Spalt bewirkt, daß aufgrund der sehr hohen Flußgeschwindigkeit des hinduroh leckenden Fluids Erosionsschäden auftreten. Derartige Erosionsschäden treffen hatiptsäehlich die Zylinderwände, aber auch an den Kolben treten diese Schaden auf. Auch bedingt die schon beschriebene Tatsache, daß der Ring während seiner Hin- und Herbewegung in den Zylinder über die Hälfte seines Umfanges zumindest zweimal pro Umlauf der Zylindertrommel einen elliptischen Querschnitt annehmen -muß, das Auftreten von Biegebeanspruchungen, die wiederum Ermüdungsbruch des Ringes bewirken können.

Bei vollständig paralleler oder translatorischer Bewegung der Kolbenstange im Zylinder, d. h. ohne Auftreten einer Neigung des Kolbens, ist für Anwendungen bei verhältnismäßig geringen Drucken eine Kolbenringanordnung aus mehreren gleichen zylindrischen Ringen in der deutschen Patentschrift 24 40 037 beschrieben. Sollte versucht werden, derartige Kolbenringanordnungen bei sphärischen Kolben, d.h. kippbaren Kolben, anzuwenden, müssen dieselben bestimmten Unzuträglichkeiten in Betracht gezogen werden bezüglich der Breitenänderung der Ringspalte und der hierdurch verursachten Lecks und der Anfälligkeit gegenüber Erosion wie bei sphärischen Kolbenringen.

Daher haben der Ringspalt und seine Breitenänderung einen großen Einfluß auf den zufriedenstellenden und störungsfreien Betrieb, und es wurde deswegen als wichtig angesehen zu untersuchen, ob eine andere Ringstruktur entwickelt werden könnte, die besser und verläßlicher arbeiten könnte als der kugelförmige Kolbenring, jedoch vorzugsweise noch einfacher und kostengünstiger herstellbar sein sollte als die vorbekannten.

Εκ hat aich nun hei^lausgestellt, daß dies auf eine überraschend einfache Weise möglich ist, und die die Erfindung im wesentlichen kennzeichnenden Merkmale sind eine Dicke der geschlitzten Scheiben, die so prozentual in bezug auf den Zylinderdurchmesser ausgewählt ist, das sie eine Schlitzbreite oder Spaltbreite aufweisen, die im wesentlichen Null bei einem mittleren Wert des Winkels zwischen der Längsachse des Kolbens und der Mittenachse des Zylinders beträgt, und daß die Kolbenringnut eine genügende Tiefe aufweist, um eine freie relative Gleitbewegung zwischen den Scheiben zu gestatten, ohne das Kippen des Kolbens im Zylinder zu behindern.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird nunmehr erreicht, daß die Scheiben aufgrund ihrer ausgewählten Dicke mit der Zylinderwand auf eine andere und vorteilhaftere Art der Bewegung des Ringspalts zusammenwirken als bei kugeligen Kolbenringen, wie nachfolgend näher ausgeführt wird. Zugleich wird jedoch auch erreicht, daß derartige Scheiben in einer außerordentlich einfachen und kostengünstigen Weise hergestellt werden können, nämlich durch einen einfachen Stanzvorgang aus einem Metallblech, das die erforderlichen Eigenschaften aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend näher anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert, aus dem weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen.

El- zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen KoIbenringanordnung in beispielsweise einer Axialkolbenmaschine und

Fig. 2 den Zusammenhang zwischen der Spaltbreite eines kiagelförmigen Kolbenringes und einer zylindrischen

Scheibe gemäß der Erfindung, jeweils in Abhängigkeit von der Neigung des Kolbens in der Zylinderbohrung.

In Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt einer, Kalbens 1 gezeigt, der starr mit einer zugeordneten Kolben stange 2 verbunden und hin und zurück in einem umgebenden Zylinder 3 bewegbar ist. Während ihrer Bewegung ist die aus Kolben 1 und Kolbenstange 2 bestehende Einheit mit ihrer Längsachse um einen kleinen Winkel oC gegenüber der Mittenachse des Zylinders 3 geneigt. Der Winkel cC beträgt in Axialkolbenmaschinen der vorliegenden Art bis zu etwa 3 bis 4°.

Zur Abdichtung zwischen Kolben 1 und der Wand dec Zylinders 3 ist der Kolben mit einer Um fang ε', nut 4 versehen, die im allgemeinen in oder benachbart; einer Transveraalebene durch das Zentrum M des kugelförmigen Kolbens angeordnet ist und in der sich eine KoIberiririgariordnung gernäß der Erfindung befindet. Die Kolbenringanordriung besteht aus zwei oder mehreren, im vorliegenden Fall dreien, ringförmigen radial geschlitzten Scheiben ^r>, die eine zylindrische äußere Umfangsflache aufweisen. Wegen ihrer zylindrischen äußeren Umfangsflache sind die Scheiben 5, die als Kolbenringe arbeiten, einfach herzustellen, was z.B. durch Ausstanzen aus Stahlblech mit geeigneter Dicke und den erforderlichen Materialeigenschaften geschehen kann. Im allgemeinen wird keine bestimmte Feinbearbeitung erforderlich sein, falls erforderlich, können jedoch die Kanten der Scheiben ausgekehlt werden.

Im Gegensatz zu den vorbekannten kugeligen Kolbenringen, die so dimensioniert sind, daß ihre Spaltbreite minimal und im wesentlichen gleich Null ist, wenn die Längsachse des Kolbens mit der Mittenachse des Zylinders zusammenfällt, und die in den Zylinder mit einer eingebauten

radial ji.'ioh .Mußen gerichteten Vorspannung eingebaut werden, :.ii:ul die geschlitzten Scheiben 5 gemäß der Erfindung ευ dimensioniert, daß sie eine Spaltbreite oder Schlitzweite aufweisen, die im wesentlichen Null bei einem Zwischenwert des Winkels zwischen der Längsachse des Kolbens und der Mittelachse des Zylinders beträgt. Der Spalt vergrößert sich zu jeder Seite des Wertes des Winkels oC in der Weise, daß die Schlitzbreite offensichtlich größer sowohl bei OC = 0 und bei CC ist, d.h.

max.

fin* die maximale Neigung des Kolbens 1 relativ zum Zylinder 3, die einem maximalen Winkel von etwa 4 oder mehr entspricht, aber vorzugsweise bei jetzt verwendeten Maschinen 3° beträgt. Daher werden die erfindungsgemäßen Scheiben während der Bewegung des Kolbens durch radial nach innen gerichtete Kräfte von der Zylinderwand zur Schlitzbreite Null zusammengepreßt.

Die beschriebenen Beziehungen werden anhand des Diagramms der Fig. 2 verdeutlicht, in dem die Änderungen der Schlitzbreite oder Spaltbreite in Promille des Zylinderdurchmesse rs D„_vr für unterschiedliche Dicken des Rings oder der Scheibe.5, ausgedrückt in Prozent des Zylinderdurchmessers ^dpyt dargestellt sind als Funktion des Neigungswinkels oC des Kolbens in den Zylinder 3. Aus der Figur wird ebenfalls deutlich, daß für eine Ringstärke T von 2,5 % von ^d _Cy_L der vorteilhafteste Fall erhalten

wird, in dem die Schlitzbreite sowohl bei oC und bei

max.

oC = 0 denselben Wert aufweist und 0 bei OC/2 beträgt. Zum Vergleich sind in das Diagramm entsprechende Kurven für einen kugelförmigen und einen konischen Kolbenring, bezeichnet durch S bzw. C, aufgenommen.

Bei einer numerisch geringeren Schlitzbreite und daher verringerter schädlicher Leckage des Hydraulikfluids bedeutet dies jedoch auch, daß die Biegeamplitude, die

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Λ ·> ti - *

9 ^ % b

.9.

proportional zur Änderung der Spaltbreite ist, bei einem zylindrischen Ring auf etwa die Hälfte des Wertes bei einem kugelf örmige'n Kolbenring und auf sogar 1/4 des Wertes bei einem konischen Kolbenring verringert werden kann.

Die erfindungsgemäße Kolbenringanordnung mit zwei oder mehr Scheiben 5 weist darüber hinaus noch weitere Vorteile im Betrieb auf. Die Anordnung von zwei oder mehr axial gegenseitig benachbarten geschlitzten Scheiben bedingt, daß entsprechend mehrere axiale Hindernisse für das Hindurchtreten des Hydraulikfluids aufgebaut werden, und eine derartige Behinderung hat eine sehr große Wirkung bezüglich der Verringerung der hohen Flußgeschwindigkeiten, wie sie sonst bei starkem Druckgefälle auftreten würden. Es ist selbstverständlich darüber hinaus noch ein weiterer Vorteil, daß mögliche Oberflächenunebenheiten der Zylinderwandung einfacher durch mehrere seheibenartige Kolbenringe gemäß der Erfindung überbrückt werden. Eine derartige Kolbenringanordnung arbeitet ebenfalls zufriedenstellend während einer Saugstufe der Maschine, wenn diese als Pumpe arbeitet, was ebenfalls einen Unterschied gegenüber einem kugelförmigen Kolbenring darstellt.

Als Dimensionierungsbeispiele für einen Kolbendurchmesser von 19 mm kann eine Kolbenringnut mit einer Breite von 2,1 mm für einen kugelförmigen Kolbenring angeführt werden. Der sphärische Kolbenring, der zunächst Γ'ύν die^e Nut vorgesehen würde, sollte eine Dicke von 2,0 mm aufweisen, jedoch kann gemäß der folgenden Erfindung eine Anordnung von vier Kolbenringen verwendet werden, die aus Stahlblech von einer Dicke von 0,5 mm ausgestanzt wurden, so daß beim Übereinanderlegen dieser vier Ringe die gleiche Gesamtstärke erhalten wird wie für einen kugelförmigen Ring. Bei einer Anzahl von vier scheibenartigen

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Hiiipi-'ti Ι Ιι.ιΐκΜΐ die U i iijispii 1 Le imr n«<ch einen vernachlässigbaren Ivinfluß auf die Leckrate. Für einen zufriedenstellenden Betrieb der Kolbenringanordnung ist es nur erforderlich, daß ein genügender Abstand zwischen der inneren Kantenoberflächen der Ringe 5 und der Unterseite der Ringnut 4 besteht, so daß die Ringe sich frei bewegen '.Hler gegeneinander in dieser Nut gleiten können, um immer in Kontakt mit der Zylinderwand während der Kippungen des Kolbens 1 zu bleiben. Diese gegenseitige Gleitbewegung zwischen den sehe! benartigen Ringen für eine zufriedenstellende Dichtung hat sich als einfach erreichbar erwiesen, da die Scheiben eine sehr glatte Oberfläche aufweisen und sieh gut geschmiert durch das Hydraulikfluid bewegen. Die Ringe können konzentrisch, jedoch auch, falls erwünscht, exzentrisch sein.

Leerseite

Claims

Patentanwälte · European Patent Attorney« Dlpl.-Ing. Joachim Strasse, München . Dlpl.-Phys. IJr. I-lane-Herborl Stoffrojien, Hamm Zweibrückenstraße IB . D-8000 München 2 (Gegenüber di«n Patentamt) · Telofon (080) 22 2BO(I . Tolox 0 22 OtM Volvo Flygmotor AB München, 3. Juni 1983 Schweden 14 ί?5 Kolbenringanordnung für Hydraulikanwendungen, insbesondere für sehr hohe Betriebsdrucke Patentansprüche

1.ι Kolbenringanordnung für einen starr mit meiner zugeordneten Kolbenstange verbundenen Kolben, der während seiner Hin- und Herbewegung in einen Zylinder um einen kleinen Winkel mit seiner Längsachse relativ zur Mittenachse des Zylinders kippbar und zur Verwendung in Hydraulikvorrichtungen unter sehr hohen Drucken des Hydraulikfluids vorgesehen ist, hauptsächlich Axialkolbenmaschinen, wobei der Kolben mit einer Umfangsnut zur Aufnahme der Kolbenringdichtanordnung versehen ist, welche aus zwei ringförmigen und radial geschlitzten Scheiben aus Metall, vorzugsweise Stahl besteht, welche Scheiben eine zylindrische äußere Umfangsfläche aufweisen und zusammen eine Art von Labyrinthdichtung für das Hydraulikfluid ausbilden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die geschlitzten Scheiben (5) eine derart in bezug auf den Durchmesser des Zylinders (3) ausgewählte Dicke aufweisen, daß ihre Schlitzbreite oder Spaltweite im wesentlichen Null für einen mittleren Wert des Kippwinkels C^ zwischen der Längsachse des Kolbens (1) und der Mittenachse des Zylinders (3) beträgt und daß die Kolbennut (4) eine für eine- freie relative Gleitbewegung zwischen den Scheiben (5) ohne Behinderung der Kippbewegungen den Kolbenr. (1) in dem Zylinder (3) genügende Tiefe aufweist.

KnI. bt'Mii·i uj,',aiii)['diiLH\j-'. go maß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jeder Scheibe (5) etwa 2,5 % des Durchmessers des Zylinders (3) beträgt.