DE3319729C2 - Kolbenringanordnung für Hydraulikanwendungen, insbesondere für sehr hohe Betriebsdrücke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenringanordnung insbesondere für sehr hohe Betriebsdrücke, für einen starr mit seiner zugeordneten Kolbenstange verbundenen Kolben, der während seiner Hubbewegung in einem Zylinder um einen kleinen Winkel relativ zur Mittelachse des Zylinders kippbar ist, wobei der Kolben mit einer Umfangsnut zur Aufnahme der Kolbenringanordnung versehen ist, welche aus mindestens zwei ringförmigen und radial geschlitzten Scheiben aus Metall, vorzugsweise Stahl, besteht.

Bei bekannten Kolben wurden die Kolbenringe konisch oder kugelförmig ausgeführt, um auch eine Dichtwirkung zu erzielen, wenn der Kolben in seiner Längsachse relativ zur Mittelachse des Zylinders geneigt ist. In den schwedischen Patentschriften 190, 707 und 210, 202 sowie der DE-OS 30 49 290 sind verschiedene Ausführungen von Kolbenringdichtanordnungen mit kugelförmigen Außenflächen zum Kontakt mit einer 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 aufweisen.

Zunächst ist die Herstellung kugelförmiger Ringe in der Massenproduktion verhältnismäßig kostenaufwendig, da solche Ringe für einen zufriedenstellenden Betrieb eine sehr sorgfältige Bearbeitung der kugelförmigen Oberfläche erfordern. Die Bearbeitung umfaßt hauptsächlich Schlei­ fen, das jedoch schwierig auszuführen ist, weil Probleme auftreten, den Ring fest während des Schleifens zu hal­ ten. Dies trifft insbesondere für die kleinsten Ringdimen­ sionen in den kleinsten Axialkolbenmaschinen zu. Unter allen Umständen ist jedoch das Schleifen der Ringe zeit­ aufwendig und mühsam und daher ein kostenaufwendiges Ver­ fahren.

Weiterhin tritt in den bekannten kugelförmigen Kolbenrin­ gen 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 Mittenachse des Zylinders zusammenfällt, jedoch weitet sich für wachsenden Kippwinkel der Ringspalt weiter auf, und zwar deswegen, weil der Ring über die Hälfte seines Umfanges 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 Zylindermittel­ achse, 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, mög­ licherweise 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 hindurch leckenden Fluids Erosionsschäden auftreten. Derartige Erosionsschä­ den treffen hauptsächlich die Zylinderwände, aber auch an den Kolben treten diese Schäden 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 Zylinder­ trommel einen elliptischen Querschnitt annehmen muß, das Auftreten von Biegebeanspruchungen, die wiederum Er­ müdungsbruch 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 verhältnis­ mäßig geringen Drucken eine Kolbenringanordnung aus mehre­ ren gleichen zylindrischen Ringen in der deutschen Patent­ schrift 24 40 037 beschrieben. Sollte versucht werden, derartige Kolbenringanordnungen bei sphärischen Kolben, d. h. kippbaren Kolben, anzuwenden, müssen dieselben be­ stimmten Unzuträglichkeiten in Betracht gezogen werden bezüglich der Breitenänderung der Ringspalte und der hier­ durch 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 störungs­ freien Betrieb, und es wurde deswegen als wichtig ange­ sehen zu untersuchen, ob eine andere Ringstruktur ent­ wickelt werden könnte, die besser und verläßlicher arbei­ ten könnte als der kugelförmige Kolbenring, jedoch vor­ zugsweise noch einfacher und kostengünstiger herstellbar sein sollte als die vorbekannten.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenringanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die besonders zuverlässig arbeitet und gleichzeitig kostengünstig herstellbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit der eingangs genannten Kolbenringanordnung dadurch, daß die geschlitzten Scheiben jeweils eine zylindrische äußere Umfangsfläche aufweisen und eine solche Dicke haben, daß ihre Schlitzbreite im wesentlichen Null für einen mittleren Wert des Kippwinkels α zwischen einer Längsachse des Kolbens (1) und der Mittelachse des Zylinders (3) beträgt und die Umfangsnut (4) eine für eine freie relative Gleitbewegung zwischen den Scheiben (5) erforderliche Tiefe aufweist.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird nunmehr er­ reicht, daß die Scheiben aufgrund ihrer ausgewählten Dicke mit der Zylinderwand auf eine andere und vorteil­ haftere 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 zeichne­ risch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert, aus dem weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungs­ gemäßen Kolbenringanordnung in beispielsweise einer Axialkolbenmaschine und

Fig. 2 den Zusammenhang zwischen der Spaltbreite eines kugelförmigen Kolbenringes und einer zylindrischen Scheibe gemäß der Erfindung, jeweils in Abhängig­ keit von der Neigung des Kolbens in der Zylinder­ bohrung.

In Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt eines Kol­ bens 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 α gegenüber der Mittenachse des Zylinders 3 geneigt. Der Winkel α be­ trägt in Axialkolbenmaschinen der vorliegenden Art bis zu etwa 3 bis 4°.

Zur Abdichtung zwischen Kolben 1 und der Wand des Zylin­ ders 3 ist der Kolben mit einer Umfangsnut 4 versehen, die im allgemeinen in oder benachbart einer Transversal­ ebene durch das Zentrum M des kugelförmigen Kolbens ange­ ordnet ist und in der sich eine Kolbenringanordnung gemäß der Erfindung befindet. Die Kolbenringanordnung besteht aus zwei oder mehreren, im vorliegenden Fall dreien, ringförmigen radial geschlitzten Scheiben 5, die eine zylindrische äußere Umfangsfläche aufweisen. Wegen ihrer zylindrischen äußeren Umfangsfläche 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 zusammen­ fällt, und die in den Zylinder mit einer eingebauten radial nach außen gerichteten Vorspannung eingebaut wer­ den, sind die geschlitzten Scheiben 5 gemäß der Erfindung so dimensioniert, daß sie eine Spaltbreite oder Schlitz­ weite 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 α in der Weise, daß die Schlitzbreite offensicht­ lich größer sowohl bei α = 0 und bei α_max ist, d. h. für die maximale Neigung des Kolbens 1 relativ zum Zylin­ der 3, die einem maximalen Winkel von etwa 4° oder mehr entspricht, aber vorzugsweise bei jetzt verwendeten Ma­ schinen 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 Zylinder­ durchmessers D_CYL für unterschiedliche Dicken des Rings oder der Scheibe 5, ausgedrückt in Prozent des Zylinder­ durchmessers D_CYL dargestellt sind als Funktion des Nei­ gungswinkels α des Kolbens in den Zylinder 3. Aus der Figur wird ebenfalls deutlich, daß für eine Ringstärke T von 2,5% von D_CYL der vorteilhafteste Fall erhalten wird, in dem die Schlitzbreite sowohl bei α_max und bei α = 0 denselben Wert aufweist und 0 bei α/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 be­ deutet dies jedoch auch, daß die Biegeamplitude, die proportional zur Änderung der Spaltbreite ist, bei einem zylindrischen Ring auf etwa die Hälfte des Wertes bei einem kugelförmigen 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 Vor­ teile 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 Wir­ kung bezüglich der Verringerung der hohen Flußgeschwindig­ keiten, 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 scheiben­ artige Kolbenringe gemäß der Erfindung überbrückt werden. Eine derartige Kolbenringanordnung arbeitet ebenfalls zu­ friedenstellend während einer Saugstufe der Maschine, wenn diese als Pumpe arbeitet, was ebenfalls einen Unter­ schied 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 wer­ den. Der sphärische Kolbenring, der zunächst für diese Nut vorgesehen würde, sollte eine Dicke von 2,0 mm aufwei­ sen, jedoch kann gemäß der folgenden Erfindung eine Anord­ nung 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 kugelför­ migen Ring. Bei einer Anzahl von vier scheibenartigen Ringen 5 haben die Ringspalte nur noch einen vernach­ lässigbaren Einfluß auf die Leckrate. Für einen zufrieden­ stellenden 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 oder 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 scheibenartigen Ringen für eine zufrieden­ stellende Dichtung hat sich als einfach erreichbar erwie­ sen, da die Scheiben eine sehr glatte Oberfläche aufwei­ sen und sich gut geschmiert durch das Hydraulikfluid bewegen. Die Ringe können konzentrisch, jedoch auch, falls erwünscht, exzentrisch sein.

Claims (2)

1. Kolbenringanordnung insbesondere für sehr hohe Betriebsdrücke, für einen starr mit seiner zugeordneten Kolbenstange verbundenen Kolben, der während seiner Hubbewegung in einem Zylinder um einen kleinen Winkel relativ zur Mittelachse des Zylinders kippbar ist, wobei der Kolben mit einer Umfangsnut zur Aufnahme der Kolben-Ringanordnung versehen ist, welche aus mindestens zwei ringförmigen und radial geschlitzten Scheiben aus Metall, vorzugsweise Stahl besteht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - die geschlitzten Scheiben (5) jeweils eine zylindrische äußere Umfangsfläche aufweisen und eine solche Dicke haben, daß ihre Schlitzbreite im wesentlichen Null für einen mittleren Wert des Kippwinkels α zwischen der Längsache des Kolbens (1) und der Mittelachse des Zylinders (3) beträgt und
• - die Umfangsnut (4) eine für eine freie relative Gleitbewegung zwischen den Scheiben (5) erforderliche Tiefe aufweist.

2. Kolbenringanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jeder Scheibe (5) etwa 2,5% des Durchmessers des Zylinders (3) beträgt.