DE3607156A1 - Kolben-zylinder aggregat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kolben-Zylinder-Aggregat mit einem im Zylinder in axialer Richtung verschieb­ bar geführten Kolben, an dessen Aussenumfang eine umlaufende Nut angeordnet ist, in der sich ein den Kolben gegen den Zylinder abdichtender Dichtring befindet.

Für einen ordnungsgemäßen Betrieb eines Kolben-Zylinder- Aggregates ist es erforderlich, daß die vom Kolben im Zylinderinnern voneinander abgeteilten Zylinder­ räume gasdicht einander gegenüber abgedichtet sind, so daß kein Druckmedium-Übertritt stattfinden kann. Daher ist üblicherweise in die dem Zylinder zuge­ wandte Aussenumfangsfläche des Kolbens eine diesen umgebende Ringnut eingelassen, die eine Halterungs­ nut für einen Dichtring bildet, der bei der Kolben­ bewegung an der Zylinderinnenwand entlanggleitet.

Der Dichtring besteht dabei aus relativ weichem Material insbesondere mit gummielastischen Eigenschaften, so daß eine gute Abdichtung gewährleistet ist. Allerdings ist ein derartiger Dichtring mangels Härte einem relativ hohen Verschleiß und Abrieb ausgesetzt, so daß häufig eine zeit- und arbeitsaufwendige Erneuerung durchzuführen ist. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß der Dichtring bei längerem Stillstand des Kolben- Zylinder-Aggregates an der Zylinderwand anhaftet, so daß er bei der Inbetriebnahme des Aggregates unter Umständen aus der Nut herausgezogen und beschädigt oder zerstört wird. Es wurde daher schon vorgeschlagen, Dichtringe aus relativ hartem, verschleißfestem Material zu verwenden. Deren Dichteigenschaften lassen jedoch zu wünschen übrig und es ist oftmals eine aufwendige Schmierung der Zylinderinnenwand erforderlich, um deren Beschädigung zu vermeiden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Kolben-Zylinder- Aggregat zu schaffen, dessen vom Kolben abgeteilte Zylinderräume bei praktisch allen Gegebenheiten und Betriebsarten sicher und dauerhaft gegeneinander ab­ gedichtet sind.

Die obige Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Dicht­ ring ein Ring aus in die Nut eingefülltem Quecksilber ist. Der Dichtring besteht nunmehr aus bei Umgebungstemperatur flüssigem Metall hoher Oberflächenspannung, das sich sowohl an die Nutwände als auch an die radial gegenüber­ liegende Zylinderwand gasdicht anschmiegt. Die hohe Oberflächenspannung verhindert dabei ein Auseinander­ reißen des Flüssigkeitsfilmes. Der erfindungsgemäße Dichtring zeichnet sich durch geringe Reibung und damit hohe Gleiteigenschaften aus, so daß eine ver­ schleißfreie sichere Abdichtung vorhanden ist. Gleich­ zeitig wird eine Erwärmung vermieden, so daß ein Heiß­ laufen des Aggregates auch bei hohen Kolbengeschwindig­ keiten ausgeschlossen ist. Der Dichtring ist weiterhin über die gesamte Lebensdauer des Aggregates abriebsfrei und bedarf daher keiner Erneuerung, was eine erhebliche Kosteneinsparung bedeutet. Ferner findet auch bei längerem Stillstand des Aggregates praktisch kein nennenswertes Anhaften des Quecksilber-Dichtringes an der Zylinderwand statt, es ist daher auch nach langem Stillstand ein zuverlässiger Betrieb des Kolben-Zylinder-Aggregates gewährleistet. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Dichtringes ist in seiner Formvariabilität zu sehen, da er unabhängig von der Gestalt der jeweiligen Halterungsnut diese jederzeit vollständig ausfüllt. Zudem werden Her­ stellungskosten gespart, denn der Dichtring entsteht praktisch direkt beim Befüllen der Nut.

Zum Befüllen der Nut ist zweckmäßigerweise ein in sie ausmündender Befüllkanal vorgesehen, und das Befüllen der Nut erfolgt im in den Zylinder eingesetzten Zustand des Kolbens. Dieser Befüll­ kanal durchzieht zweckmäßigerweise den Kolben und mündet mit seinem der Nut entgegengesetzten Ein­ füllende an einer Axialseite des Kolbens aus um eine gute Zugänglichkeit des Einfüllendes zu gewähr­ leisten. Im Falle des Vorhandenseins einer Kolben­ stange verläuft der Befüllkanal vorzugsweise auch in deren Innern, wobei das Einfüllende der dem Kolben entgegengesetzten Kolbenstangen -Stirnseite zugeordnet ist. In diesem Falle ist das Befüllen der Nut mit Quecksilber besonders einfach, der Be­ füllvorgang kann nach der Endmontage des erfindungs­ gemäßen Aggregates erfolgen. Das Einfüllen des Queck­ silbers in den Befüllkanal erfolgt vorzugsweise bei nach oben weisender Lage des Einfüllendes, das im Anschluß an den Befüllvorgang mittels eines Verschluß­ stopfens unter Abdichtung verschlossen werden kann. Jedoch kann ein Befüllen auch in jeder anderen Lage des Aggregates erfolgen, wenn in den Befüllkanal zweckmäßigerweise am Einfüllende ein Rückschlagventil eingebaut ist, das nach dem Absetzen einer Befüllein­ richtung, z.B. eines Schlauches, ein selbsttätiges Verschließen des Befüllkanales vornimmt. Vorzugsweise kann der Zylinder von einer Zylinderheiz- oder -kühl­ vorrichtung umgeben sein, so daß unabhängig von den Umgebungseinflüssen im Bereich des Einbauortes des Zylinders die Temperierung des Quecksilbers so gehalten werden kann, daß seine Oberflächenspannung den größtmöglichen Wert beibehält.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 die Teildarstellung einer ersten Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Kolben- Zylinder-Aggregates im Längsschnitt,

Fig. 2 das Kolben-Zylinder-Aggregat aus Fig. 1 im Querschnitt gemäß der Linie Il-Il in Fig. 1 und

Fig. 3 eine weitere Bauform des erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Aggregates in schematischer Darstellung und im Längsschnitt.

Zunächst soll das in den Fig. 1 und 2 abgebildete Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder- Aggregates näher erläutert werden. Es besitzt einen Zylinder 5 (in Fig. 1 ist lediglich ein axialer End­ bereich des Zylinders vergrößert abgebildet), der ein Zylinderrohr 6 besitzt, das an beiden Stirnseiten mit Zylinderdeckeln 7 (in Fig. 1 ist nur ein Zylinderdeckel zu erkennen) versehen ist. Im Innern 8 des Zylinders 5 befindet sich ein in axialer Richtung 10 verschiebbar geführter Kolben 9, der den genannten Zylinder-Innen­ raum 8 in zwei Zylinderräume 14, 15 unterteilt.

In diese beiden Zylinderräume 14, 15 münden nicht dargestellte Druckmittelkanäle, über die die Zylinder­ räume wahlweise befüllbar bzw. entlüftbar sind, wo­ durch die axiale Kolbenbewegung hervorgerufen werden kann. Um bei alledem einen Druckmedium-Übertritt zwischen den beiden Zylinderräumen 14, 15 zu vermeiden, ist der Kolben gegenüber dem Zylinder 5 und insbe­ sondere gegenüber dem Zylinderrohr 6 abgedichtet.

Beim Ausführungsbeispiel ist am Kolben 9 in axialer Verlängerung eine Kolbenstange 16 angebracht - im vorliegenden Falle einfacherweise einstückig ange­ formt - , die ausgehend vom Kolben 9 den einen Zylinder­ raum 15 koaxial durchquert und den zugeordneten Zylinder­ deckel (wie in Fig. 3 bei 17 angedeutet) unter Abdich­ tung und längsverschieblich nach aussen hin durchdringt.

Das Vorhandensein einer Kolbenstange ist allerdings nicht Voraussetzung für die Erfindung, vielmehr kann der Kolben 9 auch als kolbenstangenloser Kolben ausge­ bildet sein oder aber an beiden axialen Seiten 18, 19 eine Kolbenstange aufweisen, in welchem Falle beide Zylinderdeckel jeweils von einer Kolbenstange durch­ drungen wären (nicht abgebildet).

Erfindungsgemäß ist am Aussenumfang des Kolbens 9 eine sich über diesen Aussenumfang erstreckende, in sich geschlossene, ringförmige Nut 20 angeordnet, in der sich ein den Kolben 9 gegen den Zylinder 5 abdichtender Dichtring 21 befindet, wobei dieser Dichtring 21 aus in die Nut 20 eingefülltem Queck­ silber besteht.

Beim Ausführungsbeispiel ist die Nut 20 in Gestalt einer Oberflächennut unmittelbar in die dem Zylinder­ rohr 6 zugewandte Mantelfläche 22 des Kolbens 9 eingelassen und besitzt einfacherweise einen im wesent­ lichen rechteckigen Querschnitt.

Vorteilhafterweise liegt der Quecksilberdichtring einerseits an den Flanken 23, 23′ und am Grund 24 der Nut 20 an, sowie andererseits an der Innenoberfläche 25 des Zylinderrohres 6, so daß eine absolut dichte Druckmittelbarriere geschaffen ist. Der radiale Ab­ stand zwischen der Mantelfläche 22 und der Innenfläche 25 des Zylinderrohres 6 ist zweckmäßigerweise sehr ge­ ring und beträgt größenordnungsmäßig zirka 2/10 mm, so daß das im übrigen eine hohe Oberflächenspannung besitzende Quecksilber auch bei hohen Kolbengeschwindig­ keiten nicht aus der Nut 20 herausfließen kann.

Die Auswahl von Quecksilber als Dichtungsmaterial hat erhebliche Vorteile. Da das Quecksilber flüssig ist, tritt beim Betrieb des Kolben-Zylinder-Aggregates kein Dichtring-Abrieb auf, der Dichtring ist praktisch völlig verschleißfrei. Ferner ist ein reibungsarmes Gleiten zwischen Dichtring und Zylinderrohr-Innenfläche 25 möglich, da der Dichtring 21 gute Gleiteigenschaften besitzt, und demzufolge ist auch das Zylinderrohr mit sehr wenig Verschleiß behaftet. Auch ein Festsitzen oder "Fressen" des Dichtringes am Zylinderrohr ist durch Verwendung der Flüssigkeitsdichtung ausgeschlossen, auch ohne zusätzliche Schmierung tritt keine nennens­ werte Erwärmung auf. Vorteilhafterweise sind auch Stick-Slip-Erscheinungen - d.h. Anhaften des Dicht­ ringes am Zylinderrohr bei längerem Stillstand - praktisch völlig unterdrückt, so daß auch diesbezüglich eine Dichtringbeschädigung ausgeschlossen ist.

Die Befüllung der Nut 20 mit Quecksilber erfolgt zweck­ mäßigerweise im im Zylinder angeordneten Zustand des Kolbens 9, da dann die Nut auch an ihrer offenen Seite - durch die Zylinderrohr-Innenfläche 25 - abgedeckt ist und praktisch einen geschlossenen Raum bildet. Zur Be­ füllung ist ein Befüllkanal 29 vorhanden, der gemäß Fig. 1 und 2 den Kolben 9 durchzieht und einerseits in die Nut 20 am Nutgrund 24 ausmündet sowie anderer­ seits mit seinem Einfüllende 30 zu einer Axialseite des Kolbens 9 ausmündet.

Wie Fig. 1 und Fig. 2 zeigen, besitzt der Befüllkanal 29 ausgehend von der Nut 20 zunächst einen radial be­ züglich der Zylinderachse 10 nach innen gerichteten Verlauf, bis er im Bereich der Längsachse 10 recht­ winkelig abknickt und im Zentrum der der Kolbenstange 16 entgegengesetzten Axialseite 18 des Kolbens zum zugeordneten Zylinderraum 14 hin mit seinem Einfüll­ ende 30 ausmündet. Zur schnelleren und gleichmäßigeren Befüllung der Nut 20 können auch mehrere Befüllkanäle vorgesehen sein, die jedoch zweckmäßigerweise über ein gemeinsames Einfüllende 30 verfügen. Beispielsweise kann der Befüllkanal 29, wie dies in Fig. 2 strich­ punktiert angedeutet ist, ausgehend vom Einfüllende 30 zunächst einen axialen Abschnitt besitzen, der dann in mehrere radiale Abschnitte 31, 31′, 31′′ übergeht, die sich ausgehend von der Längsachse 10 in Sternform zur Nut 20 hin erstrecken.

Beim Ausführungsbeispiel in Fig. 1 ist der Quecksilber- Dichtring 21 bereits vorhanden und man erkennt, daß auch der Befüllkanal mit Quecksilber befüllt ist. Um dessen Auslaufen zu verhindern, ist er am Einfüllende mit einem Innengewinde versehen, in das ein Verschluß­ stopfen 32 gegebenenfalls unter Zwischenlegung einer Dichtung 33 lösbar eingeschraubt ist.

Das in Fig. 1 und 2 abgebildete Kolben-Zylinder-Aggregat wird bei der Befüllung der Nut 20 in eine mit seiner Längsachse 10 vertikale Lage gebracht und im abgenommenen Zustand des Verschlußstopfens 32 und des zugeordneten Zylinderdeckels 7 erfolgt das Einfüllen des Quecksilbers in den Befüllkanal 29, wonach der Verschlußstopfen 32 wieder angebracht wird. Letzterem gegenüberliegend ist im Zylinderdeckel 7 eine Ausnehmung 37 vorhanden, in die der Verschlußstopfen 32 zur Vermeidung von Beschä­ digungen in der einen Endlage des Kolbens 9 eintauchen kann.

Mit Ausnahme seines Beitrages zur besseren Befüllbar­ keit der Nut 20 trägt der Befüllkanal 29 auch noch zum sicheren Verbleiben des Quecksilbers in der Nut 20 bei. Denn sollte die Tendenz des Quecksilbers tatsächlich einmal zum Ausfließen aus der Nut 20 gehen, so bildet sich zwischen Verschlußstopfen 33 und der im Befüll­ kanal 29 vorhandenen Quecksilbersäule 34 ein Unterdruck aus, der dem Ausströmen des Quecksilbers zusätzlich entgegenwirkt.

In Fig. 3 ist wiederum ein Kolben-Zylinder-Aggregat abgebildet, das einen Zylinder 5 mit darin bewegbarem Kolben 9 und eine daran angesetzte Kolbenstange 16 aufweist. Letztere durchdringt den zugeordneten Zylinderdeckel 7, wie bereits oben kurz erwähnt, im Rahmen einer Deckeldurchdringung 17 abgedichtet und mit Verschiebespiel. Der Kolben 9 besitzt ebenfalls eine Umfangsnut 20, in der sich der Quecksilber-Dicht­ ring 21 befindet.

Zu Gunsten einer einfachen Befüllbarkeit der Nut 21 befindet sich beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 das Einfüllende 30′ des Befüllkanales 29 an der dem Kolben 9 entgegengesetzten Kolbenstangen-Stirnseite 35 und ist daher auch im Einbauzustand des Zylinders jederzeit gut zugänglich. Ausgehend von diesem Ein­ füllende 30′ erstreckt sich daher der Befüllkanal 29 zunächst im Innern der Kolbenstange 16 koaxial zu dieser und geht anschließend in den Kolben 9 über, wo er sich dann, in der unter Fig. 1 beschriebenen Art und Weise, zur Nut 20 hin erstreckt und in diese ausmündet.

Um unabhängig von der Lage des Zylinders 5 jederzeit einen Befüllvorgang der Nut 20 vornehmen zu können, ist in den Befüllkanal 29 zweckmäßigerweise im Bereich des Einfüllendes 30′ ein zweckmäßigerweise entsperr­ bares Rückschlagventil 36 eingeschaltet, das eine Queck­ silberströmung in Richtung zur Nut zuläßt und in Gegen­ richtung unterbindet. Beim Befüllen wird daher das Quecksilber unter Druck in den Befüllkanal eingepresst und nach Wegnehmen des Fülldruckes schließt das Rück­ schlagventil 36 automatisch gasdicht. Zur Demontage des Zylinders 5, beispielsweise zu Revisionszwecken, kann das Rückschlagventil 16 zur Entleerung der Nut 20 entsperrt werden. Um unabhängig von den Gegeben­ heiten am Einbauort des Zylinders 5, und insbesondere unabhängig von den dort herrschenden Temperaturver­ hältnissen zu gewährleisten, daß sich die Quecksilber­ temperatur immer in einem Bereich befindet, der größtmögliche Oberflächenspannung verspricht, kann das Kolben-Zylinder-Aggregat mit einer Heiz­ und/oder Kühlvorrichtung versehen sein, mit der der Zylinder 5 von aussen her beheizbar bzw. kühlbar ist. Diese Ausführungsform ist in der Zeichnung nicht ab­ gebildet.

Claims (9)

1. Kolben-Zylinder-Aggregat mit einem im Zylinder in axialer Richtung verschiebbar geführten Kolben, an dessen Aussenumfang eine umlaufende Nut angeord­ net ist, in der sich ein den Kolben gegen den Zylin­ der abdichtender Dichtring befindet, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Dichtring (21) ein Ring aus in die Nut (20) eingefülltem Quecksilber ist.

2. Kolben-Zylinder-Aggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Nut (20) mindestens ein Befüllkanal (29) ausmündet.

3. Kolben-Zylinder-Aggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Befüllkanal (29) im Innern des Kolbens (9) verläuft und mit seinem der Nut (20) entgegengesetzten Einfüllende (30) an einer Axial­ seite (18) des Kolbens (9) ausmündet.

4. Kolben-Zylinder-Aggregat nach Anspruch 2, mit einer am Kolben angebrachten, zumindest eine Zylinderstirnseite nach aussen hin durchdringenden Kolbenstange, dadurch gekennzeichnet, daß der Be­ füllkanal (29) im Innern des Kolbens (9) und der Kolbenstange (16) verläuft und mit seinem der Nut (20) entgegengesetzten Einfüllende (30′) an einer Aussenfläche der Kolbenstange (16) ausmündet.

5. Kolben-Zylinder-Aggregat nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Befüllkanal (29) die Kolbenstange (16) koaxial durchzieht, wobei das Einfüllende (30′) an der dem Kolben (9) entgegen­ gesetzten Stirnseite (35) der Kolbenstange (16) an­ geordnet ist.

6. Kolben-Zylinder-Aggregat nach einem der An­ sprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Befüllkanal (29) unter Abdichtung verschließbar ist, zweckmäßigerweise mit einem dem Einfüllende (30, 30′) zugeordneten Verschlußstopfen (32).

7. Kolben-Zylinder-Aggregat nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Befüll­ kanal (29) zweckmäßigerweise im Bereich des Einfüll­ endes (30, 30′) ein eine Strömung zur Nut (20) hin zulassendes und vorzugsweise entsperrbares Rückschlag­ ventil (36) eingeschaltet ist.

8. Kolben-Zylinder-Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zylinder­ heizvorrichtung und/oder -kühlvorrichtung vorhanden ist.

9. Kolben-Zylinder-Aggregat nach einem der An­ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (20) vollständig mit Quecksilber ge­ füllt ist.