DE3806348A1 - Kolbenring - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenring, insbesondere einen solchen für hohe Kolben- bzw. Kolbenstangen-Geschwindigkeiten und sich unter Druck verändernden großen Dichtspalten, sowie für große Druckdifferenzen.

Kolbenringe sind an sich in einer Vielzahl von unterschiedlichen Werkstoffen und Bauarten bekannt. Sie sind im Regelfall in Ringnuten eines Kolbens oder einer Kolbenstange eingesetzt und liegen aufgrund einer radial nach außen gerichteten Federkraft an der Innenwand eines Zylinders dichtend an. Die Federkraft wird durch die maximal zulässige Beanspruchung des Kolbenringes bei der Montage begrenzt, die wiederum aus der Streckgrenze des Werkstoffes resultiert.

Die bekannten Kolbenringe eignen sich durchwegs für den Einsatz unter normalen Betriebsbedingungen. Im sehr geringen Druckbereich wird die Dichtigkeit des Kolbenringes nur durch seine Vorspannung bestimmt. Bei kleinen Verhältnissen des Nenndurchmessers zur radialen Höhe des Kolbenringes ist die aus der Vorspannung resultierende Flächenpressung jedoch begrenzt. Wenn sehr hohe Kolben- bzw. Kolben­ stangen-Geschwindigkeiten zwischen l5 m/sec und 75 m/sec verlangt werden und dazu eine Abdichtung bei relativ großen und sich unter Druck ständig verändernden Dichtspalten zwischen dem Kolben und der Zylinderwand geschaffen werden soll, so wird die Auswahl unter den bekannten Kolbenringen bereits problematisch. Wenn ferner noch große Druckdifferenzen auftreten und der Kolbenring einen relativ großen Durchmesser besitzen soll, so liegen bereits Anforderungen an einen Kolbenring vor, der nach dem Stand der Technik so bisher nicht auffindbar ist.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Kolbenring der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei den geschilderten Betriebsbedin­ gungen eine Verbesserung bzw. eine Minderung des Verschleißverhaltens, insbesondere der Gegenlauffläche im Zylinder, und eine Verbesserung der Dichtwirkung des vorgespannten Kolbenringes ohne Druckbeauf­ schlagung bietet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kolbenring durch eine radial-federnde Ausbildung eine Grundanpressung besitzt und in seiner Lauffläche eine Ringnut aufweist, in die ein Einlageband eingesetzt ist, das über der Kolbenringfläche radial vorsteht und aus einem Material mit geringem Reibungs-Koeffizienten gebildet ist, welches gleich oder unterschiedlich zu dem Material des Kolben­ ringes ist. Dieses Einlageband kann dabei aus einem Kunststoff ge­ bildet sein, der wahlweise mit Füllstoffen versehen ist. Andererseits kann das Einlageband aus einem Verbundwerkstoff oder aber auch aus einer Nichteisenlegierung angefertigt sein. Die Ringnut in dem Kolben­ ring kann axiale Seitenwände mit konisch verlaufender Kontur besitzen.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann das Einlageband eine aus dem Kolbenring vorstehende Lauffläche von wahlweise ebener oder aber auch balliger Kontur aufweisen. Schließlich kann das Einlageband mit der Bodenfläche der Ringnut wahlweise formschlüssig oder kraft­ schlüssig verbunden sein und im Querschnitt kammartig gestaltet sein, wobei in die Zwischenräume eingefügte radial kürzere Stege aus wahlweise gleichem oder zu dem Einlageband unterschiedlichen Material eingesetzt sein.

Die Stirnenden des Kolbenringes können ferner an dessen Trennstelle längsverschieblich mit Nut und Feder ineinandergreifen, wobei die radial äußeren Endbereiche der Stirnenden derart gestaltet sein können, daß sich jeweils gegenüberliegende kürzere Nutränder bei der Längsverschiebung der Stirnenden überlappen.

Durch diese erfindungsgemäße Lösung wird ein Kolbenring mit einem eingelegten Dichtungsband aus einem Kunststoff, einem Verbundwerk­ stoff oder aber einer Nichteisenlegierung geschaffen, der sich durch ein verbessertes Verschleißverhalten in bezug auf die Gegenlauffläche des Zylinders und durch eine Verbesserung der Dichtwirkung des vorge­ spannten Kolbenringes ohne Druckbeaufschlagung auszeichnet. Dieser Kolbenring weist eine technisch einwandfreie Dichtheit im statischen Bereich unter und ohne Belastung auf und ist unempfindlich gegen hohe, kurzzeitige Druckspitzen bei möglichst geringer Reibung. Durch die große Federwirkung in radialer Richtung erhält der Kolben­ ring insgesamt eine gute Grundanpressung an die Zylinderwand und eine durch den jeweiligen Betriebsdruck zusätzlich bewirkte Anpressung in radialer Richtung. Durch die erzielte gute Abdichtung dieses Kolbenringes findet eine nur geringe und im erlaubten Umfang ein­ tretende Leckage statt.

In der Zeichnung sind Beispiele der Erfindung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Kolbenring mit Einlageband im eingebauten Zustand im Schnitt;

Fig. 2 einen Kolbenring anderer Ausbildung im Schnitt;

Fig. 3 einen Kolbenring mit gegenüber dem Kolbenring in Fig. 2 abgewandelter Bauart im Schnitt;

Fig. 4 einen Kolbenring weiterer Bauart im Schnitt;

Fig. 5 einen Kolbenring noch anderer Bauart im Schnitt;

Fig. 6 einen Kolbenring mit kammartiger Einlage im Schnitt;

Fig. 7 die Trennstelle des Kolbenringes ohne Einlageband in perspektivischer Ansicht;

Fig. 8 einen Schnitt durch den Kolbenring nach der Linie VIII-VIII in Fig. 7;

Fig. 9 Kolbenringe in einem Einbaubeispiel an einer Kolbenstange.

Der Kolbenring 1 besitzt einen relativ großen Außendurchmesser 2 und einen Innendurchmesser 3. Mit 4 ist der Zylinder des Kolbens bzw. der Kolbenstange 5 bezeichnet.

Der Kolbenring 1 weist zentral in seiner Lauffläche 6 eine umlaufende Ringnut 7 auf, in die ein Einlageband 8 von im wesentlichen rechteck­ förmigen Querschnitt (Fig. 1) eingesetzt ist. Das Einlageband 8 steht mit seiner äußeren Stirnseite 9 über der Lauffläche 6 des Kolbenringes 1 vor und liegt im Betrieb an der Mantelfläche 10 des Zylinders 4 an. Dabei erfolgt die Anlage des Einlagebandes 8 derge­ stalt, daß zwischen dem Kolbenring 1 und dem Zylinder 4 eine Abdich­ tung erfolgt. Das Einlageband 8 besteht vorzugsweise aus Kunststoff, einem Verbundwerkstoff, einer Nichteisenlegierung oder einer metallischen Legierung, um dadurch eine Verbesserung und eine Minderung des Verschleiß­ verhaltens, insbesondere an der Zylinderlauffläche 10, zu erreichen. Durch die federnde Vorspannung des Kolbenringes 1 wird die Verbesserung der Dichtwirkung auch ohne Druckbeaufschlagung erzielt. Ein mit diesen Merkmalen gebauter Kolbenring kann vor allen Dingen für Höchst­ druckabdichtungen im Megapont-Bereich eingesetzt werden und dort, wo hohe Kolben- und Kolbenstangen-Geschwindigkeiten von etwa 15 m/sec bis 75 m/sec verlangt werden. Mit diesem Kolbenring 1 ist die Abdich­ tung bei relativ großen und unter Druck sich verändernden Dicht­ spalten 11 möglich. Um sowohl gute Dichteigenschaften als auch gute Laufeigenschaften, bspw. Trockenlauf, zu gewährleisten, kann das Einlageband 8 entsprechend der Erfindung aus einem hochdruckfesten Kunststoff hergestellt sein, der glasfaserverstärkt ist und ggf. mit Zusatzschmiermitteln ausgerüstet ist. Durch die erzielte Ver­ minderung der Dichtreibung bei hohen Kolben-Geschwindigkeiten wird der Heißlauf vermieden, der ggf. bis zur Entzündung von entsprechend eingesetzten Medien führen kann.

Die Fig. 2 bis 6 zeigen weitere mögliche Konstruktionen von Kolben­ ringen 1 mit Einlagebändern.

So ist in Fig. 2 ein Einlageband 12 gezeichnet, das eine ballig geformte ringäußere Stirnfläche 13 besitzt. An den Seiten ist das Einlageband 12 über die Kolbenring-Lauffläche 6 hinausgeformt.

Das Einlageband 25 nach Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Einlage­ bandes 12 von Fig. 2. Die ringäußere Stirnfläche 26 ist eben geformt. Zu beiden Seiten ist das Einlageband 25 über die Nut 7 hinausgeformt. Dieser Kragen 27 kann entweder kurz ausgebildet sein oder als Kragen 28 bündig mit der Seitenwand 29 des Kolbenringes 1 abschließen. Beide Versionen sind der Einfachheit halber in Fig. 3 dargestellt, nämlich links und rechts der Mittellinie 30. Diese Ausführung eignet sich besonders für Kolbenringe mit gasdichtem Walzenstoß.

In Fig. 4 ist ein Einlageband 14 mit einer wiederum balligen Außenring­ fläche 15 dargestellt, wobei die Seitenbegrenzung durch konisch geformte Flächen 16 gewählt ist.

Anstelle dieser sich radial erweiternden konischen Seitenflächen 16 ist in Fig. 5 eine sich radial nach außen konisch verjüngende Kon­ tur 17 eines Einlagebandes 18 gezeigt.

In Fig. 6 besteht das Einlageband 19 aus einem in radialer Richtung kammartigen Gebilde, in dessen Zwischenräume Stege 20 aus gleichem oder wahlweise zu dem Einlageband 19 verschiedenen Material eingesetzt sind. Diese Ringstege 20 sind in ihrer radialen Ausdehnung kürzer als die Zähne 21 des kammartigen Einlagebandes 19. Dadurch liegen nur die Zähne 21 des kammartigen Einlagebandes 19 mit ihrer Stirn­ fläche an der Zylinderlauffläche 10 des Zylinders dichtend an.

In der perspektivischen Darstellung des Kolbenringes 1 nach Fig. 7 ist die Ringnut 7 für das hier nicht gezeichnete Einlageband 8, 12, 25, 14, 18, 19 zu sehen. Die Ringnut 7 besitzt eine Bodenfläche 32 und konisch zur Bodenfläche 32 zulaufende Seitenwände 33. Die Stirnenden 34 und 35 des Kolbenringes 1 sind an seiner Trennstelle in der Bauart einer längsverschieblichen Feder 36 in einer Nut 37 ausgeführt. Während einer­ seits die sich im Endbereich gegenüberliegenden Nutränder 38 von gleichbleibender Höhe sind, weisen andererseits die zwei weiteren sich im Endbereich gegenüberliegenden Nutränder 39 nahe den Stirn­ enden 34, 35 verkürzte Höhenbereiche 40, 41 auf. Diese besondere Formgebunq gewährleistet auch an der Trennstelle des Kolbenringes 1 eine ausreichende Dichtigkeit und verhindert gleichzeitig die Defor­ mierung des Einlagebandes an dieser Stelle während der Längsverschie­ bung der Stirnenden 34, 35 des Kolbenringes 1, die durch eine radiale Bewegung in Richtung auf die Zylinderwand überlagert ist.

In Fig. 9 ist die Anwendung eines erfindungsgemäßen Kolbenringes 1 am Beispiel einer Panzerkanone für flüssige Treibmittel gezeigt. In dem Waffengehäuse 22 befindet sich in einer ringförmigen Kammer 23 ein axial in der Pfeilrichtung 24 bewegbarer Kolben 5. Der Kolben 5 ist zusammen mit dem Kolbenschaft 31 ringförmig gestaltet, wodurch die Kammer 23 in eine äußere Ringkammer 23.1 und in eine innere Ringkammer 23.2 aufgeteilt wird. Da sich in beiden Ringkammern unter­ schiedliche Medien befinden können, bspw. die als Flüssigtreibmittel für Waffen bekannten Brennstroffe und Oxidator, ist eine absolute Trennung der beiden Medien solange notwendig, bis diese in einem entsprechenden Brennraum durch den Kolben 5 eingedrückt werden. Bei Panzerkanonen für flüssige Treibmittel mit regenerativem Einspritz­ verfahren sind sehr hohe Einspritz-Kolbengeschwindigkeiten von bis zu 75 m/sec gefordert, zu denen sehr hohe Drücke kommen, um innerhalb sehr kurzer Zeit in den Brennraum die Treibstoffkomponenten vollständig einzuspritzen. Bei diesem Anwendungsbeispiel bietet sich der erfin­ dungsgemäße Kolben 1 mit einem Einlageband 8 an. Selbstverständlich sind bei diesem Anwendungsbeispiel auch die Einlagenbänder nach den Fig. 2 bis 6 einsetzbar.

Claims (9)

1. Kolbenring, insbesondere Kolbenring für hohe Kolben- bzw. Kolben­ stangen-Geschwindigkeiten und sich unter Druck verändernden großen Dichtspalten, sowie für große Druckdifferenzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenring (1) durch eine radial-federnde Ausbildung eine Grundanpressung besitzt und in seiner Lauffläche (6) eine Ringnut (7) aufweist, in die ein Einlageband (8, 12, 14, 18, 19, 25) eingesetzt ist, das über der Kolbenringlauffläche (6) radial vorsteht und aus einem Material mit geringem Reibungs-Koeffizienten gebildet ist, das gleich oder verschieden von dem Material des Kolbenringes (1) ist.

2. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlageband (8, 12, 14, 18, 19, 25) aus einem Kunststoff gebildet ist, der wahlweise mit Füllstoffen versehen ist.

3. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlageband (8, 12, 14, 18, 19, 25) aus einem Verbundwerkstoff gebildet ist.

4. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlageband (8, 12, 14, 18, 19, 25) aus einer Nichteisenlegie­ rung gebildet ist.

5. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (7) axiale Seitenwände (16, 17) mit konisch ver­ laufender Kontur besitzt.

6. Kolbenring nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlageband (12, 14) eine aus dem Kolbenring (1) vorstehende Lauffläche (13, 15) von wahlweise ebener oder balliger Kontur aufweist.

7. Kolbenring nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlageband (8, 12, 14, 18, 19, 25) mit der Bodenfläche der Ringnut (7) wahlweise formschlüssig oder kraftschlüssig verbunden ist.

8. Kolbenring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einlageband (19) im Querschnitt kammartig ausgebildet ist und in die Zahnzwischenräume eingefügte, radial kürzere Stege (20) aus wahlweise gleichem oder zu dem Einlageband (19) unterschiedlichem Material aufweist.

9. Kolbenring nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnenden (34, 35) des Kolbenringes (1) an dessen Trenn­ stelle längsverschieblich mit Nut (37) und Feder (36) ineinander­ greifen, wobei die radial äußeren Endbereiche der Stirnenden (34, 35) derart gestaltet sind, daß sich jeweils gegenüberliegende kürzere Nutränder (40, 41) bei der Längsverschiebung der Stirn­ enden (34, 35) überlappen.