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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
elastischen Dichtungsrings zum Abdichten zwischen einem verstellbaren und/oder
drehbaren Bauteil, wie z.B. einem Kolben, einer Kolbenstange, einem
Schaft usw., und einem umgebenden Bauteil, wie z.B. einem Zylinderblock, einer
Zylinderendwand usw., wobei der Dichtungsring angepasst ist, in
einer Nut in einem Bauteil montiert zu werden, und mindestens eine
Dichtungsoberfläche
aufweist, die dafür
bestimmt ist, sich gegen das andere Bauteil abzustützen.
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Die
Erfindung betrifft ebenso einen elastischen Dichtungsring, der mittels
des Verfahrens gemäß der Erfindung
hergestellt ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Dichtungsringe
von der oben angegebenen Art werden in vielen Situationen verwendet,
unter anderem als hydraulische Dichtungen für Kolben und Kolbenstangen.
Eine Anwendung ist ein Abstreifer für Kolbenstangen, wobei es seine
Aufgabe ist, Schmutz oder andere Unreinheiten z.B. daran zu hindern,
an einer Kolbenstange in einen hydraulischen Zylinder mit hineinzugelangen.
Sie können
ebenso an drehenden Wellen verwendet werden, welche z.B. axial verstellbar
sind.
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Eine
andere Anwendung ist diejenige als eine Druckdichtung zwischen einer
Kolbenstange und einer Zylinderendwand, um das Ausströmen von Druckfluid
aus dem Zylinder zu verhindern. Eine ähnliche Anwendung ist diejenige
als eine Kolbendichtung, um eine Dichtung zwischen einem verschiebbaren
Kolben und einem umgebenden Zylinderblock bereitzustellen.
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Kolbenstangenabstreifer
und Druckdichtungen für
Kolbenstangen werden üblicherweise
zusammen verwendet. Jedoch wurden sie herkömmlicherweise als zwei separate
Bauteile hergestellt und montiert. Einer der Gründe hierfür ist, dass ein elastischer
Dichtungsring, welcher üblicherweise
aus Polyurethan hergestellt ist, so weich/elastisch sein muss, dass
eine gute Dichtung und Abstützung
gegen die Kolbenstange erhalten wird. Ein Nachteil hiervon ist,
dass das Risiko einer Spalt-Extrusion
relativ groß ist,
d.h. dass Material herausgezwungen wird in den Spalt zwischen den
zwei Bauteilen, welche relativ zueinander abzudichten sind. Da der
gesamte Dichtungskörper
ebenso aus dem gleichen, relativ elastischen Material hergestellt
ist, nimmt die Reibung gegen die Kolbenstange zu, die Temperatur in
dem Dichtungsmaterial nimmt sodann zu, was wiederum die Steifigkeit
reduziert und weiter eine Zunahme in der Reibung und in der Temperatur
mit sich bringt, und so weiter.
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Um
die Spalt-Extrusion zu verhindern, werden Druckdichtungen für Kolbenstangen
und Kolbendichtungen durch Stützringe
ergänzt,
die aus einem relativ harten Kunststoffmaterial hergestellt sind,
welche das welche Polyurethan-Dichtungsmaterial
daran hindern, heraus in den Spalt gezwungen zu werden. Dies macht
die Herstellung, die Montage und die Wartung kostenträchtiger
und komplizierter.
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Bei
Abstreifern für
Kolbenstangen wurden die Dichtungsringe, welche herkömmlicherweise
als Abstreifer dienen, mit einer Ummantelung aus Metallblech versehen,
um eine sichere Montage des relativ elastischen Polyurethanrings
in einer Nut in dem umgebenden Block bereitzustellen.
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Aufgabe der
Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Dichtungsringe für Kolbenstangen
und Kolben herzustellen, bei welchen unter anderem das Risiko einer
nachtei ligen Reibungserwärmung
und Spalt-Extrusion vermieden wurde oder stark reduziert worden
ist.
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Dies
macht es unter anderem für
Dichtungsringe möglich,
ohne separate Stützringe
montiert zu werden, was die Herstellung, die Montage und die Wartung
der Dichtungen beträchtlich
erleichtert und weniger teuer macht.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis (siehe z.B.
EP 0 326 719 ), dass dieses Ziel erreicht
werden kann durch Herstellen eines Dichtungsrings durch Spritzgießen von
zwei Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften, so dass ein
Kern erhalten wird, welcher aus einem ersten Material hergestellt
ist, welcher durch eine dünne
Schicht aus einem zweiten Material mit teilweise anderen Eigenschaften umgeben
ist.
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In
diesem Zusammenhang ist das innere Material ausreichend elastisch,
um dem Dichtungsring die dynamischen Eigenschaften zu geben, welche
für eine
gute Flexibilität
und Dichtungswirkung gefordert werden. Dieses innere Kernmaterial
ist durch eine dünne
Schicht eines äußeren Materials
mit niedriger Reibung umgeben, welches unter anderem die Reibungserwärmung des
Dichtungsmaterials reduziert. Solch eine Erwärmung reduziert anderenfalls
die Steifigkeit des Dichtungsmaterials, was das Risiko einer Spalt-Extrusion
erhöht.
Um dieses Risiko weiter zu reduzieren, kann die äußere Schicht aus einem härteren Material
als der Kern hergestellt sein.
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Die
besonders charakteristischen Merkmale eines Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung sind in Anspruch 1 definiert.
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Durch
dieses Verfahren ist es möglich,
einen Dichtungsring mit einer niedrigeren Reibungserwärmung des
Dichtungsmaterials herzustellen, was selbst das Risiko einer Spalt-Extrusion
reduziert. Das Material der äußeren Schicht
kann auch der art ausgewählt
werden, dass die Neigung zu einer Spalt-Extrusion weiter reduziert
ist.
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Es
ist bevorzugt, dass als das zweite Material ein Material eingespritzt
wird, welches eine geringere Reibung in Kontakt mit einem Bauteil
ergibt, das sich gegen es abstützt,
als das erste Material, wobei das zweite Material vorzugsweise eine
größere Härte als
das erste Material aufweist.
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Die
Materialien können
in eine Form eingespritzt werden, was einen schalenförmigen Rohling erzeugt,
wobei der umfängliche äußere Kantenabschnitt
des Rohlings im Wesentlichen V-förmig
oder U-förmig
ist mit zwei Dichtungslippen zum Formen einer Druckdichtung für eine Kolbenstange
oder ähnliches,
wobei die Angussschale weggeschnitten wird, so dass das andere Ende
des ringförmigen,
erhaltenen Produkts geformt ist, um eine Kolbenstangen-Abstreiflippe
zu bilden.
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Mittels
dieses Verfahrens wird daher eine kombinierte Abstreif- und Druckdichtung
erzeugt, welche in einem einzigen, entsprechenden Ablaufschritt
ohne das Verwenden von separaten Stützringen oder ähnlichem
hergestellt und montiert werden kann.
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Die
besonders charakteristischen Merkmale eines elastischen Dichtungsrings,
der gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt ist, ergeben sich aus den unten genannten
Patentansprüchen.
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Die
Erfindung wird unten mehr im Detail unter Bezugnahme auf die beispielhaft
in den beigefügten
Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen
beschrieben werden.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungsfiguren
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1 stellt
einen bekannten Stand der Technik für eine Dichtung eines hydraulischen
Kolbens mit einer Kolbenstange dar.
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2 zeigt
einen Teil eines Rohlings für
einen Abstreifer gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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3 zeigt
einen Teil eines Rohlings für
eine Kolbenstangendichtung gemäß der Erfindung.
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4 zeigt
einen Teil eines Rohlings für
eine kombinierte Kolbenstangendichtung und Kolbenstangenabstreifer
gemäß der Erfindung.
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5 stellt
die Abdichtung eines hydraulischen Kolbens mit einer Kolbenstange
dar, wobei die Dichtungsringe gemäß der Erfindung verwendet werden.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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In
der 1, welche einen bekannten Stand der Technik zeigt,
bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Zylinderblock und 2 einen
Kolben, welcher in dem Block verschiebbar ist und eine Kolbenstange 3 aufweist,
die durch die Endwand des Blocks herausragt. Der Kolben 2 ist
mit einem elastischen Dichtungsring 6 versehen, hergestellt
aus einem Elastomer, geeigneterweise ein Polyurethanmaterial, der
in einer Nut 5 angeordnet ist. Um die notwendige Abdichtung
bereitzustellen, muss das Polyurethanmaterial relativ nachgiebig
sein, was die Risiken einer Spalt-Extrusion mit sich bringt, d.h. das
Risiko, dass das Dichtungsmaterial in die Lücke zwischen dem Kolben 2 und
dem umgebenden Zylinderblock 1 hereingedrückt und
zerquetscht wird. Aus diesem Grund wird der Dichtungsring 3 an
beiden Seiten mittels eines Paars von Stützringen 7 gestützt, die
aus einem harten Kunststoffmaterial hergestellt sind. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet
zwei Führungen,
um den Kolben 2 in dem Zylinder zentriert zu halten.
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Die
Kolbendichtung besteht daher überall aus
einer Anzahl von Bauteilen, welche separat herzustellen und zu montieren
sind, was die Kosten erhöht.
Das relativ weiche Material in dem Dichtungsring 6 resultiert
ebenso in einer erhöhten
Reibung, welche unter anderem die Reibungserwärmung etc. erhöht. Insgesamt
er höht
dies das Risiko, dass das Dichtungsmaterial beschädigt wird
aufgrund der Reibungserwärmung.
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Das
Bezugszeichen 9 bezeichnet einen sogenannten U-Packring,
welcher eine Druckdichtung bildet, um hydraulisches Öl daran
zu hindern, aus dem Zylinder heraus entlang der Kolbenstange 3 gedrückt zu werden.
Die Druckdichtung weist zwei Dichtungslippen 10 auf, welche
durch den hydraulischen Druck auseinandergedrückt werden, um dann eine gute
Abdichtung der Kolbenstange 3 zu ergeben. Aus diesem Grund
muss die Druckdichtung 9 ebenso aus einem relativ weichen
Dichtungsmaterial hergestellt werden, mit dem einhergehenden Risiko einer
schädlichen
Reibungserwärmung.
Des Weiteren ist ein Stützring 11 erforderlich,
um das Risiko einer Spalt-Extrusion, wie oben erwähnt, zu
reduzieren.
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Das
Bezugszeichen 12 betrifft dasjenige, was als ein Kolbenstangenabstreifer
bekannt ist, mit einer ringförmigen
Abstreiflippe 13, die gegen die Kolbenstange 3 anliegt.
Dies hindert Dreck und andere Unreinheiten daran, mit der Kolbenstange
zusammen in den hydraulischen Zylinder hineinzugelangen. Um gut
zu funktionieren, muss der Abstreifer 12 ebenso aus einem
relativ weichen Dichtungsmaterial hergestellt werden. Beim Montieren
in einer offenen Nut 14 in der Zylinderendwand wird herkömmlicherweise
eine Ummantelung 14 aus Metallblech in dem Abstreifer eingebettet,
welche fest in die Nut 14 mittels einer Presspassung eingepresst
werden kann.
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Um
unter anderem die hohe Reibung von zuvor verwendeten Dichtungsringen
zu verhindern, welche vollständig
aus einem weichen Dichtungsmaterial hergestellt sind, mit der einhergehenden
Reibungserwärmung
und dem Risiko einer Spalt-Extrusion,
werden Dichtungsringe für
unter anderem Kolbenstangenabstreifer, Kolbenstangendichtungen und
Kolbendichtungen gemäß der vorliegenden
Erfindung durch eine doppelte Einspritzung (bzw. Spritzgießen) von
zwei Kunststoffmaterialien mit teilweise unterschiedlichen Eigenschaften
hergestellt. Auf diese Weise ist es möglich, Dichtungsringe mit einer äußeren Schicht
mit einer relativ niedrigen Reibung herzustellen, um unter anderem
die Reibungserwärmung
und das Risiko einer Spalt-Extrusion zu reduzieren, und mit einem
weicheren inneren Kern, welcher dem Dichtungsring die notwendige
Flexibilität
und Anpassungsfähigkeit
bietet, um so eine gute Abdichtungswirkung bereitzustellen. Um weiter
das Risiko einer Spalt-Extrusion zu reduzieren, ist die äußere Schicht
aus einem härteren
Material als der Kern hergestellt.
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Die 2 zeigt
einen Querschnitt durch eine Hälfte
eines schalenförmigen
Rohlings, der in einer Form durch Doppel-Spritzgießen hergestellt
ist, für einen
Kolbenstangenabstreifer 16 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der Rohling weist einen inneren Kern 17 auf, der aus einem
relativ elastischen Dichtungsmaterial hergestellt ist, z.B. Polyurethan
mit einer Härte
von 40–70° Shore D,
vorzugsweise in etwa 50–60° Shore D.
Der Kern 17 ist von einer relativ dünnen äußeren Schicht 18 mit
einer Dicke in der Größenordnung
von 0,2–0,6
mm, vorzugsweise in etwa 0,4 mm umgeben. Die äußere Schicht besteht geeigneterweise
ebenso aus einem Polyurethanmaterial, welches jedoch härter als
das Material in dem Kern 17 ist und eine Härte in der
Größenordnung
von 85–95° Shore D,
vorzugsweise in etwa 90–93° Shore D
aufweist. Diese härtere äußere Schicht
resultiert in einer niedrigeren Reibung gegen die Kolbenstange und
somit ebenso in einer niedrigen Reibungserwärmung. Aufgrund des weicheren
Kerns 17 jedoch wird eine gute Flexibilität und Anpassungsfähigkeit
des Dichtungsrings erhalten, um eine gute Abdichtungsfunktion aufrechtzuerhalten.
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Der
gezeigte Rohling wird durch sequentielles bzw. aufeinanderfolgendes
Spritzgießen
aus zwei Kunststoffmaterialien in eine Form hergestellt. In diesem
Zusammenhang wird das härtere
Material, welches die äußere Schicht 18 des
Dichtungsrings zu bilden hat, zuerst eingespritzt. Sodann wird das
Material für
den Kern 17 mittig in die Form eingespritzt, wobei dieses
Material, wenn es eingespritzt wird, das zuerst eingespritzte Material
nach außen
gegen die begrenzenden Oberflächen
der Formhöhlung
zwingt, so dass das letztere Material eine äußere Schicht 18 bilden
wird, welche das weichere Material in dem Kern 17 umgibt.
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Wenn
der Abstreifer mit einer Ummantelung 15 aus Metallblech
zu versehen ist, wird solch eine Ummantelung in der Form positioniert,
bevor die Kunststoffmaterialien eingespritzt werden, so dass sie
integral mit der äußeren Schicht 18 gegossen werden
wird.
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Nach
dem Entfernen der Form wird die gebildete Angussschale 20 entlang
einer abgewinkelten Schnittlinie 21 abgeschnitten, so dass
eine Schnittoberfläche
erhalten wird, wie in den Figuren dargestellt. Die äußere Schicht 18 an
der inneren Oberfläche
des Rings wird dann eine Dichtungslippe 19 bilden, welche
sich gegen eine Kolbenstange abstützt, welche durch den Dichtungsring
geführt
ist. Dies bedeutet, dass es das härtere Material in der äußeren Schicht 18 ist,
welches sich gegen die Kolbenstange abstützt, was in einer reduzierten
Reibung und somit einer reduzierten Reibungserwärmung im Vergleich zu zuvor
bekannten Abstreifern resultiert. Die Flexibilität der Abstreiflippe 19 wird
jedoch beibehalten aufgrund des weicheren Materials im Kern 17 des
Abstreifrings.
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Die 3 stellt
in einer entsprechenden Art und Weise eine Hälfte eines Rohlings für eine Kolbenstangendichtung 22 nach
dem Entfernen der Form dar. Wie in der 2 besteht
der Rohling aus einem Kern 17, hergestellt aus einem weichen
Kunststoffmaterial, welcher von einer äußeren Schicht 18 umgeben
ist, die aus einem härteren
Material hergestellt ist. Die Angussschale 20 wird weggeschnitten, und
die zwei Endabschnitte des V-förmigen
Dichtungskragens werden entlang den Linien 23 und 24 abgeschrägt. Auf
diese Weise werden eine Dichtungslippe 25 mit dem gezeigten
Querschnitt, welche sich gegen eine Kolbenstange abstützt, die
durch den Kragen geführt
ist, und eine Dichtungslippe 26, welche sich gegen den
Boden in einer Nut in einer umgebenden Zylinderendwand abstützt, gebildet.
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Der
Druck von dem hydraulischen Öl
in dem Zylinder wird in die V-Form zwischen die Dichtungslippen 25 und 26 eindringen
und diese voneinander weg drücken,
damit sie sich in einer abdichtenden Art und Weise gegen die Kolbenstange und
den Zylinderblock jeweils abstützen.
In beiden Fällen
besteht der sich abstützende
Teil der Dichtungslippe aus dem äußeren, härteren Material 18,
jedoch weist die Dichtungslippe immer noch eine gute Flexibilität aufgrund des
inneren, weichen Kerns 17 auf.
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Die 4 stellt
einen Rohling für
einen kombinierten Kolbenstangenabstreifer und Kolbenstangendichtung
dar. Wie zuvor ist der Rohling aus einem relativ flexiblen Kern 17 und
einer härteren, äußeren Schicht 18 konstruiert.
Die Angussschale 20 wird entlang einer Schnittlinie 27 abgeschnitten,
um eine Kolbenstangenabstreiflippe 28 zu bilden, wie es
oben im Zusammenhang mit der 2 beschrieben
wurde. An dem anderen Ende werden die Endabschnitte des Rohlings
entlang der Linien 29 und 30 abgeschrägt, um Dichtungslippen 31 und 32 zu
bilden, um sich gegen einen umgebenden Zylinderblock und eine Kolbenstange
jeweils abzustützen.
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Der
Teil, welcher als Kolbenstangenabstreifer dient, ist mit dem Teil,
welcher als Kolbenstangendichtung dient, über einen relativ dünnen Abschnitt 33 verbunden,
welcher gerade die Lücke
auffüllt,
die zwischen der Kolbenstange und der Zylinderendwand vorhanden
ist. Dieser Abschnitt und die Schulteroberflächen 34 und 35,
die ihn begrenzen, ermöglichen
es der kombinierten Dichtung und Abstreifer, sicher in dem Zylinderblock
verankert zu werden. Aufgrund des harten Materials in der äußeren Schicht 18 wird
auch das Risiko vermieden, dass das Dichtungsmaterial in der Kolbendichtung
in den Spalt zwischen dem Kolben und der Zylinderendwand eindringt,
der auch zu einem großen
Maße durch
den Materialabschnitt 33 ausgefüllt ist.
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Der
Einbau der kombinierten Dichtung, die in 4 gezeigt
ist, kann in 5 gesehen werden, welche die
Anwendung der Dichtungselemente gemäß der Erfindung in einem hydraulischen
Zylinder der gleichen Art wie derjenigen zeigt, die in 1 gezeigt
ist.
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Wie
zuvor betreffen die Bezugszeichen 1, 2 und 3 einen
Zylinderblock, einen Kolben und eine Kolbenstange jeweils, welche
durch den Zylinderblock herausragt. Die Bezugszeichen 8 betreffen Führungen
für den
Kolben 2 und die Kolbenstange 3.
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Zwischen
der Endwand des Zylinderblocks 1 und der Kolbenstange 3 befindet
sich ein kombiniertes Dichtungselement gemäß der 4. Dieses weist
eine Abstreiflippe 28 auf, die sich gegen die Kolbenstange 3 abstützt, und
eine Kolbenstangendichtung mit einer Dichtungslippe 32 zum
Abstützen gegen
die Kolbenstange 3 und eine Dichtungslippe 31 zum
Abstützen
gegen die Bodenoberfläche
einer Nut in der Zylinderendwand. Die Dichtungslippen 31 und 32 werden
voneinander weggedrückt
aufgrund von hydraulischem Öl,
welches in den V-förmigen Raum
zwischen diesen Dichtungslippen eindringt.
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Aufgrund
der Tatsache, dass das Dichtungselement gemäß obigem mit einem weicheren
Kern und einer härteren äußeren Schicht
hergestellt ist, wird ein Dichtungselement erhalten mit niedriger
Reibung und niedriger Reibungserwärmung, welches jedoch immer
noch die notwendige Flexibilität
aufweist, um eine gute Dichtungswirkung zu erbringen. Die Herstellung
und die Montage sind leichter und weniger kostenträchtig, da
es nur notwendig ist, ein Element zu handhaben ohne ein Erfordernis
für extra Stützringe
oder etwas Äquivalentes.
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Auf
die gleiche Art und Weise ist die Kolbendichtung aus einem weicheren
Kern 36 und einer härteren äußeren Schicht 37 hergestellt.
Dies bietet die gleichen Vorteile, wie im Zusammenhang mit der Kobenstangendichtung
angegeben, und bedeutet, dass keine extra Stützringe zum Verhindern einer Spalt-Extrusion
erforderlich sind. Dies bedeutet ebenso niedrigere Kosten für die Kolbendichtung,
da, unter anderem, separate Stützringe
nicht hergestellt, montiert oder gewartet werden müssen.
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Ein
anderer Vorteil ist derjenige, dass die Dichtungsringe gemäß der Erfindung
in einer nicht-unterteilten Form hergestellt werden können, da
die Elastizität
ausreichend ist, um es ihnen zu ermöglichen, z.B. auf einen Kolben
oder eine Kolbenstange aufgezogen zu werden. Die Stützringe,
welche zuvor verwendet wurden, mussten in Abschnitten montiert werden,
da sie zu unelastisch waren, um z.B. auf einen Kolben aufgezogen
zu werden.
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Die
niedrigere Reibung der äußeren Schicht resultiert
selbst in einem reduzierten Risiko einer Spalt-Extrusion aufgrund
der niedrigeren Reibungserwärmung
und somit einer geringeren Reduzierung der Steifigkeit des Materials.
In diesem Zusammenhang kann die äußere Schicht
aus dem gleichen Material wie der Kern bestehen, jedoch unter Hinzufügung einer
reibungsreduzierenden Substanz wie z.B. Teflonpulver.
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Die
Erfindung wurde oben im Zusammenhang mit den in den Zeichnungen
gezeigten Ausführungsformen
beschrieben. Sie kann jedoch in einer Anzahl von Aspekten innerhalb
der Reichweite der unten genannten Ansprüche variiert werden. Die beschriebene
Technik kann daher ebenso für
andere Dichtungsringe mit anderen Konfigurationen verwendet werden,
welche für
andere Anwendungen als denjenigen, die oben beschrieben sind, gedacht
sind. Die notwendigen Modifikationen können sodann leicht durch einen
Fachmann ausgeführt
werden. In diesem Zusammenhang können
die Materialkombinationen auch geändert werden, wenn es gewünscht oder
erforderlich ist, und die angegebenen Materialdicken und -härten können in
Abhängigkeit
der Umstände
variiert werden.