EP1733159A1

EP1733159A1 - Kolbenstangendichtring

Info

Publication number: EP1733159A1
Application number: EP05714705A
Authority: EP
Inventors: Urs Müller; Armin Eggli
Original assignee: MT Sealing Technology Inc
Current assignee: MT Sealing Technology Inc
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-12-20
Also published as: JP2007532813A; WO2005098283A1; TW200533830A; JP4757866B2; TWI331648B

Abstract

Bei Schiffsdieselmotoren werden zwischen dem Spülluftraum und dem Kurbelgehäuse Stopfbuchsen angeordnet. In solche Stopfbuchsen sind kurbelgehäuseseitig Ölabstreifringe und spülluftraumseitig Kunststoffdichtringe (10) in Aufnahmenuten (2) eingelegt. Diese Kunststoffdichtringe (10) weisen im Überlappungsbereich (12) eine periphere Ausnehmung (17) auf, in welcher ein Überbrückungselement (15) eingelegt ist. Die periphere Ausnehmung (17) ist grösser als der Überlappungsbereich (12) und ebenfalls grösser als das darin eingelegte Überbrückungselement (15). Das Überbrückungselement (15) wird mittels Spiralfedern (14) auf die Gleitfläche (18) gedrückt, welche durch den Boden der peripheren Ausnehmung (17) gebildet ist. Das Überbrückungselement (15) weist genauso wie der Kunststoffdichtring (10) umlaufende Rillen (15) auf. Diese umlaufenden Rillen (15) fluchten im montierten Zustand mit den umlaufenden Rillen (13) im Kunststoffdichtring (10). Das Überbrückungselement (15) wird durch umlaufende Spiralfedern (14) auf die Gleitfläche (18) bzw. auf die überhöhte Gleitfläche (23) gedrückt.

Description

Kolbenstangendichtring

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenstangendichtring aus Kunststoff mit einem überlappenden Dichtstoss.

Kolbenstangendichtringe der eingangs genannten Art werden in Stopfbuchsendichtungen für Kolbenstangen von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Solche Stopfbuchsendichtungen sind insbesondere für Schiffsdieselmotoren bekannt und beispiels- weise in den Dokumenten DE-B-21' 14 ' 152 oder EP-A-0 ' 138 ' 443 beschrieben. Stopfbuchsen für Kolbenstangen bilden üblicherweise die Trennung zwischen dem Kurbelgehäuse und dem Spülluftraum. In der Stopfbuchse für eine Kolbenstange sind kurbelgehäuseseitig zuerst eine Anzahl von Ölabstreifringen angeordnet, worauf darüber zylinderseitig gelegen ein oder mehrere Dichtringe folgen. Die Dichtringe, die ein gasdichtes Anliegen an der Kolbenstange erzielen sollen, müssen folglich an der Kolbenstange immer unter Druck anliegen.

Wie Untersuchungen gezeigt haben, tritt unweigerlich im Bereich des oberen und unteren Todpunktes der Kolbenstange die grösste Abnutzung auf. Kolbenstangenabnutzungen im Bereich von 1-2 mm Durchmesser sind dabei durchaus übliche Grössenordnungen, die hier auftreten. Hieraus ergibt sich, dass pro Kolbenhubzyklus der obere und untere Todpunktbereich zweimal vom Dichtring überstrichen wird. Entsprechend muss der Dichtring im Überlappungsbereich des Dichtstosses eine Relativbewegung von rund 3-6 mm vornehmen. Der untere und der obere Lappen des Dichtstosses gleiten dabei übereinander. Die beiden aufeinander liegenden Flächen der beiden Lappen des Dichtstosses unterliegen dabei einer Abnutzung, die einerseits durch die direkte Reibung der beiden Lappen aus gleichem Material aufeinander bewirkt wird, und andererseits durch den metallischen Abrieb, der im Öl schwimmt und an sich als Schmierungsmittel dient. Bei stark verschmutztem Öl wird der Abrieb an den beiden Lappen des Dichtstosses erhöht . Bei der Verwendung von Kolbenstangendichtringen aus Metall ist dieses Problem der Abnutzung der Dichtringe im Stossbereich von relativ untergeordneter Bedeutung und auf Dichtringe aus weichem Metall wie zum Beispiel Bronze beschränkt . Wesentlicher ist dabei die Feststellung, dass Kolbenstangendichtringe aus Metall zu erheblich grösserem Abrieb an den Kolbenstangen selber führen, womit die Dichtung insgesamt ungenügend wird, was einerseits zu einem erhöhten Verbrauch von Kurbelöl führt mit allen damit verbundenen und bekannten Nachteilen. Entsprechend wurden in den letzten Jahren immer mehr Kolbenstangenstopfbuchsen mit Ölabstreifringen und Dichtringen aus Kunststoff versehen. Während damit insgesamt die Abnutzung an den Kolbenstangen wesentlich reduziert wird und damit auch der Ölverbrauch minimalisiert wird, hat sich erwiesen, dass insbesondere die Dichtringe vermehrt ausgewechselt werden müssen, da deren Dichtheit unerwarteterweise schneller nachliess, als dies zu erwarten war. Erst beim Austausch dieser Kunststoffdichtringe hat man festgestellt, dass die Dichtringe im Bereich der Dichtstosse zu den nicht erwarteten Leckagen geführt haben. Die hier zur Diskussion stehenden Dichtringe wurden erstmals in Stopfbuchsen eingesetzt, wie sie in der WO 91/14890 offenbart worden sind.

Es ist folglich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kolbenstangendichtringe aus Kunststoff mit einem überlappenden Dichtstoss derart zu verbessern, dass deren Lebensdauer erhöht und die Dichtigkeit auch bei teilweiser Abnutzung erhalten bleibt. Diese Aufgabe löst ein Kolbenstangendichtring aus Kunststoff mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor, und deren Bedeutung und Wirkungsweise wird in der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen erläutert .

In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung detailliert erklärt . Es zeigt : Figur 1 eine Stopfbuchsendichtung in vereinfachter und typenunabhängiger Form in einer perspektivischen, teilweise geschnittenen Darstellung.

Figur 2 zeigt einen erfindungsgemässen Kolbenstangen- dichtring im zusammengebauten Zustand in axialer Aufsicht und

Figur 3 denselben Kolbenstangendichtring in radialer Aufsicht auf den überlappenden Stoss;

Figur 4 zeigt den Kolbenstangendichtring aus Kunststoff für sich allein wiederum in der Aufsicht in axialer Richtung und

Figur 5 diesen Kolbenstangendichtring in radialer Aufsicht wiederum mit Sicht auf den Überlappungsbereich. Figur 6 zeigt das bogenförmige Uberbruckungselement für sich allein in axialer Aufsicht und

Figur 7 in radialer Seitenansicht . In

Figur 8 ist ein herkömmlicher, den Stand der Technik bildender Kolbenstangendichtring in axialer Aufsicht gezeichnet, und

Figur 9 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A—A in Figur 8 im Bereich des überlappenden Stosses .

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird vorerst mit Bezug auf die Figur 1 der Aufbau einer Stopfbuchsendichtung erläutert, wie sie insbesondere für Schiffsdieselmotoren verwendet wird. Stopfbuchsendichtungen dieser Art dichten das Kurbelgehäuse gegenüber dem Spülluftraum ab. In der Figur 1 liegt der Spülluftraum in Richtung des Pfeils Z und das Kurbelgehäuse in Richtung des Pfeils K. Die Stopfbuchse besitzt ein Stopfbuchsengehäuse 1, in dem zahlreiche Aufnahmenuten 2 an deren Innenwandung angebracht sind. In diesen ringförmigen Nuten 2 sind an der zur Kurbelgehäuseseite liegenden unteren Hälfte mehrere Ölabstreifringe 3 eingelegt, mittels derer das an der Kurbelstange haftende Öl abgestreift und in den Kurbelgehäuseraum zurück geführt wird. Hierzu sind im Gehäuse der Stopfbuchse entsprechende Leckolablaufe 4 angebracht. Der Bereich, in dem die Ölabstreifringe 3 im Stopfbuchsengehäuse lagern, wird als Abstreifzone bezeichnet, während darüber in Richtung des Spülluftraumes die Dichtzone der Stopfbuchse folgt. In dieser Dichtzone sind ebenfalls umlaufende ringförmige Aufnahmenuten 2 eingeformt, und in diesen liegen die Dichtringe 5. In dieser Darstellung sind die Dichtringe 5 als konventionelle Dichtringe gezeigt, während es sich bei den Ölabstreifringen 3 um spezielle von der Anmelderin entwickelte Abstreifringe handelt, welche aus der WO 03/044400 bekannt sind. In der hier gezeigten Ausführung der Stopfbuchsendichtung sind die den Anlagedruck auf die Ölabstreifringe 3 beziehungsweise auf die Dichtringe 5 bewirkenden Spiralfedern nicht eingezeichnet. Diese müssen aber selbstverständlich vorhanden sein. Die Weglassung erfolgt lediglich, um dadurch die Zeichnung nicht ungebührlich zu belasten. Um nochmals auf das eingangs geschilderte Problem der herkömmlichen Kolbenstangendichtringe einzugehen, wird hierbei auf die Figuren 8 und 9 verwiesen, die einen Kolbenstangendichtring gemäss dem Stand der Technik darstellen, wie er heute von der Anmelderin bereits auf dem Markt angeboten wird. Der Dichtring 5 ist hier einstückig gefertigt und weist einen überlappenden, gasdichten Stoss 6 auf. Dieser überlappende, gasdichte Stoss ist in der Figur 9 im Schnitt gezeigt. Im Überlappungsbereich übergreift dabei ein erstes Ringende 7 das andere, zweite Ringende 8. Hierbei liegt das Ringende 7 mit einer Gleitfläche 9 dichtend auf das Ringende 8 auf. Die zweite überlappende Fläche 9 ist eine kräftemässig kaum belastete Dichtfläche 9a, an der auch praktisch kein Abrieb feststellbar ist. Der Abrieb an diesen Flächen ist schematisch schwarz eingezeichnet und mit dem Buchstaben W bezeichnet. Der Abrieb W wird einerseits begünstigt, da hier zwei gleiche Kunststoffteile aufeinander gleiten, und zusätzlich, weil hier durch die umlaufenden in den bogenförmigen Rillen R die geschlossenen Spiralfedern verlaufen, die einen radialen Druck zur Kolbenstangenachse hin erzeugen.

In der Figur 2 erkennt man den erfindungsgemässen Kolbenstangendichtring aus Kunststoff in zusammengebautem Zustand. Der eigentliche Kunststoffdichtring ist mit 10 bezeichnet. Dieser Kunststoffteil ist einstückig und weist einen bogenförmigen Überlappungsbereich 12 auf, der in der Grδsse variiert, entsprechend der Anpassung an den Durchmesser der Kolbenstange, entsprechend dessen Veränderung durch die Abnutzung. Auf der äusseren Umlauffläche weist der Kunststoffdichtring 10 eine oder mehrere umlaufende Rillen 13 auf, die der Führung der darin liegenden umlaufenden Spiralfedern 14 dienen. Die Spiralfedern 14 sind über ein Schloss bestehend aus einer angeformten Ringöse und einer angeformten Hakenöse zusammenfügbar. Je nach der erwünschten Andruckkraft können bis zu drei solcher umlaufenden Spiralfedern vorgesehen sein. In radialer Richtung ist im Bereich des Stosses 6 ein bogenförmiges Uberbruckungselement 15 aus Metall. Dieses Uberbruckungselement 15 weist ebenfalls Rillen 16 auf, die mit den Rillen 13 am Kunststoffdichtring 10 im montierten Zustand fluchtend verlaufen. Der Kunststoffdichtring 10 weist eine nach innen gerichtete periphere Ausnehmung 17 auf, die breiter ist als der Überlappungsbereich 12. Das bogenförmige Uberbruckungselement 15 aus Metall ist jedoch auf jeden Fall kleiner in seiner Längsausdehnung als die nach innen gerichtete periphere Ausnehmung 17, wenn der Kunststoffdichtring seinen minimalen Durchmesser einnimmt . Die nach innen gerichtete periphere Ausnehmung 17 hat einen Boden, der als Gleitfläche 18 für das bogenförmige Uberbruckungselement 15 dient. Das bogenförmige Uberbruckungselement 15 und die nach innen gerichtete periphere Ausnehmung 17 müssen aufeinander angepasst sein. Hierbei kann aber im Prinzip der Radius des Überbrückungselementes 15 leicht grosser sein als der Radius der Gleitfläche 18 der nach innen gerichteten peripheren Ausnehmung 17. Diese beiden Radien passen sich dann nach kurzer Zeit aufeinander durch Abnutzung an. Diesbezüglich wird auf die späteren Figuren nochmals verwiesen.

In den Figuren 4 und 5 ist der Kunststoffdichtring 10 für sich allein dargestellt. Der Kunststoffdichtring 10 hat eine innere, im eingebauten Zustand an der Kolbenstange anliegende Dichtfläche 11. Die Dichtfläche an der Kolbenstange 11 kann als vollflächige kreiszylindrische Fläche gestaltet sein, oder aufgeteilt in zwei oder mehrere parallel verlaufende, zusammen die Dichtfläche 11 bildende kreiszylindrische Dichtlippen 19. Diese Dichtlippen 19 sind lediglich in der Ansicht nach Figur 5 teilweise ersichtlich, dort wo die beiden Dichtringlappen 20 und 21 sich in axialer Richtung nicht überdecken. Der Überlappungsbereich 12 der beiden Dichtringlappen 20 und 21 bilden zusammen eine Gasdichtungsfläche 22. Über die gesamte Länge der beiden Dichtringlappen 20 und 21 hinweg und in Umfangsrichtung beidseitig sich weiter erstreckend, ist die periphere Ausnehmung 17 erkennbar. In der Figur 5 ist an sich die Gasdichtungsfläche 22 nicht ersichtlich, doch wurde sie hier andeutungsweise eingezeichnet in Form einer punktierten Fläche 22. Diese punktierte Fläche 22 weist zwei Abschnitte auf, die unterschiedlich stark punktiert sind. Der dicht punktierte Bereich ist jener Bereich, in dem die beiden Dichtringlappen 20 und 21 im unbelasteten Zustand wie hier dargestellt sich überlappen, während der weniger dicht punktierte Bereich im montierten und unter Federdruck stehenden Zustand zusätzlich dichtend übereinander liegen.

Zentrisch in der peripheren Ausnehmung 17 ist hier eine überhöhte Gleitfläche 23 vorhanden. Diese überhöhte Gleitfläche 23 erstreckt sich in peripherer Ausdehnung über die beiden Dichtringlappen 20 und 21 und über diese hinaus. Seitlich der überhöhten Gleitfläche 23, innerhalb der peripheren Ausnehmung 17 verbleiben dann noch seitliche nicht überhöhte Gleitflächenbereiche 18' und 18' Auf der äusseren umlaufenden Fläche des Kunststoffdichtringes 10 sind die bereits erwähnten umlaufenden Rillen 13 erkennbar, die sich mit Ausnahme des Bereiches der peripheren Ausnehmung 17 über den gesamten Umfang erstrecken.

In den Figuren 6 und 7 ist das Uberbruckungselement 15 für sich allein dargestellt. Das Uberbruckungselement 15 ist aus Metall gefertigt. Dieses kann aus einem herkömmlichen Maschinenstahl gefertigt sein. Das Uberbruckungselement 15 hat seitliche Begrenzungsflächen 25, die in peripheren Anfasungen 26 enden. Auf der Aussenflache sind wie bereits erwähnt im Uberbruckungselement 15 Rillen 16 eingeformt. Zwischen jeweils zwei benachbarten Rillen 16 verbleiben umlaufende Rippen 27. Die beiden Stirnflächen 28 des Überbrückungselements 15 verlaufen in exakt radialer Richtung. Die Materialhärte des Überbrückungselementes 15 ist wesentlich höher als die Härte des Kunststoffdichtringes 10. Folglich wird während des Gebrauches die Abnutzung nur an der Gleitfläche 18 bzw. an der überhöhten Gleitfläche 23 des Kunststoffdichtringes 10 erfolgen. Die überhöhte Gleitfläche 23 bewirkt eine zusätzliche Versteifung des Kunststoffdichtringes 10 in diesem Bereich zumindest in der Anfangsphase. Während der Lebensdauer des Kunststoff- dichtringes 10 kann es nach und nach zum Abreiben der überhöhten Gleitfläche 23 kommen. Ist die Überhöhung vollständig abgerieben, so wird im Prinzip dieser Bereich mit den nicht erhöhten seitlichen Gleitflächenbereichen 18' und 18'' fluchten. Auch dann braucht jedoch der Kunststoffdichtring 10 noch nicht ausgewechselt zu werden. Nun sind nämlich die Dichtringlappen 20 durch die entsprechende Abnutzung in radialer Richtung dünner und entsprechend flexibler geworden. Gleichzeitig kann aber auch, vor allem bei ungehärteten Kolbenstangen, eine gewisse Abnutzung an der Kolbenstange aufgetreten sein. Dies bedeutet, dass der Radius des Kunststoffdichtringes 10 etwas abgenommen hat. Da aber gleichzeitig am Uberbruckungselement 15 praktisch keine Abnutzung feststellbar ist, liegt auch nun das Uberbruckungselement 15 praktisch nur im mittleren Bereich auf, da der Durchmesser der Innenfläche des bogenförmigen Überbrückungselementes 15 nun grosser ist als der Durchmesser bzw. der Radius des Kunststoffdichtringes 10. Dies ergibt insgesamt eine wesentlich erhöhte Lebensdauer der Kunststoffdichtringe 10 und gleichzeitig, dank der Verwendung der Kunststoffdichtringe, eine geringere Abnutzung an der Kolbenstange. Beides zusammen führt selbstverständlich auch dazu, dass der Ölverbrauch einer Schiffsdieselmaschine, die mit Buchsen mit den erfindungsgemässen Kunststoffdichtringen ausgerüstet sind, wesentlich geringer ist.

Zwischen den Ölabstreifringen 3 und den Kunststoffdichtringen 5 ist vorzugsweise ein dazwischen gelagerter Ring angebracht, der sowohl als Ölabstreifring wie auch als Dichtring wirkt. Dieser Ring ist in der Figur 1 durchgehend eingezeichnet . Der Ring unterscheidet sich im wesentlichen dadurch, dass er einseitig in axialer Richtung über die Seitenflächen des Ringes sich erstreckende Nocken aufweist, zwischen denen Zwischenräume frei bleiben, durch die vorzugsweise verschmutztes Öl in den neutralen Raum abfHessen kann. Dadurch lässt sich verhindern, dass das verschmutzte Öl in das Kurbelgehäuse gelangt. Auch diese Ringe, die trotz der Doppelfunktion hier als Dichtringe bezeichnet werden, können die erfindungsgemässe Ausgestaltung des gasdichten Stosses 6 mit einem Uberbruckungselement 15 aufweisen. Liste der Bezugszeichen

K Kurbelgehäuse

R Rillen W Abrieb

Z Spüllufträum

1 Stopfbuchsengehäuse

2 Aufnahmenuten 3 Ölabstreifringe

4 Leckölabläufe

5 Dichtringe

6 überlappender Stoss

7 1. Ringende 8 2. Ringende

9 Gleitfläche 9a Dichtfläche

10 Kunststoffdichtring

11 Dichtfläche 12 Überlappungsbereich

13 umlaufende Rillen

14 Spiralfedern

15 Uberbruckungselement

16 Rillen im Uberbruckungselement 17 Ausnehmung, peripher

18 Gleitfläche

18' nicht erhöhte seitliche Gleitflächenbereiche nicht erhöhte seitliche Gleitflächenbereiche Dichtlippen Dichtringlappen Dichtringlappen Gasdichtungsfläche überhöhte Gleitfläche seitliche Begrenzungsflächen Anfasung umlaufende Rippen

Claims

Patentansprüche

1. Kolbenstangendichtring aus Kunststoff mit einem überlappenden Dichtstoss, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffdichtring (10) nur in axialer Richtung einen überlappenden Stoss (6) aufweist, und in radialer Richtung die Überlappung durch ein bogenförmiges Uberbruckungselement (15) aus Metall gebildet ist, welches in einer radial nach innen gerichteten, als Gleitfläche (18) dienenden peripheren Ausnehmung (17) , die breiter als der Überlappungsbereich (12) ist, aufgelegt ist.

2. Kolbenstangendichtring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nach innen gerichtete periphere Ausnehmung (17) eine konzentrisch zur inneren Lauffläche verlaufende Gleitfläche (18) hat.

3. Kolbenstangendichtring nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass ein zentrischer Bereich der Ausnehmung (17) , der breiter ist als der Überlappungsbereich (12) , in radialer Erstreckungsrichtung dicker ist als die seitlichen Ausnehmungsbereiche, aber ebenfalls konzentrisch zur inneren Lauffläche und somit eine erhöhte Gleitfläche (23) über den Überlappungsbereich (12) bildet. Kolbenstangendichtring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffdichtring (10) und das Uberbruckungselement (15) einen gasdichten Dichtstoss bilden.