DE1475635B1

DE1475635B1 - Kolben mit Dichtungs- und Fuehrungsbuchse

Info

Publication number: DE1475635B1
Application number: DE19651475635D
Authority: DE
Inventors: Storms Robert Sherman
Original assignee: Duriron Co Inc
Current assignee: Flowserve Corp
Priority date: 1964-02-14
Filing date: 1965-02-13
Publication date: 1969-09-25
Also published as: GB1092411A; US3212411A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben, ins- Zweckmäßigerweise werden die Rillen an wenigbesondere für Flüssigkeits-und Luftkompressoren und stens einem Abschnitt der Kolbenoberfläche vorhydraulische und pneumatische Anlagen mit einer gesehen.

dünnwandigen aus einem Fluorkohlenwasserstoff be- Eine vorteilhafte Dimensionierung des Kolbens mit

stehenden Dichtungs- und Führungsbuchse, die gegen 5 der Buchse nach der Erfindung ergibt sich dadurch,

axiale Bewegung relativ zum Kolben gesichert ist. daß die Rillen V-förmig sind und deren Tiefe größer

Die Probleme der Kolben-Laufflächenabdichtung ist als 20% der Dicke des verbleibenden Teils der

bei Kolben-Arbeitsmaschinen sind bekannt. Bei- Buchse.

spielsweise trägt der Kolben von Kühlmittelverdich- An Hand von Ausführungsbeispielen wird die Er-

tern Kolbenringe, die Leckverluste jedoch nicht völlig io findung erläutert; es stellt dar

ausschließen. F i g. 1 teils einen Längsschnitt, teils eine Seiten-

Bei Stoßdämpfern werden als Kolbenringe Poly- ansieht eines Kolbens mit einer Dichtungsbuchse,

amid-(Nylon)-Ringe verwendet, die sowohl Füh- Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt, der die

rungs- wie auch Dichtzwecken dienen. Abgesehen Einzelheiten der Anordnung der Dichtungsbuchse

von dem ungünstigen hygroskopischen Verhalten 15 auf dem Kolben darstellt,

dieses Werkstoffes, erweicht dieser Thermoplast bei F i g. 3 teils einen Längsschnitt, teils eine Seiten-

200 bis 215° C, mit der Folge, daß der Kolbenring ansieht mit weggebrochenen Teilen einer für einen

unbrauchbar wird. Stoßdämpfer bestimmten Ausführungsform,

Es ist bekannt, Kolben von Druckluftmotoren mit F i g. 4 einen topfförmigen Dichtungsrohling,

einem Überzug aus Polyamiden oder anderen Kunst- ao F i g. 5 schematisch die Aufeinanderfolge von

Stoffen mit einer Überzugsstärke kleiner als lmm Arbeitsgängen bei der Befestigung der Dichtungs-

zu überziehen. Auch werden hydraulisch oder pneu- buchse auf dem,Kolben,

matisch betätigte Kolben mit einer dünnwandigen F i g. 6 eine chirch Abkühlung geschrumpfte, auf aus Polytetrafluorethylen bestehenden Dichtungs- dem Kolben aufgebrachte Dichtungsbuchse,
und Führungsbuchse versehen. Polytetrafluorethylen as Fig.7 teils im Schnitt und teils in Seitenansicht dehnt sich bei steigender Temperatur zehnmal schnei- mit weggebrochenen Teilen eine für einen Kühller aus als Stahl mit der Folge, daß der Dichtungs- mittelkompressor bestimmte Ausführungsform^
werkstoff aus dem Spalt zwischen Kolben und Zylin- ' F i g. 8 einen vergrößerten Teilausschnitt der Ausder herausgedrückt wird und sich somit axial gegen- ^Λ führungsform nach Fig. 7 und -'■'< ■
über dem Kolben verschiebt. Dieser Nachteil der 30 Fig. 9 teils im Schnitt und teils in Seitenansicht geringen thermischen Formstabilität des Polytetra- mit weggebrochenen Teilen eine weitere Ausfühfluoräthylens kann auch nicht dadurch in befriedigen- rungsform des Kolbens mit Dichtungsbuchse,
der Weise vermeiden wenden, daß man diesen Kunst- .,. Gemäß Fig. 1 weist ein Zylinder 12 eine" Bohstoff mit einer dünnen Schichtstärke an der Dicht- rungsfläche 14 auf, in der ein mit einer Kolbenstange fläche aufträgt, da diese sowohl fertigungsmäßig als 35 16 verbundener Kolben 15 aufgenommen ist. Zwiauch wegen eines gewissen unvermeidbaren Abriebes sehen der Zylinderbohrung 14 und der Kolbenaußendes Dichtungswerkstoffes eine gewisse Mindeststärke fläche ist ein verhältnismäßig kleiner, ringförmiger aufweisen muß. Zwischenraum 18 ausgespart.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Die Außenfläche des Kolbens weist mehrere, ring-

Ausnutzung des geringen Reibungskoeffizienten und 40 förmige, axial nebeneinander angeordnete, durch-

der selbstschmierenden,. Wirkung von Polytetra- . gehende Vorsprünge 20 auf, zwischen denen ebenfalls

fluoräthylen ein einfach" herzustellendes Dichtungs- ringförmige Nuten 25 liegen. In dem Zwischenraum

element zu schaffen, das auch bei hohen Arbeits- 18 zwischen den einander gegenüberliegenden zylin-

drücken und den dabei auftretenden Temperaturen drischen Oberflächen der Bohrung und des Kolbens

einwandfrei abdichtet und nicht aus dem Spalt zwi- 45 ist eine dünne Dichtungsbuchse 30 aus Fluorkohlen-

schen Kolben und Zylinder herausgedrückt wird. stoff, beispielsweise Polytetrafluorethylen, vor-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- gesehen, die an den ringförmigen Vorsprüngen 20

löst, daß die Oberfläche des Kolbens in an sich und Nuten 25 befestigt ist. Die Dichtungsbuchse 30

bekannter Weise mit miten versehen ist, die so groß weist eine glatte Außenoberfläche 31 sowie der

sind, daß der Werkstoff des Dichtungselementes nach 50 Außenoberfläche des Kolbens angepaßte Nuten 32

dessen Aufbringen auf den Kolben die Rillenquer- und Vorsprünge 33 auf.

schnitte nur zum Teil ausfüllt, so daß zwischen dem Wie insbesondere F i g. 2 zeigt, liegen die VorWerkstoff und dem Grund der Rillen ein Hohlraum Sprünge 33 der Dichtungsbuchse 30 in den Nuten 25 bleibt. ...... ,, . des Kolbens 15 und. die Vorsprünge 20 des Kolbens

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Dich- 55 15 erstrecken sich in die Nuten 32 der Dichtungs-

tungsbuchse für einen Kolben werden somit zwi- buchse 30. Die Vorsprünge 33 erstrecken sich so in

sehen dem Dichtungsträger und der darauf auf- die Nuten 25, daß Hohlräume 35 gebildet werden,

gebrachten Polytetrafluoräthylenschicht Hohlräume Die Nuten und Vorsprünge der Dichtungsbuchse und

geschaffen, die sich zumindest teilweise auf Grund des Kolbens weisen im Querschnitt ein V-förmiges

der thermischen Ausdehnung des Dichtungsmaterials 60 Profil auf. Die Dicke derjenigen Teile der Dichtungs-

während des Betriebes auffüllen, so daß das Dich- buchse 30, welche den Vorsprüngen 20 des Kolbens

tungsmaterial nicht mehr unter Minderung der Dich- gegenüberliegen, ist größer als 20 % der Dicke der

tungseigenschaft plastisch verformt wird, sondern des- verbleibenden vorspringenden Teile 33 der Dich-

sen Formstabilität auch unter dem Einfluß betriebs- tungsbuchse. In der Regel ragen die Vorsprünge 20

üblicher Temperaturschwankungen gewährleistet ist. 65 in die Dichtungsbuchse 30 etwa zwischen 50 und

Die Dichtungsbuchse nach der Erfindung wird 80% ihrer Querschnittsdicke. Dehnt sich die Dich-

vorzugsweise mit einer Dicke von 0,254 bis 1,270 mm tungsbuchse 30 auf Grund steigender Temperaturen

ausgebildet. aus, so kann die Ausdehnung in die Hohlräume 35

ORIGINAL INSPECTED

erfolgen, wodurch ein axiales Herausdrücken der Dichtungsbuchse 30 aus dem Spalt zwischen der Zylinderbohrung 14 und dem Kolben 15 vermieden ist.

In F i g. 3 ist ein Zylinder 36 mit einer Bohrung 37 dargestellt, der die Kolbeneinheit 40 für einen gewähnlichen Stoßdämpfer aufnimmt. Zur Kolbeneinheit 40 gehört ein Kolben 41 mit einer Kolbenstange 42, die in üblicher Weise an dem Kolben mittels eines Bolzens 43 befestigt ist. Das Innere des Kolbens ist mit einer Vielzahl kleiner öffnungen 44 und 46 für den gesteuerten Durchgang eines Druckmittels während des Arbeitens des Stoßdämpfers versehen.

Die Außenfläche 47 des Kolbens 41 ist mit einer Vielzahl von ringförmigen Nuten und Vorsprüngen 48 versehen. Zwischen der äußeren, mit Nuten und Vorsprüngen versehenen Oberfläche des Kolbens und der Bohrung 37 ergibt sich ein Zwischenraum zur Aufnahme der Dichtungsbuchse 50, deren Außen- ao fläche wiederum glatt ist, während ihre Innenfläche eine dem Kolben entsprechende Rillung aufweist. Im Versuch wurde ein Stoßdämpfer mit einem Dichtungselement nach F i g. 3 einer Million Hüben unterworfen, um die Maßveränderungen durch Verschleiß, Flüssigkeitsabsorption oder Zerstörung infolge der Temperaturerhöhung zu bestimmen. Die Abmessungen in zwei Ebenen des Kolbens und der Dichtungselemente betrugen vor dem Versuch 25,387 und 25,405 mm. Nach dem Versuch betrugen die Maße in beiden gleichen Ebenen 25,394 und 25,402 mm, woraus sich ergibt, daß zwar ein gewisses Fließen des Werkstoffes, aber keine nennenswerte Maßveränderung eingetreten war. Während das Fließen des Polytetrafluoräthylen im allgemeinen als Nachteil angesehen wird, zeigt sich in diesem Fall, daß das Dichtungselement sich in vorteilhafter Weise der Bohrung anpaßt.

F i g. 4 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung der Dichtungsbuchse 30 bzw. 50. Zuerst wird ein topfförmiger Dichtungsrohling 55 mit Boden 56 und zylindrischem Wandteil 57 hergestellt. Dieser Dichtungsrohling 55 wird sodann auf den Kolben 59 aufgebracht, und Rohling und Kolben werden gemeinsam in einen beheizten Raum 60 eingeführt, der einen Eintrittsabschnitt 61 aufweist, um während der Verformung den axialen Zug auf den Dichtungsrohling zu mindern. Dabei liegt die Temperatur in dem beheizten Raum 60 etwas höher als die Temperatur der Vorrichtung, in welcher der Kolben mit der Dichtungsbuchse läuft. Nach der Formgebung (gestrichelte Linien 62) läßt man die Temperatur etwas in dem beheizten Raum 60 absinken. Daraufhin wird der Kolben mit sich darauf befindender Abdichtung in das in Fi g. 6 dargestellte Kühlrohr 63 eingebracht. Nach Abkühlung wird die Einheit 64 aus dem Kühlrohr herausgenommen, und der Boden 56 des topfförmigen Dichtungsrohlings kann abgetrennt werden, wenn nur ein ringförmiges Dichtelement erzeugt werden soll, an Stelle eines Kolbens, dessen Boden mit Polytetrafluoräthylen überzogen ist.

Nach der Aufbringung des Rohlings 55 auf den Kolben 59 kann die Einheit 64 in eine Bohrung eingesetzt werden, ohne daß eine weitere Anpassung der Einheit zur Bohrung erfolgen muß.

In F i g. 7 ist eine Ausführungsform der Erfindung für Kühlmittelkompressoren dargestellt. Ein Kolben 65 weist eine U-förmige O-Ringnut 68 auf, die einen elastischen Ring 70 als Dichtungselement aufnimmt. Auf der mit Vorsprüngen versehenen Außenfläche des Kolbens ist in dichtender Anlage ein Polytetrafluoräthylenelement 75 angebracht, das topfförmig ausgebildet ist und einen den Kolbenboden bedekkenden Teil 76 aufweist.

Zusätzlich zu den gegenüber den Vorsprüngen 77 gebildeten Dichtbereichen ist gemäß F i g. 8 noch eine dem elastischen Teil 70 gegenüberliegende, ringförmige Dichtungsfläche vorgesehen.

Der Zusammenbau der Dichtungsbuchse und des Kolbens nach den F i g. 7 und 8 erfolgt im wesentlichen nach den bereits beschriebenen Schritten mit der Ausnahme, daß das elastische Teil 70 in die Ringnut eingelegt wird, bevor der Formgebungsvorgang erfolgt, und daß der Bodenteil 76 am Ende des Herstellungsvorganges nicht abgeschnitten oder in anderer Weise entfernt wird.

Der in F i g. 9 dargestellte Kolben 85 weist einen vertieften Boden 86 auf, der eine axial gerichtete Schulter 87 bildet. Die Außenfläche des Kolbens ist wiederum, wie in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschrieben, mit Vorsprüngen und Nuten versehen und an ihm ist ein Dichtungselement 90 befestigt, das eine radial nach innen verlaufende Schürze 92 aufweist, die wie dargestellt, an der Stirnseite der Schulter 87 anliegt.

Wird die Dichtung nach der Erfindung an der Bohrung befestigt, so kann dies ebenfalls nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren mit der Ausnahme geschehen, daß in die Bohrung eine erhitzte Stange eingesetzt wird, um das Dichtungselement radial nach außen zu pressen, wonach die zweite Stange eingeführt wird, welche das Element während seiner Abkühlung eingeschlossen hält.

Claims

Patentansprüche:

1. Kolben, insbesondere für Flüssigkeits- und Luftkompressen und hydraulische und pneumatische Anlagen, mit einer dünnwandigen, aus einem Fluorkohlenwasserstoff bestehenden Dichtungs- und Führungsbuchse, die gegen axiale Bewegung relativ zum Kolben gesichert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kolbens in an sich bekannter Weise mit Rillen (25) versehen ist, die so groß sind, daß der Werkstoff des Dichtungselementes (30) nach dessen Aufbringen auf den Kolben (15) die Rillenquerschnitte nur zum Teil ausfüllt, so daß zwischen dem Werkstoff und dem Grund der Rillen ein Hohlraum verbleibt.

2. Kolben mit Buchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Dichtungsbuchse 0,254 bis 1,270 mm beträgt.

3. Kolben mit Buchse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (25) an wenigstens einem Abschnitt der Kolbenoberfläche vorgesehen sind.

4. Kolben mit Buchse nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (25) V-förmig sind und deren Tiefe größer als 20 % der Dicke des verbleibenden Teiles der Buchse ist.

5. Kolben mit Buchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse topfförmig ausgebildet ist und den Kolbenboden sowie einen Teil der benachbarten Kolbenmantel-Außenfläche bedeckt.

6. Kolben mit Buchse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben an seiner Mantelaußenfläche in der Nähe des Kolbenbodens in an sich bekannter Weise eine Ringnut aufweist, in der ein elastischer Dichtungsring vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen