DE19859891A1 - Hydropneumatischer Druckübersetzer - Google Patents

Abstract

Es wird ein hydropneumatischer Druckübersetzer vorgeschlagen mit einer Radialdichtung (24, 27) zwischen Arbeitskolben (2) und der ihn aufnehmenden Zylinderbohrung bzw. in einer Tauchbohrung (15) zwischen dem Arbeitsraum (3) und einem Speicherraum (14), wobei für beide Radialdichtungen an sich bekannte Dichtungen verwendet werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem hydropneumatischen Druckübersetzer nach der Gattung des Hauptanspruchs. Derartige hydropneumatische Druckübersetzer werden vor allem für Werkzeugmaschinen eingesetzt und arbeiten unter wechselnden Drücken, nämlich Hochdruck und Niederdruck im Arbeitsraum, sowie pneumatischen und hydraulischen Arbeitsmitteln mit zum Teil schlagartiger Druckerhöhung und zum Teil vom Überdruck zum Unterdruck wechselnd. Hierbei sind besonders die Dichtringe der Dichtungen zwischen Arbeitskolben und der zylindrischen Wand des Arbeitsraums betroffen und/oder der Dichtring in der Verbindungsbohrung zwischen Arbeitsraum und Speicherraum, wobei bei letzterer der Tauchkolben immer wieder in den Dichtring allerdings bei niederem Druck hereingeschoben und herausgezogen wird. Für diesen Tauchvorgang ist eine entsprechende Gestaltung des Dichtringes erforderlich, damit bei diesem Eintauchen des Tauchkolbens die Stirnseite des Tauchkolbens sich nicht mit der dieser zugewandten Seite des Dichtrings verhakt, wobei die durch den gummielastischen Spannring bewirkten Radialkräfte, die einen entsprechenden Einfluß auf den lichten Durchgang des Dichtrings haben, mitberücksichtigt werden müssen. Der Dichtring muß eine entsprechend große Radialsteifigkeit aufweisen und eine ruhestatische und dynamische Dichtheit gewährleisten. Natürlich muß der Dichtring eine hohe Abriebfestigkeit und Extursionssicherheit verbunden mit hohen Standzeiten aufweisen und er sollte eine problemlose Montage gewährleisten ohne Dichtkantenverformung. Insbesondere muß der Dichtring äußerst hohen Belastungen wie hohem Druck und Druckstößen standhalten.

Bei einem bekannten hydropneumatischen Druckübersetzer der gattungsgemäßen Art (EP 0 579 073 B1 und DE-PS 32 25 906 C2) sind für den Fachmann insbesondere des Herstellers des patentierten Dichtringes die optimalen Voraussetzungen gegeben. Hierbei wird auch davon ausgegangen, daß der Dichtring einseitig unmittelbar vom Hochdruck beaufschlagbar ist. Aufgrund der am Dichtring auf der dem Kolben zugewandten Umfangsfläche zum Arbeitsraum hin vorgesehenen Stufe wird dieser Dichtring axial beaufschlagt und an die dem Arbeitsraum abgewandte Stirnwand der dem Dichtring aufnehmenden Ringnut gepreßt, ohne daß deshalb eine tatsächliche Verformung des Dichtringes stattfindet, wodurch die vorgesehene Auflage der Dichtfläche auf der Kolbenfläche zur Abdichtung gewährleistet ist. Die Anwendung von anderen vom Dichtringhersteller hergestellten Dichtringen aus weicherem verwindbarem Material, werden vom Fachmann abgelehnt, da sie entweder für das Eintauchen eine zu geringe Radialsteifigkeit aufweisen oder den hohen Drücken und dynamischer Beanspruchung nicht gewachsen sein.

In der Praxis hat sich zudem gezeigt, daß dieser im Einsatz für hydropneumatische Druckübersetzer befindliche oben genannte Dichtring aus einem Material besteht, welches unter der Marke Turcon T46 vertrieben wird, welches metallische Einschlüsse aufweist, die wiederum zu einer erhöhten Reibung zwischen Dichtring und Kolben führen und dort wie Schleifstaub wirken. Diese metallischen Einschlüsse können aber auch durch die Härte des Dichtungsmaterials durch Reibung vom Kolben entstanden sein mit endgültig der gleichen Wirkung eines Schleifstaubes. Da ist einerseits aufgrund der Konstitution des Dichtringes eine hohe Dichtigkeit und Langlebigkeit bzw. Standzeit gewährleistet, andererseits aber eine nachteilige Abnutzung des Kolbens im Dichtbereich gegeben.

Die Erfindung und ihre Vorteile

Der erfindungsgemäße hydropneumatische Druckübersetzer mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß entgegen den Erwartungen des Fachmanns und der erwarteten Funktion eines sich relativ leichten Verbindens des Dichtringes aufgrund des Druckes und der Reibwirkung zum Kolben, hin nicht nur eine hohe Dichtigkeit und Langlebigkeit, d. h. Standfestigkeit gegeben ist, sondern keinerlei Abnutzung im Reibbereich zwischen Dichtring und Kolbenfläche vorhanden ist. Außerdem ist entgegen den fachmännischen Erwartungen das Eintauchen des Tauchkolbens in den Dichtring völlig problemlos, obwohl er aufgrund der größeren Weichheit über den Spannring entsprechend in Richtung Dichtfläche verformbar ist. Ein solcher relativ weicher Dichtring mit einer entsprechenden Querschnittsgestaltung ist an sich bekannt (EP 0 670 444), wobei die diesem Dichtring typische Verformung dem Fachmann ebenfalls bekannt ist (EP 0 582 593). Das verwendete Material wird vom Hersteller unter der Marke Zurcon vertrieben, der Dichtring selbst unter der Marke Rimseal. Der Hersteller empfiehlt besonders bei höheren Drücken diese Dichtung nur als Sekundärdichtung zu verwenden. Sie wurde ausdrücklich nur als eine solche entwickelt. Nur so könne ein sicheres Abdichten von dünnen Ölfilmen besonders bei niederen Sekundärdrücken gewährleistet werden. Als Werkstoff dient ein Polyurethan mit Shore D 58. Der Fachmann verwendet einen solchen Dichtring besonders wenn eine leichte Kippbewegung des Kolbens gegenüber seinem Zylinder vorhanden wäre. Ein Eintauchen eines Tauchkolbens in ein derart weiches Material ist für den Fachmann nicht vertretbar. . Als Primärdichtung wird oben genannter, bei den bekannten hydropneumatischen Übersetzern verwendeter, verhältnismäßig harte Dichtring empfohlen. Aufgrund des relativ weichen Materials, welches zudem absolut frei von metallischen Einschlüssen ist, besteht auch keine Reibabnutzung an der Kolbenoberfläche, welche dann zu oben genannter Schleifstaubwirkung führen könnte.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verlaufen die einander zugewandten Stirnwänden der Ringnut od. dgl. weitgehend parallel zueinander. Hierdurch wird vor allem erreicht, daß einseitige, aufgrund eines kegeligen Verlaufs der Stirnwand entstehende, in Richtung Kolben wirkende Kräfte an dem Dichtring angreifen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Kunststoff des Dichtringes keine metallischen Einschlüsse auf. Hierdurch wird vor allem vermieden, daß eine mechanische Abnutzung der Kolbenfläche entsteht.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Dichtring aus einem Kunststoff, wie er von der Firma Busag und Shamban mit der Bezeichnung Zurcon unter der Marke Rimseal hergestellt wird, nämlich mit einem Spezialpolyuretan 58 Shore B.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Arbeitskolben für seinen Eilhubantrieb einen pneumatisch beaufschlagten Bund auf. Hierdurch ist die Rückseite der Dichtung abwechselnd mit einem pneumatischen Arbeitsdruck bzw. Niederstdruck beaufschlagt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Dichtring auf der Arbeitsraumseite unmittelbar vom Druck des Arbeitsraums ohne Zwischenschaltung von sonstigen Dichtelementen beaufschlagt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen hydropneumatischen Druckübersetzer im Längsschnitt;

Fig. 2 und 3 jeweils einen Ausschnitt im Bereich einer Radialdichtung aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei dem in Fig. 1 dargestellten hydropneumatischen Druckübersetzer ist in einem Gehäuse 1 ein Arbeitskolben 2 axial verschiebbar und radial dichtend angeordnet und begrenzt mit ihm einen hydraulikölgefüllten Arbeitsraum 3. An dem Arbeitskolben 2 ist eine nach außerhalb des Gehäuses 1 ragende Kolbenstange 4 angeordnet. Außerdem weist der Arbeitskolben 2 als Bund einen Hilfskolben 5 auf, der zu einem Mantelrohr 6 hin radial abgedichtet ist und dadurch zwei Pneumatikräume 7 und 8 voneinander trennt, die für den Eilgang des Arbeitskolbens 2 abwechselnd mit Luftdruck versorgt werden. Sobald ein ausreichender Luftdruck im Pneumatikraum 7 herrscht, bei entsprechend niederem Druck im Pneumatikraum 8, wird der Arbeitskolben 2 nach unten geschoben und es wird umgekehrt, bei entsprechend hohem Druck im Pneumatikraum 8, und abgebautem Druck im Pneumatikraum 7, der Kolben 2 wieder in dargestellte Ausgangslage verschoben.

Der Arbeitsraum 3 ist auf der dem Kolben 2 abgewandten Seite durch ein Gehäuseteil 9 verschlossen, an welches sich ein Mantelrohr 11 anschließt, welches wiederum durch einen Gehäusedeckel 12 verschlossen ist. In dem Mantelrohr ist ein Speicherkolben 13 axial beweglich angeordnet, welcher mit Mantelrohr 11 und Gehäuseteil 9 einen Speicherraum 14 begrenzt. Dieser Speicherraum 14 ist über eine im Gehäuseteil 9 angeordnete Tauchbohrung 15 mit dem Arbeitsraum 3 hydraulisch verbunden. Im Mantelrohr 11 ist außerdem radial dichtend ein Antriebskolben 16 angeordnet zur Betätigung eines Tauchkolbens 17 und belastet durch eine Speicherfeder 18, welche sich auf der dem Antriebskolben 16 abgewandten Seite am Speicherkolben 13 abstützt und damit einerseits den im Speicherraum 14 vorhandenen Speicherdruck bestimmt und andererseits als Rückstellkraft für den Antriebskolben 16 dient. Der die Feder 18 aufnehmende Federraum 19 ist druckentlastet. Auf der dem Federraum 19 abgewandten Seite des Antriebskolbens 16 ist ein Antriebsraum 21 vorgesehen, welcher über einen Anschluß 22 mit dem Antrieb des Antriebskolbens 16 dienende Druckluft versorgbar ist.

Der Tauchkolben 17 ist in einer Zentralbohrung 23 des Speicherkolbens 13 axial verschiebbar geführt, wobei eine Radialdichtung 24 verhindert, daß Hydrauliköl aus dem Speicherraum 14 in den Federraum 19 gelangt. Mit der gleichen Aufgabe, nämlich zu vermeiden, daß Hydrauliköl in den Federraum 19 gelangt, dient eine radiale Dichtung 25, die in einer Ringnut 26 in der Mantelfläche des Speicherkolbens 13 angeordnet ist und zum Mantelrohr 11 hin abdichtet.

Bei seiner in Richtung des Pfeiles I und durch Druckluft im Antriebsraum 21 bewirkte Antriebsbewegung des Tauchkolbens 17 durchdringt dieser die Tauchbohrung 15 und trennt dabei den Speicherraum 14 vom Arbeitsraum 3. Um eine absolute Trennung zu erreichen ist in der Wand der Tauchbohrung 15 eine Radialdichtung 27 angeordnet, wie in Fig. 2 vergrößert dargestellt. Sobald der Tauchkolben 17 in den Arbeitsraum 3 taucht, wird dort die Hydraulikflüssigkeit verdrängt, wobei aufgrund des Querschnittsverhältnisses von Antriebskolben 16 zu Tauchkolben 17 eine entsprechende Druckübersetzung des im Antriebsraum 21 herrschenden Luftdrucks zu dem im Arbeitsraum 3 herrschenden Hydraulikdrucks entsteht. Aufgrund der verhältnismäßig großen Querschnittsfläche des Arbeitskolbens 2 entsteht entsprechend dem Hydraulikdruck im Arbeitsraum 3 eine entsprechend große Betätigungskraft für die Kolbenstange 4. Um den Druck im Arbeitsraum 3 halten zu können und außerdem um zu vermeiden, daß Hydraulikflüssigkeit vom Arbeitsraum 3 in den Pneumatikraum 7 gelangt, ist im Gehäuse 1 in einer Ringnut 28 eine Radialdichtung 29 angeordnet, wie sie in Fig. 3 in vergrößertem Maßstab dargestellt ist. Außerdem sind im Gehäuse 1 zum Arbeitskolben 2 hin dichtend zwei Rundschnurdichtungen 31 angeordnet.

Wie in Fig. 2 dargestellt, weist die Tauchbohrung 15 zum Arbeitsraum 3 hin eine Stufe 32 auf, in der ein Stützring 33 eingelegt und durch einen Sicherungsring 34 axial gesichert ist. Zwischen dem Stützring 33 und der Stirnwand 35 dieser Abstufung ist die Radialdichtung 27 angeordnet, bestehend aus einem Dichtring 36 und einem diesen Dichtring gegen den Tauchkolben 17 pressenden Spannring 37. Der Spannring 37 ist ein durch die Einbaulage oval sich verformender Rundschnurring. Der Dichtring 36 besteht aus verhältnismäßig weichem Spezial-Polyurethan mit 58 Shore D. Im Querschnitt verläuft die Umfangfläche 38 parallel zum Tauchkolben 17. Aufgrund des Preßdruckes des Spannrings 37 ergibt sich eine Dichtfläche 39 zur Mantelfläche des Tauchkolbens 17 hin. Zum Druckraum 3 hin ist eine Abstufung 41 im Dichtung 36 vorgesehen, wodurch bei Hochdruck im Arbeitsraum 3 der Dichtring 36 gegen die Stirnwand 35 gepreßt wird, wobei sich die dort vorhandene Elementflanke 42 an die Stirnwand 35 anlegt, obwohl sie in drucklosem Zustand oder auch bei niederen Drücken im Arbeitsraum 3 schräg zu der Stirnwand 35 verläuft. Diese Verformung bei hohen Drücken bewirkt eine verstärkte Pressung im Bereich der Dichtfläche 39. Zwischen Elementflanke 42 und Dichtfläche 39 weist der Dichtring eine Kegelfläche 43 mit geringem Keilwinkel auf, der vor allem dazu dient, daß bei dem niederen Speicherdruck und weitgehend unverformten Dichtring 36 der Tauchkolben 17 problemlos beim Durchdringen der Tauchbohrung 15 auch den Dichtring 36 durchdringen kann. Während dieses ersten Auftreffens des Tauchkolbens 17 auf die Kegelfläche 43 wird der Dichtring 36 in Richtung Stützring 33 verschoben, wobei jedoch kaum eine Verformung des Dichtringes 36 stattfindet, da zu Beginn des Eintauchens beiderseits des Dichtringes in etwa der gleiche Hydraulikdruck herrscht und danach der Druck im Arbeitsraum 3 schnell ansteigt, wodurch der Dichtring 36 in die dargestellte Lage bzw. dann in die Verformungslage gelangt. Beim Rückhub des Tauchkolbens 17 kann im Arbeitsraum ein geringerer Druck herrschen als im Speicherraum 14, so daß auch schon aufgrund der Mitnahmereibung zwischen Tauchkolben 17 und Dichtring 36 dieser in die gezeigte Lage verschoben wird. Auch hier findet keine besondere Verformung statt.

Grundsätzlich den gleichen Aufbau weist die in Fig. 3 dargestellte Radialdichtung 29 zwischen Arbeitskolben 2 und Gehäuse 1 auf, die in der Ringnut 28 angeordnet ist. Auch hier ist ein Spannring 44 vorhanden, der radial auf einen Dichtring 45 wirkt, der einen in etwa rhombusförmigen Querschnitt aufweist mit einer Abstufung 46 zum Arbeitsraum 3 hin, und der mit einer Dichtfläche 47 auf der Mantelfläche des Kolbens 2 aufliegt. Sobald ein entsprechender hoher Druck im Arbeitsraum 3 herrscht, wird die Elementenflanke 48 des Dichtrings 45 auf die Stirnwand 49 der Ringnut 28 gepreßt, wodurch sich auch der Anpreßdruck der Dichtfläche 47 erhöht und wobei die Mitnahmereibung zwischen Kolben 2 und Dichtring 45 diese beschriebene Funktion noch verstärkt. Der Dichtring 45 erfährt hierbei aufgrund seines relativ weichen Materials eine nicht unerhebliche Verformung, wobei insbesondere auch die an sich zum Kolben parallele Umfangsfläche 51 in eine leicht kegelige Lage verschoben wird. Sobald dann der Arbeitskolben 2 seinen Rückhubantritt und im Arbeitsraum 3 eher ein Unterdruck herrscht, wird auch aufgrund der Mitnahmereibung der Dichtring 45 zurückverformt und in Richtung Arbeitsraum 3 bis an die andere Stirnwand der Ringnut 28 verschoben. Es findet zwar eine Rückverformung des Dichtrings 45 statt aber keine neuerliche Verformung, da der Unterdruck zu gering ist.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszahlenliste

1

Gehäuse

2

Arbeitskolben

3

Arbeitsraum

4

Kolbenstange

5

Hilfskolben

6

Mantelrohr

7

Pneumatikraum

8

Pneumatikraum

9

Gehäuseteil

10

11

Mantelrohr

12

Gehäusedeckel

13

Speicherkolben

14

Speicherraum

15

Tauchbohrung

16

Antriebskolben

17

Tauchkolben

18

Speicherfeder

19

Federraum

20

21

Antriebsraum

22

Anschluß

23

Zentralbohrung

24

Radialdichtung

25

Radialdichtung

26

Ringnut

27

Radialdichtung

28

Ringnut

29

Radialdichtung

30

31

Rundschnurdichtung

32

Stufe

33

Stützring

34

Sicherungsring

35

Stirnwand

36

Dichtring

37

Spannring

38

Umfangfläche

39

Dichtfläche

40

41

Abstufung

42

Elementflanke

43

Kegelfläche

44

Spannring

45

Dichtring

46

Abstufung

47

Dichtfläche

48

Elementflanke

49

Stirnwand

50

51

Umfangsfläche
I Antriebsrichtung

Claims (7)

1. Hydropneumatischer Druckübersetzer

• - mit einem in einem Aggregatsgehäuse (1) angeordneten, zylindrischen Arbeitsraum (3) für wechselnde Drücke, nämlich einem niederen Speicherdruck und einem hohen Arbeitsdruck,
• - mit einem den Arbeitsraum (3) stirnseitig begrenzenden und durch den Arbeitsdruck für seinen Arbeitshub betätigbaren und gegenüber der zylindrischen Wand des Arbeitsraums (3) radial dichtend sowie axial verschiebbar geführten Arbeitskolben (2),
• - mit einem mit dem Arbeitsraum (3) hydraulisch verbindbaren, in einem Mantelrohr (11) angeordneten Speicherraum (14), aus dem während eines Eilgangs des Arbeitshubs Hydrauliköl unter Speicherdruck in den Arbeitsraum (3) strömt und beim Rückhub wieder zurückströmt,
• - mit einem als Hochdruckerzeuger pneumatisch oder hydraulisch betätigbaren und nach dem Eilgang des Arbeitskolbens (2) in den Arbeitsraum (3) tauchenden Tauchkolben (17),
• - mit einer mit dem Tauchkolben (17) fluchtenden Tauchbohrung (15) zwischen Speicherraum (14) und Arbeitsraum (3), in welche der Tauchkolben (17) zur Einleitung des Arbeitshubs eintaucht und radial dichtend sowie axial verschiebbar geführt ist und
• - mit in Ringnuten (28, 35 od. dgl. Bohrungsabstufungen 32, der Tauchbohrung 15, mit zugeordneter Axialbegrenzung 33, 34) der Tauchbohrung- (15) und/oder der zylindrischen Wand des Arbeitsraums (3) angeordneten, zum Tauchkolben (17) und/oder Arbeitskolben (2) hin wirkenden dynamischen Radialdichtungen (27, 29), bestehend aus einem ruhenden gummielastischen Spannring (37, 34) und einem zwischen Spannring (37, 44) und Kolben (17, 2) angeordneten elastischen Dichtring (36, 45) aus Kunststoff, dessen dem Kolben (2) zugewandte Umfangsfläche zum Arbeitsraum (3) hin eine Stufe (41, 46) aufweist, während zur Niederdruckseite hin die Umfangsfläche des Dichtrings (36, 45) einen unter einem kleinen Keilwinkel sich öffnende Kegelfläche (43) aufweist, wobei sich zwischen Stufe (41) und Kegelfläche (43) die Dichtfläche (39, 47) des Dichtrings (36, 45) befindet, dadurch gekennzeichnet,
• - daß der Dichtring (36, 45) aus zähelastischem und derart verbindbarem Kunststoff besteht, so daß er unabhängig von der relativen Bewegungsrichtung von Bohrung (3, 15) und Kolben (2, 17), während des Arbeitshubs durch den gegebenen Arbeitsdruck mit seiner entsprechenden Elementflanke (42, 48) und bei Verdrängung eines durch die Beabstandung gegebenen keilförmigen Zwischenraums auf die dem Arbeitsraum (3) abgewandte Stirnwand (35, 49) der Ringnut (28, 32, 33) gedrückt wird, wobei die Dichtfläche (39, 47) des Dichtrings (36, 45) entsprechend breiter auf die Kolbenwand gepreßt wird, und so daß während des Saughubs bzw. Eilgangs zumindest des Arbeitskolbens (2) und entsprechend Niederdruck- oder Unterdruckbeaufschlagung vom Arbeitsraum (3) her der Dichtring (36, 45) mit seiner anderen Elementflanke an die dem Arbeitsraum (3) zugewandte Stirnfläche der Ringnut (28, 32, 33) geschoben wird.

2. Druckübersetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Stirnwände (33, 35, 49) der Ringnut (28, 32, 33) weitgehend parallel zueinander verlaufen.

3. Druckübersetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff des Dichtringes (36, 45) keine metallischen Einschlüsse aufweist.

4. Druckübersetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (36, 45) aus einem Kunststoff besteht, aus Spezial-Polyurethan 58 Shore D wie ihn die Firma Busag und Shamban unter der Marke Zurcon Rimseal vertreibt.

5. Druckübersetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitskolben (2) für seinen Eilhubantrieb einen pneumatisch beaufschlagten Bund (5) aufweist.

6. Druckübersetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (36, 45) unmittelbar vom Druck des Arbeitsraums (3) ohne Zwischenschaltung von sonstigen Dichtelementen beaufschlagt ist.

7. Druckübersetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gleiche Dichtring (36, 45) sowohl in der Tauchbohrung (15) als in der zylindrischen Wand des Arbeitsraums (3) zum Arbeitskolben (2) hin angeordnet ist.