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Dichtung für hydraulische Kolben oder Kolbenstangen Die Erfindung
betrifft eine Dichtung für hydraulische Kolben oder Kolbenstangen mit einem Dichtring
aus Kunststoff im wesentlichen auf der Polytetrafluoräthylenbasis als Berührungsdichtung
zwischen ruhendem und bewegtem Maschinenteil und einem den Dichtring radial sannenden
und abdichtenden, gummielastischen Spannring.
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Bei solchen Kolbenstangen- bzw. Kolbendichtunger
ist
es erforderlich, daß eine geringe Leckage bei hin-und hergehender Bewegung aufrechterhalten
bleibt. Zur reibung-sarmen Abdichtung hin- und herb ewegt er Kolben und Kolbenstangen
werden unter anderem zweiteilige Dichtungen verwendet, bestehend aus einem Kunststoffring
mijÄm wesentlichen rechteckigem Querschnitt zur Abdichtung des relativ bewegten
Spaltes zwischen den zueinander beweglichen Maschinenteilen und einem gummielastischen
Ring zur sekundären Abdichtung und Vorspannung des Kunststoffringes.
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Zum Zwecke der klaren Unterscheidung wird im folgenden der die bewegte
Abdichtung bewirkende Kunststoffring als Dichtring, der radial infolge druckbedingter
Querpressung und übermaßbedingter Vorspannung den Kunststoffring anpressende, gummielastische
Ring als Spannring bezeichnet.
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Dichtring und Spannring werden im allgemeinen gemeinsam in einer
Nut oder Ausnehmung des Gehäuses (als Stangenabdichtung) bzw. des Kolbens tals Kolbenabdichtung)-angeordnet.
Der Spannring besteht im allgemeinen aus einem gummielastischen Ring mit kreisförmigem
(O-Ring) oder rechteckförmigem Querschnitt, und seine radiale Symmetrieachse ist
in Verlängerung der radialen Symmetrieachse des recht eckförmigen Dichtrings angeordnet.
Infolge radialer Vorspannung des Spannrings zwischen Nutgrund und der dem bewegten
Dichtspalt gegenüberliegenden äußeren (bei der Stangendichtung) bzw. inneren (bei
der Kolbendichtung) Mantelfläche des
Dichtrings wird der sekundäre
Leckweg zwischen Dichtring und Nutgrund und Dichtring verschlossen.
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Die praktische Erfahrung hat gezeigt, daß die Reibungswerte solcher
Dichtungskombinationen vor allem beim Anfahren und bei kleinen Hubgeschwindigkeiten
wesentlich geringer sind als bei herkömmlichen Dichtungen mit gummielastischen Berührflächen
am bewegten Maschinenteil.
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Die praktische Erfahrung zeigte aber auch, daß die Kombination aus
Dichtring mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt und Spannring etwa dasselbe
ieckverhalten wie die herkömmlichen gummielastischen Beruhrungsdichtungen aufweist.
Auch hier bildet sich bei hin- und hergehender Bewegung infolge der Zähigkeit des
abzudichtenden Fluids im bewegten Dichtspalt eine Schleppströmung, die zu einer
Schmierfilmbildung mit zeitweiliger Trennung der abdichtenden Berührflächen führt.
Infolge der asymmetrischen Pressungsverteilung in der Berührfläche wird beim Vor-
und Rückhub im allgemeinen ein unterschiedlich dicker Schmierfilm geT bildet, was
zur Ansammlung von abzudichtendem Fluid am niederdruckseitigen Ende des Dichtspalts
und damit zur Leckage führt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch eine geeignete Formgebung
für den Dichtring die Leckage bei
Hin- und Herbewegung der Kolbenstange
bzwo des Kolbens zu verringern, ohne die Reibungswerte zu erhöhen.
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Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß der Dichtring
zusammen mit dem bewegten Maschinenteil einen zur Niederdruckseite hin sich unter
einem kleinen Winkel öffnenden Spalt bildet, wobei das hochdruckseitige Ende der
den Spalt bildenden Umfangsfläche des Dichtrings in eine schmale Berührungsfläche
mit dem bewegtem Maschinenteil übergeht und daß daran sich hochdruckseitig ebenfalls
eine Erweiterung anschließt.
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Durch'diese Kombination wird sichergestellt, daß eine axial möglichst
kurze Berührungsfläche entsteht und am hochdruckseitigen Anfang der Berührungsfläche
ein möglichst steiler Anstieg der Flächenpressung zwischen Dichtring und abzudichtender
Stange erreichbar ist, während am niederdruckseitigen Ende der Berührungsfläche
ein möglichst flacher Abfall der Flächenpressung eintritt, durch den hinter dem
Ende der Berührungsfleche sich~zur niederdruckseitigen Stirnfläche des Dichtringes
hin mit möglichst kleinem Winkel erweiternden Keilspaltes. Weiterhin wird die Berührungsfläche
teilweise vom radialen Anp>reßdruck des Fluids und des Spannringes entlastet.
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Wird beispielsweise bei einer Stangendichtung die
Innenfläche
(bei einer Kolbendichtung die Außenfläche) des Dichtrings konisch ausgebildet und
gleichzeitig die radiale Dicke des Dichtrings so ausgeführt, daß in Verbindung mit
dem Elastizitätsmodul des Dichtring-Werkstoffs ein gegenüber der radialen Belastung
durch den Spannring ausreichender Umstülpwiderstand des Dichtrings vorhanden ist,
so entsteht beim Einbau des Dichtrings sowohl die erwünschte schmale Berührzone,
als auch die beschriebene günstige Pressungsverteilung in Verbindung mit dem sich
niederdruckseitig annähernd keilförmig öffnenden Spalt. Da bei steigendem Abdichtdruck
eine weitere elastische Umstülpbewegung des Dichtrings den Winkel des Keilspalts
verkleinert, wird gerade bei höheren Drücken der hydrodynamische Rücktransport von
an der Gleitfläche haftendem Fluid begünstigt.
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Der erwünschte steile Anstieg der Flächenpressung am hochdruckseitigen
Anfang der Berührfläche wird durch möglichst scharfkantiges Absetzen an dieser Stelle
erzeugt.
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Die Stelle, an der dieser Absatz angebracht wird, kann auch von der
hochdruckseitigen Stirnfläche des Dichtrings abgerückt und weiter in den Dicht spalt
hineingerückt werden.
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Dabei entsteht auf der Hochdruckseite vor der Berührfläche eine Zone
mit einem größeren Spalt, in den der abzudichtende Druck eindringt und dadurch eine
Entlastung der Berührfläche tom radialen Anpreßdruck bewirkt, der von der Eigenspannung
des Dichtrings, von der übefüiaßbedingten Vorpressung des
Spannrings
und von dem vom Spannring in radialer Richtung übertragenen Dichtdruck erzeugt wird.
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Der Dichtring wird relativ zu seiner Gegendichtfläche so bemessen,
daß die Kolbenstange (die Zylinderbohrung) gegenüber dem Durchmesser am hochdruckseitigen
Ende der sich zur Niederdruckseite hin erstreckenden konischen Innenfläche (Außenfläche)
des Dichtrings ein solches Übermaß (Untermaß) aufweist, daß beim Einbau eine im
Verhältnis zur axialen Breite des Dichtrings sehr schmale Berührfläche entsteht.
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In Versuchen, bei denen ein O-Ring als Spannring verwendet wurde,
ergab sich als ein besonders günstiges Verhältnis von Länge zwischen hochdruckseitiger
Stirnfläche des Dichtrings und Anfang der Beruhrfläche zur Gesamtlänge des Dichtrings
der Wert 2:5. Der günstige Öffnungswinkel des niederdruckseitigen Keilspalts lag
zwischen 50 und 100, wenn ein übliches Hydrauliköl abgedichtet wurde. Für andere
Fluide ergebeisich andere Optimalwerte der genannten Parameter.
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Eine weitere günstige Bauform eines Dichtrings ergibt sich, wenn
die Berührfläche hochdruckseitig anstatt von einem scharfkantigen Absatz durch einen
sich zur Hochdruckseite hin öffnenden, konischen Spalt begrenzt wird, der im Mittel
einen wesentlich größeren Öffnungswinkel aufweist als der
keilspalt
auf der Niederdruckseite. Die Msntellinie der den hochdruckseitigen Spalt bildenden
Rotationsfläche des Dichtrings kann dabei geradlinig bzw. konkav oder konvex gekrümmt
sein. Da durch diese Formgebung der hochdruckseitige Pressungsgradient in der Berührfläche
beeinflußt werden kann, stellt diese Formgebung ein Mittel dar, mit dem ein bestimmter
Dichtring bezüglich der erwünschten Schmierfilmdicke optimiert werden kann. Auch
bei dieser Bauform entsteht durch den in den hochdruckseitigen Keilspalt eindringenden
Druck eine teilweise Entlastung der Berührfläche von der radialen Anpreßkraft.
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Bei allen Bauformen ergeben sich dann sehr günstige Verhältnisse,
also kleine Leckage und geringe Reibungskräfte, wenn die eigentliche Berührzone
zwischen Dichtring und bewegtem Maschinenteil im Verhältnis zur axialen Breite des
Dichtrings wehr klein ausgeführt wird. Im drucklosen Zustand liegt dieses Verhältnis
in günstigen Fällen im Bereich 5 % bis 20 %.
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Die Länge des hochdruckseitigen Spalts für den radialen Druckausgleich
wird in Abhängigkeit vom erwünschten Verhältnis zwischen Reibung und Leckage variiert
und liegt zwischen Null und etwa 70 % der axialen Länge dep Dichtrings.
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Wie die Erfindung im einzelnen ausführbar ist, zeigen die Fig. 1
bis 5 in den Zeichnungen im Schnitt an einer dtangenabdichtung.
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In allen Figuren bedeutet Ph den höheren, abzudichtenden Druck, Pn
den im allgemeinen niedereren Druck auf der anderen Seite der Dichtung. Der Dichtring
1 berührt infolge übermaßbedingter Eigenspannung und infolge der aus der Zusammenpressung
des Spannrings 2 resultierenden Radialkraft die Oberfläche 3 des relativ zu ihm
beweglichen Maschinenteils entlang einer gemeinsamen Berührfläche 4.
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Ist die Achse I-I DIE Rotationssymmetrieachse, so handelt es sich
um eine Kolbenabdichtung, die Achse II-II kennzeichnet hingegen eine Stangenabdichtung.
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Die axiale Länge B der Beruhrfläche 3 ist vorzugsweise sehr klein
gegenüber der gesamten axialen Länge des Dichtrings.
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In Fig. 1 weist der Dichtring einen scharfkantigen radialen Absatz
5 auf und auf der Hochdruckseite wird auf die Länge D ein (im Verhältnis zu der
Schmierfilmdicke zwischen den Berührflächen bei Bewegung) verhältnismäßig großer
Spalt zwischen der zylindrischen MAntelfläche 6 des Dichtrings 1 und der Oberfläche
3 des abzudichtenden Maschinenteils gebildet.
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Der Druck Ph dringt ungedrosselt in diesen Spalt ein und entlastet
bis zum Absatz 5 in radialer Richtung die ihm entgegenwirkenden und die Flächenpressung
in der Berührfläche
bestimmenden radialen Kräfte des Dichtrings
1 und des Spannrings 2. Durch Variation der Länge D kann der gewünschte Grad der
Entlastung festgelegt werden. Diese Festlegung ist ein Kompromiß zwischen Leckage
auf der einen Seite und Verschleiß und Reibung der Dichtung auf der anderen Seite
und sie hängt damit von den Einsatzbedingungen der Dichtung ab. Zwischen Berührfläche
und niederdruckseitiger Stirnfläche 7 ist am Dichtring 1 eine Kegelfläche 8 so angebracht,
daß zwischen der Fläche 8 und der Oberfläche 3 ein sich in Richtung zur Stirnfläche
7 hin erweiternder Keilspalt bildet. Der Winkel des Keilspalts ist wegen des erstrebten
sanften Pressungsabfalls auf der Niederdruckseite in der bei höheren Drücken infolge
Kippbewegung des Dichtrings sich vergrößernden Berührfläche klein und beträgt bei
Dichtringen aus Kunststoff vorzugsweise 50 bis 100.
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In Fig. 2 ist die Kontur 9a zwischen der hochdruckseitigen Stirnwand
10 und der gemeinsamen Berührfläche 4 am Dichtring konvex gekrümmt ausgeührt. Der
Eßtlastungseffekt tritt auch hier ein. Das hochdruckseitige Ende des Dichtrings
hat hier eine gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Ausführung höhere Steifigkeit.
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In Fig, 3 wird die Kontur 9b durch eine Kegelfläche mit geradliniger
Mantellinie gebildet, wobei der Winkel wesentlich großer als der äußere Winkel ausgeführt
wird,
In Fig. 4 ist die Kontur 9c konvex und es ergibt sich dadurch
wieder ein in bezug auf eine geringe Schmierfilmdicke bei Bewegung der Oberfläche
3 in Richtung V (Vorlzub) günstiger, scharfkantiger Absatz 5a am hochdruckseitigen
Ende der Berührfläche.
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Schließlich kann, etwa aus Gründen der vorteilhaften Herstellbarkeit,
die Kontur auf der Hochdruckseite wie in Fig. 5 dargestellt, aus zwei zylindrischen
Absätzen bzw.
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Ausdrehungen 9d und 9e oder allgemein aus mehreren Teilstücken mit
stetigen oder unstetigen übergängen bestehen.
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Patentansprüche: