DE3014797A1

DE3014797A1 - Dichtungsanordnung

Info

Publication number: DE3014797A1
Application number: DE19803014797
Authority: DE
Inventors: Henry A Traub
Original assignee: W S SHAMBAN AND Co
Current assignee: W S SHAMBAN AND Co
Priority date: 1979-04-23
Filing date: 1980-04-17
Publication date: 1980-10-30
Also published as: FR2455227B1; DK159939C; DK159939B; DK167080A; GB2050534B; IT1141302B; GB2050534A; US4231578A; DE3014797C2; IT8021587A0; FR2455227A1

Description

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER · D 4300 ESS-EN 1 · AM ^UHRSTfc-IN 1 IEL.: (02 O1) 4126 Seit· --4— S 488

W. S. SHAMBAN & COMPANY 18155 Centinela Avenue, Santa Monica, Kalifornien, V.St.A.

Dichtungsanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung zur Herstellung einer. Strömungsmitteldichtung zwischen relativ zueinander bewegten Teilen sowohl im statischen als auch im dynamischen Betrieb, wobei insbesondere eine hin- und hergehende Kolbenstange sowohl unter Hoch- als auch Niederdruckbedingungen abgedichtet werden soll.

Bei einer optimalen Anordnung wird eine wirksame Dichtung unter statischen und dynamischen Bedingungen sowohl unter sehr niedrigen als auch hohen Drücken bei minimaler Haftreibung und Gleitreibung und langem, wartungsfreien Betrieb angestrebt. Dieses Ziel wird bei Dichtungsanordnungen angestrebt, wie sie beispielsweise in den US-PS'η 3 848 880 und 4 053 166 beschrieben sind. Die dort beschriebenen Vorrichtungen kommen nach Überzeugung der Anmelderi'n dem Anmeldungs- ' gegenstand am nächsten. Solche Dichtungsanordnungen setzten Materialien voraus, welche gute Eigenschaften in Bezug auf eine Hochdruckdichtung, Reibung, Verschleiß und Zugwiderstand,

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jedoch schlechte Dichtungseigenschaften bei niedrigem Druck haben; sie bedingen daher gleichzeitig Materialien, welche bei niedrigem Druck gute Dichtungseigenschäften, jedoch schlechte Reib-, Abnutzungs- und Zugeigenschaften haben. Eine solche Kombination in Dichtungsvorrichtungen überwindet einige Beschränkungen jedes Dichtungsmaterials, jedoch nicht soweit, daß diese Kombinationen als wesentliche Verbesserungen über sogenannte herkömmliche Dichtungsvorr.ichtungen bezeichnet werden können. Das typische Material/gute Hochdruck-Dichtungs— eigenschaften ist der unter dem Warenzeichen Teflon bekannte Fluorkunststoff, und für Dichtungen bei niedrigen Drücken ein elastomeres Material, z.B. Gummi (synthetisches oder natürliches Gummi).

Allgemein ausgedrückt, haben solche bekannten Dichtungsvorrichtungen eine Anzahl unerwünschter Eigenschaften, da sie vor allem auf einer Kombination der Eigenschaften verschiedener Dichtungsmaterialien und weniger auf der Ausbildung bzw. Konstruktion der Dichtung selbst basieren. Unter statischen Bedingungen (Stillstand des hin- und hergehenden Elements) ist der Leckstrom eine Funktion des Druckabfalls über die Dichtung und der Abmessungen der Räume zwischen der Dichtung und der abzudichtenden Fläche. Diese Räume bzw. Spalte sind wiederum eine Funktion der Anpreßdrücke und der \·· Kontaktfläche. Aus naheliegenden Gründen erfordern elastomere Materialien einen niedrigeren Kontaktdruck als weniger elastische Materialien bei dem gleichen Dichtungseffekt. Dasselbe gilt generell unter dynamischen Bedingungen (Bewegung des hin- und her-gehenden Elements, z.B. einer Kolbenstange). Die Zwischenräume zwischen der Dichtung und der abzudichtenden Fläche werden in der Regel proportional zur.Stärke des sich ^ unter der Dichtung auf der Kolben- bzw. Kolbenstangenoberfläche bewegenden Strömungsmittelfilms größer. Die Filmstärke ist nicht nur eine Funktion der Belastung und der Kontaktfläche, sondern auch der Geschwindigkeit des Druckanstiegs der Belastung am Punkt des anfänglichen Dichtungs-

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kontakts mit der hin- und her—gehenden Oberfläche. Die vorstehenden Erwägungen gehören zum allgemeinen Wissen des Fachmanns.

Bei der Konstruktion einer Gestängedichtung bei einem typischen hydraulischen Stellglied muß die Dichtung bei niedrigem Druck im statischen Betrieb wirksam sein, wenn ' . die Stange bzw. das'Gestänge ausfährt, und bei hohem Druck, wenn die Stange zurückfährt. Die Schwierigkeit liegt in der Schaffung einer ausreichenden Kontaktfläche (Fußabdruck - footprint) und Kontaktdruck (Flächenpressung) des elastomeren Elements der Dichtungsanordnung zur Verhinderung von statischen Leckströmen bei niedrigem.Druck, wobei außerdem eine scharfe Dichtungskante gewährleistet sein muß. Die scharfe Dichtungskante erzeugt eine hohe Druckanstiegsgeschwindigkeit am Punkte des anfänglichen elastomeren Dichtungskontakts, wobei die Stärke des Strömungsmittelfilms zwischen der Dichtung und der Stange beim Ausfahren der Stange minimiert wird. Eine zu hohe Flächenpressung (unit loading) stumpft die scharfkantige Dichtungskontaktlinie ab und bewirkt eine niedrige Druckanstiegsgeschwindigkeit und damit eine schlechter wirksame Leckstromsteuerung.

In typischer Betriebsweise nehmen bei zunehmendem Druck auf ^x'' die Stangendichtung während des Zurückziehens der Stange die Flächenpressung und die Kontaktfläche des Elastomers zu, wodurch die Reibung und die Abnutzung steigen und die Lebensdauer verringert wird.

Beispiele für diese Schwierigkeit sind die aus den vorstehend genannten Druckschriften bekannten Konstruktionen. Bei der aus ο der US-PS 3 848 880 bekannten Ausführung werden sowohl eine diametrale Beeinflussung als auch hohe Flächenpressung und eine breite Kontaktfläche (Fußabdruck) zur Herstellung einer Niederdruckdichtung verwendet·. Es ist keine scharfe Kontaktlinie

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zur Verringerung der Filmstärke beim Ausfahren der Stange vorgesehen. Das Gummi trägt wesentlich zur Reibung der Dichtungsanordnung bei. Der typischer Weise große Unterschied zwischen den statischen und dynamischen Reibungen des Elastomeren wird zu einer ruckartigen Bewegung der Stange, die bei engen Toleranzen in der Lagesteuerung unannehmbar ist. Die Lebensdauer wird aufgrund der Abnutzung während des Hochdruckbetriebs und der dementsprechend vergrößerten Kontaktfläche beträchtlich reduziert.

Gemäß US-PS 4 053 166 wird für eine diametrale Beeinflussung (interference) des elastomeren Lippenelements, jedoch nicht für eine radiale Flächenpressung am Lippenkontakt mit der Stange gesorgt, um die Reibung und Abnutzung zu verringern und eine glatte, übergangslose Bewegung zu gewährleisten. Diese Konstruktion ist typisch für U-Ring-Ausführungen mit begrenzten Niederdruck-Dichtungseigenschaften. Bei niedrigen Drücken liegen die Flächenpressung und die Druckanstiegsgeschwindigkeit an der Dichtungsfläche unter den Werten, die bei Elastomeren zur Verhinderung von Leckströmen erforderlich sind. Die Bewegung eines hin- und her-gehenden Elements, z.B. einer Kolbenstange, über das Gummi-Abdichtelement hinaus zieht daher einen dünnen Strömungsmittelfilm über die Gummidichtung v·¹ mit der Stange. Bei hohem Druck verzieht sich das Gummibauteil derart, daß sogar eine größere Fläche der Gummidichtung mit der sich relativ bewegenden Stange in Kontakt gebracht wird. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche beträchtliche Reibung, die vor allem zu dem Unterschied zwischen den statischen und dynamischen Reibungswerten der Dichtungsanordnung beiträgt. Die Dichtung ist daher für die Verwendung «^ an Geräten mit einer Positionssteuerung in engen Toleranzen weniger gut geeignet, da der ruckartige Betrieb verstärkt wird. Es ergibt sich außerdem eine Abnutzung des Elastomeren, da der hohe Druck auf die sich bewegende Stange die Lebens-

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dauer verringert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung zur Verfügung zu stellen, welche sowohl im statischen als auch im dynamischen Betrieb für eine verbesserte Dichtung unter sehr niedrigen Drücken sowie unter sehr hohen Drücken und allen Zwischendrücken sorgt, niedrige Reibung hervorruft und aufgrund einer geringen Abnutzung bei allen Drücken zu einem minimalen Unterschied zwischen der statischen Reibung und der dynamischen Reibung zwischen der Dichtung und dem sich bewegenden Teil führt.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Dichtungsanordnung zum Einbau in einer ringförmigen Dichtungsstopfbüchse mit einer Niederdruckseite und einer Hochdruckseite vor. Die Dichtungsanordnung weist erste und zweite Dichtungsringe auf. Der erste Dichtungsring hat eine im wesentlichen L-förmige Querschnittsausbildung, wobei der Basisteil in der Niederdruckseite der Stopfbüchse eingebaut ist. Der Schenkelabschnitt erstreckt sich axial von der radial innengelegenen Seite des Basisteils in Richtung der Hochdruckseite der Stopfbüchse. Das freie Ende des Schenkelabschnitts ist radial nach innen in Richtung der Hochdruckseite verjüngt ausgebildet. Der zweite Dichtungsring hat eine im wesentlichen Y-förmige Quer- _v,-»» schnittsausbildung, wobei der Hauptabschnitt einen Innendurchmesser hat, der etwas größer als der Außendurchmesser des Stegteils des ersten Dichtungsrings ist, und einen Außendurchmesser hat, der etwas größer als der Außendurchmesser des Basisabschnitts des ersten Dichtungsrings ist. Auf diese Weise kann der zweite Dichtungsring konzentrisch auf den Außenumfang des Schenkelabschnitts des ersten Dichtungsrings aufgesetzt werden, wobei der Hauptabschnitt ein wenig radial über den Außenumfang des Basisabschnitts des ersten Dichtungsrings vorspringt. Die beiden Schenkelabschnitte des zweiten Dichtungsrings überspannen einen radialen Abstand, der größer als der Abstand zwischen den Innen- und Außendurchmessern des Basisab-

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Schnitts des ersten Dichtungsrings ist. Beim Einbau werden die beiden Schenkelabschnitte und der Hauptabschnitt des zweiten Dichtungsrings innerhalb der Stopfbuchse etwas zusammengedrückt. Die beiden Schenkelabschnitte erstrecken sich in Richtung der Hochdruckseite der Stopfbuchse und über das verjüngte Ende des Schenkelabschnitts des ersten Dichtungsrings, wobei ein Teil eines der beiden Schenkel auf dem verjüngten Abschnitt des freien Endes des ersten Dichtungsrings aufliegt.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Basisteil des ersten Dichtungsrings konzentrisch geteilt, um einen leichten Einbau der Dichtungsanordnung in eine Stopfbuchse zu ermöglichen, wenn die Stopfbuchse weder an der Hochdruckseite noch an der Niedrigdruckseite eine freie Zugangsöffnung besitzt.

Bei einem alternativen zweiten Ausführungsbeispiel können die einander gegenüberliegenden Flächen der beiden Dichtungsringe wenigstens einen ringförmigen Durchgang bilden, wodurch sich der zweite Dichtungsring bei hohem Druck zusammendrücken kann und einer der beiden Schenkelabschnitte von der Anlage mit der bei niedrigem Druck normalerweise als Dichtfläche wirkenden Oberfläche abheben kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine hydraulisch betätigte Kolben-Zylindervorrichtung, die einen typischen Anwendungsfall für den Gegenstand der vorliegenden Erfindung darstellt; «,-

Fig. 2 eine Dichtungsanordnung in freiem Zustand (vor dem Einbau);

Fig. 3 die Dichtungsanordnung, eingebaut in eine mit Zugangsöffnung versehene Dichtungsnut;

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Fig. 4 eine etwas abgewandelte Dichtungsanordnung, ■ angepaßt an eine Nockentrommel;

Fig. 5 die Verwendung eines Stützrings bei der Dichtungsanordnung;

Fig. 6 eine abgewandelte Dichtungsanordnung,angepaßt an eine verjüngte Dichtungsnutwand;

Fig. 7 ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem einer der Dichtungsringe zum Einbau infeine besondere Dichtungsnut konzentrisch geteilt ist; und

Fig. 8 die Verwendung eines ringförmigen Durchgangs zum Zusammendrücken eines der Dichtungsringe.

Die Umgebung, für die die Dichtungsanordnung nach der Erfindung in der Regel vorgesehen ist, ist in Fig. 1 dargestellt. Eine hydraulisch betätigte Kolben-Zylindervorrichtung 10 weist Zylinderwände 11 auf, welche eine erste Kammer 12 und eine zweite Kammer 14 bilden. Bei der Darstellung in Fig. 1 ist die Kammer 12 'die Hochdruckkammer und die Kammer 14 die Niederdruckkammer. Diese beiden Kammern sind durch einen Kolben 16 getrennt, der gegen die Zylinderwände 11 durch eine Dichtungsanordnung 17 abgedichtet ist. An dem Kolben 16 ist eine Kolben-, stange 18 angebracht, die sich durch die zweite Kammer 14 aus dem Zylinder heraus erstreckt. Die zweite Kammer 14 ist durch einen Zylinderkopf 20 geschlossen, der ein erstes Bauteil 22 und ein zweites Bauteil 24 aufweist, die gemeinsam eine Dichtungsnut oder eine Dichtungsstdpfbüchse 25 begrenzen, in der eine Kolbenstangen-Dichtungsanordnung 26 aufgenommen ist. Die Dichtungsnut 25 hat eine Hochdruckseite 27 an der der zweiten Kammer 14 benachbarten Seite und eine Niederdruckseite 28 an der der zweiten Kammer 14 entfernt gelegenen Seite der Dichtungsnut 25. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, handelt es sich bei der Dichtungsnut 25 um eine Nut mit einer Zugriffsöffnung, da

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das Bauteil 24 vom Zylinderkopf lösbar ist, wobei die Dichtungsnut 25 frei zugreifbar gemacht werden kann. Diese Dichtungsnut 25 sollte mit der in den Figuren 7 und 8 gezeigten Dichtungsnut verglichen werden, wo die drei Wände der zylindrischen Nut einstückig ausgebildet sind und der Zugriff zur Nut dementsprechend schwieriger ist. Die in den Figuren 7 und 8 gezeigte Nut kann daher als nicht offenbare Dichtungsnut bezeichnet werden.

Die Kolbenstange 18 kann mit einer Last bzw. einem Stellglied verbunden sein, deren bzw. dessen Lage durch Änderung der Stellung des Kolbens 16 innerhalb der Kolben-Zylindervorrichtung gesteuert werden kann. Die Position des Kolbens 16 kann durch geeignete Druckbeaufschlagung der Kammern 12 und 14 eingestellt werden. Typischer Weise sind die Kammern 12 und 14 mit einem Hydraulikmedium gefüllt. Durch Zufuhr von Hydraulikmedium unter hohem Druck zur Kammer 12 werden der Kolben 16 und die Kolbenstange 18 in Fig. 1 nach außen geschoben, wodurch die Stellung der mit der Kolbenstange verbundenen Last gesteuert wird. Um die Kolbenstange 18 zurückzuziehen, wird der Kammer 14 Hydraulikmedium unter höherem Druck als derjenige des Hydraulikmediums in der Kammer 12 zugeführt, wodurch der Kolben 16 und die Kolbenstange 18 in der Darstellung gemäß Fig. 1 nach links bewegt werden. Wenn die Kolbenstange 18 ausgerückt wird,^v*' so kann offenbar ein dünner Film des Hydraulikmediums an der Umfangsflache der Kolbenstange 18 haften und mit letzterer durch die Dichtungsanordnung 26 gezogen werden, wodurch ein Leckstrom an Hydraulikmedium aus der Kammer 14 hervorgerufen wird. Beim Rücklauf der Kolbenstange 18 sind sowohl die Kammer 14 als auch die Dichtungsanordnung 26 einem hohen Druck ausgesetzt. Der dünne Hydraulikmediumfilm sucht sich an der Außen·*" kante der Kolbenstangen-Dichtungsanordnung 26 zu sanmeln, welche unter dem hohen Druck eine hohe Dichtwirkung entfaltet, und wenn eine entsprechende Menge an Hydraulikmedium an der Außenkante gestaut ist, tropft das Hydraulikmedium von der Dichtungsanordnung 26 ab und zeigt das Vorhandensein des geringen Leckstroms von Hydraulikmedium aus der Stoangsn-Dichtungsanordnung

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26 an.

Die Konstruktion der Dichtungsanordnung 26 ist erfindungsgemäß so gewählt, daß der dünne Film von Hydraulikmedium, der an der Umfangsflache der Kolbenstange 18 haftet und durch die Dichtungsanordnung 26 bei der Bewegung der Kolbenstange mitgezogen werden kann, um sich bei der Rücklaufbewegung der Kolbenstange an der Außenkante zu sammeln , weitgehend beseitigt ist. Ein Ausführungsbeispiel der Konstruktion einer solchen Dichtung ist in Fig. 2 in perspektivischer Teilansicht gezeigt. Die Dichtungsanordnung 26 weist zwei Dichtungsringe auf, von denen der erste eine etwa L-förmige Querschnittskonfiguration besitzt und in Fig. 2 mit 50 bezeichnet ist. Der zweite dieser Dichtungsringe hat eine allgemein Y-förmige Querschnittskonfiguration und ist in Fig. 2 mit 30 bezeichnet. Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß die ringförmige Dichtungsanordnung 26 eine Axialrichtung und eine Radialrichtung hat, die beide auf die axiale Mittellinie der Dichtungsanordnung 26 bezogen werden können.,

Fig. 3 zeigt eine genauere Querschnittsansicht der Dichtungsanordnung 26 gemäß Fig. 2, eingebaut in die Dichtungsnut 25 gemäß Fig. 1. Die Dichtungsnut 25 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein erstes Bauteil 22 und ein *'** zweites Bauteil 24 begrenzt,, die gemeinsam die axial verlaufende Wand 33 der Dichtungsnut, eine erste radial verlaufende Wand 35 und eine zweite radial verlaufende Wand 37 definieren. Die zweite radial verlaufende Wand 37 ist an der Hochdruckseite 27 der Dichtungsnut 25 und die erste axial verlaufende Wand 35 an der Niederdruckseite 28 der Dichtungsnut 25 gelegen. Der Dichtungsring 30, der eine «." im wesentlichen Y-förmige Querschnittskonfiguration besitzt, weist einen Hauptabschnitt 32, einen ersten Schenkelabschnitt 34 und einen zweiten Schenkelabschnitt 36 auf. Der Hauptab-

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schnitt 32 endet in einer radial verlaufenden Stirnfläche 38 und hat eine, axial verlaufende Umfangsflache 39, die bei Einbau der Dichtungsanordnung 26 in die Dichtungsnut 25 in Druckkontakt mit der axial verlaufenden Wand 33 der Dichtungsnut 25 steht. Der zweite Schenkelabschnitt 36 hat eine erste Fläche 42 und eine zweite Fläche 44, die einander unter Bildung einer Kante 40 des zweiten Schenkelabschnitts 36 schneiden.

Der andere, in Fig. 3 gezeigte Dichtungsring 50, der eine im wesentlichen L-förmige Querschnittskonfiguration hat, weist einen Basisabschnitt 52 auf, der der Niederdruckse'ite 28 der Dichtungsnut 25 benachbart ist, und hat außerdem einen Schenkelabschnitt 54, der sich vom Basisabschnitt an dessen radial innengelegenen Kante zur Hochdruckseite hin erstreckt. Der Schenkelabschnitt 52 endet in einem verjüngten Abschnitt 56, der unter dem zweiten Schenkelabschnitt 36 des anderen Dichtungsrings 30 verläuft und eine scharfe Vorderkante bildet. Der Basisabschnitt 52 des etwa L-förmigen Dichtungsrings 50 hat eine erste radial verlaufende Fläche 58, welche der Fläche 38 des anderen Dichtungsbauteils 30 zugewandt ist. Der Basisabschnitt ist außerdem mit einer zweiten, allgemein radial verlaufenden Fläche 60 versehen, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 an die radial verlaufende Wand 35 auf der Niederdruckseite der Dichtungsnut 25 stößt. *··*

Wenn die Kolbenstange 18 ausgeschoben wird, ist das Hydraulikmedium in der Kammer 14 unter niedrigem Druck, und wenn die Kolbenstange eingezogen wird, ist das Hydraulikmedium in der Kammer 14 unter hohem Druck. Da die Dichtungsanordnung 26, die in die Dichtungsnut 25 eingesetzt ist, unter dem gleichen Druck wie die Kammer 14 steht, ist es erwünscht, daß die in <der Dichtungsnut 25 befindliche Dichtungsanordnung 26 sowohl unter niedrigen als auch unter hohen Druckbedingungen eine annehmbare Dichtungswirkung entfaltet. Eine für gute Dichtungseigenschaften, unter hohem Druck bekannte Substanz ist Polytetrafluoräthylen, z.B. das unter dem Warenzeichen Teflon bekannte

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Material. Unter hohem Druck neigt dieses Material dazu, in winzige Oberflächenvertiefungen zu fließen und dadurch eine sehr gute Hochdruckdichtung herzustellen. Dieses Material hat auch einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten und läuft daher kalt und hat eine sehr lange Lebensdauer. Ein Material, das sehr gute Dichtungseigenschaften unter niedrigem Druck hat, ist Gummi. Unter hohem Druck verformt sich Gummi jedoch und läuft aufgrund seines hohen Reibungskoeffizienten unter hohem Druck heiß und hat eine sehr kurze Lebensdauer. Die Dichtungsanordnung 26 gemäß Fig. 3 macht sowohl von den erwünschten Dichtungseigenschaften von Materialien wie dem unter "Teflon" bekannten Material als auch den Dichtungseigenschaften von Gummi Gebrauch und nutzt aufgrund der Konstruktion der Dichtungsanordnung die besten Eigenschaften jedes dieser Materialien aus, während die unerwünschten Eigenschaften minimiert werden. Die besondere Konstruktion der Dichtungsanordnung bewirkt außerdem nahezu gleiche statische und dynamische Reibungen zwischen der Dichtungsanordnung und der Kolbenstange 18 und führt daher zu einer praktisch übergangslosen Bewegung der Kolbenstange sowohl bei deren Auswärtsverschiebung als auch bei deren Zurückziehen. Die Dichtungsanordnung gemäß Fig. 3· ist daher so ausgelegt, daß sie eine besonders wirksame Dichtung sowohl bei niedrigen als auch hohen Strömungsmitteldrücken herstellt ^N* und darüber hinaus eine übergangslose Bewegung der Kolbenstange ermöglicht, so daß sie für Anwendungsfälle besonders geeignet ist, bei denen eine präzise Positionssteuerung der Kolbenstange erforderlich ist.

Unter niedrigem Hydraulikdruck, nämlich beim Ausschieben der Kolbenstange 18, hat der Teflon-Dichtungsring 50 keine be- <sonders starke Dichtungswirkung..Bei Fehlen des Gummidichtungsrings 30 würde ein dünner Film aus Hydraulikmedium an der Umfangsfläche der\Kolbenstange 18 haften und durch den Teflon-

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Dichtungsring 50 auf der Umfangsflache der Kibenstange 18 durchgeschoben. Da sich beim Zurückziehen der Kolbenstange das Hydraulikmedium in der Kammer 14 unter hohem Druck befindet, so würde der Teflon-Dichtungsring 50 eine sehr starke Dichtungswirkung entfalten, und beim Durchziehen der Kolbenstange 18 durch den Teflon-Dichtungsring würde der jetzt wirksame Dichtungsring 50 verhindern, daß die dünne Oberflächenschicht an Hydraulikmedium wieder in die Kammer 14 eintritt. Diese Schicht würde sich an der Kante 61 des Teflon-Dichtungsrings 50 sammeln, bis genügend Strömungsmedium zusammenkommt, um von der Kolbenstange abzutropfen. Um zu verhindern, daß das Hydraulikmedium durch den Teflon-Dichtungsring gezogen wird, wenn die Dichtungsanordnung 26 unter niedrigem Druck steht, findet ein zweiter Dichtungsring 30 aus Gummi in Kombination mit dem TefIon-Dichtungsring'Verwendung. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist der Gummi-Dichtungsring 30 mit Wischerschenkeln 36 und 34 versehen, welche im Einbauzustand leicht zusammengerückt sind. Es ist daher klar, daß die Dichtungseigenschaften der Wischerschenkel nicht druckabhängig sind. Außerdem ist der Wischerschenkel 36 mit einer relativ scharfen Dichtungskante 40 zwischen den Flächen 42 und 44 versehen. Diese scharfe Dichtungskante 40 bewirkt einen raschen Druckanstieg an der anfänglichen Berührungslinie. Dies bedeutet, daß beim Auf- ^v"^x treffen des Strömungsmediums auf die Vorderkante der Dichtung ein rasch zunehmende Flächenpressung zwischen der Dichtungskante und der Kolbenstange auftritt. Diese rasche Zunahme ·. ist ursächlich für eine Minimaldicke des unter dem Schenkel 36 durchlaufenden Strömungsmittelfilms. Der Bereich des Wischerschenkels 36, der sich mit der Kolbenstange 18 in Kontakt befindet, wird durch die Fläche 56 des Schenke.ls 54 minimiert, <· der den Kontakt der Fläche 44 des Wischerschenkels 36 mit der Oberfläche der Kolbenstange 18.begrenzt, wodurch eine maximale Flächenpressung und eine hohe Druckkraft auf den Schenkel 36 hervorgerufen werden, ohne die scharfe Kante 40 abzustumpfen. Unter niedrigen Drücken verhindert auf diese Weise der Wischer-

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schenkel 36, daß der dünne Film aus Hydraulikmedium an der Umfangsflache der Kolbenstange 18 haftet, so daß beim Rückwärtshub der Kolbenstange 18 .nur wenig oder kein Hydraulikmedium an der Kante 61 des Teflon-Dichtungsrings 50 abgestreift wird. Die Dichtungsanordnung gemäß Fig. 3 macht daher von den Niederdruck—Dichtungseigenschaften des Gummi-Dichtungsrings 30 und von den Hochdruck-Dichtungseigenschaften des Teflon-Dichtungsringes 50 Gebrauch. Aufgrund der besonderen Konstruktion der Dichtungsanordnung gemäß Fig. 3 ist die Kontaktfläche zwischen dem Gummi-Dichtungsring 30 und der Kolbenstange 18 auf ein Minimum begrenzt, so daß der Reibungsanteil des Gummi-Dichtungsrings 30 im Vergleich zu demjenigen der gesamten Dichtungsanordnung 26 minimal gehalten ist. Dies gilt sowohl dann, wenn die Dichtungsanordnung hohen Drücken ausgesetzt.ist, als auch dann, wenn sie niedrigen Drücken ausgesetzt ist. Mit Hilfe des verjüngt auslaufenden Abschnitts 56 des Teflon-Dichtungsrings 50, der den Wischerschenkel 36 des Gummi-Dichtungsrings 30 teilweise von dem Kontakt mit der Kolbenstange 18 abhebt, wird die Reibung unter Hochdruckeinfluß minimiert. Da der Reibungsbeitrag des Gummi-Dichtungsrings unter allen Betriebsbedingungen minimal ist, stellen sich die Reibcharakteristiken der gesamten Dichtungsanordnung 26 so dar, daß die Reibcharakterxstiken in erster Linie auf den Teflon-Dichtungsring 50 zurückgehen. Daher sind ^x* die statischen und dynamischen Reibkräfte zwischen der Dichtungsanordnung 26 und der Kolbenstange 18 in der angestrebten Weise nahezu gleich, wodurch der Hin- und Rücklauf der Kolbenstange 18 bei allenfalls geringen Stoßbewegungen praktisch übergangslos verlaufen.

Die in Fig. 3 dargestellte Dichtungsanordnung.26 stellt auch ^ eine wirksame Dichtung unter statischen Bedingungen, d.h. unter Bedingungen dar, bei denen sich die Kolbenstange 18 im Ruhezustand befindet. In diesem Zustand hält der Gummi-Dichtungsring 30 Leckströme zurück, welche anderenfalls aufgrund von

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Unebenheiten oder Kratzern in der Oberfläche des Teflon-Dichtungsrings 50 entstehen würden. Derartige Unebenheiten brauchen für eine Selbstheilung unter hohem Druck normalerweise eine lange Zeit und führen daher zu unerwünschten Leckströmen. Da die Dichtungsanordnung 26 einen Gummi-Dichtungsring 30 mit Wischerschwenkeln 34 und 36 verwendet,· die beim Einbau in der Dichtungsnut 25 leicht zusammengedrückt werden, verhindert die Dichtungsanordnung auch Lecksttöme in einem belastungsfreien Zustand. Dies liegt daran, daß die Dichtungseigenschaften des Gummi-Dichtungsrings 30 nicht druckabhängig sind, sondern vollständig von dem Einbaudruck des Gummi-Dichtungsrings 30 innerhalb der Dichtungsnut 25 abhängen.

Die zuvor beschriebene Dichtungsanordnung 26 mit einer Kombination aus einem Gumm-Dichtungsring 30 und einem Teflon-Dichtungsring 50 hat einen Reibungskoeffizienten, der nur um wenig größer als derjenige einer ganz aus Teflon bestehenden Dichtungsanordnung und wesentlich niedriger als derjenige einer ganz aus Gummi bestehenden Dichtungsanordnung ist. Daher ist bei der beschriebenen Dichtungsanordnung 26 ein ausgezeichneter Kaltlauf und damit einegegenüber einer ganz aus Gummi bestehenden Dichtungsanordnung erhöhte Lebensdauer gewährleistet. *"^s

Fig. 4 zeigt die Dichtungsanordnung in einer etwas abgewandelten Ausführung, angepaßt auf die Verwendung eines Nockenrings Zur Anpassung an die geneigte Fläche 66 des Nockenrings ist der Teflon-Dichtungsring 50 mit einer Kegelfläche 62 versehen. Die beiden aneinander anliegenden Flächen sind komplementär gestaltet, so daß die gesamte Dichtungsanordnung in eine Dich-^ tungsnut 25 mit etwa rechteckigem Querschnitt paßt. Der Nockenring 64 ist in typischer Ausführung aus einem Material mit einem hohen Elastizitätsmodul hergestellt, der wesentlich höher als

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derjenige des Teflon-Dichtungsrings 50 ist. In Fig. 4 ist außerdem strichpunktiert der entspannte Zustand des Gummi-Dichtungsrings 30 dargestellt. In' diesem entspannten Zustand weist der Gummi-Dichtungsring 30 eine axial verlaufende Flache 39' auf, die unter einem weiteren Radius als der Außenumfang des Teflon-Dichtungsrings 50 verläuft. Außerdem haben die Wischerschenkel 34 und 36 im entspannten'Zustand, der gestrichelt mit 34· und 36¹ dargestellt ist, eine radiale Spannweite, die größer als diejenige der Dichtungsnut 25 ist.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, kann der Teflon-Dichtungsring 50 auch derart- abgewandelt werden, daß er aisammen mit einem Stützring 70 in eine vorgegebene Dichtungsnut 25 paßt. Der Stützring 70 besteht ebenfalls vorzugsweise aus einem Material mit einem wesentlich höheren. Elastizitätsmodul als derjenige des Teflon-Dichtungsrings 50. Wie in jeder der Figuren 3, 4 und 5 gezeigt ist, wird der Wischerschenkel 36 des Gummi-Dichtungsrings 30 entlang eines Längenabschnitts von der Kolbenstange 18 auf Abstand gehalten, und zwar mittels eines verjüngten Abschnitts des Teflon-Dichtungsrings 50, wodurch die maximale Angriffsfläche des Wischerschenkels 36 an der Kolbenstange 18 selbst unter Hohdruckbedingungen begrenzt wird. Aufgrund dieser Konstruktion ist der Reibbeitrag des Gummi-Dichtungs-

rings 30 zu den gesamten Reibungscharakteristiken der Dichtungsanordnung 26 minimal.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, kann die Ausführungsform der Dichtungsanordnung 26 gemäß Fig. 4 auch zur Abdichtung einer Dichtungsnut 25 in der Ausbildung gemäß Fig. 6 verwendet werden. Die Dichtungsnut in Fig. 6 hat eine geneigte Wand auf der Niederdruckseite, die durch, das Bauteil 80 gebildet wird, welches im wesentlichen die gleiche Funktion wie der Nockenring 64 und das Bauteil 22 in der Anordnung gemäß Fig. 4 erfüllt. Die in den Figuren 3, 4, 5 und 6 gezeigten Dichtungs-

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nuten können insgesamt als zugreifbare oder offenbare Dichtungsnuten bezeichnet werden, da sie so ausgebildet sind, daß eine Endwand, z.B. die niederdruckseitige Wand oder die hochdruckseitige Wand von der Zylinderkopfanordnung 20 entfernt werden kann, wodurch ein leichter Zugriff zum Innenraum der Dichtungsnut 25 geschaffen wird. Die in den Figuren 7 und 8 gezeigten Dichtungsnuten·sind insofern anders als diejenigen gemäß Fig. 3 bis 6 ausgebildet, daß sie von einem einstückigen Bauteil vollständig umgrenzt sind, so daß weder die niederdruckseitige Nutwand noch die hochdruckseitige Nutwand zur Freilegung einer Zugriffsöffnung zur

Dichtungsnut vom Zylinderkopf entfernt werden können. In diesem Falle kann es schwierig sein, den relativ starren Teflon-Dichtungsring 50 in die Dichtungsnut 25 einzuführen. Um das Einsetzen eines starren Teflon-Dichtungsrings in die Dichtungsnut zu erleichtern, wenn letztere durch ein einteiliges Bauteil gebildet ist, kann der Teflon-Dichtungsring 50 zweiteilig mit dem Abschnitt 90 und dem Abschnitt 92 (Fig. 7) ausgebildet sein. Die in .Fig. 7 gezeigte Konstruktion ist ähnlich derjenigen gemäß Fig. 3 und stimmt mit letzterer mit der Ausnahme überein, daß der Teflon-Dichtungsring unterteilt ist, wobei zwei Abschnitte vorgesehen sind, die konzentrisch in der Dichtungsnut 25 eingebaut werden können. Um die Dichtungsanordnung 26 einzubauen, wobei der Teflon-Dichtungsring 50 aus zwei Dichtungsringen 90 und 92 besteht, wird zunächst der Dichtungsring 90 in die Dichtungsnut, danach der Gummi-Dichtungsring 30 und schließlich der zweite Teil 92 des Teflon-Dichtungsrings in die Dichtungsnut 25 eingesetzt und in der in Fig. 7 dargestellten Anordnung eingestellt. Durch die Unterteilung des Teflon-Dichtungsrings 50 in zwei getrennte Dichtungsringe 90 und 92 werden die einzelnen Teile wesentlich flexibler als bei einem einteiligen Teflon-Dichtungsring 50, wie er in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 gezeigt ist, so daß das

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Einsetzen der gesamten Dichtungsanordnung 26 in die Dichtungsnut 25 wesentlich erleichtert und letztere wesentlich besser zu._,greifbar ist.

Wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 ausgeführt wurde, ermöglicht die besondere Konstruktion der Dichtungsanordnung die Hin- und Herbewegung der Kolbenstange 18 in praktisch stoßfreier, d.h. übergangsloser Weise aufgrund der Tatsache, daß die statischen und dynamischen Reibungswerte nahezu gleich sind. Eine Verbesserung der Ausführung der Dichtungsanordnung 26 gemäß Fig. 3, welche die statischen und dynamischen Reibungswerte noch stärker aneinander angleicht, ist in Fig. 8 dargestellt. Fig. 8 zeigt die Verwendung einer Ringnut 100, welche zwischen den einander zugewandten, radial verlaufenden Stirnflächen des Teflon-Dichtungsrings 50 und des Gummi-Dichtungsrings 30 gebildet ist. Zweck dieser ringförmigen Hohlräume 100 ist es, dem Gummi-Dichtungsring 30 die Möglichkeit der Verformung und Stauchung unter hohem Druck zu geben, wobei er die Hohlräume 100 teilweise füllt. Dadurch kann der Gummi-Dichtungsring 30 soweit nachgeben, daß der Wischerschenkel 36 aus dem Kontakt mit der Kolbenstange 18 abgehoben wird. Auf diese Weise leistet unter hohen Drücken der Gummi-Dichtungsring 30 keinen Reibungsbeitrag zu den Reibkräften der gesamten Dichtungsanordnung 26. Unter hohem Druck verhält sich in diesem Falle die gesamte Dichtungsanordnung 26 so wie eine Dichtungsanordnung, die vollständig aus Teflon besteht. Die Dichtungsanordnung 26 hat daher statische und dynamische Reibwerte, die dem Optimum völliger Gleichheit sehr nahe kommen. Dieses Ausführungsbeispiel gewährleistet daher in noch höherem Maße als dasjenige gemäß Fig. 3 eine übergangslose, glatte Rück- *' zugsbewegung der Kolbenstange 18 ohne stoßartige Bewegungskomponenten selbst bei geringen Verstellbewegungen und unter Bedingungen geringer und hoher Belastung. Eingeschlossen in

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die beschriebenen Überlegungen sind Ausführungen, bei denen ringförmige Durchlässe oder Leerräume entsprechend Fig. 8 entweder entlang den Kanten oder im Mittelbereich der Radialfläche des Gummi-Dichtungsrings 30 verlaufen. Solche Hohlräume oder Nuten 100 können auch zwischen den einander zugewandten axial verlaufenden Flächen des Gummi-Dichtungsrings 30 und des Teflon-Dichtungsrings 50 verlaufen. Die in Fig. 8 gezeigte Dichtungsanordnung bildet eine wirksame Niederdruckdichtung, welche über den Wischerschenkel 36 nur sehr geringe Reibwirkungen entfaltet. Die Dichtungsanordnung ist auch eine sehr wirksame Hochdruckdichtung, welche unter Hochdruck keinen Reibbeitrag über den Gummi-Dichtungsring 30 leistet, da unter Hochdruckbedingungen der Gummi-Dichtungsring 30 soweit verformt ist, daß der Wischerschenkel 36 von der Umfangsflache der Kolbenstange 18 abgehoben ist.

Vorstehend wurde eine Dichtungsanordnung 26 beschrieben, die sowohl unter extrem niedrigen als auch unter extrem hohen Drücken ausgezeichnet wirksame Dichtungseigenschaften entfaltet-Eine solche Dichtungsanordnung ergab bei Tests einen Leckstromwert von weniger als 1 Tropfen des Hydraulikmediums pro 5000 Zyklen der Kolbenstange 18. Diese Ergebnisse gelten über einen Bereich von Kolbenstangendurchmessern zwischen 0,952 cm bis 10,16 cm bei einem Hub in der Größenordnung von 7,62 cm und einer Kolbenstangenbewegung von 60 Zyklen pro Minute. Eine solche Dichtungsanordnung ist über einen Druckbereich zwischen 1,72 bar bis 690 bar wirksam.Der Leckstrom der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung ändert sich natürlich etwas mit dem Durchmesser der Kolbenstange 18. Es ist jedoch zu beachten, daß bei der beschriebenen Dichtungsanordnung die Reibungswerte sehr niedrig liegen ο und/Jie Dichtung wesentlich kühler läuft als vorbekannte Dichtungsanordnungen. Die kühler laufende Dichtung hat natürlich eine dementsprechend längere Lebensdauer als

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Dichtungen, welche bei erhöhten Temperaturen laufen. Es ist darauf hinzuweisen, daß zur Erzielung einer optimalen Wirkung der Dichtungskante des Wischerschenkels 36 letzterer einen getrennten, als "Abschaben" bekannten Herstellungsschritt unterworfen wird, wobei eine Klinge zum Abtrennen eines Teils des Wischerschenkels 36 verwendet wird, wodurch eine scharfe Dichtungskante 40 hergestellt wird. Dadurch wird die Wirkung des Wischerschenkels unter Niederdruckbedingungen stark erhöht, da der Flächendruck maximal gemacht wird.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind Abwandlungen der in den Figuren 1 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiele für den Fachmann ohne weiteres möglich. So sind beispielsweise in Fig. 8 ringförmige Durchlässe oder Leerräume 100 gezeigt, welche durch Ringnuten in der entsprechenden Stirnfläche des Gummi-Dichtungsrings 30'gebildet sind. Selbstverständlich können diese ringförmigen Ausnehmungen auch alternativ in der gegenüberliegenden Fläche des Teflon-Dichtungsrings 50 ausgebildet sein, ohne dabei die Funktionsweise der Dichtungsanordnung 26 zu ändern. Das einzige echte Erfordernis besteht darin, daß ein Leerraum geschaffen wird, in den ein Teil des Gummi-Dichtungsrings 30 derart eingedrückt wird, daß der Gummi-Dichtungsring 30 entsprechend ausweichen kann, wodurch der Wischerschenkel 36 von der Umfangsflache der Kolbenstange 18 abgerückt wird. Es ist außerdem klar, daß der Gummi-Dichtungsring 30 mit den ringförmigen Hohlräumen auch bei jedem der in den Figuren 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele verwendet werden kann, wobei nur bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 7 geeignete Maßnahmen getroffen werden müssen, damit der Rauin zwischen dem Dichtungsring 90 und dem Dichtungsring .92 nicht mit dem Ort des ringförmigen Hohlraums oder der Ringnut zusammenfällt. In dem zuletzt genannten Falle könnte sich eine unerwünschte Verformung und damit eine Verschlechterung des Gummi-Dichtungsrings 30 und dessen Wirkung ergeben.

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Claims

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER · D 4300 ESSEN 1 · AM «UHRSTEIN 1 · TEL.: (02OX, 412687 Seite - -*-V S 488

W.S. SHAMBAN & CO.

Ansprüche

M..· Dichtungsanordnung zur Herstellung einer Dichtung zwischen benachbarten Oberflächen von zwei Bauteilen, von denen eines mit einer der Oberfläche des anderen Bauteils gegenüberliegenden Ringnut versehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Dichtungsanordnung (26) einen ersten Dichtungsring (50) mit einer im wesentlichen L-förmigen Querschnittskonfiguration, dessen Basisabschnitt (52) in der Ringnut (25) an einer etwa radial verlaufenden Wand (35) an der Niederdruckseite der Ringnut (25) anliegt und dessen Schenkel=· abschnitt (54) mit Abstand und parallel zu der axial verlaufenden Fläche (33) der Ringnut (25) angeordnet ist, wobei das freie Ende (56) des Schenkelabschnitts (54) in Richtung der Hoch= druckseite der Ringnut(25) unter Bildung einer im wesentlichen scharfen Kante radial einwärts verjüngt ausgebildet ist, und einen zweiten Dichtungsring (30) mit einer im wesentlichen Y~förmigen Querschnittskonfiguratbn aufweist, dessen Haupt= abschnitt (32) zwischen und in Kontakt mit dem Schenkelab= schnitt (54) des L-förmigen Dichtungsrings (50) und der axial verlaufenden Fläche (33) der Ringnut (25) liegt und dessen beiden Schenkelabschnitte (34, 36) in entspanntem Zustand eine radiale Spannweite haben, die größer als der Abstand zwischen der axial verlaufenden Fläche (33)· der Ringnut ^ (25) in dem einen Bauteil (22) und der Umfangsflache des anderen Bauteils (18) ist, wobei die beiden Schenkelab= schnitte (34, 36) des Y=förmigen Dichtungsrings (30) an der Hochdruckseite der Ringnut (25) gelegen sind und sich

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axial über das Ende des L-förmigen Dichtungsrings (50) hinaus erstrecken, so daß einer (36) der beiden Schenkelabschnitte (34, 36) teilweise von dem verjüngten Ende (56) abgestützt ist und nur etwa eine Kante dieses einen Schenkelabschnitts (36) mit der Fläche des anderen Bauteils (18) in Kontakt kommen kann.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial verlaufende Fläche (38) des Hauptabschnitts (32) des Y-förmigen Dichtungsrings (30) zusammen mit der zugewandten Radial fläche (58) des L-förmigen Dichtungsrings (50) wenigstens einen ringförmigen Freiraum (100) begrenzt, in den ein Teil des Y-förmigen Dichtungsrings (30) bei Hochdruckbeaufschlagung der Dichtungsanordnung (26) ausweichen kann.
3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausweichbewegung des Y-förmigen Dichtungsrings (30) unter Hochdruckeinfluß von einer Abhebebewegung des dem anderen Bauteil (18) zugewandten Schenkelabschnitts (36) des Y-förmigen Dichtungsrings (30) von der Oberfläche des anderen Bauteils (18) begleitet ist.
4. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der L-förmige Dichtungsring (50) einen ringförmigen Dichtungsteil (90) und einen L-förmigen Dichtungsringteil (92) mit verkürztem Basisabschnitt (52) aufweist, wobei der Außendurchmesser des Basisabschnitts (52) kleiner ist als der Innendurchmesser des Dichtungsringteils (90), so daß der L-förmige Dichtungsringteil (92) mit dem verkürzten Basisabschnitt konzentrisch in den Dich- ο tungsringteil (90) zur Bildung des L-förmigen Dichtungsrings (50) einsetzbar ist«,

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5. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauteil aus einem ersten (22) und einem zweiten (24) Element besteht, wobei das erste Element (22) die axial verlaufende Fläche (33) und eine Stirnwand (37) der Dichtungsnut (25) und das zweite Element (24) die zweite Stirnwand (35) der Dichtungsnut (25) bilden und daß der auf der Niederdruckseite der Ringnut (25) gelegene Basisabschnitt (52) des L-förmigen ersten Dichtungsrings (50) von der radial verlaufenden Stirnwand an der Niederdruckseite der Ringnut (25) durch einen Stützring (70) beabstandet ist (Fig. 5).
6. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der Niederdruckseite zugewandte Fläche des Basisabschnitts (52) des L-förmigen ersten Dichtungsrings (50) wenigstens teilweise gegenüber der Radialrichtung geneigt und von der Niederdruckseite durch einen Nockenring (80) beabstandet ist, wobei der Nockenring (80) über eine komplementär geneigte Fläche mit der geneigten Fläche des.Basisabschnitts (52) in Anlage steht.
7. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauteil (20) als Stopfbüchse ausgebildet ist, iryöie die Dichtungsanordnung (26) eingesetzt ist und daß der Hauptabschnitt (32) des im wesentlichen Y-förmigen zweiten Dichtungsrings (30) einen Innendurchmesser hat, der etwas größer als der Außendurchmesser des Schenkelabschnitts (54) des L-förmigen ersten Dichtungsrings (50) ist, und einen Außendurchmesser hat, der etwas größer als der Außendurchmesser des Basisabschnitts (52) des ersten Dichtungsrings (50)' ist, so daß der zweite Dichtungsring (30) konzentrisch auf den Schenkelabschnitt (54) des ersten Dichtungsrings (50) aufsetzbar ist.

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