DE4115626A1 - Gleitringdichtungseinrichtung - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf hydraulische oder pneumatische Stellglieder wie lineare Zylinder, genaugenommen Stangendichtungen mit Druckausgleich, welche den Leckverlust nach außen an der Stelle, wo die Stange durch eine Drucksperre hinausfährt, beseitigt oder begrenzt, dabei jedoch die hohe Reibung, die oft bei druckbetätigten Stangendichtungen auftritt, vermeidet.

Verschiedene Arten von Dichtungen werden von dem Druck, den sie unter Kontrolle halten sollen, betrieben. Durch diesen Druckantrieb entsteht eine Radialkraft an der Dichtung. Diese Radialkraft führt zu einer Abnutzung der Dichtung und damit zu einer kürzeren Lebensdauer, mit der Folge, daß der Zylinder häufig überholt werden muß. Zudem ist die Radialkraft der unter innerem Druck gesetzten Dichtung oft die Hauptursache, wenn im Zylinder Reibung auftritt.

In hydraulischen oder pneumatischen Zylindern, die für besondere Zwecke, z. B. in Flugsimulatoren oder bei fliegenden Scheren, zur Anwendung kommen, werden oft hydrostatische Lager verwendet, um sowohl eine höhere Lebensdauer des Lagers als auch bessere Reibungseigenschaften zu erzielen. Diese Lager sind jedoch recht aufwendig gearbeitet und teuer in der Herstellung, erzeugen aber immer noch einen erheblichen Leckverlust, der zu einem höheren hydraulischen Energiebedarf beiträgt.

Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine langlebige Stangendichtung mit geringer Reibung zu schaffen, die zu geringen Kosten hergestellt werden kann und bei der die Probleme der Dichtungen herkömmlicher Art nicht auftreten.

Durch eine Stangendichtung, die in radialer Richtung "schwimmt", können die Aufgaben dieser Erfindung realisiert werden. Hierzu kann man die Stange durch einen separaten elastomeren Ring stützen, der als separates Lager dient.

Bei einer Ausführung dieser Erfindung ist die Stangendichtung mit einem Stangendichtungsring versehen, der eng an der Kolbenstange anliegt, jedoch zumindest für einen begrenzten Bereich eine freie radiale Bewegung ermöglicht, da die Stange sich axial in der Dichtung und dem Stangenlager bewegt. Aufgrund des Radialspiels wird die axiale Bewegung der Stange durch die Stangendichtung nicht behindert. Die Berührungsbelastung zwischen der Stange und der gleitenden Dichtung ist unerheblich. Dadurch wird die Reibung, die gewöhnlich zwischen der Dichtung und der Stange auftritt, zum größten Teil aufgehoben. Aufgrund dieser geringen Reibung kann selbst bei starker Beanspruchung mit einer langen Betriebsdauer und geringer Abnutzung gerechnet werden. Außerdem ist die Stangendichtung mit Druckausgleichsflächen versehen, die durch statische elastomere Dichtungsringe voneinander getrennt werden können. Diese Dichtungsringe können aus einem Material, das die radiale Dichtungsreibung auf ein Minimum reduziert, hergestellt werden.

Entsprechend eines Aspekts dieser Erfindung besteht der Stangendichtungsring z. B. aus Gußeisen oder einem ähnlich haltbaren Material, wobei der Innendurchmesser des Dichtungsrings dem Durchmesser der Stange angepaßt ist. Auf dem Stangendichtungsring befinden sich proximale und distale zylindrische Abschnitte sowie ein zentraler ringförmiger Flansch mit einem Durchmesser, der größer als der der proximalen und distalen Abschnitte ist. In einem ringförmigen Einschnitt oder Schlitz im zentralen ringförmigen Flansch befindet sich eine zentral gelegene Ringdichtung, deren Außendurchmesser zumindest geringfügig größer als der des zentralen ringförmigen Flansches ist und im ringförmigen Einschnitt ein begrenztes Radialspiel hat.

Das distale Ende des Zylindergehäuses ist mit einem im allgemeinen zylindrischen Sitz für die Stangendichtung versehen, der proximale und distale zylindrische Abschnitte zur Aufnahme der proximalen und distalen Abschnitte des Stangendichtungsringes aufweist, wobei jeweils ein geringes Radialspiel verbleibt. Der ringförmige Flansch wird von einer ringförmigen Lücke zwischen den proximalen und distalen Abschnitten des Sitzes aufgenommen. Diese Lücke hat einen im allgemeinen zylindrischen Boden, der bezüglich des ringförmigen Flansches ein geringes Radialspiel festlegt. Die zentrale Ringdichtung liegt an dieser zylindrischen Fläche an. Proximale und distale ringförmige Einschnitte in den proximalen und distalen zylindrischen Abschnitten des Sitzes nehmen Ringdichtungen auf, die in ihren zugehörigen Einschnitten jeweils über ein Radialspiel verfügen. Diese Ringdichtungen weisen Innenflächen auf, die an die zylindrischen Abschnitte der Stangendichtungen stoßen. Zwischen den jeweiligen proximalen und distalen Ringdichtungen und der zentralen Ringdichtung werden Druckausgleichsbereiche festgelegt. Druckausgleichs­ bohrungen erstrecken sich innerhalb des Stangendichtungsringes sowohl vom proximalen Ende zu dem zwischen den zentralen Ringdichtungen und der distalen Ringdichtung liegenden Zwischenraum als auch von dem distalen Ende zu einem Zwischenraum zwischen der proximalen Ringdichtung und der zentralen Ringdichtung.

Die oben genannten Aufgaben, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie viele weitere werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführung, die in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung gelesen werden sollte, näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 stellt entsprechend einer Ausführung dieser Erfindung eine Längsschnitt eines distalen Abschnitts eines hydraulischen Stellgliedes oder Zylinders mit einer Gleitringdichtung dar.

Fig. 2, eine Vergrößerung eines Teils von Abb. 1, zeigt den Stangendichtungsring und den Sitz.

Fig. 3 zeigt eine Prinzipskizze zur Erklärung des Druckausgleichs der Gleitringdichtung.

Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführung

In der Zeichnung, und zwar zunächst in Fig. 1, wird der entsprechende Teil eines hydraulischen Zylinders 10 gezeigt. Dieser Zylinder kann dem im allgemeinen unter der amerikanischen Pat. Nr. 46 91 621 dargestellten Typs entsprechen. In diesem Fall hat der Zylinder 10 eine zylindrische Manschette 11 und eine axial bewegbare Kolbenstange 12 mit einem ringförmigen Querschnitt. Die Stange 12 ist mit einem Kolben (nicht dargestellt) versehen, der innerhalb der Manschette hydraulisch (oder pneumatisch) betrieben wird. In Fig. 1 sieht man eine Einrichtung 13 am distalen Ende, durch die die Kolbenstange 12 aus der Manschette 11 herausfährt. Die Einrichtung 13 hat eine hydraulische Öffnung 14, durch die der Flüssigkeitsdruck mit dem Inneren des Zylinders 10 in Verbindung steht. Ein Verbindungs- oder Paßstück 15 ist an eine Hydraulikleitung angeschlossen. Ein ähnliches Verbin­ dungs- oder Paßstück (nicht dargestellt) ist an einem proximalen Ende des Zylinders 10 angebracht.

Zur Einrichtung am distalen Ende 13 gehört ein elastomerer oder metallischer Stützring 18, der die Stange 12 radial stützt. In einem Haltering 16 befindet sich eine Dichtung 17, und eine Flüssigkeitsablaß­ öffnung 19 wird proximal von dem Lager 18 angebracht.

Eine Gleitringdichtungseinrichtung 20 dient dazu, einen Leckverlust von Hydraulikflüssigkeit oder Druckluft in die Nähe des Lagers 18 und der Dichtungsgruppe 16 zu leiten.

Bei dieser Ausführung weist die Gleit­ ringdichtungseinrichtung 20 einen Stangendichtungsring 21 (detailliert in Fig. 2 dargestellt) auf, der vorzugsweise aus Gußeisen oder einem anderen geeigneten Material besteht. Der Ring 21 ist im allgemeinen zylindrisch und hat einen zylindrischen proximalen Abschnitt 22 und einen zylindrischen distalen Abschnitt 23. Es gibt einen zentralen ringförmigen Steg oder Flansch 24, der einen größeren Durchmesser als die Abschnitte 22, 23 aufweist. Der Flansch 24 hat einen ringförmigen Einschnitt oder Schlitz 25. In diesem Schlitz 25 befindet sich eine elastomere Ringdichtung 26. Bei dieser Ausführung besteht die Ringdichtung aus Ringen, die Rückseite an Rückseite angeordnet sind. Vorzugsweise beinhaltet die Dichtung einen Elastomer mit Polytetrafluorethylen oder einem ähnlichen Material von geringer Reibung, um die radiale Bewegung der Dichtung 26 in dem Einschnitt oder Schlitz zu erleichtern. Geeignete Materialien könnten Polyether­ etherketon (Arlon) R oder Polyimid (Vespel) R enthalten.

In der Einrichtung am distalen Ende 13 befindet sich ein für den Stangendichtungsring 21 passender Sitz 27. Der Sitz 27 weist eine ringförmige Lücke 28 mit einer zylindrischen Fläche auf, die einen etwas größeren Durchmesser als der ringförmige Flansch 24 hat. Diese Fläche 29 liegt auf der Ringdichtung 26, im allgemeinen entsprechend der Figur, auf. Der Sitz 27 hat ebenfalls einen zylindrischen proximalen Abschnitt 30 und einen zylindrischen distalen Abschnitt 31, die die proximalen und distalen Abschnitte 22, 23 des Stangendichtungsrings 21 aufnehmen. Der Durchmesser der Abschnitte 30, 31 ist etwas größer als der der Abschnitte des Dichtungsringes 22, 23, um somit zumindest ein begrenztes Radialspiel zu ermöglichen. In jedem der Abschnitte 30 und 31 gibt es jeweils einen ringförmigen Schlitz oder Einschnitt 32 bzw. 33, in dem sich eine Ringdichtung 34 oder 35 befindet, die jeweils die gleiche allgemeine Form wie die Ringdichtung 26 besitzt. Die Dichtungen 34, 35 haben in den jeweiligen Schlitzen 32, 33 zumindest etwas Spiel. Jede dieser Dichtungen 34, 35 hat im Inneren eine ringförmige Fläche, die an die zylindrischen Oberflächen der jeweiligen Ringdichtungsabschnitte 22, 23 anschließt. Bei alternativen gleichwertigen Ausführungen könnten die Schlitze 32, 33 anstatt in das Gehäuse 13 in den Dichtungsring 20 eingearbeitet sein.

In dem Stangendichtungsring 21 befindet sich eine zentrale Bohrung 36, deren Maß auf den Durchmesser der Stange 12 abgestimmt ist. Durch diese Bohrung 36 kann die Stange 12 sich frei in axialer Richtung bewegen. Querverlaufende ringförmige Nuten 37 in der Bohrung 36 erzeugen eine Labyrinthdichtung, um ein Durchströmen der Hydraulikflüssigkeit oder der Druckluft in dem sehr geringen Spiel zwischen der Stange 12 und der Bohrungswand 36 zu verhindern.

Wie aus der vorangegangenen Ausführung hervorgeht, ist der Stangendichtungsring 21 dicht an die Zylinderstange 12 angepaßt, kann sich jedoch radial frei bewegen, während die Stange sich im Lager bewegt, ohne von der Dichtung behindert zu werden. Der Stange 12 wird von der Gleitringdichtungseinrichtung 20 keine Radialkraft auferlegt, denn die radiale Stütze ist nur an der Lagereinrichtung am Ende 13 vorzufinden. Da zwischen der Stange 12 und der Gleitringdich­ tungseinrichtung 20 im Grunde keine Kontaktbelastung besteht, ist auch die Reibung, die normalerweise bei den Stangendichtungen der herkömmlichen Art vorzufinden ist, nicht vorhanden. Durch dieses geringe Maß an Reibung erhält der Zylinder 10 eine lange Betriebsdauer, und dies bei reduziertem Energiebedarf.

In der Gleitringdichtungseinrichtung 20 befindet sich eine druckausgleichende Einrichtung, die sich folgendermaßen leicht erklären läßt. Die ersten und zweiten Druckausgleichsbereiche der Dichtungsein­ richtung 20 werden durch die statischen Dichtungsringe festgelegt. Der erste Bereich befindet sich zwischen der Ringdichtung am distalen Ende 35 und der zentralen Ringdichtung 26, während der zweite Bereich zwischen der zentralen Ringdichtung 26 und der Ringdichtung am proximalen Ende 34 liegt. Eine erste Druckausgleichsbohrung 38 erstreckt sich im Stangendichtungsring 21 vom proximalen Ende desselben zur distalen Seite des Flansches 24, während eine zweite Druckausgleichsbohrung 39 von der proximalen Seite des Flansches 24 zum distalen Ende des Stangendichtungsringes 21 verläuft.

Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, werden durch die Druckausgleichsbohrungen 38 und 39 gleichmäßige Drucke P1 gegen die proximale ringförmige Fläche des Flansches 24 und gegen die ringförmige Stirnfläche des Abschnittes am distalen Ende 23 sowie ebenfalls gleichmäßige Drucke P2 gegen die distale ringförmige Fläche des Flansches 24 und gegen die ringförmige Stirnfläche des Abschnittes am proximalen Ende 22 ausgeübt. Die Endabschnitte 22 und 23 weisen die Wirkungsquerschnitte A1 und B1 auf, während die proximalen und distalen ringförmigen Flächen des Flansches 24 die Wirkungsquerschnitte A2 und B2 haben. Die auf den Dichtungsring 20 ausgeübte Axialkraft F ist die Summe der Produkte aus den Querschnitten bzw. der jeweils gegen sie ausgeübten Drucke, d. h.,

-A1 P1 + A2 P2 + B1 P2 - B2 P1 = F.

Die Querschnitte sind abhängig von den jeweiligen Durchmessern DR, DI und DO. Für einen gegebenen Stangendurchmesser wird ein Bohrungsdurch­ messer DR festgelegt. Die Durchmesser DI und DO können so gewählt werden, daß folgendes gilt: A1 = A2 und B1 = B2. Dies ergibt eine Nettoaxialkraft von Null für alle angewandten Drucke P1 und P2.

Durch die vorausgegangene Beschreibung und die Zeichnungen läßt sich schließen, daß die Konstruktion dieser Dichtungseinrichtung einfach ist und von daher zu relativ geringen Kosten hergestellt werden kann. Die Gleitringdichtungseinrichtung erzeugt in bezug auf Fluide sehr hohe Dichtungseigenschaften mit geringer axialer Reibung.

Diese Erfindung wurde zwar ausführlich in bezug auf eine bevorzugte Ausführung beschrieben, ist jedoch nicht auf genau diese Ausführung beschränkt. Bei entsprechender Beherrschung dieses Fachwissens werden sich eine Reihe von Abänderungen anbieten, ohne dadurch von dem Umfang und dem Sinn dieser Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen näher erläutert werden, abzuweichen.

Claims (7)

1. Eine Stangendichtung für einen linearen hydraulischen oder pneumatischen Stellzylinder, in dem sich eine Kolbenstange mit kreisförmigem Querschnitt über ein Radialstützlager (17) am distalen Ende des Gehäuses (11) erstreckt und in dem eine hydraulische Öffnung (14) an einem distalen Ende des Gehäuses angebracht ist, um Luft oder Hydraulikflüssigkeit einzuspeisen oder zu entziehen und somit den Zylinder zu betätigen und die Stange axial zu bewegen, in der die besagte Stangendichtung einen Stangendichtungsring aufweist (20), der sich zwischen der besagten Öffnung (14) und dem besagten Radialstützlager (17) befindet, wobei der Stangendichtungsring einen Innendurchmesser hat, der auf den Durchmesser der Stange (12) abgestimmt ist, wobei die proximalen und distalen Abschnitte einen festgelegten Durchmesser aufweisen; die Einrichtung ist weiterhin durch folgende Merkmale gekennzeichnet: Daß der besagte Stangendichtungsring (20) einen zentralen ringförmigen Flansch (24) mit einem festgelegten Durchmesser, der größer als die Durchmesser der besagten proximalen und distalen Abschnitte ist, hat, sowie einen ringförmigen Einschnitt (25) in dem besagten zentralen ringförmigen Flansch, eine zentrale Ringdichtung (26) mit einem Außendurchmesser, der größer als der des zentralen ringförmigen Flansches ist und zumindest über ein begrenztes Radialspiel im besagten ringförmigen Einschnitt (25) verfügt; durch einen im allgemeinen zylindrischer Sitz (27) am distalen Ende des besagten Zylindergehäuses für den besagten Stangendichtungsring, der proximale und distale zylindrische Abschnitte (30, 31) zur Aufnahme der proximalen und distalen Abschnitte (22, 23) des besagten Stangendichtungsrings hat und dazwischen ein Radialspiel festlegt, eine ringförmige Lücke (28) zwischen den proximalen und distalen Abschnitten des besagten Sitzes (27) zur Aufnahme des besagten ringförmigen Flansches und eine im allgemeinen zylindrische Fläche (29) aufweist, die zumindest ein begrenztes Radialspiel in bezug auf den besagten ringförmigen Flansch (24) festlegt und an den die besagte zentrale Ringdichtung angrenzt; durch proximale und distale ringförmige Einschnitte (32, 33) entweder in besagten proximalen und distalen zylindrischen Abschnitten des besagten Sitzes oder in den besagten proximalen und distalen Abschnitten des Stangendich­ tungsrings, in denen jeweils proximale und distale Ringdichtungen (34, 35) aufgenommen werden, welche zumindest ein begrenztes Radialspiel in ihren jeweil­ igen Einschnitten haben sowie Flächen, die an die anderen Flächen der proximalen und distalen Abschnitte (22, 23) des Stangendichtungsrings bzw. der proximalen und distalen zylindrischen Abschnitte des Sitzes stoßen; durch den ersten Druckausgleichskanal (38), der Flüssigkeitsdruck vom proximalen Ende des Stangendichtungsringes zum ersten Zwischenraum zwischen der besagten zentralen Ringdichtung und der besagten distalen Ringdichtung transportiert; und durch den zweiten Druckausgleichskanal (39), der Flüssigkeits­ druck vom distalen Ende der Stangendichtung zu einem zweiten Zwischenraum zwischen der besagten proximalen Ringdichtung und der zentralen Ringdichtung trans­ portiert.

2. Die Stangendichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der besagte erste Druckausgleichskanal (38) mindestens eine Bohrung von der proximalen Fläche des besagten Stangendichtungs­ rings zur distalen Fläche des besagten ringförmigen Flansches (24) und der besagte zweite Druckaus­ gleichskanal (39) mindestens eine Bohrung von der proximalen Fläche des besagten ringförmigen Flansches (24) zu einer distalen Fläche des besagten Stangendich­ tungsringes aufweist.

3. Die Stangendichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß jede der besagten proximalen, zentralen und distalen Ringdichtungen (34, 26, 35) einen Ring enthält, der aus elastomerem Material, das eine geringe Reibung verursacht, besteht.

4. Die Stangendichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß jeder der besagten proximalen, zentralen und distalen Ringdichtungen (34, 26, 35) ein Paar nebeneinander angeordneter Ringe aufweist.

5. Die Stangendichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der besagte erste Zwischenraum und die besagten proximalen Dichtungsringabschnitte (22) im Grunde die gleichen Wirkungsquerschnitte haben, und der zweite Zwischenraum sowie der besagte distale Dichtungsringabschnitt (23) im Grunde ebenfalls die gleichen Wirkungsquerschnitte haben, so daß die durch den Flüssigkeitsdruck hervorgerufenen Axialkräfte auf der besagten Stangendichtung dazu neigen, sich gegenseitig auszugleichen.

6. Dichtung für eine Kolbenstange (12) mit einem die Stange umgebenden Gehäuse und einem im Gehäuse geführten Dichtungsring (20), dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungs­ ring (20) einen sich radial nach außen erstreckenden ring­ förmigen Steg (24) aufweist, dem eine korrespondierende, ebenfalls ringförmige Aussparung (28) im Gehäuse zugeordnet ist, daß sowohl die Endabschnitte (22, 23) als auch der Steg (24) des Dichtungsringes (20) radial nach außen gegenüber dem Gehäuse mit Hilfe von Ringdichtungen (34, 35, 26) abge­ dichtet sind und daß zwei seperate Bohrungen (38, 39) vorhanden sind, die jeweils einen der beiden den Stirnseiten des Dichtungs­ ringes (20) vorgelagerten Räume mit dem jeweils abgewandten Raum der beiden Räume verbinden, die vom Gehäuse, dem Dichtungs­ ring (20) und den Ringdichtungen (26 und 34) bzw. (26 und 35) gebildet werden.

7. Dichtung nach Anspruch 6 mit einem oder mehreren der Merkmale der Ansprüche 2 bis 5.