DE102011003934A1

DE102011003934A1 - Dichtungselement für Kreiskolbenmaschine

Info

Publication number: DE102011003934A1
Application number: DE102011003934A
Authority: DE
Inventors: Heinz Raubacher; Uwe Koch; Marko Voigt; Markus Alber
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: RAUBACHER, HEINZ, DE
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2012-08-16
Also published as: US9074475B2; EP2673471A2; WO2012107279A3; US20130319222A1; EP2673471B1; WO2012107279A2; CN103502573A; CN103502573B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dichtungselement für eine Kreiskolbenmaschine zur Abdichtung eines in einem Ringspalt geführten, um eine Drehachse rotierbaren Hebels, wobei das Dichtungselement rotationssymmetrisch in Bezug auf die Drehachse ausgebildet ist. Das Dichtungselement umfasst einen dynamischen Bereich und einen statischen Bereich, — wobei der dynamische Bereich eine axiale Dichtfläche aufweist, die dem Ringspalt zugewandt ist, und eine radiale Dichtfläche, die dem Inneren eines den Ringspalt umgebenden Ringkanals der Kreiskolbenmaschine zugewandt ist; und — wobei der statische Bereich zur Festlegung des Dichtungselements an der Kreiskolbenmaschine dient, und wobei in dem statischen Bereich ein Kanal ausgebildet ist, der mit einem Fluid beaufschlagbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dichtungselement für eine Kreiskolbenmaschine zur Abdichtung eines in einem Ringspalt geführten, um eine Drehachse rotierbaren. Hebels, wobei das Dichtungselement rotationssymmetrisch in Bezug auf die Drehachse ausgebildet ist.
Eine Kreiskolbenmaschine ist z. B. in der Offenlegungsschrift DE 10 2007 001 021 A1 beschrieben. Diese umfasst einen Ringkanal, der entlang eines zumindest teilweisen Kreisbogens gekrümmt ist, und in dem ein Kolben durch Druckbeaufschlagung mit einem Fluid in eine Bewegung entlang des Kreisbogens versetzt werden kann. Diese Bewegung wird über einen mit dem Kolben verbundenen Hebel auf einen Drehkörper übertragen, der eine mit dem Ringkanal koaxiale Drehachse aufweist. Mit der Kreiskolbenmaschine kann somit durch hydraulische Kräfte unmittelbar ein Drehmoment erzeugt werden, im Gegensatz zu einem herkömmlichen Hydraulikkolben, der eine lineare Kraft erzeugt.
Bei einer derartigen Kreiskolbenmaschine ist der Hebel als eine im Wesentlichen kreisrunde Treibscheibe ausgebildet, die mit dem Kolben um die Drehachse rotiert und deren Randbereich in einem Ringspalt in der Wandung des Ringkanals geführt wird. Dieser Ringspalt muss sich prinzipbedingt über die gesamte Länge des Kreisbogens, der für eine Bewegung des Kolbens zur Verfügung stehen soll, ausdehnen, d. h. im Extremfall entlang des gesamten Umfangs eines Kreises. Dies stellt hohe Anforderungen an die erforderliche Abdichtung des Ringkanals gegen ein Austreten des Hydraulikfluids zwischen den Wandungen des Ringkanals und dem Hebel. Dabei muss die Dichtigkeit sowohl im statischen Zustand (Stillstand des Kolbens und des Hebels) als auch im dynamischen Zustand (Bewegung des Kolbens und des Hebels) sowie bei unterschiedlichen Drücken des Hydraulikfluids, die typischerweise bis zu ca. 150 bar betragen können, gewährleistet sein.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dichtungselement für eine derartige Kreiskolbenmaschine vorzuschlagen, mit dem diese Anforderungen in hohem Maße erfüllt werden können.
Diese Aufgabe wird bei dem Dichtungselement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Dichtungselement einen dynamischen Bereich und einen statischen Bereich umfasst,

– wobei der dynamische Bereich eine axiale Dichtfläche aufweist, die dem Ringspalt zugewandt ist, und eine radiale Dichtfläche, die dem Innenraum eines den Ringspalt umgebenden Ringkanals der Kreiskolbenmaschine zugewandt ist; und
– wobei der statische Bereich zur Festlegung des Dichtungselements an der Kreiskolbenmaschine dient, und wobei in dem statischen Bereich ein Kanal ausgebildet ist, der mit einem Fluid beaufschlagbar ist.

Zur Abdichtung des Hebels einer Kreiskolbenmaschine sind jeweils zwei erfindungsgemäße Dichtungselemente vorgesehen, die an gegenüberliegenden Seiten des Ringspalts angeordnet sind und deren axiale Dichtflächen an gegenüberliegenden Oberflächen des scheibenförmigen Hebels anliegen. Die Dichtungselemente sind an der Kreiskolbenmaschine festgelegt, indem sie z. B. in korrespondierenden Aussparungen der Wandung des Ringkanals aufgenommen sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Dichtungselement muss der dynamische Bereich, an dessen axialer und radialer Dichtfläche der Hebel bzw. der Kolben beim Betrieb der Kreiskolbenmaschine entlanggleiten, die Abdichtung gegenüber dem Hydraulikfluid übernehmen. Die Anpresskraft bzw. Flächenpressung zwischen den Dichtflächen und den beweglichen Teilen muss also mindestens so groß sein wie der Druck des Hydraulikfluids auf der druckbeaufschlagten Seite des Kolbens (Systemdruck). Andererseits sollte die Anpresskraft aber auch nicht zu hoch sein, um unnötige Reibungsverluste zu vermeiden.
Die somit erforderliche Variierung der Anpresskraft wird erfindungsgemäß dadurch bewirkt, das der in dem statischen Bereich des Dichtungselements ausgebildete Kanal mit dem unter Druck stehenden Hydraulikfluid beaufschlagt. wird. Diese Beaufschlagung erfolgt also von der statischen Seite her (über entsprechende Zuführungen für das Hydraulikfluid), wobei der Druck in dem Kanal von dem statischen Bereich auf den dynamischen Bereich des Dichtungselements übertragen wird und somit ein auf die Dichtflächen wirkender Gegendruck erzeugt wird. Auf diese Weise erhöht sich die Anpresskraft des Dichtungselements entsprechend dem Druck des Hydraulikfluids in dem Ringkanal, gegen das die Abdichtung erfolgen soll. Die Dichtwirkung des erfindungsgemäßen Dichtungselements ist somit – bei Beaufschlagung des Kanals mit dem Hydraulikfluid – mehr oder weniger selbstregulierend.
Durch eine entsprechende Auslegung der Geometrie des Dichtungselements sowie die Wahl der verwendeten Materialien, auf die im Folgenden noch näher eingegangen wird, kann die selbstregulierende Wirkung bei der Beaufschlagung des Kanals mit dem Hydraulikfluid so angepasst werden, dass sowohl im statischen als auch im dynamischen Zustand jeweils eine ausreichende Anpresskraft vorliegt, z. B. eine Flächenpressung, die etwa 10% über dem Systemdruck liegt.
Der dynamische Bereich und der statische Bereich des erfindungsgemäßen. Dichtungselements können aus demselben Material bestehen. Das Dichtungselement kann in diesem Fall insbesondere einstückig ausgebildet sein. Als geeignete Materialien kommen dabei insbesondere Fluorpolymere wie PTFE oder TFE-Copolymere in Frage.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Dichtungselement ein erstes Dichtungsteil, welches den dynamischen. Bereich bildet, und ein zweites Dichtungsteil, welches den statischen Bereich bildet.
Das zweite Dichtungsteil ist dabei entlang der den Dichtflächen gegenüberliegenden Seiten des ersten Dichtungsteils mit diesem verbunden. Eine solche zweistückige Ausbildung des Dichtungselements ermöglicht die Verwendung unterschiedlicher Materialien für den dynamischen und den statischen Bereich, sodass die Eigenschaften der beiden Bereiche im Wesentlichen unabhängig voneinander optimiert und eine besonders vorteilhafte Funktionstrennung ermöglicht wird.
Das erste und das zweite Dichtungsteil sind jeweils rotationssymmetrisch in Bezug auf die Drehachse ausgebildet, d. h. das Dichtungselement weist entlang verschiedener die Drehachse enthaltender Ebenen jeweils im Wesentlichen dieselbe Querschnittsform auf. Entsprechend dem Ringkanal der Kreiskolbenmaschine kann sich das Dichtungselement entlang des gesamten Umfangs eines Kreises erstrecken, d. h. ringförmig ausgebildet sein, oder nur entlang eines teilweisen Kreisbogens.
Die unmittelbare dynamische Dichtungsfunktion wird bei der zweistückigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtungselements durch das erste Dichtungsteil übernommen. Dieses ist bevorzugt aus einem nicht-elastomeren Fluorpolymer gebildet. Fluorpolymere, insbesondere PTFE oder TFE-Copolymere (siehe unten), zeichnen sich durch eine hohe Abriebfestigkeit, eine hohe chemische und thermische Widerstandsfähigkeit sowie einen geringen Reibungswiderstand aus. Letztere Eigenschaft ist von wesentlicher Bedeutung, da sich die axiale Dichtfläche des ersten Dichtungsteils über die gesamte Ausdehnung des Hebels in Umfangsrichtung erstreckt und somit relativ groß ist. Eine zu hohe Reibung würde zu erheblichen Verlusten bei der Kraftübertragung sowie zu einem starken Verschleiß des Hebels führen.
Die nicht-elastomeren Fluorpolymere weisen insbesondere auch eine geringe Reibkraftstreuung auf, d. h. die Haft- und die Gleitreibung sind in etwa gleich oder unterscheiden sich nur unwesentlich. Dadurch kann ein unerwünschter Stick-Slip-Effekt, also ein ruckartiges Inbewegungsetzen des Kolbens, weitgehend vermieden werden.
Neben der axialen Dichtfläche, die ganz oder teilweise an der Oberfläche des Hebels anliegt und damit den wesentlichen Teil der Abdichtung des Ringkanals nach außen übernimmt, weist der dynamische Bereich bzw. das erste Dichtungsteil des erfindungsgemäßen Dichtungselements auch eine radiale Dichtfläche auf, durch die diese Abdichtung ergänzt wird. Die radiale Dichtfläche bildet dabei einen Teil der Umfangsfläche des Ringkanals und liegt jeweils abschnittsweise an dem Kolben an, der sich entlang des Ringkanals bewegt. In diesem Abschnitt trägt die radiale Dichtfläche somit (neben der Dichtung des Kolbens) zur Abdichtung der druckbeaufschlagten Seite des Kolbens gegenüber der nicht-druckbeaufschlagten Seite bei.
Die axiale Dichtfläche und die radiale Dichtfläche stoßen entlang einer Kante aneinander, die kreisförmig bzw. in Form eines teilweisen Kreisbogens ausgebildet ist. Diese Kante verläuft entlang des Außenumfangs des Hebels.
Das zweite Dichtungsteil ist bei einem zweistückigen erfindungsgemäßen Dichtungselement bevorzugt aus einem elastomeren Material gebildet. Dadurch wird eine gewisse Vorspannung erreicht, d. h. das erste Dichtungsteil wird aufgrund der elastischen Eigenschaften des zweiten Dichtungsteils an den Hebel angepresst. Diese Anpresskraft ist zumindest für den statischen Zustand der Kreiskolbenmaschine ausreichend, d. h. für den Fall, wenn der Kolben nicht in Bewegung. ist und das die Bewegung vermittelnde Fluid nicht oder nur mit einem geringen Druck beaufschlagt ist.
Die axiale Dichtfläche des dynamischen Bereichs bzw. des ersten Dichtungsteils kann in einer zur Drehachse senkrechten Ebene liegen. In diesem Fall liegt bereits im statischen Zustand (d. h. ohne Druckbeaufschlagung des Kanals) die gesamte axiale Dichtfläche an der Oberfläche des Hebels an, die ebenfalls senkrecht zur Drehachse ist. Häufig ist jedoch eine so große effektive Dichtfläche im statischen Fall nicht erforderlich.
Daher ist es bevorzugt, wenn die axiale Dichtfläche gegenüber einer zu der Drehachse senkrechten Ebene geneigt ist. Im statischen, d. h. drucklosen Zustand liegt die axiale Dichtfläche dann nur im Bereich der Kante zwischen der axialen und der radialen Dichtfläche an der Oberfläche des Hebels an. Im dynamischen Zustand wird durch die Beaufschlagung des Kanals mit dem Hydraulikfluid der dynamische Bereich geringfügig verformt und die geneigte axiale Dichtfläche in Richtung des Hebels gedrückt, d. h. die effektive Dichtfläche wird mit zunehmendem Hydraulikdruck kontinuierlich vergrößert, bis die gesamte axiale Dichtfläche an dem Hebel anliegt.
Die Neigung der axialen Dichtfläche beträgt günstigerweise nicht mehr als 8°, wobei eine Neigung im Bereich von 1° bis 3° besonders bevorzugt ist. Die Wahl des geeigneten Neigungswinkels ist u. a. auch vom gewählten Material. (z. B. von der Art des nicht-elastomeren Fluorpolymers des ersten Dichtungsteils) abhängig.
Günstig ist es, wenn die axiale Dichtfläche eine oder mehrere Rillen aufweist. Hierdurch kann die effektive Dichtfläche verkleinert bzw. über einen größeren Bereich in Radialrichtung verteilt werden, was insbesondere vorteilhaft ist, um die Ausdehnung der axialen Dichtfläche an die Geometrie des in dem statischen Bereich ausgebildeten Kanals anzupassen. Die Rillen können konzentrisch um die Drehachse angeordnet sein oder einen Drall aufweisen, um. Hydraulikfluid, das zwischen die Dichtfläche und den Hebel eingedrungen ist, durch die Rotation des Hebels in Richtung des Ringkanals zurückzuführen. Daneben können die Rillen auch als Reservoir für ein Schmiermittel (z. B. Schmierfett) dienen, welches auf die Dichtfläche aufgebracht ist.
Das nicht-elastomere Fluorpolymer des ersten Dichtungsteils (oder eines einstückigen Dichtungselements) umfasst, wie bereits oben angesprochen, bevorzugt ein homopolymeres PTFE oder ein Copolymer von Tetrafluorethylen mit mindestens einem Comonomer. Das mindestens eine Comonomer ist bevorzugt ausgewählt aus Hexafluorpropylen, Perfluoralkylvinylethern, Perfluor(2,2-dimethyl-1,3-dioxol) und Chlortrifluorethylen.
Hompolymeres PTFE zeichnet sich durch eine äußerst hohe thermische und chemische Beständigkeit aus sowie durch einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten, wodurch es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden kann. Allerdings ist PTFE, obwohl es sich um ein thermoplastisches Polymer handelt, aufgrund seiner außerordentlich hohen Schmelzviskosität nicht aus der Schmelze, also z. B. mittels Spritzguss, verarbeitbar. Ein erstes Dichtungsteil aus PTFE kann insbesondere durch zerspanende Bearbeitung (z. B. Drehen) hergestellt werden.
Copolymere aus Tetrafluorethylen und den oben genannten Fluorverbindungen werden bei einem relativ geringen Comonomeranteil als modifiziertes PTFE bezeichnet, welches ebenfalls nicht schmelzverarbeitbar ist. Bei geringfügiger Erhöhung des Comonomeranteils können jedoch Fluorpolymere erhalten werden, die aus der Schmelze verarbeitbar sind, wobei die vorteilhaften Eigenschaften des PTFE fast in vollem Umfang erhalten bleiben. Derartige Copolymere sind z. B. in der EP 1 263 877 B1 beschrieben. Ein erstes Dichtungsteils aus einem solchen Material kann z. B. durch Spritzguss hergestellt werden, was herstellungstechnisch effizienter ist als eine zerspanende Bearbeitung.
Ein schmelzverarbeitbares TFE-Copolymer mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 315 bis 324°C wird von der ElringKlinger Kunststofftechnik GmbH unter der Marke Moldflon^® angeboten.
Das Fluorpolymer kann zusätzlich einen oder mehrere Füllstoffe enthalten. Durch solche Füllstoffe können die Eigenschaften von Fluorpolymeren, insbesondere die Druckstabilität und Verschleißfestigkeit, weiter verbessert werden. Geeignete Füllstoffe sind aus dem Stand der Technik bekannt und umfassen z. B. Graphit, Kohlenstofffasern, Molybdänsulfid und Hochleistungsthermoplaste wie z. B. Polyetherketone, Polyphenylensulfide, Polyetherimide usw. Die Auswahl von Art und Menge der Füllstoffe hängt insbesondere auch von der Art des verwendeten Fluorpolymers ab.
Bei einem zweistückigen Dichtungselement umfasst das elastomere Material des zweiten Dichtungsteils bevorzugt ein thermoplastisches Elastomer, insbesondere ein elastomeres Polyurethan. Dieses verfügt über eine Reihe von Eigenschaften, durch die es sich für einen Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung in besonderem Maße eignet. Elastomeres Polyurethan weist eine ausreichende Elastizität auf, um die nötige Vorspannung des Dichtungselements im statischen Zustand zu erzeugen, gleichzeitig ist es aber hart genug, um spanabtragend bearbeitet zu werden. Alternativ wird durch die thermoplastische Eigenschaft eine Herstellung des zweiten Dichtungsteils z. B. mittels Spritzguss ermöglicht. Zusätzlich weist elastomeres Polyurethan eine hohe Chemikalienbeständigkeit, Druckfestigkeit und Verschleißfestigkeit auf.
Alternativ zu elastomerem Polyurethan oder anderen thermoplastischen Elastomeren können für das zweite Dichtungsteil im Rahmen der Erfindung prinzipiell auch andere, typischerweise nicht-thermoplastische Elastomere mit einer ausreichenden chemischen Beständigkeit gegen das Hydraulikfluid zum Einsatz gelangen, wie z. B. Fluorkautschuk, Nitrilkautschuk, Silikonkautschuk oder EPDM.
Das erste und das zweite Dichtungsteil des erfindungsgemäßen Dichtungselements können auf verschiedene Weise miteinander verbunden sein, z. B. durch einen Form- oder Kraftschluss. Bevorzugt sind die beiden Dichtungsteile jedoch stoffschlüssig miteinander verbunden. Eine stoffschlüssige Verbindung sorgt für eine dauerhafte Stabilität des Dichtungselements sowie für eine möglichst optimale Kraftübertragung zwischen dem ersten und dem zweiten Dichtungsteil, insbesondere auch bei Beaufschlagung des Kanals des zweiten Dichtungsteils mit dem Hydraulikfluid.
Die beiden Dichtungsteile können z. B. mittels eines geeigneten Klebemittels oder Haftvermittlers miteinander verklebt werden. Im Fall der Fluorpolymere des ersten Dichtungsteils ist hierfür jedoch häufig eine vorangehende Oberflächenbehandlung z. B. mittels Plasma-Ätzen oder mittels Natrium-Ammoniak-Ätzung erforderlich.
Besonders günstig ist es, wenn das zweite Dichtungsteil auf das erste Dichtungsteils aufgeschmolzen ist. Dies erfordert entsprechende thermoplastische Eigenschaften des Materials des zweiten Dichtungsteils, wie sie z. B. bei elastomerem Polyurethan gegeben sind. Auf ein zusätzliches Klebemittel kann in diesem Fall verzichtet werden.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, dass das erste und das zweite Dichtungsteil durch Coextrusion des nicht-elastomeren Fluorpolymers und des elastomeren Materials hergestellt sind. Dies setzt voraus, dass beide Materialien thermoplastisch verarbeitbar sind, was insbesondere bei Verwendung eines thermoplastischen TFE-Copolymers für das erste Dichtungsteil der Fall ist. Die Herstellung eines solchen Dichtungselements ist besonders effizient, da keines der beiden Dichtungsteile durch zerspanende Bearbeitung (z. B. Drehen) hergestellt werden muss.
Wie bereits beschrieben, ermöglicht es der in dem statischen Bereich bzw. in dem zweiten Dichtungsteil gebildete Kanal, die Anpresskraft der axialen Dichtfläche an die Oberfläche des Hebels durch die Einleitung des unter Druck stehenden Hydraulikfluids in den Kanal zu erhöhen. Je nach Ausführung des Kanals gilt dies auch, wenn auch meist in einem geringeren Ausmaß, für die Anpresskraft der radialen Dichtfläche (bzw. eines Abschnitts der radialen Dichtfläche) an den Kolben. Der Kanal verläuft – entsprechend der Rotationssymmetrie des Dichtungselements – entlang dessen Umfangsrichtung, und die Zuführung des Fluids erfolgt günstigerweise über eine oder mehrere Fluidzuführungen in der Wandung des Ringkanals der Kreiskolbenmaschine, die in der Aussparung, welche das Dichtungselement aufnimmt, enden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem zweistückigen Dichtungselement ist der Kanal zu dem ersten Dichtungsteil hin geschlossen. Bei dieser Variante kommt also das in den Kanal eingeleitete Fluid nicht mit dem ersten Dichtungsteil in Kontakt, sondern die Kraftübertragung erfolgt über einen Bereich des elastomeren Materials des zweiten Dichtungsteils.
Durch diese Gestaltung wird ermöglicht, dass der Kanal nach außen hin entlang des gesamten Umfangs des Dichtungselements offen ist, ohne dass das zweite Dichtungsteils seine strukturelle Integrität verliert. Das zweite Dichtungsteil kann in diesem Fall ohne besonderen Aufwand sowohl durch Spritzgießen als auch durch zerspanende Bearbeitung (z. B. Drehen) hergestellt werden.
Der in dem zweiten Dichtungsteil gebildete Kanal kann hinterschnitten sein, und zwar in der Weise, dass sich der Bodenbereich des Kanals in Richtung der radialen Dichtfläche des ersten Dichtungsteils erweitert. Dadurch wird die Dicke des elastischen Materials zwischen dem Kanal und dem ersten Dichtungsteils in Radialrichtung verringert und die Anpresskraft der radialen Dichtfläche in Folge der Druckbeaufschlagung des Kanals wird verstärkt. Durch die Gestaltung der Geometrie des Kanals bzw. des Dichtungselements insgesamt kann dieser Effekt über einen weiten Bereich variiert und an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der in dem zweiten Dichtungsteil gebildete Kanal zu dem ersten Dichtungsteil hin offen. Das in den Kanal eingeleitete Hydraulikfluid kommt in diesem Fall unmittelbar mit dem ersten Dichtungsteil, und zwar insbesondere mit einem die axiale Dichtfläche aufweisenden Bereich des ersten Dichtungsteils, in Kontakt, sodass die Kraftübertragung besonders effektiv ist. In diesem Fall kann der Kanal allerdings nicht nach außen hin entlang des gesamten Umfangs des Dichtungselements offen sein, da sonst das zweite Dichtungsteil seine strukturelle Integrität verlieren würde. Zur Einleitung des Fluids in den Kanal sind daher ein oder mehrere Durchbrüche (z. B. Bohrungen) in dem zweiten Dichtungsteil vorgesehen, die bevorzugt in Axialrichtung durch das zweite Dichtungsteil verlaufen und in dem Kanal enden.
Bei einem zu dem ersten Dichtungsteil hin offenen Kanal ist es günstig, wenn der Kanal von einem im Querschnitt wannenförmigen, ebenfalls zu dem ersten Dichtungsteil hin offenen Metallprofil begrenzt wird. Das Metallprofil ist bevorzugt ein Stahlprofil. Durch ein solches Profil kann die Querschnittsform des Kanals stabilisiert werden, insbesondere gegen eine Verformung des elastischen Materials des zweiten Dichtungsteils durch das unter Druck stehende Fluid. Des Weiteren kann durch das Metallprofil eine Beeinträchtigung der Geometrie des Kanals vermieden werden, wenn das aus einem thermoplastischen Elastomer gebildete zweite Dichtungsteil auf das erste Dichtungsteil aufgeschmolzen wird.
Wie bereits eingangs erwähnt, eignet sich das erfindungsgemäße Dichtungselement insbesondere zum Einsatz bei einer Kreiskolbenmaschine, wie sie beispielsweise in der DE 10 2007 001 021 A1 beschrieben ist.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit auch eine Kreiskolbenmaschine mit mindestens einem entlang eines zumindest teilweisen Kreisbogen gekrümmten Ringkanal, in dem ein Kolben beweglich gelagert ist, und einem in die Wandung des Ringkanals eingebrachten Ringspalt, in dem ein um eine mit dem Ringkanal koaxiale Drehachse rotierbarer Hebel geführt ist, wobei die Kreiskolbenmaschine mindestens zwei erfindungsgemäße Dichtungselemente umfasst, die in korrespondierenden Aussparungen der Wandung des Ringkanals aufgenommen sind, sodass die axialen Dichtflächen der zwei Dichtungselemente jeweils zu gegenüberliegenden Oberflächen des Hebels hin orientiert sind und die radialen Dichtflächen der Dichtungselemente zu dem Inneren des Ringkanals hin orientiert sind und ein Abschnitt der radialen Dichtflächen an dem Kolben anliegt.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kreiskolbenmaschine wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Dichtungselement erläutert.
Die Dichtungselemente sind in den Aussparungen der Wandung des Ringkanals formschlüssig und/oder kraftschlüssig gehalten. Besonders günstig ist es, wenn die Dichtungselemente in die Aussparungen eingeklebt sind, da auf diese Weise eine besonders stabile Verbindung geschaffen werden kann. Die Verklebung schafft insbesondere eine verdrehsichere Festlegung der Dichtungselemente gegenüber der Wandung. Bevorzugt kommt dabei ein Polyurethankleber zum Einsatz, insbesondere wenn das zweite Dichtungsteil aus einem elastomeren Polyurethan gebildet ist.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Kreiskolbenmaschine wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Dichtungselement erläutert.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen im Einzelnen:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dichtungselements;
2: einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Kreiskolbenmaschine mit zwei Dichtungselementen gemäß der 1;
3: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dichtungselements; und
4: ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dichtungselements.
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dichtungselements, welches als Ganzes mit 10 bezeichnet ist. Das Dichtungselement 10 ist rotationssymmetrisch in Form eines Rings oder eines teilweisen Kreisbogens ausgebildet, wobei in der 1 ein Querschnitt entlang einer die Drehachse enthaltenen Ebene gezeigt ist.
Die 2 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Kreiskolbenmaschine 12, die zwei erfindungsgemäße Dichtungselemente 10 gemäß der 1 umfasst. Aufbau und Funktion einer derartigen Kreiskolbenmaschine sind im Detail in der DE 10 2007 001 021 A1 beschrieben.
Das Dichtungselement 10 umfasst ein erstes Dichtungsteil 14 und ein zweites Dichtungsteil 16, die beide rotationssymmetrisch in Bezug auf die Drehachse ausgebildet sind. Das erste Dichtungsteil 14 bildet einen dynamischen Bereich und das zweite Dichtungsteil 16 einen statischen Bereich des zweistückigen Dichtungselements 10.
Das erste Dichtungsteil 14 ist aus einem nicht-elastomeren Fluorpolymer gebildet (z. B. aus PTFE oder einem schmelzverarbeitbaren TFE-Copolymer), und das zweite Dichtungsteil 16 ist aus einem elastomeren Material gebildet (z. B. aus einem elastomeren Polyurethan). Die beiden Dichtungsteile 14 und 16 sind stoffschlüssig miteinander verbunden, z. B. durch Aufschmelzen des zweiten Dichtungsteils 16 auf das erste Dichtungsteil 14. Das Dichtungselement 10 kann aber auch durch Coextrusion der beiden Dichtungsteile 14 und 16 hergestellt sein.
Das erste Dichtungsteile 14 umfasst einen radialen Bereich 18 mit einer radialen Dichtfläche 20 und einen axialen Bereich 22 mit einer axialen Dichtfläche 24. Die radiale Dichtfläche 20 und die axiale Dichtfläche 24 stoßen entlang einer Kante 26 aneinander, wobei die Kante 26 ringförmig bzw. kreisbogenförmig ist. Das zweite Dichtungsteil 16 ist gegenüber dem radialen Bereich 18 radial nach innen und gegenüber dem axialen Bereich 22 axial versetzt.
In der Kreiskolbenmaschine 12 sind die axialen Dichtflächen 24 der beiden Dichtungselemente 10 jeweils zu gegenüberliegen Oberflächen 28 eines Hebels 30 hin orientiert. Bei dem Hebel 30 handelt es sich um eine im Wesentlichen kreisrunde Treibscheibe, die einerseits mit einem Kolben 32 und andererseits mit einem in der 2 nicht dargestellten Drehkörper (z. B. einer Welle) fest verbunden ist. Der Kolben 32 ist in einem Ringkanal 34 beweglich gelagert, und der Hebel 30 ist in einem Ringspalt 36, der in die Wandung 38 des Ringkanals 32 eingebracht ist, um die Drehachse rotierbar geführt.
Die axiale Dichtfläche 24 des ersten Dichtungsteils 14 ist gegenüber einer zur Drehachse senkrechten Ebene, die der Oberfläche 28 des Hebels 30 entspricht, um einen Winkel von ca. 2° geneigt. Im drucklosen Zustand des Dichtungselements 10 liegt daher die axiale Dichtfläche 24 nur im Bereich der Kante 26 an der Oberfläche 28 an, was für eine Abdichtung gegen das in dem Ringkanal 34 befindliche Hydraulikfluid im statischen, d. h. drucklosen Zustand ausreichend ist. Die axiale Dichtfläche 24 weist mehrere Rillen 40 auf, wodurch die effektive Dichtfläche verkleinert bzw. über einen größeren Bereich in Radialrichtung verteilt werden kann.
Die radiale Dichtfläche 20 des ersten Dichtungsteils 14 ist dem Inneren des Ringkanals 34 zugewandt und liegt abschnittsweise an dem Kolben 32 an. Die radiale Dichtfläche 20 trägt somit zur Abdichtung der druckbeaufschlagten Seite des Kolbens 32 zur nicht druckbeaufschlagten Seite bei.
In dem zweiten Dichtungsteil 16 ist ein Kanal 42 ausgebildet, der sich entlang des gesamten Umfangs des Dichtungselements 10 erstreckt. Der Kanal 42 ist zu dem ersten Dichtungsteil 14 hin geschlossen und nach außen durchgehend offen. Im dynamischen Zustand der Kreiskolbenmaschine 12 wird der Kanal 42 über eine oder mehrere Fluidzuführungen 43 in der Wandung 38 mit dem unter Druck stehenden Hydraulikfluid beaufschlagt. Dadurch erfolgt eine Kraftübertragung auf den axialen Bereich 22 des ersten Dichtungsteils 14 (und in geringerem Ausmaß auch auf den radialen Bereich 18), sodass die Neigung der axialen Dichtfläche 24 zunehmend aufgehoben wird und schließlich die gesamte axiale Dichtfläche 24 an der Oberfläche 28 des Hebels 30 anliegt. Die Dichtwirkung des erfindungsgemäßen Dichtungselements 10 steigt somit entsprechend dem Druck des abzudichtenden Hydraulikfluids in dem Ringkanal 34 der Kreiskolbenmaschine 12.
Das erfindungsgemäße Dichtungselement 10 ermöglicht durch seinen Aufbau sowie die Wahl der Materialien eine optimale Dichtwirkung sowohl im statischen Zustand (aufgrund der Vorspannung durch das elastische Material des zweiten Dichtungsteils 16) als auch im dynamischen Zustand (durch die Druckbeaufschlagung des Kanals 42).
Die Dichtungselemente 10 sind in korrespondierenden Aussparungen 44 der Wandung 38 des Ringkanals 34 aufgenommen und dort formschlüssig und/oder kraftschlüssig gehalten. Bevorzugt sind die Dichtungselemente 10 in die Aussparungen 44 eingeklebt, z. B. mittels eines Polyurethanklebers.
Die 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dichtungselements, welches als Ganzes mit 50 bezeichnet ist. Das Dichtungselement 50 ist mit Ausnahme der im Folgenden beschriebenen Unterschiede entsprechend dem Dichtungselement 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut, wobei gleiche oder einander entsprechende Elemente jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen sind.
Im Vergleich zum Dichtungselement 10 weist die radiale Dichtfläche 20 des Dichtungselements 50 in Axialrichtung eine geringere Ausdehnung auf, d. h. die radiale Dichtfläche 20 ist kleiner. Um dennoch eine ausreichende Dichtwirkung in diesem Bereich auch im dynamischen Zustand zu gewährleisten, ist der Kanal 42 in dem zweiten Dichtungsteil 16 hinterschnitten, d. h. der Bodenbereich 52 des Kanals 42 weist eine Erweiterung 54 in Radialrichtung nach außen auf. Dadurch befindet sich weniger elastomeres Material zwischen dem Kanal 42 und dem radialen Bereich 18 des ersten Dichtungsteils 14, sodass die Druckbeaufschlagung des Kanals 42 einen stärkeren Einfluss auf die Erhöhung der Anpresskraft der radialen Dichtfläche 20 an den Kolben 32 hat.
Die 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dichtungselements, welches als Ganzes mit 60 bezeichnet ist. Auch das Dichtungselement 60 entspricht bis auf die im Folgenden beschriebenen Unterschiede im Aufbau dem Dichtungselement 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Bei dem Dichtungselement 60 ist der in dem zweiten Dichtungsteil 16 ausgebildete Kanal 42 zu dem ersten Dichtungsteil 14 hin offen und wird von einem im Querschnitt wannenförmigen Stahlprofil 62 begrenzt, welches zu dem ersten Dichtungsteil 14 hin ebenfalls offen ist. Bei dieser Variante wird der Druck des in den Kanal 42 eingeleiteten Hydraulikfluids unmittelbar auf den axialen Bereich 22 des ersten Dichtungsteils 14 übertragen. Das Stahlprofil 62 verhindert dabei eine Verformung des elastischen Materials des zweiten Dichtungsteils 16 durch den Druck des Hydraulikfluids. Außerdem schützt das Stahlprofil 62 den Kanal 42 vor einer Beeinträchtigung beim Aufschmelzen des zweiten Dichtungsteils 16 auf das erste Dichtungsteil 14.
Bei dem Dichtungselement 60 ist der Kanal 42 nach außen hin entlang des Umfangs des zweiten Dichtungsteils 16 geschlossen. Die Einleitung des Fluids in den Kanal 42 erfolgt über eine oder mehrere Bohrungen 64, die in Axialrichtung durch das zweite Dichtungsteil 16 sowie das Stahlprofil 62 verlaufen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007001021 A1 [0002, 0040, 0051]
EP 1263877 B1 [0025]

Claims

Dichtungselement (10; 50; 60) für eine Kreiskolbenmaschine (12) zur Abdichtung eines in einem Ringspalt (36) geführten, um eine Drehachse rotierbaren Hebels (30), wobei das Dichtungselement (10; 50; 60) rotationssymmetrisch in Bezug auf die Drehachse ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (10; 50; 60) einen dynamischen Bereich (14) und einen statischen Bereich (16) umfasst, – wobei der dynamische Bereich (14) eine axiale Dichtfläche (24) aufweist, die dem Ringspalt (36) zugewandt ist, und eine radiale Dichtfläche (20), die dem inneren eines den Ringspalt (36) umgebenden Ringkanals (34) der Kreiskolbenmaschine (12) zugewandt ist; und – wobei der statische Bereich (16) zur Festlegung des Dichtungselements (10; 50; 60) an der Kreiskolbenmaschine (12) dient, und wobei in dem statischen Bereich (16) ein Kanal (42) ausgebildet ist, der mit einem Fluid beaufschlagbar ist.
Dichtungselement (10; 50; 60) nach Anspruch 1, wobei das Dichtungselement (10; 50; 60) ein erstes Dichtungsteil (14) umfasst, welches den dynamischen Bereich (14) bildet, und ein zweites Dichtungsteil (16), welches den statischen Bereich (16) bildet.
Dichtungselement (10; 50; 60) nach Anspruch 2, wobei das erste Dichtungsteil (14) aus einem nicht-elastomeren Fluorpolymer gebildet ist.
Dichtungselement (10; 50; 60) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das zweite. Dichtungsteil (16) aus einem elastomeren Material gebildet ist.
Dichtungselement (10; 50; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die axiale Dichtfläche (24) des ersten Dichtungsteils (14) gegenüber einer zu der Drehachse senkrechten Ebene geneigt ist.
Dichtungselement (10; 50; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die axiale Dichtfläche (24) eine oder mehrere Rillen (40) aufweist.
Dichtungselement (10; 50; 60) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das nicht-elastomere Fluorpolymer ein homopolymeres PTFE umfasst oder ein Copolymer von Tetrafluorethylen mit mindestens einem Comonomer.
Dichtungselement (10; 50; 60) nach Anspruch 7, wobei das Fluorpolymer einen oder mehrere Füllstoffe enthält.
Dichtungselement (10; 50; 60) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das elastomere Material ein thermoplastisches Elastomer umfasst, insbesondere ein elastomeres Polyurethan.
Dichtungselement (10; 50; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 9, wobei das erste und das zweite Dichtungsteil (14, 16) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Dichtungselement (10; 50; 60) nach Anspruch 10, wobei das zweite Dichtungsteil (16) auf das erste Dichtungsteil (14) aufgeschmolzen ist.
Dichtungselement (10; 50; 60) nach Anspruch 10, wobei das erste und das zweite Dichtungsteil (14, 16) durch Coextrusion des nicht-elastomeren Fluorpolymers und des elastomeren Materials hergestellt sind.
Dichtungselement (10; 50) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei der in dem zweiten Dichtungsteil (16) gebildete Kanal (42) zu dem ersten Dichtungsteil (14) hin geschlossen ist.
Dichtungselement (60) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei der in dem zweiten Dichtungsteil (16) gebildete Kanal (42) zu dem ersten Dichtungsteil (14) hin offen ist.
Dichtungselement (60) nach Anspruch 14, wobei der Kanal (42) von einem im Querschnitt wannenförmigen, zu dem ersten Dichtungsteil (14) hin offenen Metallprofil (62) begrenzt wird.
Kreiskolbenmaschine (12) mit mindestens einem entlang eines zumindest teilweisen Kreisbogens gekrümmten Ringkanal (34), in dem ein Kolben (32) beweglich gelagert ist, und einem in die Wandung (38) des Ringkanals (34) eingebrachten Ringspalt (36), in dem ein um eine mit dem Ringkanal (34) koaxiale Drehachse rotierbarer Hebel (30) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreiskolbenmaschine (12) mindestens zwei Dichtungselemente (10; 50; 60) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst, die in korrespondierenden Aussparungen (44) der Wandung (38) des Ringkanals (34) aufgenommen sind, sodass die axialen Dichtflächen (24) der zwei Dichtungselemente (10; 50; 60) jeweils zu gegenüberliegenden Oberflächen (28) des Hebels (30) hin orientiert sind und die radialen Dichtflächen (20) der Dichtungselemente (10; 50; 60) zu dem Inneren des Ringkanals (34) hin orientiert sind und ein Abschnitt der radialen Dichtflächen (20) an dem Kolben (32) anliegt.
Kreiskolbenmaschine (12) nach Anspruch 16, wobei die Dichtungselemente (10; 50; 60) in die Aussparungen (44) eingeklebt sind.