CH714838A1

CH714838A1 - Kolben-Gleitschuh-Einheit für eine Axialkolbenmaschine.

Info

Publication number: CH714838A1
Application number: CH00404/18A
Authority: CH
Inventors: Esteve Aymeric; Kollmeyer Carsten
Original assignee: Liebherr Machines Bulle Sa
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2019-09-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Gleitschuh-Einheit für eine hydraulische bzw. pneumatische Vorrichtung, insbesondere eine Hydraulikmaschine bzw. Axialkolbenmaschine, mit wenigstens einem Kolben (10), der mittels Kugelgelenk (11, 20, 21, 30) mit wenigstens einem Gleitschuh (25) gelenkig verbunden ist, wobei die Kugelkalotte des Kugelgelenkes teilweise durch eine kalottenartige Aussparung (11) des Kolbens (10) oder des Gleitschuhs (25) gebildet ist und durch wenigstens ein separates, mit dem Kolben (10) bzw. Gleitschuh (25) verbindbares Verschlussteil (30) vervollständigt ist.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kolben-Gleitschuh-Einheit für eine hydraulische oder pneumatische Vorrichtung, insbesondere eine Hydraulikmaschine bzw. Axialkolbenmaschine, mit wenigstens einem Kolben, der mittels Kugelgelenk mit wenigstens einem Gleitschuh gelenkig verbunden ist. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine pneumatische oder hydraulische Vorrichtung, wie bspw. eine Hydraulikmaschine, Axialkolbenmaschine, mit entsprechender Kolben-Gleitschuh-Einheit.

[0002] Das Ausstatten von Kolben mit Gleitschuhen dient bekanntermassen zur hydrostatischen Entlastung von Triebwerken und Stelleinheiten in Axialkolbenmaschinen. Die Verbindung zwischen einem Kolben und seinem Gleitschuh erfolgt durch eine Kugelgelenkverbindung. Kolben-Gleitschuh-Einheiten, bei denen der Kugelkopf stoffschlüssig mit dem Gleitschuh verbunden ist und entsprechend die Kugelkalotte am Kolben ausgestaltet ist, erfordern zwar einen höheren Herstellungsaufwand, ermöglichen jedoch höhere Schrägwinkel der Gleitschuh-Lauffläche, auch Anstellwinkel genannt. Das Betreiben von Kolbenmaschinen bei höheren Schrägwinkeln führt zu besseren Wirkungsgraden und zu einer Vergrösserung ihrer Leistungsdichte.

[0003] Die in Triebwerken von Kolbenmaschinen eingesetzten Kolben-Gleitschuh-Einheiten werden alternierend durch hohe Zug- und Druckkräfte beansprucht, die in axialer und vertikaler Richtung wirken. Ohne Anspruch auf Vollständigkeit sind als Ursache hierfür zu nennen: Im Motorbetrieb erfolgt auf der Hochdruckseite eine Beaufschlagung der KolbenGleitschuh-Einheiten durch den Öldruck. Im Pumpen-betrieb wird auf der Hochdruckseite ausgehend von den Kolben der Druck auf das Öl ausgeübt, während auf der Niederdruckseite die Kolben über die Rückzugeinrichtung jeweils aus dem Zylinder herausgezogen werden, um den zur Ölansaugung notwendigen Unterdrück zu erzeugen. Dadurch unterliegen die Kugelkopfverbindungen der Triebwerkkolben starken Zugkräften.

[0004] Die resultierenden Axial- und Radialkräfte belasten eine Kolben-Gleitschuh-Einheit und dabei auch die im besonderen Fokus stehende Kugelgelenkverbindung nicht nur durch hohe Absolutwerte, sondern mitunter auch durch besonders schnelle Änderungen dieser Kräfte, sogenannter Transienten. Letztere entstehen u.a. durch niemals vollständig vermeidbare Druckpulsationen im Hydraulikölkreis; ebenso im Fall eines Pumpenbetriebs durch transiente Änderungen der zugeführten mechanischen Leistung und bei vorliegendem Motorbetrieb durch transiente Änderungen der mechanischen Last.

[0005] Nach dem Stand der Technik erfolgt die Schaffung der Kugelgelenkverbindung von Kolben-Gleitschuh-Einheiten durch ein plastisches Verformen der vorbereiteten Kugelkalotte. Fig. 1 zeigt den zentralen Längsschnitt eines Kolbens 1, der für das Einfügen des Gleitschuhs 2 resp. seines Kugelkopfes 3 vorbereitet ist. Auf seiner linken Seite ist die Aussparung zu erkennen, in die der Kugelkopf 3 eingesetzt wird. Dabei weist der tiefer gelegene Bereich 4 dieser Aussparung bereits die auf den Kugelkopf 3 angepasste Kalottenform auf. Der linksseitig zu dem letztgenannten Abschnitt gelegene Wandbereich des Kolbens 1 bildet den sogenannten Umformbereich 5. Zumindest die Oberfläche der Kugelkalotte muss vor dem Einfügen des Kugelkopfes 3 z.B. durch Polieren entsprechend geglättet werden. Vor einer solchen Glättung der Oberfläche muss diese resp. der Kolben 1 gehärtet werden.

[0006] Nach dem Zusammenfügen der Kugelgelenkverbindung wird der überstehende Bund der Aussparung zur Aufnahme des Kugelkopfes 3 gefügt, dass im Umformbereich 5 eine innere Oberfläche entsteht, die eine formgenaue Fortsetzung der Kugelkalotte zur Umschliessung des Gelenkkopfes 3 darstellt. Dieser in Fig. 1 angedeutete Vorgang geschieht durch eine Umformung (z.B. Wälzen, Einrollen etc.) mittels Werkzeug und wird zumeist durch eine Erwärmung unterstützt. Einerseits erhöht zunehmendes Erwärmen die Duktilität der Umformzone 5 und vermindert damit das Auftreten von Mikrorissen, andererseits führt eine zu starke Erwärmung zu einer Schädigung der Oberflächenglättung.

[0007] Die DE 199 342 18 A1 befasst sich mit Kugelgelenkverbindungen von Kolben-Gleitschuh-Einheiten zur Verwendung in Kolbenmaschinen. Darin wird als Verbesserung des damals vorausgegangenen Standes der Technik die lokale Erwärmung des Ausnehmungsrandes der Kugelkalotte vorgeschlagen, damit das Zusammenfügen der Kugelgelenkverbindung auch bei der Verwendung von Werkstoffen mit einer höheren Materialhärte bei vergleichsweise niedrigen Verformungskräften möglich ist. Als Alternative wird bereits die Verwendung eines Ausgangsmaterials vorgeschlagen, dessen Duktilität ein plastisches Verformen des Ausnehmungsrandes der Kugelkalotte ermöglicht. Zur Erreichung der benötigten Festigkeit wird eine Materialhärtung vorgeschlagen.

[0008] In der DE 19 734 217 A1 wird vorgeschlagen, zunächst die Kugelgelenkverbindung zwischen dem Kolben und dem Gleitschuh zu fügen und im Anschluss daran die Aussenfläche des Kolbens zu härten. Dabei enthält der zum Einfügen des Gleitschuhs vorbereitete Kolben im Bereich seines Ausnehmungsrandes zwei charakteristische Merkmale und zwar eine Ringnut an seiner Innenseite und ein Übermass an seiner Aussenseite. Letzteres dient dazu, dass durch die hier vorgesehenen Werkzeugangriffspunkte am Kolben nach der Umformung eine zylinderförmige Mantelfläche vorliegt.

[0009] Nachteile der vorbekannten Kolben-Gleitschuh-Einheiten ergeben sich durch die Anforderungen nach einer hohen Materialhärte einerseits und andererseits nach einer hohen Duktilität für die angewandte plastische Verformung zur Herstellung der Kugelgelenkverbindung. Zwei Forderungen, die gemeinhin bekannt miteinander unvereinbar sind. Einerseits müssen der Kugelkopf und das Innere der Kugelkalotte zur Reibungs-Reduzierung und einer weitest möglichen Verschleiss-Vermeidung glatte Oberflächen aufweisen. Darüber hinaus müssen der Kugelkopf und die Wand der Kugelkalotte eine ausreichende Festigkeit aufweisen, damit die im Verbindungsbereich vorhandenen Oberflächen der Kugelgelenkverbindung sich während der Nutzung möglichst überhaupt nicht ändern, und das Brechen der Verbindung vermieden wird.

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Der Umformbereich des überstehenden Bundes, der sogenannte Ausnehmungsrand der Aussparung zur Umschliessung des Kugelkopfes stellt allerdings einen Schwachstellenbereich der so hergestellten Kugelgelenkverbindung dar.

[0010] Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die Festigkeit der Kugelgelenkverbindung einer Kolben-GleitschuhEinheit zu verbessern, die bei konventionellen Kolben-Gleitschuh-Einheiten des Stands der Technik eine Schwachstelle darstellt.

[0011] Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Kolben-Gleitschuh-Einheit gemäss den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0012] Erfindungsgemäss wird eine Kolben-Gleitschuh-Einheit für eine pneumatische oder hydraulische Vorrichtung vorgeschlagen. Der Fokus liegt hier auf einer Kolben-Gleitschuh-Einheit für eine Hydraulikmaschine, insbesondere für einen Triebwerkskolben eines Axialkolbenmotors/Axialkolbenpumpe, wenn gleich der erfindungsgemässe Gedanke nicht auf eine derartige Spezialanwendung eingeschränkt sein soll. Eine solche Kolben-Gleitschuh-Einheit kann auch zur Verwendung innerhalb einer Stelleinrichtung dienen. Vielmehr lässt sich der erfindungsgemässe Gedanke für jede Form einer Kugelgelenkverbindung zwischen beliebigen Bauteilen bzw. sogar für jede Art einer formschlüssigen Verbindung, die eine gelenkähnliche Charakteristik zeigt, bspw. mindestens einen translatorischen und/oder mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad aufweist, vorteilhaft ausnutzen. Der Einfachheit halber wird die Erfindung nachfolgend jedoch anhand einer Kugel-Gleitschuh-Einheit für eine pneumatische/hydraulische Vorrichtung erläutert, die nachfolgenden Ausführung geltend jedoch auch für die zuvor genannten alternativen Anwendungen.

[0013] Ausgehend von der gattungsgemässen Kolben-Gleitschuh-Einheit wird vorgeschlagen, die Kugelkalotte des Kugelgelenks nur teilweise durch eine kalottenartige Aussparung entweder innerhalb des Kolbens oder alternativ innerhalb des Gleitschuhs auszubilden. Vervollständigt wird die Kugelkalotte erst durch wenigstens ein separates Verschlussteil, das mit dem Kolben bzw. alternativ mit dem Gleitschuh verbunden ist bzw. wird.

[0014] Durch den modularen Aufbau der Kugelkalotte kann der Kugelkopf zunächst in die Aussparung des Kolbens bzw. des Gleitschuhs eingesetzt werden. Nach dem Einsetzen kann der Gelenksschluss durch die Montage des separaten Verschlussteils erfolgen. Demzufolge kann auf den konventionellen Fügungsprozess per Kaltumformung des überstehenden Bundes im Bereich der Kugelkalotte verzichtet werden und der dadurch bedingte Materialfestigkeitsabschlag wird effektiv vermieden. Stattdessen wird durch die Erfindung eine äusserst stabile Kugelgelenkverbindung ohne die bekannten Schwachstellen geschaffen.

[0015] Idealerweise bildet das separate Verschlussteil denjenigen Radiusabschnitt der Kalotte des Kugelgelenks, der den eingesetzten Kugelkopf hintergreift, demzufolge eine formschlüssige Gelenkverbindung sicherstellt und auf den Kugelkopf angreifende Zugkräfte aufnimmt.

[0016] Gemäss besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die kalottenförmige Aussparung innerhalb des Kolbens bzw. alternativ innerhalb des Gleitschuhs so dimensioniert, dass genau eine Kugelhälfte des Kugelkopfes durch die Aussparung aufgenommen ist. Demzufolge reicht die Wandung der kalottenförmigen Aussparung bis zum Äquator des Kugelkopfes, wodurch eine einfache Fertigung der kalottenförmigen Aussparung sichergestellt ist und ein einfaches Einsetzen des Kugelkopfes möglich wird.

[0017] Der Kolben selbst kann als einteiliges Bauteil gefertigt oder alternativ aus einzelnen Bestandteilen modular zusammengesetzt sein. Zudem kann der Kolben ein oder mehrere Hohlräume vorsehen.

[0018] Für die Aufnahme und Befestigung des separaten Verschlussteils an dem die kalottenförmige Aussparung aufweisenden Bauteil, d.h. entweder der Kolben oder der Gelenkschuh, kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Ist die kalottenförmige Aussparung in den Kolben eingearbeitet, so kann der Endabschnitt der Kolbenmantelfläche im Bereich der kalottenförmigen Aussparung verjüngt sein, um eine stabile Befestigung des separaten Verschlussteils zu ermöglichen. Das separate Verschlussteil, nachfolgend auch als Halter bezeichnet, kann bei dieser Ausgestaltung stirnseitig auf den Kolben aufgesetzt werden und den verjüngten Mantelumfang des Kolbens zumindest bereichsweise umfassen, insbesondere bündig auf diesem zum Tragen kommen.

[0019] Vorzugsweise umfasst das Verschlussteil bzw. der Halter eine stirnseitig am Kolben anbringbare Platte mit einer Öffnung, deren Öffnungswandung die Kalotte des Kolbens vervollständigt. Die Öffnungswandung bildet demzufolge den Teil der Kalotte, der den eingesetzten Kugelkopf hintergreift, wobei die Plattenstärke des Verschlussteils demzufolge bestimmt, wie weit der eingesetzte Kugelkopf hintergriffen wird, was letztendlich Einfluss auf den maximalen Schrägwinkel des Gleitschuhs relativ zum Kolben hat. Bevorzugt umfasst das Verschlussteil einen einseitig offenen Zylinder, dessen Bodenseite durch die Platte verschlossen ist. Die Zylinderwand legt sich in der Montageposition an den verjüngten Mantelbereich des Kolbens an, die Platte bedeckt das stirnseitige Ende des Kolbens.

[0020] Zur passgenauen Montage des separaten Verschlussteils ist es sinnvoll, wenn dieses als auch der Kolben komplementäre Verbindungselemente aufweisen, die das Positionieren des Verschlussteils auf dem Kolben vereinfachen. Als komplementäre Verbindungselemente kann eine Kombination aus Nut, insbesondere Radialnut auf der Mantelfläche des Kolbens, und komplementärer Wulst, insbesondere eine auf der Zylinderinnenwand des Verschlussteils ausgebildete Radialwulst, in Betracht kommen.

CH 714 838 A1 [0021] Gemäss vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann auch der Kugelkopf als separates Bauteil gefertigt sein und mittels geeigneten Verbindungsverfahren mit entweder dem Gleitschuh oder alternativ dem Kolben verbindbar sein bzw. verbunden sein. Hierzu sieht der Kugelkopf einen zylindrischen Fortsatz vor, der als Verbindungselement mit dem entsprechenden Gegenpart dient. Soll der Kugelkopf Bestandteil des Gleitschuhs sein, dient der zylindrische Fortsatz zur Montage des Kugelkopfes am entsprechenden Gleitschuh-Fuss, insbesondere innerhalb einer dort vorgesehenen Bohrung, besonders bevorzugt einer passgenauen zylindrischen Bohrung, in die der zylindrische Fortsatz eingebracht ist.

[0022] Sinnvollerweise ist der Durchmesser des zylindrischen Fortsatzes kleiner dimensioniert als der Durchmesser des Kugelkopfes.

[0023] Der zylindrische Fortsatz als auch der Gegenpart, d.h. die zylindrische Bohrung innerhalb des Gleitschuh-Fusses bzw. alternativ des Kolbens, können mit komplementären Verbindungselementen ausgestattet sein. Auch hier erweist sich eine Kombination aus Nut und Wulst, insbesondere Radialnut und Radialwulst als sinnvoll.

[0024] Der verwendete Gleitschuh, respektive der Gleitschuh-Fuss kann gemäss vorteilhafter Ausführungsform eine beschichtete Lauffläche aufweisen, um Gleiteigenschaften des Gleitschuh-Fusses, beispielsweise auf einer Schrägscheibe einer Axialkolbenmaschine zu verbessern. Alternativ könnte bei der zweiteiligen Ausführung des Gleitschuhs der gesamte Gleitschuh-Fuss aus dem Beschichtungsmaterial bestehen.

[0025] Gemäss bevorzugter Ausführungsform kann der Kolben und/oder der Halter und/oder der Kugelkopf aus Stahl gefertigt sein, vorzugsweise aus einem Stahl, der einen verhältnismässig geringen Kohlenstoffgehalt aufweist, idealerweise mit einem Kohlenstoffgehalt von maximal 0,5%, im Optimalfall von maximal 0,2%. Die Verwendung eines Nitrierstahls vereinfacht den Fügeprozess, beispielsweise zwischen dem separaten Verschlussteil und dem Kolben bzw. dem Kugelkopf und Gleitschuh-Fuss, da derartige Stähle, insbesondere Nitrierstähle, gut schweissbar sind. Zudem zeichnen sich diese Materialarten durch ideale Festigkeitswerte aus.

[0026] Der Gleitschuh-Fuss kann ebenfalls aus Stahl, insbesondere Nitrierstahl, gefertigt und mit geeigneter Gleitbeschichtung im Bereich der Lauffläche versehen sein. Gute Gleitfähigkeiten zeigt zum Beispiel Messing. Alternativ kann der Gleitschuh-Fuss vollständig aus dem gleitfähigen Material, wie bspw. Messing bestehen.

[0027] Neben der erfindungsgemässen Kolben-Gleitschuh-Einheit betrifft die vorliegende Erfindung auch eine entsprechende hydraulische oder pneumatische Vorrichtung mit wenigstens einer Kolben-Gleitschuh-Einheit gemäss der vorliegenden Erfindung. Dementsprechend ergeben sich für die Vorrichtung, bspw. Axialkolbenmotor/Axialkolbenpumpe dieselben Vorteile und Eigenschaften, wie sie bereits vorstehend anhand der erfindungsgemässen Kolben-Gleitschuh-Einheit aufgezeigt wurden. Auf eine wiederholende Beschreibung wird aus diesem Grund verzichtet.

[0028] Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Kolben-GleitschuhEinheit gemäss der vorliegenden Erfindung. Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst die Einzelteile der erfindungsgemässen Kolben-Gleitschuh-Einheit, nämlich der Kolben, der Gleitschuh sowie das separate Verschlussteil separat gefertigt werden können. Insbesondere werden diese bereits auf das erforderliche Endmass gefertigt, was insbesondere die kalottenförmige Ausnehmung innerhalb des Kolbens bzw. des Gleitschuhs oder auch zumindest der entsprechende Radius des separaten Verschlussteils betrifft. Gleiches gilt für den Kugelkopf des Kolbens bzw. des Gleitschuhs.

[0029] Nach der erfindungsgemässen Herstellung der Einzelbauteile erfolgt deren Härtung, woran sich als Letztes das Zusammensetzen der Kugelgelenkverbindung anschliesst, indem der Kugelkopf zunächst in die Kalotte und anschliessend das separate Verschlussteil montiert wird, um eine erwartungsgemässe Arretierung des Kugelkopfes innerhalb der Kalotte zu erreichen.

[0030] Vorstellbar ist, dass das separate Verschlussteil am Kolben bzw. Gleitschuh per Schweissverfahren, insbesondere per Laserschweissen befestigt wird. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn sowohl Kolben als auch das separate Verschlussteil selbst aus passendem Stahl, insbesondere Nitrierstahl gefertigt sind.

[0031] Die Befestigung des Gleitschuh-Fusses mit dem Gleitschuh-Kopf kann per Schweiss- oder Lötverfahren, idealerweise per Laserschweissen oder Laserlöten erfolgen. Das bevorzugte Verfahren hängt insbesondere vom verwendeten Material des Gleitschuh-Fusses ab. Besteht dieser grossteils aus einem schweissbaren Material, wie beispielsweise Stahl, vorzugsweise Nitrierstahl, so kann die Befestigung des Kugelkopfes am Gleitschuh-Fuss per Schweissen, insbesondere Laserschweissen erfolgen. Ist stattdessen eine Herstellung des Gleitschuh-Fusses vollständig aus gleitfähigem Material, wie beispielsweise Messing, bevorzugt, so wird auf ein Lötverfahren, insbesondere Laserlöten, zurückgegriffen.

[0032] Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Figuren wiedergegebenen Ausführungsbeispiels der Kolben-Gleitschuh-Einheit aufgezeigt werden. Es zeigt:

Fig. 1 : eine Kolben-Gelenkschuh-Einheit nach dem Stand der Technik,

Fig. 2: eine Schnittdarstellung der erfindungsgemässen Kolben-Gleitschuh-Einheit inklusive eine Detaildarstellung der Kugelgelenkverbindung und

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Fig. 3: Darstellungen der erfindungsgemässen Kolben-Gleitschuh-Einheit während der Montage.

[0033] Eine Ausgestaltung der erfindungsgemässen Kolben-Gleitschuh-Einheit ist in Fig. 2 gezeigt, die eine Schnittdarstellung der Kolben-Gleitschuh-Einheit sowie eine vergrösserte Detailansicht der Kugelgelenkverbindung zeigt. Die gesamte Einheit besteht aus vier Bauteilen, nämlich dem Kolben 10, einem Halter 30, einem Gleitschuh-Kopf 20 und einem Gleitschuh-Fuss 25. Die Reihenfolge in der diese vier Bauteile vor dem Zusammenbau einer erfindungsgemässen Kolben-Gleitschuh-Einheit hergestellt werden, ist für die Erfindung unerheblich. Hinsichtlich ihrer funktionsbestimmenden Merkmale bspw. der Ausführung der Lauffläche, dem Schmierölkanal etc. kann eine erfindungsgemässe Kolben-Gleitschuh-Einheit in jeglicher Hinsicht denen dem Stand der Technik entsprechenden Einheiten gleichen.

[0034] Für die Herstellung der erfindungsgemässen Kolben-Gleitschuh-Einheit bedarf es der Fertigung eines Kolbens 10, der eine kugelkalottenförmige Aussparung 11 zur Aufnahme des Kugelkopfes 21 des Gleitschuh-Kopfes 20 aufweist, wobei eine solche Ausprägung der Aussparung 11 vorliegt, dass der Kugelkopf 21 bei vorliegender Einbauposition bis zu seinem Äquator durch die Aussparung 11 des Kolbens 10 umschlossen ist. Ferner weist die Mantelfläche des Kolbens im Endabschnitt derjenigen Seite, an der sich die kugelkalottenförmige Aussparung 11 befindet, eine Verjüngung auf. Bevorzugt wird der Kolben 10 hinsichtlich aller Details vor seiner Härtung auf seine Endmasse gefertigt. Auf jeden Fall muss die Kugelkalotte 11 vor der Härtung auf ihr Endmass gefertigt werden.

[0035] Zusätzlich bedarf es der Fertigung eines Halters 30, der einen Kragen aufweist, sodass der Halter 30 bündig auf den verjüngten Bereich des Kolbens 10 aufgesetzt werden kann. Ausserdem existiert am Halter 30 eine Aussparung 31, die, wenn der Halter 30 bestimmungsgemäss auf den Kolben 10 aufgesetzt ist, eine genaue Fortführung der Kugelkalotte darstellt. Bevorzugt wird der Halter 30 hinsichtlich aller Details vor seiner Härtung auf seine Endmasse gefertigt. Auf jeden Fall muss der die Kugelkalotte vervollständigende Teil 31 seiner Oberfläche vor der Härtung auf ihr Endmass gefertigt werden.

[0036] In einer bevorzugten Ausführung werden nicht nur der verjüngte Aussendurchmesser des Kolbens 10 und der Innendurchmesser des am Halter 30 vorhandenen Kragens passgenau aufeinander abgestimmt, sondern die beiden aneinander grenzenden Oberflächenbereiche dieser beiden Bauteile 10, 30 werden zusätzlich mit komplementären Oberflächenelementen versehen, die ein nochmals genauer definiertes Positionieren des Halters 30 auf dem Kolben 10 erzwingen. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine im verjüngten Bereich der Mantelfläche des Kolbens 10 eingebrachte Radialnut 12 und einen auf dem Halter 30 aufgebrachten Wulst 32 als Komplementärelement. Zwecks Deutlichmachung sind in diesen Abbildungen die Oberflächenelemente in Relation zu den Bauteilaussenmassen grösser dargestellt als dies in einer bevorzugten Ausführung der Fall wäre.

[0037] Als weiteres Bauteil wird der Gleitschuh-Kopf 20 gefertigt. Die Durchmesser des Kugelkopfes 21 des GleitschuhKopfes 20 sowie der durch Kolben 10 und Halter 30 gebildeten Kugelkalotte werden derart aufeinander abgestimmt, dass eine leichtgängige und gut geführte Bewegung des Gleitschuhs gegenüber dem Kolben 10 möglich ist. Die Umschliessungsweite muss einerseits eine ausreichende Festigkeit der Kugelkopfverbindung sicherstellen, darf aber andererseits die Bewegungsweite nicht unnötig stark einschränken.

[0038] Der Gleitschuh-Kopf 20 weist an dem der kugelförmigen Form 21 abgewandten Ende eine zylindrische Form 22 auf. Der Durchmesser dieses zylindrischen Fortsatzes 22 muss kleiner sein als der der Kugel 21. Bevorzugt wird der Gleitschuh-Kopf 20 hinsichtlich aller Details vor seiner Härtung auf seine Endmasse gefertigt. Auf jeden Fall muss der kugelförmige Bereich seiner Oberfläche, der sich in der Kugelkalotte befindet bzw. sich in diese hinein bewegen kann vor der Härtung auf ihr Endmass gefertigt werden.

[0039] Als weiteres Bauteil wird ein Gleitschuh-Fuss 25 hergestellt, wobei für eine erfindungsgemässe Kolben-GleitschuhEinheit zwei Varianten existieren:

Typ A: Der Gleitschuh-Fuss 25 besteht vollständig aus dem Beschichtungsmaterial.

Typ B: Der Gleitschuh-Fuss 25 besteht aus demselben oder einem hinsichtlich seiner Materialeigenschaften ähnlichen Material wie die anderen Bauteile der Kolben-Gleitschuh-Einheit. Bevorzugt wird der Gleitschuh-Fuss 25 in allen Details vor seiner Härtung auf seine Endmasse gefertigt.

Zutreffend für Typ A und Typ B Kolben-Gleitschuh-Einheiten [0040] Der Gleitschuh-Fuss 25 hat an dem zur Lauffläche abgewandten Ende eine zentrische Bohrung 26, deren Innendurchmesser auf den Aussendurchmesser des zylindrischen Bauteilabschnitts 22 des Gleitschuh-Kopfes 20 abgestimmt ist. Bevorzugt sind die betrachteten Abschnitte der beiden Bauteile 20, 25 zusätzlich in ihrer Länge bzw. Tiefe aufeinander abgestimmt, sodass ein bündiges Aufeinandersetzen - wie in Fig. 2 ersichtlich - möglich ist.

[0041] In einer besonders bevorzugten Ausführung werden die aneinander grenzenden Oberflächenbereiche dieser beiden Bauteile 20, 25 mit weiteren komplementären Oberflächenelementen versehen, die ein nochmals genauer definiertes Positionieren des Gleitschuh-Fusses 25 auf dem Gleitschuh-Kopf 20 erzwingen. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine auf der Mantelfläche des zylindrischen Fortsatzes 22 des Gleitschuh-Kopfes 20 eingebrachte Radialnut 23 und

CH 714 838 A1 einen auf der Innenwand des Gleitschuh-Fusses 25 aufgebrachte Wulst 27 als Komplementärelement. Zwecks Deutlichmachung sind in diesen Abbildungen die Oberflächenelemente in Relation zu den Bauteilaussenmassen grösser dargestellt als dies in einer bevorzugten Ausführung der Fall wäre.

[0042] Je nach dem gewählten Fügeverfahren zwischen dem Gleitschuh-Kopf 20 und dem Gleitschuh-Fuss 25 kann es erforderlich sein, dass der Kragenbereich des Gleitschuh-Fusses 25 zwei Abschnitte 28a, 28b mit unterschiedlichen Aussendurchmessern aufweist. Davon weist der untere Abschnitt 28b einen auf den Führungsumfang der Rückzugplatte angepassten Aussendurchmesser auf. Klarerweise ist die Länge dieses Abschnitts 28b auf die Dicke der Rückzugplatte abgestimmt. Der Aussendurchmesser des oberen Kragenabschnitts 28a muss entsprechend klein genug sein, dass die dort nach dem Fügeprozess zwischen dem Gleitschuh-Kopf 20 und Gleitschuh-Fuss 25 veränderte Manteloberfläche maximal an den Führungs-umfang der Rückzugplatte heranreicht.

[0043] Nach der Härtung der Bauteile, die eine solche benötigen, das sind bei einer Typ A Kolben-Gleitschuh-Einheit der Kolben 10, der Halter 30 und der Gleitschuh-Kopf 20 und bei einer Typ B Einheit zusätzlich der Gleitschuh-Fuss 25, müssen die in Bezug auf eine zusammengebaute Kolben-Gleitschuh-Einheit aneinander gleitenden Flächen ihrer Bauteile entsprechend geglättet werden. Bevorzugt werden bereits vor dem Zusammenbau der Kolben-Gleitschuh-Einheit sämtliche Flächen dieser Bauteile geglättet, die in Bezug auf den späteren Einsatz in der Axialkolbenmaschine aufgrund anderer Gleitpartner geglättet sein müssen.

[0044] In einer bevorzugten Abfolge der Herstellung werden diejenigen Bauteil-Abmasse bereits vor der Bauteile-Härtung auf ihre Endmasse gefertigt, dass an den zu glättenden Flächen nach der Härtung lediglich ein Materialabtrag, der zur Glättung dient, vorgenommen werden muss, nicht aber zur Einhaltung von Bauteil-Abmassen. In einer besonders bevorzugten Abfolge der Herstellung werden sämtliche Abmasse aller Bauteile der Kolben-Gleitschuh-Einheit bereits vor der Härtung auf ihre Endmasse gefertigt, darunter auch die Schmierölbohrung in ihrer endgültigen Silouette.

[0045] Die Einzelschritte für die Montage der Kolben-Gleitschuh-Einheit sind in Fig. 3 skizziert. Zunächst wird der Halter 30 ausgehend von dem zylindrischen Ende 22 des Kugelkopfes 21 über dieses gestülpt bis der kugelkalottenförmige Bereich 31 des Halters 30 an der Kugel 21 des Gleitschuh-Kopfes 20 aufliegt (Fig. 3a). Der Kugelkopf 21 wird in die dafür vorgesehene Aussparung 11 des Kolbens 10 eingelegt. Die beiden letztgenannten Schritte können in umgekehrter Reihenfolge oder mit zeitlicher Überlappung erfolgen.

[0046] Als nächstes wird, wie im Schritt b) gezeigt, die Verbindung zwischen dem Halter 30 und dem Kolben 10 fixiert, bspw. mittels Laserschweissen. Bevorzugt erfolgt das Fixieren im Bereich der verjüngten Mantelfläche und dem Kragen, abseits von geglätteten Oberflächen.

[0047] Zuletzt erfolgt die Montage des Gleitschuh-Fusses 25. Dieser Montageschritt hängt von der gewählten Materialart des Gleitschuh-Fusses 25 ab. Bei der zuvor beschriebenen Kolben-Gleitschuh-Einheit gemäss Typ A wird der GleitschuhFuss 25 aufgesetzt und eine Fixierung kann mittels Laserlöten erfolgen (Fig. 3c)). Weist in Bezug auf die fertig gestellte Kolben-Gleitschuh-Einheit (mindestens) eine freiliegende Oberfläche der Beschichtung der Lauffläche eine besondere Konfiguration auf, wie etwa eine mögliche Labyrinth Struktur an der Lauffläche, werden in einer bevorzugten Abfolge der Herstellung die Konfigurationen dieser Oberflächen vor dem Zusammenbau der Kolben-Gleitschuh-Einheit vorgenommen.

[0048] Bei der Kolben-Gleitschuh-Einheit Typ B erfolgt zunächst die Aufbringung der Beschichtung auf den GleitschuhFuss 25, der im Anschluss auf den Gleitschuh-Kopf 20 aufgesetzt und entsprechend fixiert wird, bspw. durch Laserschweissen. Gleichermassen ist das Aufbringen der Beschichtung nach dem Aufsetzen des Gleitschuh-Fusses 25 oder nach seiner Fixierung möglich.

[0049] Der Gleitschuh-Fuss 25 einer erfindungsgemässen Kolben-Gleitschuh-Einheit muss nicht zwangsläufig vollständig aus dem Beschichtungsmaterial bestehen. Alternativ zu der zuvor beschriebenen Ausführung kann der Gleitschuh-Fuss 25 aus einem vergleichsweise harten oder sehr harten Grundkörper bestehen, der seinerseits eine beschichtete Lauffläche aufweist. Bei einem solchen Aufbau wird der Grundkörper des Gleitschuh-Fusses 25 entsprechend der erläuterten Darstellungen mit dem Gleitschuh-Kopf 20 verbunden, bevorzugt durch eine stoffschlüssige Verbindung und besonders bevorzugt durch ein Schweissverfahren z.B. Laserschweissen.

Für die Auswahl des Beschichtungsmaterials bzw. des Beschichtungskonzeptes, d.h. mittels Materialauftrag oder Anbringung wenigstens eines das Beschichtungsmaterial tragendes Bauteils, und die Auswahl des Verfahrens, mit der die Beschichtung aufgebracht wird, bestehen für eine erfindungsgemässe Kolben-Gleitschuh-Einheit keine Einschränkungen.

[0050] Die erfindungsgemässe Kolben-Gleitschuh-Einheit kann auf einem Kolben 10, der keinen oder mehrere Hohlräume aufweist, basieren. Darüber hinaus kann eine erfindungsgemässe Kolben-Gleitschuh-Einheit auf einem Kolben basieren, der nicht aus Vollmaterial gefertigt ist, sondern bspw. ausgehend von einem oder mehreren rohrförmigen Grundelementen.

[0051] In Summe lassen sich die folgenden Vorteile der Erfindung hervorheben:

- Deutliche Erhöhung der Prozesssicherheit bei der Fertigung

- Verlängerung der Dauerhaltbarkeit

- Erhöhte Resistenz gegenüber hohen Lastspitzen

- Erhöhung des maximal möglichen Schrägwinkels

CH 714 838 A1 [0052] Die erfindungsgemässe Herstellung der Kolben-Gleitschuh-Einheiten vermeidet sämtliche Nachteile, die bei einer dem Stand der Technik entsprechenden Herstellung, die das Fügen der Gelenkverbindung durch ein plastisches Verformen erfordert, vorliegen. Möglich ist das durch die Gestaltung von Bauteilen, dem Kolben 10, dem Halter 30, dem Gleitschuh-Kopf 20 und dem Gleitschuh-Fuss 25, aus denen die Kolben-Gleitschuh-Einheit zusammengebaut wird. Die notwendige Härtung der Bauteile kann vor dem Zusammenbau erfolgen.

[0053] In Bezug auf die fertiggestellten Bauteile können daher die Materialhärte und die Eindringtiefe vollständig auf ein optimales Kosten-Nutzenverhältnis hinsichtlich des Härtungs-Aufwands und den Anforderungen der Anwendung ausgerichtet sein. Gleiches gilt für die Auswahl des Ausgangsmaterials und den Ausgangszustand des Materials aus dem die Bauteile gefertigt werden. Die vollständige Formgebung der Bauteile kann vor ihrer Härtung erfolgen. Nach der Härtung sind lediglich das Glätten von Oberflächen und das Aufbringen nötiger Beschichtungen bspw. an der Lauffläche erforderlich.

[0054] Für die Härtung sind nicht abschliessend folgende Vorgehensweisen denkbar

- Verfahrensauswahl der Wärmebehandlung (z. B. Nitrieren, Gasnitrieren, Gasnitrokarbonieren, Plasmanitrieren etc.)

- Prozessgestaltung

Einfach: Härtungstemperatur & Härtungsdauer

Aufwendiger: Temperaturführung (Temperatur-Zeitprofil) während der Härtung [0055] Bei der Kugelgelenkverbindung der erfindungsgemässen Kolben-Gleitschuh-Einheit besteht die gesamte Kugelkalotte und dabei insbesondere derjenige die Dicke d aufweisende Abschnitt, der den über den Äquator der im Kugelkopf 21 enthaltenen Teilkugel hinausreichenden Teil umschliesst, aus gehärtetem Werkstoff.

[0056] Aufgrund dieses Sachverhalts wird unter Beibehaltung der Dicke d mit einer Kugelgelenkverbindung einer erfindungsgemässen Kolben-Gleitschuh-Einheit eine wesentlich höhere Zugfestigkeit erreicht. Oder aber kann unter deutlicher Reduzierung der Dicke d mit einer Kugelgelenkverbindung einer erfindungsgemässen Kolben-Gleitschuh-Einheit eine solche Zugfestigkeit wie bei Kolben-Gleitschuh-Einheit erzielt werden, die dem Stand der Technik entspricht.

[0057] Wie in Fig. 2 durch die deutlich übertriebene Grösse der Dicke d hervorgehoben ist, ermöglicht eine Verringerung der Dicke d eine Erhöhung des Bewegungsspielraums der Kugelgelenkverbindung. In Bezug auf die Triebwerkanwendung in einer Axialkolbenmaschine ermöglicht eine Verringerung der Dicke das Einstellen grösserer Schrägkwinkel und schafft dadurch die bereits erläuterten Vorteile.

[0058] Somit beschränkt sich die Verbesserung einer erfindungsgemässen Kolben-Gleitschuh-Einheit nicht einzig auf eine Zunahme der Festigkeit, sondern bietet ein weiterreichendes Austarieren zwischen Festigkeit und maximal einstellbarem Schrägwinkel. Bis zu gewissen Grenzen lassen sich eine Zunahme der Festigkeit bei gleichzeitiger Erhöhung des maximal einstellbaren Schrägwinkels vereinbaren.

Patentansprüche

Claims

1. Kolben-Gleitschuh-Einheit für eine hydraulische oder pneumatische Vorrichtung, insbesondere eine Hydraulikmaschine bzw. Axialkolbenmaschine, mit wenigstens einem Kolben, der mittels Kugelgelenk mit wenigstens einem Gleitschuh gelenkig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelkalotte des Kugelgelenkes teilweise durch eine kalottenartige Aussparung des Kolbens oder des Gleitschuhs gebildet ist und durch wenigstens ein separates, mit dem Kolben bzw. Gleitschuh verbindbares Verschlussteil vervollständigt ist.

2. Kolben-Gleitschuh-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Verschlussteil den Radiusabschnitt der Kalotte bildet, der den eingesetzten Kugelkopf hintergreift, wobei vorzugsweise die kalottenförmige Aussparung innerhalb des Kolbens bzw. Gleitschuhs so dimensioniert ist, dass genau eine Kugelhälfte des Kugelkopfes aufgenommen ist.

3. Kolben-Gleitschuh-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben die kalottenförmige Aussparung umfasst und der Endabschnitt der Mantelfläche im Bereich der Kalotte verjüngt ist, um das separate Verschlussteil aufzunehmen.

4. Kolben-Gleitschuh-Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Verschlussteil den verjüngten Endabschnitt der Kolbenmantelfläche umschliesst, insbesondere bildet das Verschlussteil einen Kragen aus, wodurch dieses bündig auf den verjüngten Bereich des Kolbens aufgesetzt ist.

5. Kolben-Gleitschuh-Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Verschlussteil und der Kolben bzw. Gleitschuh komplementäre Verbindungselemente umfassen, vorzugsweise eine Nut, insbesondere Radialnut, und eine komplementäre Wulst, insbesondere Radialwulst.

6. Kolben-Gleitschuh-Einheit nach einem dervorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugelkopf als separate Komponente gefertigt ist und wenigstens einen zylindrischen Fortsatz zur Verbindung des Kugelkopfes mit dem Kolben bzw. Gleitschuh, insbesondere einem Gleitschuh-Fuss, umfasst, wobei der Durchmesser des zylindrisches Fortsatzes vorzugs-weis kleiner ist als der Durchmesser des Kugelkopfes.

CH 714 838 A1

7. Kolben-Gleitschuh-Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitschuh-Fuss bzw. der Kolben eine passgenaue Ausnehmung, insbesondere zentrische Bohrung, zur Aufnahme des zylindrisches Fortsatzes umfasst, idealerweise zur bündig abschliessenden Aufnahme des Fortsatzes, wobei optional komplementäre Verbindungselemente am Gleitschuh-Fuss/Kolben und dem zylindrischen Fortsatz vorgesehen sind, insbesondere in Form einer Radialnut und komplementären Radialwulst.

8. Kolben-Gleitschuh-Einheit nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitschuh-Fuss eine beschichtete Laufläche aufweist oder vollständig aus einem gleitfähigen Material gefertigt ist.

9. Hydraulische oder pneumatische Vorrichtung, insbesondere Axialkolbenmaschine oder hydraulische Stelleinrichtung, mit wenigstens einer Kolben-Gleitschuh-Einheit gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche.

10. Verfahren zur Herstellung einer Kolben-Gleitschuh-Einheit gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8 mit den Verfahrensschritten:

a. Herstellung des Kolbens, des Gleitschuhs sowie des separaten Verschlussteils,

b. Härtung des Kolbens, des Gleitschuh sowie des separaten Verschlussteils,

c. Verbinden des Kolbens mit dem Gleitschuh durch Einsetzen des Kugelkopfes in die Kalotte und anschliessender Montage des separaten Verschlussteils.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die kalottenförmige Ausnehmung innerhalb des Kolbens/ Gleitschuhs und/oder das separate Verschlussteil und/oder der Kugelkopf vor der Härtung auf Endmass gefertigt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Verschlussteil am Kolben bzw. Gleitschuh per Schweissverfahren, insbesondere per Laserschweissen befestigt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitschuh-Fuss mit dem Kugelkopf per Schweiss- oder Lötverfahren verbunden wird, vorzugsweise per Laserschweissen oder Laserlöten.