DE10040823A1 - Gefüllter Hydraulikkolben und Verfahren für dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gefüllte Kolbenanordnung für eine Hydraulikpumpe oder einen Hydraulikmotor. Die gefüllte Hydraulikkolbenanordnung umfaßt einen Rohkolbenkörper mit einem ersten und zweiten Ende und einem Hohlraum oder einer Kammer in dem Kolbenkörper, die sich von einem der Enden aus nach innen erstreckt. Der Kolben ist mit einem leichtgewichtigen festen Einsatzelement gefüllt, welches in die Kammer des Kolbens eingesetzt wird. Das Material des Rohkolbenkörpers wird dann um das Einsatzelement herum kaltgeformt, um das Element einzuschließen. Der Kolbenkörper wird dann weiter für die Aufnahme einer sphärischen Kugel in dem einem Ende kaltgewalzt. Er wird dann auf Länge zugeschnitten, maschinell endbearbeitet und es wird eine Längsmittenbohrung darin eingebohrt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kolben für hydrauli­ sche Pumpen und Motoren. Insbesondere betrifft diese Erfin­ dung eine Füllung für in Pumpen und Motoren verwendete Hy­ draulikkolben. Der gefüllte Kolben dieser Erfindung verbes­ sert den Wirkungsgrad der Pumpe oder des Motors zu annehmba­ ren Kosten.

Eine bekannte Technik zur Verringerung der innerhalb ei­ nes Hydraulikkolbens enthaltenen Ölmenge besteht in der Fül­ lung des normalerweise hohlen Kolbens mit einem festen Mate­ rial. Dieses verringert die innerhalb des Kolbens enthaltene Ölmenge. Das Öl in dem Kolben muß während jeder Umdrehung oder jedes Pumpzyklusses komprimiert werden.

Bei Hohlkolbenkonstruktionen hat sich herausgestellt, daß diese nachteilige Nebeneffekte hauptsächlich wegen der Kom­ pressibilität des den Kolbenhohlraum füllenden Öls erzeugen. Die Kompressibilität des Fluids hat einen merklichen Einfluß auf den Gesamtwirkungsgrad der Einheit und erzeugt auch Kavi­ tation, Erosion, Geräusche, und unerwünschte Momente auf den Taumelscheibenmechanismus bei Anwendung in einer Pumpe oder einem Motor in Axialkolbenbauart.

Es gibt derzeit mindestens drei bekannte Arten "gefüll­ ter" Hohlkolben: verschweißte Kolben, Festkörperkolben und Kunststoff-gefüllte Kolben. Verschweißte Kolben sind wegen des Schweißvorgangs teuer in der Herstellung. Verschweißte Kolben erfordern auch zur Schmierung der Gleitstücklauffläche das Vorsehen einer durch die Einheit gebohrten Öffnung. Diese gebohrten Löcher sind üblicherweise relativ lang und klein im Durchmesser. Daher ist der Bohrvorgang typischerweise ziem­ lich schwierig und teuer.

Festkörperkolben verringern ebenfalls das Ölvolumen. Festkörperkolben sind jedoch viel schwerer als ihre hohlen Gegenstücke und verringern deshalb das Drehvermögen der Hy­ draulikeinheit. Ähnlich wie die verschweißten Kolben weisen Festkörperkolben eine kleine Durchtrittsbohrung auf, welche einen teueren Bohrvorgang für die Sicherstellung der Schmie­ rung der Gleitstücklauffläche erfordert.

Eine Füllung der Kolben durch Eingießen eines flüssigen Kunststoffmaterials in diese wurde ebenfalls bereits ver­ sucht. Nach der Verfestigung weist der Kunststoff einen höhe­ ren Kompressionsmodul als den von Öl auf. Dieses Verfahren hat sich als teuer erwiesen und es war schwierig das Material zuverlässig innerhalb des Kolben zu halten oder es an der Kolbenwand zu verankern. Viele Kunststoffe erfüllen nicht die Anforderungen an den Kompressionsmodul.

Das Ölvolumen in jeder Kolbenbohrung wird während jeder Umdrehung des Zylinderblocks auf den Betriebsdruck kompri­ miert. Öl ist komprimierbar und benötigt zur Kompression Energie. Dieses führt bei Einheiten, welche keine gefüllten Kolben haben, zu Energieverlusten. Ein Vorsehen dieses ver­ ringerten Volumens kann den Wirkungsgrad verbessern, erfor­ dert aber üblicherweise höhere Produktionskosten.

Ein weiteres Problem bei den Hohlkolben ist die Schwan­ kung in den Steuermomenten abhängig von Veränderungen in der Blockrotationsdrehzahl. Direktverdrängende (servolose) Ein­ heiten, weisen wegen der höheren Kosten typischerweise keine Kolben mit verringertem Volumen auf. Da Direktverdrängungs­ einheiten keinen Servo zur Steuerung der Taumelscheibe auf­ weisen, spürt der Betreiber die Steuermomente.

Kolben mit niedrigem Volumen können als verschweißte Kol­ ben oder als Festkörperkolben hergestellt werden. Beide er­ zielen die Leistungsverbesserungen, wobei aber die ver­ schweißten Kolben teuer in der Herstellung und die Festkör­ perkolben viel schwerer sind, was die maximale Betriebsdreh­ zahl aufgrund höherer einen Kolbenfressen bewirkender Block­ kippkräfte und höherer Zentrifugalkräfte verringert.

Es war bisher schwierig, die vorstehend beschriebenen herkömmlichen "gefüllten" Kolben an Niederdruck-Hydraulikein­ heiten anzupassen. Somit profitieren die Niederdruck-Hydrau­ likeinheiten nicht von dem reduzierten Ölvolumen, da diese typischerweise kostengünstigere Einheiten sind und der Markt die zusätzlichen Kosten der nicht hohlen Kolben nicht tole­ riert.

Daher besteht eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfin­ dung in der Bereitstellung eines leichtgewichtigen Einsatzes in dem Kolben, der durch Kaltformung des Kolbenmaterials um den Einsatz herum festgehalten wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereit­ stellung einer leichtgewichtigen Kolbenfüllung, welche ohne teuere Gieß- oder Extrusionsverfahren hergestellt werden kann.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereit­ stellung eines leichtgewichtigen Kolbens, welcher preisgün­ stig ist und welcher die Ölkompressibilität verringert.

Diese und weitere Aufgaben sind für den Fachmann auf die­ sem Gebiet offensichtlich.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gefüllte Kolben­ anordnung für eine hydraulische Pumpe oder einen Motor. Die gefüllte Hydraulikkolbenanordnung umfaßt einen Rohkolbenkör­ per mit einem ersten und zweiten Ende und einem Hohlraum oder einer Kammer in dem Kolbenkörper, die sich von einem der En­ den aus nach innen erstreckt. Der Kolben ist mit einem leichtgewichtigen festen Einsatzelement gefüllt, welches in die Kammer des Kolbens eingesetzt wird. Das Material des Roh­ kolbenkörpers wird dann um das Einsatzelement herum kaltge­ formt, um das Element einzuschließen. Der Kolbenkörper wird dann weiter für die Aufnahme einer sphärischen Kugel in dem einem Ende kaltgewalzt. Dann wird er auf Länge zugeschnitten, maschinell endbearbeitet und eine Längsmittenbohrung darin eingebohrt.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht der gefüllten Kolbens dieser Erfindung, eingebaut in den Zylinderblock einer hy­ draulischen Einheit.

Fig. 2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der gefüllten Kolbenanordnung.

Fig. 3A bis 3G stellen die entsprechenden Verfahrens­ schritte für die Herstellung und den Zusammenbau des gefüll­ ten Kolbens dieser Erfindung dar.

Fig. 4 ist eine Großmaßstabs-Längsschnittansicht des ge­ füllten Kolbens ähnlich zu Fig. 3D.

Die gefüllte und zusammengebaute Hydraulikkolbenanordnung dieser Erfindung ist in den Figuren insgesamt mit dem Bezugs­ zeichen 10 (Fig. 1) bezeichnet. Die Kolbenanordnung 10 umfaßt einen metallischen Rohkolbenkörper 12, welcher eine zylindri­ sche Wand 14, ein geschlossenes Ende 16, ein offenes Ende 18 und eine Mittenbohrung 20 aufweist. Die Schaffung der Anord­ nung 10 beinhaltet die Plazierung einer zylindrisch geformten Aluminiumeinsatzstückes 22 in der Bohrung 20. Das Einsatz­ stück 22 weist einen Durchmesser komplementär und im wesent­ lichen gleich dem Durchmesser der Bohrung 20 auf, besitzt aber eine kürzere Länge, welche einen offenen Raum 24 in der Bohrung 20 angrenzend an das offene Ende 18 (Fig. 3B) frei­ läßt.

Gemäß Darstellung in Fig. 3C wird die Unteranordnung von Fig. 3B kaltgewalzt, um den Körper 12 um den Raum 24 zu kom­ primieren und das Einsatzstück 22 in der Bohrung 20 gegen das geschlossene Ende 16 zu klemmen. Dieser Schritt erzeugt gemäß Darstellung in Fig. 3C einen verringerten Innen- und Außen­ durchmesser für das vordere Ende 18 des Körpers 12.

Die Anordnung von Fig. 3C wird dann einer Kaltformung ge­ mäß Darstellung in Fig. 3D unterzogen, bei der das vordere Ende 18 des Körpers 12 und der Raum 24 an dem vorderen Ende der Bohrung wiederum einer Kaltformung zur Erzeugung eines Lagers 26 unterzogen werden, welches eine kugelige Form an seinem hinteren Lagerende 27 aufweist und an seiner rückwär­ tigen Achse in einem Oberflächenloch 28 endet, das in der Ab­ schlußwand 30 ausgebildet ist. Die Wand 30 kapselt das Ein­ satzstück 22 vollständig ein. Das vordere Ende 29 des Lagers 26 weist eine relativ dünne zylindrische Wand 26A auf, welche sich von dem kugelig geformten Lagerende 27 zu dem Ende 18 des Körpers 12 erstreckt. Die Linie 31 bezeichnet den Schnitt zwischen dem Lagerende 27 und dem Ende 29 des Lagers 26 (Fig. 3D).

Die sich aus dem Schritt D von Fig. 3 ergebende Anordnung wird dann auf Länge zugeschnitten, indem die Länge der Wand 26A zur Ausbildung einer Ringlippe 32 am Ende 18 gekürzt wird. Die Lippe 32 erstreckt sich über die Linie 31 hinaus und breitet sich von einer vertikalen Ebene, welche die Linie 31, die die Form des Lagerendes 27 als Halbkugel definiert, durchläuft, nach vorne aus. Ein Loch 33 wird vom Oberflächen­ loch 28 axial entlang der Mittelachse des Einsatzstücks 22 und von dem geschlossenen Ende 16 des Körperelements 14 aus gebohrt. Das Oberflächenloch 28 wird dann in eine trichter­ förmige abgeschrägte Kammer 28A umgeformt Fig. 3G).

Das Bezugszeichen 34 bezeichnet ein Gleitstück, welches einen Ball oder eine Kugel 36 an dem einem Ende aufweist, von welchem sich ein kurzer Schaft 38 mit verringerten Durchmes­ ser aus erstreckt (Fig. 1 und 3G). Eine Gleitstückplatte 40 befindet sich am Ende des Schafts 28 gegenüber der Kugel 36. Gemäß Darstellung in Fig. 1, 3F und 3G wird die Kugel 36 in das Lager 26 mit dem Ende 27 gebracht, welche von der Form zur Kugel komplementär ist und welches die Hälfte von deren Oberfläche einschließt. Dann wird die Lippe 32 auf den Ober­ flächenabschnitt der Kugel 36 gepreßt, der sich über das äu­ ßere Ende des Lagerendes 27 hinaus erstreckt. (Fig. 3G). Die Pressung der Kugel 36 durch die Lippe 32 ist so, daß die Ku­ gel 36 innerhalb des Lagerendes 27 drehbar ist.

Die zusammengebaute Kolbenanordnung ist für die Verwen­ dung in einem herkömmlichen Zylinderblock 42 (Fig. 1) geeig­ net, welcher die Kolbenanordnung 10 gleitend in einer Kolben­ bohrung 44 montiert enthält. Die Gleitstückplatte 40 steht mit einer herkömmlichen Taumelscheibe 46 in Eingriff. Öl wird herkömmlicherweise der Unterseite der Bohrung 44 zugeführt und steht mit dem Lager 26 und dem Lagerende 27 über die Boh­ rung 33 und die schräge Kammer 28A in Verbindung.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß diese Erfindung zumindest die ihr gestellten Aufgaben löst.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines Hydraulikkolbens für eine rotierende hydraulische Pumpe oder einen Motor mit den Schritten: Kaltformen eines metallischen Rohkolbenkörpers zum Erzeugen eines hohlen zylindrischen Körpers mit einem geschlossenem Ende, einem offenem Ende und einer Mitten­ bohrung mit gleichförmigen Querschnitt; Plazieren eines metallischen Einsatzstückes in die Mittenbohrung, welches einen komplementären Querschnitt zu dem der Mittenbohrung und ein Innenende angrenzend an das geschlossene Ende der Mittenbohrung und ein äußeres Ende besitzt, das nach in­ nen gerichtet von dem offenen Ende der Mittenbohrung be­ abstandet ist, um einen äußeren Endabschnitt der Mitten­ bohrung offenzulassen, wobei das Einsatzstück aus einem weniger dichten Material als das Material des Kolbenkör­ pers besteht; Kaltwalzen des offenen Endes des Kolbenkör­ pers, um den Kolbenkörper um den äußeren Endabschnitt der Mittenbohrung zur Verringerung des Durchmessers des äuße­ ren Endabschnittes der Mittenbohrung zu verformen und teilweise das äußere Ende des Einsatzstückes einzuschlie­ ßen; Kaltformen eines teilweise kugelig geformten Lagers in dem äußeren Endabschnitt der Mittenbohrung; und Pla­ zieren eines kugelig geformten Gleitstückelements in dem Lager.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Teil des offenen En­ den der Kolbenkörpers entfernt wird, um eine vorbestimmte Länge des Kolbenkörpers in Längsrichtung zu erhalten be­ vor das Gleitstückelement in das Lager eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gleitstückelement zumindest teilweise drehbar in dem Lager befestigt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Fluidkanal in Längs­ richtung in dem Kolbenkörper und dem Einsatzstück ausge­ bildet wird, welcher mit dem Lager in Verbindung steht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Fluidkammer in dem Körperelement an dem Schnittpunkt des Lagers und des Längsfluidkanals ausgebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Teil des Körperele­ ments das Außenende des Einsatzstückes überdeckt, wenn das Lager ausgebildet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine Ringlippe nach vor­ ne gerichtet über einen Vertikalebenendurchtritt seitlich durch die Mittenbohrung hindurch gequetscht wird, um das Gleitstück drehbar in dem Lager festzuhalten.

8. Hydraulikkolben für eine rotierende hydraulische Pumpe oder einen Motor, aufweisend einen metallischen Kolben­ körper mit einem hohlen zylindrischen Körper, einem ge­ schlossenem Ende, einem offenem Ende und einer Mittenboh­ rung mit gleichförmigem Querschnitt; ein leichtgewichti­ ges metallisches Einsatzstück in der Mittenbohrung des Kolbenkörpers und mit einen komplementären Querschnitt zu dem der Mittenbohrung, wobei das Einsatzstück kürzer als die Mittenbohrung ist und das eine Ende an dem geschlos­ senen Ende des Kolbenkörpers angrenzen und das andere En­ de von dem offenen Ende Kolbenkörpers beabstandet hat; eine Verschlußwand angrenzend an das andere Ende des Ein­ satzstückes; ein Lager in dem offenen Ende des Kolbenkör­ pers mit einem kugelig geformten Abschnitt darin; ein Ku­ gel in dem Lager; und eine Ringlippe um das offene Ende des Kolbenkörpers und gegen einen Teil der Außenoberflä­ che gedrückt, um die Kugel drehbar in dem Lager zu hal­ ten.

9. Hydraulikkolben nach Anspruch 8, wobei ein Taumelschei­ ben-Gleitstück an der Kugel befestigt ist.

10. Hydraulikkolben nach Anspruch 8, wobei sich ein Fluidka­ nal entlang einer Mittenlängsachse des Körperelementes von dem Lager aus und dann durch die Verschlußwand, das Einsatzstück und das geschlossene Ende des Kolbenkörpers hindurch erstreckt.

11. Hydraulikkolben nach Anspruch 8, wobei sich ein Teil der Kugel aus dem Lager heraus erstreckt.

12. Hydraulikkolben nach Anspruch 10, wobei eine kleine Fluidkammer in dem Lager angrenzend an das eine Ende des Fluidkanals angeordnet ist.