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Die
Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung einer hydraulischen Kolbenmaschine,
beispielsweise einer Axial- oder
Radialkolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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In
der
DE 102 35 813
B4 ist eine Axialkolbenmaschine gezeigt, bei der eine Vielzahl
von Kolben in einer Zylindertrommel verschiebbar angeordnet sind. Diese
Kolben sind mit ihrem von einem Kolbenraum entfernten Endabschnitt über jeweils
einen Gleitschuh an einer Schrägscheibe
abgestützt,
so dass bei einer Rotation der Zylindertrommel die Kolben in der
Zylindertrommel einen Hub durchführen,
um Druckmittel anzusaugen und zu verdichten. Die Steuerung der Druckmittelzufuhr
und -abfuhr erfolgt über eine
stirnseitig an der Trommel angeordnete Steuerscheibe. Bei der bekannten
Lösung
sind die an der Schrägscheibe
anliegenden Gleitflächen
der Gleitschuhe durch lokales Aufschmelzen mit einer Beschichtung
versehen, über
die der Gleitschuhverschleiß minimiert
ist. Nachteilig bei dieser Lösung
ist jedoch, dass ein erheblicher fertigungstechnischer Aufwand für diese
Beschichtung erforderlich ist. Ein derartiges Verfahren eignet sich
auch nur für
Gleitschuhe aus Metall oder Nichteisenmetall.
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In
der
US 6,183,212 B1 ist
eine als Benzinpumpe verwendete Radialkolbenpumpe offenbart, bei
der die Gleitschuhe aus Kunststoff hergestellt sind und auf Kugelköpfe der
Kolben aufgeclipst werden. Die verwendeten Kunststoffmaterialien
sind hinsichtlich ihrer Verschleißfestigkeit ausgewählt und müssen eine entsprechende
Elastiziät
aufweisen, um den Gleitschuh aufclipsen zu können. Bei einem Aufführungsbeispiel
wird das Aufclipsen durch Ausbilden von elastischen Zungen im Aufclipsbereich
vereinfacht. Aufgrund der erforderlichen Elastizität des auf
den auf den Kolben aufgesetzten Gleitschuhbereichs kann es bei ungünstigen
Betriebsbedingungen vorkommen, dass sich die Gleitschuhe von den
Kolben lösen,
so dass die Pumpe vorzeitig verschleisst. Ein weiterer Nachteil
besteht darin, dass für
das Aufclipsen der Gleitschuhe auf die Kolben ein vergleichsweiser
hoher Montageaufwand erforderlich ist.
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In
der
US 3,183,848 ist
eine Axialkolbenpumpe gezeigt, bei der die Gleitschuhe mittels Metallklammern
auf den Kolbenfuß befestigt
werden. Durch diese Metallklammer kann zwar eine vergleichsweise
zuverlässige
Verbindung zwischen Kolben und Gleitschuh gewährleistet werden, nachteilig ist
jedoch, dass die Montage durch die zusätzlich zu montierende Metallklammer
aufwendiger als beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist
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Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Kolbenanordnung für eine hydraulische
Kolbenmaschine zu schaffen, bei der der Fertigungsaufwand vereinfacht
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Kolbenanordnung für eine hydraulische Kolbenmaschine
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Die
erfindunggemäße Kolbenanordnung
hat einen Kolben, der gelenkig mit einem Gleitschuh verbunden ist.
Dieser Gleitschuh wird durch Spritzgießen direkt an den Kolben angespritzt,
so dass kein eigener Verfahrensschritt erforderlich ist. Da in diesem Fall
der Kolben selbst ein Teil der Spritzgießform ist, kann eine äußerst präzise Passung
im Anlenkbereich des Gleitschuhs an den Kolben gewährleistet
sein, die eine zuverlässige
Verbindung auch dann ermöglicht,
wenn die Kolbenoberfläche
im Verbindungsbereich außerhalb
der vorgegebenen Toleranz liegt, da durch das direkte Anspritzen
des Gleitschuhs diese Toleranzen ausgeglichen werden.
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Der
den Gleitschuh tragenden Kolbenfuß ist vorzugsweise kugelförmig ausgebildet
und vom Gleitschuh formschlüssig
umgriffen, so dass ein zerstörungsfrei
nicht lösbares
Kugelgelenk gebildet wird.
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Bei
einem besonders bevorzugten Aussführungsbeispiel sind der Kolben
und der Gleitschuh von einem Kanal mit einer Düse durchsetzt, der in der Gleitfläche mündet. Bei
diesem Kanal wird Druckmittel aus dem Kolbenraum in den Gleitbereich
geführt, so
dass der Anpressdruck des Gleitschuhs an der Schrägscheibe
verringert und entsprechend der Verschleiß minimiert wird.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung kann
die vorgenannte Düse
entweder im Kolben oder im Gleitschuh ausgebildet sein.
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Da
der Kolben und der Gleitschuh während der
Rotation einer Zylindertrommel der Kolbenmaschine relativ zueinander
verschwenkt werden, müssen
der im Gleitschuh gelegene Teil und der im Kolben gelegene Teil
des Kanals so ausgebildet sein, dass während dieser Relativverschwenkung
die Druckmittelverbindung zur Gleitfläche geöffnet bleibt. Bei einem bevorzugtem
Ausführungsbeispiel
wird dies dadurch ermöglicht,
dass im Übergangsbereich zwischen
Kolben und Gleitstück
eine trichterförmige Erweiterung
ausgebildet ist, deren Öffnung
an den maximalen Schwenkwinkel während
der Relativverschwenkung dieser Bauelemente angepasst ist.
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Zur
weiteren Abstützung
der Gleitschuhe kann an deren Außenumfang eine Ringstirnfläche ausgebildet
sein, die etwa in der gleichen Ebene, wie die dem Kolben zuweisende
Mündung
des den Gleitschuh durchdringenden Kanalabschnitts, liegt. Diese Ringstirnfläche kann
beispielsweise durch eine Ringnut ausgebildet werden.
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Erfindungsgemäß wird es
bevorzugt, wenn der Gleitschuh aus PEEK hergestellt ist. Dieses
Material zeichnet sich durch gute Spritzbarkeit, geringen Schwund
während
des Erstarrungsvorganges und hohe Verschleißfestigkeit aus, und ist daher
für die erfindungsgemäße Gleitschuhkonstruktion
besonders geeignet.
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Der
Kolben kann auch aus Kunststoff hergestellt werden, so dass beispielsweise
Kolben und Gleitschuh in einem Werkzeug nacheinander gespritzt werden
können.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 zeigt
eine dreidimensionale Darstellung einer Kolbenanordnung
1,
wie sie bei einer Axialkolbenmaschine einsetzbar ist. Hinsichtlich
des prinzipiellen Aufbaus derartiger Axialkolbenmaschinen sei auf
die Fachliteratur, bespielsweise die eingangs genannte
DE 102 35 813 B4 verwiesen.
Die Kolbenanordnung
1 besteht aus einem Kolben
2 der mit
einem Gleitschuh
4 versehen ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht der Kolben aus einem CrMo-Stahl, der Gleitschuh
4 ist
aus einem verschleißfesten
Thermoplast, beispielsweise verstärkten PEEK hergestellt. Wie
im folgenden noch näher erläutert wird,
besteht die Besonderheit darin dass dieser Gleitschuh
4 direkt
an den Kolben
2 angespritzt wird und somit zuverlässig mit
diesem verbunden ist.
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2 zeigt
einen Längsschnitt
durch die Kolbenanordnung 1 gemäß 1. Demgemäß hat der Kolben 2 einen
zylindrischen Abschnitt 6, der über eine Einschnürung 8 in
einen kugeligen Kolbenfuß 10 übergeht.
Der Kolben 2 wird in Axialrichtung von einer Axialbohrung
durchsetzt, die zu einer Ringstirnfläche 12 des Kolbens 6 hin
zu einem Raum 14 erweitert ist. Im Bereich des Kolbenfusses 10 ist
die Axialbohrung zu einer Düse 16 verengt,
die axial über eine
trichterförmige
Erweiterung 18 in einem abgeflachten Stirnbereich 20 des
Kolbenfußes 10 mündet. Die
Geometrie der Abflachung 20 ist so gewählt, dass deren Umfangskante
die Mündung
der Erweiterung 18 umgreift.
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In
dem Raum 14 kann ein Saugventil-Ventilkörper der Axialkolbenmaschine
geführt
sein.
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Der
kugelige Kolbenfuß 10 taucht
in einem kugelkalottenförmigen
Verbindungsabschnitt 22 des Gleitschuhs 4 ein,
wobei dieser Verbindungsabschnitt 22 den Außenumfang
des Kolbenfußes 10 über seinen
maximalen Durchmesser hinaus übergreift,
so dass Gleitschuh 4 und Kolbenfuß 10 durch die Hinterschneidung
zuverlässig
miteinander verbunden sind. Die Wandungsstärke S des Verbindungsbereichs 22 ist
dabei so gewählt,
dass sich der Gleitschuh 4 während des Betriebs der Kolbenmaschine
nicht durch elastische Verformung vom Kolben 6 abziehen
lässt,
das Lösen
dieser Verbindung ist somit nur gewaltsam möglich – eine derartige Belastung
tritt im normalen Betrieb der Pumpe jedoch nicht auf.
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An
die trichterförmige
Erweiterung 80 schliesst sich im Gleitschuh 4 ein
Kanalabschnitt 24 an, der über eine Tasche 26 in
einer Gleitfläche 28 des
Gleitschuhs 4 mündet,
mit der dieser auf einer Schrägscheibe
der Axialkolbenmaschine aufsitzt. Der Durchmesser des Kanalabschnitts 24 ist
größer als
der Durchmesser der Düse 16 gewählt und
so ausgelegt, dass auch bei einer Relativverschwenkung zwischen
Kolben 2 und Gleitschuh 4 (siehe 3)
der Druckmittelströmungspfad
durch die Kolbenanordnung hindurch geöffnet bleibt. Das heißt bei dem
in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht auch
bei Relativverschwenkung eine teilweise Überdeckung zwischen dem Kanalabschnitt 24 und der
trichterförmigen
Erweiterung 18. Die einen Ventilsitz für das Saugventil ausbildende
Ringstirnfläche 12 mit
den daran angrenzenden Stirnflächenbereichen
des Raums 14 begrenzt einen Arbeitsraum in einer Zylindertrommel
der Axialkolbenmaschine, in der eine Vielzahl der vorbeschriebenen
Kolbenanordnungen axial bewegbar geführt sind. Durch den vorbeschriebenen
Druckmittelströmungspfad
(Raum 14, Düse 16,
Erweiterung 18, Kanalabschnitt 24 und Tasche 26)
kann Druckmittel aus diesem Arbeitsraum zur Gleitfläche 28 gelangen,
so dass auf den Gleitschuh eine Art Gegendruck wirkt, der die Anpresskraft
auf die Schrägscheibe
verringert, wobei sich im Anlagebereich ein Film ausbildet, der
die Reibung des Gleitschuhs 4 zusätzlich verringert, so dass
dessen Verschleiss minimal ist.
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Wie
Eingangs erläutert,
wird der Gleitschuh 4 direkt an den Kolbenschuh 6 angespritzt.
Dazu wird der Kolben 6 oder bei einer Mehrfachform eine
Vielzahl von Kolben 6 in das Spritzgießwerkzeug eingelegt und gegebenenfall
der kugelige Kolbenfuß 10 mit einem
Trennmittel bestrichen. Die Trennebene sei dabei so gewählt, dass
sie sich senkrecht zur Zeichenebene in 2 durch
die Mittelachse 25 erstreckt. Das Anspritzen erfolgt vorzugsweise
in dem zum Kolben 6 gewandten Bereich, 2 zeigt
eine bevorzugte Lage dieses Anspritzpunktes, der mit dem Bezugszeichen 29 versehen
ist. Die Schmelze umströmt
dann den kugelförmigen
Kolbenfuß 10 und füllt die
Werkzeugkavität
aus, so dass die sich in 2 dargestellte Hinterschneidung
ausbildet. Um ein Zusetzen der Düse 16 zu
vermeiden, wird in diesem Bereich ein Formstift eingesetzt, durch
den dann auch die Kontur des Kanalabschnitts 24 und gegebenenfalls
der Tasche 26 ausgebildet wird.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Außenumfang
des Gleitschuhs 4 im rechten Bereich (Ansicht nach 2)
zurückgesetzt, so
dass eine Ringstirnfläche 30 ensteht,
die zur Vermeidung von übermäßigen Kerbkräften über eine
Rille 32 in die sich anschliessende zylindrische Umfangsfläche übergeht.
An dieser Ringstirnfläche 30 und
an der sich anschliessenden, zurückgesetzten Zylinderfläche kann
ein Haltemittel abgestützt
werden, über
dass die Gleitschuhe 4 der Axialkolbenpumpe mit Bezug zu
einer Antriebswelle in Axialrichtung und in Drehrichtung festgelegt
und in Richtung auf die Schrägscheibe
vorgespannt sind.
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In
den 3 und 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel
einer Kolbenanordnung 1 dargestellt, wobei 4 einen 2 entsprechenden Längsschnitt
zeigt und 3 den Kolben 6 und
den Gleitschuh 4 dieser Kolbenanordnung bei einer Relativverschwenkung.
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Der
Grundaufbau des in den 3 und 4 dargestellten
Ausführungsbeispiels
entspricht weitestgehend dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel,
so dass hier nur die Unterschiede erläutert werden und desweiteren
werden für
einander entsprechende Bauelemente die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
ist der Gleitschuh 4 durch Spritzgießen direkt an den Kolben 2 angespritzt,
so dass der Kolbenfuß 10 des
Kolbens 2 von dem kugelkalottenförmigen Verbindungsbereich 22 umgriffen
ist. Im Unterschied zum vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist bei der
in Figur 3 und 4 dargestellten Variante die Düse 16 nicht
im Kolben 2 sondern in dem Gleitschuh 4 ausgebildet.
Entsprechend mündet
die Düse 10 über die
ebenfalls am Gleitschuh 4 ausgebildete trichterförmige Erweiterung 18 in
dem den Kolbenfuß 10 formschlüssig umgreifenden
Teil des Verbindungsbereichs 22. In dem Kolbenfuß 10 ist
dann ein Kanalabschnitt 24 ausgebildet, der einerseits
im Scheitel des Kolbenfußes 10 und
andererseits in dem Raum 14 mündet. Der Durchmesser des Kanalabschnitts 24 ist
wiederum größer als
derjenige der Düse 16 ausgelegt,
die in einer Tasche 26 der Gleitfläche 28 mündet. Aus 3 ist
ersichtlich, dass bei einer Relativverschwenkung zwischen dem Kolben 2 und
dem Gleitschuh 4 die Überdeckung
zwischen dem Kanalabschnitt 24 und dem Mündungsbereich der
trichterförmigen
Erweiterung 18 erhalten bleibt, so dass der Druckmittelströmungspfad
von dem von der Stirnseite des Kolbens 2 begrenzten Arbeitsraum zur
Gleitfläche 28 hin
geöffnet
bleibt.
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Die
Herstellung erfolgt ähnlich
wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel,
wobei durch den den Kolben 2 stirnseitig verschliessenden
Formstift die trichterförmige
Erweiterung 18 und die Düse 16 im Gleitschuh 4 ausgeformt
sind. Der Anspritzpunkt 29 liegt wieder im gleichen Bereich
wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbespiel.
Bei dem dargestellten Ausführungsbespiel
ist die Ringstirnfläche 30 durch
eine Ringnut 34 ausgebildet, die in dem radial zurückgesetzten
zylindrischen Abschnitt des Gleitschuhs 4 eingebracht ist,
in die entstehende Ringnut 34 kann das vorbeschriebende
Verbindungsmittel der Axialkolbenmaschine eingreifen. Bei diesem
Ausführungsbespiel
liegt in der kugelfußseitige Mündungsbereich
der trichterförmigen
Erweiterung 18 in der gleichen Ebene in der die Ringstirnfläche 80 liegt.
Dieses Merkmal ist auch bei dem in 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbespiel
erfüllt.
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Durch
das direkte Anspritzen des Gleitschuhs 4 an den Kolben 2 und
die vorbeschriebene stabile Ausführung
des Verbindungsbereichs 22 mit vergleichsweiser großer Wandstärke wird
eine zuverlässige
Verbindung zwischen Kolben 2 und Gleitschuh 4 ermöglicht.
Des weiteren muss kein zusätzlicher
Arbeitsschritt zum Aufsetzen des Gleitschuhs 4 auf den
Kolben 2 vorgesehen werden, so dass auch der fertigungstechnische
Aufwand gegenüber
den herkömmlichen
Lösungen
erheblich verringert ist. Bei geeigneter Verfahrungsführung kann
auch auf die Verwendung eines Trennmittels verzichtet werden, der
Spritzgießvorgang
muss dann so eingestellt werden, dass sich die gewünschte Gleitpassung
zwischen Kolbenfuß 10 und
Gleitschuh 4 einstellt. Selbstverständlich kann an Stelle der vorbeschriebenen
Materialpaarungen (kohlefaserverstärktes PEEK, CrMo-Stahl) auch
eine andere geeignete Materialkombination verwendet werden, die
ein direktes Anspritzen oder Anformen des Gleitschuhs 4 an
den Kolben 2 ermöglicht.
So kann auch der Kolben 2 im Spritzgießverfahren aus Kunststoff hergestellt
werden, wobei das Werkzeug durch durch Schieben eine Herstellung
sowohl des Gleitschuhs als auch des Kolbens ermöglichen kann. Dabei kann zunächst der Kolben
und dann der Gleitschuh durch Anspritzen hergestellt werden. Erfindungsgemäß ist aber
auch die umgekehrte Abfolge möglich.
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Offenbart
ist eine Kolbenanordnung einer hydraulischen Kolbenmaschine, beispielsweise
einer Axialkolbenmaschine, wobei an einem Kolben ein Gleitschuh
angesetzt ist. Erfindungsgemäß wird dieser
Gleitschuh direkt, beispielsweise durch Spritzgießen an den
Kolben angeformt.
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- 1
- Kolbenanordnung
- 2
- Kolben
- 4
- Gleitschuh
- 6
- zylindrischer
Kolbenabschnitt
- 8
- Einschnürung
- 10
- Kolbenfuß
- 12
- Ringstirnfläche
- 14
- Raum
- 16
- Düse
- 18
- Erweiterung
- 20
- Abflachung
- 22
- Verbindungsbereich
- 24
- Kanalabschnitts
- 25
- Mittelachse
- 26
- Tasche
- 28
- Gleitfläche
- 29
- Anspritzpunkt
- 30
- Ringstirnfläche
- 32
- Rille
- 34
- Ringnut