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Die
Erfindung geht von einem Hohlkolben nach der Gattung des Hauptanspruchs
aus.
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Triebwerkkolben
in Axialkolbenmaschinen unterliegen einer hohen Belastung, die durch
Fliehkräfte
verursacht wird. Die bei Axialkolbenmaschinen üblicherweise eingesetzten Massivkolben
setzen einem Betrieb mit höheren
Drehzahlen Grenzen. Bei höheren
Drehzahlen ergeben sich Festigkeitsprobleme für die Zylinder aufgrund der
hoher Fliehkräfte und
für die
Kolben-Rückhalteeinrichtung
aufgrund der großen
Massenkräfte
sowie thermische Probleme an den Berührungsflächen zwischen Kolben und Zylinder
aufgrund der aus den Fliehkräften
resultierenden Reibungskräfte.
Um Axialkolbenmaschinen mit erhöhter
Drehzahl zu betreiben, und zur Gewichtsersparnis werden Leichtbaukolben
mit Hohlraum eingesetzt, die durch Verschweißen zweier Einzelteile hergestellt
werden. Zur Zeit wird die Innenkontur der Vorfertigungsteile mit
spanenden Fertigungsverfahren hergestellt.
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Verschiedene
Bauweisen von Hohlkolben sind bereits bekannt, wobei die Bauform
der hohl gebohrten Kolben den Nachteil hat, dass der im Kolben entstehende
Hohlraum mit Strömungsmittel
gefüllt ist,
was zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades führt. Um
dieses Problem zu umgehen, wird ein Deckel auf den Kolbenhauptkörper aufgebracht,
welcher mittels verschiedener Verfahren mit dem Hauptkörper verbunden
ist.
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So
ist beispielsweise aus der
DE
196 20 167 C1 ein Hohlkolben mit radial verschweißtem Deckel bekannt,
wobei der Hohlkolben und der Deckel mittels Elektronenstrahlschweißen miteinander
fest verbunden werden. Die mittels eines spanenden Verfahrens hergestellte
Innenkontur des Hohlkolbens weist einen Ringraum auf, der zwischen
dem Hauptkörper des
Kolbens und einem sich entlang der Längsachse des Hauptkörpers erstreckenden
Dorns ausgebildet ist. An dem einem Kopfabschnitt des Kolbens zugewandten
Ende des Ringraums weist dieser kreisbogenförmige Verrundungen auf, die
eine Herstellung dieser Kontur mittels anderer als spanende Verfahren
schwierig bzw. unmöglich
machen.
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Bei
mittels spanender Herstellungsverfahren hergestellten Hohlkolben
besteht jedoch ein Nachteil darin, dass die erforderlichen Materialeigenschaften, insbesondere
Bruchfertigkeit, die Oberflächengüte und die
Wirtschaftlichkeit nicht zufrieden stellend sind.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Hohlkolben mit
erhöhter
Bruchfertigkeit zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die
Unteransprüche
enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der
erfindungsgemäße Hohlkolben
mit dem kennzeichnenden Merkmal des Hauptanspruchs hat den Vorteil,
dass er mittels eines kostengünstigen Verfahrens
herstellbar ist und verbesserte Materialeigenschaften und Oberflächengüte gegenüber den
im Stand der Technik mittels spanender Verfahren hergestellter Hohlkolben
vorsieht. Erfindungsgemäß wird ein
festigkeitsoptimierter Leichtbaukolben für hydrostatische Maschinen
vorgesehen, mittels welchem die Nachteile des Standes der Technik überwunden
werden, da durch die spezifische erfindungsgemäße Innenkontur des Hohlkolbens
ermöglicht wird,
den Kolben mittels eines Kaltfließpressverfahrens herzustellen,
so dass spanende Bearbeitungsschritte zur Herstellung der Innenkontur
nicht notwendig sind.
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Um
dies zu ermöglichen,
ist die Verrundung am dem Kopfabschnitt des Kolbens zugewandten Ende
des Ringraums, als ein erstes Innenprofil ausgebildet, das im Querschnitt
des Hohlkolbens eine erste abgerundete Ecke zwischen der ersten
Endfläche
des Ringraums und der Mantelwand des Hauptkörpers bildet, wobei die Rundung
der ersten Ecke einem Ellipsenabschnitt entspricht, so dass ein
elliptisches Verrundungsprofil statt einer kreisbogenförmigen Verrundung
gebildet wird. Diese spezielle Geometrie der Verrundung lässt den
Einsatz von optimierten Kaltfließpresswerkzeugen und ein entsprechendes
optimiertes Kaltfließpressverfahren
zu, was bei kreisbogenförmiger
Ausbildung der Verrundung nicht der Fall ist.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn der Radius des elliptischen Verrundungsprofils
in axialer Richtung des Hohlzylinders doppelt so groß ist wie der
Radius des elliptischen Verrundungsprofils in radialer Richtung
des Hohlzylinder, wobei die bevorzugen Abmessungen für den axialen
Radius ca. 2,8 mm und für
den radialen Radius ca. 1,4 mm betragen. Durch diese Ausbildung
wird ein besonders weicher Übergang
von der zylindrischen Außen-
bzw. Mantelwand zum Bohrungsgrund erreicht. Dies führt zu einer
deutlich reduzierten Bauteilbelastung an dieser Stelle.
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Hohlkolbens
sowie einer Axialkolbenmaschine mit Hohlkolben gemäß dem Stand
der Technik ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und wird
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch eine Axialkolbenmaschine gemäß dem Stand der
Technik;
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2a einen
erfindungemäßen Hohlkolben;
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2b einen
vergrößerten Ausschnitt
des Verrundungsprofils des Hohlkolbens der 2a im Bereich IIb und
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3 eine
schematische Darstellung der Verrundung.
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1 zeigt
eine Axialkolbenmaschine 1 gemäß dem Stand der Technik. Die
Axialkolbenmaschine 1 ist in Schrägscheibenbauweise mit verstellbarem
Verdrängungsvolumen
ausgeführt
und umfasst als wesentliche Bauteile ein hohlzylindrisches Gehäuse 2,
einen am Gehäuse 1 befestigten
Anschlussblock 3, eine Schrägscheibe 4, einen
Steuerkörper 5, eine
Triebwelle 6, eine Zylindertrommel 7, in welcher die
Zylinderbohrungen 8, 9 radial gleichmäßig verteilt angeordnet
sind. In den Zylinderbohrungen 8, 9 sind die Hohlkolben 10, 11 verschiebbar
angeordnet, wobei sich die als Kugelköpfe 12, 13 ausgebildeten
Gelenkköpfe
der Hohlkolben 10, 11 über Gleitschuhe 14, 15 an
der Schrägscheibe
abstützen.
Die Hohlkolben 10, 11 weisen gemäß dem Stand
der Technik kreisbogenförmige
Verrundungen auf, wie durch die gestrichelte Linie gekennzeichnet
ist.
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Eine
in einer Ausbuchtung 16 des Gehäuses 2 untergebrachte
Stelleinrichtung 17 greift über einen sich in Richtung
auf den Anschlussblock 3 erstreckenden Arm 18 an
der Schrägscheibe 4 an
und dient zum Verschwenken derselben um eine zur Schwenkrichtung
senkrechte Schwenkachse.
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Der
Steuerkörper 5 ist
an der dem Gehäuse-Innenraum
zugewandten Innenfläche
des Anschlussblocks 3 befestigt und mit zwei durchgehenden Öffnungen
in Form von nierenförmigen
Steuerschlitzen 19, 20 versehen, die über einen
Druckkanal 21 bzw. Saugkanal 22 im Anschlussblock 3 an
eine nicht gezeigte Druck- bzw. Saugleitung angeschlossen sind.
Die dem Gehäuse-Innenraum
zugewandte und sphärisch
ausgebildete Steuerfläche
des Steuerkörpers 5 dient
als Lagerfläche
für die
Zylindertrommel 7.
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Die
Triebwelle 6 ragt durch eine Durchgangsbohrung in der Gehäuse-Stirnwand 23 in
das Gehäuse 2 hinein
und ist mittels eines Lagers 24 in dieser Durchgangsbohrung
sowie mittels eines weiteren Lagers 25 im Anschlussblock 3 drehbar
gelagert. Die Zylindertrommel 7 ist mittels einer Keilnut-Verbindung 26 drehfest
mit der Triebwelle 6 verbunden.
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Die
Zylinderbohrungen sind mit Mündungskanälen 27, 28 versehen,
die auf dem gleichen Teilkreis wie die Steuerschlitze 19, 20 des
Steuerkörpers 5 ausmünden. In
die Zylinderbohrungen 8, 9 ist je eine Laufbuchse 29, 30 eingesetzt.
Jeder Gleitschuh 14, 15 ist an seiner der Gleitscheibe 31 der
Schrägscheibe 4 zugewandten
Gleitfläche
mit je einer nicht gezeigten Drucktasche versehen, die über je eine Durchgangsbohrung 32, 33 im
Gleitschuh 14, 15 an einem abgestuften, axialen
Durchgangskanal 34, 35 im zugehörigen Kolben 10, 11 angeschlossen
und auf diese Weise mit dem vom Kolben 10, 11 in
der Zylinderbohrung 8, 9 abgegrenzten Arbeitsraum
des Zylinders verbunden ist. In jedem axialen Durchgangskanal 34, 35 ist
im Bereich des zugeordneten Kugelkopfes 12, 13 eine
Drossel ausgebildet.
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Hinsichtlich
der detaillierten Beschreibung einer Axialkolbenmaschine dieser
Bauart wird z. B. auf die
DE
44 23 023 A1 verwiesen.
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2a zeigt
einen Hohlkolben 10 für
hydrostatische Maschinen, insbesondere für die in 1 gezeigte
Axialkolbenmaschine 1, gemäß der Erfindung. Der Hohlkolben 10 ist
vorzugsweise mittels eines Kaltfließpressverfahrens hergestellt.
Bei diesem Verfahren wird der Werkstoff unter Einwirkung eines hohen
Drucks zum Fließen
gebracht. Dabei drückt ein
Stempel den Werkstückrohling
durch eine formgebende im Querschnitt verminderte Werkzeugöffnung – eine Matrize.
Das Umformen beim Kaltfließpressen
erfolgt bei Raumtemperatur, wodurch eine hohe Maßgenauigkeit und eine ausgesprochenen hohe
Oberflächengüte erreicht
werden.
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Der
Hohlkolben 10 weist einen zylindrischen Hauptkörper 36 mit
einem ersten Endabschnitt 37 und einem zweiten Endabschnitt 38 auf.
Der zylindrische Hauptkörper 36 weist
in diesem Ausführungsbeispiel
eine Länge
von ca. 88 mm auf. An dem zweiten Endabschnitt 38 ist ein
Deckel 39 vorgesehen. Der Deckel 39 ist mit dem
zweiten Endabschnitt 38 des zylindrischen Hauptkörpers 36 beispielsweise mittels
Schweißen
fest verbunden. An den ersten Endabschnitt 37 schließt sich
ein Verbindungsabschnitt 40 an, welcher den ersten Endabschnitt
des zylindrischen Hauptkörpers 36 mit
einem Kopfabschnitt 41 verbindet. Der Kopfabschnitt 41 ist
wie in dem in 1 dargestellten Beispiel ein
als Kugelkopf ausgebildeter Gelenkkopf. Der zylindrische Hauptkörper 36 weist
weiterhin einen ringförmigen
Hohlraum bzw. Ringraum 42 auf, der zwischen einer Mantelwand 43 des
Hauptkörpers 36 und
einem zentral in dem Hauptkörper 36 angeordneten
Dorn 44 ausgebildet ist. Der Ringraum 42 hat in
diesem Ausführungsbeispiel
einen Durchmesser von ca. 22 mm.
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Der
Dorn 44 erstreckt sich entlang einer Längsachse L des zylindrischen
Hauptkörpers 36. Der
so ausgebildete Ringraum 42 wird durch die Mantelwand 43,
den Dorn 44 und eine erste Endfläche 45, welche an
den Verbindungsabschnitt 40 angrenzt, und eine zweite Endfläche 46 an
dem Deckel 39, eingegrenzt. Die erste Endfläche 46 liegt
der zweiten Endfläche 47 gegenüber.
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Entlang
der Längsachse
L des zylindrischen Hauptkörpers 36 erstreckt
sich ein Durchgangskanal 49 durch den Dorn 44,
den Deckel 39 und den Kopfabschnitt 41. Der Durchgangskanal 49 in
dem Kopfabschnitt 41 kann mit einer Drosselstelle 50 versehen sein.
Durch den Durchgangskanal 49 wird eine Verbindung zwischen
dem Arbeitsvolumen der Zylinderbohrungen 8, 9 und
den Durchgangsbohrungen 32, 33 in den Gleitschuhen 14, 15 geschaffen.
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An
der ersten Endfläche 45 und
der Mantelwand 43 ist ein erstes Innenprofil 47 ausgebildet.
Das erste Innenprofil 47 entspricht im Querschnitt des Kolbens 10 einer
ersten abgerundeten Ecke, weist jedoch erfindungsgemäß ein elliptisches
Verrundungsprofil anstelle eines kreisbogenförmigen Verrundungsprofils,
wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, auf. Gegenüberliegend
der ersten Ecke 47 ist ein zweites Innenprofil 48,
welches im Querschnitt des Kolbens 10 einer zweiten abgerundeten
Ecke 48 zwischen der ersten Endfläche 45 und dem Dorn 44 entspricht,
ausgebildet. In dem gezeigten Beispiel ist die Verrundung kreisbogenförmig mit
einem Radius von ca. 1,4 mm. In einem anderen Ausführungsbeispiel
können
jedoch auch beide Ecken mit elliptischem Verrundungsprofil ausgebildet
sein. Der Radius des elliptischen Verrundungsprofils in axialer Richtung
des zylindrischen Hauptkörpers 36 ist
gemäß der Erfindung
etwa doppelt so groß wie
der Radius des Verrundungsprofils in radialer Richtung des Hauptkörpers 36 und
beträgt
im Beispiel somit ca. 2,8 mm.
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Wie
detaillierter in 2b dargestellt ist, beträgt in der
Ausführungsform
der axiale Radius der elliptischen Verrundung ca. 2,8 mm und der
radiale Radius beträgt
ca. 1,4 mm. Der Radius der kreisbogenförmigen Verrundung der beträgt ebenfalls
ca. 1,4 mm. Da das erste Innenprofil bzw. die erste Ecke 47 mit
einem elliptischen Verrundungsprofil mit gleichem radialen Halbmesser
aber etwa mit doppelt so großem
axialen Halbmesser ausgeführt
ist, kann unter dieser Beibehaltung des Radialmasses die Herstellbarkeit
durch Kaltfließpressen
gewährleistet
werden.
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In 3 wird
eine vergrößerte und
schematische Ansicht der elliptischen Verrundung gemäß der Erfindung
dargestellt. Durch die elliptische Rundung wird dabei nicht nur
eine Herstellung des Hohlkolbens 10 mittels Kaltfließpressen
ermöglicht,
sondern auch ein weicher Übergang
von der zylindrischen Mantelwand 43 zum Bohrungsgrund an
der ersten Endfläche 45 erreicht,
was zu einer höheren Bruchfestigkeit
insbesondere bei radialer Belastung führt. Wie bereits erwähnt, führt diese
Ausbildung auch zu deutlich reduzierter Bauteilbelastung an dieser
Stelle, was den Verschleiß des
Kolbens verringert.
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Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise kommen
auch andere Radien in Betracht. Alle beschriebenen und/oder gezeichneten
Merkmale sind beliebig miteinander kombinierbar.