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Die Erfindung geht aus von einem Hohlkolben für eine Kolbenmaschine, der die Merkmale aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist.
Bekannte Hohlkolben dieser Bauart besitzen einen Hohlraum und zwei den Hohlraum begrenzende Hohlkolbenteile, von denen wenigstens ein Hohlkolbenteil büchsenförmig ist und die an einer Schweißnaht miteinander verschweißt sind. Hohlkolben haben den Vorteil, Kolbenmaschinen mit erhöhter Drehzahl betreiben zu können, da aufgrund ihrer leichteren Bauweise geringere Fliehkräfte und daraus resultierend geringere Reibungskräfte auftreten, was den Verschleißprozess verlangsamt.
Bei einer gängigen Bauweise wird ein hohlzylinderförmiges Bauteil mit einem deckelförmigen Bauteil verschweißt. Hinsichtlich des Verschweißens sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Das Schweißen bildet eine sehr stabile, langlebige, statisch belastbare und relativ einfach herzustellende Verbindung. In den meisten Fällen ist es zeitsparender als andere Fügetechniken.
Die Schrift
DE 199 34 216 A1 beschreibt einen Hohlkolben für eine Kolbenmaschine und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Der Hohlkolben hat einen geschlossenen Ringhohlraum und besteht aus einem ersten Kolbenteil mit einem Basisabschnitt, von dem sich in der einen axialen Richtung ein Gelenkteil und in der anderen axialen Richtung jeweils einstückig eine den Ringhohlraum außen begrenzende Umfangswand und ein den Ringhohlraum innen begrenzender Dorn erstrecken, sowie aus einem zweiten Kolbenteil mit einem Deckel, der mit den dem Basisabschnitt abgewandten Enden der Umfangswand und des Dorns durch Reibschweißen verbunden sind. Die Umfangswand und der Dorn sind am Basisabschnitt spanlos angeformt.
Derart hergestellte Hohlkolben sind allerdings während des Betriebs an der Schweißnaht gebrochen, da beim Reibschweißprozess an den Verbindungsstellen Schweißwülste mit einem teilweise nahezu scharfkantigen Übergang zum Kolbenkörper entstehen. Durch Variation der Technologieparameter beim Schweißen kann die Ausbildung der Wulst zwar beeinflusst werden. Da sich damit gleichzeitig auch andere Eigenschaften ändern, ist eine festigkeitsoptimierte Ausführung der Schweißnaht nicht immer möglich.
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Die
EP 1 126 168 A2 zeigt einen geschweißten Hohlkolben. Ein Hohlkolbenteil hat einen kreiszylindrischen Zentrierabschnitt, welcher eine Ecke bildet, in der ein Freistich in Form einer Nut angeordnet ist. Die Schweißung ist im Laserschweißverfahren hergestellt, weshalb allenfalls eine kleine Schweißwulst vorhanden ist.
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Die
DE 199 34 217 A1 zeigt einen weiteren geschweißten Holkolben, bei dem eine ausgeprägte Schweißwulst vorhanden ist. Neben der Schweißwulst ist eine Nut zur Aufnahme einer Ringscheibe vorgesehen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Hohlkolben für eine Kolbenmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzuentwickeln, dass er stabil gefertigt ist und den Belastungen während des Betriebs standhält.
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Diese Aufgabe wird für einen Hohlkolben für eine Kolbenmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff durch eine zusätzliche Ausstattung mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Im Innern eines Hohlkolbenteils wird in der Nähe der Schweißnaht eine Nut eingebracht. Die Nut verursacht eine zum Stand der Technik veränderte Schweißwulstgeometrie, die eine reduzierte Kerbwirkung zur Folge hat. Der Hohlkolben hält aufgrund seiner stabilen Bauweise den Schub- und Querkräften stand, die während des Betriebs der Kolbenmaschine die Schweißnähte belasten.
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Die Nut geht in einem stumpfen Winkel in eine beim Verschweißen entstehende Schweißwulst über, wodurch ein scharfkantiger Übergang von der Schweißwulst zum Kolbenkörper verhindert und die Kerbwirkung reduziert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hat die Nut eine Flanke, die in Richtung der Schweißwulst abgeschrägt ist. Diese abgeschrägte Flanke beeinflusst die Schweißwulst dahingehend, dass zum Kolbenkörper ein stumpfwinkliger Übergang anstelle eines scharfkantigen, rechtwinkligen Überganges entsteht. Bei scharfkantigen Übergängen kommt es während des Betriebs leicht zu Kolbenbrüchen an der Nahtstelle.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Hohlkolbens sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Wenn die abgeschrägte Flanke zur Nutmitte hin mit der Symmetrieachse des Hohlkolbenteils einen spitzen Winkel, insbesondere einen Winkel von 30°, einschließt, entsteht nach der Verschweißung ein stumpfer Übergang, der die Kerbwirkung besonders günstig beeinflusst.
Vorzugsweise ist die Nut eine V-förmige Nut mit asymmetrisch geformten Flanken. Hierdurch ist der Übergang hinsichtlich der Reduzierung der Kerbwirkung optim iert.
Der Vorteil steht auch für die steilere Ausführung der schweißnahtabseitigen Flanke, die zur Nutmitte hin mit der Symmetrieachse des Hohlkolbenteils einen spitzen Winkel, insbesondere einen Winkel von 45°, einschließt.
Vorzugsweise schließt die Nut mit einem Nutgrund ab, der die Form eines Kreisbogens hat und dessen Radius in Abhängigkeit der Flankensteigung zwischen 0,6 und 0,9 mm, insbesondere 0,8 mm, ist und der eine Nuttiefe zwischen 1,8 und 2,2 mm, insbesondere von 2 mm aufweist. Auch hier entsteht anstelle eines scharfkantigen Überganges ein Abgerundeter.
Die Nut erzielt nur dann eine Reduzierung der Kerbwirkung, wenn die Nut in einem geringen Abstand zur Schweißnaht, insbesondere in einem Abstand von 7,9 mm, angeordnet ist.
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Auf einfache Weise lässt sich ein Hohlkolben herstellen, wenn er ein büchsenförmiges Hohlkolbenteil aufweist, das aus einem Boden und einem Hohlzylinderabschnitt besteht. Aus dem Boden lässt sich nach dem Verschweißvorgang ein Kugelgelenk herausarbeiten und der Hohlzylinderabschnitt bildet die Hohlkolbenwand.
Auf einfache Weise lässt sich eine Zentralbohrung in den Hohlkolben einbringen, wenn sich vom Boden des büchsenförmigen Hohlkolbenteils achssymmetrisch ein zylindrischer Dorn in den Hohlzylinderabschnitt erstreckt, der die gleiche Länge wie der Hohlzylinderabschnitt hat.
Wenn ein büchsenförmiges Hohlkolbenteil länger ist, aus dessen Boden eine Gelenkkugel herausgearbeitet wird, und das andere, kürzere Hohlkolbenteil einen Deckel bildet, ist die Schweißnaht nicht in der Mitte des Hohlkolbens sondern gelenkkopfabseitig in der Nähe des Kolbenbodens angeordnet. Dadurch erhält der Hohlkolben eine größere Bruchsicherheit.
Auf einfache Weise kann eine Anlageschulter für die Zentrierscheibe zur Fixierung des Dorns während des Schweißvorganges gebildet werden, wenn im büchsenförmigen Hohlkolbenteil der Innendurchmesser im Hohlzylinderabschnitt zur Schweißnaht hin geringfügig radial zurückspringt.
Wenn eine Nut in der Mantelfläche des Dorns angeordnet ist, kann die Schweißwulst um den Dorn herum optimiert werden.
Auf einfache Weise lassen sich die Hohlkolbenteile herstellen, wenn der den Grundkörper bildende Hohlkolbenteil und der den Deckel bildenden Hohlkolbenteil gleich lang sind. Zumindest hinsichtlich der Ausgestaltung des Hohlraumes können gleiche Werkzeuge und Herstellungsschritte angewandt werden, sodass die Herstellung einfach und kostengünstig ist.
Vorzugsweise ist ein Hohlkolbenteil büchsenförmig und das andere Hohlkolbenteil hat die Form einer Scheibe und bildet den Deckel. Auch hier gestaltet sich die Herstellung einfach, da nur ein Hohlkolbenteil aus Boden und Hohlzylinderabschnitt besteht und nur bei diesem die Herstellung z.B. durch Fliesspressen oder durch Abspanen erfolgt.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hohlkolbens ist in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 einen Längsschnitt durch einen Rohling eines erfindungsgemäßen Hohlkolbens nach der Verschweißung zweier Hohlkolbenteile miteinander,
- 1 a einen Längsschnitt durch eine Schweißwulst eines erfindungsgemäßen Hohlkolbens als Detailausschnitt X aus 1,
- 1b einen Längsschnitt durch eine dem Stand der Technik entsprechenden Schweißwulst eines Hohlkolbens ohne Nut,
- 2 einen Längsschnitt durch einen Hohlkolbenteilrohling mit eingebrachter Nut und
- 2a einen Detailausschnitt Y aus 2.
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Der in 1 gezeigte Rohling eines Hohlkolbens 1 ist für eine Kolbenmaschine, insbesondere eine hydrostatische Axialkolbenmaschine, vorgesehen. Er besitzt einen Hohlraum 2 und zwei den Hohlraum begrenzende Hohlkolbenteile 3a, 3b, die an einer Schweißnaht 4 miteinander verschweißt sind. Die Hohlkolbenteile 3a, 3b sind büchsenförmig und bestehen je aus einem Boden 5a, 5b und einem Hohlzylinderabschnitt 6a, 6b. Das Hohlkolbenteil 3a ist länger bemessen als das Hohlkobenteil 3b. Das längere Hohlkolbenteil 3a hat einen Boden 5a, der so lang bemessen ist, dass aus diesem nach der Verschweißung gemäß der strichpunktierten Darstellung eine Gelenkkugel 7 mit Kugelhals 8 herausgearbeitet werden kann. Der kürzere Hohlkolbenteil 3b wird gemäß der strichpunktierten Darstellung zu einem den Hohlraum 2 abschließenden Deckel 9 verarbeitet. Vom Boden 5a, 5b jedes büchsenförmigen Hohlkolbenteils 3a, 3b erstreckt sich achssymmetrisch ein zylindrischer Dorn 10a, 10b in den Hohlzylinderabschnitt 6a, 6b, der die gleiche Länge wie der jeweilige Hohlzylinderabschnitt 6a, 6b hat. Dadurch entsteht zwischen den Hohlzylinderabschnitten 6a, 6b und den Dornabschnitten 10a, 10b ein ringförmiger Hohlraum 2a, 2b, der nach dem Verschweißen den allseitig geschlossenen Hohlraum 2 bildet.
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Der Innendurchmesser des Hohlzylinderabschnittes 6a springt zur Schweißnaht 4 hin geringfügig radial zurück, sodass sich eine Anlageschulter 12 bildet, an welcher eine Zentrierscheibe 13 zur Fixierung des Dorns 10a während des Schweißvorganges anliegt. Der längere Hohlkolbenteil 3a hat im Inneren in der Nähe der Schweißnaht 4 eine Nut 20. Die Nut 20 weist eine Flanke 21 auf, die in Richtung einer beim Verschweißen entstehenden Schweißwulst 30 abgeschrägt ist, sodass nach der Verschweißung der beiden Hohlkolbenteile 3a, 3b eine Schweißwulst 30 mit einem stumpfwinkligen Übergang 31 mit reduzierter Kerbwirkung entsteht.
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In 2 ist das längere Hohlkolbenteil 3a vor dem Schweißvorgang dargestellt. Die Nut 20 ist V-förmig ausgeführt und die Flanken 21, 22 der Nut sind asymmetrisch geformt. Nach 2 ist die Nut 20 in einem Abstand von 7,9 mm zur Schweißnaht 4 angeordnet und weist eine Nuttiefe von 2 mm auf.
Die Nut 20 ist in 2a vergrößert dargestellt. Die Nut 20 schließt mit einem Nutgrund 23 ab, der die Form eines Kreisbogens hat und dessen Radius bei vorliegender Flankensteigung 0,8 mm beträgt. Die schweißnahtseitige Flanke 21 schließt in Richtung des Nutgrundes 23 mit der Symmetrieachse des Hohlkolbenteils 3a einen spitzen Winkel von 30° ein. Die schweißnahtabseitige Flanke 22 ist steiler ausgebildet und schließt in Richtung des Nutgrundes 23 mit der Symmetrieachse des Hohlkolbenteils 3a einen spitzen Winkel von 45° ein.
Der Effekt, der durch das Einarbeiten der V-förmigen Nut 20 mit asymmetrisch ausgebildeten Flanken 21, 22 entsteht, ist in der Vergrößerung nach 1a ersichtlich. Die Form der Nut 20 bleibt auch nach der Verschweißung der beiden Hohlkolbenteile 3a, 3b erhalten, so dass die Schweißwulst 30 keinen rechtwinkligen Übergang 32, wie in 1b dargestellt, sondern einen stumpfwinkligen Übergang 31 aufweist, der eine Reduzierung der Kerbwirkung verursacht.
Nach dem Verschweißen der beiden Hohlkolbenteile 3a, 3b wird der Hohlkolbenrohling gemäß der strichpunktierten Darstellungen endbearbeitet, indem der Deckel 9 und die Gelenkkugel 7 mit Gelenkhals 8 herausgearbeitet, das radiale Übermaß des Außendurchmessers abgetragen und eine den Deckel 9, den Dorn 10a, 10b und den Boden 5a des längeren Hohlkolbenteiles 3a achssymmetrisch durchdringende Zentralbohrung 11, punktgestrichelt dargestellt, eingebracht wird, die sich bis zu einer Drosselstelle 14 in der Gelenkkugel 7 erstreckt und u.a. als Schmiermittelbohrung fungiert.
Der Hohlraum 2a, 2b kann durch einen spanabhebenden Vorgang oder durch Fließpressen eines Rohlings entstehen.
Auch kann anstelle der Erweiterung des Innendurchmessers des Hohlzylinderabschnittes 6a, 6b der Durchmesser des Dornabschnittes 10a, 10b geringfügig verjüngt sein, so dass sich die Anlageschulter 12 am Dornabschnitt 10a, 10b bildet. Die Hohlkolbenteile 3a, 3b können auch insgesamt gleich ausgebildet sein. Dann entsteht die Schweißnaht 4 mittig in der Anordnung. Durch die identische Ausbildung ist der gelenkkopfseitige Hohlkolbenteil 3a kürzer und damit stabiler als bei der asymmetrischen Ausführung, eine Zentrierscheibe 13 und die Ausbildung der Anlageschulter 12 für die Zentrierscheibe 13 ist dann unter Umständen nicht erforderlich. Der Herstellungsprozess wird insgesamt vereinfacht und die Herstellungskosten können gesenkt werden.
Die 1a zeigt die Auswirkung der eingefügten Nut 20 am höchstbelasteten Absatz der Schweißwulst 30, an der es bisher zu Kolbenbrüchen kam. Dies kann ebenfalls auf die anderen Absätze der Schweißstelle angewandt werden, wenn dies aus Festigkeitsgründen notwendig ist. Die Nut 20 kann in einem oder in mehreren Hohlkolbenteilen 3a, 3b im Inneren in der Nähe der Schweißnaht 4 angeordnet sein, sowohl in der Innenwandfläche eines Hohlkolbenteils 3a, 3b als auch in der Umfangsfläche des Dorns 10a, 10b.
Günstig kann auch eine Nut 20 sein, die im Querschnitt einem Kreissegment entspricht.
