DE102010033483A1 - Kolbenmaschine mit wenigstens einem Kunststoffkolben - Google Patents

Abstract

Kolbenmaschine (1) mit wenigstens einem, in einem Zylinder (8) geführten, wenigstens teilweise aus Kunststoff bestehenden Kolben (9, 14). Zur Erhöhung der Festigkeit, Steifigkeit und zur Verbesserung der Verschleiß- und Reibeigenschaften weist der wenigstens eine Kolben (9) eine nanokristalline Metallbeschichtung (13) auf.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit wenigstens einem in einem Zylinder geführten, wenigstens teilweise aus Kunststoff bestehenden Kolben, beispielsweise eine Axialkolbenpumpe für Hochdruckreiniger.
• Hintergrund der Erfindung
• In der DE 196 05 369 A1 ist eine Kolbenmaschine mit Kunststoffkolben beschrieben, die zur Reduzierung des Kolbengewichts und zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit eine im Spritzverfahren aus Kunststoff hergestellte Mantelfläche aufweisen. Je nach den Festigkeitsanforderungen besteht nur die Mantelfläche des Kolbens aus Kunststoff, während der Kern des Kolbens mit einem Kolbenboden und einer Stirnfläche aus Metall, insbesondere Stahl besteht, oder der Kolben besteht ganz aus Kunststoff und kann auch als Hohlzylinder ausgeführt sein. Mit diesem wenigstens teilweise aus Kunststoff bestehenden Kolben ist der Vorteil des niedrigen Gewichts und der guten Korrosionsbeständigkeit verbunden, die wichtig ist, wenn keine ausreichende Schmierung gewährleistet ist, beispielsweise wenn es sich um eine Axialkolbenpumpe für einen Hochdruckreiniger handelt, die Wasser unter hohem Druck erzeugt.
• Eine Kolbenpumpe mit nur einem Kolben ist in der DE 198 47 529 A1 beschrieben. Es handelt sich hierbei um einen Arbeitszylinder zur Betätigung einer Reibungskupplung in einem Kraftfahrzeug. Das Gehäuse des Arbeitszylinders besteht aus Kunststoff, und der Kolben besteht entweder aus einem spanlos aus Stahlblech durch ein Tiefziehverfahren hergestellten Kolben oder aus einem durch ein Kaltfließpress-Verfahren hergestellten Aluminiumkolben, oder er ist als vollvolumiger Kunststoffkolben als Spritzgussteil hergestellt.
• Für den aus Stahlblech hergestellten Kolben kann eine Oberflächenhärtung oder eine Durchhärtung sowie alternativ oder ergänzend zu dieser Härtung eine Oberflächenbeschichtung des Kolbens durch Phosphatieren vorgesehen sein. Die Härtung und/oder die Oberflächenbeschichtung bewirken eine kontrollierte bzw. reduzierte Reibung und verhindern eine Geräuschentwicklung bei einer Betätigung, wodurch der Bedienungskomfort und die Lebensdauer der hydraulischen Kupplungsbetätigung verbessert werden. Die Mantelfläche des Aluminiumkolbens kann zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit eloxiert bzw. hart anodisiert sein.
• Wenn ein Kunststoffkolben genutzt wird, sollen zur Erzielung einer optimalen Funktion, d. h. geringe Reibung, Verschleiß und Geräusch, der Kolben und das Gehäuse aus aufeinander abgestimmten Werkstoffpaarungen hergestellt sein, die aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen bestehen können.
• Aus den DE 698 15 766 T2 und DE 695 20 501 T2 sind des Weiteren hydraulische Pumpeneinrichtungen mit Kunststoffkolben bekannt, bei denen ein Reibungspartner zur Verringerung der Reibung und des Verschleißes aus einem reibungsarmen Kunststoff besteht, ohne dass zusätzliche Beschichtungen vorgesehen sind.
• Aufgabe der Erfindung
• Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenmaschine mit wenigstens einem in einem Zylinder geführten, wenigstens teilweise aus Kunststoff bestehenden Kolben vorzuschlagen, deren Kolben hohen Drücken und Verformungen standhält, einen hohen Verschleiß- und Korrosionswiderstand aufweist, einfach herzustellen ist und ein geringes Gewicht aufweist.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Ausgehend von dieser Aufgabenstellung wird bei einer Kolbenmaschine der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, dass der Kunststoff des wenigstens einen Kolbens eine nanokristalline Metallbeschichtung aufweist.
• Es handelt sich somit bei dem Kolben um einen Nanometall-Kunststoff-Hybriden, der die Vorteile von Kunststoffen und Metallen kombiniert. Die nanokristalline Metallschicht ergibt Korngrößen, die um ein Tausendfaches kleiner sind als die bei herkömmlichen Metallen. Beispielsweise gehören nanokristalliner Nickel oder nanokristalline Nickel-Eisen-Legierungen zu den Hochleistungsmetallen, deren Festigkeit zwei- bis dreimal so hoch ist wie die von herkömmlichem Stahl. Zudem sind sie wesentlich härter und besitzen bessere Verschleiß- und Reibeigenschaften. Der eine nanokristalline Metallbeschichtung aufweisende Kolben hat somit die Vorteile von Metallen, d. h. eine sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit, sowie die Vorteile von Kunststoffen, nämlich große Gestaltungsfreiheit, einfache Fertigungsverfahren und geringes Gewicht. Der Kolben ist somit hochfest, steif und zugleich sehr leicht, wobei die Steifigkeit des Nanometall-Kunststoff-Hybrids der von Magnesium oder Aluminium entspricht, während die Festigkeit deren Werte sogar übersteigt.
• Vorzugsweise besteht der wenigstens eine Kolben vollständig aus Kunststoff und seine Oberfläche ist vollständig mit Nanometall beschichtet. Der Kolben kann jedoch auch hohl ausgebildet sein, wenn er besonders leicht sein soll und geringere Ansprüche an seine Festigkeit und Steifigkeit bestehen. Auch in diesem Fall wird die Oberfläche des Kolbens vollständig mit Nanometall beschichtet. Dies ist besonders wichtig am Kolbenboden, der die Kräfte beim Druckhub des Kolbens aufzunehmen hat.
• Außer dem Kolben kann auch der Zylinder der Kolbenmaschine wenigstens teilweise aus Kunststoff bestehen und wenigstens die Kolbenlauffläche eine nanokristalline Metallbeschichtung aufweisen, wodurch die Verschleißfestigkeit der Kolbenlauffläche erheblich erhöht wird.
• Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Kolben und/oder Zylindern mit einer nanokristallinen Metallbeschichtung in einer hydraulischen Hochdruckpumpe, insbesondere einer Axialkolbenpumpe, beispielsweise für Hochdruckreiniger.
• Kurze Beschreibung der Zeichnung
• Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt
• 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Axialkolbenpumpe für einen Hochdruckreiniger,
• 2 ein erstens Ausführungsbeispiel im Schnitt eines Kolbens für die Axialkolbenpumpe gemäß 1, und
• 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kolbens für die Axialkolbenpumpe gemäß 1
• Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
• 1 zeigt im Längsschnitt ein Teil eines Hochdruckreinigungsgeräts. Eine Axialkolbenpumpe 1 wird durch einen Elektromotor 2 mittels einer Antriebswelle 3 angetrieben. Die Antriebswelle 3 ist stirnseitig mit einer Taumelscheibe 4 versehen. Eine Anlaufscheibe 5 ist auf der Taumelscheibe 4 mittels eines Axialwälzlagers 6 drehbar gelagert, auf der sich mehrere Kolben 9 aus Kunststoff mit ihren balligen Kolbenböden 10 abstützen. Die Kolben 9 sind in Zylindern 8 eines Axialpumpengehäuses 7 axial geführt und werden gegen die Anlaufscheibe 5 mittels zylindrischer Schraubendruckfedern 12, die sich einerseits am Axialpumpengehäuse 7 und andererseits an einem Radialflansch 11 an den Kolben 9 abstützen, in Kontakt gehalten. Um die bei der Axialbewegung der Kolben 9 entstehenden Kräfte auf die Antriebswelle 3 aufzufangen, ist diese am taumelscheibenseitigen Ende in einem Schrägkugellager 17 gelagert, während zur Lagerung des anderen Endes der Antriebswelle 3 ein einfaches Nadellager 16 dient.
• Die in 1 dargestellten Kolben 9 entsprechen den in 2 dargestellten Kolben 9, die massiv aus Kunststoffmaterial bestehen. Die Oberfläche des Kolbens 9 einschließlich des balligen Kolbenbodens 10 und des Radialflansches 11 sind mit einer nanokristallinen Metallbeschichtung 13 versehen, die dem Kunststoffkolben 9 eine hohe Festigkeit und Steifigkeit in Verbindung mit einem geringen Gewicht sowie hervorragende Verschleiß- und Reibeigenschaften verleiht.
• Die neue Technologie der Nanometall-Kunststoff-Hybride ist unter der Marke MetaFuse^TM der DuPont Engineering Polymers bekannt und auf dem Markt erhältlich.
• Die Ausführungsform gemäß 3 unterscheidet sich von der gemäß 2 dadurch, dass der Kolben 14 als Hohlkolben ausgebildet ist und dementsprechend an seinem dem Kolbenboden 10 entgegengesetzten Ende mittels eines Verschlussstopfens 15 verschlossen ist, ohne dass dies allerdings zwingend erforderlich ist. Der Hohlkolben 14 ist dementsprechend um das Volumen des Hohlraums leichter als der Kolben gemäß 2, wobei sich die dadurch verringerte Festigkeit und Steifigkeit bis zu einem gewissen Grade durch die Dicke der nanokristallinen Metallbeschichtung 13 kompensieren lässt.
• Das Axialpumpengehäuse 7 kann ebenfalls aus Kunststoff bestehen, und die Kolbenlauffläche der Zylinder 8 kann zusätzlich mit einer nicht dargestellten nanokristallinen Metallbeschichtung versehen sein.
• Die nanokristalline Metallbeschichtung 13 besteht vorzugsweise aus nanokristallinem Nickel oder einer nanokristallinen Nickel-Eisen-Legierung.
• Bezugszeichenliste

1

Axialkolbenpumpe

2

Elektromotor

3

Antriebswelle

4

Taumelscheibe

5

Anlaufscheibe

6

Axialwälzlager

7

Axialpumpengehäuse

8

Zylinder

9

Kolben

10

Kobenboden

11

Radialflansch

12

Feder

13

Nanokristalline Metallbeschichtung

14

Hohlkolben

15

Verschlussstopfen

16

Nadellager

17

Schrägkugellager

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 19605369 A1 [0002]
• DE 19847529 A1 [0003]
• DE 69815766 T2 [0006]
• DE 69520501 T2 [0006]

Claims (7)

1. Kolbenmaschine (1) mit wenigstens einem, in einem Zylinder (8) geführten, wenigstens teilweise aus Kunststoff bestehenden Kolben (9, 14), dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des wenigstens einen Kolbens (9, 14) eine nanokristalline Metallbeschichtung (13) aufweist.
2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kolben (9, 14) vollständig aus Kunststoff besteht und seine Oberfläche vollständig mit Nanometall beschichtet ist.
3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (14) hohl ist und seine Oberfläche vollständig mit Nanometall beschichtet ist.
4. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (8) wenigstens teilweise aus Kunststoff besteht und wenigstens seine Kolbenlauffläche eine nanokristalline Metallbeschichtung (13) aufweist.
5. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbeschichtung (13) aus nanokristallinem Nickel oder einer nanokristallinen Nickel-Eisen-Legierung besteht.
6. Verwendung von Kolben (9, 14) und/oder Zylindern (8) mit einer nanokristallinen Metallbeschichtung (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einer hydraulischen Hochdruckpumpe (1).
7. Verwendung nach Anspruch 6 in einer Axialkolbenpumpe (1), beispielsweise für Hochdruckreiniger.

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