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Die Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung für eine hydraulische Kolbenmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Fertigung der Kolbenanordnung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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In hydraulischen Kolbenmaschinen wird ein Gleitschuh aus Metall verwendet, um einen ebenfalls metallischen Kolben, beispielsweise aus Stahl, auf einer Schrägscheibe abzustützen. Ein zerspanendes Herstellungsverfahren mit Härten und Schleifen für mehrere Kolben ist kosten- sowie zeitaufwendig.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2004 060 945 A1 zeigt Versuche, den Gleitschuh komplett aus Kunststoff herzustellen und direkt durch ein Montagespritzgießverfahren an den Arbeitskolben anzuformen. Nachteilig an dem Verfahren ist, dass der angespritzte Kunststoff dazu neigt, am metallischen Arbeitskolben anzuhaften und dass es zu einem Härteverlust des Kolbens im heißen Spritzgießwerkzeug kommen kann. Zudem kommt es zu einer Schwindung des Kunststoffes beim Abkühlen.
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Eine in der
US 6183212 B1 gezeigte Lösung für eine Benzinpumpe, den Gleitschuhe aus Kunststoff an den Arbeitskolben anzuclipsen, ist für hydraulische Kolbenmaschinen nicht anwendbar, da die in der Hydraulik benötigten hochfesten bzw. verschleißfesten Kunststoffe nur eine geringe Elastizität aufweisen, so dass ein Anclipsen nicht ohne eine Beschädigung des Gleitschuhs möglich ist.
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In einer parallelen Patentanmeldung (Aktenzeichen EM 2010/0593) der Anmelderin wird der Gleitschuh unabhängig vom Kolben aus thermoplastischem Kunststoff urgeformt, zerspant und warmverstemmt. Nachteilig ist, dass aufgrund der hohen mechanischen Anforderungen an den Gleitschuh nur hochwertige und damit teure thermoplastische Hochleistungskunststoffe, beispielsweise PEEK zum Einsatz kommen können. Eine Verwendung von günstigeren, duroplastischen Kunststoffen entfällt bei diesem Verfahren, da diese nach der Vernetzung nicht warmverstemmt werden können.
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Die
US 5,490,446 zeigt eine Kolbeneinheit, bei der der Gleitschuh und der Kolben aus Metall sind. Im Gegensatz zu den genannten Ständen der Technik weist hier der Kolben (und nicht der Gleitschuh) eine Gelenkaufnahme und der Gleitschuh einen Gelenkkopf auf. Zwischen den beiden ist eine Kunststoffschicht vorgesehen, die zum Einen eine Reibung im Gelenk minimiert und zum Anderen den Gelenkkopf in der Gelenkaufnahme axial festlegt. Nachteilig an der Lösung ist, dass sie aufwändig und daher teuer zu fertigen ist.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine kostengünstigere Kolbenanordnung für eine hydraulische Kolbenmaschine zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kolbenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Fertigung der Kolbenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 8.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Kolbenanordnung sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 beschrieben. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens zur Fertigung der Kolbenanordnung sind in den abhängigen Patentansprüchen 9 bis 12 beschrieben.
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Die Kolbenanordnung für eine hydraulische Kolbenmaschine hat einen Kolben und einen Gleitschuh, der auf einer Seite eine Gleitfläche hat, über die er an einer Stützfläche der Kolbenmaschine abstützbar ist. Der Kolben ist mit dem Gleitschuh über ein Gelenk verbunden, das eine Gelenkaufnahme und einen darin im Wesentlichen formschlüssig aufgenommenen Gelenkkopf hat. Der Gelenkkopf weist dabei eine Verjüngung auf, die von einem Kragen der Gelenkaufnahme hintergriffen ist. Erfindungsgemäß besteht der Gelenkkopf aus Kunststoff, wodurch das Gelenk verglichen mit einer Metallausführung leichter und aufgrund weniger aufwändiger Fertigungsverfahren kostengünstiger zu schaffen ist, wodurch ebenso die Kosten für die Kolbenanordnung gesenkt sind.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist der Kunststoff ein kostengünstiger und mechanisch hoch belastbarer Duroplast, der beispielsweise in einem Spritzgießverfahren verarbeitet werden kann.
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Bevorzugt besteht der Gelenkkopf aus einem Bulk Molding Compound (BMC) oder einer Phenolformmasse (PF), die mit entsprechenden Füllstoffen, wie zum Beispiel Kohlefasern, Glasfasern, Mineralfasern verstärkt ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Gelenkkopf mit dem Kolben oder mit dem Gleitschuh einstückig ausgebildet ist, wodurch im ersten Fall ebenfalls der Kolben und im zweiten Fall ebenfalls der Gleitschuh aus Kunststoff bestehen. Dadurch ist die Kolbenanordnung noch leichter ausgebildet und auch der Kolben oder der Gleitschuh sind mit weniger aufwändigeren bzw. kostengünstigeren Kunststoff-Fertigungsverfahren herstellbar.
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Prinzipiell erscheint es möglich, sowohl den Kolben als auch den Gleitschuh aus einem duroplastischen Kunststoff herzustellen, wobei zuerst das eine Teil gespritzt und dann das andere Teil an das erste Teil angespritzt wird. Um bei den an der Kolbenanordnung auftretenden großen Kräften eine Verschmelzung des Gelenkkopfes mit der Gelenkaufnahme zu verhindern, ist die Gelenkaufnahme bevorzugt nicht aus Kunststoff, sondern aus Metall. Ganz besonders vorteilhaft ist dabei, dass der Gelenkkopf in einem Montagespritzverfahren in die metallische Gelenkaufnahme eingespritzt werden kann, was eine Montage des Gelenkkopfes in der Gelenkaufnahme überflüssig macht, was weiterhin die Kosten senkt.
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Der Gelenkkopf ist bevorzugt kugelförmig und von der Gelenkaufnahme zumindest abschnittsweise umgriffen, wodurch eine Verschwenkung des Kolbens gegen den Gleitschuh nicht auf eine bestimmte Anzahl von Schwenkachsen beschränkt ist. Zwischen dem Gelenkkopf und der Gelenkaufnahme kann ein zusätzlicher Gleitfilm angeordnet sein, um einen Abstand zwischen dem Gelenkkopf und der Gelenkaufnahme einzustellen oder um eine Gleitfähigkeit der Gelenkpartner zu erhöhen.
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Um den Gleitschuh im Falle seiner bestimmungsgemäßen Abstützung an der Stützfläche der Kolbenmaschine hydrostatisch zu entlasten, eine Gleitreibung zwischen dem Gleitschuh und der Stützfläche zu verringern, um schließlich einen Wirkungsgrad der Kolbenmaschine zu erhöhen, ist der Kolben und der Gleitschuh von einem Druckmittelkanal durchsetzt, der in der Gleitfläche mündet. Über ihn ist die Gleitfläche vorrichtungstechnisch besonders einfach mit einem Druckmittel beaufschlagbar.
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Um die Kolbenanordnung endkonturnah und kostengünstig zu fertigen, weist ein erfindungsgemäßes Verfahren den Schritt „Fertigung des Gelenkkopfes durch Befüllung der Gelenkaufnahme mit flüssigem Kunststoff, insbesondere mit einem Duroplast (=° duroplastischer Kunststoff)” auf. Es handelt sich somit um ein Verfahren, bei dem sowohl die endkonturnahe Fertigung des Gelenkkopfes, als auch eine Montage des Gelenkkopfes in der Gelenkaufnahme in nur einem Schritt erfolgt, was Fertigungs-, Bearbeitungs- und Montageaufwände reduziert und dadurch besonders kostengünstig ist. Die Gelenkaufnahme erfüllt dabei, neben ihrer späteren rein mechanischen Funktion im Betrieb der Kolbenmaschine, bereits bei der Fertigung des Gelenkkopfes eine formgebende Funktion.
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Besonders bevorzugt wird für den Schritt „Fertigung des Gelenkkopfes durch Befüllung der Gelenkaufnahme mit flüssigem Kunststoff, insbesondere mit einem Duroplast” ein Spritzgießverfahren, das in einem Montagespritzgießwerkzeug durchgeführt wird. Das Spritzgießwerkzeug kann ein Mehrkavitäten- Werkzeug mit Angussverteilern sein, in dem eine Vielzahl von Gelenkköpfen in Gelenkaufnehmen abgeformt werden können. Je mehr Kolben in einem Spritzgießzyklus hergestellt werden können, desto geringer sind dabei die Zykluszeit und die Kosten für die Kolbenanordnung.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Verfahren ist im Spritzgießwerkzeug zusätzlich zur formgebenden Gelenkaufnahme zumindest eine weitere Kavität oder zumindest ein weiterer Kern vorgesehen. Beim Schritt „Fertigung des Gelenkkopfes durch Befüllung der Gelenkaufnahme mit flüssigem Kunststoff” wird dadurch gleichzeitig der Gelenkkopf mit dem Kolben oder der Gelenkkopf mit dem Gleitschuh einstückig gefertigt. Die aus dem Spritzgießwerkzeug entnommene Kolbenanordnung ist damit mit sehr geringem Abstand endkonturnah gefertigt.
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Um während des Spritzgießens auch den Druckmittelkanal oder einen anderen Hohlraum der Kolbenanordnung zumindest abschnittsweise endkonturnah zu fertigen, weist das Spritzgießwerkzeug zumindest einen Kern auf. Beispielsweise kann über den Kern auch eine zur Aufnahme einer Andruckfeder vorgesehene und koaxial zur Längsachse der Kolbenanordnung ausgebildete Federausnehmung des Kolbens gefertigt werden.
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Vor dem Schritt „Fertigung des Gelenkkopfes durch Befüllung der Gelenkaufnahme mit flüssigem Kunststoff” kann auf eine Gleitfläche der Gelenkaufnahme, also auf eine Fläche, die mit dem flüssigen Kunststoff des Gelenkkopfes in Berührung kommt, ein Trennmittel mit einer definierten Filmdicke aufgetragen oder aufgesprüht werden. Die Gleitfläche wird so mit einer filmartigen Antihaftbeschichtung überzogen, so dass zwischen dem später ausgehärteten oder vernetzten Kunststoff oder Duroplast des Gelenkkopfes und der Gleitfläche der Gelenkaufnahme keine Haftung entsteht. Über eine Schichtdicke des Trennmittels bzw., des Filmes kann ein Spiel zwischen der Gelenkaufnahme und dem Gelenkkopf eingestellt werden. Als Trennmittel eignet sich beispielsweise Teflon, das zum Auftragen als praktisches Spray verfügbar ist.
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Im Folgenden werden drei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Kolbenanordnung in vier schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer aus einem Montagespritzgießwerkzeug entformten Kolbenanordnung in einem Teilschnitt;
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2 das erstes Ausführungsbeispiel der Kolbenanordnung gemäß 1 in einem Montagespritzgießwerkzeug in einem Teilschnitt;
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kolbenanordnung in einem Montagespritzgießwerkzeug in einem Teilschnitt; und
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kolbenanordnung in einem Montagespritzgießwerkzeug in einem Teilschnitt.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer aus einem Montagespritzgießwerkzeug entformten Kolbenanordnung 1 in einem Teilschnitt. Die Kolbenanordnung 1 hat einen Kolben 2, der nur teilweise dargestellt ist, und einen Gleitschuh 4. Sowohl der Gleitschuh 4 als auch ein einstückig mit ihm ausgebildeter Gelenkkopf 10 ist aus einem duroplastischen Kunststoff, insbesondere einer Phenolharzmasse (PF) oder aus BMC über ein erfindungsgemäßes Montagespritzgussverfahren in einer Montagespritzgießmaschine gefertigt worden. Dabei wurde der Gelenkkopf 10 durch Befüllen einer Gelenkaufnahme 12 mit dem flüssigen Phenolharz ausgebildet. An der in 1 unteren Seite weist der Gleitschuh 4 eine Gleitfläche 6 auf, über die er an einer Gleitfläche einer Schrägscheibe einer in Schrägscheibenbauweise ausgeführten Axialkolbenmaschine abstützbar ist (nicht dargestellt). Der Gleitschuh 4 hat eine umfängliche radiale Erweiterung 8, so dass eine Kippfestigkeit des Gleitschuhs 4 auf der Gleitfläche der Schrägscheibe erhöht ist.
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Der Gelenkkopf 10 ist in der Gelenkaufnahme 12 des Kolbens 2 formschlüssig aufgenommen. Der Gelenkkopf 10 ist kugelförmig ausgebildet und die Gelenkaufnahme 12 weist aufgrund des Formschlusses eine dem entsprechende Innenfläche oder Gleitfläche 13 auf. Zwischen dem Gelenkkopf 10 und der Gleitfläche 13 ist ein minimaler Spalt ausgebildet, so dass das Gelenk ein kleines definiertes Spiel hat und leichtgängig schwenkbar ist. Der Gelenkkopf 10 hat an einem Abschnitt, an dem er mit dem Kolben 2 verbunden ist eine Verjüngung 14, die von einem Kragen 16 des Gleitschuhs 4 hintergriffen ist.
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Für eine hydrostatische Entlastung der Gleitfläche 6 mit Druckmittel aus einem Arbeitsraum (nicht dargestellt) hat der Kolben 2 eine durchgängige Ausnehmung 18, die eine radiale Verengung einer Federausnehmung 19 ist. Zusammen mit einem trichterförmigen Zulauf 20 und einer Durchgangsbohrung 22 im Gleitschuh 4, die in die Gleitfläche 6 mündet, ist über die Ausnehmung 18 ein Druckmittelkanal 24 ausgebildet.
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Der Gelenkkopf 10 weist an seinem stirnseitigen Abschnitt ein axiale Abflachung 26 auf, damit bei einer Verschwenkung des Kolbens 2 aus einer Längsachse Z heraus die Druckmittelverbindung zwischen der Gleitfläche 6 und dem Arbeitsraum (nicht dargestellt) nicht unterbrochen wird.
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2 zeigt das erste Ausführungsbeispiel der Kolbenanordnung 1 gemäß 1 in einem Montagespritzgießwerkzeug 30 in einem Teilschnitt. Beim im Montagespritzgießwerkzeug 30 ausgeführten erfindungsgemäßen Verfahren wird vor einem Einlegen des metallischen Kolbens 2 die Gleitfläche 13 der Gelenkaufnahme 12 mit einem Teflonspray als Trennmittel besprüht, damit das zu vernetzende Duroplast des Gelenkkopfes 10 des Gleitschuhs 4 nicht an der Gleitfläche 13 anhaften kann. Zudem ist über eine Dicke eines derartig erzeugten Sprühfilms 11 ein Spiel zwischen dem Gelenkkopf 10 und der Gelenkaufnahme 12 definiert eingestellt.
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Im Verfahren wird der speziell zerspante Kolben 2 in 2 links auf eine Auswerferseite des Montagespritzgießwerkzeuges 30 eingelegt. Beim Schließen des Montagespritzgießwerkzeuges 30 fahren von einem hydraulischem Kernzug getriebene seitliche Schieber 32 mit abgeschrägten flexiblen Dichtelementen 34, die aus einem spritzgießbarem Thermoplast PFA (Perfluoralkoxy-Copolymer) bestehen, an den Kolben 2 heran, zentrieren diesen und bilden eine Kavität K für den Gleitschuh 4 aus. Die in 2 gestrichelt dargestellte Randkontur der Kavität K ist aus Gründen der Übersichtlichkeit etwas beabstandet zu einer Außenkontur des Gleitschuhs 4 dargestellt.
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Koaxial zur Längsachse Z wird in 2 von links über einen weiteren hydraulischen Kernzug ein sehr feiner nadelförmiger Kern 36 zur Ausbildung der Durchgangsbohrung 22 (vgl. 1) eingeschoben. Der Kern 36 dient in einem Bereich des Zulaufs 20 gleichzeitig zur Abdichtung der Kavität K.
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Im nächsten Schritt des Verfahrens wird der duroplastische Kunststoff, in die aufgeheizte Kavität K druckgeregelt eingespritzt. Da geschmolzene duroplastische Kunststoffe sehr gut fließen, kann der Kern 36 mit geringem Druck schonend umflossen werden, so dass der Gleitschuh 4 mit dem Gelenkkopf 10 einstückig, homogen und ohne Lunker endkonturnah geformt wird.
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Ein Anguss A ist seitlich am Montagespritzgießwerkzeug 30 angeordnet, so dass Bindenähte vermieden werden. Eine kurze Zeit nach dem Einspritzen des flüssigen Duroplastes wird der hydraulische Kernzug bzw. der Kern 36, der aus einem Chromstahl besteht und antihaftend beschichtet ist, zurückgezogen.
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In Druckmittelverbindung mit einem Angusskanal 38 ist ein spezieller Duroplast-Drucksensor 40 (zum Beispiel vom Hersteller Kistler) seitlich zum Angusskanal 38 angeordnet, über den der Einspritzdruck beim Befüllen der Kavität K erfasst und geregelt wird. Auf dem Sensorkopf ist dazu ein spezieller Ring mit einer Membran angeordnet um zu vermeiden, dass das leicht fließende Duroplast in einen Montagespalt des Duroplast-Drucksensors 40 fließt und ein Messergebnis verfälscht. Über diese Regelung wird verhindert, dass ein Forminnendruck zu hoch ist und der filigrane nadelförmige Kern 36 verbogen wird.
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Nach einer vorgegebenen Vernetzungszeit wird der Gleitschuh 4 zusammen mit dem Kolben 2 aus dem Montagespritzgießwerkzeug 30 entformt (vgl. 1). Um die Vernetzung des duroplastischen Gleitschuhs abzuschließen, wird die Kolbenanordnung für eine definierte Zeit in einen Temperofen gelagert. Das Montagespritzgießwerkzeug 30 ist ein Mehrkavitätenwerkzeug mit Angussverteilern. In ihm können bis zu acht Kolbenanordnungen 1 abgeformt werden.
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kolbenanordnung 101 in einem Montagespritzgießwerkzeug 130 in einem Teilschnitt zu einem Zeitpunkt nach Beendigung des Spritzgießens bzw. vor der Entformung. Zur Übersichtlichkeit werden im Folgenden nur vom ersten Ausführungsbeispiel (vergleiche 1 und 2) abweichende Merkmale beschrieben.
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Prägnant ist, dass bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ein Gelenkkopf 110 nicht am Gleitschuh 104 sondern einstückig mit einem Kolben 102 ausgebildet ist. Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel ist der Gleitschuh 104 metallisch und im Montagespritzgießwerkzeug 130 auf einer Düsenseite in 3 links angeordnet. Beim Schließen des Montagespritzgießwerkzeugs 130 fahren von einem hydraulischen Kernzug getriebene seitliche Schieber 132 mit flexiblen Dichtelementen 134 an den Gleitschuh 104 heran, zentrieren diesen und bilden die Kavität für den Kolben 102 aus. Aus einer Auswerferseite wird hydraulisch ein Kern 136 zur Ausbildung eines axialen Abschnittes eines Druckmittelkanals 124 in die Kavität K' geschoben. Im nächsten Schritt wird der duroplastische Kunststoff durch eine zentrale Bohrung im Gleitschuh 104 in die aufgeheizte Kavität K' druckgeregelt eingespritzt. Der Kolben 102 wird dabei schonend und ohne Lunker ausgeformt. Gleichzeitig entstehen keine Bindenähte, da der Anguss genau zentrisch und punktuell angeordnet ist. Eine kurze Zeit nach dem Einspritzen des Duroplastes wird der hydraulisch Kernzug, bzw. der Kern 136, zurückgezogen.
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Für eine Verwendung in einer Federkolbenmaschine muss ein Kolben einer Kolbenanordnung in einem rückwärtigen Bereich ausgehöhlt sein. Dies ist für das erste Ausführungsbeispiel über die Federausnehmung 19 (vgl. 1) sichergestellt. Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 zeigt dies nicht. 4 zeigt dazu ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Gelenkkopf 210 einstückig mit einem Kolben 202 ausgebildet ist. Auf einer in 4 rechten Seite des Kolbens 202 hat dieser eine Federausnehmung 219, die während des Spritzgießens über einen Kern 236 ausgebildet wird und in die die Kolbenfeder (nicht dargestellt) einsetzbar ist.
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Offenbart ist eine Kolbenanordnung für eine hydraulische Kolbenmaschine, mit einem Kolben und mit einem Gleitschuh, wobei der Kolben mit dem Gleitschuh über ein Gelenk verbunden ist, das eine Gelenkaufnahme und einen Gelenkkopf hat, wobei der Gelenkkopf eine Verjüngung aufweist, die von einem Kragen der Gelenkaufnahme hintergriffen ist. Erfindungsgemäß ist dabei der Gelenkkopf aus Kunststoff. Offenbart ist weiterhin ein Verfahren zur endkonturnahen Fertigung der Kolbenanordnung.
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Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass auch bei einer Kolbengleitschuhanordnung, bei der gemäß dem in der Praxis überwiegend genutzten Design der Kolben den Kugelkopf oder Gelenkkopf und der Gleitschuh die Kugelaufnahme oder Gelenkaufnahme aufweist, der Gleitschuh aus einem duroplastischen Kunststoff und der Kolben aus Metall hergestellt sein kann. Ebenso kann bei einer Kolbengleitschuhanordnung, bei der der Gleitschuh den Kugelkopf oder Gelenkkopf und der Kolben die Kugelaufnahme oder Gelenkaufnahme aufweist, der Kolben aus einem duroplastischen Kunststoff und der Gleitschuh aus Metall hergestellt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004060945 A1 [0003]
- US 6183212 B1 [0004]
- US 5490446 [0006]
