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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitschuhs eines hydrostatischen Triebwerks, insbesondere einer Axialkolbenmaschine, der an einem druckbeaufschlagten Kolben gelenkig befestigbar ist und den Kolben an einer huberzeugenden Lauffläche abstützt, wobei der Gleitschuh aus einem Stahlgrundkörper und einer mit der Lauffläche zusammenwirkenden Lagermetallschicht besteht, wobei die Lagermetallschicht von einer plattenförmigen Platine gebildet ist, die an dem Stahlgrundkörper gefügt wird.
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Hydrostatische Triebwerke, insbesondere Axialkolbentriebwerke, weisen im Bereich der Abstützung der Kolben an einer huberzeugenden Lauffläche eine Gleitlagerstelle auf. Diese Abstützung der Kolben an einer huberzeugenden Lauffläche erfolgt über Gleitschuhe als Abstützelemente, die an den Kolben gelenkig befestigt sind, wobei weiterhin aufgrund der hohen anpressenden und aus der Druckbeaufschlagung der Kolben resultierenden Kräfte zusätzlich eine hydrostatische Entlastung an dieser Gleitlagerstelle ausgebildet sein kann. Um die Gleiteigenschaften des Gleitschuhs bei der Relativbewegung an der drehfesten Lauffläche zu verbessern und einen geringen Verschleiß zu erzielen, ist es bereits bekannt, an den Gleitschuhen an der der Lauffläche zugewandten Stirnseite, mit der der entsprechende Gleitschuh an der Lauffläche abgestützt ist, eine tribologisch günstigen Schicht vorzusehen.
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Bei bekannten Gleitschuhen von hydrostatischen Triebwerken wird auf einem Stahlgrundkörper, mit dem der Gleitschuh an dem Kolben gelenkig befestigt ist, eine Lagermetallschicht aufgebracht, mit der der Gleitschuh an der huberzeugenden Gleit Laufbahn abgestützt ist. Bei bekannten Gleitschuhen wird als Lagermetallschicht eine aus Messing bestehende plattenförmige Platine an dem Stahlgrundkörper gefügt. Als Fügeverfahren zum stoffschlüssigen Fügen des aus dem Stahlgrundkörper und der Messingplatine zusammengesetzten Gleitschuhs kommt hierbei ein Gaslötverfahren unter Verwendung eines Flussmittels und eines Lotes zum Einsatz. Die als Messingplatine ausgebildete Lagermetallschicht weist tribologisch bedingte Anteile von Mangan, Silizium, Aluminium und Blei auf, um günstige tribologische Eigenschaften an der Gleitlagerstelle zwischen dem Gleitschuh und der huberzeugenden Lauffläche zu erzielen.
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Bei dem zur Herstellung von Gleitschuhen eingesetzten Gaslötverfahren kann jedoch die Schmelztemperatur des als separate Phase vorliegenden Bleis in der Messingplatine überschritten werden, wodurch in der Fügestelle zwischen der Messingplatine und dem Stahlgrundkörper Oxide und flüssige Blei-Phasen entstehen, die den Lötprozess erschweren und zu Fehlstellen in der Lötnaht führen. Idealerweise wird eine vollständig flächige Verbindung zwischen der Messingplatine und dem Stahlgrundkörper angestrebt. Sofern die aufgrund des in der Messingplatine als separate Phase enthaltenen Bleis bei dem Gaslötverfahren durch Oxidbildung und flüssige Blei-Phasen verursachten Fehlstellen in der Lötnaht in Anzahl und Größe zulässige Werte überschreiten, kommt es zu einem Ausschuss des Gleitschuhs.
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Zudem ist bei der Herstellung von Gleitschuhen in einem Gaslötverfahren zwingend ein Flussmittel einzusetzen. Bekannte und eingesetzte Flussmittel sind jedoch hoch korrosiv und führen zu einem erhöhten Verschleiß in Form von Stahl-Korrosion an den Bearbeitungsmaschinen, an denen die in dem Gaslötverfahren unter Verwendung des Flussmittels gefügten Gleitschuhe mechanisch weiterbearbeitet werden.
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Zudem bei der Herstellung von Gleitschuhen in einem Gaslötverfahren ein Lot zwingend, wobei aufgrund der Fügepartner des Gleitschuhs bei bekannten Gaslötverfahren ein Silberlot auf Silberbasis eingesetzt wird, das in der Regel einen hohen Silberanteil von ca. 45% aufweist und daher entsprechende hohe Beschaffungskosten aufweist, die zu einer teuren Herstellung der Gleitschuhe führt.
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Weiterhin verteuert das erforderliche und bei dem Gaslötverfahren eingesetzte Gas die Herstellung der Gleitschuhe.
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Ein weiterer Nachteil bei der Herstellung von aus einem Stahlgrundkörper und einer Messingplatine gefügten Gleitschuhen in einem Gaslötverfahren besteht darin, dass in dem Stahlkörper im Bereich der Lötnaht aufgrund der entstehenden Temperaturen bei dem Gaslötverfahren ein Festigkeitsabfall auftritt, der zu einem weiteren Ausschuss führt, wenn vorgegeben Festigkeitswerte unterschritten werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus einem Stahlgrundkörper und einer plattenförmigen Platine als Lagermetallschicht bestehende Gleitschuhe eines hydrostatischen Triebwerks in kostengünstiger Weise und bei geringer Ausschussquote herzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die plattenförmige Platine durch Ultraschallschweißen an dem Stahlgrundkörper gefügt wird. Das erfindungsgemäße Fügen des Stahlgrundkörpers und der plattenförmigen Platine aus Lagermetallwerkstoff zu dem Gleitschuh ermöglicht es, die beiden Fügpartner Platine und Stahlgrundkörper des Gleitschuhs ohne Zusatzmaterialen direkt miteinander zu verschweißen. In die beiden Fügpartner Platine und Stahlgrundkörper wird hierbei die zum Verschweißen erforderliche Wäre durch hochfrequente mechanische Schwingungen erzeugt, die auf die beiden aneinander liegenden Fügepartner übertragen wird, die dadurch Erhitzen und Erweichen. Gegenüber einem bekannten Gaslötverfahren entfallen somit bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallschweißen das hoch korrosive Flussmittel, das Lot und das Gas, so dass eine deutliche Kostenverringerung bei der Herstellung der Gleitschuhe erzielt wird. Zudem wird durch den Entfall des bei dem Gaslötverfahren erforderlichen Flussmittels die bisher entstehende Korrosion an den Bearbeitungsmaschinen vermieden, an denen die gefügten Gleitschuhe weiterverarbeitet werden. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Ultraschallschweißens besteht jedoch darin, dass der Wärmeeintrag in die beiden Fügepartner Stahlgrundkörper und plattenförmige Platine gezielt gesteuert werden kann und der Wärmeeintrag derart beeinflusst werden kann, dass ein Aufschmelzen des in einer Messingplatine als separate Phase vorliegenden Bleis vermieden wird. Die beiden aneinanderliegenden Fügepartner Stahlgrundkörper und Platine können somit mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallschweißen sicher unterhalb der Schmelztemperatur des in einer Messingplatine als separate Phase vorliegenden Bleis und somit ohne Bildung eines störenden Bleifilms miteinander verschweißt werden. Das Ultraschallschweißen führt somit in prozesssicherer Weise zu einer vollständigen flächigen Schweißverbindung zwischen der Platine aus Lagermetallwerkstoff und dem Stahlgrundkörper ohne Fehlstellen durch Bildung eines störenden Bleifilms, wodurch eine geringe Ausschussquote bei der Herstellung von Gleitschuhen erzielt wird. Darüber hinaus kann durch den gezielt steuerbaren Wärmeeintrag bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallschweißen in dem Stahlkörper im Bereich der Lötnaht ein Festigkeitsabfall durch einen zu hohe Wärmeeintrag vermieden werden, so dass eine weitere Ausschussquelle vermieden wird. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Ultraschallschweißen eine kurze Taktzeit von weniger als einer Minute für das Verschweißen eines Gleitschuhs auf, so dass mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallschweißen eine hohe Stückzahl von Gleitschuhen in kostengünstiger Weise und bei geringer Ausschussquote hergestellt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung werden während des Ultraschallschweißens auf den Grundkörper und die plattenförmige Platine Torsionsschwingungen mit einer Frequenz im Bereich von 15 bis 25 KHz, insbesondere 20 KHz, und mit einer Amplitude im Bereich von 50 bis 150 μm, insbesondere 100 μm, aufgebracht. Mit derartigen Torsionsschwingungen, die um die Längsachse des Gleitschuhs wirken, können die aneinander liegenden Fügepartner Stahlgrundkörper und Platine an der Fügestelle gezielt derart erwärmt und unterhalb der Schmelztemperatur des in einer Messingplatine enthaltenden Bleis miteinander verschweißt werden, so dass eine geringe Ausschussquote bei der Herstellung der Gleitschuhe erzielt wird.
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Zweckmäßigerweise werden die Torsionsschwingungen mittels einer Sonotrode auf den Stahlgrundkörper und die plattenförmige Platine aufgebracht. Mit einer entsprechende gestalteten Sonotrode, die die Verbindung eines Ultraschallgenerators mit den beiden Fügepartnern des Gleitschuhs herstellt, kann auf einfache Weise der in dem Ultraschallgenerator erzeugte Ultraschall auf die beiden Fügepartner des Gleitschuhs übertragen werden. Die Sonotrode wird hierbei durch die eingeleiteten Ultraschallschwingungen in Resonanzschwingungen versetzt und überträgt diese in die Fügezone der beiden Fügepartner des Gleitschuhs. Miteiner entsprechend gestalteten Sonotrode können hierbei auf einfache Weise die gewünschten Torsionsschwingungen zum Erwärmen und Verschweißen der beiden Fügepartner des Gleitschuhs erzeugt werden.
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Zweckmäßigerweise werden die Torsionsschwingungen unter axialem Anpressdruck auf den Grundkörper und die plattenförmige Platine aufgebracht. Mit einem axialen Anpressdruck, der über die Sonotrode auf den Grundkörper und die plattenförmige Platine aufgebracht wird, die beim Ultraschallschweißen aufeinander liegen, wird auf einfache Weise sichergestellt, dass die erzeugten Torsionsschwingungen zu einem Erwärmen und Erweichen der beiden Fügepartner des Gleitschuhs an der Fügestelle und somit einem Verschweißen der beiden Fügepartner führen.
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Mit besonderem Vorteil besteht die plattenförmige Platine aus Messing. Messing zeichnet sich bei günstigen Herstellungskosten durch günstige tribologische Herstellungskosten aus. Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallschweißen kann eine Messingplatine in kostengünstiger Weise mit einem Stahlgrundkörper des Gleitschuhs unterhalb der Schmelztemperatur des in der Messingplatine als separate Phase vorliegenden Bleis und somit ohne Bildung eines störenden und Fehlstellen in der Fügeverbindung verursachenden Bleifilms verschweißt werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt
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1 eine hydrostatisches Triebwerk mit erfindungsgemäßen Gleitschuhen zur Abstützung der Kolben an einer huberzeugenden Lauffläche und
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2 ein erfindungsgemäßes Ultraschallschweißen der Gleitschuhe in einer Prinzipdarstellung.
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In der 1 ist ein hydrostatisches Triebwerk 1 mit erfindungsgemäß hergestellten Gleitschuhen 6 in einem Längsschnitt dargestellt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise als Beispiel eines hydrostatischen Triebwerks 1.
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Das Triebwerk 1 weist eine um eine Drehachse 2 drehbar gelagerte Zylindertrommel 3 auf, die mit mehreren konzentrisch zur Drehachse 2 angeordneten Kolbenausnehmungen 4 versehen ist, die bevorzugt von Zylinderbohrungen gebildet sind und in denen jeweils ein Kolben 5 längsverschiebbar gelagert ist.
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Die Kolben 5 stützen sich in dem aus der Zylindertrommel 3 herausragenden Bereich mittels jeweils eines als Gleitschuh 6 ausgebildeten Abstützelements auf einer huberzeugenden Lauffläche 7 ab, die von einer um die Drehachse 2 drehfest angeordneten Schrägscheibe 8 gebildet ist.
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Die Schrägscheibe 8 kann an einem Gehäuse 9 der Verdrängermaschine 1 – wie in der 1 dargestellt ist – angeformt oder drehfest befestigt sein, wobei die Verdrängermaschine 1 ein festes Verdrängungsvolumen aufweist.
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Es ist alternativ möglich, die Schrägscheibe 8 in der Neigung verstellbar anzuordnen, wodurch die Verdrängermaschine 1 ein veränderbares Verdrängungsvolumen aufweist.
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Die Zylindertrommel 3 stützt sich in axialer Richtung der Verdrängermaschine 1 gegenüberliegend zu der Lauffläche 7 an einem gehäuseseitigen Verteiler 10 ab, der eine Steuerfläche 11 bildet. Die Steuerfläche 11 ist mit nierenförmigen Steuerausnehmungen versehen, die die Verbindung eines Einlasskanals 13 und eines Auslasskanals 14 im Gehäuse 9 mit den Kolbenausnehmungen 4 ermöglichen.
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Der Verteiler 10 kann von einem scheibenförmigen Bauteil gebildet werden, das an dem Gehäuse 9, beispielsweise einem Gehäusedeckel 9a des Gehäuses 9, drehfest befestigt ist. Alternativ kann der Verteiler 10 an dem Gehäuse 9, beispielsweise einem Gehäusedeckel 9a des Gehäuses 9 einstückig angeformt werden, so dass die Funktion der Steuerfläche 11 in das Gehäuse 9, 9a integriert ist.
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Die Steuerfläche 11 kann wie in den Figuren dargestellt eben oder auch sphärisch sein.
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Die Gleitschuhe 6 sind mittels eines als Kugelgelenk ausgebildeten Gleitschuhgelenks 20 mit dem jeweiligen Kolben 5 gelenkig verbunden.
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Die Zylindertrommel 3 ist von einer zentrischen Bohrung durchsetzt, durch die eine konzentrisch zur Drehachse 2 angeordnete Triebwelle 21 durch die Zylindertrommel 3 geführt ist. Die Triebwelle 21 ist mittels Lagerungen 22, 23 im Gehäuse 9, 9a drehbar gelagert.
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Die Zylindertrommel 3 ist mittels einer Mitnahmeverzahnung 24 mit der Triebwelle 21 drehfest, jedoch axial verschiebbar verbunden. Weiterhin dargestellt ist eine Anpressfeder 25, die die Zylindertrommel 3 in axialer Richtung an die Steuerfläche 11 anpresst und abstützt.
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Im Betrieb des Triebwerks 1 bei rotierender Zylindertrommel 3 bilden die Gleitschuhe 6 und die Lauffläche 7 eine Gleitlagerstelle, an der zwischen den mit der Zylindertrommel 3 und den Kolben 5 mitrotierenden Gleitschuhen 6 und der drehfest am Gehäuse 9 befestigten Lauffläche 7 eine Relativbewegung auftritt. Zur Verringerung der Reibung und des Verschleißes ist an den Gleitschuhen 6 an der der Lauffläche 7 zugewandten Stirnseite eine Lagermetallschicht aus einem tribologisch günstigen Lagermetallwerkstoff angeordnet. Zusätzlich sind die Gleitschuhe 6 an der Lauffläche 7 hydrostatisch entlastet.
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Die Gleitschuhe 6 werden hierzu aus einem Stahlgrundkörper 6a, an dem das Gleitschuhgelenks 20 zur Verbindung mit dem Kolben 5 ausgebildet ist, und einer plattenförmigen Platine 6b aus dem Lagermetallwerkstoff gefügt, die aus Messing besteht. Erfindungsgemäß werden diese beiden Fügepartner Stahlgrundkörper 6a und plattenförmige Platine 6b durch Ultraschallschweißen verschweißt.
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In der 2 ist eine Ultraschallschweißvorrichtung dargestellt, mit dem die beiden Fügepartner Stahlgrundkörper 6a und plattenförmige Platine 6b miteinander verschweißt werden.
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Zum Verschweißen werden der Stahlgrundkörper 6a und die Platine 6b an der Fügestelle 6c aufeinander gelegt. Die Ultraschallschweißvorrichtung umfasst einen Ultraschallgenerator 30, mit dem mechanische hochfrequente Ultraschallschwingungen erzeugt und auf eine Sonotrode 31 übertragen werden. Die Sonotrode 31 wird durch die eingeleitenden mechanischen Ultraschallschwingungen in Resonanzschwingungen versetzt. Der gewichtsmäßig schwerere Stahlgrundkörper 6a bildet hierbei den unteren Fügepartner, der fixiert ist. Die gewichtsmäßig leichtere plattenförmige Platine 6b wird oben auf den Stahlkörper 6a aufgelegt und wird durch die Sonotrode 31 in Schwingungen versetzt.
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Zum Verschweißen des Stahlgrundkörpers 6a und der Platine 6b wird die Sonotrode 31 mit einer Arbeitsfläche 32 in Kontakt mit einer Stirnseite 33 der beiden Fügepartner 6a bzw. 6b des Gleitschuhs 6 gebracht und ein axialer Anpressdruck Fs auf den Stahlgrundkörper 6a und die plattenförmige Platine 6b aufgebracht. Die Sonotrode 31 ist derart gestaltet, im dargestellten Ausführungsbeispiel als zapfenartiger Körper mit der Arbeitsfläche 32 an einer Stirnseite, dass Torsionsschwingungen Us um die Längsachse L der Gleitschuhe 6 mit einer Frequenz im Bereich von 15 bis 25 KHz, insbesondere 20 KHz, und mit einer Amplitude im Bereich von 50 bis 150 μm, insbesondere 100 μm, auf die beiden Fügepartner 6a, 6b aufgebracht werden. Die in die beiden Fügepartner 6a, 6b mittels der Sonotrode 31 eingebrachten Schwingungen führen zu einem Erwärmen des Stahlgrundkörpers 6a und der Platine 6b im Bereich der Fügestelle 6c, so das die Platine 6b mit dem Stahlgrundkörper 6a direkt und ohne Zusatzmaterialen verschweißt wird.
