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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kolbens einer Dichtungsanordnung, wobei die Dichtungsanordnung wenigstens eine Dichtung sowie den Kolben aufweist, und wobei der Kolben bezüglich der Dichtung verlagerbar ist und mit einem Oberflächenbereich an der Dichtung dichtend anliegt. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kolben einer Dichtungsanordnung sowie eine Dichtungsanordnung mit wenigstens einer Dichtung und einem Kolben.
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Stand der Technik
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In zahlreichen Aggregaten kommen Dichtungsanordnungen zum Einsatz, welche den Kolben und die wenigstens eine Dichtung aufweisen. Die Dichtung liegt dabei beispielsweise in einem Gehäuse des Aggregats vor und verhindert das Austreten eines Fluids, beispielsweise einer Flüssigkeit, aus dem Gehäuse entlang des Kolbens. Der Kolben ist dabei bezüglich der Dichtung und mithin bezüglich des Gehäuses verlagerbar. Beispielsweise ist der Kolben bezüglich der Dichtung in Umfangsrichtung und/oder in axialer Richtung verlagerbar, also verdrehbar und/oder verschiebbar. Um die Dichtungswirkung zwischen dem Kolben und der Dichtung zu erzielen, weist der Kolben den Oberflächenbereich auf, welcher mit der Dichtung dichtend in Kontakt tritt, üblicherweise also über den gesamten Umfang des Kolbens an dem Oberflächenbereich anliegt. Das Anliegen des Oberflächenbereichs an der Dichtung erfolgt dichtend, und ist insbesondere flüssigkeitsdicht. Auf diese Weise kann Flüssigkeit nicht entlang des Kolbens von einer Seite der Dichtung auf eine der ersten Seite in axialer Richtung des Kolbens gegenüberliegende zweite Seite der Dichtung gelangen.
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Derartige Dichtungsanordnungen kommen beispielsweise in Pumpen zum Einsatz, welche bevorzugt in Fahrerassistenzeinrichtungen zur Erzeugung von hydraulischen Drücken verwendet werden. Die Fahrerassistenzeinrichtung kann beispielsweise eine ABS- und/oder ESP-Einrichtung sein. Die Pumpe arbeitet beispielsweise nach dem Betrieb einer Kolbenpumpe. Dabei ist eine Exzenterwelle vorgesehen, welche einen Pumpenkolben periodisch verlagert und mithin durch ihre rotatorische Bewegung eine Hubbewegung, insbesondere eine sinusförmige Hubbewegung, des Pumpenkolbens in axialer Richtung bewirkt. Der Pumpenkolben stellt dabei den eingangs beschriebenen Kolben dar. Er ist von der Dichtung umgriffen, welche einen Druckbereich der Pumpe von einem die Exzenterwelle aufweisenden Raum fluiddicht abtrennt. Die Dichtung ist dabei beispielsweise als Dichtring ausgeführt. Der Begriff „Kolben“ ist nicht lediglich auf kraftübertragende Maschinenelemente begrenzt. Vielmehr kann der Kolben ein beliebiges Element sein, welches dichtend in der Dichtung einsitzt beziehungsweise an ihr anliegt und bezüglich der Dichtung verlagerbar ist. Beispielsweise kann der Kolben auch in Form einer drehbar gelagerten Welle vorliegen.
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Um eine möglichst gute Dichtwirkung der Dichtung und mithin eine niedrige Leckagerate, und gleichzeitig eine hohe Lebensdauer der Dichtung zu erzielen, muss der Oberflächenbereich des Kolbens eine hohe Oberflächengüte aufweisen. Zudem soll der Aufbau eines hydrodynamischen Schmierfilms zwischen der Dichtung und dem Kolben gefördert werden. Im Falle der vorstehend beschriebenen Pumpe für die Kraftfahrzeugassistenzeinrichtung soll der Schmierfilm aus Bremsflüssigkeit bestehen, während der Kolben aus Metall, insbesondere aus Stahl, hergestellt ist. Aufgrund der hohen Oberflächengüte des Oberflächenbereichs und des großen Kontaktwinkels von Bremsflüssigkeit mit dem Metall des Kolbens, haftet der Schmierfilm nur schlecht an ihm, sodass sich eine lediglich geringe Dicke des Schmierfilms einstellt. Diese reicht nicht aus, um den Kolben von der Dichtung in radialer Richtung zu beabstanden. Dadurch wird bei jeder Verlagerung des Kolbens Material von dem Dichtring abgetragen, sodass dieser verschleißt und unter Umständen rasch ausgewechselt werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist dagegen den Vorteil auf, dass der damit hergestellte Kolben der Dichtungsanordnung eine längere Dauerfestigkeit der Dichtungsanordnung ermöglicht, weil der Verschleiß der Dichtung verringert ist. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der Oberflächenbereich zunächst spanabtragend zum Ausbilden von Schmiertaschen bearbeitet und nachfolgend eine Randschicht des bearbeiteten Oberflächenbereichs umgeschmolzen wird. Die Schmiertaschen liegen in Form von randoffenen Vertiefungen in dem Oberflächenbereich des Kolbens vor. Das spanabtragende Bearbeiten erfolgt derart, dass die Schmiertaschen Abmessungen aufweisen, welche während des Betriebs der Dichtungsanordnung die Aufnahme einer ausreichenden Menge an Fluid beziehungsweise Schmiermittel sicherstellen.
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Entsprechend weist der Oberflächenbereich eine vergleichsweise große Rauheit auf, insbesondere im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Kolben. Um nun den Verschleiß der Dichtung weiter zu verringern, soll nach dem spanabtragenden Bearbeiten die Randschicht des auf diese Weise bearbeiteten Oberflächenbereichs umgeschmolzen werden. Das bedeutet, dass zumindest ein Teil des zuvor spanabtragend bearbeiteten Oberflächenbereichs nun zusätzlich mit einem nicht spanabtragenden Verfahren, nämlich dem Umschmelzen, bearbeitet wird. Dies erfolgt bevorzugt derart, dass die Schmiertaschen wenigstens teilweise erhalten bleiben. Bevorzugt liegen sie auch nach dem Umschmelzen randoffen in dem Oberflächenbereich vor und weisen weiterhin Abmessungen auf, welche die Aufnahme einer ausreichenden Menge des Fluids sicherstellen. Durch das Umschmelzen können in Richtung der Dichtung weisende Rauigkeitsspitzen in dem Oberflächenbereich abgetragen beziehungsweise abgeflacht werden. Entsprechend wird der Verschleiß der Dichtung weiter reduziert.
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Erfindungsgemäß werden also zwei Maßnahmen miteinander kombiniert. Zum einen wird durch die spanabtragende Erzeugung der Schmiertaschen sichergestellt, dass stets eine ausreichende Menge des Fluids beziehungsweise Schmiermittels zum Schmieren zwischen dem Kolben und der Dichtung zur Verfügung steht. Entsprechend wird die Reibung zwischen dem Kolben und der Dichtung reduziert. Zum anderen wird durch das Abtragen der Rauigkeitsspitzen durch das Umschmelzen der Randschicht sichergestellt, dass der Abrieb von der Dichtung bei einer Verlagerung des Kolbens bezüglich der Dichtung gering ist. Mithilfe des beschriebenen Verfahrens können also Kolben hergestellt werden, die hervorragende Laufeigenschaften sowie eine lange Lebensdauer der Dichtungsanordnung ermöglichen.
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Die Erfindung betrifft entsprechend auch ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtungsanordnung, wobei die Dichtungsanordnung wenigstens einen Kolben und wenigstens eine Dichtung aufweist. Der Kolben wird dabei wie beschrieben hergestellt, sodass insoweit auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schmiertaschen mit einer bestimmten Tiefe ausgebildet werden, wobei die Tiefe größer als eine Dicke der umzuschmelzenden Randschicht, insbesondere mindestens doppelt so groß, mindestens dreimal so groß oder mindestens viermal so groß, ist. Von den vorstehend genannten Abmessungen wird hier also lediglich die Tiefe betrachtet, welche in radialer Richtung des Kolbens bezüglich einer Längsmittelachse des Kolbens vorliegt. Die Tiefe ist beispielsweise die maximale Tiefe aller Schmiertaschen, insbesondere also die Erstreckung von dem in radialer Richtung am nächsten zu der Längsmittelachse angeordneten Punkt zu dem in radialer Richtung am weitesten von der Längsmittelachse entfernten Punkt. Die Dicke der umzuschmelzenden Wandschicht erstreckt sich nun ausgehend von dem letztgenannten Punkt des Kolbens ausgehend in radialer Richtung nach innen. Um auch nach dem Umschmelzen der Randschicht eine ausreichende Tiefe der Schmiertaschen zu erzielen, also die Schmiertaschen wenigstens teilweise zu erhalten, soll nun die Tiefe größer als die Dicke der umzuschmelzenden Randschicht sein, insbesondere deutlich größer. Beispielsweise ist also die Tiefe mindestens doppelt so groß, mindestens dreimal so groß oder mindestens viermal so groß wie die Dicke der umzuschmelzenden Randschicht.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Umschmelzen derart erfolgt, dass die Schmiertaschen auch nachfolgend randoffen in dem Oberflächenbereich vorliegen. Durch das Umschmelzen soll also kein Verschließen der Schmiertaschen erfolgen. Vielmehr soll der Kolben nach dem Umschmelzen in dem Oberflächenbereich weiterhin eine vergleichsweise hohe Rauheit aufweisen, um die Aufnahme einer ausreichend großen Menge des Fluids beziehungsweise Schmiermittels in die Schmiertaschen zu ermöglichen. Es sollen lediglich die hauptsächlich den Abrieb von der Dichtung verursachenden Rauigkeitsspitzen in dem Oberflächenbereich abgetragen oder zumindest umgeformt werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Mittenrauwert der Oberfläche nach dem spanabtragenden Bearbeiten und vor dem Umschmelzen mindestens 3,2 µm und/oder höchstens 6.4 µm, mindestens 1,6 µm und/oder höchstens 3,2 µm oder mindestens 0,8 µm und/oder höchstens 1,6µm beträgt. Wie bereits vorstehend erläutert, muss die Rauheit des Kolbens in dem Oberflächenbereich im Vergleich zu bekannten Kolben groß sein, um die Aufnahme einer größeren Menge des Fluids in die Schmiertaschen zu realisieren. Entsprechend wird das spanabtragende Bearbeiten derart ausgeführt, dass die angegebenen Mittenrauwerte mindestens erzielt werden. Bevorzugt werden dabei jedoch die angegebenen Höchstwerte für den Mittenrauwert nicht überschritten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass nur in einem Teilbereich des vollflächig spanabtragend bearbeiteten Oberflächenbereichs die Randschicht umgeschmolzen wird. Das Umschmelzen muss also nicht in dem Gesamtoberflächenbereich erfolgen, welcher zuvor spanabtragend bearbeitet wurde. Vielmehr kann es vorgesehen sein, dass der Oberflächenbereich zwar vollflächig spanabtragend bearbeitet wurde, jedoch nur in dem Teilbereich des Oberflächenbereichs die Randschicht umgeschmolzen wird. Entsprechend kann beispielsweise der gesamte Kolben beziehungsweise die gesamte Oberfläche des Kolbens zunächst spanabtragend bearbeitet werden und anschließend nur in dem Teilbereich das Umschmelzen vorgenommen werden. Der Teilbereich liegt dabei insbesondere in einem Bereich vor, welcher mit der Dichtung in Dichtverbindung steht beziehungsweise an dieser anliegt. Beispielsweise ist der Teilbereich derart ausgebildet, dass in jeder während des Betriebs der Dichtungsanordnung auftretenden Anordnung des Kolbens die Dichtung in dem Teilbereich vorliegt. Der Teilbereich weist mithin eine entsprechende Erstreckung, insbesondere in axialer Richtung auf.
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Insoweit kann es vorgesehen sein, dass der Teilbereich eine Lauffläche aufweist, mit welcher der Kolben an der Dichtung anliegt. Die Lauffläche ist derjenige Teil des Oberflächenbereichs beziehungsweise des Teilbereichs, in welchem während des Betriebs der Dichtungsanordnung die Dichtung stets an dem Kolben anliegt. Beispielsweise bildet also der gesamte Teilbereich die Lauffläche aus.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das spanabtragende Bearbeiten durch Schleifen, Fräsen, Reiben, Feilen oder Drehen vorgenommen wird. Grundsätzlich kann ein beliebiges Bearbeitungsverfahren vorgesehen sein, mit welchem die gewünschten Mittenrauwerte in dem Oberflächenbereich erzielbar sind. Besonders bevorzugt ist als spanabtragendes Bearbeiten jedoch Schleifen vorgesehen. Mithin wird der Oberflächenbereich zunächst geschliffen und nachfolgend die Randschicht des geschliffenen Oberflächenbereichs umgeschmolzen, wobei die durch das Schleifen ausgebildeten Schmiertaschen wenigstens teilweise erhalten werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Umschmelzen durch Laserpolieren. Es ist also vorgesehen, den zuvor spanabtragend bearbeiteten Oberflächenbereich mittels eines Lasers thermisch zu beaufschlagen, sodass es zu dem Umschmelzen der Randschicht kommt. Der für das Laserpolieren verwendete Laser kann beispielsweise ein kontinuierlich oder ein gepulst betriebener Laser sein. Die Leistung des Lasers ist dabei derart eingestellt, dass nach dem Umschmelzen der Randschicht die vorstehend beschriebenen Eigenschaften des Kolbens vorliegen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kolben einer Dichtungsanordnung, insbesondere einen gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Kolben, wobei die Dichtungsanordnung wenigstens eine Dichtung sowie den Kolben aufweist, und wobei der Kolben bezüglich der Dichtung verlagerbar ist und mit einem Oberflächenbereich an der Dichtung dichtend anliegt. Dabei ist vorgesehen, dass der Oberflächenbereich zunächst spanabtragend zum Ausbilden von Schmiertaschen bearbeitet und nachfolgend eine Randschicht des bearbeiteten Oberflächenbereichs umgeschmolzen ist. Auf die Vorteile einer derartigen Vorgehensweise wurde bereits eingegangen. Der Kolben beziehungsweise das zu ihrer Herstellung verwendete Verfahren kann gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
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Analog dazu betrifft die Erfindung selbstverständlich auch eine Dichtungsanordnung mit wenigstens einer Dichtung und einem Kolben, wobei letztere gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt sein kann. Der Kolben ist bezüglich der Dichtung verlagerbar und liegt mit einem Oberflächenbereich an der Dichtung dichtend an. Der Oberflächenbereich ist gemäß den vorstehenden Ausführungen ausgestaltet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt
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1 einen Längsschnitt durch eine Pumpe, beispielsweise einer Kraftfahrzeugassistenzeinrichtung, und
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2 ein Oberflächenprofil, das in einem Oberflächenbereich eines in der Pumpe angeordneten Kolbens vorliegt.
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Die 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Bereich einer Pumpe 1, die beispielsweise Bestandteil einer Fahrerassistenzeinrichtung, insbesondere einer ABS- oder ESP-Einrichtung, ist. Die Pumpe 1 ist als Kolbenpumpe ausgebildet. Sie weist insoweit eine Exzenterwelle 2 auf, welche in einem Exzenterraum 3 eines Gehäuses 4 der Pumpe 1 angeordnet ist. Die Exzenterwelle 2 rotiert beispielsweise um eine Drehachse 5, die von einem Mittelpunkt 6 der Exzenterwelle 2 (im Querschnitt durch die Exzenterwelle 2 gesehen) abweicht. Entsprechend verursacht die Exzenterwelle 2 durch ihre rotatorische Bewegung eine Hubbewegung eines Kolbens beziehungsweise Hubkolbens 7 entlang einer Längsmittelachse 8 des Kolbens 7.
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Der Kolben 7 ist in dem Gehäuse 4 beweglich gelagert. Dabei ist er von einer Dichtung 9, die als Dichtring vorliegt, in Umfangsrichtung (bezüglich der Längsmittelachse 8) vollumfänglich umgriffen. Entsprechend ist ein Druckbereich 10 der Pumpe 1 strömungstechnisch von dem Exzenterraum 3 abgedichtet. Die Dichtung 9 besteht beispielsweise aus einem Elastomer. Während des Betriebs der Pumpe 1 bewegt sich der Kolben 7 bezüglich der Dichtung 9 hin und her. Entsprechend ist es bei aus dem Stand der Technik bekannten Pumpen vorteilhaft, wenn eine Oberflächenbereich 11 eine möglichst hohe Oberflächengüte aufweist.
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Hier soll es nun jedoch vorgesehen sein, dass der Oberflächenbereich 11 eine größere Rauheit beziehungsweise eine geringere Oberflächengüte aufweist als aus dem Stand der Technik bekannt. Dennoch sollen sowohl die Laufeigenschaft des Kolbens 7 bezüglich der Dichtung 9 verbessert als auch der von dem Kolben 7 verursachte Abrieb der Dichtung 9 verringert werden. Dies wird erzielt, indem der Oberflächenbereich 11 zunächst spanabtragend zum Ausbilden von Schmiertaschen 12 (hier nicht zu erkennen) bearbeitet und nachfolgend eine Randschicht 13 (ebenfalls nicht dargestellt) des bearbeiteten Oberflächenbereichs 11 umgeschmolzen wird.
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Das spanabtragende Bearbeiten erfolgt beispielsweise durch Schleifen, während für das Umschmelzen Laserpolieren eingesetzt wird. Es kann vorgesehen sein, dass die Dichtung 9 an einer Lauffläche 14 der Exzenterwelle 2 dichtend anliegt. Die Lauffläche 14 ist dabei derjenige Bereich der Exzenterwelle 2, welche während des Betriebs der Pumpe 1 im Bereich der Dichtung 9 angeordnet ist. Die Lauffläche 14 kann lediglich einen Teilbereich des Oberflächenbereichs 11 beziehungsweise der gesamten Oberfläche des Kolbens 7 darstellen. Es kann also beispielsweise vorgesehen sein, dass der Oberflächenbereich 11 oder sogar die gesamte Oberfläche des Kolbens zunächst spanabtragend bearbeitet wird. Nachfolgend wird jedoch lediglich der Teilbereich und mithin die Lauffläche 14 dem Umschmelzen der Randschicht unterzogen.
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Die 2 zeigt ein Oberflächenprofil des Oberflächenbereichs 11 beziehungsweise der Lauffläche 14. Dabei ist zum einen der Zustand nach der spanabtragenden Bearbeitung (gepunktete Linien) als auch nach dem Umschmelzen (durchgezogene Linien) dargestellt. Erkennbar sind die Schmiertaschen 12, die randoffen in dem Oberflächenbereich 11 vorliegen. Unmittelbar nach dem spanabtragenden Bearbeiten und vor dem Umschmelzen liegt eine maximale Tiefe T der Schmiertaschen 12 vor, welche sich von einem Grund 15 der Schmiertaschen 12, der den tiefsten Punkt des Oberflächenbereichs 11 bezüglich der Längsmittelachse 8 beschreibt, bis hin zu Rauigkeitsspitzen 16 erstreckt, die die am weitesten von der Längsmittelachse 8 entfernten Punkte des Kolbens 7 definieren.
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Das Umschmelzen soll nun im Bereich der Randschicht 13 erfolgen, wobei die Dicke d dieser Randschicht 13 kleiner ist als die Tiefe T. Insbesondere ist sie höchstens halb so groß oder beträgt höchstens ein Drittel oder höchstens ein Viertel der Tiefe T. Entsprechend stellt sich eine Tiefe t der Schmiertaschen 12 nach dem Umschmelzen der Randschicht 13 auf den Wert t = T – d ein. Diese Tiefe t ist derart gewählt, dass in den Schmiertaschen 12 eine ausreichende Menge an Fluid beziehungsweise Schmiermittel bevorratbar ist, sodass stets eine ausreichende Menge des Fluids zwischen dem Kolben 7 und der Dichtung 9 vorliegt. Auf diese Weise wird zusammen mit dem Entfernen der Rauigkeitsspitzen 16 durch das Umschmelzen der Verschleiß der Dichtung 9 deutlich reduziert.
