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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hydraulikkolbens einer hydraulischen Verdrängereinheit, insbesondere einer Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, wobei der Hydraulikkolben einen Rohkolbenkörper mit einem Hohlraum umfasst, der sich von einem offenen Ende des Rohkolbenkörpers nach innen erstreckt und durch eine Innenoberfläche des Rohkolbenkörpers begrenzt wird, und in den ein Einsatzelement aus einem weniger dichten Material als das Material des Rohkolbenkörpers eingesetzt wird.
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Ferner betrifft die Erfindung einen entsprechenden Hydraulikkolben einer hydraulischen Verdrängereinheit sowie eine hydraulische Verdrängereinheit, insbesondere Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, mit einem oder mehreren Hydraulikkolben.
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In hydraulischen Verdrängereinheiten, insbesondere Axialkolbenmaschinen, welche beispielsweise in mobilen Arbeitsmaschinen und Flurförderzeugen zum Einsatz kommen, ist es gewünscht Hydraulikkolben einzusetzen, die einerseits ein geringes Totvolumen erzeugen und andererseits ein geringes Gewicht aufweisen.
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Es ist bekannt, in hydraulischen Verdrängereinheiten, insbesondere Axialkolbenmaschinen, als Massivkolben oder Hohlkolben ausgebildete Hydraulikkolben einzusetzen. Massivkolben erzeugen ein geringes Totvolumen und somit geringe Kompressionsverluste, weisen jedoch ein hohes Gewicht auf. Massivkolben sind daher auf Anwendungen mit niedrigen Drehzahlen eingeschränkt, weil bei höheren Drehzahlen aufgrund der großen Fliehkräfte eine die Massivkolben enthaltende rotierende Zylindertrommel von einer Steuerfläche abkippen kann. Außerdem können an den Kontaktflächen zwischen Kolben und Zylindern thermische Probleme entstehen, da aus den Fliehkräften auch hohe Reibungskräfte resultieren.
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Für den Betrieb bei hohen Drehzahlen werden daher häufig Hohlkolben verwendet, die einen zum Arbeitszylinder hin offenen Hohlraum aufweisen. Derartige Hohlkolben weisen ein geringes Gewicht auf und es entstehen daher geringere Fliehkräfte. Nachteilig ist dabei aber, dass der Hohlraum ein Totvolumen bildet, das bei jedem Kolbenhub komprimiert und wieder entspannt werden muss. Aufgrund der Kompressibilität des Hydraulikfluids entstehen dadurch Kompressionsverluste und es verschlechtert sich dadurch der Wirkungsgrad der hydraulischen Verdrängereinheit.
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Daher werden beispielsweise in den Druckschriften
US 3,319,575 A ,
DE 199 34 217 A1 und
DE 2 364 725 A1 geschlossene Hohlkörper vorgeschlagen, bei denen der im Kolbenkörper vorhandenen Hohlraum druckdicht verschlossen ist. Derartige geschlossene Hohlkolben weisen somit ein geringes Gewicht auf und erzeugen ein geringes Totvolumen.
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Aus der
EP 2 784 313 B1 ist ein Hohlkolben für eine Axialkolbenmaschine bekannt, bei dem der Hohlraum in mehrere Kammern aufgeteilt ist. Die Kammern sind im Querschnitt des Kolbenkörpers nebeneinander angeordnet und erstrecken sich axial im Kolbenkörper. Zur druckbeaufschlagten Arbeitsfläche des Kolbens hin sind die Kammern verschlossen.
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In der
DE 100 40 823 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Hydraulikkolbens für eine rotierende hydraulische Pumpe oder einen Motor beschrieben, bei dem in den Hohlraum eines Rohkolbenkörpers ein Einsatzelement eingesetzt wird, das aus einem weniger dichten Material als das Material des Rohkolbenkörpers besteht. Der Kolben wird also mit einem leichtgewichtigen festen Einsatzelement gefüllt. Das Material des Rohkolbenkörpers wird dann um das Einsatzelement herum kaltgeformt, um das Einsatzelement einzuschließen. Da zur Fixierung des Einsatzelements große Materialmengen des Rohkolbenkörpers kaltgeformt werden müssen, um das Einsatzelement vollständig einzuschließen, ist diese Methode technisch aufwändig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie einen entsprechenden Hydraulikkolben und eine hydraulische Verdrängereinheit, insbesondere Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, mit einem oder mehreren entsprechenden Hydraulikkolben so auszugestalten, dass eine sichere Fixierung des Einsatzelements mit geringem technischen Aufwand erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Einsatzelement vom offenen Ende des Rohkolbenkörpers her in den Hohlraum gepresst und Material des Einsatzelements durch Kaltumformung in mindestens eine an der Innenoberfläche des Rohkolbenkörpers vorgesehene Nut gedrückt wird und eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Einsatzelement und dem Rohkolbenkörper hergestellt wird.
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Dabei wird unter einer Kaltumformung ein plastisches Umformen eines Materials, insbesondere eines Metalls, unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Materials verstanden. Bei reinem Metall liegt diese Rekristallisationstemperatur beispielsweise bei 40% der absoluten Schmelztemperatur.
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Mit der Erfindung wird auf technisch einfache Weise eine sichere Fixierung des Einsatzelements im Rohkolbenkörper erreicht. Hierzu muss lediglich das Einsatzelement vom offenen Ende des Rohkolbenkörpers her in den Hohlraum gedrückt werden. Infolge der Kaltumformung des Einsatzelements und eines vergleichsweise geringen Materialvolumens fließt Material des Einsatzelements in die Nut an der Innenoberfläche des Rohkolbenkörpers und stellt so eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Einsatzelement und dem Rohkolbenkörper her. Im Gegensatz dazu ist das aus der
DE 100 40 823 A1 bekannte Verfahren sehr viel aufwändiger, da vergleichsweise große Materialmengen des Rohkolbenkörpers kaltgeformt werden müssen, um das gesamte Einsatzelement einzuschließen. Beim Stand der Technik ist es auch nicht damit getan, wie bei der Erfindung lediglich von einer Seite her Druck auf das Material des Einsatzelements auszuüben. Da beim bekannten Verfahren der Rohkolbenkörper um das Einsatzelement herum kaltgeformt werden muss, ist der Umformprozess wesentlich schwieriger.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird zweckmäßigerweise so durchgeführt, dass nach dem Einsetzen des Einsatzelements in den Hohlraum ein Überstand des Einsatzelements am offenen Ende des Rohkolbenkörpers verbleibt, der durch Verpressung in die Nut hineingedrückt wird.
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Dabei wird der Überstand des Einsatzelements bevorzugt so gewählt wird, dass das Volumen des Überstands dem Volumen der Nut entspricht. Auf diese Weise fließt der gesamte Überstand des Einsatzelements beim Verpressen in die Nut, so dass nach der Kaltumformung kein Überstand mehr vorhanden ist. Eine Nachbearbeitung der Kolbenoberseite kann daher entfallen bzw. ist somit nicht mehr erforderlich.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird die Erfindung so durchgeführt, dass nach dem Einsetzen und Einpressen des Einsatzelements in den Hohlraum ein Überstand des Rohkolbenkörpers am offenen Ende des Rohkolbenkörpers verbleibt. Dadurch entsteht oberhalb des Einsatzelements ein Absatz, mit dem Schäden an dem Einsatzelement durch Strahlkavitation beim Umsteuern der Verdrängereinheit vorgebeugt werden können.
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Eine Weiterbildung dieser Ausgestaltung sieht vor, dass der Überstand des Rohkolbenkörpers durch einen Deckel abgedeckt wird, um das Einsatzelement vor Strahlkavitation zu schützen. Hierzu wird der Deckel zweckmäßigerweise zusammen mit dem Einsatzelement eingepresst.
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Besonders bevorzugt wird ein Deckel verwendet, der mindestens eine Nut aufweist, in die Material des Einsatzelements beim Einpressen durch Kaltumformung gedrückt wird. Hierdurch wird eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Einsatzelement und dem Deckel hergestellt. Insgesamt wird damit ein doppelter Formschluss erreicht, nämlich eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Einsatzelement und dem Rohkolbenkörper und zwischen dem Einsatzelement und dem Deckel.
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Zum Einpressen des Einsatzelements in den Hohlraum kann ein einfacher Stempel verwendet werden. Dabei wird das in den Hohlraum eingesetzte Einsatzelement mittels des am offenen Ende des Einsatzelements angesetzten Stempels in den Hohlraum gepresst. Die Erfindung kann also mit sehr einfachen Werkzeugen durchgeführt werden, so dass keine aufwändigen Apparaturen oder Installationen wie bei anderen Methoden zur Kaltumformung erforderlich sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rohkolbenkörper axial von einem Fluidkanal durchsetzt. Für einen Einsatz in Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise kann der Kolben beispielsweise mit einem Gleitschuh versehen sein, wobei der auf der Schrägscheibe gleitende Gleitschuh mit dem Rohkolbenkörper über ein Kugelgelenk verbunden ist. In diesem Fall führt der Fluidkanal bevorzugt von der druckbeaufschlagten Arbeitsseite des Kolbens zum Gleitschuh, um diesen an der Schrägscheibe hydrostatisch zu entlasten. Dabei dient der Fluidkanal sowohl der Schmierung als auch der hydrostatischen Entlastung des Gleitschuhs. Um in diesem Fall auch bei eingesetztem Einsatzelement eine Fluidversorgung des Gleitschuhs zu ermöglichen, wird vorzugsweise als Einsatzelement ein mit einem Fluidkanal versehenes Einsatzelement verwendet.
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Dabei muss darauf geachtet werden, dass beim Verpressen des Einsatzelements der Fluidkanal des Einsatzelements offen bleibt, um die Fluidversorgung des Gleitschuhs sicherzustellen. Daher weist der Fluidkanal bevorzugt eine abgesetzte Bohrung am offenen Ende des eingesetzten Einsatzelements auf. Somit kann der Stempel beim Einpressen des Einsatzelements an den um die abgesetzte Bohrung herum überstehenden Rändern des Einsatzelements angesetzt werden, so dass auf den Fluidkanal des Einsatzelements selbst kein Druck ausgeübt wird.
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In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung wird zum Einpressen des Einsatzelements ein Stempel mit einem Zapfen verwendet, der den abgesetzten Bereich der Bohrung ausfüllt. Der Zapfen verhindert ein Ausweichen des unter Druck gesetzten Materials in den Fluidkanal des Einsatzelements.
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Um die Fluidkanäle des Einsatzelements und des Rohkolbenkörpers zuverlässig miteinander zu verbinden und abzudichten, ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein Rohkolbenkörper verwendet wird, der an dem dem offenen Ende des Rohkolbenkörpers abgewandten Ende des Hohlraums eine Ringkerbe um eine Fluidkanalbohrung aufweist, die den Fluidkanal im eingesetzten und verpressten Zustand des Einsatzelements abdichtet.
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Zweckmäßigerweise wird als Rohkolbenkörper ein Rohkolbenkörper aus Stahl verwendet.
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Dagegen sollte das Einsatzelement eine möglichst geringe Masse aufweisen, um die beim Betrieb des Kolbens auftretenden Fliehkräfte gering zu halten. Daher wird als Einsatzelement bevorzugt ein Einsatzelement aus einem Leichtmetall-Material verwendet.
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Besonders bevorzugt wird als Einsatzelement ein Einsatzelement aus Aluminium verwendet.
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Im Falle der Verwendung von Aluminium als Material für das Einsatzelement und Stahl als Material für den Rohkolbenkörper erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren der Fixierung des Einsatzelements im Rohkolbenkörper als besonders vorteilhaft. Bekanntlich ist eine Verbindung zwischen Aluminium und Stahl auf herkömmliche Weise, z. B. durch Schweißen, problematisch. Mit der erfindungsgemäß angewandten Methode zur formschlüssigen Verbindung mittels Kaltumformung wird eine dauerhaft stabile Konstruktion ermöglicht, die auch hohe Kräfte aushält. Mit dem erfindungsgemäße Verfahren wird weiterhin eine sichere Fixierung des aus Aluminium bestehenden Einsatzelements in dem aus Stahl bestehenden Rohkolbenkörper erzielt.
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Als Deckel zum Schutz der Kolbenoberseite vor Strahlkavitation insbesondere beim Betrieb in Axialkolbenmaschinen wird zweckmäßigerweise ein Deckel aus Stahl verwendet.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Hydraulikkolben einer hydraulischen Verdrängereinheit, insbesondere einer Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, mit einem einen Hohlraum aufweisenden Rohkolbenkörper, in den ein Einsatzelement aus einem weniger dichten Material als das Material des Rohkolbenkörpers eingesetzt ist.
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Bei einem solchen Hydraulikkolben wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass das Einsatzelement vom offenen Ende des Rohkolbenkörpers her in den Hohlraum gepresst und Material des Einsatzelements durch Kaltumformung in mindestens eine an der Innenoberfläche des Rohkolbenkörpers vorgesehene Nut gedrückt wird und eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Einsatzelement und dem Rohkolbenkörper hergestellt wird.
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Dabei ist der Hydraulikkolben vorzugsweise nach einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt.
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Außerdem betrifft die Erfindung eine hydraulische Verdrängereinheit, insbesondere Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise, mit einem oder mehreren der oben beschriebenen Hydraulikkolben.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 einen Rohkolbenkörper und ein Einsatzelement in verschiedenen Stadien des Zusammenfügens,
- 2 Detailansichten des Einsatzelements mit abgesetzter Bohrung für den Fluidkanal,
- 3 Detailansichten der Kolbenoberseite mit Absatz und Stahldeckel und
- 4 den Rohkolbenkörper mit Ringkerbe zur Abdichtung des Fluidkanals.
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In der 1 ist auf der linken Seite ein Hydraulikkolben 1 mit Rohkolbenkörper 1a, aber ohne Einsatzelement 1b, dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Hydraulikkolben 1 für einen Einsatz in Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise vorgesehen. Daher weist der Rohkolbenkörper 1a eine Aufnahme 2 für ein Kugelgelenk eines in der 1 nicht dargestellten Gleitschuhs auf, mit dem sich der Hydraulikkolben 1 auf einer Schrägscheibe abstützt.
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Der Rohkolbenkörper 1a ist axial von einem Fluidkanal 3a durchsetzt. Der Fluidkanal 3a führt von der druckbeaufschlagen Arbeitsseite 4 des Kolbens zur Schrägscheibenseite 5. Dabei dient der Fluidkanal 3a sowohl der Schmierung als auch der hydrostatischen Entlastung des Gleitschuhs an der Schrägscheibe.
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Der Rohkolbenkörper 1a besteht aus Stahl und weist einen zylindrischen Hohlraum 6 auf, in den das bevorzugt aus Aluminium oder einem anderen Leichtmetall bestehende zylindrische Einsatzelement 1b eingesetzt werden kann. Durch Füllung des Hohlraums 6 mit dem leichtgewichtigen Einsatzelement 1b werden die Fliehkräfte beim Betrieb des Hydraulikkolbens 1 reduziert, ohne Wirkungsgradverluste infolge eines Totvolumens hinnehmen zu müssen. Im oberen Bereich des Rohkolbenkörpers 1a ist in den dem Hohlraum 6 zugewandten inneren Zylindermantel des Rohkolbenkörpers 1a eine ringförmig umlaufende Nut 7 eingebracht, die den Hohlraum 6 kreisförmig umgibt.
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Auf der rechten Seite der 1 ist das Einsetzen und Einpressen des Einsatzelements 1b in den Hydraulikkolben 1 in verschiedenen Stadien dargestellt.
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In der rechten oberen Abbildung der 1 ist das Einsatzelement 1b bereits in den Hohlraum 6 eingesetzt. Nach dem Einsetzen des Einsatzelements 1b in den Hohlraum 6 verbleibt ein Überstand 18 des Einsatzelements 1b am offenen Ende des Rohkolbenkörpers 1a. Der Rohkolbenkörper 1a wird beim Einpressen des Einsatzelements 1b durch seitlich angebrachte Matrizen 8 seitlich abgestützt. Mittels eines Stempels 9 wird das Einsatzelement 1b vom offenen Ende des Rohkolbenkörpers 1a her in den Hohlraum 6 gepresst. Zu erkennen sind hier auch die Fluidkanäle 3a und 3b des Rohkörperkolbens 1a und des Einsatzelements 1b.
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In der unteren Abbildung der 1 ist das Einsatzelement 1b im bereits eingepressten Zustand gezeigt. Der Stempel 9 liegt noch auf dem Einsatzelement 1b auf. Beim Einpressen wird durch Verpressung das überstehende Einsatzelement 1b in den Hohlraum 6 hineingedrückt und infolge einer Kaltumformung das überstehenden Einsatzelement 1b in die Nut 7 des Rohkolbenkörpers 1a gedrückt. Durch das in die Nut 7 fließende Material des Einsatzelements 1b verbinden sich das Einsatzelement 1b und der Rohkolbenkörper 1a formschlüssig. Dabei wird der Überstand 18 des Einsatzelements 1b bevorzugt derart gewählt wird, dass das Volumen des Überstands 18 dem Volumen der Nut 7 entspricht. Auf diese Weise fließt der gesamte Überstand 18 in die Nut 7, so dass nach der Umformung kein Überstand mehr vorhanden ist. Eine Nachbearbeitung der Kolbenoberseite ist somit nicht mehr erforderlich. Das aus Aluminium bestehende Einsatzelement 1b und der aus Stahl bestehende Rohkolbenkörper 1a wurden formschlüssig verbunden.
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Die 2 zeigt eine Detailansicht der Oberseite des Einsatzelements 1b in zwei Varianten.
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In der linken Abbildung der 2 ist eine abgesetzte Bohrung 10 des Fluidkanals 3b dargestellt. Dabei zeigt die linke Hälfte dieser Abbildung den Zustand vor dem Einpressen und die rechte Hälfte den Zustand nach dem Einpressen des Einsatzelements 1b. Dabei kann der hier nicht dargestellte Stempel beim Einpressen des Einsatzelements 1b an den um die abgesetzte Bohrung 10 herum überstehenden Rändern 11 des Einsatzelements 1b angesetzt werden, so dass auf die Bohrung 10 und den Fluidkanal 3b selbst kein Druck ausgeübt wird. Dadurch wird erzielt, dass der Fluidkanal 3b beim Einpressen des Einsatzelements 1b offen bleibt.
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In der rechten Abbildung der 2 ist der Einsatz eines Stempels 9 mit Zapfen 12 dargestellt, der den abgesetzten Bereich der Bohrung 10 ausfüllt. Der Zapfen 12 verhindert ein Ausweichen des unter Druck gesetzten Materials in die Bohrung 10 und damit ein Verstopfen des Fluidkanals 3b beim Einpressen des Einsatzelements 1b. Dadurch wird erzielt, dass der Fluidkanal 3b beim Einpressen des Einsatzelements 1b offen bleibt.
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In der 3 sind zwei Varianten zur Vermeidung von Schäden durch Strahlkavitation beim Umsteuern der Axialkolbenmaschine veranschaulicht.
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In der linken Abbildung der 3 ist gezeigt, dass nach dem Einsetzen und Einpressen des Einsatzelements 1b ein Überstand 13 des Rohkolbenkörpers 1a am offenen Ende des Rohkolbenkörpers 1a verbleibt. Dadurch entsteht oberhalb des Einsatzelements 1a ein Absatz, mit dem Schäden durch Strahlkavitation beim Umsteuern der Verdrängereinheit an dem Einsatzelement 1b vorgebeugt werden können.
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In der rechten Abbildung der 3 ist eine Variante gezeigt, bei der der Überstand 13 des Rohkolbenkörpers 1a durch einen Deckel 14 abgedeckt wird, um das Einsatzelement 1b vor Strahlkavitation zu schützen. Hierzu wird der Deckel 14 zusammen mit dem Einsatzelement 1b eingepresst. Der Deckel 14 weist eine ringförmig umlaufende Nut 15 auf, in die Material des Einsatzelements 1b beim Einpressen durch Kaltumformung gedrückt wird. Hierdurch wird eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Einsatzelement 1b und dem Deckel 14 hergestellt. Insgesamt wird damit ein doppelter Formschluss erreicht, nämlich eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Einsatzelement 1b und dem Rohkolbenkörper 1a und zwischen dem Einsatzelement 1b und dem Deckel 14.
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Die 4 zeigt den oberen Bereich des Rohkolbenkörpers 1a mit teilweise eingesetztem, aber noch nicht verpresstem Einsatzelement 1b. Um die Fluidkanäle 3b und 3a des Einsatzelements 1b und des Rohkolbenkörpers 1a zuverlässig zu verbinden und abzudichten, ist an dem dem offenen Ende des Rohkolbenkörpers 1a abgewandten Ende des Hohlraums 6 eine Ringkerbe 16 um die Fluidkanalbohrung 17 vorgesehen, die die Fluidkanäle 3a und 3b im eingesetzten und verpressten Zustand des Einsatzelements 1b abdichtet.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine schnell herzustellende und somit kostengünstige formschlüssige Verbindung des Einsatzelements 1b mit dem Rohkolbenkörper 1a erzielt werden, die eine sichere Fixierung des Einsatzelements 1b in dem Hohlraum 6 des Rohkolbenkörper 1a ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3319575 A [0006]
- DE 19934217 A1 [0006]
- DE 2364725 A1 [0006]
- EP 2784313 B1 [0007]
- DE 10040823 A1 [0008, 0012]
