DE102019130843A1 - Kolben einer hydraulischen Kolbenmaschine und hydraulische Kolbenmaschine - Google Patents

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Abstract

Ein Kolben (1) einer hydraulischen Kolbenmaschine wird beschrieben, wobei der Kolben (1) einen Hohlraum (2), der von einer Wand (3) umgeben ist, und einen in dem Hohlraum (2) angeordneten Einsatz (4) aufweist.Ein derartiger Kolben wird verwendet, um eine Kolbenmaschine mit hoher Effizienz bei niedrigen Kosten zu haben.Zu diesem Zweck sind mindestens zwei verformbare Ringe zwischen dem Einsatz (4) und der Wand (3) angeordnet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben einer hydraulischen Kolbenmaschine, wobei der Kolben einen Hohlraum, der von einer Wand umgeben ist und einen in dem Hohlraum angeordneten Einsatz aufweist.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung eine hydraulische Kolbenmaschine.
  • Eine Kolbenmaschine ist eine Maschine mit einer positiven Verdrängung und kann beispielsweise in der Form einer Axialkolbenmaschine sein.
  • Eine derartige Maschine wird beispielsweise zum Pumpen einer Flüssigkeit, wie Wasser, verwendet. Obwohl Wasser im Allgemeinen als ein inkompressibles Fluid betrachtet wird, ist es tatsächlich etwas kompressibel. Die Kompressibilität des Wassers vermindert den Wirkungsgrad der Maschine.
  • Um die negativen Wirkungen der Kompressibilität der Flüssigkeit zu vermindern, wird der Einsatz verwendet, um einen Kapazitätsverlust aufgrund von fluidgefülltem Totvolumen zu vermindern. Dies erhöht die Energieeffizienz und ermöglich es der Maschine, mit höheren Drücken und Geschwindigkeiten zu arbeiten.
  • Es ist jedoch schwierig, den Einsatz zuverlässig im Hohlraum des Kolbens zu fixieren. Es ist bekannt, einen Einsatz aus einem Polymermaterial zu verwenden, der in den Hohlraum gedrückt wird. Ein derartiger Montageschritt birgt jedoch das Risiko einer Verformung des Kolbens. Daher ist es notwendig, den Einsatz mit hoher Genauigkeit herzustellen, um kleine Toleranzen zu erreichen. Dies erhöht die Kosten der hydraulischen Kolbenmaschine.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, eine Kolbenmaschine mit hohem Wirkungsgrad bei niedrigen Kosten zu haben.
  • Diese Aufgabe wird mit einer Kolbenmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass mindestens zwei verformbare Ringe zwischen dem Einsatz und der Wand angeordnet sind.
  • Die verformbaren Ringe können beim Einsetzen des Einsatzes in den Hohlraum verformt werden. Nach dem Einsetzen des Einsatzes in den Hohlraum sichern die verformbaren Ringe den Einsatz im Kolben und definieren so eine Position des Einsatzes im Kolben, die auch gegen Kräfte, die durch Zentrifugalkräfte bei höheren Arbeitsgeschwindigkeiten des Kolbens entstehen können, aufrechterhalten werden kann. Derartige Zentrifugalkräfte können z.B. auftreten, wenn der Kolben in einer Zylindertrommel einer Axialkolbenmaschine angeordnet ist.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung befinden sich die beiden Ringe auf beiden Seiten eines Massenschwerpunkts des Einsatzes. Die beiden verformbaren Ringe verhindern ein Kippen des Einsatzes in dem Hohlraum und damit einen Verschleiß des Einsatzes.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung sichert ein erster Ring eine axiale Position des Einsatzes im Kolben und ein zweiter Ring sichert nur eine radiale Position des Einsatzes im Hohlraum. Dadurch wird eine Überbestimmung der Position vermieden.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung befindet sich der erste Ring neben einem offenen Ende des Hohlraums. Dies erleichtert die Montage des Einsatzes im Hohlraum. Der erste Ring muss nur über einen kleinen Abstand in den Hohlraum bewegt werden.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste Ring in einer inneren Nut in der Wand und in einer äußeren Nut im Einsatz angeordnet. Der erste Ring verriegelt den Einsatz in dem Hohlraum.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung liegt der zweite Ring am Boden des Hohlraums an. Der Boden bildet einen Endanschlag für die Bewegung des zweiten Rings. Damit wird die Position des zweiten Rings zuverlässig bestimmt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Einsatz einen konischen Abschnitt nahe einem Ende, das vom offenen Ende des Hohlraums entfernt ist, auf und der zweite verformbare Ring ist um den konischen Abschnitt herum angeordnet. Somit kann der Einsatz in Bezug auf den zweiten Ring zentriert und damit in Bezug auf die Achse des Kolbens zentriert werden.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Spalt zwischen dem Einsatz und der Wand gebildet. Der Spalt hat zwei Vorteile. Er verhindert einen Kontakt zwischen dem Einsatz und der Wand des Hohlraums und verhindert damit einen Verschleiß des Einsatzes, der durch eine Bewegung des Einsatzes in Bezug auf die Wand entstehen kann. Weiterhin ermöglicht der Spalt einen Flüssigkeitsstrom entlang der Kolbenwand, der zur Kühlung des Kolbens verwendet werden kann.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weist zumindest der erste Ring mindestens einen dünnen Abschnitt auf mit einer radialen Erstreckung, die kleiner ist als die größte radiale Erstreckung des Rings. Der dünne Abschnitt ermöglicht es der Flüssigkeit, den ersten Ring zu passieren und in den Spalt einzutreten. Wenn der zweite Ring ebenfalls einen dünnen Abschnitt aufweist, kann Flüssigkeit den zweiten Ring passieren.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Ring eine Reihe von Blocks auf, die durch dünne Abschnitte getrennt sind. Der Ring besteht aus einer Abfolge von Blocks und dünnen Abschnitten. Somit ist eine Anzahl von Fluiddurchgängen durch den ersten Ring vorgesehen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Blocks äquidistant voneinander beabstandet. Wenn die Blocks gleichmäßig über den Umfang des Einsatzes verteilt sind, sorgen sie für eine gleichmäßige Verteilung des Fluidstroms in dem Spalt zwischen Einsatz und Kolben und minimieren die Formfehler in der Rundheit des Kolbens, die durch das Einpressen des Einsatzes in den Hohlraum verursacht werden. Der Ring sorgt dafür, dass der Einsatz genau im Inneren des Kolbens zentriert ist.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die dünnen Abschnitte eine axiale Erstreckung auf, die kleiner ist als die axiale Erstreckung der Blocks. Die dünnen Abschnitte bilden eine Art von Feder, die die Verformung des Rings ermöglicht, wenn der Einsatz in den Hohlraum eingesetzt wird. Darüber hinaus vergrößern sie einen Querschnitt eines Strömungspfads am Ring vorbei, insbesondere am zweiten Ring, wenn er am Boden des Hohlraums anliegt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung haben der erste Ring und der zweite Ring dieselbe Form. Dies erleichtert die Montage von Kolben und Einsatz. Es ist nicht notwendig, auf die Form des Ringes in der jeweiligen Position an beiden Enden des Einsatzes zu achten.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Einsatz aus einem keramischen Material oder aus einem faserverstärkten Kunststoff. Ein keramisches Material kann mit einer geringen Masse und nahezu ohne Kompressibilität hergestellt werden. Das Gleiche gilt für ein faserverstärktes Kunststoffmaterial, insbesondere faserverstärktes Polymer, wie PEEK (Polyetheretherketone).
  • Die Erfindung betrifft eine hydraulische Kolbenmaschine mit einem Kolben, wie vorstehend beschrieben.
  • Die Erfindung wird nun näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, worin zeigen:
    • 1 einen Längsschnitt eines Kolbens entlang der Linie A-A von 2,
    • 2 eine Ansicht des Kolbens von oben,
    • 3 einen verformbaren Ring in perspektivischer Ansicht,
    • 4 eine Ansicht des Rings von oben, und
    • 5 eine Seitenansicht des Rings.
  • 1 zeigt eine Schnittansicht eines Kolbens 1 einer hydraulischen Kolbenmaschine. Der Kolben 1 weist einen Hohlraum 2 auf, der von einer Wand 3 umgeben ist. Ein Einsatz 4 ist in dem Hohlraum 2 angeordnet.
  • Der Einsatz 4 ist aus einem keramischen Material oder einem anderen leichtgewichtigen und steifen Material gebildet, das nicht komprimiert werden kann. Ein mögliches Material ist auch ein faserverstärktes Kunststoffmaterial, insbesondere ein faserverstärktes Polymer, wie PEEK (Polyetheretherketone).
  • Der Hohlraum 2 weist ein offenes Ende 5 auf, durch das der Einsatz 4 in dem Hohlraum 2 montiert werden kann. Weiterhin weist der Hohlraum 2 einen Boden 6 am entgegengesetzten Ende auf. Der Boden 6 ist im Wesentlichen geschlossen mit Ausnahme eines Kanals 7, durch den Flüssigkeit fließen kann, um eine hydrostatische Lagerfläche 8 eines Gleitschuhs 9 zu erreichen. Der Gleitschuh 9 ist auf einer Kugel 10 des Kolbens montiert, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Im Betrieb liegt der Gleitschuh 9 an einer geneigten Schrägscheibe an und ist gegen die Schrägscheibe mit Hilfe einer Halteplatte (nicht gezeigt) gehalten.
  • Ein Spalt 11 ist zwischen dem Einsatz 4 und der Wand 3 gebildet.
  • Der Einsatz 4 ist in dem Hohlraum 2 mit Hilfe eines ersten verformbaren Ringes 12 und eines zweiten verformbaren Ringes 13 fixiert. Der erste verformbare Ring 12 ist in einer inneren Nut 14 in der Wand 3 und in einer äußeren Nut 15 des Einsatzes 4 angeordnet. Die innere Nut 14 und die äußere Nut 15 sind benachbart dem offenen Ende 5 des Hohlraums 2 angeordnet.
  • Der Einsatz 4 weist einen konischen Abschnitt 16 am oder nahe dem von dem offenen Ende des Hohlraums 2 entfernten Ende auf. Der zweite verformbare Ring 13 ist um den konischen Abschnitt 16 angeordnet und liegt am Boden 6 an.
  • Der erste verformbare Ring 12 sichert eine axiale Position des Einsatzes 4 in dem Kolben 1 und sichert gleichzeitig eine radiale Position des Einsatzes 4 in dem Hohlraum 2. Der erste verformbare Ring 12 zentriert den Einsatz 4 in Bezug auf den Kolben 1 nahe dem offenen Ende 5 des Hohlraumes 2.
  • Der zweite verformbare Ring 13 sichert nur eine radiale Position des Einsatzes 4 in dem Hohlraum 2. Die beiden verformbaren Ringe 12, 13 sind mit einem gewissen Abstand zueinander entlang der Längserstreckung des Einsatzes 4 angeordnet. Genauer gesagt sind sie auf beiden Seiten eines Massenschwerpunktes des Einsatzes 4 angeordnet. Somit verhindern sie ein Kippen des Einsatzes 4 in Bezug auf die Wand 3.
  • 3 bis 5 zeigen den ersten verformbaren Ring 12. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der zweite verformbare Ring 13 dieselbe Form.
  • Der Ring 12 ist nicht geschlossen, sondern in Umfangsrichtung offen, d.h. erweist einen Freiraum 17 in Umfangsrichtung auf. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann der Ring 12 in Umfangsrichtung geschlossen sein.
  • Der Ring 12 weist eine Anzahl von Blocks 18 auf, die gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt sind. Mit anderen Worten sind die Blocks 18 äquidistant voneinander beabstandet. Dies gilt für die Blocks 18 auf beiden Seiten des Freiraums 17.
  • Zwei benachbarte Blocks 18 sind mit Hilfe eines dünnen Abschnitts 19 verbunden. Der dünne Abschnitt 19 weist (4) eine radiale Erstreckung 20 auf, die kleiner ist als eine radiale Erstreckung 21 der Blocks 18, die die größte radiale Erstreckung des Rings 12 ist. Weiterhin haben die dünnen Abschnitte 19 eine axiale Erstreckung 22, die kleiner ist als eine axiale Erstreckung 23 der Blocks 18.
  • Eine derartige Konstruktion hat den folgenden Effekt. Wegen der kleineren radialen Erstreckung 20 der dünnen Abschnitte 19 ist ein Durchgang für ein Fluid gebildet, durch den Fluid in den Spalt 11 zwischen dem Einsatz 4 und der Wand 3 eintreten kann. Weiterhin erlauben die dünnen Abschnitte 19 eine Verformung des Rings 12, die notwendig ist, um den Einsatz 4 zusammen mit den Ringen 12, 13 in dem Hohlraum 2 zu montieren.
  • Wenn der Einsatz 4 montiert wird, indem er in den Hohlraum 2 gepresst wird, werden die Ringe 12, 13 plastisch um ein Maß verformt, das geringfügig variiert in Abhängigkeit von Produktionstoleranzen des Kolbens und des Einsatzes. Der erste Ring 12 fließt in die innere Nut 14 der Wand 3, so dass die axiale Position des Einsatzes 4 innerhalb des Hohlraumes 2 verriegelt und gut definiert ist. Die primäre Funktion des zweiten Ringes 13 ist es, den Einsatz 4 innerhalb des Kolbens 1 zu zentrieren.
  • Die Kombination des zweiten verformbaren Ringes 13 am Boden 6 des Hohlraumes 2 und des konischen Abschnitts 16 des Einsatzes stellt ein gutes Zentrieren der Spitze des Einsatzes 4 sicher, selbst wenn Produktionstoleranzen für den Kolben 1 und den Einsatz 4 signifikante Variationen in dem axialen Freiraum zwischen der Spitze des Einsatzes 4 und dem Boden 6 des Hohlraumes 2 in dem Kolben 1 verursachen.
  • Somit sind die beiden Enden des Einsatzes 4 gegen radiale Bewegungen innerhalb des Kolbens 1 gesichert. Ansonsten können die Trägheitskräfte, die auf den Einsatz 4 während des Betriebs bei hohen Geschwindigkeiten wirken, bewirken, dass der Einsatz 4 kleine Bewegungen innerhalb des Kolbens 1 macht, die letztendlich zu Verschleiß, Bildung von Beschädigungen und selbst dazu führen, dass der Einsatz 4 mit der Zeit verloren geht.
  • Der Spalt 11 erlaubt einen Fluidstrom, der hilft, den Kolben 1 zu kühlen, so dass der Kolben 1 nicht überhitzt. Wenn der Kolben 1 überhitzt, kann er aufgrund einer übermäßigen thermischen Ausdehnung des Kolbens in dem Zylinder stecken bleiben. Der erste Ring 12 (und der zweite Ring 13 auch) erlauben, dass Fluid in dem montierten Zustand vorbeifließt.
  • Die Ringe 12, 13 stellen weiterhin sicher, dass der Einsatz 4 innerhalb des Hohlraumes 12 genau zentriert ist, um eine gleichförmige Größe des Spalts 11 und einen gleichförmigen Fluidstrom und Kühlung in dem Spalt 11 sicherzustellen. Da die Blocks 18 der Ringe 12, 14 äquidistant platziert sind, stellen sie eine gleichmäßige Verteilung des Fluidstromes in dem Spalt 11 sicher und minimieren die Formdefekte in der Rundheit des Kolbens, die durch Pressen des Einsatzes 4 in den Kolben verursacht werden.
  • Der Kolben 1, genauer gesagt die Wand des Kolbens, ist aus einem Material mit hoher Festigkeit gebildet, das den Lasten auf den Kolben widerstehen kann. Es ist ein Material mit guten tribologischen Eigenschaften, um niedrige Reibungsverluste und geringen Verschleiß des Kolbens und der Komponenten, mit denen er zusammenwirkt, sicherstellen. Letztendlich muss das Material des Kolbens kompatibel mit dem Fluid in der Kolbenmaschine sein. Dies wird oft dazu führen, dass der Kolben aus einem Metall mit einer hohen Dichte gebildet ist. Der Hohlraum 2 vermindert die Masse.
  • Der Einsatz 4 vermindert die Kompressibilität in dem Volumen, in dem der Kolben bewegt wird, indem er einen signifikanten Teils des Totvolumens mit einem Material mit höherem Volumenmodul als das Fluid, aber mit einer niedrigeren Dichte als das Material der Wand 3 und anderer Teile des Kolbens 1 füllt. Das Material des Einsatzes 4 muss mit dem Fluid kompatibel sein, aber es muss nicht die Festigkeit und tribologischen Eigenschaften des Materials des Rests des Kolbens 1 haben. Die Verwendung der beiden verformbaren Ringe 12, 13 hilft, die Anforderungen an die Festigkeit des Materials des Einsatzes 4 zu vermindern, weil der Spalt 11 zwischen dem Einsatz 4 und der Wand 3 dem Einsatz 4 erlaubt, gerade zu bleiben, selbst wenn die Wand 3 durch externe Lasten verformt wird. Dies ermöglicht die Verwendung von Materialien für den Einsatz 4 mit sehr hoher Steifigkeit, aber niedriger Festigkeit, wie beispielsweise leichtgewichtige Keramiken, ohne zu riskieren, dass Biegelasten von dem Kolben auf den Einsatz 4 übertragen werden.

Claims (15)

  1. Kolben (1) einer hydraulischen Kolbenmaschine, wobei der Kolben (1) einen Hohlraum (2), der von einer Wand (3) umgeben ist, und einen im Hohlraum (2) angeordneten Einsatz (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei verformbare Ringe (12, 13) zwischen dem Einsatz (4) und der Wand (3) angeordnet sind.
  2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ringe (12, 13) auf beiden Seiten eines Massenschwerpunkts des Einsatzes (4) angeordnet sind.
  3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Ring (12) eine axiale Position des Einsatzes (4) im Kolben (1) sichert und ein zweiter Ring (13) nur eine radiale Position des Einsatzes (4) im Hohlraum (2) sichert.
  4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ring (12) einem offenen Ende (5) des Hohlraums (2) benachbart angeordnet ist.
  5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ring (12) in einer inneren Nut (14) in der Wand (3) und in einer äußeren Nut (15) im Einsatz (4) angeordnet ist.
  6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ring (13) an einem Boden (6) des Hohlraums (2) anliegt.
  7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (4) einen konischen Abschnitt (16) nahe einem vom offenen Ende (5) des Hohlraums (2) entfernten Ende aufweist und der zweite verformbare Ring (13) um den konischen Abschnitt (16) herum angeordnet ist.
  8. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt (11) zwischen dem Einsatz (4) und der Wand (3) ausgebildet ist.
  9. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste Ring (13) mindestens einen dünnen Abschnitt (19) aufweist mit einer radialen Erstreckung (20), die kleiner ist als die größte radiale Erstreckung (21) des Rings (12).
  10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (12) eine Anzahl von Blocks (18) aufweist, die durch dünne Abschnitte (19) getrennt sind.
  11. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Blocks (18) äquidistant voneinander beabstandet sind.
  12. Kolben nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die dünnen Abschnitte (19) eine axiale Erstreckung (22) haben, die kleiner ist als die axiale Erstreckung (23) der Blocks (18).
  13. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ring (12) und der zweite Ring (13) die gleiche Form haben.
  14. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (4) aus einem keramischen Material oder aus faserverstärktem Kunststoff ist.
  15. Hydraulische Kolbenmaschine, die einen Kolben (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist.
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