-
Die
Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere für einen Axialkolben-Verdichter
für Fahrzeugklimaanlagen,
bestehend aus wenigstens zwei Teilen aus elektrisch leitenden Materialien,
die miteinander verschweißt
sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen mehrteiligen
Kolbens.
-
Im
vorliegenden Fall geht es um eine besonders kostengünstige und
dennoch präzise
Herstellung von zwei- oder mehrteiligen Kolben. Dabei sollen die
einzelnen Teile so verbunden werden, dass der zusammengefügte Kolben
eine größtmögliche Festigkeit
aufweist, insbesondere größtmögliche Festigkeit
an den Verbindungsstellen.
-
Die
Verbindung soll einen Kolben hoher Festigkeit bei geringem Gewicht
ermöglichen,
also insbesondere für
Hohlkolben geeignet sein.
-
Insbesondere
soll auch die Verbindung von Materialien möglich sein, die mit herkömmlichen Techniken
nicht miteinander verschweißbar
sind, zum Beispiel Stahl und Aluminium. Dort stellt sich nämlich das
Problem spröder
intermetallischer Schichten. Dieses Problem gilt es, zu vermeiden.
-
Bekannt
ist die Herstellung von Kolben für Axialkolben-Verdichter
für Fahrzeugklimaanlagen, bei
dem ein hohlzylindrischer Schaft mit einem Kolbenschuh durch Reibschweißen verbunden
wird. Es wird diesbezüglich
auf die
EP 0 959 227
A2 verwiesen. Durch das vorgeschlagene Reibschweißen ist es
möglich,
verschiedene Materialien, z.B. Stahl und Aluminium miteinander zu
verschweißen.
Dabei wird das Aluminium nur plastifiziert und nicht aufgeschmolzen.
Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist die erwähnte Plastifizierung.
Beim Reibschweißen z.B.
von Stahl mit Stahl erfolgt ein Aufschmelzen beider Stahlteile.
Das Resultat des erwähnten
Aufschmelzens ist die Ausbildung eines Wulstes längs der Verbindungsstelle,
und zwar bei einem Hohlschaft sowohl innen als auch außen. Zumindest
außenseitig
muß der
Verbindungswulst abgedreht werden. Innenseitig stellt der Verbindungswulst
eine „Kerbe" und damit Schwachstelle
dar, welches zu einer verkürzten
Lebensdauer des Bauteils führen kann.
-
Auch
in der
EP 1 148 235
A1 ist die Möglichkeit
des Reibschweißens
zur Herstellung eines Kolbens für
einen Axialkolbenverdichter erwähnt.
Konkret wird beschrieben, zwei Kolben gleichzeitig zu verschweißen. Obwohl
noch ein zusätzlicher
Trennschnitt vorgenommen werden muß, lassen sich die Fertigungskosten
durch das vorgeschlagene Verfahren durchaus senken.
-
Aus
der
DE 196 20 167
C2 ist ein Hohlkolben bekannt, welcher einen hohlen Hauptkörper und
einen mit diesem verschweißten
Deckel aufweist, wobei die Schweißnaht über den gesamten Bereich des Kolbenmantels
durch radiales Elektronenstrahlschweißen erzeugt wird. Die Schweißnaht wird
beim Verschweißen
nur so tief eingebracht, daß der
Bereich einer nachträglich
in den Deckel zu bohrenden Zentralbohrung nicht erfaßt wird.
Durch diesen Schweißvorgang
kommt es im Material zu Temperaturgradienten, was zu Verspannungen
im Material und zu erhöhtem
Verschleiß bzw.
Ausschuss führen kann.
Ferner ist Elektronenstrahlschweißen ein verhältnismäßig teures
Verfahren, so daß der
Kolben gemäß der
DE 196 20 167 C2 teuer
in der Herstellung ist.
-
Aus
der
DE 101 09 598
A1 letztendlich ist ein Kolben für eine hydraulische Motoreinheit
bekannt, welcher aus einem Körper
und einem Einsatz, welche aus verschiedenen Materialien hergestellt
sind, zusammengesetzt ist. Die Befestigung der beiden Teile erfolgt
durch Löten
oder Schweißen.
Dadurch kommt es zu den bereits eingangs erwähnten Problemen der Verbindbarkeit
verschiedener Materialien. Sowohl beim Löten als auch beim Schweißen können nicht
alle beliebigen Materialien (beispielsweise Stahl und Aluminium)
miteinander verbunden werden. Ferner kommt es beim herkömmlichen
Schweißen
zur Ausbildung von Wulsten, welche nachträglich entfernt werden müssen. Beim
Löten kommt
es zu ebenfalls wulstförmigen
oder anders geformten Ablagerungen überschüssigen Lots, welche nach dem
Löten wieder
entfernt werden müssen.
Dies führt
zu langwierigen und kostspieligen Herstellungsverfahren.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde,
einen zwei- oder mehrteiligen Kolben zu schaffen, bei dem die vorgenannten
Probleme des Reibschweißens
nicht auftreten, bei dem also die einzelnen Teile präzise und
dauerhaft miteinander verbunden werden können, ohne dass eine Nachbearbeitung
erforderlich wird.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die wenigstens zwei Teile des Kolbens durch sog. Magnetimpulsschweißen (MIS)
miteinander verbunden sind bzw. werden. Das Prinzip des Magnetimpulsschweißens ist
seit Ende der 50er Jahre bekannt. Mittlerweile ist dieses Verfahren
präzise
steuerbar und insbesondere reproduzierbar. Es handelt es sich um
eine Art „Kaltverschweißung". Die Wirkenergie
eines impulsartigen Magnetfeldes wird zur berührungslosen Umformung bzw.
Verschweißung
elektrisch gut leitfähiger
Materialien, nämlich Metalle,
wie zum Beispiel Aluminium, Stahl oder Kupfer genutzt. Innerhalb
weniger Mikrosekunden wird dabei ein starkes Magnetfeld aufgebaut,
wodurch in einem Werkstück
ein Strom induziert wird. Dieser Strom und die magnetische Flussdichte
des Feldes bestimmen die Kraft bzw. den Druck, der zwischen Werkstück und einer
Arbeitsspule wirksam wird. Das Werkstück wird relativ zur Spule so
angeordnet, dass es sich unter Strom mit hoher Geschwindigkeit von der
Spule weg bewegt, wodurch der Werkstoff über seine Streckgrenze hinaus
in einen plastischen Zustand versetzt wird. Dieser Prozeß ist kostengünstig umsetzbar.
Dies leitet sich aus folgenden Vorteilen des Verfahrens ab:
- – die
eigentliche Kaltverschweißung
benötigt
nicht mehr als 100 ms. Die Taktzeit des Verfahrens wird also vornehmlich
durch das Einlegen und Entnehmen des Werkstücks in eine bzw. aus einer
Vorrichtung bestimmt.
- – Hohe
Wiederholbarkeit des Prozesses, wobei diese dadurch gegeben ist,
dass sich alle Prozessparameter gut kontrollieren und einstellen
lassen.
- – Es
wird kein Schweißzusatz
und kein Schutzgas benötigt.
-
Neben
dem Kostenvorteil gegenüber
anderen Verfahren zum Aneinanderfügen von mehreren Teilen eines
Kolbens, zeichnet sich die Erfindung, insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren
gemäß Anspruch
7 durch eine hohe Genauigkeit aus. Diese liegt im μ-Bereich.
Dies ist von großem
Vorteil, da ein gewichtsoptimierter Kolben in der Regel hochgenau
gefertigt werden muß und
eine Nacharbeit entfallen kann.
-
Das
Magnetimpulsschweißen
eignet sich insbesondere für
Verbindungsquerschnitte, die einen Rohrquerschnitt umfassen. Dies
entspricht der benötigten
Geometrie zur Bildung eines Hohlraumes für einen zwei- oder mehrteiligen
Kolben.
-
Um
eine Verbindung der einzelnen Teile zu ermöglichen, müssen diese zueinander zentriert
angeordnet werden, vorzugsweise mit einem sog. „Überlappungsstoß".
-
Ebenso
wie beim Reibschweißen
lassen sich mittels Magnetimpulsschweißen artverschiedene Metalle,
die sonst nicht miteinander verschweißbar wären, miteinander verbinden.
Im Gegensatz zum Reibschweißen
entsteht beim Magnetimpulsschweißen jedoch kein Wulst längs der
Verbindungsstelle zwischen den einzelnen Teilen, zum Beispiel an
Innen- und Außenseite
eines hohlzylindrischen Kolbenschaftes. Dementsprechend entfällt aufwendige Nachbearbeitung
und natürlich
auch eine entsprechende Schwachstelle, die die Festigkeit der Verbindung
gefährden
könnte.
Während
beim Reibschweißen
die Verbindungsstelle maximal die Festigkeit des schwächeren Reibpartners
aufweist, liegt die Festigkeit der Verbindungsstelle beim Magnetimpulsschweißen in der
Regel über
dem Werkstoffkennwert des schwächeren
Werkstoffes.
-
Da
das Magnetimpulsschweißen
die Verschweißung
insbesondere hohler Bauteile mit hoher Festigkeit erlaubt, lassen
sich Kolben mit minimalem Gewicht herstellen. Die durch den Kolben
bedingten Massenkräfte
sind entsprechend niedrig. Daher eignet sich ein erfindungsgemäßer Kolben
besonders für
Axialkolben-Verdichter für
Fahrzeugklimaanlagen, und zwar sowohl R134a-Kältemittelverdichter als auch
CO2-Kompressoren.
Gerade im letztgenannten Fall müssen
die Kolben auch besonders hohe Kräfte aufnehmen können. Dementsprechend wird
der hochbelastete Kolbenschuh aus Stahl hergestellt, während der
Kolben im übrigen
aus einem leichteren Material, zum Beispiel Aluminium besteht. Die
Verbindung dieser aus unterschiedlichen Metallen hergestellten Teile
stellt kein Problem dar. Das Magnetimpulsschweißen eignet sich dafür besonders
gut. Es sind jedoch auch alle anderen Werkstoff-Kombinationen denkbar,
soweit es sich um elektrisch leitende Werkstoffe, insbesondere Metalle
handelt.
-
Nachstehend
werden zwei Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäß hergestellten
Kolbens für
einen Axialkolbenverdichter für
Fahrzeugklimaanlagen anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 eine
erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kolbens
im Längsschnitt;
-
2 eine
zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Kolbens im Längsschnitt;
und
-
3 die
Zuordnung einer Kompressionsspule zur Verbindungsstelle eines zweiteiligen
Kolbens gemäß 1,
und zwar vor dem Verschweißen der
einzelnen Kolbenteile miteinander.
-
Der
in 1 im Längsschnitt
dargestellte Kolben 10 besteht aus zwei Teilen, nämlich einem hohlzylindrischen
Schaft 11 und einem Schuh bzw. Fuß 12, der vorzugsweise aus
Stahl besteht und mit einem hier nicht dargestellten Taumelscheiben/Schrägscheiben-Mechanismus
in Eingriff bringbar ist. Dementsprechend weist der Schuh 12 eine etwa
U- bzw. C-förmige
Eingriffsöffnung 13 mit
sphärischen
Lagerflächen 14 für kugelsegmentartige Gleitsteine
des Taumelscheiben/Schrägscheiben-Mechanismus
auf. Da es sich diesbezüglich
um eine an sich bekannte Konstruktion handelt, bedarf es hier keiner
näheren
Beschreibung.
-
Der
Schuh 12 umfaßt
einen zylindrischen Zapfenvorsprung 15, der in den zylindrischen
Hohlraum 16 des Kolbenschaftes 11 einpaßbar ist,
und zwar so, dass ein Umfangsflansch 17 des Kolbenschuhs 12 außenseitig
bündig
mit der äußeren Umfangsfläche des
Kolbenschaftes 11 abschließt. Der Kolbenschaft 11 einschließlich Kolbenboden 18 besteht
aus Leichtmetall, zum Beispiel Aluminium.
-
Die
beiden Kolbenteile 11 und 12 sind durch Magnetimpulsschweißen miteinander
verbunden, und zwar längs
ihrer Kontaktflächen
zwischen Zapfenvorsprung 15 und innerer Umfangsfläche des
zylindrischen Hohlraums 16.
-
Der
dargestellte Kolben eignet sich besonders gut für einen Axialkolben-Verdichter
mit CO2 als Kältemittel. Er ist jedoch ebenso
gut bei R134a-Kompressoren einsetzbar. Er zeichnet sich durch hohe Festigkeit
bei minimalem Gewicht aus. Vor allem die Verbindung zwischen Kolbenschuh
und Kolbenschaft ist aufgrund des erfindungsgemäßen Magnetimpulsschweißens fester
als der weniger feste Werkstoff des Kolbenschaftes.
-
Der
Kolbenschuh 12 ist – wie
bereits erwähnt – vorzugsweise
aus Stahl hergestellt, um die beim Betrieb eines Axialkolben-Verdichters
auftretenden Kräfte
des Taumelscheiben/Schrägscheiben-Mechanismus
problemlos auf den bzw. die Kolben übertragen zu können.
-
Die
Ausführungsform
gemäß 2 unterscheidet
sich von derjenigen gemäß 1 lediglich dadurch,
dass der Kolben 10 gemäß 2 dreiteilig ausgebildet
ist. Der Kolbenboden 18 wird bei der Ausführungsform
nach 2 durch eine Bodenkappe 19 definiert,
die in gleicher Weise wie der Kolbenschuh 12 mit dem hohlzylindrischen Schaft 11 verbunden
ist. Die Bodenkappe 19 kann ebenso wie der Kolbenschuh 12 aus
hochfestem Material, insbesondere Stahl hergestellt sein, während der
hohlzylindrische Schaft 11 aus Aluminium besteht. Die Bodenkappe 19 weist
ebenfalls einen zylindrischen Zapfenvorsprung 20 auf, der
innerhalb des hohlzylindrischen Schaftes 11 eingepaßt ist,
und zwar in der gleichen Weise wie der Zapfenvorsprung 15 des
Kolbenschuhs 12.
-
Die
Zapfenvorsprünge 15 und 20 weisen
jeweils noch eine zentrale Sacklochbohrung 21 bzw. 22 auf,
wodurch zusätzlich
Gewicht gespart werden kann, ohne dass die Festigkeit des Kolbens
und insbesondere der Verbindung zwischen den einzelnen Kolbenteilen
dadurch beeinträchtigt
würde.
-
Wie
bereits erwähnt,
ist die Herstellung der dargestellten Kolben relativ einfach. Die
Schweißverbindung
kann innerhalb weniger Millisekunden hergestellt werden. Die Fertigungszeit
ist im wesentlichen nur durch das Einlegen der einzelnen Kolbenteilen
in eine Schweißvorrichtung
und das Herausnehmen des fertigen Kolbens aus derselben bedingt.
-
Es
versteht sich von selbst, dass die beschriebene Erfindung sich nicht
nur für
zylindrische Kolben, sondern auch für Kolben mit anderen Querschnitten,
wie zum Beispiel elliptischen, tropfenförmigen od. dgl. Querschnitten
eignet. Grundsätzlich
ist es auch denkbar, den Kolbenschaft 11 mehrteilig auszubilden,
wobei die einzelnen Schaftabschnitte dann ebenfalls durch Magnetimpulsschweißen miteinander
verbunden werden.
-
Auch
ist es nicht erforderlich, dass der Kolben einen Kolbenschuh der
beschriebenen Art umfasst. Genauso gut denkbar ist stattdessen ein
Aufnahmelager für
eine Kolbenstange, die mit einem Schrägscheiben/Taumelscheiben-Mechanismus
verbunden ist. In diesem Fall ist dann der entsprechende Lagerkörper mit
dem Kolbenschaft 11 in der beschriebenen Weise verbunden.
-
Hinsichtlich
der Herstellung der Schweißverbindung
sei noch auf die Anordnung gemäß 3 hingewiesen.
Dort ist ein zweiteiliger Kolben 10 ähnlich 1 dargestellt,
und zwar vor dem Verschweißen
der beiden Teile, wobei den miteinander zu verschweißenden Umfangsflächen von
Zapfenvorsprung 15 und zylindrischem Hohlraum 16 außenseitig
eine Kompressionsspule 23 zugeordnet ist.
-
Das
Magnetfeld der Kompressionsspule 23 induziert einen Strom
in dem Kolbenschaft 11, so dass zwei, sich gegenseitig
abstoßende,
Magnetfelder entstehen. Dies führt
zu einer Krafteinwirkung „F" auf den Kolbenschaft 11,
so dass dieser in Richtung des Kolbenschuhs 12 beschleunigt
wird. Das Auftreffen der Kontaktfläche der inneren Umfangsfläche des zylindrischen
Hohlraums 16 auf die Kontaktfläche des Zapfenvorsprungs 15 mit
hoher Geschwindigkeit führt
zu der gewünschten
Kaltverschweißung.
Bei diesem Vorgang wird der Kolbenschaft 11 plastisch verformt.
Der Kolbenschaft 11, der ursprünglich im Kontaktbereich mit
dem Zapfenvorsprung 15 radial erweitert ist, so wie dies
in 3 dargestellt ist, wird gegenüber dem Zapfenvorsprung 15 so
positioniert, dass die ringförmige
Sternfläche 24 des
Kolbenschaftes in dichte Anlage an die angewandte Ringfläche 25 des
Umfangsflansches 17 kommt.
-
Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
-
- 10
- Kolben
- 11
- Schaft
- 12
- Schuh
bzw. Fuß
- 13
- Eingriffsöffnung
- 14
- sphärische Lagerflächen
- 15
- Zapfenvorsprung
- 16
- zylindrischer
Hohlraum
- 17
- Umfangsflansch
- 18
- Kolbenboden
- 19
- Bodenkappe
- 20
- Zapfenvorsprung
- 21
- Sacklochbohrung
- 22
- Sacklochbohrung
- 23
- Kompressionsspule
- 24
- Ringsternfläche
- 25
- Ringfläche