DE10325551B4

DE10325551B4 - Verfahren zur Herstellung geschlossener Hohlkolben

Info

Publication number: DE10325551B4
Application number: DE10325551A
Authority: DE
Inventors: Robert J. Stoppek
Original assignee: Sauer Danfoss Inc
Current assignee: Danfoss Power Solutions Inc
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2023-06-06
Also published as: DE10325551A1; JP2004092636A; US20030226876A1; US6703577B2; CN1467394A; CN1321280C

Abstract

Verfahren zur Herstellung geschlossener Hohlkolben für hydrostatische Einheiten mit folgenden Schritten:
– Herstellen einer ersten ringförmigen Berührungsfläche (26) an einem offenen Ende (18) eines zylindrischen Kolbenkörpers (12);
– Herstellen einer zweiten ringförmigen Berührungsfläche (32) an einer ringförmigen Fläche einer rohrförmigen Ölleitung (23) in der Mitte des Innenraums des Kolbenkörpers (12);
– Herstellen einer Kappe (14) zum Schließen des offenen Endes (18) des Kolbenkörpers (12) und Herstellen eines Paars ringförmiger Flächen (28, 30) daran, die zum Kontaktieren der ersten ringförmigen Fläche (26) am Kolbenkörper (12) und der zweiten ringförmigen Fläche (32) der rohrförmigen Ölleitung (23) bestimmt sind und mit diesen zwei Paare ringförmiger Passflächen (26, 28 und 30, 32) bilden;
– Herstellen mindestens einer ringförmigen Fläche (26, 32) in jedem Paar ringförmiger Passflächen (26, 28 und 30, 32) in Form eines V;
– Anordnen der Kappe (14) über dem offenen Ende (18) des Kolbenkörpers (12) und...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Herkömmliche geschlossene Hohlkolben sind in hydrostatischen Einheiten der verschiedensten Geräte der Landwirtschaft, der Rasenpflege und im Bauwesen verwendet worden. Eine Bauart des üblichen geschlossenen Hohlkolbens oder Kolbens mit verringertem Ölvolumen hat einen verlängerten zylindrischen Hauptkörper und eine kegelstumpfartige zylindrische Kappe. Das eine Ende des Hauptkörpers ist geschlossen, und in dem anderen Ende ist ein tiefer ringförmiger Hohlraum ausgebildet. Die Kappe hat entgegengesetzte geschlossene und offene Enden. Das offenen Ende enthält eine ringförmige Nut, so dass die Kappe mit dem Stab und der Außenwand des Hauptkörpers an seinem offenen Ende zur Deckung und in Eingriff gelangt. Dann werden die Kappe und der Hauptkörper auf herkömmliche Weise entlang einer einzigen Querebene, wo sich ihre zugehörigen offenen Enden treffen, miteinander verschweißt. Das Ergebnis ist ein geschlossener Hohlkolben von geringem Gewicht, aber die Kosten und die Kompliziertheit des maschinellen Bearbeitungsvorgangs machen ihn zu einem relativ teuren Kolben.

Deshalb besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens, mit dem sich ein derartiger Hohlkolben in günstigerer Weise herstellen lässt.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines geschlossenen Hohlkolbens umfasst Folgendes: Herstellen einer ersten ringförmigen V-förmigen Fläche an einem offenen Ende eines zylindrischen Kolbenkörpers; Herstellen einer zweiten ringförmigen V-förmigen Fläche an einer ringförmigen Fläche einer Ölleitung in der Mitte des Innenraums des Kolbenkörpers; Herstellen einer Kappe zum Schließen des offenen Endes des Kolbenkörpers und Herstellen eines Paars ringförmiger, flacher Flächen darin, die zum Kontaktieren der ersten und der zweiten ringförmigen, Flächen am Kolbenkörper bestimmt sind, Anordnen der Kappe über dem offenen Ende des Kolbenkörpers und dadurch Anordnen der ringförmigen Fläche an der Kappe und dem Körper in enger, guter Pass-Beziehung; und Verschweißen der jeweiligen ringförmigen Pass-Fläche der Kappe und des Kolbenkörpers, indem die Kappe und der Körper einer extrem hohen Stromdichte ausgesetzt werden, um jeweilige ringförmige Pass-Flächen zusammenzudrängen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Mittel-Längsschnittansicht des zusammengebauten Kolbens dieser Erfindung.
2 ist eine auseinandergezogenen Darstellung des Aufbaus des Kolbens nach 1 im Längsschnitt.
3 ist eine auseinandergezogene Darstellung des Aufbaus des rechten Endes von 2 im Längsschnitt.
4 ist eine Mittel-Längsschnittansicht des vorderen Teils des Kolbens nach 1 in großem Maßstab.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In 1 wird ein Kolben 10 gezeigt. Der Kolben 10 umfasst einen Kolbenkörper 12 aus Stahl und eine Kolbenkappe 14 aus Stahl. Der Kolbenkörper 12 weist ein geschlossenes Ende 16, ein offenes Ende 18 (2) und einen ringförmigen inneren Hohlraum 20 auf. Eine rohrförmige Ölleitung 23 ragt als Stab 22 von dem geschlossenen Ende 16 des Hohlkörpers ab. Das offene Ende des Körpers 12 liegt in der gleichen Ebene wie der Rand 24 des Kolbenkörpers 12. die Kolbenkappe 14 ist wie der Kolbenkörper 12 zylindrisch (2).
Unter Bezugnahme auf 3 ist am Rand 24 des Körpers 12 eine erste V-förmige Berührungsfläche 26 ausgebildet. Eine zweite, flach ausgebildete Berührungsfläche 28 ist in der Kappe 14 hergestellt und berührt bei der Herstellung des Hohlkolbens die Fläche 26 des Körpers 12, wie am besten in 3 gezeigt.
Ebenso ist am inneren Ende der Kappe 14 (3) eine flach ausgebildete Berührungsfläche 30 hergestellt und nimmt eine V-förmige Berührungsfläche 32 am inneren Ende des Stabs 22 in Eingriff (2 und 3). Es sei darauf hingewiesen, dass die Berührungsflächen zusammen Paare ringförmiger Pass-Flächen 26 und 28 sowie 30 und 32 bilden, wobei die Paare in Längsrichtung des Kolbens voneinander beabstandet sind. Es versteht sich, dass mindestens eine ringförmige Fläche bei den Paaren ringförmiger Passflächen 26, 28 und 30, 32 V-förmig und die gegenüberliegende Fläche flach sein sollte. Somit könnten die flache und die V-förmige der Pass-Flächen am Zylinder und der Kappe unabhängig davon, welche einzelne Fläche V-förmig und welche flach wäre, ausgetauscht werden, vorausgesetzt, jedes Paar ringförmiger Pass-Flächen würde jeweils eine davon aufweisen.
Der Körper 12 besteht vorzugsweise aus einer weichen Kohlenstofflegierung 4140 mit einem hohen Nickelgehalt (z. B. Mangan 0.0% Gewichtsanteil). Am Kolbenkörper ist eine Härte von 50 bis 55 Rc erforderlich, um die richtigen tribologischen Verschleißeigenschaften zwischen dem Kolben und dem Zylinderblock bereitzustellen. Die Kappe besteht entweder aus 4140 oder einer weichen Kohlenstofflegierung.
Während des Schweißvorgangs werden die Flächen 30 und 32 bzw. 26 und 28 miteinander verschweißt, um die in den 1 und 4 gezeigten monolithischen Strukturen zu schaffen. Es sei auf die Zahlen 26, 28 und 30, 32 in diesen beiden Figuren verwiesen.
Zum Zusammenfügen ist ein gleichzeitiges Buckelschweißen von sowohl inneren als auch äußeren Verbindungen der Kolbenanordnung erforderlich. Es ist unbedingt notwendig, dass die inneren und die äußeren Verbindungen eine feste, homogene, ringförmige Schweißnaht bilden, die undurchlässig für Fluid ist. Des Weiteren ist es ausschlaggebend, dass die innere Schweißnaht das Schmierloch 23 durch die Mitte des Kolbens nicht verschließt. In den Schweißbereichen können keine Fehler irgendeiner Art toleriert werden.
Besondere Beachtung muss der Konzentrizität zwischen der Kolbenkappe und dem -körper geschenkt werden. Die Ausrichtung zwischen den Mitten der beiden Teile muss während des Buckelschweißvorgangs kontrolliert werden.
Mit Schweißen verbundener Grat ist im Innenhohlraum des Kolbens zulässig, muss aber im Bereich des Schmierlochs und des Außendurchmessers des Kolbens kontrolliert werden. Der Außendurchmesser der Kappe ist kleiner als der Außendurchmesser des Kolbenkörpers. Der Grat an der äußeren Verbindung kann nicht über die am Außendurchmesser des Kolbenkörperdurchmessers vorgesehene Einlassabschrägung hinwegragen. Diese Fläche muss aufgrund ihrer Lagerungsfunktion sauber bleiben.
Widerstands- oder Buckelschweißen ist ein thermoelektrischer Prozess, bei dem durch Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch die zu verbindenden Teile Wärme erzeugt wird. Bei dem Prozess werden Elektroden verwendet, um die Teile zur Herstellung eines anfänglichen Berührungswiderstands zusammenzuschieben. Nachdem ein physischer Kontakt hergestellt worden ist, wird eine sorgfältig kontrollierte Kombination aus durch Widerstand erzeugter Wärme und physischem Druck durch die Elektroden angelegt, um die eigentliche Verbindung zu erzeugen.
Die erzeugte Wärmemenge ist von der angelegten Stromstärke, der aufgewendeten Zeitdauer und dem Widerstandsprofil zwischen den zu verbindenden Teilen abhängig.
Bei der besonderen Art des Buckelschweißens, die für die vorliegende Erfindung bevorzugt wird, wird ein extrem starker Schweißstromimpuls angelegt, der durch Entladung einer zur Speicherung von Energie verwendeten Kondensatorbatterie über einen Impulswandler erzeugt wird. Dieses System verwendet ein Speicherenergieverfahren zur sofortigen Entladung von Strom im Gegensatz zum herkömmlichen Widerstandsschweißen, das während des Schweißens konstant mit Strom gespeist wird. Dieses System, das eher einem Eimer mit darin gespeichertem Wasser als einem mit einer ständig zur Verfügung stehenden Quelle verbundenen Zapfhahn ähnelt, zieht Energie aus einer Stromleitung ab und speichert sie in seinen Kondensatoren. Dieser in Millisekunden entladene starke Stromimpuls verleiht dem Schweißverfahren die folgenden Eigenschaften und Vorzüge:

– An der Verbindungsstelle wird genau die zum Verschweißen erforderliche Energiemenge und nicht mehr eingeleitet.
– Die erzeugte Wärmekonzentration führt zu einer besseren Schweißstruktur und beeinflusst nur einen schmalen Bereich, wodurch sich höhere Festigkeitswerte ergeben.
– Die Erwärmung des Werkstücks ist so geringfügig, dass Wärmeleitung und Verformung unbedeutend sind.
– Hohe Zuverlässigkeit aufgrund von genauer Schweißnahtreproduzierbarkeit.

Der besondere Vorteil dieses Schweißens ist die kurze Taktzeit und kontrollierte Energieabführung des Prozesses. Dadurch wird Verformung vermieden, anschließende Kolbenbuchsenendbearbeitungsvorgänge werden überflüssig, und die Gesamtmikroverstärkungsstruktur der Verbindung wird zur Erzielung einer erhöhten Festigkeit auf ein Minimum reduziert.

Claims

Verfahren zur Herstellung geschlossener Hohlkolben für hydrostatische Einheiten mit folgenden Schritten: – Herstellen einer ersten ringförmigen Berührungsfläche (26) an einem offenen Ende (18) eines zylindrischen Kolbenkörpers (12); – Herstellen einer zweiten ringförmigen Berührungsfläche (32) an einer ringförmigen Fläche einer rohrförmigen Ölleitung (23) in der Mitte des Innenraums des Kolbenkörpers (12); – Herstellen einer Kappe (14) zum Schließen des offenen Endes (18) des Kolbenkörpers (12) und Herstellen eines Paars ringförmiger Flächen (28, 30) daran, die zum Kontaktieren der ersten ringförmigen Fläche (26) am Kolbenkörper (12) und der zweiten ringförmigen Fläche (32) der rohrförmigen Ölleitung (23) bestimmt sind und mit diesen zwei Paare ringförmiger Passflächen (26, 28 und 30, 32) bilden; – Herstellen mindestens einer ringförmigen Fläche (26, 32) in jedem Paar ringförmiger Passflächen (26, 28 und 30, 32) in Form eines V; – Anordnen der Kappe (14) über dem offenen Ende (18) des Kolbenkörpers (12) und dadurch Anordnen der ringförmigen Flächen (26, 28, 30, 32) in enger Passbeziehung zueinander; – Verschweißen der jeweils in Eingriff stehenden ringförmigen Flächen der Kappe (14) und des Kolbenkörpers (12), indem die Kappe (14) und der Kolbenkörper (12) einer hohen elektrischen Stromdichte ausgesetzt werden, um die jeweiligen in Eingriff stehenden ringförmigen Flächen (26, 28 und 30, 32) stoffschlüssig miteinander zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Paare ringförmiger Passflächen (26, 28 und 30, 32) jeweils aus einer flachen ringförmigen Fläche (28, 30) und einer V-förmigen ringförmigen Fläche (26, 32) bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem – der Kolbenkörper (12) und die Kappe (14) mittels Elektroden zusammengeschoben werden, um einen anfänglichen Berührungswiderstand zwischen den in Eingriff stehenden Flächen herzustellen; – auf die Elektroden in Längsrichtung physischer Druck ausgeübt wird, um die Berührungsflächen in enge innige Berührung miteinander zu bringen; – gleichzeitig die Elektroden mit einem starken Schweißstromimpuls beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Elektroden mit dem Schweißstromimpuls dadurch beaufschlagt werden, dass eine Batterie elektrisch erregter Kondensatoren über einen Impulswandler entladen wird, um augenblicklich zwischen den Elektroden einen in Millisekunden bemessenen, starken Stromimpuls durch die jeweiligen Berührungsflächen anzulegen, um die jeweiligen Berührungsflächen ausreichend zu erwärmen und zu schmelzen und sie so starr miteinander zu verschweißen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eines der Paare ringförmiger Passflächen (30, 32) im Inneren des Kolbenkörpers (12) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Paare ringförmiger Passflächen (26, 28 und 30, 32) radial gegeneinander versetzt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Paare ringförmiger Passflächen (26, 28 und 30, 32) in Längsrichtung des Kolbenkörpers (12) von einander beabstandet sind.