DE19605369A1

DE19605369A1 - Kolbenmaschine mit Kunststoffkolben

Info

Publication number: DE19605369A1
Application number: DE1996105369
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Becker; Berthold Dipl Ing Braun
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1996-02-14
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 1997-08-21

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Kolben von Kolbenmaschinen, insbesondere von Pumpen, die korrosive Medien fördern, werden oftmals aus nichtrostendem Stahl gefertigt. Eine der artige Kolbenmaschine ist beispielsweise in der EP-A 0 242 550 offenbart. Bei dieser Kolbenmaschine handelt es sich um eine Schrägscheiben-Axialkolben pumpe eines Hochdruckreinigungsgeräts. Bei diesem Hochdruckreinigungsgerät wird Wasser gepumpt. Aus diesem Grund werden die Kolben in der Regel aus nichtrostendem Stahl hergestellt. Nachteilig hieran ist, daß nicht nichtrostender Stahl vergleichsweise kostenintensiv ist. Zwar sind mit Keramik ummantelte Kolben für Hochdruckreinigungsgeräte aus der DE-A 41 08 105 bekannt. Derartige Hochdruckreinigungsgeräte sind jedoch sehr aufwendig in ihrer Herstellung, da besondere Mittel zwischen dem aus Stahl gebildeten Kolben kern und dem Keramikmantel vorzusehen sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für eine Kolbenmaschi ne derart weiterzuentwickeln, daß dieser vergleichsweise kostengünstig herzu stellen ist. Erfindungsgemäß wird daher ein Kolben vorgeschlagen, der eine im Spritzverfahren aus Kunststoff hergestellte Mantelfläche aufweist. Die zylin drische Mantelfläche ist für den Gleitkontakt mit einer Kolbenführung geeignet, wobei der Anteil an nichtrostendem Stahl deutlich reduziert werden kann, wenn er durch den Kunststoff ersetzt wird. Das Spritzgießen bietet zudem eine preis werte Herstellungsmethode, insbesondere dann, wenn Kolben in größeren Stückzahlen gefertigt werden. Außerdem ist der Kunststoff weitgehend korro sionsbeständig gegen Wasser. Für den Fall, daß der Kolben hohen axialen Belastungen ausgesetzt ist, wird vorgeschlagen, einen metallenen Kolbenkern vorzusehen, der zwischen den Kolbenenden eine radiale Verjüngung aufweist, die den größeren Teil der gesamten Kolbenlänge beträgt, wobei ein aus dem Kunststoff hergestellter Kolbenmantel an die Verjüngung angespritzt ist. Sofern die axialen Belastungen des Kolbens es zulassen, kann der Kolben durch einen aus Kunststoff gebildeten Zylinder und einen aus Eisenwerkstoff gebildeten Kolbenboden gebildet sein, wobei der im Spritzverfahren hergestellte Kunststoff zylinder an den Kolbenboden angespritzt ist. Der aus Kunststoff gebildete Zylinder beansprucht den größten Teil des Volumens des Kolbens. Da Kunststoff eine deutliche geringere Dichte als Stahl aufweist, ist das Gesamtgewicht des Kolbens deutlich reduziert, so daß insbesondere die Beschleunigungskräfte in den Umkehrpunkten des Kolbens reduziert sind. Auf diese Weise können auch Anschlußbauteile leichter ausgeführt werden, da die auf sie einwirkenden Kräfte reduziert sind. Weiterhin ist der Kolben im bekannten Spritzgießverfahren auf einfache Art und Weise herzustellen. Der aus Eisenwerkstoff, vorzugsweise in einem Wärmebehandlungsverfahren gehärtete Kolbenboden wird mit in die Spritzform eingelegt, wobei der Kolbenboden während des Spritzvorgangs umspritzt wird. Auf diese einfache Art und Weise ist der Kolbenboden innig mit dem Zylinder verbunden. Dadurch, daß der dem korrosiven Medium zugewand te Teil des Kolbens vollständig aus korrosionsbeständigem Kunststoff gebildet ist, kann in diesem Bereich vollständig auf den vergleichsweise kostenintensiven nichtrostenden Stahl verzichtet werden.

Wenn der Kolbenboden durch eine tiefgezogene, in einem Wärmebehandlungs verfahren gehärtete tassenförmige Kappe gebildet ist, die mit einem nach innen gewinkelten Bord versehen ist, ist der Innenraum der Tasse mit dem Kunststoff ausgespritzt. Dadurch, daß der Bord umspritzt wird, ist eine sichere formschlüs sige Verbindung zwischen der Kappe und dem Kunststoffzylinder hergestellt.

Der Kolbenboden kann aber auch durch eine Kugel gebildet sein, wobei mehr als die Hälfte des Kugelumfangs von dem Kunststoff umspritzt ist. Das bedeutet, daß als Kolbenboden handelsübliche Kugeln eingesetzt werden können, wie sie beispielsweise in Kugellagern Anwendung finden. Derartig ausgeführte Kolben sind sehr preiswert herzustellen. Anstelle der Kugel kann aber auch ein Stahl zylinder vorgesehen sein, wie er beispielsweise in Nadellagern Anwendung findet. Die Stirnseite des Stahlzylinders weist üblicherweise eine konvexe außen liegende Stirnfläche auf, wobei die axiale Erstreckung des Stahlzylinders einen Bruchteil der Länge des Kunststoffzylinders beträgt. Für diese Kolbenausführun gen gilt ebenso, daß sie in der Herstellung sehr kostengünstig sind.

Das Kolbengewicht kann weiter reduziert werden, wenn der aus Kunststoffzylin der als Hohlzylinder ausgebildet ist. Selbstverständlich erfolgt die Auswahl des geeigneten Kunststoffs unter Berücksichtigung der mechanischen und chemi schen Gegebenheiten, die bei der Kolbenmaschine vorliegen.

Es bietet sich an, die Erfindung auch bei Axialkolbenpumpen einzusetzen, wie sie auch in Hochdruckreinigern vorgesehen sind. Da solche Geräte von einem Ort zum anderen bewegt werden, ist es zweckmäßig, daß diese Hochdruck reiniger ein möglichst geringes Gewicht aufweisen. Bei einer derartigen Axial kolbenpumpe ist die Gewichtsreduzierung einerseits durch den erfindungs gemäßen Kolben und andererseits durch eine aus Blech im Tiefziehverfahren hergestellte Taumelscheibe gewährleistet, wobei der Kolbenboden an einer Anlaufscheibe der Taumelscheibe anliegt. Bei derartigen Axialkolbenpumpen ist der Kolben oftmals gegen die Taumelscheibe angedrückt. Dies kann erfindungs gemäß beispielsweise dadurch geschehen, daß der Kunststoffzylinder axial benachbart zu dem Kolbenboden einen radialen Vorsprung aufweist, an dem eine um den Zylinder gewundene, axial vorgespannte Schraubendruckfeder einerseits und andererseits an einem Gehäuse axial abgestützt ist.

Der radiale Vorsprung kann beispielsweise durch einen Federteller gebildet sein, der in eine umlaufende Umfangsnut des Zylinders eingreift. Es ist aber auch möglich, daß der radiale Vorsprung als Radialflansch an den Kunststoff zylinder einstückig angeformt ist. Das bedeutet, daß in einem einzigen Arbeits vorgang der Kunststoffzylinder und der Radialflansch gebildet sind, wobei der Kolbenboden fest mit dem Zylinder verbunden ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachstehend wird die Erfindung anhand von acht in insgesamt sieben Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben mit angespritztem Kolbenmantel,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Kolben, ähnlich wie in Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Kolben, der weitestgehend aus Kunststoff gebildet ist,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Kolben, ähnlich wie in Fig. 3, jedoch als Vollzylinder,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Kolben mit einer den Kolbenboden bildenden Kugel,

Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Kolben mit einer den Kolbenboden bildenden Nadel,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen weiteren erfindungsgemäßen Kolben mit angespritztem Radialflansch und

Fig. 8 einen Längsschnitt durch ein teilweise dargestelltes Hoch druckreinigungsgerät mit erfindungsgemäßem Kolben.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Kolben, der einen aus Stahl gebildeten Kolbenkern 1 aufweist, wobei zwischen den Kolbenenden an dem Kolbenkern 1 eine radiale Verjüngung 2 ausgebildet ist, die den größeren Teil der gesamten Kolbenlänge beträgt, wobei ein aus Kunststoff hergestellter Kolbenmantel 3 an die Verjüngung 2 angespritzt ist. Der Außendurchmesser des Kolbenmantels 3 ist nicht oder nur geringfügig größer als der Außendurch messer der Kolbenenden, die der Verjüngung 2 axial benachbart sind. Der Kolben weist einen Kolbenboden 4 auf, an dem weiter unten näher beschrie bene mechanische Mittel zum An- oder auch zum Abtrieb angreifen. An dem Kolben ist eine dem Kolbenboden 4 axial benachbarte Umfangsnut 5 vorgese hen.

Der in der Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Kolben unterscheidet sich von dem aus der Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß die Umfangsnut 5 durch die Stirnseite 6 des Kolbenmantels 3 begrenzt ist.

Der in der Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Kolben besteht im wesentli chen aus einem Kunststoffzylinder 7, der in diesem Fall als Hohlzylinder ausge bildet ist. Der Kolbenboden ist hier durch eine tiefgezogene, in einem Wärme behandlungsverfahren gehärtete tassenförmige Kappe 8 gebildet, die einen nach innen gewinkelten Bord 9 aufweist. Die Kappe 8 ist innen mit dem Kunststoff ausgespritzt, so daß eine formschlüssige Verbindung zwischen der Kappe 8 und dem Kunststoffzylinder 7 gebildet ist. An seinem dem Kolbenboden 8 gegen überliegenden axialen Ende weist der Kolben stirnseitig einen Deckel 10 auf, der den als Hohlzylinder ausgeführten Kunststoffzylinder 7 verschließt.

Der in der Fig. 4 dargestellte erfindungsgemäße Kolben unterscheidet sich von dem aus der Fig. 3 im wesentlichen dadurch, daß der Kunststoffzylinder 7 massiv ist, so daß auch der Deckel 10 entfällt.

Der in der Fig. 5 dargestellte erfindungsgemäße Kolben unterscheidet sich von dem aus der Fig. 3 im wesentlichen durch die unterschiedliche Ausbildung des Kolbenbodens, der hier durch eine Kugel 11 gebildet ist, die über mehr als die Hälfte ihres Umfangs von dem Kunststoff umspritzt ist. Ebenso wie in weiter oben beschriebenen Ausführungsbeispielen weist dieser Kolben eine Umfangs nut 12 auf.

Der in der Fig. 6 dargestellte erfindungsgemäße Kolben unterscheidet sich von dem aus der Fig. 4 im wesentlichen durch eine unterschiedliche Ausbildung des Kolbenbodens, der hier durch einen Stahlzylinder 13 mit außenliegender balliger Stirnfläche 14 gebildet ist. Auch dieser Kolben ist mit einer Umfangsnut 14 versehen.

Das in der Fig. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem aus der Fig. 3 im wesentlichen dadurch, daß axial benachbart zur Kappe 8 ein Radialflansch 15 vorgesehen ist, der einstückig mit dem Kunststoffzylinder 7 gebildet ist. Weiterhin ist in dieser Figur eine um den Kunststoffzylinder 7 gewundene Schraubendruckfeder 16 abgebildet, die einerseits an dem Radial flansch 15 und die andererseits an einem nicht dargestellten Bauteil abgestützt ist.

Fig. 8 zeigt im Längsschnitt einen Teil eines Hochdruckreinigungsgerätes. Ein Elektromotor 17 weist eine Antriebswelle 18 auf, die stirnseitig mit einer Tau melscheibe 19 versehen ist. Die Taumelscheibe ist aus Blech im Tiefziehver fahren hergestellt, wobei zwischen der Taumelscheibe 19 und dem Kolbenbo den 4 eine Anlaufscheibe 20 vorgesehen ist. Der in dieser Figur dargestellte Kolben entspricht dem aus der Fig. 1, wobei in die Umfangsnut 5 des Kolbens ein Federteller 21 eingreift. Die aus der Fig. 7 bekannte Schraubendruckfeder 16 ist einerseits an dem Federteller 21 und andererseits an einem Gehäuse 22 axial abgestützt, so daß der Kolben gegen die Anlaufscheibe 20 angedrückt ist.

An diesem Ausführungsbeispiel sind die Vorteile des erfindungsgemäßen Kol bens besonders deutlich zu erkennen. Auf der Seite des mechanischen Antriebs erfolgt ist der Kolben beispielsweise aus gehärtetem Stahl gebildet. Die Mantel fläche 3 des Kolbens, die unter Umständen einem korrosiven Medium ausge setzt ist, ist aus Kunststoff gebildet, der erheblich weniger anfällig für Korrosion ist. Selbstverständlich sind alle oben beschriebenen erfindungsgemäßen Kolben auch bei der hier beschriebenen Axialkolbenpumpe denkbar. Jene Kolbenaus führungen, bei denen der Kolben im wesentlichen aus dem Kunststoffzylinder gebildet ist, sind vorzugsweise dann einzusetzen, wenn die zu erwartenden Druckkräfte auf den Kolben die zulässigen Belastungswerte des Kunststoffs nicht überschreiten. Wegen der spanlos hergestellten Taumelscheibe 19 und des unter Umständen vorwiegend aus einem Kunststoffzylinder gebildeten Kolbens ist eine Axialkolbenpumpe bzw. ein Hochdruckreinigungsgerät von deutlich reduziertem Gewicht geschaffen.

Bezugszeichenliste

1 Kolbenkern
2 Verjüngung
3 Kolbenmantel
4 Kolbenboden
5 Umfangsnut
6 Stirnseite
7 Kunststoffzylinder
8 Kappe
9 Bord
10 Deckel
11 Kugel
12 Umfangsnut
13 Stahlzylinder
14 Umfangsnut
15 Radialflansch
16 Schraubendruckfeder
17 Elektromotor
18 Antriebswelle
19 Taumelscheibe
20 Anlaufscheibe
21 Federteller
22 Gehäuse

Claims

1. Kolben einer Kolbenmaschine, der eine im Spritzverfahren aus Kunststoff hergestellte Mantelfläche aufweist.

2. Kolben nach Anspruch 1, bei dem ein aus metallenem Werkstoff gebildeter Kolbenkern (1) zwischen den Kolbenenden eine radiale Verjüngung (2) auf weist, die den größeren Teil der gesamten Kolbenlänge beträgt, wobei ein aus dem Kunststoff hergestellter Kolbenmantel (3) an die Verjüngung (2) angespritzt ist.

3. Kolben nach Anspruch 1, der einen mit der Mantelfläche versehenen Kunst stoffzylinder (7) und einen aus Eisenwerkstoff gebildeten Kolbenboden (8, 11, 14) für den An- oder Abtrieb durch mechanische Mittel (19, 20) aufweist, wobei an den Kolbenboden (8, 11, 14) der Kunststoffzylinder (7) angespritzt ist.

4. Kolben nach Anspruch 3, bei dem der Kolbenboden (8) durch eine tiefgezo gene, in einem Wärmebehandlungsverfahren gehärtete tassenförmige Kappe (8) mit einem nach innen gewinkelten Bord (9) gebildet ist, wobei der Innenraum der Kappe (8) mit dem Kunststoff ausgespritzt ist.

5. Kolben nach Anspruch 3, bei dem der Kolbenboden (8) durch eine Kugel (11) gebildet ist, wobei die Kugel (11) über mehr als die Hälfte ihres Umfangs von dem Kunststoff umspritzt ist.

6. Kolben nach Anspruch 3, bei dem der Kolbenboden durch einen koaxial zu dem Kunststoffzylinder (7) angeordneten Stahlzylinder (13) mit konvexer außen liegender Stirnfläche (14) gebildet ist, wobei die axiale Erstreckung des Stahl zylinders (13) einen Bruchteil der Länge des Kunststoffzylinders (7) beträgt.

7. Kolben nach Anspruch 3, bei dem der Kunststoffzylinder (7) als Hohlzylinder ausgebildet ist.

8. Kolben nach Anspruch 1, der in einer Axialkolbenpumpe vorzugsweise eines Hochdruckreinigers eingesetzt ist, deren aus Blech im Tiefziehverfahren herge stellte Taumelscheibe (19) eine Anlaufscheibe (20) für den Kolben aufweist.

9. Kolben nach Anspruch 1, der axial benachbart zu dem Kolbenboden (4, 8) einen radialen Vorsprung (15, 21) aufweist, an dem eine um den Kolben ge wundene Schraubendruckfeder (16) axial abgestützt ist.

10. Kolben nach Anspruch 9, bei dem der radiale Vorsprung durch einen Federteller (21) gebildet ist, der in einer umlaufenden Umfangsnut (5, 14) des Kolbens eingreift.

11. Kolben nach Anspruch 9, bei dem der Vorsprung durch einen Radialflansch (15) gebildet ist, der einstückig mit dem Kunststoffzylinder (7) gebildet ist.