DE19653164A1 - Kolben für eine Axialkolbenmaschine und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Axialkolbenmaschine mit einem keramischen Funktionsteil und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Aus der DE 41 29 892 A1 ist bereits ein Kolben für eine Axialkolbenmaschine mit einem in eine Ringnut des Kolbens einsetzbaren Gleitring aus einem elastischen Kunststoffmaterial bekannt. Um einen Ausgleich der unterschiedlichen thermischen Längenausdehnungen des Gleitrings und der den Gleitring aufnehmenden Nut des metallischen Trägerteils des Kolbens zu gewährleisten, ist zwischen dem Gleitring und der Nut sowohl in radialer als auch in axialer Richtung ein Dehnungsspalt vorgesehen. Der Dehnungsspalt verhindert jedoch einen dichtenden Abschluß zwischen dem Gleitring und dem Trägerteil, so daß ein zusätzliches, aufwendiges Dichtelement notwendig ist, das aus einem O-Ring und einer von dem O-Ring gegen die Zylinderwandung angedrückte Gleitschicht besteht.

Aus der US 1,195,546 und der US 1,204,889 ist es bekannt, einen Kolben zweiteilig aus einem metallischen Trägerteil und einem das Trägerteil umgebenden, keramischen Gleitteil auszubilden. Infolge einer Biegebelastung bei der Bewegung des Kolbens in dem zugehörigen Zylinder der Axialkolbenmaschine oder infolge der Reibungswechselwirkung mit der Zylinderwandung kann der keramische Werkstoff des Gleitteils jedoch mit einer derart hohen Zugbelastung beaufschlagt werden, daß das Gleitteil beschädigt wird. Ferner besteht die Gefahr, daß sich das Gleitteil von dem Trägerteil infolge einer Temperaturerhöhung der Kolben während des Betriebs der Axialkolbenmaschine löst, da der keramische Werkstoff des Gleitteils einen wesentlich geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das metallische Trägerteil aufweist. Eine betriebsbedingte Temperaturerhöhung der Kolben kann darüberhinaus weitere, die Lebensdauer verkürzende Zugspannungen hervorrufen, da die Temperaturverteilung innerhalb des Gleitteils im allgemeinen nicht homogen ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben mit einem keramischen Funktionsteil, insbesondere einem keramischen Gleitteil, und einem nichtkeramischen Trägerteil zu schaffen, bei welchem Zugspannungen innerhalb des keramischen Funktionsteils während des Betriebs der Axialkolbenmaschine nicht auftreten oder zumindest erheblich reduziert sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kolbens anzugeben.

Die Erfindung wird bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich des Kolbens durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß schädliche Zugspannungen innerhalb des keramischen Funktionsteils dadurch kompensiert werden können, daß das keramische Funktionsteil von dem Trägerteil mit einer Druckvorspannung beaufschlagt wird. Die Druckvorspannung wird gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren dadurch erzeugt, daß das Trägerteil erwärmt wird und das keramische Funktionsteil an dem erwärmten Trägerteil angebracht wird, so daß sich die Druckvorspannung nach Abkühlen des Trägerteils aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägerteils und des keramischen Funktionsteils einstellt. Die während des Betriebs der Axialkolbenmaschine in dem keramischen Funktionsteil auftretenden Zugspannungen, z. B. aufgrund einer Biegebeanspruchung oder einer inhomogenen Temperaturverteilung sind durch die herstellungsbedingte Druckvorspannung kompensiert oder überkompensiert, so daß das keramische Funktionsteil effektiv mit einer Zugspannung nicht belastet wird. Dadurch ergibt sich eine vergleichbar längere Lebensdauer des keramischen Funktionsteils. Darüberhinaus wird auch bei einer betriebsbedingten Temperaturerhöhung des Kolbens verhindert, daß sich das keramische Funktionsteil aufgrund der gegenüber dem Trägerteil unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten löst, da eine Temperaturerhöhung des erfindungsgemäßen Kolbens lediglich eine Verringerung, nicht jedoch eine Beseitigung der Druckvorspannung des keramischen Funktionsteils bewirkt, so daß das keramische Funktionsteil an dem Trägerteil fortwährend formschlüssig eingespannt ist.

Die Ansprüche 2 bis 5 beinhalten eine vorteilhafte Weiterbildung des Herstellungsverfahrens.

Entsprechend Anspruch 2 kann der keramische Werkstoff des Funktionsteils auf das erwärmte Trägerteil aufgespritzt werden. Alternativ kann entsprechend Anspruch 3 das keramische Funktionsteil als Fertigteil in das erwärmte Trägerteil eingesetzt werden. Dazu kann entsprechend Anspruch 4 das Trägerteil ein Arretierelement aufweisen und das keramische Funktionsteil durch Anbringen des Arretierelementes mit dem erwärmten Trägerteil verklemmt werden. Wenn entsprechend Anspruch 5 die für das Herstellungsverfahren gewählte Temperatur größer als die beim Betrieb der Axialkolbenmaschine auftretende Erwärmung des Kolbens ist, so ist gewährleistet, daß in sämtlichen Betriebssituationen der Axialkolbenmaschine eine Druckvorspannung in dem keramischen Funktionsteil aufrechterhalten wird.

Die Ansprüche 7 bis 14 beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens.

Das keramische Funktionsteil hat entsprechend Anspruch 8 vorzugsweise die Funktion eines Gleitteils, an welchem Gleitflächen ausgebildet sind, an welchen der Kolben mit dem umgebenden Zylinder in gleitender Berührung steht.

Entsprechend Anspruch 9 kann das Funktionsteil das Trägerteil ringförmig umschließen. Nach Anspruch 10 kann die Grenzfläche zwischen dem Trägerteil und dem Funktionsteil eine z. B. wellenförmige, rechteckförmige oder sägezahnförmige Profilierung aufweisen, um eine kraft- und formschlüssige Verspannung zwischen dem keramischen Funktionsteil und dem Trägerteil an der Grenzfläche zu gewährleisten.

Entsprechend Anspruch 11 kann das Trägerteil eine das Funktionsteil aufnehmende ringförmige Ausnehmung aufweisen. Vorzugsweise können an der ringförmigen Ausnehmung entsprechend Anspruch 12 sich radial nach außen verengende Flankenbereiche vorgesehen sein, so daß eine schräg nach innen gerichtete Druckkrafteinleitung zur Erzeugung der Druckvorspannung gegeben ist. Entsprechend Anspruch 13 kann einer der sich radial nach außen verengenden Flankenbereiche an einem abnehmbaren Arretierelement ausgebildet sein. Das keramische Funktionsteil kann dann als Fertigteil axial bei abgenommenem Arretierelement in die ringförmige Ausnehmung eingeschoben werden. Wenn das Arretierelement über ein Gewinde mit dem übrigen Trägerteil verbunden ist, kann das in die Ausnehmung eingeschobene Funktionsteil durch Verdrehen des Arretierteils zwischen den Flankenbereichen verklemmt werden.

Entsprechend Anspruch 14 wird die Druckvorspannung des Funktionsbauteils vorzugsweise so gewählt, daß während des Betriebs der Axialkolbenmaschine an dem Funktionsteil des Kolbens z. B. infolge einer Biegebelastung, einer Reibungsbelastung und/oder einer Temperaturerhöhung hervorgerufene Zugspannungen kompensiert oder überkompensiert sind.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens;

Fig. 2 einen axialen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens; und

Fig. 3 einen axialen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemaßen Kolbens 1 in einem axialen Längsschnitt. Der erfindungsgemäße Kolben 1 besteht aus einem Funktionsteil 2, das im Ausführungsbeispiel die Funktion eines an der Innenwandung eines nicht dargestellten Zylinders einer Axialkolbenmaschine gleitenden Gleitteils hat. Die keramische Ausbildung des Gleitteils hat dabei den Vorteil einer geringeren Reibung und eines geringeren Verschleißes. Darüberhinaus wird das Gewicht des Kolbens und somit seine Massenträgheit verringert. Ferner ergibt sich eine reduzierte Wärmeausdehnung des Kolbens insbesondere an seinen Gleitflächen sowie eine erhöhte Druckfestigkeit.

Das Funktionsteil 2 ist an einem Trägerteil 3 kraft- und formschlüssig arretiert. Das Trägerteil 3 weist einen axialen Grundkörper 4 sowie einen an dem axialen Grundkörper 4 angeformten Kugelkopf 5 auf. Der Kugelkopf 5 ist Teil eines Kugelgelenkes, den der Kugelkopf 5 zusammen mit einer sphärischen Ausnehmung in einem nicht dargestellten Gleitschuh bildet, über welchen sich der Kolben 1 von einer Schräg- oder Taumelscheibe einer weiter nicht dargestellten Axialkolbenmaschine abstützt.

Der Kolben 1 weist eine konzentrisch zu der Längsachse 6 ausgebildete axiale Längsbohrung 7 auf, die über eine in dem Kugelkopf 5 ausgebildete Drosselstelle 8 und eine trompetenförmige Erweiterung 9 in einen entsprechenden, in dem nicht dargestellten Gleitschuh ausgebildeten Verbindungskanal ausmündet. Auf diese Weise wird eine hydraulische Entlastung und Schmierung der Gleitfläche des zugehörigen Gleitschuhs erreicht.

Bei dem Werkstoff des Trägerteils 3 handelt es sich vorzugsweise um ein Metall, das gegenüber dem keramischen Werkstoff des Funktionsteils 2 einen wesentlich größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Die Grenzfläche 10 zwischen dem keramischen Funktionsteil 2 und dem Trägerteil 3 weist im Ausführungsbeispiel eine wellenförmige Profilierung auf. In gleicher Weise ist es jedoch auch denkbar, daß die Grenzfläche 10 eine z. B. rechteckförmige oder sägezahnförmige oder in anderer Weise modellierte Profilierung aufweist.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem bereits anhand von Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, daß statt einer profilierten Grenzfläche 10 zur Arretierung des keramischen Funktionsteils 2 an dem Trägerteil 3 eine ringförmige Ausnehmung 20 mit im wesentlichen radialen Flanken 21 und 22 vorgesehen ist.

Den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß der das Funktionsteil 2 bildende keramische Werkstoff auf das auf eine vorgegebene Temperatur erwärmte bzw. erhitzte Trägerteil 3 aufgespritzt wird. Dabei kann das Trägerteil 3 z. B. um seine Längsachse 6 rotieren, um eine gleichmäßige Verteilung des keramischen Werkstoffs zu gewährleisten. Die erhöhte Temperatur des Trägerteils 3 wird so lange aufrechterhalten, bis der das Funktionsteil 2 bildende keramische Werkstoff ausgehärtet ist. Während der nachfolgenden Abkühlung des Kolbens 1 erfährt das Trägerteil 3 eine Schrumpfung, die durch dessen thermischen Ausdehnungskoeffizienten vorgegeben ist. Da der thermische Ausdehnungskoeffizient des vorzugsweise metallischen Werkstoffs des Trägerteils 3 erheblich größer ist als der relativ niedrige thermische Ausdehnungskoeffizient des das Funktionsteil 2 bildenden keramischen Werkstoffs, geht mit der Abkühlung des Kolbens 1 eine Druckvorspannung des in das Trägerteil 3 eingespannten Funktionsteils 2 einher. Die Druckkrafteinleitung in das Funktionsteil 2 erfolgt bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel über die Rippen 11 der profilierten Grenzfläche 10 und bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Flanken 21 und 22 der Ausnehmung 20.

Die herstellungsbedingte Druckvorspannung wird vorzugsweise so bemessen, daß während des Betriebs der Axialkolbenmaschine an dem Funktionsteil 2 des Kolbens 1 z. B. infolge einer Biegebelastung, einer Reibungsbelastung oder einer inhomogenen Temperaturerhöhung hervorgerufene Zugspannungen vollständig kompensiert oder überkompensiert sind. In sämtlichen Betriebszuständen der Axialkolbenmaschine wird daher das Auftreten von Zugspannungen in der keramischen Komponente des Kolbens 1 verhindert, so daß die Lebensdauer wesentlich erhöht wird. Ferner wird die Temperatur während des Herstellungsprozesses größer gewählt als die Betriebstemperatur des Kolbens 1, die sich während des Betriebs der Axialkolbenmaschine durch die reibungsbedingte Verlustwärme einstellt. Dadurch wird auch bei einer relativ hohen Drehzahl der Axialkolbenmaschine gewährleistet, daß das keramische Funktionsteil 2 des Kolbens 1 fortwährend unter einer Druckvorspannung steht und das keramische Funktionsteil 2 sich von dem Trägerteil 3 nicht lösen kann.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 1. Bereits beschriebene Elemente sind mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen, so daß sich eine diesbezügliche wiederholende Beschreibung erübrigt.

Im Vergleich zu dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die ringförmige Ausnehmung 20 zwei sich nach außen verengende Flankenbereiche 21 und 22 auf. Jedoch ist der das Funktionsteil 2 bildende keramische Werkstoff aufgrund der überstehenden Flankenbereiche 21 und 22 relativ schwierig aufspritzbar. Vorteilhafter ist es daher, das keramische Funktionsteil 2 als Fertigteil in die Ausnehmung 20 einzubringen. Dazu weist das Trägerteil 3 im Ausführungsbeispiel ein deckelartiges Arretierelement 23 auf, das von dem Hauptkörper 24 abnehmbar ist. Über ein Gewinde 25 ist das Arretierelement 23 mit dem Hauptkörper 24 des Trägerteils 3 verschraubbar. Bei der Montage wird zunächst das keramische Funktionsteil 2 axial in die Ausnehmung 20 eingeschoben, bis es an dem Flankenbereich 21 anliegt. Sodann wird die Ausnehmung 20 durch Aufschrauben des Arretierelementes 23 axial verschlossen, so daß das Funktionsteil 2 zwischen den abgeschrägten Flankenbereichen 21 und 22 eingespannt ist. Nach einer Erwärmung des Kolbens 1 auf eine vorgegebene Temperatur wird das Arretierungselement 23 nachgezogen, so daß sich während der nachfolgenden Abkühlung des Kolbens 1 die bereits vorstehend beschriebene Druckvorspannung in dem Funktionsteil 2 einstellt.

Allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß das Funktionsteil 2 gegenüber dem Trägerteil 3 bzw. dem Arretierelement 23 radial zumindest geringfügig übersteht, so daß der Kolben 1 lediglich an der Gleitfläche 26 des keramischen Funktionsteils 2, nicht jedoch an den metallischen Oberflächen des Trägerteils 3 mit der Innenwandung der nicht dargestellten Zylinder in Gleitberührung steht.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele begrenzt. So kann das Funktionsteil 2 anstatt oder zusätzlich zu der Gleitfunktion auch andere Funktionen, z. B. die Funktion einer Gewichtseinsparung, übernehmen. Zu dem Zweck der Gewichtsreduzierung ist das Funktionsteil 2 nicht notwendigerweise an der peripheren Außenfläche des Kolbens 1 angeordnet.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (1) für eine Axialkolbenmaschine mit zumindest einem Funktionsteil (2) aus einem keramischen Werkstoff und einem Trägerteil (3) aus einem Werkstoff, der gegenüber dem keramischen Werkstoff des Funktionsteils (2) einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei das Trägerteil (3) vorgefertigt und auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird und das keramische Funktionsteil (2) an dem Trägerteil (3) in dem erwärmten Zustand angebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff des Funktionsteils (2) auf das erwärmte Trägerteil (3) aufgespritzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Funktionsteil (2) als Fertigteil in das erwärmte Trägerteil (3) eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (3) ein Arretierelement (23) aufweist und das keramische Funktionsteil (2) durch Anbringen des Arretierelementes (23) an einem Hauptkörper (24) des Trägerteils (3) mit diesem verklemmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Temperatur, auf die das Trägerteil (3) zum Anbringen des keramischen Funktionsteils (2) erwärmt wird, größer als die beim Betrieb der Axialkolbenmaschine auftretende Betriebstemperatur des Kolbens (1) ist.

6. Kolben (1) für eine Axialkolbenmaschine mit zumindest einem Funktionsteil (2) aus einem keramischen Werkstoff, das an einem Trägerteil (3) arretiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Funktionsteil (2) an dem Trägerteil (3) so eingespannt ist, daß das Funktionsteil (2) mit einer Druckvorspannung beaufschlagt ist.

7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (3) aus einem Werkstoff, vorzugsweise einem Metall, besteht, der einen gegenüber dem keramischen Werkstoff des Funktionsteils (2) größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.

8. Kolben nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Funktionsteil (2) zumindest eine Gleitfläche (26) gebildet ist, an welcher der Kolben (1) mit einem umgebenden Zylinder in gleitender Berührung steht.

9. Kolben nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Funktionsteil (2) das Trägerteil (3) ringförmig umschließt.

10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche (10) zwischen dem Trägerteil (3) und dem Funktionsteil (2) eine insbesondere wellenförmige, rechteckförmige oder sägezahnförmige Profilierung aufweist.

11. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (3) eine das Funktionsteil (2) aufnehmende, ringförmige Ausnehmung (20) aufweist.

12. Kolben nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Ausnehmung (20) sich radial nach außen verengende Flankenbereiche (21, 22) aufweist.

13. Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Flankenbereiche (22) an einem lösbaren Arretierelement (23) ausgebildet ist, und daß das Arretierelement (23) mit einem Hauptkörper (24) des Trägerteils (3) mittels eines Gewindes (25) verbunden ist, so daß das Funktionsteil (2) zwischen den Flankenbereichen (21, -22) der Ausnehmung (20) durch Verdrehen des Arretierteils (23) verklemmbar ist.

14. Kolben nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckvorspannung des Funktionsteils (2) so bemessen ist, daß während des Betriebs der Axialkolbenmaschine an dem Funktionsteil (2) des Kolbens insbesondere durch eine Biegebelastung, eine Reibungsbelastung und/oder eine Temperaturerhöhung hervorgerufene Zugspannungen kompensiert oder überkompensiert sind.