DE19934217A1 - Piston arrangement for a piston engine - Google Patents
Piston arrangement for a piston engineInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a piston assembly according to the Preamble of claim 1.
Eine Kolbenanordnung ist in der DE 197 34 217 A1 beschrieben. Diese bekannte Kolbenanordnung weist einen Kolben mit einem Basisabschnitt auf, von dem sich in der einen Axialrichtung ein Gelenkteil erstreckt und in der anderen Axialrichtung eine hohlzylindrische Umfangswand bis zum vorderen freien Ende des Hohlkolbens erstreckt, die einen zylindrischen Hohlraum im Kolben umschließt. Das sich in die andere Axialrichtung erstreckende Gelenkteil ist durch eine halbkugelförmige Gelenkausnehmung gebildet, in der die Gelenkkugel eines Gleitschuhs schwenkbar gelagert ist, wobei ein den Äquator der Gelenkausnehmung überragender Ausnehmungsrand in eine die Gelenkkugel formschlüssig hintergreifende Position gebördelt ist. Bei dieser bekannten Kolbenanordnung wird der mit einem Querschnittsübermaß vorgefertigte Kolben nach seiner Verbindung mit dem Gleitschuh durch kaltes Bördeln eines von der Mantelfläche des Kolbens radial abstehenden Ausnehmungsrandes formschlüssig mit der Gelenkkugel des Gleitschuhs verbunden. Dann wird der Kolben an seiner Mantelfläche gehärtet, wonach eine Endbearbeitung der Mantelfläche, insbesondere durch Schleifen, erfolgt. Bei diesem bekannten Verfahren bedarf es eines beträchtlichen Arbeitsaufwandes, wobei der spanabhebende Arbeitsgang der letzte Arbeitsgang ist. Außerdem ist mit einer beträchtlichen Aufweitung der Bördelung zu rechnen, was darauf zurückzuführen ist, daß aufgrund der beim kalten Verformen auftretenden beträchtlichen Spannungen die Bördelung zurückfedert und deshalb die Bördelung die Gelenkkugel nur mit einem verhältnismäßig großen Bewegungsspiel hintergreift.A piston arrangement is in DE 197 34 217 A1 described. This known piston arrangement has one Piston with a base portion, of which is in the an axial direction extends a joint part and in the other axial direction up to a hollow cylindrical peripheral wall extends to the front free end of the hollow piston, the encloses a cylindrical cavity in the piston. That I is in the other axial direction extending joint part formed by a hemispherical joint recess, in which pivotally supports the joint ball of a slide shoe is, with a protruding beyond the equator of the joint recess Recess edge in a form-fitting the joint ball behind position is flanged. In this known Piston arrangement is the one with a cross-sectional oversize prefabricated pistons after its connection with the Sliding shoe by cold flanging one of the outer surface of the piston radially protruding recess edge positively connected to the joint ball of the slide shoe. Then the piston is hardened on its outer surface, after which a finishing of the lateral surface, in particular by Grinding. This known method requires a considerable amount of work, the machining operation is the last operation. It also has a significant widening Flare, which is due to the fact that due to those occurring during cold forming considerable flare springs back and therefore flaring the joint ball with only one engages relatively large game play.
Bei dieser bekannten Kolbenanordnung kann die eine Führungsfläche bildende Mantelfläche des Kolbens sich bis in den Bereich des Ausnehmungsrandes erstrecken, wodurch zum einen eine verbesserte Führung für den Kolben erreicht wird und zum anderen sich eine kürzere Bauweise für die Kolbenanordnung und daraus resultierend auch für die Kolbenmaschine erreichen läßt.In this known piston arrangement, one The lateral surface of the piston forming the guide surface extends up to extend the area of the recess edge, whereby to an improved guidance for the piston is achieved and on the other hand a shorter design for the Piston arrangement and, as a result, also for the Piston engine can be reached.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenanordnung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß die Länge der Gleitfläche erhöht wird und ein mitkomprimiertes Totvolumen vermieden wird.The invention has for its object a Piston arrangement of the type specified above to design that the length of the sliding surface is increased and a compressed dead volume is avoided.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the features of claim 1 solved.
Durch die Anordnung der Gelenkkugel am Gleitschuh anstatt am Kolben wird eine längere Gleitfläche geschaffen. Durch den Abschluß des Hohlraums wird ein bei einem zum Arbeitsvolumen hin offenen Kolben vorhandenes mitkomprimiertes Totvolumen vermieden.By arranging the joint ball on the shoe instead of on Piston creates a longer sliding surface. By the Completion of the cavity becomes a work volume at one open compressed piston available dead volume avoided.
Bei der erfindungsgemäßen Kolbenanordnung nach Anspruch 1 weist der Hohlkolben einen Ringhohlraum auf, der innen durch einen Mittelzapfen begrenzt ist, der sich vom Basisabschnitt des Hohlkolbens bis zu einem Deckel erstreckt, der mit der Umfangswand des Kolbens verbunden ist und dabei den Ringhohlraum schließt. Bei dieser Ausgestaltung bildet der Mittelzapfen ein axiales Stütz- und Stabilisierungselement, das sich axial am Deckel abzustützen vermag und dadurch den Basisabschnitt wesentlich stabilisiert. Infolgedessen kann der Basisabschnitt mit einer geringeren axialen Länge ausgebildet werden. Zusätzlich zu dieser Verkürzung und Stabilisierung läßt sich auch noch Material und Gewicht einsparen, was durch die verringerte Längsabmessung des Hohlkolbens bedingt ist.In the piston arrangement according to the invention according to claim 1 the hollow piston has an annular cavity which passes through the inside a center pin is defined which extends from the base portion of the hollow piston extends to a cover which with the Peripheral wall of the piston is connected and the Ring cavity closes. In this embodiment, the Central pin an axial support and stabilizing element, which is able to support itself axially on the cover and thereby the Base section significantly stabilized. As a result the base section with a smaller axial length be formed. In addition to this shortening and Material and weight can also be stabilized save what is due to the reduced longitudinal dimension of the Hollow piston is caused.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous developments of the invention are in the Subclaims described.
Nachfolgend werden die Erfindung und weitere durch sie erzielbare Vorteile anhand von bevorzugten Ausgestaltungen und Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: In the following the invention and others by it achievable advantages based on preferred configurations and drawings explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kolbenanordnung im axialen Schnitt; Figure 1 shows a piston assembly according to the invention in axial section.
Fig. 2 die Kolbenanordnung nach Fig. 1 in abgewandelter Ausgestaltung; FIG. 2 shows the piston arrangement according to FIG. 1 in a modified configuration;
Fig. 3 die Kolbenanordnung in weiter abgewandelter Ausgestaltung; Fig. 3 the piston assembly in a further modified embodiment;
Fig. 4 die Kolbenanordnung in weiter abgewandelter Ausgestaltung; Fig. 4, the piston assembly in a further modified embodiment;
Fig. 5 die Kolbenanordnung in weiter abgewandelter Ausgestaltung. Fig. 5 shows the piston arrangement in a further modified embodiment.
Die allgemein mit 1 bezeichnete Kolbenanordnung umfaßt einen Hohlkolben 2, vorzugsweise aus Stahl, und einen Gleitschuh 3, vorzugsweise aus Bronze oder Messing, die durch eine Kugelgelenkverbindung 1A bei Gewährleistung einseitiger begrenzter Schwenkbewegungen zwischen dem Hohlkolben 2 und dem Gleitschuh 3 schwenkbar miteinander verbunden sind. Die Mittelachsen des Kolbens 2 und des Gleitschuhs 3 sind mit 2a und 3a bezeichnet.The generally indicated at 1 piston assembly comprises a hollow piston 2, preferably of steel, and a shoe 3, preferably of bronze or brass, the one side by a ball joint 1 A while ensuring limited pivoting movement between the piston 2 and the slider shoe 3 are pivotally connected together. The central axes of the piston 2 and the sliding block 3 are designated 2 a and 3 a.
Die Gelenkverbindung 1A weist eine kalottenförmige bzw. kugelabschnittförmige Gelenkausnehmung 5 mit einer Tiefe a auf, die größer ist als der Kugelradius r einer darin schwenkbar gelagerten Gelenkkugel 4, wobei ein den Äquator 6 der Gelenkausnehmung 5 axial überragender Ausnehmungsrand 7 die Gelenkkugel 4 hintergreift und dabei der in dieser Kugelringzone konvergenten Form der Gelenkkugel 4 bei Aufrechterhaltung eines Bewegungsspiels wenigstens teilweise folgen kann. Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, ist die axiale Länge b des Ausnehmungsrandes 7 so lang bemessen, daß sie in der in Fig. 1 dargestellten maximalen Schwenkstellung sich bis in den Eckenbereich zwischen der Gelenkkugel 4 und einem Kugelhals oder einem Basisteil 8 des Gleitschuhs 3 erstreckt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel verjüngt sich der Ausnehmungsrand 7 zu seinem freien Ende hin, wobei die Außenmantelfläche vorzugsweise eine Kegelfläche sein kann.The articulated connection 1 A has a dome-shaped or spherical segment-shaped joint recess 5 with a depth a that is greater than the ball radius r of a joint ball 4 pivotally mounted therein, a recess edge 7 axially projecting beyond the equator 6 of the joint recess 5 engaging behind the joint ball 4 and thereby the convergent shape of the joint ball 4 in this spherical ring zone can at least partially follow while maintaining a play of movement. As can be seen from Fig. 1, the axial length b of the recess edge 7 is dimensioned so long that in the maximum swivel position shown in Fig. 1 it extends into the corner region between the joint ball 4 and a ball neck or a base part 8 of the sliding block 3 extends. In the present exemplary embodiment, the recess edge 7 tapers towards its free end, the outer lateral surface preferably being a conical surface.
Der als Ringraum ausgebildeter Hohlraum 9 erstreckt sich von einem hinteren Basisabschnitt 11, in dem die Gelenkausnehmung 5 angeordnet ist, bis zu einem stirnseitigen Endabschnitt, der durch einen Deckel 12 gebildet ist und vorzugsweise durch ein Reibschweißverfahren mit der Umfangswand des übrigen Kolbenteils verbunden ist. Die vor dem Reibschweißverfahren vorhandene Fuge zwischen den verschweißten Teilen ist durch eine gestrichelte Linie verdeutlicht. Der ringförmige Hohlraum 9 umgibt einen zylindrischen Mittelzapfen 13, der sich einteilig vom Basisabschnitt 11 nach vorne erstreckt und ebenfalls durch Reibschweißen mit dem Deckel 12 bzw. einem von diesem zurückstehenden Mittelzapfenansatz 14 verbunden ist. Dies gilt auch für die im Bereich des Hohlraums 9 hohlzylindrische Umfangswand 15 des Kolbens 2, die sich ebenfalls einteilig vom Basisabschnitt 11 nach vorne erstreckt und durch Reibschweißen mit dem Deckel 12 oder einem darum angeordneten Umfangswandansatz 16 verbunden ist. Innenseitig von der allgemein mit 17 bezeichneten Schweißstelle ist der Mittelzapfen 13 durch eine Ringscheibe 18 radial an der Umfangswand 15 abgestützt, wobei die Ringscheibe 18 an einer vorzugsweise an der Umfangswand 15 vorhandenen Innenschulterfläche 13a anliegt.The cavity 9 , which is designed as an annular space, extends from a rear base section 11 , in which the joint recess 5 is arranged, to an end section, which is formed by a cover 12 and is preferably connected to the circumferential wall of the remaining piston part by a friction welding process. The gap between the welded parts before the friction welding process is illustrated by a dashed line. The annular cavity 9 surrounds a cylindrical center pin 13 , which extends in one piece from the base section 11 to the front and is also connected by friction welding to the cover 12 or to a center pin extension 14 projecting therefrom. This also applies to the hollow cylindrical peripheral wall 15 of the piston 2 in the region of the cavity 9 , which also extends forwards in one piece from the base section 11 and is connected by friction welding to the cover 12 or a peripheral wall attachment 16 arranged around it. On the inside of the indicated generally at 17 weld the center pin 13 is supported by an annular disc 18 radially to the peripheral wall 15, wherein the annular disk abuts a preferably provided on the peripheral wall 15 inside shoulder surface 13 a 18th
Durch die geschlossene Bauweise des Hohlkolbens 2 werden eine Querschnittsvergrößerung des Hohlkolbens bei hohem Druck und Kompressionsverluste aufgrund des verhältnismäßig großen Volumens der Kolbenkammern vermieden.Due to the closed design of the hollow piston 2 , an increase in cross section of the hollow piston at high pressure and compression losses due to the relatively large volume of the piston chambers are avoided.
Längs durch den Hohlkolben 2 und den Gleitschuh 3 erstreckt sich jeweils ein Kanal 19a, 19b, der in eine an der ebenen Fußfläche 21 des Gleitschuhs 3 angeordnete flache Ausnehmung 22 mündet. Durch die Kanäle 19a, 19b kann sich im Funktionsbetrieb der hydrostatischen Maschine der Arbeitsdruck im hydraulischen Medium bis zur Ausnehmung 22 fortpflanzen, wo das hydraulische Medium eine Schmierung und der Druck eine Druckentlastung in an sich bekannter Weise bewirkt.Longitudinally through the hollow piston 2 and the shoe 3 extends a respective channel 19 a, 19 b, which are arranged in a plane on the base surface 21 of the shoe 3 shallow recess 22 opens. Through the channels 19 a, 19 b, the working pressure in the hydraulic medium can propagate to the recess 22 in the functional operation of the hydrostatic machine, where the hydraulic medium causes lubrication and the pressure releases pressure in a manner known per se.
Der Hohlkolben 2 besteht vorzugsweise aus härtbarem Stahl, insbesondere aus durch Nitrierhärten härtbarem Stahl. Zwecks Vergrößerung der Festigkeit und Härte ist seine Mantelfläche vorzugsweise nitriert und gehärtet.The hollow piston 2 preferably consists of hardenable steel, in particular of steel hardenable by nitriding. In order to increase the strength and hardness, its outer surface is preferably nitrided and hardened.
Die vorliegende Kugelgelenkverbindung 1A eignet sich zur schwenkbaren Abstützung eines Kolbens 2 für Kolbenmaschinen, insbesondere Axialkolbenmaschinen, an einer Stützfläche S. an der der Gleitschuh 3 mit seiner Fußfläche 21 anliegt. Bei einer Axialkolbenmaschine kann es sich bei der Stützfläche S um die schiefe Fläche einer sogenannten Schrägschreibe handeln.The present ball-and-socket joint 1 A is suitable for the pivotable support of a piston 2 for piston machines, in particular axial piston machines, on a support surface S. on which the slide shoe 3 rests with its foot surface 21 . In the case of an axial piston machine, the support surface S can be the oblique surface of a so-called oblique writing.
Nachfolgend werden die Verfahrensschritte eines bevorzugten Herstellungsverfahrens der den Hohlkolben 2 und den damit unlösbar verbundenen Gleitschuh 3 umfassenden Kolbenanordnung 1 beschrieben.Subsequently, the process steps of a preferred manufacturing method of the hollow piston 2 and thus undetachably connected slipper 3 comprehensive piston assembly 1 will be described.
Der Gleitschuh 3 kann als endgültig fertiggestelltes Bauteil in einer großen Stückzahl hergestellt und zur Verbindung mit dem Hohlkolben 2 bereitgestellt werden.The slide shoe 3 can be manufactured as a finally finished component in large numbers and provided for connection to the hollow piston 2 .
Der Hohlkolben 2 wird als vorgefertigter Kolbenrohling vorzugsweise ebenfalls in großer Stückzahl vorgefertigt und bereitgestellt. In dieser Vorfertigungsform erstreckt sich der Ausnehmungsrand 7 axial mit einem Innendurchmesser d, der unter Berücksichtigung eines Bewegungsspiels an den Durchmesser der Gelenkkugel 4 oder der Gelenkausnehmung 5 angepaßt sein kann, so daß die Gelenkkugel 4 in die Gelenkausnehmung 5 einführbar ist. Dabei werden der stirnseitige Deckel 12 und der übrige Kolbenteil 2b mit einem Querschnittübermaß x hergestellt, das nach dem Schweißen gegebenenfalls nach vorheriger Nitrierung gehärtet und spanabhebend endbearbeitet wird, z. B. durch Schleifen. Dabei kann die Reihenfolge der Verfahrensschritte vor oder nach dem Schweißen, nämlich das Einarbeiten des Hohlraums 9 der Gelenkausnehmung 5 und des Kanals 19a beliebig sein. Es ist vorteilhaft die formschlüssige Verbindung der Gelenkkugel 4 mit dem Hohlkolben 2 nach dem Nitrieren und/oder Härten und Endbearbeiten der Mantelfläche 2c als letzten Arbeitsgang durchzuführen.The hollow piston 2 is preferably also prefabricated and made available in large numbers as a prefabricated piston blank. In this prefabrication form, the recess edge 7 extends axially with an inner diameter d, which can be adapted to the diameter of the joint ball 4 or the joint recess 5 , taking into account a play in movement, so that the joint ball 4 can be inserted into the joint recess 5 . The front cover 12 and the remaining piston part 2 b are produced with a cross-sectional oversize x, which is hardened after welding, if necessary after prior nitriding and finished by machining, eg. B. by grinding. The sequence of the method steps before or after welding, namely the incorporation of the cavity 9 of the joint recess 5 and the channel 19 a, can be as desired. It is advantageous to carry out the positive connection of the joint ball 4 with the hollow piston 2 after the nitriding and / or hardening and finishing of the lateral surface 2 c as the last step.
Zum Verbinden werden die Gelenkkugel 4 und die Gelenkausnehmung 5 zusammengesteckt und gegebenenfalls der Gleitschuh 3 in seiner mittleren Stellung gehalten, was durch Abstützen erfolgen kann. Dann wird der Ausnehmungsrand 7 mittels einer geeigneten Heizvorrichtung, z. B. in Form eines andeutungsweise dargestellten Heizringes 23 etwa in der Breite der axialen Länge b, auf eine Temperatur erwärmt, bei der die Härte des Materials vermindert wird, so daß auch nach dem Erkalten des Materials der Ausnehmungsrand 7 mit geringeren Verformungskräften gebördelt werden kann oder auf eine Temperatur erwärmt werden kann, bei der die Festigkeit des Materials verringert ist und der Ausnehmungsrand 7 warmgebördelt werden kann. In beiden Fällen läßt sich der Ausnehmungsrand 7 mit relativ geringen Kräften plastisch in die in Fig. 1 dargestellte, die Gelenkkugel 4 formschlüssig hintergreifende Form bördeln.To connect the joint ball 4 and the joint recess 5 are plugged together and, if necessary, the slide shoe 3 is held in its middle position, which can be done by supporting. Then the recess edge 7 by means of a suitable heating device, for. B. in the form of an indicated heating ring 23 about the width of the axial length b, heated to a temperature at which the hardness of the material is reduced, so that even after cooling of the material the recess edge 7 can be flanged with lower deformation forces or can be heated to a temperature at which the strength of the material is reduced and the recess edge 7 can be hot flanged. In both cases, the recess edge 7 can be crimped plastically with relatively low forces into the shape shown in FIG. 1 which engages behind the articulated ball 4 in a form-fitting manner.
Die verhältnismäßig geringen Verformungskräfte stellen sicher, daß der Ausnehmungsrand 7 ohne eine mechanische Überlastung des z. B. aus weicherem Material bestehenden Gleitschuhs 3 verformt wird. Das Erwärmen kann durch direkte Erwärmung z. B. mittels einer Flamme oder induktiv durch eine induktive elektrische Heizvorrichtung erfolgen. Durch das lokale Erwärmen des Ausnehmungsrandes 7 wird in diesem Bereich das gehärtete Material wieder weich und es kann somit leicht verformt werden, ohne daß der übrige Bereich des Kolbens 2 wesentliche Härteverluste erleidet.The relatively low deformation forces ensure that the recess edge 7 without mechanical overloading of the z. B. existing soft shoe 3 is deformed. The heating can be done by direct heating e.g. B. by means of a flame or inductively by an inductive electric heater. Due to the local heating of the recess edge 7 , the hardened material becomes soft again in this area and it can thus be easily deformed without the remaining area of the piston 2 suffering significant losses in hardness.
Ein wesentlicher Vorteil des vorbeschriebenen Verfahrens besteht darin, daß der Hohlkolben 2 vor dem Zusammenfügen und Verbinden mit dem Gleitschuh 3 vollständig fertig bearbeitet werden kann, ohne daß bei der vorbeschriebenen Erwärmung besondere Maßnahmen im Hinblick auf das Bördeln erforderlich wären, wie z. B. Abdecken des zu verformenden Ausnehmungsrandes 7 beim Nitrieren, insbesondere Gasnitrieren, Abdrehen bereits nitrierter Bereiche vor dem Bördeln usw. Durch Feinabstimmung der Vorgänge Erwärmen, Bördeln und Abkühlen kann das optimale Spiel der Kugelgelenkverbindung 1 sehr einfach eingestellt und auch in der Serienfertigung sicher reproduziert werden.A major advantage of the method described above is that the hollow piston 2 can be completely finished before assembling and connecting with the sliding block 3 , without special measures with regard to the flanging being required in the heating described above, such as, for. B. Covering the recess edge 7 to be deformed during nitriding, in particular gas nitriding, turning off already nitrided areas before flanging etc. By fine-tuning the processes of heating, flanging and cooling, the optimal play of the ball joint connection 1 can be set very easily and can also be reliably reproduced in series production .
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung führt zum einen zu einer wesentlichen Stabilisierung des Hohlkolbens 2 und zwar nicht nur hinsichtlich Biegespannungen sondern bezüglich axialen Druckspannungen, denen der Hohlkolben 2 insbesondere bei einem Druckhub ausgesetzt ist, bei dem eine durch den Pfeil 25 verdeutlichte Druckkraft gegen seine Arbeitsfläche 26 an seinem freien Ende wirkt, die vom Gleitschuh 3 in der Gelenkverbindung 1A aufgenommen wird. Dabei wird die mit dem Pfeil 27 verdeutlichte, gleich große und entgegengesetzte gerichtete Widerstandskraft in den Hohlkolben 2 eingeleitet wird und zwar gegen den Basisabschnitt 3. Der Basisabschnitt 3 ist somit das den Druckspannungen unmittelbar ausgesetzte Teil des Hohlkolbens 2.The configuration according to the invention leads on the one hand to a substantial stabilization of the hollow piston 2 and not only with regard to bending stresses but also with regard to axial compressive stresses to which the hollow piston 2 is exposed in particular during a pressure stroke, in which a pressure force, indicated by arrow 25 , against its working surface 26 on its surface free end acts, which is incorporated in the articulated joint 1 A from the shoe. 3 In this case, the equally large and opposite directional resistance force, indicated by arrow 27 , is introduced into the hollow piston 2 , specifically against the base section 3 . The base section 3 is thus the part of the hollow piston 2 which is directly exposed to the compressive stresses.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung bildet der Mittelzapfen 13 ein axial wirksames Stütz- bzw. Verbindungsteil, das bei der Wirksamkeit von Druckkräften 25, 27 die Druckspannung auf den Basisabschnitt 3 und den Deckel 12 verteilt, so daß diese Teile mit einer geringeren Druckspannung beaufschlagt werden. Deshalb können der Basisabschnitt 3 und/oder der Deckel 12 mit einer kleineren axialen Abmessung, d. h. dünner ausgebildet werden. Folglich läßt sich der Hohlkolben 2 oder auch eine diese Hohlkolben 2 aufweisende Kolbenmaschine, insbesondere Axialkolbenmaschine, mit einer entsprechend kürzeren Baulänge ausführen.In the embodiment according to the invention, the center pin 13 forms an axially effective supporting or connecting part which, when pressure forces 25 , 27 are effective, distributes the compressive stress to the base section 3 and the cover 12 , so that these parts are subjected to a lower compressive stress. Therefore, the base section 3 and / or the cover 12 can be designed with a smaller axial dimension, ie thinner. Consequently, the hollow piston 2 or a piston machine having this hollow piston 2 , in particular an axial piston machine, can be designed with a correspondingly shorter overall length.
Eine vergleichbare Stütz- und Stabilisierungswirkung übt der Mittelzapfen 13 auch bei einem Saughub des Hohlkolbens 2 aus, bei dem entgegen den Druckkräften 25, 27 gerichtete Zugkräfte an ihm wirksam sind. Auch diese Zugkräfte werden durch den Mittelzapfen 13 sowohl auf den Deckel 12 als auch auf den Basisabschnitt 13 verteilt und dadurch in ihrer Auswirkung verringert.The center pin 13 also exerts a comparable supporting and stabilizing effect during a suction stroke of the hollow piston 2 , in which tensile forces directed against the compressive forces 25 , 27 act on it. These tensile forces are also distributed by the central pin 13 both to the cover 12 and to the base section 13 and their effect is thereby reduced.
Die Stütz- und Stabilisierungsfunktion des Mittelzapfens 13 wird bereits dann erfüllt, wenn der Mittelzapfen 13 sich zwischen dem Basisabschnitt 3 und dem Deckel 12 erstreckt, wobei es sich um ein separates Bauteil handeln kann, das zwischen dem Basisabschnitt 3 und dem Deckel 12 gehalten ist. Bei einer solchen Ausgestaltung ist die Stütz- und Stabilisierungsfunktion des Mittelzapfens 13 jedoch auf eine Druckspannung begrenzt, da er mangels Verbindung mit dem Basisabschnitt 3 und dem Deckel 12 lediglich Druckspannungen weiterzuleiten vermag. Beim Vorhandensein von Zugspannungen wäre ein solcher Mittelzapfen 13 unwirksam. Da jedoch im Funktionsbetrieb der Kolbenmaschine die auftretenden Zugkräfte beim Saughub wesentlich geringer sind als beim Druckhub, kann auch ein solcher Mittelzapfen 13 in Form eines zusätzlichen Bauteils die Funktionsfähigkeit der Kolbenmaschine gewährleisten, da die Gefahr einer Überlastung hauptsächlich nur bei einem Druckhub besteht.The support and stabilization function of the center pin 13 is already fulfilled when the center pin 13 extends between the base section 3 and the cover 12 , which may be a separate component which is held between the base section 3 and the cover 12 . In such an embodiment, the support and stabilization function of the center pin 13 is limited to a compressive stress, since it is only able to transmit compressive stresses due to the lack of connection to the base section 3 and the cover 12 . Such a center pin 13 would be ineffective in the presence of tensile stresses. However, since the tensile forces occurring during the suction stroke during the functional operation of the piston machine are substantially lower than during the pressure stroke, such a center pin 13 in the form of an additional component can also ensure the functionality of the piston machine, since the danger of overloading exists mainly only during a pressure stroke.
Eine bevorzugte Herstellungsmaßnahme für den Mittelzapfen 13 und die Umfangswand 15 besteht darin, diese Teile durch Kalt- oder Warmfließpressen herzustellen. Bei einem solchen Herstellungsvorgang wird nicht nur eine höhere Festigkeit im Materialgefüge dieser Teile erzielt, sondern es werden durch das Fließpressen auch bezüglich des Grundes des Ringhohlraums 9 U-förmige Faserstrukturen im Material geschaffen, wodurch die Festigkeit der Stabilität weiter vergrößert wird. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, den Ringhohlraum 9 nicht spanlos sondern spanabhebend durch Tiefbohren zu fertigen.A preferred manufacturing measure for the central pin 13 and the peripheral wall 15 is to produce these parts by cold or hot extrusion. In such a manufacturing process, not only is a higher strength in the material structure of these parts achieved, but 9 -shaped fiber structures in the material are also created by the extrusion with respect to the bottom of the ring cavity, which further increases the strength of the stability. Within the scope of the invention, however, it is also possible to manufacture the annular cavity 9 not by cutting but by cutting by deep drilling.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 bei dem gleiche oder vergleichbare Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, unterscheidet sich vom vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, daß anstelle eines einstückig ausgebildeten Mittelzapfen 13 ein zweistückig gebildeter Mittelzapfen 13 vorgesehen ist, der durch einen Stift oder eine Hülse gebildet ist, der bzw. die in axialen Löchern 12a entsprechender Querschnittsgröße im Basisabschnitt 3 und im Deckel 12 sitzt und darin befestigt ist, z. B. durch Schweißen, Löten oder Kleben.The embodiment according to FIG. 2, in which the same or comparable parts are provided with the same reference numerals, differs from the above-described embodiment in that instead of an integrally formed center pin 13, a two-part center pin 13 is provided, which is formed by a pin or a sleeve, the one or more in axial holes 12 a corresponding cross-sectional size in the base portion 3 and in the lid 12 and is fixed therein, for. B. by welding, soldering or gluing.
Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 3 bis 5 umfassen Ausgestaltungen, die die Gleitlagerung des Gleitschuhs 3 verbessern. Diese Maßnahmen ermöglichen unter anderem den Körper 24 des Gleitschuhs 3 aus einem weniger gleitfreudigen Material zu fertigen, z. B. aus einem Metall größerer Festigkeit, z. B. aus Stahl. Dagegen ist es üblich, den Gleitschuh 3 aus Kupfer- und Zinklegierungen, wie z. B. Messing oder Bronze zu bilden. Diese Materialien haben zwar eine gute Gleiteigenschaft, jedoch ist ihre Festigkeit verhältnismäßig gering und geringer als Stahl. Bei der Ausgestaltung nach Fig. 3 ist die halbkugelförmige Fläche der Gelenkausnehmung 5 durch eine Gleitmaterialschicht 25, z. B. Messing oder Bronze, ausgekleidet. Diese Schicht 25 erstreckt sich bis zum Äquator 6 der Gelenkausnehmung 5. Wenn die Gleitmaterialschicht 25 dicker ist als ein Film, bedarf es einer Vergrößerung der radialen Abmessung der Ausnehmung 5 um die Schichtdicke.The exemplary embodiments according to FIGS. 3 to 5 include configurations that improve the sliding bearing of the sliding block 3 . These measures make it possible, among other things, to manufacture the body 24 of the sliding block 3 from a less slippery material, e.g. B. from a metal of greater strength, for. B. made of steel. In contrast, it is common to slide shoe 3 made of copper and zinc alloys, such as. B. form brass or bronze. Although these materials have good sliding properties, their strength is relatively low and lower than steel. In the embodiment according Fig. 3, the semi-spherical surface of the joint recess 5 by a sliding material layer 25, for. B. brass or bronze, lined. This layer 25 extends to the equator 6 of the joint recess 5 . If the sliding material layer 25 is thicker than a film, the radial dimension of the recess 5 needs to be increased by the layer thickness.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, bei dem gleiche oder vergleichbare Teile ebenfalls mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, erstreckt sich die Gleitlagerschicht 25 auch bis in den Bereich des Ausnehmungsrandes 7. Hierdurch ist auch beim Auftreten von Zugkräften an der Kolbenanordnung 1 ein verhältnismäßig geringer Verschleiß an der ringzonenförmigen Gleitfläche des Ausnehmungsrandes 7 gewährleistet. Bei dieser Ausgestaltung ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, den Ausnehmungsrand 7 durch das Gleitlagematerial zu bilden und hierdurch ist aufgrund der geringeren Festigkeit des Gleitlagermaterials im Vergleich zu Stahl ein leichteres Bördeln des Ausnehmungsrandes 7 ermöglicht. In the embodiment according to FIG. 4, in which the same or comparable parts are also provided with the same reference numerals, the slide bearing layer 25 also extends into the region of the recess edge 7 . As a result, a relatively low wear on the ring-zone-shaped sliding surface of the recess edge 7 is ensured even when tensile forces occur on the piston arrangement 1 . With this configuration, it is also possible within the scope of the invention to form the recess edge 7 by means of the slide layer material, and this makes it easier to flare the recess edge 7 due to the lower strength of the slide bearing material compared to steel.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, bei dem gleiche oder vergleichbare Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, ist eine entsprechende Gleitlagerschicht 26 an der vorzugsweise ebenen Fußfläche 21 des Gleitschuhkörpers 24 angeordnet. Diese Gleitmaterialschicht 25 kann sich über die gesamte Fläche der Fußfläche 21 oder nur über Teilflächen, z. B. in Form von vorzugsweise konzentrischen Ringen erstrecken. Bei diesem Ausführungsbeispiel können die Gleitlagerausgestaltungen nach Fig. 3 und/oder 4 ebenfalls ausgebildet sein.In the embodiment according to FIG. 5, in which the same or comparable parts are provided with the same reference symbols, a corresponding slide bearing layer 26 is arranged on the preferably flat foot surface 21 of the slide shoe body 24 . This sliding material layer 25 can cover the entire surface of the foot surface 21 or only partial areas, for. B. extend in the form of preferably concentric rings. In this embodiment, the slide bearing configurations can of FIG. 3 and / or 4 are also formed.
Bei der Gleitmaterialschicht 25, 26 kann es sich um eine vorgefertigte Materialschicht handeln, die z. B. durch Löten, Schweißen und Kleben an der sie tragenden Fläche befestigt ist oder es kann sich auch um einen Schichtauftrag handeln, der in einem flüssigen oder teigigen Zustand aufgetragen wird und dann erhärtet.The sliding material layer 25 , 26 can be a prefabricated material layer which, for. B. is fixed by soldering, welding and gluing to the surface supporting it, or it can also be a layer application that is applied in a liquid or pasty state and then hardens.
Infolge dessen können sowohl der Basisabschnitt 11 als auch der Endabschnitt bzw. Deckel 12 mit einer kleineren axialen Abmessung, d. h. dünner, ausgebildet werden, wodurch sowohl die axiale Länge verringert wird als auch Material und Gewicht eingespart wird.As a result, both the base section 11 and the end section or cover 12 can be formed with a smaller axial dimension, that is to say thinner, as a result of which both the axial length is reduced and material and weight are saved.
Claims (14)
wobei ein Ausnehmungsrand (7) der Gelenkausnehmung (5) den Äquator (6) der Gelenkausnehmung (5) überragt und die Gelenkkugel (4) formschlüssig hintergreift,
wobei der Hohlkolben (2) einen Basisabschnitt (11) aufweist, an dessen einem Ende die Gelenkausnehmung (5) und der Ausnehmungsrand (7) angeordnet sind,
und wobei sich vom Basisabschnitt (11) in der der Gelenkausnehmung (5) gegenüberliegenden Achsrichtung einstückig eine Umfangswand (15) erstreckt, die den Hohlraum (9) umgibt, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hohlraum (9) des Hohlkolbens (2) durch einen Deckel (12) geschlossen ist, der mit der Umfangswand (15) verbunden ist, und der Hohlkolben (2) einen Mittelzapfen (13) aufweist, der sich vom Basisabschnitt, (11) bis zum Deckel (12) erstreckt.1. The piston assembly (1) for a piston engine, comprising a hollow piston (2) and a shoe (3) which are connected by a ball joint connection (1 A) pivotally connected together, by a joint ball (4) on the slide shoe (3) and a hemispherical joint recess ( 5 ) is formed in the hollow piston ( 2 ),
wherein a recess edge (7) projects beyond the joint recess (5) to the equator (6) of the joint recess (5) and the joint ball (4) engages behind a form-fitting,
the hollow piston ( 2 ) having a base section ( 11 ), at one end of which the joint recess ( 5 ) and the recess edge ( 7 ) are arranged,
and wherein a peripheral wall ( 15 ), which surrounds the cavity ( 9 ), extends in one piece from the base section ( 11 ) in the axial direction opposite the joint recess ( 5 ), characterized in that
that the cavity ( 9 ) of the hollow piston ( 2 ) is closed by a cover ( 12 ) which is connected to the peripheral wall ( 15 ), and the hollow piston ( 2 ) has a central pin ( 13 ) which extends from the base section ( 11 ) extends to the cover ( 12 ).
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